高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング（ＨＩＰＩＭＳ）を用いたＲＦ基板バイアス
マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として、基板上にコーティングを形成するためパルスが印加されるスパッタリングを発生させるための装置が提供される。本装置は、前記マグネトロンに動作可能に接続された電源と、前記電源に動作可能に接続された少なくとも一つのキャパシタとを備える。また、第１のスイッチを備える。この第１のスイッチは、前記マグネトロンを充電させるために前記マグネトロンに前記電源を動作可能に接続し、前記第１のスイッチは、第１のパルスにより前記マグネトロンを充電させるように構成される。電気的バイアス装置が、前記基板に動作可能に接続され、基板バイアスを印加するように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００６年１２月１４日出願の米国仮出願第６０／８６９９１２号の利益を主張するものであり、その開示内容の全体が、参照することにより本明細書に組み込まれる。また、本出願は、２００６年１２月１２日出願の米国仮出願第６０／８６９５６６号の利益を主張するものであり、その開示内容の全体が、参照することにより本明細書に組み込まれる。また、本出願は、２００６年１２月１２日出願の米国仮出願第６０／８６９５７８号の利益を主張するものであり、その開示内容の全体が、参照することより本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、概して、スパッタリング(sputtering)に関し、更に詳しくは、高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング(HIPIMS; High Power Impulse Magnetron Sputtering)に関する。
【背景技術】
【０００３】
スパッタリング(sputtering)は、エネルギーイオン(energetic ions)による材料の衝撃により固体のターゲット材(a solid target material)中の原子を気相(gas phase)中に放出させる物理的処理である。このスパッタリング処理は、一般に、薄膜フィルムの堆積(deposition)に使用される。スパッタリング処理のためのエネルギーイオンは、スパッタリング装置内に誘起されるプラズマによって供給される。実際には、最適なスパッタリング条件を実現するために、プラズマの特性、特にイオン密度を修正するのに種々の技術が用いられる。プラズマの特性を修正するために用いられる技術の幾つかは、ＲＦ（高周波）交流電流、ＡＣ電源、ＤＣ電源、ＤＣ及びＡＣ電源の重畳(superposition)、双極または単極電源のようなパルスＤＣ電源、磁界の利用、そしてターゲットに対するバイアス電圧の印加を含む。
【０００４】
通常、スパッタリング源はマグネトロンであり、このマグネトロンは、ターゲットの表面近傍の閉プラズマループ(a closed plasma loop)に電子を捕獲するために磁界を利用する。この電子は、磁界周辺のループにおける螺旋状の経路(helical paths)をたどる。この電子は、発生するというよりも、ターゲット表面近くのガスの中性(gaseous neutrals)で更なる電離衝突(ionizing collisions)を受ける。スパッターガスは不活性(inert)であり、代表的にはアルゴンであるが、他のガスを使用することも可能である。これらの衝突の結果として生成される過剰なアルゴンイオンは、比較的高い堆積速度(deposition rate)をもたらす。このような磁界ループを形成するためにターゲットの向こう側に強永久磁石を配置することが知られている。ターゲットの表面上のプラズマループの位置では、レーストラック(racetrack)が形成され、それは、材料の好ましい侵食(erosion)の領域である。材料の利用を増すために、可動の磁気構成(movable magnetic arrangement)が使用され、それは、ターゲットの比較的大きな領域をプラズマループで掃引(sweep)することを可能にする。
【０００５】
直流電流(DC; Direct Current)マグネトロン・スパッタリングは、交差電界と磁界(crossed electric and magnetic fields)を用いた公知の技術である。ＤＣマグネトロン・スパッタリングの増強(enhancement)技術にはパルスＤＣ(pulsed DC)がある。この技術は、いわゆる“チョッパー(chopper)”を使用し、ＤＣ電源を単極または双極パルスの電源に変更するためにインダクター・コイルＬとスイッチが使用される（図１参照）。インダクター・コイルＬはチョッパーであり、好ましくは、ＤＣ電源とマグネトロンのカソードとの間に配置されたタップを備える。電子スイッチＳは、周期的に開閉してパルスを生成する。スイッチＳのオン時間の期間では、コイルＬのタップとマグネトロンのアノードとの間の実効的なショートカットが負のカソード電圧をオフに切り替え、好ましくは、コイルＬの単巻トランス効果(auto transforming effect)により正の電圧にオーバーシュートする。スイッチＳのオフ時間の期間では、ＤＣ電源からの電流がコイルＬに継続して流れ込み、その磁界にエネルギーを蓄える。スイッチＳが再びオフになると、短い負の高電圧のピークがマグネトロンのカソードに生じる。これは、マグネトロンプラズマの比較的速い再発生(reigniting)と、元の放電電流の回復(restoring)に役立つ。
【０００６】
従来技術で述べた高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング(HIPIMS)技術は、パルス時間が２０乃至５００μｓであって、典型的には５Ｈｚから２００Ｈｚの比較的低い繰り返し周波数のパルスを使用する。放電ピーク電流は、比較的小さいカソードについての１００Ａから、比較的大きいカソードについての４ｋＡまでの範囲をとり、それは、０．１乃至１０Ａ／ｃｍ２のオーダーのカソードでの電流密度に対応する。一般技術では、図１に示されるような配線(wiring)を使用する。ワークピース・ホルダー(work piece holder)は、ＤＣ電位のような外部電位とされるか、或いはプラズマにおける浮遊電位(floating potential)とされる。図１の従来技術は、ワークピース・ホルダーにＤＣバイアスを印加することを必要とする。
【０００７】
標準のＨＩＰＩＭＳ技術には多くの欠点が存在する。ＤＣバイアスを使用することは、基板でのイオンエネルギーを定めるのに役立つが、アーク放電(arcing)が基板上で発生するかもしれないという欠点がある。基板上でのアーク放電は、ウェハ処理が使用されているときにウェハダメージの原因となる。もう一つの欠点は、ＤＣバイアスは、また、酸化物材料を用いたビア及びトレンチのような、電気的絶縁表面には作用しないことである。
【０００８】
図２は実験結果を示す。そのデータは、ＨＩＰＩＭＳ技術の放電の状態において周波数の関数として電流の立ち上がり時間の測定値を示す。この例でのターゲットは、タンタル（Ｔａ）から構成され、その直径は３００ｍｍであり、また、この実験では回転磁石配置(rotating magnet array)を使用している。１０Ｈｚ（１００ｍｓ周期）の比較的低い繰り返し周波数では、電圧パルスの開始と電流の立ち上がりの開始との間に比較的長い遅延（約５μｓ）が存在する。この遅延は、１００Ｈｚ（１０ｍｓ周期）の繰り返し周波数が使用された場合には幾分短くなる（４μｓを越える）。５００Ｈｚ（２ｍｓ周期）の比較的高い周波数では、電流はさらに速く立ち上がり、ほんの約１．５μｓ以内である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ターゲットと基板との間に配置されたコイルの使用による高周波(RF; Radio Frequency)の誘導結合プラズマ(ICP; Inductively Coupled Plasma)を用いたプレ・イオン化(pre-ionization)は、ＨＩＰＩＭＳ応用における電流の立ち上がり時間を短縮するのに役立つことが知られている。にもかかわらず、大きなＩＣＰコイルをマグネトロンと基板の間に配置することは設計を複雑にし、粒子の発生の可能性を増加させ、そして、ターゲットと基板との間の間隔(spacing)の増加により堆積速度(deposition rate)を低下させる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下に、本発明の幾つかの態様例の基本的理解を提供するために、本発明の簡略化された概要を述べる。この概要は、本発明の広範な概説(overview)ではない。また、この概要は、本発明の決定的要素(critical element)を特定するものではなく、本発明の範囲を描くものでもない。この概要の唯一の目的は、後で述べられる更に詳細な説明の前置きとして、簡略化した形式で本発明の幾つかの概念を示すことである。
【００１１】
本発明の一態様によれば、マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置が提供される。本装置は、上記マグネトロンに動作可能に接続された電源と、上記電源に動作可能に接続された少なくとも一つのキャパシタとを備える。また、第１のスイッチが備えられる。上記第１のスイッチは、上記マグネトロンを充電させるために上記電源を上記マグネトロンに動作可能に接続し、上記第１のスイッチは、第１のパルスにより上記マグネトロンを充電させるように構成される。電気的バイアス装置が、上記基板に動作可能に接続され、基板バイアスを印加するように構成される。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置が提供される。本装置は、上記マグネトロンに動作可能に接続された電源と、上記電源に動作可能に接続された少なくとも一つのキャパシタを備える。また、第１のスイッチが備えられる。上記第１のスイッチは、上記マグネトロンを充電させるために上記電源を上記マグネトロンに動作可能に接続し、上記第１のスイッチは、第１のパルスにより上記マグネトロンを充電させるように構成される。電気的バイアス装置が、上記基板に動作可能に接続され、基板バイアスを印加するように構成される。チャック(chuck)が、上記電気的バイアス装置に動作可能に接続され、上記基板が上記チャック上に配置される。コイルが、上記少なくとも一つのキャパシタに動作可能に接続される。上記第２のスイッチは、上記マグネトロンを放電させるために動作可能に接続され、上記コイルに沿った点に接続される。上記第２のスイッチは、第２のパルスにより上記マグネトロンを放電させるように構成される。少なくとも一つの検出器が、上記マグネトロンに動作可能に接続され、上記少なくとも一つの検出器は、発生しているアークを検出するように構成される。上記第１のスイッチ及び上記第２のスイッチは、上記少なくとも一つの検出器による上記アークの検出に応答して制御され、上記アークの発生を抑制させる。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置が提供される。本装置は、上記マグネトロンを充電するために上記マグネトロンに動作可能に接続され、上記マグネトロンにパルスを供給するように構成された電源を備える。ＲＦ電気的バイアス装置が、上記基板に動作可能に接続され、バイアスパルスにより上記マグネトロンを放電させるように構成される。同期化装置(synchronization device)が、上記電源に動作可能に接続されると共に上記電気的バイアス装置に動作可能に接続される。上記同期化装置は、上記第１のパルスの遅延時間および周波数を上記バイアスパルスと同期させるように構成される。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置において基板バイアスを印加する方法が提供される。本方法は、電源からマグネトロンを充電させるために第１のパルスを第１のスイッチに印加するステップを含む。また、本方法は、上記基板に動作可能に接続された電気的バイアス装置から上記基板バイアスを印加するステップを含む。
【００１５】
前述の内容および本発明の他の態様は、添付の図面を参照して以下の説明を読めば、本発明が関連する技術分野の当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ＨＩＰＩＭＳ応用の従来技術を示す図である。
【００１７】
【図２】典型的なパルス期間での従来技術におけるＨＩＰＩＭＳ応用の電圧と電流を例示するプロット図である。
【００１８】
【図３】ＲＦ発生器を備えた本発明の第１の例を示す図である。
【００１９】
【図４】ＲＦがオフの場合の典型的なパルス期間での従来技術におけるＨＩＰＩＭＳ応用の電圧と電流を例示するプロット図である。
【００２０】
【図５】図３のチャック上で低出力のＲＦが使用される場合の典型的なパルス期間でのＨＩＰＩＭＳ応用の電圧と電流を例示するプロット図である。
【００２１】
【図６】図３のチャック上で比較的高出力のＲＦが使用される場合の典型的なパルス期間でのＨＩＰＩＭＳ応用の電圧と電流を例示するプロット図である。
【００２２】
【図７】ＲＦバイアスを使用しない場合の基板のボトム厚を示すＨＩＰＩＭＳ応用の図である。
【００２３】
【図８】ＲＦバイアスを使用した場合の基板のボトム厚を示すＨＩＰＩＭＳ応用の図である。
【００２４】
【図９】異なるモードを適用するための２つのスイッチと組み合わせてＲＦバイアスを用いた本発明の第２の例を示す図である。
【００２５】
【図１０】図９と共に使用するための高周波モードの例を示す図である。
【００２６】
【図１１】図９と共に使用される主パルス内の複数の副パルスの例を示す図である。
【００２７】
【図１２】図９と共に使用するためのパルス・プレ・イオン化モードの例を示す図である。
【００２８】
【図１３】２つのスイッチ及びアーク検出構成と組み合わせてＲＦバイアスを用いた本発明の第３の例を示す図である。
【００２９】
【図１４】異なるモードを適用するための２つのスイッチ及びアーク検出構成と組み合わせてＲＦバイアスを用いた本発明の第４の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図面を参照して、本発明の１又は２以上の態様を組み込んだ例を説明する。これらの例示的な例は、本発明に関する制限を意図するものではない。例えば、本発明の１又は２以上の態様は他の実施形態で利用可能であり、他のタイプの装置でも利用可能である。また、本明細書では、或る専門用語(terminology)は、便宜的に使用されるものであり、本発明を限定するものとして受け取られるべきではない。更にまた、図面では、同一の参照番号は同一の要素を示すものとして導入されている。
【００３１】
