JPH0243867Y2

JPH0243867Y2 -

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Publication number: JPH0243867Y2
Application number: JP1986065062U
Authority: JP
Priority date: 1986-05-01
Filing date: 1986-05-01
Publication date: 1990-11-21
Also published as: JPS61183965U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は真空中における放電を行うための装置
に関するものである。

いま放電装置としてスパツタ装置を例にとる
と、このスパツタ装置では真空室容器内を10^-4〜
10^-1Torr程度の範囲の特定の圧力に保ち、この
内部に設けられた陰極と陽極との間に電圧を印加
して放電が行われる。この結果生じた陽イオンが
陰極表面を形成するターゲツトを衝撃しスパツタ
が起こり、ターゲツトから飛び出した原子が基板
上に付着して薄膜が形成される。従つて一般のス
パツタ装置では真空中で安定な放電を行うことが
是非必要とされる。しかしながら一般に放電を開
始する条件と放電を維持する条件とは異るので、
スパツタ装置を操作する上ではそれらを制御する
ためにかなりな努力と工夫が必要とされる。

スパツタ装置における放電状態は電極の幾何学
的形状、ガス分子の種類、圧力、電圧等によつて
影響を受けることが知られている。スパツタ装置
においてこれらの条件を一定にして放電を維持し
た後に電極電圧の印加をとりやめると放電が停止
する。しかし全くそのままの状態で再び電圧を印
加しても必ずしも放電が開始するとは限らない。
これは放電開始の方が放電維持よりも難しいから
である。

真空中の放電開始電圧と電極間隔及び圧力の相
関性についてはパツシエンの法則がよく知られて
いる。通常のスパツタ装置ではパツシエンの法則
によれば放電開始電圧は圧力を高くするほど低く
なり、また電極間隔を拡大するほど低くなること
が説明される。従来のスパツタ装置では、この法
則の教えるところに従つて、圧力を一定にしてお
いて放電開始の際にはターゲツト電極を動かし電
極間隔をひろげ、開始後に再び所定の間隔を戻す
という方法か、あるいは電極間隔を一定にしてお
いて一定所定の圧力よりも高い圧力にして放電を
開始し、開始後に再び所定の圧力に戻す方法かが
用いられていた。またこのほかに例えばターゲツ
ト電極の近くに補助電極を設けて高電圧をかけた
り、ターゲツト電極の近くに熱電子放出機構を設
けて放電を開始する方法も用いられていた。しか
し電極間の距離を加減する方法はターゲツト電極
の上下機構が必要である上操作に時間を要し、而
も効果も薄い欠点がある。補助電極に高電圧をか
ける方法では補助電極をターゲツト電極に近づけ
る必要があり、電極設計上の制約を伴うとともに
補助電極専用の高電圧電源を必要とする欠点があ
る。また熱電子を利用する方法においても、熱電
子用フイラメントをターゲツト電極に近づけ且つ
専用の電源を用意することは、補助電極の場合と
同様の欠点を有するものである。

真空室の圧力を加減する方法は従来の放電開始
方法の中では最も効果のある方法である。それは
一般に放電開始圧力が放電維持圧力より１桁以上
高く、放電開始後は圧力を下げても放電は持続す
るからである。しかし、従来のスパツタ装置にお
ける放電開始時の真空室圧力調整は、スパツタ気
体導入用の流量制御弁を調節して気体流入量を変
化させるか、あるいは排気系のメインバルブ等を
調節して実効排気速度を加減するかしており、操
作が比較的面倒であると共に相当の時間も要する
という欠点があつた。またスパツタ工程の自動化
を進める上では放電開始時のこの種の圧力調整は
大きな障害となつている。

