(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クライオポンプで真空チャンバ内を排気するプラズマ処理装置でプラズマを発生させる方法であって、
該真空チャンバに第１ガスを流し、該真空チャンバ内の真空度を１〜９×１０−３Ｔｏｒｒにする第１ガス導入工程と、
該真空チャンバに流す第２ガスの導入経路に設けたバルブを０．１〜０．７秒間開放し、該真空チャンバ内の真空度を１〜５×１０−２Ｔｏｒｒにする第２ガス導入工程と、
該真空チャンバの真空度が１〜５×１０−２Ｔｏｒｒに到達した後に、該チャンバ内でプラズマ放電を発生させる放電工程とを備え、
更に、該第１ガス導入工程後、該第２ガス導入工程前に、該真空チャンバと該クライオポンプとの間の排気を制限する制限工程と、該放電工程後に、該排気を緩和する緩和工程とを含むことを特徴とするプラズマ発生方法。
【請求項２】
上記第２ガス導入工程が、第２ガスを導入した後に該第２ガスを遮断する工程を、少なくとも２回繰り返し、上記真空チャンバ内の真空度を段階的に変化させる段階的第２ガス導入工程であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生方法。
【請求項３】
上記段階的第２ガス導入工程が、第２ガス導入経路に、並列配置された少なくとも２以上のバルブを、順次、開閉して、該第２ガスを導入する工程であることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生方法。
【請求項４】
上記緩和工程は、上記真空チャンバの真空度が上記放電真空度に到達し、更に、該第２ガス導入前の真空度に戻った後に行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ発生方法。
【請求項５】
上記制限工程前の上記クライオポンプのクライオパネルの温度と、上記排気コンダクタンス緩和工程後の該クライオパネルの温度の差が、２度以内であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ発生方法。
【請求項６】
上記制限工程と、上記緩和工程が、上記真空チャンバと上記クライオポンプとの間に設けられた、オリフィスバルブの開閉、又はメインバルブの開閉により行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ発生方法。
【請求項７】
上記段階的第２ガス導入工程が、第２ガス導入経路に、並列配置された少なくとも２以上のバルブを、最大で０．３秒間ずつ、順次、開放する工程であることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生方法。
【請求項８】
上記プラズマ処理装置が、スパッタ装置であることを特徴とする請求項１〜７に記載のプラズマ発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クライオポンプで排気されたプラズマ処理装置でプラズマ放電を発生させる方法に関し、特に、スパッタ装置でプラズマ放電を発生させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタ装置等のプラズマ処理装置内でプラズマ放電を発生させるためには、プラズマ放電に寄与するためのガスを一定量以上、プラズマ処理装置内に導入することが必要となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、プラズマ処理装置内での残留ガスの影響を低減するためにオイルフリーのクライオポンプでプラズマ処理装置内を排気する装置では、プラズマ処理装置内に多量のガスを導入すると、クライオポンプの極低温クライオパネル（約１０数Ｋ）の表面に、導入された室温のガスが吸着することとなる。吸着したガスは、クライオパネルの温度を上昇させ、クライオパネル表面に吸着していたガスを気化させて、プラズマ処理装置の真空度を悪化させることとなっていた。
【０００４】
