(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲット材料のスパッタによってコーティングされるべき基板表面を備える基板をコーティングする方法において、次の各ステップが含まれており、
コーティング室の中で第１の材料からなる第１のスパッタターゲットが第１の出力パルスによって負荷され、該出力パルスによって第１の時間インターバル中に第１のエネルギー量が前記スパッタターゲットに転移され、その際に最大の出力密度は５００Ｗ／ｃｍ２を超えており、
前記コーティング室の中で前記第１の材料とは異なる第２の材料からなる第２のスパッタターゲットが第２の出力パルスによって負荷され、該出力パルスによって第２の時間インターバル中に第２のエネルギー量が前記スパッタターゲットに転移され、その際に最大の出力密度は５００Ｗ／ｃｍ２を超えている、そのような方法において、
コーティングされるべき前記基板表面へ混合結晶層を塗布するために、それぞれのターゲット材料に割り当てられるパルス時間は、互いに独立してそれぞれの作業点に関して調整されるように少なくとも前記第１および前記第２のスパッタターゲットが操作され、前記第１のエネルギー量は前記第２のエネルギー量と相違していることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記作業点はそれぞれ遷移領域に位置していることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の時間インターバルは前記第１の時間インターバルよりも長く選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１および前記第２の時間インターバルは１０μｓから１００ｍｓの間で選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１および前記第２の時間インターバルは５０μｓから５ｍｓの間で選択されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の材料と前記第２の材料は、
チタン、アルミニウム、ケイ素、クロム、ホウ素、炭素の各元素、元素周期律表の４Ａ族、４Ｂ族の各元素、ならびにこれらの元素のうち２つまたはそれ以上の組み合わせによって形成される群からなる元素を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
コーティングされるべき基板に少なくとも部分的に前記第１および第２の出力パルスと同期して、スパッタリングターゲット固有に選択される基板バイアスが印加されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記方法中に不活性ガスが作業ガスとして利用され、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒの各元素の群に属する不活性ガスまたはその２つもしくはそれ以上の組み合わせからなる不活性ガスが利用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記方法中に少なくとも部分的に、Ｎ２，Ｏ２，Ｃ２Ｈ２，ＣＨ４、シラン、ＴＭＳ，ＣＯ２の元素もしくは化合物の群に属する反応性ガスまたは複数の群構成要素の組み合わせからなる反応性ガスが利用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
混合結晶層を析出するために前記ターゲットを同時に作動させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記基板はコーティングされるべき前記基板表面が前記コーティング源のそばを周期的に通過するように前記コーティング源に対して配置されており、その際に生じる層は均一な混合結晶としてではなく複数のナノ層から構成される層として析出され、１つのナノ層から隣接するナノ層へと層組成が変化していくことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記基板の表面は、高出力インパルススパッタ（ＨＩＰＩＭＳ）によりコーティングされる、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料のそれぞれ異なる少なくとも２つのターゲットを用いて高出力インパルススパッタ（ＨＩＰＩＭＳ）により混合結晶層を塗布する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術に基づき、混合結晶層の析出のためにそれぞれのターゲットが同時に作動するとき、異なるターゲットが同じプロセスパラメータのもとで別様の強さでポイゾニングされるという問題が生じる。その場合、両方のターゲットを互いに独立してそれぞれ希望される作業モードに保つことが不可能になる。スパッタ源は容積部を介して、反応性ガスの同一の分圧と接続されているからである。
【０００３】
本明細書の枠内では、「ｚｅｒｓｔａｅｕｂｅｎ」（スパッタする）と「ｓｐｕｔｔｅｒｎ」（スパッタする）の用語は同一のものと理解される。ターゲットとは、本明細書の枠内では、スパッタ源の構成要素であって方法中にそこから材料が取出されるものをいう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
