(57)【要約】【課題】  時間経過による良好な安定性と良好な再現性を持ちながら、なお電気アーク形成の危険を減らし、好ましくは高出力の電気放電を発生することを可能とするパルス型マグネトロンスパッタリングにより物質を蒸着する方法を提供する。【解決手段】  この課題は、マグネトロン陰極に付与される各主電圧パルスに先立ち、主電圧パルスの遮断後の電流パルスの減衰時間が５μｓ未満の電流パルスを発生するようにガスが予備イオン化されることにより達成された。【選択図】  図１
2007529632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネトロン陰極（ＭＣ）を備えたマグネトロン反応器（１）で、少なくとも一つの物質を基板（１１ａ）上に蒸着するための方法であって、その方法によれば前記物質が主電圧パルス（ＶＰ）をマグネトロン陰極（ＭＣ）に付与することによりパルス型モードでイオン化されるガスを用いて、マグネトロンスパッタリングにより、蒸発される方法において、各主電圧パルス（ＶＰ）に先立ち、主電圧パルス（ＶＰ）の遮断後の、電流パルス（ＣＰ）の減衰時間（Ｔｄ）が５μｓ未満である電流パルス（ＣＰ）を発生するようにガスが予備イオン化されることを特徴とする方法。
【請求項２】
主電圧パルス（ＶＰ）の遮断後の、電流パルス（ＣＰ）の減衰時間（Ｔｄ）が１μｓ未満であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
基板近くで測定された蒸気イオン化度が１０％を越え、好ましくは７０％を越えることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
ガスが予備イオン化電圧をマグネトロン陰極（ＭＣ）に付与することにより予備イオン化されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
予備イオン化電圧がＤＣ電圧であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
マグネトロン陰極での予備イオン化電流密度が０．０５ｍＡ／ｃｍ２と１００ｍＡ／ｃｍ２の間にあることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
予備イオン化が各電圧パルスで安定な電流パルスを形成するのに十分な高さのパルス繰返し周波数により確保されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
ガスがガスのＲＦ励起により予備イオン化されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
ガスがガスのマイクロ波励起により予備イオン化されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１０】
主電圧パルスが少なくとも二つの密接に間隔を置いたパルス（ＶＰ）の連続列により発生されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１１】
主電圧パルス（ＶＰ）の時間（ｔｐ）が５０μｓ未満、特に２０μｓ未満、好ましくは１μｓと１０μｓの間であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１２】
パルス（シングルパルスモード）の、または密接に間隔を置いたパルス列の周波数（ｆ）が１００ｋＨｚを越えないこと、好ましくは５０Ｈｚを越えることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１３】
マグネトロン反応器（１）のためのパルス型電力供給装置（２）であって、前記電力供給装置がマグネトロン反応器の陰極（ＭＣ）に連結されることを意図した出力（Ｏｕｔ）を含むものにおいて、それが出力（Ｏｕｔ）に主電圧パルス（ＶＰ）を発生するための第一手段及び主電圧パルス（ＶＰ）と同時に出力（Ｏｕｔ）に予備イオン化電圧を発生するための第二手段を含むこと、及び主電圧パルスを発生するための第一手段が：
−  ＤＣ電圧源（Ｓ１）；
−  制御パルスを発生するための手段（Ｓ０，ＰＧ，ＰＴ）；
−  ＤＣ電圧源（Ｓ１）と出力（Ｏｕｔ）の間に取り付けられかつ制御パルスを発生するための手段（Ｓ０，ＰＧ，ＰＴ）により制御される、スイッチ手段（Ｔ）；及び
−  スイッチ手段（Ｔ）と出力（Ｏｕｔ）の間に直列に連結された抵抗体（Ｒ１）、但しこのスイッチ手段（Ｔ）と抵抗体（Ｒ１）の間の接合点（Ｊ）が接地されている；
を含むことを特徴とする電力供給装置。
【請求項１４】
等価インダクタ（Ｌ）を持つマグネトロン反応器（１）のための請求項１３に記載の電力供給装置において、抵抗体（Ｒ１）がＬ／Ｒ１が２．５μｓ未満、好ましくは０．５μｓ未満であるような方式で選ばれることを特徴とする電力供給装置。
【請求項１５】
接合点（Ｊ）と接地との間にダイオード（Ｄ３）を含み、放電電流を出力（Ｏｕｔ）と接地の間に通過させ、過電圧に対してスイッチ手段（Ｔ）を保護することを特徴とする請求項１３または１４に記載の電力供給装置。
【請求項１６】
予備イオン化電圧を発生するための第二手段が直列の抵抗体（Ｒ）と分離ダイオード（Ｄ）を介して出力（Ｏｕｔ）に連結されたＤＣ電圧源（Ｓ２）を含むことを特徴とする請求項１３から１５のいずれか一つに記載の電力供給装置。
【請求項１７】
