JPH07305166A

JPH07305166A - マグネトロンスパッタリング方法

Info

Publication number: JPH07305166A
Application number: JP20507694A
Authority: JP
Inventors: Stanislav Kadlec; スタニスラフカドレッツ; Jindrich Musil; イィンドリッフムジル
Original assignee: INST OF FUIJIKUSU OF JI AKAD O; INST OF FUIJIKUSU OF JI AKAD OF SAIENSUIZU OF CHIETSUKO RIPABURITSUKU; INST OF PHYSICS OF ACAD OF SCIENCES OF CZECHO REPUBLIC
Current assignee: INST OF FUIJIKUSU OF JI AKAD O; INST OF FUIJIKUSU OF JI AKAD OF SAIENSUIZU OF CHIETSUKO RIPABURITSUKU; INST OF PHYSICS OF ACAD OF SCIENCES OF CZECHO REPUBLIC
Priority date: 1993-09-03
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1995-11-21
Also published as: CZ281073B6; CZ182093A3

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】低圧力で、小投入電力密度のマグネトロンス
パッタリングを実現することである。【構成】マグネトロンスパッタリング方法において、
カソード表面上の空間は非平衡マグネトロン形をもつ磁
界により左右され、投入電力は最小自己スパッタリング
投入電力以上の値をもち、動作圧力は最大自己スパッタ
リング圧力よりも低い値をもち、カソード物質はスパッ
タリングされる原子とプロセス雰囲気中で安定してスパ
ッタリングされる。プロセスガスの圧力は１．５×１０
^−２Ｐａよりも低く、カソードの投入電力負荷は２〜２
５０Ｗ／ｃｍ^２の範囲にある。非平衡マグネトロン形を
もつ磁界は、少なくとも２つの磁界、すなわちマグネト
ロン型の磁界と非平衡磁界の組合せにより得られる。ス
パッタリングされる物質は銅、銀、金、鉛、などの元素
またはこれらの合金である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カソード物質のマグネ
トロンスパッタリング方法に関し、特に、たとえば１．
５×１０^−２Ｐａから、真空装置の基底圧力までの非常
に低い圧力におけるグロー放電の維持とカソードにおけ
る投入電力密度の最小化の問題を解決するものである。

【０００２】

【従来の技術】直流グロー放電におけるカソードスパッ
タリングは、たとえば薄膜の形成に用いられる公知のプ
ロセスである。カソードとアノード間のグロー放電にお
ける従来の二極型スパッタリングでは、ガスのイオン化
度が低く、１０〜１００Ｐａ程度の高圧の作動ガスにお
いてのみ動作が可能であり、効果的ではなかった。より
低い動作圧力を達成するために、さまざまな方法が用い
られている。最も一般的に用いられているのは、米国特
許第３８７８０８５号（１９７５年）および米国特許第
４１６６０１８号（１９７９年）に開示されたマグネト
ロン原理に基づくものである。平板マグネトロンにおい
ては、磁界が、カソード上に、２つの同心状に配置され
た磁極間の磁力線による閉トンネルの形で発生する。交
差した電界と磁界における電子ドリフトの結果として、
電子の軌道はかなり長くなり、そのイオン化能力は増加
する。通常５×１０^−１Ｐａ〜１０Ｐａの放電開始圧力
に少なくとも等しい圧力において、通常約５００Ｖ〜１
０００Ｖの電圧をカソードと真空室との間に与えると、
安定したグロー放電が開始され、次いで、動作圧力を、
放電が自然停止する放電停止圧力よりも大きい値に設定
する。マグネトロンにおける放電停止圧力は、通常２×
１０^−１〜１Ｐａの範囲にある。例外として、Ｊ．Ｌ．
ＶｏｓｓｅｎおよびＷ．Ｋｅｒｎ編「ＴｈｉｎＦｉｌ
ｍＰｒｏｃｅｓｓｅｓ（薄膜プロセス）」（アカデミ
ック・プレス、ニューヨーク、１９７８年発行）によれ
ば、マグネトロングロー放電は、約１０^−１Ｐａより低
い動作圧力において安定であり、下限は約５×１０^−２
Ｐａである。この理由は、安定した放電開始には、カソ
ード上の分子の、特定の最小分子密度が必要であること
である。

