JP2854130B2 - スパッタリングにより基板を被覆するための装置 - Google Patents

スパッタリングにより基板を被覆するための装置

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明はスパッタリングにより基板を被覆する為の
装置に関する。この装置は真空排気されるチャンバから
なり、基板に加えて少くとも１個の陰極と１個の陽極を
各々有している。さらに、制御ユニットを有しており、
陽極もしくはチャンバの内壁に対して負の関係にある電
位を陰極に供給するとともに、チャンバの内壁に対して
正の関係にある電位を陽極に供給する。該チャンバはさ
らに、特定の気体を導入する為のガスインレット及び排
気を行なうためのガスアウトレットとを具備している。
かかる構成により、陽極及び必要な場合には追加の構成
要素によりチャンバ内におけるイオン化が行なわれる。
この種の装置は、例えば窓ガラスを被覆処理して紫外
線遮断フィルタを形成するのに用いられている。極めて
薄い層を非常に平坦に基板に対して堆積する事ができる
ので、被覆材料を大変効率的に利用できるとともに、陰
極あるいは陰極スクリーンを交換する事により極めて簡
単に被覆材料を変える事ができる。
被覆処理は以下の様に行なわれる。即ち、強力に排気
されたチャンバの内部には、例えば一定の濃度を有する
アルゴンガスが保持されている。チャンバには陽極と陰
極が備えられている。この陰極はスパッタ処理を施され
る基板を支持するとともに、いわゆるマグネトロン場の
届く範囲に位置する。このマグネトロン場は一定の磁場
に直交する電場からなる場である。この様な状態下にあ
ってプラズマとなっているアルゴンのイオンは、高速で
陰極に保持された被覆材料の表面に衝突する。この表面
を叩く事により、イオン化されたものを含む被覆材料の
気体粒子が放出される。この気体粒子は基板の負電荷に
よって吸着され且つ堆積される。この処理は一般的にグ
ロー放電を伴なう。
窓ガラスの様な通常の部品を被覆する場合において、
かなりの高品質で通常の被覆処理を行なう為には面状の
陰極を用いれば良い。しかしながら、基板が異形状であ
る場合には困難が生ずる。陰極から離れた基板領域は多
孔質の被覆膜になるので、後により好条件の下で被覆処
理を続けた場合例えば基板の姿勢を変えて被覆処理を行
なった場合、高品質の層が剥離してしまう。従って、多
孔性の堆積は避けなければならない。かかる困難性に鑑
み、従来の装置は通常の平坦な表面を有する基板に対し
てのみ用いられていた。
本発明は、最初に説明された種類の装置を改良する事
を目的とし、異形状の基板に対しても被覆処理を可能と
するものである。即ち、基板全面に対して強固に固着す
る高品質の被覆膜を得る事を目的とする。この目的を達
成するために、本発明においては、陽極がスクリーンに
よって部分的に遮閉されており、且つこのスクリーンは
電気的に導電性である。
我々の驚くべき発見によれば、金属製のスクリーンを
用いる事によってチャンバ全体に渡って相当程度イオン
化の度合を向上できる。平衡状態下においては、電気的
に導電性を有する特に金属製のスクリーンはそれ自身所
定の電位を有する。あるいは、スクリーンはチャンバの
内壁に対して電気的に接続されており、制御された電位
を有する。即ち、チャンバの内壁に等しい電位を有す
る。
陽極の実効面積は陰極の性能に従って選択される。こ
の陽極の実効面積とは、例えばスクリーンによって覆わ
れていない部分の面積を意味する。あるいは、電界によ
って制限されている通路経路を介して実効的になってい
る陽極の面積を意味する。実効面積の範囲は特に10mm2/
kwから250mm2/kwである。実際の数値は圧力のレベル、
ガスの組成、基板と陰極との間の距離、及びチャンバ内
温度に依存している。この様な制御の下に得られるチャ
ンバ内のイオン化現象は特別の効果をもたらし、実際の
被覆領域の外側に存在する面は恒常的なイオンの衝撃に
曝らされ不完全に堆積された層及び構造は所謂エッチン
グ即ち例えばアルゴンイオンの照射によって除去され
る。この除去と堆積との間には均衡を保つ必要があり、