請求項１３から１６のいずれか一つに記載のパルス型電力供給装置を備えたマグネトロン反応器（１）において、電力供給装置（２）の出力（Ｏｕｔ）がマグネトロンの陰極（ＭＣ）に連結されていることを特徴とするマグネトロン反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的にマグネトロンスパッタリングにより蒸発された物質の基板上への蒸着に関する。本発明の主題は少なくとも一つの物質を基板上にパルス型マグネトロンスパッタリングにより蒸着するための新規な方法、及びマグネトロンのための新規なパルス型電力供給装置、及び前記パルス型電力供給装置を備えたマグネトロンである。
【背景技術】
【０００２】
基板上にマグネトロンスパッタリングにより物質を蒸着する技術は既知であり、１９７０年代から急速に開発された。
【０００３】
この蒸着技術及び今日まで知られたその主要な改良は例えば文献：Ｐ．Ｊ．Ｋｅｌｌｙ、及びＲ．Ｄ．Ａｒｎｅｌｌ，ＶＡＣＵＵＭ  ５６（２０００）１５９−１７２頁による“マグネトロンスパッタリング：最近の開発及び応用の概観”に記載されている。
【０００４】
一口に言えば、マグネトロンスパッタリングにより基板上に物質を蒸着する技術は一般的にマグネトロン反応器の陰極を形成しかつ蒸着される物質から作られた標的を電気放電（プラズマ）から発生するイオンで衝撃することからなる。このイオン衝撃はマグネトロンの標的近くに置かれた基板上に、薄膜の形で蒸着される原子または分子の“蒸気”の形で標的をスパッタリングさせる。基板は静止または移動していることが可能である。
【０００５】
非反応性モードでは、プラズマを形成することを意図したガスは不活性ガス、例えばアルゴンである。“反応性”モードと呼ばれる場合、一般的に不活性ガス中に希釈されたガスが、場合によって電導性でありまたは電導性でない化合物を発生するために使用される。チタン陰極標的と共に、アルゴン／窒素混合物が例えば反応性ガスとして使用されると、電導性である窒化チタン（ＴｉＮ）化合物の形成をもたらし、またはアルゴン／酸素混合物が使用されると、電気絶縁性である二酸化チタン（ＴｉＯ２）化合物の形式をもたらす。
【０００６】
使用されるガスが何であれ、原子は本質的に電気放電で作られた電子との衝突によりイオン化される。標的近くに、磁場がまた作られ、それがガス中に形成された電子を捕らえ、従って標的の表面近くにより高くイオン化されたプラズマを形成する。
【０００７】
マグネトロンスパッタリング法は低圧（典型的には０．１Ｐａと数Ｐａの間）で実行される。結果として、イオンは陰極標的に向けてのそれらの経路中に全くまたは殆ど衝突を受けず、それによりスパッタリングの効力を増大する。この低圧はまた、スパッタリングされた原子または分子間の衝突数を減らし、従って逸脱工程の大きさ及び／またはスパッタリングされた粒子（原子または分子）の運動エネルギーの損失を減らすことにより、基板へのスパッタリングされた物質の輸送をより容易とする。
【０００８】
マグネトロンスパッタリングにより基板上に物質を蒸着する上述の技術は特にマイクロエレクトロニクス（配線のための金属の及びＭＯＳＦＥＴ構造のための誘電体の蒸着）、オプトエレクトロニクス（圧電基板の製作）、機械工学またはコネクター技術（耐摩耗性被膜、耐食性被膜等の蒸着）、及びガラス産業（機能層）のような非常に様々の分野での非常に広い種類の物質を本質的に薄膜として蒸着するために適している。蒸着された物質は電導性金属材料または化合物、窒化物、酸化物、炭化物、酸窒化物、等を含む形式の絶縁セラミックスであることができる。
【０００９】
蒸発を含む他の既知の蒸着技術（特に誘導加熱を用いる熱蒸発と蒸着法、または電子線またはアーク蒸発蒸着法）と比べて、マグネトロンスパッタリングはより指向性であるとう利点を持つ。それは高いスパッタリングされた粒子放出速度を持つことが有利である、陰極標的に垂直な比較的開放された放出ローブの存在のためである。
【００１０】
元来、マグネトロンスパッタリング蒸着の上述の技術では、プラズマ中の電気放電はＤＣ電圧を陰極に付与することによりまたはガスの無線周波数（ＲＦ）励起により定常状態モードで発生されている。
【００１１】
一般的に、定常状態モードでのマグネトロンスパッタリング技術の限界は、特に多孔性に関する蒸着された膜の一般的に不十分な品質のためであり、かつ複雑な幾何形状の蒸着表面を持つ基板上の均一な蒸着を得ることの困難性のためであり、かつ比較的低いままである蒸着速度（典型的には１μｍ／ｈのオーダー）のためである。特に、蒸着された膜の品質に関して、定常状態（ＤＣまたはＲＦ）モードでも電気アークが不都合に形成されることが多く観察され、それが液滴の形で標的から放出される物質を発生し、それが基板上に蒸着され、不利に被膜に欠陥を作る。
【００１２】
加えて、マグネトロンスパッタリングによる絶縁物質の蒸着の場合にＲＦ励起のみの使用は比較的複雑なままであり、工程を制御することが困難である。更に、スパッタリング速度は著しく低下する。
【００１３】
特にアルミナのような酸化物のマグネトロンスパッタリングによる絶縁物質の蒸着を改善するために、マグネトロン放電をパルス型とすることが既に提案されている（前述のＰ．Ｊ．Ｋｅｌｌｙ、及びＲ．Ｄ．Ａｒｎｅｌｌによる文献、“パルス型マグネトロンスパッタリング”と題する７部／１６６から１６８頁を参照）。従って、パルス型モードのこの技術によれば、電圧パルスはガスをイオン化しかつ高イオン化プラズマ（以後“主”プラズマと呼ぶ）を形成するためのパルス型放電電流（電流パルス）を、プラズマガス中に作る目的のためにマグネトロン陰極に付与される。
【００１４】
特に、この文献には２０ｋＨｚを越える周波数、特に２０ｋＨｚ−１００ｋＨｚの周波数範囲のマグネトロン放電をパルス化することにより、絶縁層による標的被毒に起因する電気アークの形成を避けることができることが示されている。蒸着速度もまた、改善（数１０μｍ／ｈのオーダーの）されている。
【００１５】
