JP5329795B2 - マグネトロンスパッタリング源、スパッタコーティング装置、及び基板コーティング方法 - Google Patents

Description

本発明はコーティング装置用のマグネトロンスパッタリング源に関し、少なくとも１つのカソードと、カソードに割り当てられた又はカソードに統合した、コーティング及び／又は処理用のコーティング及び／又は処理材料を施すための少なくとも１つのターゲットと、コーティング用プラズマを発生させるための手段と、磁場を発生させることでコーティング用プラズマに影響を与え、少なくとも１つのプラズマチャネルをターゲットの一部表面上方で発生させる少なくとも１つの磁石配列を備え、磁石配列とターゲットは好ましくは少なくとも１つの駆動装置により互いに相対運動し得るように配列されている。これに加え、本発明はスパッタコーティング装置に関し、少なくとも１つの処理又はコーティングチャンバとマグネトロンスパッタリング源を備える。本発明は、特には基板をコーティングするための処理方法にも関し、この方法は
ａ）ターゲットを有する処理又はコーティング装置を設置し、
ｂ）コーティング用プラズマを発生させ、
ｃ）磁場を発生させることでコーティング用プラズマに影響を与え、少なくとも１つのプラズマチャネルをターゲットの一部表面上方で発生させ、
ｄ）磁場とターゲットとの間に相対運動を生じさせる工程を含む。

従来技術

基板又は基板表面のコーティング、特には大面積基板のコーティング又は処理については様々な方法が知られている。用いるコーティング法は、高い均質性と均一性を備えた薄層の形成にも適していなくてはならない。これに加え、コーティング装置の経済的な稼動を目的として、基板のサイズを縮小化し高い基板製造スループットを達成することで層システムを妥当な値段で提供可能とすることが必要である。こういった条件下において、大面積基板を含む高品質の層システムを効率的なコーティング方法の使用を通して達成するために多大な努力がなされている。

スパッタリング又は（カソードによる）原子化は、基板上に薄膜を生成するためによく使用される技術である。スパッタリング方法においては、ターゲットにイオンを、例えば点火したプラズマからの不活性ガスイオンを衝突させる。この結果、直接的又は間接的にコーティングとして機能させることを意図した材料はターゲットからスパッタ、つまり放出又は原子化される。スパッタされた材料は、おそらくは化学反応後に、ターゲットに面する基板上に堆積される。コーティング処理中、基板をターゲットに対して静止させても、或いはターゲットを通り過ぎて連続的に搬送してもどちらでもよい。

スパッタリング処理の効率を上昇させるためには、いわゆるマグネトロンスパッタリング源を使用する。マグネトロンスパッタリング源はマグネット配列を有しており、基板とは逆方向のターゲット側上に配置されている。磁石システムにより磁場が発生し、ターゲット表面上方の領域の、基板側に発生するコーティング用プラズマに影響を及ぼす。磁力線の形状によってはターゲット表面上方に非均質なプラズマ構造が形成され、該構造によりターゲット材料の侵食が不均一となる。典型的には、磁石配列を用いて例えば細長い楕円形（レーストラック形状）の閉鎖プラズマチャネルを発生させる。プラズマが非均質であると、ターゲットに侵食溝が形成されてしまう。この結果、一方ではターゲット材料が完全には消耗されず、他方では非均質的な除去や侵食溝の形成により基板のコーティングが非均質かつ不均一となってしまう。

この問題に対処するために、ターゲット材料が基本的に均質に除去されるようにとプラズマ分布表面を時間的に変更する可動式磁石配列が提案されている。例えば、磁場の往復運動を起こすことで、浸食溝を平滑化する。

高いコーティング均質性やターゲット材料を最大限活用するという要件に加え、コーティング装置側には高い効率性が要求される。既知のスパッタリング装置の効率は、原則的に、プラズマチャネル下の領域で発生するターゲットの高表面温度により制限されてしまう。スパッタリング率、それに伴ってスパッタリング電力を上昇させようとすると、単位面積あたりのエネルギー投入量も上昇する。これはスパッタリングを不本意にも妨害してしまうという表面作用へとつながる。表面作用としては、例えば、ターゲットの溶融、ターゲットの局所的な脱ガス及びターゲット材料中の化合物の化学変化が挙げられる。これらの作用の結果がターゲットの溶融や熱誘導によるアーキング（アーク放電）である。記載の温度作用を回避するための最も簡単な方法がターゲットの冷却であり、従って、例えばターゲットを冷却したバッキングプレートに取り付ける。

しかしながら、冷却装置であってもターゲットの最上層原子層をある程度にまでしか冷却することはできない。例えば、ＩＴＯスパッタリングの場合、最大可能出力密度は約３Ｗ／ｃｍ^２より高い出力密度でのアーキングの発生により制限される。

技術的目的

このことから、本発明の目的はマグネトロンスパッタリング源、スパッタコーティング装置及び基板の処理方法を提供することであり、出力密度を上げることでコーティング処理の効率を向上可能である。

解決技術

本目的は請求項１〜３に記載のマグネトロンスパッタリング源、請求項１７に記載のスパッタコーティング装置及び請求項１８に記載の方法により達成される。

従って、コーティング装置用の本発明のマグネトロンスパッタリング源は、少なくとも１つのカソードと、カソードに割り当てられた又はカソードとして形成された、コーティング及び／又は処理用のコーティング及び／又は処理材料を施すための少なくとも１つのターゲットと、コーティング用プラズマを発生させるための手段と、磁場を発生させることでコーティング用プラズマに影響を与え、少なくとも１つのプラズマチャネルをターゲットの少なくとも一部表面上方で発生させる少なくとも１つの磁石配列を備える。磁石配列とターゲット表面は、これらを相対的に運動可能とすることでプラズマチャネルがターゲット表面上方で移動可能となるよう配置されている。ターゲット表面上への熱負荷の軽減を目的として、マグネトロンスパッタリング源を調節し、磁石配列とターゲットとの相対速度を上昇させることで基板表面領域をプラズマに曝露する時間を短縮する。

