マグネトロン装置、および、マグネトロン装置のパルス動作方法
【課題】パルスエネルギーで動作するマグネトロン装置を用いる基板被膜において、技術的に低コストで、成長層に高エネルギー粒子が衝突する際の衝撃の強さを調整できる手段を実現し、基板の種類に依らずに、基板に衝突する粒子の粒子流密度を変化できるようにする。
【解決手段】マグネトロン装置は、少なくとも１つの付加的な電極１５が一時的にアノードになるように該付加的な電極１５を繰り返し切り替えるためのスイッチ１６を有し、該付加的な電極１５が前記スイッチ１６によってアノードに切り替えられたとき、前記ターゲット１２，１３のうちカソードとして機能するように切り替えられたターゲット１３と該付加的な電極１５との間にマグネトロン放電が発生するように構成されている。
【解決手段】マグネトロン装置は、少なくとも１つの付加的な電極１５が一時的にアノードになるように該付加的な電極１５を繰り返し切り替えるためのスイッチ１６を有し、該付加的な電極１５が前記スイッチ１６によってアノードに切り替えられたとき、前記ターゲット１２，１３のうちカソードとして機能するように切り替えられたターゲット１３と該付加的な電極１５との間にマグネトロン放電が発生するように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーがパルス形態で供給されるマグネトロン装置と、マグネトロン装置の動作方法とに関する。マグネトロン装置は、マグネトロンスパッタ法すなわち物理蒸着法（ＰＶＤ）によって成膜を行うための粒子源として使用したり、プラズマ活性化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）でプラズマ源として使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
金属ターゲットの反応性マグネトロンスパッタを用いて不活性ガスと反応性ガスとの混合気内で行われる絶縁層の成膜では、１０〜３５０ｋＨｚの周波数領域でパルスエネルギーを供給することが定着している。その理由は、直流エネルギー供給と比較して、パルスエネルギー供給の処理安定性が良好であることだ。このパルス処理のパルス休止中に、プラズマのキャリアと、絶縁層に集まったキャリアとが再結合し、被膜過程を妨害するアーク放電の形成を防止することができる。それゆえ、パルスエネルギー供給によって、被膜処理が長時間安定的になることが保証される。さらに、パルスエネルギーを受け取るマグネトロン源は、プラズマ活性化化学蒸着用のプラズマ源として使用される場合にも、安定性に関して同様の利点を奏する。
【０００３】
マグネトロンスパッタリングで行われるパルスエネルギー供給には主に、２つの原理的に異なる基本的な方式が確立されており、これらのパルスエネルギー供給方式は、単極パルスモードおよび双極パルスモードとも称される。単極パルスモードでは、マグネトロンスパッタ源のターゲットと、別個の電極または基板または受容体との間に直流パルス電圧が印加される。ＤＥ３７００６３３Ｃ２に、ＰＶＤ法全般に関連して、このような単極パルスモードのエネルギー供給の一実施形態が記載されている。ここでは、ターゲットは気体放電のカソードとして機能し、受容体または基板または別個の電極がアノードとして機能する。
【０００４】
双極パルスモードでは、ダブルマグネトロン構成の２つの相互に絶縁されたターゲット間に、極性を交番させて電圧を印加する。このように電圧を印加すると、これら２つのターゲットは交代で、マグネトロン放電として形成された気体放電のアノードおよびカソードとして作用する。それゆえ、アノードとして別個の電極を設ける必要はない。ＤＤ２５２２０５Ａ１およびＤＥ３８０２８５２Ａ１に、この双極エネルギー供給の一般的な原理が記載されている。ＤＥ４４３８４６３Ｃ１に、多岐にわたって使用される双極パルス供給の一実施形態が記載されている。
【０００５】
さらに、単極動作および双極動作の双方の特徴を有する、特別なパルスエネルギー供給構成が知られている。たとえばＷＯ２００９／０４０４０６Ａ２に、いわゆる冗長陽極スパッタリングが記載されている。この冗長陽極スパッタリングでは、カソード電位にあるターゲットの他に、２つの電極が交代でアノードおよびカソードとして動作する。その際に、カソード電位にある電極はこの期間中に自由にスパッタリングされ、このことにより、カソード電位にあったこの電極は、アノード期間中には持続的に作用するアノードとなる。
【０００６】
いわゆるバーストモードでエネルギー入力を行う場合（ＤＥ１９７０２１８７Ａ１）、ダブルマグネトロン構成の２つのターゲット間に単極パルスのバーストが印加される。それぞれ２つの連続するバースト間に、極性が切り換えられる。
【０００７】
いわゆる非対称的双極エネルギー供給（ＤＥ４１２７３１７Ａ１）では、ターゲットが１つであり基本的に単極パルス方式である装置が記載されている。ここでは、ターゲット（カソード）に実際に成膜を行う際に使用される負の電圧パルスの前に、非常に短時間の正のパルスが印加される。この正のパルスによってキャリアの再結合が行われ、放電の安定化がさらに良好になる。
【０００８】
実験的に、単極パルスモードと双極パルスモードとでは、被膜される基板の直前のプラズマ密度と、このプラズマ密度によって決定される、成長層への高エネルギー粒子の衝撃とが大きく異なることが判明している。実験によれば、単極パルスモードではプラズマ密度は低く、基板衝撃は弱い。このことはたとえば、温度に影響を受けやすい基板に被膜する場合に望ましい。それに対して、実験によれば双極パルスモードでは、基板衝撃は非常に強い。非常に強い基板衝撃は、有利には、非常に厚い層を成膜するのに使用することができる。スパッタリング装置が同一であり両パルスモード用に構成されている場合、被膜される基板の表面より前のプラズマ密度の差、ひいては基板に当たるイオン流のイオン流密度の差は１０倍以上になる［Surface and Coatings Technology 132 (2000) 244 -0］。このような顕著な差が生じる物理的な原因は、双極動作においてマグネトロンターゲットをアノードとして使用することにある。このアノードに印加される磁界が、ターゲット近傍領域から高エネルギーの電子を基板近傍領域へ押しやり、基板より前のプラズマ密度が高くなる。
【０００９】
少なくとも２つのマグネトロンスパッタ源を含む構成を選択的に単極パルスモードまたは双極パルスモードで動作させることが可能になることにより、パルスモードを選択することによって、多くの用途において高エネルギーの基板衝突を適切な強度に調整することができる。しかし、両パルスモード間で高エネルギーの基板衝突をより細かく調整する必要がある場合、両パルスモードを選択できることだけでは不十分になる。
【００１０】
単極方式および双極方式のエネルギー供給の上述の変形形態ないしは組み合わせの高エネルギー基板衝突の強度は、両パルスモードのうち１つのパルスモードの高エネルギー基板衝突の強度に近く、冗長陽極スパッタリングにおいて非対称双極エネルギー供給が行われる場合、基板衝突は単極エネルギー供給の基板衝突に匹敵し、それに対してバーストエネルギー供給の場合には、基板衝突は双極エネルギー供給の基板衝突に匹敵する。上記で挙げた技術において、より広範囲にわたり高エネルギー基板衝突の強度を調整するのを可能にするものはなかった。
【００１１】
基板に高エネルギー粒子が衝突する際の衝撃の強さを上昇させて調整するための別の手段として、基板にバイアス電圧を印加する手段がある。このことにより、基板に当たるイオンのエネルギーを所定のように上昇させることができる。このバイアス電圧をＤＣバイアスまたはパルスバイアスとする場合、このバイアス電圧は導電性の基板にしか使用できない。ＨＦエネルギー供給を使用すれば、絶縁基板でもこのエネルギー供給によって基板表面にバイアス電圧を発生させることができる。どのバイアス方式でも、とりわけＨＦバイアスの場合には、装置に関するコストが大きくなるという欠点がある。さらに、基板バイアスを使用すると、基板上における層成長を調整する別の手法、たとえば基板移動、基板加熱または基板冷却と併用することができなくなることが多いか、または、層成長を調整する別の手法と併用するための技術的コストが高くなってしまう。また、バイアス電圧を使用すると、基板に当たるイオンのエネルギーを調整することはできるが、イオン流の密度を調整することはできないか、または非常に僅かしか調整することができないという欠点もある。さらに、イオンエネルギーが過度に高いと、成長層または基板が損傷してしまうことにもなる。上記の理由から、ＤＣ基板バイアス、パルス基板バイアスおよびＨＦ基板バイアスは、常に、高エネルギーの粒子を基板に衝突させる際の衝撃を調整できるようにするのに適しているとは限らない。
【００１２】
ＤＥ１９６５１８１１Ａ１に、双極エネルギー供給装置が記載されている。この双極エネルギー供給装置ではさらに、調整可能である付加的なパルス電圧を使用することによって、イオンを基板に向かってさらに加速させるように構成されている。このことにより、基板バイアスと同等の効果を実現することができる。この構成の欠点は、基板バイアスと同様に、イオンエネルギーは調整できるがイオン流密度の調整は制限されてしまうことである。さらに、基板衝撃の強さは、双極モードのレベルをすでに高くすることでしか上昇させることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】ＤＥ３７００６３３Ｃ２