この文献はまた、“オン”パルスの時間は電気アークの原因である標的被毒のための表面電荷を制限するために制限（適合化）されねばならないこと、及び“オフ”パルス時に表面電荷が中和されることを述べている。
【００１６】
特に、電気アークの最も効果的な抑制が“オフ”パルスの時間が“オン”パルスの時間に近づくまたは等しいときに観察されることを明記している。与えられた例示的例では（図１２）、“オフ”パルスの時間は全周期時間の約１０％を示し、５μｓに等しく、“オン”パルスの時間は４５μｓである。これらの条件下では、平均電流はパルス電流よりほんのわずかだけ小さい（１０％だけ）。
【００１７】
最近になって、例えばＵＳ特許６２９６７４２（Ｋｏｕｓｎｅｔｓｏｖ）において、陰極近くに位置するガス（プラズマ）が高い状態のイオン化（ＵＳ特許６２９６７４２の図１のＳ８動作範囲）に迅速に達するような方式で発生される非常に高い瞬時出力（０．１ｋＷ−１ＭＷ）を持つパルスを使用することにより、スパッタリングされた蒸気の効果的なイオン化を可能とするパルス型モードでマグネトロンスパッタリング蒸着技術を改善することが提案された。
【００１８】
ＵＳ特許６２９６７４２では、この解決策は電気アーク形成をなお防ぎながら、高電圧を陰極に付与することを可能とすることが説明されている。実際には、この解決策の実施は蒸着膜の品質に不利な電気アークの形成を伴うことが見出されている。かかる不都合な電気アーク形成はガスが、高い状態のイオン化に達する前に、アーク放電領域（ＵＳ特許６２９６７４２の図１の領域Ｓ７）を通過せねばならないという事実により説明されることができる。しかし、この出願人はこの説明に拘束されない。
【００１９】
パルス型マグネトロンスパッタリング蒸着技術により、もしガス中に作られる電気放電の瞬時出力を増大することが望ましいなら、できるだけ短い（典型的には５０μｓ未満、特に２０μｓ未満、より好ましくは５μｓ未満続く）電圧パルスを陰極に付与することが必要である。これは電圧パルスの時間を減らすことにより、不利な電気アーク形成の危険が減少するということを見出したためである。
【００２０】
しかし、発明者は陰極に付与される電圧パルスの時間を減らすことはガス中の電流パルスの形成に対して不利な二つの欠点をもたらすことを証明している。これらの二つの欠点は電圧パルスに関して電流パルスを形成する際の遅延時間、すなわちマグネトロン陰極への電圧パルスの付与とガス中の電流パルスの形成開始との間に経過する時間、と関連している。この遅延時間は電子なだれを出現するために必要な時間のためである。
【００２１】
第一の欠点：非常に長い遅延時間
最悪の場合、前述の遅延時間は電圧パルスの時間より長いことが判明する。この場合、共通パルスは形成されない。もしこの遅延時間が電圧パルスより短いが、電圧パルスの終了前に電流パルスが正しく出現する時間を持たないようであるなら、その結果は低振幅の電流パルスの形成であり、従って低出力電気放電の形成に対して不利である。一口で言えば、電圧パルスの時間に関して遅延時間が長ければ、電流パルスの振幅は低い（遅延時間が電圧パルスの時間より長ければそれは実際にはゼロでさえありうる）。
【００２２】
第二の欠点：遅延時間の変動
第二の欠点は遅延時間の実質的な変動であり、電流パルスの時間を通じての不安定性と乏しい再現性をもたらす。この欠点は蒸着工程を無秩序にし、再現性無しとする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明の目的
本発明はパルス型マグネトロンスパッタリングにより物質を蒸着するための既知の方法を、特に上述の欠点を緩和しながらなおスパッタリングした蒸気の効果的なイオン化を確実とすることを可能とする新規な解決策を提供することにより、改善することを目的とする。
【００２４】
特に、本発明の目的は時間経過による良好な安定性と良好な再現性を持ちながら、なお、電気アーク形成の危険を減らし、好ましくは高出力の電気放電を発生することを可能とするパルス型マグネトロンスパッタリングによりかつスパッタリングされた物質の陰極上への再蒸着の危険を減らすことにより、物質を蒸着するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
発明の概要
前述の目的は請求項１の方法により達成される。この方法は、マグネトロン陰極を備えたマグネトロン反応器中で、マグネトロン陰極に主電圧パルスを付与することによりパルス型モードでイオン化される（主プラズマ）ガスを用いてマグネトロンスパッタリングにより前記物質を蒸発させることにより基板上に少なくとも一つの物質を蒸着することで既知である。
【００２６】
本発明は各主電圧パルスに先立ち、主電圧パルスの遮断後の電流パルスの減衰時間が５μｓ未満、好ましくは１μｓ未満である電流パルスを発生するように前記ガスが予備イオン化されることを特徴とする。
【００２７】
本発明以前に、国際特許出願ＷＯ  ０２／１０３０７８において電圧パルス前にＤＣ電流による従来の予備イオン化過程を備えたマグネトロン反応器でパルス型プラズマを発生するための方法が既に提案されている。
【００２８】
しかし、第一に、この国際特許出願ＷＯ  ０２／１０３０７８は発生された電流パルスの時間経過による安定性と再現性の問題を扱っていない。
【００２９】
第二に、国際特許出願ＷＯ  ０２／１０３０７８（図９参照）で使用される電力供給装置はマグネトロン陰極と直列のインダクタ（Ｌ１，Ｌ２）を含みかつ特に放電電流を制限させる（２２頁２行）回路を採用し、この刊行物の教示によれば（２２頁２及び３行）、インダクタ（Ｌ１）のインダクタンスは予備イオン化電流を作るのに必要な程高くなければならない。しかし、直列のこのインダクタ（Ｌ１）の使用は電流パルスに対して不利である。これは電流パルスの遮断時間（すなわち電圧パルスの遮断後の電流パルスの減衰時間）を不利に増やす時定数を導入するからである。実際に、この形式の電力供給装置によれば、電流パルスの遮断時間は長くかつ１０μｓを越える。従って、本発明と異なり、国際特許出願ＷＯ  ０２／１０３０７８に記載された技術的解決策により、電流パルスのための非常に短い遮断時間、すなわち５μｓ未満、好ましくは１μｓ未満の遮断時間を得ることは考えられない。
