JP2006528731A - High peak power plasma pulse power supply by arc handling - Google Patents

Abstract

マグネトロンスパッタリングシステムで、ピーク電力密度が１ｋＷ／ｃｍ^２超で、ピーク電力を０．１ＭＷ〜数ＭＷまで供給できる能力を有するパルスＤＣ電源を備えたシステムが提供される。高度イオン化状態のスパッタリングプラズマが、最初にアーク放電状態となることなく、生成する。電源には、パルス回路を含み、そのパルス回路は、エネルギー蓄積キャパシターと、プラズマからパルス回路を遮断するためのスイッチ手段を有するインダクターと直列に接続しており、その手段はまた、アーク条件を検出し、インダクターエネルギーをエネルギー蓄積キャパシターへとリサイクルする。そのエネルギー蓄積キャパシターと、直列に接続したインダクターは、プラズマに見合ったインピーダンスを供給し、電流の立ち上がり速度と、アーク時のピークの大きさを制限し、プラズマへの電圧パルスを整形する。A magnetron sputtering system is provided that includes a pulsed DC power supply with a peak power density greater than 1 kW / cm ² and the ability to supply peak power from 0.1 MW to several MW. Highly ionized sputtering plasma is generated without first arcing. The power supply includes a pulse circuit, which is connected in series with an energy storage capacitor and an inductor having a switch means for isolating the pulse circuit from the plasma, which means also detects arc conditions And recycle inductor energy into energy storage capacitors. The energy storage capacitor and the inductor connected in series supply an impedance commensurate with the plasma, limit the rising speed of the current and the magnitude of the peak during arcing, and shape the voltage pulse to the plasma.

Description

（発明の分野）
本発明は、一般に、マグネトロンスパッタリング装置および方法に関し、より詳細には、アークハンドリング能力を用いて、高ピーク電力をスパッタリングマグネトロンプラズマ負荷に供給するマグネトロンスパッタリング装置に関する。 (Field of Invention)
The present invention relates generally to a magnetron sputtering apparatus and method, and more particularly to a magnetron sputtering apparatus that uses arc handling capabilities to provide high peak power to a sputtering magnetron plasma load.

（従来技術の簡単な説明）
金属イオンを発生させ、電気バイアスをかけて、そのイオンを工作物に引き付け、基板をコーティングすることは望ましいことである。このアプローチの効用には、通常のスパッタリング（このスパッタリングは、基本的には、スパッタリング源から工作物形態までの視線を必要とする）による均一な堆積を阻み得る凹凸を有する表面のコーティングという用途がある。堆積コーティングのみならず、半導体デバイスで高アスペクト比のトレンチを埋めることですら、ウェハにバイアスをかけ、イオンを引き付ければ、可能である。これについては、Ｍｏｎｔｅｉｒｏによる、ＪＶＳＴ Ｂ １７（３），１９９９ｐｇ．１０９４で、また、ＬｕとＫｕｓｈｎｅｒによる、ＪＶＳＴ Ａ １９（５），２００１ ｐｇ．２６５２で報告されている。 (Simple explanation of the prior art)
It is desirable to generate metal ions, apply an electrical bias, attract the ions to the workpiece, and coat the substrate. The utility of this approach is the application of surface coatings with irregularities that can impede uniform deposition by normal sputtering (which basically requires a line of sight from the sputtering source to the workpiece form). is there. Filling high aspect ratio trenches with semiconductor devices as well as deposited coatings is possible by biasing the wafer and attracting ions. This is described by Monteiro, JVST B 17 (3), 1999 pg. 1094, and Lu and Kusner, JVST A 19 (5), 2001 pg. 2652.

スパッタリング堆積は、高度イオン化状態のプラズマを利用して、促進され得る。従来型スパッタリングマグネトロンを稼動し、高ピーク電力と低い負荷時間率を有する電気パルスで、高度にイオン化され、高密度を有する金属プラズマを発生させる方法は、Ｋｏｕｚｎｅｔｓｏｖらによって、Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １２２（１９９９）ｐｇ．２９０に報告されている。さらなる教示は、ＭａｃａｋらのＪＶＳＴ Ａ １８（４），２０００ｐｇ．１５５３、ＧｕｄｍｕｎｄｓｓｏｎらのＡＰＬ，Ｖｏｌ．７８，Ｎｏ．２２，２８ Ｍａｙ ２００１，ｐｇ．３４２７、および、ＥｈｉａｓａｒｉａｎらのＶａｃｕｕｍ ６５（２００２）ｐ．１４７にも、見出すことができる。   Sputter deposition can be facilitated utilizing a plasma in a highly ionized state. A method of operating a conventional sputtering magnetron and generating a highly ionized and dense metal plasma with electrical pulses having high peak power and low load time ratio is described by Kouznetsov et al., Surface and Coatings Technology 122 (1999). ) Pg. 290. Further teachings can be found in Macak et al., JVST A 18 (4), 2000 pg. 1553, Gumdundsson et al., APL, Vol. 78, no. 22, 28 May 2001, pg. 3427 and Ehiasarian et al., Vacuum 65 (2002) p. 147 can also be found.