したがつて本考案の目的は放電の開始と維持を
容易に行える放電装置を得ようとするものであ
る。

本考案の他の目的は放電の開始と維持を自動制
御するのに適した放電装置を得ようとするもので
ある。

本考案によれば、真空室に気体を導入し一方で
排気しながら放電を行うようにした放電装置にお
いて、前記気体を前記真空室に導入する手段が、
前記気体の圧力を前記放電が所望の強さで維持さ
れるような所定の圧力に維持するための放電維持
用の気体導入機構と、前記気体の圧力を前記放電
を開始するのに必要な圧力まで一時的に高めるた
めの、少くとも一方が停止弁である２つの弁手段
を所定の大きさの空間を挾んで備えた放電開始用
気体導入機構とを別々に有していることを特徴と
する放電装置が得られる。そしてこの放電開始専
用の気体導入機構としては、気体収容室およびそ
の両側の停止弁で構成するものと、小さな死空間
を挾んだ停止弁と流量制御弁で構成するものとの
２つの方法を採用している。

上記のような構成により、短時間に適切な気体
量を真空室に導入して真空室圧力を放電開始でき
る最低圧力まで上昇させ、そのあと速やかに元の
圧力まで戻して所定の圧力を維持するようにした
ものである。

次に図面を参照して詳細に説明する。はじめに
従来の装置について説明するが、先に述べたいく
つかの例のうち、最も効果的ではあるが操作が比
較的面倒な真空室圧力を加減する方式を例にとる
こととする。なおこの方式を例にとつたのは、ひ
とつに本考案の装置に最も近いと思われるからで
ある。

第１図は上記の従来のスパツタ装置の構成を示
した図である。真空室１に流量制御弁２を通して
気体が導入され、一方では真空ポンプ３により排
気が行われる。真空室内の圧力は導入する気体の
量とポンプの実効排気速度によつて決められる。
更に具体的には流量制御弁２のコンダクタンスと
メインバルブ４のコンダクタンスを制御すること
により所定圧力が定常的に得られる。ターゲツト
電極５と基板ホルダー６を含むアース電極の間に
スパツタ電源７から電圧を印加する。一般に所定
の圧力では放電が開始しないので、シヤツター８
で基板ホルダー６を覆つた状態で流量制御弁２を
よりコンダクタンスが大きくなるようにひろげる
か、あるいはメインバルブ４をより実効排気速度
が小さくするようにしぼるかすることにより、真
空室の圧力を一度高い圧力にまであげて放電を開
始せしめる。しかる後流量制御弁２のコンダクタ
ンスあるいはメインバルブ４のコンダクタンスを
元の状態に戻すことによつて真空室１の圧力を所
定の圧力に保つ。次いでシヤツター８が開いて基
板上に薄膜が形成される。以上のような構成は極
めて確実に動作はするが、先に述べたように操作
が面倒で時間が掛る欠点があつたのである。

他の従来の装置の例として高電圧を印加するた
めの補助電極を設ける装置のあることは先に説明
したとおりであるが、この補助電極は第１図に鎖
線で参照数字９を付して示してある。又熱電子放
射体を用いる場合もほぼ同じ位置に設置すること
になる。但しいずれの場合も流量調節弁２とメイ
ンバルブ４は一旦定常値にセツトすればあとは面
倒な調節を行う必要はない。しかしいずれも何ら
かの欠点を有している。

第２図は本考案によるスパツタ装置の一実施例
の構成を示した図である。第２図においては、第
１図におけると同じ構成要素には同じ参照数字を
付してある。この第２図の装置が第１図の装置と
異るのは、気体導入機構として、従来からあるス
パツタ排気用の流量制御弁２のほかに、気体収容
室１１およびその両側の電磁弁１２，１３から成
る放電開始専用の気体導入機構を配置したもので
ある。放電を開始させるときにはまず電磁弁１３
を開いてアルゴンガスを気体収容室１１に満た
す。アルゴンガスの圧力は１Kgｆ／cm²ゲージ圧で
ある。次に電磁弁１２を開くと、真空室１の圧力
は瞬間的に上昇して放電を開始する。圧力の代表
的な値を示すと、スパツタ圧力が５×10^-3Torr、
放電開始時が５×10^-2Torrである。電磁弁１２
は気体収容室１１の内部のアルゴンガスが真空室
１に導入されたあとは閉じておき、次の放電開始
に備えるために電磁弁１３を開いて気体収容室１
１にアルゴンガスを満たしておく。ここで気体収
容室１１の容積をV₁、その圧力をP₁、真空室１
の容積をＶ、放電開始圧力をP₀、スパツタ圧力
は放電開始圧P₀に対して無視できる程度（およ
び10分の１）とすると、V₁＝Ｖ・P₀／P₁の大き
さにとつてある。ここで更に真空室１からみた排
気系の実効排気速度をＳとすると、真空室１の側
の電磁弁１２を開いた瞬間に真空室１の圧力は
P₀となつて放電を開始し、そのあとの真空室圧
力Ｐは時定数τ＝Ｖ／Ｓで減衰する。減衰の時定
数の一例を示すと、真空室１の容積Ｖ＝200で
実効排気速度Ｓ＝100／ｓのとき、時定数τ＝
２秒である。また放電開始時の圧力P₀＝５×
10^-2Torrのとき、これを得るためには気体収容
室１１の容積V₁はV₁＝Ｖ・P₀／P₁＝6.6cm³を必要
とする。

