JP3684593B2 - Sputtering method and apparatus - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、パルス状の直流電圧を印加するスパッタリング方法、該方法を実現する装置および電力加工部に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流スパッタリング用のカソードは異常放電の問題を解決しなければ、高速で高品質の成膜を行うことができない。
【０００３】
カソード周辺で起きる異常放電はいろいろな原因による。ターゲット材表面に堆積または発生した微小な面積の絶縁物に電荷が蓄積され、該電荷が周辺の被成膜基板、アノード電極、真空室内壁、またはターゲット表面など電圧的に対極した部位に向かって一時的に起きるアーク放電（以下、アーキングともいう）によるものが多い。
【０００４】
このアーキングは、特に反応性スパッタリングにより導電性のターゲット材から絶縁体の生成物が生ずる場合などに多発する。アーキングが発生すると、ターゲット表面上に放電エネルギーが局部的に集中し、反応性ガス雰囲気中においてはさらに絶縁物を形成するので連鎖的にアーキングを多数引き起こす。
【０００５】
このため、スパッタリングに有効なグロー放電を安定して持続できなくなったり、成膜速度がきわめて不安定になったり、均一な品質の成膜を行えなくなったり、場合によってはアーキングによって膜が形成される基板に損傷を与えたり、ターゲット材やカソードを構成する機構部品を溶かしたりする等の弊害を及ぼす。
【０００６】
従来前記弊害を回避する方法としては、１３．５６ＭＨｚの高周波電源を使用する方法がよく行われている。
【０００７】
最近では、特開平５−１４８６４４号と特開平５−３３１６３４号とで提案された波形、または、該波形を実現し市販されている製品として、米国Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ社のＳＰＡＲＣ−ＬＥという製品があり、５μ秒〜１０μ秒程度のパルス状の正の電圧を周期的にカソードに印加して、ターゲット材表面に堆積または発生した微小な面積の絶縁物に蓄積した正電荷を、プラズマ中の電子を引き寄せることにより中和して、１３．５６ＭＨｚの放電で得られるような効果を数ｋＨｚの周波数の波形で実現する手法が開発されている。
【０００８】
また、米国特許第５０８２５４６号に見られるような、近接して配置した２本のカソードに数十ｋＨｚの中周波交流を印加して、２本のカソード間に交互に放電を起こし、カソード電圧が負になったときにスパッタリングを行い、正になったときにターゲット材表面に堆積または発生した微小な面積の絶縁物に蓄積した正電荷を、プラズマ中の電子を引き寄せることにより、ターゲット表面の電圧差を中和する方法も開発されている。
【０００９】
１３．５６ＭＨｚの高周波電源を用いたスパッタリング方法は、絶縁物でもスパッタリングできるので根本的にアーキングを抑止できるとされている。
【００１０】
しかし、１３．５６ＭＨｚの高周波電源を用いたスパッタリング装置は、出力１０ｋＷ以上の電源が大がかりで高価になること、高圧、大電流のインピーダンスマッチング回路が必要になること等の理由から、経済的にも、装置構成上からも実現が困難であった。
【００１１】
間欠的に正の電圧を印加する直流電力を使用したり、間欠的に０ボルトにしたりするスパッタリング方法は、ターゲット表面の電位差を中和し、効果的に初期のアーキングの発生を抑止できるため有用な手法である。これにより通常の直流スパッタリングよりも大幅にアーキングを抑止することが可能になった。
【００１２】
しかし、１３．５６ＭＨｚの高周波電源を用いるスパッタリング法のように絶縁物をスパッタリングする能力はなく、長時間の連続放電を行うとアーキングが発生する。
【００１３】
アーキングが発生すると、ターゲット表面上に放電エネルギーが局部的に集中し、それが反応性ガス雰囲気中においてさらに絶縁物を形成するので連鎖的にアーキングを多数引き起こしてしまう。
【００１４】
つまり、間欠的に正の電圧を印加したり、間欠的に０ボルトにしたりしてターゲット表面の電位差を中和しても、その印加する正の電圧や０ボルトにする時間が短いと、それに見合った電荷を蓄積した小さな絶縁物しか電位差の中和は完全には行われない。長時間のスパッタリングにより多くの電荷を蓄積した絶縁物や、アーキングによって新たに作られた大きな電荷を貯えた絶縁物の電位差の完全な中和は、単純な間欠的直流電力の使用によっては不可能であった。
【００１５】
近接して配置した２本のターゲットに交流を印加するスパッタリング方法は、数十ｋＨｚの交流を使用するので、前述の間欠的な直流電力によりスパッタリングする方法と比較して、ターゲットの表面の電位差を中和するという原理に関しては同じであるといえる。そのうえ、同一の電極が交互にカソードとアノードになる。したがって、カソードとなったときには表面がスパッタされクリーニングされるため、アノードとなるときには常に表面が清浄に保たれているので長時間の連続放電が安定して行えるという利点がある。
【００１６】
しかし、近接した２本のカソードが必要なこと、数十ｋＨｚの交流電源が必要なことから、現存する直流スパッタリング装置で簡便に異常放電を抑止し放電を安定化できるものではない。
【００１７】
アーキング発生の別の原因としては、ターゲット材がスパッタリングにより侵食されてくると、材料によってはターゲット材表面に微小な突起形状が出現し、該突起形状の部分への電界集中が生じることにより、局部的にアーキングが起きることも多い。
【００１８】
アーキングが起きると微小な面積に局部的に放電エネルギーが集中してターゲット材の組成が変化し、スパッタリング率の異なる部位が現れることがあり、ターゲット表面が均一にスパッタリングできないという問題を引き起こす。
【００１９】
アーキングは、特にスパッタリング法でインジウムと錫の酸化物（ＩＴＯ）膜を製造する場合、ターゲットとして、ＩＴＯターゲット、または、インジウムと錫の合金（ＩＴ）ターゲット、のいずれを用いても、連続スパッタリング中に、低級酸化物と思われる酸化インジウム、または、インジウムに対して著しくスパッタリング率の小さい黒色の微小突起物（以下ノジュールという）、がターゲット表面に多数現れ、ＩＴＯ膜の成膜速度が徐々に低下する。
【００２０】
同時に、アーキングが多く発生するようになり、そのアーキングによって飛散したターゲット物質が基板上に付着しＩＴＯ膜の欠陥になるなどの問題を起こしていた。
【００２１】
ターゲット侵食に伴って発生する突起物を除去するための最も一般的な方法としては、Ａｒガス等の不活性ガス雰囲気中で放電しスパッタリングエッチングにより物理的に除去する方法がある。また、ＩＴＯターゲットの場合では、特開平４−２９３７６７号で示されているようにＮ₂ ガス雰囲気で放電させてクリーニングを行い、ノジュールを除去する方法も提案されている。
【００２２】
しかし、これらの方法はノジュールが発生した後に真空を保ったまま効率良く除去する方法であって、根本的に発生を抑止し、長時間の連続放電を実現する方法ではなかった。
【００２３】
その他の方法としては、ＩＴＯターゲットであればターゲット材の焼結時の密度を上げてターゲット侵食時の突起形状を改善する方法があるが、ターゲット材のコストアップの原因になり、効果もあまりなく完全な対策とはいえない。
【００２４】
もう一つの方法として、ＩＴＯ膜に限られないが、スパッタリング時の電力密度を上げて侵食のされ方を変える方法も考えられるが、電力密度を単に上げることは、アーキングの発生の頻度を増加させたり、アーキングの放電エネルギーを増大させたりして、アーキングの弊害を助長し逆効果になる。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、アーキングを効果的に抑止し、より大きな電力を投入して、より高速に高品質の成膜を長時間にわたって行うためのスパッタリング方法と、該スパッタリング方法を実現する装置および電力加工部の提供を目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、真空室内に配置したカソードに、負の電圧が一定の周期で間欠的に印加されるスパッタリング方法において、負の電圧が印加されない時間の少なくとも一部の時間は、電圧が０ボルトに制御される時間であって、１０μ秒〜１０ｍ秒の範囲であり、かつ、１回のアーキング（アーク放電）の発生から消失までに要する時間と同等かそれよりも長い時間であり、かつ前記電圧が０ボルトに制御される時間は、アーク放電の直後に設けられることを特徴とするスパッタリング方法と該スパッタリング方法を実現する装置および電力加工部を提供する。
【００２７】
従来の通常の直流電源でも、初期のアーキングを検出して出力を高速にシャットオフし、アーキングの消失時間経過後、再度出力をオンにする機能を付加することによりアーキングの弊害と発生頻度を低減させることは原理的にはできる。しかし、実際にアーキングの検出回路を電源に設置する場合、電源が正極から負極に出力している電流または電圧の多寡の異常を、出力ケーブルを経由して検出することになる。
【００２８】
このような検出方法においては、ターゲット材であるカソード電極とターゲット材周辺に配置するアノード電極との間で起きているアーキングを検出できるだけであって、カソード材表面上で発生し始める初期の微小なアーキングは、ケーブルのインピーダンスや電源回路の回路定数によりフィルタリングされることになり検出できない。つまり、初期の微小なアーキングによって連鎖的に引き起こされた比較的大きなアーキングが検出できるだけである。
【００２９】
このカソードとアノード間に発生する比較的大きなアーキングの消失時間はｍ秒オーダーであるため、電源の作動としては数ｍ秒間以上出力をシャットオフしなければならない。また、この種のアーキングが発生した時点ではターゲット材表面に形成された絶縁物はすでに大きくなっているので、同様のアーキングは頻発する。したがって、通常の直流電源で出力の異常を検出した場合、数ｍ秒以上のシャットオフを繰り返すことになり、正常なスパッタリングを続けることは著しく困難になる。
【００３０】
以上の理由により、通常の直流電源で装置を構成した場合は、微小なアーキングを検出できず、その結果引き起こされた大きなアーキングに対して数ｍ秒以上のシャットオフを繰り返す問題がある。
【００３１】
本発明者らは、アーキングの波形を詳細に観測することによって、アーキングが連鎖的に発生し始める前の初期のアーキング（以下、初期アーキングという）の波高値（電流波形における波の最大値）と消失する時間が、同じ装置構成であればほぼ一定となることを見出した。
【００３２】
そこで、真空室内に配置したカソードに、負の電圧が一定の周期で間欠的に印加されるスパッタリング方法において、負の電圧が印加されない時間の少なくとも一部の時間は、電圧が０ボルトに制御される時間であって、１０μ秒〜１０ｍ秒の範囲であり、かつ、１回のアーキング（アーク放電）の発生から消失までに要する時間と同等かそれよりも長い時間である電圧の波形を使用することにより、アーキングが１度発生しても該アーキングのエネルギーが最小限に抑えられ、連鎖的にアーキングが増大することを防止できることを新規に見出した。この微小なアーキングはオシロスコープなどの波形観測装置によって発見できる。
【００３３】
さらに本発明者らは、同じ装置構成であれば、負の電圧を印加した時点から初期アーキングが発生し始めるまでの時間がほぼ一定となることを、アーキングの波形を詳細に観測することによって見出した。
【００３４】
そこで、負の電圧が間欠的に印加される時間が、１０μ秒〜１０ｍ秒の範囲であり、かつ、前記負の電圧が印加されてからアーキング（アーク放電）が発生するまでの時間と同等かそれよりも短い時間である電圧波形を使用することにより、ターゲット表面上の微小な面積の絶縁物への電荷の蓄積を最小限に抑え、アーキングを起こすよりも早く波形を０ボルトに制御して、ターゲット近傍にあるプラズマによって帯電を中和することにより初期アーキングの発生頻度を低く抑えられることを新規に見出した。
【００３５】
以上述べたように、０ボルトに制御する時間を特定することによって、長時間にわたってスパッタリングを続けることができ、さらに、間欠的に印加される負の電圧の印加時間を特定することによってその効果が増大する。