混合結晶を製作するために、従来技術に基づくスパッタテクノロジーではＣｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｔａｒｇｅｔｓ（複合ターゲット）が利用される。たとえばＤＥ６０１０４７０９には、第１の基本材料と、栓の形態で第１の基本材料へ挿入された第２の材料とからなるターゲットが記載されている。複合ターゲットを製作する別の方法は、粒度が１００μｍ以下の２つまたはそれ以上の金属粉末を、粉末冶金の方法でプレスすることである。
【０００５】
その場合の欠点は、混合結晶層におけるさまざまに異なる濃度比率を実現するために、そのつど違ったターゲットを使用しなければならないことにある。しかも積層のときに、その層組成がターゲット材料の初期組成とは一致しない種類のターゲットが製作されることになる。
【０００６】
従来技術では、少なくとも１つの材料をデュアルマグネトロンもしくはＨＰＩＭＳによって、および少なくとも１つの第２の材料をアーク蒸着によって、それぞれ同時に作動させることが別の取り組みで提案されている。それに応じてＷＯ２０１１／１３８３３１には、少なくとも２つの異なる材料（Ｍ１，Ｍ２）を含む混合結晶層をＰＶＤ法により基板に析出する方法が開示されており、この方法は、ｉ）デュアルマグネトロンスパッタまたは高出力インパルスマグネトロンスパッタ（ＨＩＰＩＭＳ）と、ｉｉ）アーク蒸着（Ａｒｃ−ＰＶＤ）とを同時に適用したうえで、混合結晶層の析出が実施されることを特徴としている。
【０００７】
その場合に欠点となるのは、２通りのＰＶＤ方式に基づき、高いコストのかかる２つのテクノロジーを１つのコーティング室内で具体化しなければならないことである。さらにはアーク方式に基づき、たとえば層粗さのような層特性にマイナスの影響を及ぼす小滴（Ｄｒｏｐｌｅｔｓ）が混合結晶層で生じてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の課題は、上に述べた問題点が克服される方法を提供することにある。特にこの方法により、ＨＩＰＩＭＳによって、かつアーク蒸着なしに、混合結晶層を生成することを可能にすることが意図される。本発明によるとこのことは、材料の異なる少なくとも２つのターゲットを用いてＨＩＰＩＭＳ法が実施され、ターゲット材料についてそれぞれ適した作業点が出力パルスを通じて出力および／またはパルス時間に関して別々に調節されることによって実現される。
【０００９】
ＨＩＰＩＭＳ法における複雑なプロセスのより良い理解のために、まずターゲットポイゾニングについてもう少し詳しく説明する。反応性のスパッタ工程は、たとえば窒素や酸素のような反応性ガスとターゲット表面との反応によって規定される。これはターゲットポイゾニングと呼ばれる。ターゲット表面のポイゾニング度が高く、反応性が高いと（たとえば窒化や酸化）、低いスパッタ率が生じる。このようなケースにおいてスパッタ率を反応性ガス流の関数としてプロットすると、当業者には周知のヒステリシスが現れる。
【００１０】
図１は、ターゲットや層のような反応性の表面における窒素の吸収を、アルゴン流に対する窒素流の比率に依存して、異なるパルス時間について示している。このとき平均圧力およびＡｒ流は一定に保たれていた。パルス出力は１０００Ｗ／ｃｍ２であった。実線は５０μｓのパルス時間に関わるものであり、点線は２０００μｓのパルス時間に関わるものである。
【００１１】
パルス時間が５０μｍであるＨＩＰＩＭＳプロセスの特性曲線は、窒素が添加されたとき、約０．９のＮ２／Ａｒ比まで、投入された窒素の完全な使いきりを示している。窒素消費量は、コーティング率とほぼ比例している。１．０およびこれ以上の比率になると、ターゲット表面の窒化によってスパッタ率が低下する。この領域は遷移領域と呼ばれる。この領域は、ポイゾニングされたターゲット表面へと移行する領域を表している。窒素がさらに添加されると、ターゲット表面のポイゾニングが増加していき、率は最小値に近づいていく。
【００１２】
２０００μｓのパルス時間で、それ以外には同じ平均のスパッタ出力により上に述べたＨＩＰＩＭＳ放電を作動させると、ポイゾニングされたターゲット表面への移行部の領域が、高いＮ２／Ａｒ流の比率のほうへとシフトする。ただしこれは、所定のＮ２／Ａｒ流の比率のときにパルス時間を選択することで、メタルモード、ポイゾニングモード、または遷移領域のいずれでターゲットによりスパッタがなされるかどうかを調整できることを意味している。すなわち、パルス時間選択によって作業点を調整することができる。このことは、材料の異なる、およびそれに伴ってスパッタガスに対する反応挙動の異なる２つまたはそれ以上のターゲットで、それぞれのターゲット材料に割り当てられるパルス時間により、互いに独立してそれぞれの作業点に関して調整をするという可能性を開く。
【００１３】
付言しておくと、従来式のスパッタ法で適用されるような抑制的な出力密度を有するパルスでは、上述したようなパルス時間に対する依存性が生じることはない。
【００１４】
図１は、特に、不活性ガスに対する反応性ガスの１．２の比率が調整されて作業点が規定されたとき、５０μｓのパルス時間を適用したＨＩＰＩＭＳスパッタプロセスはすでにポイゾニングモードで進行し、コーティング率は遷移領域で最大限実現可能なコーティング率の約３０％だけ低いことを示している。ＨＩＰＩＭＳ出力パルスのパルス時間を延ばすことで、それ以外の点では変わらない平均のスパッタ出力および同じプロセスガス条件のもとで、不活性ガスに対する反応性ガスの１．２の比率で選択される作業点が、再び遷移領域に位置するようになる。