米国特許番号第６，２９６，７４２ Ｂ１号には、マグネトロンスパッタリング向けの完全にイオン化したプラズマを発生させる方法が記載されている。パルス発生器が、スパッタリングターゲットに、１０ＭＷまでのパルスを発生させる。その結果、スパッタリングガスが完全にイオン化する。この方法で、スパッタリングガスは、まず、グロー放電状態の形をとり、次いで、アーク放電状態になり、最終的に、完全イオン化状態になる。その特許の図１に示されように、アーク放電状態は、異常グロー放電領域の電流密度以上になった場合に起こるブレークダウン状態として、記述でき、電流密度が一段と高くなったときに、プラズマ電圧が急激な低下によって示されるようなプラズマインピーダンスの急激な低下によって特徴づけられる。実際のシステムでは、通常、せいぜい数十ボルトのプラズマにおける電圧降下で示され、スパッタリングターゲットのある一部とチャンバーとの間で、放電をともない得る。‘７４２特許は、この特許の教示に基づけば、プラズマは、このアーク領域を通過した後、完全にイオン化すると、指摘している。   US Pat. No. 6,296,742 B1 describes a method for generating a fully ionized plasma for magnetron sputtering. A pulse generator generates pulses up to 10 MW at the sputtering target. As a result, the sputtering gas is completely ionized. In this way, the sputtering gas first takes the form of a glow discharge state, then into an arc discharge state, and finally into a fully ionized state. As shown in FIG. 1 of that patent, the arc discharge state can be described as a breakdown state that occurs when the current density in the abnormal glow discharge region is exceeded, and when the current density becomes higher, the plasma voltage Is characterized by a sudden drop in plasma impedance as shown by the sudden drop. In practical systems, it is usually indicated by a voltage drop in a plasma of no more than a few tens of volts and can be accompanied by a discharge between a portion of the sputtering target and the chamber. The '742 patent points out that, based on the teachings of this patent, the plasma is fully ionized after passing through this arc region.

これら技術が訴えていることの一部は、イオン種の大きな集団を発生させ、そのバイアス電圧をかけることで、工作物を引き付け得る能力である。高ピーク電力技術に関する上述の参考文献は、インダクターを通じ、単なるキャパシター放電を用いているように見える。しかしながら、これら参考文献に教示されている技術は、ハンドリング性能については、何ら開示していないし、実際、一度、完全なイオン化状態が得られると、それ以降はアークフリーな操作を達成することが可能なことを示唆している。ハード面で不完全な点があるのは不可避であるが、操作時（最初のアーク状態の通過後）に、完全にアークフリーな領域を物理的に実現するのは、この存在が理論で示唆されているにせよ、基本的に不可能である。この技術を用いることは、つまり、アークハンドリング性能なしには、商業的に使用するのは、実際的でないようだ。また、最低でも、アークフリーに近い状態で操作するために、ターゲットの条件設定に長い時間が必要とされる可能性もあるので、処理時間が長くかかる可能性もあり、また、最低限でも、ターゲットの適切な条件設定をできないので、最高電力レベルでの操作を回避する可能性もある。したがって、高ピーク電力パルスを用い、マグネトロンが高密度で、高度にイオン化したプラズマを生み出すような装置で、アークエネルギーを最小限にして、それでも、アークによる製品とターゲットのダメージを許容可能範囲に収める装置が、提供されることが望ましい。パルス発生開始時にアーク状態を通過するため、ダメージができることを考えると、高度イオン化状態の当初、アーク状態の発生を避けることが、非常に望ましい。   Part of the appeal of these technologies is the ability to attract a workpiece by generating a large population of ionic species and applying its bias voltage. The above references on high peak power technology appear to use just a capacitor discharge through an inductor. However, the techniques taught in these references do not disclose any handling performance, and in fact, once a fully ionized state is obtained, arc-free operation can be achieved thereafter. It suggests that. It is inevitable that there will be incomplete points in terms of hardware, but this theory suggests that a completely arc-free region is physically realized during operation (after passing the first arc state). Despite being done, it is basically impossible. It seems impractical to use this technology, that is, to use it commercially without arc handling performance. In addition, since it may take a long time to set the target condition in order to operate in a state close to arc-free at the minimum, it may take a long processing time. Since the target cannot be properly conditioned, operation at the highest power level may be avoided. Thus, with high peak power pulses, a magnetron that produces a dense, highly ionized plasma that minimizes arc energy while still allowing acceptable product and target damage from the arc. Desirably, an apparatus is provided. Considering that the arc state is passed at the start of pulse generation, and that damage can occur, it is highly desirable to avoid the occurrence of the arc state at the beginning of the highly ionized state.

