(57)【要約】【課題】高品質の膜を安定して成膜することが可能なスパッタ装置およびスパッタ方法を提供する。【解決手段】スパッタ装置は、内部にターゲット材と基板とを互いに対向して配置可能な真空チャンバーと、ターゲット材と電気的に接続可能な直流電源と、直流電源からターゲット材に流れる電流をパルス化するパルス化ユニットと、を備え、真空チャンバー内でプラズマを生成して基板上に薄膜を形成するスパッタ装置であって、直流電源からパルス化ユニットに流れる電流を計測する電流計と、電流計で計測した電流値が所定の値となるように直流電源をフィードバック制御する電源制御器と、電源制御器による直流電源の制御周期とずらしたパルス周期をパルス化ユニットに指示するパルス制御器と、を備える。【選択図】図１
2018100443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にターゲット材と基板とを互いに対向して配置可能な真空チャンバーと、
前記ターゲット材と電気的に接続可能な直流電源と、
前記直流電源から前記ターゲット材に流れる電流をパルス化するパルス化ユニットと、
を備え、
前記真空チャンバー内でプラズマを生成して前記基板上に薄膜を形成するスパッタ装置であって、
前記直流電源から前記パルス化ユニットに流れる電流を計測する電流計と、
前記電流計で計測した電流値が所定の値となるように前記直流電源をフィードバック制御する電源制御器と、
前記電源制御器による前記直流電源の制御周期とずらしたパルス周期を前記パルス化ユニットに指示するパルス制御器と、
を備える、スパッタ装置。
【請求項２】
前記ターゲット材の前記基板と対向する面と反対側である裏面に配置されたマグネットと、
前記ターゲット材の前記裏面と交差する回転軸について、前記マグネットを回転させる回転機構と、
前記回転機構を制御する回転制御器と、
前記基板と前記ターゲット材との間隔を変化させるように前記基板の位置を前記ターゲット材に対して昇降移動させる昇降機構と、
前記昇降機構を制御する昇降制御器と、
を備える、請求項１に記載のスパッタ装置。
【請求項３】
前記パルス制御器は、前記電源制御器のフィードバック制御の周期をＦ１、前記パルス周期をＦ２とし、Ｆ１とＦ２の最小公倍数をＦ３とした場合、Ｆ３÷Ｆ１＝Ｎで得られる整数Ｎが１０以上となるように、オン時間とオフ時間とを算出し、前記パルス化ユニットに指示する、請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
【請求項４】
前記パルス制御器は、前記電源制御器のフィードバック制御の整数倍周期に対して、パルス周期が１％以上ずれるように、オン時間とオフ時間とを算出し、前記パルス化ユニットに指示する、請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
【請求項５】
前記パルス制御器は、設定されたパルスのオン時間及びオフ時間を基に、前記マグネットの回転の１周期が１０００パルス以上となるように回転速度を演算して前記回転制御器に指示し、
前記パルス制御器は、事前に得られたパルス数に対する前記ターゲット材の消耗量の情報を基に、前記基板の位置を前記ターゲット材に近づける移動量を前記昇降制御器に指示する、
請求項２に記載のスパッタ装置。
【請求項６】
真空チャンバー内にターゲット材と基板とを互いに対向して配置するステップと、
前記ターゲット材と直流電源とを電気的に接続するステップと、
前記直流電源から前記ターゲット材に流れる電流をパルス化ユニットを介してパルス化するステップと、
前記直流電源から前記パルス化ユニットに流れる電流を計測するステップと、
計測した電流値が所定の値となるように前記直流電源をフィードバック制御するステップと、
前記直流電源の制御周期とずらしたパルス周期を前記パルス化ユニットに指示するステップと、
