(57)【要約】  基板をバッチ被覆するコーティング装置（１００）が提供される。このバッチ式コーターでは、物理蒸着、化学蒸着、またはこれらのプロセスの組合せによって、積層を堆積することができる。従来の装置と比較して、混合モードプロセスが特に安定である。これは、従来技術による平面マグネトロンではなく、回転可能マグネトロン（１１２）を用いることによって、達成される。該装置は、プロセスステップを同時にまたは交互に行うことを可能にする回転可能シャッタをさらに備えている。
2009531545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を被覆するコーティング装置（１００）であって、減圧可能チャンバ（１０２）と、物理蒸着プロセスを行うための手段（２２２）および化学蒸着プロセスを行うための手段（１１０）と、を備え、前記手段（２２２，１１０）が、前記チャンバの内側において交互にまたは同時に作動され得る、コーティング装置（１００）において、
前記物理蒸着手段（２２２）は、前記基板に対して物理蒸着および化学蒸着を組み合わせて行う安定プロセスを可能にする１つまたは複数の回転可能スパッタリングマグネトロンを含むことを特徴とするコーティング装置。
【請求項２】
前記回転可能スパッタリングマグネトロン（２２２）は、前記減圧可能チャンバ（１０２）の壁に取り付け可能なハウジング（２１２）に密閉され、前記ハウジング（２１２）は、開口を有し、前記回転可能スパッタリングマグネトロン（２２２）から前記開口を通して前記チャンバ（１０２）へのスパッタリングを行うことを特徴とする請求項１に記載のコーティング装置。
【請求項３】
前記マグネトロン（２２２）の点検を容易にするために、前記ハウジング（２１２）は、前記チャンバ（１０２）に回動可能に取り付けられる（２２６，２２６’）ことを特徴とする請求項２に記載のコーティング装置。
【請求項４】
前記ハウジングは、前記スパッタリングマグネトロン（２２２）を回転、冷却、および励磁する手段をさらに有し、前記手段（２１４）は、前記ハウジング（２１２）の外側において、前記スパッタリングマグネトロン（２２２）に対して軸方向に取り付けられることを特徴とする請求項２または３に記載のコーティング装置。
【請求項５】
前記回転可能スパッタリングマグネトロン（２２２）のスパッタリング区域は、前記マグネトロン（２２２）の周囲に回転して移動可能な管状シャッタ（２２４）によって、覆われることが可能であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のコーティング装置。
【請求項６】
前記管状シャッタ（２２４）は、前記回転可能マグネトロン（２２２）に偏心して取り付けられることを特徴とする請求項５に記載のコーティング装置。
【請求項７】
前記ハウジング（２１２）は、前記シャッタ（２２４）を回転する手段（２１８）をさらに有し、前記手段（２１８）は、前記ハウジングの外側において、前記スパッタリングマグネトロンに取り付け可能であることを特徴とする請求項５または６に記載のコーティング装置。
【請求項８】
前記シャッタ（２２４）は、導電材料から作製され、前記マグネトロン（２２２）に対して電気的にバイアスされ得ることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載のコーティング装置。
【請求項９】
前記マグネトロン（２２２）および前記シャッタ（２２４）は、前記スパッタリング区域においてある間隙を隔てて分離され、前記間隙は、前記マグネトロンと前記シャッタとの間でプラズマを点火するのに十分に広いことを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１項に記載のコーティング装置。
【請求項１０】
前記シャッタ（２２４）は、１つまたは複数の構成要素（３２８，４２９）から組み立て可能であることを特徴とする請求項５ないし９のいずれか１項に記載のコーティング装置。
【請求項１１】
ガス供給路（１０９）が、前記マグネトロン（２２２）と前記シャッタ（２２４）との間に配置されることを特徴とする請求項５ないし１０のいずれか１項に記載のコーティング装置。
【請求項１２】
前記シャッタが前記シャッタゾーンを覆うとき、ガス雰囲気が前記マグネトロン（２２２）と前記シャッタ（２２４）との間に保持され、前記ガス雰囲気は、前記チャンバ（１０２）内のガス雰囲気と異なることを特徴とする請求項１１に記載のコーティング装置。
【請求項１３】
前記回転可能スパッタリングマグネトロン（２２２）は、平衡式であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のコーティング装置。
【請求項１４】
前記回転可能スパッタリングマグネトロン（２２２）は、不平衡式であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のコーティング装置。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のコーティング装置（１００）において基板を被覆する方法であって、