【特許文献２】ＤＤ２５２２０５Ａ１
【特許文献３】ＤＥ３８０２８５２Ａ１
【特許文献４】ＤＥ４４３８４６３Ｃ１
【特許文献５】ＷＯ２００９／０４０４０６Ａ２
【特許文献６】ＤＥ１９７０２１８７Ａ１
【特許文献７】ＤＥ４１２７３１７Ａ１
【特許文献８】ＤＥ１９６５１８１１Ａ１
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Surface and Coatings Technology 132 (2000) 244 -0
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
それゆえ、本発明の基礎となる技術的課題は、従来技術の欠点を克服することができるマグネトロン装置と、マグネトロン装置のパルス動作方法とを実現することである。とりわけ、パルスエネルギーを受け取るダブルマグネトロン装置を用いる基板被膜において、成長層に高エネルギー粒子が衝突する際の衝撃の強さを調整できる手段を実現しなければならず、本発明の装置および方法によって、基板の種類に依らずに、基板に衝突する粒子の粒子流密度を変化できるようにしなければならない。さらに、技術的に小さいコストで、装置および方法を実現できるようにしなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記課題は、マグネトロン装置が、少なくとも１つの付加的な電極が一時的にアノードになるように該付加的な電極を繰り返し切り替えるためのスイッチを有し、該付加的な電極が前記スイッチによってアノードに切り替えられたとき、前記ターゲットのうちカソードとして機能するように切り替えられたターゲットと該付加的な電極との間にマグネトロン放電が発生するように構成されているマグネトロン装置によって解決される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による装置の概略図である。
【図２】本発明による装置の択一的な実施形態の概略図である。
【図３】デューティ比とプラズマ中の電子密度との依存関係を示すグラフである。
【図４】層の機械的なストレスとデューティ比との依存関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
従属請求項に本発明の別の有利な実施形態が記載されている。
【００１９】
本発明の構成の前提となる装置は、双極パルスエネルギー供給方式のマグネトロン装置である。このマグネトロン装置は、少なくとも２つの相互に電気的に絶縁されたターゲットを有し、該ターゲット間に、少なくとも１つの給電装置によって交流電圧が印加されることにより、両ターゲットは交番的に、両ターゲット間に発生する気体放電のカソードおよびアノードとして機能する。両ターゲットにおける位相切替は、通常は第１の周波数で周期的に行われる。また択一的に、位相切替を非周期的に行うこともできる。
【００２０】
本発明ではこの構成に、さらに少なくとも１つの電極を補足する。この少なくとも１つの別の電極はスイッチによってアノードとして一時的に機能するように繰り返し切り換えられることにより、該少なくとも１つの別の電極と、カソードとして機能するターゲットとの間に気体放電が発生する。このことにより、マグネトロンの単極パルス動作と双極パルス動作との新たな混合形態が実現される。この別の付加的な電極がスイッチオンされると、両ターゲットのうち１つのターゲットがカソードになるように切り換えられ、該付加的な電極と、該カソードとして機能するターゲットとの間にマグネトロン放電が形成される。前記付加的な電極はマグネトロンターゲットと同様に、マグネトロン磁界からあまり遮蔽されないことから、該付加的な電極がアノードになるように切り換えられる期間中、自由移動電子は有利には該付加的な電極へ移動することにより、この期間中には、主に該付加的な電極とカソードターゲットとの間にマグネトロン放電が形成される。前記付加的な電極を投入するためのスイッチは、たとえば半導体スイッチとすることができる。
【００２１】
本発明の装置の前記付加的な電極は通常、プラズマ内に配置される電気的に絶縁された別個の電極である。特に有利なのは、前記付加的な電極が反応生成物によって直接被覆されずに持続的に導電性のままになるように、該付加的な電極を「隠す」かないしは遮蔽して設けることである。最も簡単な実施例では、受容体も付加的な電極になるように切り換えられる。また択一的に、さらに別の複数の電極が付加的なアノードになるように切り換えることもできる。真空チャンバ内に付加的なアノードを適切に配置することにより、該真空チャンバ内に形成されるプラズマ雲の形状を所定のように調整することができる。
【００２２】
本発明の装置は、１つのマグネトロンターゲットに対してのみ設けられた付加的な電極を有する構成も可能である。すなわち、前記付加的な電極に対応するマグネトロンターゲットがアノードに切り換えられている期間の間だけ該付加的な電極はスイッチオンされてアノードとして機能する。別の実施形態では、各マグネトロンターゲットごとに別個の付加的な電極を設けることができる。
【００２３】
また択一的に、両マグネトロンターゲットないしはより多くのマグネトロンターゲットに対して１つの付加的な電極を設けることも可能である。この構成の利点は、位相切替が複数回行われる期間中、この１つの付加的な電極をスイッチオンしたままで、マグネトロン放電を発生させるためのアノードとして機能させ続けることが可能であることだ。この期間中、付加的な電極はアノードに切り換えられたままにされるのに対し、気体放電のカソード側は複数のターゲット間で交互に切り替えられる。
【００２４】
付加的な電極をアノードとして一時的にオン状態に切り換えることは、第２の周波数で周期的に行うか、または択一的に非周期的に行うことができる。１つの実施形態では、前記付加的な電極は、マグネトロン放電の付加的なアノードになるように切り換えられる。上記ですでに説明したように、前記付加的な電極をアノードに切り換えると自動的に、該付加的な電極と、カソードとなったターゲットとの間にマグネトロン放電が形成される。択一的に、前記付加的な電極がアノードに切り換えられる期間中、アノードとして機能するターゲットを給電部から分離し、この期間中には該付加的な電極のみがマグネトロン放電のアノードとして機能するようにすることもできる。
【００２５】
前記付加的な電極がアノードに切り換えられる時間の割合は、０〜１００％の間とすることができる。このアノードに切り換えられる時間の割合を、以下ではデューティ比と称する。
【００２６】
前記付加的な電極が全くオン状態に切り換えられずアノードとして機能しない場合に相当する０％のデューティ比は、たとえばマグネトロンによって膜が形成される基板前のプラズマ密度が非常に高い従来の双極動作に相当する。前記付加的な電極が常にオン状態にされアノードとして機能する１００％のデューティ比は、基板前のプラズマ密度が低い従来の単極動作に非常に近い。というのも、マグネトロン磁界によって遮蔽されない付加的な電極がオン状態になってアノードして機能する場合、放電電流はほぼすべて、該付加的なアノードを介して流れるからである。したがってこの場合には、両ターゲット間の放電は無視できる程度になる。したがって、デューティ比を０％〜１００％の間に適切に設定することにより、プラズマ密度の値および高エネルギーの基板衝突の強さの値を、単極パルス動作と双極パルス動作との間の任意の値に調整し、動作中に変化させることもできる。
【００２７】
原則的には、付加的な電極がオン状態に切り換えられてアノードとして機能する期間を、双極パルスエネルギー供給の典型的には２μｓ〜１００μｓであるパルスオン時間より短く設定することが考えられるが、その際には、プラズマ電子が高速の電極切替についていけなくなり、放電が消失したり点弧条件が悪くなる危険性が生じる。それゆえ有利には、付加的な電極をオン状態に切り換えてアノードとして動作させるスイッチオン期間を、パルスエネルギー供給の周期時間より長くする。それゆえこの実施形態では、前記第２の周波数は前記第１の周波数より低く設定される。このことにより、前記付加的な電極がアノードに切り換えられる期間中は気体放電が形成され、この気体放電では該付加的な電極がアノードとして機能し、カソードを成すターゲットが、両ターゲット間で交互に入れ替わる。すなわち、該付加的な電極がオフ状態に切り換えられるまで、気体放電のカソード側が両ターゲット間で交互に「行ったり来たり」する。付加的な電極がオフ状態に切り換えられると、該付加的な電極が次の時間間隔でスイッチオンされるまで、マグネトロン放電は双極マグネトロン動作と同様に両ターゲット間で行われる。
【００２８】
また、前記付加的な電極をアノードに切り換えるスイッチオン時間を、最大数秒までの領域内で設定することも可能である。このことにより、成膜される層の特性が成長方向に均質にならないようにすることもできる。このことを利用して、多層成膜を所期のように行ったり、複数のグラジエント層を交互に成膜することができる。
【００２９】