【００３０】
今や本発明者らは基板上にスパッタリングされた物質を蒸着するための最適条件を得るために、非常に短い遮断時間を持つ電流パルスを発生することが最も重要なことであることを証明できた。特に、例えば国際特許出願ＷＯ  ０２／１０３０７８に記載された技術的解決策により得られたような長い遮断時間（＞１０μｓ）により、自己スパッタリングと関連する陰極上へのスパッタリングされた物質が再蒸着されるという危険が増大され、それにより基板上への蒸着速度を減少することが示された。従って、本発明のおかげで、自己スパッタリングと関連する陰極上への再蒸着現象を、もし防げないとしても非常に実質的に有利に減らすことができる。
【００３１】
各主電圧パルス前の本発明によるガス予備イオン化はまた、マグネトロン反応器中に、主電圧パルスに関して電流パルスの遅延時間を有利に減らし、この遅延時間をほとんど変動しないようにする初期プラズマの創出をもたらす。予備イオン化無しの方法と比べて、より高い瞬時出力のパルス型電気放電がこのようにして発生され、それは時間経過において比較的一定である平均出力を持つ。従って、本発明の方法のおかげで、電流パルスの形成が支持される（安定化されかつ／または加速される）。
【００３２】
この予備イオン化は特に短い主電圧パルスを持つパルス型動作モードで有利であり、それは更に有利には不都合な電気アーク形成の確率を減らすことを可能とする。
【００３３】
予備イオン化の別の役目はマグネトロン中の陰極と基板の間に、イオン化された物質の蒸気の基板に向けての輸送を助力する十分な自由電子密度を作ることである。
【００３４】
本発明の方法の別の重要な利点は基板に到達する蒸気の高い状態のイオン化である。予備イオン化のおかげで、１０％を越える、好ましくは７０％を越える基板上に到達する蒸気のイオン化度が得られる。このイオン化度は次の二つの刊行物のいずれかに記載された形式の吸収分光法により基板近くで測定される：
−  Ｓ．Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎｉｄｉｓ，Ａ．Ｒｉｃａｒｄ，Ｍ．Ｇａｎｃｉｕ，Ｊ．−Ｐ．Ｄａｕｃｈｏｔ，Ｍ．Ｗａｕｔｅｌｅｔ，及びＭ．Ｈｅｃｑ“パルス型吸収分光によるイオン化マグネトロン源の研究”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ４６ｔｈ  Ａｎｎｕａｌ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｃｏａｔｅｒｓ，Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ，ＮＭ，ＵＳＡのＳｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｃｏａｔｅｒｓにより（２００３）、４５２に刊行された；及び
−  Ｏ．Ｌｅｒｏｙ，Ｌ．ｄｅ  Ｐｏｕｃｑｕｅｓ，Ｃ．Ｂｏｉｓｓｅ−Ｌａｐｏｒｔｅ，Ｍ．Ｇａｎｃｉｕ，Ｌ．Ｔｅｕｌｅ−Ｇａｙ及びＭ．Ｔｏｕｚｅａｕ“二つのマイクロ波同軸励起システムにより補助されたマグネトロン蒸気スパッタリング装置でのチタン温度及び密度の決定”Ｊ．ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ａ：Ｖａｃｕｕｍ，Ｓｕｒｆａｃｅｓ，ａｎｄ  Ｆｉｌｍｓ，２２（２００４），１９２。
【００３５】
本発明のおかげで、基板上に到達する蒸気の高いイオン化度を得ることにより、基板上に蒸着された膜の品質を有利に改善することができる（特に蒸着された膜のより良好な付着及びより良好な緻密性）。
【００３６】
本発明による予備イオン化を実行する別の利点は蒸着された膜の性質（付着性、構造、均一性）を予想される用途に従って調節することを可能とするように基板の表面が状態調節（予備蒸着、融蝕、分極）されることである。この利点は例えばマイクロエレクトロニクスの分野で特に有益である。
【００３７】
本発明によれば、各主電圧パルスが付与される前にガスは幾つかの異なる方式で予備イオン化されることができる。
【００３８】
実施の第一方法によれば、ガスは予備イオン化電圧をマグネトロン陰極に付与することにより予備イオン化される。この予備イオン化電圧は好ましくはＤＣ電圧であるが、それはまたパルス型電圧であることもできる。必須の点はガスの予備イオン化（初期プラズマの形成）が主電圧パルスが主プラズマを形成するために付与される前に効力を生じることである。
【００３９】
実施の第二方法では、ガスはガスのＲＦ励起により予備イオン化される。
【００４０】
実施の第三方法では、ガスはガスのマイクロ波励起によりまたは陰極と陽極の間に位置する空間内に十分な密度の自由電荷を発生するためのいずれかの他の手段により予備イオン化される。例えば、陰極に対面する磁化された領域の場合に、この密度（電子密度とプラズマから抽出されるイオン電流の密度との間の関係を用いて推測される）は好ましくは１０８ｃｍ−３を越え、より好ましくは１０９ｃｍ−３を越える。
【００４１】
実施の第四方法では、二つの連続パルス間の残留電子密度を使用するために、予備イオン化は各電圧パルスで安定な電流パルスを形成するのに十分に高いパルス繰返し周波数により確実にされることができる。
