JP3045752B2

JP3045752B2 - 薄膜スパツタリング方法および装置

Info

Publication number: JP3045752B2
Application number: JP2214892A
Authority: JP
Inventors: カドレックスタニスラフ; ムジルジンドリッヒ
Original assignee: ハウザーホールディングビーブイ
Priority date: 1989-08-14
Filing date: 1990-08-14
Publication date: 2000-05-29
Anticipated expiration: 2015-05-29
Also published as: CA2023092A1; EP0413291B1; JPH03193871A; SK277865B6; SK480489A3; CZ278295B6; DE69017555T2; DE69017555D1; EP0413291A2; CZ480489A3; EP0413291A3

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、ガス中のグロー放電の間中カソードの表面
から放出される粒子で基板上に薄膜をスパツタリングす
る薄膜スパツタリング方法および装置に関するものでか
つカソードから100ないし500mmの間隔に配置されるスパ
ツタリング層または薄膜の可能性で大容量の密度の濃い
同質のプラズマの形成を解決する。

［従来技術］カソードスパツタリングにより薄膜を被覆することは
他の方法、例えば蒸気による方法に対して、高い反復
性、任意の方向、例えば上から下へ被覆する層の可能性
において、さらに放出カソードからの混合物および合金
組成物の軽い搬送においてかつさらに他の利点において
卓越した公知の方法である。しかしながら、代表的なダ
イオードスパツタリングはグロー放電を保持するのに必
要な高いガス圧力のために不十分でかつ反応が遅い。そ
れゆえ、スパツタリング中の作動圧力の減少のため磁界
をどのように利用するかについて幾つかのモードが提案
されている。これらの装置は1939年のペニングの主要な
アメリカ合衆国特許第2,146,025号に基礎を置いてい
る。１つの解決はアメリカ合衆国特許第3,616,450号に
おいてジエイ・クラークによって提案された。この特許
によれば装置中の電子の通路は筒状中空アノードが軸方
向の磁界内に配置されかつ放出カソードが磁界の外部で
アノードと同軸に収容される中空シリンダの形において
形成されるような方法において細長くされる。より好結
果の解決は1975年のジエイ・エフ・コルバーニのアメリ
カ合衆国特許第3,876,085号および1979年のジエイ・エ
ス・チヤピンのアメリカ合衆国特許第4,166,018号によ
るマグネトロン放電であつた。これらの特許によれば、
磁界の磁力線の閉止トンネルが形成され、このトンネル
内の電子の通路が細長くされ、イオン化が増加されかつ
スパツタリングが加速される。また、1978年のニユーヨ
ークのアカデミツク・プレスによる「シン・フイルム・
プロセスイズ（薄膜方法）」の76ないし140ページのジ
エイ・エル・ヴオスンおよびダブリユー・カーンの発表
を参照することができる。

技術的に重要な層からなる列を被覆するために圧縮材
料と同時に基板上にまた適宜なエネルギ、例えば正イオ
ンを有する帯電粒子を持ち来す必要がある。この被覆方
法はイオン被覆と呼ばれスパツタリングによるよりすぐ
に蒸気により必要であつた。サンプルは1980年のモル等
のアメリカ合衆国特許第4,197,175号によれば電子ビー
ムにより蒸発している。マグネトロンスパツタリングの
間中のイオン被覆は1978年のビー・ゼガのアメリカ合衆
国特許第4,116,791号から公知である。基板は真空室に
対して負バイアスで供給される電極上に配置され、一方
マグネトロンカソードは基板に対して配置されかつ真空
室に対して負電圧で供給される。基板での電極のバイア
スはマグネトロン放電からイオンを抽出しかつイオン被
覆がそのように達成される。1984年のダブリユー・デイ
ー・ミユンツのアメリカ合衆国特許第4,426,267号によ
れば３次元物体を被覆するための方法および装置が保護
されている。この方法によれば、被覆するのに向けられ
る物体は２つのマグネトロンカソード間で動き、一方こ
れらのカソード間の空間において共通のグロー放電が発
生している。イオン被覆のために基板に負バイアスを供
給することができる。

マグネトロンスパツタリングの間中のイオン被覆の上
述した方法の欠点は基板のバイアスによつて抽出された
イオン化電流がマグネトロンのカソードからの基板の間
隔の増加間中降下しかつ通常カソードから20ないし50mm
の間隔においてイオン被覆のためには低過ぎる値に降下
する。また、カソード対間のプラズマはこれらのカソー
ドの大きな間隔で消滅する。それゆえ離れたまたは大型
の物体のイオン被覆について上述した方法を使用するこ
とができない。マグネトロンカソードからより大きな間
隔において、例えば、電子がそれからプラズマのノイオ
ン化のために抽出される中空カソード中のアーク放電に
よって、プラズマの密度を増加することができる。この
装置は1986年のジエイ・ジエイ・クオム等のアメリカ合
衆国特許第4,588,490号によって保護されている。しか
しながら、かかる解決は複雑でかつ装置全体の価格を上
昇する。

基板上に帯電された粒子の電流の一定の増加は「不平
衡」マグネトロンと呼ばれる平面マグネトロン型式の１
つにより観察される（ビー・ウインドーおよびエヌ・サ
ヴイデスによる1986年のJ.Vac.Sci.Technol.A4の196な
いし202ページ参照）。このマグネトロン型式において
カソードの前の放出カソード点の周部から放射する磁界
の幾らかの磁力線が互いに近接しかつより大きな間隔に
おいて再び互いに減少する。カソードの前の磁界に配置
された基板は代表的な「平衡」マグネトロンによるより
帯電された粒子によるより大きな衝突を受ける。

著作者エス・カドレツク、ジエイ・ムジルおよびダブ
リユー・デイー・ミユンツの著作権証明書（申請第8659
/88号）によれば２重側部保持の放電の印加により不平
衡マグネトロンによるより基板上により高いイオン化電
流を達成することができる。この装置においては基板と
ともにカソードに接触する強力な磁界が形成され、そし
てカソード、基板およびアノードとの間に生じる放電が
カソードおよび基板についての両方法によつて支持され
る。カソードと基板との間の保持空間に集中される磁界
の高い誘導が密度の濃いプラズマを保持するのを保証し
かつ基板に通常流れるイオン化電流の密度が通常ほぼ20
0mmの間隔まで増大するカソードの間隔により降下しな
いことを保証する。