それに対して、成長方向に均質な層を成膜するのに有利なのは、前記付加的な電極をアノードに切り換えるスイッチオン時間を、層の単層を成膜する時間より短くすることである。この単層を成膜する時間は、パルススパッタリングの場合には１０ｍｓ〜５００ｍｓに設定されるのが典型的である。上記考察から、付加的な電極をアノードに切り換えたりスイッチオフしたりするのに有利な周期時間は、２μｓ〜５００ｍｓの領域内となる。この周期時間は、５００ｋＨｚ〜２Ｈｚの領域内の付加的な電極のスイッチオン周波数に相当する。
【００３０】
電流が流れているときにスイッチをスイッチングすること、すなわち負荷が存在するときにスイッチをスイッチングすることは、スイッチの耐電圧性にかかる要求を無負荷状態のスイッチングより格段に厳しくすることになる。したがって有利には、パルス給電部の出力電圧が０Ｖであるかまたは少なくとも約０Ｖであるときに前記付加的な電極のスイッチングが行われるように、該付加的な電極をアノードに切り換えるスイッチングと該パルス給電部の極性交代とを同期する。「約０Ｖ」という用語は、電圧が５０Ｖ未満であることを意味する。このような低い電圧はたとえば、給電装置において極性が交代する際に得られる。それゆえ１つの実施形態では、前記付加的な電極のスイッチオンおよび／またはスイッチオフは、ターゲットにおいて極性交代が行われる時点で行われる。択一的に、点弧条件を最適にするために、前記付加的な電極のスイッチオンおよび／またはスイッチオフを、前記ターゲットの極性交代に対して時間的に遅延して行うこともできる。
【００３１】
場合によっては、成長層に高エネルギーの粒子が衝突する際の衝撃を層成長中に変化させるのが望ましい場合があり、たとえば、高エネルギーの基板衝突の強さを上昇させて、層成長の開始時に、結晶相の形成を開始させるのに利用することができる。層成長の次の段階では、基板衝撃度を低くして、熱による基板の損傷を阻止することができる。その逆に、層成長の開始時に基板衝撃度を可能な限り低下させ、その下にある影響を受けやすい層が損傷されないようにし、その後に、十分な密度の層領域が生成されるように基板衝突の強さを上昇させることが必要な場合もある。層成長時の高エネルギー基板衝突の衝撃をこのように変化させることは、本発明の装置では、被膜中にアノードスイッチオン期間のデューティ比を変化させることによって実現することができる。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。
【００３３】
図１に、本発明の装置１０を概略的に示す。この装置は、本発明の方法を実施するために使用することもできる。装置１０は真空チャンバ１１を有し、該真空チャンバ１１内に、２つの相互に電気的に絶縁されたターゲット１２および１３を有するダブルマグネトロン装置が設けられている。このダブルマグネトロン装置はたとえば、真空チャンバ１１内でＰＶＤ法またはＰＥＣＶＤ法によって基板上に層を成膜するのに使用することができる。両ターゲット１２，１３はそれぞれ、給電装置１４の一方の電極に電気的に接続されており、該給電装置１４は両ターゲット１２，１３間に交流電圧を生成する。したがって、マグネトロン装置は双極動作を行う。すなわち、両ターゲット１２，１３は周期的に、カソードとアノードとに交互に繰り返し切り換えられ、両ターゲット１２，１３間にマグネトロン放電が点弧する。
【００３４】
本発明ではさらに、真空チャンバ１１内に付加的な電極１５も設けられる。この付加的な電極１５はスイッチ１６を介して、スイッチ１７を介してターゲット１２に電気的に接続された、給電装置１４の電極に電気的に接続されている。両スイッチ１６および１７は相互に別個に、制御装置１８によって開閉することができる。
【００３５】
装置１０を純粋に双極動作させるためには、スイッチ１７を常に閉成状態にし、スイッチ１６を常に開放状態にする。本発明では制御装置１８によって、ターゲット１２がアノードとして機能するように切り換えられる期間中に、スイッチ１６を１回または複数回開閉することができる。このことによって前記付加的な電極１５は、スイッチ１６が閉成されている期間中に付加的なアノードとして機能し、カソードとなったターゲット１３と該付加的な電極１５との間にマグネトロン放電が発生する。上記ですでに述べたように、アノードが磁気的に遮蔽されずにマグネトロン放電を形成した場合、形成されるプラズマの状態は、アノードに切り換えられたターゲットがマグネトロン磁界から遮蔽されている場合と異なる。したがって、ターゲット１２がアノードとして機能する期間中にスイッチ１６が閉成される回数、および／または、ターゲット１２がアノードとして機能する期間中にスイッチ１６が閉成状態にある全時間に依存して、真空チャンバ１１内のプラズマパラメータを変化させることができる。
【００３６】
また、ターゲット１３がカソードとして機能する期間中、スイッチ１７を１回または複数回開放することもできる。スイッチ１７が開放される時間中は、前記付加的な電極１５は、マグネトロン放電の唯一のアノードとして機能する。しかし、ターゲット１３がカソードとして機能する期間中は、カソードであるターゲット１３との間にマグネトロン放電を発生させるために少なくとも１つのアノードがどの時点でも存在するように、スイッチ１６，１７のうち少なくとも１つは常に閉成状態にあるように留意しなければならない。
【００３７】
念のために、ターゲット１３がアノードとして機能する期間中は、スイッチ１７は一貫して閉成状態に維持され、スイッチ１６は一貫して開放状態に維持されることにより、ターゲット１２のみがカソードとして機能することを述べておく。一般的には本発明の装置の付加的な電極、詳細には図１の電極は、決してカソード動作を行うことはない。
【００３８】
図２に、本発明の装置１０の択一的な実施形態を概略的に示す。この装置も、本発明の方法を実施するために使用することができる。装置２０は真空チャンバ２１を有し、該真空チャンバ２１内に、２つの相互に電気的に絶縁されたターゲット２２および２３を有するダブルマグネトロン装置が設けられている。このダブルマグネトロン装置も、図１の装置１０と同様に、真空チャンバ２１内でＰＶＤ法またはＰＥＣＶＤ法によって基板上に層を成膜するのに使用することができる。両ターゲット２２，２３はそれぞれ、給電装置の一方の電極に電気的に接続されており、この給電装置は端子２４，２５において、両ターゲット２２，２３間にパルス交流電圧を生成する。
【００３９】
図２の給電装置は、ＤＣ電流発生器２６，２７とパルスジェネレータ２８とを含む。両ＤＣ電流発生器２６，２７の正極は相互に接続されており、時間的に一定の電力を出力する。両ＤＣ電流発生器の出力電力は、相互に別個に調整することができる。パルスジェネレータは２つのインダクタンス２９，３０と、スイッチ３１および３２とを含む。これらのスイッチ３１，３２は交互に開閉される。スイッチング時には、現在開放されているスイッチが最初に閉成され、その後に、閉成されていたスイッチが開放される。このことによって、スイッチング時には必ず、両スイッチが閉成されている期間が短時間存在する。この期間については後で詳細に説明する。
【００４０】
スイッチ３１が開放されておりスイッチ３２が閉成されている場合、ターゲット２２はインダクタンス２９を介して電流発生器２６の負極に接続され、ターゲット２３は該電流発生器２６の正極に接続される。このような構成の電流発生器２６の場合には、このようにして両ターゲット２２，２３間にマグネトロン放電を発生させるためのエネルギーが供給されるのに対し、この期間中に、電流発生器２７のエネルギーがコイル３０に蓄積される。したがって、ターゲット２２はこの期間中はマグネトロン放電のカソードとして機能し、ターゲット２３はアノードとして機能する。
【００４１】
極性交代時には、まずスイッチ３１が閉成され、次にスイッチ３２が開放される。このことにより、コイル３０に蓄積されたエネルギーと、電流発生器２７から出力されたエネルギーとがマグネトロンプラズマに供給される。この構成では、インダクタンスは電流発生器２７の負極に接続され、ターゲット２２は該電流発生器２７の正極に接続されるため、ターゲット２３はカソードとして機能し、ターゲット２２はアノードとして機能する。この期間中、電流発生器２６のエネルギーはコイル２９に蓄積される。スイッチ３１および３２をこのように交互に開閉することにより、端子２４および２５に、双極パルスマグネトロンスパッタリングに必要なパルス交流電圧が出力される。このスイッチングの周波数は、この実施例では５０ｋＨｚであるが、双極パルスマグネトロンスパッタリングで慣用される任意の周波数に設定することもできる。
【００４２】
本発明では、真空チャンバ２１内に付加的な電極３３が設けられる。この付加的な電極３３はスイッチ３４を介して、両電流発生器２６，２７の正極に接続することができる。スイッチ３４が閉成されている場合、両ターゲット２２，２３のうちどちらがカソードとして機能しているかに関係なく、前記付加的な電極３３はマグネトロン放電の付加的なアノードとして機能する。ターゲット２２がカソードとして機能しているときにスイッチ３４が閉成されると、両ターゲット間においてマグネトロン放電が形成されると同時に、ターゲット２２と付加的な電極３３との間にもマグネトロン放電が形成される。スイッチ３４が閉成されている期間中にターゲットの極性が交代すると、ターゲット２３がカソードとなり、両ターゲット間にマグネトロン放電が形成されると同時に、ターゲット２３と付加的な電極３３との間にもマグネトロン放電が形成される。その際には、エネルギーの大部分が常に、付加的な電極３３がアノードとして機能することにより発生したマグネトロン放電に流れることを述べておく。本発明の装置では、放電電流のうち前記付加的な電極に流れる電流は、電極の構成に応じて最大９５％になる。
