JP5608176B2 - アーク蒸発源のための改変可能な磁気配列 - Google Patents

Description

本発明は、反応性の強いガス、反応性の弱いガス、および反応性のないガスを用いたコーティングプロセスで使用するためのアーク蒸発源のための磁気システムに関する。

さらに本発明は、ターゲットの耐用寿命全体を通じて蒸発レートを一定に保ち、速度とドロップレットエミッションの最善の調整を可能にする、アーク蒸発源のための磁気システムに関する。

火花蒸発によって作動する典型的なＰＶＤコーティング設備は、設備でプロセス上の真空を生成するポンプスタンドと接続された真空室を含んでいる。真空室内の基板保持部は、基板（工作物またはデバイスまたはその他のコンポーネント）を収容し、これを予備処理中およびコーティング中に保持する役目をする。基板保持部およびこれに伴って基板それ自体は、処理中および特にコーティング中に基板バイアス供給部によって電圧を印加することができ、それによりイオン打ち込み（負の電圧）または電子打ち込み（正の電圧）のいずれかが施される。基板バイアス供給部はＤＣまたはＡＣまたは双極ないし単極の基板電圧供給部であってよい。

コーティングは火花源を用いて行われる。この火花源はターゲットを含んでおり、その材料が火花によって蒸発させられる。磁気的な手段によって引き起こされるソース磁界は、たとえばスパッタを減らすために火花が特定の軌道で案内されるか（いわゆる「ステアード・アーク」）、それとも、火花が程度の差こそあれターゲット表面で自由に動けるか（いわゆる「ランダム・アーク」）を規定し、このことは多くの場合、より良いターゲットの活用と高い蒸発レートを結果として伴う。

すなわち、ターゲットの上で火花を運動させるために磁気システムが利用される。特別に指向性の磁界を用いるいわゆるアーク・ステアリングは、火花の速度を調節するだけでなく、ターゲット表面での火花軌道も定義して、できる限り良好なターゲットの容積活用を実現することを可能にする。

Ｂｏｘｍａｎ他著”Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ ｖａｃｕｕｍ ＡＲＣ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”，３章”Ｃａｔｈｏｄｅ Ｓｐｏｔｓ”に記載されているように、さまざまなタイプのアークスポットおよびその運動が区別される。原則として、ガスの反応性に応じて次のような事柄が観察される：
ａ）真空中またはたとえばアルゴンのような不活性ガスを用いたアーク蒸発
火花は、磁界によって設定される軌道を比較的低速で移動し、この軌道は円形のターゲットの場合には主として円形である。ランダム運動の割合は低い。したがってこの場合、蒸発レートは比較的高い。蒸発は、比較的大きいドロップレットのエミッションのもとで行われる。ターゲット上での火花の速度およびその「軌道直径」は、磁界を通じて調整可能である。このような方式では金属火花という表現が用いられる。図１は、このような軌道を一例として示している。

ｂ）たとえば窒素のような反応性の弱いガス中でのアーク蒸発
窒素はターゲット表面と反応して、いくつかの原子層の窒化物層を形成する。このとき火花速度の上昇を確認することができる。

火花速度のいっそうの上昇は、ターゲット表面と平行に延びる強い磁界によって実現することができる。このとき、エミッションされるドロップレットが少なくなるという利点がある。一般に、表面の反応性に関して均一な状況を成立させることが可能であり、すなわち、ターゲット表面における蒸発レートと窒素の反応率の安定した調整を成立させることが可能である。

窒化物は導電性が比較的高いため、窒化表面でも火花浸食が起こることがある。したがってそこでも材料の正味剥離につながり、すなわちターゲット表面では、ターゲット汚染につながる恒久的に被覆された領域は形成されない。これに相当する推移を図２に示す。

ｃ）たとえば酸素、アセチレン、メタンのような反応性の強いガス中でのアーク蒸発
この場合には、ターゲット表面と反応性ガスの強い反応が起こる。このことは通常の場合、たとえば酸素を使用すると電気絶縁性層が生じることになる。安定した状況を得るためには、ターゲット表面全体で正味蒸発を維持できることが重要である。局所的な蒸発レートの低い領域は絶縁性になり、したがって蒸発からいっそう除外される。このときターゲット表面は「汚染され」、このプロセスは一般的に累進的であり、最終的にはターゲットの少ない面積割合しか火花放電を担持しなくなる。特に火花速度を上昇させ、それによってドロップレット量を減らそうとして、半径方向成分の大きい高い磁界強度を適用すると、局所的な蒸発レートの強い不均一性につながり、そのためにターゲットのいっそう広い領域の急速な汚染につながる。

