(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの反応性ガスまたは複数の反応性ガスを使用する反応性マグネトロンスパッタリングプロセスを制御する方法であって、プロセス全圧値を前記１つの反応性ガスまたは前記複数の反応性ガスの流量によって調節し、前記１つの反応性ガスまたは前記複数の反応性ガスの前記流量は、その時間内の変化を測定して、前記プロセス全圧値を決定するために、フィードバックして使用し、反応性ガス流量の測定値の最後のＮ個の値からの平均偏差が、調節値よりも低い、または等しい場合は、プロセス全圧値を増加させ、調節値よりも高い場合は、プロセス全圧値を減少させることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記１つの反応性ガスまたは前記複数の反応性ガスの前記流量を使用する前記プロセス全圧値の前記調節が、ＰＩＤ調節器によって、制御されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
反応性ガス流量の測定値の最後のＮ個の値からの平均偏差
【数１】
0005643444.tif 000013
がプロセス全圧値の調節に使用され、ここで、
【数２】
0005643444.tif 000014
であり、Ｎが２〜５０の範囲にあり、ｑｉはｉ番目に測定された反応性ガス値であり、ｑＮは最後に測定された反応性ガス値であり、ｑＮ−１はｑＮの前に測定された反応性ガス値であり、ｑ１まで続き、ｑ１は考慮される最後の反応性ガス値であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
プロセス全圧値を最初に調節する時のＮが、８〜１２の範囲で選択されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
プロセス全圧値を微調整する時のＮが、２５〜３５の範囲で選択されることを特徴とする請求項３または４に記載の方法。
【請求項６】
使用される前記反応性ガスが、窒素および酸素、および窒素と酸素との混合物を含む群から選択されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロセス全圧に応じて反応性ガスの流量を変化させることにより反応性マグネトロンスパッタリングプロセスを制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応性マグネトロンスパッタリングにより被覆を準備するいくつかの方法が知られている。一般に、これらの方法では、被覆に関する所与の量の反応性ガスにより被覆を堆積させる制御の方法が実施される。それらのうち、反応性ガスの量が化学量論的被覆に対応する場合の被覆が特に重要である。過剰化学量論的被覆（ｏｖｅｒｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ  ｃｏａｔｉｎｇ）の成長速度は、一般に、不足化学量論的被覆（ｕｎｄｅｒｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ  ｃｏａｔｉｎｇ）の成長速度よりも著しく低い。しかし、不足化学量論的被覆は、著しく劣る機械的性質によって特徴づけられる。反応性スパッタリングの方法で堆積される被覆に関する反応性ガスの量を制御する既知の方法は、次のように要約することができる。
・Ｊ．  Ｖａｃ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ａ、３  （１９８５）  ５９２〜５９５で発表されたＡ．  Ｆ．  Ｈｍｉｅｌによる文献によれば、反応性ガス（窒素）の分圧に応じて反応性ガスの流量を変化させることによる制御の方法が知られている。四重極質量分析計を使用して窒素の分圧が測定された。
・欧州特許第０７９５６２３号明細書によれば、反応性ガス（酸素）の分圧に応じて反応性ガスの流量を変化させることによる制御の方法が知られている。この文献では、ラムダプローブを使用して酸素の分圧が測定された。
・Ｈｅｉｓｔｅｒ等、Ｖａｃｕｕｍ  ５９  （２０００）  ４２４〜４３０の文献によれば、反応性ガス（酸素）の分圧に応じてカソードに供給する電力を変化させることによる制御の方法が知られている。任意の十分迅速で正確なセンサ（質量分析計、ラムダプローブ）で酸素の分圧を測定することが可能である。
・特許文献の米国特許第４１６６７８４号明細書によれば、放電時の発光分光または電圧を用いて堆積パラメータ（反応性ガスの流量、カソード間の電流）を変化させることによる制御の方法が知られている。
