CN1248298A - 用于溅射的电源装置和使用该装置的溅射设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于溅射的电源装置,通过在放电开始压力以下实现稳定的溅射,使由于与用于溅射的惰性气体的碰撞产生的溅射粒子的散射减少,可以改善阶梯覆盖度和改善溅射膜的致密性。按照本发明,提供用于溅射的电源装置,它包括溅射用直流电源(A),与该直流电源连接的恒流电路(B),与该恒流电路(B)连接的溅射源(21),和进行控制使从恒流电路(B)输出的电流变为恒定电流的控制部分(11)。
Description
本发明涉及用于在半导体、电子部件、装饰部件上形成薄膜的溅射设备的电源装置和使用该装置的溅射设备。
通过使用在靶的背面配置磁铁的溅射源的溅射设备，在半导体、电子部件、装饰部件等上形成薄膜的技术正在普及。在这种溅射设备中，在真空槽中预先导入作为放电气体的例如Ar那样的惰性气体，在该真空槽中配置溅射源，通过在该溅射源上施加负电压产生磁控管放电，使导入真空槽中的放电气体电离，加速被电离的正氩离子，轰击该溅射源的靶表面，使靶表面被溅射蒸发。使这种溅射粒子沉积在基板上，形成由靶材料构成的薄膜的过程称为溅射。
在进行这种溅射当中，存在磁控管放电会变为电弧放电的情况。于是，一旦磁控管放电过渡为电弧放电，就不能进行溅射。
因此，在电弧放电发生后，不仅立即减少上述溅射源，而且还施加具有正电位的反向电压脉冲，抑制电弧放电的产生。
为了防止这种电弧放电，以往实施以下所示的防止对策。
(1)把镇流电阻和扼流圈串联装入负载。
(2)使用断续的直流电源。
(3)在直流电源和负载之间装入限制电流的扼流圈、共振用的电抗线圈和电容器，利用电弧放电时产生的电压、电流的振动施加反向电压，停止电弧放电。
(4)用二极管箝位(3)的反向电压，防止反方向的电弧放电，更可靠地防止电弧放电。
(5)检测电弧放电，仅在一定时间暂停直流电源的输出。
(6)检测电弧放电，在负载上施加一定时间的反向电压。
(7)在与电弧放电检测无关的负载上按一定的间隔施加反向电压。
但是，在(1)的电路中，如果在负载上串联装入镇流电阻，那么因该电阻造成的消耗功率变大，不能制作大功率的溅射电源。此外，在扼流圈的情况下，因布线的寄生元件(L、C)因而几乎不断出现(3)的电路情况。在这种情况下，存在因直流溅射放电的负特性造成放电电压、电流振动的问题。
此外，(2)的电路存在控制电弧放电过慢的问题。这是因为用SCR控制变压器的初级侧，而仅用二极管整流次级侧的缘故，溅射放电的断续变成交流线路的频率，从电弧放电产生至消除的时间变成SCR的起辉相角，作为电弧放电控制，存在延缓的问题。
此外，(3)～(7)的电路在按放电开始压力以下的气体压力进行溅射的情况下，存在直流溅射放电特性变为负特性，放电电压、电流振动的问题。这是因为从负荷观察的电源特性没有恒定电流特性，相对于负阻抗特性没有稳定点的缘故。会振动的原因在于，在直流电源的输出中装入了用于平滑的电容器。
可是，在放电现象中有各种各样的滞后现象。作为这种滞后，可提高放电开始电压和放电电压、放电开始压力和放电停止压力等。此时，如果测定放电停止压力，那么不能得到象开始压力那样的再现性良好的数据。如果调查其原因，那么在放电开始压力以下的压力下停止磁控管放电的原因有：
(1)随着压力下降，产生放电电压、电流的振动，使磁控管放电停止。
(2)发生电弧放电而停止。
等等。就是说，由于磁控管放电不仅因磁控管溅射源的特性而停止，还因放电电压、电流的振动和电弧放电而停止，所以判明不能得到放电停止压力的再现性。
这样，在以往的电弧放电对策中，在比放电开始压力低的压力下就不能进行稳定的溅射。
鉴于上述问题，本发明的目的在于，通过在放电开始压力以下实现稳定的溅射，减少因与用于溅射的惰性气体碰撞产生的溅射粒子的散射，提供可以改善阶梯覆盖度，改善溅射膜致密性的溅射用电源装置和使用该装置的溅射设备。