を含む、前記真空チャンバー内でプラズマを生成して前記基板上に薄膜を形成するスパッタ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハなどの基板に対する成膜を行う、スパッタ装置およびスパッタ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造において、基板上に金属や酸化物などの薄膜を形成し、これを所望のパターンに形成して、電極や配線の他、抵抗、キャパシタなどを形成している。近年、例えばデバイスの使用環境がより高温になりデバイスを保護するパッシベーション薄膜に対してより高密度化が求められるなど、高密度あるいは結晶性の高い薄膜の形成技術への必要性が高まっている。
【０００３】
デバイスの薄膜形成において、一般的に、生産速度や生産安定性の観点から、直流スパッタや高周波スパッタなどを用いて製造することが多い。その中で、化合物の薄膜を形成する場合には、原料となるターゲット材料と反応ガスとを反応させて堆積する反応性スパッタを用いる。しかし、ターゲット材料と反応ガスとの組み合わせによっては、十分な反応速度が得られず、特に窒素ガスを用いた窒化膜の形成を行う場合には、一般的なスパッタでは高密度あるいは結晶性の高い薄膜を得ることが困難である。
【０００４】
従来、このような高密度・高配向の薄膜形成をねらった成膜手段の一つとして、パルススパッタがある（例えば、特許文献１参照。）。
そこで、図６を主として参照しながら、従来のパルススパッタ法について説明する。ここに、図６は、従来のパルススパッタ装置の概略断面図である。真空チャンバー１は、バルブ３を介して接続された真空ポンプ２で排気することによって減圧を行って、真空状態にすることができる。ガス供給源４は、スパッタに必要なガスを真空チャンバー１へ一定速度で供給することができる。バルブ３は、その開閉率を変化させることで、真空チャンバー１内の真空度を所望のガス圧力に制御することができる。真空チャンバー１内には、ターゲット材７が配置されている。バッキングプレート８は、ターゲット材７を支持している。電源制御器４０は、直流電源３０に接続され、電源出力のオン、オフを一定のタイミングに制御することができる。直流電源３０の出力はバッキングプレート８に電気的に接続され、バッキングプレート８を介してターゲット材７に電圧を印加することにより、真空チャンバー１内の一部のガスが解離し、プラズマを発生させることができる。真空チャンバー１内には、ターゲット材７に対向して、基板６が配置されている。基板ホルダー５は、基板６の下部に配置され、基板６を支持する。
【０００５】
電圧印加のオンの時間に、真空チャンバー１内に発生させたパルス状のプラズマによってターゲット材７がスパッタリングされて飛び出し、基板６に到達してターゲット材７の薄膜が堆積する。それと同時に、真空チャンバー内のガスおよびプラズマが、基板上に堆積されつつあるターゲット材７と反応する。また、電圧印加のオフの時間にも、真空チャンバー内のガスおよびプラズマが、基板上に堆積したターゲット材７と反応することで、ターゲット材７とガスが反応した緻密な化合物が形成される。これら一連のパルス成膜を所定の回数繰り返すことで、高密度な化合物薄膜を得る。
【０００６】
また、一般的に、ターゲット材７の裏面には、マグネット１１とヨーク１２とが配置され、ターゲット材７の表面において、ターゲット材７の平面に対する平行磁場が最大となる位置にプラズマを集中させて、成膜速度を向上させている。なお、このプラズマが集中する位置をエロージョンと呼ぶ。また、エロージョンが特定の位置に集中するとターゲット材７の一部だけが消耗し、材料を効率的に利用できないため、図示していないが、マグネット１１とヨーク１２を、駆動装置によってターゲット材７に対して平行に移動して、エロージョン位置を移動させることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５４９０３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述された従来のスパッタ装置（図６参照）については、直流電源３０内部の電圧一定制御の周期と、パルスのオン、オフのタイミングの周期とが、同期してしまった場合、電圧のリップルが増大し、放電電流が変動し、安定して成膜することが出来ない。