JP4138043B2 - スパッタリング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属ターゲットをスパッタし、生成されたターゲット粒子を反応ガスと結合させることにより得られた金属化合物を使用して基板をエッチングし又は被覆するスパッタリング装置の分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板を被覆する場合、例えば、ガラスを含む基板をアルミニウムなどの金属で被覆する場合、ターゲットを有する電極を備えるスパッタリング装置が頻繁に用いられる。ターゲットは、電気的に充電された粒子がそのターゲットに入射することによりスパッタリングされる。この工程において、スパッタリングされた粒子は、潜在的にはガスとの反応後に、基板上に蒸着される。ターゲットが一定の磁界により貫かれていれば、電極、ターゲット及び磁石の組み合わせはマグネトロンと呼ばれる。
【０００３】
ターゲットから放出された金属粒子が、基板上に蒸着される以前にガスと結合する場合、その工程は反応スパッタリングと呼ばれる。
【０００４】
例えば、二酸化ケイ素（SiO2）を基板に蒸気蒸着する場合、アルゴン（Ar）イオンにより、ケイ素（Si）ターゲットからケイ素原子が放出され、それらが、処理室に導入された酸素と結合する。導入された酸素は、一定の電力下で、処理室のカソードにおける放電電圧に影響を与える。一定の電力下で放電電圧を酸素（O2）の濃度に対してプロットすると、ヒステリシスを有する曲線が得られる（T. Oyama, H. Ohsaki, Y. Ogata, S. Watanabe, J. Shimizu、"High Rate Deposition of SiO2 Filuws by Pulse Sputtering", pp. 31-36, Figure 3 参照）。酸素濃度を増加すると、放電電圧は初期にはわずかに減少し、次いで急峻に低い値に降下する。この値から始まり、放電電圧はその後、酸素濃度の増加に伴って無視できる程度にのみ増加する。それから、酸素濃度を減少させると、放電電圧は特定の濃度を起点として急激に増加し始める。電圧が急激に増加及び減少する点の酸素濃度は相互に一致しないので、ヒステリシスが生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このヒステリシスが原因で、安定的な動作点を設定することは非常に困難となる。なぜなら、酸素濃度、及び／又は、供給される電力の僅かな変化が、確実に放電電圧のジャンプ（特性間の飛び移り）を生ぜしめるからである。
【０００６】
従って、本発明は、反応スパッタリングにおける動作点を迅速かつ容易に安定化させるという問題に向けられている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の問題は、請求項１に記載された特徴的な構成により解決される。即ち、金属ターゲットをスパッタリングし、生成されたターゲット粒子を反応ガスと結合させることにより得られた金属化合物を使用して基板をエッチングし又は被覆するスパッタリング装置において、処理容積と、処理容積に反応ガスを送るための送り手段と、電気的エネルギー供給装置に接続可能な少なくとも一つの電極であって、該電極の放電電圧が、単位時間毎に流入可能な反応ガス量の関数である電極と、電極に供給される電力を第１の値（P1）及び第２の値（P2）の間で変化させる装置と、を備え、前記第１の値（P1）及び前記第２の値（P2）は、同一の反応ガスの流入状態において、ターゲットが、第１の電力値（P1）では金属モード（A ）となり、第２の電力値（P2）では酸化物モード（B'）となるように選択される。
【０００８】
本発明により提供される利益は、特に、動作点の効果的かつ迅速な安定化が可能となるという点にある。そのため、カソードを故意に金属モードと酸化物モードとの間で交替に移動するように動作させ、見かけ上カソードが金属モードと酸化物モードとの中間の金属的状態で安定化されたかのようにモードの平均値を構成する。二酸化チタン（TiO2）などの物質の製造において、これは、スパッタリング工程から生じる電気信号の欠落に拘わらず、高いレートの動作点を安定化させることを可能とする一つの方法を示す。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に、ニッケルクロム（NiCr）スパッタリング工程の、２つの異なるスパッタリング電力Ｐ１及びＰ２における２つの電圧対酸素特性を示す。これらのニッケルクロムについての特性は、金属ターゲット又は合金ターゲットをスパッタリングする際に得られる他の多くの金属についての特性を代表するものである。
【００１０】
上側の特性I は一定電力Ｐ１において得られるものであり、下側の特性は一定電力Ｐ２において得られるものである。ここで、電力Ｐ１は電力Ｐ２より大きい。電圧はボルトで与えられ、酸素流は標準立方センチメートル毎秒（sccm）で示される。
【００１１】
特性I 及びIIは３つの範囲に明確に分けられる。即ち、それぞれ、上側範囲Ａ、Ａ' 、下側範囲Ｂ、Ｂ' 、中間範囲Ｃ、Ｃ' である。中間範囲Ｃ、Ｃ' は、ここではヒステリシス特性を示す。
【００１２】
下側範囲Ｂ、Ｂ' は酸化物モードとして示され、上側範囲Ａ、Ａ' は金属モードとして示される。
【００１３】
金属モードＡ、Ａ' では、スパッタリングされるターゲットは依然として金属面を有しており、一方、酸化物モードＢ、Ｂ' ではターゲットは強力に酸化されている。
【００１４】
スパッタリング速度は、金属モードでは高く、酸化物モードでは低い。従って、スパッタリング工程を、可能な限り長く金属モードに維持し、酸化物モードへの移行を防止しようとする努力がなされる。そのような移行は、工程における変動に起因して、酸素流が、図１のそれぞれの点Ｋ２及びＫ６の値を一時的に超えた時に生じうる。
【００１５】
図１に見られるように、電力を変えると、ヒステリシス又は中間範囲Ｃ、Ｃ' もシフトする。
【００１６】
これらの範囲において、曲線I 及びIIのそれぞれに、折点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４及びＫ５、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８が存在する。電力を例えばＰ２からＰ１へ増加させると、ターゲットの同一の酸素飽和度を得るためには、それ以前に比べてより多くの酸素が必要となる。それと共に、特性IIの折点Ｋ５からＫ８が、より高速の酸素流と関連する特性Ｉの折点Ｋ１からＫ４にシフトする。
【００１７】
カソードが金属モード（範囲Ａ）にあり、かつ、電力がＰ１からＰ２に減少すると、一定の酸素供給下では、より多量の過剰な酸素が生じる。なぜなら、電力の減少によって、スパッタリングされる物質がより少量となり、また、酸素の消費がより少量となり、その結果、スパッタリングガス内の酸素の留分（fraction）が増加し、また、それによってターゲット面内の酸素の留分が増加するからである。ターゲット面内の酸素の留分が特定の点を超えると、スパッタリング速度は不変となり、それと共にスパッタリングガス中の酸素含有量が増加する。自己増強が生じる。例えば、スパッタリング装置が電力Ｐ１で、１４０立方センチメートル毎秒の酸素供給において動作するとすれば、特性Ｉ上に比較的安定な動作点Ｅが得られる。ここで、電力をＰ２に減少させると、動作点は特性II上の点Ｋ６に飛び移り、その結果、点Ｋ８へ降下する。この過程は、例えば点Ｋ６における、カソードの酸化物モードへのブレークオーバーと呼ばれる。その結果、これは自己増強工程となる。特性I上の、曲線IIが折点Ｋ６を有する範囲内で処理が行われるとすると、電流生成器の電力Ｐ２へ至る電力変動は、ブレークオーバーを引き起こすのに十分である。