【０００３】上述した従来の平衡マグネトロンのほか
に、非平衡マグネトロンも開発されており、「Ｊｏｕｒ
ｎａｌｏｆＶａｃｕｕｍＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」Ａ４（１９８６年発行）の１
９６頁に掲載されたＢ．ＷｉｎｄｏｗおよびＮ．Ｓａｖ
ｖｉｄｅｓの論文、および、「ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶ
ａｃｕｕｍＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ」Ａ９（１９９１年発行）の１１７１頁に掲載さ
れたＪ．Ｍｕｓｉｌ、Ｓ．Ｋａｄｌｅｃａ、Ｗ．Ｄ．Ｍ
ｕｅｎｚの論文などに記載されている。平衡マグネトロ
ンおよび非平衡マグネトロンの差異は、平衡マグネトロ
ンの場合にはカソード中心部の磁界が周縁部と同程度の
強さをもつのに対し、非平衡マグネトロンの場合には、
中心部（非平衡マグネトロン１型）もしくは周縁部（非
平衡マグネトロン２型）のいずれかにおける磁界がより
強くなっていることである。非平衡マグネトロン２型に
おいて、軸における磁界の方向は、カソードから特定の
距離のところで反転し、ここで外側磁極の磁界は内側磁
極の磁界よりも優勢になる。実際のところ、「非平衡マ
グネトロン」という名称は、非平衡マグネトロン２型に
対して用いられはじめたものである。これは、平衡マグ
ネトロンおよび非平衡マグネトロン１型の両者に比べ
て、非平衡マグネトロン２型では、基板におけるプラズ
マ密度が高いからである。これらすべての型のマグネト
ロンは、カソード近傍においては、２つの同心磁極のあ
いだの磁力線の閉トンネルの形をした、むしろ同様な磁
界を有している。したがって、これらのマグネトロンの
磁界を「マグネトロン型の磁界」と呼ぶことができる。
ところで、非平衡マグネトロンにおいてさえ、従来のも
のよりも低い放電停止圧力は知られていない。また、カ
ソード表面におけるマグネトロン放電の平均出力密度
は、従来のおよび非平衡マグネトロンの場合の双方にお
いて、通常１〜２０Ｗ／ｃｍ^２の程度の値である。

【０００４】磁界および電界の組合せを用い、マグネト
ロンカソードにおいて特に例外的に良好なプラズマ閉じ
込めを可能としたマグネトロンシステムにおいて、ほぼ
２×１０^−２Ｐａ〜３×１０^−２Ｐａの放電停止圧力値
が得られた。このようなシステムの１つとして、反対向
きにならべた複数個の磁石を備えた、同じ大きさの２つ
の円形マグネトロンの組合せがある。「Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ」６０号（１
９８６年発行）の２０９６頁に掲載されたＭ．Ｍａｔｓ
ｕｏｋａ、Ｙ．Ｈｏｓｈｉ、Ｍ．Ｎａｏｅによる論文を
参照されたい。チェコ特許出願第ＰＶ４８０４−８９号
には、マグネトロンスパッタリングにおいて低い放電停
止圧力を達成するための別の方法が記載されており、こ
れは、従来のまたは非平衡マグネトロンの磁界と多極磁
界に組合せたものを利用している。上述の２つのシステ
ムにおけるものとほぼ等しい、約１．５×１０^−２Ｐａ
までの低圧が、Ｓ．Ｋａｄｌｅｃ、Ｊ．Ｍｕｓｉｌ、
Ａ．Ｒａｊｓｋｙのチェコ特許出願第ＰＶ１５４２−９
３号によるシステムにおいて得られる。このシステムに
おいて、スパッタリングされるカソード表面上の空間
は、磁界により左右され、カソード表面と２回交わる磁
界の磁力線は、できるだけ広いカソード領域に、たとえ
ば、カソード表面積全体の８０％より大きい領域に広が
る。すなわち、磁界は、ターゲット周縁部から生じる磁
力線の大多数がカソードの中心部と交わり、同様に、カ
ソードの中心部から生じる磁力線の大多数がターゲット
周縁部と交わるという形状を有している。この状態にお
いて、マグネトロン放電の最小放電開始圧力と最小放電
停止圧力が達成される。

【０００５】１０^−２Ｐａより低いレベルの圧力におけ
る直流マグネトロングロー放電の閉じ込めのメカニズム
は、第８回国際真空会議（カンヌ、１９８０年）論文集
第１巻に掲載されたＮ．Ｈｏｓｏｋａｗａ、Ｔ．Ｔｓｕ
ｋａｄａ、Ｈ．Ｋｉｔａｈａｒａの論文に開示されてい
る。このグロー放電は、銅製の円筒カソードを備えたマ
グネトロンにおいて観察された。著者らの示すところに
よれば、１０^−１Ｐａ程度の通常の放電開始圧力におい
て、マグネトロン放電が開始され、カソードにおける投
入電力密度が約１００Ｗ／ｃｍ^２の特定の最小値を越え
て増加した後、スパッタリングされる銅粒子の密度は、
動作圧力が１０^−２Ｐａより低くなった後でも放電が持
続する程度に増加する。この放電は、「自己維持型スパ
ッタリング放電」と名付けられている。これは、放電中
にイオン化されていく、スパッタリングされた物質自身
の雲の中で放電が開始されて持続し、ふたたびカソード
表面に戻ってスパッタリングするからである。そこで、
このような自己スパッタリング放電は、非常に低い圧
力、たとえば、真空装置の到達圧力において開始するこ
とができる。その安定性のためには、以下の３つの条件
が必須である。