被覆領域における一般的に高濃度のイオンによる除去レ
ートが堆積レートよりも低くなければならず、一方被覆
されるべき表面の永久的な清浄化が行なわなければなら
ない。本発明に従って陽極を設計する事により、かかる
高濃度のイオンを得る事ができる。この高濃度イオン
は、陽極と陰極との間に主たる電位を確立するととも
に、陽極とチャンバの内壁との間により低い電圧及び作
用を有する補助的な電位を確立する事により生成保持さ
れる。
この補助的な電位は陽極とチャンバ内壁との間に配置
される別の電圧源によって形成する事ができる。あるい
は、可変抵抗もしくは陽極及び陰極に連なる配線に取り
付けられた可変抵抗の中央接点を介して、陰極及び陽極
を各々チャンバ内壁に接続する事により、かかる補助的
な電位を形成する事も可能である。
チャンバの内部に面している陽極又はアノードの先端
部分を直接スクリーンが遮閉している構造の場合には、
実効的なアノード面に堆積される層の影響により、アノ
ードとスクリーンとの間の距離が減少する危険がある。
仮に、この距離がかなり小さくなると、アノードとスク
リーンとの間に直接的な放電が生じる。即ち、破壊的な
放電が生じ、短時間ではあるが電位の均衡が崩れるので
被覆処理に悪影響を与える。
発明の発展過程において明らかになったところによれ
ば、このスクリーンはチューブ状に形成され、好ましく
は円筒状に形成された陽極又はアノードの周囲を囲む様
に同軸的に配置される。
我々の発見によると、驚くべき事に、アノード先端面
の遮閉状態が光学的に変わらないにも関わらず、アノー
ドに対するチューブ型スクリーンの相対的位置を変化さ
せると、異なった実効的なアノード面を得る事ができ
る。チューブ型のスクリーン内において、プラズマが限
定され、実効的なアノード面は連続的に小さくなる。た
とえ、同一の面積を有するアノードがチャンバ内部に面
していてもである。
通常のアパーチャ型スクリーンを用いた場合には、こ
のスクリーンと陽極との間の距離を徐々に増加させてい
くとともに、スクリーン及び／又は陽極の清浄を定期的
に行なう必要がある。その反面、堆積された層による距
離の接近あるいは少くともチューブ状のスクリーンを用
いた時生じる距離の接近の様なものは生じない。それ
故、清浄化処理は相当程度長い操作期間が経過した後に
行なえばよい。アパーチャ型のスクリーンあるいはチュ
ーブ状のスクリーンを用いたどちらの場合においても、
スクリーンが定常的に強力なイオン照射に曝らされるの
で、スクリーンの効果的な冷却が必要である。
通常、実効的な陽極面は固定されている。しかしなが
ら、複雑な基板を被覆する場合には、被覆すべき面と陰
極との間の距離が例えば回転テーブルを用いる事により
処理操作中に変化するので、実効的な陽極面を調節する
必要がある。本発明においては、ベローを用いてチャン
バ壁から陽極あるいはスクリーンを密閉する様にしても
よい。これにより、操作中チャンバの外側からかかる調
節を行なう事が可能となる。
物理気相成長処理により超硬物質をドリルの刃等の基
板に被覆する場合がある。この超硬物質は、例えば、２
つの金属元素（アルミニウム又はチタン）と、追加の窒
素と、安定化の為に少量添加された例えばジルコンある
いはバナジンとを含んでいる。この場合には、勿論チャ
ンバ内壁も被覆される。この被覆は無視し得ないもので
あり、粉末を発生させたり、あるいは処理チャンバの中
の粉末の原因ともなる。仮に、無駄な被膜が多孔的且つ
非均一にチャンバ内壁に成長した場合には、より大きな
粒子が剥離し不純物として基板表面に付着する危険性が
ある。この様な理由により、チャンバ内壁面は定期的に
特にブラストを用いて清掃しなければならない。しかし
ながら、仮にチャンバ内壁部分に付着した被膜が高品質
のものであれば、チャンバ内壁を構成する部品の清掃回
数は、多孔質の構造を有する被膜の場合に比べて３分の
１程度に減らす事が可能である。
そこで、我々の発見したところによれば、既に述べた
補助的な電位を陽極とチャンバ内壁との間で少くとも約
80ボルトに調節するとともに、好ましくは陽極と陰極と
の間の主たる電位を約500ボルトに保つ事により、超硬
