JPH0747820B2 - 成膜装置 - Google Patents

成膜装置

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JPH0747820B2
JPH0747820B2 JP1247322A JP24732289A JPH0747820B2 JP H0747820 B2 JPH0747820 B2 JP H0747820B2 JP 1247322 A JP1247322 A JP 1247322A JP 24732289 A JP24732289 A JP 24732289A JP H0747820 B2 JPH0747820 B2 JP H0747820B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、対向する二つの電極を有し、これに高周波電
力を供給して、成膜を行なう成膜装置に係り、特に、高
周波バイアススパッタ装置における、基板側、ターゲッ
ト側両電極に高周波電力を印加する高周波バイアススパ
ッタを行なう成膜装置に関する。
［従来の技術］ 従来の高周波（以下RFと略記する）バイアススパッタ装
置は、特開昭63-18071号公報に記載のように、ターゲッ
ト側電極には電源からRF電力がターゲットバイアスとし
て印加され、一方、基板側電極には、電源よりRF電力が
基板バイアスとして印加される。両電極に印加されるRF
電力は、バイアススパッタを行なう際、同時に印加する
必要がある。
このようにして、ターゲット側にRF電力を印加すると、
ターゲット電極と基板電極の間にRF放電プラズマが形成
される。このプラズマは、移動度の差によりターゲット
側にイオンが多く集まるため、ターゲットとの間に陰極
暗部を形成し、ターゲット表面には負のバイアスが誘起
され、前面のイオンを電界の力によりターゲットに衝突
させ、スパッタを生ぜしめている。同様に、基板側にも
RF電力を印加すると、前記ターゲット同様、基板表面も
イオンの衝撃を受け、逆スパッタが行なわれる。
この際、両者のパワー等を調整することにより、バイア
ススパッタ時の両電極のプラズマの閉じ込み効率を改善
したり、段差部のある被成膜面の平坦化成膜を可能にし
たりすることができる。
また、両電極に印加されるRF電力は、両者の位相関係を
ある範囲に保つと、放電の安定性および効率向上のため
に好ましい結果が得られることが経験的に知られてい
る。この点を考慮したと考えられるものとしては、例え
ば、基板側とターゲット側に同一RF電源より電力を供給
し、かつ、RF電力供給ケーブルについて、一方の印加ケ
ーブル長を適切に選択して使用する例などが報告されて
いる（例えば、IBM Technical Disclosure Bulletine V
ol.14,1032（1971）参照）。
［発明が解決しようとする課題］ ところで、上記従来の技術は、前述したように、ケーブ
ル長を調整して適切な位相関係を設定して、基板電極と
ターゲット電極とに同一電源からRF電力を供給しても、
成膜開始時や諸成膜条件パラメータの変動、経時変化の
影響により、両電極に印加されるRF位相のずれを生じ
て、これに伴って放電が不安定になるという問題があっ
た。
このような放電の不安定性は、薄膜材等の高機能化に伴
い、成膜される薄膜に対し、より高度な特性が要求され
つつある状況では、特性に大きな影響を与えるため、で
きる限り抑えられるべきである。そのため、放電特性
は、他の諸管理値と共に一定値制御が不可欠となってい
る。
これに対し、例えば、特開昭59-205477号公報に開示さ
れるように、高周波バイアススパッタリング装置におけ
るターゲット電極と基板電極に、電気的位相を変えて高
周波電力を印加することにより、基板上に均一な厚さの
薄膜を形成させるものがある。
この装置は、高周波電源の高周波出力を、ターゲット電
極および位相調整器を経て基板電極に分割して印加して
いる。また、この装置は、両電極への各電力供給ライン
の途中に位相検出回路を置き、それらの出力信号が位相
差検出器で位相差に比例する電圧に変化され、両電極の
高周波電圧の位相差を一定に保持しながらスパッタリン
グ処理する構成となっている。
この従来の装置は、両電極の高周波電圧の位相差を一定
に保持しようとする点で、それまでの技術に比し、考え
方としては優れている。
しかし、この装置は、電力供給ラインの中間に位相検出
回路を設けているので、電力供給ラインのケーブルのイ
ンダクタンスやキャパシタンスの影響を受け、放電状態
の変動に応じた位相変化を正確には検出できないという
