JP2017088964A - Sputtering device and sputtering method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体ウエハなどの基板に対する成膜を行う、スパッタ装置及びスパッタ方法に関する。 The present invention relates to a sputtering apparatus and a sputtering method for forming a film on a substrate such as a semiconductor wafer.
半導体デバイスの製造において、基板上に金属又は酸化物などの薄膜を形成し、これを所望のパターンに形成して、電極及び配線の他、抵抗、又はキャパシタなどを形成している。近年、例えばデバイスの使用環境がより高温になり、デバイスを保護するパッシベーション薄膜に対してより高密度化が求められるなど、高密度あるいは結晶性の高い薄膜の形成技術への必要性が高まっている。 In the manufacture of a semiconductor device, a thin film such as a metal or an oxide is formed on a substrate and formed into a desired pattern to form a resistor, a capacitor, or the like in addition to electrodes and wiring. In recent years, there has been an increasing need for high density or high crystallinity thin film formation technology, for example, where the device usage environment has become higher and the passivation thin film that protects the device is required to have a higher density. .
従来、このような高密度及び高配向の薄膜を形成する成膜手段の一つとして、基板に負の電圧を印加しながらスパッタを行う、いわゆるバイアススパッタ法が知られている。 Conventionally, as one of film forming means for forming such a high-density and highly-oriented thin film, a so-called bias sputtering method is known in which sputtering is performed while applying a negative voltage to a substrate.
このバイアススパッタ法は、スパッタ成膜において、基板を支持する電極をカソード電極に対向配置すると共に、この基板側電極に負のバイアス電圧を印加した状態でスパッタを行う方法である。このバイアススパッタ法によれば、基板に印加された負のバイアスによって、基板に対してイオンの衝突を発生させ、この衝突による打ち込み効果により、密度の高い薄膜を形成することができる。また、バイアススパッタ法において、薄膜の品質を一定とするために、イオンの打ち込みエネルギーが一定となる様にバイアス電圧を適切に設定する必要がある。 This bias sputtering method is a method in which sputtering is performed while an electrode for supporting a substrate is disposed opposite to a cathode electrode and a negative bias voltage is applied to the substrate side electrode. According to this bias sputtering method, ions collide with the substrate by a negative bias applied to the substrate, and a thin film having a high density can be formed by the implantation effect due to the collision. In addition, in the bias sputtering method, in order to make the quality of the thin film constant, it is necessary to appropriately set the bias voltage so that the ion implantation energy becomes constant.
しかしながら、成膜を続けるうちに、装置内壁へ絶縁膜などが付着すると、プラズマと装置内壁との荷電粒子の電荷のやり取りが変化し、プラズマの状態すなわち電位が変化し、入射イオンエネルギー＝（プラズマ電位）−（基板電位）、が変化してしまうため、薄膜の品質が変化してしまい安定生産が難しいという問題がある。 However, if an insulating film or the like adheres to the inner wall of the device while film formation continues, the exchange of charged particles between the plasma and the inner wall of the device changes, and the plasma state, that is, the potential changes, and the incident ion energy = (plasma (Potential)-(substrate potential) changes, so that the quality of the thin film changes and stable production is difficult.
このような問題を解決する為の、バイアススパッタの制御方法として、プラズマの発光分光を用いる方法がある（例えば、特許文献１参照）。 As a bias sputtering control method for solving such a problem, there is a method using plasma emission spectroscopy (see, for example, Patent Document 1).
そこで、図６を主として参照しながら、従来の、プラズマの発光分光を用いる方法について説明する。 Therefore, a conventional method using plasma emission spectroscopy will be described with reference mainly to FIG.
ここに、図６は、従来の、プラズマの発光分光を用いるバイアススパッタ装置の概略断面図である。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a conventional bias sputtering apparatus using plasma emission spectroscopy.