【００４３】
スイッチ３４の駆動制御は制御装置によって行われ、この実施例では、スイッチ３４は制御装置によって、２ｋＨｚの周波数で周期的に操作される。その際には、デューティ比（すなわち、スイッチ３４が閉成されている期間の割合）を０％〜１００％の間に設定することができる。有利には、両スイッチ３１，３２が極性交代で同時に閉成されているときにスイッチ３４がちょうど操作されるように、このスイッチの操作と、端子２４，２５における極性交代とを同期させる。このとき、端子２４，２５間の電圧は約０Ｖまで低下するので、電気的負荷が存在する状態でスイッチ３４のスイッチングを行う必要がなくなり、スイッチ３４の耐電圧性にかかる要件は緩和される。
【００４４】
試験用の構成で行った測定により、付加的な電極３３がアノードに切り換えられる際には、利用可能な電子が存在する確率が向上することにより、放電電流のうち該付加的な電極３３に流れる電流は約９０％になることが判明した。スイッチ３４が開放されると、アノード電流はすべて強制的に、アノードに切り換えられているターゲットに流れる。したがって、前記付加的な電極をアノードに切り換えるデューティ比を調整することにより、放電電流のうち該付加的な電極に流れる電流の割合の時間平均を広い範囲で調整することができる。したがって、プラズマパラメータと、とりわけ、被膜される基板の表面に当たる粒子の粒子流密度とを、単極動作の粒子流密度と双極動作の粒子流密度との間で広い範囲にわたって調整することができる。
【００４５】
この実施例では、窒化アルミニウム層の成膜法に装置２０を使用した。この窒化アルミニウム層の成膜では、ダブルリングマグネトロンの両ターゲット２２，２３において、アルミニウムをターゲット材料として使用した。ダブルリングマグネトロンとは、２つの電気的に相互に絶縁された環状のターゲットを使用するマグネトロンであり、このマグネトロンでは、より小さい環状ターゲットが、より大きい環状ターゲットの環状開口内に配置される。処理ガスとしては、アルゴンを４０ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ２１内に流入させ、窒素を２０ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ２１内に流入させた。電流発生器２６では２ｋＷの電力を供給し、電流発生器２７では０．５ｋＷの電力を供給した。付加的な電極３３がアノードとして機能するようにスイッチオンする本発明が、高エネルギー粒子が成長層に衝突したときの衝撃に与える影響を証明するため、真空チャンバ２１内で被膜される基板の表面前におけるプラズマ密度、イオン流および電子温度の測定を行った。
【００４６】
図３に、プラズマ密度とデューティ比との依存関係をグラフで示す。デューティ比０％は、基板前のプラズマ密度が非常に高い、従来の双極動作に相当する。デューティ比１００％は従来の単極動作に非常に近く、プラズマ密度は格段に低くなる。図３から分かるように、本発明の装置および方法ではデューティ比を変化させることにより、プラズマ密度を両極値間で無段階に調整することができる。
【００４７】
成膜された窒化アルミニウム層の特性に及ぼされる影響を証明するため、基板上に窒化アルミニウム層が成膜された場合の機械的ストレスを測定した。図４に、この測定結果をグラフで示す。このグラフから、デューティ比が０％に設定され高エネルギー基板衝突の衝撃が強くなった場合、成膜された層における圧縮ストレスは高くなることが分かる。この圧縮ストレスは、デューティ比を大きくすることによって低減することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１１，２１ 真空チャンバ
１２，１３，２２，２３ ターゲット
１４ 給電装置
１５，３３ 付加的な電極
１６，１７，３１，３２，３４ スイッチ
１８ 制御装置
２６，２７ ＤＣ電流発生器
２８ パルスジェネレータ
２９，３０ インダクタンス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーがパルス形態で供給されるマグネトロン装置と、マグネトロン装置の動作方法とに関する。マグネトロン装置は、マグネトロンスパッタ法すなわち物理蒸着法（ＰＶＤ）によって成膜を行うための粒子源として使用したり、プラズマ活性化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）でプラズマ源として使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
金属ターゲットの反応性マグネトロンスパッタを用いて不活性ガスと反応性ガスとの混合気内で行われる絶縁層の成膜では、１０〜３５０ｋＨｚの周波数領域でパルスエネルギーを供給することが定着している。その理由は、直流エネルギー供給と比較して、パルスエネルギー供給の処理安定性が良好であることだ。このパルス処理のパルス休止中に、プラズマのキャリアと、絶縁層に集まったキャリアとが再結合し、被膜過程を妨害するアーク放電の形成を防止することができる。それゆえ、パルスエネルギー供給によって、被膜処理が長時間安定的になることが保証される。さらに、パルスエネルギーを受け取るマグネトロン源は、プラズマ活性化化学蒸着用のプラズマ源として使用される場合にも、安定性に関して同様の利点を奏する。
【０００３】
マグネトロンスパッタリングで行われるパルスエネルギー供給には主に、２つの原理的に異なる基本的な方式が確立されており、これらのパルスエネルギー供給方式は、単極パルスモードおよび双極パルスモードとも称される。単極パルスモードでは、マグネトロンスパッタ源のターゲットと、別個の電極または基板または受容体との間に直流パルス電圧が印加される。ＤＥ３７００６３３Ｃ２に、ＰＶＤ法全般に関連して、このような単極パルスモードのエネルギー供給の一実施形態が記載されている。ここでは、ターゲットは気体放電のカソードとして機能し、受容体または基板または別個の電極がアノードとして機能する。
【０００４】
双極パルスモードでは、ダブルマグネトロン構成の２つの相互に絶縁されたターゲット間に、極性を交番させて電圧を印加する。このように電圧を印加すると、これら２つのターゲットは交代で、マグネトロン放電として形成された気体放電のアノードおよびカソードとして作用する。それゆえ、アノードとして別個の電極を設ける必要はない。ＤＤ２５２２０５Ａ１およびＤＥ３８０２８５２Ａ１に、この双極エネルギー供給の一般的な原理が記載されている。ＤＥ４４３８４６３Ｃ１に、多岐にわたって使用される双極パルス供給の一実施形態が記載されている。
【０００５】
さらに、単極動作および双極動作の双方の特徴を有する、特別なパルスエネルギー供給構成が知られている。たとえばＷＯ２００９／０４０４０６Ａ２に、いわゆる冗長陽極スパッタリングが記載されている。この冗長陽極スパッタリングでは、カソード電位にあるターゲットの他に、２つの電極が交代でアノードおよびカソードとして動作する。その際に、カソード電位にある電極はこの期間中に自由にスパッタリングされ、このことにより、カソード電位にあったこの電極は、アノード期間中には持続的に作用するアノードとなる。
【０００６】
いわゆるバーストモードでエネルギー入力を行う場合（ＤＥ１９７０２１８７Ａ１）、ダブルマグネトロン構成の２つのターゲット間に単極パルスのバーストが印加される。それぞれ２つの連続するバースト間に、極性が切り換えられる。
【０００７】
いわゆる非対称的双極エネルギー供給（ＤＥ４１２７３１７Ａ１）では、ターゲットが１つであり基本的に単極パルス方式である装置が記載されている。ここでは、ターゲット（カソード）に実際に成膜を行う際に使用される負の電圧パルスの前に、非常に短時間の正のパルスが印加される。この正のパルスによってキャリアの再結合が行われ、放電の安定化がさらに良好になる。
【０００８】
実験的に、単極パルスモードと双極パルスモードとでは、被膜される基板の直前のプラズマ密度と、このプラズマ密度によって決定される、成長層への高エネルギー粒子の衝撃とが大きく異なることが判明している。実験によれば、単極パルスモードではプラズマ密度は低く、基板衝撃は弱い。このことはたとえば、温度に影響を受けやすい基板に被膜する場合に望ましい。それに対して、実験によれば双極パルスモードでは、基板衝撃は非常に強い。非常に強い基板衝撃は、有利には、非常に厚い層を成膜するのに使用することができる。スパッタリング装置が同一であり両パルスモード用に構成されている場合、被膜される基板の表面より前のプラズマ密度の差、ひいては基板に当たるイオン流のイオン流密度の差は１０倍以上になる［Surface and Coatings Technology 132 (2000) 244 -0］。このような顕著な差が生じる物理的な原因は、双極動作においてマグネトロンターゲットをアノードとして使用することにある。このアノードに印加される磁界が、ターゲット近傍領域から高エネルギーの電子を基板近傍領域へ押しやり、基板より前のプラズマ密度が高くなる。
【０００９】