【００３６】
この方式の波形を図１に示す。図１において、上段は、電圧の波形、下段は電流の波形を示し、１は間欠的に印加される負の電圧の印加時間（以下、オン時間という）、２は０ボルトに制御される時間（以下、オフ時間という）、３はアーキング発生時の波形を示している。
【００３７】
この方式は、オン時間に比べて、オフ時間が長くなった場合は、電力効率は悪くなるものの、オン／オフだけの単純な波形なので、電源部の容量に余裕があれば装置構成上有利である。
【００３８】
一方、本発明者らは、オフ時間の一部に、１μ秒〜２０μ秒の範囲で正の電圧が印加される時間を有する電圧波形を用いることにより、絶縁物への帯電の中和をより効率良く、より短時間で行えることを見出した。
【００３９】
この波形と前記の特定のオン時間とを組み合わせることにより電力効率の良い波形が得られることを見出した。
【００４０】
さらに、アーキング（アーク放電）が消失する時間と同等かそれよりも長い時間の、電圧を０ボルトにする制御を、アーキングの直後だけに設定することで、より電力効率が良く、そして長時間にわたってアーキングの発生を抑止できることを見出した。
【００４１】
このときの波形を図２に示す。図２において、上段は、電圧の波形、下段は電流の波形を示し、２１はオン時間で、１０μ秒〜１０ｍ秒の範囲であり、かつ、電圧がオンになってから初期アーキングが発生するまでの時間と同等かそれよりも短い時間である。
【００４２】
２２はオフ時間であり、この時間は、正の電圧を印加している時間２３と、その後０ボルトにする時間２６（オフ時間２６）により決定される。なお、正の電圧を印加している時間２３の直前のオフ時間は短時間であることが好ましいが、半導体スイッチング素子の保護のために１μ秒〜２μ秒の一定の時間が設定される。
【００４３】
正の電圧を印加する時間２３は、長時間である必要はなく、実際に大型のターゲットに印加するために充分な時間であればよく、約５μ秒〜２０μ秒程度であることが好ましい。また、正の電圧の値は、実際のターゲットに印加されるのに充分な電圧であればよく、最大２００ボルト程度でよい。
【００４４】
オフ時間２２は、オフ時間２６を調整することによって変更でき、プロセスの状況によって調節できることが望ましい。これは、もし検出回路に設定した検出基準値よりも小さなごく微小なアーキングが発生したときでも、オフ時間２６を調整し、そのごく微小なアーキングの消失時間と同等かそれよりも長い時間のオフ時間２２とすることで好ましい結果が得られるからである。
【００４５】
２５はアーキング発生時の波形を示しており、アーキング発生直後のオフ時間２４はアーキングの消失時間と同等かそれ以上の長さとなっている。
【００４６】
以上述べた各種条件は、スパッタリングする材料やカソード電極の構造により最適値が異なるので変更できることが好ましい。
【００４７】
本発明の作用は次のとおりである。すなわち、本発明においては、オン時間とオフ時間とが繰り返される波形を用いることによって、ターゲット表面の電位差をなくすことができ、アーキングの発生を防ぐため、通常の直流スパッタリングよりも安定して放電を維持できる。
【００４８】
また、もしアーキングが発生しても、充分に長いオフ時間によって、アーキングを完全に消失させてから負の電圧が印加されるため、アーキングの規模を小さく維持できる。
【００４９】
さらに、初期アーキングは、負の電圧が印加された後ある程度の時間の経過後に現れるので、負の電圧が印加される時間が、１０μ秒〜１０ｍ秒の範囲であり、かつ、負の電圧が印加されてから初期アーキングが発生するまでの時間と同等かそれよりも短い時間である波形を用いることにより、ターゲット表面の電位差を中和し、アーキングの発生頻度と規模を小さくできる。
【００５０】
以上の作用により、初期アーキングの発生頻度と規模を小さく保つことができ、大きな電力でもより長時間にわたり安定してスパッタリングを続けられる。
【００５１】
また、０ボルトにした直後、正の電圧を短時間だけ印加しその後再度０ボルトにする、図２の上段に示されるような波形を使用することで、より効率よくターゲット表面の電圧差をなくすことができ、アーキングの発生を防ぐため、通常の直流スパッタリングよりも安定して放電を長時間にわたり維持できる。
【００５２】
さらに、アーキング２５を検出して、その直後だけ、オフ時間２４をアーキングが消失する時間以上とすることにより、初期アーキングの発生頻度と規模を小さく保つことができ、大きな電力でもより長時間にわたって安定してスパッタリングを続けられる。
【００５３】
また、もし検出回路にあらかじめ設定した検出基準値よりも小さなごく微小なアーキングが発生したときでも、オフ時間２６を調整し、オフ時間２２を前記のごく微小なアーキングの消失時間以上とすることによって、より安定してスパッタリングを続けられる。
【００５４】
上記のスパッタリング方法を実現するための電源装置はいろいろな構成が考えられ、その一つの構成を図３に示す。本発明における電源装置は、スパッタリング電力発生部と電力加工部とにわかれている構成が最も好ましい。図３において、３１はスパッタリング電力発生部、３２は電力加工部、３３は真空室、３４はカソード電極、３５はアノード電極、３６は基板である。
【００５５】
本発明によれば、電力加工部３２がスパッタリング電力発生部３１よりもカソード電極３４の近傍に配置でき、電力加工部３２の出力端とカソード電極３４との間の電源ケーブルの長さを最短にできる。これにより電源ケーブルの持つインダクタンスを最小にでき、本発明における間欠的な直流電圧の波形を歪みなくカソード電極３４に印加できる。
【００５６】
次に、本発明の電力加工部３２の構成を図４に示す。主回路である第１のスイッチング回路４１と、正の電圧を印加するための第２のスイッチング回路４２と、それらを制御する半導体スイッチング素子の駆動制御回路（図示せず）と、スパッタリングの電流計測回路、電圧計測回路および電力計測回路（図示せず）とで構成されている。
【００５７】
第１のスイッチング回路４１は、スパッタリング電力発生部３１の負極とカソード電極３４との間に直列に挿入される。第１のスイッチング回路４１は、半導体スイッチング素子とそれを保護するコイルにより構成され、スパッタリング電力を間欠的な電力とするように作動する。オン／オフの入り切りの作動速度は、最高で１０μ秒（１００ｋＨｚ）である。
【００５８】
第２のスイッチング回路４２は、半導体スイッチング素子とそれを保護するコイルにより構成され、スパッタリング電力発生部とは別に、カソード電極３４に任意の正の電圧を供給する直流電源４３の電力を、カソード電極３４に印加するように作動する。
【００５９】
第２のスイッチング回路４２は、主回路である第１のスイッチング回路４１がオフになっているときのみオンする。オンになって正の電圧を印加する時間は最大約２０μ秒程度でよい。
【００６０】
正の電圧を印加する電源４３は、最大２００ボルト程度で充分であり、任意に設定できることが好ましい。
【００６１】
第１のスイッチング回路４１の半導体スイッチング素子がオフになった直後に、第２のスイッチング回路４２の半導体スイッチング素子が、最大約２０μ秒オンになることによって、カソード電極３４へ最大約２００ボルト程度の正の電圧を印加できるため、図２に示したような、アーキングを抑止し電力効率の良い波形を生成できる。
【００６２】
半導体スイッチング素子の駆動制御回路は、第１のスイッチング回路をオンにする時間を５μ秒以上に、オフにする時間を５μ秒以上に制御可能であるとともに、第１のスイッチング回路をオフに制御したときに、第１のスイッチング回路をオフにする時間以下で、かつ、１μ秒〜２０μ秒の範囲で第２のスイッチング回路をオンに制御できる機能を有する。
【００６３】
なお、常時第１のスイッチング回路をオンにして、オフにする時間をゼロに制御することもでき、該制御により、従来の直流スパッタリングの実施も可能である。
【００６４】
スパッタリングの電流、電圧または電力を計測する回路は、スパッタリングに有効な電流値、電圧値または電力値を計測する機能と、計測された前記各値とあらかじめ設定された各基準値との多寡を判定しアーキング（アーク放電）を検出する機能とを有する。この場合、電流値、または電流値と電圧値との多寡を判定することが特に有効である。
【００６５】
スパッタリング電流値や電圧値の多寡（または放電時のインピーダンス）を判定し、アーキングが検出された時はスイッチング回路４１の半導体スイッチング素子が、アーキング直後のみ、アーキングが消失する時間以上の時間、オフに作動することによってアーキングの規模を最小限に抑え、より安定して長時間にわたりスパッタリングを続けられる。
【００６６】
また、半導体スイッチング素子の駆動制御回路は、アーキング発生直後のオフ時間２４の時間を制御する機能を有し、１００μ秒〜１０ｍ秒の範囲で任意に設定できる。
【００６７】
また、電力加工部の入力端子側に平滑回路４４を設けることも好ましい。これにより、電力発生部３１の出力端の電圧と電流の波形を実質的に直流の波形とすることができる。
【００６８】
電力発生部には、通常、出力端の電圧、電流または電力をフィードバックして一定に保つ機能があり、該機能により、制御上のハンチング等を生じる。しかし、前記平滑回路４４により、ハンチング等を防止できるので通常の直流電源を使用できる。したがって、スパッタリング電力発生部３１としては、通常のスパッタ用直流電源であってもよく、このような構成であれば現存するスパッタリング装置でも電力加工部３２を追加することで本発明を実施できる。
【００６９】
本発明のスパッタリング方法では、式１で定義されるような一周期内の電力の時間平均値（以下、電力の実効値という）を計測し表示することが好ましい。
【００７０】
これによりどのようなタイプの波形でスパッタリングを行っても成膜速度を通常の直流スパッタリング時の電力と同様に管理できる。
【００７１】
また、電力の実効値をスパッタリング電力発生部３１にフィードバックして定電圧制御、定電流制御または定電力制御を行うのも好ましい。
【００７２】
同一真空室内に複数のカソード電極を設置し同時にスパッタリングを行う装置の場合、間欠的な電力波形を各々のカソードに供給すると、うなり等の干渉を生じることがあるため、電力加工部は互いに連携して位相をずらして作動する機能が付加されることも好ましい。
【００７３】
図８に本発明の装置の一例を示す。この例では、同一真空室内に２つのカソード電極８２ａ、８２ｂとアノード電極８３ａ、８３ｂを設置し、基板８５へ同時にスパッタリングを行う。電力発生手段である８１ａと８１ｂは間欠的な電力を供給できるものであり、位相を任意にずらした波形の電圧の印加により、うなり等のプラズマの干渉を防ぎ、安定したプラズマ８４を発生させる。
【００７４】
さらに、図４に示したような本発明の電力加工部と組み合わせることにより、図１または図２のような波形を発生させることができ、プロセスの条件にあわせて最適な波形を供給できる。
【００７５】
本発明のスパッタリング装置では、反応性スパッタリングを行うような場合でもアーキング発生頻度を低減でき、より多くの電力を安定してカソードに投入でき、種々のスパッタリングプロセスにあわせて、最適な、間欠的な電力を選択し、供給できる。したがって、本発明のスパッタリング装置は高い成膜能力を有する。
【００７６】
本発明のスパッタリング方法で形成された、酸化ケイ素を主成分とする薄膜は、従来の直流スパッタリングで得られる薄膜よりも高品質のものが得られる。
【００７７】
本発明のスパッタリング方法や装置により形成された、酸化ケイ素を主成分とする薄膜は、成膜中にアーキングが発生しないため、パーティクルの付着等が少なく高品質となる。
【００７８】
また、アーキング発生時の成膜条件のゆらぎがないため、均一で、ミクロな欠陥も少ない膜となるものと考えられる。
【００７９】
また、スパッタリングは一周期毎に間欠的に行われているので、各周期毎に非常に薄い薄膜が間欠的に基板上に形成される。すなわち、周期毎に基板上での酸化反応が完結しながら成膜されるため、欠陥の少ない優れた膜質が得られるものと考えられる。
【００８０】
このようにして、マクロ的にもミクロ的にも低欠陥の、酸化ケイ素を主成分とする優れた薄膜が得られるために、低温基板上に形成された場合でも高いアルカリバリア性能を発現するものと考えられる。
【００８１】