ａ）前記基板を前記コーティング装置（１００）に装填するステップと、
ｂ）前記チャンバ（１０２）を低圧までポンピングするステップと、
ｃ）前記基板に積層被膜を施すステップであって、前記積層のそれぞれの層が、スパッタ堆積、反応スパッタ堆積、化学蒸着、またはその組合せの群から選択されるプロセスによって施される、ステップと、
ｄ）前記シーケンスが完了したとき、前記コーティングプロセスを停止するステップと、
ｅ）前記チャンバを大気圧にするために、ガスを前記チャンバ（１０２）に供給し、前記基板を前記コーティング装置（１００）から取り出すステップと、
を含む方法において、
前記ステップｂ）からステップ（ｅ）のいずれかの間またはいずれかの最中に、
−前記シャッタ（２２４）を前記スパッタリング区域を覆うように回動させるサブステップと、
−前記マグネトロン（２２２）と前記シャッタ（２２４）との間の間隙にプラズマ点火ガス圧をもたらすサブステップと、
−前記マグネトロン（２２２）と前記シャッタ（２２４）との間でプラズマを点火するサブステップと、
−前記シャッタ（２２４）を逆に回動させるか、または逆に回動させないサブステップと、
−前記プラズマを消滅させるサブステップと、
を含むステップが導入され得ることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスが化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスと交互にまたは同時に行われる混合モードコーティングプロセスを特に対象とするコーティング装置に関する。該装置では、回転可能マグネトロンが、スパッタ材料源として用いられる。該コーティング装置は、マグネトロンのスパッタ区域を覆うかまたはその覆いを外すように回転可能に移動される管状シャッタをさらに備えている。
【背景技術】
【０００２】
機能性被膜を光学的、電気的、化学的、磁気的、または機械的に堆積する技術において、物理蒸着（ＰＶＤ）および化学蒸着（ＣＶＤ）が主流である。物理蒸着は、基板への被膜原子の弾道（ballistic）シャワーによって堆積されるプロセスに関する。被膜原子は、通常、固体状「ターゲット」から生じさせ、場合によっては、液体状「ターゲット」から生じさせることもある。ターゲット材料を基板に転移させる好ましい方法として、ターゲット面に高運動エネルギーイオンを衝突させる方法が挙げられる。不活性ガス、典型的には、アルゴンのような希ガスのプラズマが、イオン源として作用する。これらのイオンは、負のバイアスが印加されたターゲットの方に加速されると、運動エネルギーを得て、ターゲット材料の原子を基板に向かって放出させる。このようなプロセスは、「スパッタ蒸着」と呼ばれる。プラズマは、プラズマ側と向き合ったターゲットの側に配置された磁石から生じる磁場によって、ターゲット面の近傍に閉じ込められてもよい。このプロセスは、「マグネトロンスパッタ堆積」と呼ばれる。ターゲットには、直流電源、パルス直流電源、または交流電源を供給することができる。また、反応ガスがアルゴンに対して供給されると、複合層が基板の表面に形成される。このプロセスは、「反応性マグネトロンスパッタ堆積」と呼ばれる。「マグネトロンスパッタ堆積」の他の変更例では、マグネトロンは、「平衡式」とは対照的な「不平衡式」とされてもよい。「不平衡式」という用語は、磁場線の一部が、ターゲット面に近接せず、基板の方へ扇状に広がることを意味する。従って、これらの磁場線の周囲の電子の旋回が、基板に達し、局部的なプラズマを生じる。このようなプロセスは、「不均衡マグネトロンスパッタリング」と呼ばれる。
【０００３】
基板に向かうイオン電流は、設備の基板以外の部分に対して基板に適切なバイアスを印加するか、または基板を絶縁し、設備の基板以外の部分に対して基板を電気的に浮遊させることによって、制御可能である。後者の場合、自己バイアスが大きくなり、イオンを基板に引き付けることができる。このような衝突イオン電流によって、堆積層の密度をさらに高めることができる。このようなプロセスは、「イオンプレーティング」として知られている。
【０００４】
化学蒸着は、本質的に、ガス状前駆体（通常、炭化水素）が励起され、ラジカルを生成し、次いで、これらのラジカルが、素材または既に被覆された基板の表面で化学的に反応するプロセスである。ガス状前駆体の励起は、以下に述べる種々の手段によって、達成される。
【０００５】
−１つの手段は、前駆体の熱活性化による。ガスの加熱は、基板または反応器の壁を加熱することによって、または（ホットワイヤＣＶＤにおけるように）ヒータワイヤを用いることによって、達成される。ヒータワイヤを用いることによって、熱的に放射された電子が前駆体ガスの活性化度を高める利点が付加的に得られる。
【０００６】
−他の手段は、（光化学蒸着におけるような）可視光、赤外線、またはマイクロ波電磁波による。
【０００７】
