JP4457007B2 - サブストレートに被膜を被覆する装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、マグネトロンスパッタリング（陰極スパッタリングとも称される）によってサブストレート上に層を形成する装置および方法に関する。マグネトロンスパッタリングによる真空めっき方法は、表面を精密加工するおよび表面に特定の機能を与えるために、例えば電気工学および電子工学および光学および機械工学およびガラス工業等において、多岐にわたって広く使用されている。

しかし、スパッタリングによって製造された層の構造および多くの特性は、選択されたプロセス条件に依存する。ガス放電の圧力およびサブストレートの温度が比較的大きい影響を有する。多くの使用ケースにおいてこのようなプロセス条件は自由に選択されない。なぜなら例えば、高い圧力によって層構造に悪影響が与えられる、またはガス封入が生じる恐れがあり、また高い温度は、サブストレートの温度耐性と調和しないからである。従って、層被覆中または層被覆に続く電荷担体衝突によって、構造および層特性を改善することがしばしば試みられている。多くの方法および装置が、サブストレートに向かう高エネルギーイオンの流れを生じさせるために、負の電圧によってサブストレートにバイアスを加えている（バイアススパッタリング）。これによって、多くの使用ケースにおいて、良好な結果が得られる（例えば「"Duennschichttechnologie" H.Frey, G.Kienel(Hsg.) VDI-Verlag Duesseldorf 1987, S.119〜121」および「"Vakuumbeschichtung" G.Kienel(Hsg.)Bd.4 VDI-Verlag Duesseldorf 1993, S. 26〜33」を参照）。

しかし複雑に形成された部分に対しては、サブストレートでの電界のひずみによって、部分的に著しく異なるバイアス作用が生じてしまう。このバイアス作用は殊にサブストレートのピーク部分または縁部において問題になる。電気的に絶縁された層がマグネトロンスパッタリングによって形成される場合、適切なバイアス電圧を印加することによって、付加的な問題が生じる。高周波電圧（例えば１３. ５６ＭＨｚを有する電圧）が印加される場合、結合（Ankoppelung）および等配分の問題が生じる。中周波でパルス状にされたバイアス電圧（１０...１００ｋＨｚ）による方法も公知である（ＤＥ４４１２９０６Ｃ１）。これは高周波バイアス電圧に対して、コストを削減させるが、一般的には使用されない。なぜなら、導電性サブストレート上の薄い絶縁層に対してのみバイアス作用が得られるからである。全ての場合においてバイアススパッタは、バイアス電圧を供給する特別な電流供給ユニットと、サブストレートに接触接続するための装置を必要とする。この接触接続は、典型的にマグネトロン源に対して相対的に動くサブストレートの層被覆時に、コストがかかり、技術的に不確実なものであることが判明している。従って加速された電荷担体を別個に製造する装置（例えばイオン放射源）も使用され、析出された層の構造および特性が改善される（例えば「"Duennschichttechnologie" H.Frey, G.Kienel(Hsg.) VDI-Verlag Duesseldorf 1987, S.145」および「G.Kienel loc.cit.S.27〜32」を参照）。これは一般的にさらに高い装置的コストを必要とする。さらに、より大きいまたは三次元のサブストレート表面に均等に当たることは困難である、または全く実現不可能であることが判明している。

さらに、電荷担体衝突によって層特性に影響を与える手段はこれに伴う温度的なサブストレート負荷および生じ得る放射障害および高い内部電圧または層特性への別の二次作用によって制限される。

本発明の課題は、析出された層（例えば比較的厚い層）の構造ひいては関連する層特性を改善する、マグネトロンスパッタリング装置およびこれに属する方法を提供することである。ここでは熱的なサブストレート負荷またはマグネトロンスパッタリング時のプラズマ高エネルギー粒子が層に及ぼす作用が制限される、ないしはマグネトロンスパッタリング時のエネルギー影響が特定の限界内で調整される。