本発明のスパッタリング方法や装置により形成された、窒化ケイ素を主成分とする薄膜は、従来の直流スパッタリングで得られる薄膜よりも高品質のものが得られる。
【００８２】
本発明のスパッタリング方法により形成された、窒化ケイ素を主成分とする薄膜は、特に基体を加熱することもなく、成膜中にアーキングが発生しないため、パーティクルの付着等が少なく高品質となる。
【００８３】
また、アーキング発生時の成膜条件のゆらぎがないため、均一で、ミクロな欠陥も少ない膜になるものと考えられる。
【００８４】
また、スパッタリングは一周期毎に間欠的に行われているので、各周期毎に非常に薄い薄膜が間欠的に基板上に形成される。すなわち、周期毎に基板上での窒化反応が完結しながら成膜されるため、欠陥の少ない優れた膜質が得られるものと考えられる。
【００８５】
このようにして、マクロ的にもミクロ的にも低欠陥の、窒化ケイ素を主成分とする優れた薄膜が得られるため、低温基板上に形成された場合でも高いアルカリバリア性能を発現するものと考えられる。
【００８６】
また、窒化ケイ素膜中の、ケイ素に対する窒素の原子数比（Ｎ／Ｓｉ比）が、１．２５〜１．３６となるように、スパッタリングガスの窒素濃度の調整および／またはケイ素ターゲットへの投入電力の調整を行うことにより、さらにアルカリバリア性の優れた窒化ケイ素を製造できる。
【００８７】
本発明のスパッタリング方法による透明電導薄膜の成膜方法は、負の電圧を間欠的に印加し、大電力密度の電力を瞬間的に供給することによって、透明電導膜を形成すると同時に、スパッタリング速度低下などの原因となるターゲット表面での低級酸化物ノジュールの発生、およびスパッタリング中の異常放電を抑制するという、生産性に優れた成膜方法である。
【００８８】
スパッタリングターゲットとしては、金属アンチモンまたはアンチモンの化合物を含有し、錫または酸化錫を主成分とするスパッタリングターゲットや、金属錫または錫の化合物を含有し、インジウムまたは酸化インジウムを主成分とするスパッタリングターゲットや、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ホウ素およびケイ素からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属の単体または化合物を含有し、亜鉛または酸化亜鉛を主成分とするスパッタリングターゲットなどが挙げられる。
【００８９】
本発明の方法および装置に用いられるスパッタリング電力の電圧波形としては、図１に示すような、負の電圧の印加時間が１０μ秒〜１０ｍ秒の範囲にあり、かつ無印加時間が１０μ秒〜１００ｍ秒の範囲にある電圧波形、または図２に示すような、負の電圧の印加時間が１０μ秒〜１０ｍ秒の範囲にあり、かつ正の電圧の印加時間と無印加時間との和が１０μ秒〜１００ｍ秒の範囲にある電圧波形などが好ましい。
【００９０】
また、負の印加電圧の値（図９における−Ｖ_N ）の設定は、本発明の目的であるノジュール発生抑制のために重要である。式５に示されるように、間欠的に供給される電力の平均値Ｗ_A が電力の実効値Ｗの２〜１０倍になるように負の印加電圧（−Ｖ_N ）を調整することによって、アーキングを抑止するとともに、ターゲット表面に発生する低級酸化物ノジュールの発生を効率的に抑止できる。
【００９１】
なお、電力の実効値Ｗは式１のようになる。Ｔは周期を表す。これを図２のような波形の場合にあてはめると、式２のようになる。一方、実際スパッタリングが起こっている（負の電圧が印加されている）時間（図９においてはａ₁ ）内での電力の平均値Ｗ_A は、式３のようになる。図２においては、時間ａ₁ 内での電圧Ｖ（ｔ）＝（−Ｖ_N ）であるのでこれを代入すると式４のようになる。
【００９２】
ノジュールを有効に除去するためには、式５に示されるように、電力の平均値Ｗ_A が電力の実効値Ｗの２〜１０倍になるようにすることが好ましく、これを図２のような波形の場合にあてはめると、式６のようになるので、式６を満足するように（−Ｖ_N ）、ａ₁ （１０μ秒≦ａ₁ ≦１０ｍ秒）、ｂ₁ （１０μ秒≦ｂ₁ ≦１００ｍ秒）を調整すればよい。
【００９３】
特に、式７に示される間欠的な電力の電力密度の平均値ω_A が、２．５Ｗ／ｃｍ² 〜３０Ｗ／ｃｍ² の範囲において良好な結果が得られる。
【００９４】
この場合、図９に示されるように正確な矩形波である必要はなく、ターゲットの大きさ、状態または個々の装置によって、（−Ｖ_N ）、ａ₁ 、ｂ₁ を最適化すればよい。
【００９５】
なお、図１０および図１１のような正電圧の印加がある場合には、正の電圧の印加はスパッタリングには有効に働かないために、式１〜７の計算においては、Ｖ_P ＝０として考える。
【００９６】
前記透明電導膜の成膜速度は、間欠的に供給されるスパッタリング電力の実効値Ｗにより、容易に制御できる。たとえば、従来の直流スパッタリング法で得られる所望の成膜速度を本発明の方法で得ようとする場合には、間欠的に供給される電力の実効値Ｗを直流電力値と同じに合わせれば、所望の成膜速度が得られる。すなわち、従来の直流スパッタリング法による成膜速度／直流電力＝本発明による成膜速度／電力の実効値Ｗとなる等式がほぼ成り立つ。
【００９７】
このように、オフ時間によって、実効電力を通常の直流スパッタの電力と揃えることにより、成膜速度を調整して基板に形成される膜質を同様に保ったまま長時間にわたって安定してスパッタリングを行える。
【００９８】
【数１】

【００９９】
【０１００】
【０１０１】
【０１０２】
【０１０３】
【０１０４】
【０１０５】
【実施例】
（実施例１）
図５に本発明の装置の実施例を示す。５１は間欠的な負の直流電圧を発生する直流電源、５２はターゲット材を装着したカソード電極、５３はアノード電極、５４は被成膜基板、５５はスパッタリングに有効なグロー放電を模式的に示したもの、５６はターゲット表面上に発生する微小なアーキングを模式的に示したもの、５７はカソード電極とアノード電極間に発生するアーキングを模式的に示したものである。
【０１０６】
本発明において、間欠的な直流電圧を発生する直流電源の出力は必ずしも矩形波でなくてもよく、台形状でも三角状でも正弦波状でも効果に差はない。また、電源回路構成上、電源自体が発振して波形を形成してもよく、直流電源の出力を半導体スイッチング素子で間欠的な波形に加工しても本発明の効果は変わらない。
【０１０７】
図５の構成の装置において、寸法が１０×８０ｃｍのプレーナーマグネトロンカソードで、ターゲット材としてホウ素をドープしたシリコンを用い、導入ガスとしてＡｒとＯ₂ とを１：１の比で混合したガスを用い、放電中の圧力を３．０×１０^-3Ｔｏｒｒとし、電力実効値２ｋＷでスパッタリングし、基板にホウ素をドープしたＳｉＯ₂ の成膜を行った。従来の直流で放電したときは、約２分３０秒後に急にアーキングが多発しスパッタリングが続けられなくなった。
【０１０８】
次に、間欠的な直流として、図１の上段に示されるような波形において、負の電圧が印加されるオン時間を１００μ秒、オフ時間を４０μ秒とした波形とした以外は前記と同様にスパッタリングしたところ、次第にアーキングが発生し始めて、約３０分後にアーキング発生頻度が約６０回／分となった。
【０１０９】
次に、放電中の電流波形を観測し初期アーキングの消失時間を計測したところ、１６０〜１８０μ秒であった。
【０１１０】
そこで、間欠的な直流として、オン時間を１００μ秒、オフ時間を２００μ秒とした波形とした以外は前記と同様にスパッタリングしたところ、約６０分後にアーキング発生頻度が約６０回／分となった。
【０１１１】
このとき、初期アーキングは負の電圧が印加されてから９０〜１００μ秒後に発生することが多かったので、間欠的な直流として、オン時間を８０μ秒、オフ時間を２００μ秒とした波形とした以外は前記と同様にスパッタリングしたところ、約６０分後にアーキング発生頻度が約３０回／分となった。
【０１１２】
以上４種類の実験におけるアーキングの発生頻度を図６に示す。このときのアーキングの計測方法においては、通常の電流波形の最大値よりも１０％以上大きい電流値をオシロスコープの検出レベルとし、検出した回数を記録した。
【０１１３】
（実施例２）
図５の構成の装置において、寸法が４０×３００ｃｍのカソードでターゲット材としてアルミニウムをドープしたシリコンを用い、導入ガスとしてＡｒとＯ₂ とを２：１０の比で混合したガスを用い、放電中の圧力を２．０×１０^-3Ｔｏｒｒとし、電力実効値１３ｋＷでスパッタリングし、基板にアルミニウムをドープしたＳｉＯ₂ の成膜を行った。
【０１１４】
従来の直流で放電したところ約３５分後に急にアーキングが多発しスパッタリングが続けられなくなった。放電時の波形を観測したところ、初期アーキングの消失時間は、約４００μ秒であった。
【０１１５】
そこで、図１上段に示すような波形において、オフ時間を５００μ秒、オン時間を５００μ秒の波形とした以外は前記と同様にスパッタリングしたところ、初期アーキングの発生までの時間はオンになってから約２２０μ秒であった。
【０１１６】
そこで、オン時間を２２０μ秒、オフ時間を５００μ秒の波形とした以外は前記と同様にスパッタリングしたところ、４時間経過後もアーキングの発生頻度は２０回／分以下であった。
【０１１７】
従来の直流放電をした場合、および、オン時間を２２０μ秒、オフ時間を５００μ秒の波形を用いた場合についてのアーキングの発生頻度を図７に示す。アーキングの検出方法は実施例１と同様である。
【０１１８】
（実施例３）
真空室内に比抵抗１．２Ω・ｃｍのＮ型ケイ素（リンドープ単結晶）をターゲットとしてカソード上に配置し、ターゲットの対面にソーダライムガラスを基板として配置した。真空室を１×１０^-5Ｔｏｒｒまで排気した後、放電ガスとしてＡｒとＯ₂ の混合ガスを導入し、圧力が２×１０^-3Ｔｏｒｒになるようコンダクタンスを調整した。
【０１１９】
次いで、図２上段に示すような電圧をカソードに印加した。ここで、オン時間２１は初期アーキングが発生しはじめる時間と同等の５０μ秒とし、オフ時間２２は初期アーキングの消失時間と同等の５０μ秒とし、そのうち正の電圧を印加する時間２３は約１２μ秒とした。このとき、負の電圧は、これを印加している状態の印加電力が５００Ｗになるように定め、また、正の電圧は１００ボルトに保った。
【０１２０】
基板温度を室温とし、スパッタリングガスのＯ₂ 濃度を６０％として放電を開始し、５分のプレ放電の後シャッタを開き、膜厚が２５０Åとなるように成膜時間を調整して、ソーダライムガラス基板上に酸化ケイ素を主成分とする薄膜を形成した。
【０１２１】
放電開始後１２０分を経過した時点で別のソーダライムガラス基板上に成膜したが、アーキングはほとんど観測されなかった。
【０１２２】
（比較例１）
図１上段に示すような波形の間欠的な直流電圧をカソードに印加して成膜を行った以外は、実施例３と同様にスパッタリングを行った。ここで、オン時間は５０μ秒、オフ時間は２５μ秒とした。
【０１２３】
成膜開始直後はアーキングがほとんど観察されなかったが、時間の経過とともにアーキングの発生が見られ、成膜終了時にはターゲット表面で間断なく赤熱したパーティクルの放出が観察された。
【０１２４】
放電開始後１２０分の時点で別のソーダライムガラス基板へ成膜した。このときアーキングは非常に頻繁に起きていた。
【０１２５】
（比較例２）
１３．５６ＭＨｚの高周波電圧をカソードに印加した以外は実施例３と同様にスパッタリングを行った。
【０１２６】
放電開始後１２０分の時点で別のソーダライムガラス基板上に成膜を行った。このときアーキングは全く発生しなかった。
【０１２７】
実施例３、比較例１および比較例２より得られたコートガラスのコート面を、９０℃の純水に２４時間接触させた後、この純水中に溶出したナトリウム原子の量（μｇ／ｃｍ² ）を原子吸光法により測定した。結果を表１に示す。
【０１２８】
【表１】

【０１２９】
以上の実施例と比較例から明らかなように、本発明によれば基板を加熱することなくアルカリバリア性の高い酸化ケイ素薄膜を長時間にわたり安定して成膜できる。また、直流スパッタリングにより成膜することから、大面積化や、高速化が容易となり、液晶用の透明導電性基板等への適用が工業生産規模で可能となるなど、その効果は絶大である。
【０１３０】
（実施例４）
１６０ｍｍ×４０ｍｍの面を持った、比抵抗１．２Ω・ｃｍのＮ型ケイ素（リンドープ単結晶）をターゲットとして用い、該ターゲットに図２上段に示す波形の電圧を印加した。ここで、負の電圧は、印加している状態の印加電力が２００Ｗになるように定め、また、正の電圧は１００ボルトに保った。その他の条件は実施例３と同じである。