典型的なアーク調整およびアーク転換（ｄｉｖｅｒｔｉｎｇ）装置は、アークを検出し、負荷から電源を遮断する回路か、あるいは、アークを消すために電源を実質的に短絡するスイッチ回路のいずれかから成り立っていた。これらのタイプのアークハンドリング方法は、非常に高価である。その理由は、プロセスの電源を完全に切ったり、高価なストック材を無駄にしたり、あるいは、電源回路に蓄えられたエネルギーを全て完全に発散することが必要になるからである。高電力で用いる場合は、電源装置の短絡は、非常に高い電流を発生し得、−電源自体をも破壊するのに十分な場合もあり−、また、蓄積エネルギーを繰り返し発散するためには、いかなる場合も、高ピーク電力および高平均電力用の高価な抵抗素子のみならず、これらを冷却する方法も必要とする。   A typical arc conditioning and diverting device consists of either a circuit that detects the arc and disconnects the power source from the load, or a switch circuit that substantially shorts the power source to extinguish the arc. It was. These types of arc handling methods are very expensive. The reason is that it is necessary to completely turn off the power of the process, waste expensive stock materials, or completely dissipate all the energy stored in the power supply circuit. When used at high power, a short circuit in the power supply can generate very high currents—which may be sufficient to destroy the power supply itself—and to repeatedly dissipate the stored energy, In any case, not only expensive resistive elements for high peak power and high average power, but also a method for cooling them is required.

さらに、１ＭＷ以上のピーク電力を発生し得、商業的利用で高歩留まりが得られ、アークハンドリング能力に優れたマグネトロンスパッタリング装置と方法が提供されることも望ましい。本発明の目的の一つは、アークの検出と、アークに供給されるエネルギーを制限するアクション実行との双方の能力を有するマグネトロンスパッタリングプラズマシステムを提供することである。また、本発明の更なる目的は、最初にアーク放電状態になることなく、これで、チャンバー、基板、あるいはターゲットにダメージを与えるかもしれない状態になることなく、たとえ、個々のパルスの過渡的状況であっても、そのようなことがなく、高度にイオン化された状態となるマグネトロンスパッタリングプラズマを生成するシステムを提供することである。   Furthermore, it is also desirable to provide a magnetron sputtering apparatus and method that can generate peak power of 1 MW or more, can achieve high yield in commercial use, and has excellent arc handling capability. One of the objects of the present invention is to provide a magnetron sputtering plasma system that has the ability to both detect an arc and perform an action that limits the energy supplied to the arc. It is a further object of the present invention to avoid transient arcing of individual pulses without first being in an arced state, and thus not potentially damaging the chamber, substrate or target. It is to provide a system that generates a magnetron sputtering plasma that is highly ionized without such a situation.

（本発明の概要）
本発明は、アークハンドリング能力に優れた高密度マグネトロンプラズマに高ピーク電力を与えるのに適した高電流パルス発生の装置と方法を提供する。本発明の一実施形態として、エネルギー蓄積キャパシターからなるパルス回路が、プラズマと直列なインダクターを通して、繰り返し、荷電され、放電される。インダクターとキャパシターの組合せが、パルス整形に寄与し、これは３つの機能を有している。第一に、適切にパルスを整形（ｓｈａｐｅ）することで、初期アーク条件を回避可能なことが分かってきた。これは、電圧パルスの最初を調整することで行われる。実施形態の一つとして、回路網が一つ付け加えられ、電圧の立ち上がり速度を制御し、プラズマが着火しない場合はパルス電圧のクランプされていないピーク振幅を制御し、電圧波形がリングする周波数を、特にプラズマが着火しない場合に、制御する。本実施形態によるこの回路は、パルサーの出力側で短絡したキャパシターと直列な抵抗に相当するか、あるいは、多くのディスクリートキャパシターと抵抗からなる分散型回路のように実現されたそれと同等なものに相当する。デバイスや回路コンダクターにおいては、寄生キャパシターや抵抗も使われ得る。さらに、回路は、電圧パルスを最大レベルにクランプまたは制限を行い、ダイオードとともに機能し、そのダイオードは通常はクランプ電圧に保たれたキャパシターと直列で逆バイアスをかけられており、パルサーの出力側に接続している。この回路は、電圧パルスの振幅が調整可能な設定値を超えると作動し、電圧が設定値を超えないように働く。これは、真空チャンバーの内外で、望まれないアーク発生を防止できる面で、利点がある。この全てにより、最初（ｆｉｒｓｔ）にアーク状態となることなく、高度にイオン化されたプラズマ状態が達成できる。 (Outline of the present invention)
The present invention provides an apparatus and method for generating a high current pulse suitable for applying high peak power to a high-density magnetron plasma having excellent arc handling capability. In one embodiment of the present invention, a pulse circuit comprising an energy storage capacitor is repeatedly charged and discharged through an inductor in series with the plasma. The combination of inductor and capacitor contributes to pulse shaping, which has three functions. First, it has been found that initial arc conditions can be avoided by appropriately shaping the pulse. This is done by adjusting the beginning of the voltage pulse. In one embodiment, a network is added to control the voltage rise rate, control the unclamped peak amplitude of the pulse voltage if the plasma does not ignite, and the frequency at which the voltage waveform rings, Control is performed particularly when plasma does not ignite. This circuit according to this embodiment corresponds to a resistor in series with a capacitor short-circuited on the output side of the pulsar, or equivalent to that realized as a distributed circuit consisting of many discrete capacitors and resistors. To do. Parasitic capacitors and resistors can also be used in devices and circuit conductors. In addition, the circuit clamps or limits the voltage pulse to the maximum level and works with a diode, which is normally reverse biased in series with a capacitor held at the clamp voltage and is connected to the output of the pulsar. Connected. This circuit is activated when the amplitude of the voltage pulse exceeds an adjustable set value and serves to prevent the voltage from exceeding the set value. This is advantageous in that it can prevent unwanted arcing inside and outside the vacuum chamber. All this makes it possible to achieve a highly ionized plasma state without first being in an arc state.

