JPH06145973A - Sputtering device - Google Patents
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- JPH06145973A JPH06145973A JP30015092A JP30015092A JPH06145973A JP H06145973 A JPH06145973 A JP H06145973A JP 30015092 A JP30015092 A JP 30015092A JP 30015092 A JP30015092 A JP 30015092A JP H06145973 A JPH06145973 A JP H06145973A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、グロー放電プラズマを
利用して基板上に薄膜を形成するスパッタリング装置に
関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sputtering apparatus for forming a thin film on a substrate using glow discharge plasma.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体デバイスの薄膜形成法の物理的手
法として、スパッタリグ、真空蒸着、イオンプレーティ
ングが知られている。前記薄膜形成法のうち、スパッタ
リングは、ターゲットから放出された粒子をウェハ上に
堆積して成膜を行うものである。そして、その粒子の放
出は、ターゲットを陰極、またウェハ側を陽極として対
向配置した両極間においてグロー放電を生じさせ、その
グロー放電中のアルゴンイオンをターゲットに衝突させ
ることによって行われる。2. Description of the Related Art Sputtering, vacuum deposition, and ion plating are known as physical methods for forming a thin film of a semiconductor device. Among the thin film forming methods, sputtering is a method of depositing particles emitted from a target on a wafer to form a film. Then, the particles are discharged by causing a glow discharge between both electrodes facing each other with the target being a cathode and the wafer side being an anode, and causing argon ions in the glow discharge to collide with the target.
【０００３】また、このスパッタリングを行うスパッタ
リング装置として、メタル，合金薄膜形成に用いる直流
スパッタリング装置、絶縁膜形成に用いる高周波スパッ
タリング装置、平坦化絶縁膜形成や平坦化Ａｌ膜形成に
用いるバイアススパッタリング装置が知られている。以
下、前記スパッタリング装置のうち従来の高周波スパッ
タリング装置について説明する。As a sputtering apparatus for performing this sputtering, there are a DC sputtering apparatus used for forming a metal or alloy thin film, a high frequency sputtering apparatus used for forming an insulating film, and a bias sputtering apparatus used for forming a flattened insulating film or a flattened Al film. Are known. Hereinafter, a conventional high-frequency sputtering device among the sputtering devices will be described.
【０００４】図８は従来の高周波スパッタリング装置を
説明する構成図であり、図９は矩形波を印加した場合の
電圧図であり、図１０は正弦波を印加した場合の電圧図
である。図８、図９及び図１０において、２は基板ホル
ダ、３は基板、４はターゲット、５はターゲット電極、
１１は高周波電源、Ｃはコンデンサ、ＶS はターゲット
表面電圧、ＶM はターゲット電極電圧、Ｖb はバイアス
電圧である。FIG. 8 is a configuration diagram for explaining a conventional high frequency sputtering apparatus, FIG. 9 is a voltage diagram when a rectangular wave is applied, and FIG. 10 is a voltage diagram when a sine wave is applied. 8, 9 and 10, 2 is a substrate holder, 3 is a substrate, 4 is a target, 5 is a target electrode,
11 is a high frequency power source, C is a capacitor, V S is a target surface voltage, V M is a target electrode voltage, and V b is a bias voltage.
【０００５】まず、図８の高周波スパッタリング装置に
おいて、高周波電源１１の代わりに直流電源を用いた場
合を考える。ここで、ターゲット４は絶縁物である。タ
ーゲット電極５に負の電圧を印加するとターゲット４の
表面はプラズマから流入するイオンの持ってくる正の電
荷によって覆われる。この正の電荷によりターゲット表
面電圧ＶS はプラズマの電圧と等しくなる。そのため放
電は停止し、スパッタを停止する。したがって、基板３
へのスパッタを行うことはできない。First, consider the case where a DC power supply is used in place of the high frequency power supply 11 in the high frequency sputtering apparatus of FIG. Here, the target 4 is an insulator. When a negative voltage is applied to the target electrode 5, the surface of the target 4 is covered with positive charges brought by the ions flowing from the plasma. Due to this positive charge, the target surface voltage V S becomes equal to the plasma voltage. Therefore, the discharge is stopped and the sputtering is stopped. Therefore, the substrate 3
Cannot be sputtered on.
【０００６】次に、ターゲット電極５に矩形波を印加す
る場合を考える。この場合は図９に示めされており、タ
ーゲット表面電圧ＶS は太い実線で示され、ターゲット
電極電圧ＶM は破線で示されている。はじめに、ターゲ
ット電極５に矩形波のターゲット電極電位ＶM を印加す
ると、正の半波においてターゲット４の表面にはすぐに
電子が集まり、ターゲット４の表面はプラズマの電圧と
等しくなる。ここで、ターゲット４のターゲット表面電
圧ＶS とターゲット電極電圧ＶM の電圧面の間におい
て、コンデンサが形成され充電が行われることになる。Next, consider the case where a rectangular wave is applied to the target electrode 5. This case is shown in FIG. 9, where the target surface voltage V S is shown by the thick solid line and the target electrode voltage V M is shown by the broken line. First, when a rectangular-wave target electrode potential V M is applied to the target electrode 5, electrons are immediately collected on the surface of the target 4 in the positive half wave, and the surface of the target 4 becomes equal to the voltage of plasma. Here, a capacitor is formed and charging is performed between the target surface voltage V S of the target 4 and the voltage plane of the target electrode voltage V M.