【０１３１】
まず、ＡｒとＮ₂ との混合ガスからなるスパッタリングガスのＮ₂ 濃度を４０％とし放電を開始した。５分後にシャッタを開き室温の平面ソーダライムガラス上に、窒化ケイ素を２００Åの膜厚で成膜した。
【０１３２】
次に放電開始後１２０分の時点で再びシャッタを開き別のソーダライムガラス基板上に２００Åの窒化ケイ素膜を形成した。この間はアーキングは全く観測されなかった。
【０１３３】
（比較例３）
直流電力を２００Ｗになるように印加した以外は実施例４と同様にスパッタリングを行った。放電開始５分後の成膜時にはアーキングは観測されなかった。
【０１３４】
放電開始後１２０分の時点で別のソーダライムガラス基板上に成膜したとき、アーキングはかなり頻繁に発生しておりターゲット表面から赤熱したパーティクルの放出が確認された。
【０１３５】
（比較例４）
直径６インチで、比抵抗１．５Ω・ｃｍのＮ型ケイ素（リンドープ単結晶）をターゲットとして用い、スパッタリングガスのＮ₂ 濃度を１００％とし、前記ターゲットに、１３．５６ＭＨｚの高周波を電力が３００Ｗになるように印加した以外は、実施例４と同様にスパッタリングを行った。
【０１３６】
放電開始後１２０分の時点で別のソーダライムガラス基板上に成膜したが、アーキングは全く観測されなかった。
【０１３７】
（比較例５）
原料ガスのアンモニアガス／シランガスの比が３、５、１０、１５のそれぞれの場合について、ＣＶＤ法により、温度を約６００℃に保った平面ソーダライムガラス上に、窒化ケイ素を２００Åの膜厚で成膜した。
【０１３８】
実施例４および比較例３〜５により得られたコートガラスのコート面を９０℃の純水に２４時間接触させた後、この純粋中に窒化ケイ素膜を通してソーダライムガラスより拡散、溶出したナトリウム原子の量を原子吸光法により求めた。また、前記窒化ケイ素膜の、ケイ素に対する窒素の原子数比（Ｎ／Ｓｉ）をＸ線光電子分光法により測定した。実施例４、比較例３、比較例４についての結果を表２に、比較例５についての結果を表３に示す。
【０１３９】
【表２】

【０１４０】
【表３】

【０１４１】
以上の実施例と比較例との比較より、本発明によって成膜した窒化ケイ素は、これを通し拡散、溶出するナトリウム原子の量が低いことがわかる。また、高いアルカリバリア性をもつ窒化ケイ素膜を、長時間にわたり安定して成膜できることがわかる。また、基体を加熱することなくアルカリバリア性の高い窒化ケイ素を成膜でき、耐熱性の低い基体上にもアルカリバリア被覆を行えることがわかる。
【０１４２】
（実施例５）
図５に示すような通常のマグネトロンスパッタリング装置を用いて、錫を１０重量％含んだ酸化インジウムのターゲット５２に、図１上段に示す波形で、オン時間を１００μ秒、オフ時間を４００μ秒とした波形の電圧を印加した。成膜基体５４としては、あらかじめ２００℃に加熱したノンアルカリガラス（旭硝子社製ＡＮガラス）を使用した。
【０１４３】
まず、成膜室内を１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下に排気した後、Ｏ₂ ガスを１体積％含んだＡｒガスをガス圧が３×１０^-3Ｔｏｒｒになるように導入し、スパッタリング電力が実効値で１．１ｋＷになるように設定した。
【０１４４】
（実施例６）
図２に示すような波形で、オン時間２１が１００μ秒、負の印加電力値に対し１０％程度の振幅値を持つ正の電圧の印加時間２３が１０μ秒、オフ時間２６が３９０μ秒とした波形の電圧を印加した以外は実施例５と同様にスパッタリングを行った。
【０１４５】
（比較例６）
通常のマグネトロンスパッタリング装置を用いて、通常の直流スパッタリング電源を用いた以外は実施例５と同様にスパッタリングを行った。
【０１４６】
実施例５、実施例６、比較例６について、２３時間連続スパッタリング後のノジュールの発生状況、異常放電の発生頻度およびＩＴＯ膜の特性を調査した。
【０１４７】
【表４】

【０１４８】
表４からわかるように、２３時間連続スパッタリング後（６ｍｍ厚のターゲットの掘りきり）においても、ノジュールの発生もごく微少で、スパッタリング速度の低下もほとんど見られない。さらに異常放電の発生頻度も比較例６に示される通常のスパッタリング法と比較し、５分の１〜３分の１程度に低減する。ＩＴＯ膜の比抵抗は、通常のスパッタリングサンプルと同程度のものが得られる。
【０１４９】
比較例６においては、スパッタリング速度の低下は約４０％と著しく、比抵抗もスパッタリング初期では、１．９×１０^-4Ω・ｃｍであったものが、スパッタリング速度の低下のために４×１０^-4Ω・ｃｍまで悪化する。またノジュールは、非常に強固で機械的な研磨クリーニングが必要であった。
【０１５０】
上述したように、本発明によって、生産性低下の要因となる成膜工程の停止をなくし、透明電導膜を形成すると同時にスパッタリング速度低下などの原因となるターゲット表面上でのノジュールの発生を抑制できる。同時に、透明電導膜の欠陥の原因となる異常放電を抑制できる。また、この異常放電抑制効果により、従来の直流スパッタリング法に比べ、大電力が投入可能となり、高い成膜速度が得られる。
【０１５１】
さらに、本発明の電力加工部を用いれば、直流スパッタリング用電源に使用されている異常放電防止回路を付加しなくても異常放電が抑制できる。また、間欠的な投入電力の実効値を制御することにより、従来の直流スパッタリング法と同様に成膜条件を管理でき、従来と同等の特性を有する透明電導膜が得られる。
【０１５２】
【発明の効果】
本発明のスパッタリング方法により、ターゲット表面の電位差をなくすことができ、アーキングの発生を防げるため、通常の直流スパッタリングよりも安定して放電を維持できる。
【０１５３】
さらに、初期アーキングの発生頻度と規模を小さく保つことができ、大きな電力でもより長時間にわたって安定してスパッタリングを続けることができ、電力効率も良い。
【０１５４】
本発明のスパッタリング装置は、反応性スパッタを行うような場合でもアーキング発生頻度を低減でき、より多くの電力を安定してカソードに投入できるので、高い成膜能力を有する。
【０１５５】
本発明の電力加工部は、簡易な構成であるため、現存するスパッタリング装置に簡単に適用でき、パルス状の間欠的な直流電力によるスパッタリングを実現できる。
【０１５６】
本発明の電力加工部は、間欠的な電圧波形を、装置の大きさ、材料、投入電力、初期アーキングの規模に応じて容易に最適化できる。
【０１５７】
また、成膜中のアーキングが発生しないため、パーティクルの付着等が少なく高品質な、酸化ケイ素または窒化ケイ素を主成分とする薄膜が得られる。
【０１５８】
【０１５９】
さらに、通常の直流スパッタリングで得られる膜質および成膜速度と同等でありながら、アーキングの発生およびターゲット表面へのノジュールの発生を抑止できるので、長時間にわたり安定してＩＴＯ膜を成膜できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る間欠的な電圧と電流の波形図。
【図２】本発明に係る間欠的な電圧と電流の波形図。
【図３】本発明に係る装置の概略図。
【図４】本発明に係る電力加工部の回路構成図。
【図５】本発明に係る装置の概略図。
【図６】本発明の実施例１におけるアーキング発生頻度の経時変化を示すグラフ。
【図７】本発明の実施例２におけるアーキング発生頻度の経時変化を示すグラフ。
【図８】本発明に係る装置の概略図。
【図９】本発明に係る間欠的な電圧の波形図。
【図１０】本発明に係る間欠的な電圧の波形図。
【図１１】本発明に係る間欠的な電圧の波形図。
【符号の説明】
１、２１：間欠的に印加される負の電圧の印加時間
２、２２、２４、２６：０ボルトに制御される時間
３：アーキング発生時の波形
２３：正の電圧を印加する時間
３１：スパッタリング電力発生部
３２：電力加工部
３３：真空室
３４：カソード電極
３５：アノード電極
３６：基板
４１：第１のスイッチング回路
４２：第２のスイッチング回路
４３：スパッタリング電力発生部３１とは別の直流電源
５１：間欠的な負の直流電圧を発生する直流電源
５２：ターゲット材を装着したカソード電極
５３：アノード電極
５４：被成膜基板
５５：スパッタリングに有効なグロー放電
５６：ターゲット表面上に発生する微小なアーキング
５７：カソード電極とアノード電極間に発生するアーキング
８１ａ、８１ｂ：電力発生手段
８２ａ、８２ｂ：カソード電極
８３ａ、８３ｂ：アノード電極
８４：プラズマ
８５：基板[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a sputtering method for applying a pulsed DC voltage.,TheMethodThe present invention relates to a device and an electric power processing unit.
[0002]
[Prior art]
A cathode for direct current sputtering cannot perform high-quality film formation at high speed unless the problem of abnormal discharge is solved.
[0003]
Abnormal discharge around the cathode can be caused by various causes. Deposition on the target material surfaceAlsoCharge is accumulated in the generated small area insulator,The chargeIs the surrounding deposition substrate, anode electrode, vacuum chamber wall,AlsoIs temporarily toward the opposite part of the voltage, such as the target surfaceGet upArc releaseElectric (Below, with arcingAlsoMany).
[0004]
This arcing frequently occurs particularly when an insulator product is generated from a conductive target material by reactive sputtering. When arcing occurs, the discharge energy is concentrated locally on the target surface., AntiIn the reactive gas atmosphere, since an insulator is further formed, many arcing are caused in a chain.
[0005]
This stabilizes the glow discharge that is effective for sputtering.do itCan't lastWasAs a result, the deposition rate becomes extremely unstable.WasThis makes it impossible to form a film with uniform quality.WasIn some casesArcingAs a result, the substrate on which the film is formed is damaged, and the target material and the mechanical components constituting the cathode are melted.
[0006]
ConventionalThe evilAvoidDirectionAs a method, a high frequency power of 13.56 MHz is used.sourceThe way to use is well done.
