JP5713331B2 - 電力パルスシーケンスを供給する方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力パルスを生成する方法に関する。

この種の電力パルスは、例えば、ＨＩＰＩＭＳ技術分野で必要とされる。ＨＩＰＩＭＳとは、高出力パルスマグネトロンスパッタリング（Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）の略語である。この方法は、真空コーティング方法であり、非常に高い放電電流を用いて、カソードの材料が吹き付けられ、これにより、吹き付けられる材料が、高い度合いで確実に正イオン化される。同時に、コーティングされるべき基板に、負の電圧がかけられると、その結果、吹き付けにより生じた正のイオンが、基板の方向に加速され、これにより緻密な層が構築される。この場合、例えば４０ｋＷ以上の電力が用いられる。しかしながら、このカソードからの材料の吹き付けは、電力パルスが短い場合にのみ可能であるが、これは、電力作用がより長い場合には、過熱により、損傷が生じうるからである。したがって、高い電力でカソードから吹き付けが行われうる期間は、限定されねばならず、これより、最大許容可能なパルス幅が導かれる。

これを実現するある方策は、全カソードを部分カソードに分け、電力を順次連続的に、複数の部分カソードにもたらすことである。この概念は、複数の互いに隔離されているカソード（ここでは、部分カソードと称する）がコーティング設備中に存在していて、その結果、局所的に限定的に高い放電電流を発生させうることを意図している。この方策の可能なある実現方法は、独国特許出願第１０２０１１０１８３６３号明細書中に記載されている。

１つの部分カソード上に１つの電力パルスが作用している間、このカソードから高い放電電流密度で吹き付けが行われる。同時に、１つまたは複数のそれ以外の部分カソードは、新たに電力パルスが作用する前に、冷却されうる。

然るに、発明者らは、パルス幅自体が、マグネトロンスパッタリングにより構築される層の層特性に対して大きな影響を与えることを突き止めた。したがって、非常に短い電力パルスも、比較的長く連続する高い電力パルスも出力することができる発電機が必要とされる。

発電機は、通常、一定の電流において、確実に一定の電圧を供給する。英語では、これは「ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ（電源）」と称されるが、これは、電力供給部と翻訳され、そのような意味を有する。上述のように高電力の短い電力パルスを発生させる場合には、状況には高い要求がなされる。例えば、４０ｋＷの電力を出力するべき電力供給部のスイッチを入れる際には、市場で入手可能な電圧源では、完全にこの電力が出力されるまでに、桁としては約７００マイクロ秒が経過する。本件のように、より短いパルス幅を有する電力パルスが必要である場合には、このために利用可能な時間は、完全に電力が整備される前にすでに経過してしまう。この種のパルスの電力輪郭は、したがって、制御不可能なほどに動的であり、これに基づいて構築されるスパッタリング方法では、再現性が悪く、最適ではない特性の層が生じてしまう。

したがって、本発明による方法では、規定の輪郭を有する電力パルスに容易に達することができ、電力パルス幅は、広い間隔にわたって容易に拡大縮小可能であるべきである。

本発明によれば、この課題は、以下により達成される。すなわち、第１部分カソードに割り当てられた電力パルス間隔が、第２部分カソードに割り当てられた電力パルス間隔に、時間的にわずかに重複し、これにより、第１部分カソードから第２部分カソードに転ずる際に、この電力を供給する発電機のスイッチを切るには及ばず、発電機からの電力の引き出しが中断なしに行われ、したがって、新たな電力立ち上げを行うには及ばないことにより達成される。双方の電力パルス間隔が重複している時間の間、プラズマは第１部分カソードにおいてのみ点火するが、これは、第１部分カソードに関するインピーダンスが、まだ点火されていない第２部分カソードのインピーダンスよりも明らかにより低いからである。第１電力パルス間隔の終了時に第１部分カソードが発電機から切り離されて初めて、プラズマは、第２部分カソードに点火されるが、これは、発電機からの電力引き出しが実質的に連続的に行われるように迅速に行われる。第３部分カソードが存在する場合には、この第３部分カソードに割り当てられる電力パルス間隔が、第２部分カソードに割り当てられる電力パルス間隔とわずかに重複し、その結果、第２部分カソードから第３部分カソードに電力が転じる際に、発電機からの電力の引き出しの中断が生じないように設けられている。一般的に述べると、ｎ番目の部分カソードに割り当てられた電力パルス間隔が、（ｎ−１）番目の部分カソードに割り当てられた電力パルス間隔とわずかに重複し、これにより、電力が、（ｎ−１）番目の部分カソードからｎ番目の部分カソードに転じる際に、発電機からの電力の引き出しの中断が回避されるように設けられている。電力が最後の部分カソードに転じて、かつ、この最後の部分カソードに割り当てられる電力パルスが出力されて初めて、すなわち、１つの電力パルス周期（以下では、群とも称する）が終了して初めて、発電機からの電力引き出しが中断される。これに続く電力休止期間は、第１部分カソードに対して、相応の間隔の後にこの第１部分カソードに割り当てられる電力パルスが新たに負荷される前に、これらの部分カソードを冷却するために利用される。