また、マグネット１１を回転してエロージョンを移動させる場合、マグネット１１の回転周期によっては、ターゲット材７の表面での材料とガスとの反応ムラに伴って、放電が安定しなかったり、形成された薄膜の密度や屈折率などの膜質の基板６の面内での分布が悪化してしまう。さらに、長時間の成膜においては、ターゲット材７の消耗に伴って、ターゲット材７と基板６との位置関係が変化してしまうため、基板６の面内で膜質分布が悪化してしまい、ターゲット材７を使い切る前に交換が必要になってしまうといった問題があった。
【０００９】
本発明は、上述された従来の問題点を考慮し、高品質の膜を安定して成膜することが可能なスパッタ装置およびスパッタ方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るスパッタ装置は、内部にターゲット材と基板とを互いに対向して配置可能な真空チャンバーと、
前記ターゲット材と電気的に接続可能な直流電源と、
前記直流電源から前記ターゲット材に流れる電流をパルス化するパルス化ユニットと、を備え、
前記真空チャンバー内でプラズマを生成して前記基板上に薄膜を形成するスパッタ装置であって、
前記直流電源から前記パルス化ユニットに流れる電流を計測する電流計と、
前記電流計で計測した電流値が所定の値となるように前記直流電源をフィードバック制御する電源制御器と、
前記電源制御器による前記直流電源のフィードバック制御の周期とずらしたパルス周期を前記パルス化ユニットに指示するパルス制御器と、
を備える。
【００１１】
本発明に係るスパッタ方法は、真空チャンバー内でプラズマを生成して基板上に薄膜を形成するスパッタ方法であって、真空チャンバー内にターゲット材と基板とを互いに対向して配置するステップと、
前記ターゲット材と直流電源とを電気的に接続するステップと、
前記直流電源から前記ターゲット材に流れる電流をパルス化ユニットを介してパルス化するステップと、
前記直流電源から前記パルス化ユニットに流れる電流を計測するステップと、
計測した電流値が所定の値となるように前記直流電源をフィードバック制御するステップと、
前記直流電源のフィードバック制御の周期とずらしたパルス周期を前記パルス化ユニットに指示するステップと、
を含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るスパッタ装置及びスパッタ方法によって、電流計で計測した電流値が所定の値となるようにフィードバック制御されるので、放電が安定化する。長時間成膜してターゲット材が消耗しても、エロージョンと基板の位置関係の変化が最小限に抑制されるので、高品質で均一な膜質が維持されることが可能となり、高品質の膜を安定して成膜することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係るスパッタ装置の構成を示す概略断面図である。
【図２】実施の形態１のスパッタ装置の、直流電源の電圧および電流値とパルス電圧および電流との関係を示すタイミング図である。
【図３Ａ】スパッタ装置において、パルス周期と直流電源の制御周期とが同期している場合の、プラズマの発光強度の変動と、その際の電流値の変動を示す図である。
【図３Ｂ】パルスの周期と直流電源のフィードバック制御の周期とをずらした場合のプラズマの発光強度の変動と、その際の電流値の変動を示す図である。
【図４】実施の形態２のスパッタ装置の構成を示す概略断面図である。
【図５】実施の形態２のスパッタ装置の、積算パルス数、マグネット回転角、基板位置とパルス数との関係を示すタイミング図である。
【図６】従来のパルススパッタ装置の、概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の態様に係るスパッタ装置は、内部にターゲット材と基板とを互いに対向して配置可能な真空チャンバーと、