物質の被覆処理を行なう間、無駄ではあるが高品質の保
護膜がチャンバ内壁に成長し、粉末の発生を防止でき
る。測定したところによれば、超硬物質系の構成要素を
含むイオンの雲からなるプラズマとチャンバ内壁との間
には少くとも40ボルトの電位差が表れる。あるいは、本
発明によれば、粉末の発生を防止し且つチャンバ内壁に
対する多孔質の被膜の成長を防止する為に、これら電位
を適当に設定する事により、無駄あるいは余分な被膜の
密着性を高め且つ粉の発生を少くする事ができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例をより詳細に
説明する。
第１図は、本発明の第１の実施例を示し、陽極に沿っ
た模式的断面図を示している。
第２図は、本発明にかかる他の実施例の断面図を示
す。
第３図は、本発明にかかる装置のチャンバの電源シス
テムの線図である。
第４図は、電源システムの変形例を示す線図である。
第５図は、電源システムのさらに別の変形例を示す線
図である。
第１図に示す様に、陽極１は容器壁２又はチャンバ壁
に設けられた開口に挿入されている。この容器壁２は基
板を被覆する為の実際の装置を構成する。かかる装置の
例は、例えばドイツ実用新案登録出願G 8804889.6に開
示されている。陽極は円筒形状であり、閉じた先端壁を
有するとともに、絶縁体３によって囲まれている。この
絶縁体３はチューブ状のスクリーン４によってさらに囲
まれている。このチューブ状のスクリーン４は気密状態
で外側から容器壁２に螺合している。なお、この容器壁
２は図面上では部分的に示されている。陽極１はシール
リング９によって外部から気密封止されている。このシ
ールリング９は蓋部材８によって完全に密着接触する様
に押圧されている。この蓋部材８はチューブ状のスクリ
ーン４のフランジ部に対して螺合している。なお、この
チューブ状のスクリーン４は図面上においては部分的に
示されている。この陽極１は、それ故、チャンバ内から
離れた外面において、外側から取り扱い可能である。こ
の部分には、筒状の管10が配置されており冷却水の為の
取入れ口と取出し口を構成する。さらに別の冷却系がチ
ューブ状のスクリーン４に設けられている。即ち、冷却
経路７であり、注入及び流出の為の管を介して例えば冷
却水等を通す様にしている。第１図においては、１個の
経路のみが点線によって示されている。
例えば、ポリテトラフルオロエチレンからなる絶縁体
３はチャンバ内に面する側に配置された保護リング５に
よって保護されている。このリング５は耐腐食性の鋼鉄
からできている。この場所には、さらに別のシールリン
グ６が配置されており、チューブ状のスクリーン４と絶
縁体３との間の気密性を保持する。
このチューブ状のスクリーン４は好ましくは銅からな
り、非常に優れた熱伝導性を有している。それ故、冷却
経路７は、チャンバ内側から離間した場所に設けても十
分である。図から明らかな様に、もし必要であれば、チ
ューブ状のスクリーン４の冷却系はよりチャンバ内側に
近く設計する事もできる。チューブ状のスクリーンの材
料としては耐腐食性の鋼鉄でもよいが、冷却の特に必要
とされない金属被覆されたセラミック材料を用いる事も
できる。
図から明瞭に理解される様に、一時的に蓋部材８を緩
める事によりシールリング９の接触圧力を緩やかにすれ
ば軸方向に対して陽極又はアノード１を自由に調節する
事ができる。アノード１の深さ方向調節により、実効的
な陽極面積が影響を受ける。陽極１を後退させればさせ
るほど、実効的な陽極面はより小さくなる。ただし、図
に示す位置から前進しても、実効面の増加は生じない。
後退により実効面が減少するのは、電位の影響によりチ
ューブ状のスクリーン４の領域におけるプラズマが減少
する為である。
第２図に、本発明の他の実施例にかかる陽極22の構造
を示す。この陽極22の実効面積はアパーチャ板24に設け
られたアパーチャの寸法によって決まる。陽極22とアパ
ーチャ板24は導管23及び25によって水冷される。第２図
に示す構造は、外部から操作する事ができないチャンバ