曝露時間は表面領域に突出しているプラズマチャネルの幅（ここでの幅とは、運動方向に向かってのプラズマチャネルの開き）と走査速度の指数として計算される。プラズマチャネルの面積が小さく相対速度が早ければ早いほど、ターゲット表面の特定領域をプラズマチャネルに曝露する時間は短くなる。このため、プラズマチャネル部を小さく、走査速度を早くすることで（例えば、０．１ｍ／秒）、表面領域の曝露時間が短くなる。スパッタリング率は曝露時間に適合させることが可能であり、特には、高スパッタリング率に関わらず不本意な表面作用が（依然として）生じない程度にまで上昇させる。これに加え、ターゲット表面全体のプラズマチャネルに対する面積比は、この記載の表面領域が再走査される前に十分に冷却されるに十分な高さでなくてはならない。プラズマへの曝露時間とは、ターゲットの表面領域上方でのプラズマチャネルの一動作を示す。全ターゲット表面のプラズマチャネル面積又はプラズマチャネルに対する面積比が高ければ高いほど、プラズマチャネルの経路に沿った所定の速度プロファイルでの（及び表面の走査完了時での）２回の連続走査／プラズマ曝露の間におけるターゲット表面領域の「回復期間」が長くなる。

本発明の目的はコーティング装置用のマグネトロンスパッタリング源により達成され、少なくとも１つのカソードと、カソードに割り当てられた、コーティング及び／又は処理用のコーティング及び／又は処理材料を施すための少なくとも１つのターゲットと、コーティング用プラズマを発生させるための手段と、磁場を発生させることでコーティング用プラズマに影響を与え、少なくとも１つのプラズマチャネルをターゲットの少なくとも一部分表面上方で発生させるための少なくとも１つの磁石配列を備える。磁石配列とターゲット表面は駆動装置により互いに相対的に運動し得るように配置されている。駆動装置は、１コーティングサイクル中、相対運動の速度が少なくとも０．１ｍ／秒を越えるように調節されている。

本発明の目的はコーティング装置用のマグネトロンスパッタリング源によりも達成され、少なくとも１つのカソードと、カソードに割り当てられた、コーティング及び／又は処理用のコーティング及び／又は処理材料を施すための少なくとも１つのターゲットと、コーティング用プラズマを発生させるための手段と、磁場を発生させることでコーティング用プラズマに影響を与え、少なくとも１つのプラズマチャネルをターゲットの少なくとも一部分表面上方で発生させるための少なくとも１つの磁石配列を備える。磁石配列とターゲット表面は互いに相対的に運動し得るように配置されている。マグネトロンスパッタリング源は出力密度が、少なくとも断続的に少なくとも５Ｗ／ｃｍ^２に達し、出力密度（及びスパッタリング率）の関数としての磁石配列のターゲットに対する相対速度がターゲット表面に対する不本意な温度誘導性表面作用を排除するに十分な速さとなるように調節される。

本発明は、コーティングがより高い出力密度とその結果としての高いスパッタリング率で行われるようにとターゲット表面の熱慣性を利用することが可能だという認識に基づくものである。出力密度はシステム内へとカソード単位面積あたり導入される電力に対応する。出力密度はスパッタリング率の関数である。

０．１ｍ／秒より速い相対速度を用いることで、プラズマチャネルを表面領域に相対して運動させた際、プラズマのターゲット表面領域に作用する時間はより短くなる。表面領域走査中のプラズマ曝露時間を短縮することで、ターゲット表面上に生じる不本意な表面作用、例えばアーキング、ターゲットの溶融、ターゲットの局所的な脱ガス、ターゲット中の化合物の化学反応等を実質的に伴うことなく、出力密度及び／又はスパッタリング率を上昇させることが可能となる。その結果、所定の（短い）時間の間での表面領域（特定の単位面積）へのエネルギー投入量を、ターゲット表面上で表面作用を起こすことなく上昇させることが可能となる。任意で、１コーティングサイクル中、プラズマチャネルによりターゲットを数回走査してもよく、この場合、ターゲットの最上層原子層の温度の上昇は、プラズマへの曝露時間がより長く、かつ強力度の低い場合より遙かに少なくなる。

本願において、ターゲット表面のプラズマへの曝露とは、プラズマ内で発生したイオンがターゲット表面の表面領域に突き当たり、この領域の表面と相互作用を起こし、この領域からコーティング材料をスパッタする状況を意味するものとする。言うまでもなく、長時間に亘る曝露により表面は加熱され、その結果、前記の不本意な表面作用が起こる可能性がある。このため、本発明は高出力密度であったとしても、ターゲットの熱慣性を特定の熱容量を通して活用可能となるように表面走査中の速度上昇を図る。

１コーティングサイクル中に表面領域を幾度か走査する場合、２つの曝露相間の時間が表面が冷却されるに十分なだけ長くなるようにと注意を払うのが好ましい。走査中の加熱の程度は供給される総エネルギー及びエネルギーを供給するシーケンスに依存する。低スパッタリング率で総エネルギーを事実上一定して供給するよりも、エネルギー投入シーケンスをより有意義に実行可能なことがわかった。速度プロファイルは、ターゲット表面上方のプラズマの滞留時間に合わせて調節される。

本発明において、磁石配列とターゲット表面との間の相対運動とは広く解釈される。ターゲット又はカソードは磁石配列に相対して運動する。或いは、磁石配列がターゲット又はカソードに相対して運動可能である。しかしながら、磁石配列とカソード又はターゲットとの双方のコンポーネントを、互いにかつコーティング装置に対して運動可能となるように配置することも考えられる。

磁石システムは、原子化するターゲットの、基板コーティング面とは逆方向を向く側に位置されている。磁石配列は特には永久磁石である１つ以上の磁石と少なくとも１つのヨークを特に備える。

磁石システムは１つ以上のプラズマチャネルを発生可能であり、チャネルは並列して、或いは重なりあうように配置される。こういったプラズマチャネルに考えられる形状はレーストラック型（基本的に細長く、閉じた楕円経路）、骨型、閉鎖経路、又は菱形に似た閉鎖経路である。ターゲットの層材料の分布と浸食プロファイルは、走査工程に適当な経路形状を選択し、空間座標に依存している、１コーティングサイクル中のプラズマチャネルの相対速度を計算にいれることで最適化することが可能である。これに加え、基板の均質なコーティングは、例えば、速度、スパッタリング率、経路形状等のパラメータを適切に設定することで確実に行うことが可能である。