真空チャンバー１０１は、バルブ１０３を介して接続された真空ポンプ１０２で排気することによって、真空状態への減圧を行うことができる。
The
ガス供給源１０４は、スパッタに必要なガスを真空チャンバー１０１へ一定速度で供給することができる。バルブ１０３はその開閉率を変化させることで、真空チャンバー１０１内の真空度を所望のガス圧力に制御することができる。真空チャンバー１０１内には、ターゲット材１０９が配置されている。バッキングプレート１１０は、絶縁シール１１２によってチャンバー１０１から絶縁かつ真空にシールされており、ターゲット材１０９を支持している。ＲＦ電源１２４は、バッキングプレート１１０に電気的に接続され、バッキングプレート１１０を介してターゲット材１０９に電力を印加することにより、真空チャンバー１０１内にプラズマを発生させることができる。マグネット１１３及びヨーク１１４は、バッキングプレート１１０の裏面に配置され、ターゲット材１０９の表面に磁場を発生させることができる。真空チャンバー１０１の内には、基板１０５が配置されている。基板ホルダー１０６は基板１０５の下部に配置され、基板１０５を支持すると共に、基板１０５との接触面で電気的に導通をとっている。ＤＣ電源１２２は、基板ホルダー１０６に電気的に接続されている。ＤＣ電源１２２は、ＤＣ電源１２２に接続された基板ホルダー１０６及び基板１０５を、アース電位に対して負の電位に設定することが出来る。真空チャンバー１０１の側壁にはビューポート１０８が設置され、真空チャンバー１０１の内部に発生したプラズマの発光を観察することができる。ビューポート１０８の近傍には発光分光モニタ１２５が設置され、プラズマの発光スペクトルを観測することができる。
The
真空チャンバー１０１内に発生させたプラズマによってターゲット材１０９がスパッタリングされて飛び出し、基板１０５に到達して薄膜が堆積する。同時に、負の電位に設定された基板１０５にプラズマのイオンが引き寄せられて衝突し、衝突による打ち込み効果によって高密度な薄膜が形成される。プラズマの状態が変化した場合、発光分光モニタ１２５による発光スペクトルの変化が観測され、予め実験で得た、発光スペクトルと薄膜の品質との相関関係に基づいてＤＣ電源１２２の設定値を変化させることで、薄膜の品質の変動を防いでいる。
The
また、探針を用いたプラズマポテンシャルの計測及びバイアスの制御方法として、特許文献２がある。
Further, there is
そこで、図７は、従来の、探針を用いるバイアススパッタ装置の概略断面図である。なお、図６と同じ部分又は図６に相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。真空チャンバー１０１の側壁には探針１１１が設置されている。また、探針１１１は、順に、Ｉ−Ｖ測定器１２６と、演算器１３１と、制御器１３２とに電気的に接続されている。また、制御器１３２はＤＣ電源１２２に接続されている。Ｉ−Ｖ測定器１２６により、プラズマに接する探針１１１のＩ−Ｖ特性を計測し、演算器１３１により探針１１１の位置でのプラズマ電位を算出することができる。演算器１３１で算出されたプラズマ電位を基に、制御器１３２により、成膜開始初期からのプラズマ電位のズレを考慮して、入射イオンエネルギー＝（プラズマ電位）−（基板電位）が一定となるように、ＤＣ電源１２２の設定値を変化させることで、薄膜の品質の変動を防いでいる。
FIG. 7 is a schematic sectional view of a conventional bias sputtering apparatus using a probe. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part equivalent to FIG. 6, or the part equivalent to FIG. 6, and one part description is abbreviate | omitted. A
しかしながら、上述された第一の従来のスパッタ装置（図６参照）については、プラズマ電位を直接計測できないため、予め得た、プラズマの発光スペクトルと薄膜の品質との相関から、ズレが生じた場合には対応できない。すなわち、成膜が長時間になると、ビューポート１０８へ膜が付着するため、発光モニタ１２５で計測される発光スペクトルの形状が変化してしまい、プラズマの状態を正しく把握できず、その結果、薄膜の品質が確保できない。
However, since the plasma potential cannot be directly measured for the first conventional sputtering apparatus described above (see FIG. 6), there is a deviation from the correlation between the plasma emission spectrum and the quality of the thin film obtained in advance. Can not respond. That is, when the film formation is performed for a long time, the film adheres to the
さらに、上述された第二の従来のスパッタ装置（図７参照）についても、成膜が長時間になると、探針１１１に膜が堆積し、多くの場合、付着した膜は絶縁物である為、プラズマとの導通が取れなくなり、プラズマ電位を正しく計測できなくなる。その為、生産を中断して真空チャンバーを大気開放して、探針１１１に付着した堆積物を除去する必要があり、その場合、生産効率が落ちてしまう。
Further, in the above-described second conventional sputtering apparatus (see FIG. 7), when the film formation is performed for a long time, the film is deposited on the
本発明は、上述された従来の課題を考慮し、高品質の膜を安定して成膜することが可能なスパッタ装置及びスパッタ方法を提供することを目的とする。 In view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to provide a sputtering apparatus and a sputtering method capable of stably forming a high-quality film.
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
本発明の１つの態様にかかるスパッタ装置は、真空チャンバーと、
前記真空チャンバー内でターゲット材を支持するターゲット材用支持部材と、
前記真空チャンバー内で前記ターゲット材用支持部材と対向して配置されかつ基板を支持する基板用支持部材と、
前記ターゲット材と接続されたターゲット材用電源と、
前記基板に接続された基板用直流電源とを備えて、前記真空チャンバー内でプラズマを生成して、前記基板用直流電源によりバイアス電圧を印加した前記基板上に薄膜を形成するバイアススパッタ装置であって、
前記基板から前記基板用直流電源に流れる電流を計測する電流モニタと、
前記電流モニタで計測した前記電流と電圧とのプロファイルからプラズマ電位を演算する演算器と、
前記演算器で演算した前記プラズマ電位に基づいて、前記バイアス電圧を制御する制御器と、
を備える、スパッタ装置を提供する。
A sputtering apparatus according to one aspect of the present invention includes a vacuum chamber,
A target material support member for supporting the target material in the vacuum chamber;
A substrate support member that is disposed opposite to the target material support member in the vacuum chamber and supports the substrate;
A power supply for a target material connected to the target material;
A bias sputtering apparatus comprising a substrate DC power source connected to the substrate, generating plasma in the vacuum chamber, and forming a thin film on the substrate to which a bias voltage is applied by the substrate DC power source. And
A current monitor for measuring a current flowing from the substrate to the DC power supply for the substrate;
An arithmetic unit for calculating a plasma potential from a profile of the current and voltage measured by the current monitor;
A controller for controlling the bias voltage based on the plasma potential calculated by the calculator;
A sputtering apparatus is provided.
