スパッタ装置
【課題】アーク放電の発生を防止し、かつ、パルスピーク電流値をできるだけ大きくしてスパッタ粒子のイオン化を促進できるスパッタ装置を提供すること。
【解決手段】複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備えたスパッタ装置において、電源装置は、１台の直流電源と、電力貯蔵部に蓄えた電力を各スパッタ蒸発源毎に分配供給するパルス分配供給手段と、前記複数のスパッタ蒸発源の少なくとも一つに設けられて当該スパッタ蒸発源に流れる電流を測定するための電流センサと、該電流センサの出力に基づいて当該スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流検出値を求めるパルスピーク電流検出部と、該パルスピーク電流検出部で検出したパルスピーク電流検出値がアーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を超えないように前記直流電源の出力を制御するパルスピーク電流制御部とを備える。
【解決手段】複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備えたスパッタ装置において、電源装置は、１台の直流電源と、電力貯蔵部に蓄えた電力を各スパッタ蒸発源毎に分配供給するパルス分配供給手段と、前記複数のスパッタ蒸発源の少なくとも一つに設けられて当該スパッタ蒸発源に流れる電流を測定するための電流センサと、該電流センサの出力に基づいて当該スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流検出値を求めるパルスピーク電流検出部と、該パルスピーク電流検出部で検出したパルスピーク電流検出値がアーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を超えないように前記直流電源の出力を制御するパルスピーク電流制御部とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物の表面にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スパッタ法は物理的蒸着法の一種であり、真空容器の中において、Ａｒなどの不活性ガスを導入しながら、被膜材料（ターゲット）を取りつけた電極を陰極としてグロー放電を発生させ、放電中で生成したイオンを放電電圧に相当する数百ｅＶのエネルギーで陰極に衝突させ、その際に反動で放出される粒子を基板上に堆積させて成膜を行う方法である。この成膜プロセスは、ターゲット表面付近に磁場を印加したマグネトロンスパッタ法により、さらに強いグロー放電を生成することが可能で、実用的な成膜プロセスとして使われている。
【０００３】
このような、スパッタ法においてしばしば指摘される問題点は、基板上に堆積する粒子のエネルギーが小さいために、形成される皮膜が充分緻密ではないという点であった。
【０００４】
一般的なスパッタのグロー放電では、イオン化されたターゲット粒子（スパッタ粒子）が少ないが、何らかの方法でスパッタ粒子をイオン化できれば、緻密な膜が得られる。イオン化されたスパッタ粒子は、皮膜を形成する基板（成膜対象物）や、該基板を保持する基板ホルダに印加された負のバイアスで基板側に向かうエネルギーを与えられる。このエネルギーが膜の結合力の増加などの緻密化として働き、結果として緻密な膜を得ることができる。
【０００５】
そこで、前記問題点を解決するための方法としては、各種の方法が提案されているが、その中のひとつの手段として成膜を行うための放電を非常に高い電力密度でパルス的に発生させる技術が提案されている。
【０００６】
例えば、後記の特許文献１（発明者Kouznetsov）には、マグネトロンスパッタリングにおいて、ターゲットに負の電圧を印加するパルスの立上りエッジを急峻にすることにより、ターゲット前面のガスを非常に急速に完全電離状態にして実質的に均一なプラズマを形成するようにターゲットに対して直流パルスを印加することが提案されている。そして、具体的なパルスの条件として、パルス中の電力： ０．１ｋＷ−１ＭＷ、パルス幅：５０μｓ〜１ｍｓ，より好ましくは５０〜２００μｓ，特に好ましくは１００μｓ、パルス間隔：１０ｍｓ〜１０００ｓ，好ましくは１０〜５０ｍｓ、パルス電圧：０．５〜５ｋＶ、が好ましい条件として開示されている。
【０００７】
また、同じくKouznetsovによる後記の文献（非特許文献１）によると、ピーク電力１００〜５００ｋＷ（ターゲット電力密度０．６〜２．８ｋＷ／ｃｍ２相当）、Ａｒ圧力０．０６〜５Ｐａにおいて、５０〜１００μｓのパルス幅、５０Ｈｚの繰り返し周波数において行った成膜実験の結果が報告されており、成膜対象の基板上において１Ａ／ｃｍ２という高いイオン電流量と蒸発したターゲット蒸気の約７０％がイオン化しているとの結果が得られている。成膜に使われる蒸気が高い割合でイオン化していることにより、皮膜と基板との高い密着性が得られるとともに、緻密な皮膜が形成可能であるということが期待できる。
【０００８】
また、後記の特許文献２には、１ｋＷ／ｃｍ２以上の電力をターゲットに与えて、クロムなどのターゲット材料をスパッタし、スパッタリングされたスパッタ粒子をイオン化して基板の前処理に用いるものが示されている。
【０００９】
さらに、後記の特許文献３には、対向ターゲットスパッタ装置が提案されており、ターゲットに供給する直流の電力を対向させたターゲットに囲まれた領域の体積で除した体積あたりの最大体積電力密度が８３Ｗ／ｃｍ３以上で、スパッタリングされたスパッタ粒子のイオン化が認められることが示されている。この場合、対向するターゲットの間隔は１ｃｍ、１枚のターゲット面積は１２ｃｍ２（２ｃｍ×６ｃｍ）、トータルのターゲット面積は２４ｃｍ２となる。したがって、ターゲット面積あたりの電力密度に換算すると、電力密度は４１．５Ｗ／ｃｍ２となる。
【００１０】
このように、前記の従来技術（特許文献１〜３、非特許文献１）を総合すると、カソードの形態によって異なるが、ターゲットに電力密度４１．５Ｗ／ｃｍ２以上の電力を与えることで、通常のスパッタでは得られないターゲット材料のイオン化（スパッタ粒子のイオン化）を利用したプロセスに有用となることがわかる。ターゲットに電力密度０．６ｋＷ／ｃｍ２以上の電力を与えることで、平板型のマグネトロンスパッタ法においても、有用なプロセスになることがわかる。
【００１１】
ところで、ターゲットに直流の高電力パルスを供給する大電力の直流パルス電源を備え、前述のハイパワーパルススパッタ法（大電力パルススパッタリング）を行うスパッタ装置では、前記の大電力の直流パルス電源が、直流電圧発生機構に加え、パルス発生機構を有するため、一般の直流スパッタ電源に比べて高価であるという欠点があった。特に、生産性を高めることや、皮膜の均一性を図ることを目的として、複数のスパッタ蒸発源（ターゲットが装着される陰極）を備え、これら複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給するようにしたスパッタ装置では、各スパッタ蒸発源毎に直流パルス電源を必要とし、装置がより高価になるという欠点があった。
【００１２】
そこで、複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物（基板）にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置において、１台の直流電圧発生機構と、該直流電圧発生機構からの電力を蓄える１台の電力貯蔵部と、前記電力貯蔵部に蓄えた電力を前記各スパッタ蒸発源に時分割パルス状に順次分配供給する複数のパルス分配供給手段とによって前記電源装置を構成し、各スパッタ蒸発源毎に直流パルス電源を設けなくてすむようにした、スパッタ装置が後記の特許文献４に開示されている。
【００１３】
しかしながら、特許文献４に開示された従来のスパッタ装置では、各スパッタ蒸発源について、アーク放電の発生を防止し、かつ、パルスピーク電流値をできるだけ大きくすることでスパッタ粒子のイオン化を促進するという点において改善の余地があった。
【特許文献１】国際公開番号：ＷＯ９８／４０５３２号，発明者：Kouznetsov,発明の名称：A method and apparatus for magnetically enhanced sputtering
【非特許文献１】Kouznetsov 他、"A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high target power densities",Surface and Coatings Technology 122(1999）290-293）
【特許文献２】米国特許：第７０８１１８６号
【特許文献３】特開２００８−１５６７４３号公報