【００１８】
技術的な観点から、中間範囲Ｃ、Ｃ' のそれぞれは非常に興味深いものである。高い被覆速度において、非常に良好な層特性が得られる。従って、この範囲内での作業が目標となる。
【００１９】
この範囲内でのブレークオーバーを防止するため、本発明においては、第１の電力Ｐ１と第２の電力Ｐ２との間で、一方から他方へまたその逆へと切換を行い、その切換は、より詳細には一定の反応ガス流下において行う。よって、カソード面では、酸素の留分が安定化され、これは、それぞれ中間範囲Ｃ、Ｃ' のヒステリシスにおける仮想動作点に対応する。
【００２０】
一定の反応ガス流を、例えば点IIIにおいて、よって、約１５２立方センチメートル毎秒で、電力Ｐ１で設定すると、動作点IVが決まり、即ち、カソードの放電電圧が約６５０ボルトとなる。
【００２１】
ここで、同一の反応ガス流において電力Ｐ２への故意の切換を行うと、動作点Ｖが特性II上に決まる。
【００２２】
電力Ｐ１及びＰ２の間で継続的に切換を行うと、仮想動作点VIは、点IV及びV 間、よって、２つのモードの間に得られる。図１では点IV、VI、V 及びIII を通過する交差線Ｇは、点Ｋ１からＫ８の間に位置するべきである。もし交差線Ｇが例えば点Ｋ６を通過するとすれば、電力Ｐ１から電力Ｐ２への切換時に、単一な結果は観察されない。なぜなら、１４０立方センチメートル毎秒における曲線IIは交差線Ｇに対して２つの交差点を有するから、即ち、電力Ｐ２における動作点が点Ｋ６に位置するか、点Ｋ８の近傍に位置するかが不確定だからである。図１における直線Ｇの点Ｋ２からの距離は比較的小さいが、実際にはもう少し大きくすべきである。
【００２３】
一方、直線Ｇが右へ平行にシフトし、点Ｋ２を通過するように位置するとすれば、金属モードにおける曲線IIとの交差点は相対的に単一となるが、電力Ｐ１に切り換えると曲線I の不安定な範囲に位置することになり、その結果動作点は恐らく酸化物モードに維持される。
【００２４】
本発明に従う工程を実行するためには、有効には処理は以下のように行われる。
【００２５】
例えば図１に示すような、少なくとも２つの特性が記録される。これらの特性が既知であれば、まず、低電力Ｐ２が設定され、点Ｋ６の電圧が点Ｋ８へ落ち込むまで酸素が供給される。それから、更に少量の酸素が供給され、その結果、直線Ｇは折点Ｋ８から右側へ間隔を有する。この間隔が、点V により定義される。ここで、酸素流が設定された状態で、高電力Ｐ１への切換が行われ、カソード電圧が上方へ飛び移り、その後ほぼ一定に維持されたか否かが確認される。そのようになっていれば、酸素の供給が確立される。電圧が不安定であれば、ガス流を変化させる。なぜなら、その場合は、直線Ｇの第２の交差点は、ヒステリシスの分岐上に位置するからである。ガス流の変化は、安定的な電圧が得られるまで行われる。
【００２６】
図２は、更なる電圧対酸素特性を示すが、これは、チタンのターゲットに適用される。この特性は、スパッタリング電圧のみを示すものであり、電圧対酸素特性が物質に大きく依存することを示すことのみを意図している。零から始まり、酸素供給が徐々に増加すると、電圧は値域又は範囲X 内で一定の電力において線形に増加し、点Ｍにおいて点Ｔへ突然に下降する。さらに酸素供給を増加すると、電圧は値域XIII内で放物線状に減衰し、点Ｓにおいてその最低値を呈する。
【００２７】
それから、酸素供給を再び減少させると、値域XIII内での電圧は、当初は、酸素を増加させた場合と正確に逆の特性となる。しかし、点Ｔから、電圧は点Ｑへ向かって増加し、更に酸素を減少させると突然に点Ｖへ下降し、値域X 内では酸素を増加させた場合と同様の特性に至る。
【００２８】
図２に示されていない第２の特性は、もう一方の電圧設定に記録されており、同様の曲線形状を有するが、横方向及び上方向にオフセットを有する。切換が行われる２つの点は、点Ｖ、Ｑ、Ｍ及びＴから、又は、第２の特性のそれらに対応する点（図示せず）から安定的な間隔を有することが必要である。
【００２９】
図１に示す仮想動作点VIは、直線Ｇ上において、Ｐ１及びＰ２の間のパルスデューティ比を適切に選択することにより、上方又は下方にシフトさせることができる。これを実行する方法は、図４及び図８との関係において後に説明する。
【００３０】
図３に、スパッタリング装置１を示し、この装置により本発明を実現することができる。スパッタリング装置１は、真空室２を備え、その中には２つのマグネトロン３、４が設けらていれる。真空室２の側壁５、６には、上部開口７、８及び下部開口９、１０が設けられている。上部開口７、８内には真空ポンプ１１、１２が設けられており、一方、下部開口９、１０は、ガラスプレートなどの基板１３を真空室２内を通過させる役割を有する。下部開口９、１０と上部開口７、８との間にはダイヤフラム１４が設けられており、そのダイヤフラム１４は側壁５、６から真空室２の内部に突出している。ダイヤフラム１４の下方にはガス送り管１５、１６が設けられ、それらはバルブ１７を介してガスタンク１８、１９と接続されている。
【００３１】
各々のマグネトロン３、４はカソードパン（皿部）２０、２１を有し、それらは下面にターゲット２２、２３が設けられている。カソードパン２０、２１内には、それぞれ３つの永久磁石２４、２５、２６及び２７、２８、２９が設けられ、それらは、共通のヨーク３０、３１に結合されている。カソードパン２０、２１は、シール３２、３３により真空室２の上面に取り付けられている。両カソードパン２０、２１は中間周波数電源３４に接続され、電源３４はさらに電力レギュレータ３５に接続され、レギュレータ３５はデジタルアナログ変換器３６を介してコンピュータ３７により駆動される。
【００３２】
図３において、スパッタリング装置１の２つのマグネトロン３、４は、同一の真空室２の内部に、近接して配置されている。しかし、真空室２内に２つの分離した区画室を設け、それらの各々が別個のマグネトロンを有するように構成することも可能である。ガス供給部１５乃至１９は、各々のマグネトロン３、４に同一の反応ガス成分が供給されるように構成されている。
【００３３】
カソード２０、２１に供給される電力は、中間周波数生成器３４により変調される。
【００３４】
そのような電力変調は、それ自体、スパッタリング技術において既知である（EP−A −0347567 、DE−C −3700633 参照）。この変調において電力は２つの値の間を振り子のように振動するが、この振動によって、安定的な動作点設定が意図されるものではなく、また、それが可能となるものでもない。このことは、カソードにおいて極性反転を行い、その結果電力の変化を生じさせる他の既知の構成においても同様である（EP−A −0591675 ；DE−A −4237517 、図１、２；DE−A −4343042 、カラム４、４８から６２行参照）。既知の電力変調の場合、電力の変化は、大抵、故意の電圧変化の結果として生じるものであり、即ち、電力の変化に対して重要な関心が向けられているわけではない。