本発明の別の態様にかかるスパッタ方法は、前記スパッタ装置を利用するスパッタ方法であって、
前記演算器で、前記基板用直流電源の電圧を正負に掃印して、前記基板から前記基板用直流電源に流れる電流を計測したＩ−Ｖ特性から、前記プラズマ電位を演算して取得するプラズマ電位取得ステップと、
前記制御器で、前記演算器で演算して取得した前記プラズマ電位に基づいてバイアス電圧を設定して前記バイアス電圧を制御するバイアス制御ステップと、
を備える、スパッタ方法を提供する。
A sputtering method according to another aspect of the present invention is a sputtering method using the sputtering apparatus,
Plasma obtained by calculating the plasma potential from the IV characteristics obtained by measuring the current flowing from the substrate to the DC power supply for the substrate by sweeping the voltage of the DC power supply for the substrate positively and negatively by the calculator. A potential acquisition step;
A bias control step of controlling the bias voltage by setting a bias voltage on the basis of the plasma potential obtained by the calculation by the calculator in the controller;
A sputtering method is provided.
また、本発明のさらに別の態様にかかるスパッタ方法は、前記スパッタ装置を利用するスパッタ方法であって、
前記演算器で、前記基板用直流電源の電圧を正負に掃印して、前記基板から前記基板用直流電源に流れる電流を計測したＩ−Ｖ特性から、前記プラズマ電位を演算して取得するプラズマ電位取得ステップと、
前記制御器で、前記プラズマ電位取得ステップで演算して取得した前記プラズマ電位に基づいてバイアス電圧を設定し、前記バイアス電圧を、前記電流が一定となるように制御するバイアス制御ステップと、
前記演算器による前記プラズマ電位取得と前記制御器による前記電流一定制御とを繰り返すステップとを備える、
スパッタ方法を提供する。
Further, a sputtering method according to still another aspect of the present invention is a sputtering method using the sputtering apparatus,
Plasma obtained by calculating the plasma potential from the IV characteristics obtained by measuring the current flowing from the substrate to the DC power supply for the substrate by sweeping the voltage of the DC power supply for the substrate positively and negatively by the calculator. A potential acquisition step;
A bias control step of setting a bias voltage based on the plasma potential obtained by calculation in the plasma potential acquisition step in the controller, and controlling the bias voltage so that the current is constant;
Repeating the acquisition of the plasma potential by the computing unit and the constant current control by the controller,
A sputtering method is provided.
本発明の前記態様によって、プラズマ電位の取得に基づいてバイアス電圧が制御されるので、基板への荷電粒子の入射エネルギーが一定に保たれてバイアス効果が安定化する。長時間成膜して膜が基板に付着しても、必要なタイミングで、プラズマ電位を正確に取得することが可能となり、生産における、成膜中、成膜する基板毎、スパッタ装置のメンテナンス毎などのプラズマ状態の変動に追随して制御が可能であり、高品質の膜を安定して成膜することが可能となる。 According to the aspect of the present invention, since the bias voltage is controlled based on the acquisition of the plasma potential, the incident energy of the charged particles to the substrate is kept constant, and the bias effect is stabilized. Even if the film is deposited for a long time and the film adheres to the substrate, the plasma potential can be acquired accurately at the required timing. During production, during deposition, for each substrate to be deposited, for each maintenance of the sputtering equipment It is possible to control following the fluctuation of the plasma state, and it is possible to stably form a high quality film.
以下、図面を参照しながら、本発明における実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
（第１実施形態）
始めに、図１を主として参照しながら、第１実施形態のスパッタ装置の構成について説明する。
(First embodiment)
First, the configuration of the sputtering apparatus according to the first embodiment will be described with reference mainly to FIG.