不平衡マグネトロンおよび２重側部保持放電の欠点は
基板によるプラズマおよび基板上のイオン化電流の密度
が磁界の磁力線を横切る方向において十分に均質でない
ということである。その頂部で基板は必然的に磁界内に
直接置かれかつこの磁界がそれゆえ基板の磁気的特性に
影響される。したがつて実際には弱い磁性および強磁性
基板に関して同一装置を使用することができない。

例えば、Rev.Sci.Instrum.（1973年）44号726ページ
にアール・リンピーチヤー、ケー・アール・マツケンジ
ーによつて述べられたように、比較的密度の濃いかつ均
質のプラズマが多極磁界によつて保持されることができ
ることがプラズマ物理学の分野から公知である。プラズ
マは白熱しているカソードからの電子の放出によりかか
る装置に発生されかつ同時に交互の方向により室全体の
まわりに配置される永久磁石によつて形成される多極磁
界によつて保持された。目的は磁界が非常に低い中央部
分において高い空間均質性により安定したプラズマを検
査することであつた。

電子放出によるプラズマ発生の他に、ガス、例えばSF
₆を分解するためにマイクロ波の吸収および基板のエツ
チングのための該基板上のこの分解生成物の作用による
公知のプラズマ発生方法がある。ワイ・アルナル、ジエ
イ・ペレチエ、シー・ポモおよびエム・ピシヨの1984年
のフランス特許第2,547,961号、同第2,547,962号および
1986年の同第2,583,250号は、また、Appl.Phys.Iett.
（1984年）45号の132ページのワイ・アルナルの論文に
記載されたように、かかるマイクロ波発生放電をプラズ
マ作用の反応ガスの均質性を増大するためにより均質な
かつより感度の高いプラズマを、より均質な基の発生を
かつそれゆえエツチングの均質性および異方性の増大を
保持する多極に関連づけるかの方法および装置を保護し
ている。多極保持が上述した場合に使用される目的は、
結果として、直流グロー放電がアノードと放出された冷
却カソードとの間に生じる薄膜スパツタリングの間中イ
オン被覆のためにプラズマを保持すること以外の原則に
従っている。

［発明が解決しようとする課題］上記従来技術においては、それぞれの解決方法および
装置に関して個々に記載されたような問題点があつた。

本発明の目的は、上述した従来技術の問題点に鑑み
て、薄膜スパツタリングの間中基板上に密度の濃いかつ
均質なプラズマの作用を達成することができる薄膜スパ
ツタリング方法および装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］上記目的は、本発明によれば、上方にマグネトロン型
の磁界の磁力線が形成されかつ内部に磁界によつて保持
空間が画成される、基板、アノードおよびカソードを収
容する真空室内に保持された減圧下のガスまたはガス混
合物中のグロー放電の間中前記カソードの表面から放出
される粒子で前記基板上に薄膜をスパツタリングする薄
膜スパツタリング方法において、前記アノードおよび前
記真空室の壁がその外部に配置される、前記基板を収容
する保持空間が多極磁界の磁力線によつて画成され、一
方前記多極磁界が放出カソードの上方のマグネトロン型
の磁界の磁力線の閉止トンネルと接続され、そしてその
方向が正極から負極へかつその逆への保持空間の境界の
回数だけ変化しかつ保持空間の容積の境界からの方向に
おいて磁界の誘導が減少されそして保持磁界およびカソ
ードとアノードとの間に生じているグロー放電の相互作
用のために、前記保持空間に、その粒子が基板および薄
膜に衝突するプラズマが形成されかつおよび保持される
ことによつて解決される。

プラズマ保持条件、すなわちプラズマ保持度合を幾つ
かの方法において、すなわち、基板のまわりのプラズマ
の密度およびプラズマの帯電粒子のエネルギを変化す
る、保持多極磁界の強度および形状をアノードに関連し
ておよび／または室の壁に関連しておよび／またはカソ
ードに関連して変化することにより、さらにアノードと
保持空間を通過する補助電極との間に導かれる電圧の極
性および強度によつて変更することができる。帯電粒子
による基板の衝突を幾つかの方法において、すなわち、
基板のおよび／または該基板に成長する薄膜の表面がア
ノードの電位に関連して選択された電位に保持されるか
または基板および／または成長薄膜が漂遊電位で帯電さ
れ、プラズマ電位と漂遊電位との間の差のために前記基
板および／または成長薄膜が帯電粒子によつて衝突さ
れ、そのエネルギおよび密度がプラズマの保持度合、ガ
ス圧力およびスパツタリング放電の出力によつて制御さ
れるような方法において制御することができる。

上述した方法を実施するための装置はスパツタリング
源のカソード、基板を備えたホルダおよびアノードが配
置される真空室が存在し、一方該真空室の壁には作動ガ
スおよびポンプ出力の供給源があり、前記真空室の外部
には前記カソードとアノードとの間に接続される直流ま
たは高周波電圧源および磁界源が存在し、そのさい多極
保持磁界を形成するための磁界源が前記磁界源のグルー
プが１方向において同様な極を有しかつ反対方向に同様
な極を有する前記磁界源の隣接するグループと交替する
ように前記基板を収容する保持空間全体のまわりに収納
されることを特徴とする。磁界源は室内におよび／また
は該室の壁内におよび／または該室の外部におよび／ま
たはカソードの後ろに配置されることができ、一方前記
カソードの後ろに配置される磁界源グループは前記カソ
ードの表面の上方の磁界の磁力線の少なくとも１つの閉
止トンネルを形成するために同中心の閉止曲線内に配置
される。直流または高周波電圧U_Sの電圧源が基板のホル
ダとアノード（３）との間に接続されるかまたは基板の
ホルダが０から∞０までの任意の値の抵抗Ｒを横切って
アノードに電気的に接続される。磁界に関連してアノー
ドの位置を変化することを可能にするために、装置はア
ノードと電気的に接続される導電性材料から作られる摺
動アノード延長部片を備えている。また、保持空間内に
は少なくとも１つの補助電極が収容されそして前記室の
外部には前記補助電極に一方の極でかつ前記アノードに
他方の極で接続される直流電圧U_Eの電圧源が配置される
ようにプラズマ保持度合の変化を達成することができ
る。