【特許文献４】特開２００３−１２９２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明の課題は、複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置において、各スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流値が、アーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を超えないようにし、これによって、アーク放電の発生を防止し、かつ、パルスピーク電流値をできるだけ大きくすることでスパッタ粒子のイオン化を促進することができ、アーク放電に起因する欠陥を生じることなく、確実に緻密な皮膜を形成できるようにした、スパッタ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１６】
請求項１の発明は、複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物の表面にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置において、
前記電源装置は、１台の直流電源と、該直流電源からの電力を蓄える電力貯蔵部と、該電力貯蔵部に蓄えた電力を前記複数のスパッタ蒸発源毎に分配供給するパルス分配供給手段と、前記複数のスパッタ蒸発源の少なくとも一つに設けられて当該スパッタ蒸発源に流れる電流を測定するための電流センサと、該電流センサの出力に基づいて当該スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流検出値を求めるパルスピーク電流検出部と、該パルスピーク電流検出部で検出したパルスピーク電流検出値がアーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を超えないように前記直流電源の出力を制御するパルスピーク電流制御部と、を備えていることを特徴とするスパッタ装置である。
【００１７】
請求項２の発明は、複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物の表面にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置において、前記電源装置は、１台の直流電源と、該直流電源からの電力を蓄える１台の電力貯蔵部と、前記電力貯蔵部の陰極側に接続され、前記電力貯蔵部に蓄えた電力を前記各スパッタ蒸発源毎に分配供給する複数のパルス分配供給手段と、前記複数のスパッタ蒸発源の各々に対応して設けられ、各スパッタ蒸発源に流れる電流を測定するための複数の電流センサと、前記各電流センサの出力に基づいて、それぞれ、各スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流検出値を求めるパルスピーク電流検出部と、前記各スパッタ蒸発源について、それぞれ、アーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を設定し、前記複数のスパッタ蒸発源の全てがパルスピーク電流目標値以下となるように、前記直流電源の出力を制御するパルスピーク電流値制御部と、を備えていることを特徴とするスパッタ装置である。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項２記載のスパッタ装置において、前記各電流センサの出力に基づいて、それぞれ、各スパッタ蒸発源に流れる所定周期におけるパルス電流の平均値を求めるパルス電流平均値検出部と、前記各スパッタ蒸発源について、それぞれ、目標パルス電流平均値を設定するとともに、前記求めたパルス電流平均値が前記目標パルス電流平均値を超えないように前記各パルス分配供給手段を制御するパルス電流平均値制御部と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１、２又は３記載のスパッタ装置において、前記電力貯蔵部がコンデンサで構成され、前記パルス分配供給手段が半導体スイッチング素子で構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のスパッタ装置は、１台の直流電源からの電力を電力貯蔵部に蓄え、パルス分配供給手段により、前記電力貯蔵部に蓄えた電力を複数のスパッタ蒸発源に分配供給するに際し、前記直流電源の出力を制御することにより、各スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流値が、アーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を超えないようにしている。したがって、アーク放電の発生を防止し、かつ、パルスピーク電流値をできるだけ大きくすることでスパッタ粒子のイオン化を促進することができ、成膜対象物に、アーク放電に起因する欠陥を生じることなく、確実に緻密な皮膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
図１は本発明の一実施形態によるスパッタ装置の構成を概略的に示す図である。
【００２３】
図１に示すように、スパッタ装置１は、成膜対象物（図示せず）を収容し、該成膜対象物への成膜プロセスを行う真空チャンバー３と、この真空チャンバー３に設置された複数、この例では３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃと、これらのスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃにグロー放電用の直流パルス電力を供給する電源装置２とを備えている。なお、スパッタ装置１には、この他に真空排気システム、プロセスガス導入機構等、スパッタ成膜に必要な機構が設けられているが、これらは公知であるため、図１では省略されている。
【００２４】
前記電源装置２は、皮膜材料（ターゲット）を取り付けた電極である前記スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃに直流パルス電力を供給し、スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃを陰極とし、真空チャンバー３を陽極として、これらの電極間にグロー放電を発生させるためのものである。
【００２５】
この電源装置２は、基本構成部として、１台の直流電源（直流電圧発生機構）１０と、直流電源１０からの電力を蓄える１台の電力貯蔵部としてのコンデンサ１１と、このコンデンサ１１の陰極側に接続され、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各々に対応して設けられ、コンデンサ１１に蓄えた電力を各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃ毎に時分割パルス状に順次分配供給する複数のパルス分配供給手段としての第１から第３の３つの半導体スイッチング素子１２Ａ，１２Ｂ,１２Ｃとを備えている。この半導体スイッチング素子１２Ａ〜１２Ｃは、３つにする必要はなく、一体的なものとしてもよい。また、コンデンサ１１は、各スパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｃ毎に設けてもよい。
【００２６】
また、前記電源装置２は、パルス電流平均値にかかわる制御部として、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各々に対応して設けられ、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃに流れる電流を測定するための第１から第３の電流センサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃと、各電流センサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの出力に基づいて、それぞれ、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃに流れる所定周期におけるパルス電流の平均値を求める第１から第３のパルス電流平均値検出部１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃと、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃについて、それぞれ、目標パルス電流平均値を設定するとともに、前記求めたパルス電流平均値がその目標パルス電流平均値を超えないように各半導体スイッチング素子１２Ａ，１２Ｂ,１２Ｃを制御するパルス電流平均値制御部１５とを備えている。なお、目標パルス電流平均値と検出して求めたパルス電流平均値との偏差をなくすように制御するようにしてもよい。
【００２７】
前記の電流センサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃとしては、大電流の測定が可能なホール素子型電流センサを使用している。また、直流電力を直流パルス電力に変換してパルス電流を得るためにスイッチングを行う前記半導体スイッチング素子１２Ａ，１２Ｂ,１２Ｃとしては、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）が好適である。この電流センサ１３Ａ〜１３Ｃに代えて、スイッチング素子１２Ａと直流電源１０との間に一つだけ電流センサを設けて、これをスイッチング素子の開閉とタイミングをとることで、各スパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｃに流れる電流を検出するようにしてもよい。