図３は、本発明の第１の例を示す。例えば、本発明は、図１の配線のような、標準的なＨＩＰＩＭＳ配線を使用することが可能であるが、加えて、ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置１０が基板１４に接続される。例えば、この電気的バイアス装置は、基板１４を保持するチャック(chuck)１２に接続されることができる。この第１の例は、カソード及びアノードを具備するマグネトロン(magnetron)と、上記マグネトロンの近傍に配置され、上記基板上にコーティングを形成するために原子をスパッタするために使用されるターゲットと、上記マグネトロンに動作可能(operably)に接続された電源と、上記電源に動作可能に接続された少なくとも一つのキャパシタＣと、上記マグネトロンを充電するために動作可能に接続され、上記マグネトロンに第１のパルスを供給するように構成された第１のスイッチＳ１とを備えることができる。従って、図３の例は、ＨＩＰＩＭＳパルシング(HIPIMS pulsing)と一緒に、ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置１０を使用することを含む。一例において、ＨＩＰＩＭＳパルシングは、マグネトロンのカソード上の電流密度が０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間である場合に適用できる。この電流密度は面積平均であることができる。チャック１２を備えた例では、このチャック１２は、基板１４を保持するウェハ台であることができる。この例における基板１４はウェハであるが、他の応用については基板は他の材料であってもよい。マグネトロンとチャック１２の間の距離は比較的小さく、概して２０ｍｍ乃至１００ｍｍの間である。テスト実験は５０ｍｍで実施された。マグネトロンの磁力線は、好ましくは不平衡マグネトロン磁界の形式で、少なくとも１０ガウスの磁界強度でチャック１２に到達する。このように、磁気的制限(magnetic confinement)は、マグネトロン・プラズマがオフの場合にＲＦ放電(RF discharge)の安定度(stability)を改善する。同時に、パルス間での残りのＲＦ放電は、一例の方法では、ＨＩＰＩＭＳ放電についてのプレ・イオン化として作用する。ＨＩＰＩＭＳパルスは、図３の例では、第１のスイッチＳ１を通じて供給され、この第１のスイッチＳ１は、マグネトロンを充電するために動作可能に接続され、上記第１のパルスにより上記マグネトロンを充電するように構成される。
【００３２】
図３の更なる例においては、マッチングユニット(matching unit)１６を、電気的バイアス装置１０とチャック１２との間に配置することができる。このマッチングユニット１６は、基板及び／又はチャックでのプラズマのインピーダンスと基板のインピーダンスとをマッチングさせるように構成される。マッチングユニット１６の位置として他の位置を使用することもできる。図３の他の例では、ＲＦセルフバイアスモニタ装置２０が、上記チャックと動作可能に接続されることができる。このモニタ装置２０の位置として他の位置を使用することもできる。ＲＦセルフバイアスモニタ装置２０は、上記チャックでのＲＦセルフバイアスをモニタするように構成される。
【００３３】
チャック１２に接続された、ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置１０を組み合わせることは、通常、比較的高速で、より信頼性のあるＨＩＰＩＭＳパルスの発生(ignition)をもたらすことができる。パルス間の遅延時間がより短い場合、パルス間でキャパシタを充電するために供給されるエネルギーは比較的小さく、上記キャパシタは、より低い容量を持つことができ、それは、比較的、より小さな寸法と、より低いコストをもたらす。比較的高い周波数を有する短いパルスは、本発明の方法を用いて提供される。
【００３４】
ＤＣバイアスと比較して、容量性のＲＦバイアスのようなＲＦバイアスを用いることの他の利点は、ＲＦバイアスが、通常、アーク放電と基板またはウェハのダメージを低減し、または除去さえすることである。また、ＲＦバイアスは、酸化物材料を使用するビア及びトレンチでのような絶縁表面に作用する。ＩＣＰコイルにＲＦバイアスを用いることの追加の利点は、マグネトロンと基板との間にＩＣＰコイルを必要としないので、ターゲット−基板の距離をより短くすることができることである。また、反応炉(reactor)における粒子がより少ないことにより、また、より短いターゲット−基板の距離の結果、比較的高い堆積速度が得られる。
【００３５】
図４−６のプロットは、チャックに接続された、ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置を備えることの利点を例示している。図４−６は、カソードタイプがＡＲＱ１５１のOerlikon ClusterLine CL200を用いて得られたものである。これらのプロット例でのターゲットは、タンタル（Ｔａ）から構成され、このターゲットの直径は３００ｍｍである。不活性ガスの一例として使用されるアルゴンガスが、概ね２５sccm(standard cubic centimeter per minute)のガス流速で使用され、基板の温度制御を可能とするために、チャックと基板との間ではガス流速は概ね５sccmである。このガス流速は、ターゲットと基板を収容するチャンバに移動するガスの量である。この例では、低温ポンプ(cryogenic pump)である真空ポンプによる継続的なポンピングの効果は、概ね６×１０−３mbarの定常状態の圧力をもたらす。このプロット例におけるパルスは、５００Ｈｚの周波数と、１５μｓのオン時間と、概ね１４００Ｖの電圧を有する。従って、この周波数は、第１のパルスを通じて印加される。
【００３６】
図４は、ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置を使用しない典型的なパルス期間での従来技術におけるＨＩＰＩＭＳ応用の電圧と電流を例示するプロットを示す。従って、図４は、従来技術の例であり、ＨＩＰＩＭＳパルス期間で電流が立ち上がるための約１０μｓの典型的な遅延を示す。オン時間の最後の５μｓにおいてのみ、電流が概ね９８０Ａのピーク値に上昇している。
【００３７】
図５は、図３のチャック上に１０Ｖのセルフバイアスが使用された状態で、ＲＦ発生器が１７Ｗの比較的低出力のＲＦロード(RF load)を印加するために使用される場合の典型的なパルス期間でのＨＩＰＩＭＳ応用の電圧と電流を例示するプロットを示す。上述のＲＦロードとセルフバイアス電圧の両方とも、多数のパルス期間にわたって決定された時間平均値である。上記低出力ＲＦは上記チャック上で使用され、第１のパルス期間のような、パルスの開始(start)と電流の立ち上がりの開始(beginning)との間の遅延は非常に短く、概ね１．８μｓである。この例における電流は、ＲＦを使用しない場合の９８０Ａのピーク値に比較して、概ね１５８０Ａの非常に高いピーク電流値にまで上昇する。この実験の他の例では、他の動作範囲が同様の結果を提供し得る。例えば、５Ｖ乃至５０Ｖのセルフバイアスでの１０Ｗ乃至５０ＷのＲＦロードは、５００Ａを超える増加したピーク値の範囲では２μｓ未満の遅延をもたらす。
【００３８】
図６は、１０３Ｖのセルフバイアスで１３２Ｗの比較的高出力のＲＦが図３のチャック上で使用され、時間平均として再度測定された場合の典型的なパルス期間でのＨＩＰＩＭＳの電圧と電流を例示するプロットである。比較的高出力のＲＦがチャック上で使用される場合、第１のパルス期間のような、パルスの開始と電流立ち上がりの開始との間で電流が立ち上がりを開始する遅延は、図５の低出力ＲＦ応用におけるものよりさえも短く、その遅延は約０．８μｓである。この電流は、実に比較的速く立ち上がり、より高いＲＦ出力は、通常、概ね１０３Ｖの比較的高いセルフバイアス電位をもたらす。この電流のピーク値は、この例では概ね１５００Ａである。セルフバイアス電圧を調整することにより、ウェハのような基板に衝突するイオンのエネルギーは制限(regulate)される。従って、セルフバイアス電圧は、基板に所望のコーティングを提供するように調整される。この実験の他の例では、他の動作範囲が同様の結果を提供し得る。例えば、５０Ｖを超えるセルフバイアスでの５０Ｗを超えるロード(load)は１μｓ未満の遅延をもたらす。
【００３９】
また、ＲＦ出力(RF power)を提供することは、第１のスイッチＳ１によって印加されるＨＩＰＩＭＳパルスが比較的低い圧力範囲で開始することを可能にする。例えば、ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置を使用しない場合でのほんの約１５sccmのアルゴンガス流速を用いて実施された実験では、ＨＩＰＩＭＳインパルスを生成することに失敗した。この流速に対応するガス圧は約３×１０−３mbarである。しかしながら、ＨＩＰＩＭＳインパルスは、同一のアルゴンガス流の条件下では５０Ｗを上回るＲＦ出力で発生することができる。５０Ｗを上回るＲＦ出力では、ＨＩＰＩＭＳインパルスは繰り返し開始する。また、他の低圧力動作が可能であり、１５sccmのアルゴンガス流は、本発明の応用の一例にすぎない。また、５０Ｗを上回るＲＦロードは、２０sccmを下回る任意のガス流速で発生することができる。同様に、５０Ｗを上回るＲＦロードは多様なガス圧力で発生し得る。一例において、ガス圧力は、概ね２×１０−４乃至５×１０−３mbarの範囲であり、それは、２×１０−２乃至５×１０−１Paと等価である。
【００４０】
ＲＦ出力を供給することの他の利点は、本発明を使用することにより、ターゲットのより良好なボトムカバレッジが得られることである。図７及び図８にその結果が示される実験は、ターゲットの改善されたボトムを示している。この実験では、深さが約１８０μｍで幅が約５０μｍのトレンチの堆積のためにタンタル（Ｔａ）ターゲットが使用された。図７は、ＲＦバイアスを使用しない場合の基板上のカバレッジの結果を示す。図７は、約２５１ｎｍのボトム厚が測定されたことを示す。加えて、トップ厚(top thickness)はほんの約１．７μｍで測定され、ほんの約１５％のボトムカバレッジという結果になっている。図８には、ＲＦバイアスを使用した場合の結果が示されている。これは、ボトム厚が約４１０ｎｍで、トップ厚が約２．０μｍという結果になっており、概ね２１％の改善されたボトムカバレッジを与えている。基板のボトムのカバレッジに生じるこの改善は、ＲＦシース(RF sheath)によるものであり、このＲＦシースは、基板表面とチャックの表面の近傍に形成される。ＲＦシースがチャックの表面の近傍に形成されると、それは、基板とチャックの表面に向かうイオン化された金属イオンの誘引(attraction)をもたらす。結果として、更なるイオンがシースに方向づけられるようになって表面に衝突し、及び／又は、それらの角拡散(angular spread)が狭くなる。
【００４１】
本発明の方法の一例は、基板上にコーティングを形成するためにパルスが印加(apply)されるスパッタリングを発生させるための装置において基板バイアスを印加するステップを含む。この方法における一つのステップは、電源からマグネトロンを充電するために第１のスイッチに第１のパルスを印加することである。この方法の例における他のステップは、上記基板に動作可能に接続された電気的バイアス装置から基板バイアスを印加することである。また、本方法の例は、第１のパルスの期間、或いは、第１のパルスパターンで生じるパルス間で、ＲＦ発生器のＲＦ放電を使用するステップを含むことができる。ＨＩＰＩＭＳパルスのような、第１のパルスの期間でＲＦ放電を使用することは、マグネトロンの放電のためのプレ・イオン化(pre-ionization)を実現するであろう。本発明の他の応用例では、ＲＦ出力は、堆積に先立って基板を事前洗浄(per-clean)およびエッチングするために利用することができる。表面酸化物のような最上層のスパッター洗浄または選択的スパッタリングのような基板のエッチングは、ターゲットの汚染(contamination)を回避するためにシャッターを閉じた状態で行われる。そして、基板の堆積は、シャッターが開かれてから開始することができる。本方法の他の応用例では、本方法は、基板に衝突するイオンのエネルギーを調節して基板に所望のコーティングを提供するために基板バイアスの電圧を調整するステップを更に含むことができる。
【００４２】
本発明の他の応用例では、ＲＦ出力は、パルスモード(pulsed mode)の動作において印加される。この例では、２００Ｗを上回るＲＦについての比較的高い出力を使用することが望ましく、好ましくは、５００Ｗ乃至１０ｋＷのピーク出力である。パルスモードの動作においてＲＦを稼動させている間、本装置は、ＨＩＰＩＭＳパルシング(HIPIMS pulsing)と同期化されることができる。好ましい動作では、ＲＦパルスが最初に開始され、それから、ＨＩＰＩＭＳマグネトロンパルスが、第１のスイッチＳ１の使用を通じて印加されることができる。ＲＦパルスは、ＨＩＰＩＭＳ電圧パルスがオフに切り替わる前に、オフに切り替えられることができる。或いは、ＲＦパルスは、ＨＩＰＩＭＳ電圧パルスがオフに切り替わった後に、オフに切り替えられることができる。ＲＦ出力をＨＩＰＩＭＳパルシングと同期化する例では、本装置は、マグネトロン、電源、ＲＦ電気的バイアス装置１０、同期化装置１８を備えることができる。電源は、マグネトロンを充電するためにマグネトロンに動作可能に接続され、上記マグネトロンに第１のパルスを供給するように構成される。パルス電源(pulsed power supply)は、電源をマグネトロンに動作可能に接続する第１のスイッチを備えることができ、上記第１のスイッチは、第１のパルスをマグネトロンに供給するように構成される。上記第１のパルスを供給するために他の構成を用いることもできる。ＲＦ電気的バイアス装置は、上記基板に動作可能に接続され、バイアスパルスにより上記マグネトロンを放電させるように構成される。同期化装置１８は、図３の例に示されるように、電気的バイアス装置１０に動作可能に接続されると共に、上記電源に動作可能に接続される。同期化装置１８は、第１のパルスの遅延時間及び周波数を上記バイアスパルスに同期させるように構成される。例えば、第１のパルスの遅延時間及び周波数は、異なるタイプのバイアスパルスに基づいて様々に変えることができる。更なる例では、電源は、デューティ・サイクルが約０．０１％と２０％の間にあって周波数が約１Ｈｚ乃至２０ｋＨｚの範囲にある第１のパルスをマグネトロンに供給するように構成される。更なる他の例では、電源は、デューティ・サイクルが約２％と５０％の間にある第１のパルスをマグネトロンに供給するように構成される。他の例では、上記同期化装置は、第１のパルスが供給される前に、約０．１μｓ乃至５００μｓの遅延時間を設けてバイアスパルスを供給するように構成される。
【００４３】
第２の例では、電気的バイアス装置１０を備える本発明の方法と装置は、図９に示されるように、ＨＩＰＩＭＳおよび高周波ＨＩＰＩＭＳモードを含む種々のモードを印加するための２つのスイッと組み合わされる。ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置１０は、基板１４を保持するチャック１２へのように、基板１４に動作可能に接続される。図９の本発明の例は、この構成において第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２を備える。第１のスイッチＳ１は、マグネトロンに動作可能に接続され、第１の電圧を供給すると共に第１のパルスによりマグネトロンを充電させることができるように構成される。第２のスイッチＳ２は、マグネトロンを放電させるために動作可能に接続され、第２のパルスによりマグネトロンを放電させるように構成されることができる。また、この例では、インダクタンスを備えることができ、このインダクタンスは、少なくとも一つのキャパシタと動作可能に接続される。この例では、インダクタンスはコイルＬであるが、当然ながら、そのインダクタンスを提供するために他の構成を使用することもできる。コイルＬは、マグネトロン放電電流の立ち上がりの傾きを制限する。また、コイルＬは、アークが発生した場合にピーク電流を制限する。