問題がある。そのため、印加電力の位相制御の精度が悪
く、放電の安定性を図ることは、困難である。従って、
より高特性の薄膜の形成には、まだ、性能が不十分であ
る。
また、位相調整器が、電力供給ラインに送出される高周
波電力に対し、位相調整を行なう構成となっているた
め、高電圧に対応した装置構成とする必要があり、装置
が大型化すると共に、高価となる欠点がある。
本発明は、上記問題点を解決すべくなされたもので、そ
の目的は、放電状態の変動により印加RF電圧の位相変化
を電力ケーブルのインダクタンスやキャパシタンスの影
響を受けずに検出できて、諸成膜条件パラメータの変
動、経時変化の影響に対応して精度よく位相制御を行な
うことができる成膜装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上述した位相制御を、低い
電圧で行なえて、装置を小型化することができる高周波
電源装置を提供することにある。
［課題を解決するための手段］ 上記目的は、真空容器内に設けられた二つの対向する電
極にそれぞれ高周波電力を供給することにより放電状態
を生成して成膜を行う成膜装置において、前記放電状態
の変動量を前記各電極から検出する手段と、該検出結果
と予め定めた設定値との偏差に応じて、両電極に供給さ
れるRF電力の位相を相対的に変位させる手段とを備える
ことにより達成される。
より具体的には、高周波の発振器と、該発振器の出力を
増幅して高周波電力を出力する第１および第２の増幅器
とを設け、前記第１または第２の増幅器のいずれかと発
振器の間に介在して発振器の出力の位相を変位させる位
相調整器と、前記対向する二つの電極ごとに配置されて
各々の電圧を検出するモニタセンサとを備え、前記位相
調整器を、前記各モニタセンサの出力と予め定めた設定
値とから二つの電極に供給される高周波電力の位相関係
のずれを検出して、該ずれを小さくするように発振器の
出力の位相を変位させる機能を有する構成とすることに
より達成される。
また、本発明の他の目的は、成膜装置の真空容器内に設
けられた二つの対向する電極にそれぞれ高周波電力を供
給して、放電状態を生成させて成膜を行わせる高周波電
源装置において、高周波の発振器と、該発振器の出力を
増幅して高周波電力を出力する第１および第２の増幅器
とを設け、前記第１または第２の増幅器のいずれかと発
振器の間に介在して、発振器の出力の位相を変位させる
位相調整器とを備えることにより達成される。
前記成膜装置において、予め定めた設定値として、成膜
の過程に応じて最適値を設定する機能を備えることが好
ましい。
本発明が好ましく適用される成膜装置としては、二つの
対向電極の一方がターゲット電極であり、他方が基板電
極であって、高周波バイアススパッタリングを行う高周
波バイアススパッタリング装置、二つのターゲットを対
向配置した対向ターゲット方式の高周波スパタッリング
装置が挙げられる。
本発明において、ターゲット電極と基板電極に印加され
るRF電源の周波数は同一が良い。通常の水晶発振器で
は、周波数は厳密には同一とならないため、１つの発振
器を共用することが必要である。
また、共通の発振信号をそれぞれのRF電源の増幅器で増
幅する前に、一方の信号の位相を調整可能としておく必
要がある。特に、この位相調整は、増幅器から負荷へ、
および、負荷の放電状態により高周波回路のインピーダ
ンスが変化しても、バイアス電位およびRFパワー自動整
合機能（オートチューニングという）と連動して位相調
整信号を出力するようにすることが好ましい。この場
合、一方の電源の位相のみを進みまたは遅れとなるよう
にすればよい。
前記位相調整は、位相をケーブル長などで予め定められ
た遅相分のみ制御するのではなく、位相出力を連続的に
制御可能なポテンシオなどによる電圧（もしくは電流）
調整が好ましい。
本発明は、各電極に印加されるRFの位相は、整合箱,RF
リード，接続部等で大きく異なるため、電極部より直接
モニタした信号をフィードバック信号として取り入れる
構成としている。
また、各モニタ信号の分圧回路等にも、放電インピーダ
ンスの変動の影響を受けるため、より精度を上げるに
は、補正機能を設けることが好ましい。
さらに、これらを制御する位相調整器は、RF電源の発振
器と増幅器間に組み込ませて構成することができる。
以上のようにして、本発明は、成膜時のアウトガス等の
経時変化による放電プラズマの変動に対しても、また成
膜中のプロセスの変動に対しても各プロセス毎に制御中
心パラメータの変動量を切換えて一定となるよう、位相
