JP6095568B2 - 定義された電界を有するａｒｃ蒸着ソース - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提項に記載されているＡＲＣ蒸着ソースに関する。ＡＲＣ蒸着ソースと呼ぶのは、この明細書においては、陰極にアークスポットを有するアークを真空中で点火することができる装置のことであり、蒸着されるべき材料は陰極（＝ターゲット）によって提供され、アークスポットはターゲット材料の蒸発を結果として伴う。

ＡＲＣ蒸着ソースは従来技術から知られている。たとえばＳｎａｐｅｒはＵＳ３６２５８４８の中で、火花放電が間で成立するように配置された陰極と陽極を有する「ビームガン」（ｂｅａｍ ｇｕｎ）を開示している。このとき陰極は、析出されるべき材料から製作される。この文献に記載されている陽極は、先端がテーパ状に終わる幾何学形状を有しており、円筒状の陰極にすぐ隣接して配置される。この従来技術に基づく構造が図１に示されている。磁気的な手段はこの構造では適用されない。したがって、ターゲットの上でのアークスポットの動きは、当時としては高速であると記載されているが、今日の状況からすると非常に低速であると思われる。アークスポットの低速の動きは、特に、ＡＲＣ蒸着ソースにより製作される層の粗さの増大につながる。

それに対してＣｌａｒｋ Ｂｅｒｇｍａｎの特許明細書ＵＳ４６２０９１３は、磁気的な手段が採用されたマルチＡＲＣ真空システムを開示している。これは陽極配線を備えるＡＲＣソースであり、チャンバまたは電気絶縁式に挿入された陽極が使用される。しかしこの場合、ターゲットから発せられる磁界の一部しか陽極へ案内されないという欠点が生じる。この文献の装置の利点は、特に放電電流が小さいときの安定した火花案内である。チャンバと挿入された陽極の間での電流分配は、挿入された陽極に正の電圧を追加供給することで実現される。

このように、一定の高い蒸発速度で表面粗さの小さい層を製作することを可能にするＡＲＣ蒸着ソースを求める需要が存在する。本発明の課題は、そのようなＡＲＣ蒸着ソースを提供することにある。

本発明によるとこの課題は、請求項１に記載のＡＲＣ蒸着ソースによって解決される。従属請求項には、本発明によるＡＲＣ蒸着ソースのさまざまな好ましい実施形態が記載されている。

本発明によるＡＲＣ蒸着ソースは、陰極（ターゲット）と、陽極と、ターゲット表面から陽極までの短い接続部で磁力線を案内することを可能にする磁気的な手段とを含んでいる。

陽極は陰極のすぐ近傍に配置されており、それにより、浸食の対象となるターゲットの蒸発するべき表面の各点から、磁力線を介して、陰極と陽極との接続が保証される。

このとき磁気的な手段は、ターゲット表面に対して平行な成分が、ターゲット表面に対して垂直な成分よりも明らかに大きくなるように構成されている。最大５００ガウスの磁界強度を適用することができ、すなわち、ＰＶＤテクノロジーで通常適用される磁界強度よりも明らかに高い磁界強度を適用することができる。

このように記述されるＡＲＣソースは、従来技術と比較したとき、同時に非常に平滑な層で、高いコーティング速度を有している。

本発明のＡＲＣソースはそれ自体として真空中で作動能力があり、高い火花速度が実現される。このときＡＲＣソースは金属モードで作動する。こうして生成される金属イオン、たとえばＣｒ^＋、Ｔｉ^＋などが支障なく基板に到達することができ、金属イオンエッチングの目的のために利用することができる。低い放電電流での作動が可能である。

いわゆる「プレバイアス」により、本発明に基づく陽極を用いてイオンエネルギーを高い信頼度で調整することができる。

次に、本発明を一例として図面を用いながら詳しく説明する。

従来技術に基づくＡＲＣ蒸着ソースである。 従来技術に基づくＡＲＣ蒸着ソースである。 本発明に基づくＡＲＣ蒸着ソースの第１の実施形態である。 本発明に基づくＡＲＣ蒸着ソースを備える真空装置である。 従来技術に基づくＡＲＣ蒸着ソースを備える真空装置である。 図５の装置における電位の状況である。 図４の本発明の装置における電位の状況である。 本発明による真空装置の別の実施形態である。 図８の本発明の装置における電位の状況である。 本発明による真空装置の別の実施形態である。 図１０の本発明の装置における電位の状況である。