第二に、パルス回路網あるいはメッシュは、プラズマに見合ったインピーダンスを提供する役を担う。第三に、この回路網は、後のアーク発生時に、電流の立ち上がり速度とピーク振幅を抑える役を担う。アークは、パルス中に、放電電圧が下落し、設定電圧の閾値以下になることで、あるいは、放電電流が増加し、設定電流の閾値以上になることで、検出され得る。アーク状態がプラズマのインピーダンスを下げることを表し、また、電圧と電流の比率によっても表されるが、つまり、その一方または双方を検出する方法が、役に立つということに留意されたい。アークが検出されたら、エネルギー蓄積キャパシターは、電流の増大を停止するため、直列しているインダクターを切り離す。パルス回路は、プラズマ負荷から遮断され、インダクターのエネルギーは、エネルギー蓄積キャパシターにリサイクルされる。   Second, the pulse network or mesh is responsible for providing an impedance commensurate with the plasma. Thirdly, this network plays a role in suppressing the rising speed and peak amplitude of the current when a subsequent arc occurs. An arc can be detected during a pulse when the discharge voltage drops and falls below the set voltage threshold, or when the discharge current increases and rises above the set current threshold. Note that the arc condition represents a reduction in the impedance of the plasma and is also expressed by the ratio of voltage and current, ie, a method of detecting one or both is useful. When an arc is detected, the energy storage capacitor disconnects the inductor in series to stop the increase in current. The pulse circuit is disconnected from the plasma load and the inductor energy is recycled to the energy storage capacitor.

典型的なスパッタリングプラズマでは、グローあるいは異常なグロー状態で、イオン種の比率は、比較的低く、せいぜい数％のオーダーである。本発明を用いれば、高度にイオン化された状態でのスパッタリングプラズマは、イオン化比率を１０％以上とすることも、達成し得る。炭素のスパッタリングシステムのように、イオン化比率が通常は非常に少ないようなスパッタリングシステムにおいても、高度にイオン化されたプラズマは、本発明を用いて、プラズマ内のイオン種の割合を５倍以上にすることで、達成し得る。   In a typical sputtering plasma, in the glow or abnormal glow state, the ratio of ionic species is relatively low, at most on the order of a few percent. If the present invention is used, the sputtering plasma in a highly ionized state can achieve an ionization ratio of 10% or more. Even in sputtering systems where the ionization ratio is usually very low, such as a carbon sputtering system, a highly ionized plasma uses the present invention to increase the proportion of ionic species in the plasma by more than five times. That can be achieved.

本発明の装置と方法を用いることで、高度イオン化状態のスパッタリングプラズマは、最初にアーク放電状態をとることなく、生成され得る。本発明のアークハンドリングの特徴は、スパッタリングプラズマが存在する間に発生するアークを緩和し、消滅するのに役立つ。   By using the apparatus and method of the present invention, a highly ionized sputtering plasma can be generated without first taking an arc discharge state. The arc handling features of the present invention help to mitigate and extinguish arcs that occur while the sputtering plasma is present.

（詳細な説明）
図１は、マグネトロンプラズマ処理システム１０の一実施形態を示す。ＤＣ電源１２は、パルス回路１６経由で、マグネトロンプラズマ処理チャンバー１４に接続している。マグネトロンプラズマ処理チャンバーは、当業者にはよく知られたマグネトロンカソード１８と、アノード２０を有する従来型のマグネトロンチャンバーで、あってもよい。スパッタリング実行時には、材料ターゲットが、カソード１８の役割を果たす。パルスＤＣ電源１６は、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ， Ｉｎｃ．製のＭｅｇａＰｕｌｓｅｒ^ＴＭモデルのような型でもよく、カソード１８とアノード２０との間で高電圧パルスを印加し、電極間でプラズマ２２を着火させる。プラズマは、カソード１８の材料に作用し、その結果、チャンバー内にある基板２６がコーティングされる。これは、プラズマ２２からのイオンを材料ターゲット、つまり、カソード１８に衝突させることで成される。その結果、ターゲットからスパッタされた原子が、基板２６の表面に堆積される。図１の実施形態には、より小さなオプションのｄｃ電源２８も含んでいる。これは、パルス回路１６からの高電圧パルス間も、プラズマを着火したままにし、マグネトロンを最低電圧で維持するための電源である。この電源は、高いパルスでの稼動開始前にプラズマを当初から着火するためにも、使われ得る。 (Detailed explanation)
FIG. 1 illustrates one embodiment of a magnetron plasma processing system 10. The DC power source 12 is connected to the magnetron plasma processing chamber 14 via the pulse circuit 16. The magnetron plasma processing chamber may be a conventional magnetron chamber having a magnetron cathode 18 and an anode 20 well known to those skilled in the art. When performing sputtering, the material target serves as the cathode 18. Pulsed DC power supply 16 is available from Advanced Energy Industries, Inc. A type such as the MegaPulser ^TM model made by the manufacturer may be used, and a high voltage pulse is applied between the cathode 18 and the anode 20 to ignite the plasma 22 between the electrodes. The plasma acts on the material of the cathode 18 so that the substrate 26 in the chamber is coated. This is done by making ions from the plasma 22 collide with the material target, ie, the cathode 18. As a result, the atoms sputtered from the target are deposited on the surface of the substrate 26. The embodiment of FIG. 1 also includes a smaller optional dc power supply 28. This is a power source for keeping the plasma ignited and maintaining the magnetron at the lowest voltage even during the high voltage pulse from the pulse circuit 16. This power supply can also be used to ignite the plasma from the beginning before starting operation with high pulses.

