(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０−１１〜１０２Ｔｏｒｒの圧力のガスを有する容器内の電場と磁場とが交差する交差電磁場中で放電が陽極と金属製マグネトロンスパッタリング陰極との間で周期的に生成されることを含む金属および／またはガスのプラズマ流を生成する方法であって、該陰極は金属プラズマ生成に必要な１種または数種の金属から形成され、各放電が、
マグネトロンスパッタリングによって金属蒸気を生成するために陽極と陰極の間に第１電流が流れる第１期間と、
ガスおよび生成された金属蒸気の電離を生成するために陽極と陰極の間に、前記第１電流より大きい第２電流が流れる第２期間と、
を含み、前記第２期間が前記第１期間より短い持続時間を有するように放電が生成されることを特徴とする、プラズマ流を生成する方法。
【請求項２】
前記放電は１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚの周波数で生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記放電は０．５〜２ｋＨｚの周波数で生成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
第１期間中に陽極と陰極の間の駆動電流がμ１Ｓであるように放電が生成され、ここでμ１はＡ／ｃｍ２の単位で測られ０．１〜１Ａ／ｃｍ２の範囲の値を有する定数であり、Ｓはｃｍ２の単位で測られる陰極のスパッタリングされる表面の面積である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
第１期間中に電流が時間の関数として矩形形状を有し、および／または第２期間中に電流が時間の関数として矩形形状を有するように放電が生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
第１期間が持続時間β１Ｄを有するように放電が生成され、ここでβ１はμｓ／ｃｍの単位で測られ０．１〜３μｓ／ｃｍの範囲の値を有する定数であり、Ｄはｃｍの単位で測られる円形陰極の直径または矩形陰極の短辺である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
第２期間中に陽極と陰極の間の駆動電流がμ２Ｓであるように放電が生成され、ここでμ２はＡ／ｃｍ２の単位で測られ１〜１０Ａ／ｃｍ２の範囲の値を有する定数であり、Ｓはｃｍ２の単位で測られる陰極のスパッタリングされる表面の面積である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第２期間が持続時間β２Ｄを有するように放電が生成され、ここでβ２はμｓ／ｃｍの単位で測られ０．１〜１μｓ／ｃｍの範囲の値を有する定数であり、Ｄはｃｍの単位で測られる円形陰極の直径または矩形陰極の短辺である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
陰極のスパッタリングされる表面における磁場の動径成分の最大値が０．０７〜０．３Ｔの範囲にある平衡型のマグネトロン磁気配置を容器内に提供する追加的ステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
１０−１０〜１０−２Ｔｏｒｒの範囲の圧力でスパッタリングガスおよび反応ガスの混合物を容器内に提供する追加的ステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
陰極のスパッタリングされる表面における磁場の動径成分の最大値が０．０４〜０．３Ｔの範囲にある不平衡型のマグネトロン磁気配置を容器内に提供する追加的ステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
陰極のスパッタリングされる表面における磁場の動径成分の最大値が０．０４〜０．３Ｔの範囲にあるカスプ形軸対称磁気配置を有する型のマグネトロン磁気配置を容器内に提供する追加的ステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
第１期間と第２期間の間に遅延が存在し、該遅延の間に駆動電流が印加されないように放電が生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
遅延はｔ＝ｃＤの時間値を有し、ここでｃはｓ／ｃｍの単位で測られ５・１０−８〜１・１０−６ｓ／ｃｍの範囲の値を有する定数であり、Ｄはｃｍの単位で測られる円形陰極の直径または矩形陰極の短辺である、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
１０−１１〜１０２Ｔｏｒｒの圧力のガスを有する容器内の電場と磁場とが交差する交差電磁場中で放電が陽極と金属製マグネトロンスパッタリング陰極との間で周期的に生成されることを含む金属および／またはガスのプラズマ流を生成する方法であって、該陰極は金属プラズマ生成に必要な１種または数種の金属から形成され、
一定直流放電が、マグネトロンスパッタリングによって金属蒸気を生成するために陽極と陰極の間に流れる第１電流で印加され、
周期的放電は、ガスおよび生成された金属蒸気の電離を生成するために陽極と陰極の間に流れる、前記第１電流より大きい第２電流で生成される、
ことを特徴とする、プラズマ流を生成する方法。
【請求項１６】
β１Ｄに等しい間隔で放電が生成され、ここでβ１はμｓ／ｃｍの単位で測られ０．１〜３μｓ／ｃｍの範囲の値を有する定数であり、Ｄはｃｍの単位で測られる円形陰極の直径または矩形陰極の短辺である、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
陽極と陰極の間の駆動電流がμ２Ｓであるように放電が生成され、ここでμ２はＡ／ｃｍ２の単位で測られ１〜１０Ａ／ｃｍ２の範囲の値を有する定数であり、Ｓはｃｍ２の単位で測られる陰極のスパッタリングされる表面の面積である、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
電流が時間の関数として矩形形状を有するように放電が生成されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
持続時間β２Ｄを有するように放電が生成され、ここでβ２はμｓ／ｃｍの単位で測られ０．１〜１μｓ／ｃｍの範囲の値を有する定数であり、Ｄはｃｍの単位で測られる円形陰極の直径または矩形陰極の短辺である、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ流、特に交差電磁場中の放電によって得られる金属プラズマ流を発生する方法および装置に関する。
【０００２】
［発明の背景］
交差場中の放電（ＥＸＢ放電）は科学技術に対するその重要性のために多くの注目を集めている。科学では、ＥＸＢ放電はプラズマ物理および宇宙物理の分野で重要である。技術では、ＥＸＢ放電は、熱核融合装置において、真空ポンプ、真空測定、例えばマグネトロンスパッタリングを用いたワークピースの被覆等の真空技術において、プラズマ加速器において、およびイオン源におけるプラズマエミッタとして、使用される。
【０００３】
定常交差場中の荷電粒子の運動および準定常ＥＸＢ放電が１９２１年以来研究されている。以下の論文を参照されたい：A. W. Hull, "The effect of a uniform magnetic field on the motion of electrons between coaxial cylinders", Phys. Rev. 18, 1921, pp.31-57、およびH. C. Early, W. G. Dow, "Supersonic Wind at Low Pressures Produced by Arc in Magnetic Field", Phys. Rev. 79, 1950, p.186。このような放電は、ガス圧、使用される磁場の強さおよび配置、電極配置等のようなさまざまなパラメータに従って分類することができる。本明細書の目的上、これらの放電は、強度、または一般に放電もしくは駆動電流の挙動に従って最も良く分類される。
【０００４】
駆動電流を用いたこの分類によれば、交差場中の準定常放電は、低強度電流放電および高強度電流放電という２つのクラスに区分することができる。遷移電流は多くのパラメータ、特に使用される装置の寸法に依存し、数百アンペアにわたって変わり得ることに注意する必要がある。磁気配置内で１０18ｍ-3より小さい密度でプラズマを生成する交差場中の低強度電流の放電を低強度電流放電と呼び、１０18ｍ-3より大きい密度を有するプラズマを生成する高強度電流の放電を高強度電流放電と呼ぶことができる。プラズマ密度は単位体積あたりの粒子数として定義される。
【０００５】
交差場中の低強度電流放電は、真空ポンプや、例えばマグネトロンスパッタ堆積におけるワークピースの被覆等の真空技術において広く使用されている。典型的な放電装置はペニングセルならびに円筒形および平面形ＤＣマグネトロンである。低い駆動電流の結果として、上記のように１０18ｍ-3より小さい低密度プラズマが得られる。
