(57)【要約】  本発明は、イオン衝撃により、第１ターゲットの表面から材料が打ち出され、材料が気相に移行する反応性スパッタリング法に関し、この方法では、ターゲットにパルス状に負の電圧をかけ、ターゲット表面に、０．５Ａ／ｃｍ２を上回る電流密度の電流が生じ、その結果、気相に移行した材料が少なくとも部分的にイオン化され、反応性ガス流が作られ、反応性ガスがターゲット表面の材料と反応するが、この方法において、電圧パルスの間のほとんどの時間の間、ターゲット表面は、電流が流れる１つまたは複数の箇所において、少なくとも部分的に、反応性ガスとターゲット材料とからなる化合物で被覆されていて、したがってターゲット表面は第１中間状態にあり、該被覆は、電圧パルスの終端において電圧パルスの始端においてよりもわずかであり、したがって、ターゲット表面は、電圧パルスの終端において第２中間状態にあるように、電圧パルスの長さが選択されることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン衝撃により、第１ターゲットの表面から材料が打ち出され、前記材料が気相に移行する反応性スパッタリング法であって、前記ターゲットにパルス状に負の電圧をかけ、前記ターゲット表面に、０．５Ａ／ｃｍ２を上回る電流密度の電流が生じ、その結果、前記気相に移行した材料が少なくとも部分的にイオン化され、反応性ガス流が作られ、反応性ガスが前記ターゲット表面の前記材料と反応する方法において、電圧パルスの間のほとんどの時間の間、前記ターゲット表面は、前記電流が流れる１つまたは複数の箇所において、少なくとも部分的に、反応性ガスとターゲット材料とからなる化合物で被覆されていて、したがって前記ターゲット表面は第１中間状態にあり、該被覆は、前記電圧パルスの終端において前記電圧パルスの始端においてよりもわずかであり、したがって、前記ターゲット表面は、電圧パルスの終端において第２中間状態にあるように、前記電圧パルスの長さが選択されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記電圧と前記電流とにより生成された電力パルスは、少なくともパルスのほとんどの時間に渡って、好ましくは実質的に全パルス長に渡って、実質的に一定の電力振幅に保たれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パルス長は、５００μ秒と１００ミリ秒との間、好ましくは１ミリ秒と１０ミリ秒との間であり、特に好ましくは１ミリ秒と５ミリ秒との間であることを特徴とする上記請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４】
第１パルスとより遅いあるパルスとの間にある１つの中断時間または複数の中断時間は以下のように選択され、すなわち、続くパルスの始端では、前記ターゲット表面がその被覆に関して実質的に第１パルスの始端と同じ中間状態であるように、前記反応性ガスが、前記中断時間中にターゲット表面と広く反応することができるように、選択されることを特徴とする上記請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記より遅いパルスは、前記第１パルスの直後のパルスであり、すなわち、さらなるパルスがその間にはないことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも第２のターゲットを用い、パルス状に電圧をかけるために、電力入力が、前記第１ターゲットから前記第２ターゲットに連続して、かつ、必要な場合さらなるターゲットに連続して切り換えられ、その結果、少なくともこの種の連続時には、電力を供給する発電機、好ましくはＤＣ発電機の電力出力は中断されないことを特徴とする上記請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
上記請求項のいずれか１項に記載の反応性スパッタリング法を制御する方法において、前記ターゲット表面の第２中間状態と相関する所定の電圧に達すると、電圧パルスが終了することを特徴とする方法。