米国特許出願公開第２００８０２０１３８Ａ１号明細書（Ｊ． Ｒａｍｍ他）に記載されているように、たとえばＡｌＣｒ酸化物の安定した蒸発が可能なのは、磁界が最大の磁界強度よりも小さいとき、またはそもそも磁界が適用されないときに限られる。強い磁界を適用すると、当然ながら、ターゲット表面に対して平行な磁界分布は非常に不均一になり、そのために、絶縁性層を有する領域がターゲット表面で急速に発生する。このような火花推移が図３に模式的に示されている。

このように以上検討したとおり、たとえば不活性ガス、反応性の弱いガス、または反応性を強いガスを用いてコーティングをすることによって、同一の金属ターゲットを用いてさまざまに異なる層を生成することができる。不活性ガスはターゲット材料と結合せず、それに対して反応性ガスは導電性層または絶縁性層をターゲット表面に生じさせる。安定したコーティングプロセスを得るためには、火花軌道の推移と速度に関してそれぞれ影響を及ぼす、これらのいずれのケースにも適合化された磁力線分布を、ターゲット表面の上および上方で実現することが好ましい。

ターゲット表面の上および上方で磁力線分布を具体化するために、従来技術から知られている種々の方法がある。このことは、たとえば永久磁石および／または電磁石および／またはこれらの組み合わせによって可能である。

さらに従来技術により、ターゲット表面に対して磁石構造を可動に配置し、そのようにして、それにより実現可能なアーク軌道の可動性に基づき、ターゲット材料の均等な剥離を実現できることが知られている。これに応じてドイツ特許出願公開第１０１２７０１２Ａ１号明細書の中でＣｕｒｔｉｎｓは、保持部を有し、この保持部を起点として環状コイルと永久磁石が延びる磁石構造を開示している。磁石構造によって、すなわちアークスポットの領域で環状コイルと永久磁石により生成される磁界によって、ターゲットの表面での有効な磁界を調整し、そのようにしてアークないしアークスポットが定義された軌道でターゲットの表面全体を通過することができ、その結果としてターゲット材料の均等な剥離が行われるようにするために、磁石構造はユニットとして、ターゲット面に対して平行に延びる平面で、ターゲットに対して位置調節可能である。さらにこのユニットは場合により、ターゲットに対して所望の範囲で間隔をおくことができ、すなわちＺ方向に変位させることができる。

欧州特許出願公開第００４５９１３７Ｂ１号明細書は、中央極永久磁石と縁部永久磁石とを備え、この両者が共同で軸方向へ、すなわちターゲット表面に対して垂直方向にスライド可能である磁石構造を開示している。さらにターゲットの領域には電磁式の環状コイルが設けられており、この環状コイルはアーク放電のときに形成されるアーク軌道に影響を及ぼし、それによってターゲットの耐用寿命の延長に寄与するように制御することができる。欧州特許出願公開第００４５９１３７Ｂ１号明細書では、ターゲットは環状コイルの内部空間に位置している。ターゲット表面およびコイル端部は、欧州特許出願公開第００４５９１３７Ｂ１号明細書の図２によれば、実質的に１つの平面に位置している（本件出願の図１６参照）。

それに応じてコイルは、ターゲットと、容器と呼ばれている真空室の壁の一部とを取り囲んでいる。それにより、コイルで生成される磁界がターゲットの表面上で半径方向成分を実質的に有さないことが実現される。したがってこのような垂直方向のコイル磁界は、アークのスポットがターゲット表面上で移動する速度に影響を及ぼさない。

それに対して、磁力線の形状に基づき、ターゲットの縁部で高い速度とこれに伴う低い滞留時間につながる磁石構造を得るほうが好ましいはずである。このことは、磁界を生成するための手段が一体化されたターゲットをもたらすはずであり、そのような磁界により、反応性の強いガスでも反応性の弱いガスでも不活性のガスでも、火花蒸発が効率的に可能である。

本発明によるとこの課題は、縁部永久磁石と少なくとも１つの環状コイルとを含み、縁部永久磁石はターゲットの表面に対して実質的に垂直方向にターゲットから離れるように変位可能であり、ターゲット表面に対する縁部永久磁石の投影はターゲット表面に対する環状コイルの投影に比べてターゲット表面の中心部から大きく離れている磁石構造によって解決される。このとき環状コイルはターゲットの後方に配置されており、ターゲットの直径よりさほど大きくなく、好ましくはこれよりも小さく、もしくはこれに等しい、巻線によって定義される内径を有している。