しかし、このような手順により、少なくとも、第１部分カソードに出力される電力パルスは、発電機の電力立ち上げの時間範囲内に存在し、これに対応する電力パルスは、これに従って望ましくない輪郭を有することになってしまう。したがって、本発明の好適な実施形態によれば、第１部分カソードに電力を負荷するのに先立って、少なくともほぼ電力立ち上げ間隔の間、いわゆるダミーカソードに電力を負荷する。その後、第１部分カソードに割り当てられる電力パルス間隔が、電力立ち上げ間隔とわずかに重複するように設けられ、これにより、ダミーカソードから第１部分カソードに転ずる際に、発電機からの電力引き出しの中断が回避され、第１電力パルス間隔の枠内では、実質的に、すでに完全な電力が利用可能である。上述のダミーカソードは、例えば、オーム抵抗を有する電流回路で実現可能であり、この抵抗において、相応の電圧が低下し、したがって、電力が熱に変換される。

上述のように、電力立ち上げ間隔は、十分に７００マイクロ秒の桁内にありうる。この間隔内に発電機からダミーカソードに出力される電力は、コーティングプロセスには利用されず、したがって失われてしまい、損失となる。この点は、電力パルスの周期、すなわち群の間隔が、電力立ち上げ間隔に比して大きく、したがって、電力損失が数％のみである場合には問題にはならない。しかし、電力パルス間隔が非常に小さく、群の間隔に比して電力立ち上げ間隔がどうしても重要になる場合には問題になる。このような場合には、有意で受け入れがたい電力損失が生じる。

この点は、本発明のさらなる好適な実施形態により回避可能である。すなわち、発明者らは、電力パルス間隔が短い場合には、部分カソードの冷却は必須ではないという点を認識した。この場合には、第１電力パルス周期に第２電力パルス周期が続く。この際、第２電力パルス周期（すなわち、第２群）の第１電力パルス間隔が、第１群の第１電力パルス周期の最後の電力パルス間隔とわずかに重複し、その結果、上述の最後の部分カソードから第１部分カソードへの電力が転じるのは、発電機からの電力引き出しの中断なしに可能となるように設けられている。このようにして、第２群については、電力立ち上げ間隔と、電力をダミーカソードに導くことに由来する電力損失とが回避される。相応の方法で、部分カソードで生じる発熱がゆえに、実際に電力供給の中断を起こさねばならない、または、起こすべきとなるまで、多数の群を続けて並べることができる。このように群を隊列にすると、電力立ち上げ間隔時に電力をダミーカソードに導くのは、一度だけ、隊列の開始時に必須であるようになる。

ひとまとまりの隊列と分割された隊列との両方の損失間隔および電力パル ス間隔の時系列を示す。

以下に、本発明を、吹き付け技術（スパッタ技術）に基づいて、例示的に図面に基づいて詳細に説明する。

以下の実施例では、以下の省略記号を用いる。
Ｐａｖｇ 平均スパッタリング電力
Ｐｍａｘ 最大スパッタリング電力（パルス電力）
ｔｐｎ パルス長
ｔｄｎ パルス遅延
Ｎ 群の数（Ｎ＝０〜５００）
ｎ チャンネル数（＝部分カソードの数、ｎ＝０〜６、ｎ＝０はダミーカソードに相当）
ｆｒ 繰り返し周波数
ｔｒ 繰り返し間隔＝１／ｆｒ
カソードの過熱を回避するために、一連の電力内で、部分カソードに電力がかけられる全時間は、１００ミリ秒未満でなければならないと想定される。