[0007]
Recently, Japanese Patent Laid-Open No. 5-148644.WhenJP-A-5-331634WhenThe waveform proposed inAlsoIsTheAs a product that realizes a waveform and is commercially available, there is a product called SPARC-LE of US Advanced Energy, and a target positive electrode surface is applied by periodically applying a pulsed positive voltage of about 5 μsec to 10 μsec to the cathode. The positive charge accumulated in the insulator with a small area deposited or generated is neutralized by attracting electrons in the plasma, and an effect obtained by a 13.56 MHz discharge is obtained with a waveform with a frequency of several kHz. Techniques to realize it have been developed.
[0008]
Further, as shown in US Pat. No. 5,082,546, a medium frequency alternating current of several tens of kHz is applied to two cathodes arranged close to each other to cause discharge alternately between the two cathodes, and the cathode voltage is Sputtering is performed when the voltage becomes negative, and when the voltage becomes positive, the positive charge accumulated in the insulator of a small area deposited or generated on the surface of the target material is attracted to the target surface voltage by attracting electrons in the plasma. Neutralize the differenceDirectionLaws are also being developed.
[0009]
The sputtering method using a 13.56 MHz high frequency power source is supposed to be able to fundamentally suppress arcing because sputtering can be performed even with an insulator.
[0010]
However, a sputtering apparatus using a 13.56 MHz high frequency power supply requires a large power supply with an output of 10 kW or more.soBecause of the high cost, the necessity of a high-voltage, large-current impedance matching circuit, etc., it has been difficult to realize both economically and from the device configuration.
[0011]
A sputtering method that uses DC power to intermittently apply a positive voltage or intermittently makes it 0 volts is useful because it neutralizes the potential difference on the target surface and effectively suppresses the occurrence of initial arcing. It is a technique. As a result, it has become possible to suppress arcing to a greater extent than normal DC sputtering.
[0012]
But 13.56MHzUse high frequency power supplyUnlike the sputtering method, it does not have the ability to sputter an insulator, and arcing will occur if continuous discharge is performed for a long time.ButOccur.
[0013]
When arcing occurs, the discharge energy is concentrated locally on the target surface, which in the reactive gas atmosphere.TesaFurthermore, since an insulator is formed, many arcings are caused in a chain.
[0014]
That is, intermittently applying a positive voltage,whileEven if the potential difference on the target surface is neutralized by, for example, zero volts, if the positive voltage to be applied or the time to make the voltage zero is short, only a small insulator that accumulates the charge corresponding to the positive voltage is included in the potential difference. The sum is not completely done. Complete neutralization of the potential difference between an insulator that has accumulated a lot of charge by sputtering for a long time or an insulator that has a large charge newly created by arcing is not possible with the use of simple intermittent DC power. Met.
[0015]
Since the sputtering method for applying alternating current to two targets arranged in close proximity uses alternating current of several tens of kHz, the potential difference on the surface of the target is reduced as compared with the above-described method of sputtering with intermittent direct current power. It can be said that the principle of neutralization is the same. In addition, the same electrode becomes the cathode and anode alternately. Therefore, since the surface is sputtered and cleaned when it becomes the cathode, the surface is always kept clean when it becomes the anode, so there is an advantage that continuous discharge for a long time can be performed stably.
[0016]
However, since two adjacent cathodes are required and an AC power supply of several tens of kHz is required, the existing DC sputtering apparatus cannot easily suppress abnormal discharge and stabilize the discharge.
[0017]
Another cause of arcingIsWhen the target material is eroded by sputtering, depending on the material, a minute protrusion shape appears on the target material surface,Projection shapeElectric field concentration on the part ofByLocalArcingStartTo comeThere are many.
[0018]
AWhen baking occurs, discharge energy concentrates locally on a small area, the composition of the target material changes, and parts with different sputtering rates may appear, causing the problem that the target surface cannot be sputtered uniformly.
[0019]
AIn particular, when producing an oxide of indium and tin (ITO) by sputtering, the target is an ITO target,OrIndium and tin alloy (IT) target,Indium oxide, which seems to be a lower oxide during continuous sputtering,OrBlack microprojections (hereinafter referred to as nodules) that have a significantly lower sputtering rate than indium.,A lot on the target surfaceAndThe deposition rate of the ITO film gradually decreases.
[0020]
At the same time, a lot of arcingRHowever, the target material scattered by the arcing adheres to the substrate and causes problems such as defects in the ITO film.
[0021]
Remove protrusions generated by target erosionforMost commonDirectionLawAsThere is a method of discharging in an inert gas atmosphere such as Ar gas and physically removing by sputtering etching. In the case of an ITO target, N as shown in JP-A-4-293767.₂ Clean by discharging in a gas atmosphere,A method for removing nodules has also been proposed.
[0022]
However, these methods efficiently remove the vacuum while keeping the nodules.DirectionMethod that fundamentally suppresses the occurrence and realizes long-term continuous dischargeDirectionIt was not the law.
[0023]
OtherDirectionAs a method, there is a method of improving the protrusion shape at the time of target erosion by increasing the density at the time of sintering of the target material if it is an ITO target.RIt is not a complete measure because it is not very effective.
[0024]
Another method is not limited to ITO film, but the power density during sputtering is increased to change the way erosion occurs.WhoCan be considered, but simply increasing the power density,Frequency of arcingTheincreaseLetOr increase arcing discharge energyLetOr the negative effects of arcing.Ru.
[0025]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention effectively suppresses arcing and applies more power.,Sputtering method for performing high-quality film formation at high speed over a long period of time;ThePatteringMethodAn object of the present invention is to provide an apparatus and a power processing unit that realize the above.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
  According to the present invention, in a sputtering method in which a negative voltage is intermittently applied to a cathode disposed in a vacuum chamber at a constant period, the voltage is set to 0 volts for at least a part of the time during which the negative voltage is not applied. The controlled time is in the range of 10 μs to 10 ms, and is equal to or longer than the time required from the occurrence of one arcing (arc discharge) to disappearance.And the time during which the voltage is controlled to 0 volts is provided immediately after the arc discharge.A sputtering method, an apparatus for realizing the sputtering method, and a power processing unit are provided.
[0027]
Even with a conventional DC power supply, the arcing problem and frequency are reduced by detecting the initial arcing, shutting off the output at high speed, and turning on the output again after the arcing disappearance time has elapsed. In principle. However, when the arcing detection circuit is actually installed in the power supply, the power supply outputs from the positive electrode to the negative electrode.FlowOr abnormal voltage,It will be detected via the output cable.
[0028]
In such a detection method, it is only possible to detect arcing occurring between the cathode electrode, which is the target material, and the anode electrode arranged around the target material, and an initial fine that starts to occur on the surface of the cathode material.smallArcing will be filtered by the cable impedance and power circuit constants.OutI can't. In other words, the initial finesmallOnly relatively large arcing caused by chain arcing can be detected.
[0029]
Since the disappearance time of the relatively large arcing generated between the cathode and the anode is on the order of milliseconds,OperationAs a result, the output must be shut off for several milliseconds or more. Also, when this type of arcing occurs, the insulation formed on the surface of the target materialThingSince it is already large, similar arcing occurs frequently. Therefore, when an abnormal output is detected with a normal DC power supply, the shutoff is repeated for several milliseconds or more.,It is extremely difficult to continue normal sputtering.DifficultBecome.
[0030]
For the above reasons, if the device is configured with a normal DC power supply,smallArcingTheRepeated shut-off of several milliseconds or more for large arcing that could not be detectedYouproblemButis there.
[0031]
By observing the arcing waveform in detail, the inventors of the present invention have a peak value (maximum value of the wave in the current waveform) of the initial arcing (hereinafter referred to as initial arcing) before arcing starts to occur in a chain. It has been found that the disappearing time is almost constant if the same apparatus configuration is used.
[0032]
Therefore, in the sputtering method in which a negative voltage is intermittently applied to the cathode disposed in the vacuum chamber at a constant period, the voltage is controlled to 0 volts for at least a part of the time during which the negative voltage is not applied. In the range of 10 μsec to 10 ms, and one timeArcing (Arc discharge)Disappear from the occurrence ofLostArcing is performed once by using a voltage waveform that is equal to or longer than the time required forOccurEvenTheArcing energy is minimized and arcing increases in a chainDoIt was newly found that this can be prevented. This minute arcing is caused by waveform observation equipment such as an oscilloscope.WhatCan be found.
[0033]
Furthermore, the inventors haveIf the same device configuration,Initial arcing from the time negative voltage is appliedButTime until it begins to occurGahoTo be constantBy observing the arcing waveform in detailI found it.
[0034]
Therefore, the time during which the negative voltage is intermittently applied is in the range of 10 μsec to 10 ms, andSaidAfter negative voltage is appliedArcing (Arc discharge)By using a voltage waveform that is equal to or shorter than the time it takes forsmallMinimizes charge build-up on large area insulators, faster than arcingWaveInitial control is achieved by controlling the shape to 0 volts and neutralizing the charge with plasma in the vicinity of the target.Period-Newly found that the frequency of kings can be kept low.
[0035]
As mentioned above, the time to control to 0 volts is specified.SetTherefore, sputtering can be continued for a long time, and the application time of the negative voltage applied intermittently is specified.SetThis increases the effect.
[0036]
The waveform of this method is shown in FIG. In FIG. 1, the upper part shows a voltage waveform, the lower part shows a current waveform, 1 is an application time of a negative voltage applied intermittently (hereinafter referred to as on-time), and 2 is a time controlled to 0 volt. (Hereinafter referred to as off time) 3 indicates a waveform when arcing occurs.
[0037]
In this method, when the off time is longer than the on time, the power efficiency is degraded, but the on / off time is reduced.That'sSince this is a simple waveform, it is advantageous in terms of device configuration if there is a margin in the capacity of the power supply unit.
[0038]
On the other hand, the present inventors use a voltage waveform having a time during which a positive voltage is applied in the range of 1 μsec to 20 μsec as part of the off time, thereby further neutralizing the charge on the insulator. We found that it can be done efficiently and in a shorter time.
[0039]
Power efficient waveform by combining this waveform and the specific on-timeButGainIsI found out.
[0040]
further,Arcing (Arc discharge)Is equal to or longer than the time,Control to make the voltage 0 volts,ArcingIt was found that by setting it only immediately after, it is more power efficient and can suppress arcing for a long time.
[0041]
The waveform at this time is shown in FIG. In FIG. 2, the upper part shows the waveform of the voltage, the lower part shows the waveform of the current, 21 is the on time, which is in the range of 10 μs to 10 milliseconds, and the initial arcine after the voltage is turned on.GIt is equal to or shorter than the time until it occurs.
[0042]
Reference numeral 22 denotes an off time, and this time is determined by a time 23 during which a positive voltage is applied and a time 26 (off time 26) when the voltage is thereafter 0 volts. Note that the off-time immediately before the time 23 during which the positive voltage is applied is preferably a short time,semiconductorA fixed time of 1 μs to 2 μs is set to protect the switching element.
[0043]
The time 23 for applying the positive voltage does not need to be a long time, but may be a time sufficient for actually applying the voltage to a large target, and is preferably about 5 to 20 μsec. The positive voltage value may be a voltage sufficient to be applied to the actual target.Large 2It may be about 00 volts.
[0044]
The off time 22 is adjusted by adjusting the off time 26.ChangeIt is desirable that it can be adjusted according to the process conditions. This is because, even when a very small arcing smaller than the detection reference value set in the detection circuit occurs, the off time 26 is adjusted, and the off time is equal to or longer than the disappearance time of the very small arcing. This is because a preferable result can be obtained by setting the time 22.
[0045]
Reference numeral 25 denotes a waveform when arcing occurs, and the off time 24 immediately after the occurrence of arcing is equal to or longer than the arcing disappearance time.
[0046]
The various conditions described above have different optimum values depending on the material to be sputtered and the structure of the cathode electrode.ChangePreferably it can be done.