【００２８】
さらに、前記電源装置２は、パルスピーク電流値にかかわる制御部として、各電流センサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの出力に基づいて、それぞれ、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃに流れる所定周期におけるパルスピーク電流の平均値であるパルスピーク電流検出値を求める第１から第３のパルスピーク電流検出部１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃと、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃについて、それぞれ、アーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を設定し、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃのうちいずれか１つのスパッタ蒸発源についてそのパルスピーク電流検出値とパルスピーク電流目標値との差が解消されるように、かつ、残りの他のスパッタ蒸発源についてそのパルスピーク電流検出値が当該他のスパッタ蒸発源のパルスピーク電流目標値を超えないように、直流電源１０の出力を制御するパルスピーク電流値制御部１７とを備えている。パルスピーク電流値制御部１７と前記パルス電流平均値制御部１５は、パルス電流制御部１８を構成している。このパルス電流平均値制御部は、各スパッタ蒸発源に投入する電力を制御するという観点から設けた方が望ましいものである。
【００２９】
この実施形態では、前記のパルス電流平均値検出部１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ、パルス電流平均値制御部１５、パルスピーク電流検出部１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ、及びパルスピーク電流値制御部１７は、Ａ／Ｄコンバータなどを備えたプログラムされたデジタル信号処理回路などによって構成されている。
【００３０】
次に、前記のパルス電流平均値にかかわる制御部の動作について説明する。
【００３１】
まず、前記第１のパルス電流平均値検出部１４Ａにおいて、第１のスパッタ蒸発源４Ａに流れる電流を測定するための第１の電流センサ１３Ａの出力を、Ａ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換してパルス電流データとし、演算処理部によって所定パルス周期毎に該所定パルス周期における前記パルス電流データの平均値を算出することにより、所定パルス周期毎に、第１のスパッタ蒸発源４Ａに流れるパルス電流平均値ＩＡを求める。
【００３２】
同様に、第２のパルス電流平均値検出部１４Ｂにおいて、第２のスパッタ蒸発源４Ｂに流れるパルス電流平均値ＩＢを求め、第３のパルス電流平均値検出部１４Ｃにおいて、第３のスパッタ蒸発源４Ｃに流れるパルス電流平均値をＩＣ求める。これらのパルス電流平均値ＩＡ，ＩＢ，ＩＣは、前記パルス電流平均値制御部１５に与えられる。
【００３３】
次いで、パルス電流平均値制御部１５において、第１のスパッタ蒸発源４Ａについて、前記パルス電流平均値ＩＡと目標パルス電流平均値ＩＳＡとを比較し、その比較結果に基づいて第１のスパッタ蒸発源４Ａに流れるパルス電流の平均値が目標パルス電流平均値ＩＳＡとなるように、スイッチング指令信号を半導体スイッチング素子１２Ａに与え、半導体スイッチング素子１２Ａを制御する。
【００３４】
この場合、パルス電流平均値制御部１５は、前記スイッチング指令信号として、パルス電流のパルス幅を制御するために半導体スイッチング素子１２Ａのオン動作期間を増減する指令信号、もしくは、パルス電流の繰返し周波数を制御するために半導体スイッチング素子１２Ａのスイッチング周期（オンから次のオンまでの期間）を増減する指令信号を、前記半導体スイッチング素子１２Ａに与えるようにしている。
【００３５】
さて、同様に、前記パルス電流平均値ＩＢと目標パルス電流平均値ＩＳＢとを比較し、その比較結果に基づいて第２のスパッタ蒸発源４Ｂに流れるパルス電流の平均値が目標パルス電流平均値ＩＳＢとなるように、半導体スイッチング素子１２Ｂを制御し、前記パルス電流平均値ＩＣと目標パルス電流平均値ＩＳＣとを比較し、その比較結果に基づいて第３のスパッタ蒸発源４Ｃに流れるパルス電流の平均値が目標パルス電流平均値ＩＳＣとなるように、半導体スイッチング素子１２Ｃを制御する。
【００３６】
これにより、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃによって大面積を有する１つの成膜対象物に成膜を行うに際し、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃによるスパッタ量（成膜速度）を調整して、前記成膜対象物に対して所望の膜厚分布となる成膜を行うことができる。例えば、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃに装着されるターゲットが同種の場合、前記目標パルス電流平均値ＩＳＡ，ＩＳＢ，ＩＳＣを同一値に設定して、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各々に流れるパルス電流の平均値が同一になるように、半導体スイッチング素子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃを制御することにより、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃによるスパッタ量（成膜速度）を均一にし、前記成膜対象物に対して均一な膜厚分布の成膜を行うことができる。
【００３７】
なお、ハイパワーパルススパッタ（大電力パルススパッタリング）を行うスパッタ装置でのパルス出力の典型的な値は、電圧（負極性）：７００〜１２００Ｖ、パルスピーク電流値（負極性）：１００〜１０００Ａ、パルス幅：１０〜１００μｓ、パルス繰返し周波数：３００〜２０００Ｈｚ、である。
【００３８】
次に、前記のパルスピーク電流値にかかわる制御部の動作について説明する。
【００３９】
まず、前記第１のパルスピーク電流検出部１６Ａにおいて、第１のスパッタ蒸発源４Ａに流れる電流を測定するための第１の電流センサ１３Ａの出力を、Ａ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換してパルス電流データとし、プログラムされた演算処理部によって前記パルス電流データの大小関係を相互比較するなどして、所定パルス周期におけるパルスピーク電流値の平均値（例えば３周期分の３つのパルスピーク電流値の平均値）であるパルスピーク電流検出値ＩＰＡを求めることで、所定パルス周期毎に、第１のスパッタ蒸発源４Ａにおけるパルスピーク電流検出値ＩＰＡを得る。
【００４０】
なお、パルスピーク電流検出値ＩＰＡを得るにあたり、演算増幅器、ダイオード、コンデンサ及び抵抗で構成される公知のピーク値検出回路によって１周期毎にパルスピーク電流値を検出し、これを所定パルス周期にわたり行う。そして、得られた該パルス周期分のパルスピーク電流値の平均値を算出することにより、パルスピーク電流検出値ＩＰＡを得るようにしてもよい。
【００４１】
さて、同様に、第２のパルスピーク電流検出部１６Ｂにおいて、第２のスパッタ蒸発源４Ｂに流れるパルスピーク電流の検出値ＩＰＢを求め、第３のパルスピーク電流検出部１６Ｃにおいて、第３のスパッタ蒸発源４Ｃに流れるパルスピーク電流の検出値ＩＰＣを求める。これらのパルスピーク電流検出値ＩＰＡ，ＩＰＢ，ＩＰＣは、前記パルスピーク電流値制御部１７に与えられる。
【００４２】
このパルスピーク電流値制御部１７では、第１のスパッタ蒸発源４Ａに対して、該スパッタ蒸発源４Ａにおいてアーク放電の発生を防止するため（グロー放電からアーク放電への移行を防止するため）、パルスピーク電流目標値ＩＰＳＡが設定されている。同様に、第２のスパッタ蒸発源４Ｂに対して、アーク放電の発生を防止するためのパルスピーク電流目標値ＩＰＳＢが設定されており、また、第３のスパッタ蒸発源４Ｃに対して、アーク放電の発生を防止するためのパルスピーク電流目標値ＩＰＳＣが設定されている。
【００４３】