第３図は上記の第２図の実施例のスパツタ装置
で放電を開始したときの真空室圧力の変化を示す
図である。

第２図の実施例においては、気体収容室１１内
の圧力が一定の場合には気体収容室の容積を今迄
述べてきたV₁＝Ｖ・P₀／P₁の等式によりスパツ
タ装置の真空室容積に対応して決めてやるが、実
用的には、５乃至5000の容積の真空室をもつ
スパツタ装置に対して必要とされる気体収容室の
容積は0.1乃至100c.c.程度である。

第４図は本考案の第２の実施例の構成図であ
る。この装置は放電開始専用の気体導入機構とし
て、気体の流入と遮断を行う電磁弁２１と、通常
流しているスパツタ気体の流量よりは１桁以上大
きい流量を流すことができるようなコンダクタン
スを持つ流量制御弁２２を有しており、かつ電磁
弁２１と流量制御弁２２の間の死空間が極めて小
さいことを特徴とするスパツタ装置である。放電
を開始させるときは電磁弁２１を開き、流量制御
弁２２のコンダクタンスに対応した相当大量のア
ルゴンガスを真空室１に導入して真空室圧力を相
当早く上昇させる。真空室圧力が放電開始圧力に
達して放電を開始したところで電磁弁２１を閉じ
て放電開始用の気体の導入を止め、このあとは第
２図の第１の実施例におけると同じように真空室
圧力をもとのスパツタ圧力に戻す。この装置にお
ける具体的数値例を示すと、真空室容積Ｖ＝200
、実効排気速度Ｓ＝100／ｓ、アルゴン供給
圧力P₁＝１Kgｆ／cm²ゲージ圧、スパツタ圧力５
×10^-3Torr、放電開始圧力P₀＝５×10^-2Torrの
とき、流量制御弁２２のコンダクタンスＣ＝4.9
×10^-3／ｓに選んであり、真空室圧力Ｐが５×
10^-2Torr（P₀）に達するまでの時間は２秒であ
る。

第５図は第４図のスパツタ装置で放電を開始す
るときの真空室圧力Ｐの変化を示す図である。流
量制御弁２２のコンダクタンスをもつと大きな値
にすれば５×10^-2Torrに達するまでの時間は更
に短くなるが、圧力上昇が急激になるので電磁弁
２２を閉じたときの真空室圧力の値は、電磁弁２
２を閉じたまでの時間の精度に影響される。した
がつて５×10^-2Torrに達するまでの時間が１〜
２秒になるように流量制御弁２２のコンダクタン
スを調節するのが適切である。電磁弁２１と流量
制御弁２２の間の死空間には気体が常に存在する
ために、電磁弁２１を開いた瞬間にここの容積と
圧力とで決められる気体も真空室に流入し圧力上
昇に寄与する。従つて精度よく放電開始圧力を制
御するためには死空間の容積が小さいほど好まし
い。死空間の容積が無視できない場合には、この
方式は死空間のない理想的な状態における実施例
と死空間の容積に等しい気体収容室を設えた第１
の実施例との組みあわせと考えることができる。