ここに、図１は本発明における第１実施形態のスパッタ装置の概略断面図である。スパッタ装置は、真空チャンバー１と、ターゲット材９を支持するターゲット材用支持部材１０と、ターゲット材用支持部材１０と対向して配置されかつ基板５を支持する基板用支持部材６と、ターゲット材用電源２４と、基板用直流電源２２とを備えて、真空チャンバー１内でプラズマＰを生成してバイアス電圧を印加した基板５上に薄膜を形成する。
FIG. 1 is a schematic sectional view of the sputtering apparatus according to the first embodiment of the present invention. The sputtering apparatus includes a
真空チャンバー１は、バルブ３を介して接続された真空ポンプ２で排気することによって、真空状態への減圧を行うことができる。
The
ガス供給源４は、スパッタに必要なガスを真空チャンバー１へ一定速度で供給することができる。ガス供給源４で供給するガスは、例えばアルゴンなど希ガスの他、酸素又は窒素など、薄膜形成すべき目的の材料と反応性を有するガスなどが選択できる。
The gas supply source 4 can supply a gas necessary for sputtering to the
バルブ３は、その開閉率を変化させることで、真空チャンバー１内の真空度を所望のガス圧力に制御することができる。
The
図１において、真空チャンバー１の下部内には、ターゲット材用支持部材の一例としてのバッキングプレート１０で支持されたターゲット材９が配置されている。ターゲット材９は、任意のスパッタ材料であるが、例えば金属材料又はセラミックなどの無機材料である。
In FIG. 1, a
バッキングプレート１０は、導電性を有し、絶縁シール１２によってチャンバー１から絶縁かつ真空にシールされており、ターゲット材９を支持している。ターゲット材用電源の一例としてのＲＦ電源２４は、バッキングプレート１０に電気的に接続され、バッキングプレート１０を介してターゲット材９に電力を印加することができる。
The
マグネット１３及びヨーク１４は、バッキングプレート１０の裏面でかつチャンバー１の外側に配置され、ターゲット材９の表面に磁場を発生させることができる。
The
図１において、真空チャンバー１の上部内には、基板用支持部材の一例としての基板ホルダー６で支持された基板５が配置されている。基板ホルダー６は、導電性を有して、基板５の下部に配置され、基板５を支持すると共に、基板５との接触面で電気的に導通をとっている。
In FIG. 1, a
基板用直流電源の一例としてのＤＣ電源２２は、基板ホルダー６に電気的に接続されている。ＤＣ電源２２は、ＤＣ電源２２に接続された基板ホルダー６及び基板５を、アース電位に対して任意の電位に設定することが出来る。
A
電流計２３は、電流モニタの一例として機能し、基板ホルダー６とＤＣ電源２２との間に設置され、基板ホルダー６からＤＣ電源２２に流れる電流を計測し、電流値を出力することが出来る。
The
演算器３１は、ＤＣ電源２２と電流計２３の測定値の出力側とにそれぞれ接続され、電圧と電流との数値を基に、プラズマ電位を算出することが出来る。
The
制御器３２は、演算器３１の出力側と、ＤＣ電源２２の入力側とに接続され、プラズマ電位に基づいて、ＤＣ電源２２へ指示を出して、ＤＣ電源２２によるバイアス電圧を制御することができる。
The
制御装置１００は、真空ポンプ２と、ガス供給源４と、ＤＣ電源２２と、ＲＦ電源２４と、演算器３１と、制御器３２とにそれぞれ接続されて、それぞれの動作を制御して、全体として、以下のスパッタ方法を実施可能に制御している。特に、制御装置１００は、プラズマ電位取得ステップと、バイアス制御ステップと、プラズマ電位取得ステップ及びバイアス制御ステップを繰り返し行う繰り返しステップとを実施するように制御している。
The
次に、第１実施形態のスパッタ装置の動作について説明するとともに、本発明の第１実施形態のスパッタ方法についても説明する。なお、スパッタ方法については、後述する他の第２実施形態についても同様である。 Next, the operation of the sputtering apparatus of the first embodiment will be described, and the sputtering method of the first embodiment of the present invention will also be described. The sputtering method is the same for other second embodiments described later.
まず、真空チャンバー１のバッキングプレート１０にターゲット材９をセットするとともに、基板ホルダー６に基板５を支持して、ターゲット材９の上方に基板５を水平にセットする。
First, the
続いて、真空ポンプ２を作動させて真空チャンバー１内が真空状態になるように減圧を行い、所定の真空度に到達した後、ガス供給源４からガスを導入し、所定のガス圧力となるようにゲートバルブ３の開度を調整する。
Subsequently, the
続いて、ＲＦ電源２４によりターゲット材９に電力を印加し、真空チャンバー１内にプラズマＰを発生させる。
Subsequently, power is applied to the
続いて、ＤＣ電源２２と電流計２３とによってプラズマＰの電流及び電圧特性、すなわちＩ−Ｖ特性を測定して、測定結果を演算器３１に入力する。入力された測定結果に基づき、演算器３１によってプラズマＰの電位を算出する。
Subsequently, the
演算器３１によるプラズマ電位の算出について、図２を用いて説明する。図２はプラズマＰのＩ−Ｖ特性の概略図である。図２に示す、プラズマＰの状態を示す電流及び電圧について説明する。なお、演算器３１によるプラズマ電位の算出に用いない項目については、一部の説明を省略する。横軸の電圧は、ＤＣ電源２２によって印加された電圧値であり、縦軸の電流は、電流計２３によって検出された基板５とＤＣ電源２２との間に流れる電流値である。電流値は、基板５からＤＣ電源２２に電流が流れる方向をマイナスと定義している。すなわち、正イオンが基板５に入射する方向が負であり、逆に電子が基板５に入射する方向が正である。電圧を負に印加した場合、正イオンが基板５に入射する。電圧を負から正の方向に高くしていくと、正イオンの入射が減少すると共に電子の入射が増加していく。浮遊電位Ｖｆにおいて、正イオンの入射と電子の入射とが釣り合い、電流値がゼロを示す。浮遊電位Ｖｆよりプローブ電圧を高くしていくと、正イオン電流は減少し、やがて、基板５に到達するのは電子電流だけとなる。この境界の電圧を、プラズマ電位と呼ぶ。
The calculation of the plasma potential by the
以下、演算器３１によるプラズマ電位の算出方法（プラズマ電位取得ステップ）を説明する。先ず、浮遊電位Ｖｆ以上の電圧範囲において、電流値の対数グラフをとる。次に、浮遊電位Ｖｆから電流値の接線Ｌ１を取り、同じく印加した最大電圧側から接線Ｌ２をとる。この２本の接線Ｌ１，Ｌ２の交点をプラズマ電位Ｖｓとして演算器３１で算出する。以上の演算を、Ｉ−Ｖ測定を実施する毎に、演算器３１で実行する。このようにして、演算器３１において、演算器３１で算出されたプラズマ電位Ｖｓから、所望のイオン入射エネルギーΔＶｂｉａｓを減じた値を、ＤＣ電源２２に設定するバイアス電圧値Ｖｂｉａｓとし、このときの電流をバイアス電流値Ｉｂｉａｓとする。バイアス電圧値Ｖｂｉａｓは、制御器３２でＤＣ電源２２に設定する。
Hereinafter, a calculation method (plasma potential acquisition step) of the plasma potential by the
続いて、バイアスの制御ステップとして、制御器３２でＤＣ電源２２に設定したバイアス電圧値Ｖｂｉａｓを、バイアス電流値Ｉｂｉａｓが一定となるように、制御器３２で制御しながら、所定の成膜時間になるまで保持した後、ＲＦ電源２４による電力の印加を止めて、基板５上での成膜を完了する。
Subsequently, as a bias control step, a predetermined film formation is performed while the
以下、プラズマ電位の取得ステップとバイアスの制御（バイアス電流値一定の制御）ステップとについて、図３を用いて具体的に説明する。図３は、基板へのバイアス印加のタイミングチャートである。 Hereinafter, the plasma potential acquisition step and the bias control (control of constant bias current value) step will be described in detail with reference to FIG. FIG. 3 is a timing chart of bias application to the substrate.
