(57)【要約】【課題】パルススパッタによって成膜される薄膜の膜厚についてバラツキを抑制する。【解決手段】スパッタ装置１０は、基板Ｓとターゲット材Ｔを収容する真空チャンバー１２と、ターゲット材に直流電流を出力する直流電源１４と、直流電源の直流電流をパルス電流に変換するパルス化ユニット１６と、直流電源からパルス化ユニットに向かう直流電流の電流値を計測する電流計１８と、計測された電流値に基づいて直流電源の出力電力が一定に維持されるように直流電源の出力電圧をフィードバック制御する電源制御装置２０と、パルス電流を測定して所定のパルス電流を検出するパルス検出器２２と、直流電源の出力電圧と、電流計によって計測された電流値と、パルス検出器によって検出された所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定する成膜制御装置２４とを有する。直流電源が成膜終了タイミングに直流電流の出力を停止する。【選択図】図１
2019183235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜される基板とターゲット材とを互いに対向した状態で収容する真空チャンバーと、
前記ターゲット材に直流電流を出力する直流電源と、
前記直流電源から前記ターゲット材に向かう直流電流をパルス電流に変換するパルス化ユニットと、
前記直流電源から前記パルス化ユニットに向かう直流電流の電流値を計測する電流計と、
前記電流計によって計測された電流値に基づいて前記直流電源の出力電力が一定に維持されるように前記直流電源の出力電圧をフィードバック制御する電源制御装置と、
前記ターゲット材と前記パルス化ユニットとの間に配置され、前記パルス電流を測定して所定のパルス電流を検出するパルス検出器と、
前記直流電源の出力電圧と、前記電流計によって計測された電流値と、前記パルス検出器によって検出された前記所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定する成膜制御装置と、を有し、
前記直流電源が、前記成膜終了タイミングに、直流電流の出力を停止する、スパッタ装置。
【請求項２】
前記パルス検出器が、前記パルス化ユニットから前記ターゲット材に向かうパルス電流の電流値が所定のしきい値を超えたタイミングを、前記所定のパルス電流の検出タイミングとして検出する、請求項１に記載のスパッタ装置。
【請求項３】
前記電源制御装置が、前記直流電源の出力電圧値および前記電流計によって計測された電流値に基づいて平均電力を算出し、
前記成膜制御装置が、前記所定のパルス電流の検出タイミング後における前記平均電力を積算し、その積算値が所定のしきい値に達したタイミングを、前記成膜終了タイミングとして決定する、請求項１または２に記載のスパッタ装置。
【請求項４】
前記ターゲット材における基板側面とは反対側の裏面に対して対向するよう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に対して交差する回転中心線を中心として前記マグネットを偏心回転させる回転装置と、を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のスパッタ装置。
【請求項５】
前記回転装置によって偏心回転されている前記マグネットの所定の位置の通過を検出する位置検出センサを有し、
前記位置検出センサの検出タイミングに、前記直流電源が直流電流の出力を開始する、請求項４に記載のスパッタ装置。
【請求項６】
基板に成膜するスパッタ方法であって、
真空チャンバー内において前記基板とターゲット材とを互いに対向配置し、
直流電源から前記ターゲット材に直流電流を出力し、
前記直流電源から前記ターゲット材に向かう直流電流の電流値を計測し、
計測後の直流電流をパルス電流に変換し、
計測された電流値に基づいて前記直流電源の出力電力が一定に維持されるように前記直流電源の出力電圧をフィードバック制御し、
前記パルス電流を測定して所定のパルス電流を検出し、
前記直流電源の出力電圧値と、前記計測された電流値と、前記所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定し、
前記成膜終了タイミングに前記直流電源の直流電流出力を停止させる、スパッタ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体ウエハなどの基板に成膜する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は、基板上に金属や酸化物などの薄膜を形成し、その薄膜を所望のパターンに形成して電極、配線、抵抗、キャパシタなどを形成している。
【０００３】
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ている。このように、高密度あるいは結晶性の高い薄膜を高い膜厚精度で形成する技術の必要性が高まっている。
【０００４】