【０００３】
制御の上述の方法はすべてより低い堆積速度および／またはより高い排気速度で首尾よく使用することができる。高い堆積速度を得るために十分に高い排気速度に到達するのは、多くの場合、困難であり、そのために、説明した制御の方法の安定条件を見出すことが困難になる。その理由は、Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ  ４７５  （２００５）  ２０８〜１８に発表されたＭｕｓｉｌ等による説明、およびＴｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ、１７１  （１９８９）  １７１〜１８１に発表されたＳｐｒｏｕｌ等による説明にあるようなかなり大きいヒステリシス挙動である。特許文献のカナダ特許第１１９８０８５号明細書および米国特許第５４９２６０６号明細書が、この問題を説明している
・特許文献のカナダ特許第１１９８０８５号明細書によれば、反応性ガスの流量をパルス化することによって反応性マグネトロンスパッタリングのシステムのヒステリシス挙動を安定化させる方法が知られている。反応性ガス流量の値がより低い時間（ＴＯＦＦ）は、反応性ガス流量の値がより高い時間（ＴＯＮ）と必ずしも等しくない。これらの時間値は、ＴＯＮ＝１．６ｓ、ＴＯＦＦ＝１ｓというそれぞれの時間値が示唆されている、以前に発表された文献のＡｒｏｎｓｏｎ等、Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ、７２  （１９８０）  ５３５〜５４０によるものよりも良好な堆積速度を可能にするために０．２ｓ〜０．５ｓの範囲にあることが推奨されている。
・特許文献の米国特許第５４９２６０６号明細書によれば、ターゲットに印加される電力を低周波のパルスにすることによって、反応性マグネトロンスパッタリングのシステムのヒステリシス挙動を安定化させる方法が知られている。この文献によれば、推奨される周波数値は１Ｈｚ〜１００Ｈｚであり、ターゲットへの電力を低下させるために推奨される時間値は、１ｍｓ〜８００ｍｓである。
・Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ  ３５１  （１９９９）  ５７〜６０に発表されたＯｈｓａｋｉ等による文献による、サブ化学量論的ＴｉＯ２−ｘターゲットを使用して反応性マグネトロンスパッタリングのシステムのヒステリシス挙動を安定化させる方法。ターゲットはプラズマ溶射法で製造されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、反応性マグネトロンスパッタリングプロセスの改善された制御の方法を見出すことである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、請求項１に記載の方法によって解決される。マグネトロンスパッタリングによって化学量論的被覆を堆積する間、プロセス全圧を絶えず補正することが必要である。この補正の重要性は、マグネトロンの電力が高く、排気速度が不十分なシステムでは増大する。
【０００６】
補正が避けられない理由は、真空計の長期的較正の不正確さ、プロセス中のターゲット表面品質の変化、チャンバの温度の変化（温度測定で必ず検出されるとは限らない）、プロセス初期段階と比べての不純物の分圧のゆるやかな低下があるためである。本発明は、プロセス中の最適プロセス全圧および通しの補正（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）を制御するためのフィードバックを見出す解決策を提供する。
【０００７】
新しい解決策は、プロセス全圧の評価とガス流量の制御との間の最適フィードバックを見出すことにある。ヒステリシスの初期部分に、プロセス全圧測定のために使用されるプローブ、ガス入力の適用システム、真空チャンバのサイズ、適用真空排気システムの排気速度、マグネトロンの印加電力、および使用されるフィードバック調節のタイプに直接依存するようなフィードバックの振動が存在する。適用するフィードバック調節を正確に手直しすることによって、フィードバック振幅のサイズに基づいてプロセスをヒステリシス領域の正確に規定した初期部分に確実に保持することが可能になる。
【０００８】
制御の全方法が窒素反応性ガスの場合について説明される。その再現性は他の反応性ガスについても実験的に証明された。
【０００９】