前記ターゲット材と電気的に接続可能な直流電源と、
前記直流電源から前記ターゲット材に流れる電流をパルス化するパルス化ユニットと、を備え、
前記真空チャンバー内でプラズマを生成して前記基板上に薄膜を形成するスパッタ装置であって、
前記直流電源から前記パルス化ユニットに流れる電流を計測する電流計と、
前記電流計で計測した電流値が所定の値となるように前記直流電源をフィードバック制御する電源制御器と、
前記電源制御器による前記直流電源のフィードバック制御の周期とずらしたパルス周期を前記パルス化ユニットに指示するパルス制御器と、
を備える。
【００１５】
第２の態様に係るスパッタ装置は、上記第１の態様において、前記ターゲット材の前記基板と対向する面と反対側である裏面に配置されたマグネットと、
前記ターゲット材の前記裏面と交差する回転軸について、前記マグネットを回転させる回転機構と、
前記回転機構を制御する回転制御器と、
前記基板と前記ターゲット材との間隔を変化させるように前記基板の位置を前記ターゲット材に対して昇降移動させる昇降機構と、
前記昇降機構を制御する昇降制御器と、
を備えてもよい。
【００１６】
第３の態様に係るスパッタ装置は、上記第１又は第２の態様において、前記パルス制御器は、前記電源制御器のフィードバック制御の周期をＦ１、前記パルス周期をＦ２とし、Ｆ１とＦ２の最小公倍数をＦ３とした場合、Ｆ３÷Ｆ１＝Ｎで得られる整数Ｎが１０以上となるように、オン時間とオフ時間とを算出し、前記パルス化ユニットに指示してもよい。
【００１７】
第４の態様に係るスパッタ装置は、上記第１又は第２の態様において、前記パルス制御器は、前記電源制御器のフィードバック制御の整数倍周期に対して、パルス周期が１％以上ずれるように、オン時間とオフ時間とを算出し、前記パルス化ユニットに指示してもよい。
【００１８】
第５の態様に係るスパッタ装置は、上記第２の態様において、前記パルス制御器は、設定されたパルスのオン時間及びオフ時間を基に、前記マグネットの回転の１周期が１０００パルス以上となるように回転速度を演算して前記回転制御器に指示し、
前記パルス制御器は、事前に得られたパルス数に対する前記ターゲット材の消耗量の情報を基に、前記基板の位置を前記ターゲット材に近づける移動量を前記昇降制御器に指示してもよい。
【００１９】
第６の態様に係るスパッタ方法は、真空チャンバー内でプラズマを生成して基板上に薄膜を形成するスパッタ方法であって、真空チャンバー内にターゲット材と基板とを互いに対向して配置するステップと、
前記ターゲット材と直流電源とを電気的に接続するステップと、
前記直流電源から前記ターゲット材に流れる電流をパルス化ユニットを介してパルス化するステップと、
前記直流電源から前記パルス化ユニットに流れる電流を計測するステップと、
計測した電流値が所定の値となるように前記直流電源をフィードバック制御するステップと、
前記直流電源のフィードバック制御の周期とずらしたパルス周期を前記パルス化ユニットに指示するステップと、
を含む。
【００２０】
以下、図面を参照しながら、実施の形態に係るスパッタ装置及びスパッタ方法について詳細に説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。
【００２１】
（実施の形態１）
まず、図１を主として参照しながら、実施の形態１のスパッタ装置１０の構成について説明する。図１は、実施の形態１に係るスパッタ装置１０の概略断面図である。
このスパッタ装置１０は、真空チャンバー１と、直流電源３０と、パルス化ユニット３２と、電流計３１と、電源制御器４０と、パルス制御器４１と、を備える。真空チャンバー１には、内部にターゲット材７と基板６とを互いに対向して配置可能である。直流電源３０は、ターゲット材７と電気的に接続可能である。パルス化ユニット３２によって、直流電源３０からターゲット材７に流れる電流をパルス化する。電流計３１によって直流電源３０からパルス化ユニット３２に流れる電流を計測する。電源制御器４０によって電流計３１で計測した電流値が所定の値となるように直流電源３０をフィードバック制御する。パルス制御器４１によって、電源制御器４０による直流電源３０の制御周期とずらしたパルス周期をパルス化ユニット３２に指示する。
