JPH04500391A - スパッタリングにより基板を被覆するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 スパッタリングにより基板を被覆するための装置この発明はスパッタリングによ り基板を被覆膜る為の装置に関する。この装置は真空排気されるチャンバからな り、基板に加えて少くとも１個の陰極と１個の陽極を各々有している。さらに、 制御ユニットを有しており、陽極もしくはチャンバの内壁に対して負の関係にあ る電位を陰極に供給するとともに、チャンバの内壁に対して正の関係にある電位 を陽極に供給する。該チャンバはさらに、特定の気体を導入する為のガスインレ ット及び排気を行なうためのガスアウトレットとを具備している。かかる構成に より、陽極及び必要な場合には追加の構成要素によりチャンバ内におけるイオン 化が行なわれる。

この種の装置は、例えば窓ガラスを被覆処理して紫外線遮断フィルタを形成する のに用いられている。極めて薄い層を非常に平坦に基板に対して堆積する事がで きるので、被覆材料を大変効率的に利用できるとともに、陰極あるいは陰極スク リーンを交換する事により極めて簡単に被覆材料を変える事ができる。

被覆処理は以下の様に行なわれる。即ち、強力に排気されたチャンバの内部には 、例えば一定の濃度を有するアルゴンガスが保持されている。チャンバには陽極 と陰極が備えられている。この陰極はスパッタ処理を施される基板を支持すると ともに、いわゆるマグネトロン場の届く範囲に位置する。

このマグネトロン場は一定の磁場に直交する電場からなる場である。この様な状 態下にあってプラズマとなっているアルゴンのイオンは、高速で陰極に保持され た被覆材料の表面に衝突する。この表面を叩く事により、イオン化されたものを 含む被覆材料の気体粒子が放出される。この気体粒子は基板の負電荷によって吸 着され且つ堆積される。この処理は一般的にグロー放電を伴なう。

窓ガラスの様な通常の部品を被覆する場合において、かなりの高品質で通常の被 覆処理を行なう為には面状の陰極を用いれば良い。しかしながら、基板が異形状 である場合には困難が生ずる。陰極から離れた基板領域は多孔質の被覆膜になる ので、後により好条件の下で被覆処理を続けた場合例えば基板の姿勢を変えて被 覆処理を行なった場合、高品質の層が剥離してしまう。従って、多孔性の堆積は 避けなければならない。かかる困難性に鑑み、従来の装置は通常の平坦な表面を 有する基板に対してのみ用いられていた。

本発明は、最初に説明された種類の装置を改良する事を目的とし、異形状の基板 に対しても被覆処理を可能とするものである。即ち、基板全面に対して強固に固 着する高品質の被覆膜を得る事を目的とする。この目的を達成するために、本発 明においては、陽極がスクリーンによって部分的に遮閉されており、且つこのス クリーンは電気的に導電性である。

我々の驚くべき発見によれば、金属製のスクリーンを用いる事によってチャンバ 全体に渡って相当程度イオン化の度合を向上できる。平衡状態下においては、電 気的に導電性を有する特に金属製のスクリーンはそれ自身所定の電位を有する。

あるいは、スクリーンはチャンバの内壁に対して電気的に接続されており、制御 された電位を有する。即ち、チャンバの内壁に等しい電位を有する。

陽極の実効面積は陰極の性能に従って選択される。この陽極の実効面積とは、例 えばスクリーンによって覆われていない部分の面積を意味する。あるいは、電界 によって制限される。実際の数値は圧力のレベル、ガスの組成、基板と陰極との 間の距離、及びチャンバ内温度に依存している。この様な制御の下に得られるチ ャンバ内のイオン化現象は特別の効果をもたらし、実際の被覆領域の外側に存在 する面は恒常的なイオンの衝撃に曝らされ不完全に堆積された層及び構造は所謂 エツチング即ち例えばアルゴンイオンの照射によって除去される。この除去と堆 積との間には均衡を保つ必要があり、被覆領域における一般的に高濃度のイオン による除去レートが堆積レートよりも低くなければならず、一方被覆されるべき 表面の永久的な清浄化が行なわれなければならない。本発明に従って陽極を設計 する事により、かかる高濃度のイオンを得る事ができる。この高濃度イオンは、 陽極と陰極との間に主たる電位を確立するとともに、陽極とチャンバの内壁との 間により低い電圧及び作用を有する補助的な電位を確立する事により生成保持さ れる。