縁部永久磁石がターゲットから離れるように変位し、コイル電流がオンになっていれば、欧州特許出願公開第００４５９１３７Ｂ１号明細書の図２に示すコイル構造を用いたときよりもはるかに安定してコーティングプロセスが進行することを発明者らは見出している。このことは、通電されるコイルにより励起される磁界の磁力線がターゲット表面の中央領域で半径方向成分を実質的に含んでおらず、それに対してターゲット表面の縁部領域では半径方向成分を含んでいることが、このような構造によって実現されることと関連するものと考えられる。

金属ターゲットの火花の経過を模式的に示す図である。 窒化物ターゲットの火花の経過を模式的に示す図である。 酸化物ターゲットの火花の経過を模式的に示す図である。 本発明による磁石システムの実施形態を表現する図である。 図４の磁石システムおよび磁石の動きを示す図である。 図４の磁石システムを、磁石コイルを経由した電流およびターゲット上で 押し動かされる永久磁石とともに示す図である。 図４の磁石システムを、磁石コイルを経由した電流およびターゲットから 少し離れて位置する永久磁石とともに示す図である。 図４の磁石システムを、磁石コイルを経由した電流およびターゲットから 遠く離れて位置する永久磁石とともに示す図である。 図４の磁石システムを、磁石コイルを経由した電流なしでターゲットから 遠く離れて位置する永久磁石とともに示す図である。 ターゲット利用期間に依存する蒸発率を示す図である。 図６の磁石システムを、ターゲット上面から示唆される火花の足ととも に示す図である。 図１１の磁石システムを、部分的に使い古したターゲット材料および対 応して後ろへ引き戻された永久磁石とともに示す図である。 層の割合に依存する粗さの値を示す図である。 永久磁石の位置に依存する蒸発率を示す図である。 上述の発明のさらなる実施形態を示す図である。 従来技術による磁石システムを示す図である。 コイルの磁界力線の経過を示す図である。 上面の中心点からの間隔に依存してターゲット上面から出る磁気の流れ の強さを、半径方向成分と水平方向成分とに分割して示す図である。

図解をするために図１７には、コイルで生成される磁界（厳密には磁力線９の形状）が模式的に示されており、また図１８には、コイル端部のすぐ上方におけるコイル軸からの距離の関数として、軸方向成分と半径方向成分が示されている。

本発明のさらに別の態様では、磁石構造は中央の永久磁石を追加的に含んでおり、ターゲット表面に対する環状コイルの内部の投影は、ターゲット表面に対する中央の永久磁石の投影に比べてターゲット表面の中心部から大きく離れており、中央の永久磁石はターゲットの表面に対して実質的に垂直方向にターゲットから離れるように変位可能である。

次に、実施例と図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。ここで図４は、第１の実施形態に基づく磁気システムとターゲットを示している。

磁界は、図４に示すように、定置に配置されたコイル（４）と、永久磁石構造（５，５ａ）とによって生成される。磁石収容部６を含む磁気構造は軸方向で、ターゲットから離れるように変位可能である。この変位可能性は図５に示されている。

上に説明した磁気システムについては、次のような基本的設定が得られる。
図６に模式的に示す設定１：
永久磁石は、その極がコーティング材料にもっとも近づく位置をとる（位置「前方」）。この設定のとき、コイル端部と極は実質的に１つの平面にあるのが好ましい。コイル電流はオンになっている。コイル電流は正にも負にも切り換えることができ（８）、変調することもできる。この設定は、約６０〜１００ガウスの強い磁界を生成する。それにより、この設定はたとえば窒化物層の蒸発に適している。高い磁界強度およびその半径方向割合により、火花は高速で移動する。それによって平滑な層が得られる。永久磁石の磁界に重なり合うコイルの磁界により、磁力線の推移およびこれに伴って火花の軌道が影響をうける。コイル電流が時間的に変調されるのが好ましく、それによって浸食溝の幅を広げることが実現される。

このような設定により、たとえばＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ＡｌＴｉＮ，ＡｌＣＲＮ，ＴｉＳｉＮなどの硬質材料層の生成が可能である。

図７に示す設定２：
永久磁石（５，５ａ，６）は５〜５０ｍｍだけ「引き戻されて」おり、すなわち、設定１よりも大きくターゲット表面から間隔をおいている。コイル電流はやはりオンになっており、正または負であってよく、変調することもできる。