【００２２】
このスパッタ装置１０によれば、直流電源３０のフィードバック制御の周期とずらしたパルス周期でパルス化した電流をターゲット材７へ流す。そこで、フィードバック制御において、電流検出の周期が、パルスの周期と一致しないので、直流電源の直流電流値の脈動の特定の位置を検出することはない。これにより、検出した電流値の平均値をとることで、正しい時間平均の電流値を算出することができる。そこで、算出した電流値を元に直流電源をフィードバック制御することで、プラズマ強度の変動を抑制することができる。
【００２３】
以下に、このスパッタ装置１０を構成する各構成部材について説明する。
【００２４】
＜真空チャンバ＞
真空チャンバー１は、バルブ３を介して接続された真空ポンプ２で排気することによって、真空状態への減圧を行うことができる。
【００２５】
＜ガス供給源＞
ガス供給源４は、スパッタに必要なガスを真空チャンバー１へ一定速度で供給することができる。ガス供給源４で供給するガスは、例えば窒素や酸素など目的の材料と反応性を持ったガスや、反応性を持ったガスとアルゴンなどの希ガスとの混合ガスなどが選択できる。
【００２６】
＜バルブ＞
バルブ３は、その開閉率を変化させることで、真空チャンバー１内の真空度を所望のガス圧力に制御することができる。
【００２７】
＜ターゲット材＞
図１において、真空チャンバー１内の上部には、ターゲット材７が配置されている。ターゲット材７は、任意のスパッタ材料であるが、例えば金属材料や半導体材料などの無機材料である。
【００２８】
＜バッキングプレート＞
バッキングプレート８は、ターゲット材７を支持している。
【００２９】
＜直流電源＞
直流電源３０は、電流計３１と、パルス化ユニット３２と、バッキングプレート８を介して、ターゲット材７に電気的に接続され、ターゲット材７に電圧を印加することができる。
【００３０】
＜パルス化ユニット＞
パルス化ユニット３２は、直流電源３０によって発生した直流電流を、内蔵するコンデンサ等に蓄積し、内蔵する半導体スイッチング素子等によりオン、オフして、パルス化することができる。
【００３１】
＜電流計＞
電流計３１は、直流電源３０から、パルス化ユニット３２へ流れる電流を検出することができる。
【００３２】
＜電源制御器＞
電源制御器４０は、電流計３１と直流電源３０とに接続され、電流計３１が検出した電流値が所定の値で安定するように、直流電源の電圧設定値をフィードバック制御することができる。
【００３３】
＜パルス制御器＞
パルス制御器４１は、電源制御器４０とパルス化ユニット３２とに接続され、電源制御器４０から得た直流電源３０の状態に基づいて、パルス化ユニットへ指示するパルスのオン時間、オフ時間を制御する。
【００３４】
＜マグネット及びヨーク＞
マグネット１１およびヨーク１２は、バッキングプレート８の裏面に配置され、ターゲット材７の表面に磁場１３を発生させることができる。マグネット１１は１つ以上であればよい。なお、マグネット１１は、永久磁石、電磁石のいずれであってもよい。ヨーク１２は、マグネット１１の一端と接続されており、磁気回路を構成し、ターゲット材７と反対側への不要な磁場の漏洩を抑制できる。
【００３５】
＜基板及び基板ホルダー＞
図１において真空チャンバー１内の下部には、ターゲット材７と対向として基板６が配置されている。基板ホルダー５は、基板６の下部に配置され、基板６を支持する。
【００３６】
（スパッタ装置の動作）
次に、本実施の形態１に係るスパッタ装置１０の動作について説明するとともに、本実施の形態１に係るスパッタ方法についても説明する（他の実施の形態２についても同様である）。
【００３７】
（１）まず、真空チャンバー１にターゲット材７をセットするとともに、基板６をターゲット材７の下方に略水平にセットする。