本発明のより良い理解のために、以下においてまず従来技術に基づくＡＲＣソースにおける状況について大まかに説明する。図２は、従来技術に基づく、ソース陰極２０９から間隔をおく陽極２０３を備えたＡｒｃ蒸着構造２０１を示している。このソース陰極は冷却装置２１１により冷却され、ＤＣ電流供給部の陰極２１３と接続されている。ソース陰極の後方には、ターゲット表面の上方で磁界を生成するように作用する磁気的な手段２１５が設けられている。アークスポット２０５が、高い電流およびこれに伴って多数の電子を蒸発空間へ放出する。導電性媒体としてＡＲＣプラズマが利用される。従来技術では、陽極２０３がアークスポット２０５のすぐ近傍にあるのではないために、帯電した粒子は遠く離れた陽極までの経路で磁界を横切らなくてはならない。電荷ｑ、質量ｍ、電界Ｅ（ｒ）の場所ｒにおける速度ｖ、および磁界Ｂ（ｒ）での帯電した粒子の運動が重要となる。その際には、さまざまに異なる力成分が働く。Ｂ磁界と平行な運動については、ｑＥに比例する力が作用する。磁界に対して垂直の運動については、ｑ（Ｅ⊥＋ｖ⊥×Ｂ）に比例する力が作用し、このことは回転運動を生じさせるが、この回転運動はＥ×Ｂドリフトによって重ね合わされる。このことは、図２に図示するように「バーチャルな」電流経路２０７を生じさせる。螺旋を思わせるこの軌道が離れた陽極２０３までの経路を通過するとき、コーティング空間内にある作業ガス（たとえばＡｒ、Ｎ_２）が強力に電離される。気体イオンが形成され、放電の電圧上昇が起こり、陰極の手前で電位飛躍が起こる。さらに、コーティング速度の低下が観察される。

図３には、本発明によるＡＲＣ蒸着源３０１の実施形態が示されている。これは一例の態様であるにすぎず、多種多様な実施形態によって具体化することができる。陰極３０９は蒸発するべき材料でできており、電流接続部を介して電流源の陰極に接続されている。磁気的な手段３０５を介して、高速の火花運動を可能にする磁界が陰極表面に生成される。

ターゲット表面から出ていく磁力線は、広い面積割合の範囲内で、主として陰極３０９の表面に対して平行な成分を有し、陰極縁部の周りで環状に延びる陽極３０３との短い接続を可能にするように構成されている。ただし図３に示すＡＲＣ蒸着ソースは、軸対称の円形陰極としてばかりでなく、方形陰極として具体化されていてもよい。陰極表面は中央部で、ないし中心線に沿って、ターゲット表面に対して常に垂直に延びる磁力線を有しており、したがって浸食から除外されることが意図される。このことは、たとえば遮蔽板によって、あるいは充填された切欠きによって行うことができる（両者とも図示せず）。中央部における磁界強度は４０ガウスから５００ガウスである。６０から１００ガウスが好ましく、特別に平滑な積層結果のためには２００から５００ガウスが特別に好ましい。磁界分布と組み合わされた陽極の本発明による構造は、このように強い磁界での作動を可能にする。陰極３０９のターゲット材料としては、硬質物質コーティングに通常用いられるＴｉ、ＴｉＡｌ、Ａｌ、ＡｌＣｒ、ＴｉＳｉ、Ｃｒ等の材料を使用することができる。