この補助的な電位は陽極とチャンバ内壁との間に配置される別の電圧源によ−） で形成オる事ができる。あるいは、可変抵抗も（、＜は陽極及び陰極に連なる配 線に取り付けられた可変抵抗の中央接点を介；、て、陰極及び陽極を品々チャン バ内壁トニ接続４る事ｉ、−より、かかる補助的な電位を形成する事も可能であ る。

チャンバの内部に而している陽極又はアノードの先端部分を直接スクリーンが遮 閉している構造の場合には、実効的なアノ−ド面に堆積される層の影響により、 アノードとスクリーンとの間の距離が減少する危険がある。仮に、この距離がか なり小さくなるき、アノードとスクリーンとの間に直接的な放電が生（７る。即 ち、破壊的な放電が生し、短期間ではあるが電位の１衡が崩れるので被覆処理に 悪影響を与える。

発明の発展過程において明らかになったところによれば、このスクリーンはデユ ープ状に形成され、好ましくは円筒状に形成された陽極又はアノードの周囲を囲 む様に同軸的に配置される。

我々の発見によると、驚（へき事に、アノード先端面の遮閉状態が光学的に変わ らないにも関わらず、アノードに対するデユープ型スクリーンの相対的位置を変 化させると、異なった実効的な７ノ一ド面を得る事ができる。チューブ型のスク リーン内において、プラズマが限定され、実効的なアノード面は連続的に小さく なる。たとえ、同一の面積を有するアノードがチャンバ内部に而していてもであ る。

通常のアパーチャ型スクリーンを用いた場合には、このスクリーンと陽極との間 の距離を徐々に増加させていくとともに、スクリーン及び／″又は陽極の清掃を 定期的に行なう必要がある。その反面、堆積された層による距離の接近あるいは 少くともチューブ状のスクリーンを用いた時生じる距離の接近の様なものは生し ない。それ故、清浄化処理は相当程度長い操作期間が経過した後に行なえばよい 。アパーチャ型のスクリーンあるいはチューブ状のスクリーンを用いたどちらの 場合においても、スクリーンが定常的に強力なイオン照射に曝らされるので、ス クリーンの効果的な冷却が必要である。

通常、実効的な陽極面は固定されている。しかしながら、複雑な基板を被覆する 場合には、被覆すべき面と陰極との間の距離が例えば回転テーブルを用いる事に より処理操作中に変化するので、実効的な陽極面を調節する必要がある。本発明 においては、ベローを用いてチャンバ壁から陽極あるいはスクリーンを密閉する 様に１７でもよい。これにより、操作中チャンバの外側からかかる調節を行なう 事が可能となる。

物理気相成長処理により超硬物質をドリルの刃等の基板に被覆する場合がある。

この超硬物質は、例えば、２つの金属元素（アルミニウム又はチタン）と、追加 の窒素と、安定化の為に少量添加された例えばジルコンあるいはバナジンとを含 んでいる。この場合には、勿論チャンバ内壁も被覆される。

この被膜は無視し得ないものであり、粉末を発生させたり、あるいは処理チャン バの中の粉末の原因ともなる。仮に、無駄な被膜が多孔的且つ非均−にチャンバ 内壁に成長した場合には、より大きな粒子が剥離し不純物として基板表面に付着 する危険性がある。この様な理由により、チャンバ内壁面は定期的に特にブラス トを用いて清掃しなければならない。しかしながら、仮にチャンバ内壁部分に付 着した被膜が高品質のものであれば、チャンバ内壁を構成する部品の清掃回数は 、多孔質の構造を有する被膜の場合に比べて３分の１程度に減らす事が可能であ る。