−さらに他の手段は、（プラズマ支援ＣＶＤ，ＰＡＣＶＤにおけるような）プラズマ内での励起による。この目的を達成するために、希ガス原子、通常、アルゴンが、プラズマを生成するために、前駆体ガスに混合され、これによって、前駆体ガス内にラジカルを生成させる。プラズマは、高周波電磁場（典型的には、１３．５６ＭＨｚ）によって励起させることができる。
【０００８】
−この技術の変更例では、不均衡マグネトロンを用いて、プラズマを基板の方に扇状に拡げ、これによって、化学蒸着に加えて、イオンプレーティングを生じさせる。
【０００９】
多くの場合、被覆特性を制御するため、または被覆速度を高めるために、種々の活性化モードが組み合わされる。
【００１０】
この活性化モードの適用から見た場合、プロセスは、
−原子がターゲットから放出されるのであれば、ＰＶＤプロセスと見なされ、
−前駆体ガスのラジカルが装置内に存在するのであれば、ＣＶＤプロセスと見なされ、
−ターゲット原子が放出されると共に、有機前駆体分子が存在するのであれば、「混合プロセス」と見なされる。
【００１１】
ＰＶＤ、反応性ＰＶＤ、およびＣＶＤによって堆積された層、および２つのプロセスが同時になされることによる混合物を含む勾配層からなる複雑な積層を含むさらに一層技術的に重要な被膜が、製造されている。このような１つの積層は、例えば、国際特許出願公開第２００５／０１４８８２号に記載されている。ここでは、まず、Ｔｉ層が（マグネトロンスパッタリングによって）基板に堆積され、（反応性マグネトロンスパッタリングによる）ＴｉＮの層が続き、さらにＴｉ層が続き、このＴｉ層は、ＴｉＣ（混合プロセス）からダイヤモンド状被膜（ＤＬＣ、化学蒸着）に徐々に変化する。これらの特定の被膜は、種々の用途において、硬質かつ耐摩耗性被膜として用いられる。
【００１２】
１つの単一装置において両プロセスを組み合わせて行うのは、両プロセスの要件が異なっているので、機器に対する多くの技術的な問題をもたらす。例えば、プラズマスパッタリングプロセスは、通常、０．０１Ｐａから１００Ｐａの間の圧力で行われ、化学蒸着プロセスは、１Ｐａから雰囲気圧の間のいずれかの圧力で行われる。また、コーティング機構が異なっている。ＰＶＤプロセスでは、被膜粒子の流束が、多かれ少なかれ、基板の方に導かれる。これによって、複雑に湾曲されることもある基板のどのスポットにも達するように基板を支持する遊星カルーセルを導入する必要がある。ＣＶＤプロセスは、拡散に基づき、基板を等角的に被覆する。しかし、ＣＶＤは、蒸着チャンバ内に存在するスパッタリングターゲットを含む蒸着チャンバの全体を被覆する傾向にある。このスパッタリングターゲット面は、ＣＶＤ層によって被覆され、ターゲットの次回の使用中に、ＰＶＤプロセスを阻害する。
【００１３】
プロセス制御の問題は、スパッタリングを不活性ガスおよび前駆体ガスの混合物の供給と組み合わせて行う、例えば、ＴｉＣ層を形成するためにアセチレン（Ｃ２Ｈ２）−アルゴン混合物内においてＴｉターゲットのスパッタリングを行う「混合モード」プロセスにおいて、特に顕著である。混合プロセスを再現性よく制御するのは、著しく困難であることが分かっている。何故なら、化合物層は、基板上のみならず、ターゲット上にも形成されるので、（ターゲットからの大きな断片の離脱をもたらす）アーキング（異常放電）のような望ましくない現象、およびプロセスの不安定化をもたらすからである。すなわち、これらの混合プロセスでは、「ターゲット汚染」の問題が存在する。
【００１４】
「混合プロセス」を可能にする多くの反応器が記載されている。例えば、国際特許出願公開第０１／７９５８５号に記載されるコーター（coater）は、減圧可能チャンバの外壁に取り付けられた平面マグネトロンを示している。前駆体ガスを励起する他の源が、ホットフィラメント陰極と陽極との間に印加される低電圧アークの形態で設けられている。形成される層の高密度化は、基板とプラズマとの間のパルスＤＣ励起によって、達成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、同一の反応器具内において、安定して制御可能な化学蒸着プロセス、物理蒸着プロセス、または両方のプロセスを可能にする装置を提供することにある。加えて、該装置は、化学蒸着プロセスに支障を与えずに、物理蒸着手段を清浄化することができる。本発明の他の目的は、時間効率のよいプロセススケジュールを可能にする装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１の態様によれば、基板を被覆する装置は、請求項１に記載されている。該装置は、基板に機能性被膜を設けることが意図されている。施される被膜は、所望される特定の光学的、電気的、磁気的、化学的、または機械的特性を基板にもたらすことができる。該装置は、好ましくは、機械的な機能性被膜、例えば、耐摩擦性被膜、耐摩耗性被膜などによって、基板を被覆することが意図されている。さらに具体的には、該装置は、制限はされないが、異なる種類のプロセス、特に、ＣＶＤまたはＰＶＤ、またはこれらの組合せによって施される積層からなる被膜によって、基板を被覆することが特に意図されている。このような積層は、好ましくは、当技術分野において知られているような、周期律表の第ＩＶＢ属、第ＶＢ属、または第ＶＩＢ属の金属の層、前記金属の炭化物または窒化物の層、ダイヤモンド状層、またはダイヤモンド状ナノ化合物層を含んでいる。