【０００７】次の負の半波において、ターゲット表面電
圧ＶS は負の電圧に変化する。この負の半波において
は、イオンがターゲット４に流入してスパッタが行われ
る。しかしながら、イオンは電子と比較して移動度が小
さいためターゲット４への集まりが遅く、ターゲット表
面電圧ＶS はゆっくりとプラズマ電圧に近づく。このと
き、前記の正の半波において、充電されたコンデンサが
ゆっくりと放電されることになる。In the next negative half-wave, the target surface voltage V S changes to a negative voltage. In this negative half-wave, ions flow into the target 4 and sputtering is performed. However, since the ions have a lower mobility than the electrons, they are slowly collected to the target 4, and the target surface voltage V S slowly approaches the plasma voltage. At this time, the charged capacitor is slowly discharged in the positive half wave.
【０００８】さらに、次の正の半波において、再びター
ゲット表面電圧ＶS は充電される。これを繰り返すこと
によって、ターゲット４の表面はＶb なるバイアス電圧
が重ねられたのと同じことになり、絶縁物のスパッタを
行うことができる。ターゲット電極５に正弦波を印加す
る場合においても、同様にＶb なるバイアス電圧が重ね
られたのと同じことになる。Further, in the next positive half wave, the target surface voltage V S is charged again. By repeating this, the surface of the target 4 becomes the same as the bias voltage of V b is superposed, and the sputtering of the insulator can be performed. When a sine wave is applied to the target electrode 5, the bias voltage of V b is similarly superimposed.
【０００９】つまり、高周波電源１１を用いることによ
って、絶縁物の両面間のキャパシタンスをとおして高周
波電流が流れ、絶縁物のスパッタを行うことができる。
また、金属をスパッタする場合には、この絶縁物の両面
間のキャパシタンスに代わるＣなるコンデンサを回路内
に入れることによって、同様にスパッタを行うことがで
きる。That is, by using the high frequency power supply 11, a high frequency current flows through the capacitance between both surfaces of the insulator, and the insulator can be sputtered.
Further, when metal is sputtered, it is possible to similarly sputter by inserting a capacitor C, which replaces the capacitance between both surfaces of the insulator, in the circuit.
【００１０】次に、従来のスパッタリング装置の構成に
ついて説明する。図１１は、従来のスパッタリング装置
の構成図である。図１１において、１は真空チャンバ、
２は基板ホルダ、３は基板、４はターゲット、５はター
ゲット電極、７は絶縁体、１０は高周波電力部、１１は
高周波電源、１２は整合回路、ガス供給部３０、ガス排
気部４０である。Next, the structure of a conventional sputtering apparatus will be described. FIG. 11 is a block diagram of a conventional sputtering apparatus. In FIG. 11, 1 is a vacuum chamber,
Reference numeral 2 is a substrate holder, 3 is a substrate, 4 is a target, 5 is a target electrode, 7 is an insulator, 10 is a high frequency power unit, 11 is a high frequency power source, 12 is a matching circuit, a gas supply unit 30, and a gas exhaust unit 40. .
【００１１】従来のスパッタリング装置は、基板３を収
納して成膜を施すための真空チャンバ１と、真空チャン
バ１に高周波電力を印加するための高周波電力部１０
と、真空チャンバ１内にガスを供給するガス供給部３０
と、真空チャンバ１内の空気やガスを排気するガス排気
部４０とから構成される。前記構成において、真空チャ
ンバ１内には基板ホルダ２とターゲット電極５の２つの
電極が間隔をあけて対向配置されている。前記二つの電
極のうちターゲット電極５は基板ホルダ２と対向してい
る面上にターゲット４を支持するとともに、高周波電力
部１０から高周波電力の供給を受ける。一方、基板ホル
ダ２はターゲット電極５と対向している面上にスパッタ
リングが施される基板３を支持するとともに、接地され
ている。The conventional sputtering apparatus includes a vacuum chamber 1 in which a substrate 3 is housed and a film is formed, and a high frequency power unit 10 for applying high frequency power to the vacuum chamber 1.
And a gas supply unit 30 for supplying gas into the vacuum chamber 1.
And a gas exhaust unit 40 for exhausting air and gas in the vacuum chamber 1. In the above structure, the two electrodes of the substrate holder 2 and the target electrode 5 are arranged in the vacuum chamber 1 so as to face each other with a gap. Of the two electrodes, the target electrode 5 supports the target 4 on the surface facing the substrate holder 2 and receives the high frequency power from the high frequency power unit 10. On the other hand, the substrate holder 2 supports the substrate 3 to be sputtered on the surface facing the target electrode 5 and is grounded.
【００１２】なお、ターゲット電極５と真空チャンバ１
の間には絶縁体７が設けられ、電気的に絶縁されてい
る。また、高周波電力部１０は高周波電源１１と整合回
路１２とからなる。この整合回路１２は、高周波電源１
１の出力インピーダンスと真空チャンバ１内のプラズマ
のインピーダンスを整合し、ターゲット電極５に高周波
電力を効率的に投入するものである。The target electrode 5 and the vacuum chamber 1
An insulator 7 is provided between the two and is electrically insulated. The high frequency power unit 10 includes a high frequency power source 11 and a matching circuit 12. This matching circuit 12 is a high frequency power source 1
The output impedance of 1 and the impedance of plasma in the vacuum chamber 1 are matched, and high frequency power is efficiently input to the target electrode 5.