制御を行なわせるようにしたものである。
［作用］ 本発明は、真空容器内に設けられた二つの対向する電極
にそれぞれ高周波電力を供給することにより生成される
放電状態を、例えば、モニタセンサを用いて、各電極か
ら、その電位を検出することにより検出する。モニタセ
ンサによる電極電位の検出は、高周波電力ラインの途中
で検出することに比べて、ケーブル等のインダクタンス
などの影響を受けることなく、正確に検出することがで
きる。
また、該検出結果と予め定めた設定値との偏差に応じ
て、両電極に供給されるRF電力の位相を相対的に変位さ
せて、偏差が０となるようにフィードバック制御するこ
とにより、放電状態の変動に対応して、連続的に位相制
御することができ、放電状態を安定に保持することがで
きる。しかも、前述したように、検出値が正確であるた
め、精度よく制御することができる。
また、設定値を成膜の過程に応じて、最適に設定するこ
とにより、その過程ごとに、最適な制御を行える。
本発明によって得られる高周波電源は、高周波の発振器
と、該発振器の出力を増幅して高周波電力を出力する第
１および第２の増幅器とを設け、前記第１または第２の
増幅器のいずれかと発振器の間に介在して、発振器の出
力の位相を変位させる位相調整器とを備えることによ
り、低い電圧で位相調整を行うことができ、小型化が可
能となる。
［実施例］ 以下、本発明の一実施例について、図面を参照して説明
する。
本実施例は、RFバイアススパッタリング装置に適用した
例である。
本実施例のRFバイアススパッタリング装置は、スパッタ
リングを行なう真空容器１と、これにRF電力を供給する
RF電源14および15と、マッチングボックス18および19
と、位相調整器10と、モニタセンサ20および21とを備え
て構成される。
真空容器１には、成膜母材となるべきターゲット材４を
搭載したターゲット電極２と、被成膜材となる基板５を
載置した基板電極３とが収納されている。ターゲット電
極２には、RF電源14よりRF電力がマッチングボックス18
を経て印加される。同じく、基板電極３にも、RF電源15
よりRF電力がマッチングボックス19を経て印加される。
RF電源14は、発振器11と、その発振出力を増幅して出力
する増幅器12とを備えて構成される。また、RF電源15
は、増幅器13を備え、信号線17を介して位相調整器10か
ら送られる発振出力を増幅して出力する。
モニタセンサ20および21は、例えば、LC素子にて構成さ
れる。モニタセンサ20は、ターゲット電極２に接続さ
れ、モニタセンサ21は、基板電極３に接続される。モニ
タセンサ20および21の出力は、モニタケーブル22,23を
介して位相調整器10に入力される。
LC素子により構成したモニタセンサ20および21の各々
は、インダクタンスＬにより高周波分をカットすると共
に、キャパシタンスＣにより電極電圧を分圧して、当該
電極電位を出力する。
このようにして、印加されたRF電力により、基板電極３
と、ターゲット電極２との間の空間６には、RF放電プラ
ズマが誘起される。一般には、大電力が投入されるター
ゲット側のスパッタ粒子が基板面に付着堆積し、成膜が
行なわれていく。基板側のRFパワーは少ないため、同様
に、表面は逆スパッタされ、削られていくが、堆積量の
方が多いため、成膜は進行していく。
ここで、基板側、ターゲット側のRF投入位相および周波
数を同一としても、RF電源発振周波数は多少ずれてお
り、また、RF回路や負荷条件で位相が途中で変化するこ
とが判っている。そのため、一方の電源14の発振器11の
発振出力を共用する。発振出力は、二分されて、その一
方が、同一電源内の増幅器12に送られ、また、他方が、
信号線16を経て位相調整器10に入力させて、外部設定器
24からの信号に一致するよう位相を変えて、信号線17を
経て、他方のRF電源15の増幅器13に送られる。
このようにして、位相を調整されたRF出力は、それぞれ
電極に印加される。
この印加された電極部に、LC素子からなるモニタセンサ
20,21が取り付けてあるので、電極における電気的変動
は、これらのセンサ20,21により検出されて、モニタケ
ーブル22,23を用いて、前述の位相調整器10にフィード
バック信号として取込まれる。
位相調整器10では、モニタセンサ20,21の出力信号を比
較して位相差を検出し、この位相差と外部設定器24で設
定された値との偏差を求め、これによって、発振器11の
発振出力の位相を進相または遅延させて、前述したよう
に、RF電源15の増幅器13に送る。
これによって、放電状態の変動がモニタセンサ20,21に