［作用］本発明の方法および装置は基板上のイオン化電流およ
び電子の流れの密度および均質性を増大しかつ薄膜スパ
ツタリングの間中かつ漂遊電位によるイオン被覆を可能
にし、基板は放出カソードの上方のマグネトロン型磁力
線の閉止トンネルを含む多極磁界の磁力線によつて画成
された保持空間内に配置されかつ保持空間の境界での磁
力線の方向は正極から負極へのかつその逆の方向転換に
より変化する。

本発明による方法および装置の適用は薄膜スパツタリ
ングの間中基板上への密度の濃いかつ均質なプラズマの
作用を達成することができる。カソードから種々の間
隔、通常30ないし500mmにおいて収容される基板上への
イオン被覆層を達成することができる。基板上へのイオ
ン電流の密度はカソード上で２ないし50mA・cm^-2の電流
密度により、すなわちカソードから200mmおよびそれ以
上の間隔におけると同様に、0.1ないし10mA・cm^-2の値
を通常達成する。同時にイオン化電流が代表的な長さ10
0ないし200mmを有する空間、すなわち、例えばカソード
から100ないし250mmの間隔において、許容誤差±10％に
おいて一定であるようなプラズマ均質性を達成すること
ができる。このような均質のイオン衝突（ボンバードメ
ント）は基板の面全体にわたつて、すなわち成形または
比較的複雑な３次元物体における基板に関しても同様に
同一である上述された特性を有する層（薄膜）を形成す
ることができる。2000kg・mm^-2から2600kg・mm^-2の微小
硬さを有し、その特性、例えば組織、応力等が基板上の
バイアスの大きさ、例えば−20ないし−150Vによつて制
御されることができるコンパクトなチタン窒化物層を形
成することができる。基板バイアスがいば電源の使用な
しに、漂遊電位、例えば−20から−45Vでコンパクトな
チタン窒化物層を被覆することができ、一方この漂遊電
位はプラズマの保持度合によつて調整されることができ
る。このような方法において層の組織を（200）から（1
11）に同様に制御することができ、一方これらの層の応
力は２ないし3GPaの範囲において低い。方法および装置
の利点はまたとくに低い圧力、少なくとも2.10^-2Paまで
のひろい範囲の作動圧力である。

さらに他の利点は直流スパツタリングによつて非導電
性層を被覆するかまたは基板表面の漂遊電位の使用によ
る非導電性基板上に層を被覆することを可能にすること
である。装置の利点は基板が磁界が弱い空間に配置され
かつそれゆえ同一装置において磁性および非磁性基板両
方に被覆することができることが主たるものである。

［実施例］以下に、本発明の主題を図面に基づき本発明による方
法を実施する装置の例について説明する。

第１図は円形カソードの後ろに２つの永久磁石を備え
た装置を略示する。この装置は軟磁性材料から作られる
真空室１からなり、該真空室１は水平に収容された軸線
を備えた筒状を有しかつ同時にアノード３を形成する。
真空室１は作動ガスの入口８およびポンプ出口９を備え
ている。真空室１と同軸に該真空室１の垂直壁と同じ高
さにチタンから作られる平らな円形カソード２が配置さ
れる。基板５の円形ホルダ４はカソード２に対して同軸
に固定され、ホルダ４はカソード２から30ないし300mm
の間隔において調整可能に固定される。カソードの電圧
U_Kの電圧源６および基板の電圧U_Sの電圧源７は真空室１
の外部に配置される。電圧源６はゼロないし1000Vの直
流電圧源でありかつカソード２に負極でかつ真空室１に
正極で接続される。ゼロから1000Vの直流電圧源７は基
板５のホルダ４に負極でかつ真空室１に正極で接続され
る。保持多極磁界源は１部分は永久磁石10,11,12、１部
分は２つ電磁石15,17である。永久磁石10,11は、装置の
軸線と平行に、偶数、例えば８列を形成するグループ2
2,23において真空室１の内方マントルに収容されかつ固
定され、一方各グループのすべての磁石の方向付けは一
致しかつ半径方向を有しそして隣接するグループ22,23
は反対の磁石の方向付けを有する。このためカソード２
を有する磁石11は１方向において２重にされる。永久磁
石12はさらに基板の後ろで真空室の内部の垂直壁に収容
されかつ装置の軸線と平行に方向付けられそしてそれら
の磁界は真空室１のマントル上の磁石グループ22,23の
磁界と接続される。装置はさらに保持磁界を形成するた
めの２つの電磁石を備えている。第１電磁石はカソード
２と同軸に該カソード２の後ろに配置された電流源I₁と
接続されたコイル15、および第１コイル15のキヤビテイ
に挿入される軟鋼から作られるコア16からなる。第２の
電磁石はカソード２の後ろにかつ第１コイル15のまわり
にカソードと同軸に配置される、電流源I₂と接続される
第２コイル17および第１および第２コイル間の空間を満
たしかつコア16と軟鋼から作られる板19に接続される筒
状環の形の軟鋼18から作られる中空コア18からなる。カ
ソード２、第１および第２コイル15および17および磁気
回路16,18,19からなる構体全体は真空室１の垂直壁の円
形切り欠きの縁部のフランジ20によつてパツキンおよび
絶縁リング21を横切って取着される。電流源I₁,I₂、さ
らにガス充填および吸い上げ用装置、真空計およびカソ
ード、真空室および基板を冷却するための手段もまた基
板加熱用手段も図面を明瞭にするために示されてない。
薄膜をスパツタリングする方法が要求するならば、装置
はまたカソードと基板との間で摺動する通常のダイアフ
ラムを含むことができる。