マグネトロン処理チャンバーに、高電圧パルスを与えるにあたり、パルス回路１６は、インダクターＬ_１に、スイッチＳ_１経由で直列に接続したエネルギー蓄積キャパシターＣ_１からなる。インダクターＬ_１は、スイッチＳ_２経由で、マグネトロンのカソードに接続している。 A magnetron treatment chamber, when providing a high voltage pulse, the pulse circuit 16, the inductor L _1, consisting of the energy storage capacitor C ₁ connected in series through a switch S _1. Inductor L ₁ is via the switch S _2, is connected to the cathode of the magnetron.

図２は、回路を通常に作動させた場合の波形を示す。全シークエンスの間、Ｓ_２は閉じており、Ｓ_３は開いている。キャパシターＣ_１は、ｄｃ電源１２によって、その初期電圧に荷電されている。放電は、Ｓ_１によって開始し、キャパシターＣ_１は、インダクターＬ_１を通じ、プラズマ負荷に放電される。制御回路は、キャパシターＣ_１のチャージ時間を制御するスイッチのタイミングを開始し、そのパルスは負荷に放電する。Ｖ_ｃ、Ｉ_{ｉｎｄｕｃｔｏｒ}、Ｖ_ＬＯＡＤ、およびＩ_ｌｏａｄの波形は、Ｖ_ｃの初期値、Ｃ_１値とＬ_１値、および、プラズマ負荷と出力ケーブルの特性だけによってのみ、決定される。 FIG. 2 shows waveforms when the circuit is normally operated. During the entire sequence, _{S 2} is closed, _{S 3} is open. Capacitor C ₁ is charged to its initial voltage by dc power supply 12. Discharging starts with S ₁ and capacitor C ₁ is discharged to the plasma load through inductor L ₁ . The control circuit starts the timing of the switch for controlling the charge time of the capacitor C _1, the pulse is discharged to the load. The waveforms of V _c , I _inductor , V _LOAD , and I _load are determined only by the initial value of V _c , the C ₁ value and the L ₁ value, and the characteristics of the plasma load and the output cable.