【００３５】
図４は、本発明に従う電力変調を示す。公称電圧Ｐnom の振幅は、約２である定数によって周期的に変化し、高電力Ｐmax は低電力Ｐmin の約３倍の長さ存在し、即ち、パルスデューティ比Ｔ2 ／Ｔ1 は約３であることは明らかである。それぞれＰmax 及びＰmin で示される電力は、ここでは、図１の電力Ｐ１及び電力Ｐ２に対応する。それらは、特定の基準に従って選択される。図４の表示はそれぞれ電力のエンベロープ、平均値のみを示す。実際には、各々のパルスは、典型的な変調周波数１０ヘルツ（Ｈｚ）及び中間周波数４０キロヘルツ（ｋＨｚ）において、約４０００の中間周波数の半波を有する。
【００３６】
回路技術の面からは、コンピュータ３７が期間Ｔ1 、Ｔ2 の開始及び終了時にデジタルアナログ変換器３６へ命令を出力し、デジタルアナログ変換器３６がそれをアナログ信号に変換して電力レギュレータ３５に印加し、電力レギュレータ３５がカソード２０、２１に供給される電力を制御することによって電力曲線は実現されうる。コンピュータ３７により決定される公称値は、高い公称値及び低い公称値の間で、約１０ヘルツ（Ｈｚ）からのサイクル周波数１／（Ｔ1 ＋Ｔ2 で切り換えられる。１０ヘルツ（Ｈｚ）はここで特定される。周波数は、カソードが遷移値域（又は範囲）において安定的に燃焼するように選択される。周波数が低すぎると、カソードは特定のモード内に深く入り込み過ぎ、それらのモードの１つに制御不能に飛び移る（flip）。周波数が高すぎると、動作点の安定化効果が消失する。
【００３７】
２つの値Ｐmax 及びＰmin （それぞれ、図１のＰ１及びＰ２）は、切換が行われなかったとすれば、それぞれ、所定の酸素流における高公称電力値Ｐmax が金属モードにおいて動作点を生じ、低公称電力値Ｐmin が酸化物モードにおいて動作点を生じるように選択される。これにより、電力は周期的に変化し、カソードは２つのモードの遷移状態に維持される。生成器３４の電圧を変化させることにより、プラズマインピーダンスも自動的に変化する。従って、調整されるべきものは電圧変化である。
【００３８】
別の言い方をすると、電力は、電極に供給される電気的直流電圧を変化させることにより技術的に調整される。なぜなら、電圧変化はプラズマインピーダンスの変化を生じさせ、それは、さらには電流変化に繋がるからである。しかし、電力は、流れる電流と、存在する電圧とにより決定される。
【００３９】
図５には、回路構成３８が示され、それにより、異なる電力をカソードに出力することができる。カソード２０、２１での電力変調は、ここでは、中間周波数生成器３４を駆動することによって生成されるのではなく、コンデンサ３９、直流電流チョーク４０、フィルタ４１及び交流電圧源４２を有する回路網が、中間周波数生成器３４とカソード２０、２１との間に挿入される。この電圧源４２は、交流電圧源３５と同一の周波数、即ち、約１０ヘルツ（Ｈｚ）の周波数を有する。フィルタ４１は、例えばコンデンサ４３を有し、そのコンデンサ４３の一方の端子４４は第１の誘導子（インダクタンスコイル）４５を介してコンデンサ３９の一方の端子と接続され、コンデンサ４３の他方の端子４７は第２の誘導子５１を介してコンデンサ３９の他方の端子４８に接続される。さらに、コンデンサ４３の端子４４、４７は、それぞれ、１つの誘導子４９、５０の各々を介して交流電圧源４２に接続される。中間周波数エネルギーは、コンデンサ３９を介してカソード２０、２１へ供給される。コンデンサ３９において、中間周波数生成器３４からの電力に交流電圧源４２からの追加の交流電圧電力が重畳されることが原因で、電力の変調が起きる。これにより、カソード２０、２１の電流対電圧特性がシフトする。このシフトの結果が、カソード２０、２１が異なる電力で動作するという事実に繋がる。フィルタ４１は中間周波数フィルタであり、それは中間周波数生成器３４から交流電圧源４２への電力の流れを抑止する。中間周波数生成器３４に対して高インピーダンスを示し、交流電圧源４２に対して低インピーダンスを示すことが意図されている。
【００４０】
交流電圧源４２の追加の交流電圧は、一方のカソード２０にその交流電圧の負の半波が存在するとすれば、そのカソード２０は非常に多くの電力を消費し、金属モードにおいて、一定の中間周波数電力との比較動作において動作するように選択される。同時に、他方のカソード２１は、少ない電力を消費し、その結果、酸化物モードにおいて、一定の中間周波数との比較動作において動作するであろう。このようにして、図３の場合には両カソードが同一のモードでスパッタリング動作する一方、図５の場合にはカソード２０、２１の一方が金属モードで動作しつつ他方が酸化物モードで動作するという違いを伴って、中間周波数の変調を行う場合と同様の効果が達成される。ここでは、中間周波数は、約１００キロヘルツ（ｋＨｚ）までの数キロヘルツの範囲の周波数である。好ましい中間周波数は、例えば、４０キロヘルツ（ｋＨｚ）である。
【００４１】
交流電圧源４２の周波数は、図３の交流電圧源３５の周波数と同一であり、即ち、約１０ｋＨｚである。図６は、交流電圧Ｕ〜の経跡を示す。交流電圧は、矩形波とすることもでき、正弦波とすることもできる。
【００４２】
１つ又は２つのカソードに供給される電力は、また、交流が重畳された直流電源から発生したものとすることもできる。そのような直流及び交流電源を備える電源は原理的には既知であり（F. Vranty, Deposition of Tantalum and Tantalum Oxide by Superimposed RF and DC-sputtering, J. Electrochem. Soc.: Solid State Science, May 1967, 506 頁、図１を参照）、そのためそれ以上の詳細の説明は不要である。しかし、本発明で使用される交流電流周波数は、約１から３０ヘルツ（Ｈｚ）の間であり、それゆえ、使用される交流電流周波数がメガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲である既知の回路構成に比べて非常に低い。
【００４３】
図７には、カソードに供給される電力を変化させ得る更に他の構成が示されている。ここでは、直流電流源６０が設けられ、それは一定の電流源である。直流電流源６０の出力端子６１、６２と並列に、２つの直列の第１の制御可能スイッチ６３、６４が設けられ、それらと並列に、さらに直列の制御可能なスイッチ６５、６６が設けられている。
【００４４】
直流電流源６０の一定の直流は、交流側の制御可能スイッチ６３乃至６６を介してカソード２０、２１へ供給される。カソード２０、２１が電流を導く位相間には切換点があり、その切換点では、切換スイッチ６３乃至６６は直流電流源６０を短絡し、その結果カソードには電流は流れ得ない。この短絡は、スイッチ６３、６４又はスイッチ６５、６６又はスイッチ６３乃至６６を同時に閉とすることにより生じる。
【００４５】