装置は以下のように作動する。真空室１内には入口８
をとおって作動ガスまたはガス混合物、例えばアルゴン
および窒素混合物が要求される全体圧力P_Tで充填され
る。次いでグロー放電がカソード２と同時にアノード３
として使用する真空室１との間に点火される。この放電
は条件付きでありかつ保持多極磁界によつて影響を及ば
されその磁力線13,14はホルダ４上の基板５が収容され
る保持空間を封入する。保持磁界の境界の多極磁界の磁
力線は交互の磁石グループ22,23のための種々の点で方
向を変化する。それゆえ磁界強度は縁部から保持空間の
中心に向かって急速に降下する。このような磁界の形状
は縁部から保持空間の中心に向かう磁気圧力によりプラ
ズマに影響を及ぼしかつここでは密度の濃いプラズマを
保持する。保持空間の境界の磁気誘導は通常10mTから50
mTまたはそれ以上となり、基板を含んでいる中間領域に
おいては通常ゼロから2mTとなる。プラズマを完全に保
持するために保持空間の中間区域からアノードに通常1m
Tないし10mTとなる磁気誘導の最小の大きさより低い磁
気誘導の大きさでチヤンネルが延在しないことを必要と
する。このようなチヤンネルが存在すると、保持は部分
的のみでありかつプラズマの密度が減少される。また放
電の安定性は第４図の例においてさらに説明されるよう
に減じられるかもしれない。保持多極磁界の１部はまた
カソードの後ろに配置されたコイル15および17および磁
気回路16,18,19によつて形成されるカソード２の上方の
磁界である。コイル15の電流I₁はカソードの上方の磁力
線14の閉止トンネルを形成しそして第２コイル17の電流
I₂はその磁力線がカソード縁部から永久磁石11によつて
形成される磁力線と接続される磁界を形成する。極性お
よび電流I₁およびI₂の大きさの変化によりコイル15およ
び17によつて形成された磁界の形状および強度を変化し
かつ、第４図の例において記載されるように、プラズマ
の保持において影響を及ぼすことができる。それゆえ密
度の濃いプラズマが保持多極磁界とカソード２およびア
ノード３との間に生じている放電の相互作用から生じか
つ保持空間内に保持される。このプラズマからの粒子、
とくに電子および正イオンが、基板に衝突しかつ成長し
ている層の特性に影響を及ぼす。基板が導電性であるな
らば、これらの基板に電圧源７からの電圧U_Sを印加しか
つ衝突する粒子の種類およびエネルギーをかつ層の成長
のさらに他の条件に影響を及ぼすような方法において変
化することができる。−20ないし−100Vの電圧U_Sがかか
る影響のために層の堆積の間中通等十分である。より高
い電圧U_S、通常少なくとも−200ないし−1000Vの場合に
おいて、ほこり除去によつて基板５のイオンエツチング
を達成することができる。

またカソードと基板との間の間隔ｄを変化することに
より層の特性に影響を及ぼすことができる。第１図によ
る装置においては、圧力P_T＝0.1Pa、でかつカソードへ
の放電の一定出力でアルゴン中にチタンを噴霧している
間中、バイアス、例えば、U_S＝−100Vで基板に流れてい
るイオン電流I_Sは平均値の、すなわち80ないし220mmの
カソードと基板との間の間隔ｄの全体の範囲の±10％の
みの範囲に及ぶことが見出だされた。それは保持空間内
にプラズマの高い均質性を確認する付与された方法およ
び装置の重要な利点であり、そして層の特性に影響を及
ぼすのに利用されることができる。

第２図は１つ長方形カソードおよびアノード延長部片
を備えた装置を略示する。作動ガスの入口８およびポン
プ出力９を備えた真空室１は平行六面体形状を有する。
真空室１の下方壁にかつそれと平行に導電性材料から作
られる四辺形板の形状においてアノード３が絶縁されて
収容される。カソード２は真空室１の垂直壁と平行に配
置されかつ長方形形状を有する。カソード２に対してそ
れと平行に基板５の平らなホルダ４が配置される。カソ
ード電圧U_Kの電圧源６および基板電圧U_Sの電圧源６は真
空室１の外部に収容される。保持多極磁界源は永久磁石
10によって形成され、これらの永久磁石はアノード３と
電気的に接続されかつカソード２の平面と平行な平面内
に収容されるグループ25,26,30に組み立てられる孔空き
磁石支持体24上の保持空間のまわりに部分的に取着さ
れ、そしてこれらのグループ25,26,30においてすべて磁
石が真空室１に向かってまたは反対の方向に方向付けら
れ、一方隣接するグループ25,26の方向付けは互いに反
対である。永久磁石10はさらに２つのグループ27,28に
おいてカソード２の後ろに配置される。第１グループ27
は長方形の基部を有しかつカソード２の中間部分の後ろ
に配置されそして第２グループ28はカソード２の回路全
体の後ろに配置される。両グループ27,28の磁石の方向
付けは反対でありかつ第２グループ28の磁石の磁界磁力
線29は磁石の支持体24に配置された磁石の最も近いグル
ープ30の磁力線と接続される。装置はさらにアノード２
と電気的に接続される可動のアノード延長部片31を備え
ている。この延長部片31はカソード２の寸法より大きい
寸法を有する長方形形状の形のフレーム32、およびカソ
ード２の後ろで真空室１の壁を通過するピストン33から
なる。延長部片31をカソード２のまわりの磁界の磁力線
29を横切るピストン33によつてフレーム32がカソードの
面と平行な平面内に配置されるが、フレームの面がカソ
ードの平面内にまたはその前にまたはその後ろに配置さ
れる種々の位置に配置することができる。同様な通常の
要素は、第１図を考慮して、第２図には図面を明瞭にす
るために示されてない。その頂部でアノード延長部片31
および磁石支持体24を有するアノード３の冷却はここで
は考慮されない。