【請求項８】
上記請求項のいずれか１項に記載の反応性スパッタリング法を制御する方法において、前記パルス始端において所定の電圧を下回った場合には、前記中断時間は、先行する中断時間より短いように選択し、前記パルス始端において所定の電圧を上回った場合は、前記中断時間は前記先行する中断時間より長くなるように選択することを特徴とする方法。
【請求項９】
前記第２中間状態は、前記ターゲット表面の実質的な金属状態である、または金属状態ではないことを特徴とする上記請求項のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応性スパッタリング法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カソード吹き付けとしても知られているこのスパッタリング時には、イオン衝撃を用いて、カソードを形成する固体物体（ターゲット）の表面から材料が打ち出され、この材料が気相に移行する。カソードには負の電位がかけられ、準備されたイオンがこのカソードに向かって加速される。スパッタリングは、しばしば基板の被覆のために採用される。基板はターゲット付近に置かれ、または、ターゲットの横を通過する。カソードから打ち出される（＝吹き付けられる）ガス状の材料は、基板上に沈着する。これは気相からの析出であり、ＰＶＤ（＝物理的気相成長法）の名前で知られている被覆法に属する。吹き付けられる材料は、ほぼ妨げられず、すなわち他の粒子と衝突することなく基板に達するので、周囲圧力を小さくすることができる。平均的な自由工程長は、少なくともカソードから基板までの距離の長さであるべきである。したがって、スパッタ被覆は、真空化可能なプロセスチャンバ中で行われる。この方法の典型的な圧力は、５×１０−３ミリバール以下である。
【０００３】
カソードに衝撃を与えるために必要なイオンを生成するために、プロセスチャンバ中に、不活性プロセスガスが導入される。このプロセスガスとしては、非常にしばしばアルゴンが採用される。衝突イオン化により、プロセスガスの原子はイオン化される。衝突イオン化の際に、自由電子が原子と実質的に衝突し、これをイオン化する。このようにして、これからプラズマが生じ、カソードからのイオンが引き付けられる。したがって、電子密度が高い場合、プロセスにとって有益である。いわゆるマグネトロンスパッタリングでは、カソードの後方に磁石システムが配置され、その磁場はターゲット表面を越えた領域中に突出する。この突出した磁場の部分は、しばしばトンネルとして実現されていて、矩形のカソードの場合は、しばしば、競馬場（レーストラック）の形状を思い起こさせるが、これが、電子を螺旋軌道上に載せる。これにより路長がより長くなることにより、電子毎の衝突の数が増え、プロセスガスの原子のイオン化がより効率的になる。
【０００４】
カソードに負の電圧がかけられるがゆえに、プロセスガスイオンがカソードに向かって加速される。したがって、スパッタリング時には電流の流れが得られるが、これは高性能の発電機により維持されねばならない。古典的なスパッタリング法では、ターゲットから打ち出される材料のイオン化度合は、非常に小さい。しかし、０．５Ａ／ｃｍ２を上回る電流密度で作業が行われると、イオン化度合は劇的に上昇する。吹き付けられる材料のイオン化は、層構築において有利に利用可能となる。ターゲットにおける電流密度が高いことにより、ターゲットに入るエネルギーが顕著になり、したがって、これを加熱することになる。これゆえに、この種の電流密度は、ターゲットに冷却時間を与えるためにパルスと共にのみ動作する。この種の方法は、高電力パルス・マグネトロン・スパッタリング（ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ  ｉｍｐｕｌｓｅ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ、ＨｉＰＩＭＳ）と称される。
【０００５】