この設定は変位に応じて漸次的に、重なり合うコイル磁界を含めて１０〜４０ガウスの磁界を生成する。一方では、変位が増すにつれて蒸発レートを高めることができ、その際にはドロップレットの比較的多い比較的粗い層を予期しなければならない。他方では、たとえば酸素および／またはアセチレンのようなガスを使用する場合、磁石構造（５，５ａ，６）の変位によってターゲット汚染と浸食率とのバランスを、ターゲット表面の多くの点で成立させることができる。それによってコーティングプロセスを大幅に安定化することができる。

この設定は、ＴｉＮ，ＴｉＡｌＮ，ＡｌＴｉＮ，ＴｉＳｉＮのような窒化物層の高いコーティング率での生成だけでなく、アセチレンやメタンなどのガスを用いた炭窒化物やカーバイドの製作にも適している。あるいはこの設定は特に、ターゲットの出発材料に応じて、たとえばＡｌ２Ｏ３，ＺｒＯ，ＴｉＯ２、あるいはその混合物のような種々の酸化物層の製作にも適している。

図８に示す設定３：
この設定では、永久磁石は５０ｍｍを超えて引き戻されており、すなわちコイルから完全に分離されている。コイル磁界は同じくオンになっており、正または負であり、および／または場合により変調される。しかし永久磁石構造の磁界割合は無視することができるほど小さい。コイル磁界は、電流の強さに応じて約５〜１５ガウスである。

この設定は、金属層および／または窒化物層、炭窒化物層、カーバイド層、および／または酸化物層の析出に適している。すでに上で検討したように、高反応性のガスについてはコイルの磁界が高すぎないほうがよい（最大で約１０ガウス）。それにより、ターゲット領域の汚染を生じないアーク蒸発の作動が可能である。

図９に示す設定４：
永久磁石は５０ｍｍを超えて引き戻されており、コイル電流はオフになっている。この設定では、ターゲット表面には有意な磁界は存在していない。アーク源はいわゆるランダムモードで作動する。このことは、酸素のような高反応性のガスの場合に特別に好ましい。このときアーク放電の火花は非常に多くのアークスポットで、ターゲット全体にわたってランダムに進行する。放電は非常に安定的に進行し、ターゲット汚染される領域が発生することがない。

ただし、この磁気設定を金属（反応性ガスなし、または高真空中）または窒化物を用いて作動させると、非常に高いドロップレット割合で高い蒸発レートが観察される。

各図面から明らかなとおり、いずれのソース位置も、同一のターゲットを備える真空室で具体化することができる。すなわち同一のコーティングプロセスで、図６〜９に示す磁石位置を変更することにより、金属、窒化物、炭窒化物、カーバイド、または酸化物を選択的に生成するために、必要に合わせて磁界を最善に適合化することができる。それぞれの層のタイプについて専用にソース位置を予定しておかなくてよい。それにより、コーティングプロセスを高い生産性で具体化することができる。

このようにして、同一のＡｌＣｒターゲット（７０％：３０％）を用いて、次のような層システムを３つのステップでコーティングした：
１）設定１での金属付着層。ここで留意すべきは、ターゲットの浸食がコイルの揺動によって最適化されたことである。
２）設定２による第１の硬質層としてのＡｌＣｒＮ。
３）設定３による第２の硬質層としてのＡｌＣｒｙＯｘ。

２番目の実施例では、Ｔｉターゲットを使用した。同じく最初に金属の付着層を設定１で塗布した。これに加えてコイルの揺動により、ターゲットの浸食を最適化した。次にＴｉＣＮ層を設定２で塗布し、引き続いてＴｉＮ層を設定３で塗布した。

本発明のさらに別の態様では、ターゲットの耐用寿命全体にわたって蒸発レートが一定に保たれる、アーク蒸発源のための磁気システムが開示される。さらにこの磁気システムは、レートとドロップレットエミッションの最善の調整を可能にする。

アークソースの蒸発レートは、特に、ターゲット表面と平行な磁界によって非常に強く規定される。強い磁界は火花の速度を高め、それにより、同時に平滑な層を析出させながら、蒸発レートを低くする。ターゲット浸食が増すにつれて、ターゲット表面はその後方に位置する磁気システムに接近していき、このことは、磁界強度の大幅な増大およびコーティング率の低下として現れる。本発明の磁気システムは、永久磁石構造を変位させることで、磁気システムに対するターゲット表面の間隔変更を調整し、それにより、ターゲットの有効期間全体にわたって一定の蒸発レートを保証することができる。