【０００６】
高強度電流放電は主として、熱核融合を目標として高密度のプラズマを発生するために使用される。典型的な放電装置としては、Homopolar I、IxionおよびＦＩ装置がある。典型的なプラズマ密度は約１０18〜１０23ｍ-3である。
【０００７】
交差場中の放電の第２の重要な特性は、電極間の電圧降下である。
【０００８】
低強度駆動電流の場合、中性ガス電離率が低く、プラズマ損失と釣り合って、低レベルで平衡プラズマ密度を形成する。陽極−陰極間ギャップの電気抵抗が高いため、高い陽極−陰極間電位降下を生じる。逆過程がエネルギー的に可能になるとすぐに、強く増強された電離過程が起こることになる。
【０００９】
交差電磁場中の放電とともに使用するシステムでのプラズマ電離について２つの方法が記述されている。それらの実際的な適用可能性は、システム寸法および磁場の強さに依存する。強磁場を用いた十分に大きい寸法のシステムで一般に受け入れられている方法は、いわゆる「回転プラズマ法」である。この手法は、電場がプラズマ中を貫通し、プラズマが磁化されるという事実に基づいている。B. Lehnert, "Rotating Plasmas", Nuclear Fusion 11, 1971, pp.485-533を参照されたい。もう１つの手法は、電場が好ましくは放電の陰極付近に集中するという事実に基づいている。この手法は、低磁場および非磁化イオンを用いるシステムでの過程に使用される。この手法は、例えば「二次電子法」と呼ぶことができる。B. S. Danilin and B. K. Sirchin, Magnetron Sputtering Systems, Moskva, Radio i Sviaz, 1982を参照されたい。以下の記述から明らかになるように、本発明は両方の種類のシステムを扱うので、両方のプラズマ手法が使用されることになる。
【００１０】
アルヴェーン(Alfven)は（H. Alfven, "On the Origin of the Solar System", Clarendon Press, Oxford, 1954参照）、プラズマ−中性ガス相対速度が次式で与えられる臨界値ｖc、すなわちアルヴェーン限界に到達すると、強く増強された電離過程が起こると仮定した。
ｖc＝（２ｅφi／ｍi）1/2
ここでφiはイオン化ポテンシャル、ｅは電子の電荷、そしてｍiはイオン質量である。
【００１１】
これから、低スパッタリング速度および低プラズマ損失の装置について、放電の開始期間中の陽極−陰極間電圧降下限界が得られ、高スパッタリング速度の装置については、すべての放電時間中の陽極−陰極間電圧降下限界が得られる。この電圧降下すなわち臨界電圧Ｖcは次式で与えられる。
Ｖc＝ＣｖcＢ
ここでＣは定数であり、Ｂは放電装置内の磁場の強さである。高スパッタリング速度の場合、スパッタリングされた原子のイオン化ポテンシャルφiが金属蒸気を作り出す。これは、放電電圧がスパッタリング陰極材料に依存しなければならないことを意味する。
【００１２】
この現象は、中性ガス中のプラズマ運動の検討と、平面形マグネトロンスパッタリング装置を用いた実験の両方によって実証された。U. V. Fahleson, "Experiments with Plasma Moving through Neutral Gas", Physics Fluids, Vol.4, 1961, pp.123-127、およびD. V. Mozgrin, I. K. Fetisov, and G. V. Khodachenko, "High-Current Low-Pressure Quasi-Stationary Discharge in a Magnetic Field: Experimental Research", Plasma Physics Reports, Vol.21, No.5, 1995, pp.400-409を参照されたい。後者の刊行物では、マグネトロン磁気配置中の高電流低電圧放電は「高電流拡散領域」と呼ばれている。
【００１３】
これは、低強度電流ＥＸＢ放電から高強度電流放電への遷移の後に、放電電圧が低下しなければならないことを意味する。低強度電流準定常放電の場合の典型的な陽極−陰極間電位降下は約１０〜０．３ｋＶの範囲にあり、高強度電流放電の場合には約３００〜１０Ｖの範囲にある。
【００１４】
準定常放電がマグネトロンスパッタリング装置で実施される場合、第１領域では効果的な陰極スパッタリングが得られるが、スパッタリングガスおよび金属蒸気の電離率は低い。第２領域では逆の状態が生じ、スパッタリング速度は低いがスパッタリングガスの電離率は高い。したがって、交差場中で、低強度電流準定常放電単独、または高強度電流放電単独で、高度に電離した金属プラズマフラックスを発生することは不可能であるといえる。
【００１５】
ＥＸＢ放電を使用する装置は、過渡的な、すなわち非準定常的な領域で短時間動作することができる。この領域では、高電流放電の場合でも、放電電圧のアルヴェーン限界を克服することが可能である（前掲のB. Lehnertによる論文を参照）。高電流高電圧非準定常放電は、マグネトロンスパッタリング装置で発生し、マグネトロンスパッタリング用途のために非常に重要である。というのは、そのような放電は、マグネトロン磁気配置における完全に電離した不浸透性プラズマを得ることを可能にするからである。しかし、以下で示すように、過渡放電がマグネトロンスパッタリング装置において高強度電流放電または低強度電流放電のいずれかによって実施される場合、高度に電離した強力な金属プラズマフラックスを発生することは不可能である。
【００１６】
金属プラズマフラックスは、例えば１〜１００ｍＴｏｒｒという中程度の圧力および低密度プラズマを用いて原子をスパッタリングするマグネトロン配置において、低電流準定常ＥＸＢ放電によって生成することができる。この場合、プラズマは堆積容器に取り付けられたＲＦ誘導コイルによって生成される。誘導プラズマ中に生成される電子密度は約１０17〜１０18ｍ-3である。
【００１７】
このワークピース被覆方法は、磁性材料を堆積することおよび強力なイオン堆積により薄膜の特性を修飾することだけでなく、マイクロエレクトロニクス製造プロセスで遭遇する高アスペクト比のトレンチおよびビアの充填にとっても重要な意味を有する。J. Hopwood and F. Qian, "Mechanisms for highly ionized magnetron sputtering", J. Appl. Phys. 78(12), 15 July 1995, pp.758-765を参照されたい。
【００１８】
この金属プラズマ生成方法の欠点として、ＲＦ電離技法の複雑さと、低密度プラズマを生成するのに必要なスパッタリングガスの高い圧力とがある。スパッタリングガスの高い圧力が必要とされる理由は、低密度プラズマを生成するのに高いエネルギー消費が必要なためである。
【００１９】
交差場中の放電は、単純な技法によって、１０-11から１０2Ｔｏｒｒに至るまでの極めて広い動作圧力範囲内で実施可能である。１０-5Ｔｏｒｒまでの低圧マグネトロン放電は、自己スパッタリング現象のゆえに達成可能である。例えばS. Kadlec and J. Musil, "Low pressure magnetron sputtering and selfsputtering discharges", Vacuum, Vol.47, pp.307-311, 1996を参照されたい。このワークピース被覆方法は、堆積層の接着を向上させるための金属イオンによる表面のエッチングと、マイクロエレクトロニクス製造で遭遇する高アスペクト比のトレンチおよびビアの充填とにとって重要な意味を有する。
【００２０】
高密度プラズマを発生し高強度電流ＥＸＢ放電によってそれを維持するのに必要な電流は、陰極スポットが、そしてことによると陽極スポットもまた、冷電極表面で形成されるのに十分な大きさである。したがって、このような電極を有する装置は、スポーク状の方位角プラズマ不均一部分、すなわちアーク放電を形成する自然な傾向を有するはずである。B. A. Tozer, "Rotating Plasma", Proc. IEEE, Vol.112, 1965, pp.218-228を参照されたい。このような条件は、中性ガスバーンアウトのために大駆動電流が必要とされる放電の開始期間中に、すべてのタイプの装置で極めて顕著である。
【００２１】
冷電極および中性プラズマ現象を考慮して、プラズマスポーク形成の実験を以下のように要約することができる。
【００２２】
ａ．Homopolar III実験では、開始期間中、放電電流は、プラズマとともに回転する約１０〜１２個の狭い放射状スポーク（アーク）のセットに閉じ込められることが分かった。W. R. Baker, A. Bratenal, A. W. De Sliva, W. B. Kunkel, Proc. 4th Int. Conf. Ionization Phenomena in Gases 2, Uppsala 1959, North-Holland Publishing Comp., Amsterdam, p.1171、およびW. B. Kunkel, W. R. Baker, A. Bratenahl, K. Halbach, "Boundary Effects in Viscous Rotating Plasmas", Physics Fluids, Vol.6, 1963, pp.699-708を参照されたい。