【００４２】
本発明においては、主プラズマを形成するための主電圧パルスはシングルパルスモードまたはマルチパルスモードでマグネトロン陰極に付与されることができる。すなわちパルスは少なくとも二つの密接に間隔を置かれたパルスの連続列内に発生される。
【００４３】
好ましくは、ガス予備イオン化を実施する方法が何であれ、そしてパルスモード（シングルパルスまたはマルチパルス）が何であれ、主電圧パルスの時間は５０μｓ未満、特に２０μｓ未満、好ましくは１μｓと１０μｓの間にある。特に、パルス（シングルパルスモード）の、または密接に間隔を置かれたパルス列の、周波数は１００ｋＨｚを越えず、好ましくは５０Ｈｚを越える。
【００４４】
本発明の他の主題は請求項１３に記載のマグネトロン反応器のための新規なパルス型電力供給装置及びこのパルス型電力供給装置を備えたマグネトロン反応器である。
【００４５】
図面の簡略説明
本発明の他の特徴及び利点は本発明の方法を実施する種々の方法の以下の説明を読めばより明確に明らかとなるであろう。その説明は本発明の非網羅的かつ非限定的例として、かつ添付図面に関して与えられている。図面において：
【００４６】
−  図１は本発明のパルス型電力供給装置を備えたマグネトロン反応器を概略的に示し；
【００４７】
−  図２は本発明のパルス型電力供給装置の例示的一実施態様の回路図であり；
【００４８】
−  図３はシングルパルス動作モードでの、マグネトロン陰極上で測定された電圧（Ｕ）とマグネトロン陰極を通る電流（Ｉ）のそれぞれの概略的オシログラムを示し；
【００４９】
−  図４から１７は後述される種々の動作条件下でのオシロスコープからスクリーンダンプにより得られた制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムであり；そして
【００５０】
−  図１８は予備イオン化のためのＲＦループを持つ本発明のマグネトロン反応器の別の実施態様を概略的に示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
本発明の詳細な説明
図１のマグネトロン反応器（１）の基本図
図１は本発明によるパルス型電力供給装置２を備えたマグネトロン反応器１の基本図を示す。
【００５２】
マグネトロン反応器１はそれ自体既知である。その構造及びその一般的動作が簡単に回想されるであろう。
【００５３】
マグネトロン反応器１は、本質的に、かつそれ自体既知の態様で、蒸着室１０を含み、その内側に陰極（以下マグネトロン陰極と呼ばれる）ＭＣが取り付けられている。基板１１ａを収容するように設計された基板保持器１１がこのマグネトロン陰極ＭＣに対面してかつそれからある距離に取り付けられている。室１０はまた、ガスまたはガス混合物を導入するための取入れ口システム１２を備えている。このガスまたはガス混合物は一旦イオン化されると、プラズマを形成するであろう。マグネトロン陰極は基板１１ａ上に薄膜形で蒸着することを希望される物質の材料により形成される。
【００５４】
一般に、かつそれ自体既知の態様で、電力供給装置２は動作時にマグネトロン陰極ＭＣに負電圧を付与することを可能とし、それは蒸着室１０の内側のガス内に電気放電を発生し、マグネトロン陰極ＭＣを通過する放電流の形成及びガスの高度のイオン化（主プラズマの形成）をもたらす。この主プラズマのイオンはマグネトロン陰極ＭＣを表面スパッタリングするのに十分な高い速度でマグネトロン陰極ＭＣの表面（標的）を衝撃する。従って、陰極ＭＣの構成物質の蒸気が室１０内に形成し、この蒸気が基板１１ａの表面上に薄膜として蒸着される。
【００５５】
陰極ＭＣの下面と同じ高さにまた永久磁場を作る磁石１３が設けられており、その主な機能はマグネトロン陰極の付近の主プラズマの電子を捕獲し、閉じ込めることである。この磁場は従ってマグネトロン陰極ＭＣの付近により高度にイオン化された磁化プラズマを形成かつ維持することを可能とする。
【００５６】
図２の電力供給装置（２）の構造
図２は本発明によるパルス型電力供給装置２の例示的実施態様の回路図を示す。
【００５７】
本発明で使用される電力供給装置は連続またはパルス型予備イオン化の利点を持つように設計されている。
【００５８】
電力供給装置２はマグネトロン反応器の陰極ＭＣに連結（それ自体既知の態様で）された出力（Ｏｕｔ）、出力（Ｏｕｔ）に主電圧パルスを発生するための第一手段（Ｓ０，ＰＧ，ＰＴ，Ｔ，Ｓ１，Ｃ１，Ｒ１，Ｄ１，Ｄ３）及び主電圧パルスと同時に出力（Ｏｕｔ）に予備イオン化電圧を発生するための第二手段（Ｓ２，Ｒ，Ｄ）を含む。
【００５９】
特に、図２に示された実施態様の例では、主電圧パルスを発生するための前述の第一手段は：
−  ＤＣ電圧源Ｓ１（出力として負電圧ＨＴを送出する）；
−  制御パルスを発生するための手段（Ｓ０，Ｇ１，Ｔ１）；
−  ＤＣ電圧源Ｓ１と出力（Ｏｕｔ）の間に取り付けられたスイッチ手段Ｔ；及び
−  スイッチ手段Ｔ１と出力（Ｏｕｔ）の間に直列に連結された抵抗体Ｒ１と分離ダイオードＤ１；
を含む。
【００６０】
スイッチ手段Ｔと抵抗体Ｒ１の間の接合点Ｊはまた、分離ダイオードＤ３を介してアースに連結されている。電圧源Ｓ１の出力はまた、キャパシタＣ１を介してアースに連結されている。
【００６１】
制御パルスを発生するための手段は特に：
−  矩形形式のかつ可変周波数でかつデューティーサイクルの制御信号Ｓを送出する電力供給装置Ｓ０；
−  制御信号Ｓにより引き起こされるパルス発生器ＰＧ；及び
−  スイッチ手段Ｔを制御するためのパルストランス；
を含む。
【００６２】
特に例示された例においては、スイッチ手段ＴはＩＧＢＴ形式のバイポーラ接合型トランジスタであり、そのゲートはパルストランスＰＴを介してパルス発生器ＰＧに結合される。