切換スイッチ６３乃至６６は、非対称に制御され、その結果、２つのカソード２０、２１の燃焼時間、及び、それゆえ電力寄与は、所定の時間的期間内において相違する。これにより、一方のカソード２０は金属モードでスパッタリング動作し、他方のカソード２１は酸化物モードでスパッタリング動作する。非対称性を周期的に交替すると、図５に従う追加の交流電圧によって中間周波数電力の変調を行う場合と同様の効果が達成される。
【００４６】
図５に従う構成において、交流電圧源４２及びフィルタ４１を省略し、チョーク４０の代わりに特別のフィルタを使用することにより、電源の更なるオプション（選択）が与えられる。この場合、このフィルタは、中間周波数生成器３４の周波数ｆ0 近傍に共振周波数ｆ1 を有するように次数が決定される。中間周波数生成器３４が、周波数が安定化されない自励発振器であるならば、浮動状態が変調効果への先導を生じる。
【００４７】
図８は、図７に示す構成についての電流対時間の関係を示す図である。この図８は、カソード２０を流れる電流ＩK20 を時間の関数として示している。カソード２１を流れる電流は示されていない。しかし、それは、一つの位相シフトを除いて、カソード２０を流れる電流と同一である。スイッチ６３、６４が開とされている時刻ｔ1 においてスイッチ６５は閉とされており、その結果、正の電流ＩK20 が電流源６０からカソード２０へ流れる。
【００４８】
時刻ｔ2 で、スイッチ６５は再度開とされ、よって、電流源６０の正の端子からカソード２０への電流の流れが停止する。時刻ｔ3 でスイッチ６６が閉とされ、その結果、電流ＩK20 が電流源６０の負の端子からカソード２０へ流れる。時刻ｔ4 においてスイッチ６６が開とされると、負の電流はカソード２０へ流れなくなる。
【００４９】
それから、スイッチ６５、６６の開閉は、図８に示す電流の経跡が生じるように継続される。カソード２０は、初期には、比較的短い期間｜ｔ2 −ｔ1 ｜（＝Ｔb1）にわたり正の電流を供給され、続いて、それよりいくらか長い期間｜ｔ4 ｔ3 ｜（＝Ｔal）にわたり、負の電流を供給される。続いて、長い方の期間｜ｔ4 −ｔ3 ｜にわたり、正の電流を供給される。すぐこれに続いて、カソード２０は、短い方の期間｜ｔ2 −ｔ1 ｜にわたり負の電流を供給され、続いて、再度長い方の期間｜ｔ4 −ｔ3 ｜にわたり正の電流を供給され、続いて、再度短い方の期間｜ｔ2 −ｔ1 ｜にわたり負の電流を供給される。
【００５０】
Ｔの添字ａ及びｂは、中間周波数電源の周期Ｔ0 内における、カソード２０の正及び負の電流値の期間を示す。追加の変調は、周期Ｔ1 を有する。周期Ｔ1 の第１の半周期では、カソード２０における正電流の総時間は、負電流の総時間より長い。第２の半周期では、負電流の総時間は、正電流の総時間より長い。
【００５１】
長い方の期間Ｔal及び短い方の期間Ｔb1は、合計して期間Ｔ0 を構成し、それは、直流電流源６０を切り換えることにより生成される中間周波数電圧の周期の長さである。この周期の長さは、例えば、２５マイクロ秒（μｓ）又は１／４０キロヘルツ（ｋＨｚ）とされる。
【００５２】
カソード２０の場合と類似して、カソード２１も電流供給を受けるが、それは、カソード２０の場合とは、スイッチ６５及び６６の代わりに、スイッチ６３及び６４がそれぞれ開閉されるという相違がある。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、反応スパッタリングにおける動作点を迅速かつ容易に安定化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの異なるスパッタリング電力における、ニッケルクロム（NiCr）スパッタリング工程の電圧対酸素特性を示す図である。
【図２】一定の電力下での、チタン（Ti）スパッタリング工程の電圧対酸素特性を示す図である。
【図３】２つのマグネトロン及び中間周波数電源を備えるスパッタリング装置を示す図である。
【図４】公称電圧値の経時的変化を示す図である。
【図５】中間周波数フィルタ回路が接続された中間周波数電源及び交流電圧源を示す図である。
【図６】交流電圧源の出力電圧の経時的変化を示す図である。
【図７】直流電源及びスパッタリングカソードの間のスイッチ構成を示す図である。
【図８】２つのカソードを有する構成のうちの一方のカソードを流れる電流の経時的変化を示す図である。
【符号の説明】
１…スパッタリング装置
２…真空室
３、４…マグネトロン
５、６…側壁
７、８…上部開口
９、１０…下部開口
１１、１２…真空ポンプ
１３…基板
１４…ダイヤフラム
１５、１６…ガス送り管
１７…バルブ
１８、１９…ガスタンク
２０、２１…カソードパン
２２、２３…ターゲット
２４〜２９…永久磁石
３０、３１…ヨーク
３２、３３…シール
３４…電源
３５…電圧調整器
３６…デジタルアナログ変換器
３７…コンピュータ
３８…回路構成
３９…コンデンサ
４０…直流電流チョーク
４１…フィルタ
４２…交流電源
４４、４６〜４８…端子
４５、４９、５０…誘導子
６０…直流電流源
６１、６２…出力端子
６３〜６６…制御可能なスイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属ターゲットをスパッタし、生成されたターゲット粒子を反応ガスと結合させることにより得られた金属化合物を使用して基板をエッチングし又は被覆するスパッタリング装置の分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板を被覆する場合、例えば、ガラスを含む基板をアルミニウムなどの金属で被覆する場合、ターゲットを有する電極を備えるスパッタリング装置が頻繁に用いられる。ターゲットは、電気的に充電された粒子がそのターゲットに入射することによりスパッタリングされる。この工程において、スパッタリングされた粒子は、潜在的にはガスとの反応後に、基板上に蒸着される。ターゲットが一定の磁界により貫かれていれば、電極、ターゲット及び磁石の組み合わせはマグネトロンと呼ばれる。
【０００３】
ターゲットから放出された金属粒子が、基板上に蒸着される以前にガスと結合する場合、その工程は反応スパッタリングと呼ばれる。
【０００４】
例えば、二酸化ケイ素（SiO2）を基板に蒸気蒸着する場合、アルゴン（Ar）イオンにより、ケイ素（Si）ターゲットからケイ素原子が放出され、それらが、処理室に導入された酸素と結合する。導入された酸素は、一定の電力下で、処理室のカソードにおける放電電圧に影響を与える。一定の電力下で放電電圧を酸素（O2）の濃度に対してプロットすると、ヒステリシスを有する曲線が得られる（T. Oyama, H. Ohsaki, Y. Ogata, S. Watanabe, J. Shimizu、"High Rate Deposition of SiO2 Filuws by Pulse Sputtering", pp. 31-36, Figure 3 参照）。酸素濃度を増加すると、放電電圧は初期にはわずかに減少し、次いで急峻に低い値に降下する。この値から始まり、放電電圧はその後、酸素濃度の増加に伴って無視できる程度にのみ増加する。それから、酸素濃度を減少させると、放電電圧は特定の濃度を起点として急激に増加し始める。電圧が急激に増加及び減少する点の酸素濃度は相互に一致しないので、ヒステリシスが生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このヒステリシスが原因で、安定的な動作点を設定することは非常に困難となる。なぜなら、酸素濃度、及び／又は、供給される電力の僅かな変化が、確実に放電電圧のジャンプ（特性間の飛び移り）を生ぜしめるからである。