少なくとも２つのマグネトロンスパッタ源を含む構成を選択的に単極パルスモードまたは双極パルスモードで動作させることが可能になることにより、パルスモードを選択することによって、多くの用途において高エネルギーの基板衝突を適切な強度に調整することができる。しかし、両パルスモード間で高エネルギーの基板衝突をより細かく調整する必要がある場合、両パルスモードを選択できることだけでは不十分になる。
【００１０】
単極方式および双極方式のエネルギー供給の上述の変形形態ないしは組み合わせの高エネルギー基板衝突の強度は、両パルスモードのうち１つのパルスモードの高エネルギー基板衝突の強度に近く、冗長陽極スパッタリングにおいて非対称双極エネルギー供給が行われる場合、基板衝突は単極エネルギー供給の基板衝突に匹敵し、それに対してバーストエネルギー供給の場合には、基板衝突は双極エネルギー供給の基板衝突に匹敵する。上記で挙げた技術において、より広範囲にわたり高エネルギー基板衝突の強度を調整するのを可能にするものはなかった。
【００１１】
基板に高エネルギー粒子が衝突する際の衝撃の強さを上昇させて調整するための別の手段として、基板にバイアス電圧を印加する手段がある。このことにより、基板に当たるイオンのエネルギーを所定のように上昇させることができる。このバイアス電圧をＤＣバイアスまたはパルスバイアスとする場合、このバイアス電圧は導電性の基板にしか使用できない。ＨＦエネルギー供給を使用すれば、絶縁基板でもこのエネルギー供給によって基板表面にバイアス電圧を発生させることができる。どのバイアス方式でも、とりわけＨＦバイアスの場合には、装置に関するコストが大きくなるという欠点がある。さらに、基板バイアスを使用すると、基板上における層成長を調整する別の手法、たとえば基板移動、基板加熱または基板冷却と併用することができなくなることが多いか、または、層成長を調整する別の手法と併用するための技術的コストが高くなってしまう。また、バイアス電圧を使用すると、基板に当たるイオンのエネルギーを調整することはできるが、イオン流の密度を調整することはできないか、または非常に僅かしか調整することができないという欠点もある。さらに、イオンエネルギーが過度に高いと、成長層または基板が損傷してしまうことにもなる。上記の理由から、ＤＣ基板バイアス、パルス基板バイアスおよびＨＦ基板バイアスは、常に、高エネルギーの粒子を基板に衝突させる際の衝撃を調整できるようにするのに適しているとは限らない。
【００１２】
ＤＥ１９６５１８１１Ａ１に、双極エネルギー供給装置が記載されている。この双極エネルギー供給装置ではさらに、調整可能である付加的なパルス電圧を使用することによって、イオンを基板に向かってさらに加速させるように構成されている。このことにより、基板バイアスと同等の効果を実現することができる。この構成の欠点は、基板バイアスと同様に、イオンエネルギーは調整できるがイオン流密度の調整は制限されてしまうことである。さらに、基板衝撃の強さは、双極モードのレベルをすでに高くすることでしか上昇させることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】ＤＥ３７００６３３Ｃ２
【特許文献２】ＤＤ２５２２０５Ａ１
【特許文献３】ＤＥ３８０２８５２Ａ１
【特許文献４】ＤＥ４４３８４６３Ｃ１
【特許文献５】ＷＯ２００９／０４０４０６Ａ２
【特許文献６】ＤＥ１９７０２１８７Ａ１
【特許文献７】ＤＥ４１２７３１７Ａ１
【特許文献８】ＤＥ１９６５１８１１Ａ１
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Surface and Coatings Technology 132 (2000) 244 -0
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
それゆえ、本発明の基礎となる技術的課題は、従来技術の欠点を克服することができるマグネトロン装置と、マグネトロン装置のパルス動作方法とを実現することである。とりわけ、パルスエネルギーを受け取るダブルマグネトロン装置を用いる基板被膜において、成長層に高エネルギー粒子が衝突する際の衝撃の強さを調整できる手段を実現しなければならず、本発明の装置および方法によって、基板の種類に依らずに、基板に衝突する粒子の粒子流密度を変化できるようにしなければならない。さらに、技術的に小さいコストで、装置および方法を実現できるようにしなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記課題は、マグネトロン装置が、少なくとも１つの付加的な電極が一時的にアノードになるように該付加的な電極を繰り返し切り替えるためのスイッチを有し、該付加的な電極が前記スイッチによってアノードに切り替えられたとき、前記ターゲットのうちカソードとして機能するように切り替えられたターゲットと該付加的な電極との間にマグネトロン放電が発生するように構成されているマグネトロン装置によって解決される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による装置の概略図である。
【図２】本発明による装置の択一的な実施形態の概略図である。
【図３】デューティ比とプラズマ中の電子密度との依存関係を示すグラフである。
【図４】層の機械的なストレスとデューティ比との依存関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
従属請求項に本発明の別の有利な実施形態が記載されている。
【００１９】
本発明の構成の前提となる装置は、双極パルスエネルギー供給方式のマグネトロン装置である。このマグネトロン装置は、少なくとも２つの相互に電気的に絶縁されたターゲットを有し、該ターゲット間に、少なくとも１つの給電装置によって交流電圧が印加されることにより、両ターゲットは交番的に、両ターゲット間に発生する気体放電のカソードおよびアノードとして機能する。両ターゲットにおける位相切替は、通常は第１の周波数で周期的に行われる。また択一的に、位相切替を非周期的に行うこともできる。
【００２０】
本発明ではこの構成に、さらに少なくとも１つの電極を補足する。この少なくとも１つの別の電極はスイッチによってアノードとして一時的に機能するように繰り返し切り換えられることにより、該少なくとも１つの別の電極と、カソードとして機能するターゲットとの間に気体放電が発生する。このことにより、マグネトロンの単極パルス動作と双極パルス動作との新たな混合形態が実現される。この別の付加的な電極がスイッチオンされると、両ターゲットのうち１つのターゲットがカソードになるように切り換えられ、該付加的な電極と、該カソードとして機能するターゲットとの間にマグネトロン放電が形成される。前記付加的な電極はマグネトロンターゲットと同様に、マグネトロン磁界からあまり遮蔽されないことから、該付加的な電極がアノードになるように切り換えられる期間中、自由移動電子は有利には該付加的な電極へ移動することにより、この期間中には、主に該付加的な電極とカソードターゲットとの間にマグネトロン放電が形成される。前記付加的な電極を投入するためのスイッチは、たとえば半導体スイッチとすることができる。
【００２１】
本発明の装置の前記付加的な電極は通常、プラズマ内に配置される電気的に絶縁された別個の電極である。特に有利なのは、前記付加的な電極が反応生成物によって直接被覆されずに持続的に導電性のままになるように、該付加的な電極を「隠す」かないしは遮蔽して設けることである。最も簡単な実施例では、受容体も付加的な電極になるように切り換えられる。また択一的に、さらに別の複数の電極が付加的なアノードになるように切り換えることもできる。真空チャンバ内に付加的なアノードを適切に配置することにより、該真空チャンバ内に形成されるプラズマ雲の形状を所定のように調整することができる。
【００２２】
本発明の装置は、１つのマグネトロンターゲットに対してのみ設けられた付加的な電極を有する構成も可能である。すなわち、前記付加的な電極に対応するマグネトロンターゲットがアノードに切り換えられている期間の間だけ該付加的な電極はスイッチオンされてアノードとして機能する。別の実施形態では、各マグネトロンターゲットごとに別個の付加的な電極を設けることができる。
【００２３】
また択一的に、両マグネトロンターゲットないしはより多くのマグネトロンターゲットに対して１つの付加的な電極を設けることも可能である。この構成の利点は、位相切替が複数回行われる期間中、この１つの付加的な電極をスイッチオンしたままで、マグネトロン放電を発生させるためのアノードとして機能させ続けることが可能であることだ。この期間中、付加的な電極はアノードに切り換えられたままにされるのに対し、気体放電のカソード側は複数のターゲット間で交互に切り替えられる。
【００２４】
付加的な電極をアノードとして一時的にオン状態に切り換えることは、第２の周波数で周期的に行うか、または択一的に非周期的に行うことができる。１つの実施形態では、前記付加的な電極は、マグネトロン放電の付加的なアノードになるように切り換えられる。上記ですでに説明したように、前記付加的な電極をアノードに切り換えると自動的に、該付加的な電極と、カソードとなったターゲットとの間にマグネトロン放電が形成される。択一的に、前記付加的な電極がアノードに切り換えられる期間中、アノードとして機能するターゲットを給電部から分離し、この期間中には該付加的な電極のみがマグネトロン放電のアノードとして機能するようにすることもできる。