そこで、我々の発見したところによれば、既に述べた補助的な電位を陽極とチャ ンバ内壁との間で少くとも約８０ボルトに調節するとともに、好まし２くは陽極 と陰極との間の主たる電位を約５００ボルトに保一つ事により、超硬物質の被覆 処理を行なう間、無駄ではあるが高品質の保護膜がチャンバ内壁に成長し、粉末 の発生を防１トできる。測定したところによれば、超硬物質系の構成要素を含む イオンの雲からなるプラズマとチャンバ内壁との間には少くとも４０ボルトの電 位差が表れる。

あるいは、本発明によれば、粉末の発生を防正し且つチャンバ内壁に対する多孔 質の被膜の成長を防止する為に、これら電位を適当に設定する事により、無駄あ るいは余分な被膜の密着性を高め且つ粉の発生を少くする事ができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例をより詳細に説明する。

第１図は、本発明の第１の実施例を示し、陽極に沿った模式的断面図を示してい る。

第２図は、本発明にかかる他の実施例の断面図を示す。

第３図は、本発明にかかる装置のチャンバの電源システムの線図である。

第４図は、電源システムの変形例を示す線図である。

第５図は、電源システムのさらに別の変形例を示す線図である。

第１図に示す様に、陽極１は容器壁２又はチャンバ壁に設けられた開口に挿入さ れている。この容器壁２は基板を被覆する為の実際の装置を構成する。かかる装 置の例は、例えばドイツ実用新案登録出願Ｇ　８８０４Ｈ９，６に開示されてい る。陽極は円筒形状であり、閉じた先端壁を有するとともに、絶縁体３によって 囲まれている。この絶縁体３はチューブ状のスクリーン４によってさらに囲まれ ている。このチューブ状のスクリーン４は気密状態で外側から容器壁２に螺合し ている。

なお、この容器壁２は図面上では部分的に示されている。陽極１はシールリング ９によって外部から気密封止されている。

このシールリング９は蓋部材８によって完全に密着接触する様に押圧されている 。この蓋部材８はチューブ状のスクリーン４の７ランノ部に対して螺合している 。なお、このチューブ状のスクリーン４は図面上においては部分的に示されてい る。この陽極１は、それ故、チャンバ内から離れた外面において、外側から取り 扱い可能である。この部分には、筒状の管１０が配置されており冷却水の為の取 入れ口と取出し口を構成する。さらに別の冷却系がチューブ状のスクリーン４に 設けられている。即ち、冷却経路７であり、注入及び流出の為の管を介して例え ば冷却水等を通す様にしている。第１図においては、１個の経路のみが点線によ って示されている。

例えば、ポリテトラフルオロエチレンからなる絶縁体３はチャンバ内に面する側 に配置された保護リング５によって保護されいる。このリング５は耐腐食性の鋼 鉄からできている。

この場所には、さらに別のシールリング６が配置されており、チューブ状のスク リーン４と絶縁体３との間の気密性を保持する。

このチューブ状のスクリーン４は好まし、くは銅からなり、非常に優れた熱伝導 性を有している。それ故、冷却経路７は、チャンバ内側から離間し、た場所に設 けても十分である。図から明らかな様に、もし必要であれば、チューブ状のスク リーン４の冷却系はよりチャンバ内側に近く設計する事もできる。チューブ状の スクリーンの材料としては耐腐食性の鋼鉄でもよいが、冷却の特に必要とされな い金属被覆されたセラミック材料を用いる事もできる。

図から明瞭に理解される様に、一時的に蓋部材８を緩める事によりシールリング ９の接触圧力を緩やかにすれば軸方向に対Ｉ７て陽極又はアノード１を自由に調 節する事ができる。

アノード１の深さ方向調節により、実効的な陽極面積が影響を受ける。陽極１を 後退させればさせるほど、実効的な陽極電位の影響によりチューブ状のスクリー ン４の領域におけるプラズマが減少する為である。