【０００６】１．スパッタリング率Ｓが充分高いこと。

【０００７】２．スパッタリングされる金属イオン化の
確率ａが充分高いこと。

【０００８】３．イオン化された金属がカソードに戻る
確率ｂが充分高いこと。

【０００９】安定した自己スパッタリング放電を持続す
るためには、次式の関係が成り立つことが必要である。

【００１０】ａ・ｂ・Ｓ＞１第１の条件は、カソード物質と放電電圧の選択に関連す
る。第２の条件は、実際のところ、自己スパッタリング
を充分な高電流とカソードにおける高投入電力密度に制
限する。なぜなら、確率ａは、カソードにおける投入電
力密度にほぼ直接的に比例するからである。放電中のプ
ラズマ閉じ込めの善し悪しは、第２および第３の条件の
組み合わせによって決められる。自己スパッタリング放
電技術における従来技術の基本的な問題は、最適なプラ
ズマ閉じ込め方法を見つけることであった。

【００１１】安定した持続性自己スパッタリング放電
は、上述した円筒マグネトロンのほかにも、ドイツ特許
公開公報第３５２７６２６号に開示されたＭ．Ｇｅｉｓ
ｌｅｒ、Ｊ．Ｋｉｅｓｅｒ、Ｒ．Ｋｕｋｌａの発明によ
る、広い侵食ゾーンを備えた従来の平板マグネトロンに
おいても達成された。「Ｖａｃｕｕｍ」第４１巻（１９
９０年発行）１９６８頁に掲載されたＲ．Ｋｕｋｌａ、
Ｔ．Ｋｒｕｇ、Ｒ．Ｌｕｄｗｉｇ、Ｋ．Ｗｉｌｍｅｒｓ
の論文を参照されたい。従来の平板マグネトロンにおけ
るさらに別の実験が、Ｗ．Ｐｏｓａｄｏｗｓｋｉにより
実施され、「ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇ
ｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」第４９巻（１９９１年発
行）２９０頁に記載されている。これらの事例すべてに
おいて、銅製のカソードを用いた場合にのみ実験は成功
した。その他の物質を用いての自己スパッタリング放電
はまだ知られていない。完全を期すために、さらに別の
安定した放電が開示されていることを付け加える。この
方法では、銅蒸気中で励起され、直流およびマイクロ波
放電を縦方向磁界中の電子サイクロトロン共振に組み合
わせている。「ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶａｃｕｕｍ
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」Ａ９
（１９９１年発行）４６６頁を参照されたい。

【００１２】自己スパッタリング放電と従来のスパッタ
リングとを区別するには、放電電力と使用されるプロセ
スガスの動作圧力の値が重要である。圧力値が最大自己
スパッタリング圧力よりも高い場合において、放電の自
然停止を招くことなく、放電に供給される電力を実質的
に無制限に減少することができる（図１参照）。すなわ
ち、放電は、充分高圧のガス中で開始され、スパッタリ
ングは通常と同じである。圧力値が最大自己スパッタリ
ング圧力よりも低い場合には、安定した放電維持のため
に必要な最小自己スパッタリング投入電力が必ず存在す
る。ここで、最小自己スパッタリング投入電力は動作圧
力に対応する。放電に供給される電力が最小自己スパッ
タリング投入電力よりも低い値に下がったときには、放
電は停止する。動作圧力が下がると、最小自己スパッタ
リング投入電力は増加する。図１を参照して、放電に供
給される電力が充分高いときには、動作圧力を無制限に
減少できる。すなわち、最大自己スパッタリング圧力よ
りも低い動作圧力と、最小自己スパッタリング投入電力
よりも高い電力の領域は、安定した自己スパッタリング
放電維持の領域である。たとえば、「Ｓｕｒｆａｃｅ
ａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」第
４９巻（１９９１年発行）２９０頁に掲載されたＷ．Ｐ
ｏｓａｄｏｗｓｋｉの論文において、この領域は、最大
自己スパッタリング圧力−アルゴン中で約７×１０^−２
Ｐａ−よりも低い圧力と、この圧力において３７Ｗ／ｃ
ｍ^２を越え、真空装置の極限圧力において６７Ｗ／ｃｍ
^２を越える、銅カソードにおける投入電力密度値に対応
する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、先行
技術の欠点を解決し、特に、できるかぎり低い範囲の放
電電力における安定した自己スパッタリング放電を達成
すると共に、この放電の特性の最適化の問題を解決する
ことである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によるマグネトロ
ンスパッタリング方法において、物質は、磁界中の異常
グロー放電中、アノードおよび／または真空室に対して
負の直流電圧が印加されたカソードからスパッタリング
される。本発明の本質は、スパッタリングされるカソー
ド表面上の空間が非平衡マグネトロン状の磁界により影
響を受け、上記放電に供給される投入電力が、少なくと
も、最小自己スパッタリング投入電力以上の値をもち、
選択されたプロセスガスの動作圧力が、最大自己スパッ
タリング圧力よりも低い値をもち、上記カソード物質
が、スパッタリングされた原子の雰囲気中あるいは上記
スパッタリングされた原子と上記プロセスガスとの混合
雰囲気中で持続される安定した自己スパッタリング放電
中でスパッタリングされることにある。すなわち、本発
明は、安定した自己スパッタリング放電励起と組み合わ
せた非平衡マグネトロン磁界を利用したものである。