に対して用いられる。その為、導管は容器壁の適当な個
所から取り出されなければならない。
同様に、陽極22はポリテトラフルオロエチレンからな
る絶縁体21によって、アパーチャ板24及びハウジング20
から絶縁されている。このハウジング20は陽極22の全体
を囲っている。陽極22とアパーチャ板24とが互いに対面
している個所において、連続動作の結果層の成長が生じ
る。この層成長はこの個所に破壊的な放電をもたらす。
その為、定期的に清浄処理を行なう必要がある。アパー
チャ板24が陽極22に対して距離的に移動可能である時に
は、清浄化処理を行なう間隔を大きくする事ができる。
この破壊的な放電が生ずる危険性に応じて、距離を増大
させる事ができるからである。
第３図ないし第５図に、本発明にかかる装置の電源シ
ステムの例を示す。陽極30と陰極31は模式的に示されて
おり、陽極30は部分的にアパーチャ板37によって覆われ
ている。実際の装置においては、図示しない基板が陰極
31の正面近くに置かれる。回転テーブルあるいは回転機
構を用いて、陰極31に対する基板の姿勢を変える事がで
きる様にしている。陰極31は通常調節可能な状態でチャ
ンバ内部に保持されている。
第３図に示す実施例においては、陽極30と陰極31との
間に主たる電位を発生させる為の主制御装置32が備えら
れている。さらに、補助的な制御装置34によって、より
小さな電圧及び作用を有する補助的な電位が陽極30とチ
ャンバの内壁36との間に保持されている。勿論、これら
の制御ユニット32及び34は、チャンバの中に配置されて
いるのでは無く、電源及び制御システムの部品である。
なお、配線33と35はチャンバ壁を介してこれらのユニッ
トに結線されている。
第４図及び第５図に示されている実施例においては、
切換え機構を用いて第３図の実施例と同様な電位を発生
させている。これらの実施例は異なった方法により電位
を発生させている。
第４図に示す実施例においては、電圧源32に対して並
列に可変抵抗40が接続されている。この可変抵抗40の中
央接点41はチャンバの内壁36に接続されている。導線35
がチャンバの内壁36からアパーチャ板37に接続されてい
る。従って、補助的な電位が陽極30とチャンバの内壁36
との間に表われ、イオン化効率を高めている。
第５図に示す実施例においては、可変抵抗50及び51が
各々導線33に接続されている。又、これら可変抵抗の他
端は導線52を介してチャンバの内壁36に接続されてい
る。点線で囲まれた部分が、これら可変抵抗50及び51と
電圧源32からなるユニットを示しており、チャンバの外
側において適当な個所に設置される。
当然の様に、チャンバの内壁36に表われる負電位によ
って、アルゴンイオンは中性化される。即ち、分子に戻
される。しかしながら、この負電位によって反発される
電子の数は非常に多く且つエネルギーに富んでいるの
で、内壁36に吸着され且つ中性化されるイオンよりも多
くのイオンが、これら電子によりアルゴン分子を叩く事
により生成される。この様にして、陽極に加えられる高
い正電位、陰極に加えられる高い負電位及びチャンバの
内壁36に加えられる有効な負電位によって所望の強力な
イオン化効率を得る事ができる。調節された陰極の作用
と関連した本発明にかかる陽極の構造により、チャンバ
内に強力なイオン化を起こす事ができる。その為、陰極
31に対面する基板の部分は完全に被覆される。一方、陰
極31と反対の部分はエッチングにより恒久的に清浄化さ
れる。この清浄化処理は後に行なわれる被覆処理に対し
て非常に良好な前処理となる。例えば、陰極31を動かし
た後あるいは基板の姿勢を変えた後、清浄化された表面
に対して被覆処理を行なう事ができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少くとも１個の陰極、１個の陽極及び基板
    を収納している排気可能なチャンバと、陽極あるいはチ
    ャンバの内壁に関して相対的に負の電位を陰極に供給す
    るとともにチャンバの内壁に関して相対的に正の電位を
    陽極に供給する為の制御ユニットと、特定の気体を供給