【００２３】
ｂ．負の極性を有するLeatherhead Homopolar装置では、放電の初期破壊中に１つまたは２つのスポークが発生することが観測された。それらは間もなく不鮮明になり、速度が外向き動径方向に増大する螺旋を形成した。P. B. Barber, M. L. Pilcher, D. A. Swift, B. A. Tozer, C. r. de la VIe conference internationale sur les phenomenes d'ionization dans le gas 2, Paris, 1963, p.395を参照されたい。
【００２４】
ｃ．Kruisvuur I装置では、Ｅ／Ｂに近い速度で軸の周りに回転する単一の偏心構造が観測された。C. E. Rasmussen, E. P. Barbian, J. Kistemaker, "Ionization and current growth in an ExB discharge", Plasma Physics, Vol.11, 1969, pp.183-195を参照されたい。
【００２５】
上記および他の実験から、ほとんどの装置において、アーク形成は、高強度電流ＥＸＢ放電の開始期間と関係があることが明らかに確かめられる。
【００２６】
［発明の概要］
本発明の目的は、強力な、好ましくはガスもしくはガス−金属の、または最も好ましくは金属のプラズマ流の生成を可能にする方法および装置を提供することである。
【００２７】
そこで、本発明が解決しようとする課題は以下のものを含む。
１．交差場中で放電を生成する単純な技法により平面形マグネトロンスパッタリング陰極を用いて生成されるガスおよび金属蒸気の電離によって、強力な、好ましくはガスもしくはガス−金属の、または好ましくは金属のプラズマ流をいかにして生成するか。
２．収縮アーク放電を形成せずにこれらのプラズマ流をいかにして生成するか。
３．自己スパッタリング現象を用いて交差場中のパルス放電をいかにして提供するか。
【００２８】
そこで、一般にプラズマ流を生成する方法において、交差電磁場中の連続する低および高強度電流準定常および非準定常放電が使用される。「交差場」という用語は、本明細書では「交差電磁場」を意味する。プラズマを生成するために、このように放電の連続が使用される。すなわち、パルス放電が使用される。電流や電圧のような少なくとも最も重要な物理パラメータが実質的に一定であるか、またはほとんどの放電時間中にゆっくりと変動する場合、時間的に十分に分離した放電は準定常であると定義され、この条件が満たされない場合、非準定常であると定義される。プラズマ流生成手順は以下のステップを含み得る。
【００２９】
１．マグネトロン磁気配置において、金属蒸気生成のために低強度電流の高電圧放電が使用される。続いて、同じ磁気配置において、高強度電流の低または高電圧放電により蒸気の電離が得られる。第２の電離放電は、第１の放電の直後、またはある比較的短い時間遅延をおいて、開始される。パルスのパラメータおよび第２パルスの時間遅延は、スパッタリングされた蒸気塊の高い電離によって課される要求により規定される。
【００３０】
２．金属蒸気は、直流放電によって生成されること、すなわちパルス放電によらずに生成されることが可能である。この場合、金属蒸気は、放電が行われる磁気配置からの連続蒸気流を生成する。十分な周波数および駆動電流を有する電離パルスが後続する場合、変調された強度を有する連続金属プラズマ流を生成することが可能である。
【００３１】
以下の基本方式を使用することができる。
【００３２】
１．交差場中の低および高強度電流非準定常放電の組合せまたは連続が使用されるマグネトロン磁気配置において、プラズマを生成することができる。
【００３３】
２．低強度電流準定常放電を、高強度電流非準定常放電と組み合わせて、またはこの順序で行い、その放電が交差場中で行われるような、マグネトロン磁気配置において、プラズマを生成することができる。
【００３４】
３．交差場中の直流放電と高電流非準定常放電の組合せが使用されるマグネトロン磁気配置において、プラズマを生成することができる。
【００３５】
４．交差場中の低強度電流非準定常放電と高強度電流準定常放電の組合せが使用されるマグネトロン磁気配置において、プラズマを生成することができる。
【００３６】
５．交差場中の連続する低および高強度電流非準定常放電ならびに高強度電流準定常放電の組合せが使用されるマグネトロン磁気配置において、プラズマを生成することができる。
【００３７】
６．交差場中の高強度電流非準定常放電および高強度電流準定常放電の組合せが使用されるマグネトロン磁気配置において、プラズマを生成することができる。
【００３８】
マグネトロン磁気配置において行われる上記の交差電磁場中の放電の組合せは、好ましくはガスもしくはガスおよび金属のプラズマ流または最も好ましくは金属プラズマ流の生成を可能にする。準定常放電の場合、方法の選択は、さまざまな場合におけるスパッタリングおよび電離のための低および高電流強度放電のさまざまな効率に基づくことが可能である。
【００３９】
交差場中の放電は、上記のように、スポーク状の方位角プラズマ不均一部分、すなわちアーク放電を形成する自然な傾向を有する。マグネトロン型装置におけるＥＸＢ放電が収縮アーク放電に遷移する確率は、駆動電流の増大とともに増大する。低電流放電ではアークが起こることは非常にまれであり、放電電源における特に適応したアーク抑制方式によってアーク放電への遷移を防ぐことが可能である。高電流放電では、アーク放電が形成される確率が非常に高く、アーク形成を抑制する課題に対する同様の方式を用いた解決法は効率的でない。本明細書で説明するように、アーク抑制は、マグネトロン磁気配置のプラズマ閉じ込め特性と、放電間の時間とにアーク形成が依存するというこのたび発見された現象を用いて達成することができる。平衡マグネトロン磁気配置は、比較的低いプラズマ閉じ込め特性を有する。したがって、効率的なアーク抑制を達成するためには、高い強さを有する磁場を使用することが必要である。この場合、拡散により引き起こされるプラズマ損失は、古典拡散の場合にはＢ-2に従って、またはボーム拡散の場合にはＢ-1に従って減少する。ここでＢは磁場の強さである。平衡マグネトロン磁気配置の場合、効率的なアーク抑制を達成するためには、Ｂの動径成分の磁場の強さは約０．０７〜０．３Ｔである必要があることが分かった。ここで動径方向は、陰極すなわちターゲットのほぼ平坦な表面に平行な方向にとる。不平衡およびカスプ形磁気配置は、改善されたプラズマ閉じ込め特性を有する。したがって、効果的なアーク抑制のためには、磁場の強さは０．０４〜０．３Ｔであれば十分である。
【００４０】
磁気配置のプラズマ閉じ込め特性は、陰極の空間で使用される動作圧力の下限に強く影響を及ぼす。プラズマ閉じ込め特性を改善するためには、ＥＸＢ放電の動作圧力を低下させるべきことが分かった。ある一定の動作周波数に対しては、放電を開始させるためにのみ、あるガス雰囲気が必要とされる。開始期間後は、前のパルスから残っている残留プラズマ密度によって放電を開始させることが可能である。この場合、自己スパッタリング現象を使用することによって金属蒸気が生成され、磁気トラップ中のプラズマは主としてターゲット材料のイオンを含む。磁気トラップからのプラズマ流も同様に、好ましくはターゲット材料のイオンを含む。
【００４１】
一般的に、本明細書に記載の方法の主要な概念は、安定で強力なプラズマ流を発生するために、改善されたプラズマ閉じ込め特性を有する磁気配置を、低および高強度電流の準定常放電および非準定常放電またはＤＣおよび高強度電流放電と組み合わせることであるといえる。低および高強度電流の準定常放電および非準定常放電は、磁気トラップのプラズマ閉じ込め特性に依存する最小臨界値を超える反復周波数で交互に生成される。ＤＣスパッタリング放電の場合、高い電離率のガスおよび金属蒸気が、電離放電の周期的反復によって生成される。
【００４２】
本明細書に記載の方法および装置は、上記の「回転プラズマ法」および「二次電子法」の両方で使用することができる。
【００４３】
本発明のさらなる目的および利点は以下の説明に記載され、部分的にはその説明から明らかとなるか、または本発明の実施によって知られるであろう。本発明の目的および利点は、添付の特許請求の範囲に具体的に指摘される方法、プロセス、手段および組合せによって実現され得られるであろう。
【００４４】
本発明の新規な特徴は添付の特許請求の範囲に具体的に記載されるが、本発明の編成および内容の両方に関する完全な理解と、本発明の上記および他の特徴の完全な理解は、以下に提示する非限定的な実施形態の下記の詳細な説明を、添付の図面を参照して考慮することにより得られるであろうし、それにより本発明はより良く認識されるであろう。
【００４５】
［詳細な説明］
０．１Ｔまでの磁場の強さのために従来技術で好ましく使用されるマグネトロンスパッタリング陰極の磁気配置が図１ｂ〜１ｆに例示されている。例えば、図１ｂには平衡マグネトロン磁気配置が示されているのに対して、図１ａおよび１ｃには不平衡マグネトロン磁気配置が示されている。磁場配置の変化は、ここではマグネトロン源における永久磁石の配置を変化させることによって行われている。