図３は、パルス回路１６からのパルス１つの間に発生するアークの代表的な波形である。シークエンスは、図２で示し、上述されたように始まるが、アークが発生すると、アークを検出するまで、電流値が増大し、電圧が下がる。アークは、一つ、または二つの方法で検出される。アーク検出方法を実行するのに必要な、特有の回路技術は、当業者の間では、周知である。一つの方法は、負荷電流が設定した閾値を超えた場合に、アークは検出でき得る。この閾値は、出力電流の予測をパルス毎に行うことによって、実際に合うように更新できる。出力電流の予測は、プラズマ負荷特性およびＶ_ｃの初期値、Ｃ_１値とＬ_１値に基づき、誤った検出を防ぐためのマージンを加える。これらパラメーターに基づく出力電流の予測は、当業者にとって、周知である。代替的に、電流の閾値は、平均ピーク電流に、誤ったアーク検出を防ぐためのマージンを加えたものに基づき得る。この際、高いアーク電流をともなったパルスは、平均値計算から除くことが望ましい。もう一つの方法は、負荷電圧が設定した閾値以下になったときに検出される。それは、負荷電流が、この第二の方法にのみ用いる、第二の電流閾値を超えた場合である。アークが検出された場合、Ｓ_１は、直ちに開き、Ｓ_３は、わずかに遅れて閉じ、Ｓ_２は、それからわずかに遅れて開く。これで、パルス回路１６から負荷を遮断し、インダクターＬ_１からキャパシターＣ_１へのエネルギーのレゾナント・トランスファー（ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ）を開始する。この結果、アーク発生時に、インダクターＬ_１にあるエネルギーは、キャパシターＣ_１にリサイクルされる。このアークハンドリングシークエンスは、アークの際の負荷に送られるエネルギーを最小限にする。アークハンドリング準備（ｐｒｏｖｉｓｉｏｎｓ）がなければ、Ｃ_１に蓄積されたエネルギーと、Ｌ_１に蓄積されたエネルギーとが、アークに流れ、ターゲットと工作物に、ほとんど確実にダメージを与えることになろう。アークハンドリング準備を行うことで、この方法を商業的に用いることが可能になる。 FIG. 3 is a typical waveform of an arc generated during one pulse from the pulse circuit 16. The sequence is shown in FIG. 2 and starts as described above, but when an arc occurs, the current value increases and the voltage decreases until the arc is detected. The arc is detected in one or two ways. The specific circuit techniques necessary to implement the arc detection method are well known to those skilled in the art. One method can detect an arc when the load current exceeds a set threshold. This threshold can be updated to suit the actual situation by predicting the output current for each pulse. The output current is predicted based on the plasma load characteristics and the initial values of V _c , the C ₁ value, and the L ₁ value, and a margin for preventing erroneous detection is added. The prediction of output current based on these parameters is well known to those skilled in the art. Alternatively, the current threshold may be based on the average peak current plus a margin to prevent false arc detection. At this time, it is desirable to exclude pulses with a high arc current from the average value calculation. Another method is detected when the load voltage falls below a set threshold. That is when the load current exceeds a second current threshold, which is used only in this second method. If an arc is detected, S ₁ opens immediately, S ₃ is closed with a slight delay, S ₂ opens then a slight delay. This blocks the load from the pulse circuit 16, starts the energy of resonant transfer from the inductor _{L 1} to the capacitor _{C 1} (resonant transfer). As a result, during the arc generation, the energy in the inductor L ₁ is recycled in the capacitor C _1. This arc handling sequence minimizes the energy delivered to the load during the arc. If the arc handling Preparation (Provisions) is, and energy stored in C _1, the energy stored in L ₁ to flow in the arc, the target and the workpiece, it would be damaging almost certainly. Preparing for arc handling makes it possible to use this method commercially.

図１に示された本実施形態は、マグネトロンプラズマに供給される電圧パルスを整形するための回路構成も備える。リングアップ回路３０は、パルスの電圧立ち上がり速度、電圧パルスの大きさ、電圧波形がリングする頻度を調整する目的で、用意されている。リングアップ回路３０は、電源出力に短絡したキャパシターＣ_２と直列な抵抗Ｒ_１を備える。リングアップ回路は、ディスクリートキャパシターあるいは抵抗の分散回路網として、適用され得るし、デバイスの他の回路要素や構成において見られる寄生容量あるいは抵抗として使用され得る。リングアップ回路を用いて、プラズマに供給される電圧パルスを整形することで、パルス開始にともなうアーク発生は解消され得、パルス開始の間には、アーク状態には入らない。 The present embodiment shown in FIG. 1 also has a circuit configuration for shaping a voltage pulse supplied to the magnetron plasma. The ring-up circuit 30 is prepared for the purpose of adjusting the voltage rising speed of the pulse, the magnitude of the voltage pulse, and the frequency with which the voltage waveform rings. Ring-up circuit 30 includes a capacitor C ₂ in series with resistor R ₁ which is short-circuited to the power source output. A ring-up circuit can be applied as a discrete capacitor or distributed network of resistors, and can be used as a parasitic capacitance or resistance found in other circuit elements and configurations of the device. By shaping the voltage pulse supplied to the plasma using the ring-up circuit, the arc generation accompanying the start of the pulse can be eliminated, and the arc state is not entered during the start of the pulse.

図１の実施形態から発生する電圧パルスは、クランプ回路３２によっても、整形され、調整される。クランプ回路は、クランプ電源３４と並列のキャパシターＣ_３の組合せと直列に、逆バイアスをかけたダイオードＤ_３を備える。クランプ回路３２は、パルスの電圧レベルが、所定の最大値レベルに達しないように働く。パルス電圧を制限することで、クランプ回路は、アーク条件が、電圧暴走で、例えば、電源出力における寄生容量によってパルス電圧が増加したときなどに、大きくなるのを防ぐ。このように、クランプ電圧は、プラズマが高度イオン化状態に達しうるのに十分なほど高い値に、しかし、過電圧のためにアーク条件にならない程度に、セットされ得る。 The voltage pulses generated from the embodiment of FIG. 1 are also shaped and adjusted by the clamp circuit 32. The clamp circuit includes a reverse-biased diode D ₃ in series with a combination of a capacitor C ₃ in parallel with a clamp power supply 34. The clamp circuit 32 works so that the voltage level of the pulse does not reach a predetermined maximum value level. By limiting the pulse voltage, the clamp circuit prevents the arc condition from becoming large when the voltage runaway occurs, for example, when the pulse voltage increases due to parasitic capacitance at the power supply output. Thus, the clamp voltage can be set to a value high enough that the plasma can reach a highly ionized state, but not to an arc condition due to overvoltage.