そして、パルスピーク電流値制御部１７では、所定の周期毎に、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各々について、そのパルスピーク電流目標値とパルスピーク電流検出値とを比較し、これらのスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃのうち少なくとも１つのスパッタ蒸発源ではパルスピーク電流検出値がパルスピーク電流目標値と一致し、かつ、残りの他のスパッタ蒸発源ではパルスピーク電流検出値がパルスピーク電流目標値以下であるか否かを判断する。この状態が得られておれば、直流電源１０の出力を増減せずに、前記所定周期後に前記判断を実行する。
【００４４】
一方、例えば、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃがともに、パルスピーク電流検出値がそのパルスピーク電流目標値よりも小さい場合、この差の値が最も小さいスパッタ蒸発源について、例えば、第１のスパッタ蒸発源４Ａについて、そのパルスピーク電流検出値ＩＰＡとパルスピーク電流目標値ＩＰＳＡとの差が解消されるように、直流電源１０の出力を制御する指令信号を直流電源１０に与える。
【００４５】
このように、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各々について、パルスピーク電流検出値ＩＰＡ，ＩＰＢ，ＩＰＣが、アーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値ＩＰＳＡ，ＩＰＳＢ，ＩＰＳＣ以下となるようにし、かつ、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃのうち少なくとも１つのスパッタ蒸発源４Ａに流れるパルスピーク電流検出値ＩＰＡがパルスピーク電流目標値ＩＰＳＡとなるようにしている。
【００４６】
したがって、例えば、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃに装着されるターゲットが同種の場合、前記パルスピーク電流目標値ＩＰＳＡ，ＩＰＳＢ，ＩＰＳＣを同一値に設定することにより、これらのスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃについて、アーク放電の発生を防止し、かつ、パルスピーク電流値をできるだけ大きくすることでスパッタ粒子のイオン化を促進することができ、成膜対象物に、アーク放電に起因する欠陥を生じることなく、確実に緻密な皮膜を形成することができる。ここで、少なくとも一つのパルスピーク電流検出値がパルスピーク電流目標値と一致することが望ましいが、全てがパルスピーク電流目標値以下にするようにしてもよい。
【００４７】
図２は本発明のスパッタ装置における複数のスパッタ蒸発源の配置の一例を模式的に示す図である。
【００４８】
図２に示すように、真空チャンバー３内に回転可能な回転ステージ５が備えられており、この回転ステージ５の上下に延びる軸心線に平行をなして、かつ、互いに所定の間隔を隔てて一列に並べられた状態で、４台のスパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄが真空チャンバー３の外壁に設けられている。各スパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄには円盤状のターゲットが装着されている。そして、前記回転ステージ５上に、外周面が大面積の被成膜面とされ、上下方向に延びる１つの円筒状成膜対象物Ｗが、この円筒状成膜対象物Ｗの軸心線と回転ステージ５の軸心線とを一致させた状態で載置されている。
【００４９】
この場合、例えば、円筒状成膜対象物Ｗの高さ（長さ）：１００ｃｍ、各スパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄに装着される円盤状のターゲットの直径：１５．２ｃｍ（６インチ）、隣り合うターゲットの中心間距離：３０ｃｍ、である。
【００５０】
なお、図４に示すように、回転ステージ５として遊星軸を有して成膜対象物が自公転可能な構造のものとし、円筒状成膜対象物Ｗを自公転させるようにしてもよい。ここで、図２〜図４では、成膜対象物として円筒状物を図示してあるが、実施工では、円筒状成膜対象物Ｗで示されるような円筒状の有効成膜領域に配された工具や機械部品などが成膜対象とされる。
【００５１】
このように、４台のスパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄが、互いに間隔を隔てて一列に並べられた状態で、円筒状成膜対象物Ｗの長手方向全体にわたるように配設されており、大面積の被成膜面を有する円筒状成膜対象物Ｗが載置された回転ステージ５を回転させながら、これらのスパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄによるスパッタリングを行うことにより、円筒状成膜対象物Ｗの大面積被成膜面全体にわたって均一な厚みで成膜を行うことができる。
【００５２】
図３は本発明のスパッタ装置における複数のスパッタ蒸発源の配置の別の例を模式的に示す図である。
【００５３】
図３に示すように、４台のスパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄが、千鳥配置された状態で、円筒状成膜対象物Ｗの長手方向全体にわたるように配設されており、大面積の被成膜面を有する円筒状成膜対象物Ｗが載置された回転ステージ５を回転させながら、これらのスパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄによるスパッタリングを行うことにより、円筒状成膜対象物Ｗの大面積被成膜面全体にわたって均一な厚みで成膜を行うことができる。
【００５４】
さらに、４台のスパッタ蒸発源の配置は、斜め一列に配置してもランダムに配置してもよい。なお、前述した実施形態では複数のスパッタ蒸発源が３台と４台の例を示したが、スパッタ蒸発源の台数はこれに限定されるものでないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態によるスパッタ装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明のスパッタ装置における複数のスパッタ蒸発源の配置の一例を模式的に示す図である。
【図３】本発明のスパッタ装置における複数のスパッタ蒸発源の配置の別の例を模式的に示す図である。
【図４】図２において成膜対象物を自公転させる様子を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…スパッタ装置
２…電源装置
３…真空チャンバー
４Ａ〜４Ｄ…スパッタ蒸発源
５…回転ステージ
１０…直流電源
１２Ａ〜１２Ｃ…半導体スイッチング素子（パルス分配供給手段）
１１…コンデンサ（電力貯蔵部）
１３Ａ〜１３Ｃ…電流センサ
１４Ａ〜１４Ｃ…パルス電流平均値検出部
１５…パルス電流平均値制御部
１６Ａ〜１６Ｃ…パルスピーク電流検出部
１７…パルスピーク電流値制御部
１８…パルス電流制御部
Ｗ…円筒状成膜対象物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物の表面にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スパッタ法は物理的蒸着法の一種であり、真空容器の中において、Ａｒなどの不活性ガスを導入しながら、被膜材料（ターゲット）を取りつけた電極を陰極としてグロー放電を発生させ、放電中で生成したイオンを放電電圧に相当する数百ｅＶのエネルギーで陰極に衝突させ、その際に反動で放出される粒子を基板上に堆積させて成膜を行う方法である。この成膜プロセスは、ターゲット表面付近に磁場を印加したマグネトロンスパッタ法により、さらに強いグロー放電を生成することが可能で、実用的な成膜プロセスとして使われている。
【０００３】
このような、スパッタ法においてしばしば指摘される問題点は、基板上に堆積する粒子のエネルギーが小さいために、形成される皮膜が充分緻密ではないという点であった。
【０００４】
一般的なスパッタのグロー放電では、イオン化されたターゲット粒子（スパッタ粒子）が少ないが、何らかの方法でスパッタ粒子をイオン化できれば、緻密な膜が得られる。イオン化されたスパッタ粒子は、皮膜を形成する基板（成膜対象物）や、該基板を保持する基板ホルダに印加された負のバイアスで基板側に向かうエネルギーを与えられる。このエネルギーが膜の結合力の増加などの緻密化として働き、結果として緻密な膜を得ることができる。
【０００５】
そこで、前記問題点を解決するための方法としては、各種の方法が提案されているが、その中のひとつの手段として成膜を行うための放電を非常に高い電力密度でパルス的に発生させる技術が提案されている。
【０００６】
例えば、後記の特許文献１（発明者Kouznetsov）には、マグネトロンスパッタリングにおいて、ターゲットに負の電圧を印加するパルスの立上りエッジを急峻にすることにより、ターゲット前面のガスを非常に急速に完全電離状態にして実質的に均一なプラズマを形成するようにターゲットに対して直流パルスを印加することが提案されている。そして、具体的なパルスの条件として、パルス中の電力： ０．１ｋＷ−１ＭＷ、パルス幅：５０μｓ〜１ｍｓ，より好ましくは５０〜２００μｓ，特に好ましくは１００μｓ、パルス間隔：１０ｍｓ〜１０００ｓ，好ましくは１０〜５０ｍｓ、パルス電圧：０．５〜５ｋＶ、が好ましい条件として開示されている。