【００１７】
このような装置は、ポンプ、圧力ゲージ、チャンバを減圧するための供給路のような必要な補助機器が設けられるチャンバである。該チャンバは、好ましくは、矩形状であるが、これは、本発明に必ずしも必要ではなく、例えば、円筒状、六角形状、または他の形状も考えられる。チャンバの内側には、被覆される基板を支持する装置が設けられる。このような装置は、通常、コーティング手段に対して考えられるあらゆる方向に基板を回転させる遊星キャリアである。化学蒸着プロセスを行う１つまたは複数の手段、例えば、ホットワイヤ加熱源、電磁エネルギーをプラズマに結合するＲＦアンテナ、低電圧プラズマアークなどが前記チャンバの内側に設けられる。加えて、物理蒸着プロセスを行う１つまたは複数の手段が、前記装置内に備えられる。平面マグネトロンを物理蒸着手段として単独で用いる周知の装置と対照的に、本発明の装置は、少なくとも１つの回転可能スパッタリングマグネトロンを備えている。このような回転可能スパッタリングマグネトロンは、当技術分野において、主に大面積スパッタリングの分野において、知られている。しかし、このような回転可能マグネトロンを混合モード反応器内に用いることは、これまで考えられていない。
【００１８】
本質的に、回転可能スパッタリングマグネトロンは、マグネット列が内部に設けられるターゲット管を備えている。マグネットの磁線は、ターゲット管を貫通し、装置が作動するとき、ターゲットの外面に好ましいスパッタ領域を画定する。少なくともターゲット管の外面は、スパッタリング用のターゲット材料から作製される。作動中、レーストラックと呼ばれる１つまたは複数の閉鎖プラズマループが、マグネット列におけるマグネットの配列を反映して、ターゲットの表面に形成される。これらのレーストラックの半径方向下側では、ターゲット材料は、迅速に侵食され、レーストラックの外側では、浸食は、ごくわずかである。レーストラック内において、ターゲット材料は、好ましい方向に放出されるので、マグネット列の配置は、被覆される基板に向かうように、なされるべきである。
【００１９】
平面マグネトロンに対する回転可能マグネトロンの利得は、ターゲットとマグネット列との間に相対運動が存在するときに、顕著になる。このような相対運動によって、レースラック内の新しい材料が連続的に供給され、これによって、裏当て管上のターゲット材料の均一な使用が可能になる。加えて、相対運動によって、反応性スパッタリングまたは混合モード蒸着の場合、ターゲット面への化合物層の生成が低減される。実際、最初に形成された化合物層は、レースラックにおいて浸食され、次にスパッタされた新鮮なターゲット材料が現れる。その結果、「poisoning」と呼ばれることもあるターゲット材料の汚染が低減し、有機前駆体ガスのような著しい反応性ガスと作用するときでも、より安定したプロセスが得られる。
【００２０】
マグネット列は、平衡式とすることができる（請求項１２）。レースラックにおける浸食がマグネット列によって決定されるので、多くの形式のマグネット列構成が記載されている。マグネット列は、好ましくは、（米国特許第６，２６４，８０３号に記載されているように）、材料が優先的にスパッタされる方向を画定する１つまたは複数のループを有する方向性配置型である。マグネット列は、不平衡式でもよく（請求項１３）、これによって、物理蒸着中または混合モードプロセス中に、ある程度のイオンプレーティングが可能になる。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態によれば、回転可能マグネトロンは、チャンバの壁に取り付けられるハウジング内に保持される（請求項２）。ハウジングは、管状マグネトロンを保持しなければならないので、必然的に細長く延びている。基板は、ハウジングをチャンバに接続する開口部を通して被覆される。回転可能マグネトロンは、１つまたは２つのエンド取付け具間に取り付けられる。エンド取付け具は、複雑な電気−機械式モジュール、具体的には、
−回転可能な機械的支持および回転運動をターゲットにもたらすモジュール
−マグネット列をチャンバに対して一定位置に保持するモジュール、
−イオンをプラズマの外に引き出すために、電気をターゲット面に伝達するモジュール、
−冷媒をターゲットに伝達し、還流冷媒を収集するモジュール、
−ターゲットの回転中、真空機密性を保持するモジュール、
である。
【００２２】
回転可能マグネトロンを取り付けるために、ハウジングを用いることは、特に有利である。何故なら、ハウジングは、エンド取付け具が前記ハウジングから直線状に突出することを可能にするからである（請求項４）。このように、エンド取付け具は、より簡単に設計され、点検するために、外側から極めて容易にアクセス可能である。好ましくは、本発明にとって必ずしも必要ではないが、１つまたは複数のマグネトロンは、チャンバの前側から見て、チャンバの左壁または右壁に垂直方向に取り付けられる。