本発明は例えば希ガス（アルゴン等）でのスパッタリングや反応性ガス（酸素、窒素、ＮＨ_３等）によるスパッタリングである全ての一般的なスパッタリング法に適していることから、全種類のターゲット材料を使用可能である。ターゲット材料は、例えば、金属、合金、又は金属・非金属化合物、例えばＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ：Ａｌ、ＳｉＯ_２、ＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯ）である。

磁石システムの運動の２つの方向転換位置又は方向転換部位で、ターゲットの厚みを残りのターゲット表面を覆う材料厚さより厚くすることが可能である。これは速度プロファイルにより、方向転換領域では自然とより多く浸食されるからである。厚さを上げることにより、ターゲットの耐容年数満了時にターゲット全体に亘って残存ターゲット厚さを最小限及び均一とすることが可能となり、ターゲットをそれ相応の効率で活用できるという利点がある。これに加え、方向転換領域における磁石システムとターゲット背面との間の垂直距離を拡大する及び／又は方向転換領域での電力供給を低下させることでこれらの領域における、その他の表面領域と比較すると早い浸食を防止することが可能である。その他の点では、方向転換領域がターゲットの境界領域にある場合はより良好なコーティング結果が得られ、これはこの領域ではコーティングを均一にすることを目的として、より高い収率が望ましいからである。

請求項において、ターゲットの表面領域とは走査中にプラズマチャネルに曝露される全表面と比較すると小さいターゲット表面上の範囲であり、特にはプラズマチャネルによりカバーされるターゲットの表面の一部である。表面領域は極小であってもよく、いずれにしてもこの領域により領域上を移動するプラズマの影響及び／又は効果が決定される。

本発明のマグネトロンスパッタリング源の利点は、主に、より速いスパッタリング率の使用可能性にある。より速いスパッタリング率と変わらぬサイクル時間とを組み合わせることにより、コーティング装置のコンパクト化が可能となり、これは資材調達及び稼動コストの削減につながる。これに加え、本発明の概念に基づき、静的に堆積すべき（例えば、ＴＦＴコーティング）大面積コーティングを、幾つかの並列カソードを使用する慣用の技法の場合よりも実質的により均質な層厚分布でもって実現可能であることが明らかとなった。

本発明の特別な実施形態においては、コーティングサイクル中、相対運動速度が少なくとも０．１ｍ／秒、特には０．２ｍ／秒、特には０．３ｍ／秒、特には０．５ｍ／秒、特には１．０ｍ／秒、特には３．０ｍ／秒、特には５．０ｍ／秒を越えるように駆動装置は調整される。上記記載の高速度は適切な駆動装置、例えば、ベルト式駆動装置又はリニアモータでも簡単に実現可能である。

既に速度０．２ｍ／秒で、例えばこれまでの出力密度３Ｗ／ｃｍ^２から４０Ｗ／ｃｍ^２への出力上昇、速度０．４ｍ／秒で５０Ｗ／ｃｍ^２を越えての出力密度の上昇、速度１．６ｍ／秒で、例えば５５Ｗ／ｃｍ^２を越えての出力密度の電力上昇、及び速度３．５ｍ／秒で７０Ｗ／ｃｍ^２を越える上昇が可能であることが明らかとなった。この驚くべき効果は、速度を通常レベル、例えば１．５ｍｍ／秒から０．１ｍ／秒を超えて上げた場合であっても特に顕著である。

走査中、ターゲット表面の各表面領域をある特定の時間に亘ってコーティング用プラズマに曝露する。曝露時間はプラズマチャネルとターゲット表面との間の運動の相対速度と反比例している。これは、速度の上昇により表面領域のプラズマへの曝露時間が短縮されることを意味している。これにより、走査中により高いスパッタリング率を用いることが可能となる。

磁石システムを往復運動させることで、例えば２つの平行なターゲット縁部、特には２つの短辺側のターゲット縁部間で相対運動を発生させてもよい。この往復運動は、空間における別の方向（つまり、ターゲットの中心縦軸と非平行である方向）における運動と重ね合わせることが可能である。瞬間速度を、ターゲット表面と相対して、経路形状の最大部位に亘って一定とすることが可能である。この一定速度は、請求項で指定の少なくとも最低速度値に等しい。或いは、瞬間速度は、例えば層厚分布又はターゲット浸食プロファイルが適合し得るようにと可変であってもよい。当然ながら、折り返し地点があり相対運動が減速した場合、速度はより低い値又はゼロへと間欠的に低下する。しかしながら本発明では、コーティングサイクル中、走査速度は請求項で指定した速度値を、好ましくは経路長さの５０％を越えて、特に好ましくは経路長さの７５％を越えて経路形状表面の大部分に亘って超過する。ターゲット長さによっては、高速で走査される領域は実際のところさらに大きい。

磁石システムの高往復速度と質量の大きさから、コーティング装置には振動が発生する。これらの振動は釣り合いおもりでもって中和可能である。

特には、出力密度が少なくとも間欠的に少なくとも５Ｗ／ｃｍ^２、特には少なくとも１５Ｗ／ｃｍ^２、特には３０Ｗ／ｃｍ^２、特には５０Ｗ／ｃｍ^２、特には７５Ｗ／ｃｍ^２に達するようにマグネトロンスパッタリング源を調節する。スパッタリング率の上昇から生じるターゲット表面への負荷は、走査速度の上昇、それに伴うプラズマへの表面領域の曝露時間より相殺される。本発明のマグネトロンスパッタリング源は、こういった出力密度での操作にあわせて形成又は調整される。

特別な実施形態においては、磁石配列とターゲット表面との間の相対速度設定はターゲットの総表面領域の、ターゲット表面へと突出しているプラズマチャネルの領域、つまりプラズマが目に見える作用を及ぼすところのターゲット表面上の領域のサイズにおける比と、所望のスパッタリング率に依存している。所定の高スパッタリング率及びプラズマチャネルの所定の作用領域での不本意な表面作用を回避するに十分な速さとなるよう速度を選択することは言うまでもない。
別の見方をすると、実験で求められた適切な最高スパッタリング率を実現し得るようにと速度を最高値に設定する。