【０００７】
また、同じくKouznetsovによる後記の文献（非特許文献１）によると、ピーク電力１００〜５００ｋＷ（ターゲット電力密度０．６〜２．８ｋＷ／ｃｍ２相当）、Ａｒ圧力０．０６〜５Ｐａにおいて、５０〜１００μｓのパルス幅、５０Ｈｚの繰り返し周波数において行った成膜実験の結果が報告されており、成膜対象の基板上において１Ａ／ｃｍ２という高いイオン電流量と蒸発したターゲット蒸気の約７０％がイオン化しているとの結果が得られている。成膜に使われる蒸気が高い割合でイオン化していることにより、皮膜と基板との高い密着性が得られるとともに、緻密な皮膜が形成可能であるということが期待できる。
【０００８】
また、後記の特許文献２には、１ｋＷ／ｃｍ２以上の電力をターゲットに与えて、クロムなどのターゲット材料をスパッタし、スパッタリングされたスパッタ粒子をイオン化して基板の前処理に用いるものが示されている。
【０００９】
さらに、後記の特許文献３には、対向ターゲットスパッタ装置が提案されており、ターゲットに供給する直流の電力を対向させたターゲットに囲まれた領域の体積で除した体積あたりの最大体積電力密度が８３Ｗ／ｃｍ３以上で、スパッタリングされたスパッタ粒子のイオン化が認められることが示されている。この場合、対向するターゲットの間隔は１ｃｍ、１枚のターゲット面積は１２ｃｍ２（２ｃｍ×６ｃｍ）、トータルのターゲット面積は２４ｃｍ２となる。したがって、ターゲット面積あたりの電力密度に換算すると、電力密度は４１．５Ｗ／ｃｍ２となる。
【００１０】
このように、前記の従来技術（特許文献１〜３、非特許文献１）を総合すると、カソードの形態によって異なるが、ターゲットに電力密度４１．５Ｗ／ｃｍ２以上の電力を与えることで、通常のスパッタでは得られないターゲット材料のイオン化（スパッタ粒子のイオン化）を利用したプロセスに有用となることがわかる。ターゲットに電力密度０．６ｋＷ／ｃｍ２以上の電力を与えることで、平板型のマグネトロンスパッタ法においても、有用なプロセスになることがわかる。
【００１１】
ところで、ターゲットに直流の高電力パルスを供給する大電力の直流パルス電源を備え、前述のハイパワーパルススパッタ法（大電力パルススパッタリング）を行うスパッタ装置では、前記の大電力の直流パルス電源が、直流電圧発生機構に加え、パルス発生機構を有するため、一般の直流スパッタ電源に比べて高価であるという欠点があった。特に、生産性を高めることや、皮膜の均一性を図ることを目的として、複数のスパッタ蒸発源（ターゲットが装着される陰極）を備え、これら複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給するようにしたスパッタ装置では、各スパッタ蒸発源毎に直流パルス電源を必要とし、装置がより高価になるという欠点があった。
【００１２】
そこで、複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物（基板）にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置において、１台の直流電圧発生機構と、該直流電圧発生機構からの電力を蓄える１台の電力貯蔵部と、前記電力貯蔵部に蓄えた電力を前記各スパッタ蒸発源に時分割パルス状に順次分配供給する複数のパルス分配供給手段とによって前記電源装置を構成し、各スパッタ蒸発源毎に直流パルス電源を設けなくてすむようにした、スパッタ装置が後記の特許文献４に開示されている。
【００１３】
しかしながら、特許文献４に開示された従来のスパッタ装置では、各スパッタ蒸発源について、アーク放電の発生を防止し、かつ、パルスピーク電流値をできるだけ大きくすることでスパッタ粒子のイオン化を促進するという点において改善の余地があった。
【特許文献１】国際公開番号：ＷＯ９８／４０５３２号，発明者：Kouznetsov,発明の名称：A method and apparatus for magnetically enhanced sputtering
【非特許文献１】Kouznetsov 他、"A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high target power densities",Surface and Coatings Technology 122(1999）290-293）
【特許文献２】米国特許：第７０８１１８６号
【特許文献３】特開２００８−１５６７４３号公報
【特許文献４】特開２００３−１２９２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明の課題は、複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置において、各スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流値が、アーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を超えないようにし、これによって、アーク放電の発生を防止し、かつ、パルスピーク電流値をできるだけ大きくすることでスパッタ粒子のイオン化を促進することができ、アーク放電に起因する欠陥を生じることなく、確実に緻密な皮膜を形成できるようにした、スパッタ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１６】
請求項１の発明は、複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物の表面にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置において、
前記電源装置は、１台の直流電源と、該直流電源からの電力を蓄える電力貯蔵部と、該電力貯蔵部に蓄えた電力を前記複数のスパッタ蒸発源毎に分配供給するパルス分配供給手段と、前記複数のスパッタ蒸発源の少なくとも一つに設けられて当該スパッタ蒸発源に流れる電流を測定するための電流センサと、該電流センサの出力に基づいて当該スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流検出値を求めるパルスピーク電流検出部と、該パルスピーク電流検出部で検出したパルスピーク電流検出値がアーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を超えないように前記直流電源の出力を制御するパルスピーク電流制御部と、を備えていることを特徴とするスパッタ装置である。
【００１７】
請求項２の発明は、複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物の表面にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置において、前記電源装置は、１台の直流電源と、該直流電源からの電力を蓄える１台の電力貯蔵部と、前記電力貯蔵部の陰極側に接続され、前記電力貯蔵部に蓄えた電力を前記各スパッタ蒸発源毎に分配供給する複数のパルス分配供給手段と、前記複数のスパッタ蒸発源の各々に対応して設けられ、各スパッタ蒸発源に流れる電流を測定するための複数の電流センサと、前記各電流センサの出力に基づいて、それぞれ、各スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流検出値を求めるパルスピーク電流検出部と、前記各スパッタ蒸発源について、それぞれ、アーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を設定し、前記複数のスパッタ蒸発源の全てがパルスピーク電流目標値以下となるように、前記直流電源の出力を制御するパルスピーク電流値制御部と、を備えていることを特徴とするスパッタ装置である。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項２記載のスパッタ装置において、前記各電流センサの出力に基づいて、それぞれ、各スパッタ蒸発源に流れる所定周期におけるパルス電流の平均値を求めるパルス電流平均値検出部と、前記各スパッタ蒸発源について、それぞれ、目標パルス電流平均値を設定するとともに、前記求めたパルス電流平均値が前記目標パルス電流平均値を超えないように前記各パルス分配供給手段を制御するパルス電流平均値制御部と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１、２又は３記載のスパッタ装置において、前記電力貯蔵部がコンデンサで構成され、前記パルス分配供給手段が半導体スイッチング素子で構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のスパッタ装置は、１台の直流電源からの電力を電力貯蔵部に蓄え、パルス分配供給手段により、前記電力貯蔵部に蓄えた電力を複数のスパッタ蒸発源に分配供給するに際し、前記直流電源の出力を制御することにより、各スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流値が、アーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を超えないようにしている。したがって、アーク放電の発生を防止し、かつ、パルスピーク電流値をできるだけ大きくすることでスパッタ粒子のイオン化を促進することができ、成膜対象物に、アーク放電に起因する欠陥を生じることなく、確実に緻密な皮膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