【００４４】
図９の例を用いた多くの動作モードが存在する。図９の例についての動作モードの一つでは、図１０に示されるように、第１のスイッチＳ１についてのパルスフォーム、即ち第１のパルスは高い周波数を有している。第１のスイッチＳ１の第１のパルスについてのパルスフォームと、第２のスイッチＳ２の第２のパルスについてのパルスフォームの例は、この高周波モードについて図１０に示されている。図１０の高周波モードは、２００Ｈｚ−１００ｋＨｚの高周波パルス動作を含む異なるレベルで動作されることができ、好ましい例は、１ｋＨｚ乃至２０ｋＨｚの間で生じる。また、低出力損失の比較的低い実効デューティ・サイクル（０．１％乃至１０％）は、このモードで実現され得る。０．２μｓ乃至１００μｓのオン時間（ｔ１−ｔ０の期間）は、この例で使用されることができ、好ましい例は、２μｓ乃至４０μｓで生じる。
【００４５】
高周波モードは、時刻ｔ０で、充電されたキャパシタＣをコイルＬに接続することから開始する。当然ながら、充電されたキャパシタは、少なくとも一つのキャパシタであることができ、図は複数のキャパシタを示すことができる。時刻ｔ２で開かれるようにスイッチ２を活性化することにより、遅延時間（ｔ２−ｔ０）の後にプラズマを発生させる。コイルＬに蓄えられたエネルギーは電圧オーバーシュートをもたらし、この電圧オーバーシュートは、図１０の例に示されるように、マグネトロン電流の比較的速い立ち上がり時間で、マグネトロンのカソード上にほとんど即座に発生する。このマグネトロンの放電電流は、時刻ｔ１（Ｓ１がオフ）と時刻ｔ３（Ｓ２がオン）の間に減衰する。時刻ｔ３は、期間の残りを含んで、時刻ｔ１の後の短い時間から比較的長い時間までの間で選ぶことができる。図１０のモード例における各第１のパルスは、（ｔ２−ｔ０）の同一の初期期間で比較的速い立ち上がりの電流と電圧オーバーシュートを伴って開始する。エネルギー効率は、キャパシタＣを充電するために使用される第１のスイッチＳ１についての比較的長いオフ時間によって達成される。この期間は、時刻ｔ０が生じる前の期間により示される。初期期間（ｔ２−ｔ０）は比較的短く、コイルＬにエネルギーを蓄えるために使用される。この比較的短い時間は、第２のパルスが第２のスイッチＳ２を活性化する前に第１のスイッチＳ１が活性化されてコイルＬにエネルギーを蓄えるときに経過(elapse)する。第２のスイッチＳ２の活性化は、マグネトロンの放電を生じさせる。時刻ｔ０−ｔ１から、キャパシタＣの充電はコイルＬをロード(load)させ、マグネトロンの電流の放電が発生する。具体的には、マグネトロン放電は時刻ｔ２−ｔ３から発生する。時刻ｔ１−ｔ３から、コイルＬからの残りのエネルギーがマグネトロンへ放電される。
【００４６】
図９の例についての第２の動作モードが図１１に示される。このモードでは、第２のパルスは、第１のパルスの一つの主ＨＩＰＩＭＳパルス内に形成される複数の副パルスを与える(exert)。第１のパルスは、マグネトロンに電圧を供給するための単一で比較的長いパルスであることができ、第１のパルスは、期間ｔ１−ｔ０の期間で、第１のスイッチＳ１を使用することにより形成される。第２のパルスは、複数の副パルスであることができ、または、より短い１組の副パルスであることができ、それらは、図１１のモードの例において示されるように、スイッチＳ２で形成される。図１１のモードは、１Ｈｚ−１０ｋＨｚの主周波数を含む異なるレベルで動作されることができ、好ましい例は、１０Ｈｚ乃至１ｋＨｚの間で生じる。第１のパルスは、このモードで使用することができるデューティ・サイクル（０．１％乃至１０％）を有する。このモードでは、０．２μｓ乃至１００μｓのオン時間（ｔ１−ｔ０の期間）が使用され、好ましくは２μｓ乃至２０μｓが使用されることができる。第２のパルスのオン時間（ｔ３−ｔ２の期間、それは、Δｔｏｎに等しい）は、０．２μｓ乃至１００μｓであることができ、好ましい例は、２μｓ乃至２０μｓである。同様に、第２のパルスのオフ時間（Δｔｏｆｆの期間）は、０．２μｓ乃至１００μｓであることができ、好ましい例は、２μｓ乃至２０μｓである。第２のパルスのデューティは広い範囲の値をとることができるので、多くのモードの例が存在する。例えば、第２のパルスのデューティ・サイクル（Δｔｏｎ）／（Δｔｏｎ＋Δｔｏｆｆ）は、３０％乃至９９％の範囲をとり得る。当然ながら、第２のパルスについての多様な期間および異なるタイプの定数を含んで、多くの異なるタイプのパルス構成が案出され得る。例えば、Δｔｏｎでさえも、Ｓ１の単一の主ＨＩＰＩＭＳパルス内の各第２のパルスの期間の異なる値の時間を有することができる。
【００４７】
図１１の第２のモード例の動作中に、期間ｔ１−ｔ０は、キャパシタＣを充電し、コイルＬをロード(load)させ、そしてマグネトロンの電流を放電させるために使用される。第２のパルス、または第１の副パルスは、スイッチＳ２が開いたときにに適切な遅延を伴って開始することができる。時間ｔ０−ｔ２の期間、キャパシタＣの充電はコイルＬをロード(load)させるのみである。コイルＬに蓄えられたエネルギーは、マグネトロンのカソード上に電圧オーバーシュートをもたらすと共に、マグネトロン電流の比較的速い立ち上がり時間をもたらす。そして、第２のパルスは、スイッチＳ２を開及び閉にスイッチングさせることにより、より短いパルスのシーケンスを与える。第２のパルス内の各パルスは、電圧オーバーシュートと、比較的速い電流の立ち上がりを伴って開始することができる。具体的には、マグネトロン放電は、スイッチＳ２がターンオンするたびに、時刻ｔ２−ｔ３から発生する。期間ｔ１−ｔ３の間、コイルＬからのエネルギーがマグネトロンへ放電される。第２のパルスの副パルスの組の終端で、マグネトロン放電電流は、スイッチＳ１がターンオフする時刻ｔ１の後、コイルＬに蓄えられたエネルギーの残りが放電されるまで減衰する。時刻ｔ０の前のスイッチＳ１のオフ時間の期間でキャパシタＣは充電され、エネルギー入力がない状態でプラズマ密度は減衰する。
【００４８】
図９の第３のモードが図１２に示されている。このモードは、パルス・プレ・イオン化(pulsed pre-ionization)モードと称される。このモードは、図１０の第１のモードと図１１の第２のモードとの交互シーケンスであり、第２のパルスの複数の副パルスは、図１０のモードによる第１のパルス内に形成され、主ＨＩＰＩＭＳパルスである。このように、平均放電出力を低く保つことによりプラズマ密度の減衰が急激すぎないことを確保するために、スイッチＳ１の第１のパルスの期間で使用することができる第２のパルス内に第１のモードと同様のパルスが存在する。従って、この例のモードは、最初の二つの例のモードの要素を組み合わせたものと考えることができる。図１２の例におけるＳ１のグラフでは、第１の長いパルスは、第２のモードの動作によるパルスに対応し、一方、３つの後続のパルスは、第１のモード、即ち“高周波”モードの動作を示す（図１０参照）。二つのモード間のレートは、技術的な必要性に応じて選択される。従って、一つの例では、第１のパルスと第２のパルスは、第１のモード（図１０）と第２のモード（図１１）との間で周期的に変わることができる。従って、図１２のモードは、前述したように、第１のモードの特性と入れ替わる第２のモードの周波数（“主周波数”）によって特徴づけられる。何れのモードでも第１のパルスの主周波数は１Ｈｚ−１０ｋＨｚであり、好ましい例は、１０Ｈｚ乃至１ｋＨｚで生じる。或るモードでは、０．２μｓ乃至１００μｓのオン時間（ｔ１−ｔ０の期間）が使用され、好ましくは、２μｓ乃至２０μｓが使用される。第１のパルスのオフ時間の期間での第２のパルスの副パルスのオン時間は、０．２μｓ乃至１０μｓであり、好ましい例は、１μｓ乃至５μｓの間である。第１のパルスのデューティ・サイクルは、このモードでは０．１％と１０％の間であることができる。第１のスイッチＳ１のオフ時間の期間での第２のパルスの副パルスのデューティ・サイクルが広い範囲の値を有することができるので、何れのモードでも多くの例が存在する。例えば、オフ時間の期間での第２のパルスについての副パルスのデューティ・サイクル（Δｔｏｎ）／（Δｔｏｎ＋Δｔｏｆｆ）は０．０１％乃至２０％の範囲であることができる。また、他のタイプのパルスを、第１のモード例における要素とは異なる第２のパルス内で使用することができる。
【００４９】
図１０−１２の例のいずれも、基板上にコーティングを形成するために電圧パルスが印加されるスパッタリングを発生させるための装置において基板バイアスを印加する方法として使用することができる。この方法の例では、第１のパルスは、電源からマグネトロンを充電するために第１のスイッチに印加される。また、この方法の例は、基板に動作可能に接続された電気的バイアス装置から基板バイアスを印加するステップを含む。この方法の例では、第１のパルスは、図１０−１２の例を含むことができる。ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置は、基板に動作可能に接続され、基板バイアスを印加するように構成される。
【００５０】
図９の第１の例におけるように、高電圧、大電流で、比較的速いスイッチを有する追加の電子装置を実装することの技術的な複雑さにもかかわらず、本発明の発生器自体は、より小さく、より安価で、より高速である。パルス間の遅延時間がより短い場合、パルス間でキャパシタを充電するために供給されるエネルギーは比較的小さく、キャパシタは、比較的低い容量を有することができ、そのことは、比較的、より小さい寸法と、より低いコストをもたらす。コイルＬの変換効率は、電源での低電圧の使用を可能にする。従って、電源のコストを低減することができる。また、より小さなキャパシタは、フィードバックループを調節する遅延を、より少なくすることを可能にする。
【００５１】
いずれの利点も、信頼性があって繰り返し可能でアークのない処理に寄与し、それは、半導体ウェハ、薄膜ヘッド、ＭＥＭＳ、光データ記憶装置、磁気データ記憶媒体、またはフラットパネルディスプレイの処理のような、粒子の影響を受けやすい基板の短処理（２００ｍｓ乃至１０ｍｉｎ）に重要な特徴である。本発明の他の利点は、チョッパースイッチＳ２がターンオンするときのチョッパー・オフ時間の有益な効果に関する。スイッチＳ２は、コイルＬに沿った点に動作可能に接続された場合にチョッパースイッチとして使用されることができる。スイッチＳ２が接続されないチョッパー・オフ時間の期間、ターゲット電圧は正の値に切り替わる。プラズマからの或る電子はターゲット上で終了し、そしてプラズマ電位は正の値に達する。シース(sheath)、プレシース(pre-sheath)、およびプラズマ中に存在していたイオンは、いまや、ターゲットから基板および壁に向けて加速される。単一のパルスについての効果は、パルスのオフ時間とターゲット電圧に依存する。最終的な効果は、繰り返し周波数に部分的に依存する。また、効果は、コイルＬに沿ったスイッチＳ２の接続点に依存する。この接続点はタップ(tap)と呼ぶことができる。タップとコイルＬのマグネトロン端との間に存在する更なる巻線は、より高い電圧変換効率、オフ時間の期間でのターゲット上でのより高い正電圧、および、より高いイオンエネルギーと近ターゲット領域からのイオンの比較的速い減少(depletion)をもたらす。
【００５２】
ＲＦバイアス及びスイッチング方法を含む第２の例を用いた膜堆積(film deposition)の方法は、フロントエンドの半導体ウェハの処理においてビア及びトレンチのメタル形成に使用することができる。また、本方法は、一般的なメタル形成(metallization)、スルー／ウェハビアのための、シリコンにおけるディープビアにおけるシード層またはウエッティング(wetting)層に使用することができる。例えば、第２のパルスと、インダクター・コイルに沿った第２のスイッチの位置は、両方とも、基板に所望のコーティングを提供するために調整することができるほか、基板上に１又は２以上の層を形成するために調整することもできる。追加の層の例は、ウエッティング層またはシード層であり得る。また、本方法は、チョッパー・オフ時間及び／又はコイルタップの位置によりトレンチ及び／又はビアにおけるボトム及び／又はサイドウォールのカバレッジを最適化するために使用できる。他の例では、本方法は、チョッパー・オフ時間及び／又はコイルタップの位置を調整することにより基板に対するイオン束を最適化するのに使用することができる。また、堆積速度(deposition rate)は、第２のパルスのオフ時間（即ち、チョッパー・オフ時間）の調整及び／又はインダクター・コイルに沿った第２のスイッチの位置の調整により最適化することができる。従って、多くの応用に望ましい比較的高い複数の異なる堆積速度が得られる。スイッチＳ２との接続点が調整可能なコイルのように、より多くの切り替え可能なタブを有するコイルを使用すること、またはコイルＬを変更することは、装置にとって最適なレベルを見つけ出すのに役立つ。このような効果は、基板に対するイオン束のほか、イオンエネルギーを最適化するのに使用することができる。半導体ウェハにおけるビア及びトレンチ或いは基板上の他の構造のボトムおよびサイドウォールのカバレッジも同様に最適化することができる。さらに、パルシング(pulsing)と共にＲＦ発生器を使用する本方法は、第２のパルス（即ちチョッパー・オフ時間）の調整、及び／又は、インダクター・コイルに沿った第２のスイッチの調整のようなコイルタップの位置の調整により、コーティングの、膜応力(film stress)、微細構造(microstructure)、力学的特性(mechanical property)、電気的特性、光学的特性、および他の特性を最適化するために使用することができる。
【００５３】
ＤＣマグネトロン・スパッタリングと比較した場合のＨＩＰＩＭＳ応用における低い比速度(a low specific rate)という前述の欠点は、本発明のパルスシング方法により一部埋め合わせることができる。チョッパー・オン時間の区間が、ターゲット・シース及びプレシースを横切るイオンの飛翔時間（概ね０．２μｓ乃至５μｓの範囲）に匹敵すれば、イオン化されスパッタ(spatter)された粒子のほとんどがターゲットに引き戻されないように抑制することが可能である。この粒子は、イオンがターゲットに到達する前に、逆方向の電界と加速度を生じるチョッパー・オフ時間によりターゲットに引き戻されることが抑制される。
【００５４】
第３の例では、本発明の方法および装置は、図１３に示されるように、アーク検出構成と組み合わされる。電気的バイアス装置１０は、基板１４を保持するチャック１２に接続されるようにして、基板１４に動作可能に接続される。その基本的な概念は、アークが発生し又は発生し始めているときにアークが検出された後にマグネトロンのカソードの近傍の位置でのアークの発生を防止(prevent)または抑制(inhibit)することである。図１３の例は、少なくとも一つの検出器を備えている。この検出器は、電圧計（Ｖ）または電流系（Ａ）のような計測器(meter)を備えることができる。他の例では、検出器は、アンペア(amps)、ボルト(volts)、またはアークが発生していることを検出するための複数の指標(indicators)をモニタすることができるデバイスであり得る。図１３の例では、二つの検出器、即ち電圧計（Ｖ）および電流計（Ａ）がマグネトロンの近傍に配置されている。電圧計（Ｖ）と電流計（Ａ）は、アークが発生していること又は発生し始めていることを検出するように構成される。当然ながら、他の例では、一つの検出器のみを備えもよく、他の例では、マグネトロンの近くの位置を含む種々の位置に更なる検出器を備えてもよい。一つの検出器を備える場合、それは、アークが発生していることを検出するように構成された電圧計または電流計の何れかであり得る。図１３の例は、また、カソード及びアノードを具備するマグネトロンと、上記マグネトロンの近傍に配置され、基板上にコーティングを形成するために原子をスパッタするために使用されるターゲットと、上記マグネトロンに動作可能に接続された電源と、上記電源に動作可能に接続された少なくとも一つのキャパシタＣと、上記マグネトロンを充電させるために動作可能に接続され、第１のパルスにより上記マグネトロンを充電させるように構成された第１のスイッチＳ１とを備えることができる。上記電源はＤＣ電源であり得る。