    し且つ排出する為のガスインレット及びガスアウトレッ
    トを有しており、陽極及び必要な場合には他の部品によ
    りチャンバ内部にイオン化を生じさせる構造を備えた陰
    極スパッタリングにより基板を被覆する為の装置におい
    て、陽極（1,22）は部分的にスクリーン（4,24）によっ
    て覆われているとともに、該スクリーン（4,24）は電気
    的に導電性である事を特徴とする装置。
  2. 【請求項２】スクリーン（37）はチャンバの内壁（36）
    と同一の電位を有する事を特徴とする請求の範囲１に記
    載の装置。
  3. 【請求項３】スクリーン（4,24）は流体により冷却され
    ている事を特徴とする請求の範囲１又は２に記載の装
    置。
  4. 【請求項４】陽極（1,22）は先端が閉じられた円筒から
    なる事を特徴とする請求の範囲1,2又は３に記載の装
    置。
  5. 【請求項５】スクリーン（４）は陽極（１）を同軸的に
    囲んでいるチューブからなる事を特徴とする請求の範囲
    ４に記載の装置。
  6. 【請求項６】チューブ（４）の位置は軸方向に関し陽極
    （１）に対して相対的に調節可能である事を特徴とする
    請求の範囲５に記載の装置。
  7. 【請求項７】チューブ（４）はフランジを有しており、
    このフランジはチャンバに形成された開口を囲むととも
    にチャンバ（２）に対して固定されている事を特徴とす
    る請求の範囲５又は６に記載の装置。
  8. 【請求項８】陽極（１）は絶縁体（３）を介してチュー
    ブ（４）の中に配置されているとともに、陽極（１）は
    絶縁体（３）に対して気密封止されており、且つ絶縁体
    （３）はチューブ（４）に対して気密封止されている事
    を特徴とする請求の範囲７に記載の装置。
  9. 【請求項９】陽極（１）は動作中チューブ（４）に対し
    て移動可能である事を特徴とする請求の範囲6,7又は８
    に記載の装置。
  10. 【請求項１０】金属製のベローが陽極（１）と絶縁体
    （３）との間に設けられている事を特徴とする請求の範
    囲９に記載の装置。
  11. 【請求項１１】陽極の先端面とこの陽極に対面するスク
    リーン（24）の面との間の距離が調節可能である事を特
    徴とする請求の範囲1,2,3又は４に記載の装置。
  12. 【請求項１２】スクリーン（4,24）が銅、耐腐食性の鋼
    鉄あるいは金属被覆されたセラミックからなる事を特徴
    とする請求の範囲１ないし11に記載の装置。
  13. 【請求項１３】陽極（30）と陰極（31）との間に主たる
    電位が印加されるとともに、陽極（30）とチャンバの内
    壁（36）との間により低い電圧及び作用を有する補助的
    な電位が印加される事を特徴とする請求の範囲１ないし
    12に記載の装置。
  14. 【請求項１４】該補助的な電位の強さはチャンバの内壁
    （36）に堆積される被膜が良好な接着性を有する様に設
    定されている事を特徴とする請求の範囲13に記載の装
    置。
  15. 【請求項１５】陽極（30）とチャンバの内壁（36）との
    間に印加される補助的な電位は少くとも約80ボルトであ
    る事を特徴とする請求の範囲13に記載の装置。
  16. 【請求項１６】陽極（30）と陰極（31）との間に印加さ
    れる主たる電位は約500ボルトである事を特徴とする請
    求の範囲15に記載の装置。
  17. 【請求項１７】陰極（31）及び陽極（30）は、これら陰
    極及び陽極に各々導かれている２個の導線に接続されて
    いる可変抵抗（50,51）又は可変抵抗（40）の中央接点
    （41）を介してチャンバの内壁（36）に接続されてお
    り、補助的な電位を形成する様にしている事を特徴とす
    る請求の範囲13,14,15又は16に記載の装置。
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