【００４６】
例えば、図１ａの概略図には、第１型の不平衡マグネトロン磁気配置が例示されている。マグネトロンスパッタリング陰極１は、スパッタリングすべき材料のほぼ平坦な塊であり、円形ディスクまたは方形平板の形状を有し得る。陰極の後面または底面には、外側磁石２および中央磁石３を備える永久磁石アセンブリが示されている。中央磁石は陰極の後側の中央に配置され、外側磁石は陰極の後側の端に配置される。矢印付きの線は磁力線の方向を示す。中央永久磁石３の強さは外側磁石２の強さより大きいように選択され、一般に磁石のＮ極からＳ極へ向かう磁力線４のうち、一部の磁力線が中央永久磁石の極間にのみ延びるようにされる。
【００４７】
図１ｂの平衡マグネトロン磁気配置の図では、これが図１ａのマグネトロン配置と実質的に同じ構成を有することが分かる。しかし、中央磁石の強さは、外側磁石の強さと等しいように選択され、実質的にすべての磁力線が中央磁石３の極と外側磁石２の極の間に延びるようにされる。図中、影付き領域はプラズマ閉じ込め領域であり、放電のパワー散逸が起こる領域でもある。
【００４８】
図１ｃの概略図には、第２型の不平衡マグネトロン磁気配置の図が示されている。この図では、永久磁石の強さはさらに別の形で選択されている。ここでは、一部の力線は外側磁石の極間に延び、中央磁石を始端または終端とする力線はその他端がすべて外側磁石にある。
【００４９】
図１ａおよび１ｃに示すような不平衡配置はそれぞれＩ型またはＩＩ型として分類される。B. Window and N. Savvides, "Charged particle fluxes from planar magnetron sputtering sources", J. Vac. Sci. Technol., A 4(2), 1986, pp.196-202を参照されたい。
【００５０】
さまざまな磁気配置を達成するための代替法として、外部の、好ましくはトロイダル形の、磁気コイルを使用することがある。I. Ivanov, P. Kazansky, L. Hultman, I. Petrov, and J-E. Sundgren, "Influence of an external axial magnetic field on the plasma characteristics and deposition conditions during direct current planar magnetron sputtering", J. Vac. Sci. Technol., A 12(2), 1994, pp.314-320を参照されたい。例えば、図１ｄ、１ｅおよび１ｆの図では、ターゲット１の後方に配置された永久磁石２、３およびターゲットの前方に配置された電磁コイル５によって作り出される磁気配置が示されている。図１ｄおよび１ｅで、コイルの直径はターゲットの直径より大きい。矢印は磁場の方向を示す。図１ｆにはカスプ形磁気配置が示されている。この配置では、コイル５の直径はターゲットおよび外側磁石の直径より小さい。電磁コイル５の高さ、すなわち陰極１の平面に垂直な方向のその広がりはｂcoilであり、内径はＤcoilである。ｈおよびＤは概ねプラズマ閉じ込め領域の高さおよび直径であり、この領域で放電のパワー散逸が起こる。プラズマ閉じ込め領域の形状は概ね、平面形円形陰極１の場合には直径がＤで高さがｈの円柱とみなすことができ、平面形方形陰極の場合には直方体とみなすことができる。後者の場合、Ｄは陰極の最小寸法および直方体の底面の最小寸法であり、ｈは直方体の高さである。
【００５１】
コイル５内の電流の方向に依存して、その場は、図１ｄおよび１ｅに例示されるように、永久磁石の外側極２または中央極３のいずれかを補助するために使用することができる。この技法は、プラズマ閉じ込め領域内に約１０16ｍ-3のプラズマ密度を提供し、陰極または基板におけるイオンフラックスを１桁より大きく変化させる手段を提供する。しかし依然として電離率は１０％より小さい。したがって、磁場の強さおよびその幾何形状のみの変化では、高い等価電流を有する金属プラズマ源として作用するスパッタリングマグネトロン陰極を与えることができない。
【００５２】
図１ｆのカスプ形磁気配置は、１０Ｈｚより小さい低周波の周期パルスにより発生される高電流準定常放電によって高密度のプラズマを生成するために使用されている。電流が逆向きの２つの軸対称電磁コイルがカスプ形磁気配置を作り出した（前掲のD. V. Mozgrin et al.による論文を参照）。
【００５３】
以下、図１ｆに例示されるような永久磁石および電磁コイルにより作り出されるカスプ形磁場を含む配置を考える。その場合、電磁コイル５は距離ｈ＝ａＤに配置される。ｈはスパッタリングマグネトロン陰極１の露出した前面からのプラズマ閉じ込め領域の高さでもあり、ａは０．１〜１の範囲の値を有する係数であり、Ｄは上記の通り閉じ込め領域の直径であり、したがって、陰極の形状が円形の場合には陰極の直径であり、その形状が方形平面形の場合には陰極の最小寸法に等しい。その形状が円形の場合、電磁コイル５の内側寸法はＤcoil＝ｂＤである。ここでｂは０．４〜１．４の範囲の値を有する係数であり、Ｄcoilは内径である。その形状が方形の場合、コイルの内側寸法はＤcoilおよびＨである。ここでＤcoil＝ｂＤであり、Ｄcoilはコイルの最小内側寸法であり、ｂは０．４〜１．４の範囲の値を有する係数である。電磁コイル５の高さｂcoilはｂcoil＝ｃＤに等しい。ここでｃは０．３〜３の範囲の値を有する係数である。
【００５４】
回転磁石を有するマグネトロンに典型的な磁気配置が図１ｇに例示されている。Richard A. Demaray et al.に対する米国特許第５，２５２，１９４号も参照されたい。永久磁石２′は、図示のように陰極１のスパッタリング表面に配置される。磁石アセンブリ２′は、陰極の後面に平行に、陰極の中心の周りに回転する。磁力線の配置は図１ｈの通りである。この配置は特性寸法Ｄを有する。
【００５５】
一般的に、本明細書に記載の方法では、図１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｆおよび１ｇに例示される種類の磁気配置を使用することができる。しかし、以下で論じる方法では、図１ｃに例示されるような不平衡マグネトロン配置を含む配置を考えるのが好ましい。
【００５６】
図１ｂに示すような平衡スパッタリングマグネトロン装置で発生される準定常放電は、低電流放電の場合に陰極スパッタリングは効率的であるがスパッタリングガスおよび金属蒸気の電離率が低いこと、または高電流放電の場合にスパッタリングガスおよび金属蒸気の電離効率が非常に高いことを特徴とする。よって、交差場中で低または高電流準定常放電を使用すると、強力で高度に電離した金属プラズマフラックスを発生することは不可能であるといえる。
【００５７】
低直流マグネトロン放電の場合にプラズマフラックスを増大させる従来の方法は、好ましくは、マグネトロン磁気配置のプラズマ閉じ込め特性の改善に基づいている。これらの方法は明らかである。というのは、プラズマの電離効率は概ね電子密度に依存するからである。プラズマ閉じ込めは、磁場の強さを増大させることによって、および／または磁場配置の変化によって、改善することができる。
【００５８】
図２ａおよび２ｂの図に、低強度電流領域から高強度電流領域への遷移を示す。図２ａの図は、準定常放電の場合に、電圧を放電電流の関数として示している。遷移電流Ｉtransitionは、高電圧初期放電が低電圧放電に継続する時の放電すなわち駆動電流値に対応する。プラズマ密度が、ほぼ等方的で等しいイオンおよび電子温度を確立するほど十分に高い時（これは駆動電流が十分に高い場合に達成される）、磁場Ｂに平行な電場の成分Ｅ‖はその横成分Ｅtrと比較して小さくなる。その時プラズマは、角速度が磁力線に沿って一様になるという等回転則に従い、プラズマが全体として回転する（いわゆる回転プラズマ）。前掲のB. Lehnertによる論文を参照されたい。低いプラズマ密度の場合、すなわち低い駆動電流の場合、縦方向電場Ｅ‖を無視することができず等回転則が当てはまらない準定常放電も存在する。最近のシステムは、直流放電で動作するマグネトロンスパッタリング陰極だけでなくペニングセル(Penning cell)を含む。等回転現象は、低強度電流と高強度電流の準定常放電間の境界を規定する。実際的には、低電流放電から高電流放電への遷移の結果として、アルヴェーン限界に対応する値まで放電電圧が降下する。
【００５９】
図２ｂの図中の実線および破線は、非準定常放電の場合に駆動電流の関数として金属堆積速度およびガスプラズマフラックス強度をそれぞれ示している。低強度電流範囲では、すなわち最初の２つの領域ＩおよびＩＩでは、駆動電流が増大すると、堆積速度は領域Ｉでまず増大し、続いて領域ＩＩで一定になる。高強度電流範囲では、すなわち領域ＩＩＩおよびＩＶでは、駆動電流が増大すると、堆積速度は領域ＩＩＩでまず減少し、続いて領域ＩＶで一定になる。非準定常放電の場合、堆積速度のこの挙動は、マグネトロン磁気配置における放電すなわち駆動電流の強度に対して、ガスおよび金属プラズマ生成の強度が異なる依存性を持つというこのたび発見された現象によって説明することができる。放電電流の強度が増大すると、金属プラズマ生成の強度は最初にある一定レベルまで増大した後に強く減少することが分かる。図２ｂの図の実線を参照されたい。放電電流の強度が増大すると、ガスプラズマフラックスの強度は常に増大する。