第１実施例
第１実施例の枠内では、ダミーカソードに、０．５ミリ秒の間電力が負荷され、すなわち、損失間隔ｔｐ０は０．５ミリ秒であり、したがって、この損失間隔は、中に約０．２５ミリ秒の電力立ち上げ間隔を確実に含んでいる。ダミーカソードに加えて、６個の部分カソードが用いられる。１つの群中の電力を１つの部分カソードにかける電力パルス間隔は、ｔｐ１〜６＝０．２ミリ秒に定められ、電力パルス間隔の重複は、ｔｄ１〜６＝０．０２ミリ秒に定められる。全部で１０回の電力パルス周期が経過し、すなわち、１０個の群が、損失間隔と共に１つの隊列を形成する。これにより、全隊列間隔は、１０＊６＊（０．２ｍｓ−０．０２ｍｓ）＋０．５ｍｓ＝１０．８ｍｓ＋０．５ｍｓ＝１１．３ｍｓである。

これにより、０．５ミリ秒の損失間隔は、１０．８ミリ秒のコーティング目的に用いられる電力出力時間に相対する。したがって、ダミーカソードにおける電力損失に比較して、２０倍を上回るコーティング目的用の電力が投入される。

ここで、この電力パルス間隔の間に、１つの部分カソードに４０ｋＷがかけられ、５ｋＷの平均スパッタ電力が各部分カソードに予め与えられると、全隊列の間隔は、６９．４Ｈｚの周波数で繰り返されるが、なぜならば、

であるからである。
これは、ダミーカソードにおける最大０．５ｍｓ＊４０ｋＷ＊６９．４Ｈｚ＝１．３９ｋＷの平均電力損失に相対する。６９．４Ｈｚの繰り返し周波数は、１４．４ミリ秒の繰り返し間隔に相当する。全隊列間隔が１１．３ミリ秒である場合、これは、隊列間に３．１ミリ秒の休止期間が置かれるべきであることを意味する。

第２実施例
第２実施形態の枠内では、電力パルス間隔は、０．０７ミリ秒に低減され、群の数は１００個に増やされる。これ以外のパラメータは等しく保たれる。したがって、全隊列間隔は、１００＊６＊（０．０７ｍｓ−０．０２ｍｓ）＋０．５ｍｓ＝３０ｍｓ＋０．５ｍｓ＝３０．５ｍｓである。

これにより、０．５ミリ秒の損失間隔は、３０ミリ秒のコーティング目的に用いられる電力出力時間に相対する。したがって、ダミーカソードにおける電力損失に比較して、６０倍を上回るコーティング目的用の電力が投入される。

ここで、電力パルス間隔の間に、ある部分カソードに４０ｋＷがかけられ、５ｋＷの平均スパッタ電力が各部分カソードに予め与えられると、全隊列の間隔は、２５Ｈｚの周波数で繰り返されるが、なぜならば、

であるからである。
これは、ダミーカソードにおける最大０．５ｍｓ＊４０ｋＷ＊２５Ｈｚ＝０．５ｋＷの平均電力損失に相対する。２５Ｈｚの繰り返し周波数は、４０ミリ秒の繰り返し間隔に相当する。全隊列間隔が３０．５ミリ秒である場合、これは、２つの隊列間に９．５ミリ秒の休止期間が置かれるべきであることを意味する。

第３実施例
第３実施形態の枠内では、電力パルス間隔は、０．０５ミリ秒に低減され、群の数は１０００個に増やされる。これ以外のパラメータは等しく保たれる。したがって、全隊列間隔は、１０００＊６＊（０．０５ｍｓ−０．０２ｍｓ）＋０．５ｍｓ＝１８０ｍｓ＋０．５ｍｓ＝１８０．５ｍｓである。

これにより、０．５ミリ秒の損失間隔は、１８０ミリ秒のコーティング目的に用いられる電力出力時間に相対する。したがって、ダミーカソードにおける電力損失に比較して、３６０倍を上回るコーティング目的用の電力が投入される。

ここで、電力パルス間隔の間に、ある部分カソードに６０ｋＷがかけられ、約５ｋＷの平均スパッタ電力が各部分カソードに予め与えられると、全隊列の間隔は、２．７Ｈｚの周波数で繰り返されるが、なぜならば、