（２）次に、真空ポンプ２を作動させて真空チャンバー１内が真空状態になるように減圧を行い、所定の真空度に到達した後、ガス供給源４からガスを導入し、所定のガス圧力となるようにゲートバルブ３の開度を調整する。
（３）次いで、直流電源３０により電圧を発生させ、パルス化ユニット３２により所定のオン時間、オフ時間でスイッチングすることでパルス化させて、ターゲット材７に印加し、真空チャンバー１内にプラズマを発生させる。
【００３８】
＜パルスの発生状態＞
パルスの発生状態について、図２のタイミング図を用いて説明する。図２の（ａ）から（ｄ）は、実施の形態１のスパッタ装置の、直流電源の電圧（図２（ａ））および電流値（図２（ｂ））とパルス電圧（図２（ｃ））および電流（図２（ｄ））との関係を示すタイミング図である。直流電源３０から、パルス化ユニット３２に供給されるのは負の直流電圧、直流電流である（図２（ｃ）、（ｄ））。パルス化ユニットが生成するパルス電圧は、所定のオン時間、オフ時間を繰り返す矩形に近いパルス形状をしている（図２（ａ））。パルス電圧の印加により、パルスオンの時間の間、プラズマが発生しパルス電流は徐々に増大し、パルスオフの時間の間、プラズマが消失する過程でパルス電流は徐々に減少しゼロとなる（図２（ｂ））。その際、直流電源３０は、パルス化ユニット３２が消費する電流を供給するために、直流電源３０の電圧値は正方向に電圧降下して脈動する（図２（ｃ））。一方、直流電源３０の電流値は負方向に増加する方向に脈動する（図２（ｄ））すなわち、直流電源３０の直流電圧及び直流電流には、パルスの周期と一致した脈動が発生している。電流計３１は、脈動する電流値を一定の周期で検出し、電源制御器４０は検出した電流値を所定の回数平均し、平均電流値が所定の値となるように直流電源３０をフィードバック制御する。
【００３９】
このスパッタ装置では、上記直流電源３０のフィードバック制御の際、直流電源３０のフィードバック制御の周期とパルスの周期とが同期しないように、フィードバック制御の周期に対してパルスの周期をずらした値に設定する。パルスの周期をずらすために、例えば、パルスオンの時間又はパルスオフの時間をわずかに長くすればよい。なお、オン時間を変更するとパルス電流の立ち上がりが変わるので、望ましくはパルスオフの時間を変更することが好ましい。フィードバック制御の周期をＦ１、パルス周期をＦ２とし、Ｆ１とＦ２の最小公倍数をＦ３とした場合、Ｎ＝Ｆ３÷Ｆ１で得られる整数Ｎは、Ｎ回に１回の割合でフィードバック制御がパルス周期と一致することを表す。Ｎは１０以上が望ましく、すなわち周期が一致する割合が１０回に１回以下とすることが望ましい。スパッタ材料の違いや、高速成膜する場合など、パルスが大電流となり電流の変動が大きい場合には、さらに変動を抑制するためにＮを２０以上とするのが良い。前記Ｎを満たす周期となるように、ずらす時間として具体的には、パルス周期を１％以上ずらすのが望ましく、さらに変動を抑制する効果として５％以上が望ましい。なお、パルス周期を１００％、２００％と区切りよくずらすと、パルス周期は整数倍となるため、周期が一致する割合がずらす前と同じとなるため、これを避けるのが良い。
【００４０】
＜フィードバック制御＞
パルスの周波数をずらした、直流電源３０のフィードバック制御について図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。
図３Ａは、仮に、パルス周期１０ｋＨｚと直流電源のフィードバック制御の周期１０ｋＨｚとが同期している場合の、プラズマ発光強度の変動を示す図である。図３Ａにおいて、プラズマ発光強度の観測間隔は、パルス周期に比べ１００倍以上長いため、１００以上のパルスの平均強度の変動を観測していることになる。また、吹き出しＡ、Ｂ、Ｃの中は、図２（ｄ）における直流電流値の変動を示す図である。吹き出しＡ，Ｂ、Ｃは、それぞれ同じ検出周期であるが、検出のタイミングがそれぞれずれている。このため、同じ電流波形であっても、吹き出しＡ、Ｂ、Ｃのそれぞれで検出される電流値は異なる。この場合、電流計３１での検出周期は、パルスの周期と同一ではないがほぼ同期しているので、吹き出しＡ、Ｂ、Ｃの図に示す通り、電流値の脈動のそれぞれ異なる特定の位置を検出することとなる。これを元に電流値をフィードバック制御すると、検出している電流値の平均値と、実際の電流値の平均値とでずれが生じる。また、このずれはパルス周期とフィードバック制御の周期との差分周期で、別の吹き出し図に示すように、徐々に時間変化することとなる。したがって、フィードバック制御で脈動が増長されてプラズマを安定させることができず、プラズマ発光強度は図の通り、大きく変動してしまう。