この方法においては、ターゲット表面を電流が通って流れることが必須であるがゆえに、このスパッタリング法は導電性材料に限定されている。しかしながら、スパッタリング中には反応性ガスがプロセスチャンバ中に導入され、その後これが、吹き付けられた材料と共に化合物となる。しかしながら、反応性ガス流が規定値を越えると、比率が劇的に低下する。これは、反応性ガスがターゲット材料と反応する結果、ターゲット表面が非導電性層または導電性が悪い層で被覆される印である。この場合、ターゲットが汚染されたと称される。いわゆる金属状態は、反応性ガスの供給を劇的に取りやめることによってのみ再び作られることができる。
【０００６】
図１は、ＨｉＰＩＭＳ放電の短い（７０μ秒）パルス長についてＡｌおよびクロムに関する光学信号の例における典型的なヒステリシスを示す図である。この際、パルス電力は５００Ｗ／ｃｍ２であり、時間的に平均化された電力は２．５ｋＷである。実線は、クロム（５２０ｎｍ）についての光学信号を示し、点線は、アルミニウム（３９６ｎｍ）についての光学信号を示す。上方の線は酸素流上昇時のもので、下方の線は酸素流の下降時のものである。明らかであるのは、比率の下降が、ある臨界的な酸素流以降で見られうるという点である。この比率は、汚染されたモードでは非常に小さい値になり、すなわち、約１００の係数で金属モードにおける比率よりも小さくなる。汚染されたモードでは、ターゲット表面は酸化されている。酸素流を劇的に取りやめることによってのみ、ターゲット表面は再び金属状態へと戻りうる。
【０００７】
この種のヒステリシスを回避するために様々な試みが行われている。ＷＯ０３／００６７０３号では、Ｎｙｂｅｒｇ他が反応性スパッタリング法を提案しているが、この文献では、プラズマレーストラックを空間的に限定することにより、高い電流密度をスパッタリングターゲット上に生成する。これにより、プラズマがターゲット表面の小さい領域に限定される。Ｎｙｂｅｒｇ他の記載によれば、この領域を動かし、それも一方では、大概金属モードでは吹き付けが確実に行われるように十分ゆっくりと、しかしターゲット表面での溶融を回避するように十分速く動かすことは重要であるとしている。
【０００８】
これに反して、Ｗａｌｌｉｎ他は、ＷＯ２００９／０１０３３０号で、パルス長が２μ秒と２００μ秒との間であるパルスで作業するＨｉＰＩＭＳ法について記載している。この場合には、２００Ｖと２０００Ｖとの間の電圧で動作する。２００Ｗｃｍ−２を上回る電力密度で動作する。これに対応する電力パルスは、パルスユニットを有する発電機により提供される。これにより、各パルス間に、最大値にまで上昇する電流でのマグネトロン・スパッタリング・グロー放電が引き起こされ、この際、最大電力パルスが達成される。２つの連続するパルス間では、被覆システム中への電気給電は行われない。２００ｓｃｃｍと２０００ｓｃｃｍとの間である酸素流が採用される。Ｗａｌｌｉｎ他が記載するように、これにより、被覆されるべき基板における反応条件は達成され、同時にターゲットは実質的に金属状態にある、すなわち、ターゲット表面が著しく反応性ガスで覆われてはいない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
Ｎｙｂｅｒｇ他もＷａｌｌｉｎ他も、金属モードでターゲットからスパッタリングがなされるようにプロセスパラメータを選択している。本発明は別の手法をとっている。本発明は、スパッタリング放電を０．５Ａ／ｃｍ２を上回る高い電流密度（ＨｉＰＩＭＳ）と組み合わせて作動させる方法について記載している。電力パルスの始端で、汚染された状態と金属状態との間にある第１の中間状態にあるターゲットから出発して、本発明のプロセスでは、電流密度ないしこのように得られるスパッタリング電力密度が、パルス長と組み合わせて、反応性スパッタリングプロセスが電力パルスの終端で汚染された状態と金属状態との間の第２中間状態にあるように、選択される。この際、第２中間状態が第１中間状態よりも明らかに金属的特徴を有するように選択されている。この際、第１中間状態は、絶対的な汚染状態でもありえ、第２中間状態は金属状態でもありうる。