(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの陰極が交流電圧源に接続されている陰極スパッタリング装置におけるフラッシュオーバを抑圧する装置において、フラッシュオーバに先立って発生する微小なフラッシュオーバを検知し、それによって大きいフラッシュオーバを抑圧する装置であって、
ａ）前記交流電圧源は中間周波数電圧源であり、
ｂ）前記微小フラッシュオーバを認識する装置が設けられ、
ｃ）前記微小フラッシュオーバの発生数をカウントする装置が設けられ、
ｄ）前記カウントされた数に基づいて、所与の数の微小フラッシュオーバが発生した後に、もしくは所与の頻度で前記微小フラッシュオーバが存在する場合には、所与の数の微小フラッシュオーバが発生した後に、もしくは所与の頻度で前記微小フラッシュオーバが存在した後に作動する、大きいフラッシュオーバの発生を妨げる装置が設けられている
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
少なくとも１つの陰極が交流電圧源に接続されている陰極スパッタリング装置におけるフラッシュオーバを抑圧する装置において、フラッシュオーバに先立って発生する微小なフラッシュオーバを検知し、それによって大きいフラッシュオーバを抑圧する装置であって、
ａ）前記微小なフラッシュオーバを認識する装置（５３）と、
ｂ）前記微小なフラッシュオーバの発生数をカウントする装置（９０）と、
ｃ）交流電圧源（２０）からの交流の半波をカウントする装置（１７）と、
ｄ）カウントされた前記半波の数とカウントされた前記微小フラッシュオーバの回数との比が所与の値であるときに、前記交流電圧源（２０）を遮断する装置（１８）と、
ｅ）前記遮段する装置（１８）による電流の遮断を停止させ、前記交流電圧源（２０）の投入を指示された時間だけ行う装置（２１）と、
を備えていることを特徴とする装置。
【請求項３】
前記微小フラッシュオーバをカウントする装置（９０）及び前記半波をカウントする装置（１７）は、前記交流電圧源の周波数と同期していることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記交流電圧源（２０）は高速でスイッチされる中間周波数発生器であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記交流電圧源（２０）の遮断は、所与の時間の長さにわたって行われることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記発生器が遮断される時間の長さは、タイマ（１９）によって決定されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記タイマ（１９）によって決定された時間が経過して前記交流電圧源（２０）が再投入された後の、別のタイマ（２１）によって決定される時間の間は、発生する前記微小フラッシュオーバは無視されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記タイマ（１９、２１）は、前記交流電圧源（２０）の、半分もしくは１基本周期の整数倍として前記時間を決定するディジタルカウンタとして構成されていることを特徴とする請求項６もしくは７に記載の装置。
【請求項９】
前記タイマ（１９、２１）は、アナログ要素として形成されていることを特徴とする請求項６もしくは７に記載の装置。
【請求項１０】
前記発生器が遮断される時間の長さを決定する装置（９０、１７、１９、２１）は、固有周波数が前記交流電圧源（２０）の周波数の２倍である内部周波数発生器（８８）によって同期されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１１】
前記交流電圧源（２０）の遮断は、光ファイバラインを介して行われることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１２】
前記遮断する装置（１８）を作動させるために、コンピュータ（５８）が備えられ、光ファイバラインを介して前記装置（１８）に接続している請求項２に記載の装置。
【請求項１３】
陰極スパッタリング装置は、陰極が２重に配列（９、１０）されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１４】