【００１５】
発明者が推測するところでは、ＨＩＰＩＭＳ法の枠内において、パルス出力振幅とパルス時間との積で求められる、出力パルスあたりのエネルギー量が主要な役割を果たしている。短時間あたりのパルスの数も、一定の役割を果たしている可能性がある。
【００１６】
次に、複数の実施形態を参照して例をあげながら、かつ図面を参照したうえで本発明について詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】それぞれ異なるパルス時間について、反応性ガス／不活性ガス流の比率に依存する窒素消費量を示す図である。
【図２】出力パルスに合わせて同期化される基板バイアスを示す図である。
【図３】コーティング設備を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に基づくＨＩＰＭＳ法が適用されるべきコーティング室は、スパッタされるべき第１のターゲット材料からなる第１のターゲットＴＡ１を有する第１のスパッタ源Ｑ１と、第２のターゲット材料からなる第２のターゲットＴＡ２を有する第２のスパッタ源Ｑ２とを含んでいる。本例では、第１のターゲットＴＡ１はアルミニウムでできていてよく、第２のターゲットはクロムでできていてよい。本発明の第１の実施形態では、アルゴンと窒素が１：１の比率で、事前に排気されたコーティング室に吹き込まれる。それにより各ターゲット表面は、同一の反応性ガスおよび不活性ガスの分圧を受ける。各ターゲットに印加されるパルスの出力密度は１０００Ｗ／ｃｍ２に合わせて設定される。パルス時間（ｔ１，ｔ２）はターゲットごと個別的に、作業点がそれぞれ遷移領域に位置するように設定される。占積率すなわちパルス時間と反復インターバル（＝１つのターゲットにおける１つのパルスの開始から同一のターゲットにおける次のパルスまでの時間インターバル）との間の比率は、両方のターゲットについて同等に選択される。それにより、各ターゲットに印加される異なる平均出力がもたらされる。高い出力密度に基づき、スパッタ材料の高い電離率が生じる。コーティングされるべき基板に負のバイアスが印加されると、このことは稠密で平滑な層を生じさせる。
【００１９】
本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態とは異なり、各ターゲットに印加される出力密度および／または占積率が個別的に調整される。
【００２０】
当業者には容易に認識可能であるように、本発明による方法では、所定のパルスプロフィルをもつ高い出力密度のパルスのコントロールされた準備が可能であることが重要な役割を担う。電力源がそれを許容する限りにおいて、それぞれ他方のターゲットから完全に独立して、パルスをターゲットに印加することができる。これは特に、各々のターゲットに別々の電力源が付属している場合である。その場合、パルス時間のあいだには出力をそれぞれ付属のターゲットに放出し、残りの時間のあいだには出力をいわゆる出力シンク（以下、ダミーロードと呼ぶ）に放出する、高出力のＤＣ発生器を利用することができる。ダミーロードへ出力放出をすることは、特に出力放出の開始時に意義がある。そのような出力放出は、発電機によって規定される立上り特性に準拠しているからである。複数の発電機の使用は、出力の大部分すなわちダミーロードへと送られる部分が、まったく利用されないという欠点がある。
【００２１】
新規の方法では、そのためにたとえば高出力のＤＣ発生器を利用することができ、その出力がスイッチによってシーケンシャルに、かつ好ましくは出力放出の中断なしに、それぞれ異なるターゲットへ供給される。そしてパルスインターバルの終了時に、出力がターゲットへと単純に切り換えられる。最初および／または合間にターゲット代替物（ダミーロード）への切換をするのが同じく有意義であり得る。しかしダミーロードでの出力損失は、複数のターゲットがシーケンシャルに負荷されることによって、非常に大きく削減される。
【００２２】
ターゲットが出力パルスでシーケンシャルに負荷されるとき、特別に好ましい実施形態では基板に印加されるバイアスをパルス列と同期化し、ターゲットおよびこれに伴って層材料について個別的に、固有に選択された基板電圧パルスを印加するという選択肢が得られる。そのようにして、たとえばターゲット材料１について、ターゲット材料２についてとは異なる基板バイアス電圧およびこれに伴ったイオン加速を行うことができる。これに相当する状況が図２に示されている。
【００２３】
しばしばコーティング設備は、さまざまなコーティング源が室壁に配置されたバッチ設備として施工される。そしてコーティングされるべき基板は、いわゆるカルーセルとして工作物支持体に配置され、カルーセルの回転に基づいてコーティング源のそばを周期的に通過する。これに相当する状況が、一例として模式的に図３に示されている。このような構造により、その際に生じる層は均一な混合結晶として析出されるのではなく、いわゆるナノ層を生じることができ、この場合、１つのナノ層から隣接するナノ層へと層組成が変化していく。上で検討したとおり、パルス長にわたってコーティング率をターゲット個別的に調整することができるので、本発明では、それぞれ異なるナノ層の厚みを互いに相対的に簡単な仕方で調整することができる。
【図１】
0006271533.tif 000002
【図２】
0006271533.tif 000003
【図３】
0006271533.tif 000004