按照本发明的一个方案，提供用于溅射的电源装置，它包括溅射用直流电源，与该直流电源连接的恒流电路，与该恒流电路连接的溅射源，和进行控制使从所述恒流电路输出的电流变为恒定电流的控制部分。
因此，即使在溅射源呈现负阻抗特性的情况下，利用恒流电路，也可以使溅射源的电压和电流不振荡。因此，在呈现负阻抗特性的压力下，比放电开始压力低的压力的溅射源可以稳定地产生磁控管放电，可以进行稳定的溅射。
此外，由于为恒定电流，溅射功率的计算不按电压和电流的瞬时值相乘的平均来计算，而由不包括电压的反向电压的平均值与恒定电流的积求出，所以可以进行功率精度高的溅射。
图1是本发明一实施例的用于溅射的电源装置的电路和使用该装置的溅射设备的示意图。
下面，参照附图说明本发明的一实施例。
图1是用于溅射的电源装置的电路和使用该装置的溅射设备的示意图。在图1中，11是控制用于溅射的电源装置的控制部分。
此外，12是例如800V的溅射用直流电源。在该直流电源12的两极之间，并联连接电容器13。用该直流电源12和电容器13构成溅射用直流电源A。
此外，直流电源12的负极与开关晶体管Q1的发射极连接。该开关晶体管Q1的栅极与控制部分11连接。
此外，在开关晶体管Q1的集电极和直流电源12的正极之间，连接续流二极管D1。
开关晶体管Q1的集电极通过扼流圈L与反向电压施加电路C内的开关晶体管Q2的发射极连接。
再有，由晶体管Q1、二极管D1、扼流圈L构成恒流电路B。
此外，在晶体管Q1的集电极和扼流圈L之间，设置电流检测器14。该电流检测器14的两端与控制部分11连接。
在开关晶体管Q2的集电极上，连接反向电压源15的正极。该反向电压源15的负极与地线a连接。由晶体管Q2、反向电压源15构成反向电压施加电路C。
晶体管Q2的发射极与二极管D2的负极连接。在该二极管D2上并联连接电阻R1。
由该二极管D2和电阻R1构成反方向电弧放电防止电路。
此外，二极管D2的正极通过电阻R2、R3与接地线a连接。该电阻R2和R3的连接点与控制部分11连接。
由电阻R2和R3构成作为电弧检测装置的负载电压测定电路D。
而且，二极管D2的正极与溅射源21连接。
此外，22表示真空槽。在该真空槽22中配置基板23。
而且，在该真空槽22中连接管路24。在该管路24中，装配开闭阀25a和25b。此外，在该真空槽22的底面上，连接排气管路22a，在该排气管路22a上，装配真空泵22b。由溅射设备的控制部分26来驱动该真空泵22b。
溅射设备控制部分26与控制部分11连接。该溅射设备控制部分26由包括计算机等的控制电路等构成。
该溅射设备控制部分26对真空泵22b的起动、停止、开闭阀25a、25b的开闭进行控制，同时对控制部分11输出放电开始信号S。
在上述图1的电路中，在恒流电路B和溅射源21之间，除溅射源的寄生静电电容和布线的静电电容外，未设置静电电容。
这是因为在恒流电路B和溅射源21之间，在设置溅射源21的寄生静电电容和布线的静电电容以外的静电电容的情况，并在溅射源21变为负阻抗特性的情况下，因布线的寄生阻抗、静电电容和负阻抗特性会使电路振荡的缘故。
下面，说明有上述结构的本发明一实施例的操作。首先，溅射设备控制部分26起动真空泵22b，对真空槽22排气达到真空。接着，关闭阀门25a，打开阀门25b，在向管路24内填充Ar气后，关闭阀门25b。接着，打开阀门25a，几乎同时向用于溅射的电源装置的控制部分11输出放电开始信号S。如果打开阀门25a，那么管路24内的Ar气以脉冲状流入真空槽22内，使真空槽22内的压力呈脉冲状上升。此时，从控制部分11向开关晶体管Q1的基极输出开关信号S1。其结果，在溅射源21上施加直流电源12的负电压。因此，在真空槽22中产生磁控管放电。