前記２つのカウンタ（１７、９０）は、それらが小さい微小フラッシュオーバと大きい微小フラッシュオーバとを区別できるようにセットされていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１５】
前記２つのカウンタ（１７、９０）は、前記交流電圧源（２０）の数周期にわたって前記２つの陰極（９、１０）の少なくとも一方に微小フラッシュオーバが存在するか否かを決定できるようにセットされていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陰極スパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
数百Ｈｚ乃至数百ｋＨｚの周波数範囲で動作するような中間周波数技術によって薄い層を形成させることを目的とする陰極スパッタリングにおいては、形成中の層並びにスパッタリングに使用されるターゲットを損傷させたり破壊させたりする可能性があるアーク放電が生成される虞がある。この技術は、容器内に反応ガスを導入してスパッタリングターゲット材料を基板（サブストレート）上で反応させるようになっている反応ガス技術による誘電体層の生成に特に適用される。例えば、Ａｌ2 Ｏ3 の薄い層を形成させるためには、スパッタされるアルミニウムに反応ガスとしてＯ2 が付加される。
【０００３】
アーク放電を認識し、それらを中断させるか、またはそれらの発生を阻止することさえできる装置は数多く示唆されている（ドイツ特許出願 38 21 207、 41 27 504、 41 27 505、 42 30 779、 42 39 218、 42 02 425、 42 42 633、 欧州開示 0 544 107、 米国特許 5 192 894）。しかしながら、これらの装置は交流電圧で動作する装置における使用には適していないか、またはフラッシュオーバを“発芽段階”において、即ち微小（マイクロ）フラッシュオーバもしくは微小アークを認識して抑圧するには適していないの何れかである。
【０００４】
オシロスコープで観察することができる微小フラッシュオーバもしくは微小アークは、印加交流電圧の１もしくは数半波の間だけしか発生しない。交流電圧周波数が 40 ｋＨｚである場合には、これはアークが約 12.5 μｓ、またはその倍数だけの間に発生することを意味している。特に、例えばアルミニウム（Ａｌ）のような容易に溶融するスパッタリングターゲットを使用すると、直径数μｍのターゲット材料の微小塊を溶融してそれらをサブストレート上にスパッタさせるのに十分なエネルギが既に微小アーク内に存在しているから、形成中の層をこれらの微小アークが損傷させるようになる。通常、微小アークの持続時間が長い程損傷の程度は重大になる。
【０００５】
微小放電は誘電体内の無声放電としても、特に、不規則なシーケンスで、ナノ秒の範囲の持続時間で発生する。それらの空間的及び時間的な分布は統計的である。各微小放電は、金属電極上につぶされた電極スポットを伴う概ね円筒形の細いカナルからなっている（ B.Eliasson, M.Hirth and U.Kogelschatz : Ozone synthesis from ozygen in dielectric barrier discharges, J.Phys. D.: Appl. Phys. 20(1987) 1421-1437 ）。無声放電は、例えばオゾンを発生させるためにプラズマ化学に使用することが好ましい（ U.Kogelschatz : Nonequilibrium Volume Plasma Chemical Processing, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol.19, No.6, 1991, pp.1063-1077）。しかしながら本発明による微小放電は、プラズマ内の放電と呼ばれる。
【０００６】
微小アークは、典型的には中間周波数スパッタリングに関連するものであり、通常は大きいアークの先駆段階を表す。しかしながら、これは必ずしも全ての微小アークが大きいアークをもたらすことを意味してはいない。ターゲットの状態に依存して、微小アークはより高い、もしくはより低い頻度で発生し、普通の方法ではこれらの微小アークを検出することさえ不可能である。