しかし、好ましくは、第１中間状態は明らかに絶対的な汚染状態ではなく、および／または、第２中間状態は、明らかに実質的な金属状態ではない。ここで本質的であるのは、従来技術とは異なり、大概金属状態であるターゲットから吹き付けられることはなく、本発明では規定のエネルギーパルスをかけることにより、パルスの間に、多かれ少なかれ汚染されたターゲットの状態から、より金属的なターゲットへと至る点である。この際、一方では、ＨｉＰＩＭＳプロセスにおいて存在する高い電流密度をターゲットで支持しつつ、他方では、ターゲットを少なくとも部分的に効果的に除染するために、１つのパルスが十分長く続かねばならない。その後、ターゲットの汚染が第１中間状態に相当するように、パルス休止期間は長くまたは短く選択される。これに続くパルスでは、ターゲットは再び第２中間状態にまで除染される。本発明のパルス長は、５０μ秒と１００ミリ秒との間である。プロセスを安定化させる本来の効果は、しかし、約５００μ秒より長い場合に生じる。したがって、好ましくは本発明のパルス長は５００μ秒と１００ミリ秒との間であり、特に好ましくは、パルス長は１ミリ秒と１０ミリ秒との間であり、１ミリ秒と５ミリ秒との間のパルス長がさらに好ましい。
【００１０】
上述したように、本発明では、規定のエネルギーパルスがかけられる。この点は、例えば、上述の従来技術とは異なり、２つの連続するパルス間で、１つのターゲットにおいて被覆システムへの電力給電が中断されず、複数のターゲットに順次電力がかけられることにより達成されることができ、その結果、被覆システム中への電力出力が、複数のパルスシーケンスを介して実質的に中断されず、一定で行われる。このパルスシーケンス時に電力出力の中断が生じないので、さらなる電力構築間隔も必須ではない。単純なＤＣ発電機を採用することができ、これは、複数のパルスを介してこれらを越えて、その電力を一定に被覆システムへと出力する。結果として、個々のターゲットでは、非常に良好に規定された、再現可能な電力パルスを実現することができる。この種の電力パルスシーケンスの提供方法は、例えば本出願人によるＷＯ２０１２／１４３０９１号中に記載されている。ＷＯ２０１２／１４３０９１号の対象は、本明細書中に参照として組み込まれる。
【００１１】
本発明の方法の結果として、反応性のガス圧力およびその高い被覆比率に関して、スパッタリング放電のヒステリシスのない非常に安定したプロセスが得られる。この点は、特に酸化物のスパッタリングプロセス、例えば、酸化アルミニウムの製造の際に該当する。この方法のさらなる利点は、本発明のスパッタリング放電の高い電流密度にあり、これにより、スパッタリングされた粒子のイオン化が上昇する。
【００１２】
以下に、本発明を、詳細に、図に基づいて例示しつつ、より詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来技術における典型的なヒステリシスを示す図である。
【図２】スパッタリングカソードにおける本発明の電力パルスのスクリーンショットである。
【図３】長いＨｉＰＩＭＳパルスを用いた際に、反応性ガスとして酸素を用いた反応プロセスにおける比率の降下を示す図である。
【図４】５時間の被覆プロセスについて、光学信号の推移を示す図である。
【図５ａ】様々な作動点における電圧パルスおよび電流パルスの推移を示す図である。
【図５ｂ】様々な作動点における電圧パルスおよび電流パルスの推移を示す図である。
【図５ｃ】様々な作動点における電圧パルスおよび電流パルスの推移を示す図である。
【図５ｄ】様々な作動点における電圧パルスおよび電流パルスの推移を示す図である。
【図６】電圧値に基づく反応性スパッタリングプロセスの可能性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図２中に示すのは、スパッタリングカソードにおける本発明の電力パルスである。この例では、ターゲット材料としてＡｌＣｒ（７０：３０）ターゲットを採用し、酸素流を４０ｓｃｃｍに維持した。この図は、放電電圧が、スパッタリングレーストラック中のターゲット表面の汚染に非常に敏感に反応することを示す。