【００４１】
図３Ｂは、パルスの周期と直流電源のフィードバック制御の周期とを５％ずらした場合のプラズマ発光強度の変動を示す図である。この場合、フィードバック制御において、電流検出の周期が、パルスの周期と２１回に１回しか一致しないので、直流電源の直流電流値の脈動の特定の位置を検出する割合が小さくなり、検出した電流値の平均値をとることで、より正しい時間平均の電流値を算出することができる。上記のように、パルス周期としてフィードバック制御の周期に対して１％以上ずらすことによって、算出した電流値を元に直流電源をフィードバック制御することで、図３Ｂのように、プラズマ強度の変動を抑制することができる。
【００４２】
以上のように、真空チャンバー１内に発生させたパルス状のプラズマによってターゲット材７がスパッタリングされて飛び出し、基板６に到達してターゲット材料の薄膜が堆積すると同時に、真空チャンバー１内のガスおよびプラズマが、基板６上に堆積されつつあるターゲット材料と、反応する。また、電圧印加のオフの時間に、真空チャンバー１内のガスおよびプラズマが、基板６上に堆積したターゲット材料と、反応することで、緻密なターゲット材料とガスが反応した化合物が形成される。これら一連のパルス成膜を所定の回数繰り返すことで、高密度な化合物薄膜を得る。
【００４３】
以上によれば、このパルススパッタ装置１０において、電流計で計測した電流値をフィードバックする制御が安定化されるので、プラズマ放電の電圧および電流の変動を抑制することが可能である。これにより、プラズマによるターゲット材７のスパッタリング速度、つまりターゲット材料の基板６への堆積速度を変動なく一定とすることができる。そこで、ガスおよびプラズマと基板６上に堆積したターゲット材料との反応についても変動なく一定とすることができるので、高品質の膜を安定して成膜することが可能となる。
【００４４】
（実施の形態２）
次に、図４を主として参照しながら、実施の形態２のスパッタ装置１０ａの構成について説明する。
ここに、図４は、実施の形態２に係るスパッタ装置１０ａの構成を示す概略断面図である。図４に関しては、図１に示されている部分と同じまたは相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図４においては、バッキングプレート８の裏面側にマグネット１１およびヨーク１２が配置されている。このスパッタ装置１０ａでは、実施の形態１に係るスパッタ装置と対比すると、ヨーク１２には、偏心位置に回転機構２０が接続され、マグネット１１およびヨーク１２を偏心回転させることができる点で相違する。また、回転機構２０には、回転制御器４２が接続され、回転機構２０の回転を設定に基づいて制御することができる。また、回転制御器４２にはパルス制御器４１が接続され、回転の指示値を受けて所定の回転速度に設定することができる。
【００４５】
さらに、このスパッタ装置１０ａでは、実施の形態１に係るスパッタ装置と対比すると、基板ホルダー５には、昇降機構２１が接続され、ターゲット材７と基板６との対向距離を変更することができる点で相違する。昇降機構２１には、昇降制御器４３が接続され、昇降機構２１の昇降位置を設定値に基づいて制御することができる。また、昇降制御器４３には、パルス制御器４１が接続され、昇降の指示値を受けて所定の昇降速度に設定することができる。
【００４６】
