JPS6131186B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は放電装置、特に真空室に所望の量の気
体を制御可能に導入して放電を起させるようにし
た放電装置に関するものである。

放電装置としては薄膜形成のためのスパツター
装置、薄膜形成のためのプラズマCVD装置、或
いはプラズマ重合装置などがあるが、以下本発明
の説明をそのうちスパツタ装置を例として説明す
る。

一般にスバ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の間に電圧を印加し
て放電を行ない、そ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
ター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
パツター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。すな
わち、スパツター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
ター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む
づかしいからである。

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。通常のスパツター装置では、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。従来のスパツター装置ではこ
の法則の教えるところに従つて、放電開始の際に
は電極間隔をひろげて開始後に再び所定の間隔に
戻すという方法、あるいは電極間隔を一定にして
一度所定の圧力よりも高い圧力にして放電を開始
した後に再び所定の圧力に戻す方法が用いられて
いた。またこのほかに補助電極を設けて高電圧を
かけたり、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。しかし前記４つの方式
のうち、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り、操作に時間を要
するだけでなく効果も薄い欠点があり、又補助電
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つて電極設計上の制
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り、更に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
ト電極に近づけかつ専用の電源を用意しなければ
ならないという欠点があつた。

真空室の圧力を加熱する方法は、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。一般
に放電開始圧力は放電維持圧力より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。そして従来のスパツター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いた。この方式は
比較的面倒でありかつ時間も要するという欠点は
あるものの、手動装置として動作させる分には効
果的であつた。しかしスパツタ工程の自動化を進
める上で、あとに詳しく説明するが、従来の放電
装置の持つ圧力制御機構の圧力調節可能範囲が充
分でないため、放電開始時の圧力制御ができない
という欠点があつた。

従つて本発明の目的は、気体圧力を制御する方
式の放電装置であつて、スパツター時に必要な低
い圧力を充分の精度を以つて制御できる上に、放
電開始に必要な高い圧力の制御も可能な圧力制御
機構を持つ放電装置を得ようとするものである。

本発明によれば、真空室に所望の量の気体を制
御可能に導入して放電を起させるようにした放電
装置において、導入する気体の量を制御する機構
が自動流量制御機能と流量スパイク機能を兼ね備
えていることを特徴とする放電装置が得られる。

以上で本発明の要旨を述べたが、次に図面によ
り更に詳細に説明を行う。

第１図は従来の気体圧力調整方式のスパツタ装
置の構成を示す図である。真空室１に流量制御バ
ルブ２を通して図示してない放電気体供給源から
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。なお２ａは流量制御バルブを駆動
するバルブ駆動機構である。真空室１内の圧力は
導入する気体量とポンプの実行排気速度によつて
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得られる。ターゲ
ツト電極５とアース電位の基板ホルダー６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をより実行排気速度
が小さくなるようにしぼることにより真空室の圧
力を一度高に圧力にまであげて放電を開始させ
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の圧力を所定の圧力に
保つ。次いでシヤツター８を開くと基板ホルダー
６の上に配置した基板表面に薄膜が形成される。

上記の従来の装置は、先にも説明したように、
放電開始時の真空室圧調整が比較的面倒であると
共に相当の時間を要するので、手動で行なう場合
は細心の注意を払えば可能であるとしても自動化
を進める上での大きな障害となつていた。それは
自動化という観点からみると、流量制御バルブ２
の流量は気体通路に流量センサを入れその出力を
あらかじめ所望の流量値に設定した出力と比較す
ることにより制御することになるが、その流量
（圧力）調整範囲が広い場合は２桁位の範囲に亘
るので、従来の装置では流量制御機構にスパツタ
ーに必要な制御精度を持たせると共に放電開始時
の大量の気体導入を制御することが実質的には不
可能であつたからである。すなわち、通常の構成
ではスパツター時における流量制御範囲を１とす
ると、放電開始における流量制御範囲は大きい場
合は100程度になる。ところで従来知られている
自動流量制御機構の精度はせいぜい１％である。
従つて前者は後者の誤差範囲に入つてしまうこと
となり、スパツター時における自動制御用として
用いることはできない。なお上記を数字であらわ
せば、スパツター時における気体の流量制御範囲
を０〜100SCCMとした場合、流量精度は±
1SCCM、最小流量制御可能値は2SCCMとなり、
一方放電開始のための流量は大きいときは
10000SCCM、その精度は±100SCCM、最小流量
制御可能値は200SCCMとなり、従つて最大流量
10000SCCMの流量制御機構では通常のスパツタ
ーの流量制御範囲０〜100SCCMを制御すること
はできなくなる。なお上記の説明は第１図に示す
ように導入する気体の流量を制御する機構を例に
して説明したが、排気用の主バルブ４の排気量の
制御（排気抵抗の制御）を行う機構についても同
様のことがいえる。