【０００７】
微小フラッシュオーバもしくは微小アークを検出するための装置は既に示唆されており、この装置は微小アークのためのカウンタを備えている（未公開ドイツ特許出願 P 44 20 951.7）。この装置では、被膜すべき基板が少なくとも１つのスパッタリング陰極に対向して配置され、１つの電極にターゲットが設けられている。微小フラッシュオーバを認識する装置によってこれらの微小フラッシュオーバが検出され、計数装置においてカウントされる。所与の数の微小フラッシュオーバが存在するか、微小フラッシュオーバが所与の頻度で発生する場合には、大きいフラッシュオーバを阻止するための調整が行われる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、臨界数の微小アークを検出すると、スパッタリングプロセスを迅速に遮断できるようにして上記問題を解消する。
【０００９】
この問題は、少なくとも１つの陰極が交流電圧源に接続されている陰極スパッタリング装置におけるフラッシュオーバを抑圧する装置において、フラッシュオーバに先立って発生する微小なフラッシュオーバを検知し、それによって大きいフラッシュオーバを抑圧する装置であって、
ａ）上記交流電圧源は中間周波数電圧源であり、
ｂ）前記微小フラッシュオーバを認識する装置が設けられ、
ｃ）前記微小フラッシュオーバの発生数をカウントする装置が設けられ、
ｄ）前記カウントの数に基づいて、所与の数の微小フラッシュオーバが発生した後に、もしくは所与の頻度で前記微小フラッシュオーバが存在する場合には、大きいフラッシュオーバの発生を妨げるように調整する装置が設けられていることを特徴とする装置により解決される。
【００１０】
本発明により達成される長所は、臨界数の微小アークが発生時に、そしてスパッタリング装置の形態の機能として、スパッタリング装置に使用される中間周波数発生器を迅速に遮断させ得ることであり、アークシーケンスを効果的に抑圧するために、中間周波数発生器を遮断させ続けるか否か、及びどの位の長さにわたって遮断させておくのかを限定する。中間周波数スパッタリング装置には、単一のスパッタリング陰極を設けることも、また二重陰極構造を設けることもできる。つまり、本発明は両陰極構造に適しているのである。
【００１１】
以下に添付図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
図１に、陰極における小さいアークフラッシュオーバを認識し、カウントする、そしてもし必要ならば、検出されたアークフラッシュオーバに基づいて装置を遮断させる能力を有するスパッタリング装置１を示す。この遮断は、中間周波数発生器２０の動作を停止させることによって行われる。
【００１３】
図１に示す装置１は、真空室２及び電子回路配列３を不可欠的に備えている。真空室２の底には電極４が設けられており、電極４の上には薄い層６を堆積させる基板５が配置される。真空室２の上側領域には、この基板５に対向して２つのターゲット７、８が配置される。これらのターゲットは長方形であり、これらがスパッタされる。これらのターゲット７、８は、Ｕ字形断面を有するターゲット保持板９、１０を通して電極１１、１２に接続されている。これらの電極１１、１２は、図１には示されていないマグネトロンの一部であることができる。ターゲット７、８とターゲット保持板９、１０との間には冷却用チャネル１３乃至１６が設けられている。
【００１４】
陰極の負の直流電位が正のイオンをターゲットに向かう方向に直接加速するようになっている普通の直流電圧スパッタリング装置と同様に、図１に示す装置１においても、中間周波数の源もしくは中間周波数発生器２０からの電圧が電極１１、１２に供給されている。この電圧の極性は一方の電極が陰極になり、他方の電極が陽極となるように、及びその逆となるように、絶えず交番している。例えば 40 ｋＨｚのこの中間周波数電圧によって、ターゲット７、８の前にプラズマが生成され、その外側の粒子、例えばアルゴンイオンがターゲット７、８に向かって加速されて粒子を放出させ、これらの粒子はそれらの運動エネルギのために基板５に向かって走行して基板５上に層６として堆積する。
【００１５】