【０００６】
従って、本発明は、反応スパッタリングにおける動作点を迅速かつ容易に安定化させるという問題に向けられている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の問題は、請求項１に記載された特徴的な構成により解決される。即ち、金属ターゲットをスパッタリングし、生成されたターゲット粒子を反応ガスと結合させることにより得られた金属化合物を使用して基板をエッチングし又は被覆するスパッタリング装置において、処理容積と、処理容積に反応ガスを送るための送り手段と、電気的エネルギー供給装置に接続可能な少なくとも一つの電極であって、該電極の放電電圧が、単位時間毎に流入可能な反応ガス量の関数である電極と、電極に供給される電力を第１の値（P1）及び第２の値（P2）の間で変化させる装置と、を備え、前記第１の値（P1）及び前記第２の値（P2）は、同一の反応ガスの流入状態において、ターゲットが、第１の電力値（P1）では金属モード（A ）となり、第２の電力値（P2）では酸化物モード（B'）となるように選択される。
【０００８】
本発明により提供される利益は、特に、動作点の効果的かつ迅速な安定化が可能となるという点にある。そのため、カソードを故意に金属モードと酸化物モードとの間で交替に移動するように動作させ、見かけ上カソードが金属モードと酸化物モードとの中間の金属的状態で安定化されたかのようにモードの平均値を構成する。二酸化チタン（TiO2）などの物質の製造において、これは、スパッタリング工程から生じる電気信号の欠落に拘わらず、高いレートの動作点を安定化させることを可能とする一つの方法を示す。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に、ニッケルクロム（NiCr）スパッタリング工程の、２つの異なるスパッタリング電力Ｐ１及びＰ２における２つの電圧対酸素特性を示す。これらのニッケルクロムについての特性は、金属ターゲット又は合金ターゲットをスパッタリングする際に得られる他の多くの金属についての特性を代表するものである。
【００１０】
上側の特性I は一定電力Ｐ１において得られるものであり、下側の特性は一定電力Ｐ２において得られるものである。ここで、電力Ｐ１は電力Ｐ２より大きい。電圧はボルトで与えられ、酸素流は標準立方センチメートル毎秒（sccm）で示される。
【００１１】
特性I 及びIIは３つの範囲に明確に分けられる。即ち、それぞれ、上側範囲Ａ、Ａ' 、下側範囲Ｂ、Ｂ' 、中間範囲Ｃ、Ｃ' である。中間範囲Ｃ、Ｃ' は、ここではヒステリシス特性を示す。
【００１２】
下側範囲Ｂ、Ｂ' は酸化物モードとして示され、上側範囲Ａ、Ａ' は金属モードとして示される。
【００１３】
金属モードＡ、Ａ' では、スパッタリングされるターゲットは依然として金属面を有しており、一方、酸化物モードＢ、Ｂ' ではターゲットは強力に酸化されている。
【００１４】
スパッタリング速度は、金属モードでは高く、酸化物モードでは低い。従って、スパッタリング工程を、可能な限り長く金属モードに維持し、酸化物モードへの移行を防止しようとする努力がなされる。そのような移行は、工程における変動に起因して、酸素流が、図１のそれぞれの点Ｋ２及びＫ６の値を一時的に超えた時に生じうる。
【００１５】
図１に見られるように、電力を変えると、ヒステリシス又は中間範囲Ｃ、Ｃ' もシフトする。
【００１６】
これらの範囲において、曲線I 及びIIのそれぞれに、折点Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４及びＫ５、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８が存在する。電力を例えばＰ２からＰ１へ増加させると、ターゲットの同一の酸素飽和度を得るためには、それ以前に比べてより多くの酸素が必要となる。それと共に、特性IIの折点Ｋ５からＫ８が、より高速の酸素流と関連する特性Ｉの折点Ｋ１からＫ４にシフトする。
【００１７】
カソードが金属モード（範囲Ａ）にあり、かつ、電力がＰ１からＰ２に減少すると、一定の酸素供給下では、より多量の過剰な酸素が生じる。なぜなら、電力の減少によって、スパッタリングされる物質がより少量となり、また、酸素の消費がより少量となり、その結果、スパッタリングガス内の酸素の留分（fraction）が増加し、また、それによってターゲット面内の酸素の留分が増加するからである。ターゲット面内の酸素の留分が特定の点を超えると、スパッタリング速度は不変となり、それと共にスパッタリングガス中の酸素含有量が増加する。自己増強が生じる。例えば、スパッタリング装置が電力Ｐ１で、１４０立方センチメートル毎秒の酸素供給において動作するとすれば、特性Ｉ上に比較的安定な動作点Ｅが得られる。ここで、電力をＰ２に減少させると、動作点は特性II上の点Ｋ６に飛び移り、その結果、点Ｋ８へ降下する。この過程は、例えば点Ｋ６における、カソードの酸化物モードへのブレークオーバーと呼ばれる。その結果、これは自己増強工程となる。特性I上の、曲線IIが折点Ｋ６を有する範囲内で処理が行われるとすると、電流生成器の電力Ｐ２へ至る電力変動は、ブレークオーバーを引き起こすのに十分である。
【００１８】
技術的な観点から、中間範囲Ｃ、Ｃ' のそれぞれは非常に興味深いものである。高い被覆速度において、非常に良好な層特性が得られる。従って、この範囲内での作業が目標となる。
【００１９】
この範囲内でのブレークオーバーを防止するため、本発明においては、第１の電力Ｐ１と第２の電力Ｐ２との間で、一方から他方へまたその逆へと切換を行い、その切換は、より詳細には一定の反応ガス流下において行う。よって、カソード面では、酸素の留分が安定化され、これは、それぞれ中間範囲Ｃ、Ｃ' のヒステリシスにおける仮想動作点に対応する。
【００２０】
一定の反応ガス流を、例えば点IIIにおいて、よって、約１５２立方センチメートル毎秒で、電力Ｐ１で設定すると、動作点IVが決まり、即ち、カソードの放電電圧が約６５０ボルトとなる。
【００２１】
ここで、同一の反応ガス流において電力Ｐ２への故意の切換を行うと、動作点Ｖが特性II上に決まる。
【００２２】
電力Ｐ１及びＰ２の間で継続的に切換を行うと、仮想動作点VIは、点IV及びV 間、よって、２つのモードの間に得られる。図１では点IV、VI、V 及びIII を通過する交差線Ｇは、点Ｋ１からＫ８の間に位置するべきである。もし交差線Ｇが例えば点Ｋ６を通過するとすれば、電力Ｐ１から電力Ｐ２への切換時に、単一な結果は観察されない。なぜなら、１４０立方センチメートル毎秒における曲線IIは交差線Ｇに対して２つの交差点を有するから、即ち、電力Ｐ２における動作点が点Ｋ６に位置するか、点Ｋ８の近傍に位置するかが不確定だからである。図１における直線Ｇの点Ｋ２からの距離は比較的小さいが、実際にはもう少し大きくすべきである。
【００２３】
一方、直線Ｇが右へ平行にシフトし、点Ｋ２を通過するように位置するとすれば、金属モードにおける曲線IIとの交差点は相対的に単一となるが、電力Ｐ１に切り換えると曲線I の不安定な範囲に位置することになり、その結果動作点は恐らく酸化物モードに維持される。