図１は本発明の一実施形態によるスパッタ装置の構成を概略的に示す図である。
【００２３】
図１に示すように、スパッタ装置１は、成膜対象物（図示せず）を収容し、該成膜対象物への成膜プロセスを行う真空チャンバー３と、この真空チャンバー３に設置された複数、この例では３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃと、これらのスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃにグロー放電用の直流パルス電力を供給する電源装置２とを備えている。なお、スパッタ装置１には、この他に真空排気システム、プロセスガス導入機構等、スパッタ成膜に必要な機構が設けられているが、これらは公知であるため、図１では省略されている。
【００２４】
前記電源装置２は、皮膜材料（ターゲット）を取り付けた電極である前記スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃに直流パルス電力を供給し、スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃを陰極とし、真空チャンバー３を陽極として、これらの電極間にグロー放電を発生させるためのものである。
【００２５】
この電源装置２は、基本構成部として、１台の直流電源（直流電圧発生機構）１０と、直流電源１０からの電力を蓄える１台の電力貯蔵部としてのコンデンサ１１と、このコンデンサ１１の陰極側に接続され、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各々に対応して設けられ、コンデンサ１１に蓄えた電力を各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃ毎に時分割パルス状に順次分配供給する複数のパルス分配供給手段としての第１から第３の３つの半導体スイッチング素子１２Ａ，１２Ｂ,１２Ｃとを備えている。この半導体スイッチング素子１２Ａ〜１２Ｃは、３つにする必要はなく、一体的なものとしてもよい。また、コンデンサ１１は、各スパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｃ毎に設けてもよい。
【００２６】
また、前記電源装置２は、パルス電流平均値にかかわる制御部として、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各々に対応して設けられ、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃに流れる電流を測定するための第１から第３の電流センサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃと、各電流センサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの出力に基づいて、それぞれ、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃに流れる所定周期におけるパルス電流の平均値を求める第１から第３のパルス電流平均値検出部１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃと、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃについて、それぞれ、目標パルス電流平均値を設定するとともに、前記求めたパルス電流平均値がその目標パルス電流平均値を超えないように各半導体スイッチング素子１２Ａ，１２Ｂ,１２Ｃを制御するパルス電流平均値制御部１５とを備えている。なお、目標パルス電流平均値と検出して求めたパルス電流平均値との偏差をなくすように制御するようにしてもよい。
【００２７】
前記の電流センサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃとしては、大電流の測定が可能なホール素子型電流センサを使用している。また、直流電力を直流パルス電力に変換してパルス電流を得るためにスイッチングを行う前記半導体スイッチング素子１２Ａ，１２Ｂ,１２Ｃとしては、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）が好適である。この電流センサ１３Ａ〜１３Ｃに代えて、スイッチング素子１２Ａと直流電源１０との間に一つだけ電流センサを設けて、これをスイッチング素子の開閉とタイミングをとることで、各スパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｃに流れる電流を検出するようにしてもよい。
【００２８】
さらに、前記電源装置２は、パルスピーク電流値にかかわる制御部として、各電流センサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの出力に基づいて、それぞれ、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃに流れる所定周期におけるパルスピーク電流の平均値であるパルスピーク電流検出値を求める第１から第３のパルスピーク電流検出部１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃと、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃについて、それぞれ、アーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を設定し、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃのうちいずれか１つのスパッタ蒸発源についてそのパルスピーク電流検出値とパルスピーク電流目標値との差が解消されるように、かつ、残りの他のスパッタ蒸発源についてそのパルスピーク電流検出値が当該他のスパッタ蒸発源のパルスピーク電流目標値を超えないように、直流電源１０の出力を制御するパルスピーク電流値制御部１７とを備えている。パルスピーク電流値制御部１７と前記パルス電流平均値制御部１５は、パルス電流制御部１８を構成している。このパルス電流平均値制御部は、各スパッタ蒸発源に投入する電力を制御するという観点から設けた方が望ましいものである。
【００２９】
この実施形態では、前記のパルス電流平均値検出部１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ、パルス電流平均値制御部１５、パルスピーク電流検出部１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ、及びパルスピーク電流値制御部１７は、Ａ／Ｄコンバータなどを備えたプログラムされたデジタル信号処理回路などによって構成されている。
【００３０】
次に、前記のパルス電流平均値にかかわる制御部の動作について説明する。
【００３１】
まず、前記第１のパルス電流平均値検出部１４Ａにおいて、第１のスパッタ蒸発源４Ａに流れる電流を測定するための第１の電流センサ１３Ａの出力を、Ａ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換してパルス電流データとし、演算処理部によって所定パルス周期毎に該所定パルス周期における前記パルス電流データの平均値を算出することにより、所定パルス周期毎に、第１のスパッタ蒸発源４Ａに流れるパルス電流平均値ＩＡを求める。
【００３２】
同様に、第２のパルス電流平均値検出部１４Ｂにおいて、第２のスパッタ蒸発源４Ｂに流れるパルス電流平均値ＩＢを求め、第３のパルス電流平均値検出部１４Ｃにおいて、第３のスパッタ蒸発源４Ｃに流れるパルス電流平均値をＩＣ求める。これらのパルス電流平均値ＩＡ，ＩＢ，ＩＣは、前記パルス電流平均値制御部１５に与えられる。
【００３３】
次いで、パルス電流平均値制御部１５において、第１のスパッタ蒸発源４Ａについて、前記パルス電流平均値ＩＡと目標パルス電流平均値ＩＳＡとを比較し、その比較結果に基づいて第１のスパッタ蒸発源４Ａに流れるパルス電流の平均値が目標パルス電流平均値ＩＳＡとなるように、スイッチング指令信号を半導体スイッチング素子１２Ａに与え、半導体スイッチング素子１２Ａを制御する。
【００３４】