これに対して、発明者らは、プラズマ放電の発生機構について検討した結果、プラズマ放電の発生時に一定量以上のガスが存在すればプラズマ放電を発生させることができ、プラズマ放電が起きた後は、ガス量を減らしても安定したプラズマ放電が持続することを見出し、本発明を完成した。
【０００５】
即ち、本発明は、クライオポンプで真空チャンバを排気するスパッタ装置等のプラズマ処理装置において、クライオポンプのクライオパネルからの脱ガスを防止しつつプラズマ放電を起こさせる方法及びかかる方法に使用するプラズマ処理装置の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、クライオポンプで真空チャンバ内を排気するプラズマ処理装置でプラズマを発生させる方法であって、該真空チャンバに第１ガスを流し、該真空チャンバ内の真空度を１〜９×１０−３Ｔｏｒｒにする第１ガス導入工程と、該真空チャンバに流す第２ガスの導入経路に設けたバルブを０．１〜０．７秒間開放し、該真空チャンバ内の真空度を１〜５×１０−２Ｔｏｒｒにする第２ガス導入工程と、該真空チャンバの真空度が１〜５×１０−２Ｔｏｒｒに到達した後に、該チャンバ内でプラズマ放電を発生させる放電工程とを備え、更に、該第１ガス導入工程後、該第２ガス導入工程前に、該真空チャンバと該クライオポンプとの間の排気を制限する制限工程と、該放電工程後に、該排気を緩和する緩和工程とを含むことを特徴とするプラズマ発生方法である。
かかる方法を用いてプラズマ放電を開始することにより、プラズマ放電の発生に必要な量のガスを真空チャンバ内に導入しても、クライオポンプのクライオパネルの温度上昇を抑制することができ、クライオパネルからの脱ガスを抑えることができる。
この結果、例えばスパッタ装置に本発明を適用した場合、真空チャンバ内で作製する薄膜の膜質向上、成膜速度の安定化が可能となり、製造歩留まりを向上させることが可能となる。
また、同一真空チャンバ内に、複数の電極を有する成膜装置を用いて連続して複数の成膜を行う場合には、各成膜工程でのプラズマ発生時に脱ガスが殆ど起きないため、作製される薄膜の膜質向上、成膜速度の安定化が可能となる。
【０００７】
上記第２ガス導入工程は、第２ガスを導入した後に該第２ガスを遮断する工程を、少なくとも２回繰り返し、上記真空チャンバ内の真空度を段階的に変化させる段階的第２ガス導入工程であることが好ましい。
このように真空度を段階的に変化させることにより、真空チャンバの真空度を検知しながら第２ガスを導入することができる。このため、真空チャンバの真空度をプラズマ放電に必要な真空度に正確にコントロールすることができ、必要以上に真空チャンバの真空度を低下させることを防止できる。
【０００８】
上記段階的第２ガス導入工程は、第２ガス導入経路に、並列配置された少なくとも２以上のバルブを、順次、開閉して、該第２ガスを導入する工程であることが好ましい。
複数のバルブを用いることにより、各バルブの寿命を長くできるからである。
【０００９】
上記緩和工程は、上記真空チャンバの真空度が上記放電真空度に到達し、更に、該第２ガス導入前の真空度に戻った後に行われることが好ましい。
【００１０】
上記制限工程前の上記クライオポンプのクライオパネルの温度と、上記緩和工程後の該クライオパネルの温度の差は、２度以内であることが好ましい。
クライオパネルの温度変化を２Ｋ以下とすることにより、クライオパネルからの脱ガスを殆ど問題とならない程度に抑えることができるからである。
【００１１】
上記制限工程と、上記緩和工程は、上記真空チャンバと上記クライオポンプとの間に設けられた、オリフィスバルブの開閉、又はメインバルブの開閉により行われることが好ましい。
【００１２】
上記段階的第２ガス導入工程は、第２ガス導入経路に、並列配置された少なくとも２以上のバルブを、最大で０．３秒間ずつ、順次、開放する工程であることが好ましい。
【００１３】