【００１３】さらに、ガス供給部３０とガス排気部４０
は、真空チャンバ１内の圧力とガス濃度の調節を行うも
のである。次に、前記構成の従来のスパッタリング装置
の動作について説明する。はじめに、ガス排気部４０が
排気操作を行って真空チャンバ１内を真空状態とした
後、ガス供給部３０がこの真空チャンバ１内に不活性ガ
スあるいはターゲット４の素材と反応するガスを供給す
る。Further, the gas supply unit 30 and the gas exhaust unit 40
Is for adjusting the pressure and gas concentration in the vacuum chamber 1. Next, the operation of the conventional sputtering apparatus having the above structure will be described. First, the gas exhaust unit 40 performs an exhaust operation to bring the vacuum chamber 1 into a vacuum state, and then the gas supply unit 30 supplies an inert gas or a gas that reacts with the material of the target 4 into the vacuum chamber 1.
【００１４】この状態で高周波電源１１が整合回路１２
を介してターゲット電極５に高周波電圧を印加すると、
真空チャンバ１内のターゲット電極５と基板ホルダ２の
接地電圧間でグロー放電が発生する。このとき、ターゲ
ット電極５に負のバイアス電圧が発生する。この負のバ
イアス電圧の発生は、前記したようにプラズマ中のイオ
ンと電子の移動度の差によるものである。In this state, the high frequency power supply 11 causes the matching circuit 12 to
When a high frequency voltage is applied to the target electrode 5 via
Glow discharge occurs between the target electrode 5 in the vacuum chamber 1 and the ground voltage of the substrate holder 2. At this time, a negative bias voltage is generated in the target electrode 5. The generation of this negative bias voltage is due to the difference in mobility of ions and electrons in plasma as described above.
【００１５】プラズマ中のイオンは、負のバイアス電圧
によってターゲット電極５側に加速され、ターゲット電
極５に設置されたターゲット４をスパッタする。このス
パッタはターゲット４からターゲット原子を放出させ
る。放出されたターゲット原子は、基板ホルダ２に設置
された基板３上に堆積してターゲット原子を成分とする
薄膜を形成する。The ions in the plasma are accelerated toward the target electrode 5 side by the negative bias voltage and sputter the target 4 placed on the target electrode 5. This sputter causes target 4 to emit target atoms. The released target atoms are deposited on the substrate 3 placed on the substrate holder 2 to form a thin film containing the target atoms as a component.
【００１６】[0016]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
従来のスパッタリング装置においては、アーク放電の発
生による薄膜の膜質の低下や成膜処理の中断という問題
点を有している。以下、前記問題点について説明する。
通常、スパッタリング装置において、成膜の生産性を高
めるためには成膜速度を高めることが重要である。そし
て、一般にこの成膜速度を高めるためには高周波電力の
投入量を増加することが行われている。However, the above-mentioned conventional sputtering apparatus has problems that the quality of the thin film is deteriorated due to the occurrence of arc discharge and the film forming process is interrupted. Hereinafter, the problem will be described.
Usually, in a sputtering apparatus, it is important to increase the film formation rate in order to increase the productivity of film formation. Then, in general, in order to increase the film forming rate, the input amount of high frequency power is increased.
【００１７】図８に示す従来のスパッタリング装置にお
いてＩＴＯ酸化物ターゲットをスパッタする場合、高周
波電力の投入量を増加させていくと、ターゲット４の表
面の一部でアーク放電が発生する。このアーク放電の発
生は、以下の過程によると考えられる。グロー放電発生
時にはターゲット電極５には負のバイアス電圧が発生し
ている。このとき、ターゲット電極５への高周波電力の
投入量を増加すると負のバイアス電圧も大きくなり、タ
ーゲット４は高速イオンによる衝撃を受け、ターゲット
４からの２次電子放出も増加する。ここで、ターゲット
４の表面に突起があると、その部分において２次電子放
出が集中的に発生し、グロー放電はアーク放電に移行す
ると考えられる。When the ITO oxide target is sputtered in the conventional sputtering apparatus shown in FIG. 8, an arc discharge is generated on a part of the surface of the target 4 as the input amount of the high frequency power is increased. The occurrence of this arc discharge is considered to be due to the following process. A negative bias voltage is generated in the target electrode 5 when the glow discharge occurs. At this time, when the amount of high frequency power supplied to the target electrode 5 is increased, the negative bias voltage is also increased, the target 4 is impacted by the fast ions, and the secondary electron emission from the target 4 is also increased. Here, if there is a protrusion on the surface of the target 4, it is considered that secondary electron emission occurs intensively at that portion, and glow discharge shifts to arc discharge.
【００１８】このアーク放電は、そのアーク放電が発生
している部分のターゲット４が溶融し、溶融したターゲ
ット片を放出する。放出されたターゲット片は飛散して
基板３にも到達する。このターゲット片は、基板３上に
形成されている薄膜に欠陥を生じさせて膜質を低下させ
ることになる。また、通常アーク放電が発生すると、そ
の時点で高周波電源１１の出力を停止してアーク放電の
発生を止め、再度高周波電源１１の出力を開始してスパ
ッタリングを再開する。このスパッタリングの再開に際
しては、整合回路１２によって高周波電源１１のインピ
ーダンスとプラズマのインピーダンスの整合をとる。In this arc discharge, the target 4 in the portion where the arc discharge is generated is melted and the melted target piece is discharged. The ejected target pieces are scattered and reach the substrate 3. This target piece causes defects in the thin film formed on the substrate 3 and deteriorates the film quality. When a normal arc discharge occurs, the output of the high frequency power supply 11 is stopped at that point to stop the generation of the arc discharge, the output of the high frequency power supply 11 is restarted, and the sputtering is restarted. When the sputtering is restarted, the impedance of the high frequency power source 11 and the impedance of the plasma are matched by the matching circuit 12.