図４は、最初にアーク放電状態になることなく、高度イオン化状態で、スパッタリングプラズマを生成させるためのマグネトロンプラズマ処理システムの作動を示す。図４に示すのは、デバイス作動中のパルス波１つ通過時の、スパッタリングプラズマの電圧、電流、およびインピーダンスの特性の時間に対する変化である。パルスＤＣ電源は、まず、マイナス１８００Ｖを超える大きな負電圧を、スパッタリングシステムの材料ターゲット（カソード）に与える。プラズマが発生すると、電流はプラズマを通して増大し、マイナス４００Ａに近いレベルになる。この時点で、プラズマは、高度にイオン化された状態である。約１５０マイクロ秒続くパルスが通過する際に、数十Ｖのレベルに電圧が突然落ちることがない。これは、アーク放電状態の特徴であろう。プラズマ状態は、プラズマインピーダンスを参照しても理解できる。プラズマが発生すると、プラズマインピーダンスは最初では高いが、次いで、約３．５Ωのほぼ一定値に落ち着く。パルスの終了時に、電流が再びゼロに落ちるにつれ、インピーダンスは、再び、急激に立ち上がる。プラズマインピーダンスが、アークレベル、つまり、定常状態レベル約３．５Ωのかなり下の値に、急激に落ちることは決してない。   FIG. 4 illustrates the operation of a magnetron plasma processing system to generate a sputtering plasma in a highly ionized state without first being in an arc discharge state. Shown in FIG. 4 is the change of the sputtering plasma voltage, current, and impedance characteristics with respect to time during the passage of one pulse wave during device operation. The pulse DC power supply first applies a large negative voltage exceeding minus 1800 V to the material target (cathode) of the sputtering system. When the plasma is generated, the current increases through the plasma and reaches a level close to minus 400A. At this point, the plasma is in a highly ionized state. When a pulse lasting about 150 microseconds passes, the voltage does not drop suddenly to a level of tens of volts. This may be a characteristic of the arcing condition. The plasma state can also be understood by referring to the plasma impedance. When plasma is generated, the plasma impedance is initially high, but then settles to a nearly constant value of about 3.5Ω. At the end of the pulse, the impedance rises again abruptly as the current drops back to zero. The plasma impedance never drops sharply to an arc level, i.e. well below the steady state level of about 3.5Ω.

本発明は、したがって、アークハンドリングをともなったマグネトロンスパッタリング向けの新たな高ピーク電力プラズマパルス電源で、アークによる損傷を最小限とする電源を提供するものである。本発明が、これをなせるのは、高度イオン化状態に入る前に、アーク状態になることを防いで、パルスの初期を調整し、さらに、プラズマ負荷からパルス回路を遮断し、かつ、アーク条件の検出時に、エネルギー蓄積キャパシターに戻って、高ピーク電力パルスのために蓄積されたインダクターエネルギーをリサイクルするからである。このアーク条件は、一度、高度イオン化状態が発生すると、起こる。   The present invention thus provides a new high peak power plasma pulsed power supply for magnetron sputtering with arc handling that minimizes arc damage. The present invention can do this by preventing the arcing state before entering the highly ionized state, adjusting the initial pulse, further cutting off the pulse circuit from the plasma load, and the arc conditions. This is because when the current is detected, it returns to the energy storage capacitor to recycle the inductor energy stored for the high peak power pulse. This arc condition occurs once a highly ionized state occurs.

本出願には、特定の構造と作動の詳細とが図示され、記述されているが、これらの記述は、例示であり、この発明の精神や範囲を逸脱しない範囲で、代替の実施形態や均等物も、当業者によって容易にでき得ることは、理解されるべきである。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神と範囲内にあるこうした代替の実施形態や均等物全てを含むことを意図している。   While this application illustrates and describes specific construction and details of operation, these descriptions are exemplary and alternative embodiments and equivalents are within the spirit and scope of the invention. It should be understood that things can also be easily made by those skilled in the art. Accordingly, the present invention is intended to embrace all such alternative embodiments and equivalents that are within the spirit and scope of the appended claims.

図１は、本発明の原理を組み込んだマグネトロンプラズマ処理システムの略図を示す。FIG. 1 shows a schematic diagram of a magnetron plasma processing system incorporating the principles of the present invention. 図２は、図１に示すマグネトロンプラズマ処理システムの通常作動時の波形を示す。FIG. 2 shows waveforms during normal operation of the magnetron plasma processing system shown in FIG. 図３は、アークハンドリング作動時の波形を示す。FIG. 3 shows waveforms during arc handling operation. 図４は、マグネトロンプラズマ処理システム作動中の、スパッタリングプラズマの電流、電圧、およびインピーダンスの特性を示す。FIG. 4 shows the current, voltage, and impedance characteristics of the sputtering plasma during operation of the magnetron plasma processing system.