【００６０】
この現象は、放電駆動電流に由来する高強度イオンによって陰極を衝撃することにより陰極から放出される二次電子の高強度電流の発生現象によって説明することができる。高い陰極電圧降下まで加速される二次電子は、電子と中性粒子の間の衝突によって、ならびに陰極付近のガスおよびスパッタリングされた蒸気の不安定化現象によって、ガスおよび蒸気を効率的に電離する。その結果、動力学型のプラズマ不安定性が励起され、それがさらに有効衝突頻度を強く増大させることにより、大部分のプラズマ電子を効果的に加熱する。P. Gopalraja and J. Foster, "Nonlinear wave interaction in a magnetron plasma", Applied Physics Letters, Vol.77, No.22, Nov. 2000, pp.3526-3528によれば、高エネルギー二次電子の強力なビームがビームープラズマ型不安定性を駆動する可能性がある。
【００６１】
陰極付近の高い電子密度および電子の高い温度の両方の結果として、陰極電圧降下領域で効率的な蒸気電離の現象が起こる。陰極電圧降下領域で電離されるために、ガスおよび金属イオンがその領域に存在する電場によって陰極表面に戻される。これが自己スパッタリング現象である。その結果、放電駆動電流がある一定の値を超えると、堆積速度の鋭い低下が起こる。この値は図２ｂでは電流Ｉtransitionの線として示されている。この現象は、スパッタリング収量の低い金属から製造された陰極の場合には極めて明らかである。陰極電圧降下領域の反対側には、スパッタリングおよび／または反応ガスが存在する。これらのガスは、同じ現象により極めて効率的に電離される。例えば、直径１５０ｍｍのチタン製円形平面形マグネトロンスパッタリング陰極を、以下のパラメータに対して非準定常領域で動作させる：放電電流１４００Ａ、放電電圧５００〜６００Ｖ。その場合、堆積速度はおよそゼロであり、Ａｒ+電流のＴｉ+電流に対する比は１：１００００である。この現象は、ＰＶＤだけでなくＣＶＤ用途にも非常に有望なガスプラズマ源として、またはガス−金属プラズマ源として、または金属プラズマ源として動作するプラズマ源の設計を可能にする。
【００６２】
マグネトロンスパッタリング陰極が、交差場中の高強度電流非準定常放電の領域または高強度電流非準定常放電と高強度電流準定常放電の組合せの領域のみで動作する場合、陰極金属のプラズマの汚染の低いガスプラズマを好ましく生成する。このような放電が低強度電流放電と組み合わせて使用される場合、システムはガス−金属または金属プラズマ源として動作する。というのは、低電流放電は、電荷分離層の上のマグネトロン磁気配置の領域が金属蒸気で満たされることを可能にするからである。この蒸気は、高電流放電によってガスとともに電離される。明らかに、ガス−金属または金属プラズマ源として適切に動作するシステムは、連続するパルスの特定のタイミングおよびパルス持続時間の特定の選択を必要とする。すなわち、気化パルスの持続時間は、エネルギー散逸が起こるマグネトロン磁気配置を蒸気塊が横切る飛行時間より大きくてはならない。
【００６３】
低電流と高電流の非準定常放電間の境界は次のように指定することができる。低強度放電電流は、放電電流が増大する場合に、マグネトロンスパッタリング陰極の金属によって提供される堆積速度が常に増大しているか、またはほぼ一定であるような領域に対応する。図２ｂの図の領域ＩおよびＩＩをそれぞれ参照されたい。高強度放電電流は、放電電流が増大する場合に、マグネトロンスパッタリング陰極の金属によって提供される堆積速度が常に減少しているか、またはほぼ一定であるような領域に対応する。図２ｂの図の領域ＩＩＩおよびＩＶを参照されたい。放電のパワーがバーンアウトパワーを超え（前掲のB. Lehnertによる論文および国際特許出願公開ＷＯ９８／４０５３２を参照）、対応する駆動電流がバーンアウト電流を超える場合、準定常および非準定常放電は両方とも低強度電流放電から高強度電流放電への遷移を有する。図２ａおよび２ｂの図中のＩtransitionの線を参照されたい。また、Karol Macak, Vladimir Kouznetsov, Jochen Schneider, Ulf Helmersson, Ivan Petrov: "Ionized sputter deposition using an extremely high plasma density pulsed magnetron discharge", J. Vac. Sci. Technol., A 18(4), Jul/Aug 2000, pp.1533-1537も参考になる。
【００６４】
マグネトロンスパッタリング陰極装置において交差電磁場中で行われる放電の場合、バーンアウト電流を計算するには、プラズマ乱流化現象を考慮に入れなければならない。低レベルのプラズマ乱流化は、低強度放電電流において既に得られている可能性がある（図２ｂの領域ＩＩ、および領域ＩＩに近い領域Ｉの部分）が、その結果、スパッタリングされた蒸気の電離率は低レベルで１０％より小さいことに注意する必要がある。この技術は既に、Applied Materialsから市販されているＳＩＰ（自己電離プラズマ）堆積源で実際に使用されている。インターネット文書、Barry L. Chin, G. Yao, P. Ding, J. Fu and L. Chen, "Barrier and Seed Technologies for Sub-0.10 μm Copper Chips", Semiconductor International, May 2001, http://www.semiconductor.net/semiconductor/issues/2001/200105/04six0105m..を参照されたい。
【００６５】
本明細書に記載の方法および装置の利点は、特に、高度に電離した、完全電離にまで及ぶ金属プラズマ流を生成する可能性にある。
【００６６】
図３ａおよび３ｂの図には、交差場中のスパッタリングおよび電離放電を高い効率で達成するために、陰極１と、一般にスパッタリング容器の壁を含む陽極（図示せず）との間に印加されるパルスの電流および電圧が時間の関数として例示されている。それらの図において、Ｉは放電すなわち駆動電流であり、Ｕは放電電圧である。パルスは、スパッタリング放電を達成するための高電圧Ｕ1および低電流Ｉ1を有する第１の長い時間間隔と、それに続いて電離放電が発生される第２の時間間隔を含む。第２間隔は第１間隔よりかなり短い。第２間隔では、印加電圧Ｕ2は低く電流Ｉ2は高い。ｔ1はスパッタリング放電間隔の開始時刻であり、ｔ2はスパッタリング放電間隔が終了する時刻である。ｔ3は電離放電が開始する時刻であり、ここではｔ2に等しい。ｔ4は電離放電期間が終了する時刻である。ｔ2は、スパッタリングされた蒸気塊の前面がパワー散逸領域の境界に到達する時刻でもある。
【００６７】
図４は、パルスがパルス反復周期Ｔでどのように反復されるかを概略的に示す、時間の関数としてのパルス電流の図である。
【００６８】
図５は図４と同様の図であるが、図５では、第２実施形態により、スパッタリングおよび電離放電の時間間隔は、電圧が印加されない長さΔ＝（ｔ3−ｔ2）の短い時間間隔だけ隔てられている。
【００６９】
図６ａ、６ｂは、第３実施形態によりパルスをどのように印加することができるかを例示する、時間の関数としての電流の図である。図６ａの図では、スパッタリング放電を達成するために使用される定電流ＩDCが示されている。この定電流は、図６ｂに示すようなパルス電離放電と組み合わされる。電離放電パルス期間中の駆動電流Ｉ2は定電流よりもかなり高い。ｔ3は電離放電間隔が始まる開始時刻であり、ｔ4は電離放電が終了する時刻である。
【００７０】
図７ａは、プラズマ閉じ込め領域における導電率σおよびプラズマ密度ｎを時間の関数として示す図である。駆動電流パルスは、図７ｂの図に時間の関数として示されている。金属蒸気によるプラズマ閉じ込め領域の充填は、ＤＣ放電によって（図６ａ、６ｂ参照）、または図３ａ、３ｂ、４および５のようにパルス低電流放電によって、生成することができる。図７ａで、σmaxおよびｎmaxはそれぞれ、電離放電により生成されるプラズマ閉じ込め領域における放電ギャップの極大導電率およびプラズマ密度であり、σminおよびｎminはそれぞれ、スパッタリングガスが存在せずにスパッタリングマグネトロン放電を開始することができる場合の極小導電率およびプラズマ密度である。Ｔmaxは、スパッタリングガスなしでスパッタリングマグネトロン放電を開始することが可能な電離パルス間の極大時間である。
【００７１】
図１ａ〜１ｇに関連して説明した磁気配置のテストにおいて、以下のことが分かった。
【００７２】