【００５５】
第２のスイッチＳ２は、図１３の例では、マグネトロンのカソードの近傍に配置される。第２のスイッチＳ２は、マグネトロンに動作可能に接続され、少なくとも一つの検出器によりアークの発生が検出されると、マグネトロンを放電させ、アークの発生を抑制するように構成される。第２のスイッチＳ２は、通常は開放しており、パルスシング動作(pulsing operation)を可能にする。アークが検出された場合、第２のスイッチＳ２はオンに切り替わり、マグネトロンのカソードとアノードとの間に実効的なショートカット(shortcut)を形成する。第２のスイッチＳ２がショートカットを形成すると同時に、第１のスイッチＳ１がオフに切り替わる。或いは、第２のスイッチＳ２がターンオンされてエネルギーのためのショートカットを形成したときに、第１のスイッチＳ１は、第２のスイッチＳ２が活性化される前または後の短い期間でターンオンすることができる。従って、第１のスイッチＳ１は、また、少なくとも一つの検出器によるアーク発生の検出に応答して制御されることができる。スイッチＳ１は、上記アークの発生を抑制または制限するように制御されることができる。第２のスイッチに加えて第１のスイッチを制御することは、装置におけるエネルギーの追加の制御を提供する。また、コイルＬのようなインダクタンスは、図１３の例のアーク検出例と共に使用することもでき、ここで、上記コイルは、上記少なくとも一つのキャパシタＣと動作可能に接続され、このコイルは、アークが発生したときにピーク電流を制限すると共に、マグネトロンの放電電流の立ち上がり時間を制限するように構成される。
【００５６】
第４の例では、本発明の方法および装置は、図１４に示されるように、比較的速いアーク抑制構成と共に、高周波ＨＩＰＩＭＳにおける比較的速いスイッチング電源と組み合わせることができる。この例はコイルＬ２を使用し、それは、図１３に示されるスキームに加えて、チョッパー効果を生じさせるためにコイルＬに沿った点に接続されたスイッチＳ２を備えることができる。この例では、スイッチＳ２は、第２のパルスを供給するように構成され、また、装置における少なくとも一つの検出器によりアークの発生が検出されると、活性化されてアークの発生を抑制するように構成される。図１４において、電源は、キャパシタＣのバンクを開始電圧にまで充電し、それは或るインダクタンスＬcabおよび抵抗Ｒcabを有するケーブルを通じてマグネトロンへ放電される。電源はＤＣ電源であることができる。コイルＬ２は、従来技術と同様のＨＩＰＩＭＳ動作期間での機能を有し、即ち、マグネトロン放電電流の立ち上がり時間を制限する。また、図１４のコイルＬ２は、アークが発生したときにピーク電流を制限する。図１４の例は、また、カソード及びアノードを具備するマグネトロンと、マグネトロン近傍に配置されたターゲットを備え、このターゲットは、基板上にコーティングを形成するために原子をスパッタリングするために使用される。図１４は、図示されるように、電流と電圧を測定するアーク検出装置を備えるが、他の例では、アークを測定するのに一つの検出器のみが必要である。好ましくは遅延時間を最小化するために、カソードで直接的にアークが検出された後、スイッチＳ２はオンに切り替わり、そしてスイッチＳ２が接続されたコイルＬ２に沿った点とマグネトロンのアノードとの間に実効的なショートカットを形成する。アーク発生の検出は、第２のスイッチＳ２を活性化して、アークの発生を抑制する。従って、この検出は、アークの発生、またはアークが発生し始めていることの検出に装置を反応させることにより、アークの有害な影響を低減する。このことは、マグネトロンのカソード上での電圧がゼロである更に短い時間をもたらし、その後、コイルＬ２の単巻トランス効果(auto transforming effect)による正の電圧が続く。上記ショートカットは、比較的速くアークを消滅させるのに役立つ。
【００５７】
また、図１４の例は、図９について述べたパルシング方法を提供するように構成され、ここで、第１のスイッチＳ１は、第１のパルスによりマグネトロンを充電させ、第２のスイッチＳ２は、第２のパルスによりマグネトロンを放電させる。図９で使用された３つのモード例のいずれも、図１４の２つのスイッチと共に使用することができる。さらにまた、この例は、基板１４とチャック１２についてＲＦ発生器１０を備える。
【００５８】
本発明は、上述の実施形態を参照して説明された。当業者であれば、この明細書の解釈および理解に基づいて修正および変更が可能であろう。本発明の１又は２以上の態様を含む実施形態は、添付の請求項の範囲内から得られる限度において、このような全ての修正および変更を含む。
【符号の説明】
【００５９】
Ｃ；キャパシタ
Ｓ１，Ｓ２；スイッチ
Ｌ，Ｌ２；コイル
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００６年１２月１４日出願の米国仮出願第６０／８６９９１２号の利益を主張するものであり、その開示内容の全体が、参照することにより本明細書に組み込まれる。また、本出願は、２００６年１２月１２日出願の米国仮出願第６０／８６９５６６号の利益を主張するものであり、その開示内容の全体が、参照することにより本明細書に組み込まれる。また、本出願は、２００６年１２月１２日出願の米国仮出願第６０／８６９５７８号の利益を主張するものであり、その開示内容の全体が、参照することより本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、概して、スパッタリング(sputtering)に関し、更に詳しくは、高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング(HIPIMS; High Power Impulse Magnetron Sputtering)に関する。
【背景技術】
【０００３】
スパッタリング(sputtering)は、エネルギーイオン(energetic ions)による材料の衝撃により固体のターゲット材(a solid target material)中の原子を気相(gas phase)中に放出させる物理的処理である。このスパッタリング処理は、一般に、薄膜フィルムの堆積(deposition)に使用される。スパッタリング処理のためのエネルギーイオンは、スパッタリング装置内に誘起されるプラズマによって供給される。実際には、最適なスパッタリング条件を実現するために、プラズマの特性、特にイオン密度を修正するのに種々の技術が用いられる。プラズマの特性を修正するために用いられる技術の幾つかは、ＲＦ（高周波）交流電流、ＡＣ電源、ＤＣ電源、ＤＣ及びＡＣ電源の重畳(superposition)、双極または単極電源のようなパルスＤＣ電源、磁界の利用、そしてターゲットに対するバイアス電圧の印加を含む。
【０００４】
通常、スパッタリング源はマグネトロンであり、このマグネトロンは、ターゲットの表面近傍の閉プラズマループ(a closed plasma loop)に電子を捕獲するために磁界を利用する。この電子は、磁界周辺のループにおける螺旋状の経路(helical paths)をたどる。この電子は、発生するというよりも、ターゲット表面近くのガスの中性(gaseous neutrals)で更なる電離衝突(ionizing collisions)を受ける。スパッターガスは不活性(inert)であり、代表的にはアルゴンであるが、他のガスを使用することも可能である。これらの衝突の結果として生成される過剰なアルゴンイオンは、比較的高い堆積速度(deposition rate)をもたらす。このような磁界ループを形成するためにターゲットの向こう側に強永久磁石を配置することが知られている。ターゲットの表面上のプラズマループの位置では、レーストラック(racetrack)が形成され、それは、材料の好ましい侵食(erosion)の領域である。材料の利用を増すために、可動の磁気構成(movable magnetic arrangement)が使用され、それは、ターゲットの比較的大きな領域をプラズマループで掃引(sweep)することを可能にする。
【０００５】
直流電流(DC; Direct Current)マグネトロン・スパッタリングは、交差電界と磁界(crossed electric and magnetic fields)を用いた公知の技術である。ＤＣマグネトロン・スパッタリングの増強(enhancement)技術にはパルスＤＣ(pulsed DC)がある。この技術は、いわゆる“チョッパー(chopper)”を使用し、ＤＣ電源を単極または双極パルスの電源に変更するためにインダクター・コイルＬとスイッチが使用される（図１参照）。インダクター・コイルＬはチョッパーであり、好ましくは、ＤＣ電源とマグネトロンのカソードとの間に配置されたタップを備える。電子スイッチＳは、周期的に開閉してパルスを生成する。スイッチＳのオン時間の期間では、コイルＬのタップとマグネトロンのアノードとの間の実効的なショートカットが負のカソード電圧をオフに切り替え、好ましくは、コイルＬの単巻トランス効果(auto transforming effect)により正の電圧にオーバーシュートする。スイッチＳのオフ時間の期間では、ＤＣ電源からの電流がコイルＬに継続して流れ込み、その磁界にエネルギーを蓄える。スイッチＳが再びオフになると、短い負の高電圧のピークがマグネトロンのカソードに生じる。これは、マグネトロンプラズマの比較的速い再発生(reigniting)と、元の放電電流の回復(restoring)に役立つ。
【０００６】
従来技術で述べた高出力インパルス・マグネトロン・スパッタリング(HIPIMS)技術は、パルス時間が２０乃至５００μｓであって、典型的には５Ｈｚから２００Ｈｚの比較的低い繰り返し周波数のパルスを使用する。放電ピーク電流は、比較的小さいカソードについての１００Ａから、比較的大きいカソードについての４ｋＡまでの範囲をとり、それは、０．１乃至１０Ａ／ｃｍ２のオーダーのカソードでの電流密度に対応する。一般技術では、図１に示されるような配線(wiring)を使用する。ワークピース・ホルダー(work piece holder)は、ＤＣ電位のような外部電位とされるか、或いはプラズマにおける浮遊電位(floating potential)とされる。図１の従来技術は、ワークピース・ホルダーにＤＣバイアスを印加することを必要とする。
【０００７】
標準のＨＩＰＩＭＳ技術には多くの欠点が存在する。ＤＣバイアスを使用することは、基板でのイオンエネルギーを定めるのに役立つが、アーク放電(arcing)が基板上で発生するかもしれないという欠点がある。基板上でのアーク放電は、ウェハ処理が使用されているときにウェハダメージの原因となる。もう一つの欠点は、ＤＣバイアスは、また、酸化物材料を用いたビア及びトレンチのような、電気的絶縁表面には作用しないことである。
【０００８】
図２は実験結果を示す。そのデータは、ＨＩＰＩＭＳ技術の放電の状態において周波数の関数として電流の立ち上がり時間の測定値を示す。この例でのターゲットは、タンタル（Ｔａ）から構成され、その直径は３００ｍｍであり、また、この実験では回転磁石配置(rotating magnet array)を使用している。１０Ｈｚ（１００ｍｓ周期）の比較的低い繰り返し周波数では、電圧パルスの開始と電流の立ち上がりの開始との間に比較的長い遅延（約５μｓ）が存在する。この遅延は、１００Ｈｚ（１０ｍｓ周期）の繰り返し周波数が使用された場合には幾分短くなる（４μｓを越える）。５００Ｈｚ（２ｍｓ周期）の比較的高い周波数では、電流はさらに速く立ち上がり、ほんの約１．５μｓ以内である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ターゲットと基板との間に配置されたコイルの使用による高周波(RF; Radio Frequency)の誘導結合プラズマ(ICP; Inductively Coupled Plasma)を用いたプレ・イオン化(pre-ionization)は、ＨＩＰＩＭＳ応用における電流の立ち上がり時間を短縮するのに役立つことが知られている。にもかかわらず、大きなＩＣＰコイルをマグネトロンと基板の間に配置することは設計を複雑にし、粒子の発生の可能性を増加させ、そして、ターゲットと基板との間の間隔(spacing)の増加により堆積速度(deposition rate)を低下させる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下に、本発明の幾つかの態様例の基本的理解を提供するために、本発明の簡略化された概要を述べる。この概要は、本発明の広範な概説(overview)ではない。また、この概要は、本発明の決定的要素(critical element)を特定するものではなく、本発明の範囲を描くものでもない。この概要の唯一の目的は、後で述べられる更に詳細な説明の前置きとして、簡略化した形式で本発明の幾つかの概念を示すことである。
【００１１】
本発明の一態様によれば、マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置が提供される。本装置は、上記マグネトロンに動作可能に接続された電源と、上記電源に動作可能に接続された少なくとも一つのキャパシタとを備える。また、第１のスイッチが備えられる。上記第１のスイッチは、上記マグネトロンを充電させるために上記電源を上記マグネトロンに動作可能に接続し、上記第１のスイッチは、第１のパルスにより上記マグネトロンを充電させるように構成される。電気的バイアス装置が、上記基板に動作可能に接続され、基板バイアスを印加するように構成される。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置が提供される。本装置は、上記マグネトロンに動作可能に接続された電源と、上記電源に動作可能に接続された少なくとも一つのキャパシタを備える。また、第１のスイッチが備えられる。上記第１のスイッチは、上記マグネトロンを充電させるために上記電源を上記マグネトロンに動作可能に接続し、上記第１のスイッチは、第１のパルスにより上記マグネトロンを充電させるように構成される。電気的バイアス装置が、上記基板に動作可能に接続され、基板バイアスを印加するように構成される。チャック(chuck)が、上記電気的バイアス装置に動作可能に接続され、上記基板が上記チャック上に配置される。コイルが、上記少なくとも一つのキャパシタに動作可能に接続される。上記第２のスイッチは、上記マグネトロンを放電させるために動作可能に接続され、上記コイルに沿った点に接続される。上記第２のスイッチは、第２のパルスにより上記マグネトロンを放電させるように構成される。少なくとも一つの検出器が、上記マグネトロンに動作可能に接続され、上記少なくとも一つの検出器は、発生しているアークを検出するように構成される。上記第１のスイッチ及び上記第２のスイッチは、上記少なくとも一つの検出器による上記アークの検出に応答して制御され、上記アークの発生を抑制させる。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置が提供される。本装置は、上記マグネトロンを充電するために上記マグネトロンに動作可能に接続され、上記マグネトロンにパルスを供給するように構成された電源を備える。ＲＦ電気的バイアス装置が、上記基板に動作可能に接続され、バイアスパルスにより上記マグネトロンを放電させるように構成される。同期化装置(synchronization device)が、上記電源に動作可能に接続されると共に上記電気的バイアス装置に動作可能に接続される。上記同期化装置は、上記第１のパルスの遅延時間および周波数を上記バイアスパルスと同期させるように構成される。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置において基板バイアスを印加する方法が提供される。本方法は、電源からマグネトロンを充電させるために第１のパルスを第１のスイッチに印加するステップを含む。また、本方法は、上記基板に動作可能に接続された電気的バイアス装置から上記基板バイアスを印加するステップを含む。