【００２３】
ハウジング内に密封されたターゲット管の交換は、ハウジングをチャンバに対して回動可能に取り付けることによって、簡素化される（請求項３）。この取付けは、ハウジングおよびターゲットの重量が大きいので、例えば、重量のあるヒンジによって、行うことができる。
【００２４】
装置の内側でのプロセスは、シャッタを導入することによって、有利に実施される（請求項５）。このようなシャッタは、マグネトロンのスパッタリング区域を少なくとも覆うことができる。「スパッタリング区域」という用語は、マグネトロンの作動時にプラズマが生成されるターゲット面の領域を意味する。シャッタは、マグネトロンの周囲で回転可能に移動することができる。しかし、シャッタおよびマグネトロンが同一の軸を共有することは、必ずしも必要ではない。シャッタの軸がマグネトロンの軸に対して偏心している方がより好都合である（請求項６）。
【００２５】
シャッタは、好都合には、ハウジングの外側に取り付けられた手段によって、ハウジングの外側から駆動される（請求項７）。シャッタは、導電材料から優先的に作製されるが、誘電材料（例えば、ガラス、好ましくは、パイレックス（登録商標）（Pyrex）のような石英ガラスのような耐高温性ガラス）が考えられてもよい。好ましくは、シャッタは、金属、特にステンレス鋼、チタン合金、または一部のアルミニウム合金のような耐高温性金属から作製される。他の金属または合金も、例えば、厚みが十分に長い時間にわたってプラズマ環境に耐えるのに適するようにされている場合、可能である。シャッタは、環境に対して電気的に浮遊してもよいが、もしシャッタの電気ポテンシャルが、以下の関連事項、すなわち、チャンバの電気ポテンシャル、ターゲットの電気ポテンシャル、または基板の電気ポテンシャルの１つに対して制御可能であると、より好ましい（請求項８）。もしシャッタおよびチャンバが同一の電気ポテンシャルに保持されると、最も好ましい。
【００２６】
好ましくは、ターゲットのスパッタリング区域におけるスパッタリング区域とシャッタとの間の間隙は、プラズマの点火を可能にするのに十分に大きくされる（請求項９）。プラズマが点火する前に、種々の条件が合致しなければならない。（圧力によって制御される）ガス密度は、イオンが加速し、陰極から二次電子を放出させるのに十分な平均自由経路を有するために、十分低くなければならない。その一方、ガス密度は、余り低すぎてはならない。何故なら、ガス密度が余り低すぎると、十分な衝突が生じないからである。磁場強さは、十分に高くなければならなく、電子の平均自由経路は、電子が十分なエネルギーを得て、ガス内において中性原子をイオン化させるのを可能にするために、十分に長くなければならない。プラズマ内では、電子とイオンとの間に電荷平衡が保持されているので、ポテンシャルは、比較的一定であるが、ポテンシャルの殆どが低下するターゲット陰極の近傍では、ポテンシャルは、一定ではない。そこで、暗部（dark space）が、ターゲット面の上方に形成される。この暗部では、電子が運動エネルギーを得て、ガス原子をイオン化することができない。マグネトロンとシャッタとの間の間隙が、この暗部の厚みよりも小さいと、プラズマが始動しない。当業者には、パラメータのこの微妙な平衡は、知られているし、プラズマを点火させるには、ある間隙幅が必要とされることも知られている。間隙は、プラズマが生じる箇所、すなわち、スパッタリング区域の上方において、十分に広くなければならない。レーストラックの外側では、プラズマがどのようにも生成されないので、十分に小さくすることができる。
【００２７】
実際の電圧および電流密度に対して、本発明者らは、マグネトロンとシャッタとの間でプラズマを点火するのに、３ｃｍの最少距離で十分であることを見出している。より好ましくは、４ｃｍまたは５ｃｍの距離である。大きい距離は、より好ましいが、この要件は、このような装置の内側の空間的制限と相反する。マグネトロンに対するシャッタの偏った配置は、ハウジングを大きくすることなく、この距離を大きくするのに役立つ。
【００２８】
ハウジングの開口は、このようなシャッタへの容易なアクセスを妨げる可能性があるので、本発明者らは、このシャッタをモジュール式にするのが最良であることを見出している（請求項１０）。シャッタを構成する要素の各々は、開口を通して取外し可能であるのに十分に小さくされる。各構成要素は、容易に脱着される限り、どのような周知の固定手段、例えば、ネジ、クリップ、フック、ナット／ボルト、などによっても、ハウジング内に組み込み可能である。
【００２９】
ターゲットと管状シャッタとの間に別のガス供給路をもたらすために、さらなる設備が装置内に設けられる。このようなガス供給路が、好ましくは、マグネトロンとシャッタとの間の間隙内に希ガスを送給する（請求項１１）。シャッタがハウジングとチャンバとの間の開口を十分に閉鎖したとき、チャンバ内のガス雰囲気と異なる別のガス雰囲気が、ターゲットの周囲に保持されてもよい（請求項１２）。この特徴は、ターゲット面を清浄化するのに特に有用である。また、ターゲットが使用されないとき、ターゲットの汚染を阻止するのにも有用である。