第２図による装置は第１図と同様に作動する。しかし
ながら、第２図の保持磁界はカソードの上方に磁界14,2
9を形成するために同様に使用される永久磁石10のレイ
アウトによつて選択されて固定される。保持磁界内のプ
ラズマ保持度合の制御はこの装置においてカソード２の
まわりの保持空間の境界を横切る、すなわち磁力線29を
横切るアノード延長部片31の運動によつて実施されるこ
とができる。最高のプラズマ保持度合は延長部片31を保
持空間からカソード２の平面の後ろに移動することによ
つて達成される。保持空間への、すなわち磁界のより低
い誘導を有する領域への延長部片31の摺動の間中、保持
空間からのより多くの電子およびイオンがそれらが再び
結合し、保持空間全体の、したがつて、また基板のまわ
りのプラズマ密度を増大するアノード延長部片31に衝突
する。結果として、アノード延長部片31の運動は実際に
磁界に関連してアノードの位置を変化する。

選択された電位で基板面を保持することにより、基板
に衝突する帯電粒子の種類、それらの数およびエネルギ
に影響を及ぼすことができる。基板を導通しかつ層を導
通するために直流または高周波電圧U_Sの電圧源７を使用
することができる。非導電性基板および／または非導電
性層の場合に関しては高周波電圧U_Sの電圧源７を使用す
ることが必要である。しかしながら、電圧源７が外され
るならば、成長中の層を有する基板は漂遊電位にありそ
してプラズマ電位と成長中の電位との差のために、成長
中の層は加速された正イオンによつてかつ同時に同一量
の電子によつて衝突される。漂遊電位の大きさおよび衝
突粒子のフラツクス密度を定義するプラズマ密度に、ま
ずプラズマ保持の度合によつて、例えばアノード延長部
片31の運動によつて、さらにガス圧力の大きさによつ
て、スパツタリング放出の出力によつて、必要ならば、
カソードからの基板ホルダの間隔を変えることによつて
影響を及ぼすことができる。基板の漂遊電位を使用する
この方法はまず第１に非導電性および導電性基板および
導電性および非導電性層に同様に適切であるという利点
を有する。

第３図は４つのカソードおよび補助電極を備えた装置
を示す。装置の室１は垂直に配置された八角形の形状を
有し、非磁性導電性材料、例えば非磁性ステンレス鋼か
ら作られかつ同時にそれはアノード３である。室１の軸
線内には、室の底部の下に配置されたエンジン34によつ
て回転することができる基板５の円形ホルダ４が下から
収容される。ホルダ４は抵抗R35を横切って室１に取着
され、その抵抗の大きさは00から０の範囲に調整可能で
ある。室の４つの垂直壁には４つの長方形カソード構体
37がフランジ36によつて90゜において固定される。各カ
ソード構体37は長方形カソード２、磁性後方板38および
２つのグループ27,28において配置された永久磁石10か
らなっており、そのグループ27はカソードの中心の後ろ
に配置されかつ第２のグループ28は、第２図による装置
と同様に、その周部の後ろに配置される。カソード構体
37の磁石の他に、保持多極磁界源は室１の外部に、すな
わち室１のマントル上に部分的にほぼ規則的に、等しく
方向付けられた磁石の垂直列を形成しかつ隣接する列に
関連して反対に方向付けられるグループにおいて配置さ
れる永久磁石10であり、部分的に磁石10は室１に基礎を
置くことなしに収容されかつチエスーボード配置におい
て交互に方向付けられる。マントルの縁部上の磁石の磁
界は基部の縁部上の磁界と接続される。同時に、磁石10
の完全に規則的な配置の場合においてカソード２の後ろ
の磁石の第２グループ28に関連して等しく方向付けされ
た磁石が配置されるカソードのまわりのマントル上のこ
れらの点39は空のままにされる。装置はさらにその表面
がカソード２の材料によつて形成されるのが好都合であ
る８個の補助電極40を備えている。これらの電極40は室
１の軸線と平行な保持空間を通過し、一方常に２つの補
助電極40が一方のカソード２の近くに、すなわちカソー
ド２の反対の縁部に配置される。すべての電極40は絶縁
されて室の外部に配置された電圧U_Eの電圧源41に室１の
基部に導出され、そして直流電圧を、例えば室１に対し
て−200Vないし200Vの範囲において供給する。第３図に
は第１図および第２図と同様な要素は図面を明瞭にする
ために記載されてない。より高い出口のため、また図示
していない補助電極40のより多くの冷却を使用すること
が必要である。

第３図による装置の作動は第１図および第２図による
装置の作動と類似する。しかしながら、第３図による装
置において基板はエンジン34によつて回転ホルダ４上で
回転することができる。同時に４個のカソードは基板上
の層がすべての側部から同時に成長するようにスパツタ
リングされる。基板５のホルダ４は00から∞０の範囲に
調整可能である抵抗R35を横切ってアノード２に電気的
に接続される。抵抗値Ｒ＝∞０により基板は漂遊電位に
保持され、抵抗値Ｒ＝00により基板のホルダはアノード
の電位に保持される。したがつて抵抗Ｒの大きさは基板
のバイアスおよびそれに流れる電流全体を変化すること
ができる。保持空間内のプラズマ保持の度合は補助電極
40上の極性および電圧U_Eの大きさによつて影響を及ぼさ
れる。アノード３に関連して十分に高い負電圧、例えば
−20Vないし−200Vの範囲にあり必要ならばまたより高
い電圧が電極40に導かれる場合に、プラズマからの電子
は補助電極40の負バイアスによつて拒絶されかつプラズ
マ保持の度合は高い。電極40上の電圧U_Eの値が段々に正
の電圧に、例えば値−20Vから例えば値＋50Vに変化する
場合に、電極40はアノードの務めを除去し、電極40上の
プラズマは再び結合しかつ保持空間内のプラズマの保持
度合は減少される。それゆえ、基板のまわりのプラズマ
の密度は減少されかつしたがつて基板に衝突する帯電粒
子の量に影響を及ぼすことができる。