第２図に、本発明の他の実施例にかかる陽極２２の構造を示す。この陽極２２の 実効面積はアパーチャ板２４に設けられたアパーチャの寸法によって決まる。陽 極２２とアパーチャ板２４は導管２３及び２５によって水冷される。第２図に示 す構造は、外部から操作する事ができないチャンバに対して用いられる。

その為、導管は容器壁の適当な個所から取り出されなければならない。

同様に、陽極２２はポリテトラフルオロエチレンからなる絶縁体２Ｉによって、 アパーチャ板２４及びハウジング２ｏがら絶縁されている。このハウジング２０ は陽極２２の全体を囲っている。

陽極２２とアパーチャ板２４とが互いに対面している個所において、連続動作の 結果層の成長が生じる。この層成長はこの個所に破壊的な放電をもたらす。その 為、定期的に清浄処理を行なう必要がある。アパーチャ板２４が陽極２２に対し て距離的に移動可能である時には、清浄化処理を行なう間隔を大きくする事がで きる。この破壊的な放電が生ずる危険性に応じて、距離を増大させる事ができる からである。

第３図ないし第５図に、本発明にかかる装置の電源システムの例を示す。陽極３ ０と陰極３１は模式的に示されており、陽極３０は部分的にアパーチャ板３７に よって覆われている。実際の装置においては、図示しない基板が陰極３１の正面 近くに置かれる。回転テーブルあるいは回転機構を用いて、陰極３１に対する基 板の姿勢を変える事ができる様にしている。陰極３１は通常調節可能な状態でチ ャンバ内部に保持されている。

第３図に示す実施例においては、陽極３ｏと陰極３１との間に主たる電位を発生 させる為の主制御装置ｔ３２が備えられている。

さらに、補助的な制御装置３４によって、より小さな電圧及び作用を有する補助 的な電位が陽極３０とチャンバの内壁３６との間に保持されている。勿論、これ らの制御ユニット３２及び３４は、チャンバの中に配置されているのでは無く、 電源及び制御システムの部品である。なお、配線３３と３５はチャンバ壁を介し てこれらのユニットに結線されている。

第４図及び第５図に示されている実施例においては、切換え機構を用いて第３図 の実施例と同様な電位を発生させている。これらの実施例は異なった方法により 電位を発生させている。

第４図に示す実施例においては、電圧源３２に対して並列に可変抵抗４０が接続 されている。この可変抵抗４０の中央接点４１はチャンバの内壁３６に接続され ている。導線３５がチャンバの内壁３６からアパーチャ板３７に接続されている 。従って、補助的な電位が陽極３０とチャンバの内壁３６との間に表われ、イオ ン化効率を高めている。

第５図に示す実施例においては、可変抵抗５０及び５１が各々導線３３に接続さ れている。又、これら可変抵抗の他端は導線５２を介してチャンバの内壁３６に 接続されている。点線で囲まれた部分が、これら可変抵抗５Ｄ及び５１と電圧源 ３２からなるユニットを示しており、チャンバの外側において適当な個所に設置 される。

当然の様に、チャンバの内壁３６に表われる負電位によって、アルゴンイオンは 中性化される。即ち、分子に戻される。しかしながら、この負電位によって反発 される電子の数は非常に多く且つエネルギーに富んでいるので、内壁３６に吸着 され且つ中性化されるイオンよりも多くのイオンが、これら電子によりアルゴン 分子を叩く事により生成される。この様にして、陽極に加えられる高い正電位、 陰極に加えられる高い負電位及びチャンバの内壁３６に加えられる有効な負電位 によって所望の強力なイオン化効果を得る事ができる。調節された陰極の作用と 関連した本発明にかかる陽極の構造により、チャンバ内に強力なイオン化を起こ す事ができる。その為、陰極３１に対面する基板の部分は完全に被覆される。一 方、陰極３１と反対の部分はエツチングにより恒久的に清浄化される。