【００１９】しかしながら、高周波電源の出力を停止し
てスパッタリングを再開する場合には、グロー放電が安
定するまでに少なくとも１秒程度かかり、この間成膜が
中断することになる。また、アーク放電が発生する頻度
は数十秒に１回程度であるため、一般に１回の成膜にお
いて高周波電源の出力の停止が数回発生することにな
り、そのたびに１秒程度の長時間にわたって成膜処理が
停止するという問題点を有している。However, when the output of the high frequency power supply is stopped and the sputtering is restarted, it takes at least about 1 second until the glow discharge is stabilized, and the film formation is interrupted during this period. Moreover, since the frequency of arc discharge is about once every several tens of seconds, the output of the high-frequency power source is generally stopped several times during one film formation, and each time it takes about 1 second. There is a problem that the film forming process is stopped over time.
【００２０】したがって、成膜中に長時間の中断が断続
されることになって高速成膜が困難であるとともに、連
続的に成膜する場合に比べて膜質も悪化する。そこで、
本発明は前記した従来のスパッタリング装置の問題点を
解決し、スパッタリング装置において、アーク放電によ
る影響を減少させることによって良質な膜質の成膜を行
うとともに、高速の成膜を可能とすることを目的とす
る。Therefore, the film formation is interrupted for a long time, which makes it difficult to form the film at a high speed, and the quality of the film is deteriorated as compared with the case where the film is formed continuously. Therefore,
An object of the present invention is to solve the problems of the above-described conventional sputtering apparatus, and in the sputtering apparatus, reduce the influence of arc discharge to form a film of good quality and enable high-speed film formation. And
【００２１】[0021]
【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、真空チャンバにターゲットを有するター
ゲット電極と、ターゲットの材料を一成分とする膜を堆
積する基板と、ターゲット電極へ高周波電力を投入する
ための高周波電源部と、ターゲット電極に並列接続され
るインダクタとコンデンサの直列回路とによってスパッ
タリング装置を構成し、ターゲットの表面でアーク放電
が発生した場合にターゲットに印加されているバイアス
電圧を負から０または正へ変化させるものである。In order to achieve the above object, the present invention is directed to a target electrode having a target in a vacuum chamber, a substrate on which a film containing the target material as a component is deposited, and a high frequency wave to the target electrode. A sputtering device is composed of a high-frequency power supply unit for supplying electric power and a series circuit of an inductor and a capacitor connected in parallel to the target electrode, and a bias applied to the target when arc discharge occurs on the target surface. The voltage is changed from negative to 0 or positive.
【００２２】[0022]
【作用】本発明によれば、スパッタリング装置におい
て、インダクタとコンデンサから構成される充放電部を
ターゲット電極と接地電圧間に接続するものである。そ
して、グロー放電の発生時の正常状態における、ターゲ
ット電極の負のバイアス電圧によって充放電部のコンデ
ンサを充電し、ターゲット電極への高周波電力の投入量
の増加に伴うアーク放電の発生時に充放電部のコンデン
サを放電するものである。これによって、アーク放電発
生時にターゲット電極のバイアス電圧を負から０または
正へ変化させて、アーク放電を消滅する。According to the present invention, in the sputtering apparatus, the charging / discharging portion including the inductor and the capacitor is connected between the target electrode and the ground voltage. Then, in a normal state at the time of glow discharge occurrence, the negative bias voltage of the target electrode charges the capacitor of the charging / discharging part, and when the arc discharge occurs due to the increase of the high frequency power input to the target electrode, the charging / discharging part This is to discharge the capacitor. Thereby, when the arc discharge occurs, the bias voltage of the target electrode is changed from negative to 0 or positive, and the arc discharge is extinguished.
【００２３】[0023]
【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照しながら詳
細に説明する。図１は、本発明のスパッタリング装置の
構成図である。図１において、１は真空チャンバ、２は
基板ホルダ、３は基板、４はターゲット、５はターゲッ
ト電極、７は絶縁体、１０は高周波電力部、１１は高周
波電源、１２は整合回路、２０は充放電部、２１はイン
ダクタ、２２はコンデンサ、３０はガス供給部、４０は
ガス排気部である。Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a sputtering apparatus of the present invention. In FIG. 1, 1 is a vacuum chamber, 2 is a substrate holder, 3 is a substrate, 4 is a target, 5 is a target electrode, 7 is an insulator, 10 is a high frequency power unit, 11 is a high frequency power supply, 12 is a matching circuit, and 20 is A charging / discharging unit, 21 is an inductor, 22 is a capacitor, 30 is a gas supply unit, and 40 is a gas exhaust unit.
【００２４】本発明のスパッタリング装置は、前記従来
のスパッタリング装置の高周波電力部１１とターゲット
電極５との間に充放電部２０を接続するものである。こ
れは電気的には高周波電力部１０から見た場合真空チャ
ンバ１側のインピーダンスと充放電部２０のインピーダ
ンスが並列接続されたものである。したがって、図１に
おいて本発明のスパッタリング装置は基板３を収納して
成膜を施すための真空チャンバ１と、真空チャンバ１に
高周波電力を印加するための高周波電力部１０と、真空
チャンバ１との間で充放電を行う充放電部２０と、真空
チャンバ１内にガスを供給するガス供給部３０と、真空
チャンバ１内の空気やガスを排気するガス排気部４０と
から構成される。In the sputtering apparatus of the present invention, the charging / discharging section 20 is connected between the high frequency power section 11 and the target electrode 5 of the conventional sputtering apparatus. This is an impedance in which the impedance of the vacuum chamber 1 side and the impedance of the charging / discharging unit 20 are electrically connected in parallel when viewed from the high frequency power unit 10. Therefore, in FIG. 1, the sputtering apparatus of the present invention comprises a vacuum chamber 1 for accommodating a substrate 3 and performing film formation, a high-frequency power unit 10 for applying high-frequency power to the vacuum chamber 1, and a vacuum chamber 1. The charging / discharging unit 20 performs charging / discharging between the vacuum chamber 1, a gas supply unit 30 that supplies gas into the vacuum chamber 1, and a gas exhaust unit 40 that exhausts air or gas in the vacuum chamber 1.