【００１５】本方法において、さまざまな種類のプロセ
スガスと動作圧力を用いることができる。一例によれ
ば、プロセスガスは残留ガスであり、動作圧力は到達圧
力である。また、プロセスガスは、ネオン、アルゴン、
クリプトン、キセノンなどの不活性ガス、または、酸
素、窒素、一酸化炭素、炭化水素などの反応ガス、また
は、これらのガスの混合ガスでもよい。この場合には、
放電に供給される投入電力が、到達圧力におけるものよ
りも低くても、自己スパッタリングを達成すること、あ
るいは、反応性スパッタリングにより複合薄膜のスパッ
タリングを達成することが可能である。動作圧力値は、
非平衡マグネトロンにおいてこれまで用いられてきた圧
力値よりも低い値である１．５×１０^−２Ｐａよりも低
く、さらに、最大自己スパッタリング圧力よりも低くす
ることができる。

【００１６】上記放電に供給される投入電力は、上記ス
パッタリングされるカソードの全領域に関して、たとえ
ば、２〜２５０Ｗ／ｃｍ^２の範囲の電力負荷に対応す
る。この場合、上記電力負荷の値は、上記カソード物質
により決定される。

【００１７】また、本発明は、３つの連続するステージ
からなる自己スパッタリング放電の放電開始プロセスを
提供する。第１ステージにおいて、プロセスガス、たと
えば、アルゴンを、スパッタリング室に導入し、その放
電開始圧力を３×１０^−２Ｐａ〜１００Ｐａの範囲に調
節し、アノードおよび／または真空室に関して３００Ｖ
〜１０ｋＶの範囲の負の直流電圧を上記カソードに印加
し、これにより、上記カソードと、上記アノードおよび
／または上記真空室の間にグロー放電を開始させる。第
２ステージにおいて、上記グロー放電の投入電力を、少
なくとも、上記最小自己スパッタリング投入電力以上の
値に増加させる。第３ステージにおいて、上記選択され
たプロセスガスの上記動作圧力を、上記最大自己スパッ
タリング圧力よりも低い値に調節し、上記放電投入電力
は、特定の動作圧力において、上記最小自己スパッタリ
ング投入電力以上の値に保たれる。すなわち、上記第３
ステージにおいて、自己スパッタリング放電開始のため
のすべてのパラメータが調節される。

【００１８】上記非平衡マグネトロン状の磁界は、少な
くとも２つの磁界、すなわち、マグネトロン型磁界と非
平衡磁界の組合せにより、形成することが好ましい。上
記自己スパッタリング放電の放電特性は、上記２つの磁
界の少なくとも一方の磁界の強さを変えることを利用し
て、上記非平衡マグネトロン状の磁界の形状と強さを変
化させることにより調節される。

【００１９】本発明による方法の別の例によれば、放電
が開始される上記第１ステージにおいて、上記非平衡磁
界の強さに対する上記マグネトロン型磁界の強さの比率
を、上記非平衡マグネトロン状の磁界の磁力線がカソー
ド表面積全体の８０％よりも大きい領域を占めるような
比率に調節することができる。したがって、これは、最
小放電開始圧力におけるマグネトロン放電開始である。
つぎに、早ければ上記第２ステージ中に遅くとも自己ス
パッタリング放電が開始される上記第３ステージ中に、
上記マグネトロン型磁界の強さまたは上記非平衡磁界の
強さあるいはその両方の強さを調節して、自己スパッタ
リングに用いられる上記非平衡磁界の強さに対する上記
マグネトロン型磁界の強さの比率を、上記第１ステージ
において用いられる比率以下とする。

【００２０】プロセス制御の簡素化の見地から、自己ス
パッタリングに用いられる上記マグネトロン型磁界の強
さと上記非平衡磁界の強さの両方が、上記第１ステージ
において用いられる上記２つの磁界のそれぞれの強さに
等しいことが好ましい。

【００２１】放電開始および自己スパッタリングステー
ジ中の最適の状態のためには、さらに別の例にしたがっ
て進行させることが好ましい。すなわち、自己スパッタ
リングに用いられる上記マグネトロン型磁界の強さを、
上記第１ステージにおいて用いられる上記マグネトロン
型磁界の強さよりも減少させる。一方、自己スパッタリ
ングに用いられる上記非平衡磁界の強さを、上記第１ス
テージにおいて用いられる上記非平衡磁界の強さと等し
くする。このようにして、上記最小自己スパッタリング
投入電力の調節および／または上記最小放電電流の低減
および／または上記放電電圧の増加を行なうことができ
る。

【００２２】本発明によるスパッタリング方法によれ
ば、多様な物質の自己スパッタリングが可能となる。上
記スパッタリングされる物質として、銅、銀、金のいず
れかの元素、あるいは、これらの元素のうち少なくとも
２つの元素の合金を用いることができる。また、鉛およ
びカドミウムのいずれかの元素、あるいは、これらの元
素の合金などの低融点物質を用いてもよい。