１．プラズマ閉じ込め特性を規定する磁場の強さおよび幾何形状は、低電流ＥＸＢ放電から高電流ＥＸＢ放電への、またはことによると収縮アーク放電への遷移に強く影響を及ぼす。低および高電流準定常放電における収縮アーク形成のない安定な動作のために有用な、したがってここで好ましい配置は、上記で示したような図１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｆおよび１ｇに概略的に例示される配置である。
【００７３】
２．収縮アークのようなプラズマ不均一部分は、プラズマ損失の大きい、すなわち閉じ込め特性の低いシステムにおける準定常保持モードの期間中に優勢である。
【００７４】
３．収縮アーク形成過程は、交差場中の電離高電流放電の開始期間における磁気トラップ中の初期プラズマ密度に依存する。
【００７５】
４．交差場中の放電をマグネトロンスパッタリング陰極に応用するために非常な重要な現象として、陰極スポットの形成がある。陰極スポットは、陰極からの電子の電界放出が熱電放出で置き換えられる場合に形成され、その結果、爆発的な電子放出および陰極表面上の先鋭な不均一部分における陰極金属から高密度プラズマ塊への変換があるということが周知の事実である。このようなプラズマ塊はプラズマ不均一部分を形成して、集中したアーク形成の中心となる。明らかに、爆発的電子放出の確率を減少させるためには、陰極表面から先鋭な不均一部分を除去することが必要である。直流の低強度準定常および低強度非準定常放電が効率的な陰極表面研磨方法であるのに対して、高電流強度準定常および非準定常放電が非常に効率的な陰極表面粗面化方法であることが分かった。したがって、高電流強度の準定常、および特に非準定常放電のみがプラズマ生成のために使用される場合、集中した陰極アークの形成が、堆積過程の持続時間とともに増大する。二重パルス放電または印加される直流すなわち低電流と高電流パルス放電の組合せが使用される場合、集中した陰極アークの形成が強く抑制される。したがって、プラズマ駆動電源に組み込まれた好適に選択されるアーク抑制方式によって、収縮アーク放電を抑制することができる。
【００７６】
上記の現象は、高電流放電中のアーク放電の形成を避けるためには、放電ギャップの初期導電率が十分な状態で高電流放電を開始する必要があることを示している。これは、放電の開始期間に磁気トラップ中に十分なプラズマ密度を有し（図７参照）、放電中に低いプラズマ損失を維持することによって、達成することができる。
【００７７】
アーク形成を避けるために使用される放電装置の電気、磁気および時間パラメータに関して、以下のパラメータ値を使用することが必要であることが分かった。
【００７８】
ａ．平衡型のマグネトロン磁気配置（図１ｂ参照）では、陰極のスパッタリング表面において、磁場の動径方向の強さの最大が０．０７〜０．３Ｔでなければならない。動径方向は、ターゲットすなわち陰極の前面の平面に平行にとる。
【００７９】
ｂ．不平衡型のマグネトロン磁気配置（図１ｃおよび１ｄ参照）では、陰極のスパッタリング表面において、磁場の動径方向の強さの最大が０．０４〜０．３Ｔでなければならない。
【００８０】
ｃ．カスプ形軸対称磁気配置（図１ｆ参照）では、陰極のスパッタリング表面において、磁場の動径方向の強さの最大が０．０４〜０．３Ｔでなければならない。使用されるカスプ形磁気配置は、永久磁石システムによって生成される平衡マグネトロン磁場を、比較的小さい直径を有するトロイダル電磁コイルからの磁場と組み合わせることによって作り出される。
【００８１】
ｄ．低および高電流放電は、周期的に反復され、時間的に交互に行われなければならない。パルス反復周波数ｆは１００Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度であり、特に０．５〜２ｋＨｚの周波数である。ここで、ｆ＝１／Ｔであり、Ｔはパルスの反復周期である。
【００８２】
反復周波数ｆが２０Ｈｚより小さい場合、外部予備電離がなければ低および高電流パルス周期的放電の点火を達成することができないことが分かった。外部予備電離がないと、放電はランダムに発生し、収縮アーク放電の形で現れる。２０〜１００Ｈｚの領域では、放電ギャップの残留導電率のゆえに、外部予備電離なしで放電を周期的に点火することができる。残留導電率は、前のパルスから磁気配置に残存する残留プラズマによって引き起こされる。パルス反復周波数が２０〜１００Ｈｚの値を有する場合、前のパルスから磁気配置に残存するプラズマは低密度を有し、アーク放電の形成が、特に高電流放電の場合には高い確率を有する。このことは、上記のパラグラフａ、ｂ、ｃで言及したすべての磁場パラメータについて当てはまる。磁場の強さが０．０３Ｔより小さい場合、高電流準定常放電は全く開始させることができない。
【００８３】
パルス反復周波数が１００Ｈｚより大きい場合、上記のパラグラフａ、ｂ、ｃで述べたことに従って磁場パラメータが選択されれば、低および高電流パルス周期的放電は安定な無アーク動作を行う。
【００８４】
パルス反復周波数は、自己スパッタリング領域を達成するための決定的要因である。Ａｒのようなスパッタリングガスが存在する場合の自己スパッタリング領域は、１００Ｈｚよりやや高い周波数で既に達成することができる。これはアルゴン補助自己スパッタリング領域である。スパッタリングガスがなければ、自己スパッタリング領域は５００Ｈｚより高い周波数に現れる。
【００８５】
開始期間後に、前のパルスから残存する残留プラズマ密度において低および高電流ＥＸＢ放電を開始することが可能である。この場合、金属蒸気が自己スパッタリング現象によって生成され、磁気トラップを充填するプラズマは主としてターゲット金属のイオンを含む。磁気トラップからのプラズマ流も、好ましくは同様にターゲット金属のイオンを含む。低および高電流放電を、交互に、または一般的にはＤＣ放電とその後の高電流放電により使用する場合（図３ａ〜７参照）、かつ上記のパラグラフａ〜ｄで言及した条件が満たされる場合には、いかなる種類の陰極材料に対しても自己スパッタリング現象を生成させることができる。自己スパッタリング領域は、堆積層の接着を向上させるための金属イオンによるワークピース表面の方向性エッチングまたはクリーニングのような用途のために、またはマイクロエレクトロニクス製造で遭遇する高アスペクト比のトレンチおよびビアを充填するために、非常に重要である。
【００８６】
図７ａの図には、自己スパッタリング現象が例示されている。電流強度Ｉ1の低電流放電が、陰極付近の磁気トラップを金属蒸気により充填する。低電流放電によるガスおよび金属蒸気の電離度は、高電流放電の場合に比べて無視できるので、図７ａにはプロットされていない。高電流放電は蒸気およびスパッタリングガスを電離する。プラズマ密度は、ｔ2、ｔ3からｔ4までの期間中に値ｎminから値ｎmaxまで増大する。これに対応して放電ギャップの導電率は値σminから値σmaxまで増大する。高電流放電の終了時刻ｔ4の後、プラズマ減衰期間が開始する。その結果、放電ギャップの導電率はσminまで低下する。パラメータが上記のパラグラフａ〜ｄに示したパラメータの範囲内にある場合には、値ｎminおよびσminは、パルス反復周期Ｔ、ｎmaxおよび磁気配置の（すなわち磁気トラップの）プラズマ閉じ込め特性に依存する。図７に示される領域は、振幅Ｉ1の低電流放電によって生成される金属蒸気で磁気トラップを充填することによってのみ達成することができる。この場合、ガスの存在は、放電を開始するためだけに必要である。
【００８７】
マグネトロンスパッタリングを使用して金属蒸気を生成した後、生成された蒸気を交差場中のパルス放電により電離することによる金属プラズマ生成を含む、本明細書に記載の方法は、上記のＲＦ法といくつかの類似点を有する。前者の方法では、例えば１〜１００ｍＴｏｒｒという中程度の圧力で原子をスパッタリングして低密度プラズマを生成するために、金属プラズマフラックスが、マグネトロン磁気配置において低電流定常ＥＸＢ放電によって生成される。その場合、プラズマは堆積容器内に取り付けられたＲＦ誘導コイルによって生成される。誘導プラズマ中に生成される電子密度は１０17〜１０18ｍ-3の範囲である。金属プラズマ生成のＲＦ法の欠点としては、ＲＦ電離技法の複雑さと、スパッタリングガスに高い圧力が必要とされることがある。このスパッタリングガスは、低密度プラズマを生成するためにも同様に使用される。
【００８８】
トラップ寸法および金属蒸気膨張速度は、磁気トラップを金属蒸気で充填するために必要な時間を規定する。特徴的な金属蒸気膨張速度は、スパッタリングされた原子のエネルギー分布から得ることができる。線形衝突カスケード理論によるスパッタリングされた原子のエネルギー分布はトンプソン(Thompson)の公式によって記述される。これはもともとはｋｅＶレンジのエネルギーに対して導出されたものである。その後の実験により、この公式はｅＶレンジまで正しいことが確認された。H. Oechsner, "Energieverteilungen bei der Festkorperzerstaubung durch Ionenbeschuss", Zeitschrift fur Physik A, No.238, 1970, pp.433-451を参照されたい。さまざまな金属に対して、特徴的な金属蒸気特性膨張速度は１０3〜３・１０3ｍ／ｓの程度である。
【００８９】