再有，通过预先选择真空槽22的容积、管路24的容积、导入的Ar气的压力和真空泵22b的排气速度，由于导入这种气体脉冲，真空槽22的压力在使溅射开始压力达到恒定电流操作，但仅超过必要时间的状况进行预先设定。
通过设定这样的时间，如果使直流电源12预先操作，那么在导入气体脉冲时，由于恒流电路B正在操作，所以即使溅射室22的压力下降，也可以使磁控管继续放电。
通过这种磁控管放电，在放电空间中形成氩等离子体。将该等离子体中的氩正离子被负电压差加速，轰击溅射源21的靶的表面。利用这种轰击，使靶的表面被溅射蒸发。因此，将该溅射粒子堆积在基板23上，可形成由靶材料构成的薄膜，把这样的过程称为溅射。
此外，控制部分11使晶体管Q1断续地导通，将直流电源12的输出施加给扼流圈L。
其中，在真空槽22中，在正常的磁控管放电产生之中，用电流检测器14检测在恒流电路B内流动的电流，为了使该检测电流变得恒定，改变对晶体管Q1的导通/截止进行控制的开关信号S1的占空比，以流动恒定电流。
可是，续流二极管D1起到在晶体管Q1变为截止时使电流继续在扼流圈L中流动的作用。
此外，在溅射源21上施加的电压在用负载电压测定电路D的电阻R2、R3分压后，输入给控制部分11。而且，在该控制部分11内，根据由负载电压测定电路D测定的负载电压和由电流检测器14检测的电流值，测定供给溅射源21的溅射功率。而且，为了使该溅射功率达到设定值，使从晶体管Q1输出的开关信号S1的占空比可变，进行恒定电流值控制。
可是，高精度地求出溅射功率在处理的高精度化上十分重要。功率＝电压×电流，但如果负载电压和负载电流两方面都有振动，那么不在该瞬间进行电压×电流的计算，就得不到正确的功率。在本实施例中，由于在恒流电路B中电流为恒定，所以即使平均电压后再进行相乘运算，结果也不改变。其中，由于施加反向电压期间包含电压的平均，非溅射期间也包含电压的平均，所以如果有在该期间为电压＝0的电压平均电路，那么就可以仅求出溅射功率。
可是，由于溅射电压通常在300V以上，而电弧放电电压在150V以下，所以通过用负载电压测定电路D检测施加在溅射源21上的负载电压，可以判断溅射是正常进行，还是产生了电弧放电。
而且，如果用负载电压测定电路D测定的负载电压在150V以下，那么控制部分11就判断为在真空槽22内产生了电弧放电，并向开关晶体管Q2的基极输出开关信号S2。
由此，晶体管Q2仅导通数μs，通过在溅射源21上仅施加数μs的反向电压源15，可以消除在真空槽22中产生的电弧放电。
使真空槽22内达到真空，将气体脉冲导入真空槽22内，然后，在溅射源21上施加负电压，进行控制使恒流电路B输出的电流变为恒定电流，同时用负载电压测定电路D检测在溅射源21上发生电弧放电的情况下，由于进行控制将从反向电压施加电路C输出的反向电压施加给溅射源21，所以在真空槽22内最初仅导入气体脉冲，在真空槽22内可以继续进行磁控管放电。
如果时常用真空泵对真空槽22内抽真空，那么即使真空槽内的惰性气体被完全排出，在真空槽22内继续进行磁控管放电的情况是用被溅射的靶材料原子代替已没有的惰性气体进行电离，进行自身溅射。
由此，由于在真空槽22内处于没有惰性气体的状态下，也可以进行溅射，所以从溅射源21的靶发射的金属原子不受惰性气体的轰击，便可以堆积在基板上。
例如，首先把脉冲状的Ar气体导入真空槽22，在溅射源21的靶为Cu时，在真空槽22中不补充Ar气体，就可以在基板23上进行溅射。
因此，即使溅射源21的靶与基板23的距离充分地拉开，由于因氩气造成的散射很小，在基板上可以堆积靶的原子，所以即使大的基板和有复杂形状的物品上也可以进行溅射。
可是，在装入反向电压源15的情况下，由于流动的电流通过电阻R1流入，所以通过将该电阻R1的值设定为适当的值，通过作为电流限制阻抗的R1把反向电压源15施加给溅射源21，可以防止反方向电弧放电的发生。