特には、ターゲットの総表面領域のプラズマチャネルの領域に対する面積比は少なくとも１５、特には３０、特には４５、特には９０である。前記記載の面積比は、相互に整合可能なその他のパラメータ、つまり経路に沿った速度プロファイルとスパッタリング率のプロファイルの関連にとっても重要である。この比により、ターゲット表面の特定範囲がプラズマ影響下にある距離が決定される。１つ以上のプラズマチャネルを用いる場合、ターゲットの全スパッタリング表面面積のプラズマチャネルの面積及び／又はプラズマチャネルに対する比は、次の走査までに各表面領域が十分に冷却されるに十分なだけ大きくなくてはならない。面積比を可能な限り最大とすることにより良好な冷却が保証されるため、本方法は大面積ターゲットを用いた大面積コーティングに特に適している。これに加え、面積比が大きいことにより、高スパッタリング率と組み合わされることで十分に速い速度を実現可能となる。この結果、面積比により、調整可能な速度を通して最高可能スパッタリング率が間接的に求められる。

こういった面積比の大きさは別の意味では（スパッタリング率に則した）出力密度と速度における上昇に関連してのみ経済的に有用である。この結果、面積比の大きさにも関わらず、基板コーティング中、サイクル時間が短縮される。

ターゲットの特定の表面領域がプラズマに曝露される時間全体が、コーティングサイクル毎に少なくとも２つの時間的に離れた時間枠へと分断されるようスパッタリング源を調整することが好ましい。

コーティングサイクルとは、ステーション内で基板の適切なコーティングを行うためのサイクルと見なされる。しかしながらコーティングサイクルは、複数の基板を連続的に直ちにコーティングする時間的に閉鎖されたコーティング工程としても捉えられる。

走査は高速で行われることから、コーティングサイクル中、ターゲットの各表面領域はプラズマに短時間かつ２回以上曝露される点が重要である。このアプローチはターゲット材料の熱慣性を利用しており、短時間の走査中での過剰な加熱を招かず、（上述したように）適切な面積比により２つの走査サイクル間で十分な冷却が行われる。

ターゲットは、好ましくは長さが幅の複数倍である長さと幅を有する長方形となるように形成するのが好ましく、磁石配列及びターゲットは少なくともターゲットの長さ方向に沿ってこれらが相対運動可能となるようにと配置される。この運動は、空間内のその他の方向への運動と重ね合わせてもよい。特に、２つの横方向縁部間で、往復相対運動を実行可能である。

ターゲットは基本的に平面及び／又は湾曲面で形成してもよい。ターゲットは例えば接着、ブラケット、ネジ、溶射等により冷却したバッキングプレートに取り付けてもよい。ターゲットは例えばサイズ２．５ｍｘ０．３ｍの平面カソード又は湾曲カソードとして形成してもよい。更に、ターゲットは例えばサイズ２．５ｍｘ２ｍの平面カソード又は湾曲平面カソードとして形成してもよい。湾曲カソードを使用することで、特定のケースにおいて基板上の層分布を制御すること、又は均質で均一な層分布を湾曲基板上で得ることが可能となる。

しかしながら、マグネトロンスパッタリング源は、管状カソード及び／又は回転管状ターゲットを備えた回転マグネトロン管状スパッタリング源であってもよい。ターゲットの磁石システムに対する相対速度は磁石システムに相対したターゲット表面の経路速度に対応する。ターゲットの総表面のプラズマチャネルの領域に対する面積比は、色々方法はあるがターゲット直径を拡大することで達成してもよい。本発明の原理は、本文で平面ターゲットと指定していようと、考えられ得る全ての回転カソード／ターゲットに言及するものである。

好ましくは、少なくとも１つのアノード又はアノード配列を設置して、放出される電子を受け止める。アノードはマグネトロンカソードを取り巻くもの、例えばチャンバ壁部、暗室フレーム、周辺プロファイル等により形成可能である。

しかしながら、アノード又はアノード配列は特には少なくとも１つの電極を有していてもよく、電極はターゲットに対して運動可能となるようにターゲット表面上方に配置される。この場合、電極は通常、ターゲットに相対して磁石システムと同期して運動する。例えば、電極はプラズマチャネルに沿って配置してもよい。

アノード又はアノード配列は複数の電極を有していてもよく、ターゲットに相対してターゲット表面上方に不動となるように又は固定して配置されている。従って、アノードはターゲットの前面又は縁部及び／又は磁石システムの運動方向に沿って磁石システムと平行に位置された１つ以上の冷却又は非冷却ロッドから形成してもよい。電極はプラズマチャネル内に点状に突出しており、磁石システムの運動と同期して電気的に切り替えられる。

ターゲットは好ましくは１つ以上の部位から成り、直流結合又は絶縁されている。ターゲットを結合されていない部位に分割する場合、ある部位をカソードとして機能させ、少なくとも１つの隣接する部位をアノードとして機能させるための手段を設けることが可能である。個々のターゲット部位の電位は磁石システムの運動と同期させることが可能であり、つまりターゲット部位を磁石システムの運動と同期させて電気的に切り替え／ステップすることが可能である。負のスパッタリング電位は、例えば、所定の時間に磁石システムが通過するそのターゲット部位にのみ存在する。残りのターゲット部位はスパッタリング電位を有さないが、例えば接地、正の、又は浮遊電位を有する。アノード又はアノード配列の使用を通し、アーク放電等のアーキング及び不本意な二次プラズマを回避可能である。

コーティング用プラズマ発生手段は電力供給装置を備えていてもよく、ＡＣ（交流）、ＤＣ（直流）、単極性パルス、両極性パルス、又はＲＦ（高周波）源を含む。電力はその供給源からシステムへと結合されている。

本発明の目的はスパッタコーティング装置によっても達成され、少なくとも１つの処理又はコーティングチャンバとマグネトロンスパッタリング源を備える。

更に本発明の目的は基板の処理、特には基板のコーティング方法により達成され、この方法は、
ａ）ターゲットを有する処理又はコーティング装置、特には上記記載の処理又はコーティング装置を設置し
ｂ）ターゲット表面の少なくとも一部表面上方でコーティング用プラズマを基板上に発生させ、
ｃ）磁場を発生させることでコーティング用プラズマに影響を与え、少なくとも
１つのプラズマチャネルをターゲットの少なくとも一部表面上方に発生させ、
ｄ）磁場とターゲットとの間に相対運動を生じさせる工程を含む。