デバイスの薄膜形成では、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ることが多い。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る反応性スパッタが用いられる。しかし、ターゲット材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。
【０００５】
従来、このような高密度・高配向の薄膜形成を行う成膜手段の一つとして、成膜される基板とターゲット材との間にパルス電圧を印加するパルススパッタがある（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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】
【０００７】
本開示は、パルススパッタによって成膜される薄膜の膜厚についてバラツキを抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本開示の一態様によれば、
成膜される基板とターゲット材とを互いに対向した状態で収容する真空チャンバーと、
前記ターゲット材に直流電流を出力する直流電源と、
前記直流電源から前記ターゲット材に向かう直流電流をパルス電流に変換するパルス化ユニットと、
前記直流電源から前記パルス化ユニットに向かう直流電流の電流値を計測する電流計と、
前記電流計によって計測された電流値に基づいて前記直流電源の出力電力が一定に維持されるように前記直流電源の出力電圧をフィードバック制御する電源制御装置と、
前記ターゲット材と前記パルス化ユニットとの間に配置され、前記パルス電流を測定して所定のパルス電流を検出するパルス検出器と、
前記直流電源の出力電圧と、前記電流計によって計測された電流値と、前記パルス検出器によって検出された前記所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定する成膜制御装置と、を有し、
前記直流電源が、前記成膜終了タイミングに、直流電流の出力を停止する、スパッタ装置が提供される。
【０００９】
また、本開示の別態様によれば、
基板に成膜するスパッタ方法であって、
真空チャンバー内において前記基板とターゲット材とを互いに対向配置し、
直流電源から前記ターゲット材に直流電流を出力し、
前記直流電源から前記ターゲット材に向かう直流電流の電流値を計測し、
計測後の直流電流をパルス電流に変換し、
計測された電流値に基づいて前記直流電源の出力電力が一定に維持されるように前記直流電源の出力電圧をフィードバック制御し、
前記パルス電流を測定して所定のパルス電流を検出し、
前記直流電源の出力電圧値と、前記計測された電流値と、前記所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定し、
前記成膜終了タイミングに前記直流電源の直流電流出力を停止させる、スパッタ方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、パルススパッタによって成膜される薄膜の膜厚についてバラツキを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の実施の形態１に係るスパッタ装置の概略的構成図
【図２】実施の形態１に係るスパッタ装置における、パルス出力、直流電源、パルス電流、平均電力、および積算電力の関係を示すタイミング図
【図３Ａ】直流電源がＯＮされてからの経過時間と平均電力との関係を示す図
【図３Ｂ】直流電源がＯＮされた直後における平均電力の変化を示す詳細図
【図４Ａ】図３Ｂに示すタイミングＰａでのパルス電流を示す図
【図４Ｂ】図３Ｂに示すタイミングＰｂでのパルス電流を示す図
【図４Ｃ】図３Ｂに示すタイミングＰｃでのパルス電流を示す図
【図４Ｄ】図３Ｂに示すタイミングＰｄでのパルス電流を示す図
【図５Ａ】直流電源がＯＮされてからの経過時間と積算電力との関係を示す図
【図５Ｂ】直流電源がＯＮされた直後における積算電力の変化を示す詳細図
【図６】本開示の実施の形態２に係るスパッタ装置の概略的構成図
【図７】マグネットの偏心回転によってターゲット材上を変位するエロージョンを示す図
【図８】マグネットの角度位置とプラズマの放電電圧との関係を示す図
【図９】実施の形態２に係るスパッタ装置における、パルス出力、直流電源、パルス電流、平均電力、および積算電力の関係を示すタイミング図
【図１０Ａ】直流電源がＯＮされてからの経過時間と直流電源の出力電圧との関係を示す図
【図１０Ｂ】図１０Ａに示す安定状態時における直流電圧の波形を示す図
【図１１Ａ】直流電源がＯＮされてからの経過時間と電流計によって測定された電流との関係を示す図
【図１１Ｂ】図１１Ａに示す安定状態時における電流の波形を示す図
【図１２Ａ】直流電源がＯＮされてからの経過時間と平均電力との関係を示す図