【００２５】以下、前記各構成部について説明する。前
記構成において、従来のスパッタリング装置と同様に、
真空チャンバ１内には基板ホルダ２とターゲット電極５
の２つの電極が間隔をあけて対向配置されている。前記
二つの電極のうちターゲット電極５は基板ホルダ２と対
向している面上にターゲット４を支持するとともに、高
周波電力部１０から高周波電力の供給を受ける。一方、
基板ホルダ２はターゲット電極５と対向している面上に
スパッタリングを施される基板３を支持するとともに、
接地されている。The above-mentioned components will be described below. In the above-mentioned configuration, like the conventional sputtering device,
A substrate holder 2 and a target electrode 5 are provided in the vacuum chamber 1.
Two electrodes of the above are arranged facing each other with a space. Of the two electrodes, the target electrode 5 supports the target 4 on the surface facing the substrate holder 2 and receives the high frequency power from the high frequency power unit 10. on the other hand,
The substrate holder 2 supports the substrate 3 to be sputtered on the surface facing the target electrode 5, and
It is grounded.
【００２６】なお、ターゲット電極５と真空チャンバ１
の間には絶縁体７が設けられ、電気的に絶縁されてい
る。また、高周波電力部１０は高周波電源１１と整合回
路１２とからなる。この整合回路１２は、前記したよう
に高周波電源１１の出力インピーダンスと真空チャンバ
１内のプラズマのインピーダンスを整合し、ターゲット
電極５に高周波電力を効率的に投入するものである。The target electrode 5 and the vacuum chamber 1
An insulator 7 is provided between the two and is electrically insulated. The high frequency power unit 10 includes a high frequency power source 11 and a matching circuit 12. The matching circuit 12 matches the output impedance of the high frequency power source 11 with the impedance of the plasma in the vacuum chamber 1 as described above, and efficiently inputs the high frequency power to the target electrode 5.
【００２７】さらに、ガス供給部３０とガス排気部４０
は、真空チャンバ１内の圧力とガス濃度の調節を行うも
のである。また、本発明の構成要素である充放電部２０
は、インダクタ２１とコンデンサ２２を直列接続して構
成され、真空チャンバ１側のインピーダンスとともに共
振回路を構成するものである。Further, the gas supply unit 30 and the gas exhaust unit 40
Is for adjusting the pressure and gas concentration in the vacuum chamber 1. Further, the charging / discharging unit 20 which is a component of the present invention
Is configured by connecting an inductor 21 and a capacitor 22 in series, and constitutes a resonance circuit together with the impedance on the vacuum chamber 1 side.
【００２８】以下に、この充放電部２０について説明す
る。この充放電部２０は、前記したアーク放電を消滅さ
せるものである。ここで、図１において、整合回路１２
から矢印Ａの方向の真空チャンバ１側を見たときのイン
ピーダンスをＺA とし、整合回路１２から矢印Ｂの方向
の充放電部２０側を見たときのインピーダンスをＺB と
すると、図２に示すような真空チャンバと充放電部の回
路図となる。インピーダンスＺA は、真空チャンバ１内
の放電時の負荷のインピーダンスである。The charging / discharging unit 20 will be described below. The charging / discharging unit 20 extinguishes the arc discharge described above. Here, in FIG. 1, the matching circuit 12
2 when the impedance when looking at the side of the vacuum chamber 1 in the direction of arrow A is Z A and the impedance when looking at the side of the charging / discharging unit 20 in the direction of arrow B from the matching circuit 12 is Z B It is a circuit diagram of a vacuum chamber and a charging / discharging part as shown. The impedance Z A is the impedance of the load during discharge in the vacuum chamber 1.
【００２９】はじめに、本発明のスパッタリング装置の
真空チャンバ１内の放電が正常状態の場合のターゲット
４の電圧について説明する。真空チャンバ１内の放電が
正常状態の場合にはグロー放電が発生している。図３
は、真空チャンバ内においてグロー放電が発生している
場合のターゲットの電圧図である。このグロー放電時に
は、ターゲット電極５には高周波電源１１から高周波電
圧ＶPPG が印加される。この高周波電圧ＶPPG の印加
は、前記したようにターゲット４の表面に負のバイアス
電圧ＶDcG を発生させることになる。図２のコンデンサ
Ｃには、直流的にはこの負のバイアス電圧ＶDcG のみが
印加され充電されることになる。First, the voltage of the target 4 when the discharge in the vacuum chamber 1 of the sputtering apparatus of the present invention is in a normal state will be described. When the discharge in the vacuum chamber 1 is in a normal state, glow discharge has occurred. Figure 3
FIG. 4 is a voltage diagram of a target when glow discharge is generated in the vacuum chamber. At the time of this glow discharge, the high frequency voltage V PPG is applied to the target electrode 5 from the high frequency power supply 11. The application of the high frequency voltage V PPG will generate the negative bias voltage V DcG on the surface of the target 4 as described above. To the capacitor C of FIG. 2, only this negative bias voltage V DcG is applied and charged in terms of direct current.