【００２５】
前記付加的な電極がアノードに切り換えられる時間の割合は、０〜１００％の間とすることができる。このアノードに切り換えられる時間の割合を、以下ではデューティ比と称する。
【００２６】
前記付加的な電極が全くオン状態に切り換えられずアノードとして機能しない場合に相当する０％のデューティ比は、たとえばマグネトロンによって膜が形成される基板前のプラズマ密度が非常に高い従来の双極動作に相当する。前記付加的な電極が常にオン状態にされアノードとして機能する１００％のデューティ比は、基板前のプラズマ密度が低い従来の単極動作に非常に近い。というのも、マグネトロン磁界によって遮蔽されない付加的な電極がオン状態になってアノードして機能する場合、放電電流はほぼすべて、該付加的なアノードを介して流れるからである。したがってこの場合には、両ターゲット間の放電は無視できる程度になる。したがって、デューティ比を０％〜１００％の間に適切に設定することにより、プラズマ密度の値および高エネルギーの基板衝突の強さの値を、単極パルス動作と双極パルス動作との間の任意の値に調整し、動作中に変化させることもできる。
【００２７】
原則的には、付加的な電極がオン状態に切り換えられてアノードとして機能する期間を、双極パルスエネルギー供給の典型的には２μｓ〜１００μｓであるパルスオン時間より短く設定することが考えられるが、その際には、プラズマ電子が高速の電極切替についていけなくなり、放電が消失したり点弧条件が悪くなる危険性が生じる。それゆえ有利には、付加的な電極をオン状態に切り換えてアノードとして動作させるスイッチオン期間を、パルスエネルギー供給の周期時間より長くする。それゆえこの実施形態では、前記第２の周波数は前記第１の周波数より低く設定される。このことにより、前記付加的な電極がアノードに切り換えられる期間中は気体放電が形成され、この気体放電では該付加的な電極がアノードとして機能し、カソードを成すターゲットが、両ターゲット間で交互に入れ替わる。すなわち、該付加的な電極がオフ状態に切り換えられるまで、気体放電のカソード側が両ターゲット間で交互に「行ったり来たり」する。付加的な電極がオフ状態に切り換えられると、該付加的な電極が次の時間間隔でスイッチオンされるまで、マグネトロン放電は双極マグネトロン動作と同様に両ターゲット間で行われる。
【００２８】
また、前記付加的な電極をアノードに切り換えるスイッチオン時間を、最大数秒までの領域内で設定することも可能である。このことにより、成膜される層の特性が成長方向に均質にならないようにすることもできる。このことを利用して、多層成膜を所期のように行ったり、複数のグラジエント層を交互に成膜することができる。
【００２９】
それに対して、成長方向に均質な層を成膜するのに有利なのは、前記付加的な電極をアノードに切り換えるスイッチオン時間を、層の単層を成膜する時間より短くすることである。この単層を成膜する時間は、パルススパッタリングの場合には１０ｍｓ〜５００ｍｓに設定されるのが典型的である。上記考察から、付加的な電極をアノードに切り換えたりスイッチオフしたりするのに有利な周期時間は、２μｓ〜５００ｍｓの領域内となる。この周期時間は、５００ｋＨｚ〜２Ｈｚの領域内の付加的な電極のスイッチオン周波数に相当する。
【００３０】
電流が流れているときにスイッチをスイッチングすること、すなわち負荷が存在するときにスイッチをスイッチングすることは、スイッチの耐電圧性にかかる要求を無負荷状態のスイッチングより格段に厳しくすることになる。したがって有利には、パルス給電部の出力電圧が０Ｖであるかまたは少なくとも約０Ｖであるときに前記付加的な電極のスイッチングが行われるように、該付加的な電極をアノードに切り換えるスイッチングと該パルス給電部の極性交代とを同期する。「約０Ｖ」という用語は、電圧が５０Ｖ未満であることを意味する。このような低い電圧はたとえば、給電装置において極性が交代する際に得られる。それゆえ１つの実施形態では、前記付加的な電極のスイッチオンおよび／またはスイッチオフは、ターゲットにおいて極性交代が行われる時点で行われる。択一的に、点弧条件を最適にするために、前記付加的な電極のスイッチオンおよび／またはスイッチオフを、前記ターゲットの極性交代に対して時間的に遅延して行うこともできる。
【００３１】
場合によっては、成長層に高エネルギーの粒子が衝突する際の衝撃を層成長中に変化させるのが望ましい場合があり、たとえば、高エネルギーの基板衝突の強さを上昇させて、層成長の開始時に、結晶相の形成を開始させるのに利用することができる。層成長の次の段階では、基板衝撃度を低くして、熱による基板の損傷を阻止することができる。その逆に、層成長の開始時に基板衝撃度を可能な限り低下させ、その下にある影響を受けやすい層が損傷されないようにし、その後に、十分な密度の層領域が生成されるように基板衝突の強さを上昇させることが必要な場合もある。層成長時の高エネルギー基板衝突の衝撃をこのように変化させることは、本発明の装置では、被膜中にアノードスイッチオン期間のデューティ比を変化させることによって実現することができる。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。
【００３３】
図１に、本発明の装置１０を概略的に示す。この装置は、本発明の方法を実施するために使用することもできる。装置１０は真空チャンバ１１を有し、該真空チャンバ１１内に、２つの相互に電気的に絶縁されたターゲット１２および１３を有するダブルマグネトロン装置が設けられている。このダブルマグネトロン装置はたとえば、真空チャンバ１１内でＰＶＤ法またはＰＥＣＶＤ法によって基板上に層を成膜するのに使用することができる。両ターゲット１２，１３はそれぞれ、給電装置１４の一方の電極に電気的に接続されており、該給電装置１４は両ターゲット１２，１３間に交流電圧を生成する。したがって、マグネトロン装置は双極動作を行う。すなわち、両ターゲット１２，１３は周期的に、カソードとアノードとに交互に繰り返し切り換えられ、両ターゲット１２，１３間にマグネトロン放電が点弧する。
【００３４】
本発明ではさらに、真空チャンバ１１内に付加的な電極１５も設けられる。この付加的な電極１５はスイッチ１６を介して、スイッチ１７を介してターゲット１２に電気的に接続された、給電装置１４の電極に電気的に接続されている。両スイッチ１６および１７は相互に別個に、制御装置１８によって開閉することができる。
【００３５】
装置１０を純粋に双極動作させるためには、スイッチ１７を常に閉成状態にし、スイッチ１６を常に開放状態にする。本発明では制御装置１８によって、ターゲット１２がアノードとして機能するように切り換えられる期間中に、スイッチ１６を１回または複数回開閉することができる。このことによって前記付加的な電極１５は、スイッチ１６が閉成されている期間中に付加的なアノードとして機能し、カソードとなったターゲット１３と該付加的な電極１５との間にマグネトロン放電が発生する。上記ですでに述べたように、アノードが磁気的に遮蔽されずにマグネトロン放電を形成した場合、形成されるプラズマの状態は、アノードに切り換えられたターゲットがマグネトロン磁界から遮蔽されている場合と異なる。したがって、ターゲット１２がアノードとして機能する期間中にスイッチ１６が閉成される回数、および／または、ターゲット１２がアノードとして機能する期間中にスイッチ１６が閉成状態にある全時間に依存して、真空チャンバ１１内のプラズマパラメータを変化させることができる。
【００３６】
また、ターゲット１３がカソードとして機能する期間中、スイッチ１７を１回または複数回開放することもできる。スイッチ１７が開放される時間中は、前記付加的な電極１５は、マグネトロン放電の唯一のアノードとして機能する。しかし、ターゲット１３がカソードとして機能する期間中は、カソードであるターゲット１３との間にマグネトロン放電を発生させるために少なくとも１つのアノードがどの時点でも存在するように、スイッチ１６，１７のうち少なくとも１つは常に閉成状態にあるように留意しなければならない。
【００３７】
念のために、ターゲット１３がアノードとして機能する期間中は、スイッチ１７は一貫して閉成状態に維持され、スイッチ１６は一貫して開放状態に維持されることにより、ターゲット１２のみがカソードとして機能することを述べておく。一般的には本発明の装置の付加的な電極、詳細には図１の電極は、決してカソード動作を行うことはない。
【００３８】
図２に、本発明の装置１０の択一的な実施形態を概略的に示す。この装置も、本発明の方法を実施するために使用することができる。装置２０は真空チャンバ２１を有し、該真空チャンバ２１内に、２つの相互に電気的に絶縁されたターゲット２２および２３を有するダブルマグネトロン装置が設けられている。このダブルマグネトロン装置も、図１の装置１０と同様に、真空チャンバ２１内でＰＶＤ法またはＰＥＣＶＤ法によって基板上に層を成膜するのに使用することができる。両ターゲット２２，２３はそれぞれ、給電装置の一方の電極に電気的に接続されており、この給電装置は端子２４，２５において、両ターゲット２２，２３間にパルス交流電圧を生成する。
【００３９】