[0047]
The operation of the present invention is as follows. That is, in the present invention, the potential difference on the target surface can be eliminated by using a waveform in which the on time and the off time are repeated.,More stable than normal DC sputtering to prevent arcingdo itDischarge can be maintained.
[0048]
Also, if arcing occurs,Since the negative voltage is applied after the arcing is completely extinguished by a sufficiently long off time, the arcing scale can be kept small.
[0049]
In addition, the firstPeriod-Kinging is a certain amount of time after a negative voltage is appliedofSince it appears after the lapse of time, the time during which the negative voltage is applied is in the range of 10 μs to 10 milliseconds, and the initial time after the negative voltage is applied.ArcingBy using a waveform whose time is equal to or shorter than the time until the occurrence of, the potential difference on the target surface can be neutralized and the frequency and scale of arcing can be reduced.
[0050]
As a result,Period-The frequency and scale of kings can be kept small and stable even for a long time even with large powerdo itContinue sputtering.
[0051]
Immediately after the voltage is set to 0 volts, a positive voltage is applied for a short time, and then the voltage is again set to 0 volts.,By using the waveform shown in the upper part of Fig. 2, the voltage difference on the target surface can be eliminated more efficiently.,More stable than normal DC sputtering to prevent arcingdo itDischarge can be maintained for a long time.
[0052]
Furthermore, by detecting arcing 25, and immediately after that, the off time 24 is set to be longer than the time when arcing disappears.Period-The frequency and scale of kings can be kept small and stable even for a long time even with large powerdo itContinue sputtering.
[0053]
Also, if the detection circuitArakajiEven when a very small arcing smaller than the set detection reference value occurs, the off time 26 is adjusted and the off time 22 is reduced.SaidMore stable by making it more than the disappearance time of very small arcingdo itContinue sputtering.
[0054]
Various configurations are conceivable for the power supply device for realizing the above sputtering method, and one configuration is shown in FIG. The power supply device according to the present invention is most preferably divided into a sputtering power generation unit and a power processing unit. In FIG. 3, 31 is a sputtering power generation unit, 32 is a power processing unit, 33 is a vacuum chamber, 34 is a cathode electrode, 35 is an anode electrode, and 36 is a substrate.
[0055]
According to the present invention, the power processing unit 32 is disposed closer to the cathode electrode 34 than the sputtering power generation unit 31.In placeTherefore, the length of the power cable between the output end of the power processing unit 32 and the cathode electrode 34 can be minimized. This minimizes the inductance of the power cable.smallThe intermittent DC voltage waveform in the present invention can be applied to the cathode electrode 34 without distortion.
[0056]
Next, the configuration of the power processing unit 32 of the present invention is shown in FIG. A first switching circuit 41 which is a main circuit, a second switching circuit 42 for applying a positive voltage, and controls themsemiconductorSwitching element drive control circuit (not shown) and sputtering currentMeasuring circuit,VoltageMeasuring circuitAnd a power measuring circuit (not shown).
[0057]
The first switching circuit 41 includes a negative electrode of the sputtering power generation unit 31 and a cathode electrode 34.WithInserted in series between. The first switching circuit 41 includes a semiconductor switching element and a coil that protects the semiconductor switching element, and operates so that the sputtering power is intermittent. ON / OFF ON / OFFOperationThe speed is at most 10 μsec (100 kHz).
[0058]
The second switching circuit 42 includes a semiconductor switching element and a coil that protects the semiconductor switching element, and is separate from the sputtering power generation unit.,The power of the DC power supply 43 that supplies an arbitrary positive voltage to the cathode electrode 34,It operates to be applied to the cathode electrode 34.
[0059]
The second switching circuit 42 is turned on only when the first switching circuit 41 that is the main circuit is turned off. The time to turn on and apply a positive voltage isBig dealIt may be about 20 μsec.
[0060]
The power supply 43 for applying a positive voltage is sufficient with a maximum of about 200 volts.Yes,It can be set arbitrarily.
[0061]
Immediately after the semiconductor switching element of the first switching circuit 41 is turned off, the semiconductor switching element of the second switching circuit 42 isBig dealBy turning on for 20 microseconds,Big dealSince a positive voltage of about 200 volts can be applied,As shown in Figure 2,Suppresses arcing and improves power efficiencyWavesA shape can be generated.
[0062]
The drive control circuit of the semiconductor switching element has a time for turning on the first switching circuit of 5 μsec or more.In, Turn off time more than 5μsInControllable and when the first switching circuit is controlled to be offThe second1 or less, and within the range of 1 μs to 20 μs.The second switching circuitIt has a function that can be controlled on.
[0063]
In addition,AlwaysTurn on the first switching circuitdo itThe time to turn off can also be controlled to zero, and by this control, conventional DC sputtering can be performed.
[0064]
The circuit for measuring the current, voltage or power of sputtering has a function of measuring a current value, voltage value or power value effective for sputtering, and each of the measured values.ArakajiJudgment of the difference between each set reference valueArcing (Arc discharge)And a function of detecting In this case, the current value,OrCurrent value and voltage valueWhenIt is particularly effective to determine the number of
[0065]
Sputtering current value and voltage value (AlsoIs the impedance at the time of discharge), and when arcing is detected, the semiconductor switching element of the switching circuit 41 operates off only for a time longer than the time when arcing disappears only after arcing, thereby minimizing the scale of arcing Limit,More stabledo itLong timeRContinue sputtering.
[0066]
Further, the drive control circuit for the semiconductor switching element has a function of controlling the time of the off time 24 immediately after the occurrence of arcing, and can be arbitrarily set within a range of 100 μsec to 10 msec.
[0067]
It is also preferable to provide a smoothing circuit 44 on the input terminal side of the power processing unit. As a result, the waveform of the voltage and current at the output end of the power generator 31 is substantially DC.WaveformIt can be.
[0068]
The power generator usually has a function that feeds back the voltage, current, or power at the output end and keeps it constant. This function generates control hunting and the like.Jar. However, since the smoothing circuit 44 can prevent hunting and the like, a normal DC power supply can be used. Therefore, the sputtering power generation unit 31 may be a normal sputtering DC power supply. With such a configuration, the present invention can be implemented by adding the power processing unit 32 to an existing sputtering apparatus.
[0069]
In the sputtering method of the present invention,formulaIt is preferable to measure and display a time average value of power within one cycle as defined by 1 (hereinafter referred to as an effective value of power).
[0070]
As a result, the deposition rate can be managed in the same manner as the power during normal DC sputtering, regardless of the type of waveform used for sputtering.
[0071]
In addition, the effective value of power is fed back to the sputtering power generation unit 31 to provide a constant voltage.control, Constant currentControl orIt is also preferable to perform constant power control.
[0072]
In the case of an apparatus in which a plurality of cathode electrodes are installed in the same vacuum chamber and perform sputtering at the same time, if an intermittent power waveform is supplied to each cathode, interference such as beat may occur, so the power processing units cooperate with each other. It is also preferable to add a function that operates by shifting the phase.
[0073]
FIG. 8 shows the present invention.ofAn example of an apparatus is shown. In this example, two cathode electrodes 82a and 82b and anode electrodes 83a and 83b are installed in the same vacuum chamber, and sputtering is performed on the substrate 85 simultaneously. The power generation means 81a and 81b can supply intermittent power, and by applying a voltage having a waveform whose phase is arbitrarily shifted, plasma interference such as beat is prevented and stable.didGenerated plasma 84Make.
[0074]
Further, in combination with the power processing unit of the present invention as shown in FIG.SetFigure 1AlsoCan generate a waveform as shown in Fig. 2, and provides an optimum waveform according to the process conditions.With salaryYes.
[0075]
In the sputtering apparatus of the present invention, even when reactive sputtering is performed, the frequency of arcing can be reduced, more electric power can be stably supplied to the cathode, and it is optimal for various sputtering processes.,Select intermittent powerShiCan supply. Therefore, the sputtering apparatus of the present invention has a high film forming ability.
[0076]
Formed by the sputtering method of the present invention,A thin film mainly composed of silicon oxide can be obtained with a higher quality than a thin film obtained by conventional DC sputtering.
[0077]
Formed by the sputtering method and apparatus of the present invention.,Thin film mainly composed of silicon oxideInSince arcing does not occur, there is little adhesion of particles and so on, resulting in high quality.
[0078]
Further, since there is no fluctuation of the film forming conditions when arcing occurs, it is considered that the film is uniform and has few micro defects.
[0079]
Further, since sputtering is intermittently performed every cycle, a very thin thin film is intermittently formed on the substrate every cycle. That is, it is considered that an excellent film quality with few defects can be obtained because the film is formed while the oxidation reaction on the substrate is completed every cycle.
[0080]
In this way, low defects, both macro and micro,acidMainly silicon silicideExcellentSince a thin film is obtained, it is considered that even when formed on a low temperature substrate, a high alkali barrier performance is exhibited.
[0081]
Formed by the sputtering method and apparatus of the present invention.,A thin film mainly composed of silicon nitride can be obtained with a higher quality than a thin film obtained by conventional DC sputtering.
[0082]
Formed by the sputtering method of the present invention.,A thin film mainly composed of silicon nitride is not being heated without the substrate being heated.InSince arcing does not occur, there is little adhesion of particles and so on, resulting in high quality.
[0083]
In addition, since there is no fluctuation in the film forming conditions when arcing occurs, it is considered that the film is uniform and has few micro defects.
[0084]
Further, since sputtering is intermittently performed every cycle, a very thin thin film is intermittently formed on the substrate every cycle. That is, it is considered that an excellent film quality with few defects can be obtained because the film is formed while the nitriding reaction on the substrate is completed for each period.
[0085]
In this way, low defects, both macro and micro,Mainly composed of silicon nitrideExcellentA thin film was obtainedTheEven when formed on a low temperature substrate, it is considered that high alkali barrier performance is exhibited.
[0086]
Also in the silicon nitride film,Against siliconNitrogenBy adjusting the nitrogen concentration of the sputtering gas and / or adjusting the input power to the silicon target so that the atomic ratio (N / Si ratio) is 1.25 to 1.36, the alkali barrier property is further increased. Excellent silicon nitride can be produced.
[0087]
The transparent conductive thin film formed by the sputtering method of the present inventionCompletionIn the film method, a negative voltage is intermittently applied, and a high-power-density power is instantaneously supplied to form a transparent conductive film. Suppresses generation of nodules and abnormal discharge during sputteringWhenSay,It is a film forming method with excellent productivity.
[0088]
Sputtering target contains metal antimony or antimony compoundShiContains sputtering target mainly composed of tin or tin oxide and metallic tin or tin compoundShiIncluding a sputtering target mainly composed of indium or indium oxide, or a simple substance or compound of at least one metal selected from the group consisting of aluminum, gallium, indium, boron and siliconShiAnd a sputtering target mainly composed of zinc or zinc oxide.
[0089]
The present inventionWhoAs a voltage waveform of sputtering power used in the method and apparatus, as shown in FIG. 1, the negative voltage application time is in the range of 10 μsec to 10 msec, and the non-application time is in the range of 10 μsec to 100 msec. Voltage waveform atAlsoFIG. 2 shows a voltage having a negative voltage application time in the range of 10 μsec to 10 msec and a sum of the positive voltage application time and the non-application time in the range of 10 μsec to 100 msec. A waveform or the like is preferable.
[0090]
Further, the value of the negative applied voltage (−V in FIG. 9)._N ) Is important for suppressing the generation of nodules, which is the object of the present invention.formulaAs shown in FIG. 5, the average value W of intermittently supplied power_A Is a negative applied voltage (−V_N ) Can suppress arcing and efficiently suppress the generation of lower oxide nodules generated on the target surface.
[0091]
The effective value W of power isformulaIt becomes like 1. T represents a period. If this is applied to the waveform as shown in FIG.formulaIt becomes like 2. On the other hand, the time during which actual sputtering occurs (a negative voltage is applied) (a in FIG.₁ ) Average power W_A IsformulaIt becomes like 3. In FIG. 2, time a₁ Voltage V (t) = (− V_N )formulaIt becomes like 4.