であるからである。
これは、ダミーカソードにおける最大０．５ｍｓ＊６０ｋＷ＊２．７Ｈｚ＝８１Ｗの平均電力損失に相対する。２．７Ｈｚの繰り返し周波数は、３６０ミリ秒の繰り返し間隔に相当する。全隊列間隔が１８０．５ミリ秒である場合、これは、２つの隊列間に１７９．５ミリ秒の休止期間が置かれるべきであることを意味する。

第４実施例
第４実施形態の枠内では、電力パルス間隔は０．０５ミリ秒に、群の数は１０００個に保たれ、これ以外のパラメータも保たれる。したがって、全隊列間隔は、１０００＊６＊（０．０５ｍｓ−０．０２ｍｓ）＋０．５ｍｓ＝１８０ｍｓ＋０．５ｍｓ＝１８０．５ｍｓである。

これにより、０．５ミリ秒の損失間隔は、１８０ミリ秒のコーティング目的に用いられる電力出力時間に相対する。したがって、ダミーカソードにおける電力損失に比較して、３６０倍を上回るコーティング目的用の電力が投入される。

ここで、電力パルス間隔の間に、ある部分カソードに、実施例３のように６０ｋＷではなく３３ｋＷのみがかけられ、約５ｋＷの平均スパッタ電力が各部分カソードに予め与えられると、全隊列の間隔は、５．０５Ｈｚの周波数で繰り返されるが、なぜならば、

であるからである。
これは、ダミーカソードにおける最大０．５ｍｓ＊３３ｋＷ＊５．０５Ｈｚ＝８３Ｗの平均電力損失に相対する。５．０５Ｈｚの繰り返し周波数は、１９８ミリ秒の繰り返し間隔に相当する。全隊列間隔が１８０．５ミリ秒である場合、これは、２つの隊列間で、わずか１７．５ミリ秒の休止期間が置かれるべきであることを意味する。

上で略述した実施例が示すように、本発明の方法では、損失電力がごくわずかである一方で、パルス幅、パルス高、パルス繰り返し周波数を容易に拡大縮小可能で、かつパルス形状を正確に規定することが可能である。これら全ての大きさ（拡大縮小可能なパルス特性曲線というキーワードでまとめることができる）は、スパッタリングにおいて、とりわけＨＩＰＩＭＳ技術の枠内で、生じる層の特性に直接影響を及ぼす。本発明の説明は、スパッタリング技術の枠内での電力パルスの提供に関して提示しているが、これは、パルスの枠内で比較的高い電力を負荷に載せねばならない場合には、いずれの場合でも有用に適用可能である。

図１は、上述の実施例に対応する状況を、単一の隊列としても、また、損失間隔（０）と部分カソード（１〜６）における電力パルス間隔とに分けたものとしても示している。ここで、水平軸は時間軸を示し、垂直軸は、発電機から出力された電力に相当し、重複領域（例えばｔｄ２）中では、電力は２つの負荷の間で分けられねばならず、これは図中には示されていない。いずれにせよ、図中には３つの群しか示されていない。

Claims (9)