磁気システムに対するターゲット表面の間隔は、磁界強度およびこれに伴う蒸発レートを実質的に規定する。未使用の新しいターゲットでは、最大間隔およびこれに伴う最小の磁界強度が生じる。コーティングプロセス中の浸食は、磁気システムに対するターゲット表面の間隔の連続的な減少につながり、それにより、磁界強度の増大と蒸発レートの低下につながる。このことは、図１０の円形記号を含むデータ列を見ると明らかである。

上に述べたようなプロセスを補償するために、本発明によると、浸食の深さに応じて磁気システムがターゲットから引き戻されて、新しいターゲットの場合の初期状態を実質的に成立させる。それにより、実質的に一定のレートがターゲットの有効期間全体（ターゲットライフ）を通じて得られる。このことは、図１０のひし形記号を含むデータ列に示されている。図１２は、図１１との比較でこの状況をさらに明確にするために、厚みＤのターゲット浸食と、これに応じて下方に向かって変位した永久磁石とを示している。

すでに上で述べたとおり、ドロップレットのエミッション（マクロ粒子）ないしエミッションされるドロップレットの量は、特に、磁界を通って移動する火花の速度に依存して決まる（アーク・ステアリング）。永久磁石の位置を適当に調整することで、高いレートと粗い層ないし低いレートと平滑な層の間でソースを調整可能である。このことは、磁気システムによって設定されるコーティング率に対する層の粗さ（Ｒｚ，Ｒａ）の依存性を示す図１３によって明らかとなる。

これに加えて図１４には、コーティング率が磁石位置に依存してどのように変化し、それに伴ってレートをどのように調整できるかが示されている。

すなわち永久磁石の追従制御は、一方では、一定の蒸発レートと一定の放電電圧とによってコーティングプロセスの安定化につながる。また他方では、同種類のコーティングについて、コーティングプロセスの時間が一定のレートによってほぼ等しく、ターゲットの使用期間に左右されない。さらには本発明の磁気システムにより、異なる要求事項について異なるレートを的確に設定することもでき、たとえば粗さやミクロ構造といった層特性を的確に調節することができる。

本発明のさらに別の態様では、コーティングされるべき工作物の面全体にわたって層厚分布を均一に調整することができる。このことは、１つの実施形態においては本発明の磁気システムにより、内側の永久磁石をターゲットに対して約５０ｍｍだけ、外側の永久磁石に関わりなく引き戻すことができるように実現される。外側の永久磁石も、好ましくは数ミリメートルだけ、ターゲットに対して垂直方向に変位することができる。その様子は図１５に示されている。

コイル電流は正でも負でも印加することができ、コイル電流の正負記号に応じてアークソースの蒸着特性を変えることができる。すなわち、分布特性を調整することができる。

Claims (8)

1. ターゲット表面およびその上方で磁界を生成するためにターゲットに設けられた磁石構造を備えるアーク蒸発源であって、前記磁石構造は縁部永久磁石とターゲットの後方に配置された少なくとも１つの環状コイルとを含んでおり、巻線によって区切られる該環状コイルの内径はターゲットの直径よりも小さいか、またはこれに等しいか、いかなる場合でもこれよりさほど大きくない、そのようなアーク蒸発源において、前記環状コイルと前記ターゲットとの距離を保ちながら、前記縁部永久磁石はターゲットの表面に対して実質的に垂直方向にターゲットから離れるように変位可能であり、ターゲット表面に対する前記縁部永久磁石の投影はターゲット表面に対する前記環状コイルの投影に比べてターゲット表面の中心部から大きく離れていることを特徴とするアーク蒸発源。
2. 前記縁部永久磁石の変位可能性は前記環状コイルに関わりなく具体化されていることを特徴とする、請求項１に記載のアーク蒸発源。
3. 前記縁部永久磁石の極性は主として、かつどれについても同一であることを特徴とする、請求項１および２のいずれか１項に記載のアーク蒸発源。
4. 前記環状コイルの内部には前記縁部永久磁石の主な極性と反対の極性を有する中央永久磁石が設けられていることを特徴とする、請求項３に記載のアーク蒸発源。
5. 前記中央永久磁石はターゲットの表面に対して実質的に垂直方向にターゲットから離れるように変位可能であることを特徴とする、請求項４に記載のアーク蒸発源。
6. 前記中央永久磁石は磁束を誘導する結合部を介して前記縁部永久磁石と固定的に結合されていることを特徴とする、請求項５に記載のアーク蒸発源。
7. 前記中央永久磁石は前記縁部永久磁石と関わりなくターゲットの表面に対して実質的に垂直方向に変位可能であることを特徴とする、請求項５に記載のアーク蒸発源。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載のアーク蒸発源を有しているアーク蒸発設備。

Images