先ず、１枚目の基板において、図３の区間Ａの段取り動作として、基板を真空チャンバー１にセットし、真空チャンバー１内でプラズマＰを発生させる。
First, on the first substrate, as a setup operation in the section A of FIG. 3, the substrate is set in the
その後、図３の区間Ｂで、プラズマ電位取得ステップとして、ＤＣ電源２２による電圧印加と電流計２３による電流値計測に基づく演算器３１によるプラズマ電位の演算を実施する。
Thereafter, in the section B of FIG. 3, as the plasma potential acquisition step, the plasma potential is calculated by the
その後、図３の区間Ｃで、バイアス制御ステップとして、演算結果に基づいて演算器３１で求めた所定のバイアス電圧ＶｂｉａｓをＤＣ電源２２に制御器３２で設定する。次いで、所定のバイアス電圧Ｖｂｉａｓ（１）を、バイアス電流Ｉｂｉａｓ（１）が一定となるように、制御器３２で制御する電流値Ｉｂｉａｓ（１）一定制御動作を行って、１枚目の基板上に成膜する。
Thereafter, in section C of FIG. 3, as a bias control step, a predetermined bias voltage Vbias obtained by the
次の２枚目の基板へ成膜する場合、１枚目の基板と同様に、区間Ａで、真空チャンバー１内の１枚目の基板を２枚目の基板と交換するなどの段取り動作を行う。
When forming a film on the next second substrate, a setup operation such as exchanging the first substrate in the
その後、区間Ｂで、プラズマ電位取得ステップとして、ＤＣ電源２２による電圧印加と電流計２３による電流値計測に基づく演算器３１によるプラズマ電位の演算を実施する。このとき、１枚目の基板と２枚目の基板とでプラズマＰの状態が変化している場合、区間Ｂでの波形が１枚目の基板の波形と異なり、１枚目の基板のプラズマ電位とは異なるプラズマ電位が演算で求められる。そこで、（イオン入射エネルギーΔＶｂｉａｓ（２））＝（プラズマ電位Ｖｓ）−（バイアス電位Ｖｂｉａｓ（２））が所定の値になるように、制御器３２でバイアス電圧Ｖｂｉａｓ（２）を設定する。
Thereafter, in the section B, as the plasma potential acquisition step, the plasma potential is calculated by the
その後、区間Ｃで、バイアス制御ステップとして、設定したバイアス電圧Ｖｂｉａｓ（２）に基づいて、制御器３４で１枚目の基板と同様なバイアス制御のステップを実施して２枚目の基板上に成膜する。 Thereafter, in section C, as a bias control step, the controller 34 performs a bias control step similar to that of the first substrate on the basis of the set bias voltage V bias (2). The film is formed.
３枚目以降の基板についても、同様のプラズマ電位取得ステップ及びバイアス制御ステップとを繰り返すことで、続けて、基板上に成膜することが可能である。 The third and subsequent substrates can be continuously formed on the substrate by repeating the same plasma potential acquisition step and bias control step.
以上の第１実施形態によれば、基板５上に成膜される膜が絶縁体であっても、成膜毎に、基板５は膜が付着されていない状態でセットされるので、プラズマ電位を正確に取得することが可能である。よって、多数の基板を繰り返し成膜した場合に、真空チャンバー１内に膜が堆積してプラズマＰとの電気的な接触が減少し、プラズマＰの電位が上昇するなどした場合においても、この変化に合わせて、イオン入射エネルギーが一定となるように、バイアス電圧を設定することが可能であり、これにより、高品質の膜を、長期間安定して成膜することが可能となる。
According to the first embodiment described above, even if the film formed on the
（第２実施形態）
次に、図４を主として参照しながら、第２実施形態のスパッタ装置の構成について説明する。
(Second Embodiment)
Next, the configuration of the sputtering apparatus of the second embodiment will be described with reference mainly to FIG.