【００３０】ここで、前記したように、ターゲット電極
５への高周波電力の投入量を増加すると負のバイアス電
圧ＶDcG も大きくなり、ターゲット４は高速イオンによ
る衝撃を受け、ターゲット４からの２次電子放出も増加
する。このとき、例えばターゲット４の表面に突起等が
あると、その部分において２次電子放出が集中的に発生
し、グロー放電はアーク放電に移行する。Here, as described above, when the input amount of the high frequency power to the target electrode 5 is increased, the negative bias voltage V DcG is also increased, the target 4 is impacted by the fast ions, and the secondary from the target 4 is generated. Electron emission also increases. At this time, for example, if there are projections or the like on the surface of the target 4, secondary electron emission is intensively generated at that portion, and glow discharge shifts to arc discharge.
【００３１】次に、本発明のスパッタリング装置の真空
チャンバ１内の放電がアーク放電の場合のターゲット４
の電圧について説明する。図４は、真空チャンバ内にお
いてアーク放電が発生している場合のターゲットの電圧
図である。真空チャンバ１内の放電が前記のようにグロ
ー放電からアーク放電へ移行すると、真空チャンバ１内
の放電時の負荷のインピーダンスＺA の絶対値は低下す
る。これは、放電の特性上アーク放電のインピーダンス
の方がグロー放電インピーダンスよりも小さいからであ
る。Next, the target 4 when the discharge in the vacuum chamber 1 of the sputtering apparatus of the present invention is arc discharge
The voltage will be described. FIG. 4 is a voltage diagram of the target when arc discharge is generated in the vacuum chamber. When the discharge in the vacuum chamber 1 shifts from the glow discharge to the arc discharge as described above, the absolute value of the impedance Z A of the load during the discharge in the vacuum chamber 1 decreases. This is because the arc discharge impedance is smaller than the glow discharge impedance due to the characteristics of the discharge.
【００３２】真空チャンバ１内のインピーダンスＺA が
グロー放電時の値から大きく変化すると、整合回路１２
は不整合の状態となる。このため、アーク放電時のター
ゲット電極５上の高周波電圧ＶPPA は図３に示すグロー
放電時のターゲット電極５上の高周波電圧ＶPPG に比べ
て小さくなる。また、図３及び図４に示すようにアーク
放電時のバイアス電圧ＶDcA もアーク放電における低い
インピーダンスＺA によって低下する。When the impedance Z A in the vacuum chamber 1 greatly changes from the value during glow discharge, the matching circuit 12
Becomes inconsistent. Therefore, the high frequency voltage V PPA on the target electrode 5 during arc discharge is smaller than the high frequency voltage V PPG on the target electrode 5 during glow discharge shown in FIG. Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the bias voltage V DcA during arc discharge also decreases due to the low impedance Z A during arc discharge.
【００３３】前記アーク放電時のバイアス電圧ＶDcA の
低下は、充放電部２０内のコンデンサの電圧の変化させ
る。この電圧変化を図５の充放電部内のコンデンサの電
圧図によって説明する。図５において、ＶDcG はグロー
放電時の負のバイアス電圧であり、ＶDcA はアーク放電
時の負のバイアス電圧である。The decrease in the bias voltage V DcA during the arc discharge changes the voltage of the capacitor in the charging / discharging section 20. This voltage change will be described with reference to the voltage diagram of the capacitor in the charging / discharging unit of FIG. In FIG. 5, V DcG is a negative bias voltage during glow discharge, and V DcA is a negative bias voltage during arc discharge.
【００３４】したがって、このインピーダンスＺA の低
下によって、前記コンデンサＣに充電されている電荷は
真空チャンバ１内のアーク放電負荷へ放電されることに
なる。次に、前記コンデンサＣの放電によってアーク放
電が消滅する過程について説明する。Therefore, due to the decrease of the impedance Z A , the electric charge charged in the capacitor C is discharged to the arc discharge load in the vacuum chamber 1. Next, a process of extinguishing the arc discharge due to the discharge of the capacitor C will be described.
【００３５】図６は、真空チャンバと充放電部の等価回
路図である。図６において、ＲA はアーク放電時におけ
る真空チャンバ１内の抵抗である。ここで、図６に示す
充放電部のインダクタＬとコンデンサＣで定まる時定数
レベルでは、整合回路１２は無視することができ、ま
た、アーク放電負荷のインピーダンスＺA は抵抗成分Ｒ
A のみとなる。FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the vacuum chamber and the charging / discharging section. In FIG. 6, R A is the resistance in the vacuum chamber 1 during arc discharge. Here, at the time constant level determined by the inductor L and the capacitor C of the charging / discharging unit shown in FIG. 6, the matching circuit 12 can be ignored, and the impedance Z A of the arc discharge load is the resistance component R A.
Only A.
【００３６】図６において、初期状態であるグロー放電
状態においてはコンデンサＣは電荷が充電されており、
アーク放電状態においてはコンデンサＣは放電される。
つまり、図６のスイッチは放電状態によって形成される
ものであり、アーク放電の発生によってオン状態とな
り、グロー放電状態においてはオフの状態である。図６
に示す回路はＬ／Ｃ≫ＲA 2 ／４の場合、自由振動を生
じる。また、その周期Ｔは２π（Ｌ・Ｃ）1/2 である。In FIG. 6, in the initial glow discharge state, the capacitor C is charged with electric charge,
In the arc discharge state, the capacitor C is discharged.
That is, the switch of FIG. 6 is formed by a discharge state, is turned on by the occurrence of arc discharge, and is off in the glow discharge state. Figure 6
The circuit shown in the case of L / C»R A 2/4, resulting in free oscillation. The period T is 2π (L · C) 1/2 .