【００２４】
本発明に従う工程を実行するためには、有効には処理は以下のように行われる。
【００２５】
例えば図１に示すような、少なくとも２つの特性が記録される。これらの特性が既知であれば、まず、低電力Ｐ２が設定され、点Ｋ６の電圧が点Ｋ８へ落ち込むまで酸素が供給される。それから、更に少量の酸素が供給され、その結果、直線Ｇは折点Ｋ８から右側へ間隔を有する。この間隔が、点V により定義される。ここで、酸素流が設定された状態で、高電力Ｐ１への切換が行われ、カソード電圧が上方へ飛び移り、その後ほぼ一定に維持されたか否かが確認される。そのようになっていれば、酸素の供給が確立される。電圧が不安定であれば、ガス流を変化させる。なぜなら、その場合は、直線Ｇの第２の交差点は、ヒステリシスの分岐上に位置するからである。ガス流の変化は、安定的な電圧が得られるまで行われる。
【００２６】
図２は、更なる電圧対酸素特性を示すが、これは、チタンのターゲットに適用される。この特性は、スパッタリング電圧のみを示すものであり、電圧対酸素特性が物質に大きく依存することを示すことのみを意図している。零から始まり、酸素供給が徐々に増加すると、電圧は値域又は範囲X 内で一定の電力において線形に増加し、点Ｍにおいて点Ｔへ突然に下降する。さらに酸素供給を増加すると、電圧は値域XIII内で放物線状に減衰し、点Ｓにおいてその最低値を呈する。
【００２７】
それから、酸素供給を再び減少させると、値域XIII内での電圧は、当初は、酸素を増加させた場合と正確に逆の特性となる。しかし、点Ｔから、電圧は点Ｑへ向かって増加し、更に酸素を減少させると突然に点Ｖへ下降し、値域X 内では酸素を増加させた場合と同様の特性に至る。
【００２８】
図２に示されていない第２の特性は、もう一方の電圧設定に記録されており、同様の曲線形状を有するが、横方向及び上方向にオフセットを有する。切換が行われる２つの点は、点Ｖ、Ｑ、Ｍ及びＴから、又は、第２の特性のそれらに対応する点（図示せず）から安定的な間隔を有することが必要である。
【００２９】
図１に示す仮想動作点VIは、直線Ｇ上において、Ｐ１及びＰ２の間のパルスデューティ比を適切に選択することにより、上方又は下方にシフトさせることができる。これを実行する方法は、図４及び図８との関係において後に説明する。
【００３０】
図３に、スパッタリング装置１を示し、この装置により本発明を実現することができる。スパッタリング装置１は、真空室２を備え、その中には２つのマグネトロン３、４が設けらていれる。真空室２の側壁５、６には、上部開口７、８及び下部開口９、１０が設けられている。上部開口７、８内には真空ポンプ１１、１２が設けられており、一方、下部開口９、１０は、ガラスプレートなどの基板１３を真空室２内を通過させる役割を有する。下部開口９、１０と上部開口７、８との間にはダイヤフラム１４が設けられており、そのダイヤフラム１４は側壁５、６から真空室２の内部に突出している。ダイヤフラム１４の下方にはガス送り管１５、１６が設けられ、それらはバルブ１７を介してガスタンク１８、１９と接続されている。
【００３１】
各々のマグネトロン３、４はカソードパン（皿部）２０、２１を有し、それらは下面にターゲット２２、２３が設けられている。カソードパン２０、２１内には、それぞれ３つの永久磁石２４、２５、２６及び２７、２８、２９が設けられ、それらは、共通のヨーク３０、３１に結合されている。カソードパン２０、２１は、シール３２、３３により真空室２の上面に取り付けられている。両カソードパン２０、２１は中間周波数電源３４に接続され、電源３４はさらに電力レギュレータ３５に接続され、レギュレータ３５はデジタルアナログ変換器３６を介してコンピュータ３７により駆動される。
【００３２】
図３において、スパッタリング装置１の２つのマグネトロン３、４は、同一の真空室２の内部に、近接して配置されている。しかし、真空室２内に２つの分離した区画室を設け、それらの各々が別個のマグネトロンを有するように構成することも可能である。ガス供給部１５乃至１９は、各々のマグネトロン３、４に同一の反応ガス成分が供給されるように構成されている。
【００３３】
カソード２０、２１に供給される電力は、中間周波数生成器３４により変調される。
【００３４】
そのような電力変調は、それ自体、スパッタリング技術において既知である（EP−A −0347567 、DE−C −3700633 参照）。この変調において電力は２つの値の間を振り子のように振動するが、この振動によって、安定的な動作点設定が意図されるものではなく、また、それが可能となるものでもない。このことは、カソードにおいて極性反転を行い、その結果電力の変化を生じさせる他の既知の構成においても同様である（EP−A −0591675 ；DE−A −4237517 、図１、２；DE−A −4343042 、カラム４、４８から６２行参照）。既知の電力変調の場合、電力の変化は、大抵、故意の電圧変化の結果として生じるものであり、即ち、電力の変化に対して重要な関心が向けられているわけではない。
【００３５】
図４は、本発明に従う電力変調を示す。公称電圧Ｐnom の振幅は、約２である定数によって周期的に変化し、高電力Ｐmax は低電力Ｐmin の約３倍の長さ存在し、即ち、パルスデューティ比Ｔ2 ／Ｔ1 は約３であることは明らかである。それぞれＰmax 及びＰmin で示される電力は、ここでは、図１の電力Ｐ１及び電力Ｐ２に対応する。それらは、特定の基準に従って選択される。図４の表示はそれぞれ電力のエンベロープ、平均値のみを示す。実際には、各々のパルスは、典型的な変調周波数１０ヘルツ（Ｈｚ）及び中間周波数４０キロヘルツ（ｋＨｚ）において、約４０００の中間周波数の半波を有する。
【００３６】
回路技術の面からは、コンピュータ３７が期間Ｔ1 、Ｔ2 の開始及び終了時にデジタルアナログ変換器３６へ命令を出力し、デジタルアナログ変換器３６がそれをアナログ信号に変換して電力レギュレータ３５に印加し、電力レギュレータ３５がカソード２０、２１に供給される電力を制御することによって電力曲線は実現されうる。コンピュータ３７により決定される公称値は、高い公称値及び低い公称値の間で、約１０ヘルツ（Ｈｚ）からのサイクル周波数１／（Ｔ1 ＋Ｔ2 で切り換えられる。１０ヘルツ（Ｈｚ）はここで特定される。周波数は、カソードが遷移値域（又は範囲）において安定的に燃焼するように選択される。周波数が低すぎると、カソードは特定のモード内に深く入り込み過ぎ、それらのモードの１つに制御不能に飛び移る（flip）。周波数が高すぎると、動作点の安定化効果が消失する。
【００３７】
２つの値Ｐmax 及びＰmin （それぞれ、図１のＰ１及びＰ２）は、切換が行われなかったとすれば、それぞれ、所定の酸素流における高公称電力値Ｐmax が金属モードにおいて動作点を生じ、低公称電力値Ｐmin が酸化物モードにおいて動作点を生じるように選択される。これにより、電力は周期的に変化し、カソードは２つのモードの遷移状態に維持される。生成器３４の電圧を変化させることにより、プラズマインピーダンスも自動的に変化する。従って、調整されるべきものは電圧変化である。
【００３８】
別の言い方をすると、電力は、電極に供給される電気的直流電圧を変化させることにより技術的に調整される。なぜなら、電圧変化はプラズマインピーダンスの変化を生じさせ、それは、さらには電流変化に繋がるからである。しかし、電力は、流れる電流と、存在する電圧とにより決定される。