此外，在把仅数μs的反向电压源15施加给溅射源21后，用负载电压测定电路D检测的负载电压处于例如150V以下发生电弧放电的电压情况下，再次使晶体管Q2仅导通数μs，对溅射源21仅施加数μs的反向电压源15。反复进行该动作，直至用负载电压测定电路D检测的负载电压达到溅射电压，例如达到300V以上为止。
如果在电弧放电中进行控制使按功率计算确定的恒定电流值不变更，那么流过扼流圈L的电流就保持恒定。因此，如以往电路那样，如果使反向电压施加时间变长，同时多次反复，那么会使流过扼流圈L的电路电流增加，可能出现因扼流圈L的铁芯的磁饱和所造成的不能进行控制的现象。
再有，在上述实施例中，在用负载电压测定电路D检测电弧放电发生的情况下，把反向电压源15施加给溅射源21，但即使用负载电压测定电路D未检测出电弧放电发生，通过定期地把反向电压源15施加给溅射源21，也可以防止电弧放电的发生。
此外，把控制部分11和溅射设备控制部分26作为分开的控制部分进行了说明，但显然也可以把两者合并，构成一个控制部分。
按照本发明所述的第一方案，即使在溅射源呈现负阻抗特性的情况下，利用恒流电路，可以使溅射源的电压和电流不振荡。因此，与放电开始压力相比，在低压力的溅射源呈现负阻抗特性压力时，也可以稳定地产生磁控管放电，可以进行稳定的溅射。
此外，由于为恒定电流，即使溅射功率的计算不是电压与电流的瞬时值相乘的平均，仍可以用不包含电压的反向电压的平均值与恒定电流的积求出溅射功率，所以仍可以进行功率精度高的溅射。
按照本发明所述的第二方案，在具有与上述本发明第一方案相同效果的同时，由于在用负载电压测定电路检测电弧放电时，从反向电压施加电路向溅射源施加反向电压，所以还可以防止电弧放电的发生。
按照本发明所述的第三方案，在具有与上述本发明第三方案相同效果的同时，通过设置反方向电弧放电防止电路，还可防止反向电压施加时发生的反方向电弧放电，在返回到溅射电压极性时可以降低变为电弧放电的概率。
按照本发明所述的第四至第五方案，具有与上述本发明第三方案相同的效果。
按照本发明所述的第六方案，在具有与上述本发明第一方案至第五方案相同效果的同时，通过使恒流电路和溅射源之间的静电电容最小，利用布线阻抗、静电电容和溅射源的负阻抗特性，还可以防止放电电压、电流振荡。
按照本发明所述的第七方案，通过恒定电流控制，相对于呈现放电开始压力以下的负阻抗特性的溅射源，由于可以稳定地溅射，所以即使溅射源的靶与基板的间隔拉开，因Ar气体造成的散射也很少。因此，在大的基板和复杂形状的物品上也可以进行溅射。
按照本发明所述的第八方案，在具有与上述本发明第七方案相同效果的同时，由于还可以防止因电弧放电造成的放电停止，所以可以提供稳定的生产装置。
按照本发明所述的第九方案，可以提供电弧防止效果比上述第八方案还高的稳定的生产装置。
按照本发明所述的第十至第十一方案，在具有与上述本发明第九方案相同效果的同时，通过使电弧放电防止效果最佳化，还可以提供使溅射稳定的生产装置。
按照本发明所述的第十二方案，在具有与上述本发明第七至第十一方案相同效果的同时，由于使恒流电路和溅射源之间的静电电容最小，利用布线阻抗、静电电容和溅射源的负阻抗特性，可以防止放电电压、电流振荡，并且还可以提供更稳定的生产装置。
Claims (12)
1.一种用于溅射的电源装置，它包括：
溅射用直流电源，
与该直流电源连接的恒流电路；
与该恒流电路连接的溅射源；以及
控制部分，用于控制从所述恒流电路输出的电流使之成为恒定电流。
2.一种用于溅射的电源装置，它包括：
溅射用直流电源，
与该直流电源连接的恒流电路；
与该恒流电路连接的溅射源；
反向电压施加电路，对该溅射源施加反向电压；
负载电压测定电路，检测所述溅射源所产生的电弧放电；以及
控制部分，用于控制从所述恒流电路输出的电流使之成为恒定电流，同时在由所述负载电压测定电路检测出所述溅射源产生电弧放电的情况下，从所述反向电压施加电路向所述溅射源施加反向电压。
3.一种用于溅射的电源装置，它包括：