第３図による装置の重要な利点は基板に被覆する層の
均一な速度が実際に基板５のまわりの大きなカソード２
の規則的なレイアウトのためにかつホルダ４の回転のた
めにすべての方向から達成されることである。多極プラ
ズマ保持によつて保証される基板のまわりのプラズマの
均質性とともにこれは基板のすべての表面上に被覆され
た層（薄膜）の均質な特性を可能にする。とくにその特
性が衝突する粒子のエネルギおよび密度と同様に堆積速
度に依存する薄膜、例えばクリスタライトの定義された
応力および定義された方向付けを有するチタン窒化物薄
膜に関して非常に重要である。

第４図は基板バイアスU_S＝−100Vを有する第１図によ
る装置のイオン化電流U_S−第２コイル17の電流I₂の特性
の例を示す。さらに他の例はここでは電流I_S＝0Aを有す
る漂遊電位43a,43b−Uf₁−電流I₂特性を示す。第３の曲
線は一定のカソード電圧U_K＝−600Vによりカソード２に
一定の電流I_K＝1Aを達成するための第１コイル15の電流
I₁−第２コイル17の電流I₂の特性44a,44bを示す。以下
の一定のパラメータが特性42a,b;43a,b;44a,bを測定す
る間中保持された。すなわち、それらはカソード２から
の基板５の間隔＝200mm、アルゴン圧力0.1Pa、カソード
電圧U_K＝−600Vおよびカソード電流I_K＝1Aである。

第５図は基板の電圧U_S＝−100Vでの第１図による装置
の基板のイオン化電流I_S−圧力P_Tの電流特性45の例を示
す。第５図はさらに電流I_S＝0Aでの基板５の漂遊電位−
圧力P_Tの特性46を示す。両特性45,46は同一の一定のパ
ラメータ、すなわち、カソード２の電圧U_K＝−600V、カ
ソード電流I_K＝1A、カソードからの基板５の間隔ｄ＝20
0mmおよび第２コイル17の電流I₂＝＋10Aにより測定され
た。

第４図に記載された特性は保持多極磁界の形状および
強度制御によつて第１図による装置の基板５に衝突する
粒子のエネルギおよび密度をどのように制御することが
できるかの例を示す。この装置に関する限り電流I₂の極
性は正でありそして電流I₂は＋2.5A、すなわち第４図の
間隔Ａより大きく、カソード２の縁部からの磁力線は第
１図に記載されたように保持空間に向かって出る。した
がつてこれらの磁力線は２重磁石11の磁界によつて拒絶
される。電流I₂の極性が負または正であるが＋1A、すな
わち第４図の間隔Ｃより低いならば、カソード２の縁部
の磁力線は反対方向に、すなわち、保持空間からカソー
ド２に向けられる。次いで２重磁石11からの磁力線は、
反対に、カソード２の縁部に向けられた磁力線と接続さ
れる。＋₁Aから＋2.5Aへの電流I₂の間隔Ｂにおいて、カ
ソード２の縁部と２重磁石11との間の磁界は非常に低
く、約10mT以下である。多極保持磁界はしたがつて領域
Ｃにおいて損なわれ、プラズマの保持は弱いだけでな
く、同様に低い圧力、例えば0.1Pa以下であり、放電は
少しも、すなわち電流I1の任意の大きさにより第１コイ
ル15に生じない。低い圧力、例えば0.2Pa以下での安定
した放電はしたがつて多極磁界がカソード磁界と接続さ
れることを必要とし、一方両磁界の方向は第４図の間隔
Ａにおけるように平行するかまた間隔Ｃにおけるように
非平行にすることができる。曲線42aおよび42bは両間隔
A,Cにおいて基板上の一定の電圧U_S、例えば、−100Vに
より基板に衝突するイオンのフラツクス密度を制御する
ことができることを示す。曲線43aおよび43bは基板のゼ
ロ全体電流I_Sによると同様に両間隔ＡおよびＣにおいて
また基板の漂遊電位U_f1を制御することができることを
示す。曲線44a,44bは第１コイル15の電流I₁によつて、
電流I₂が広い限界において変化するけれども、放電電圧
および電流を一定の値に保持することができる例として
役立つ。これらの曲線44a,44bはまた、電流I₂の極性が
正または負であるとしても、コイル15,17のの磁界が互
いに対して方向付けられることが必要であることを示
す。曲線44aおよび44bは磁石11が２重にされるためゼロ
電流I₂に関連して対称的に位置されずかつしたがつてI₂
＝0Aによると同様に多極磁界が磁石11からカソード２か
ら放射する磁力線によつて閉止される。第５図に記載さ
れた特性は圧力P_T全体を変化することによつて第１図に
よる装置において基板に衝突する粒子の量およびエネル
ギを制御する可能性を示す。基板のイオン化電流I_S−圧
力P_T特性の曲線45は20ないし50％のカソード電流I_Kを含
んでいる高いイオン化電流I_Sが広い圧力範囲、少なくと
も0.04ないし5Paにおいて、基板上の電圧U_S、例えば−1
00Vにより、カソード２から、例えば200mmの間隔の基板
５上に抽出されることができることを示す。圧力P_Tの大
きさは同時に、曲線46に示すように、−５から−45Vの
範囲において、基板の漂遊電位U_f1に影響を及ぼす。安
定な放電が圧力２・10^-2Paまで観察された。

本発明による薄膜スパツタリング方法は第１図に示し
た装置において形勢されたチタン窒化物層の例に関して
説明される。

実施例１基板ホルダ４に配置された高速度鋼から作られた基板
５は10^-2Paより低い圧力で温度500℃にまで加熱され
た。電圧U_S＝−600Vが120秒の間基板５にかつ電圧U_K＝
−500Vがカソード２にアルゴン圧力0.09Paにより印加さ
れ、このような方法においてイオン洗浄した。次いでチ
タン窒化物薄膜がカソード電圧U_K＝−600Vおよびカソー
ド電流I_K＝5Aにより全体圧力0.09Paでアルゴンおよび窒
素混合物中に90分間スパツタリングされた。基板５はカ
ソード２から間隔200mmに配置されかつバイアスU_S＝−1
00Vが印加された。コイル15の電流I₁＝0.9Aおよびコイ
ル17の電流I₂＝4Aにより基板は全体電流I_S＝610mAを有
するプラズマからのイオンによつて薄膜の成長の間中十
分に衝突された。