【００３９】
図５には、回路構成３８が示され、それにより、異なる電力をカソードに出力することができる。カソード２０、２１での電力変調は、ここでは、中間周波数生成器３４を駆動することによって生成されるのではなく、コンデンサ３９、直流電流チョーク４０、フィルタ４１及び交流電圧源４２を有する回路網が、中間周波数生成器３４とカソード２０、２１との間に挿入される。この電圧源４２は、交流電圧源３５と同一の周波数、即ち、約１０ヘルツ（Ｈｚ）の周波数を有する。フィルタ４１は、例えばコンデンサ４３を有し、そのコンデンサ４３の一方の端子４４は第１の誘導子（インダクタンスコイル）４５を介してコンデンサ３９の一方の端子と接続され、コンデンサ４３の他方の端子４７は第２の誘導子５１を介してコンデンサ３９の他方の端子４８に接続される。さらに、コンデンサ４３の端子４４、４７は、それぞれ、１つの誘導子４９、５０の各々を介して交流電圧源４２に接続される。中間周波数エネルギーは、コンデンサ３９を介してカソード２０、２１へ供給される。コンデンサ３９において、中間周波数生成器３４からの電力に交流電圧源４２からの追加の交流電圧電力が重畳されることが原因で、電力の変調が起きる。これにより、カソード２０、２１の電流対電圧特性がシフトする。このシフトの結果が、カソード２０、２１が異なる電力で動作するという事実に繋がる。フィルタ４１は中間周波数フィルタであり、それは中間周波数生成器３４から交流電圧源４２への電力の流れを抑止する。中間周波数生成器３４に対して高インピーダンスを示し、交流電圧源４２に対して低インピーダンスを示すことが意図されている。
【００４０】
交流電圧源４２の追加の交流電圧は、一方のカソード２０にその交流電圧の負の半波が存在するとすれば、そのカソード２０は非常に多くの電力を消費し、金属モードにおいて、一定の中間周波数電力との比較動作において動作するように選択される。同時に、他方のカソード２１は、少ない電力を消費し、その結果、酸化物モードにおいて、一定の中間周波数との比較動作において動作するであろう。このようにして、図３の場合には両カソードが同一のモードでスパッタリング動作する一方、図５の場合にはカソード２０、２１の一方が金属モードで動作しつつ他方が酸化物モードで動作するという違いを伴って、中間周波数の変調を行う場合と同様の効果が達成される。ここでは、中間周波数は、約１００キロヘルツ（ｋＨｚ）までの数キロヘルツの範囲の周波数である。好ましい中間周波数は、例えば、４０キロヘルツ（ｋＨｚ）である。
【００４１】
交流電圧源４２の周波数は、図３の交流電圧源３５の周波数と同一であり、即ち、約１０ｋＨｚである。図６は、交流電圧Ｕ〜の経跡を示す。交流電圧は、矩形波とすることもでき、正弦波とすることもできる。
【００４２】
１つ又は２つのカソードに供給される電力は、また、交流が重畳された直流電源から発生したものとすることもできる。そのような直流及び交流電源を備える電源は原理的には既知であり（F. Vranty, Deposition of Tantalum and Tantalum Oxide by Superimposed RF and DC-sputtering, J. Electrochem. Soc.: Solid State Science, May 1967, 506 頁、図１を参照）、そのためそれ以上の詳細の説明は不要である。しかし、本発明で使用される交流電流周波数は、約１から３０ヘルツ（Ｈｚ）の間であり、それゆえ、使用される交流電流周波数がメガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲である既知の回路構成に比べて非常に低い。
【００４３】
図７には、カソードに供給される電力を変化させ得る更に他の構成が示されている。ここでは、直流電流源６０が設けられ、それは一定の電流源である。直流電流源６０の出力端子６１、６２と並列に、２つの直列の第１の制御可能スイッチ６３、６４が設けられ、それらと並列に、さらに直列の制御可能なスイッチ６５、６６が設けられている。
【００４４】
直流電流源６０の一定の直流は、交流側の制御可能スイッチ６３乃至６６を介してカソード２０、２１へ供給される。カソード２０、２１が電流を導く位相間には切換点があり、その切換点では、切換スイッチ６３乃至６６は直流電流源６０を短絡し、その結果カソードには電流は流れ得ない。この短絡は、スイッチ６３、６４又はスイッチ６５、６６又はスイッチ６３乃至６６を同時に閉とすることにより生じる。
【００４５】
切換スイッチ６３乃至６６は、非対称に制御され、その結果、２つのカソード２０、２１の燃焼時間、及び、それゆえ電力寄与は、所定の時間的期間内において相違する。これにより、一方のカソード２０は金属モードでスパッタリング動作し、他方のカソード２１は酸化物モードでスパッタリング動作する。非対称性を周期的に交替すると、図５に従う追加の交流電圧によって中間周波数電力の変調を行う場合と同様の効果が達成される。
【００４６】
図５に従う構成において、交流電圧源４２及びフィルタ４１を省略し、チョーク４０の代わりに特別のフィルタを使用することにより、電源の更なるオプション（選択）が与えられる。この場合、このフィルタは、中間周波数生成器３４の周波数ｆ0 近傍に共振周波数ｆ1 を有するように次数が決定される。中間周波数生成器３４が、周波数が安定化されない自励発振器であるならば、浮動状態が変調効果への先導を生じる。
【００４７】
図８は、図７に示す構成についての電流対時間の関係を示す図である。この図８は、カソード２０を流れる電流ＩK20 を時間の関数として示している。カソード２１を流れる電流は示されていない。しかし、それは、一つの位相シフトを除いて、カソード２０を流れる電流と同一である。スイッチ６３、６４が開とされている時刻ｔ1 においてスイッチ６５は閉とされており、その結果、正の電流ＩK20 が電流源６０からカソード２０へ流れる。
【００４８】
時刻ｔ2 で、スイッチ６５は再度開とされ、よって、電流源６０の正の端子からカソード２０への電流の流れが停止する。時刻ｔ3 でスイッチ６６が閉とされ、その結果、電流ＩK20 が電流源６０の負の端子からカソード２０へ流れる。時刻ｔ4 においてスイッチ６６が開とされると、負の電流はカソード２０へ流れなくなる。
【００４９】
それから、スイッチ６５、６６の開閉は、図８に示す電流の経跡が生じるように継続される。カソード２０は、初期には、比較的短い期間｜ｔ2 −ｔ1 ｜（＝Ｔb1）にわたり正の電流を供給され、続いて、それよりいくらか長い期間｜ｔ4 ｔ3 ｜（＝Ｔal）にわたり、負の電流を供給される。続いて、長い方の期間｜ｔ4 −ｔ3 ｜にわたり、正の電流を供給される。すぐこれに続いて、カソード２０は、短い方の期間｜ｔ2 −ｔ1 ｜にわたり負の電流を供給され、続いて、再度長い方の期間｜ｔ4 −ｔ3 ｜にわたり正の電流を供給され、続いて、再度短い方の期間｜ｔ2 −ｔ1 ｜にわたり負の電流を供給される。
【００５０】
Ｔの添字ａ及びｂは、中間周波数電源の周期Ｔ0 内における、カソード２０の正及び負の電流値の期間を示す。追加の変調は、周期Ｔ1 を有する。周期Ｔ1 の第１の半周期では、カソード２０における正電流の総時間は、負電流の総時間より長い。第２の半周期では、負電流の総時間は、正電流の総時間より長い。