図２の給電装置は、ＤＣ電流発生器２６，２７とパルスジェネレータ２８とを含む。両ＤＣ電流発生器２６，２７の正極は相互に接続されており、時間的に一定の電力を出力する。両ＤＣ電流発生器の出力電力は、相互に別個に調整することができる。パルスジェネレータは２つのインダクタンス２９，３０と、スイッチ３１および３２とを含む。これらのスイッチ３１，３２は交互に開閉される。スイッチング時には、現在開放されているスイッチが最初に閉成され、その後に、閉成されていたスイッチが開放される。このことによって、スイッチング時には必ず、両スイッチが閉成されている期間が短時間存在する。この期間については後で詳細に説明する。
【００４０】
スイッチ３１が開放されておりスイッチ３２が閉成されている場合、ターゲット２２はインダクタンス２９を介して電流発生器２６の負極に接続され、ターゲット２３は該電流発生器２６の正極に接続される。このような構成の電流発生器２６の場合には、このようにして両ターゲット２２，２３間にマグネトロン放電を発生させるためのエネルギーが供給されるのに対し、この期間中に、電流発生器２７のエネルギーがコイル３０に蓄積される。したがって、ターゲット２２はこの期間中はマグネトロン放電のカソードとして機能し、ターゲット２３はアノードとして機能する。
【００４１】
極性交代時には、まずスイッチ３１が閉成され、次にスイッチ３２が開放される。このことにより、コイル３０に蓄積されたエネルギーと、電流発生器２７から出力されたエネルギーとがマグネトロンプラズマに供給される。この構成では、インダクタンスは電流発生器２７の負極に接続され、ターゲット２２は該電流発生器２７の正極に接続されるため、ターゲット２３はカソードとして機能し、ターゲット２２はアノードとして機能する。この期間中、電流発生器２６のエネルギーはコイル２９に蓄積される。スイッチ３１および３２をこのように交互に開閉することにより、端子２４および２５に、双極パルスマグネトロンスパッタリングに必要なパルス交流電圧が出力される。このスイッチングの周波数は、この実施例では５０ｋＨｚであるが、双極パルスマグネトロンスパッタリングで慣用される任意の周波数に設定することもできる。
【００４２】
本発明では、真空チャンバ２１内に付加的な電極３３が設けられる。この付加的な電極３３はスイッチ３４を介して、両電流発生器２６，２７の正極に接続することができる。スイッチ３４が閉成されている場合、両ターゲット２２，２３のうちどちらがカソードとして機能しているかに関係なく、前記付加的な電極３３はマグネトロン放電の付加的なアノードとして機能する。ターゲット２２がカソードとして機能しているときにスイッチ３４が閉成されると、両ターゲット間においてマグネトロン放電が形成されると同時に、ターゲット２２と付加的な電極３３との間にもマグネトロン放電が形成される。スイッチ３４が閉成されている期間中にターゲットの極性が交代すると、ターゲット２３がカソードとなり、両ターゲット間にマグネトロン放電が形成されると同時に、ターゲット２３と付加的な電極３３との間にもマグネトロン放電が形成される。その際には、エネルギーの大部分が常に、付加的な電極３３がアノードとして機能することにより発生したマグネトロン放電に流れることを述べておく。本発明の装置では、放電電流のうち前記付加的な電極に流れる電流は、電極の構成に応じて最大９５％になる。
【００４３】
スイッチ３４の駆動制御は制御装置によって行われ、この実施例では、スイッチ３４は制御装置によって、２ｋＨｚの周波数で周期的に操作される。その際には、デューティ比（すなわち、スイッチ３４が閉成されている期間の割合）を０％〜１００％の間に設定することができる。有利には、両スイッチ３１，３２が極性交代で同時に閉成されているときにスイッチ３４がちょうど操作されるように、このスイッチの操作と、端子２４，２５における極性交代とを同期させる。このとき、端子２４，２５間の電圧は約０Ｖまで低下するので、電気的負荷が存在する状態でスイッチ３４のスイッチングを行う必要がなくなり、スイッチ３４の耐電圧性にかかる要件は緩和される。
【００４４】
試験用の構成で行った測定により、付加的な電極３３がアノードに切り換えられる際には、利用可能な電子が存在する確率が向上することにより、放電電流のうち該付加的な電極３３に流れる電流は約９０％になることが判明した。スイッチ３４が開放されると、アノード電流はすべて強制的に、アノードに切り換えられているターゲットに流れる。したがって、前記付加的な電極をアノードに切り換えるデューティ比を調整することにより、放電電流のうち該付加的な電極に流れる電流の割合の時間平均を広い範囲で調整することができる。したがって、プラズマパラメータと、とりわけ、被膜される基板の表面に当たる粒子の粒子流密度とを、単極動作の粒子流密度と双極動作の粒子流密度との間で広い範囲にわたって調整することができる。
【００４５】
この実施例では、窒化アルミニウム層の成膜法に装置２０を使用した。この窒化アルミニウム層の成膜では、ダブルリングマグネトロンの両ターゲット２２，２３において、アルミニウムをターゲット材料として使用した。ダブルリングマグネトロンとは、２つの電気的に相互に絶縁された環状のターゲットを使用するマグネトロンであり、このマグネトロンでは、より小さい環状ターゲットが、より大きい環状ターゲットの環状開口内に配置される。処理ガスとしては、アルゴンを４０ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ２１内に流入させ、窒素を２０ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ２１内に流入させた。電流発生器２６では２ｋＷの電力を供給し、電流発生器２７では０．５ｋＷの電力を供給した。付加的な電極３３がアノードとして機能するようにスイッチオンする本発明が、高エネルギー粒子が成長層に衝突したときの衝撃に与える影響を証明するため、真空チャンバ２１内で被膜される基板の表面前におけるプラズマ密度、イオン流および電子温度の測定を行った。
【００４６】
図３に、プラズマ密度とデューティ比との依存関係をグラフで示す。デューティ比０％は、基板前のプラズマ密度が非常に高い、従来の双極動作に相当する。デューティ比１００％は従来の単極動作に非常に近く、プラズマ密度は格段に低くなる。図３から分かるように、本発明の装置および方法ではデューティ比を変化させることにより、プラズマ密度を両極値間で無段階に調整することができる。
【００４７】
成膜された窒化アルミニウム層の特性に及ぼされる影響を証明するため、基板上に窒化アルミニウム層が成膜された場合の機械的ストレスを測定した。図４に、この測定結果をグラフで示す。このグラフから、デューティ比が０％に設定され高エネルギー基板衝突の衝撃が強くなった場合、成膜された層における圧縮ストレスは高くなることが分かる。この圧縮ストレスは、デューティ比を大きくすることによって低減することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１１，２１ 真空チャンバ
１２，１３，２２，２３ ターゲット
１４ 給電装置
１５，３３ 付加的な電極
１６，１７，３１，３２，３４ スイッチ
１８ 制御装置
２６，２７ ＤＣ電流発生器
２８ パルスジェネレータ
２９，３０ インダクタンス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を生成するための少なくとも１つの給電装置（１４）を備えたマグネトロン装置であって、
少なくとも２つの相互に絶縁されたターゲット（１２；１３）が交互にカソードおよびアノードとなるように切り替えられて該ターゲット（１２；１３）間にマグネトロン放電が発生するように、前記給電装置（１４）によって生成される交流電圧が前記ターゲット（１２；１３）間で切り替え可能であり、
前記マグネトロン装置は、少なくとも１つの付加的な電極（１５）が一時的にアノードになるように該付加的な電極（１５）を繰り返し切り替えるためのスイッチ（１６）を有し、該付加的な電極（１５）が前記スイッチ（１６）によってアノードに切り替えられたとき、前記ターゲット（１２；１３）のうちカソードとして機能するように切り替えられたターゲット（１３）と該付加的な電極（１５）との間にマグネトロン放電が発生するように構成されていることを特徴とする、マグネトロン装置。
【請求項２】
前記付加的な電極（１５）は、前記ターゲット（１３）のうちカソードとして機能する１つのターゲット（１３）に対してのみ設けられている、請求項１記載のマグネトロン装置。
【請求項３】
前記付加的な電極は、カソードとして機能する各ターゲットごとに別個に設けられている、請求項２記載のマグネトロン装置。
【請求項４】
１つの前記付加的な電極（３３）が複数の前記ターゲットに対して設けられており、
前記付加的な電極（３３）は交互に順次、カソードとして機能する前記ターゲット（１３）に対応する、請求項１記載のマグネトロン装置。
【請求項５】
前記両ターゲット間にマグネトロン放電を発生させるために、両ターゲットは周期的に第１の周波数で交互にカソードおよびアノードとなるように切り替え可能である、請求項１から４までのいずれか１項記載のマグネトロン装置。
【請求項６】
前記付加的な電極と、前記ターゲットのうちカソードとして機能するターゲットとの間にマグネトロン放電を発生させるために、該付加的な電極は周期的に第２の周波数でアノードとなるように切り替え可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載のマグネトロン装置。