Claims (12)

スパッタ堆積方法であって、
ａ） その内部に配置されたスパッタリングガスを有するプラズマチャンバーを提供することと、
ｂ） 該プラズマチャンバーに配置される材料ターゲットを提供することと、
ｃ） 電圧パルスを該材料ターゲットに周期的に印加するパルスＤＣ電源を提供することであって、該電圧パルスが、プラズマ発生のために、該スパッタリングガスをイオン化し、該プラズマが、最初にアーク放電状態になることなく、高度イオン化状態となる、ことと、
ｄ） 該プラズマからのイオンを該材料ターゲットに衝突させることで、該ターゲットからの原子をスパッタすることであって、その際、該原子が該プラズマに近接した基板表面上に堆積される、ことと
を包含する、方法。 A sputter deposition method comprising:
a) providing a plasma chamber having a sputtering gas disposed therein;
b) providing a material target disposed in the plasma chamber;
c) providing a pulsed DC power supply that periodically applies voltage pulses to the material target, the voltage pulses ionizing the sputtering gas for plasma generation, and the plasma is first arced It becomes a highly ionized state without becoming a discharged state,
d) Sputtering atoms from the target by bombarding the material target with ions from the plasma, wherein the atoms are deposited on the substrate surface proximate to the plasma. And a method comprising. 前記パルスＤＣ電源が、１ｋＷ／ｃｍ^２を超えるピーク電力密度を有する、０．１ＭＷを超える電力を印加する、請求項１に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the pulsed DC power source applies power greater than 0.1 MW with a peak power density greater than 1 kW / cm ² . 前記材料ターゲットに印加される前記電圧パルスの前記電圧立ち上がり速度を制御することによって、前記プラズマが、最初にアーク放電状態となることなく、前記高度イオン化状態となる、請求項１に記載の方法。   The method of claim 1, wherein by controlling the voltage rise rate of the voltage pulse applied to the material target, the plasma is in the highly ionized state without first being in an arc discharge state. キャパシターと直列に接続された抵抗を備えた回路を用いて、前記電圧パルスの前記電圧立ち上がり速度は、制御される、請求項３に記載の方法。   4. The method of claim 3, wherein the voltage rise rate of the voltage pulse is controlled using a circuit with a resistor connected in series with a capacitor. 前記電圧パルスの振幅を最大レベルに制限することによって、前記プラズマが、最初にアーク放電状態となることなく、前記高度イオン化状態となる、請求項１に記載の方法。   The method of claim 1, wherein by limiting an amplitude of the voltage pulse to a maximum level, the plasma is in the highly ionized state without first being in an arcing state. キャパシターと直列に接続された抵抗を備えた回路を用いて、前記電圧パルスの振幅は、制限される、請求項５に記載の方法。   6. The method of claim 5, wherein the amplitude of the voltage pulse is limited using a circuit with a resistor connected in series with a capacitor. 逆バイアスダイオード、キャパシター、およびクランプ電圧電源を備える回路を用いて、前記電圧パルスの振幅は、制限される、請求項５に記載の方法。   6. The method of claim 5, wherein the amplitude of the voltage pulse is limited using a circuit comprising a reverse bias diode, a capacitor, and a clamp voltage power supply. スパッタ堆積システムであって、
ａ） その内部にスパッタリングガスを有するプラズマチャンバーと、
ｂ） 該プラズマチャンバーに配置される材料ターゲットと、
ｃ） 電圧パルスを該材料ターゲットに周期的に印加するパルスＤＣ電源であって、該電圧パルスが、高度イオン化プラズマ発生のために、該スパッタリングガスをイオン化する、パルスＤＣ電源と、
ｄ） 該プラズマが、最初にアーク放電状態になることなく、高度イオン化状態にすることができるように電圧パルスを整形する、パルス整形回路と
を備える、スパッタ堆積システム。 A sputter deposition system,
a) a plasma chamber having a sputtering gas therein;
b) a material target placed in the plasma chamber;
c) a pulsed DC power supply that periodically applies a voltage pulse to the material target, the voltage pulse ionizing the sputtering gas for highly ionized plasma generation;
d) A sputter deposition system comprising: a pulse shaping circuit that shapes a voltage pulse so that the plasma can be in a highly ionized state without first being in an arced state. 前記パルス整形回路は、前記電圧パルスの前記電圧立ち上がり速度を制御する、請求項８に記載のスパッタ堆積システム。   The sputter deposition system of claim 8, wherein the pulse shaping circuit controls the voltage rise rate of the voltage pulse. 前記パルス整形回路は、キャパシターと直列に接続された抵抗を備える、請求項９に記載のスパッタ堆積システム。   The sputter deposition system of claim 9, wherein the pulse shaping circuit comprises a resistor connected in series with a capacitor. 前記パルス整形回路は、前記電圧パルスの振幅を最大レベルに制限する、請求項８に記載のスパッタ堆積システム。   The sputter deposition system of claim 8, wherein the pulse shaping circuit limits an amplitude of the voltage pulse to a maximum level. 前記パルス整形回路は、逆バイアスダイオード、キャパシター、およびクランプ電圧電源を備える、請求項１１に記載のスパッタ堆積システム。   The sputter deposition system of claim 11, wherein the pulse shaping circuit comprises a reverse biased diode, a capacitor, and a clamp voltage power source.

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