マグネット１１を偏心回転させることで、エロージョンもターゲット表面で移動するので、ターゲット材７の消耗量が、ターゲット材７の表面の一部に集中しなくなる。基板６上に連続して長時間成膜する場合や、基板６上に繰り返し成膜する場合など、パルスの積算数が増大してくると、ターゲット材７の表面が消耗量は大きくなる。例えば、ターゲット材７の厚みが５ｍｍに対して、消耗量が４ｍｍに達することもある。その場合、ターゲット材７の表面のエロージョン位置から、対向する基板６までの距離は、ターゲット材７が消耗する前に比べて消耗分だけ離れてしまうことになり、ターゲット材７の表面から飛び出すスパッタ粒子１４が基板に到達する際のエネルギーが減少し、高品質な膜が得られないことがある。
【００４７】
本実施の形態２における、パルスとマグネット回転と基板６の昇降の制御ステップについて、図５を用いて説明する。図５は、実施の形態２のスパッタ装置１０ａの、パルスとマグネット１１の回転と基板６の昇降との関係を示すタイミング図である。図５（ａ）は、積算パルス数とパルス数との関係を示すタイミング図である。図５（ｂ）は、マグネットの回転角とパルス数との関係を示すタイミング図である。図５（ｃ）は、基板昇降による基板位置とパルス数との関係を示すタイミング図である。
【００４８】
パルス制御器４１は、パルス化ユニット３２にパルスのオン時間、オフ時間を設定するとともに、実行されたパルス数を積算する（図５（ａ））。パルス制御器４１は、パルスのオン時間、オフ時間の設定値を基に、マグネット１１の回転の１周期が１０００パルス以上の時間となるように回転速度を演算し、演算した回転速度を回転制御器４２に指示する（図５（ｂ））。これにより、パルス状のプラズマでターゲット材７をスパッタする際に、ターゲット材７の表面を均等にスパッタさせることができる。そこで、長時間の成膜においても、ターゲット材７の表面が、パルスによって不均一に消耗することなく、安定してスパッタ成膜することができる。
【００４９】
また、さらに成膜を長時間継続する際に、パルス制御器４１は、事前に実験的に得られたパルス数に対するターゲット材７の消耗量の情報を基に、基板６の位置をターゲット材７に近づける移動量を演算し、演算した値を昇降制御器４３に指示する（図５（ｃ））。これにより、マグネット１１の回転によりターゲット材７の表面を均等にスパッタしながら、さらに長時間の成膜においても、ターゲット材７の表面のエロージョンと対向する基板６の位置関係が維持されて、安定して均質な薄膜を成膜することが可能となる。
【００５０】
これらによれば、パルススパッタ装置１０ａにおいて、電流計で計測した電流値の時間平均値が所定の値となるようにフィードバック制御されるので、放電が安定化する。また、長時間成膜してターゲット材７が消耗しても、エロージョンと基板６の位置関係の変化が最小限に抑制されるので、高品質で均一な膜質が維持されることが可能となり、高品質の膜を長期間安定して成膜することが可能となる。
【００５１】
なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明に係るスパッタ装置およびスパッタ方法は、たとえば、高密度な窒化シリコン薄膜を安定して形成することが可能であり、薄膜デバイスの製造において、高品質パッシベーション薄膜の形成などに、有用である。
【符号の説明】
【００５３】
１  真空チャンバー
２  ポンプ
３  ゲートバルブ
４  ガス供給源
５  基板ホルダー
６  基板
７  ターゲット材
８  バッキングプレート
１０、１０ａ  スパッタ装置
１１  マグネット
１２  ヨーク
１３  磁場（磁力線）
１４  スパッタ粒子
２０  回転機構
２１  昇降機構
３０  直流電源
３１  電流計
３２  パルス化ユニット
４０  電源制御器
４１  パルス制御器
４２  回転制御器
４３  昇降制御器
ＰＰ  パルス周期
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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