図１は、Ｔｉターゲットおよび１０ｋＷのターゲット電力を使用する反応性マグネトロンスパッタリングでの窒素流量への窒素分圧の依存性を示す（Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ、１７１  （１９８９）  １７１〜１８１で発表されたＳｐｒｏｕｌ等によるものから得られた）。
【００１０】
化学量論的被覆には、領域Ｂで動作することが最適である。領域Ａでは、不足化学量論的被覆が堆積され、領域Ｃでは、過剰化学量論的被覆が堆積される。図１から、領域Ａでの窒素流量の変化は窒素分圧（したがって、さらにプロセス全圧も）の非常にわずかな変化を引き起こすにすぎないことが明らかである。これに反して、領域Ｂでは窒素流量のわずかな変化でさえプロセス全圧の大きな変化を引き起こす。この事実は、発明者等が提案する制御の方法で首尾よく使用される。
【００１１】
調節のＰＩＤ（ＰＩ）アルゴリズムが、窒素流量を用いるプロセス全圧調節で使用されている。提案するプロセス制御の方法は、さらに、他の調節アルゴリズムとともに使用することができる。ここでは、絶えずより高いプロセス全圧を設定し、それに基づいて、ＰＩ調節器によって設定される流量を調節することを意図しており、それについて研究する。この実験が図２に示される。図１は、調節に使用される窒素プロセス全圧への窒素流量の依存性を示し、ここで、特定されたゾーンＡ、Ｂ、およびＣは図１のそれぞれのゾーンに対応する。
【００１２】
ＰＩ調節器の比例および積分係数が正確に設定され、ガス調節の要求がゾーンＢから生じる場合、調節器は振動（ｏｓｃｉｌｌａｔｅ）し（図２の点Ｂで示されるように）、調節する際のプロセス全圧の値がゾーンＣに近づくほどこの振幅は高くなる（図２の点「Ｂ→Ｃ」で示すように）。次に、窒素流量の非常に低い振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）はゾーンＡに対応する。振動の要求値が、点Ａに対応する振幅値と点Ｂ→Ｃに対応する振幅値との間に設定される場合、最適化学量論をもつ被覆を得ることができることが実験的に証明された。
【００１３】
提案するプロセス制御のシステムの利点の１つは、特に、初期のプロセス全圧を正確に設定する必要がないことにある。点Ｂと点Ｃとの間の任意の圧力を初期圧力として設定すれば十分である。アルゴリズム自体が正しいプロセス全圧を見出す。本発明の別の利点は、既存の状況と比較することによって明らかになる（反応性ガスの分圧に調節を適用する必要がない）。したがって、チャンバのプロセス全圧を使用することが可能であり、調節機能は変わらないままである。さらに、プロセス全圧測定で使用される真空計を正確に較正する必要がない。この制御のシステムにより、十分に化学量論的な被覆を堆積するための長期安定条件を見出すことができる。
【００１４】
プロセスの有利な改良について、請求項２〜４に記載される。請求項２によれば、それぞれ、１つの反応性ガスまたは複数の反応性ガスの流量を使用するプロセス全圧の調節が、ＰＩＤ調節器によって制御される。詳細には、好ましい実施形態において窒素である反応性ガス流量の最後のＮ個の値からの平均偏差の
【数１】
0005643444.tif 000002
が、プロセス全圧値の本発明の調節で使用され、ここで、
【数２】
0005643444.tif 000003
であり、ここで、
【数３】
0005643444.tif 000004
であり、ここで、ｑｉはｉ番目に測定された反応性ガス値である。ｑＮは最後に測定された反応性ガス値であり、ｑＮ−１はｑＮの前に測定された反応性ガス値であり、ｑ１まで続き、ｑ１は考慮される最後の反応性ガス値である。
【００１５】
Ｎは、最初の粗く速い探索では２を超え、好ましくは８〜１２、最も好ましくは１０であり、遅い微調整では好ましくは２５〜３５、最も好ましくは３０である。使用される反応性ガスは、請求項６によれば、窒素および酸素、さらに窒素と酸素との混合物を含む群から選択される。
【００１６】
上述の要素と、さらに、本発明により使用され、特許請求され、以下の例示の実施形態で説明される要素とには、（特許請求の範囲の明確な定義以外に）それらのサイズ、形状、材料の使用、およびそれらの技術的設計に関して特定の例外がなく、したがって、使用されるそれぞれの分野で既知の選択基準を無制限で使用することができる。
【００１７】
本発明の例示の実施形態が、図面を参照しながら以下でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】反応性マグネトロンスパッタリングでの窒素流量への窒素分圧の依存性を示す図である。