【００２３】また、自己スパッタリングは、銅と、亜鉛
および／または鉛の合金である、各種の真鍮などの銅合
金についても可能である。ここで、亜鉛含有量は５０重
量以下、鉛含有量は１０重量％以下である。

【００２４】また、本方法によれば、ある種の青銅、特
にアルミニウム、マンガン、ニッケルをベースとした青
銅の自己スパッタリングも可能となる。特に、銅と、ア
ルミニウムと、マンガンと、ニッケルと、鉄の合金があ
げられ、ここで、アルミニウム含有量は１１重量％以
下、アルミニウムおよびマンガン含有量の合計は１６重
量％以下、ニッケル含有量は５重量％以下、鉄含有量は
２重量％以下である。このような物質として、たとえ
ば、アルミニウム青銅、イザベリン、ノボコンスタンタ
ンなどがある。

【００２５】本発明による方法は、非平衡マグネトロン
を備えた公知の装置により実現でき、これは、たとえ
ば、Ｓ．Ｋａｄｌｅｃ、Ｊ．Ｍｕｓｉｌ、Ａ．Ｒａｊｓ
ｋｙのチェコ特許出願第１５４２−９３号に記載されて
いる。

【００２６】

【実施例】実施例１図２は、本方法を実施するために用いられる装置を示し
ている。ガス導入口２およびガス排気口３を設けた真空
室１の内部に電気的に絶縁された平板円形カソード４が
配置されている。直流電源５がカソード４と真空室１の
間に接続されている。２つの電磁石からなる磁界供給源
が、冷却水路６を設けたカソード４の裏側に配置されて
いる。マグネトロン型磁界供給源として、第１のコイル
７が、第１の電源８に接続されている。第１のコイル７
の内側には、軟磁性材からなる第１のコア９が配置され
ている。非平衡磁界の供給源として、第２のコイル１１
が、第２の電源１２に接続されている。カソード４の裏
側には、第１のコイル７の周囲で且つ第２のコイル１１
の内側に、軟磁性材から構成されたリング状の第２のコ
ア１３が配置されている。第１のコア９は第２のコア１
３とともに、透磁率の高い材料からなるプレート１４を
用いて、第１のコイル７の裏側に磁気的に接続されてい
る。マグネトロン型磁界の強さは、電流Ｉ_１の値により
調節することができる。ここでＩ_１は第１の電源８から
第１のコイル７への電流である。非平衡磁界の強さは、
電流Ｉ_２の値により調節することができる。ここで、Ｉ
_２は第２の電源１２から第２のコイル１１への電流であ
る。すなわち、電流比Ｉ_２／Ｉ_１は、両磁界の比率の尺
度である。カソード４の表面と２回交わる磁力線１５お
よび１６は、電流比Ｉ_２／Ｉ_１＝２．１３の場合が描か
れており、このとき、これらの磁力線はカソード表面の
ほぼ全面を占める。したがって、Ｓ．Ｋａｄｌｅｃ、
Ｊ．Ｍｕｓｉｌ、Ａ．Ｒａｊｓｋｙのチェコ特許出願第
ＰＶ１５４２−９３号によれば、まさにこの構成におい
て、最小放電開始圧力が達成される。

【００２７】図３〜図７には、直径１２４ｍｍの真鍮製
円形カソードを備えた、このマグネトロンにおける自己
スパッタリング放電の特性が示されている。その組成
は、概ね、銅５８重量％、亜鉛４０重量％、鉛２重量％
であった。この場合、プロセスガスは残留ガスであり、
動作圧力は約２×１０^−３Ｐａの到達圧力であった。図
３および図４は、それぞれ、最小放電電流とこの電流に
おける放電電圧が、電流Ｉ_１、すなわち、マグネトロン
型の磁界の強さに依存する状況を示す。電流Ｉ_２は、こ
こでは、曲線のパラメータである。小さい円で囲んだ点
は、電流比Ｉ_２／Ｉ_１＝２．１３を示し、このとき、最
小放電開始圧力が達成される。図３および図４は、電流
Ｉ_１の減少によるマグネトロン型磁界の強さの減少を利
用して、最小放電電流を低下させ、放電電圧を上げるこ
とができる様相を示す。さらに、電流比Ｉ_２／Ｉ_１が
２．１３より高い値に維持されることを条件として、特
に、マグネトロン型磁界の強さ、すなわち電流Ｉ_１を利
用してマグネトロン放電電流を調節できることは明らか
である。逆に、電流比Ｉ_２／Ｉ_１が２．１３より低い値
に維持されることを条件として、最小放電電流は急激な
増加を始める。このような磁界は、非常に弱い非平衡マ
グネトロンまたは従来のマグネトロンに典型的なもので
ある。したがって、本発明の方法は、従来のマグネトロ
ンの使用よりも、低い最小放電電流における安定した自
己スパッタリング放電に適していることはいうまでもな
い。