かかる方法において製造された薄膜（層）は厚さ3.2
μｍおよび薄膜ならびに明るいゴールドペイントからな
るコンパクトな微小構造を示す微小硬さヴイツカースHV
＝2590±90kg・mm^-2を有した。全体圧力で5Paでカソー
ドからの基板の間隔150mmにより多極磁界の作用なしに
スパツタリングする通常のマグネトロンによつて製造さ
れたチタン窒化物薄膜は赤く、多孔性でありそして基板
によるプラズマの低い密度および同一バイアスU_S＝−10
0Vによる低いイオン電流I_Sに関連する微小硬さHV＝214K
g・mm^-2を有する。

上述した特定の条件下での本発明による方法によつて
製造されたチタン窒化物層のレントゲン分析はサンプル
の表面と平行な平面（111）、a₁₁₁＝0.4299nmから、平
面（200）、a₁₁₁＝0.4256nmから定義されるグリツドパ
ラメータの値、すなわち、死力線の半分の幅β₁₁₁＝0.4
6゜，β₂₀₀＝0.56゜，β₂₂₂＝1.0゜、微小応力ｅ＝（7.
3±1.1）・10^-3および微小応力δ＝6.4GPaを付与する。
被覆された薄膜の組織はサンプルの表面と平行な方向付
け（111）に密集する。これらすべての値は同様な被覆
条件下でアーク蒸発または低電圧電子ビーム蒸発によつ
て被覆されるチタン窒化物薄膜により達成される値に非
常に近い。組織を除いてそれらはまた通常のマグネトロ
ン被覆の間に達成される値に近いが、実質上カソードか
らの基板の間隔はより短く、代表的には50nmである。

実施例２チタン窒化物薄膜は、組織（220）で、U_S＝−50Vであ
る基板のバイアスを除いて、実施例１におけると同一の
方法において製造され、一方薄膜の他の物理的特性は実
施例１に比してさほど変化されない。

実施例３チタン窒化物薄膜が実施例１におけると同一方法にお
いてであるが、電圧U_Sの電圧源の遮断により、アノード
３に関連して漂遊電位U_f1＝−31Vで製造された。薄膜は
堆積120分の間中5.5μｍの厚さおよび微小硬さHV＝2070
±80kg・mm^-2を有し、その結果それらは再びコンパクト
である。レントゲングラフ分析は以下の結果、すなわ
ち、a₁₁₁＝0.4255nm,a₂₀₀＝0.4243nm,β₁₁₁＝0,23゜，
β₂₀₀＝0.27゜，β₂₂₂＝0.51゜,e＝（4.0±0.5）・10³,
δ＝2.9GPaを付与する。薄膜は減じられた組織（111）
＋（200）を有し、一方補正された反射の強さI₂₀₀/I₁₁₁
の関係は１である。これらの特性は通常のスパツタリン
グを含んでいる他の物理的方法によつて被覆されたチタ
ン窒化物では普通でなくそして薄膜中の低い応力および
衝突イオンの低いエネルギおよび十分な電流密度を有す
る電子による同時の衝突に関連して結晶格子の少ない損
傷を示す。十分に高い電流密度と結合してこれらの薄膜
はパツドへの高い付着力切断工具に加えられるときの非
常に良好な有用な特性を有する。

実施例４この実施例は漂遊電位の大きさ制御によつて薄膜組織
の制御を説明する。実施例３におけると同一の方法が電
流I₂＝10Aおよび電流I₁＝2Aで使用され、基板の漂遊電
位はU_f1＝−45Vに増大されそして被覆薄膜はI₂₀₀/I₁₁₁
＝0.2の関係により極性の方向付け（111）を有した。−
24VへのバイアスU_f1の減少は電流I₂＝3.8VおよびI₁＝1.
6Vを変化することにより達成されかつ極性の方向付けは
反対に関係I₂₀₀/I₁₁₁＝５により（200）に変化された。
薄膜の他のパラメータ、すなわち微小硬さ、応力および
グリツドパラメータは実質上変化しなかつた。制御され
た組織を有する薄膜が種々の切断条件に関して被覆され
た切断工具の効率の最適化に重要であることを期待する
ことができる。

本発明による方法はイオン洗浄省略により実施例３お
よび４による変更で実施例１に記載された方法によりガ
ラスまたは磁器のような非導電性基板上にチタン窒化物
装飾ゴールド層を形成するのに同様に使用されることが
できる。イオン洗浄に代えて選択的に薄膜付着増大のた
めに窒素なしのアルゴンの雰囲気中に10ないし200nmま
での厚さにスパツタリングするチタン層を導入すること
ができる。このためにすべての方向から同時に均一に薄
膜を被覆することができる場合に第３図による装置を好
都合に使用することができる。

本発明による装置の構造は基板の種類および大きさ、
被覆層の材料および薄膜の特性に関する要求等に応じて
種々のモードに変更されることができる。まず、カソー
ドの種々の形状、すなわち、平らだけでなく、例えば同
様に筒状、中空、円錐等を使用することができる。プラ
ズマ保持度合を制御する種々のモードを、したがつて、
例えば、磁界を変化することにより、種々の形状および
型の補助電極によつてそしてアノードと接続されるだけ
でなく、例えば外部電圧源に取着される摺動延長部片の
適用により結合することができる。これらの要素を基板
上の電圧制御の種々のモードと結合することができる。