【図２】調節に使用された窒素プロセス全圧への窒素流量の依存性を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による反応性ガス流量の最後のＮ個の値からの平均偏差の値
【数４】
0005643444.tif 000005
によるプロセス全圧調節の一例を示す図である。
【図４】調節アルゴリズムの説明を示す図である。
【図５】本発明の方法の物理的環境を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図５は、本発明による制御の方法を実施することができる反応性マグネトロンスパッタリングプロセス用デバイスを示す。デバイスのチャンバは壁１によって画定された密閉空間２から形成される。ガスは入口３によってチャンバに導入され、ガスは４に接続されたポンプ装置で排気される。ポンプ装置は図示されていない。ターゲット５はスパッタされる金属から形成され、直流または高周波交流のいずれかとすることができる発生器６に接続される。基板ホルダ７は、直流または高周波交流のいずれかとすることができる発生器８に接続される。
【００２０】
上述のデバイスは当技術分野でよく知られている。
【００２１】
上述のデバイスは、発生器としての回転円筒状ターゲット８とともに使用される。ターゲットの高さは５００ｍｍであり、直径は１１０ｍｍであった。負の直流電圧がターゲットに印加される。ターゲットに印加された電力は２０ｋＷの範囲にあった。
【００２２】
基板はターゲットのまわりの基板ホルダとしての３−回転カルーセル（３−ｒｏｔａｔｉｏｎ  ｃａｒｏｕｓｅｌ）７に取付けられ、基板とターゲットとの間の距離は約５０ｍｍであった。プロセスのタイプに応じて５０Ｖ〜２００Ｖの範囲で負の直流電圧が基板に印加される。Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、ＡｌＴｉ、およびＡｌＣｒを含むいくつかのターゲット材料が首尾よく試験されている。
【００２３】
制御の方法のために、反応性ガス流量の最後のＮ個の値からの平均偏差を反映する
【数５】
0005643444.tif 000006
が用いられ、
【数６】
0005643444.tif 000007
であり、ここで、
【数７】
0005643444.tif 000008
であり、ここで、ｑｉはｉ番目に測定された反応性ガス値である。ｑＮは最後に測定された反応性ガス値であり、ｑＮ−１はｑＮの前に測定された反応性ガス値であり、ｑ１まで続き、ｑ１は考慮される最後の反応性ガス値である。
【００２４】
【数８】
0005643444.tif 000009
の値がプロセス全圧値の調節に使用される場合、ゾーンＢ（図２を参照）の安定な堆積は、
【数９】
0005643444.tif 000010
の調節範囲と標本数Ｎとの正確な設定の結果として達成することができる。
【００２５】
図３は、反応性ガス流量の最後のＮ個の値からの平均偏差の値
【数１０】
0005643444.tif 000011
によるプロセス全圧調節の一例を示す。図３で分かるように、最初に、プロセス全圧の値はＣに近いゾーンから設定され、ある程度の時間の後、プロセス全圧値は点Ｂの近くのプロセス値に徐々に落ち着く。
【００２６】
図４は、調節アルゴリズムの説明を示す。窒素流量を用いて一定のプロセス全圧に調節することがプロセスの間に適用されると仮定すると、図４のダイアグラムに部分的に示される制御の方法を使用することができる。制御の方法の図示の部分は、窒素ガス流量の変化ごとに実施される。Ｎの値は２〜５０の間の値が推奨される。本発明の好ましい実施形態では、Ｎは、最初の粗く速い探索では８〜１２の範囲で（好ましくは１０に）選択され、遅い微調整では２５〜３５の範囲で（好ましくは３０に）選択される。反応性ガス流量の最後のＮ個の値からの平均偏差
【数１１】
0005643444.tif 000012
の調節される値（すなわち図４に示す調節値）は、図２に従って行われた実験から１と１０との間の値であることが推奨される。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明による制御の方法は、反応性マグネトロンスパッタリングプロセス制御の調節に利用可能である。
【図１】
0005643444.tif 000015
【図２】
0005643444.tif 000016
【図３】
0005643444.tif 000017
【図４】
0005643444.tif 000018
【図５】
0005643444.tif 000019