この場合、パルス電流平均値制御部１５は、前記スイッチング指令信号として、パルス電流のパルス幅を制御するために半導体スイッチング素子１２Ａのオン動作期間を増減する指令信号、もしくは、パルス電流の繰返し周波数を制御するために半導体スイッチング素子１２Ａのスイッチング周期（オンから次のオンまでの期間）を増減する指令信号を、前記半導体スイッチング素子１２Ａに与えるようにしている。
【００３５】
さて、同様に、前記パルス電流平均値ＩＢと目標パルス電流平均値ＩＳＢとを比較し、その比較結果に基づいて第２のスパッタ蒸発源４Ｂに流れるパルス電流の平均値が目標パルス電流平均値ＩＳＢとなるように、半導体スイッチング素子１２Ｂを制御し、前記パルス電流平均値ＩＣと目標パルス電流平均値ＩＳＣとを比較し、その比較結果に基づいて第３のスパッタ蒸発源４Ｃに流れるパルス電流の平均値が目標パルス電流平均値ＩＳＣとなるように、半導体スイッチング素子１２Ｃを制御する。
【００３６】
これにより、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃによって大面積を有する１つの成膜対象物に成膜を行うに際し、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃによるスパッタ量（成膜速度）を調整して、前記成膜対象物に対して所望の膜厚分布となる成膜を行うことができる。例えば、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃに装着されるターゲットが同種の場合、前記目標パルス電流平均値ＩＳＡ，ＩＳＢ，ＩＳＣを同一値に設定して、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各々に流れるパルス電流の平均値が同一になるように、半導体スイッチング素子１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃを制御することにより、各スパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃによるスパッタ量（成膜速度）を均一にし、前記成膜対象物に対して均一な膜厚分布の成膜を行うことができる。
【００３７】
なお、ハイパワーパルススパッタ（大電力パルススパッタリング）を行うスパッタ装置でのパルス出力の典型的な値は、電圧（負極性）：７００〜１２００Ｖ、パルスピーク電流値（負極性）：１００〜１０００Ａ、パルス幅：１０〜１００μｓ、パルス繰返し周波数：３００〜２０００Ｈｚ、である。
【００３８】
次に、前記のパルスピーク電流値にかかわる制御部の動作について説明する。
【００３９】
まず、前記第１のパルスピーク電流検出部１６Ａにおいて、第１のスパッタ蒸発源４Ａに流れる電流を測定するための第１の電流センサ１３Ａの出力を、Ａ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換してパルス電流データとし、プログラムされた演算処理部によって前記パルス電流データの大小関係を相互比較するなどして、所定パルス周期におけるパルスピーク電流値の平均値（例えば３周期分の３つのパルスピーク電流値の平均値）であるパルスピーク電流検出値ＩＰＡを求めることで、所定パルス周期毎に、第１のスパッタ蒸発源４Ａにおけるパルスピーク電流検出値ＩＰＡを得る。
【００４０】
なお、パルスピーク電流検出値ＩＰＡを得るにあたり、演算増幅器、ダイオード、コンデンサ及び抵抗で構成される公知のピーク値検出回路によって１周期毎にパルスピーク電流値を検出し、これを所定パルス周期にわたり行う。そして、得られた該パルス周期分のパルスピーク電流値の平均値を算出することにより、パルスピーク電流検出値ＩＰＡを得るようにしてもよい。
【００４１】
さて、同様に、第２のパルスピーク電流検出部１６Ｂにおいて、第２のスパッタ蒸発源４Ｂに流れるパルスピーク電流の検出値ＩＰＢを求め、第３のパルスピーク電流検出部１６Ｃにおいて、第３のスパッタ蒸発源４Ｃに流れるパルスピーク電流の検出値ＩＰＣを求める。これらのパルスピーク電流検出値ＩＰＡ，ＩＰＢ，ＩＰＣは、前記パルスピーク電流値制御部１７に与えられる。
【００４２】
このパルスピーク電流値制御部１７では、第１のスパッタ蒸発源４Ａに対して、該スパッタ蒸発源４Ａにおいてアーク放電の発生を防止するため（グロー放電からアーク放電への移行を防止するため）、パルスピーク電流目標値ＩＰＳＡが設定されている。同様に、第２のスパッタ蒸発源４Ｂに対して、アーク放電の発生を防止するためのパルスピーク電流目標値ＩＰＳＢが設定されており、また、第３のスパッタ蒸発源４Ｃに対して、アーク放電の発生を防止するためのパルスピーク電流目標値ＩＰＳＣが設定されている。
【００４３】
そして、パルスピーク電流値制御部１７では、所定の周期毎に、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各々について、そのパルスピーク電流目標値とパルスピーク電流検出値とを比較し、これらのスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃのうち少なくとも１つのスパッタ蒸発源ではパルスピーク電流検出値がパルスピーク電流目標値と一致し、かつ、残りの他のスパッタ蒸発源ではパルスピーク電流検出値がパルスピーク電流目標値以下であるか否かを判断する。この状態が得られておれば、直流電源１０の出力を増減せずに、前記所定周期後に前記判断を実行する。
【００４４】
一方、例えば、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃがともに、パルスピーク電流検出値がそのパルスピーク電流目標値よりも小さい場合、この差の値が最も小さいスパッタ蒸発源について、例えば、第１のスパッタ蒸発源４Ａについて、そのパルスピーク電流検出値ＩＰＡとパルスピーク電流目標値ＩＰＳＡとの差が解消されるように、直流電源１０の出力を制御する指令信号を直流電源１０に与える。
【００４５】
このように、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃの各々について、パルスピーク電流検出値ＩＰＡ，ＩＰＢ，ＩＰＣが、アーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値ＩＰＳＡ，ＩＰＳＢ，ＩＰＳＣ以下となるようにし、かつ、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃのうち少なくとも１つのスパッタ蒸発源４Ａに流れるパルスピーク電流検出値ＩＰＡがパルスピーク電流目標値ＩＰＳＡとなるようにしている。
【００４６】
したがって、例えば、３台のスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃに装着されるターゲットが同種の場合、前記パルスピーク電流目標値ＩＰＳＡ，ＩＰＳＢ，ＩＰＳＣを同一値に設定することにより、これらのスパッタ蒸発源４Ａ，４Ｂ，４Ｃについて、アーク放電の発生を防止し、かつ、パルスピーク電流値をできるだけ大きくすることでスパッタ粒子のイオン化を促進することができ、成膜対象物に、アーク放電に起因する欠陥を生じることなく、確実に緻密な皮膜を形成することができる。ここで、少なくとも一つのパルスピーク電流検出値がパルスピーク電流目標値と一致することが望ましいが、全てがパルスピーク電流目標値以下にするようにしてもよい。
【００４７】
図２は本発明のスパッタ装置における複数のスパッタ蒸発源の配置の一例を模式的に示す図である。
【００４８】
図２に示すように、真空チャンバー３内に回転可能な回転ステージ５が備えられており、この回転ステージ５の上下に延びる軸心線に平行をなして、かつ、互いに所定の間隔を隔てて一列に並べられた状態で、４台のスパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄが真空チャンバー３の外壁に設けられている。各スパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄには円盤状のターゲットが装着されている。そして、前記回転ステージ５上に、外周面が大面積の被成膜面とされ、上下方向に延びる１つの円筒状成膜対象物Ｗが、この円筒状成膜対象物Ｗの軸心線と回転ステージ５の軸心線とを一致させた状態で載置されている。
【００４９】
この場合、例えば、円筒状成膜対象物Ｗの高さ（長さ）：１００ｃｍ、各スパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄに装着される円盤状のターゲットの直径：１５．２ｃｍ（６インチ）、隣り合うターゲットの中心間距離：３０ｃｍ、である。
【００５０】
なお、図４に示すように、回転ステージ５として遊星軸を有して成膜対象物が自公転可能な構造のものとし、円筒状成膜対象物Ｗを自公転させるようにしてもよい。ここで、図２〜図４では、成膜対象物として円筒状物を図示してあるが、実施工では、円筒状成膜対象物Ｗで示されるような円筒状の有効成膜領域に配された工具や機械部品などが成膜対象とされる。
【００５１】