【００１５】
前述の内容および本発明の他の態様は、添付の図面を参照して以下の説明を読めば、本発明が関連する技術分野の当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ＨＩＰＩＭＳ応用の従来技術を示す図である。
【００１７】
【図２】典型的なパルス期間での従来技術におけるＨＩＰＩＭＳ応用の電圧と電流を例示するプロット図である。
【００１８】
【図３】ＲＦ発生器を備えた本発明の第１の例を示す図である。
【００１９】
【図４】ＲＦがオフの場合の典型的なパルス期間での従来技術におけるＨＩＰＩＭＳ応用の電圧と電流を例示するプロット図である。
【００２０】
【図５】図３のチャック上で低出力のＲＦが使用される場合の典型的なパルス期間でのＨＩＰＩＭＳ応用の電圧と電流を例示するプロット図である。
【００２１】
【図６】図３のチャック上で比較的高出力のＲＦが使用される場合の典型的なパルス期間でのＨＩＰＩＭＳ応用の電圧と電流を例示するプロット図である。
【００２２】
【図７】ＲＦバイアスを使用しない場合の基板のボトム厚を示すＨＩＰＩＭＳ応用の図である。
【００２３】
【図８】ＲＦバイアスを使用した場合の基板のボトム厚を示すＨＩＰＩＭＳ応用の図である。
【００２４】
【図９】異なるモードを適用するための２つのスイッチと組み合わせてＲＦバイアスを用いた本発明の第２の例を示す図である。
【００２５】
【図１０】図９と共に使用するための高周波モードの例を示す図である。
【００２６】
【図１１】図９と共に使用される主パルス内の複数の副パルスの例を示す図である。
【００２７】
【図１２】図９と共に使用するためのパルス・プレ・イオン化モードの例を示す図である。
【００２８】
【図１３】２つのスイッチ及びアーク検出構成と組み合わせてＲＦバイアスを用いた本発明の第３の例を示す図である。
【００２９】
【図１４】異なるモードを適用するための２つのスイッチ及びアーク検出構成と組み合わせてＲＦバイアスを用いた本発明の第４の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図面を参照して、本発明の１又は２以上の態様を組み込んだ例を説明する。これらの例示的な例は、本発明に関する制限を意図するものではない。例えば、本発明の１又は２以上の態様は他の実施形態で利用可能であり、他のタイプの装置でも利用可能である。また、本明細書では、或る専門用語(terminology)は、便宜的に使用されるものであり、本発明を限定するものとして受け取られるべきではない。更にまた、図面では、同一の参照番号は同一の要素を示すものとして導入されている。
【００３１】
図３は、本発明の第１の例を示す。例えば、本発明は、図１の配線のような、標準的なＨＩＰＩＭＳ配線を使用することが可能であるが、加えて、ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置１０が基板１４に接続される。例えば、この電気的バイアス装置は、基板１４を保持するチャック(chuck)１２に接続されることができる。この第１の例は、カソード及びアノードを具備するマグネトロン(magnetron)と、上記マグネトロンの近傍に配置され、上記基板上にコーティングを形成するために原子をスパッタするために使用されるターゲットと、上記マグネトロンに動作可能(operably)に接続された電源と、上記電源に動作可能に接続された少なくとも一つのキャパシタＣと、上記マグネトロンを充電するために動作可能に接続され、上記マグネトロンに第１のパルスを供給するように構成された第１のスイッチＳ１とを備えることができる。従って、図３の例は、ＨＩＰＩＭＳパルシング(HIPIMS pulsing)と一緒に、ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置１０を使用することを含む。一例において、ＨＩＰＩＭＳパルシングは、マグネトロンのカソード上の電流密度が０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間である場合に適用できる。この電流密度は面積平均であることができる。チャック１２を備えた例では、このチャック１２は、基板１４を保持するウェハ台であることができる。この例における基板１４はウェハであるが、他の応用については基板は他の材料であってもよい。マグネトロンとチャック１２の間の距離は比較的小さく、概して２０ｍｍ乃至１００ｍｍの間である。テスト実験は５０ｍｍで実施された。マグネトロンの磁力線は、好ましくは不平衡マグネトロン磁界の形式で、少なくとも１０ガウスの磁界強度でチャック１２に到達する。このように、磁気的制限(magnetic confinement)は、マグネトロン・プラズマがオフの場合にＲＦ放電(RF discharge)の安定度(stability)を改善する。同時に、パルス間での残りのＲＦ放電は、一例の方法では、ＨＩＰＩＭＳ放電についてのプレ・イオン化として作用する。ＨＩＰＩＭＳパルスは、図３の例では、第１のスイッチＳ１を通じて供給され、この第１のスイッチＳ１は、マグネトロンを充電するために動作可能に接続され、上記第１のパルスにより上記マグネトロンを充電するように構成される。
【００３２】
図３の更なる例においては、マッチングユニット(matching unit)１６を、電気的バイアス装置１０とチャック１２との間に配置することができる。このマッチングユニット１６は、基板及び／又はチャックでのプラズマのインピーダンスと基板のインピーダンスとをマッチングさせるように構成される。マッチングユニット１６の位置として他の位置を使用することもできる。図３の他の例では、ＲＦセルフバイアスモニタ装置２０が、上記チャックと動作可能に接続されることができる。このモニタ装置２０の位置として他の位置を使用することもできる。ＲＦセルフバイアスモニタ装置２０は、上記チャックでのＲＦセルフバイアスをモニタするように構成される。
【００３３】
チャック１２に接続された、ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置１０を組み合わせることは、通常、比較的高速で、より信頼性のあるＨＩＰＩＭＳパルスの発生(ignition)をもたらすことができる。パルス間の遅延時間がより短い場合、パルス間でキャパシタを充電するために供給されるエネルギーは比較的小さく、上記キャパシタは、より低い容量を持つことができ、それは、比較的、より小さな寸法と、より低いコストをもたらす。比較的高い周波数を有する短いパルスは、本発明の方法を用いて提供される。
【００３４】
ＤＣバイアスと比較して、容量性のＲＦバイアスのようなＲＦバイアスを用いることの他の利点は、ＲＦバイアスが、通常、アーク放電と基板またはウェハのダメージを低減し、または除去さえすることである。また、ＲＦバイアスは、酸化物材料を使用するビア及びトレンチでのような絶縁表面に作用する。ＩＣＰコイルにＲＦバイアスを用いることの追加の利点は、マグネトロンと基板との間にＩＣＰコイルを必要としないので、ターゲット−基板の距離をより短くすることができることである。また、反応炉(reactor)における粒子がより少ないことにより、また、より短いターゲット−基板の距離の結果、比較的高い堆積速度が得られる。
【００３５】
図４−６のプロットは、チャックに接続された、ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置を備えることの利点を例示している。図４−６は、カソードタイプがＡＲＱ１５１のOerlikon ClusterLine CL200を用いて得られたものである。これらのプロット例でのターゲットは、タンタル（Ｔａ）から構成され、このターゲットの直径は３００ｍｍである。不活性ガスの一例として使用されるアルゴンガスが、概ね２５sccm(standard cubic centimeter per minute)のガス流速で使用され、基板の温度制御を可能とするために、チャックと基板との間ではガス流速は概ね５sccmである。このガス流速は、ターゲットと基板を収容するチャンバに移動するガスの量である。この例では、低温ポンプ(cryogenic pump)である真空ポンプによる継続的なポンピングの効果は、概ね６×１０−３mbarの定常状態の圧力をもたらす。このプロット例におけるパルスは、５００Ｈｚの周波数と、１５μｓのオン時間と、概ね１４００Ｖの電圧を有する。従って、この周波数は、第１のパルスを通じて印加される。
【００３６】
図４は、ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置を使用しない典型的なパルス期間での従来技術におけるＨＩＰＩＭＳ応用の電圧と電流を例示するプロットを示す。従って、図４は、従来技術の例であり、ＨＩＰＩＭＳパルス期間で電流が立ち上がるための約１０μｓの典型的な遅延を示す。オン時間の最後の５μｓにおいてのみ、電流が概ね９８０Ａのピーク値に上昇している。
【００３７】
図５は、図３のチャック上に１０Ｖのセルフバイアスが使用された状態で、ＲＦ発生器が１７Ｗの比較的低出力のＲＦロード(RF load)を印加するために使用される場合の典型的なパルス期間でのＨＩＰＩＭＳ応用の電圧と電流を例示するプロットを示す。上述のＲＦロードとセルフバイアス電圧の両方とも、多数のパルス期間にわたって決定された時間平均値である。上記低出力ＲＦは上記チャック上で使用され、第１のパルス期間のような、パルスの開始(start)と電流の立ち上がりの開始(beginning)との間の遅延は非常に短く、概ね１．８μｓである。この例における電流は、ＲＦを使用しない場合の９８０Ａのピーク値に比較して、概ね１５８０Ａの非常に高いピーク電流値にまで上昇する。この実験の他の例では、他の動作範囲が同様の結果を提供し得る。例えば、５Ｖ乃至５０Ｖのセルフバイアスでの１０Ｗ乃至５０ＷのＲＦロードは、５００Ａを超える増加したピーク値の範囲では２μｓ未満の遅延をもたらす。
【００３８】
図６は、１０３Ｖのセルフバイアスで１３２Ｗの比較的高出力のＲＦが図３のチャック上で使用され、時間平均として再度測定された場合の典型的なパルス期間でのＨＩＰＩＭＳの電圧と電流を例示するプロットである。比較的高出力のＲＦがチャック上で使用される場合、第１のパルス期間のような、パルスの開始と電流立ち上がりの開始との間で電流が立ち上がりを開始する遅延は、図５の低出力ＲＦ応用におけるものよりさえも短く、その遅延は約０．８μｓである。この電流は、実に比較的速く立ち上がり、より高いＲＦ出力は、通常、概ね１０３Ｖの比較的高いセルフバイアス電位をもたらす。この電流のピーク値は、この例では概ね１５００Ａである。セルフバイアス電圧を調整することにより、ウェハのような基板に衝突するイオンのエネルギーは制限(regulate)される。従って、セルフバイアス電圧は、基板に所望のコーティングを提供するように調整される。この実験の他の例では、他の動作範囲が同様の結果を提供し得る。例えば、５０Ｖを超えるセルフバイアスでの５０Ｗを超えるロード(load)は１μｓ未満の遅延をもたらす。
【００３９】
また、ＲＦ出力(RF power)を提供することは、第１のスイッチＳ１によって印加されるＨＩＰＩＭＳパルスが比較的低い圧力範囲で開始することを可能にする。例えば、ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置を使用しない場合でのほんの約１５sccmのアルゴンガス流速を用いて実施された実験では、ＨＩＰＩＭＳインパルスを生成することに失敗した。この流速に対応するガス圧は約３×１０−３mbarである。しかしながら、ＨＩＰＩＭＳインパルスは、同一のアルゴンガス流の条件下では５０Ｗを上回るＲＦ出力で発生することができる。５０Ｗを上回るＲＦ出力では、ＨＩＰＩＭＳインパルスは繰り返し開始する。また、他の低圧力動作が可能であり、１５sccmのアルゴンガス流は、本発明の応用の一例にすぎない。また、５０Ｗを上回るＲＦロードは、２０sccmを下回る任意のガス流速で発生することができる。同様に、５０Ｗを上回るＲＦロードは多様なガス圧力で発生し得る。一例において、ガス圧力は、概ね２×１０−４乃至５×１０−３mbarの範囲であり、それは、２×１０−２乃至５×１０−１Paと等価である。
【００４０】
ＲＦ出力を供給することの他の利点は、本発明を使用することにより、ターゲットのより良好なボトムカバレッジが得られることである。図７及び図８にその結果が示される実験は、ターゲットの改善されたボトムを示している。この実験では、深さが約１８０μｍで幅が約５０μｍのトレンチの堆積のためにタンタル（Ｔａ）ターゲットが使用された。図７は、ＲＦバイアスを使用しない場合の基板上のカバレッジの結果を示す。図７は、約２５１ｎｍのボトム厚が測定されたことを示す。加えて、トップ厚(top thickness)はほんの約１．７μｍで測定され、ほんの約１５％のボトムカバレッジという結果になっている。図８には、ＲＦバイアスを使用した場合の結果が示されている。これは、ボトム厚が約４１０ｎｍで、トップ厚が約２．０μｍという結果になっており、概ね２１％の改善されたボトムカバレッジを与えている。基板のボトムのカバレッジに生じるこの改善は、ＲＦシース(RF sheath)によるものであり、このＲＦシースは、基板表面とチャックの表面の近傍に形成される。ＲＦシースがチャックの表面の近傍に形成されると、それは、基板とチャックの表面に向かうイオン化された金属イオンの誘引(attraction)をもたらす。結果として、更なるイオンがシースに方向づけられるようになって表面に衝突し、及び／又は、それらの角拡散(angular spread)が狭くなる。
【００４１】
本発明の方法の一例は、基板上にコーティングを形成するためにパルスが印加(apply)されるスパッタリングを発生させるための装置において基板バイアスを印加するステップを含む。この方法における一つのステップは、電源からマグネトロンを充電するために第１のスイッチに第１のパルスを印加することである。この方法の例における他のステップは、上記基板に動作可能に接続された電気的バイアス装置から基板バイアスを印加することである。また、本方法の例は、第１のパルスの期間、或いは、第１のパルスパターンで生じるパルス間で、ＲＦ発生器のＲＦ放電を使用するステップを含むことができる。ＨＩＰＩＭＳパルスのような、第１のパルスの期間でＲＦ放電を使用することは、マグネトロンの放電のためのプレ・イオン化(pre-ionization)を実現するであろう。本発明の他の応用例では、ＲＦ出力は、堆積に先立って基板を事前洗浄(per-clean)およびエッチングするために利用することができる。表面酸化物のような最上層のスパッター洗浄または選択的スパッタリングのような基板のエッチングは、ターゲットの汚染(contamination)を回避するためにシャッターを閉じた状態で行われる。そして、基板の堆積は、シャッターが開かれてから開始することができる。本方法の他の応用例では、本方法は、基板に衝突するイオンのエネルギーを調節して基板に所望のコーティングを提供するために基板バイアスの電圧を調整するステップを更に含むことができる。