図示装置を制御するためにプロセスコンピュータ５８が設けられており、このコンピュータは測定されたデータを処理して制御命令を出力する。ブロック４４として調整区分を分離して図示してあるこのプロセスコンピュータ５８には、例えばプロセス室内で測定された部分圧の値が供給される。これらの、及び他のデータに基づいてプロセスコンピュータ５８は、例えばガスタンク２６、２７に接続されているガス供給ライン２４、２５内のガス流量制御弁２２、２３を制御することができる。
【００１６】
平らなターゲット表面が基板５の表面に対して傾斜して配置されるように、電極１１、１２が絶縁体２８、２９もしくは３０、３１上に支持されている。これらの絶縁体２８、２９もしくは３０、３１は矩形枠の形状である。図１に示す装置と同じ構造の２電極を有する装置が DE-A-40 10 495 から公知である。
【００１７】
ガス供給ライン２４、２５は、別のガスライン３６、３７を通して、遮蔽物３４、３５によって囲まれているガスポート３２、３３に接続されている。基板５は、容器３９の底３８に対して絶縁されるように配置される。この容器３９は、電極１１、１２を配置するための２つの凹部４１、４２をその中心に有するカバー４０によって閉じられている。
【００１８】
２つの電極１１、１２は中間周波数発生器２０に接続されており、一方、基板５は電極４を通して電圧源４３に接続されている。この電圧源４３自体は調整区分４４に接続されている。電圧源４３は、基板５を電気的にバイアスする必要がある（即ち、基板５に限定された電位を印加することを意図している）ために設けられているのである。生成される層の特性を変更するために、この電圧源として高周波数電圧源が使用されることが多い。しかしながら、本実施の形態では電圧源が高周波数電圧源であることはそれ程重要なことではない。
【００１９】
調整区分４４はガス流量制御弁２２、２３及び高周波数源２０及び４３を制御する。調整区分４４には、平均陰極電圧の値、コンピュータ５８からの名目値、及びアーク抑圧回路１８からの信号が供給されている。中間周波数発生器２０の２つの出力４５、４６は、直流電位を有していない例えば 40 ｋＨｚの周波数を有し、そして互いに他方に対して対称である。これらの出力は電極１１、１２に接続されている他に、電圧加算器４７にも接続されている。電圧加算器４７は、両電極１１、１２の合計電圧を数Ｖに変圧してタイミングユニット即ちタイマ４９へ転送する。時間的に平均された合計電圧Ａ＋Ｂが調整区分４４へ供給され、調整区分４４はそれを評価して調整の目的に使用する。タイマ４９は、残余の電子回路の同期のための基準として電極電圧Ａ＋Ｂの立上がり縁を使用する。図１の同期ライン１２０ ...１２８、５５は、アークカウンタ５４及びアーク抑圧回路１８に接続されている。タイマ４９は、可変抵抗５０、５１で示されているように異なる時間Ｔ1 、Ｔ2 をセットすることができる。時間Ｔ1 、Ｔ2 を用いて測定用窓の位置及び長さをセットすることができ、これらはアーク検出器５３内で使用される。従って、タイマ４９の出力は、図には１本のラインで示してある線７８、７９、８０を通してアーク検出器５３の入力に接続されている。アーク検出器の感度は、一方では測定用窓によって限定される。また、付加的に、可変抵抗６１によって示されている電圧トリガによっても設定することができる。
【００２０】
加算器４７においては、ライン４５、４６上の２つの電圧が動的に加算され、同時に数Ｖのレベルまで変圧される。動的な加算とは、( Ａ＋Ｂ )(t) ＝Ａ(t) ＋Ｂ(t) が決定されること、即ち調整区分４４の場合とは異なり平均値は形成されないことを意味している。信号（Ａ＋Ｂ）(t) は、微小フラッシュオーバを検出するためにアーク検出器５３によって使用される。その目的のために加算器４７からアーク検出器５３へのライン６０が設けられている。
【００２１】
アーク検出器５３自体はアークカウンタ５４に接続されている。アークカウンタ５４は、特別なプログラムによって駆動されるマイクロプロセッサによって実現することができる。アークカウンタ５４はライン５６によってコンピュータ５８に接続されている。このライン５６上にはアナログ信号Ｕ＝２ log（Ｎ＋１）（但し、Ｎは毎秒の微小アークの数）が存在している。
【００２２】
本発明の特に重要な点は、アーク抑圧回路１８が設けられていることである。アーク抑圧回路１８には、タイマ４９からの同期信号Ｓｙと、アーク検出器５３からの信号ＥＡと、コンピュータ５８からの信号Ｓａとが供給されている。
【００２３】