【００３７】ここで、アーク放電の抵抗ＲA は一般に数
Ω以下であり、今Ｌ＝２０μＨ、Ｃ＝５０００ｐＨ、Ｒ
A ＝１０Ωとすると、 Ｌ／Ｃ＝４０００ ＲA 2 ／４＝２５ となり、前記関係Ｌ／Ｃ（＝４０００）≫ＲA 2 ／４
（＝２５）を満たし、図６に示す真空チャンバと充放電
部とからなる回路は自由振動を起こすことになる。ここ
で、自由振動による電圧をＶとする。そして、その周期
Ｔは２μｓｅｃとなる。Here, the resistance R A of the arc discharge is generally several Ω or less, and now L = 20 μH, C = 5000 pH, R
When A = 10Ω, L / C = 4000 R A 2/4 = 25 , and the said relationship L / C (= 4000) »R A 2/4
(= 25) is satisfied, and the circuit including the vacuum chamber and the charging / discharging portion shown in FIG. 6 causes free vibration. Here, the voltage due to free vibration is V. Then, the cycle T becomes 2 μsec.
【００３８】図７は、本発明のスパッタリング装置にお
けるターゲット電圧図である。ターゲット電圧は自由振
動による電圧Ｖとアーク放電時のターゲット電圧ＶPPA
の和によって表される。なお、自由振動の周波数は、ア
ーク放電時のターゲット電圧ＶPPA の周波数である高周
波電源１１の周波数例えば１３．５６ＭＨｚよりも低い
周波数となる。FIG. 7 is a target voltage diagram in the sputtering apparatus of the present invention. The target voltage is the voltage V due to free vibration and the target voltage V PPA during arc discharge.
Represented by the sum of. The frequency of free vibration is lower than the frequency of the high frequency power supply 11, which is the frequency of the target voltage V PPA during arc discharge, for example, 13.56 MHz.
【００３９】したがって、アーク放電が発生して図６の
スイッチがオン状態となってから自由振動の半周期程度
後（前記例の場合には１μｓｅｃ）には、逆方向に電流
が流れる。したがって、アーク放電の抵抗ＲA にはスイ
ッチオン時と逆の電圧が印加されることになる。アーク
放電は、ターゲット電極５に発生する負のバイアス電圧
に起因するので、アーク放電発生時にターゲット電極の
バイアス電圧を負から０または正へ変化すればアーク放
電を消滅することができる。Therefore, a current flows in the opposite direction about half a cycle after the free vibration (1 μsec in the above example) after the arc discharge occurs and the switch of FIG. 6 is turned on. Therefore, a voltage opposite to that when the switch is turned on is applied to the resistance RA of the arc discharge. Since the arc discharge is caused by the negative bias voltage generated in the target electrode 5, the arc discharge can be extinguished by changing the bias voltage of the target electrode from negative to 0 or positive when the arc discharge occurs.
【００４０】つまり、アーク放電が発生すると数μｓｅ
ｃ程度でターゲット電圧Ｖに正のバイアス電圧が印加さ
れるのでアーク放電は消滅する。アーク放電が消滅する
までの時間は数μｓｅｃ程度と非常に短時間であるた
め、整合回路１２はグロー放電時の整合点のままであり
直ちにグロー放電が点灯する。なお、充放電部２０の挿
入による真空チャンバ１への高周波電力の投入への影響
は無視することができる。That is, when arc discharge occurs, several μs
Since a positive bias voltage is applied to the target voltage V at about c, the arc discharge is extinguished. Since the time until the arc discharge is extinguished is about a few μsec, which is a very short time, the matching circuit 12 remains at the matching point at the time of glow discharge and the glow discharge is immediately turned on. It should be noted that the effect of inserting the charging / discharging unit 20 on the input of high-frequency power to the vacuum chamber 1 can be ignored.
【００４１】つまり、図１において、真空チャンバ１内
の放電負荷に対して高周波電力を効率よく供給するため
には、放電負荷のインピーダンスＺA と充放電部２０の
インピーダンスＺB との間に ｜ＺA ｜≪｜ＺB ｜ の関係がなければならない。[0041] That is, in FIG. 1, a high frequency power to the discharge load of the vacuum chamber 1 efficiently to supply, between the impedance Z A of the discharge load impedance Z B of the charging and discharging unit 20 | There must be a relationship of Z A | << | Z B |.
【００４２】一般に、投入される高周波電源の周波数は
１３．５６ＭＨｚが使用されるが、この場合には放電負
荷のインピーダンスＺA は数十Ω程度である。ここで、
一例としてインダクタＬを２０μＨ、コンデンサＣを５
０００ｐＦとすると、充放電部２０のインピーダンンス
ＺB は ｜ＺB ｜＝｜２πｆＬ−１／２πｆＣ｜ から｜ＺB ｜＝１７００Ωとなる。したがって、前記｜
ＺA ｜≪｜ＺB ｜の関係を満たすので、高周波電力の大
部分は真空チャンバ１内の放電負荷に供給され、充放電
部２０の回路への影響は無視することができる。Generally, the frequency of the supplied high frequency power source is 13.56 MHz, but in this case, the impedance Z A of the discharge load is about several tens Ω. here,
As an example, inductor L is 20 μH and capacitor C is 5
At 000 pF, the impedance Z B of the charging / discharging unit 20 is | Z B | = | 2πfL−½πfC | and | Z B | = 1700Ω. Therefore, the above |
Since the relationship of Z A | << | Z B | is satisfied, most of the high frequency power is supplied to the discharge load in the vacuum chamber 1, and the influence on the circuit of the charging / discharging unit 20 can be ignored.