【００４２】
本発明の他の応用例では、ＲＦ出力は、パルスモード(pulsed mode)の動作において印加される。この例では、２００Ｗを上回るＲＦについての比較的高い出力を使用することが望ましく、好ましくは、５００Ｗ乃至１０ｋＷのピーク出力である。パルスモードの動作においてＲＦを稼動させている間、本装置は、ＨＩＰＩＭＳパルシング(HIPIMS pulsing)と同期化されることができる。好ましい動作では、ＲＦパルスが最初に開始され、それから、ＨＩＰＩＭＳマグネトロンパルスが、第１のスイッチＳ１の使用を通じて印加されることができる。ＲＦパルスは、ＨＩＰＩＭＳ電圧パルスがオフに切り替わる前に、オフに切り替えられることができる。或いは、ＲＦパルスは、ＨＩＰＩＭＳ電圧パルスがオフに切り替わった後に、オフに切り替えられることができる。ＲＦ出力をＨＩＰＩＭＳパルシングと同期化する例では、本装置は、マグネトロン、電源、ＲＦ電気的バイアス装置１０、同期化装置１８を備えることができる。電源は、マグネトロンを充電するためにマグネトロンに動作可能に接続され、上記マグネトロンに第１のパルスを供給するように構成される。パルス電源(pulsed power supply)は、電源をマグネトロンに動作可能に接続する第１のスイッチを備えることができ、上記第１のスイッチは、第１のパルスをマグネトロンに供給するように構成される。上記第１のパルスを供給するために他の構成を用いることもできる。ＲＦ電気的バイアス装置は、上記基板に動作可能に接続され、バイアスパルスにより上記マグネトロンを放電させるように構成される。同期化装置１８は、図３の例に示されるように、電気的バイアス装置１０に動作可能に接続されると共に、上記電源に動作可能に接続される。同期化装置１８は、第１のパルスの遅延時間及び周波数を上記バイアスパルスに同期させるように構成される。例えば、第１のパルスの遅延時間及び周波数は、異なるタイプのバイアスパルスに基づいて様々に変えることができる。更なる例では、電源は、デューティ・サイクルが約０．０１％と２０％の間にあって周波数が約１Ｈｚ乃至２０ｋＨｚの範囲にある第１のパルスをマグネトロンに供給するように構成される。更なる他の例では、電源は、デューティ・サイクルが約２％と５０％の間にある第１のパルスをマグネトロンに供給するように構成される。他の例では、上記同期化装置は、第１のパルスが供給される前に、約０．１μｓ乃至５００μｓの遅延時間を設けてバイアスパルスを供給するように構成される。
【００４３】
第２の例では、電気的バイアス装置１０を備える本発明の方法と装置は、図９に示されるように、ＨＩＰＩＭＳおよび高周波ＨＩＰＩＭＳモードを含む種々のモードを印加するための２つのスイッと組み合わされる。ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置１０は、基板１４を保持するチャック１２へのように、基板１４に動作可能に接続される。図９の本発明の例は、この構成において第１のスイッチＳ１と第２のスイッチＳ２を備える。第１のスイッチＳ１は、マグネトロンに動作可能に接続され、第１の電圧を供給すると共に第１のパルスによりマグネトロンを充電させることができるように構成される。第２のスイッチＳ２は、マグネトロンを放電させるために動作可能に接続され、第２のパルスによりマグネトロンを放電させるように構成されることができる。また、この例では、インダクタンスを備えることができ、このインダクタンスは、少なくとも一つのキャパシタと動作可能に接続される。この例では、インダクタンスはコイルＬであるが、当然ながら、そのインダクタンスを提供するために他の構成を使用することもできる。コイルＬは、マグネトロン放電電流の立ち上がりの傾きを制限する。また、コイルＬは、アークが発生した場合にピーク電流を制限する。
【００４４】
図９の例を用いた多くの動作モードが存在する。図９の例についての動作モードの一つでは、図１０に示されるように、第１のスイッチＳ１についてのパルスフォーム、即ち第１のパルスは高い周波数を有している。第１のスイッチＳ１の第１のパルスについてのパルスフォームと、第２のスイッチＳ２の第２のパルスについてのパルスフォームの例は、この高周波モードについて図１０に示されている。図１０の高周波モードは、２００Ｈｚ−１００ｋＨｚの高周波パルス動作を含む異なるレベルで動作されることができ、好ましい例は、１ｋＨｚ乃至２０ｋＨｚの間で生じる。また、低出力損失の比較的低い実効デューティ・サイクル（０．１％乃至１０％）は、このモードで実現され得る。０．２μｓ乃至１００μｓのオン時間（ｔ１−ｔ０の期間）は、この例で使用されることができ、好ましい例は、２μｓ乃至４０μｓで生じる。
【００４５】
高周波モードは、時刻ｔ０で、充電されたキャパシタＣをコイルＬに接続することから開始する。当然ながら、充電されたキャパシタは、少なくとも一つのキャパシタであることができ、図は複数のキャパシタを示すことができる。時刻ｔ２で開かれるようにスイッチ２を活性化することにより、遅延時間（ｔ２−ｔ０）の後にプラズマを発生させる。コイルＬに蓄えられたエネルギーは電圧オーバーシュートをもたらし、この電圧オーバーシュートは、図１０の例に示されるように、マグネトロン電流の比較的速い立ち上がり時間で、マグネトロンのカソード上にほとんど即座に発生する。このマグネトロンの放電電流は、時刻ｔ１（Ｓ１がオフ）と時刻ｔ３（Ｓ２がオン）の間に減衰する。時刻ｔ３は、期間の残りを含んで、時刻ｔ１の後の短い時間から比較的長い時間までの間で選ぶことができる。図１０のモード例における各第１のパルスは、（ｔ２−ｔ０）の同一の初期期間で比較的速い立ち上がりの電流と電圧オーバーシュートを伴って開始する。エネルギー効率は、キャパシタＣを充電するために使用される第１のスイッチＳ１についての比較的長いオフ時間によって達成される。この期間は、時刻ｔ０が生じる前の期間により示される。初期期間（ｔ２−ｔ０）は比較的短く、コイルＬにエネルギーを蓄えるために使用される。この比較的短い時間は、第２のパルスが第２のスイッチＳ２を活性化する前に第１のスイッチＳ１が活性化されてコイルＬにエネルギーを蓄えるときに経過(elapse)する。第２のスイッチＳ２の活性化は、マグネトロンの放電を生じさせる。時刻ｔ０−ｔ１から、キャパシタＣの充電はコイルＬをロード(load)させ、マグネトロンの電流の放電が発生する。具体的には、マグネトロン放電は時刻ｔ２−ｔ３から発生する。時刻ｔ１−ｔ３から、コイルＬからの残りのエネルギーがマグネトロンへ放電される。
【００４６】
図９の例についての第２の動作モードが図１１に示される。このモードでは、第２のパルスは、第１のパルスの一つの主ＨＩＰＩＭＳパルス内に形成される複数の副パルスを与える(exert)。第１のパルスは、マグネトロンに電圧を供給するための単一で比較的長いパルスであることができ、第１のパルスは、期間ｔ１−ｔ０の期間で、第１のスイッチＳ１を使用することにより形成される。第２のパルスは、複数の副パルスであることができ、または、より短い１組の副パルスであることができ、それらは、図１１のモードの例において示されるように、スイッチＳ２で形成される。図１１のモードは、１Ｈｚ−１０ｋＨｚの主周波数を含む異なるレベルで動作されることができ、好ましい例は、１０Ｈｚ乃至１ｋＨｚの間で生じる。第１のパルスは、このモードで使用することができるデューティ・サイクル（０．１％乃至１０％）を有する。このモードでは、０．２μｓ乃至１００μｓのオン時間（ｔ１−ｔ０の期間）が使用され、好ましくは２μｓ乃至２０μｓが使用されることができる。第２のパルスのオン時間（ｔ３−ｔ２の期間、それは、Δｔｏｎに等しい）は、０．２μｓ乃至１００μｓであることができ、好ましい例は、２μｓ乃至２０μｓである。同様に、第２のパルスのオフ時間（Δｔｏｆｆの期間）は、０．２μｓ乃至１００μｓであることができ、好ましい例は、２μｓ乃至２０μｓである。第２のパルスのデューティは広い範囲の値をとることができるので、多くのモードの例が存在する。例えば、第２のパルスのデューティ・サイクル（Δｔｏｎ）／（Δｔｏｎ＋Δｔｏｆｆ）は、３０％乃至９９％の範囲をとり得る。当然ながら、第２のパルスについての多様な期間および異なるタイプの定数を含んで、多くの異なるタイプのパルス構成が案出され得る。例えば、Δｔｏｎでさえも、Ｓ１の単一の主ＨＩＰＩＭＳパルス内の各第２のパルスの期間の異なる値の時間を有することができる。
【００４７】
図１１の第２のモード例の動作中に、期間ｔ１−ｔ０は、キャパシタＣを充電し、コイルＬをロード(load)させ、そしてマグネトロンの電流を放電させるために使用される。第２のパルス、または第１の副パルスは、スイッチＳ２が開いたときにに適切な遅延を伴って開始することができる。時間ｔ０−ｔ２の期間、キャパシタＣの充電はコイルＬをロード(load)させるのみである。コイルＬに蓄えられたエネルギーは、マグネトロンのカソード上に電圧オーバーシュートをもたらすと共に、マグネトロン電流の比較的速い立ち上がり時間をもたらす。そして、第２のパルスは、スイッチＳ２を開及び閉にスイッチングさせることにより、より短いパルスのシーケンスを与える。第２のパルス内の各パルスは、電圧オーバーシュートと、比較的速い電流の立ち上がりを伴って開始することができる。具体的には、マグネトロン放電は、スイッチＳ２がターンオンするたびに、時刻ｔ２−ｔ３から発生する。期間ｔ１−ｔ３の間、コイルＬからのエネルギーがマグネトロンへ放電される。第２のパルスの副パルスの組の終端で、マグネトロン放電電流は、スイッチＳ１がターンオフする時刻ｔ１の後、コイルＬに蓄えられたエネルギーの残りが放電されるまで減衰する。時刻ｔ０の前のスイッチＳ１のオフ時間の期間でキャパシタＣは充電され、エネルギー入力がない状態でプラズマ密度は減衰する。
【００４８】
図９の第３のモードが図１２に示されている。このモードは、パルス・プレ・イオン化(pulsed pre-ionization)モードと称される。このモードは、図１０の第１のモードと図１１の第２のモードとの交互シーケンスであり、第２のパルスの複数の副パルスは、図１０のモードによる第１のパルス内に形成され、主ＨＩＰＩＭＳパルスである。このように、平均放電出力を低く保つことによりプラズマ密度の減衰が急激すぎないことを確保するために、スイッチＳ１の第１のパルスの期間で使用することができる第２のパルス内に第１のモードと同様のパルスが存在する。従って、この例のモードは、最初の二つの例のモードの要素を組み合わせたものと考えることができる。図１２の例におけるＳ１のグラフでは、第１の長いパルスは、第２のモードの動作によるパルスに対応し、一方、３つの後続のパルスは、第１のモード、即ち“高周波”モードの動作を示す（図１０参照）。二つのモード間のレートは、技術的な必要性に応じて選択される。従って、一つの例では、第１のパルスと第２のパルスは、第１のモード（図１０）と第２のモード（図１１）との間で周期的に変わることができる。従って、図１２のモードは、前述したように、第１のモードの特性と入れ替わる第２のモードの周波数（“主周波数”）によって特徴づけられる。何れのモードでも第１のパルスの主周波数は１Ｈｚ−１０ｋＨｚであり、好ましい例は、１０Ｈｚ乃至１ｋＨｚで生じる。或るモードでは、０．２μｓ乃至１００μｓのオン時間（ｔ１−ｔ０の期間）が使用され、好ましくは、２μｓ乃至２０μｓが使用される。第１のパルスのオフ時間の期間での第２のパルスの副パルスのオン時間は、０．２μｓ乃至１０μｓであり、好ましい例は、１μｓ乃至５μｓの間である。第１のパルスのデューティ・サイクルは、このモードでは０．１％と１０％の間であることができる。第１のスイッチＳ１のオフ時間の期間での第２のパルスの副パルスのデューティ・サイクルが広い範囲の値を有することができるので、何れのモードでも多くの例が存在する。例えば、オフ時間の期間での第２のパルスについての副パルスのデューティ・サイクル（Δｔｏｎ）／（Δｔｏｎ＋Δｔｏｆｆ）は０．０１％乃至２０％の範囲であることができる。また、他のタイプのパルスを、第１のモード例における要素とは異なる第２のパルス内で使用することができる。
【００４９】
図１０−１２の例のいずれも、基板上にコーティングを形成するために電圧パルスが印加されるスパッタリングを発生させるための装置において基板バイアスを印加する方法として使用することができる。この方法の例では、第１のパルスは、電源からマグネトロンを充電するために第１のスイッチに印加される。また、この方法の例は、基板に動作可能に接続された電気的バイアス装置から基板バイアスを印加するステップを含む。この方法の例では、第１のパルスは、図１０−１２の例を含むことができる。ＲＦ発生器のような電気的バイアス装置は、基板に動作可能に接続され、基板バイアスを印加するように構成される。
【００５０】
図９の第１の例におけるように、高電圧、大電流で、比較的速いスイッチを有する追加の電子装置を実装することの技術的な複雑さにもかかわらず、本発明の発生器自体は、より小さく、より安価で、より高速である。パルス間の遅延時間がより短い場合、パルス間でキャパシタを充電するために供給されるエネルギーは比較的小さく、キャパシタは、比較的低い容量を有することができ、そのことは、比較的、より小さい寸法と、より低いコストをもたらす。コイルＬの変換効率は、電源での低電圧の使用を可能にする。従って、電源のコストを低減することができる。また、より小さなキャパシタは、フィードバックループを調節する遅延を、より少なくすることを可能にする。
【００５１】
いずれの利点も、信頼性があって繰り返し可能でアークのない処理に寄与し、それは、半導体ウェハ、薄膜ヘッド、ＭＥＭＳ、光データ記憶装置、磁気データ記憶媒体、またはフラットパネルディスプレイの処理のような、粒子の影響を受けやすい基板の短処理（２００ｍｓ乃至１０ｍｉｎ）に重要な特徴である。本発明の他の利点は、チョッパースイッチＳ２がターンオンするときのチョッパー・オフ時間の有益な効果に関する。スイッチＳ２は、コイルＬに沿った点に動作可能に接続された場合にチョッパースイッチとして使用されることができる。スイッチＳ２が接続されないチョッパー・オフ時間の期間、ターゲット電圧は正の値に切り替わる。プラズマからの或る電子はターゲット上で終了し、そしてプラズマ電位は正の値に達する。シース(sheath)、プレシース(pre-sheath)、およびプラズマ中に存在していたイオンは、いまや、ターゲットから基板および壁に向けて加速される。単一のパルスについての効果は、パルスのオフ時間とターゲット電圧に依存する。最終的な効果は、繰り返し周波数に部分的に依存する。また、効果は、コイルＬに沿ったスイッチＳ２の接続点に依存する。この接続点はタップ(tap)と呼ぶことができる。タップとコイルＬのマグネトロン端との間に存在する更なる巻線は、より高い電圧変換効率、オフ時間の期間でのターゲット上でのより高い正電圧、および、より高いイオンエネルギーと近ターゲット領域からのイオンの比較的速い減少(depletion)をもたらす。
【００５２】