上述の課題は本発明によって、電極に磁界形成装置が割り当てられており、電極表面が少なくとも部分的に磁界によって貫通され、電極表面に対して平行な磁界成分の最大値Ｈ^Ｅ _{ｌｌ， ｍａｘ}が、ターゲット表面に対して平行な磁界成分の最大値Ｈ^Ｔ _{ｌｌ， ｍａｘ}の少なくとも５％である、ことを特徴とする、マグネトロンスパッタリングによってサブストレート上に層を形成する装置によって解決される。別の有利な構成は、請求項２〜９に記載されている。請求項１０には、マグネトロンスパッタリングを改善する方法が記載されている。すなわち、マグネトロンスパッタリングによってサブストレート上に層を形成する方法において、電極表面に作用する磁界の平行成分の最大値Ｈ^Ｅ _{ｌｌ， ｍａｘ}および／または磁界の出る位置を、サブストレート上に析出された層の層特性が所望の値をとるように設定する、ことを特徴とする方法が記載されている。この方法の別の有利な方法は、請求項１１に記載されている。

本発明の核心部分は、付加的な磁界によるそれ自体公知のマグネトロン放電の影響に関する。この付加的な磁界は、ターゲット近傍での厚い陰極プラズマから陽極として接続された電極への電子の流れを変える。電子路を変えることは明らかに、被膜を被覆する装置におけるポテンシャル状態をシフトさせることと結びつく。この結果、プラズマからサブストレートへの高エネルギー微粒子の流れが、電極を貫通する磁界の強度および形状によって定められる。層構造および他の層特性は、高エネルギー微粒子のこのような流れによって影響される。

本発明を以下でより詳細に説明する。ここで図を説明に用いる。

図１〜図３には本発明による装置が示されている。これらの装置の実質的な相違は、陽極を貫通している付加的な磁界の構成にある。

図１には、マグネトロンスパッタリングを行う本発明による装置の断面図が示されている。この装置は、冷却プレート２を伴うターゲット１および真空フランジ３および、トンネル状の、ターゲットを貫通するマグネトロン磁界５を形成する磁界形成装置４並びにプラズマシールド６および電極７および電流供給装置８を含む。電流供給装置８は、ターゲットが少なくとも部分的に陰極として接続され、電極が少なくとも部分的に陽極として接続されるように作用する。本発明の理論は、電極周辺にある磁界形成装置９によって実現される。磁界形成装置９は、電極表面の部分上に磁界１０を形成する。この磁界の最大値はターゲットに作用する磁界５の最大強度の少なくとも５％後方の値である。多くの使用ケースでは有利には、電極での磁界強度が格段に高く調整される。このようにして電極近傍での磁界強度は、ターゲット近傍の磁界の値に相応する値または、むしろこれを越える値を有する。これによって、電極が覆われる。これは、電極表面に対して平行な磁界成分の磁界強度が大きくなればなるほどより効果的に行われる。これは同じように、プラズマインピーダンスを上昇させ、より高い粒子エネルギーを可能にする。電極に磁界形成装置が次のように割り当てられるのは有利である。すなわち電極表面が少なくとも部分的に磁界によって貫通されるように割り当てられるのは有利である。ここで、電極表面に対して平行な磁界成分の最大値Ｈ^Ｅ _{ｌｌ， ｍａｘ}は、ターゲット表面に対して平行な磁界成分の最大値Ｈ^Ｔ _{ｌｌ， ｍａｘ}の少なくとも５％である。さらに、磁界が少なくとも部分的に環状に、電極を中心に閉じているのは有利である。

電極を貫通する磁界は有利には、固定的に、または電極に関して可動に配置された永久磁石によって形成されている。

この磁界が電磁的に形成されるのも有利である。ここで特に有利には、磁界形成装置はホール電極の内部に格納される。

図２には、同心状に配置された２つのターゲットを有する、回転対称の実施形態の断面図が示されている。電磁的なコイルは、プラズマシールド６を囲んでいる中空電極の内部に配置されている。しかしこのような電極形態を、他の、例えば矩形構造形態に転用することも可能である。電極表面上の磁界強度は、電磁的な励起の場合には電流強度を変えることによって調整される。