【図１２Ｂ】図１２Ａに示す安定状態時における平均電力の波形を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の一態様に係るスパッタ装置は、成膜される基板とターゲット材とを互いに対向した状態で収容する真空チャンバーと、前記ターゲット材に直流電流を出力する直流電源と、前記直流電源から前記ターゲット材に向かう直流電流をパルス電流に変換するパルス化ユニットと、前記直流電源から前記パルス化ユニットに向かう直流電流の電流値を計測する電流計と、前記電流計によって計測された電流値に基づいて前記直流電源の出力電力が一定に維持されるように前記直流電源の出力電圧をフィードバック制御する電源制御装置と、前記ターゲット材と前記パルス化ユニットとの間に配置され、前記パルス電流を測定して所定のパルス電流を検出するパルス検出器と、前記直流電源の出力電圧と、前記電流計によって計測された電流値と、前記パルス検出器によって検出された前記所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定する成膜制御装置と、を有し、前記直流電源が、前記成膜終了タイミングに、直流電流の出力を停止する。
【００１３】
例えば、前記パルス検出器が、前記パルス化ユニットから前記ターゲット材に向かうパルス電流の電流値が所定のしきい値を超えたタイミングを、前記所定のパルス電流の検出タイミングとして検出してもよい。
【００１４】
例えば、前記電源制御装置が、前記直流電源の出力電圧値および前記電流計によって計測された電流値に基づいて平均電力を算出し、前記成膜制御装置が、前記所定のパルス電流の検出タイミング後における前記平均電力を積算し、その積算値が所定のしきい値に達したタイミングを、前記成膜終了タイミングとして決定してもよい。
【００１５】
例えば、前記スパッタ装置が、前記ターゲット材における基板側面とは反対側の裏面に対して対向するよう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に対して交差する回転中心線を中心として前記マグネットを偏心回転させる回転装置と、を有してもよい。
【００１６】
例えば、前記スパッタ装置が、前記回転装置によって偏心回転されている前記マグネットの所定の位置の通過を検出する位置検出センサを有し、前記位置検出センサの検出タイミングに、前記直流電源が直流電流の出力を開始してもよい。
【００１７】
本開示の別態様に係るスパッタ方法は、基板に成膜するスパッタ方法であって、真空チャンバー内において前記基板とターゲット材とを互いに対向配置し、直流電源から前記ターゲット材に直流電流を出力し、前記直流電源から前記ターゲット材に向かう直流電流の電流値を計測し、計測後の直流電流をパルス電流に変換し、計測された電流値に基づいて前記直流電源の出力電力が一定に維持されるように前記直流電源の出力電圧をフィードバック制御し、前記パルス電流を測定して所定のパルス電流を検出し、前記直流電源の出力電圧値と、前記計測された電流値と、前記所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定し、前記成膜終了タイミングに前記直流電源の直流電流出力を停止させる。
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本開示の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。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１に係るスパッタ装置の概略的構成図である。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態１に係るスパッタ装置１０は、半導体ウエハなどの基板Ｓとターゲット材Ｔとを収容する真空チャンバー１２と、ターゲット材Ｔに直流電力を出力する直流電源１４と、直流電源１４からターゲット材Ｔに向かう直流電流をパルス電流に変換するパルス化ユニット１６とを有する。
【００２１】
また、スパッタ装置１０は、直流電源１４からパルス化ユニット１６に向かう直流電流の電流値を計測する電流計１８と、電流計１８によって計測される電流値に基づいて直流電源１４をフィードバック制御する電源制御装置２０と、ターゲット材Ｔとパルス化ユニット１６との間に配置され、所定のパルス電流を検出するパルス検出器２２とを有する。
【００２２】
さらに、スパッタ装置１０は、直流電源１４の出力電圧値と、電流計１８によって計測された電流値と、パルス検出器２２によって検出された所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定する成膜制御装置２４を有する。
【００２３】
真空チャンバー１２は、成膜される基板Ｓとターゲット材Ｔとを互いに対向した状態で収容するように構成されている。また、真空チャンバー１２は、ゲートバルブ２６を介して、真空ポンプ２８に接続されている。真空チャンバー１２は、真空ポンプ２８によって吸引されることによって真空状態に減圧される。また、ゲートバルブ２６は、その開度を調節可能に構成されており、開度を調節することにより、真空チャンバー１２内の真空度が調整される。
【００２４】