・電力パルスの始端においては、電圧レベルは、Ｕ１＝４００Ｖである。これは、汚染された（この例では酸化された）ターゲットに関連しうる。
・５００Ｗ／ｃｍ２で一定である電力パルスの終端では、電圧レベルは、Ｕ２＝６８０Ｖであり、部分的に酸化されたターゲット表面の状態に関連しうる。
これより、プラズマレーストラックに対応するターゲット表面の部分が、パルス長の間に、最初は酸化された状態から、中間状態へ、そして、部分的に酸化された状態ないし金属状態に移行するという結果を導き出すことができる。
【００１５】
長い、例えば５ミリ秒のＨｉＰＩＭＳパルスを用いる場合、パルス電力はこの場合も５００Ｗであるが、反応性ガス流（例えば酸素）が増える場合に、比率が継続的に下降する（図３参照）。驚くべきことに、比率の下降は単調であり、ヒステリシス挙動は生じない。これは、本発明の方法により、ターゲットの状態において任意に作動点を設定できる可能性を開く。
【００１６】
本発明の方法は、並外れて安定しているとわかる。この点を示すために、上述のパラメータでの被覆プロセスを５時間に渡って維持したが、この時間中に、異なる酸素流と、したがって異なる作動点を選択した。金属層で開始し、異なる酸素流での様々な部分が続く。図４は、アルミニウムとクロムとの放射の線に基づく、ＨｉＰＩＭＳプラズマ放射の光学信号の推移を時間に応じて示す図である。明らかにわかるのは、被覆プロセスが全時間に渡って、非常に安定して推移しているという点である。
【００１７】
補足的に、図５に、図４に示した図中の異なる作動点における電圧パルスおよび電流パルスの推移を示す。図５ａは、反応性ガスがチャンバ中に導入されない際の推移を示す。この場合、純粋な金属モードが実現されている。電圧は、比較的一定で維持されている。電流についても同様のことが該当する。図５ｂ中では、５０ｓｃｃｍの反応性ガス流が優勢である。放電電圧は３８０Ｖで始まり、５６０Ｖで終了する。したがって、ターゲット表面は全く金属状態にならない。図５ｃでは、反応性ガス流はまずは４５ｓｃｃｍでその後４０ｓｃｃｍが優勢となる。放電電圧は、パルスの終端においてここで５８０Ｖまで上昇し、金属製の表面により与えられる値はまだ達成されていない。最後に図５ｄでは、反応性ガス流は３０ｓｃｃｍとなる。この反応性ガス流では、放電電圧は、当初は４００Ｖで、パルスの終端では７００Ｖであり、すなわち、パルスの終端と共に、ターゲット表面がおそらくは実質的に金属状態になる。この際、ターゲット表面の酸化度が上昇するにしたがって、電力パルスの放電電圧の初期値が降下することが明らかである。高電力パルスの長さにより、ターゲットが、確実に電力パルスの終端において再び酸化された状態と、金属が占めるまたは金属である状態との間の移行領域中の状態にあるが、なぜならば、ターゲット表面が完全に酸化された際には、初期値が低い場合には、電圧が一定になるであろうからである。しかし従来技術とは異なり、ほとんどパルスの間で、金属ターゲット表面から吹き付けられることはない。
【００１８】
本発明の方法は、さらに、反応プロセスについて新しい本発明の制御の可能性を開く。
というのは、現在までに公知である従来技術では、光学的放射または一定に保たれたスパッタリング電圧を用いて制御が行われる。双方の方法を用いると、反応プロセスの移行領域中で安定的に動作することができる。特に電圧制御は、一般的に容易で、安定していて、かつ非常に感度の高い工程である。
【００１９】
例えば、酸化アルミニウムまたはＡｌＣｒＯｘの酸化ターゲット表面の放電電圧は、３００から４００Ｖの領域にある。部分酸化時の電圧は、これに応じて、より高くなり、金属スパッタリングにおける電圧は、約６００から８００Ｖである。本発明によれば、電力パルス時に実質的に一定である電力出力を用いた方法において、反応プロセスを制御するのに利用することができるので有利である。すなわち、本発明によれば、プロセスは、電力パルスの電圧の初期値と電圧の最終値とを用いて制御されうる。すなわち、反応性スパッタリングプロセスは、ＨＩＰＩＭＳの電力パルスの始端における電圧値と電力パルスの終端における各電圧値とに基づいて制御される。この点を図５中に概略図示する。