ここに、図４は、本発明における第２実施形態のスパッタ装置の概略断面図である。 FIG. 4 is a schematic sectional view of the sputtering apparatus according to the second embodiment of the present invention.
図４に関しては、図１に示されている部分と同じ又は図１に相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。 4, the same reference numerals are given to the same or corresponding parts as those shown in FIG. 1, and a part of the description is omitted.
図４においては、真空チャンバー１内でかつ基板５の背面（上方）に、ヒータ７が配置されている。ヒータ７にはヒータ電源２１が接続され、ヒータ電源２１からの電力印加によりヒータ７で基板５及び基板ホルダー６を加熱することができる。ヒータ７としては、基板５と導通していなければ、任意の方式のヒータで良いが、絶縁性が確保できる輻射加熱方式のヒータが望ましい。
In FIG. 4, a
なお、制御装置１００は、第１実施形態と同様な装置の他に、ヒータ電源２１にも接続されて、ヒータ電源２１の動作を制御して、全体として、後述するスパッタ方法を実施可能に制御している。
The
基板５上に膜を厚く成膜する場合など、長時間連続して成膜を行う際には、成膜の途中でプラズマＰの電位が変化して、成膜開始時に適正なバイアス電圧を設定したとしても、成膜終了時にはバイアス電圧が過剰又は不足してしまい、高品質な膜が得られないことがある。これを解決することが、この第２実施形態である。
When a film is formed continuously for a long time, such as when a film is formed thickly on the
第２実施形態におけるスパッタ方法として、プラズマ電位の取得ステップとバイアスの制御ステップとについて、図５を用いて説明する。図５は、本発明の第２実施形態の基板へのバイアス印加のタイミングチャートである。 As a sputtering method in the second embodiment, a plasma potential acquisition step and a bias control step will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a timing chart of bias application to the substrate according to the second embodiment of the present invention.
まず、区間Ａの段取り動作として、基板５を真空チャンバー１にセットした後、ヒータ７によって基板５及び基板ホルダー６を加熱して、基板５及び基板ホルダー６を所定の温度に保つ。その後、プラズマＰを発生させる。
First, as a setup operation in the section A, after the
その後、１回目の区間Ｂで、ＤＣ電源２２による電圧印加と電流計２３による電流値計測に基づく演算器３１によるプラズマ電位の取得を実施する。
Thereafter, in the first section B, the plasma potential is obtained by the
その後、１回目の区間Ｃとして、制御器３２で所定のバイアス電圧Ｖｂｉａｓに設定して、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを、バイアス電流Ｉｂｉａｓが一定となるように、制御器３２で制御する電流値Ｉｂｉａｓ一定制御動作を行って、基板５上に成膜する。
Then, as the section C of the first, is set to a predetermined bias voltage V bias in the
一定時間成膜した後、２回目の区間Ｂで、ＤＣ電源２２による電圧印加と電流計２３による電流値計測に基づくプラズマ電位の取得を実施する。１回目の区間Ｂの取得時からプラズマＰの状態が変化している場合、２回目の区間Ｂの取得での波形が１回目の区間Ｂの波形と異なり、１回目の区間Ｂのプラズマ電位とは異なるプラズマ電位が取得される。そこで、（イオン入射エネルギーΔＶｂｉａｓ（１−１））＝（プラズマ電位Ｖｓ）−（バイアス電位Ｖｂｉａｓ（１−１））が所定の値になるように、制御器３２でバイアス電圧Ｖｂｉａｓ（１−１）を設定する。
After the film formation for a certain time, in the second section B, the plasma potential is acquired based on the voltage application by the
その後、２回目の区間Ｃとして、制御器３２での電流値Ｉｂｉａｓ一定制御動作を行って、基板５上に成膜する。
Thereafter, as the second section C, a constant current value I bias control operation is performed by the
以上の区間Ｂのプラズマ電位取得ステップと区間Ｃの電流値一定制御ステップとを繰り返して、所定の積算時間に達したところで、１枚目の基板への成膜を完了する。 The plasma potential acquisition step in section B and the constant current value control step in section C are repeated, and when a predetermined integration time is reached, film formation on the first substrate is completed.
次の２枚目の基板へ成膜する場合、区間Ａで、真空チャンバー１内の１枚目の基板を２枚目の基板と交換するなどの段取り動作を行ったのち、同様の区間Ｂのプラズマ電位取得ステップと区間Ｃの電流値一定制御ステップとを所定の積算時間の間に繰り返すことで、続けて、２枚目の基板へ成膜することが可能である。
In the case of forming a film on the next second substrate, after performing a setup operation such as replacing the first substrate in the
以上の第２実施形態によれば、基板５上に成膜される膜が絶縁体であっても、ヒータ７で加熱することによって、基板５と基板ホルダー６とに付着する膜は高温状態であるので、完全に絶縁体でなく、一定の導電性を持つ。このため、長時間連続して成膜を行う場合など膜が付着した状態でも、プラズマ電位の取得が可能である。よって、１枚の基板の成膜途中でプラズマ電位が変化してしまった場合においても、計測及び演算によるプラズマ電位の取得と、これに基づくバイアス電圧の制御とが可能となる。多数の基板を繰り返し成膜する場合に加えて、一枚の基板に長時間連続して成膜する場合においても、高品質の膜を、安定して成膜することが可能となる。
According to the second embodiment described above, even if the film formed on the
これらの第１及び第２実施形態によれば、バイアススパッタ装置において、演算器３１での演算により取得されたプラズマ電位の取得に基づいてバイアス電圧が制御器３２で制御されるので、基板５への荷電粒子の入射エネルギーが一定に保たれて、バイアス効果が安定化する。長時間成膜して膜が基板５に付着しても、必要なタイミングで、プラズマ電位を演算器３１で取得することが可能となり、生産における成膜中、成膜する基板毎、又は、スパッタ装置のメンテナンス毎などのプラズマ状態の変動に追随して制御が可能であり、高品質の膜を安定して成膜することが可能となる。
According to the first and second embodiments, in the bias sputtering apparatus, the bias voltage is controlled by the
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。 In addition, it can be made to show the effect which each has by combining arbitrary embodiment or modification of the said various embodiment or modification suitably. In addition, combinations of the embodiments, combinations of the examples, or combinations of the embodiments and examples are possible, and combinations of features in different embodiments or examples are also possible.