さらに、磁気トラップすなわち閉じ込め領域の特性高さｈ（図１ｃ、１ｆ参照）は、平面形円形幾何形状の場合はターゲット直径Ｄ、または方形陰極の短辺Ｄの程度とすべきである。寸法Ｄおよびｈは、磁気トラップ内のパワー散逸体積を規定する。
【００９０】
実際には、低電流放電の場合のパルスの第１期間の持続時間（ｔ2−ｔ1）は、磁気トラップ内のパワー散逸体積を金属蒸気により充填する時間に等しい。その持続時間はβ1Ｄとすべきである。ここで定数β1はμｓ／ｃｍの単位で測られ、０．１〜３μｓ／ｃｍの範囲の値を有し、Ｄはｃｍの単位で測られる。パルスの高電流放電の期間の持続時間（ｔ4−ｔ3）も同様に寸法Ｄおよびｈに依存し、値β2Ｄを有する。ここで定数β2はμｓ／ｃｍの単位で測られ、０．１〜１μｓ／ｃｍの範囲の値を有し、Ｄはｃｍの単位で測られる。
【００９１】
図３ａ、４および７ｂの図に示されるように、高電流放電のパルスの第２期間は、低電流放電のパルスの第１期間のちょうど直後に続くことが可能である。このような第２期間は、図５の図に示されるように、先行する第１期間が終了してからある時間Δ＝（ｔ3−ｔ2）の後に開始することも可能である。この遅延時間Δの値は、金属蒸気塊に必要とされる電離率に依存し、Δ＝ｃＤの程度である。ここでｃはｓ／ｃｍの単位で測られる定数であり、５・１０-8〜１０-6ｓ／ｃｍの範囲の値を有し、Ｄは上記と同様ｃｍの単位で測られる。
【００９２】
２つの異なる電流レベルを有するパルスを含む上記のような方法を用いた金属プラズマの生成は、ＤＣ放電により金属蒸気流を連続的に生成するとともにパルス高電流電離準定常放電を行うことによっても達成可能である（図６ａ、６ｂの図を参照）。この場合、パルス放電の反復周期Ｔは、金属蒸気の膨張速度および磁気トラップの寸法によって規定される。高電流放電の反復周期は、上記で定義した低電流パルス持続時間β1Ｄ（ここで定数β1はμｓ／ｃｍの単位で測られ、０．１〜３μｓ／ｃｍの範囲の値を有する）と、上記で定義した高電流放電パルス持続時間β2Ｄ（ここで定数β2はμｓ／ｃｍの単位で測られ、０．１〜１μｓ／ｃｍの範囲の値を有する）との和に等しい。
【００９３】
図３ａ〜７の図から分かるように、放電は、好ましくは、各パルスまたはパルス部分において、電流が時間の関数として方形形状を有するように生成される。
【００９４】
さらに、放電は、好ましくは、図３ａ〜５に示されるパルスの場合、第１期間において、陽極と陰極の間の駆動電流がμ1Ｓであるように生成される。ここでμ1はＡ／ｃｍ2の単位で測られる定数であり、０．１〜１Ａ／ｃｍ2の範囲の値を有し、Ｓはｃｍ2の単位で測られる陰極の活性表面の面積である。また、放電は、好ましくは、図３ａ〜５に示されるパルスの場合の第２期間において、および図６ｂに示される高電流パルスにおいて、陽極と陰極の間の駆動電流がμ2Ｓであるように生成される。ここでμ2はＡ／ｃｍ2の単位で測られる定数であり、１〜１０Ａ／ｃｍ2の範囲の値を有し、Ｓはｃｍ2の単位で測られる陰極の活性表面の面積である。
【００９５】
回転磁石を含むマグネトロンについては別個に考えなければならない。低および高電流パルスの必要な値を計算するために、固定磁石に対する陰極のスパッタリング領域を選択しなければならない。スパッタリング領域はｃｍ2の単位で測られる。低および高電流パルスに対する係数は、基本配置として選択される図１ｃの概略図によるマグネトロン配置に対する係数に等しい。パルス持続時間を計算するためには、特性寸法Ｄ（図１ｈ参照）を、永久磁石内部のＮ−Ｓ方向に一致する方向の固定磁石に対するスパッタリング領域の寸法としなければならない。
【００９６】
放電が行われる容器内で、スパッタリングガスおよび反応ガスの混合物は、好ましくは１０-10〜１０-2Ｔｏｒｒの圧力で存在すればよい。
【００９７】
図８ａ、８ｂおよび８ｃに、上記の方法に従って金属蒸気およびその電離を生成する装置の電気回路図を示す。好ましくはガスもしくはガス−金属または好ましくは金属プラズマの生成方法を実行する装置は、以下の４つの主要部分を含む（図８ａ〜８ｂ参照）。
１．マグネトロンスパッタリング陰極１すなわちＣ。
２．陰極のスパッタリングを達成するためのパルス電源またはＤＣ電源。
３．ガスおよび金属蒸気の電離用のパルス電源。
４．電源の動作の調整用のタイマ。
【００９８】
マグネトロンスパッタリング陰極１、Ｃは、上記のように、平衡型もしくは不平衡型であるか、または平衡磁気配置を有する陰極と追加磁場を生成する電磁コイルとの組合せである。ＤＣ電源は磁気コイル５を駆動する。統合された磁場は、不平衡またはカスプ形配置である（図１ｄおよび１ｆを参照）。マグネトロン磁気配置が平衡型である場合、陰極のスパッタリング表面における磁場の動径成分の最大値は０．０７〜０．３Ｔの範囲にある。不平衡マグネトロン磁気配置が使用される場合、陰極のスパッタリング表面における磁場の動径成分の最大値は０．０４〜０．３Ｔの範囲にある。カスプ形軸対称磁気配置が使用される場合、陰極のスパッタリング表面における磁場の動径成分の最大値は０．０４〜０．３Ｔの範囲にある。
【００９９】
図８ａには、互いに並列に接続されるとともに放電装置すなわちマグネトロンスパッタリング陰極１、Ｃおよび陽極Ａに接続された２つのパルス電源を有する電気回路の図が示されている。放電の陽極は、真空容器の壁（その場合、その壁はグラウンドに接続される）であることも、特別に設計された陽極（これは、グラウンドとは異なる電位を有していても、グラウンド電位を有していてもよい）であることも可能である。第１電源ＰＳ−１は、ターゲットをスパッタリングするためのパルス、すなわち放電の低電流部分を生成する。第２電源ＰＳ−２は、スパッタリングされた金属蒸気ならびにスパッタリングガスおよび反応ガスの電離のためのパルス、すなわち放電の高電流部分を生成する。タイマ１１は、二重のトリガパルスを生成する。トリガパルス間の時間間隔およびその反復周波数は可変である。ＲACは放電ギャップの、すなわち陽極Ａと陰極１、Ｃの間の経路の特性インピーダンスである。
【０１００】
図８ｂの回路図には、代わりに、可変インピーダンスを有するただ１つのパルス電源を備えるシステムが示されている。タイマ１１は上記のような二重トリガパルスを生成する。
【０１０１】
図８ｃに、ＤＣ電源と組み合わせて１つのパルス電源を有するシステムの電気配線を示す。ここでタイマは、可変反復周波数を有するただ１つのトリガパルスを生成する。
【０１０２】
図９に例示されている詳細な回路は図８ａに示したものに対応する。この回路は、互いに並列に接続された２つのパルス電源ＰＳ−１、ＰＳ−２を備え、各電源はＣＬ回路またはＣＬ発振器に基づく。各電源は、充電器回路１３と並列に接続されたキャパシタＣ1、Ｃ2と、ダイオードＤ1、Ｄ2を備える。キャパシタの一方の端子はインダクタンスＬ1、Ｌ2およびスイッチＴ1、Ｔ2を通じて陽極Ａに接続される。インダクタンスＬ1およびＬ2は、放電電流を制限するために使用される。Ｌ1インダクタンスは、低電流スパッタリングパルスを生成するのに必要な程度に高い。Ｌ2インダクタンスは、高電流電離パルスを生成するのに必要な程度に低い。サイリスタがスイッチＴ1、Ｔ2として使用される。原理的にはいかなるタイプの高速な高電流スイッチでも好適である。タイマ１１は、例えば図４に示されるようなパルス放電を開始するための二重パルスを生成する。充電器１３は、任意のタイプのパルス充電器である。キャパシタＣ1およびＣ2は、スパッタリング過程と電離過程の間の時間中に充電される。ダイオードＤ1、Ｄ2は、逆極性パルスを防ぐためにキャパシタＣ1、Ｃ2を短絡する。放電ギャップの特性インピーダンスＲACが低すぎる場合には逆極性パルスが現れる可能性がある。
【０１０３】
図１０に例示されている詳細な回路は図８ｂに示したものに対応する。この回路は、図９で使用されているのと同じＣＬ型の単一のパルス電源を有する。しかし、放電電流の制限は抵抗Ｒによって達成される。抵抗Ｒは、電源のスイッチＴ１およびインダクタンスＬ１と直列に接続され、蒸気生成に必要なある一定期間の後に、抵抗と並列に接続されたサイリスタスイッチＴ２によって短絡されることが可能である。タイマ１１は、例えば図４に示されているようなパルスを与えるために、スイッチＴ１およびＴ２に提供される二重パルスを生成する。
【０１０４】
図１１に例示されている詳細な回路は図８ｃに示したものに対応する。この回路は、図９で使用されているのと同じＣＬ型の単一のパルス電源と、ダイオードＤ3を通じて陽極および陰極に接続されたＤＣ電源とを有する。タイマは、図６に示されているような放電パルスを発生するための単一パルスを生成する。
【０１０５】
図１２ａおよび１２ｂは、ガスまたはガスおよび金属または金属のプラズマ生成のために交差電磁場中の放電を利用したプラズマ源の概略断面図である。電離領域への金属蒸気のインジェクタとして、平面形マグネトロンスパッタリング陰極が使用される。
【０１０６】
図１２ａには、図１ｃに示されているような第２型の不平衡マグネトロン磁気配置が示されている。したがって永久磁石システム２１は不平衡型、２型であり、陰極２３の後面に配置される。磁石システムは、陰極２３の活性表面すなわち前面において動径成分の最大強度が０．３Ｔの磁場を作り出さなければならない。機械システム２２は、陰極の前面の中央前方領域５における磁場強度を調節するために配置される。磁場調節の限界は０．０４Ｔおよび０．３Ｔである。磁場調節の精度は０．００５Ｔである。