上記プラズマ処理装置は、スパッタ装置であることが好ましい。特に、スパッタ装置では、クライオパネルからの脱ガスが、形成した薄膜の膜質に大きく影響するからである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１について、図１、図３を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態１にかかるプラズマ放電プロセスの概略図である。図には、上から順に、瞬時導入ガス遮断バルブの動作、電源パワーの動作、チャンバの真空度、オリフィスバルブの動作が示されている。横軸は時間である。
２０は、プラズマ放電に必要な流量のＡｒガスを導入する瞬時導入ガス遮断バルブの動作であり、パルス状に上に上がっている部分が、バルブが開いた状態を表し、他の部分は閉じた状態を表す。２１は、電源パワーの動作であり、上に上がった部分が、電源パワーが投入された状態を表し、他の部分は電源パワーがオフに状態を表す。２２は真空度であり、上ほど低真空となる。２４はオリフィスバルブの動作である。上に上がった部分が、コンダクタンスの大きい開度設定１（コンダクタンス：３８０１／ｓｅｃ）、下に下がった部分が、コンダクタンスの小さい開度設定２（コンダクタンス：３０ｌ／ｓｅｃ）を示す。オリフィスバルブの口径は、１２インチである。
【００１５】
図３は、本実施の形態にかかる方法に使用したマグネトロンスパッタ装置の概略図である。図３のマグネトロンスパッタ装置では、チャンバ８内に、平板ターゲット２とスパッタ膜が形成される基板１とが、略平行に配置されている。平板ターゲット２の裏面には磁石３が設けられ、磁場４が形成されている。平板ターゲット２の周囲には、平板ターゲット２以外での放電を防止するアースシールド５が設けられ、平板ターゲット２の下部には、電源１１に接続された電極１０が設けられている。
チャンバ８には、流量測定用のマスフローコントローラ６と、流量制御用のバルブ７を通って、Ａｒガスが導入される。固定バルブ１２、ガス導入遮断バルブ１３は、プラズマ放電発生時のみ多量のＡｒガスを導入するために設けられている。
チャンバ８は、クライオポンプ９により高真空に排気され、チャンバ８とクライオポンプ９との間には、メインバルブ１４と排気量調整用のオリフィスバルブ１５とが設けられている。ここでは、オリフィスバルブ１５は、上述のように、コンダクタンスの大きい開度設定１と、コンダクタンスの小さい開度設定２とを選択して設定することができる。
【００１６】
本実施の形態にかかる方法について、図１のプロセス図と、図３のスパッタ装置とを参照しながら説明する。
かかる方法では、まず、チャンバ８内に、基板１をセットした状態で、チャンバ８内を、例えば１０−６Ｔｏｒｒ台の高真空に排気する。かかる状態では、オリフィスバルブ１５は、標準位置、即ち、開度設定１（排気コンダクタンスが大きい位置）の位置に設定されている。
【００１７】
次に、マスフローコントローラ６を介して、８０ｓｃｃｍ／ｍｉｎ．の流量のＡｒガスをチャンバ８内に導入する。Ａｒの流量が安定し、チャンバ８の真空度が約５×１０−３Ｔｏｒｒに安定した時点（図１の２６）で、オリフィスバルブ１５を開度設定２（排気コンダクタンスが小さい位置）にする。
【００１８】
次に、真空度が安定した状態（図１の２７）で、Ａｒガス瞬時導入ガス遮断バルブ１３を０．４〜０．７秒間開けて、チャンバ８内にＡｒガスを導入する。図１では、２０が、上の状態にパルス状に上がった部分が、Ａｒガス瞬時導入ガス遮断バルブ１３を開いた状態である。この結果、図１の２２に示すように、真空度は急激に低くなった後に、例えば、約４×１０−２Ｔｏｒｒで安定する。このように、チャンバ８の真空度を約１〜５×１０−２Ｔｏｒｒ程度とすることにより、プラズマ放電の発生が可能となる。
【００１９】
次に、チャンバ８の真空度が略安定した状態（図１の２８）で、電源１１をオン状態にし、電極１０に所定の電圧を印加する。かかる状態では、チャンバ８内で磁界とこれに直交する電界とが発生し、Ａｒガスが放電してプラズマ放電状態となる。プラズマ放電状態では、瞬時導入ガス遮断バルブ１３は既に閉じられているため、チャンバ８の真空度は次第に高真空に移り、瞬時導入ガス遮断バルブ１３を開く前の真空度に近づく。このように、真空度が高くなっても、一旦、プラズマ放電を起こしてプラズマ放電状態となったＡｒガスは、そのまま放電状態を維持することができる。