ターゲット表面上への熱負荷を軽減することを目的として、表面領域をプラズマに曝露する時間を、磁石配列とターゲットとの間の相対速度を上昇させることで短縮する。

これに加え、本目的は基板の処理、特には基板のコーティング方法により達成され、この方法は、
ａ）ターゲットを有する処理又はコーティング装置、特には上記記載の処理又はコーティング装置を設置し
ｂ）ターゲット表面の少なくとも一部表面上方でコーティング用プラズマを基板上に発生させ、
ｃ）磁場を発生させることでコーティング用プラズマに影響を与え、少なくとも
１つのプラズマチャネルをターゲットの少なくとも一部表面上方に発生させ、
ｄ）磁場とターゲットとの間に相対運動を生じさせる工程を含む。

磁場とターゲットとの間の相対速度は少なくとも０．１ｍ／秒を越える。

プラズマチャネルは高速で（相対）でターゲット表面領域上を誘導されるため、プラズマが表面領域に間断なく作用する時間枠は短縮され、この結果、たとえ高出力密度（及びそれに付随して高スパッタリング率）であっても、ターゲット表面上には不本意な表面作用が実質的に生じない。

特に、ターゲット表面に相対したプラズマチャネルの相対速度は０．１ｍ／秒、特には０．２ｍ／秒、特には０．３ｍ／秒、特には０．５ｍ／秒、特には０．１ｍ／秒、特には３．０ｍ／秒、特には５．０ｍ／秒を越える。

特に、プラズマチャネルは楕円、細長い楕円、骨型又は菱形を有する。

磁場とターゲット表面との間の相対運動中、出力密度は少なくとも５Ｗ／ｃｍ^２、特には少なくとも１５Ｗ／ｃｍ^２、特には３０Ｗ／ｃｍ^２、特には５０Ｗ／ｃｍ^２、特には７５Ｗ／ｃｍ^２に少なくとも間欠的に達する。本発明のマグネトロンスパッタリング源はこういった出力密度での稼動にあわせて構成される又は調節される。

特には楕円状（レーストラック型）、骨型及び／又は菱形である少なくとも１つのプラズマチャネルを形成することを目的として、磁場をプラズマに作用させる。

記載の方法において、ターゲットの全スパッタリング表面面積とターゲット表面に突出したプラズマチャネルの面積との比は１５、特には３０、特には４５、特には９０を超える。工程（ｃ）で発生させたプラズマチャネルの面積がターゲットの面積に相対して小さい場合、ターゲット表面の表面領域を走査する間隔は比較的広くなる。

特に、ターゲットは長さが幅の複数倍である長さと幅を有する長方形となるように形成され、磁場はターゲットに相対して少なくともターゲットの長さ方向に沿って移動する。特に、磁場はターゲットの縁部に相対して往復運動可能である。

ターゲットの特定の表面領域のプラズマへの総曝露時間は、少なくとも２つの時間的に離れた時間枠へとコーティングサイクル毎に分割可能である。

記載の構成は全て個々、組合せの双方で装置と方法に関連して権利請求される。

発明の実施方法

図１は本発明のコーティング装置１の断面図である。コーティングチャンバ２内には長さｌ及び幅ｂの縦長カソード３が配置されており、その上にターゲット４が取り付けられている。この図において、カソード３はターゲット４の紙面下方向に横たわっている。しかしながら、カソード３及びターゲット４は本発明において統合コンポーネントとして形成してもよい。つまりターゲット材料４それ自体をカソード３から形成してもよい。

カソード３は接続ケーブルによりエネルギー供給源５に接続されている。電力は直流、交流、非極性パルス電流、双極性パルス電流又はＲＦ（高周波）電圧としてコーティングシステム１に結合してもよい。

図２は左上の座標系により示されるように、コーティング装置１の側面図である。壁部により囲まれているコーティングチャンバ２内にはカソード３と、カソード３に取り付けられたターゲット材料４が配置されている。ターゲット材料４は基板面６に面しており、コーティング中、この基板面に基板は置かれる又はこの基板面に沿って搬送される。

基板面６の反対側には、その下にカソード３を有するターゲット４が実質的に平行に延びている。これに関連して、ターゲットそれ自体がカソードを構成し得ることが指摘される。いずれにせよ、ターゲット４はカソード電位になくてはならない。

カソード配列３の背後では、矢印ｖで示されるように、磁石システム７（例えばヨーク及び磁石から成る。詳細は図示せず）がカソード３又はターゲット４の長手方向に沿って高速、例えば１ｍ／秒の高速で移動する。ターゲット４は比較的高速度ｖでターゲット４の長さｌに沿って走査される。磁石システムはキャリア上を駆動装置（図示せず）により駆動させてもよい。

磁石システム７は、表面から離れたある位置に周縁楕円プラズマチャネル８（レーストラック）を発生するように形成される。プラズマチャネルは磁石システム７と同一速度ｖでターゲット４の表面を横断して移動する。運動方向は矢印ｖにより示される。高走査速度とすることで、ターゲット４の溶融、局所的な脱ガス又はターゲット４内の化合物の化学変化等の表面作用に繋がる可能性のある、ターゲット４の表面４´の局所加熱を防止することができる。これに加え、アーキング（熱誘導性アーク放電）が防止される。

本発明のマグネトロンスパッタリング源を図３に示す。

ターゲット４の表面４´は基板面６の方向を向いており、磁石システム７は基板面とは逆方向に面している。ターゲット４は冷却してもよい。

磁石システム７は基本的にターゲット４に相対して紙面に対して直角の方向（ｘ方向）に高速で移動する。しかしながら、ｙ及びｚ方向に向かっての交差運動も可能である。

ターゲット４に相対した磁石システム７の運動とは、磁場が例えばｘ方向に向かってターゲットの平行する短辺側縁部間を往復運動する、或いはターゲット４が磁石システム７に相対して駆動され、磁石システムのほうがコーティングチャンバ２内に固定されることのいずれかであることを意味している。磁石システム７によるターゲット４とは反対の方向への運動も考えられる。例えば、ターゲット４がｘ方向に向かって急速な運動を実行し、磁石システム７がｙ及び／又はｚ方向に交差運動を実行してもよい。