【０１０７】
陰極２３は、従来型の円形または方形の平面形マグネトロンスパッタリング陰極である。ＥＸＢ放電の陽極２４は、スパッタリング容器の側壁を含む。その側壁は、円形または方形の管３５と、プラズマ流のための出口３４を含む平面形隔壁３２とを備える。出口３４は、収縮ノズルの形状を有する。ノズル３４の内面は、磁場面に合わせて形成される。プラズマ源の軸に垂直にとったノズル３４の断面は、円形陰極２３の場合には円形形状を有し、方形陰極の場合には方形形状を有する。陽極２４は３１に示すようにグラウンドに接続される。
【０１０８】
陰極２３、陽極２４、および永久磁石システム２１はすべて水冷される。給水口および排水口は３０に示されている。電気絶縁体２８が陽極２４と陰極２３の間に配置される。陽極容器内にガスを供給するために、ガス入口２９が円筒管３５に設けられる。
【０１０９】
電源２６が図８ａ〜図１１の１つに従って配置される。印加されるパルスの反復周波数は１００Ｈｚから２０ｋＨｚまで可変である。電源２６は、１オームの抵抗性負荷に対して、０．４〜４ｋＶの範囲のピーク電圧を有するパルスを発生しなければならない。電源２６は、２・１０-3（ｃｍ-2）Ｓオームの抵抗性負荷で動作しなければならない。面積Ｓは、ｃｍ2で測られるスパッタリングされる陰極表面の面積である。０Ａからピーク電流までの電流パルスの立上り時間は、０．３オームの抵抗性負荷において１０-5ｓである。電源２６は同軸ケーブル２７によりプラズマ源に接続される。同軸ケーブル接続は、電源とプラズマ源の間の配線のインダクタンスを小さくするために使用される。これにより、電離放電電流の必要な立上り時間が達成される。電離放電電流の立上り時間は、陰極２３の活性前面における磁場配置２５を横切る金属蒸気塊の飛行時間より小さくなければならない。
【０１１０】
図１２ｂの概略断面図には、図１ｄおよび１ｆに示したマグネトロン磁気配置がさらにやや詳細に示されている。これらの磁気配置は、図１ｂの概略図に示されるような平衡型の永久磁石システムによって、および不平衡電磁コイル３６を配置することによって、得られる。それ以外の点では、プラズマ源の設計は図１２ａに例示したものと同様である。
【０１１１】
永久磁石システム２１によって作り出される磁場強度および場調節の精度は、図１２ａに関連して説明したものと同一である。電磁コイル３６は、スパッタリング陰極２３表面の中心に、０．１５Ｔまでの場強度を得るのに十分な強度を有する磁場を作り出す。電磁コイル３６によって発生される磁場は、０Ｔから最大強度まで０．００１Ｔの精度で可変である。
【０１１２】
図１２ａおよび１２ｂによるプラズマ源は真空容器３３に接続される。
【０１１３】
図１２ａおよび１２ｂのプラズマ源は以下のように動作する。初期磁場強度は０．１５Ｔである。スパッタリングガスおよび電離ガスがガス入口２９を通じて陽極容器２４内に供給される。初期動作圧力は１０-2〜１０-4Ｔｏｒｒの範囲にある。必要な動作圧力に達した後、電源２６のスイッチを入れる。電源２６は低強度電流および高強度電流パルスをプラズマ源に供給する。印加されるパルスの初期反復周波数は１００Ｈｚである。放電が点火された後、集中アーク形成のない放電を得るために磁場強度およびパルスの反復周波数を調節する。自己スパッタリングモードのプラズマ源動作が必要な場合、動作圧力を低下させると同時にパルスの反復周波数を増大させる。プラズマ源が動作ガスなしで動作することができる時の値までパルスの反復周波数を増大させる。基本（動作）圧力は１０-4〜１０-5Ｔｏｒｒより小さくなければならない。この領域では、プラズマ源は金属プラズマのみを生成する。
【０１１４】
本明細書には、本発明の特定実施形態を例示し説明したが、数多くの追加的な利点、変更および変形が当業者には容易に想到されることが認識される。したがって、本発明は、そのより広い態様において、ここに図示され説明された特定の詳細、代表的装置および例示に限定されない。よって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって規定される包括的な本発明の概念の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変更が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲は本発明の真の精神および範囲内に入るすべてのそのような変更および変形を包含することを意図していることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１ａ】図１ａ〜１ｆはマグネトロンスパッタリングで用いられるさまざまなマグネトロン磁気配置の概略図であり、図１ａは第１型の不平衡マグネトロン磁気配置の図である。
【図１ｂ】平衡マグネトロン磁気配置の図である。
【図１ｃ】第２型の不平衡マグネトロン磁気配置の図である。
【図１ｄ】ターゲットの後方に配置された永久磁石およびターゲットの前方に配置された電磁コイルによって作り出される磁気配置を例示する図である。
【図１ｅ】ターゲットの後方に配置された永久磁石およびターゲットの前方に配置された電磁コイルによって作り出される磁気配置を例示する図である。
【図１ｆ】カスプ形磁気配置の図である。
【図１ｇ】回転磁石を有するマグネトロンに典型的な磁気配置を上方から見た図である。
【図１ｈ】図１ｇの磁気配置における磁力線を示す概略断面図である。
【図２ａ】準定常型の低電流放電と高電流放電の間の限界を例示する概略図である。
【図２ｂ】非準定常型の低電流放電と高電流放電の間の限界を例示する概略図である。
【図３ａ】交差場中のスパッタリングおよび電離放電のための、時間の関数としての電流および電圧のそれぞれのパルスの概略図である。
【図３ｂ】交差場中のスパッタリングおよび電離放電のための、時間の関数としての電流および電圧のそれぞれのパルスの概略図である。
【図４】時間の関数としての、図３ａに例示した種類の周期的電流パルスの概略図である。
【図５】電流パルスの代替形状を示す、図４と同様の概略図である。
【図６ａ】第３実施形態によりパルスをどのように印加することができるかを例示する、時間の関数としての電流の図であり、スパッタリング放電を達成するために使用される定電流ＩDCが示されている。
【図６ｂ】図６ａの定電流ＩDCに重畳される電流パルスを示す、図４と同様の概略図である。
【図７】図７ａはプラズマ閉じ込め領域における時間の関数としての導電率およびプラズマ密度の概略図である。図７ｂは図７ａの導電率およびプラズマ密度を生成するための駆動電流パルスを示す、図４と実質的に同一の概略図である。
【図８ａ】金属蒸気およびその電離を生成する装置の電気回路図である。装置は並列接続された２つのパルス電源を有する。
【図８ｂ】可変インピーダンスを有する単一パルス電源を含む装置の、図８ａと同様の図である。
【図８ｃ】ＤＣ電源と組み合わされた単一パルス電源を有する装置の、図８ａと同様の図である。
【図９】図８ａの図に対応する詳細電気回路図である。
【図１０】図８ｂの図に対応する詳細電気回路図である。
【図１１】図８ｃの図に対応する詳細電気回路図である。
【図１２ａ】図１ｃに示される第２型の不平衡マグネトロン磁気配置に対応する、ガスまたはガスおよび金属または金属プラズマ生成のための、交差電磁場中の放電を利用したプラズマ源の概略断面図である。
【図１２ｂ】図１ｄおよび１ｆに示される型のマグネトロン磁気配置に対応する、ガスまたはガスおよび金属または金属プラズマ生成のための、交差電磁場中の放電を利用したプラズマ源を例示する、図１２ａと同様の概略図である。
【図１ａ】
0004461253.tif 000002
【図１ｂ】
0004461253.tif 000003
【図１ｃ】
0004461253.tif 000004
【図１ｄ】
0004461253.tif 000005
【図１ｅ】
0004461253.tif 000006
【図１ｆ】
0004461253.tif 000007
【図１ｇ】
0004461253.tif 000008
【図１ｈ】
0004461253.tif 000009
【図２ａ】
0004461253.tif 000010
【図２ｂ】
0004461253.tif 000011
【図３ａ】
0004461253.tif 000012
【図３ｂ】
0004461253.tif 000013
【図４】
0004461253.tif 000014
【図５】
0004461253.tif 000015
【図６ａ】
0004461253.tif 000016
【図６ｂ】
0004461253.tif 000017
【図７】
0004461253.tif 000018
【図８ａ】
0004461253.tif 000019
【図８ｂ】
0004461253.tif 000020
【図８ｃ】
0004461253.tif 000021
【図９】
0004461253.tif 000022
【図１０】
0004461253.tif 000023
【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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