【００２０】
次に、チャンバ８の真空度が、ほぼ、瞬時導入ガス遮断バルブ１３を開く前の真空度になり安定した状態（図１の２９）で、オリフィスバルブ１５を開度設定１の位置に戻す。この結果、安定したプラズマ放電を維持しながら、真空度は約４×１０−２Ｔｏｒｒで安定する。
かかるプラズマ放電状態では、磁場４に閉じ込められた高密度のＡｒプラズマが発生しており、プラズマ中のＡｒイオンがターゲット２に衝突することによりターゲット２をスパッタし、対向して設けられた基板１の表面に付着させ、薄膜１６が形成される。
【００２１】
このように、Ａｒガスを放電させてプラズマを発生させるためには、プラズマが安定放電している状態よりも多量のＡｒガスをチャンバ８中に供給した状態で、所定の電圧を印加しなければならないが、本実施の形態にかかるプロセスを用いてプラズマ放電させることにより、多量のＡｒを導入してもクライオポンプ９のクライオパネルに多量のＡｒガスが吸着することを防止できる。即ち、本実施の形態にかかるプロセスでは、多量のＡｒガスを導入する時に、チャンバ８とクライオポンプ９との間のオリフィスバルブ１４を、排気コンダクタンスが小さい開度設定２の位置に設定することにより、クライオポンプ９へのＡｒガスの到達を制限して、クライオパネルへのＡｒガスの吸着を低減することができる。
この結果、プラズマ放電を発生させる間のクライオパネルの温度上昇は、約１Ｋに抑えることができ、クライオパネルの温度上昇にともなう、クライオパネルからの脱ガスを抑制することが可能となる。クライオパネルの温度上昇は、約２Ｋ以下に抑えれば、クライオパネルからの脱ガスは問題とならない。
【００２２】
なお、本実施の形態では、チャンバ８とクライオポンプ９の間のコンダクタンスを、オリフィスバルブ１５を用いて調整したが、メインバルブ１４の開閉を利用して調整することも可能である。この場合には、メインバルブ１４の開閉速度を標準速度より速く設定することが必要である。
【００２３】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２について、図２を参照しながら説明する。
図２は、本発明の実施の形態１にかかるプラズマ放電プロセスの概略図である。図には、上から順に、瞬時導入ガス遮断バルブの動作と、チャンバの真空度とが示されている。電源パワーの動作、及びオリフィスバルブの動作は、図１に示す実施の形態１のプロセスと同じである。横軸は時間である。
また、プラズマを発生させるマグネトロンスパッタ装置には、実施の形態１と同様に、図３に示すマグネトロンスパッタ装置を用いた。
【００２４】
本実施の形態にかかるプラズマ放電方法は、上述の実施の形態１プロセス中の、Ａｒガスの導入方法に変更を加えたものである。即ち、実施の形態１では、瞬時導入ガス遮断バルブ１３を０．４〜０．７秒間開いて、多量のＡｒガスを導入しているが、本実施の形態ではバルブで数回に分けて小刻みに開いてＡｒガスを導入している。
【００２５】
図２において、２０は瞬時導入ガス遮断バルブ１３の状態である。上に上がっている部分が、バルブが開いた状態を表し、他の部分は閉じた状態を表す。バルブを開く時間は、１回につき０．３秒以内である。
また、２２は、チャンバ８の真空度であり、３０に示す部分を縦方向に拡大したものが、３１から３６に示されている。
【００２６】
図２から明らかなように、本実施の形態では、瞬時導入ガス遮断バルブ１３を数回に分けて小刻みに開いてＡｒガスを導入しているため、チャンバ８内の真空度も２２の拡大図に示すように段階的に低くなる。
この結果、チャンバ８の真空度を検知しながら、瞬時導入ガス遮断バルブ１３の開放回数を変えることにより、チャンバ８の真空度を、プラズマ放電に必要な真空度に正確にコントロールすることが可能となり、必要以上にチャンバ８の真空度を低下させることを防止できる。
従って、クライオポンプ９には、必要以上のＡｒガスが導入されることがなく、クライオポンプ９のクライオパネルへのＡｒの吸着を最小限に抑え、クライオパネルの温度上昇を抑制できる。
【００２７】