図４は本発明のスパッタリング源のターゲット４の平面図である。

ターゲット４下には、矢印で示されるように、ｘ方向に移動させ得る磁石又は磁石配列が配置されている。磁石は矢印ｖで示されるように、ある速度或いは所定の速度プロファイルでもって走査経路に沿って移動する。ターゲット４による交差反動運動は矢印ｕによって示され、全体としてｘ方向に向かっての相対速度ｕ＋ｖが得られる。

適切な条件下においては、磁石又は磁石システムは表面４´の垂直上方にプラズマチャネル８、８´、８´´を形成する。これらのプラズマチャネル８、８´、８´´は速度ｕ＋ｖで、ターゲット４に相対してｘ方向に磁石システムと共に移動する。

プラズマチャネル８、８´、８´´は、例えば、異なる閉鎖構造を有しており、例えば細長い楕円（レーストラック８）、ターゲット４の全幅ｂに亘っては延びていない菱形形状８´、及び骨型領域８´´（それぞれターゲット表面４´上に突出している）である。プラズマチャネル８、８´、８´´の面積は、走査するターゲット表面４´全体と比較すると狭い（各面積及び８、８´、８´´の合計面積としての双方で）。

例えば、ターゲット４の面積とプラズマチャネル８、８´、８´´の面積との間で面積比が５を遙かに超えるように調節する。このようにすることで、磁石システム７とターゲット４との間でｘ方向に向かって速い相対速度ｕ＋ｖが実現され、例えば相対速度は１ｍ／秒となる。高相対速度ｕ＋ｖと大きな面積比との相乗効果により、ターゲット４の最上層原子層の温度は慣用の構成と比較して顕著に低下することが明らかとなった。冷却性の向上はその一方で、ターゲットの溶融又はアーキング等の障害となる表面作用伴うことなく遙かに高い出力密度又はスパッタリング率の使用を促す。

更に、図４は例として、プラズマチャネル８近辺に配置されたアノード９を示しており、前記アノードはレーストラックの領域内に位置されている。アノード９はカソード下の磁石システム、それに伴いプラズマチャネル８と絶対速度ｖ、つまり相対速度ｕ＋ｖで表面４´上を同期して移動する。ターゲット４及び／又は磁石システムはｙ及び／又はｚ方向への交差相対運動を行ってもよく、これにより特定の浸食プロファイルを選択的に調整する。

図５は本発明の更なる実施形態の側部断面図である。

カソード３がターゲット材料４と共に設置されており、ターゲット表面４´は基板面６と整合している。

基板面６とは反対方向側のカソード３下には磁石システム７があり、（図の左上に示されるように）速度ｖでｘ軸に沿って運動し得る。同様にターゲット４の表面上方のある距離にあるプラズマチャネル又はレーストラック８は、磁石システムと共に移動する。当然ながら、プラズマチャネル８に加え、磁石システム７を適宜形成することで、複数の別のプラズマチャネルをターゲット表面４´上方の領域に運動可能に形成してもよい。

プラズマチャネル８はターゲット４の総領域Ｄに沿った領域ｄ上に突出している（ここでＤはターゲットの長さｌに対応する）。総ターゲット表面の（ターゲット４表面上に突出した）プラズマチャネル８の面積に対する面積比は本発明においては少なくとも１５である。これは特に比Ｄ／ｄにも適用し得る。また、プラズマチャネルの面積は磁気ヨークの面積とほぼ同等となり、これはこれらのパラメータが基本的に同様の寸法設計となっているからである。

磁石システム７を用いて、１つ以上のプラズマチャネル（レーストラック）８をターゲット４と基板面６との間の領域に発生させてもよく、前記チャネルは並列又は重畳パターンでの配置が可能である。特に、ターゲット４の浸食プロファイルのみならず特定の層分布が最適化されるようにと、磁石配列７を慎重に形成する。

また、図５はターゲット４に相対して不動のアノード配列９を示す。アノード配列９は基本的にマグネトロンカソード９の周囲包囲物（例えば、チャンバ壁部、暗室フレーム、周縁プロファイル等）により形成されている。図５に図示のケースにおいて、アノード配列９は幾つかの隣接するロッドから成り、冷却又は非冷却されていてもよい。これらはプラズマチャネル８内へと点状に突出しており、磁石システム７の運動と電気的にステップされている。或いは、磁石システム７と共に運動し、プラズマチャネルに沿って配置された１つ又は２つの電極９を設置してもよい。

磁石システム７用の駆動装置１０を設置し、制御ユニット１１で制御することで走査速度及び／又は走査経路及び／又は出力密度（及びそれに伴いスパッタリング率）を制御してもよい。制御ユニット１１で、例えば磁気システムの速度及び／又は空間座標の関数としてスパッタリング率を制御してもよい。走査経路の最大部分について高速に速度調節することから、出力密度は３Ｗ／ｃｍ^２を遙かに超え、例えば１０Ｗ／ｃｍ^２、５０Ｗ／ｃｍ^２、更には７５Ｗ／ｃｍ^２を超える。

図６は本発明の更なる実施形態を示し、同一要素には上記で使用したものと同一の参照符号を使用する。

この実施形態において、カソード３及びターゲット４は分割されている。プラズマチャネル８の領域における対応するターゲット部位はカソード電位にあり、隣接する対応するターゲット部位はアノードとして機能する。この実施形態において、分割部位は磁石システム７とプラズマチャネル８の動きに応じて、それに対応して速度ｖで切り替えられる。

分割部位間の距離は好ましくは暗室距離に対応しており、これにより異なる電位の隣接する分割部位間での電気的フラッシュオーバが回避される。図６において、示されたサイズ比は純粋に概略的なものである。

ｚ方向を向いている磁石システム７上の矢印は、磁石システム７のｘ方向の運動に、例えばｚ及びｙ方向の運動を交差可能であることを示す。

全体として、本発明は慣用の一連のスパッタリング法、例えば希ガス（アルゴン等）でのスパッタリングに適しているが、反応性ガス（酸素、窒素、ＮＨ_３等）でのスパッタリング法にも適している。