種々のモードにおいて多極磁界を形成するための磁石
を収容することができる。磁石を室の壁に対して直角で
はないがそれと平行に方向付けることができる。重要な
変更は室内に磁石を封入することに関連してカソードの
縁部への磁石の方向付けの選択である。この方向付けは
平行および非平行にすることができ、一方保持されたプ
ラズマは両方の場合において種々のパラメータを有する
（例えば、曲線42aおよび42b,43aおよび43bを参照）。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、薄膜スパツタ
リングの間中基板上に密度の濃いかつ均質なプラズマの
作用を達成し、また、カソードから種々の間隔に収容さ
れた基板上にイオン被覆薄膜を達成することができると
いう効果を奏する薄膜スパツタリング方法およびこの方
法を実施する装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はカソードの後ろに２つ電磁石を備えた装置を示
す概略図、第２図は長方形のカソードおよびアノード延長部片を備
えた装置を示す概略図、第３図は４個のカソードおよび補助電極を備えた装置を
示す概略図、第４図は第１図による装置のイオン化電流I_S−電流I₂特
性、漂遊電位U_f1−電流I₂特性および第１コイルの電流I
₁−電流I₂特性を示す特性図、第５図は第１図による装置の基板のイオン化電流I_Sおよ
び漂遊電位U_f1−全体圧力P_Tの特性を示す特性図であ
る。図中、符号１は真空室、２はカソード、３はアノード、
４はホルダ、５は基板、６はカソード電圧源、７は基板
電圧源、10,11,12は永久磁石、15,17は電磁石（コイ
ル）、31はアノード延長部片、40は補助電極である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58 H01L 21/203 H01L 21/31

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】上方にマグネトロンによる磁界の磁力線が
形成されかつ内部に磁界によつて保持空間が画成される
と共に、基板、アノードおよびカソードを収容する真空
室内に保持された減圧下のガスまたはガス混合物中のグ
ロー放電の間に前記カソードの表面から放出される粒子
で前記基板上に薄膜をスパツタリングする薄膜スパツタ
リング方法において、前記アノードおよび前記真空室の壁を外側に配置して多
極磁界の磁力線によって前記基板を収容する保持空間を
画成し、前記多極磁界をスパッタを受けるカソードの上
方のマグネトロンによる磁界の磁力線の閉じたトンネル
に連続させると共に、前記多極磁界の方向を正極から負
極へと交互に保持空間の境界において反転して前記保持
空間の方向へと誘導磁界を減少させるように変化させ、保持磁界と前記カソードと前記アノードとの間に発生す
るグロー放電との相互作用により、前記保持空間に、基
板および薄膜に衝突する粒子によるプラズマを形成・保
持することを特徴とする薄膜スパツタリング方法。
【請求項２】前記保持空間内のプラズマ保持条件は、前
記多極保持磁界の強度及び／又は前記アノードに対する
前記多極保持磁界の形状及び／又は前記真空室の壁に対
する前記保持多極磁界の形状及び又は／前記カソードに
対する前記保持多極磁界の形状により、前記基板のまわ
りのプラズマ密度およびプラズマ中の帯電粒子のエネル
ギを変化させるように制御されることを特徴とする請求
項１に記載の薄膜スパツタリング方法。
【請求項３】前記保持空間内のプラズマ保持条件は、前
記アノードと前記保持空間を通過する補助電極との間に
印加される電圧の極性及び強度に依存することを特徴と
する請求項１に記載の薄膜スパツタリング方法。
【請求項４】前記基板の表面および／または該基板に成
長する薄膜の表面が前記アノードの電位に対して選択さ
れた電位に保持されることを特徴とする請求項１に記載
の薄膜スパツタリング方法。
【請求項５】前記基板および／または成長薄膜が漂遊電
位で帯電され、プラズマ電位と漂遊電位との間の差によ
り前記基板および／または成長薄膜が帯電粒子によつて
衝撃され、前記帯電粒子のエネルギおよび密度がプラズ
マの保持条件、ガス圧力およびスパツタリング放電の出
力によつて制御されることを特徴とする請求項１に記載
の薄膜スパツタリング方法。
【請求項６】スパツタリング源のカソードと、基板を備
えたホルダと、アノードが配置される真空室とを備え、
該真空室の壁には作動ガスの導入口とポンプ出力口とが
設けられ、該真空室の外部には前記カソードとアノード
との間に接続される直流または高周波電圧源U_Sおよび磁
界源が配置され、多極保持磁界を形成するための磁界源
（10,11,12,15,17,27,28）が前記基板を収容する保持空
間全体を取り囲むように配置されていて、前記磁界源
（10）のグループ（22）が１方向において同じ向きの極
を有し、かつ磁界源（10）の隣接するグループ（23）が
反対方向とされた同じ向きの極を有することを特徴とす
る薄膜スパッタリング装置。
【請求項７】前記磁界源（10,11,12,15,17,27,28）は、
前記真空室（１）内におよび／または前記真空室（１）
の壁および／または前記真空室（１）の外部および／ま
たは前記カソード（２）の後ろ側に配置され、前記カソ
ード（２）の後ろに配置される磁界源グループ（27,2
8）は、前記カソード（２）の表面の上方に形成される
磁界の磁力線の少なくとも１つの閉じたトンネル（14）
を形成する同心の閉じた曲線内に配置されることを特徴
とする請求項６に記載の薄膜スパツタリング装置。
【請求項８】直流または高周波電圧U_sの電圧源（７）が
前記基板（５）のホルダ（５）と前記アノード（３）と
の間に接続されることを特徴とする請求項６に記載の薄
膜スパツタリング装置。
【請求項９】前記アノードを横切って電気的に接続され
る導電性材料製の摺動アノード延長部片（31）を含むこ
とを特徴とする請求項６に記載の薄膜スパツタリング装
置。
【請求項１０】前記保持空間内には少なくとも１つの補
助電極（40）が収容され、前記真空室の外部には、前記
補助電極（40）を横切って一方の極に接続され、前記ア
ノード（３）を横切って他方の極に接続されて直流電圧
U_Eを印加するための電源（41）が配置されることを特徴
とする請求項６に記載の薄膜スパツタリング装置。