よって検出され、その変動量に応じて両電極に印加され
るRF電力の位相差が調整され、放電が続行される。これ
を繰り返すことにより、放電状態の変動に応じて生じる
位相関係のずれが、自動的に修正される。
ここで、位相関係のずれとは、一致している位相がずれ
る場合のみならず、設定された位相差が変化することを
も含むものである。一般的には、後者の場合が多い。
前記実施例は、ターゲット電極２と基板電極３に印加す
るRF電圧の位相を設定値に保持するように構成した例で
ある。この例では、外部設定器24の設定を変えることに
より、位相関係を所望の値とすることができる。
また、成膜プロセスの途中で、バイアス電位や、印加電
力等を変更すると、両電極の最適な位相関係が異なるた
め、これらに対応した位相となるように、設定信号を変
更することが好ましい。従って、前記設定値を成膜プロ
セス中に変更できるように構成してもよい。
例えば、RFバイアススパッタにおいては、そのスパッタ
プロセスが、クリーニング，プリスパッタ，ノンバイア
ススパッタ，バイアススパッタのように順次変わってい
く場合に、その放電インピーダンス等の各種パラメータ
も、これに対応して変化する。従って、各段階で最適な
位相関係を設定できるように、このスパッタプロセスの
進行に合せて、最適位相差を予めプログラミングしてお
いて、このプログラムに従って、設定するようにしても
よい。このプログラミングによる制御は、例えば、マイ
クロコンピュータによって行なうことができ、スパッタ
プロセスの制御と併せて実行させる構成とすることが好
ましい。
前述したように、本実施例では、ターゲット電極と基板
電極の位相関係を所望の値に設定でき、かつ、それを保
持できるので、最適、最高のバイアス電位となるように
位相の設定ができ、この結果、プラズマ閉じ込め効率を
向上させることが可能となる。なお、プラズマ閉じ込め
効率を向上させることにより、成膜レートを向上でき、
また、膜厚分布、結晶性等の膜の特性の改善にも効果が
ある。
また、本実施例によれば、放電中のプラズマの変動を、
電極部に設けたモニタセンサの電位信号としてとらえる
ことができるので、電力供給ラインの途中に設ける場合
と異なり、ケーブルのインダクタンス等のインピーダン
スに影響されずに正確に検出できる。従って検出結果を
予め定めておいた関係に従い、RF位相の他、RFパワー等
での調整が精度よくでき、安定した成膜条件を得る効果
がある。
前述の実施例では、真空室１に電力を供給するRF電源1
4,15と、位相調整器10を各々独立の装置としているが、
これらをまとめて備えたRF電源装置として構成すること
ができる。この電源装置は、第１図に示すものと同一の
要素を有して構成される。すなわち、一つの発振器と、
二つの増幅器と、一つの位相調整器（位相差設定器を含
む）とを備え、発振器の出力を二分して、一方を増幅器
の一つに、他方を位相調整器を介して増幅器の他の一つ
に各々入力させ、RF電力を出力する構成とすることがで
きる。
このような構成とすれば、低電圧の発振器出力について
位相調整処理が行なえるので、位相調整器を、小型で、
安価に製作することができる。その結果、電源装置自体
も小型化することができる。
ここで、前述した実施例およびRF電源装置の好適な位相
調整器の一実施例について、第２図を参照して説明す
る。
本実施例の位相調整器10は、例えば、第２図に示すよう
に、モニタケーブル22,23を介して入力されるモニタセ
ンサ20および21の出力の位相差を検出する位相差検出器
31と、ここで検出された位相差と外部設定器24にて設定
された設定値との偏差を増幅する差動増幅器32と、発振
器11の出力の位相を増幅された偏差に対応してシフトさ
せる位相変位器30とを備えて構成される。
ここで、外部設定器24は、位相調整器10の内部または外
部のいずれに設けてもよい。また、前述したように、マ
イクロコンピュータからの指令信号を設定信号としても
よい。
このように構成される位相調整器10は、先ず、位相差検
出器31により両電極の位相差検出を行ない、検出結果と
設定値との偏差を差動増幅器32により求め、位相変位器
30に入力する。そして、位相変位器30により発振出力の
位相を進相または遅延させて変位させる。そして、これ
を繰り返して、検出結果が設定信号と一致するまでフィ
ードバック制御により自動調整する。
なお、この位相調整器10には、二つの電極に設けたモニ
タセンサからのモニタケーブル22および23を接続する入
力端子10a,10bと、発振器11からの発振出力を接続する