さらに、真空チャンバー１２は、ガス供給源３０に接続されている。ガス供給源３０は、スパッタに必要なガスを真空チャンバー１２に一定速度で供給するように構成されている。ガス供給源３０によって供給されるガスは、例えば窒素や酸素などのターゲット材Ｔと反応する反応性ガス、アルゴンなどの希ガス、または反応ガスと希ガスの混合ガスである。
【００２５】
さらにまた、真空チャンバー１２は、その内部に、ターゲット材Ｔを保持するバッキングプレート３２を備える。加えて、バッキングプレート３２に間隔をあけて対向配置され、基板Ｓを保持する基板ホルダー３４を、真空チャンバー１２は備える。本実施の形態１の場合、バッキングプレート３２と基板ホルダー３４は上下方向に対向し、バッキングプレート３２が基板ホルダー３４の上方に位置する。これにより、ターゲット材Ｔと基板Ｓとが上下方向に対向する。
【００２６】
バッキングプレート３２に保持されるターゲット材Ｔは、例えば金属材料や半導体材料などの無機材料である。
【００２７】
本実施の形態１の場合、真空チャンバー１２は、ターゲット材Ｔの表面に磁場３６を形成するマグネット３８を備える。マグネット３８は、ヨーク４０に一端が接続されている。また、マグネット３８とヨーク４０は、バッキングプレート３２を挟んでターゲット材Ｔと対向するように、且つ、マグネット３８の他端がバッキングプレート３２に向くように、真空チャンバー１２内に配置されている。マグネット３８とヨーク４０は、磁気回路を構成し、それにより、ターゲット材Ｔとは反対側に磁場が形成されることを抑制している。なお、マグネット３８は、１つ以上あればよく、永久磁石であってもよいし、電磁石であってもよい。マグネット３８およびヨーク４０により、ターゲット材Ｔの基板Ｓ側の表面において、その表面に対して平行な磁場が発生する位置にプラズマを集中させ、それにより成膜速度を向上させている。このようなプラズマが集中する位置は、エロージョンと呼ばれている。なお、エロージョンが特定の位置に固定されると対応するターゲット材Ｔの部分だけが消耗してターゲット材Ｔ全体を効率的に使用できないので、マグネット３８とヨーク４０をターゲット材Ｔの表面に対して平行に移動させることによってエロージョンの位置をシフトしてもよい。
【００２８】
直流電源１４は、電流計１８、パルス化ユニット１６、パルス検出器２２、およびバッキングプレート３２を介してターゲット材Ｔに接続され、これらを介してターゲット材Ｔに直流電流を出力する。
【００２９】
パルス化ユニット１６は、電流計１８とパルス検出器２２とに接続され、直流電源１４からターゲット材Ｔに向かう直流電流をパルス電流に変換するように構成されている。パルス化ユニット１６は、例えば、キャパシタ、半導体スイッチング素子などを含む回路が形成された基板である。キャパシタに蓄えられた電流を、半導体スイッチング素子をオン・オフすることによって断続的に出力することにより、パルス化ユニット１６は、電流をターゲット材Ｔにパルス出力する（パルス電流を出力する）。また、パルス化ユニット１６は、詳細は後述するが、成膜制御装置２４からの制御信号を受け取るように構成されている。
【００３０】
電流計１８は、直流電源１４とパルス化ユニット１６とに接続され、直流電源１４からパルス化ユニット１６に向かう直流電流の電流値を計測する。また、電流計１８は、計測した電流値を信号として電源制御装置２０に出力するように構成されている。
【００３１】
電源制御装置２０は、直流電源１４のオン・オフを制御するとともに出力電圧を調整して直流電源１４の電流出力を制御する電源コントローラである。また、電源制御装置２０は、電流計１８から出力された電流計測値を示す電流計側信号と、成膜制御装置２４からの制御信号（詳細は後述する）とを受け取るように構成されている。
【００３２】
また、電源制御装置２０は、直流電源１４をオン・オフするための制御信号と出力電圧を調整するための制御信号とを直流電源１４に出力し、直流電源１４を制御するように構成されている。本実施の形態１の場合、電源制御装置２０は、電流計１８によって計測される電流値に基づいて直流電源１４の出力電力が一定に維持されるように、直流電源１４の出力電圧をフィードバック制御する。さらに、本実施の形態１の場合、電源制御装置２０は、直流電源１４の出力電圧値と電流計１８によって計測された電流値とに基づいて、直流電源１４の出力電力の実効値として平均電力を算出する。そして、その算出した平均電力を示す平均電力信号を成膜制御装置２４に出力するように、電源制御装置２０は構成されている。
【００３３】
パルス検出器２２は、ターゲット材Ｔとパルス化ユニット１６との間に配置され、所定のパルス電流を検出するように構成されている。本実施の形態１の場合、パルス検出器２２は、パルス化ユニット１６からターゲット材Ｔに向かって流れるパルス電流を測定し、所定のしきい値を超える電流値を測定したタイミングに、すなわちプラズマ放電が起こり始める所定のパルス電流を検出したタイミングに、プラズマ放電開始を示すプラズマ放電開始信号を成膜制御装置２４に出力するように構成されている。なお、パルス測定周期は、例えばトータル成膜時間の１％以下である。膜厚精度が要求される場合、パルス測定周期は、トータル成膜時間の０．１％以下の周期が望ましい。例えば、トータル成膜時間が約１００秒である場合、パルス測定周期は、通常、０．１秒〜１．０秒の範囲である。所定のしきい値は、予め計測された成膜が安定的に行われているときの電流値に対して１０％〜２０％の範囲の値であるのが望ましい。