【００５１】
長い方の期間Ｔal及び短い方の期間Ｔb1は、合計して期間Ｔ0 を構成し、それは、直流電流源６０を切り換えることにより生成される中間周波数電圧の周期の長さである。この周期の長さは、例えば、２５マイクロ秒（μｓ）又は１／４０キロヘルツ（ｋＨｚ）とされる。
【００５２】
カソード２０の場合と類似して、カソード２１も電流供給を受けるが、それは、カソード２０の場合とは、スイッチ６５及び６６の代わりに、スイッチ６３及び６４がそれぞれ開閉されるという相違がある。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、反応スパッタリングにおける動作点を迅速かつ容易に安定化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの異なるスパッタリング電力における、ニッケルクロム（NiCr）スパッタリング工程の電圧対酸素特性を示す図である。
【図２】一定の電力下での、チタン（Ti）スパッタリング工程の電圧対酸素特性を示す図である。
【図３】２つのマグネトロン及び中間周波数電源を備えるスパッタリング装置を示す図である。
【図４】公称電圧値の経時的変化を示す図である。
【図５】中間周波数フィルタ回路が接続された中間周波数電源及び交流電圧源を示す図である。
【図６】交流電圧源の出力電圧の経時的変化を示す図である。
【図７】直流電源及びスパッタリングカソードの間のスイッチ構成を示す図である。
【図８】２つのカソードを有する構成のうちの一方のカソードを流れる電流の経時的変化を示す図である。
【符号の説明】
１…スパッタリング装置
２…真空室
３、４…マグネトロン
５、６…側壁
７、８…上部開口
９、１０…下部開口
１１、１２…真空ポンプ
１３…基板
１４…ダイヤフラム
１５、１６…ガス送り管
１７…バルブ
１８、１９…ガスタンク
２０、２１…カソードパン
２２、２３…ターゲット
２４〜２９…永久磁石
３０、３１…ヨーク
３２、３３…シール
３４…電源
３５…電圧調整器
３６…デジタルアナログ変換器
３７…コンピュータ
３８…回路構成
３９…コンデンサ
４０…直流電流チョーク
４１…フィルタ
４２…交流電源
４４、４６〜４８…端子
４５、４９、５０…誘導子
６０…直流電流源
６１、６２…出力端子
６３〜６６…制御可能なスイッチ
Claims (16)
- 金属ターゲットをスパッタリングし、生成されたターゲット粒子を反応ガスと結合させることにより得られた金属化合物を使用して基板を被覆するスパッタリング装置において、
処理室と、
処理室に一定量ずつ反応ガスを送り込むためのガス送り手段と、
電気的エネルギー供給装置に接続可能な少なくとも１つの電極と、該電極は、その放電電圧が、単位時間に流入する反応ガス量の関数となっており、
前記電極へ供給される電力を第１の電力（Ｐ１）と第２の電力（Ｐ２）の間で周期的に切り替えるための装置と、を備え、
前記第１の電力値（Ｐ１）及び前記第２の電力値（Ｐ２）は、同一の流量の反応ガス流入状態において、ターゲットが、第１の電力値（Ｐ１）では金属モードとなり、第２の電力値（Ｐ２）では酸化モードとなるように選択されるとともに、
前記第１の電力値と第２の電力値の切換の頻度（周波数）は遷移値域において安定的に燃焼するように選択されることを特徴とするスパッタリング装置。 - 前記装置は電極を２つ有し、前記２つの電極は、同一の電力（Ｐ１又はＰ２）を切り替えて供給されるように構成される請求項１に記載のスパッタリング装置。
- 前記装置は電極を２つ有し、前記２つの電極の内の第１の電極は第１の電力（Ｐ１）を供給され、同時に第２の電極は第２の電力（Ｐ２）を供給され、次の時間では第１の電極は第２の電力（Ｐ２）を供給され、第２の電極は第１の電力（Ｐ１）を供給されるように、周期的に供給が変化するように構成された請求項１に記載のスパッタリング装置。
- 電力を第１の電力値（Ｐ１）及び第２の電力値（Ｐ２）の間で切り替えるための装置は、変調交流電圧源である請求項１に記載のスパッタリング装置。
- 電力を第１の電力値（Ｐ１）及び第２の電力値（Ｐ２）の間で切り替えるための装置は、交流電圧が重畳された直流電流源である請求項１に記載のスパッタリング装置。
- 電力を第１の電力値（Ｐ１）及び第２の電力値（Ｐ２）の間で切り替える装置は、スイッチ（６３乃至は６６）により出力が切り換えられる直流電流源である請求項１に記載のスパッタリング装置。
- 前記重畳される交流電圧は、２乃至３０ヘルツ（ＨＺ）の範囲内の周波数を有する請求項５記載のスパッタリング装置。
- 金属モードから酸化物モードへの切り替え及びその逆の切り替えが１０サイクルの周期で行われる請求項１に記載のスパッタリング装置。
- 電力を第１の電力値（Ｐ１）及び第２の電力値（Ｐ２）の間で切り替える装置は、第１の交流電圧源を備え、前記第１の交流電圧源は第２の交流電圧源により変調される請求項１に記載のスパッタリング装置。
- 前記第２の交流電圧源は、回路網を通じて前記第１の交流電圧源に接続され、前記回路網は、前記第１の交流電圧源は第２の交流電圧源により変調される請求項１に記載のスパッタリング装置。
- 前記電極、ターゲット、及び永久磁石は、集合してマグネトロンを構成し、前記マグネトロンは、真空室内に、基板に対向して配置され、前記真空室は、基板とマグネトロンとの間にダイヤフラムを備える請求項１記載のスパッタリング装置。
- 前記基板とダイヤフラムとの間から、前記真空室内に反応用混合ガスが導入される請求項１１に記載のスパッタリング装置。
- 前記電気的エネルギー供給装置は、周波数ｆ０を有する中間周波数生成器と、共振周波数ｆ１を有する回路網と、を備え、前記周波数ｆ０及びｆ１は、相互に近接しているために浮遊効果を生じ、前記浮遊効果はスパッタリング装置の電力を変調する請求項１に記載のスパッタリング装置。
- 請求項１に記載されたスパッタリング装置において、その動作点を設定する方法であって、
ａ）第１の電力（Ｐ１）における第１の放電電圧対反応ガス送り量の特性曲線（Ｉ）を決定する工程と、
ｂ）第２の電力（Ｐ２）における第２の放電電圧対反応ガス送り量の特性曲線（ＩＩ）を決定する工程と、
ｃ）第１の放電電圧対反応ガス送り量の特性曲線（Ｉ）上において、前記スパッタリング装置が金属モードで動作する１つの動作点（ＩＶ）を決定する工程と、
ｄ）第２の放電電圧対反応ガス送り量の特性曲線（ＩＩ）上において、前記スパッタリング装置が酸化物モードで動作する１つの動作点（Ｂ’）を決定する工程と、
ｅ）第1の特性曲線（Ｉ）を決定する電力（Ｐ１）から第２の特性曲線（ＩＩ）を決定する第２の電力（Ｐ２）への切り替え、及び、その逆の切り替えを行う工程と、を備える方法。 - 第１の特性曲線（Ｉ）の動作点（ＩＶ）及び第２の特性曲線（ＩＩ）の動作点（Ｂ’）は、それらの動作点において同一流量の反応ガス流が得られるように決定される請求項１４に記載の方法。
- 前記２つの動作点（ＩＶ、Ｂ’）を通過する直線（Ｇ）は、放電電圧対反応ガス送り量特性曲線（Ｉ、ＩＩ）のヒステリシスコーナー点（Ｋ１乃至Ｋ８）に対して十分に離隔している請求項１５に記載の方法。
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