この清浄化処理は後に行なわれる被覆処理に対して非常に良好な前処理となる。

例えば、陰極３１を動かした後あるいは基板の姿勢を変えた後、清浄化された表 面に対して被覆処理を行なう事ができる。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．少くとも１個の陰極、１個の陽極及び基板を収納している排気可能なチャン バと、陽極あるいはチャンバの内壁に関して相対的に負の電位を陰極に供給する とともにチャンバの内壁に関して相対的に正の電位を陽極に供給する為の制御ユ ニットと、特定の気体を供給し且つ排出する為のガスインレット及びガスアウト レットを有しており、陽極及び必要な場合には他の部品によりチャンバ内部にイ オン化を生じさせる構造を備えた陰極スパッタリングにより基板を被覆する為の 装置において、陽極（１，２２）は部分的にスクリーン（４，２４）によって覆 われているとともに、該スクリーン（４，２４）は電気的に導電性である事を特 徴とする装置。
2. ２．スクリーン（３７）はチャンバの内壁（３６）と同一の電位を有する事を特 徴とする請求の範囲１に記載の装置。
3. ３．スクリーン（４，２４）は流体により冷却されている事を特徴とする請求の 範囲１又は２に記載の装置。
4. ４．陽極（１，２２）は先端が閉じられた円筒からなる事を特徴とする請求の範 囲１，２又は３に記載の装置。
5. ５．スクリーン（４）は陽極（１）を同軸的に囲んでいるチユーブからなる事を 特徴とする請求の範囲４に記載の装置。
6. ６．チューブ（４）の位置は軸方向に関し陽極（１）に対して相対的に調節可能 である事を特徴とする請求の範囲５に記載の装置。
7. ７．チューブ（４）はフランジを有しており、このフランジはチャンバに形成さ れた開口を囲むとともにチャンバ（２）に対して固定されている事を特徴とする 請求の範囲５又は６に記載の装置。
8. ８．陽極（１）は絶縁体（３）を介してチューブ（４）の中に配置されていると ともに、陽極（１）は絶縁体（３）に対して気密封止されており、且つ絶縁体（ ３）はチューブ（４）に対して気密封止されている事を特徴とする請求の範囲７ に記載の装置。
9. ９．陽極（１）は動作中チューブ（４）に対して移動可能である事を特徴とする 請求の範囲６，７又は８に記載の装置。
10. １０．金属製のベローが陽極（１）と絶縁体（３）との間に設けられている事を 特徴とする請求の範囲９に記載の装置。
11. １１．陽極の先端面とこの陽極に対面するスクリーン（２４）の面との間の距離 が調節可能である事を特徴とする請求の範囲１，２，３又は４に記載の装置。
12. １２．スクリーン（４，２４）が銅、耐腐食性の鋼鉄あるいは金属被覆されたセ ラミックからなる事を特徴とする請求の範囲１ないし１１に記載の装置。
13. １３．陽極（３０）と陰極（３１）との間に主たる電位が印加されるとともに、 陽極（３６）とチャンバの内壁（３６）との間により低い電圧及び作用を有する 補助的な電位が印加される事を特徴とする請求の範囲１ないし１２に記載の装置 。
14. １４．該補助的な電位の強さはチャンバの内壁（３６）に堆積される被膜が良好 な接着性を有する様に設定されている事を特徴とする請求の範囲１３に記載の装 置。
15. １５．陽極（３０）とチャンバの内壁（３６）との間に印加される補助的な電位 は少くとも約８０ボルトである事を特徴とする請求の範囲１３に記載の装置。
16. １６．陽極（３０）と陰極（３１）との間に印加される主たる電位は約５００ボ ルトである事を特徴とする請求の範囲１５に記載の装置。
17. １７．陰極（３１）及び陽極（３０）は、これら陰極及び陽極に各々導かれてい る２個の導線に接続されている可変抵抗（５０，５１）又は可変抵抗（４０）の 中央接点（４１）を介してチャンバの内壁（３６）に接続されており、補助的な 電位を形成する様にしている事を特徴とする請求の範囲１３，１４，１５又は１ ６に記載の装置。