【００６３】
ＤＣ電圧源Ｓ１は、トランジスタＴが導通しているときにのみ陰極ＭＣと直列に連結された抵抗体Ｒ１と動作ダイオードＤ１を介してマグネトロン陰極ＭＣに負電圧を付与することを可能とする。
【００６４】
予備イオン化電圧を発生するための前述の第二手段は直列の抵抗体Ｒと分離ダイオードＤを介して出力（Ｏｕｔ）に連結されたＤＣ電圧源Ｓ２を含む。電圧源Ｓ２は出力として予備イオン化ＤＣ負電圧ＰＨＴを送出する。
【００６５】
スイッチＳＷはまた、電圧源Ｓ２の出力と直列に連結されている。スイッチＳＷが閉じられると、予備イオン化負電圧ＰＨＴが抵抗体Ｒと分離ダイオードＤを介してマグネトロン陰極ＭＣに付与される。
【００６６】
前述のスイッチＳＷは任意であり、
−  ［スイッチＳＷを開いた］／パルスモード単独のマグネトロン反応器１の動作（通常動作）；と
−  ［スイッチＳＷを閉じた］／パルスモードに、ガスの必要な予備イオン化を得ることを可能とする定常状態モードの重複を持つ、本発明による動作（この場合、マグネトロン陰極ＭＣへの予備イオン化ＤＣ負電圧の付与）；
との間の比較試験（後の図４の説明以後を参照）を実施可能とするために本質的に使用される。
【００６７】
本発明による電力供給装置を作るために、図２の例ではＩＧＢＴトランジスタであるトランジスタＴが当業者に既知のどのような均等手段でも置き換えられることができる。すなわち電気信号により制御されるどのような迅速スイッチ手段でも置き換えられることができる。トランジスタＴは例えば、非網羅的に、Ｂｅｈｌｋｅスイッチで置き換えられることができる。
【００６８】
電力供給装置（２）の動作／図２と３
電力供給装置２の動作が図２に関して、そして図３に関して説明されるであろう。図３はマグネトロン陰極ＭＣとアースの間で測定された電圧Ｕとマグネトロン陰極ＭＣを通過する放電電流Ｉのオシログラムの例を概略的に示す。以下の動作相ＩからＩＶの記載では、電力供給装置２のスイッチＳＷは閉じられていると考えられるであろう。
【００６９】
相Ｉ／予備イオン化（図３）：
トランジスタＴはオフ状態にある。予備イオン化負電圧ＰＨＴのみがマグネトロン陰極ＭＣに電流制限抵抗体Ｒを介して付与される。このＤＣ負電圧がガス内に連続電気放電を発生し、マグネトロン陰極ＭＣ、分離ダイオードＤ及び抵抗体Ｒを通過する予備イオン化ＤＣ電流をもたらす。
【００７０】
相ＩＩ：
予備イオン化第Ｉ相の後で、トランジスタＴのゲートがパルス発生器ＰＧ（オン状態のトランジスタＴ）により制御され、それにより一時的に負電圧ＨＴが電流制限抵抗体Ｒ１と分離ダイオードＤ１を介してマグネトロン陰極ＭＣに付与させられる。従って、時間ｔｐの主電圧パルスＶＰがこのようにして陰極ＭＣに付与され、マグネトロン陰極ＭＣを通過する主電流パルスＣＰをもたらす。この主電流パルスＣＰは電圧パルスＶＰの開始に関して短い遅延時間Δを持って発生される。
【００７１】
相ＩＩＩ：
トランジスタＴは再び切られる（パルス発生器ＰＧによるトランジスタの逆切替）。高負電圧ＨＴはもはやマグネトロン陰極ＭＣに付与されない（主電圧パルスの終わり）。電流Ｉはマグネトロン反応器１の等価インダクタＬに蓄積された誘導エネルギーによってのみ維持される。電流ＩはＬ／ＲＥに略等しい時定数により減少し、ここでＲＥは等価直列抵抗であり、その下方バンドは抵抗体Ｒ１の抵抗により制限される。ＲＥとＲ１の間の差はプラズマの非線形インピーダンスのためである。ダイオードＤ３（図２）はトランジスタＴが切り替えられた後に電流Ｉを通し、一方同時にこのトランジスタ上の過電圧を防ぐ。
【００７２】
相ＩＶ：
パルス電流が停止された後、マグネトロン反応器１のインピーダンスは磁化プラズマの高い状態のイオン化のため低いままである。従って、同じ予備イオン化ＤＣ電流ＩＰに対し、マグネトロン陰極の電圧Ｕは短時間の間低いままである。磁化プラズマのイオン化状態は減少するので、マグネトロン反応器１のインピーダンスは前述の予備イオン化相Ｉの初期状態への漸進的戻りを伴って増加する。
【００７３】
この周期は予想される用途により固定されている繰返し周波数ｆにより繰り返される。
【００７４】
Ｒ１，Ｃ１及びＲの選択
抵抗体Ｒ１の選択は電力供給装置２の適正動作のために重要である。その選択は以下の二つの対向する制約に合致するようになされる：
−  相ＩＩＩ（図３参照）中の電流パルスＣＰの減衰時間Ｔｄはできるだけ短くなければならない（主電圧パルスＶＰの時間ｔｐと比べて）。特に、Ｒ１の抵抗は減衰時間Ｔｄ（電流遮断時間）が略２．５μｓ未満、好ましくは０．５μｓ以下に等しいＬ／Ｒ１比の選択に相当する５μｓ未満、好ましくは１μｓ以下に等しいような方式で選ばれる。従って、この制約はマグネトロン反応器１の及び連結導体の所定の等価インダクタンスＬに対して適切な抵抗体Ｒ１の最小抵抗を設定することを可能とする；及び
−  Ｒ１の抵抗は相ＩＩ中に発生される最大電流Ｉｍａｘ（図３）を制限するように高過ぎてはならない。実際に、Ｒ１はこの電流Ｉｍａｘが全ての場合、例えばマグネトロン反応器の異常動作のどのような危険も避けるようにマグネトロン反応器の最大動作電流の２倍未満であるような方式で選ばれるであろう。
【００７５】
好ましくは、電力供給装置は次の条件の一つまたは両方が合致するような方式で調節される：
−  最大予備イオン化電流密度（標的での、すなわちマグネトロン陰極での）が０．０５ｍＡ／ｃｍ２と１００ｍＡ／ｃｍ２の間にある；
−  最大電流密度（標的での）が０．１Ａ／ｃｍ２を越え、好ましくは１Ａ／ｃｍ２を越える；及び
−  電流上昇時間が２０μｓ未満、特に１μｓ未満である。
【００７６】
低直列インダクタンスのキャパシタＣ１は前述の相ＩＩ中にパルス型電流を得るように、しかしなお付与されたパルス時にマグネトロン陰極ＭＣ上に適当な高電圧Ｕを維持するように選ばれる。