有利な実施形態では磁界は閉じている磁力線を形成する。この磁力線は、電極表面から垂直に生じない。別の実施形態は、電極表面の所定の部分上の磁力線の垂直な出射および／または入射を実現する磁界形成手段を含んでいる。これによって殊に付加的な、電極に対する有利なクリーニング効果が生じる。電極表面上の磁力線の出るおよび／または入る位置は同じように、マグネトロン放電のプラズマにおける部分的なポテンシャル配分に影響を与えるので、磁力線の入るおよび／または出る位置の調整、ないしは磁力線によって模範的に分かり易く示された磁界状態の調整が可能な本発明の構成は有利である。

図３には、マグネトロンスパッタリングを行う本発明による装置の断面図が概略的に示されている。ここでは永久磁石が、電極に関して次のように配置されている。すなわち磁界が電極表面に対して垂直に主要な成分を有するように配置されている。

本発明は請求項１０と相応してさらに、本発明による装置を使用したマグネトロンスパッタリング方法含む。ここで電極表面に作用する磁界強度成分の最大値および／または磁力線の出る位置が、析出層の所望の特性が得られるまで徐々に変えられる。これは例えば粒子の大きさ、硬度、表面粗さまたは層の電気抵抗であり得る。本発明ではこの方法はさらに次のことを含む。すなわち磁界強度の最大値ないしは、電極表面上の磁界の極箇所の位置が、所定の時間関数に応じて導かれることを含む。このような手法は、例えば、サブストレート表面からの間隔に依存した層特性の勾配を有している層の製造に有利である。この方法はさらに、少なくとも一時的に陽極として接続された電極が、一時的に例えば周期的に、ターゲット面に関してネガティブなポテンシャルに設定されることを含む。これによって場合によっては、高いフラッシュオーバー安全性（Ueberschlagsicherheit）が得られる。

本発明による装置の実施例に即して本発明を図３に関連してより詳細に説明する。

この装置は、結晶性の構造および高い硬度を有する二酸化チタンから成る層の析出に対して設計されている。

サイズ１６０×６００×１０ｍｍ^３のチタンターゲット１１が、冷却プレート１２上に結合されている。真空フランジ１３は、真空フランジおよびターゲットフランジとして用いられる。真空チャンバの外部にはマグネトロンタイプの磁界を形成する磁界形成装置１４が取り付けられている。この磁界は一般的に公知の方法でターゲット１１を貫通し、ターゲット表面上に、ターゲットに対して平行な最大成分Ｈ^Ｔ _{ｌｌ， （ｍａｘ）}＝１８ｋＡ／ｍを有する磁界１５を形成する。

ターゲットおよび冷却プレートは、プラズマシールド１６によって取り囲まれている。このプラズマシールドは放電を空間的に制限し、電極１７を直接的な層被覆から保護する。このようなそれ自体で閉じて完成されている、矩形に形成された電極の下方で、５ｍｍの自由な間隔で、永久磁石１９の中断されていないシーケンスが、ここには示されていない保持エレメントともに設けられている。これらは磁界２０を形成させる。極線２１に沿って磁力線が電極１７の表面に入射する、ないしは電極１７の表面から出る。電極表面に対して平行な磁界成分Ｈ^Ｅ _{ｌｌ（ｍａｘ）}は、永久磁石の位置および強度によって値２０ｋＡ／ｍに固定されている。電流供給ユニット１８は、マグネトロン放電を維持する３０ｋＨｚの周波数によってパルス状にされた直流電流を生じさせる。パルス休止を除いて、ここではターゲット１１は陰極として接続され、電極１７は陽極として接続される。