【００３４】
成膜制御装置２４は、成膜を制御するコントローラであって、例えばＣＰＵとプログラムを記憶する記憶装置から構成される。プログラムにしたがってＣＰＵが駆動することにより、成膜制御を実行する。また、成膜制御装置２４は、パルス化ユニット１６、電源制御装置２０、およびパルス検出器２２に接続されている。それにより、成膜制御装置２４は、パルス化ユニット１６および電源制御装置２０に制御信号を出力するとともに、電源制御装置２０からの平均電力信号とパルス検出器２２からのプラズマ放電開始信号とを受信する。
【００３５】
また、成膜制御装置２４は、パルス検出器２２による所定のパルス電流の検出タイミング後における直流電源１４の出力電圧および電流計１８によって計測された電流に基づいて、成膜終了タイミングを決定する。本実施の形態１の場合、成膜制御装置２４は、所定のパルス電流の検出タイミング後における平均電力（電源制御装置２０によって算出された平均電力）を積算し、その平均電力の積算値が所定のしきい値を超えたタイミングを、成膜終了タイミングとして決定する。そして、成膜制御装置２４は、その成膜終了タイミングに、パルス化ユニット１６を停止させる（制御信号として停止信号をパルス化ユニット１６に出力する）とともに、直流電源１４を停止させる（制御信号として停止信号を電源制御装置２０に出力し、電源制御装置２０が直流電源１４を停止させる）。これにより、成膜が終了する。なお、このように成膜を制御する理由については後述する。
【００３６】
ここからは、本実施の形態１に係るスパッタ装置１０が実行するパルススパッタについて説明する。
【００３７】
まず、真空チャンバー１２に、基板Ｓとターゲット材Ｔがセットされる。
【００３８】
次に、真空ポンプ２８が作動することにより、真空チャンバー１２が真空状態に減圧される。所定の真空度に達すると、ガス供給源３０を作動させて真空チャンバー１２内にガスを導入しつつ、真空チャンバー１２内が所定のガス圧力になるようにゲートバルブ２６の開度が調節される。
【００３９】
真空チャンバー１２内が所定のガス圧力になると、直流電源１４とパルス化ユニット１６が作動を開始する。直流電源１４からの直流電流がパルス化ユニット１６によってパルス電流に変換され、そのパルス電流がターゲット材Ｔに出力される。それにより、真空チャンバー１２内のガスの一部が解離し、プラズマが発生する。
【００４０】
直流電流がターゲット材Ｔに出力されている期間（パルス電流がゼロでない期間）では、プラズマによってガスから分離したイオンがターゲット材Ｔに衝突し、それによりターゲット材Ｔから粒子が飛び出す。そして、その飛び出したターゲット材Ｔの粒子が基板Ｓに付着して堆積する。それとともに、真空チャンバー１２内のガスやプラズマが基板Ｓ上のターゲット材Ｔと反応する。
【００４１】
直流電流がターゲット材Ｔに出力されていない期間（パルス電流がゼロである期間）では、真空チャンバー１２内のガスおよびプラズマが基板Ｓ上のターゲット材Ｔと反応し、ターゲット材Ｔとガスとが結合した緻密な化合物が形成される。
【００４２】
このように直流電流が断続的にターゲット材Ｔに出力されることにより、すなわちパルススパッタにより、高密度・高配向の薄膜が基板Ｓ上に形成される。
【００４３】
次に、本実施の形態１に係るスパッタ装置１０が行うパルススパッタの終了、すなわち成膜終了までの流れについて、図２を参照しながら説明する。
【００４４】
図２は、本実施の形態１に係るスパッタ装置における、パルス出力、直流電源、パルス電流、平均電力、および積算電力の関係を示すタイミング図である。
【００４５】
図２に示すように、直流電源１４がオン状態になる前に、パルス化ユニット１６がパルス出力を開始する。このとき、ターゲット材Ｔにはパルス電流が出力されていない状態である。
【００４６】
次に、成膜制御装置２４によって（電源制御装置２０を介して）直流電源１４がＯＮ状態にされ、直流電流の出力を開始する。これにより、パルス電流がターゲット材Ｔに出力され始める。電流計１８は、直流電源１４からパルス化ユニット１６に流れる電流を測定する。電源制御装置２０は、電流計１８によって測定された電流値と直流電源１４の出力電圧値から電力を算出する。本実施の形態１の場合、１パルスあたりの電力ではなく、時間平均した平均電力を算出する。電源制御装置２０はまた、直流電源１４の出力電力を略一定に維持するために、電流計１８によって計測される電流値に基づいて、直流電源１４の出力電圧をフィードバック制御する。電源制御装置２０はさらに、算出した平均電力を成膜制御装置２４に出力する。
【００４７】
図２に示すように、パルス電流のターゲット材Ｔへの出力が開始されると、パルス検出器２２がパルス化ユニット１６からターゲット材Ｔに向かって流れるパルス電流を測定し始める。パルス検出器２２は、所定のしきい値を超える電流値を測定すると、プラズマ放電が起こり始める所定のパルス電流を検出したとして、プラズマ放電の開始を示す信号（プラズマ放電開始信号）を成膜制御装置２４に出力する。