第２図は本発明の一実施例の構成をあらわした
図である。第２図において、参照数字１〜８は第
１図におけるものと同じ構成要素を示している。
流量センサー１１は気体の流量を検出してそれに
比例した信号を出力する。定常放電時流量設定回
路１２はスパツター時における比較的低い気体圧
力を設定する信号を発し、放電開始時流量設定回
路１３は放電開始時の比較的高い気体圧力を設定
する信号を発し、切替スイツチ１４により前記２
つの信号のうちいずれか一方が出力するようにな
つている。比較回路１５はその一方の出力信号と
流量センサー１１の検出出力を比較し、差信号を
出力する。バルブ駆動回路１６はこの比較回路出
力により流量制御バルブ１７の開度を調節するよ
うになつている。放電開始時は外部信号発生回路
１８により切替スイツチ１４をａの側に投じてあ
らかじめ定めておいた大きな流量設定に切り換
え、放電を始めたらｂの側に切替えてもとの流量
設定に戻すことが可能である。流量設定の切り換
えのための外部信号は装置を操作する人間が出す
かあるいは自動的に発信する。自動スパツター装
置では放電開始時に自動的に信号を出し、放電検
出信号でもとに戻すことできる。しかし自動流量
制御機構で放電開始時の気体導入を可能にするに
は、さらに流量制御バルブの開度と流量の関係を
改善する必要がある。

第３図は第２図のスパツター装置の自動流量制
御機構に使われている流量制御バルブ１７の流量
特性を示す。通常のスパツター気体の流量制御範
囲の流量精度を低下させることなく大流量を流す
ためには、バルブ開度がある値以上で流量が急激
に上昇するような流量特性すなわち流量スパイク
機能を必要とする。この流量特性により、スパツ
ター気体の流量制御範囲内では流量制御バルブ開
度の変化に対する流量変化が小さく制御性は良好
に保たれ、バルブ開度がある値以上になつたとこ
ろで大きな流量を得ることができる。この場合放
電開始時の気体導入では流量の精度はあまり必要
なく、設定値に対して±10％程度で十分である。

第４図は第３図に示す流量特性を実現するため
の流量制御バルブ構造の一具体例を示す図であ
る。ステム２１がボデイ２２のオリフイス部分を
上下して流量を変化させているが、ボデイ１４の
オリフイス部のテーパを２段階に変化させること
により第３図に示す流量スパイク機能を得てい
る。なおこの制御機構は第４図のものに限られる
ものでないことはいうまでもなく、要は第３図に
示すようなバルブ開度が或る値以上で流量が急に
上昇するような流量特性を示すものであればよ
い。

以上説明したように、本発明の装置によれば自
動流量制御機構に流量スパイク機能を持たせるこ
とで、スパツター装置における効果的な放電開始
が実現でき、従来のスパツター装置に比べて気体
の流量、電極構造、実効排気速度、放電開始機構
などのスパツター条件を最適にしたままで、又特
殊な電源を用意することもなく、簡便に放電開始
できることが特徴である。本発明は全自動スパツ
ター装置に採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。また高周波ス
パツター装置では一般に放電開始時にインピーダ
ンスマツチングの調整をスパツター時の最適位置
からずらせて放電開始を助けているが、本発明の
装置によれば放電開始の効果が顕著なためかかる
マツチング調整の変更も不要となる。

なお以上の流量スパイク機能を持つた自動流量
制御機構の説明はスパツター装置について行なつ
てきたが、はじめにも説明したように、本発明は
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装置或いは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図は従来の気体圧力調整方式のスパツター
装置の構成をあらわした図、第２図は本発明の一
実施例の構成をあらわした図、第３図は第２図の
装置に用いられるバルブの流量特性を示した図、
第４図はバルブ構造の具体例を示した図である。 記号の説明：１は真空室、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は電源、８はシヤツター、１１は流
量センサー、１２は定常放電時流量設定回路、１
３は放電開始時流量設定回路、１４は切換スイツ
チ、１５は比較回路、１６はバルブ駆動機構、１
７は流量制御バルブ（又は単にバルブ）をそれぞ
れあらわしている。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 真空室に所望の量の気体を制御可能に導入し
   て放電を起させるようにした放電装置において、
   前記導入する気体の量を制御する機構が自動流量
   制御機能と流量スパイク機能を兼ね備えているこ
   とを特徴とする放電装置。