本発明におけるスパッタ装置及びスパッタ方法は、たとえば、高密度なパッシベーション薄膜を安定して形成することが可能であり、薄膜デバイスの製造において、バイアススパッタ装置及びバイアススパッタ方法に利用するために有用である。 The sputtering apparatus and sputtering method of the present invention can stably form a high-density passivation thin film, for example, and are useful for use in a bias sputtering apparatus and bias sputtering method in the manufacture of thin film devices. .
１ 真空チャンバー
２ ポンプ
３ ゲートバルブ
４ ガス供給源
５ 基板
６ 基板ホルダー
７ ヒータ
８ ビューポート
９ ターゲット材
１０ バッキングプレート
１１ 探針
１２ 絶縁シール
１３ マグネット
１４ ヨーク
２１ ヒータ電源
２２ ＤＣ電源
２３ 電流計
２４ ＲＦ電源
２５ 発光分光モニタ
２６ Ｉ−Ｖ測定器
３１ 演算器
３２ 制御器
１００ 制御装置
Ｐ プラズマ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記真空チャンバー内でターゲット材を支持するターゲット材用支持部材と、
前記真空チャンバー内で前記ターゲット材用支持部材と対向して配置されかつ基板を支持する基板用支持部材と、
前記ターゲット材と接続されたターゲット材用電源と、
前記基板に接続された基板用直流電源とを備えて、前記真空チャンバー内でプラズマを生成して、前記基板用直流電源によりバイアス電圧を印加した前記基板上に薄膜を形成するバイアススパッタ装置であって、
前記基板から前記基板用直流電源に流れる電流を計測する電流モニタと、
前記電流モニタで計測した前記電流と電圧とのプロファイルからプラズマ電位を演算する演算器と、
前記演算器で演算した前記プラズマ電位に基づいて、前記バイアス電圧を制御する制御器と、
を備える、スパッタ装置。 A vacuum chamber;
A target material support member for supporting the target material in the vacuum chamber;
A substrate support member that is disposed opposite to the target material support member in the vacuum chamber and supports the substrate;
A power supply for a target material connected to the target material;
A bias sputtering apparatus comprising a substrate DC power source connected to the substrate, generating plasma in the vacuum chamber, and forming a thin film on the substrate to which a bias voltage is applied by the substrate DC power source. And
A current monitor for measuring a current flowing from the substrate to the DC power supply for the substrate;
An arithmetic unit for calculating a plasma potential from a profile of the current and voltage measured by the current monitor;
A controller for controlling the bias voltage based on the plasma potential calculated by the calculator;
A sputtering apparatus comprising:
前記ヒータに接続されて前記ヒータを加熱させるヒータ電源と、
を備える、請求項１に記載のスパッタ装置。 A heater disposed in the vacuum chamber above the substrate to which the bias voltage is applied to heat the substrate and the substrate support member;
A heater power supply connected to the heater for heating the heater;
The sputtering apparatus according to claim 1, comprising:
前記制御器は、前記演算器で演算して取得した前記プラズマ電位に基づいてバイアス電圧を設定して前記バイアス電圧を制御する、
請求項１又は２に記載のスパッタ装置。 The computing unit calculates the plasma potential from the IV characteristics obtained by sweeping the voltage of the substrate DC power source in positive and negative directions and measuring the current flowing from the substrate to the substrate DC power source with the current monitor. And get
The controller controls the bias voltage by setting a bias voltage based on the plasma potential obtained by calculation by the calculator.
The sputtering apparatus according to claim 1 or 2.
前記制御器は、前記演算器で演算して取得した前記プラズマ電位に基づいてバイアス電圧を設定し、前記バイアス電圧を、前記電流が一定となるように制御し、
前記演算器による前記プラズマ電位取得と前記制御器による前記電流一定制御とを繰り返す、
請求項２に記載のスパッタ装置。 The computing unit sweeps the voltage of the substrate DC power supply in positive and negative, and calculates and obtains the plasma potential from the I-V characteristics measured from the current flowing from the substrate to the substrate DC power supply,
The controller sets a bias voltage based on the plasma potential obtained by calculation by the calculator, and controls the bias voltage so that the current becomes constant,
Repeat the plasma potential acquisition by the computing unit and the constant current control by the controller,
The sputtering apparatus according to claim 2.