【００４８】
成膜制御装置２４は、パルス検出器２２による所定のパルス電流の検出タイミング（プラズマ放電の開始タイミング）から、電源制御装置２０によって算出された平均電力の積算を開始する。成膜制御装置２４は、所定の膜厚に対応する所定のしきい値Ｗｔに平均電力の積算値が達すると、成膜を終了させる。プラズマ放電を停止させて成膜を終了するために、成膜制御装置２４は、パルス化ユニット１６にパルス出力を停止させると同時にまたはそれ以降に、電源制御装置２０を介して直流電源１４に直流電流の出力を停止させる。
【００４９】
さらに、パルス検出器２２によるプラズマ放電が起こり始める所定のパルス電流の検出について具体的に説明する。
【００５０】
図３Ａは直流電源がＯＮされてからの経過時間と平均電力との関係を示す図であり、図３Ｂは直流電源がＯＮされた直後における平均電力の変化を示す詳細図である。また、図４Ａ〜図４Ｄは、図３Ｂに示す複数のタイミングＰａ〜Ｐｄでのパルス電流を示す図である。そして、図５Ａは、直流電源がＯＮされてからの経過時間と積算電力との関係を示す図であり、図５Ｂは直流電源がＯＮされた直後における積算電力の変化を示す詳細図である。
【００５１】
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、直流電源１４がＯＮされた直後は平均電力が安定しておらず、平均電力が所定の値（例えば１０００Ｗ）で安定するまでに１０秒程度を要する。このような直流電源１４がＯＮされてから平均電力が安定するまでの時間は、プラズマの揺らぎなどを原因として、バッチ処理であるスパッタ処理を実行する度に異なり、すなわち一定ではなくバラツキがある。このような平均電力が安定するまでの過渡的な期間では、その後の平均電力が安定した期間に比べて薄膜の形成速度（ターゲット材の粒子の堆積速度）が遅くバラツキがある。
【００５２】
例えば、図３Ｂに示す平均電力の変化の場合、タイミングＰａまでに平均電力は上昇するものの、図４Ａに示すようにパルス電流は発生していない。平均電力は、一度降下した後にタイミングＰｂ後から再び上昇し始め、タイミングＰｃでは安定値の約半分（５００Ｗ）に達し、タイミングＰｄで安定値（１０００Ｗ）に到達する。タイミングＰｂからタイミングＰｄまでの間に、図４Ｂ〜図４Ｄに示すように、パルス電流のピーク値は上昇し、タイミングＰｄ後はパルス電流のピーク値は安定する。
【００５３】
例えば、パルス検出器２２は、図４Ｂに示すように、タイミングＰｂで、所定のしきい値Ｉｔを超える所定のパルス電流を検出する。この検出タイミングをプラズマ放電開始タイミングとし、成膜制御装置２４は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、平均電力を積算し始める。電源制御装置２０によって直流電源１４の出力電力が略一定に維持されているために、タイミングＰｂ後の積算電力は経過時間に比例して上昇する。そして、図５Ａに示すように、積算電力が所定のしきい値Ｗｔに達したタイミングに、基板Ｓ上に所望の膜厚の薄膜が形成されたとして、成膜制御装置２４は成膜を終了させる。なお、所定のパルス電流の発生タイミングからの積算電力と膜厚との関係は、予め理論的にまたは実験的に求められている。
【００５４】
直流電源１４がＯＮされてからパルス検出器２２が所定のしきい値Ｉｔを超える電流値を検出するタイミング（所定のパルス電流の検出タイミング）までの時間にはバラツキがある。しかしながら、所定のパルス電流の検出タイミングに成膜に必要なプラズマ放電が実際に起こり始めるので、膜厚は、プラズマ放電が起こり始めてからの積算電力の増加に比例して増加する。したがって、所望の膜厚の薄膜形成に必要とされる、所定のパルス電流の検出タイミングからの積算電力は、バラツキがほとんどなく一定である。このようなパルス電流の検出タイミングからの積算電力を利用することにより、安定した膜厚の薄膜を成膜することができる。
【００５５】
これと異なり、直流電源１４がＯＮされてからの経過時間で膜厚制御を行う場合、直流電源１４がＯＮされてから実際にプラズマ放電が起こり始める所定のパルス電流が発生するまでの時間にバラツキが存在するために、膜厚にバラツキが生じる。このような直流電源１４がＯＮされてから所定のパルス電流が発生するまでのバラツキがある時間に左右されることなく、本実施の形態１に係るスパッタ装置１０は安定した膜厚の薄膜を成膜することができる。
【００５６】
このような本実施の形態１に係るスパッタ装置１０によれば、パルス検出器２２によってプラズマ放電が開始して実際に薄膜の堆積が開始されるタイミングを精度良く検出できる。その検出タイミングからの積算電力に基づいて膜厚制御することにより、安定した膜厚の薄膜を形成することができる。その結果、パルススパッタによって成膜される薄膜の膜厚についてバラツキを抑制することができる。
【００５７】
（実施の形態２）
本実施の形態２は、マグネットおよびヨークが偏心回転する点について、マグネットおよびヨークが回転しない上述の実施の形態１と異なる。したがって、異なる点を中心に本実施の形態２の説明を行う。なお、上述の実施の形態１における構成要素と実質的に同一の本実施の形態２における構成要素には、同一の符号が付されている。