【００３０】
本発明の第２の態様によれば、時間効率のよいプロセススケジュールが提供される（請求項１５）。通常通り、基板の被覆は、バッチプロセスで行われるので、チャンバの減圧、チャンバの加熱、スパッタ清浄化、通気、などに多大の時間が消費される。従って、これらのステップを低減させること、またはステップを同時に行うことが、有利である。基板を被覆する方法は、以下のステップを含んでいる。
【００３１】
ａ）まず、基板が基板キャリアに取り付けられる。次いで、キャリアが、チャンバ内の遊星基板ホルダーに装填される。
【００３２】
ｂ）チャンバは、基準圧力まで減圧される。チャンバは、一時的に、アルゴンガスによって洗い流されるとよい。また、基板に適切なバイアスを加えることによって、基板にプラズマエッチングを施してもよい。
【００３３】
ｃ）コーティングプロセスの所定のシーケンスが開始され、積層被膜が前記基板上に形成される。該プロセスは、スパッタ堆積、反応性スパッタ堆積、化学蒸着、およびその組合せの群から選択される。好ましくは、該シーケンスは、スパッタ堆積、反応性スパッタ堆積、化学蒸着と組合された反応性スパッタ堆積、炭化水素前駆体ガスを用いる化学蒸着を含む。各プロセスステップ中、必要なプロセス条件、例えば、ターゲットポテンシャル、基板バイアス、ガス圧およびガス流量、温度、遊星基板ホルダーの回転速度、などが、制御される。
【００３４】
ｄ）積層が完了されると、全てのコーティングプロセスが停止される。
【００３５】
ｅ）チャンバが、好ましくは、窒素または空気（他のガスでもよい）で通気され、かつ冷却され、次いで、キャリア上の基板が、チャンバから取り外される。
【００３６】
このプロセスの新規性は、上記のステップ間に、または上記のステップと同時に、いつでも、以下のサブステップを導入することができる点にある。
【００３７】
−シャッタをスパッテリングが生じる領域を覆うように回動させる。シャッタは、すでにその閉位置にあってもよいし、またはその閉位置に移動されてもよい。
【００３８】
−プラズマを点火可能とするために、マグネトロンとシャッタとの間に適切なガス圧をもたらす。
【００３９】
−電力をマグネトロンに送給することによって、マグネトロンとシャッタとの間でプラズマを点火する。
【００４０】
−プラズマが継続している間に、オペレータがシャッタを逆に回動させてもよい。これは、第１の金属層を堆積するときに有用である。すなわち、最初に、ターゲットが清浄化され、オペレータは、安定したプラズマが得られるまで待機する。その後、シャッタが閉位置に回転され、基板が被覆される。このような手順によって、プラズマ堆積が始動時から安定する利得が得られる。
【００４１】
あるいは、オペレータは、例えば、化学蒸着が進行しているとき、スパッタリング区域の前方にシャッタが残留するように選択することができる。シャッタを閉位置に保持しながら、コーティング手順の最後にターゲットを清浄化するために、プラズマを点火することができる。
【００４２】
前記プラズマを消滅させる。これは、（減圧サイクルにおけるように）過度に低い圧力によって行われてもよいし、またはマグネトロン電力の切換えによって行われてもよい。シャッタは、他のプロセスステップによるターゲット汚染を阻止するために、閉位置に残留させてもよい。
【００４３】
上記サブステップを、主ステップ（ｂ）〜（ｅ）のいずれかの間において、および主ステップ（ｂ）〜（ｅ）のいずれかの最中に、行うことができる。サイクル時間は、上記サブステップが主ステップ中になされると、短縮される。例えば、減圧（主ステップ（ｂ））およびターゲットとシャッタとの間におけるアルゴンガスによるパージを行うとき、マグネトロンを励磁することによって、適切な時期において、ターゲットとシャッタとの間の圧力がプラズマを点火するのに最適な圧力（典型的には１Ｐａ）に達する。シャッタは、基板が汚染されるのを阻止するために、スパッタリング区域を覆うように回動されねばならない。圧力がさらに低減すると、プラズマは、約０．０１Ｐａにおいていずれかの箇所で消滅する。従って、典型的には１ｍＰａの基準圧力に達するために、システムをさらに減圧することができる。
【００４４】
前述したような清浄化ステップは、プロセスサイクルの一部としてターゲットを取り外すことなく、ターゲット清浄化をターゲット面の全体にわたって行うことができるという利点を有している。これは、平面的ターゲットでは、不可能である。平面ターゲットを用いるとき、ターゲット材料は、レーストラックにおいて損耗されるのみである。使用中、化合物層は、レーストラックの外側に生成される。この化合物層は、オフラインでしか除去することができない。すなわち、化合物層を（例えば、金属ブラシまたはサンドペーパによって）ターゲットから機械的に除去する清浄化ステップが必要とされる。
【００４５】