図７は更なる本発明のスパッタリング源を開示しており、ここで提示の実施形態とはアノード配列を有するという点で異なり、アノードは磁石システム７又はプラズマチャネル８の運動方向ｖと平行に配置されている。

図８は本発明に関連する回転カソードを示す。上昇した相対速度が経路速度ｖとしてターゲット表面上に記されている。ここで走査するターゲット長さは円周に対応する。カソード／ターゲット３、４は中心軸Ａを中心に回転する。磁石システム７上方のレーストラック８を点線で示している。

図９は調節した速度と最高可能出力密度、つまりターゲット表面が溶融する前、アーキング発生前又はターゲット表面で化学変化が生じる前に供給し得る出力密度との間の関係を示す図である（測定点ある／なしの２つの実施形態）。可能供給出力密度における急激な上昇が速度０．１ｍ／秒で既に見られる。曲線はより速い相対速度へと上昇し続けるが、その勾配は小さい（約０．３ｍ／秒〜０．４ｍ／秒の間で開始）。しかしながら、高速度領域においても、速度上昇は出力密度において依然として実質的な上昇を引き起こしている。

ｍｍ／秒領域においてはこれまでの通常の速度では予想外の高い出力密度は得られず、予測もされなかった。

本発明の更なる構成及び利点は添付図面を用いて好ましい実施形態についての説明から明白となる。
本発明のコーティング装置の断面図である。 本発明のコーティング装置の側面図である。 本発明のマグネトロンスパッタリング源の断面図である。 動作中の本発明によるスパッタリング源の一部の平面図である。 動作中の本発明によるスパッタリング源の一部の側面図である。 動作中の本発明による更なるスパッタリング源の一部の側面図である。 本発明のスパッタリング源の平面図である。 本発明に関連した回転カソードの図である。 設定した速度と出力密度との間の関係を概説する図である。

Claims (30)