記載した装置によるこの被膜を被覆する方法は、電極１７と永久磁石１９の間の自由な間隔を変えた一連の事前の試みを含んでいる。この結果、磁界強度の適切な値Ｈ^Ｅ _{ｌｌ（ｍａｘ）}が求められるだろう。これに続いて行われる一連の層被覆によって、表で段１に記載され、目標設定に一致する層パラメータが得られる。比較するために段２には、電極１７の表面上の本発明による磁界なしで得られる層パラメータが記載されている。

マグネトロンスパッタリングを行う本発明による装置の断面図。

同心状に配置された２つのターゲットを有する、回転対称の実施形態の断面図。

マグネトロンスパッタリングを行う本発明による装置の概略的な断面図。

Claims (11)

1. マグネトロンスパッタリングによってサブストレートに被膜を被覆する装置であって、
   少なくとも１つのスパッタ源と、
   少なくとも１つの、少なくとも一時的に陽極（７）として接続される電極と、
   少なくとも１つの電流供給ユニット（８）を有しており、
   前記スパッタ源はマグネトロンの原理に従い、少なくともそれぞれ１つの、自由に選択可能な電気的ポテンシャルに設定されるターゲット（１）を有しており、当該ターゲットは表面上にそれ自体で閉じているトンネル状の磁界（５）を伴い、当該ターゲットは少なくとも一時的に陰極として接続され、
   前記電流供給ユニットは、１つまたは複数のターゲットと、１つの電極または複数の電極との間に電圧を生じさせる形式のものにおいて、
   前記少なくとも一時的に陽極として接続される電極がプラズマシールド（６；１６）の後ろに配置されており、当該プラズマスシールドは当該電極を直接的な層被覆から保護し、
   前記電極には磁界形成装置（９）が対応して設けられており、電極表面が少なくとも部分的に磁界によって貫通され、
   電極表面に対して平行な磁界成分の最大値Ｈ^Ｅ _{ｌｌ， ｍａｘ}は、ターゲット表面に対して平行な磁界成分の最大値Ｈ^Ｔ _{ｌｌ， ｍａｘ}の少なくとも５％である、
   ことを特徴とする、マグネトロンスパッタリングによってサブストレートに被膜を被覆する装置。
2. 前記電極を貫通する磁界を形成するために、永久磁石が使用されている、請求項１記載の装置。
3. 前記電極を貫通する磁界を形成するために、少なくとも１つの電磁石が使用されている、請求項１記載の装置。
4. 前記磁界は電極内の電流が流れる手段によって形成されている、請求項３記載の装置。
5. 電極表面に作用する磁界の平行成分の最大値Ｈ^Ｅ _{ｌｌ， ｍａｘ}は、永久磁石の位置を変えることによって変えられる、請求項２記載の装置。
6. 電極表面に作用する磁界の平行成分の最大値Ｈ^Ｅ _{ｌｌ， ｍａｘ}は、電磁石の電流強度を変えることによって変えられる、請求項３記載の装置。
7. 前記磁界は少なくとも部分的に環状に、前記電極を中心に閉じている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 前記電極表面の部分領域上で、磁力線が実質的に垂直に出ている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
9. 電極表面上の磁力線の出る位置は、前記永久磁石の位置を変えることによって、または少なくとも１つの電磁石の電流を変えることによって変えられる、請求項８記載の装置。
10. 請求項１に記載された装置を用いて、マグネトロンスパッタリングによってサブストレートに被膜を被覆する方法において、
    電極表面に作用する磁界の平行成分の最大値Ｈ^Ｅ _{ｌｌ， ｍａｘ}および／または磁界の出る位置を、サブストレート上に析出された層の層特性が所望の値をとるように設定する、
    ことを特徴とする、請求項１に記載された装置を用いて、マグネトロンスパッタリングによってサブストレートに被膜を被覆する方法。
11. 磁界強度および／または磁界の磁力線の出る位置を、所定の時間関数に応じてサブストレート上に層を形成するために導く、請求項１０記載の方法。

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