【００２８】図５〜図７は、それぞれ、最小投入電力密
度と、最小放電電流と、最小放電電流における放電電圧
を、電流Ｉ_２、すなわち、非平衡磁界の強さの調節を利
用して、どのように調節できるかを示す。電流Ｉ_１は、
ここでは、曲線のパラメータである。小さい円で囲んだ
点は、ここでも、電流比Ｉ_２／Ｉ_１＝２．１３を示して
おり、このとき、最小放電開始圧力が達成される。図５
および図６は、やはり電流比Ｉ_２／Ｉ_１が２．１３より
高い値に維持されることを条件として、自己スパッタリ
ングにおけるマグネトロン放電電流と最小投入電力密度
がほぼ一定であることを示す。これらの値は、電流Ｉ_２
がほぼ２．１３×Ｉ_１よりも下がる場合よりも、一定値
Ｉ_１をもつ各曲線について低い。マグネトロン放電開始
の最適な状態は、たとえば、つぎの手順を用いて達成さ
れた。

【００２９】マグネトロン放電は、圧力４×１０^−２Ｐ
ａおよび電流Ｉ_１＝２ＡならびにＩ_２＝４Ａ、すなわ
ち、電流比Ｉ_２／Ｉ_１＝２において、アルゴン中で開始
された。すなわち、放電が点弧される第１ステージにお
いて用いられた、非平衡磁界の強さに対するマグネトロ
ン型磁界の強さの比率は、得られる磁界の磁力線がカソ
ード表面積全体の８０％より大きい領域を占めるような
比率であった。第２ステージにおいて、アルゴン圧力４
×１０^−２Ｐａのもとで、グロー放電の投入電力を、
０．１ｋＷから４．４ｋＷまで増加させ、電流Ｉ_１はた
とえば１Ａまで、すなわち、電流比Ｉ_２／Ｉ_１＝４まで
減少させた。したがって、この場合、自己スパッタリン
グに用いられる、非平衡磁界の強さに対するマグネトロ
ン型磁界の強さの比率は、第１ステージにおいて用いら
れるこの比率よりも小さい。第３ステージにおいて、プ
ロセスガスの動作圧力は、２×１０^−３Ｐａの到達圧力
に調節された。これらの条件下で、安定した持続性自己
スパッタリング放電が、４．１ｋＷ以上の投入電力値に
おいて行なわれた。これは、放電が開始される第１ステ
ージにおける磁界と同等の磁界が維持されることを条件
として得られる値よりも、低い値である。

【００３０】実施例２直径１２４ｍｍの純銅製カソードを有する円形平板マグ
ネトロンにおいて、特に、マグネトロン型磁界の強さお
よび非平衡磁界の強さに依存して、実施例１と質的に非
常に類似した結果が達成された。圧力２×１０^−３Ｐａ
の残留ガス雰囲気における自己スパッタリングは、最小
放電電流値９．８Ａ以上において、および、放電電圧値
５８５Ｖ〜７５０Ｖにおいて達成された。電流Ｉ_１＝
１．０ＡおよびＩ_２＝４Ａにおいて、銅カソードを用い
た安定した自己スパッタリング放電が、わずか５６．７
Ｗ／ｃｍ^２の最小投入電力密度において達成された。こ
れは、従来のマグネトロンを用いてこれまでに発表され
た最低投入電力密度、すなわち、６７Ｗ／ｃｍ^２よりも
かなり低い値である。

【００３１】図８は、一定磁界（Ｉ_１＝１．６Ａおよび
Ｉ_２＝８Ａ）中での、銅カソードを備えたマグネトロン
における自己スパッタリング放電の電流−電圧特性を示
す。アルゴン圧力は、曲線のパラメータである。矢印
は、選択された圧力値に対する最小放電電流値を示す。
この特性の示すところによれば、最大自己スパッタリン
グ圧力は、この場合５×１０^−２Ｐａ〜１×１０^−１Ｐ
ａである。圧力５×１０^−２Ｐａにおいて、安定した自
己スパッタリング放電は、放電電流９Ａおよび放電電圧
６００Ｖにおいてもなお維持された。また、この特性の
示すところによれば、最大自己スパッタリング圧力より
も高い圧力においても、スパッタリングされるカソード
上の銅原子の集中が促進されることは明白である。した
がって、４〜７Ａなどのより低い放電電流の範囲と比べ
て、約１０Ａよりも高い放電電流の範囲において、放電
電圧の明らかな増加が観察される。

【００３２】実施例３実施例１と同様な、ただし、直径１００ｍｍの純銀カソ
ードを備えた円形平板マグネトロンを用いた場合、圧力
２×１０^−３Ｐａの残留ガス雰囲気内での自己スパッタ
リングは、最小放電電流約３Ａおよび放電電圧約７６０
Ｖにおいて、すなわち、投入電力密度約２９Ｗ／ｃｍ^２
において達成された。