ＲＦバイアス及びスイッチング方法を含む第２の例を用いた膜堆積(film deposition)の方法は、フロントエンドの半導体ウェハの処理においてビア及びトレンチのメタル形成に使用することができる。また、本方法は、一般的なメタル形成(metallization)、スルー／ウェハビアのための、シリコンにおけるディープビアにおけるシード層またはウエッティング(wetting)層に使用することができる。例えば、第２のパルスと、インダクター・コイルに沿った第２のスイッチの位置は、両方とも、基板に所望のコーティングを提供するために調整することができるほか、基板上に１又は２以上の層を形成するために調整することもできる。追加の層の例は、ウエッティング層またはシード層であり得る。また、本方法は、チョッパー・オフ時間及び／又はコイルタップの位置によりトレンチ及び／又はビアにおけるボトム及び／又はサイドウォールのカバレッジを最適化するために使用できる。他の例では、本方法は、チョッパー・オフ時間及び／又はコイルタップの位置を調整することにより基板に対するイオン束を最適化するのに使用することができる。また、堆積速度(deposition rate)は、第２のパルスのオフ時間（即ち、チョッパー・オフ時間）の調整及び／又はインダクター・コイルに沿った第２のスイッチの位置の調整により最適化することができる。従って、多くの応用に望ましい比較的高い複数の異なる堆積速度が得られる。スイッチＳ２との接続点が調整可能なコイルのように、より多くの切り替え可能なタブを有するコイルを使用すること、またはコイルＬを変更することは、装置にとって最適なレベルを見つけ出すのに役立つ。このような効果は、基板に対するイオン束のほか、イオンエネルギーを最適化するのに使用することができる。半導体ウェハにおけるビア及びトレンチ或いは基板上の他の構造のボトムおよびサイドウォールのカバレッジも同様に最適化することができる。さらに、パルシング(pulsing)と共にＲＦ発生器を使用する本方法は、第２のパルス（即ちチョッパー・オフ時間）の調整、及び／又は、インダクター・コイルに沿った第２のスイッチの調整のようなコイルタップの位置の調整により、コーティングの、膜応力(film stress)、微細構造(microstructure)、力学的特性(mechanical property)、電気的特性、光学的特性、および他の特性を最適化するために使用することができる。
【００５３】
ＤＣマグネトロン・スパッタリングと比較した場合のＨＩＰＩＭＳ応用における低い比速度(a low specific rate)という前述の欠点は、本発明のパルスシング方法により一部埋め合わせることができる。チョッパー・オン時間の区間が、ターゲット・シース及びプレシースを横切るイオンの飛翔時間（概ね０．２μｓ乃至５μｓの範囲）に匹敵すれば、イオン化されスパッタ(spatter)された粒子のほとんどがターゲットに引き戻されないように抑制することが可能である。この粒子は、イオンがターゲットに到達する前に、逆方向の電界と加速度を生じるチョッパー・オフ時間によりターゲットに引き戻されることが抑制される。
【００５４】
第３の例では、本発明の方法および装置は、図１３に示されるように、アーク検出構成と組み合わされる。電気的バイアス装置１０は、基板１４を保持するチャック１２に接続されるようにして、基板１４に動作可能に接続される。その基本的な概念は、アークが発生し又は発生し始めているときにアークが検出された後にマグネトロンのカソードの近傍の位置でのアークの発生を防止(prevent)または抑制(inhibit)することである。図１３の例は、少なくとも一つの検出器を備えている。この検出器は、電圧計（Ｖ）または電流系（Ａ）のような計測器(meter)を備えることができる。他の例では、検出器は、アンペア(amps)、ボルト(volts)、またはアークが発生していることを検出するための複数の指標(indicators)をモニタすることができるデバイスであり得る。図１３の例では、二つの検出器、即ち電圧計（Ｖ）および電流計（Ａ）がマグネトロンの近傍に配置されている。電圧計（Ｖ）と電流計（Ａ）は、アークが発生していること又は発生し始めていることを検出するように構成される。当然ながら、他の例では、一つの検出器のみを備えもよく、他の例では、マグネトロンの近くの位置を含む種々の位置に更なる検出器を備えてもよい。一つの検出器を備える場合、それは、アークが発生していることを検出するように構成された電圧計または電流計の何れかであり得る。図１３の例は、また、カソード及びアノードを具備するマグネトロンと、上記マグネトロンの近傍に配置され、基板上にコーティングを形成するために原子をスパッタするために使用されるターゲットと、上記マグネトロンに動作可能に接続された電源と、上記電源に動作可能に接続された少なくとも一つのキャパシタＣと、上記マグネトロンを充電させるために動作可能に接続され、第１のパルスにより上記マグネトロンを充電させるように構成された第１のスイッチＳ１とを備えることができる。上記電源はＤＣ電源であり得る。
【００５５】
第２のスイッチＳ２は、図１３の例では、マグネトロンのカソードの近傍に配置される。第２のスイッチＳ２は、マグネトロンに動作可能に接続され、少なくとも一つの検出器によりアークの発生が検出されると、マグネトロンを放電させ、アークの発生を抑制するように構成される。第２のスイッチＳ２は、通常は開放しており、パルスシング動作(pulsing operation)を可能にする。アークが検出された場合、第２のスイッチＳ２はオンに切り替わり、マグネトロンのカソードとアノードとの間に実効的なショートカット(shortcut)を形成する。第２のスイッチＳ２がショートカットを形成すると同時に、第１のスイッチＳ１がオフに切り替わる。或いは、第２のスイッチＳ２がターンオンされてエネルギーのためのショートカットを形成したときに、第１のスイッチＳ１は、第２のスイッチＳ２が活性化される前または後の短い期間でターンオンすることができる。従って、第１のスイッチＳ１は、また、少なくとも一つの検出器によるアーク発生の検出に応答して制御されることができる。スイッチＳ１は、上記アークの発生を抑制または制限するように制御されることができる。第２のスイッチに加えて第１のスイッチを制御することは、装置におけるエネルギーの追加の制御を提供する。また、コイルＬのようなインダクタンスは、図１３の例のアーク検出例と共に使用することもでき、ここで、上記コイルは、上記少なくとも一つのキャパシタＣと動作可能に接続され、このコイルは、アークが発生したときにピーク電流を制限すると共に、マグネトロンの放電電流の立ち上がり時間を制限するように構成される。
【００５６】
第４の例では、本発明の方法および装置は、図１４に示されるように、比較的速いアーク抑制構成と共に、高周波ＨＩＰＩＭＳにおける比較的速いスイッチング電源と組み合わせることができる。この例はコイルＬ２を使用し、それは、図１３に示されるスキームに加えて、チョッパー効果を生じさせるためにコイルＬに沿った点に接続されたスイッチＳ２を備えることができる。この例では、スイッチＳ２は、第２のパルスを供給するように構成され、また、装置における少なくとも一つの検出器によりアークの発生が検出されると、活性化されてアークの発生を抑制するように構成される。図１４において、電源は、キャパシタＣのバンクを開始電圧にまで充電し、それは或るインダクタンスＬcabおよび抵抗Ｒcabを有するケーブルを通じてマグネトロンへ放電される。電源はＤＣ電源であることができる。コイルＬ２は、従来技術と同様のＨＩＰＩＭＳ動作期間での機能を有し、即ち、マグネトロン放電電流の立ち上がり時間を制限する。また、図１４のコイルＬ２は、アークが発生したときにピーク電流を制限する。図１４の例は、また、カソード及びアノードを具備するマグネトロンと、マグネトロン近傍に配置されたターゲットを備え、このターゲットは、基板上にコーティングを形成するために原子をスパッタリングするために使用される。図１４は、図示されるように、電流と電圧を測定するアーク検出装置を備えるが、他の例では、アークを測定するのに一つの検出器のみが必要である。好ましくは遅延時間を最小化するために、カソードで直接的にアークが検出された後、スイッチＳ２はオンに切り替わり、そしてスイッチＳ２が接続されたコイルＬ２に沿った点とマグネトロンのアノードとの間に実効的なショートカットを形成する。アーク発生の検出は、第２のスイッチＳ２を活性化して、アークの発生を抑制する。従って、この検出は、アークの発生、またはアークが発生し始めていることの検出に装置を反応させることにより、アークの有害な影響を低減する。このことは、マグネトロンのカソード上での電圧がゼロである更に短い時間をもたらし、その後、コイルＬ２の単巻トランス効果(auto transforming effect)による正の電圧が続く。上記ショートカットは、比較的速くアークを消滅させるのに役立つ。
【００５７】
また、図１４の例は、図９について述べたパルシング方法を提供するように構成され、ここで、第１のスイッチＳ１は、第１のパルスによりマグネトロンを充電させ、第２のスイッチＳ２は、第２のパルスによりマグネトロンを放電させる。図９で使用された３つのモード例のいずれも、図１４の２つのスイッチと共に使用することができる。さらにまた、この例は、基板１４とチャック１２についてＲＦ発生器１０を備える。
【００５８】
本発明は、上述の実施形態を参照して説明された。当業者であれば、この明細書の解釈および理解に基づいて修正および変更が可能であろう。本発明の１又は２以上の態様を含む実施形態は、添付の請求項の範囲内から得られる限度において、このような全ての修正および変更を含む。
【符号の説明】
【００５９】
Ｃ；キャパシタ
Ｓ１，Ｓ２；スイッチ
Ｌ，Ｌ２；コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として、基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置であって、
前記マグネトロンに動作可能に接続された電源と、
前記電源に動作可能に接続された少なくとも一つのキャパシタと、
前記マグネトロンを充電させるために前記マグネトロンに前記電源を動作可能に接続し、前記マグネトロンに第１のパルスを供給するように構成された第１のスイッチと、
前記基板に動作可能に接続され、基板バイアスを印加するように構成された電気的バイアス装置と
を備えた装置。
【請求項２】
前記電気的バイアス装置に動作可能に接続されたチャックを更に備え、前記基板が前記チャック上に配置された請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記マグネトロンと前記チャックとの間の距離が２０ｍｍ乃至１００ｍｍの間である請求項１又は２の何れか１項記載の装置。
【請求項４】
前記電気的バイアス装置と前記チャックとの間に配置されたマッチングユニットを更に備え、前記マッチングユニットは、前記基板及び／又は前記チャックでのプラズマのインピーダンスと前記基板のインピーダンスとをマッチングさせるように構成された請求項１乃至３の何れか１項記載の装置。
【請求項５】
前記チャックに動作可能に接続されたＲＦセルフバイアスモニタ装置を更に備え、前記ＲＦセルフバイアスモニタ装置は、前記電気的バイアス装置のセルフバイアスをモニタするように構成され、前記電気的バイアス装置はＲＦ発生器である請求項１乃至４の何れか１項記載の装置。
【請求項６】
前記電気的バイアス装置は、前記ターゲット及び前記基板を収容するチャンバーへの２０sccmを下回るアルゴンガス流速で、５０Ｗを上回るロードを印加する請求項１乃至５の何れか１項記載の装置。
【請求項７】
前記電気的バイアス装置は、前記ターゲット及び前記基板を収容するチャンバーへの２×１０−４乃至５×１０−３の範囲でのガス圧力で、５０Ｗを上回るロードを印加する請求項１乃至６の何れか１項記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも一つのキャパシタに動作可能に接続されたコイルと、
前記マグネトロンを放電させるために動作可能に接続され、第２のパルスにより前記マグネトロンを放電させるように構成された第２のスイッチと
を更に備えた請求項１乃至７の何れか１項記載の装置。
【請求項９】
前記マグネトロンに動作可能に接続され、発生しているアークを検出するように構成された少なくとも一つの検出器と、
前記マグネトロンを放電させるために動作可能に接続され、前記少なくとも一つの検出器によりアークの発生が検出されると前記マグネトロンを放電させると共に前記アークの発生を抑制するように構成された第２のスイッチと
を更に備えた請求項１乃至８の何れか１項記載の装置。
【請求項１０】
前記第１のスイッチは、前記少なくとも一つの検出器による前記アークの検出に応答して制御される請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも一つのキャパシタに動作可能に接続されたコイルを更に備え、
前記第２のスイッチは、前記コイルに沿った点に動作可能に接続され、前記第２のスイッチは、第２のパルスを供給するように構成された請求項９又は１０の何れか１項記載の装置。
【請求項１２】
マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として、基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置であって、
前記マグネトロンに動作可能に接続された電源と、
前記電源に動作可能に接続された少なくとも一つのキャパシタと、
前記マグネトロンを充電させるために前記マグネトロンに前記電源を動作可能に接続し、前記マグネトロンに第１のパルスを供給するように構成された第１のスイッチと、
前記基板に動作可能に接続され、基板バイアスを印加するように構成された電気的バイアス装置と、
前記電気的バイアス装置に動作可能に接続され、前記基板が配置されたチャックと、
前記少なくとも一つのキャパシタに動作可能に接続されたコイルと、
前記マグネトロンを放電させるために動作可能に接続され、前記コイルに沿った点に接続され、第２のパルスにより前記マグネトロンを放電させるように構成された第２のスイッチと、
前記マグネトロンに動作可能に接続され、発生しているアークを検出するように構成された少なくとも一つの検出器とを備え、
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチは、前記少なくとも一つの検出器による前記アークの検出に応答して制御されて前記アークの発生を抑制する装置。
【請求項１３】
マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として、基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置であって、
前記マグネトロンを充電させるために前記マグネトロンに動作可能に接続され、前記マグネトロンに第１のパルスを供給するように構成された電源と、
前記基板に動作可能に接続され、バイアスパルスにより前記マグネトロンを放電させるように構成されたＲＦ電気的バイアス装置と、
前記電源と前記ＲＦ電気的バイアス装置に動作可能に接続され、前記第１のパルスの周波数と遅延時間を前記バイアスパルスに同期させるように構成された同期化装置と
を備えた装置。
【請求項１４】