【請求項７】
前記第１の周波数は前記第２の周波数より高い、請求項６記載のマグネトロン装置。
【請求項８】
前記付加的な電極がアノードに切り替えられる時間の割合は、０％を上回り１００％未満である領域内で設定可能であり、前記マグネトロン装置の動作中に該領域内で変更可能である、請求項１から７までのいずれか１項記載のマグネトロン装置。
【請求項９】
真空チャンバ（１１）内のマグネトロンをパルス動作させるためのマグネトロンパルス動作方法であって、
少なくとも２つの相互に電気的に絶縁されたターゲット（１２；１３）が交互にカソードおよびアノードとして機能し、該ターゲット（１２；１３）間にマグネトロン放電が発生するように、少なくとも１つの給電装置（１４）を用いて該ターゲット（１２；１３）間で交流電圧を切り替え、
少なくとも１つの付加的な電極（１５）と、前記ターゲットのうちカソードとして機能するように切り替えられたターゲット（１３）との間にマグネトロン放電が発生するように、スイッチ（１６）によって該付加的な電極（１５）が一時的にアノードになるように繰り返し切り替えることを特徴とする、マグネトロンパルス動作方法。
【請求項１０】
前記ターゲットを周期的に第１の周波数で、交互にカソードおよびアノードになるように切り替え、
前記付加的な電極を周期的に第２の周波数で、アノードになるように繰り返し切り替える、請求項９記載のマグネトロンパルス動作方法。
【請求項１１】
前記第２の周波数を前記第１の周波数より低く設定する、請求項１０記載のマグネトロンパルス動作方法。
【請求項１２】
前記スイッチを、前記ターゲットにおいてカソードおよびアノードの切替が行われる時点で操作する、請求項１１記載のマグネトロンパルス動作方法。
【請求項１３】
前記マグネトロンの動作中に、前記付加的な電極がアノードに切り替えられる期間および／または前記第２の周波数を変化させることにより、前記真空チャンバ（１１）内のプラズマ密度を変化させる、請求項１０から１２までのいずれか１項記載のマグネトロンパルス動作方法。
【請求項１４】
前記真空チャンバ内でＰＶＤ法またはプラズマアシストＣＶＤ法を使用して少なくとも１つの基板に被膜するために、前記マグネトロンパルス動作方法を使用する、請求項９から１３までのいずれか１項記載のマグネトロンパルス動作方法。
【請求項１】
交流電圧を生成するための少なくとも１つの給電装置（１４）を備えたマグネトロン装置であって、
少なくとも２つの相互に絶縁されたターゲット（１２；１３）が交互にカソードおよびアノードとなるように切り替えられて該ターゲット（１２；１３）間にマグネトロン放電が発生するように、前記給電装置（１４）によって生成される交流電圧が前記ターゲット（１２；１３）間で切り替え可能であり、
前記マグネトロン装置は、少なくとも１つの付加的な電極（１５）が一時的にアノードになるように該付加的な電極（１５）を繰り返し切り替えるためのスイッチ（１６）を有し、該付加的な電極（１５）が前記スイッチ（１６）によってアノードに切り替えられたとき、前記ターゲット（１２；１３）のうちカソードとして機能するように切り替えられたターゲット（１３）と該付加的な電極（１５）との間にマグネトロン放電が発生するように構成されていることを特徴とする、マグネトロン装置。
【請求項２】
前記付加的な電極（１５）は、前記ターゲット（１３）のうちカソードとして機能する１つのターゲット（１３）に対してのみ設けられている、請求項１記載のマグネトロン装置。
【請求項３】
前記付加的な電極は、カソードとして機能する各ターゲットごとに別個に設けられている、請求項２記載のマグネトロン装置。
【請求項４】
１つの前記付加的な電極（３３）が複数の前記ターゲットに対して設けられており、
前記付加的な電極（３３）は交互に順次、カソードとして機能する前記ターゲット（１３）に対応する、請求項１記載のマグネトロン装置。
【請求項５】
前記両ターゲット間にマグネトロン放電を発生させるために、両ターゲットは周期的に第１の周波数で交互にカソードおよびアノードとなるように切り替え可能である、請求項１から４までのいずれか１項記載のマグネトロン装置。
【請求項６】
前記付加的な電極と、前記ターゲットのうちカソードとして機能するターゲットとの間にマグネトロン放電を発生させるために、該付加的な電極は周期的に第２の周波数でアノードとなるように切り替え可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載のマグネトロン装置。
【請求項７】
前記第１の周波数は前記第２の周波数より高い、請求項６記載のマグネトロン装置。
【請求項８】
前記付加的な電極がアノードに切り替えられる時間の割合は、０％を上回り１００％未満である領域内で設定可能であり、前記マグネトロン装置の動作中に該領域内で変更可能である、請求項１から７までのいずれか１項記載のマグネトロン装置。
【請求項９】
真空チャンバ（１１）内のマグネトロンをパルス動作させるためのマグネトロンパルス動作方法であって、
少なくとも２つの相互に電気的に絶縁されたターゲット（１２；１３）が交互にカソードおよびアノードとして機能し、該ターゲット（１２；１３）間にマグネトロン放電が発生するように、少なくとも１つの給電装置（１４）を用いて該ターゲット（１２；１３）間で交流電圧を切り替え、
少なくとも１つの付加的な電極（１５）と、前記ターゲットのうちカソードとして機能するように切り替えられたターゲット（１３）との間にマグネトロン放電が発生するように、スイッチ（１６）によって該付加的な電極（１５）が一時的にアノードになるように繰り返し切り替えることを特徴とする、マグネトロンパルス動作方法。
【請求項１０】
前記ターゲットを周期的に第１の周波数で、交互にカソードおよびアノードになるように切り替え、
前記付加的な電極を周期的に第２の周波数で、アノードになるように繰り返し切り替える、請求項９記載のマグネトロンパルス動作方法。
【請求項１１】
前記第２の周波数を前記第１の周波数より低く設定する、請求項１０記載のマグネトロンパルス動作方法。
【請求項１２】
前記スイッチを、前記ターゲットにおいてカソードおよびアノードの切替が行われる時点で操作する、請求項１１記載のマグネトロンパルス動作方法。
【請求項１３】
前記マグネトロンの動作中に、前記付加的な電極がアノードに切り替えられる期間および／または前記第２の周波数を変化させることにより、前記真空チャンバ（１１）内のプラズマ密度を変化させる、請求項１０から１２までのいずれか１項記載のマグネトロンパルス動作方法。
【請求項１４】
前記真空チャンバ内でＰＶＤ法またはプラズマアシストＣＶＤ法を使用して少なくとも１つの基板に被膜するために、前記マグネトロンパルス動作方法を使用する、請求項９から１３までのいずれか１項記載のマグネトロンパルス動作方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−８４５２６（Ｐ２０１２−８４５２６Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２２６１３（Ｐ２０１１−２２２６１３）
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（５９４１０２４１８）フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツル フェルデルング デル アンゲヴァンテン フォルシュング エー ファウ (63)
【氏名又は名称原語表記】Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ−Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｚｕｒ Ｆｏｅｒｄｅｒｕｎｇ ｄｅｒ ａｎｇｅｗａｎｄｔｅｎ Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ ｅ．Ｖ．
【住所又は居所原語表記】Ｈａｎｓａｓｔｒａｓｓｅ ２７ｃ， Ｄ−８０６８６ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（５９４１０２４１８）フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツル フェルデルング デル アンゲヴァンテン フォルシュング エー ファウ (63)
【氏名又は名称原語表記】Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ−Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｚｕｒ Ｆｏｅｒｄｅｒｕｎｇ ｄｅｒ ａｎｇｅｗａｎｄｔｅｎ Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇ ｅ．Ｖ．
【住所又は居所原語表記】Ｈａｎｓａｓｔｒａｓｓｅ ２７ｃ， Ｄ−８０６８６ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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