【００３３】実施例４直径１００ｍｍの純鉛製カソードを備えた、実施例３と
同様な円形平板マグネトロンにおいて、放電停止アルゴ
ン圧力および放電電圧が、最小放電電流の関数として測
定され、得られた結果が図９に示されている。安定した
自己スパッタリング放電が、約２．３×１０^−２Ｐａよ
りも低いアルゴン圧力において、および、０．４Ａ〜
０．７５Ａの範囲の最小放電電流値において、スパッタ
リングされる鉛原子とアルゴンガスとの混合雰囲気中で
観察された。これは、２．４〜６．６Ｗ／ｃｍ^２の範囲
の最小投入電力密度における自己スパッタリング放電の
達成に相当する。磁界が最適化されると、このカソード
を用いて、アルゴン圧力２．２×１０^−２Ｐａにおいて
最小投入電力密度２．１Ｗ／ｃｍ^２が、圧力２．３×１
０^−３Ｐａにおいて最小投入電力密度４．９Ｗ／ｃｍ^２
が達成された。

【００３４】実施例５実施例４と同様な、ただし純カドミウム製のカソードを
用いた実験において、自己スパッタリング放電は、約２
×１０^−２Ｐａよりも低いアルゴン圧力において、およ
び、０．８〜１．５Ａの範囲の最小放電電流において達
成された。

【００３５】実施例６さらに別の測定が、実施例３と同様な円形平板マグネト
ロンにおいて実施された。このカソードは、直径１００
ｍｍのアルミニウム青銅製で以下の組成を備えていた。
アルミニウム９重量％、ニッケル４重量％、マンガン
１．２重量％、鉄１重量％。残りは銅からなる。圧力約
２×１０^−３Ｐａの残留ガス雰囲気においても、安定し
た自己スパッタリング放電が達成された。最小投入電力
密度は７７Ｗ／ｃｍ^２であった。このように、本発明の
方法は、純粋な形では自己スパッタリングが不可能な元
素を含む合金の自己スパッタリングを可能とする。この
元素の集中度は、合金の構成要素に応じた特定の限界を
越えてはならない。

【００３６】

【発明の効果】本発明は、特に、５×１０^−２Ｐａから
真空装置の到達圧力までの範囲の、非常に低い圧力にお
ける自己スパッタリングの放電開始と持続に適用するこ
とができる。このような放電の利点は、加えられる投入
電力の値を高くし、スパッタリング速度を上げることが
できることにある。さらに、スパッタリングされる原子
の大部分がイオン化される。本発明の方法は、特に高品
質の薄膜を高速度で形成するのに適用できる。たとえ
ば、ガスによる膜の汚染を排除または抑制でき、スパッ
タリングされる原子とガスとの衝突の確率を最小化し、
これにより原子の熱上昇を排除し、粒子の直線的移動を
可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のスパッタリングと自己スパッタリングの
対比を含め、放電投入電力の関数として、マグネトロン
放電の安定した持続の領域を示す図である。