前記電源は、前記第１のパルスのデューティ・サイクルを０．０１％と２０％の間とすると共に周波数を１Ｈｚ乃至２０ｋＨｚの範囲として、前記第１のパルスを前記マグネトロンに供給するように構成された請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記電源は、前記第１のパルスのデューティ・サイクルを２％と５０％の間として、前記第１のパルスを前記マグネトロンに供給するように構成された請求項１３又は１４の何れか１項記載の装置。
【請求項１６】
前記同期化装置は、遅延時間を０．１μｓ乃至５００μｓとして、前記第１のパルスの前に前記バイアスパルスを供給するように構成された請求項１３乃至１５の何れか１項記載の装置。
【請求項１７】
マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として、基板上にコーティングを形成するためパルスが印加されるスパッタリングを発生させるための装置において基板バイアスを印加する方法であって、
電源から前記マグネトロンを充電させるために第１のスイッチに第１のパルスを印加するステップと、
前記基板に動作可能に接続された電気的バイアス装置から前記基板バイアスを印加するステップと
を含む方法。
【請求項１８】
前記マグネトロンの放電のためのプレ・イオン化として前記第１のパルスの期間で前記電気的バイアス装置を使用するステップを更に含む請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
堆積に先だって、前記基板をエッチング及び事前洗浄するために前記電気的バイアス装置を使用するステップを更に含む請求項１７又は１８の何れか１項記載の方法。
【請求項２０】
前記基板に衝突するイオンのエネルギーを調整して前記基板に所望のコーティングを提供するために、前記基板バイアスの電圧を調整するステップを更に含む請求項１７乃至１９の何れか１項記載の方法。
【請求項２１】
前記マグネトロンを放電させるために第２のスイッチに第２のパルスを印加するステップを更に含む請求項１７乃至２０の何れか１項記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のパルスは、少なくとも一つのキャパシタが充電される期間であって、前記第１のスイッチについての比較的長いオフ時間を含み、
前記第２のパルスが前記第２のスイッチを活性化する前にコイルにエネルギーを蓄えるために前記第１のスイッチが活性化されるときに比較的短い時間が経過し、前記第２のスイッチの活性化は、前記マグネトロンの放電を引き起こす請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記第１のパルス及び前記第２のパルスは、第１のモードと第２のモードの間で周期的に変化し、
前記第１のモードは、キャパシタが充電される期間であって前記第１のスイッチについての比較的長いオフ時間を有する第１のパルスを含み、前記第２のパルスが前記第２のスイッチを活性化する前にコイルにエネルギーを蓄えるために第１のスイッチが活性化されるときに比較的短い時間が経過し、前記第２のスイッチの活性化は、前記マグネトロンの放電を引き起こし、
前記第２のモードは、前記マグネトロンに電圧を供給するために比較的長いパルスを含む第１のパルスを含み、前記第２のパルスは１組の短いパルスである請求項２１又は２２の何れか１項記載の方法。
【請求項２４】
前記第１のパルスは、前記装置に電圧を供給するための比較的長いパルスであり、前記第２のパルスは、１組の短いパルスである請求項２１乃至２３の何れか１項記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも一つの検出器を用いてアークが発生していることを検出するステップと、前記アークの検出に応答して前記マグネトロンを放電させて前記アークの発生を抑制するために前記第２のスイッチを活性化するステップとを更に含む請求項２１乃至２４の何れか１項記載の方法。
【請求項２６】
請求項１７乃至２５の何れか１項記載の方法を含む、コーティングされた基板を製造するための方法。
【請求項１】
マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として、基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置であって、
前記マグネトロンに動作可能に接続された電源と、
前記電源に動作可能に接続された少なくとも一つのキャパシタと、
前記マグネトロンを充電させるために前記マグネトロンに前記電源を動作可能に接続し、前記マグネトロンに第１のパルスを供給するように構成された第１のスイッチと、
前記基板に動作可能に接続され、基板バイアスを印加するように構成された電気的バイアス装置と
を備えた装置。
【請求項２】
前記電気的バイアス装置に動作可能に接続されたチャックを更に備え、前記基板が前記チャック上に配置された請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記マグネトロンと前記チャックとの間の距離が２０ｍｍ乃至１００ｍｍの間である請求項１又は２の何れか１項記載の装置。
【請求項４】
前記電気的バイアス装置と前記チャックとの間に配置されたマッチングユニットを更に備え、前記マッチングユニットは、前記基板及び／又は前記チャックでのプラズマのインピーダンスと前記基板のインピーダンスとをマッチングさせるように構成された請求項１乃至３の何れか１項記載の装置。
【請求項５】
前記チャックに動作可能に接続されたＲＦセルフバイアスモニタ装置を更に備え、前記ＲＦセルフバイアスモニタ装置は、前記電気的バイアス装置のセルフバイアスをモニタするように構成され、前記電気的バイアス装置はＲＦ発生器である請求項１乃至４の何れか１項記載の装置。
【請求項６】
前記電気的バイアス装置は、前記ターゲット及び前記基板を収容するチャンバーへの２０sccmを下回るアルゴンガス流速で、５０Ｗを上回るロードを印加する請求項１乃至５の何れか１項記載の装置。
【請求項７】
前記電気的バイアス装置は、前記ターゲット及び前記基板を収容するチャンバーへの２×１０−４乃至５×１０−３の範囲でのガス圧力で、５０Ｗを上回るロードを印加する請求項１乃至６の何れか１項記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも一つのキャパシタに動作可能に接続されたコイルと、
前記マグネトロンを放電させるために動作可能に接続され、第２のパルスにより前記マグネトロンを放電させるように構成された第２のスイッチと
を更に備えた請求項１乃至７の何れか１項記載の装置。
【請求項９】
前記マグネトロンに動作可能に接続され、発生しているアークを検出するように構成された少なくとも一つの検出器と、
前記マグネトロンを放電させるために動作可能に接続され、前記少なくとも一つの検出器によりアークの発生が検出されると前記マグネトロンを放電させると共に前記アークの発生を抑制するように構成された第２のスイッチと
を更に備えた請求項１乃至８の何れか１項記載の装置。
【請求項１０】
前記第１のスイッチは、前記少なくとも一つの検出器による前記アークの検出に応答して制御される請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも一つのキャパシタに動作可能に接続されたコイルを更に備え、
前記第２のスイッチは、前記コイルに沿った点に動作可能に接続され、前記第２のスイッチは、第２のパルスを供給するように構成された請求項９又は１０の何れか１項記載の装置。
【請求項１２】
マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として、基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置であって、
前記マグネトロンに動作可能に接続された電源と、
前記電源に動作可能に接続された少なくとも一つのキャパシタと、
前記マグネトロンを充電させるために前記マグネトロンに前記電源を動作可能に接続し、前記マグネトロンに第１のパルスを供給するように構成された第１のスイッチと、
前記基板に動作可能に接続され、基板バイアスを印加するように構成された電気的バイアス装置と、
前記電気的バイアス装置に動作可能に接続され、前記基板が配置されたチャックと、
前記少なくとも一つのキャパシタに動作可能に接続されたコイルと、
前記マグネトロンを放電させるために動作可能に接続され、前記コイルに沿った点に接続され、第２のパルスにより前記マグネトロンを放電させるように構成された第２のスイッチと、
前記マグネトロンに動作可能に接続され、発生しているアークを検出するように構成された少なくとも一つの検出器とを備え、
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチは、前記少なくとも一つの検出器による前記アークの検出に応答して制御されて前記アークの発生を抑制する装置。
【請求項１３】
マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として、基板上にコーティングを形成するためにターゲットのスパッタリングを発生させるための装置であって、
前記マグネトロンを充電させるために前記マグネトロンに動作可能に接続され、前記マグネトロンに第１のパルスを供給するように構成された電源と、
前記基板に動作可能に接続され、バイアスパルスにより前記マグネトロンを放電させるように構成されたＲＦ電気的バイアス装置と、
前記電源と前記ＲＦ電気的バイアス装置に動作可能に接続され、前記第１のパルスの周波数と遅延時間を前記バイアスパルスに同期させるように構成された同期化装置と
を備えた装置。
【請求項１４】
前記電源は、前記第１のパルスのデューティ・サイクルを０．０１％と２０％の間とすると共に周波数を１Ｈｚ乃至２０ｋＨｚの範囲として、前記第１のパルスを前記マグネトロンに供給するように構成された請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記電源は、前記第１のパルスのデューティ・サイクルを２％と５０％の間として、前記第１のパルスを前記マグネトロンに供給するように構成された請求項１３又は１４の何れか１項記載の装置。
【請求項１６】
前記同期化装置は、遅延時間を０．１μｓ乃至５００μｓとして、前記第１のパルスの前に前記バイアスパルスを供給するように構成された請求項１３乃至１５の何れか１項記載の装置。
【請求項１７】
マグネトロンのカソード上での電流密度を０．１と１０Ａ／ｃｍ２の間として、基板上にコーティングを形成するためパルスが印加されるスパッタリングを発生させるための装置において基板バイアスを印加する方法であって、
電源から前記マグネトロンを充電させるために第１のスイッチに第１のパルスを印加するステップと、
前記基板に動作可能に接続された電気的バイアス装置から前記基板バイアスを印加するステップと
を含む方法。
【請求項１８】
前記マグネトロンの放電のためのプレ・イオン化として前記第１のパルスの期間で前記電気的バイアス装置を使用するステップを更に含む請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
堆積に先だって、前記基板をエッチング及び事前洗浄するために前記電気的バイアス装置を使用するステップを更に含む請求項１７又は１８の何れか１項記載の方法。
【請求項２０】
前記基板に衝突するイオンのエネルギーを調整して前記基板に所望のコーティングを提供するために、前記基板バイアスの電圧を調整するステップを更に含む請求項１７乃至１９の何れか１項記載の方法。
【請求項２１】
前記マグネトロンを放電させるために第２のスイッチに第２のパルスを印加するステップを更に含む請求項１７乃至２０の何れか１項記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のパルスは、少なくとも一つのキャパシタが充電される期間であって、前記第１のスイッチについての比較的長いオフ時間を含み、
前記第２のパルスが前記第２のスイッチを活性化する前にコイルにエネルギーを蓄えるために前記第１のスイッチが活性化されるときに比較的短い時間が経過し、前記第２のスイッチの活性化は、前記マグネトロンの放電を引き起こす請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記第１のパルス及び前記第２のパルスは、第１のモードと第２のモードの間で周期的に変化し、
前記第１のモードは、キャパシタが充電される期間であって前記第１のスイッチについての比較的長いオフ時間を有する第１のパルスを含み、前記第２のパルスが前記第２のスイッチを活性化する前にコイルにエネルギーを蓄えるために第１のスイッチが活性化されるときに比較的短い時間が経過し、前記第２のスイッチの活性化は、前記マグネトロンの放電を引き起こし、
前記第２のモードは、前記マグネトロンに電圧を供給するために比較的長いパルスを含む第１のパルスを含み、前記第２のパルスは１組の短いパルスである請求項２１又は２２の何れか１項記載の方法。
【請求項２４】
前記第１のパルスは、前記装置に電圧を供給するための比較的長いパルスであり、前記第２のパルスは、１組の短いパルスである請求項２１乃至２３の何れか１項記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも一つの検出器を用いてアークが発生していることを検出するステップと、前記アークの検出に応答して前記マグネトロンを放電させて前記アークの発生を抑制するために前記第２のスイッチを活性化するステップとを更に含む請求項２１乃至２４の何れか１項記載の方法。
【請求項２６】
請求項１７乃至２５の何れか１項記載の方法を含む、コーティングされた基板を製造するための方法。
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１】
【図３】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１】
【図３】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公表番号】特表２０１０−５１２４５８（Ｐ２０１０−５１２４５８Ａ）
【公表日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４０７６１（Ｐ２００９−５４０７６１）
【出願日】平成１９年１２月１２日（２００７．１２．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００７／０６３７７８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０７１７３２
【国際公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【出願人】（５０７２８８７３０）オーツェー・エリコン・バルザース・アーゲー (9)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１２日（２００７．１２．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００７／０６３７７８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０７１７３２
【国際公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【出願人】（５０７２８８７３０）オーツェー・エリコン・バルザース・アーゲー (9)
【Ｆターム（参考）】
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