図３のＡＲＣ蒸着構造３０１では陽極３０３は、磁気的な手段３０５により生成される磁界との組み合わせで、本発明に基づき、磁力線がアークスポット３１５から陽極３０３への直接的な経路で電流経路３０７を可能にするように、陰極３０９の近傍に配置されている。電界が磁界に対して実質的に平行に延びていると、上で説明したようなドリフトを実質的に回避することができる。本発明の１つの好ましい実施形態では、陽極は、電圧が印加されて磁界が生成されているときに上記が満たされ、中央の磁力線を除いて磁力線のほぼ全部または少なくとも大部分が陽極へと案内されるように構成される。電子の軌道はラーモア半径によって特徴づけられ、磁力線の推移を中心とする回転を描く。電子１つの回転半径は１０ガウスについて約１ｍｍ、１００ガウスについては約０．１ｍｍである。したがってこの軌道は、相応の磁界強度のとき、磁力線に沿って良好に局在化されている。このような構造の作用は、全体の放電電圧の低減、およびコーティング速度の向上である。ターゲット近傍の作業ガスがわずかしか電離しない。

本発明の考えられる１つの好ましい用途は、金属イオンエッチング（ＭＩＥ）である。
このことは、本発明によるＡｒｃ蒸着ソースのさらに別の特殊性によって可能となる。この特殊性の要諦は、１Ｅ−０３Ｐａよりも小さい圧力で、真空中で作業ガスがなくても安定した動作が可能なことにある。このとき、アークスポットと陽極との良好な電気接続により、金属プラズマの導電性が、陰極から陽極へと電流を運ぶのに十分であることが可能である。アークソースに由来する金属蒸気は簡単かつ多重式に高い程度で電離し、バイアス電圧によって基板へと加速させることができる。それにより、金属イオンエッチング（ＭＩＥ）を効率的に具体化することができる。相応のＭＩＥ装置４０１が図４に示されている。この装置は、ＡＲＣ蒸着ソース４０３と、真空室４０５の中に配置された基板保持部４０７とを含んでいる。エッチングされるべき基板（図示せず）を装備している基板保持部が電圧源４０８によって負の電位となり、それにより、ＡＲＣ蒸着ソースで生じる陽イオンが基板に向かって加速される。

特記すべきは、真空中での動作を非常に低い電流強度で維持できることである。上に挙げたＭＩＥプロセスについてパラメータ空間を選択すると、驚くべきことに、ＡＲＣ放電の非常に低い放電電流で安定したプロセスが可能である。磁力線に基づき、陽極の電位がターゲット表面のすぐ手前まで「引き延ばされ」、それによって電流経路を維持することができる。

アルミニウムについては１０Ａを上回る程度まで引き下げた電流強さで、およびチタンについては４０Ａを上回る程度まで引き下げた電流強さで、それぞれ安定したプロセスを確認することができている。本発明のＡＲＣ蒸着ソースにより、たとえばＣｒ、Ｎｂ、Ｔａといった上記以外の材料と、高い電離度および高い割合の多重電離をもつ上記以外の金属でも、金属イオンエッチングを安定的に実施することができる。

本発明によるＡＲＣ蒸着ソースはさまざまな配線で具体化することができ、これらの配線はそれ自体としても発明的である。

より良い理解のために、従来技術に基づくＡＲＣ蒸着ソースを用いたときの状況についてまず略述する。それに応じて図５には、従来技術に基づいて表された配線が示されている。

ここではレシピエント５０５の室壁が陽極を形成する。ターゲットから出ていく磁力線は、陽極との直接的な接続を有していない。図５に示すように、ＡＲＣ蒸着ソース５０３を備えるコーティング装置５０１はレシピエント５０５の中に配置されており、さらにレシピエント５０５の中には、電圧源５０８により負の電位にすることができる基板ホルダ５０７が配置されている。特に、層の粗さにプラスの影響を及ぼす高い磁界強度のとき、作業ガス（たとえばＮ２）の強い電離が生じ、それに伴って放電電圧の増大ないし電位降下がターゲットの手前で生じる。さらには、放電の高い電子温度（２ｅＶ−５ｅＶ）により、図６に略示するとおり、電位の歪みが基板の手前で生じる。