【００５８】
図６は、本実施の形態２に係るスパッタ装置の概略的構成図である。
【００５９】
図６に示すように、本実施の形態２のスパッタ装置１１０において、マグネット３８およびヨーク４０は、ターゲット材Ｔにおける基板側面とは反対側の裏面に対して対向するように配置され、ターゲット材Ｔの裏面に対して交差する（本実施の形態２の場合直交する）回転中心線を中心として偏心回転される。
【００６０】
具体的には、偏心回転の回転中心線が円形状のターゲット材Ｔの中心を通過し、モータなどの回転装置１４２の回転軸がヨーク４０の形状中心位置から偏心した該ヨーク４０の位置に接続されている。回転装置１４２を制御し、成膜制御装置１２４に接続されている回転制御装置１４４が設けられている。また、偏心回転するマグネット３８の角度位置を検出し、成膜制御装置１２４に接続されている位置検出センサ１４６が設けられている。位置検出センサ１４６は、偏心回転中のマグネット３８が真空チャンバー１２内の所定の位置を通過したときに該マグネット３８を検出し、その検出タイミングに検出信号を成膜制御装置１２４に出力する。
【００６１】
マグネット３８（加えてヨーク４０）の偏心回転について、図７を参照しながら説明する。
【００６２】
図７は、マグネットの偏心回転によってターゲット材上を変位するエロージョンを示している。
【００６３】
図７に示すように、マグネット３８が偏心回転することにより、エロージョンＥがターゲット材Ｔ上を周回するように変位する。クロスハッチングは、現在のエロージョンＥを示しており、このとき、マグネット３８は、偏心回転中心に対して９０度の角度位置に存在する（マグネット３８が位置検出センサ１４６によって検出される角度位置を０度とする）。破線は、マグネット３８が、０度、１８０度、２７０度それぞれに位置するときのエロージョンＥの位置を示している。
【００６４】
図７に示すように、マグネット３８の偏心回転によってエロージョンＥが変位することにより、ターゲット材Ｔは、局所的に消耗せずに、全体にわたって一様に消耗する。これにより、ターゲット材Ｔ全体を、効率的にパルススパッタに使用することができる。
【００６５】
また、マグネット３８が偏心回転することにより、真空チャンバー１２内の内部環境が周期的に変化する、すなわち真空チャンバー１２の空きスペースの形状が周期的に変化する。それにより、ガスの流れが周期的に変化するなどプラズマ放電環境が周期的に変化する。
【００６６】
図８は、マグネットの角度位置とプラズマの放電電圧との関係を示している。
【００６７】
図８に示すように、マグネット３８の角度位置の周期的な変化に同期してプラズマが着火する放電電圧も周期的に変化する。その結果、放電しやすい状態（放電電圧が低い状態）と放電しにくい状態（放電電圧が高い状態）とが交互に発生する。
【００６８】
したがって、マグネット３８の角度位置が異なるときに直流電源１４をＯＮにすると（直流電流の出力を開始すると）、そのＯＮタイミングからプラズマが着火するタイミングまでの時間が異なり、その結果、上述したように所定のパルス電流の検出タイミング（プラズマ放電開始タイミング）からの積算電力に基づいて膜厚を制御しても、その膜厚にバラツキが生じうる。
【００６９】
図９は、本実施の形態２に係るスパッタ装置における、パルス出力、直流電源、御アルス電流、平均電力、および積算電力の関係を示すタイミング図である。
【００７０】
図９に示すように、直流電源１４がオン状態になる前に、パルス化ユニット１６がパルス出力を開始する。このとき、ターゲット材Ｔにはパルス電流が出力されていない状態である。
【００７１】
次に、回転制御装置１４４が回転装置１４２を制御し、マグネット３８を一定の回転速度で偏心回転させる。これにより、マグネット３８の角度位置が周期的に変化する。
【００７２】
位置検出センサ１４６によって角度位置がゼロであるマグネット３８が検出されたタイミングに、成膜制御装置１２４によって直流電源１４がＯＮ状態にされ、直流電流の出力を開始する。これにより、パルス電流がターゲット材Ｔに出力され始める。電流計１８は、直流電源１４からパルス化ユニット１６に流れる電流を測定する。電源制御装置２０は、電流計１８によって測定された電流測定値と直流電源１４の出力電圧値から平均電力を算出し、その算出した平均電力を成膜制御装置１２４に出力する。
【００７３】
図９に示すように、パルス電流のターゲット材Ｔへの出力が開始されると、パルス検出器２２がパルス化ユニット１６からターゲット材Ｔに向かって流れるパルス電流を測定し始める。パルス検出器２２は、所定のしきい値を超える電流値を測定すると、プラズマ放電が起こり始める所定のパルス電流を検出したとして、プラズマ放電の開始を示す信号（プラズマ放電開始信号）を成膜制御装置１２４に出力する。
【００７４】
成膜制御装置１２４は、パルス検出器２２による所定のパルス電流の検出タイミング（プラズマ放電の開始タイミング）から、電源制御装置２０によって算出された平均電力の積算を開始する。成膜制御装置１２４は、所定の膜厚に対応する所定のしきい値Ｗｔに平均電力の積算値が達すると、成膜を終了させる。