平面的ターゲットの他の欠点は、スパッタリング中に反応性ガス、例えば、有機前駆体が供給されると、レーストラック自体が、金属モードから化合物モードに急峻に切り替わるまで、化合物材料によって、ますます覆われ、その結果、得られる特性が、堆積される材料の種類および量に関して、著しく異なる点にある。この問題は、回転可能マグネトロンを用いるとき、著しく低減される。何故なら、レーストラックがターゲットに対して移動し、これによって、ターゲット面に形成された化合物層が、最初に損耗されるからである。また、回転可能マグネトロンの場合、熱がターゲットの全表面にわたって拡がるので、より効率的に冷却され、その結果、平面的マグネトロンと比較して、著しく大きい電力を供給することができる。これによって、プロセスの物理蒸着ステップまたは混合モード堆積ステップにおいて、迅速に被覆することができる。
【００４６】
シャッタがマグネトロンを完全に覆う場合、さらに一層の融通性が得られる。すなわち、オペレータは、シャッタ内をアルゴン雰囲気とし、このアルゴン雰囲気内にプラズマを保持する一方、シャッタの外側において、有機前駆体ガスによる化学蒸着プロセスを行うことができる。シャッタから外に漏れるアルゴンを用いて、前駆体ガスをイオン化させることができる。このように、プロセスステップを同時に行うことができる。
【００４７】
以下、添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下では、参照番号の下２桁の数字は、装置の同等部分または類似部品を指し、参照番号の第１位の数字は、図の番号を指す。
【００４９】
図１は、本発明によるコーティング装置１００の第１の実施形態を示している。この実施形態では、減圧可能チャンバ１０２は、箱状コーターの典型的な矩形状を有している。このような箱状コーターは、基板が懸垂される遊星基板ホルダー１０８にアクセスするドア１０４を備えている。この実施形態では、化学蒸着中の前駆体ガスの励起は、可能であれば加熱ワイヤ１１０によって支援されるＲＦ励起手段によって、達成される。チャンバ１０２は、真空ポンプ（図示せず）によって減圧可能であり、真空またはガス雰囲気は、周知の形式の圧力ゲージおよびガスセンサ（図示せず）によって監視される。種々のガスが、ガス供給路１０６，１０６’，１０６”を通して、質量流量制御装置（図示せず）によって制御可能な量だけ、チャンバに供給される。回転可能マグネトロンが、チャンバの側壁に設けられたハウジング１１２の内側に取り付けられている。エンド取付け具１１４が、マグネトロンの軸と直線状に並んで取り付けられている。エンド取付け具１１４は、電気および冷媒を供給路１１６，１１６’，１１６”を通して供給し、また運動をハウジング内のターゲットに供給する。ハウジング１１２内のシャッタ２２４は、エンド取付け具１１８を介して移動可能である。別のガス供給路１０９が、シャッタとマグネトロンとの間の間隙にガスを供給する。同一の減圧可能チャンバの他の壁に、それぞれのハウジング内の他のマグネトロンが取り付けられてもよいことは、明らかである。
【００５０】
ハウジング２０１内のマグネトロンの詳細な設計図が、図２の斜視図によって示されている。基本的に、マグネトロン２２２のハウジング２１２は、エンド取付け具２１４，２１８が取り付けられたフランジ２２１，２２１’を有するステンレス鋼管である。ハウジング２０１をチャンバ１０２に真空気密に取り付けるための取付けフランジ２２０によって縁取られた開口が、設けられている。この開口を通して、マグネトロン２２２からスパッタされた材料が、チャンバ１０２に入り、基板ホルダー１０８に取り付けられた基板を被覆する。マグネトロン２２２は、回転可能ターゲットから構成され、このターゲットの内側に、原子のスパッタを開口内に導く静止マグネット列（図示せず）が取り付け可能である。全ての機器が取り付けられたハウジングは、ターゲットおよびシャッタの点検を容易にするために、頑丈なヒンジ２２６，２２６’によって、減圧可能チャンバから離れる方向に回動可能である。
【００５１】
ハウジングの各端において、エンド取付け具２１４，２１８が、エンドフランジ２２１，２２１’に取り付けられている。この実施形態では、上側エンド取付け具２１４は、ハウジング２１２の真空機密性を保持しながら、モータ２１５からの運動をターゲットに伝達する。冷媒が、冷媒接続具２１６を通して、供給および排出される。電気は、電気コネクタ２１６’を通してターゲットに供給される。ハウジング２１２の内側に、管状の回転可能シャッタ２２４が設けられている。図２は、前記管状シャッタ２２４の細長開口が回転可能マグネトロン２２２のスパッタリング領域の前方に回動したときの開位置におけるシャッタを示している。シャッタは、ハウジングの外側から、エンド取付け具２１８を通して作動される。シャッタの作動は、例えば、選択されたプロセスの機能に従ってＰＬＣまたはコンピュータのような電子制御ユニット（図示せず）によって作動される小型電気モータを介して、なされる。この実施形態では、マグネトロンおよびシャッタは、互いに偏心して取り付けられている。このような偏心取付けは、好ましいが、本発明の必須要件ではない。
【００５２】
エンド取付け具の機能性が前述したのと異なって配分される他のいくつかの実施形態も、以下に述べるように可能である。
【００５３】