【００２０】
したがって、本発明によれば、反応性ＨＩＰＩＭＳスパッタリング法のパルス電力およびパルス長は、パルス始端においては所定の強く酸化されたターゲット状態が存在するように、かつ、パルス終端においては所定の少なくとも弱く酸化されたターゲット状態が存在するように選択されることができ、この点は、電圧推移において明白である。
【００２１】
本発明の方法用の反応性ガスとして、例えば、酸素、窒素、Ｃ２Ｈ２、ＣＨ４およびこれらの混合物が考慮の対象になる点も指摘する。
【００２２】
このように、本発明のスパッタリングでは、酸素と共に、例えば第２の反応性ガスとして窒素を追加することができる。
【００２３】
本発明のスパッタリングでは、窒素と共に、例えば第２の反応性ガスとしてＣ２Ｈ２またはＣＨ４を追加することができる。
【００２４】
反応性スパッタリング法が開示され、この方法では、イオン衝撃により、第１ターゲットの表面から材料が打ち出され、材料が気相に移行し、ターゲットにパルス状に負の電圧をかけ、ターゲット表面に、０．５Ａ／ｃｍ２を上回る電流密度の電流が生じ、その結果、気相に移行した材料が少なくとも部分的にイオン化され、反応性ガス流が作られ、この反応性ガスがターゲット表面の材料と反応する。電圧パルスの間のほとんどの時間の間、ターゲット表面は、電流が流れる１つまたは複数の箇所において、少なくとも部分的に、反応性ガスとターゲット材料とからなる化合物で被覆されていて、したがってターゲット表面は第１中間状態にあり、該被覆は、電圧パルスの終端において電圧パルスの始端においてよりもわずかであり、したがって、ターゲット表面は、電圧パルスの終端において第２中間状態にあるように、電圧パルスの長さが選択される。
【００２５】
電圧と電流とにより生成された電力パルスは、少なくともパルスのほとんどの時間に渡って、好ましくは実質的に全パルス長に渡って、実質的に一定の電力振幅に保たれうる。
【００２６】
パルス長は、５００μ秒と１００ミリ秒との間、好ましくは１ミリ秒と１０ミリ秒との間でありえ、特に好ましくは１ミリ秒と５ミリ秒との間でありえる。
【００２７】
第１パルスとより遅いあるパルスとの間にある１つの中断時間または複数の中断時間は以下のように選択されることができ、すなわち、続くパルスの始端では、ターゲット表面がその被覆に関して実質的に第１パルスの始端と同じ中間状態であるように、この反応性ガスが、中断時間中にターゲット表面と広く反応することができるように、選択されることができる。より遅いパルスは、第１パルスの直後のパルスでありえ、すなわち、さらなるパルスがその間にはない。
【００２８】
少なくとも第２のターゲットを用いることができ、パルス状に電圧をかけるために、電力入力が、第１ターゲットから第２ターゲットに連続して、かつ、必要な場合さらなるターゲットに連続して切り換えられることができ、その結果、少なくともこの種の連続時には、電力を供給する発電機、好ましくはＤＣ発電機の電力出力は中断されない。
【００２９】
ターゲット表面の第２中間状態と相関する所定の電圧に達すると、電圧パルスが終了するように、反応性スパッタリング法を制御することができる。
【００３０】
パルス始端において所定の電圧を下回った場合には、中断時間は先行する中断時間より短いように選択し、パルス始端において所定の電圧を上回った場合は、中断時間は先行する中断時間より長くなるように選択するように、制御を行うことができる。
【００３１】
第２中間状態は、ターゲット表面の実質的な金属状態でありえ、または金属状態ではありえない。
【００３２】
上述のスパッタリング法は、好ましくは基板の被覆のために採用される。しかしながら、イオン密度が高いため、他の方法、例えば、スパッタリングエッチング、表面クリーニングまたはイオン打ち込みのためにも採用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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