図４は、本実施の形態２に使用するマグネトロンスパッタ装置の概略図である。かかるマグネトロンスパッタ装置は、図３に示すマグネトロンスパッタ装置の瞬時導入ガス遮断バルブ１３に改良を加えたものである。図３では、１つである瞬時導入ガス遮断バルブ１３を、図中、１３ａ、１３ｂ等で示すように、Ａｒガス導入配管に対して並列となるように複数配置している。
本実施の形態２にかかる方法では、１回のプラズマ放電を発生させるために、複数回の瞬時導入ガス遮断バルブ１３の開閉が必要であるため、瞬時導入ガス遮断バルブ１３の消耗が問題となる場合もある。
従って、図４のように、並列配置された複数の瞬時導入ガス遮断バルブ１３ａ等を設けて、これらを例えば、１３ａ、１３ｂ、１３ｃと順番に開閉すれば、１つの瞬時導入ガス遮断バルブの開閉回数を減らすことができ、瞬時導入ガス遮断バルブの寿命を長くすることができる。
【００２８】
なお、実施の形態１、２では、マグネトロンスパッタ装置について説明したが、高周波スパッタ装置等の他のスパッタ装置にも、本発明を適用することができる。また、スパッタ用ターゲットには、平板ターゲット以外のターゲットも使用でき、スパッタガスにも、Ｎ２等他のガスを使用することもできる。更には、本実施の形態１、２では、オリフィスバルブの開度設定を２通りとしたが、２通り以上であれば、更に多くの状態に設定しても構わない。
【００２９】
比較例．
図５は、プラズマ放電プロセスの比較例である。オリフィスバルブ１５の設定を、コンダクタンスの小さい開度設定１（コンダクタンス：３８０１／ｓｅｃ）の状態に固定する以外は、上述の実施の形態１と同一の条件でプラズマを発生させた。
この比較例では、瞬時導入ガス遮断バルブ１３を開けてＡｒガスを導入した場合、クライオポンプ９のクライオパネルに多量のＡｒガスが吸着し、クライオパネルの温度が約１０Ｋ程度上昇した。
このため、クライオパネルの表面に予め吸着していたＡｒ固体の表面に、暖かいＡｒガスが吸着した。この結果、温度差に起因する熱応力によりＡｒ固体がクライオパネル表面から剥離してＡｒ固体の温度が急激に上昇し気化することにより、チャンバ８内の真空度が急激に低くなった。
かかる真空度の低下は、特に、同一チャンバ内に複数の電極を設けて複数回スパッタする場合に、１つのスパッタ終了後にチャンバ８内を高真空に排気するのに長時間を必要とする。また、クライオパネルから放出されたガスの混入により、スパッタで形成した薄膜の膜質の劣化、スパッタ速度の不安定化を招くことともなった。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる方法を用いることにより、プラズマ放電発生時のクライオパネルからの脱ガスを低減することができる。
この結果、スパッタ装置で作製する薄膜の膜質の向上、成膜速度の安定化が可能となり、製造歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１にかかるプラズマ放電プロセスの概略図である。
【図２】  本発明の実施の形態２にかかるプラズマ放電プロセスの概略図である。
【図３】  本発明の実施の形態１に使用するマグネトロンスパッタ装置の概略図である。
【図４】  本発明の実施の形態２に使用するマグネトロンスパッタ装置の概略図である。
【図５】  従来方法にかかるプラズマ放電プロセスの概略図である。
【符号の説明】
１...基板、２...ターゲット、３...磁石、４...磁場、５...アースシールド、６...マスフローコントローラ、７...バルブ、８...固定バルブ、９...クライオポンプ、１０...電極、１１...電源、１２...固定バルブ、１３...瞬時ガス導入遮断バルブ、１４...メインバルブ、１５...オリフィスバルブ、１６...薄膜、２０...瞬時導入ガス遮断バルブの動作、２１...電源パワー、２２...真空度、２４...オリフィスバルブの動作。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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