溅射用直流电源，
与该直流电源连接的恒流电路；
与该恒流电路连接的溅射源；
反向电压施加电路，对该溅射源施加反向电压；
负载电压测定电路，检测所述溅射源所产生的电弧放电；
反方向电弧放电防止电路，由在所述反向电压施加电路与所述溅射源的靶之间，在流过溅射放电电流的电流方向上连接的正方向阻抗和与该正方向阻抗并联连接的防止反方向电弧放电发生的反方向阻抗构成；和
控制部分，控制从所述恒流电路输出的电流使之成为恒定电流，同时在由所述负载电压测定电路检测出所述溅射源产生电弧放电的情况下，从所述反向电压施加电路向所述溅射源施加反向电压。
4.如权利要求3所述的用于溅射的电源装置，其特征在于，在所述反方向电弧放电防止电路中，使反方向阻抗比正方向阻抗大。
5.如权利要求3所述的用于溅射的电源装置，其特征在于，在所述反方向电弧放电防止电路中，正方向阻抗为二极管，而反方向阻抗由电阻构成。
6.如权利要求1至权利要求5中任一项所述的用于溅射的电源装置，其特征在于，在所述恒流电路和溅射源之间，未设置溅射源的寄生静电电容和布线的静电电容以外的静电电容。
7.一种溅射设备，它包括：
接地的真空槽；
配置在该真空槽中的溅射源；
基板，与该溅射源的靶对置地配置在所述真空槽中；
溅射用直流电源；
恒流电路，与该直流电源连接，同时与所述溅射源连接；
溅射设备控制部分，控制开闭阀使所述真空槽排气达到真空，以便向该真空槽内导入气体脉冲，同时向控制部分输出放电开始信号；和
控制部分，输入来自该溅射设备控制部分的放电开始信号，控制从所述恒流电路输出的电流使之变为恒定电流。
8.一种溅射设备，它包括：
接地的真空槽；
配置在该真空槽中的溅射源；
基板，与该溅射源的靶对置地配置在所述真空槽中；
溅射用直流电源；
恒流电路，与该直流电源连接，同时与所述溅射源连接；
反向电压施加装置，对所述溅射源施加反向电压；
负载电压测定电路，检测所述溅射源所产生的电弧放电；
溅射设备控制部分，控制开闭阀使所述真空槽排气达到真空，以便向该真空槽内导入气体脉冲，同时向控制部分输出放电开始信号；和
控制部分，输入来自该溅射设备控制部分的放电开始信号，控制从所述恒流电路输出的电流使之变为恒定电流，同时在由所述负载电压测定电路检测出所述溅射源发生电弧放电的情况下，从所述反向电压施加装置向所述溅射源施加反向电压。
9.一种溅射设备，它包括：
接地的真空槽；
配置在该真空槽中的溅射源；
基板，与该溅射源的靶对置地配置在所述真空槽中；
溅射用直流电源；
恒流电路，与该直流电源连接，同时与所述溅射源连接；
反向电压施加装置，对所述溅射源施加反向电压；
负载电压测定电路，检测所述溅射源所产生的电弧放电；
反方向电弧放电防止电路，由在所述反向电压施加装置与所述溅射源的靶之间，在溅射放电电流的流动方向上连接的正方向阻抗和与该正方向阻抗并联连接的防止反方向电弧放电发生的反方向阻抗构成；
溅射设备控制部分，控制开闭阀使所述真空槽排气达到真空，以便向该真空槽内导入气体脉冲，同时向控制部分输出放电开始信号；和
控制部分，输入来自该溅射设备控制部分的放电开始信号，控制从所述恒流电路输出的电流使之变为恒定电流，同时在由所述负载电压测定电路检测出所述溅射源发生电弧放电的情况下，从所述反向电压施加装置向所述溅射源施加反向电压。
10.如权利要求9所述的溅射设备，其特征在于，在所述反方向电弧放电防止电路中，使反方向阻抗比正方向阻抗大。
11.如权利要求9所述的溅射设备，其特征在于，在所述反方向电弧放电防止电路中，正方向阻抗为二极管，而反方向阻抗由电阻构成。
12.如权利要求7至权利要求11中任一项所述的溅射设备，其特征在于，在所述恒流电路和溅射源之间，未设置溅射源的寄生静电电容和布线的静电电容以外的静电电容。
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