入力端子10cと、位相をシフトさせていないφ＝０の出
力１を増幅器の一つに出力する出力端子10dと、位相を
φ＝０〜±180°の範囲でシフトさせた出力２を増幅器
の他の一つに出力する出力端子10eとを設けてある。
前記実施例では、放電状態の変動量を各電極から検出す
る手段として、LC素子を用いたモニタセンサを用いる例
を示したが、勿論これに限定されない。例えば、両電極
の電圧を、各々高抵抗を用いて分圧し、それらの電圧を
一定周期でサンプリングし、さらにディジタル値にA/D
変換して、その結果を、マイクロコンピュータ等を用い
て比較することにより位相差を検出する構成としてもよ
い。
また、前記実施例では、RFバイアススパッタリング装置
に適用した例を示すが、本実施例は、これに限定されな
い。例えば、対向ターゲット方式のRFスパッタリング装
置に適用することもできる。
［発明の効果］ 本発明によれば、放電状態の変動による成膜条件の変動
を、各々高周波電力が印加される二つの電極間の位相を
調整することで、制御可能であり、安定した条件の下で
の成膜が可能になるという効果がある。
さらには、最適、最高のバイアス電位となるような定め
方も可能であり、プラズマ閉じ込め効率を向上させ、成
膜レート、膜厚分布等の特性も大きく改善できる効果も
ある。
また、本発明によれば、低電圧で位相制御が行なえて、
小型化した高周波電源装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の成膜装置をRFバイアススパッタ装置の
RF系回路システムに適用した一実施例の構成を模式的に
示したブロック図、第２図は位相調整器の一実施例の構
成を示すブロック図である。 １……真空容器、２……ターゲット電極、３……基板電
極、10……位相調整器、11……発振器、14,15……RF電
源、18,19……マッチングボックス、20,21……モニタセ
ンサ、30……位相変位器、31……位相差検出器、32……
差動増幅器、12、13……増幅器

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】真空容器内に設けられた二つの対向する電
    極にそれぞれ高周波電力を供給することにより放電状態
    を生成して、成膜を行なう成膜装置において、 前記放電状態の変動量を、前記各電極から、その電位の
    変動量として検出する手段と、該検出結果と予め定めた
    設定値との偏差に応じて、両電極に供給されるRF電力の
    位相を相対的に変位させる手段とを備えることを特徴と
    する成膜装置。
  2. 【請求項２】真空容器内に設けられた二つの対向する電
    極にそれぞれ高周波電力を供給することにより放電状態
    を生成して、成膜を行う成膜装置において、 高周波の発振器と、該発振器の出力を増幅して高周波電
    力を出力する第１および第２の増幅器とを設け、前記第
    １または第２の増幅器のいずれかと発振器の間に介在し
    て、発振器の出力の位相を変位させる位相調整器と、前
    記対向する二つの電極ごとに配置されて各々の電圧を検
    出するモニタセンサとを備え、 前記位相調整器は、前記各モニタセンサの出力と予め定
    めた設定値とから二つの電極に供給される高周波電力の
    位相関係のずれを検出して、該ずれを小さくするように
    発振器の出力の位相を連動して変位させる機能を有する
    ことを特徴とする成膜装置。
  3. 【請求項３】成膜装置の真空容器内に設けられた二つの
    対向する電極にそれぞれ高周波電力を供給して、放電状
    態を生成させて成膜を行わせる高周波電源装置であっ
    て、 高周波の発振器と、該発振器の出力を増幅して高周波電
    力を出力する第１および第２の増幅器とを設け、前記第
    １または第２の増幅器のいずれかと発振器の間に介在し
    て、発振器の出力の位相を変位させる位相調整器とを備
    えることを特徴とする高周波電源装置。
  4. 【請求項４】前記予め定めた設定値として、成膜の過程
    に応じて最適値を設定する機能を備えた、請求項１また
    は２記載の成膜装置。
  5. 【請求項５】二つの対向電極の一方がターゲット電極で
    あり、他方が基板電極であって、高周波バイアススパッ
    タリングを行うものである、請求項１、２または４記載
    の成膜装置。
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