[0092]
To remove nodules effectively,formulaAs shown in FIG. 5, the average power W_A Is preferably 2 to 10 times the effective value W of power, and this is applied in the case of the waveform shown in FIG.formula6 so thatformula6 (−V_N ), A₁ (10 μsec ≦ a₁ ≦ 10 ms), b₁ (10 μs ≦ b₁ ≦ 100 msec) may be adjusted.
[0093]
In particular,formulaAverage value ω of intermittent power density shown in FIG._A Is 2.5 W / cm² ~ 30W / cm² Good results are obtained in this range.
[0094]
In this case, it is not necessary to be an accurate rectangular wave as shown in FIG.AlsoDepends on the individual device (-V_N ), A₁ , B₁ Should be optimized.
[0095]
When there is a positive voltage application as shown in FIGS. 10 and 11, since the positive voltage application does not work effectively for sputtering,formulaIn calculations 1-7, V_P = 0.
[0096]
SaidThe deposition rate of the transparent conductive film can be easily controlled by the effective value W of the sputtering power supplied intermittently. For example, when the desired film formation rate obtained by the conventional DC sputtering method is to be obtained by the method of the present invention, if the effective value W of the intermittently supplied power is set to be the same as the DC power value, A desired film forming speed can be obtained. That is, the equation that the film forming speed by the conventional DC sputtering method / DC power = the film forming speed according to the present invention / the effective value W of power is substantially satisfied.
[0097]
Thus, depending on the off timeWhatBy aligning the effective power with that of normal DC sputtering,Stable over a long period of time while maintaining the same film quality on the substrate by adjusting the deposition ratedo itSputtering can be performed.
[0098]
[Expression 1]

[0099]]
0100]
[0101]]
[0102]]
[0103]]
[0104]]
[0105]
【Example】
Example 1
FIG. 5 shows an embodiment of the apparatus of the present invention. 51 is a DC power source that generates intermittent negative DC voltage, 52 is a cathode electrode on which a target material is mounted, 53 is an anode electrode, and 54 is a substrate.Membrane baseA plate, 55 schematically shows a glow discharge effective for sputtering, and 56 shows a micro-discharge generated on the target surface.small57 schematically shows the arcing generated between the cathode electrode and the anode electrode.Becauseis there.
[0106]
In the present invention, the output of a DC power source that generates intermittent DC voltage does not necessarily have to be a rectangular wave, but a trapezoidal shape or a triangular shape.Also positiveThere is no difference in the effect even if it is a string wave. In addition, due to the power circuit configuration, the power supply itself oscillates to form a waveform.May, DC power supply output is processed into intermittent waveform by semiconductor switching elementdo itAlsoBookThe effect of the invention remains unchanged.
[0107]
In the apparatus having the configuration shown in FIG. 5, a silicon magnetron cathode having a size of 10 × 80 cm, boron-doped silicon as a target material, and Ar and O as introduced gases.₂ WhenAre mixed at a ratio of 1: 1, and the pressure during discharge is set to 3.0 × 10^-3Sputtered with Torr, effective power of 2 kW, and boron doped on the substrate₂ The film was formed. When discharging with a conventional direct current, arcing occurred suddenly after about 2 minutes and 30 seconds, and sputtering could not be continued.
[0108]
Next, as the intermittent direct current, the waveform shown in the upper part of FIG. 1 is the same as the waveform except that the negative voltage is applied with an on time of 100 μs and an off time of 40 μs.WhenWhen sputtering was performed in the same manner, arcing gradually started to occur, and after about 30 minutes, the arcing frequency was about 60 times / minute.
[0109]
Next, observe the current waveform during discharge for the first time.PeriodThe disappearance time of the baking was measured and found to be 160 to 180 μsec.
[0110]
Therefore, except for the intermittent DC, except that the on time is 100 μs and the off time is 200 μs.WhenWhen sputtering was performed in the same manner, the arcing frequency was about 60 times / minute after about 60 minutes.
[0111]
This is the first timePeriodSince peaking often occurred 90-100 μsec after a negative voltage was applied, the same as above except that the waveform was set to 80 μsec on time and 200 μsec off time as intermittent direct current As a result of sputtering, the frequency of arcing was about 30 times / minute after about 60 minutes.
[0112]
The occurrence frequency of arcing in the above four types of experiments is shown in FIG. In the arcing measurement method at this time, a current value larger by 10% or more than the maximum value of the normal current waveform was set as the detection level of the oscilloscope, and the number of detections was recorded.
[0113]
(Example 2)
In the apparatus having the configuration shown in FIG. 5, silicon doped with aluminum is used as a target material with a cathode having a size of 40 × 300 cm, and Ar and O are introduced as introduction gases.₂ WhenWas mixed at a ratio of 2:10, and the pressure during discharge was set to 2.0 × 10^-3Sputtered with Torr, effective power of 13 kW, and doped with aluminum on the substrate₂ The film was formed.
[0114]
When a conventional direct current was discharged, arcing suddenly occurred approximately 35 minutes later and sputtering could not be continued. When the waveform at the time of discharge was observed, the disappearance time of the initial arcing was about 400 μsec.
[0115]
Therefore, in the waveform shown in the upper part of FIG. 1, when sputtering was performed in the same manner as described above except that the off time was 500 μs and the on time was 500 μs, the time until the occurrence of initial arcing was turned on. It was about 220 μsec.
[0116]
Therefore, except that the on time is 220 μs and the off time is 500 μs,WhenWhen sputtering was performed in the same manner, the occurrence frequency of arcing was 20 times / minute or less even after 4 hours.
[0117]
FIG. 7 shows the occurrence frequency of arcing when a conventional DC discharge is performed and when a waveform having an on time of 220 μsec and an off time of 500 μsec is used. The arcing detection method is the same as in the first embodiment.
[0118]
(Example 3)
N type silicon (phosphorus-doped single crystal) with a specific resistance of 1.2 Ω · cm in the vacuum chamber as a target on the cathodeArrangementThe soda lime glass was placed as a substrate on the opposite side of the target. 1 × 10 vacuum chamber^-FiveAfter exhausting to Torr, Ar and O as discharge gases₂ The mixed gas was introduced and the pressure was 2 × 10^-3The conductance was adjusted to be Torr.
[0119]
Then,The voltage shown in the upper part of FIG.On the cathodeApplied. Here, on-time 21 is the firstPeriod-50 μs equivalent to the time when king begins to occur, and off time 22 is the first timePeriod50 μsec, which is equivalent to the disappearance time of the baking, of which time 23 for applying a positive voltage was about 12 μsec. At this time, the negative voltage was determined so that the applied power in a state where it was applied was 500 W, and the positive voltage was kept at 100 volts.
[0120]
Substrate temperatureTheroom temperatureage, Sputtering gas O₂ Discharge is started at a concentration of 60%, the shutter is opened after 5 minutes of pre-discharge, the film formation time is adjusted so that the film thickness becomes 250 mm, and silicon oxide is the main component on the soda lime glass substrate. A thin film was formed.
[0121]
A film was formed on another soda lime glass substrate after 120 minutes from the start of discharge, but almost no arcing was observed.
[0122]
(Comparative Example 1)
Example 3 except that the film was formed by applying an intermittent DC voltage having a waveform as shown in the upper part of FIG. 1 to the cathode.WhenSputtering was performed in the same manner. Here, the on-time was 50 μs and the off-time was 25 μs.
[0123]
Almost no arcing was observed immediately after the start of film formation.ofAs the process progresses, arcing is observed.NaThe release of hot red particles was observed.
[0124]
A film was formed on another soda-lime glass substrate at 120 minutes after the start of discharge. At this time arcing occurred very frequently.
[0125]
(Comparative Example 2)
Example 3 except that a high frequency voltage of 13.56 MHz was applied to the cathodeWhenSputtering was performed in the same manner.
[0126]
Discharge startrear120 minutesAt the time ofFilm formation was performed on another soda lime glass substrate. At this time, no arcing occurred.
[0127]
Example 3,Comparative Example 1And comparative examplesAfter the coated surface of the coated glass obtained from No. 2 was brought into contact with pure water at 90 ° C. for 24 hours, the amount of sodium atoms eluted into the pure water (μg / cm² ) Was measured by an atomic absorption method. The results are shown in Table 1.
[0128]
[Table 1]

[0129]
As is clear from the above examples and comparative examples, according to the present invention, a silicon oxide thin film having a high alkali barrier property can be stably maintained for a long time without heating the substrate.do itFilm formationCanThe In addition, since the film is formed by direct current sputtering, it is easy to increase the area and the speed, and the effect can be great such that it can be applied to a transparent conductive substrate for liquid crystal on an industrial production scale.
[0130]
Example 4
160mm x 40mmFaceHad,Using N-type silicon (phosphorus-doped single crystal) with a specific resistance of 1.2 Ω · cm as a target,The targetA voltage having a waveform shown in the upper part of FIG. Where the negative voltage is,markThe applied power in the applied state was determined to be 200 W, and the positive voltage was kept at 100 volts. Other conditions are the same as those in Example 3.
[0131]
First, Ar and N₂ N of sputtering gas consisting of a mixed gas with₂ Discharge was started at a concentration of 40%. After 5 minutes, the shutter was opened, and a silicon nitride film having a thickness of 200 mm was formed on a flat soda lime glass at room temperature.
[0132]
Next, at 120 minutes after the start of discharge, the shutter was opened again to form a 200-nm silicon nitride film on another soda lime glass substrate. During this time, no arcing was observed.
[0133]
(Comparative Example 3)
Example 4 except that DC power was applied to 200 WWhenSputtering was performed in the same manner. During film formation 5 minutes after the start of dischargeInNo arcing was observed.
[0134]
When a film was formed on another soda lime glass substrate at 120 minutes after the start of discharge, arcing occurred fairly frequently, and emission of red hot particles from the target surface was confirmed.
[0135]
(Comparative Example 4)
6 inches in diameterso,N-type silicon (phosphorus-doped single crystal) with a specific resistance of 1.5 Ω · cm was used as a target, and the sputtering gas N₂ The concentration is 100%,The targetIn addition, sputtering was performed in the same manner as in Example 4 except that a high frequency of 13.56 MHz was applied so that the power was 300 W.
[0136]
At 120 minutes after the start of discharge, a film was formed on another soda lime glass substrate, but no arcing was observed.
[0137]
(Comparative Example 5)
In each case where the ratio of the source gas ammonia gas / silane gas is 3, 5, 10, and 15, a silicon nitride film having a thickness of 200 mm is formed on a flat soda lime glass maintained at a temperature of about 600 ° C. by CVD. A film was formed.
[0138]
After the coated surface of the coated glass obtained in Example 4 and Comparative Examples 3 to 5 was brought into contact with pure water at 90 ° C. for 24 hours, sodium atoms diffused and eluted from the soda lime glass through the silicon nitride film in this pure. The amount of was determined by atomic absorption method. Also,SaidSilicon nitride film,Against siliconNitrogenThe atomic ratio (N / Si) was measured by X-ray photoelectron spectroscopy. The results for Example 4, Comparative Example 3, and Comparative Example 4 are shown in Table 2, and the results for Comparative Example 5 are shown in Table 3.
[0139]
[Table 2]

[0140]
[Table 3]

[0141]
Examples and comparative examples aboveWhenFrom the comparison ofWhatIt can be seen that the deposited silicon nitride has a low amount of sodium atoms that diffuse and elute through it. It can also be seen that a silicon nitride film having a high alkali barrier property can be stably formed over a long period of time. In addition, silicon nitride with a high alkali barrier property can be formed without heating the substrate, and on a substrate with low heat resistance.InIt can also be seen that alkali barrier coating can be performed.