このように、４台のスパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄが、互いに間隔を隔てて一列に並べられた状態で、円筒状成膜対象物Ｗの長手方向全体にわたるように配設されており、大面積の被成膜面を有する円筒状成膜対象物Ｗが載置された回転ステージ５を回転させながら、これらのスパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄによるスパッタリングを行うことにより、円筒状成膜対象物Ｗの大面積被成膜面全体にわたって均一な厚みで成膜を行うことができる。
【００５２】
図３は本発明のスパッタ装置における複数のスパッタ蒸発源の配置の別の例を模式的に示す図である。
【００５３】
図３に示すように、４台のスパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄが、千鳥配置された状態で、円筒状成膜対象物Ｗの長手方向全体にわたるように配設されており、大面積の被成膜面を有する円筒状成膜対象物Ｗが載置された回転ステージ５を回転させながら、これらのスパッタ蒸発源４Ａ〜４Ｄによるスパッタリングを行うことにより、円筒状成膜対象物Ｗの大面積被成膜面全体にわたって均一な厚みで成膜を行うことができる。
【００５４】
さらに、４台のスパッタ蒸発源の配置は、斜め一列に配置してもランダムに配置してもよい。なお、前述した実施形態では複数のスパッタ蒸発源が３台と４台の例を示したが、スパッタ蒸発源の台数はこれに限定されるものでないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態によるスパッタ装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明のスパッタ装置における複数のスパッタ蒸発源の配置の一例を模式的に示す図である。
【図３】本発明のスパッタ装置における複数のスパッタ蒸発源の配置の別の例を模式的に示す図である。
【図４】図２において成膜対象物を自公転させる様子を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…スパッタ装置
２…電源装置
３…真空チャンバー
４Ａ〜４Ｄ…スパッタ蒸発源
５…回転ステージ
１０…直流電源
１２Ａ〜１２Ｃ…半導体スイッチング素子（パルス分配供給手段）
１１…コンデンサ（電力貯蔵部）
１３Ａ〜１３Ｃ…電流センサ
１４Ａ〜１４Ｃ…パルス電流平均値検出部
１５…パルス電流平均値制御部
１６Ａ〜１６Ｃ…パルスピーク電流検出部
１７…パルスピーク電流値制御部
１８…パルス電流制御部
Ｗ…円筒状成膜対象物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物の表面にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置において、
前記電源装置は、１台の直流電源と、該直流電源からの電力を蓄える電力貯蔵部と、該電力貯蔵部に蓄えた電力を前記複数のスパッタ蒸発源毎に分配供給するパルス分配供給手段と、前記複数のスパッタ蒸発源の少なくとも一つに設けられて当該スパッタ蒸発源に流れる電流を測定するための電流センサと、該電流センサの出力に基づいて当該スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流検出値を求めるパルスピーク電流検出部と、該パルスピーク電流検出部で検出したパルスピーク電流検出値がアーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を超えないように前記直流電源の出力を制御するパルスピーク電流制御部と、を備えていることを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物の表面にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置において、
前記電源装置は、
１台の直流電源と、
該直流電源からの電力を蓄える１台の電力貯蔵部と、
前記電力貯蔵部の陰極側に接続され、前記電力貯蔵部に蓄えた電力を前記各スパッタ蒸発源毎に分配供給する複数のパルス分配供給手段と、
前記複数のスパッタ蒸発源の各々に対応して設けられ、各スパッタ蒸発源に流れる電流を測定するための複数の電流センサと、
前記各電流センサの出力に基づいて、それぞれ、各スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流検出値を求めるパルスピーク電流検出部と、
前記各スパッタ蒸発源について、それぞれ、アーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を設定し、前記複数のスパッタ蒸発源の全てがパルスピーク電流目標値以下となるように、前記直流電源の出力を制御するパルスピーク電流値制御部と、
を備えていることを特徴とするスパッタ装置。
【請求項３】
前記各電流センサの出力に基づいて、それぞれ、各スパッタ蒸発源に流れる所定周期におけるパルス電流の平均値を求めるパルス電流平均値検出部と、前記各スパッタ蒸発源について、それぞれ、目標パルス電流平均値を設定するとともに、前記求めたパルス電流平均値が前記目標パルス電流平均値を超えないように前記各パルス分配供給手段を制御するパルス電流平均値制御部と、を備えていることを特徴とする請求項２記載のスパッタ装置。
【請求項４】
前記電力貯蔵部がコンデンサで構成され、前記パルス分配供給手段が半導体スイッチング素子で構成されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載のスパッタ装置。
【請求項１】
複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物の表面にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置において、
前記電源装置は、１台の直流電源と、該直流電源からの電力を蓄える電力貯蔵部と、該電力貯蔵部に蓄えた電力を前記複数のスパッタ蒸発源毎に分配供給するパルス分配供給手段と、前記複数のスパッタ蒸発源の少なくとも一つに設けられて当該スパッタ蒸発源に流れる電流を測定するための電流センサと、該電流センサの出力に基づいて当該スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流検出値を求めるパルスピーク電流検出部と、該パルスピーク電流検出部で検出したパルスピーク電流検出値がアーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を超えないように前記直流電源の出力を制御するパルスピーク電流制御部と、を備えていることを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
複数のスパッタ蒸発源に直流パルス電力を供給する電源装置を備え、成膜対象物の表面にパルススパッタリングによる成膜を行うスパッタ装置において、
前記電源装置は、
１台の直流電源と、
該直流電源からの電力を蓄える１台の電力貯蔵部と、
前記電力貯蔵部の陰極側に接続され、前記電力貯蔵部に蓄えた電力を前記各スパッタ蒸発源毎に分配供給する複数のパルス分配供給手段と、
前記複数のスパッタ蒸発源の各々に対応して設けられ、各スパッタ蒸発源に流れる電流を測定するための複数の電流センサと、
前記各電流センサの出力に基づいて、それぞれ、各スパッタ蒸発源に流れるパルスピーク電流検出値を求めるパルスピーク電流検出部と、
前記各スパッタ蒸発源について、それぞれ、アーク放電を発生させないためのパルスピーク電流目標値を設定し、前記複数のスパッタ蒸発源の全てがパルスピーク電流目標値以下となるように、前記直流電源の出力を制御するパルスピーク電流値制御部と、
を備えていることを特徴とするスパッタ装置。
【請求項３】
前記各電流センサの出力に基づいて、それぞれ、各スパッタ蒸発源に流れる所定周期におけるパルス電流の平均値を求めるパルス電流平均値検出部と、前記各スパッタ蒸発源について、それぞれ、目標パルス電流平均値を設定するとともに、前記求めたパルス電流平均値が前記目標パルス電流平均値を超えないように前記各パルス分配供給手段を制御するパルス電流平均値制御部と、を備えていることを特徴とする請求項２記載のスパッタ装置。
【請求項４】
前記電力貯蔵部がコンデンサで構成され、前記パルス分配供給手段が半導体スイッチング素子で構成されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載のスパッタ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１１６５７８（Ｐ２０１０−１１６５７８Ａ）
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８８５０４（Ｐ２００８−２８８５０４）
【出願日】平成２０年１１月１１日（２００８．１１．１１）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１１日（２００８．１１．１１）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]