【００７７】
抵抗体Ｒは初期予備イオン化電流を限定しかつ制限するように選ばれる。
【００７８】
本発明の非限定的例示として与えられた前述の例示的実施態様において、電圧ＨＴは−１１００Ｖの最大値を持つ。電圧ＰＨＴは−１１００Ｖの最大値を持つ。マグネトロン反応器１の等価インダクタンスＬは略０．５μＨの値を持ち、抵抗体Ｒ１は５Ωの値を持ち、従ってＴｄは約０．１μｓであり、抵抗体Ｒは３００ｋΩの値を持ち、かつキャパシタＣ１は１０μＦの値を持つ。
【００７９】
比較試験：予備イオン化無しのパルス型モード、予備イオン化を持つパルス型モード（図４から１７）
比較試験が図１から３に関して上述されたマグネトロン反応器１と電力供給装置２により実施された。その目的は相ＩＩ中の電流パルスＰＣの形成における、特に電流パルスの遅延時間Δにおける、その最大強度Ｉｍａｘにおける及び時間経過による電圧パルスＶＰ及び電流パルスＣＰの安定性における、予備イオン化の有利な効果を証明することである。
【００８０】
全ての試験に対する共通の主な条件は次のとおりであった：プラズマを形成するために使用されたガスはアルゴンであった；陰極（標的）はチタンから作られた。マグネトロン反応器の室（１０）内の圧力は１０ｍＴｏｒｒ（すなわち１．３３Ｐａ）であった。
【００８１】
各試験に対し、以下の三つの信号が同時にオシロスコープによりピックアップされた〈図４から１７参照〉：
−  （Ｓ）：発生器Ｓ０により送出された制御パルス；
−  （Ｉ）：マグネトロン陰極（ＭＣ）を通過する電流；及び
−  （Ｕ）：マグネトロン陰極（ＭＣ）とアースの間で測定された電圧。
【００８２】
試験は各時間を比較する方式で実施された（以下の表の欄（２）参照）：
−  予備イオン化電圧を付与せず［スイッチＳＷ開／図４，６，８，１０，１２，１４，１６］；及び
−  予備イオン化ＤＣ電圧（ＰＨＴ）を付与することによる［スイッチＳＷ閉／図５，７，９，１１，１３，１５，１７］。
【００８３】
予備イオン化を持つ全試験に対し、予備イオン化ＤＣ電圧（ＰＨＴ）は−１０００Ｖであり、ＤＣバイアス電流Ｉｂは約３．３ｍＡであった。電流Ｉを測定するのに使用された尺度の大きさのため、非常に低い予備イオン化電流ＩＰは図５，７，９，１１，１３，１５，１７のオシログラムに見ることができない。
【００８４】
比較試験はシングルパルスモード（図４から７及び図１２と１３）及びダブルパルスモード（すなわち二つの密接して間隔を置かれた電圧パルスＶＰの連続列を発生することによる）（図８から１１及び図１４から１７）で実施された。
【００８５】
これらの試験の主な変動パラメーター及び結果が以下の表にまとめられている。この表では、時間ｔｐ［４欄］は各主電圧パルスＶＰの幅に相当し；時間ＴＰ［５欄］は、ダブルパルスモード（すなわち二つの密接に間隔を置いた電圧パルスの列の連続）の場合、一つのパルス列の二つのパルスを分離する時間に相当し；周波数ｆ［６欄］は電圧パルスＶＰの繰返し周波数に（シングルパルスモードの場合）またはダブルパルスモードの場合二つの密接に間隔を置いたパルスＶＰの列の繰返し周波数に相当し；遅延時間Δ［７欄］は電圧パルスＶＰの開始から電流パルスＣＰの開始を分離する時間の長さである。以下の表［８欄及び９欄］に報告されたＩｍａｘとＵｍａｘの値はそれぞれ電流パルスの及び電圧パルスの最大振幅に相当し；そしてダブルパルスモードでの試験の場合、これらの振幅（Ｉｍａｘ及びＵｍａｘ）は二つのパルスの列の第一のパルスについて測定された。
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【００８６】
図４と５を解析することにより、予備イオン化の無い場合（図４）、電流パルスは電圧パルスに関して長い遅延時間を持ち、それが非常に低い振幅の電流パルスをもたらすこと、一方予備イオン化を持つ同じ動作条件下では（図５）、電流パルスは著しくより迅速に（非常に短いΔ）得られ、従って大きな振幅を持つことがきわめて明らかである。従って、ガス内に発生した電気放電の出力は有利なことに予備イオン化を持つパルスモードでの動作の場合におけるよりも実質的に高い。ある場合、予備イオン化無しで、電圧パルスの（ｔｐ）の幅より大きな（Δ）の遅延時間で終わることさえ可能であり、それは電流パルスの殆ど完全な不存在に相当する。
【００８７】
図６（ｆ＝１００Ｈｚ）によれば、予備イオン化の不存在下では電流パルスは図４（ｆ＝５０Ｈｚ）の場合におけるより実質的により大きく出現するが、同じ繰返し周波数（ｆ＝５０Ｈｚ）でのかつ予備イオン化を持つ動作（図７）と比べると、電流パルスはより遅く発生する（図６：Δ＝３．６μｓ／図７：Δ＝１．２μｓ）。予備イオン化の不存在下では、自由電荷の密度は非常に低く、スパッタリングのために有用な電流を発生するのに十分な密度のプラズマを形成するのに必要な時間は長過ぎる。予備イオン化はマグネトロン電流飽和相をかなりより迅速に達成させる。
【００８８】
図８によれば、予備イオン化無しのダブルパルスモードでは、第一電流パルスは遅く発生し、従って非常に低い振幅を持つ（シングルパルスモードでの図４に同様な状況）。図１４の場合（ｆ＝１００Ｈｚ、ＴＰ＝２３．８μｓ）、第一電流パルスは予備イオン化が無いとき完全に不存在であることを見ることができる。比較すると、予備イオン化を実施することにより（図９と１５）、第一電流パルスが非常にすみやかにかつ大きな振幅を持って形成することを見ることができる。加えて、予備イオン化により、第二電流パルスは有利なことに予備イオン化の不存在下で発生された第二電流パルスより大きな振幅を持つ。
【００８９】