1. コーティング装置（１）用のマグネトロンスパッタリング源であり、少なくとも１つのカソード（３）と、カソード（３）に割り当てられた又はカソードとして形成された、コーティング及び／又は処理用のコーティング及び／又は処理材料を施すための少なくとも１つのターゲット（４）と、
   コーティング用プラズマを発生させるための手段と、
   磁場を発生させることでコーティング用プラズマに影響を与え、少なくとも１つのプラズマチャネル（８、８´、８´´）をターゲットの一部表面（４´）上方で発生させるための少なくとも１つの磁石配列（７）を備え、
   磁石配列（７）とターゲット（４）の表面（４´）は駆動装置により互いに相対運動し得るように配列されており、
   ターゲット（４）は長さ（ｌ）と幅（ｂ）を有する長方形となるように形成され、磁石配列（７）及びターゲット（４）が少なくともターゲット（４）の長さ（ｌ）方向（ｘ）に沿って互いに相対運動可能となるように配置されており、
   駆動装置を、１コーティングサイクル中、磁石配列（７）とターゲット（４）の表面（４´）との間の相対運動の速度が少なくとも０．２ｍ／秒を越えるように調節し、マグネトロンスパッタリング源を、出力密度が少なくとも断続的に少なくとも３０Ｗ／ｃｍ ^２ を越えるように調節し、ターゲット（４）の総表面積領域（４´）のプラズマチャネル（８、８´、８´´）の全領域に対する面積比が１５を超えることを特徴とするスパッタリング源。
2. コーティング装置（１）用のマグネトロンスパッタリング源であり、少なくとも１つのカソード（３）と、カソード（３）に割り当てられた又はカソード（３）として形成された、コーティング及び／又は処理用のコーティング及び／又は処理材料を施すための少なくとも１つのターゲット（４）と、
   コーティング用プラズマを発生させるための手段と、
   磁場を発生させることでコーティング用プラズマに影響を与え、少なくとも１つのプラズマチャネル（８、８´、８´´）をターゲットの一部表面（４´）上方で発生させるための少なくとも１つの磁石配列（７）を備え、
   磁石配列（７）とターゲット（４）の表面（４´）が互いに相対運動し得るように配置されており、
   ターゲット（４）は長さ（ｌ）と幅（ｂ）を有する長方形となるように形成され、磁石配列（７）及びターゲット（４）が少なくともターゲット（４）の長さ（ｌ）方向（ｘ）に沿って互いに相対運動可能となるように配置されており、
   駆動装置を、１コーティングサイクル中、磁石配列（７）とターゲット（４）の表面（４´）との間の相対運動の速度が少なくとも０．２ｍ／秒を越えるように調節し、これによって出力密度が少なくとも断続的に少なくとも３０Ｗ／ｃｍ^２を越え、出力密度及び／又はスパッタリング率の関数としての磁石配列（７）とターゲット（４）との相対速度（ｖ、ｖ＋ｕ）がターゲット表面（４´）への不本意な温度誘導性表面作用を排除するに十分な速さとなるように調節し、ターゲット（４）の総表面積領域（４´）のプラズマチャネル（８、８´、８´´）の全領域に対する面積比が１５を超えることを特徴とするスパッタリング源。
3. １コーティングサイクル中、磁石配列（７）とターゲット（４）の表面（４´）との間の相対運動速度が少なくとも０．３ｍ／秒を越えることを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンスパッタリング源。
4. １コーティングサイクル中、磁石配列（７）とターゲット（４）の表面（４´）との間の相対運動速度が少なくとも１．０ｍ／秒を越えることを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンスパッタリング源。
5. １コーティングサイクル中、磁石配列（７）とターゲット（４）の表面（４´）との間の相対運動速度が少なくとも５ｍ／秒を越えることを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンスパッタリング源。
6. 出力密度が少なくとも間欠的に少なくとも５０Ｗ／ｃｍ^２に達するようにマグネトロンスパッタリング源を調節することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング源。
7. 出力密度が少なくとも間欠的に少なくとも７５Ｗ／ｃｍ ^２ に達するようにマグネトロンスパッタリング源を調節することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング源。
8. 磁石配列（７）とターゲット（４）の表面（４´）との間の相対速度（ｖ、ｕ＋ｖ）設定がターゲット（４）の総表面領域（４´）の、ターゲット表面（４´）へと突出しているプラズマチャネル（８、８´、８´´）の全領域又はターゲット表面上に突出しているプラズマチャネル（８、８´、８´´）の各領域に対するサイズ比と、所望のスパッタリング率に依存していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング源。
9. ターゲット（４）の総表面領域（４´）の、プラズマチャネル（８、８´、８´´）の全領域に対する又はプラズマチャネル（８、８´、８´´）の各領域に対する面積比が３０を超えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング源。
10. ターゲット（４）の総表面領域（４´）の、プラズマチャネル（８、８´、８´´）の全領域に対する又はプラズマチャネル（８、８´、８´´）の各領域に対する面積比が４５を超えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング源。
11. ターゲット（４）の総表面領域（４´）の、プラズマチャネル（８、８´、８´´）の全領域に対する又はプラズマチャネル（８、８´、８´´）の各領域に対する面積比が９０を超えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング源。
12. ターゲット（４）の特定の表面領域がプラズマに曝露される時間全体がコーティングサイクル毎に、少なくとも２つの時間的に離れた時間枠へと分断されるようマグネトロンスパッタリング源を調整することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング源。
13. ターゲット（４）が平面及び／又は湾曲面（４´）で形成されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング源。
14. マグネトロンスパッタリング源が回転管状ターゲットを備えた回転マグネトロン管状スパッタリング源として形成されることを特徴とする前記請求項１〜１３のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング源。
15. マグネトロンスパッタリング源が、放出される電子を受け止めるための少なくとも１つのアノード又はアノード配列（９）を有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング源。
16. アノード（９）又はアノード配列（９）が少なくとも１つの電極を有し、電極をターゲット（４）に相対して運動可能となるようにターゲット表面（４´）上方に配置することを特徴とする請求項１５記載のマグネトロンスパッタリング源。
17. アノード又はアノード配列（９）が複数の電極を有し、ターゲット（４）に相対して不動となるように電極をターゲット表面（４´）上方に配置することを特徴とする請求項１５記載のマグネトロンスパッタリング源。
18. ターゲット（４）が結合されていない部位に分割され、少なくとも１つの部位をカソード（３）として機能させ、少なくとも１つの隣接する部位をアノード（９）として機能させるための手段が設けられていることを特徴とする請求項１５記載のマグネトロンスパッタリング源。
19. コーティング用プラズマ発生手段が少なくとも１つの電力供給装置（５）を備えており、ＡＣ（交流）、ＤＣ（直流）、単極性パルス、両極性パルス又はＲＦ（高周波）源を含むことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング源。
20. 少なくとも１つのコーティング及び／又は処理チャンバ（２）と請求項１〜１９のいずれか１項記載の少なくとも１つのマグネトロンスパッタリング源を備えるスパッタコーティング装置（１）。
21. 基板のコーティング方法であり、
    ａ）ターゲット（４）を有する、請求項２０に記載のスパッタコーティング装置（１）であって、ターゲット（４）は長さ（ｌ）と幅（ｂ）を有する長方形となるように形成され、磁石配列（７）及びターゲット（４）が少なくともターゲット（４）の長さ（ｌ）方向（ｘ）に沿って互いに相対運動可能となるように配置されているコーティング装置（１）を設置し、
    ｂ）コーティング用プラズマをターゲット表面（４´）の少なくとも一部上方の基板面上に発生させ、
    ｃ）磁場を発生させることでコーティング用プラズマに影響を与え、少なくとも１つのプラズマチャネル（８、８´、８´´）をターゲット（４）の少なくとも一部表面（４´）上方で発生させ、
    ｄ）磁場とターゲット（４）との間に相対運動を生じさせる工程を含み、
    磁場とターゲット（４）との間の相対速度（ｖ、ｕ＋ｖ）が少なくとも０．２ｍ／秒を超え、出力密度が少なくとも断続的に少なくとも３０Ｗ／ｃｍ ^２ を超え、ターゲット（４）の総表面積領域（４´）のプラズマチャネル（８、８´、８´´）の全領域に対する面積比が１５を超えることを特徴とする方法。
22. １コーティングサイクル中、磁場とターゲット（４）の表面（４´）との間の相対運動速度が少なくとも０．３ｍ／秒を越えることを特徴とする請求項２１記載の方法。
23. １コーティングサイクル中、磁場とターゲット（４）の表面（４´）との間の相対運動速度が少なくとも１．０ｍ／秒を越えることを特徴とする請求項２１記載の方法。
24. １コーティングサイクル中、磁場とターゲット（４）の表面（４´）との間の相対運動速度が少なくとも５ｍ／秒を越えることを特徴とする請求項２１記載の方法。
25. 磁場とターゲット（４）の表面（４´）との間の相対運動中、出力密度が少なくとも間欠的に５０Ｗ／ｃｍ^２を超えることを特徴とする請求項２１〜２４のいずれか１項記載の方法。
26. 磁場とターゲット（４）の表面（４´）との間の相対運動中、出力密度が少なくとも間欠的に７５Ｗ／ｃｍ ^２ を超えることを特徴とする請求項２１〜２４のいずれか１項記載の方法。
27. 楕円形（レーストラック型）、骨型及び／又は菱形の少なくとも１つのプラズマチャネル（８、８´、８´´）を形成することを目的として、プラズマに磁場を作用させることを特徴とする請求項２１〜２６のいずれか１項記載の方法。
28. ターゲット（４）の総表面領域（４´）の１つのプラズマチャネルの領域に対する又は複数のプラズマチャネル（８、８´、８´´）の領域に対する面積比が４５を超えることを特徴とする請求項２１〜２７のいずれか１項記載の方法。
29. ターゲット（４）の総表面領域（４´）の１つのプラズマチャネルの領域に対する又は複数のプラズマチャネル（８、８´、８´´）の領域に対する面積比が９０を超えることを特徴とする請求項２１〜２７のいずれか１項記載の方法。
30. ターゲット（４）の特定の表面領域がプラズマに曝露される時間全体がコーティングサイクル毎に少なくとも２つの離れた時間枠へと分断されることを特徴とする請求項２１〜２９のいずれか１項記載の方法。

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