第２の実施例の場合においては、流量制御弁２
２のコンダクタンスによつて実用的な放電開始圧
力を設定できるようにするためには、死空間の容
積が0.5c.c.以下であることが望ましい。当然なこ
とであるが、真空室１の容積が大きくなるほど許
される死空間の容積も大きくなる。また第２の実
施例においては、真空室１の圧力の上昇の制御
は、単に流量制御弁２２のコンダクタンスの調節
だけではなく、電磁弁２１の開時間の調節によつ
ても可能である。従つてスパツタ条件が異なり放
電開始圧力P₀が変化しても、これに対する細か
い対応が可能である。すなわち、真空室及び実効
排気速度の異る組も合わせの多くのスパツタ装置
において、各種スパツタ条件で放電を開始させる
ことが可能となる。

更に第４図の装置を全自動スパツタ装置に適用
した場合高い信頼性で自動的に放電開始ができ
る。この場合、電磁弁２１を閉じる時間を設定し
ておく代わりに図示してない放電検出機構、たと
えば放電電流回路に設けた抵抗体の両端に生じた
電圧を急変を検出する機構からの信号で電磁弁２
１を閉じることにより、常に最小の圧力上昇で放
電開始ができ、排気系の負担を軽減するとともに
放電開始の信頼性がより向上する。

以上説明したように、第１および第２の実施例
によれば、スパツタ条件を最適にしたままで、簡
便に短時間で効果的な放電開始が実現できる。ま
たスパツタ装置の電極構造や放電開始機構に物理
的制約がなく、特殊な電源も必要としていない。
そして特に第２の実施例を全自動スパツタ装置に
適用することにより、自動的な放電開始を高い信
頼性で行うことができる。

以上の放電開始用気体導入機構の説明はスパツ
タ装置について行つてきたが、本考案は真空中に
おける放電を利用するほかの装置に応用すること
ができる。例えば薄膜形成のためのプラズマ
CVD装置やプラズマ重合装置に使うことができ
る。また真空中でプラズマを発生させて薄膜の蝕
刻加工を行うプラズマエツチング装置、リアクテ
イブイオンエツチング装置、スパツタエツチング
装置等に応用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のスパツタ装置の構成の一例を示
した図、第２図は本考案によるスパツタ装置の一
実施例の構成図、第３図は第２図に示したスパツ
タ装置における放電開始時の真空室圧力の変化を
あらわした図、第４図は本考案によるスパツタ装
置の第２の実施例の構成図、第５図は第４図に示
したスパツタ装置における放電開始の真空室圧力
変化図である。記号の説明、１は真空室、２は流量制御弁、３
は真空ポンプ、４はメインバルブ、５はターゲツ
ト電極、６は基板ホルダー、７はスパツタ電源、
８はシヤツタ、９は補助電極、１１は気体収容
室、１２，１３，２１は電磁弁、２２は流量制御
弁をそれぞれあらわしている。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】１真空室に気体を導入しながら一方で排気し、
上記真空室内の圧力を調節して真空室内に放電
を開始させるとともにその放電の維持をも行う
気体導入機構を有するスパツタ装置において、
前記気体導入機構を放電維持用気体導入機構と
放電開始用気体導入機構の２つに分離して両機
構を並列設置し、該放電維持用気体導入機構に
は、一旦発生した放電が所望強度で継続される
に充分な圧力に該真空室内の圧力を維持する流
量調節弁を備えるとともに、前記放電開始用気
体導入機構には、少なくとも一方が放電制御用
の停止弁であるような２つの弁の間に所定容積
の空間を挟んだ装置を備え、該停止弁を開放し
た時に、気体を該真空室内に導入してその圧力
を前記放電の開始に必要な圧力にまで高めたこ
とを特徴とするスパツタ装置。２該放電開始用気体導入機構における他方の弁
もまた停止弁であり、両停止弁に挟まれた空間
が、主として真空室の容積、放電開始圧力、及
び排気速度で決まる容積をもつ気体収容室であ
る実用新案登録請求の範囲第１項記載のスパツ
タ装置。３該放電開始用気体導入機構における他方の弁
が流量調節弁であり、該放電制御用の停止弁が
一旦開放されたあと放電開始後に直ちに閉鎖さ
れるものである実用新案登録請求の範囲第１項
記載のスパツタ装置。４該２つの弁に挟まれた空間が、実質的に死空
間とみなし得るものである実用新案登録請求の
範囲第３項記載のスパツタ装置。