図１０と１６（予備イオン化無しのダブルパルスモード／エンベロープモードのオシロスコープ）は電流ＣＰ及び電圧ＶＰパルスの時間経過による非常に大きな不安定性を示し、それは基板上への物質の蒸着の時間経過による品質と再現性を損なう。比較すると、予備イオン化により（図１１と１７）、電流及び電圧パルス（ＣＰ及びＶＰ）は時間経過しても非常に安定であり、それにより時間経過による蒸着工程のより良好な再現性とより大きな安定性を有利に達成する。
【００９０】
本発明は前述の実施例に、特に電力供給装置及びマグネトロンに対する上述の電気パラメーターに限定されない。希望の効果を、特に基板上に到達する蒸気の希望のイオン化度を得るために電流パルス等の遅延時間及び／または振幅及び／または安定性に関して、得るために、ケースバイケース基準で、所定のマグネトロンに対する電力供給装置を、例えばオシロスコープによる電流Ｉ及び電圧Ｕ曲線を観察することによりかつ予備イオン化を修正することにより、設計しかつ調節することは当業者は心得ている。予備イオン化はまた、反応性ガスでの動作の場合に標的被毒効果を制限するために調整されることができる。
【００９１】
一般的には、各電圧パルスＶＰの付与に先立つガスの予備イオン化は当業者に既知のいずれの手段によっても達成されることができる。特に、予備イオン化は二つの連続パルス間の残留電子密度を使用するために十分高いパルス繰返し周波数により得られることができる。
【００９２】
非限定例として、予備イオン化はまた、主パルスプラズマに加えてプラズマを作ることにより、ＲＦ励起または二次マイクロ波により、またはいずれかの十分な予備イオン化電子密度（コロナ放電、ＵＶ予備イオン化）を得るための他の手段により得られることができる。例えば、図１８に例示した実施態様に関して、ガスは、マグネトロン陰極近くの蒸着室内に置かれかつ発電機１５により予め規定された周波数のＲＦ電流を供給された銅ループ１４によりＲＦ励起を受ける。図１８では、ブロック１６は発電機１５とループ１４の間にそれ自体既知の態様で挿入されたインピーダンス整合回路を概略的に示す。
【００９３】
上述の結果に似た結果が１３．５６ＭＨｚの周波数でのＲＦ励起により得られることができる。マグネトロン陰極ＣＭと銅ループ１４の間の距離は約４ｃｍである。ＲＦ励起の結合は誘導形式のものである必要はなく−それはまた、容量形式のものであることができる。
【００９４】
別の実施態様では（図示せず）、予備イオン化はまた、蒸着室内に付与された、例えば２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波により得られることができる。
【００９５】
図１から１７の例では、予備イオン化はＤＣ予備イオン化電流により得られた。これは本発明を限定しない。別の実施態様では、予備イオン化電流はパルス型電流であることができ、その必要な点はガスの予備イオン化が電圧パルスの付与に先行することである。この場合、予備イオン化電流パルスは主電圧パルスＶＰに先行しなければならない。このコメントはまた、ＲＦまたはマイクロ波励起の場合またはいずれかの他の予備イオン化励起の場合にも有効であり、かかる励起はＤＣモードまたはパルス型モードで等しく良好に実施されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明のパルス型電力供給装置を備えたマグネトロン反応器を概略的に示す。
【図２】本発明のパルス型電力供給装置の例示的一実施態様の回路図である。
【図３】シングルパルス動作モードでの、それぞれマグネトロン陰極上で測定された電圧（Ｕ）とマグネトロン陰極を通る電流（Ｉ）の概略的オシログラムを示す。
【図４】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図５】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図６】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図７】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図８】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図９】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図１０】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図１１】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図１２】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図１３】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図１４】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図１５】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図１６】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図１７】制御信号（Ｓ）と前述の電圧（Ｕ）と電流（Ｉ）の実際のオシログラムである。
【図１８】予備イオン化のためのＲＦループを持つ本発明のマグネトロン反応器の別の実施態様を概略的に示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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