前記真空チャンバー内でターゲット材を支持するターゲット材用支持部材と、
前記真空チャンバー内で前記ターゲット材用支持部材と対向して配置されかつ基板を支持する基板用支持部材と、
前記ターゲット材と接続されたターゲット材用電源と、
前記基板に接続された基板用直流電源とを備えて、前記真空チャンバー内でプラズマを生成して、前記基板用直流電源によりバイアス電圧を印加した前記基板上に薄膜を形成するバイアススパッタ装置であって、
前記基板から前記基板用直流電源に流れる電流を計測する電流モニタと、
前記電流モニタで計測した前記電流と電圧とのプロファイルからプラズマ電位を演算する演算器と、
前記演算器で演算した前記プラズマ電位に基づいて、前記バイアス電圧を制御する制御器と、
を備える、スパッタ装置を利用するスパッタ方法であって、
前記演算器で、前記基板用直流電源の電圧を正負に掃印して、前記基板から前記基板用直流電源に流れる電流を計測したＩ−Ｖ特性から、前記プラズマ電位を演算して取得するプラズマ電位取得ステップと、
前記制御器で、前記演算器で演算して取得した前記プラズマ電位に基づいてバイアス電圧を設定して前記バイアス電圧を制御するバイアス制御ステップと、
を備える、スパッタ方法。 A vacuum chamber;
A target material support member for supporting the target material in the vacuum chamber;
A substrate support member that is disposed opposite to the target material support member in the vacuum chamber and supports the substrate;
A power supply for a target material connected to the target material;
A bias sputtering apparatus comprising a substrate DC power source connected to the substrate, generating plasma in the vacuum chamber, and forming a thin film on the substrate to which a bias voltage is applied by the substrate DC power source. And
A current monitor for measuring a current flowing from the substrate to the DC power supply for the substrate;
An arithmetic unit for calculating a plasma potential from a profile of the current and voltage measured by the current monitor;
A controller for controlling the bias voltage based on the plasma potential calculated by the calculator;
A sputtering method using a sputtering apparatus comprising:
Plasma obtained by calculating the plasma potential from the IV characteristics obtained by measuring the current flowing from the substrate to the DC power supply for the substrate by sweeping the voltage of the DC power supply for the substrate positively and negatively by the calculator. A potential acquisition step;
A bias control step of controlling the bias voltage by setting a bias voltage on the basis of the plasma potential obtained by the calculation by the calculator in the controller;
A sputtering method comprising:
前記真空チャンバー内でターゲット材を支持するターゲット材用支持部材と、
前記真空チャンバー内で前記ターゲット材用支持部材と対向して配置されかつ基板を支持する基板用支持部材と、
前記ターゲット材と接続されたターゲット材用電源と、
前記基板に接続された基板用直流電源とを備えて、前記真空チャンバー内でプラズマを生成して、前記基板用直流電源によりバイアス電圧を印加した前記基板上に薄膜を形成するバイアススパッタ装置であって、
前記基板から前記基板用直流電源に流れる電流を計測する電流モニタと、
前記電流モニタで計測した前記電流と電圧とのプロファイルからプラズマ電位を演算する演算器と、
前記演算器で演算した前記プラズマ電位に基づいて、前記バイアス電圧を制御する制御器と、
を備える、スパッタ装置を利用するスパッタ方法であって、
前記演算器で、前記基板用直流電源の電圧を正負に掃印して、前記基板から前記基板用直流電源に流れる電流を計測したＩ−Ｖ特性から、前記プラズマ電位を演算して取得するプラズマ電位取得ステップと、
前記制御器で、前記プラズマ電位取得ステップで演算して取得した前記プラズマ電位に基づいてバイアス電圧を設定し、前記バイアス電圧を、前記電流が一定となるように制御するバイアス制御ステップと、
前記演算器による前記プラズマ電位取得と前記制御器による前記電流一定制御とを繰り返すステップとを備える、
スパッタ方法。 A vacuum chamber;
A target material support member for supporting the target material in the vacuum chamber;
A substrate support member that is disposed opposite to the target material support member in the vacuum chamber and supports the substrate;
A power supply for a target material connected to the target material;
A bias sputtering apparatus comprising a substrate DC power source connected to the substrate, generating plasma in the vacuum chamber, and forming a thin film on the substrate to which a bias voltage is applied by the substrate DC power source. And
A current monitor for measuring a current flowing from the substrate to the DC power supply for the substrate;
An arithmetic unit for calculating a plasma potential from a profile of the current and voltage measured by the current monitor;
A controller for controlling the bias voltage based on the plasma potential calculated by the calculator;
A sputtering method using a sputtering apparatus comprising:
Plasma obtained by calculating the plasma potential from the IV characteristics obtained by measuring the current flowing from the substrate to the DC power supply for the substrate by sweeping the voltage of the DC power supply for the substrate positively and negatively by the calculator. A potential acquisition step;
A bias control step of setting a bias voltage based on the plasma potential obtained by calculation in the plasma potential acquisition step in the controller, and controlling the bias voltage so that the current is constant;
Repeating the acquisition of the plasma potential by the computing unit and the constant current control by the controller,
Sputtering method.
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Citations (4)
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