[0142]
(Example 5)
Using an ordinary magnetron sputtering apparatus as shown in FIG. 5, an indium oxide target 52 containing 10% by weight of tin has an on-time of 100 μs and an off-time of 400 μs with the waveform shown in the upper part of FIG. A waveform voltage was applied. As the film-forming substrate 54, a non-alkali glass (Asahi Glass previously heated to 200 ° C.) is used.CompanyAN glass manufactured) was used.
[0143]
First, 1 × 10 in the film formation chamber^-FiveAfter exhausting to below Torr, O₂ Ar gas containing 1% by volume of gas has a gas pressure of 3 × 10^-3Sputtering power introduced to become TorrButThe effective value was set to 1.1 kW.
[0144]
(Example 6)
In the waveform shown in FIG. 2, the ON time 21 is 100 μsec, the positive voltage application time 23 having an amplitude value of about 10% with respect to the negative applied power value is 10 μsec, and the OFF time 26 is 390 μsec. Sputtering was performed in the same manner as in Example 5 except that the waveform voltage was applied.
[0145]
(Comparative Example 6)
Sputtering was performed in the same manner as in Example 5 except that a normal DC sputtering power source was used using a normal magnetron sputtering apparatus.
[0146]
About Example 5, Example 6, and Comparative Example 6, the occurrence of nodules after 23 hours of continuous sputtering, the frequency of occurrence of abnormal dischargeandThe properties of the ITO film were investigated.
[0147]
[Table 4]

[0148]
As can be seen from Table 4, even after 23 hours of continuous sputtering (6 mm thick target excavation), nodules are very small and the sputtering rate is hardly reduced. Furthermore, the frequency of occurrence of abnormal discharge is also a normal sputtering method as shown in Comparative Example 6.WhenIn comparison, it is reduced to about 1/3 to 1/5. The specific resistance of the ITO film is comparable to that of a normal sputtering sample.
[0149]
In Comparative Example 6, the decrease in the sputtering rate was remarkable at about 40%, and the specific resistance was 1.9 × 10 at the initial stage of sputtering.^-FourWhat was Ω · cm,4 × 10 due to lower sputtering rate^-FourDeteriorates to Ω · cm. Also, nodules were very strong and required mechanical polishing cleaning.
[0150]
As mentioned above,ClearlyTherefore, the film formation process that causes a decrease in productivityofStopLostThe generation of nodules on the surface of the target, which causes a decrease in the sputtering rate and the like, can be suppressed simultaneously with the formation of the transparent conductive film. At the same time, abnormal discharge that causes defects in the transparent conductive film can be suppressed. In addition, due to the effect of suppressing abnormal discharge, a large power can be input compared to the conventional DC sputtering method, and a high deposition rate can be obtained.
[0151]
Furthermore, if the electric power processing part of this invention is used, even if it does not add the abnormal discharge prevention circuit used for the power supply for DC sputtering, abnormal discharge can be suppressed. Further, by controlling the effective value of intermittent input power, the film forming conditions can be managed in the same manner as in the conventional DC sputtering method, and a transparent conductive film having the same characteristics as the conventional one can be obtained.
[0152]
【The invention's effect】
The present inventionSputtering methodThis eliminates the potential difference on the target surface.,Prevent arcingGellTherefore, more stable than normal DC sputteringdo itDischarge can be maintained.
[0153]
In addition, the firstPeriod-The frequency and scale of kings can be kept small and stable even for a long time even with large powerdo itSputtering can be continued and power efficiency is good.
[0154]
The present inventionofThe sputtering apparatus can reduce the frequency of occurrence of arcing even when reactive sputtering is performed, and has a high film forming capability because more power can be stably supplied to the cathode.
[0155]
Because the power processing unit of the present invention has a simple configuration,It can be easily applied to existing sputtering apparatuses, and can realize sputtering by pulsed intermittent DC power.
[0156]
The power processing unit of the present invention can easily optimize the intermittent voltage waveform according to the size of the device, material, input power, and initial arcing scale.The
[0157]
Also,Since arcing does not occur during film formation, there is little particle adhesion and high quality., Thin films based on silicon oxide or silicon nitrideIs obtained.
[0158]]
[0159]
further,Film quality obtained by normal DC sputteringandArcing while maintaining film deposition speedOccurrence andTarget surfaceToSince it can suppress the generation of nodules,RStableTo form an ITO filmit can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a waveform diagram of intermittent voltage and current according to the present invention.
FIG. 2 is a waveform diagram of intermittent voltage and current according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic view of an apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a circuit configuration diagram of a power processing unit according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic view of an apparatus according to the present invention.
FIG. 6 is a graph showing a change with time in the occurrence frequency of arcing in Example 1 of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a change with time in the occurrence frequency of arcing in Example 2 of the present invention.
FIG. 8 is a schematic view of an apparatus according to the present invention.
FIG. 9 is a waveform diagram of intermittent voltages according to the present invention.
FIG. 10 is a waveform diagram of intermittent voltages according to the present invention.
FIG. 11 is a waveform diagram of intermittent voltages according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 2: Application time of negative voltage applied intermittently
2, 22, 24, 26: 0 Time controlled to 0 volt
3: Waveform when arcing occurs
23: Time for applying positive voltage
31: Sputtering power generator
32: Power processing section
33: Vacuum chamber
34: Cathode electrode
35: Anode electrode
36: Substrate
41: First switching circuit
42: Second switching circuit
43: DC power supply different from sputtering power generation unit 31
51: DC power source for generating intermittent negative DC voltage
52: Cathode electrode with target material
53: Anode electrode
54: CoveringMembrane baseBoard
55: Glow discharge effective for sputtering
56: Fine generated on target surfacesmallArcing
57: Arcing generated between the cathode electrode and the anode electrode
81a, 81b: Electric power generation means
82a, 82b: cathode electrodes
83a, 83b: anode electrodes
84: Plasma
85: Board

Claims (5)

真空室内に配置したカソードに、負の電圧が一定の周期で間欠的に印加されるスパッタリング方法において、負の電圧が印加されない時間の少なくとも一部の時間は、電圧が０ボルトに制御される時間であって、１０μ秒〜１０ｍ秒の範囲であり、かつ、１回のアーク放電の発生から消失までに要する時間と同等かそれよりも長い時間であり、かつ前記電圧が０ボルトに制御される時間は、アーク放電の直後に設けられることを特徴とするスパッタリング方法。In a sputtering method in which a negative voltage is intermittently applied to a cathode disposed in a vacuum chamber at a constant cycle, at least a part of the time during which no negative voltage is applied is a time during which the voltage is controlled to 0 volts. a is in the range of 10μ seconds ~10m seconds, and is controlled by the one Ri time equal to or longer der than required until the disappearance from the occurrence of the arc discharge, and the voltage is 0 volt that time, the sputtering method, wherein Rukoto provided immediately after the arc discharge. 前記負の電圧が間欠的に印加される時間は、１０μ秒〜１０ｍ秒の範囲であり、かつ、該負の電圧が印加されてからアーク放電が発生するまでの時間と同等かそれよりも短い時間である請求項１に記載のスパッタリング方法。  The time during which the negative voltage is intermittently applied is in the range of 10 μs to 10 milliseconds, and is equal to or shorter than the time from when the negative voltage is applied until the occurrence of arc discharge. The sputtering method according to claim 1, which is time. 前記電圧が０ボルトに制御される時間の一部には、１μ秒〜２０μ秒の範囲で正の電圧が印加される時間を有することを特徴とする請求項１または２のスパッタリング方法。3. The sputtering method according to claim 1, wherein a part of the time during which the voltage is controlled to 0 volts includes a time during which a positive voltage is applied in a range of 1 μs to 20 μs. 真空室内に配置したカソードと、スパッタリング電力発生部と、電力加工部とを有し、前記カソードに、負の電圧が間欠的に印加されるスパッタリング装置において、前記電力加工部は、負の電圧が印加されない時間の少なくとも一部の時間が、電圧が０ボルトに制御される時間であって、１０μ秒〜１０ｍ秒の範囲であり、かつ、１回のアーク放電の発生から消失までに要する時間と同等かそれよりも長い時間であり、かつ前記電圧が０ボルトに制御される時間は、アーク放電の直後に設けられる電圧波形とする電力加工部であることを特徴とするスパッタリング装置。In a sputtering apparatus having a cathode disposed in a vacuum chamber, a sputtering power generation unit, and a power processing unit, and a negative voltage is intermittently applied to the cathode, the power processing unit has a negative voltage At least a part of the non-applied time is a time during which the voltage is controlled to 0 volts, is in the range of 10 μsec to 10 ms, and is a time required from the occurrence of one arc discharge to the disappearance equal to or longer der than is, and the time that the voltage is controlled to zero volts, the sputtering apparatus, characterized in that the power processing portion for a voltage waveform that is provided immediately after the arc discharge. カソードに負の電圧が間欠的に印加されるスパッタリング装置で用いられる電力加工部において、
電力加工部は、第１のスイッチング回路と、第２のスイッチング回路と、半導体スイッチング素子の駆動制御回路と、スパッタリングの電流、電圧または電力を計測する回路とを有し、
第１および第２のスイッチング回路はそれぞれ半導体スイッチング素子および該素子の保護回路とからなり、
第１のスイッチング回路は、スパッタリング電力発生部の負極とカソード電極との間に直列に挿入され、
第２のスイッチング回路は、スパッタリング電力発生部とは別にカソード電極に正の電圧を供給する直流電源とカソード電極との間に直列に挿入され、
半導体スイッチング素子の駆動制御回路は、第１のスイッチング回路をオンにする時間を５μ秒以上に、オフにする時間を５μ秒以上に制御可能であるとともに、第１のスイッチング回路をオフに制御したときに、第１のスイッチング回路をオフにする時間以下で、かつ、１μ秒〜２０μ秒の範囲に第２のスイッチング回路をオンに制御できる機能を有し、
スパッタリングの電流、電圧または電力を計測する回路は、スパッタリングに有効な電流値、電圧値または電力値を計測する機能と、計測された前記各値とあらかじめ設定された各基準値との多寡を判定しアーク放電を検出する機能とを有し、
負の電圧が印加されない時間の少なくとも一部の時間は、電圧が０ボルトに制御される時間であって、１０μ秒〜１０ｍ秒の範囲であり、かつ、１回のアーク放電の発生から消失までに要する時間と同等かそれよりも長い時間であり、かつ前記電圧が０ボルトに制御される時間は、アーク放電の直後に設けられることを特徴とする電力加工部。In a power processing unit used in a sputtering apparatus in which a negative voltage is intermittently applied to the cathode,
The power processing unit includes a first switching circuit, a second switching circuit, a drive control circuit for a semiconductor switching element, and a circuit for measuring sputtering current, voltage, or power,
Each of the first and second switching circuits includes a semiconductor switching element and a protection circuit for the element,
The first switching circuit is inserted in series between the negative electrode and the cathode electrode of the sputtering power generation unit,
The second switching circuit is inserted in series between the DC power source that supplies a positive voltage to the cathode electrode and the cathode electrode separately from the sputtering power generation unit,
The drive control circuit for the semiconductor switching element can control the time to turn on the first switching circuit to 5 μs or more, the time to turn it off to 5 μs or more, and control the first switching circuit to off. Sometimes, it has a function that can control the second switching circuit to be turned on within a time period of 1 μs to 20 μs within a time period for turning off the first switching circuit.
The circuit for measuring the current, voltage or power of sputtering determines the function of measuring the current value, voltage or power value effective for sputtering and the difference between each measured value and each preset reference value. And a function of detecting arc discharge,
At least a part of the time during which the negative voltage is not applied is a time during which the voltage is controlled to 0 volts, and is in the range of 10 μsec to 10 ms, and from the occurrence of one arc discharge to the disappearance. The power processing unit is characterized in that the time required for controlling the voltage to 0 volts is equal to or longer than the time required for the operation, and is provided immediately after the arc discharge .

Images