それに対して図４には本発明に基づく実施形態が略示されており、すでに大筋で説明ずみである。

高い電離度で蒸発する陰極材料は、バイアス電圧４０８を通じて基板へと加速される。陰極−陽極の電気システムは、チャンバアースに対して浮動式に施工されている。

プラズマ電位Ｕ_{ｐｌａｓｍａ}は、この実施形態では室壁に結合されている。
Ａｒｃソースの放電電流は陰極から陽極へと流れる。本例では約−１６Ｖから−２５Ｖの陰極電圧が、陽極４に向かって生成される。ジェネレータ４０８に由来する基板バイアスが、プラズマ由来のイオンをプラズマ電位Ｕ_{ｐｌａｓｍａ}で基板に向かって加速させる。基板手前での電位の推移は、図７に示すようにもはや歪んではいない。このようなプラズマの電子温度は、約０．３ｅＶから１ｅＶにすぎないからである。

別の実施形態が図８に示されており、すなわち、レシピエント８０５の中に配置されたＡＲＣ蒸着ソース８０３を備えるコーティング装置８０１が示されており、さらにレシピエント８０５の中には、電圧源８０８によって負の電位にすることができる基板ホルダ８０７が配置されている。この実施形態では、図４とは異なり、図４では浮動式である陰極・陽極システムの陰極は、チャンバアース（Ｇｒｏｕｎｄ）につながれている。このとき、図９に示すように電位がシフトする。陰極電位はチャンバアースのほうへシフトする。ＡＲＣ放電電流は陰極から陽極へ流れる。電圧源（バイアス供給部）８０８から印加される電圧（本例では４０Ｖ）が、追加の割合Ｕｂｉａｓ＋Ｕｐｌａｓｍａでイオンの加速を生成する。

図８では陰極はチャンバと短絡されており、そのようにしてチャンバアースにつながっている。しかしながら陰極とチャンバを電圧源を介して接続し、それによって追加の電位シフトを実現することも可能である。それにより、プラズマ電位を少なくとも陽極の手前で強力に正にすることができる。その様子は図１０と図１１に示されている。

Claims (7)

1. 蒸発するべき材料を備える第１表面と、前記第１表面とは反対側の第２表面とを含む陰極と、
   前記第１表面上で磁界を生じさせる磁気的な手段と、
   蒸着プロセス中に前記陰極から引き出される電子を吸収するための陽極と、
   少なくとも一時的に前記陽極を前記陰極に対して正の電位にすることを可能にする電圧源とを備え、
   前記磁気的な手段は、前記陰極に対して前記第２表面の側に配置され、
   前記陽極は、前記陰極の前記第１表面の縁部を取り囲み、
   前記第１表面の中央領域以外の前記第１表面から出ていく磁力線が当たる前記陽極の第３表面において、前記第１表面に対して平行な前記磁力線の第１成分が、前記第１表面に対して垂直な前記磁力線の第２成分よりも大きくなるように、前記陽極は前記陰極及び前記磁気的な手段に対して配置されている、ＡＲＣ蒸着装置。
2. 前記陰極と前記磁気的な手段との関係における前記陽極の位置と幾何学形状は、前記磁力線が４５°以上の角度で、前記陽極の前記第３表面に当たるように選択されている、請求項１に記載のＡＲＣ蒸着装置。
3. 前記陰極と前記磁気的な手段との関係における前記陽極の前記位置と前記幾何学形状は、前記陽極の前記第３表面に当たる前記磁力線と電気力線が互いに平行に延びるように選択されている、請求項２に記載のＡＲＣ蒸着装置。
4. 前記第１表面の前記中央領域では前記ＡＲＣ蒸着装置の作動中にその浸食を妨げる防止策が講じられている、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のＡＲＣ蒸着装置。
5. 前記防止策は前記第１表面の前記中央領域の遮蔽板を含む、請求項４に記載のＡＲＣ蒸着装置。
6. レシピエントと、基板のための保持部と、請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載のＡＲＣ蒸着装置とを備える、真空処理装置。
7. 前記ＡＲＣ蒸着装置の前記陰極は前記レシピエントに対して浮動的、同等、または正である電位に保たれる、請求項６に記載の真空処理室。