【００４３】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能で
あり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention, and these modifications are not excluded from the scope of the present invention.
【００４４】[0044]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
数μｓｅｃ程度でアーク放電を消滅することができるの
で、膜質を劣化させることなく高速成膜ができる。As described above, according to the present invention,
Since the arc discharge can be extinguished in about several μsec, high-speed film formation can be performed without deteriorating the film quality.
【図１】本発明のスパッタリング装置の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a sputtering apparatus of the present invention.
【図２】本発明の真空チャンバと充放電部の回路図であ
る。FIG. 2 is a circuit diagram of a vacuum chamber and a charging / discharging unit of the present invention.
【図３】真空チャンバ内においてグロー放電が発生して
いる場合のターゲットの電圧図である。FIG. 3 is a voltage diagram of a target when glow discharge is generated in the vacuum chamber.
【図４】真空チャンバ内においてアーク放電が発生して
いる場合のターゲットの電圧図である。FIG. 4 is a voltage diagram of a target when arc discharge is generated in the vacuum chamber.
【図５】本発明の充放電部内のコンデンサの電圧図であ
る。FIG. 5 is a voltage diagram of a capacitor in the charging / discharging unit of the present invention.
【図６】本発明の真空チャンバと充放電部の等価回路図
である。FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the vacuum chamber and the charging / discharging unit of the present invention.
【図７】本発明のスパッタリング装置におけるターゲッ
ト電圧図である。FIG. 7 is a target voltage diagram in the sputtering apparatus of the present invention.
【図８】従来の高周波スパッタリング装置を説明する構
成図である。FIG. 8 is a configuration diagram illustrating a conventional high frequency sputtering apparatus.
【図９】矩形波を印加した場合の電圧図である。FIG. 9 is a voltage diagram when a rectangular wave is applied.
【図１０】正弦波を印加した場合の電圧図である。FIG. 10 is a voltage diagram when a sine wave is applied.
【図１１】従来のスパッタリング装置の構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a conventional sputtering apparatus.
１…真空チャンバ、２…基板ホルダ、３…基板、４…タ
ーゲット、５…ターゲット電極、７…絶縁体、１０…高
周波電力部、１１…高周波電源、１２…整合回路、２０
…充放電部、２１…インダクタ、２２…コンデンサ、３
０…ガス供給部、４０…ガス排気部DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vacuum chamber, 2 ... Substrate holder, 3 ... Substrate, 4 ... Target, 5 ... Target electrode, 7 ... Insulator, 10 ... High frequency power part, 11 ... High frequency power supply, 12 ... Matching circuit, 20
... Charge / discharge part, 21 ... Inductor, 22 ... Capacitor, 3
0 ... Gas supply unit, 40 ... Gas exhaust unit
Claims (1)
るターゲット電極と、（ｂ）前記ターゲットを一成分と
する膜を堆積する基板と、（ｃ）前記ターゲット電極へ
高周波電力を投入するための高周波電源部と、（ｄ）前
記ターゲット電極に並列接続されるインダクタとコンデ
ンサの直列回路とからなり、（ｅ）前記ターゲットの表
面でのアーク放電の発生によって、前記ターゲットに印
加されるバイアス電圧を変化させることを特徴とするス
パッタリング装置。1. A target electrode having a target in a vacuum chamber, (b) a substrate on which a film containing the target as a component is deposited, and (c) a high frequency power for applying a high frequency power to the target electrode. It comprises a power supply section, and (d) a series circuit of an inductor and a capacitor connected in parallel to the target electrode, and (e) changes the bias voltage applied to the target due to the occurrence of arc discharge on the surface of the target. A sputtering apparatus characterized by the above.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30015092A JPH06145973A (en) | 1992-11-10 | 1992-11-10 | Sputtering device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30015092A JPH06145973A (en) | 1992-11-10 | 1992-11-10 | Sputtering device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06145973A true JPH06145973A (en) | 1994-05-27 |
Family
ID=17881351
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30015092A Withdrawn JPH06145973A (en) | 1992-11-10 | 1992-11-10 | Sputtering device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06145973A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5584974A (en) * | 1995-10-20 | 1996-12-17 | Eni | Arc control and switching element protection for pulsed dc cathode sputtering power supply |
| US6217717B1 (en) | 1992-12-30 | 2001-04-17 | Advanced Energy Industries, Inc. | Periodically clearing thin film plasma processing system |
| US6368477B1 (en) | 1995-04-07 | 2002-04-09 | Advanced Energy Industries, Inc. | Adjustable energy quantum thin film plasma processing system |
| KR20020027241A (en) * | 2000-10-04 | 2002-04-13 | 스트라타코스 존 지. | Passive bipolar arc control system and method |
-
1992
- 1992-11-10 JP JP30015092A patent/JPH06145973A/en not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6217717B1 (en) | 1992-12-30 | 2001-04-17 | Advanced Energy Industries, Inc. | Periodically clearing thin film plasma processing system |
| US6521099B1 (en) | 1992-12-30 | 2003-02-18 | Advanced Energy Industries, Inc. | Periodically clearing thin film plasma processing system |
| US6368477B1 (en) | 1995-04-07 | 2002-04-09 | Advanced Energy Industries, Inc. | Adjustable energy quantum thin film plasma processing system |
| US5584974A (en) * | 1995-10-20 | 1996-12-17 | Eni | Arc control and switching element protection for pulsed dc cathode sputtering power supply |
| KR20020027241A (en) * | 2000-10-04 | 2002-04-13 | 스트라타코스 존 지. | Passive bipolar arc control system and method |
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|---|---|---|---|
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