1. ＰＶＤ吹き付けカソードを作動させるために、拡大縮小可能な電力パルス間隔を有する電力パルスを提供する方法であって、前記ＰＶＤ吹き付けカソードは第１部分カソードと第２部分カソードとを有し、前記部分カソード用の最大平均電力負荷は予め決められていて、前記電力パルス間隔の長さは予め決められていて、前記方法は、以下の工程、すなわち、
   ａ）少なくともスイッチを入れた後および電力立ち上げ間隔の経過後に、所定の一定の電力を出力する発電機を提供する工程と、
   ｂ）前記発電機のスイッチを入れる工程と、
   ｃ）前記第１部分カソードを前記発電機と接続する工程であって、その結果、前記第１部分カソードが前記発電機からの電力で負荷される工程と、
   ｄ）前記第１部分カソードに対応する所定の第１電力パルス間隔の経過後に、前記発電機を前記第１部分カソードから切り離す工程と、
   ｅ）前記第２部分カソードを前記発電機と接続する工程であって、その結果、前記第２部分カソードが前記発電機からの電力で負荷される工程と、
   ｆ）前記第２部分カソードに対応する所定の第２電力パルス間隔の経過後に、前記発電機を前記第２部分カソードから切り離す工程と、
   を含み、
   前記第１電力パルス間隔が、前記第２電力パルス間隔より時間的に前に開始し、前記第１電力パルス間隔が、前記第２電力パルス間隔より時間的に前に終了する方法
   において、
   前記第１電力パルス間隔と前記第２電力パルス間隔とが時間的に重複し、全ての電力パルス間隔が共になって第１群を形成し、その結果、前記発電機からの電力出力が中断なしに前記第１電力パルス間隔の開始から、前記第２電力パルス間隔の終了まで一貫して存在し続け、かつ第２電力立ち上げ間隔は生じないように前記工程ｄ）と前記工程ｅ）とが実施され、
   損失間隔の間は、前記発電機から出力される電力が、コーティング用に利用される負荷には出力されず、
   前記損失間隔は、少なくとも前記電力立ち上げ間隔を含み、前記損失間隔は前記第１群の前記第１電力パルス間隔と重複し、前記損失間隔は前記複数の群と共に中断のない隊列を形成する
   ことを特徴とする方法。
2. 前記第１電力パルス間隔と前記第２電力パルス間隔との時間的重複は、電力パルス間隔のｘ％を上回らず、ないし、前記第１電力パルス間隔と前記第２電力パルス間隔との長さが異なる場合には、前記重複は、より短い方の電力パルス間隔のｘ％以下であり、ｘは２０以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ＰＶＤ吹き付けカソードは、少なくとも１つのさらなる部分カソードを有し、
   前記さらなる部分カソードは、前記工程ｅ）および前記工程ｆ）に従って前記発電機に接続され、かつ切り離され、
   一列で並ぶ前記さらなる部分カソードに割り当てられた電力パルス間隔は、それぞれ、その列の直前に並ぶ部分カソードに対応する電力パルス間隔と時間的に重複し、第１電力パルス間隔と、第２電力パルス間隔と、前記１つまたは複数のさらなる電力パルス間隔とは、共になって、時間的に中断しない第１群を形成し、その結果、前記発電機からの電力出力は、前記第１群により形成される群間隔の間、中断なしに一貫して存在し続け、かつ第２電力立ち上げ間隔は生じない
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 第２群は前記第１群に付いていて、前記第２群内では、前記第１群に対応して、前記第１部分カソードおよび前記第２部分カソードが、重複している電力パルス間隔内で、電力パルスで負荷され、
   前記第２群の前記第１電力パルス間隔が、前記第１群の最後の電力パルス間隔と重複していて、その結果、前記発電機からの電力出力は、前記第１群の前記第１電力パルス間隔から前記第２群の最後の電力パルス間隔の終了まで、中断なしに一貫して存在し続け、かつ第２電力立ち上げ間隔は生じないように、前記第２群は前記第１群に付いている
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 請求項４中の群１および群２に対して形成される条件にしたがって、Ｎ個の群が互いに付いていて、ＮはＮ＞１の整数であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記群の数Ｎは、最大でも次のようになるように、すなわち、各部分カソードに割り当てられた電力パルス間隔ｔｐｎの合計が、全ての群１〜Ｎにわたってそれぞれ１つの重複ｔｄｎを差し引いて、１００ミリ秒の最大時間を上回らないという点が、前記各部分カソードｎに有効であるように、選択されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 請求項１から７のいずれか１項に記載の方法を複数回繰り返し、最後の群の前記最後の電力パルス間隔の後毎に、休止期間の間発電機のスイッチを切り、この場合に、前記休止期間を考慮した上で、前記部分カソードに出力される時間的な平均電力が、所定の値に一致するように、前記休止期間の長さが選択されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の方法を含むＨＩＰＩＭＳ方法において、前記発電機の所定の電力が少なくとも２０ｋＷであることを特徴とするＨＩＰＩＭＳ方法。
9. 前記部分カソードに出力される時間的な平均電力は１０ｋＷ以下であり、前記部分カソードに一時的におよび局所的に優位となる放電電流密度は、０．２Ａ／ｃｍ^２を上回るようにパラメータが選択されることを特徴とする請求項８に記載のＨＩＰＩＭＳ方法。