【図２】本発明の方法を実行するために用いられる装置
を示す図である。

【図３】真鍮カソードを用いたマグネトロンにおける自
己スパッタリング放電の特性を示す図であり、マグネト
ロン型の磁界の強さの関数として最小放電電流を示す。

【図４】真鍮カソードを用いたマグネトロンにおける自
己スパッタリング放電の特性を示す図であり、マグネト
ロン型の磁界の強さの関数として放電電圧を示す。

【図５】真鍮カソードを用いたマグネトロンにおける自
己スパッタリング放電の特性を示す図であり、非平衡磁
界の強さの関数として最小投入電力密度を示す。

【図６】真鍮カソードを用いたマグネトロンにおける自
己スパッタリング放電の特性を示す図であり、非平衡磁
界の強さの関数として最小放電電流を示す。

【図７】真鍮カソードを用いたマグネトロンにおける自
己スパッタリング放電の特性を示す図であり、非平衡磁
界の強さの関数として放電電圧を示す。

【図８】銅カソードを用いたマグネトロンにおける自己
スパッタリング放電の電流−電圧特性を示す図である。

【図９】純鉛製のカソードを用いたマグネトロンにおけ
る放電電流の関数として、最小アルゴン圧力と放電電圧
を示す図である。

【符号の説明】

１真空室２ガス導入口３ガス排気口４カソード５電源６冷却水路７第１のコイル８第１の電源９第１のコア１１第２のコイル１２第２の電源１３第２のコア１４プレート１５磁力線１６磁力線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁界中の異常グロー放電中、アノードお
よび／または真空室に対して負の直流電圧が印加された
カソードから物質をマグネトロンスパッタリングする方
法において、スパッタリングされるカソード表面上の空
間は、非平衡マグネトロン状の磁界により影響を受け、
上記放電に供給される投入電力は、少なくとも最小自己
スパッタリング投入電力以上の値をもち、選択されたプ
ロセスガスの動作圧力は、最大自己スパッタリング圧力
よりも低い値をもち、上記カソード物質は、スパッタリ
ングされた原子の雰囲気中あるいは上記スパッタリング
された原子と上記プロセスガスとの混合雰囲気中で持続
される安定した自己スパッタリング放電中でスパッタリ
ングされることを特徴とするマグネトロンスパッタリン
グ方法。
【請求項２】上記プロセスガスは残留ガスであり、上
記動作圧力は上記真空室内の到達圧力であることを特徴
とする請求項１の方法。
【請求項３】上記プロセスガスは、ネオン、アルゴ
ン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガス、または、
酸素、窒素、一酸化炭素、炭化水素などの反応ガス、ま
たは、これらのガスの混合ガスであることを特徴とする
請求項１の方法。
【請求項４】上記プロセスガスの上記動作圧力は、
１．５×１０^−２Ｐａよりも低い値をもつことを特徴と
する請求項１の方法。
【請求項５】上記放電に供給される投入電力は、上記
スパッタリングされるカソードの全領域に関して、２〜
２５０Ｗ／ｃｍ^２の範囲の電力負荷に対応し、上記電力
負荷の値は、上記カソード物質により決定されることを
特徴とする請求項１の方法。
【請求項６】上記自己スパッタリング放電の放電開始
プロセスは、第１ステージから第３ステージまでの３つ
の連続するステージからなり、上記第１ステージにおい
て、プロセスガスをスパッタリング室に導入し、その放
電開始圧力を３×１０^−２Ｐａ〜１００Ｐａの範囲に調
節し、アノードおよび／または真空室に関して３００Ｖ
〜１０ｋＶの範囲の負の直流電圧を上記カソードに印加
し、これにより、上記カソードと、上記アノードおよび
／または上記真空室の間にグロー放電を開始させ、上記
第２ステージにおいて、上記グロー放電の投入電力を、
少なくとも、上記最小自己スパッタリング投入電力以上
の値に増加させ、上記第３ステージにおいて、上記選択
されたプロセスガスの上記動作圧力を、上記最大自己ス
パッタリング圧力よりも低い値に調節し、上記放電投入
電力は、特定の動作圧力において、上記最小自己スパッ
タリング投入電力以上の値に保たれることを特徴とする
請求項１の方法。
【請求項７】上記非平衡マグネトロン状の磁界は、少
なくとも２つの磁界、すなわち、マグネトロン型磁界と
非平衡磁界の組合せにより形成され、かつ、上記２つの
磁界の少なくとも一方の磁界の強さを変えることを利用
して、上記非平衡マグネトロン状の磁界の形状と強さを
変化させることにより、上記自己スパッタリング放電の
放電特性を調節することを特徴とする請求項１の方法。
【請求項８】放電が開始される上記第１ステージにお
いて、上記非平衡磁界の強さに対する上記マグネトロン
型磁界の強さの比率を、上記非平衡マグネトロン状の磁
界の磁力線がカソード表面積全体の８０％よりも大きい
領域を占めるような比率に調節し、つぎに、早ければ上
記第２ステージ中に遅くとも自己スパッタリング放電が
開始される上記第３ステージ中に、上記マグネトロン型
磁界の強さまたは上記非平衡磁界の強さあるいはその両
方の強さを調節して、自己スパッタリングに用いられる
上記非平衡磁界の強さに対する上記マグネトロン型磁界
の強さの比率を、上記第１ステージにおいて用いられる
比率以下にすることを特徴とする請求項６または７の方
法。
【請求項９】自己スパッタリングに用いられる上記マ
グネトロン型磁界の強さと上記非平衡磁界の強さの両方
が、上記第１ステージにおいて用いられる上記２つの磁
界のそれぞれの強さと等しいことを特徴とする請求項８
の方法。
【請求項１０】自己スパッタリングに用いられる上記
マグネトロン型の磁界の強さを、上記第１ステージにお
いて用いられる上記マグネトロン型磁界の強さよりも減
少させるとともに、自己スパッタリングに用いられる上
記非平衡磁界の強さを、上記第１ステージにおいて用い
られる上記平衡磁界の強さと等しくすることによって、
上記最小自己スパッタリング投入電力の調節および／ま
たは上記最小放電電流の低減および／または上記放電電
圧の増加を可能にすることを特徴とする請求項８の方
法。
【請求項１１】上記スパッタリングされる物質は、
銅、銀、金のいずれかの元素、あるいは、これらの元素
のうち少なくとも２つの元素の合金であることを特徴と
する請求項１の方法。
【請求項１２】上記スパッタリングされる物質は、鉛
およびカドミウムのいずれかの元素、あるいは、これら
の元素の合金であることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１３】上記スパッタリングされる物質は、銅
と、亜鉛および／または鉛との合金であり、亜鉛含有量
は５０重量％以下、鉛含有量は１０重量％以下であるこ
とを特徴とする請求項１の方法。
【請求項１４】上記スパッタリングされる物質は、銅
と、アルミニウムと、ニッケルと、マンガンと、鉄の合
金であり、アルミニウム含有量は１１重量％以下、アル
ミニウムおよびマンガン含有量の合計は１６重量％以
下、ニッケル含有量は５重量％以下、鉄含有量は２重量
％以下であることを特徴とする請求項１の方法。