−シャッタは、上側エンド取付け具によって制御され、ターゲットは、下側エンド取付け具によって駆動されてもよい。これによって、取換え時にターゲットから排水するのがより容易になる。
【００５４】
−（マグネトロンおよびドライバが同心で取り付けられているなら）、マグネトロンへの給電路およびシャッタドライバは、同一のエンド取付け具内に設けられてもよい。
【００５５】
−冷媒の供給および排出は、上側エンド取付け具および下側エンド取付け具に分けられ、冷媒は、例えば、底側から供給され、上側から排出されてもよい。
【００５６】
当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、全体として同一の結果を与える他の同等の機能性分布を容易に考案することができるだろう。
【００５７】
図３は、シャッタがいかに設計され、シャッタがいかにハウジングから取り出され得るかを詳細に示す図である。シャッタ２２４は、２つの管状半体３２８，４２９から作製され、その内、管状半体３２８が、細長開口を有している。管状半体３２８，４２９のいずれも、カラー３２５によって支持され、カラー３２５は、エンド取付け具３１８を介して駆動される。これらの半体は、ボルトによって、カラー３２５に取り付けられる。２つの半体３２８，４２９は、互いにネジ締めによって固定される。図４は、開口を有しない半体４２９がいかに取り外されるかを示す以外は、図３と同じである。
【００５８】
以下、チタン接着層を例とする耐摩耗被膜の典型的なコーティング手順について説明する。コーティングの前に、基板が遊星カルーセル（carousel、メリーゴーランド）の基板ホルダーに取り付けられる。最初に、チャンバが、０．０１Ｐａ（パスカル）未満の基準圧力まで減圧される。回転基板を清浄化するために、短時間のアルゴンプラズマによるエッチング（short argon plasma etch）が用いられる。有機前駆体ガスを熱分解する局部プラズマを生成するために、ＲＦ電源が基板に結合される。アルゴンが約１Ｐａの圧力になるまで供給され、ＤＣ電圧がＴｉターゲットに印加される間、シャッタは、閉位置に保持される。最適な条件に達すると、プラズマがシャッタとターゲットとの間で点火される。回転しているＴｉターゲット基板から雰囲気への露出中に形成された酸化物を除去すると共に、スパッタリングプロセスを安定化するために、シャッタは、約５分間閉位置で保持される。その後、シャッタが開けられ、Ｔｉの基層が、基板上にスパッタされる。Ｔｉ基層が形成された時点で、炭素を含有する有機前駆体ガス、例えば、エチン（ethyne, アセチレン）が、流量を増加させながら、チャンバに供給される。同時に、Ｔｉターゲットに印加されている電力が、徐々に弱められる。この電力が次第に弱められる期間において、プロセスは、混合プロセス（mixed process）として作用する。何故なら、Ｔｉ原子がターゲットから放出される一方、有機前駆体分子がスパッタプラズマおよびＲＦ電源の組合せ作用によって熱分解されるからである。スパッタリング電力が徐々に弱まるにつれて、化学蒸着プロセスが、物理蒸着プロセスに代わって優勢になる。同時に、イオンプレーティングの量を大きくするために、基板のバイアスが増大される。このようにして、ダイヤモンド状炭素を含むＴｉの勾配層が形成され、この勾配層では、層厚みの増大につれて、Ｔｉの量が減少している。この混合プロセス中、（平面ターゲットの場合、一般的に、非スパッタ部分に化合物層を生成する）反応性有機前駆体ガスが存在しているにもかかわらず、アーキングは、観察されない。また、スパッタリングプロセスは、安定し、ターゲット面を汚染しない。従って、回転可能マグネトロンを用いるプロセスは、平面マグネトロンを用いるプロセスと比較して、より安定である。混合プロセスが終了した時点で、シャッタが閉じられ、積層の残余部分が、化学蒸着のみによって成長する。サイクルの終了時に、「スパッタ後」のステップとして、アルゴンがマグネトロンとシャッタとの間の間隙に供給され、ターゲット面がプラズマによって清浄化され、これによって、次のサイクルを開始するとき、ターゲット面は、清浄化された状態にある。従って、ターゲットの追加的なオフライン清浄化を行う必要がない。
【００５９】
いくつかの好ましい実施形態を参照して、本発明を具体的に図示し、かつ説明したが、種々の操作、および形態および細部に関する種々の修正がなされてもよいことが、当業者によって理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明によるコーティング装置の略全体図である。
【図２】回転可能マグネトロンおよびシャッタを有するハウジングを透視して示す設計図である。
【図３】シャッタの第１の部分がどのようにして取り外されるかを示す図である。
【図４】シャッタの第２の部分がどのようにして取り外されるかを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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