【００７５】
図１０Ａは直流電源がＯＮされてからの経過時間と直流電源の出力電圧との関係を示す図であって、図１０Ｂは、図１０Ａに示す安定状態時における直流電圧の波形を示す図である。また、図１１Ａは直流電源がＯＮされてからの経過時間と電流計によって測定された電流との関係を示す図であって、図１１Ｂは、図１１Ａに示す安定状態時における電流の波形を示す図である。そして、図１２Ａは直流電源がＯＮされてからの経過時間と平均電力との関係を示す図であって、図１２Ｂは、図１２Ａに示す安定状態時における平均電力の波形を示す図である。
【００７６】
図１２Ａに示すように、直流電源１４がＯＮされた直後の平均電力の挙動は、上述の実施の形態１と同様である。平均電力が略安定状態（１０００Ｖ）であるときの直流電源１４の出力電圧波形は、図１０Ｂに示すように、マグネット３８の偏心回転に同期するプラズマの放電電圧の周期的な変化の影響を受けている。すなわち、マグネット３８の周期ｆと同様の周期で出力電圧が変動している。同様に、図１１Ｂに示すように、電流計１８によって測定される電流も変動している。その結果、図１２Ｂに示すように、電源制御装置２０によって電流計１８の測定電流に基づいて直流電源１４の出力電圧をフィードバック制御することにより一定に維持されている平均電力も、変動幅は小さいものの変動している。
【００７７】
なお、本実施の形態２の場合、パルス検出器２２のパルス測定周期は、マグネット３８の回転周期の１／２以下にするのが望ましい。これにより、マグネット３８の回転による電流および電圧の変化に対応することができる。例えば、マグネット３８の回転が２０ｒｐｍの場合にはその回転周期は３秒であるので、パルス測定周期は１．５秒以下が望ましい。
【００７８】
このような本実施の形態２によれば、偏心回転するマグネット３８がゼロ度の角度位置に存在するタイミングに、直流電源１４がＯＮされるので、プラズマの着火タイミングのバラツキが抑制される（異なる角度位置にマグネット３８が存在するときに直流電源１４がＯＮされる場合に比べて）。
【００７９】
したがって、マグネット３８が偏心回転していても、上述の実施の形態１と同様に、パルス検出器２２によってプラズマ放電が開始して実際に薄膜の堆積が開始されるタイミングを精度良く検出できる。また、その検出タイミングからの積算電力に基づいて膜厚制御することにより、安定した膜厚の薄膜を形成することができる。その結果、パルススパッタによって成膜される薄膜の膜厚についてバラツキを抑制することができる。
【００８０】
以上のように、本開示における技術の例示として、実施形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上述の技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【００８１】
また、上述の実施形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略等を行うことができる。
【００８２】
例えば、本開示の実施の形態は、成膜される基板とターゲット材とが上下方向に対向配置されるスパッタ装置に限らず、例えば基板とターゲット材とが水平方向に対向配置されたスパッタ装置にも適用可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１０    スパッタ装置
１２    真空チャンバー
１４    直流電源
１６    パルス化ユニット
１８    電流計
２０    電源制御装置
２２    パルス検出器
２４    成膜制御装置
Ｓ      基板
Ｔ      ターゲット材
【図１】
2019183235.tif 000003
【図２】
2019183235.tif 000004
【図３Ａ】
2019183235.tif 000005
【図３Ｂ】
2019183235.tif 000006
【図４Ａ】
2019183235.tif 000007
【図４Ｂ】
2019183235.tif 000008
【図４Ｃ】
2019183235.tif 000009
【図４Ｄ】
2019183235.tif 000010
【図５Ａ】
2019183235.tif 000011
【図５Ｂ】
2019183235.tif 000012
【図６】
2019183235.tif 000013
【図７】
2019183235.tif 000014
【図８】
2019183235.tif 000015
【図９】
2019183235.tif 000016
【図１０Ａ】
2019183235.tif 000017
【図１０Ｂ】
2019183235.tif 000018
【図１１Ａ】
2019183235.tif 000019
【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
2019183235.tif 000021
【図１２Ｂ】
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