アーク抑圧回路１８自体は、信号Ｈを調整区分４４へ、信号Ｃをコンピュータ５８へ、そして信号Ａを中間周波数発生器２０へそれぞれ出力する。この発生器２０は、コロラド州フォートコリンズの Advanced Energy Industries, Inc. から入手可能な PE 5000のような迅速に遮断できる発生器でなければならない。
【００２４】
許容できない程多数の微小アークが発生すると、アーク抑圧回路１８の制御の下に中間周波数発生器２０は遮断される。発生器２０が遮断されている時間は、図２を参照して以下に詳述するように、空間的な尺度である。
【００２５】
図２に、アーク抑圧回路１８の詳細を示す。アーク抑圧回路１８は、不可欠的に、“内部アークカウンタ”９０、半波カウンタ１７、第１のタイマ１９、第２のタイマ２１及び内部周波数発生器８８を備えている。
【００２６】
アーク検出器５３は離散した微小アークを検出する能力を有している。この目的のために、中間周波数発生器２０が 40 ｋＨｚの場合は 12.5 μｓの測定窓の時間ラスタ内に、二重陰極構造の両電極１１、１２上で交番する電圧が測定される。この電圧は加算器４７からライン６０を通してアーク検出器５３へ供給される。もしこの電圧が測定窓内で降伏すれば、即ちこの電圧がトリガ値よりも低下すれば、この事象は微小アークであると定義される。大きいアークには、所与の値より低くなる電圧降下が先行する。これらの電圧降下は、たとえば一連の微小アークの形状で陰極において検出される。 12.5 μｓ後に再び自動的に消弧する離散した微小アークとは対照的に、大きいアークの場合は、短絡回路が継続し、そしてこの理由から特定の陰極には最早電圧は存在しなくなる。この詳細に関してはドイツ特許出願 P 44 20 951.7を参照されたい。
【００２７】
もしアーク検出器５３が離散した微小アークを検出すれば、この場合、信号ＥＡが半波カウンタ１７と内部アークカウンタ９０とに送られ、これらが初期化される。この時、半波カウンタ１７は 12.5 μｓの単位で時間△Ｔを限定する離散した半波の数ｈをカウントする。この時間中、信号Ｚがライン６２を通して内部アークカウンタ９０へ送られる。時間間隔△Ｔの間に数ｎの微小アークが発生したことは、大きいアークの始まりを表している。△Ｔ及びｎの値は経験に基づいてセットされる。
【００２８】
半波の数ｈと、微小アークの数ｎとの間の関係は、例えば表１を用いて確立することができる。
【００２９】
【表１】

ｉ＝指数                      １        ２        ３        ４
または羃                                                      
ｈ＝２(i) −１に等      １０１
しい半波の数                  １        ３        ７      １５
ｎ＝２(i-1) に等し  １００
い微小アークの数              １        ２        ４        ８
表１内の番号１０１、１００は、異なる半波数及び微小アーク数をセットできるようにするスイッチ群（カスケード）である。ｈ及びｎの他の組合せ、ｎ≦ｈをスイッチ群でセットすることができる。しかし、単純化のために表１では以下のように定義してある。
【００３０】
表１内に用いられているｎ及びｈの組合せは以下のように解釈される。即ち、
ｉ＝１  これは、全てのアークが同時に大きいアーク（ＧＡ）として見られる最も簡単な場合である。
ｉ＝２  もし３連続半波中に２回の微小アークが発生すれば、そして特にこれら２回のアークが一方の陰極だけにおいて発生すれば、これはＧＡと見做      される。
ｉ＝３  ７連続半波中に少なくとも４回の離散した事象がアーク検出器５３によって登録されなければならない。これらの離散した事象は全て単一の陰      極１１、もしくは１２上で発生し得る。
ｉ＝４  信号ＧＡをトリガするためには、１４連続半波中に少なくとも８回の離散した事象がアーク検出器５３によって登録されなければならない。こ      れらの離散した事象は全て単一の陰極１１、もしくは１２上で発生し得      る。
【００３１】
原理的には、微小アークもしくは大きいアークが一方の陰極だけにおいて発生したことを検出することも可能である。
【００３２】
微小アーク及び個々の時間△Ｔ、ｔa 、ｔi を正しくカウントさせるために、両カウンタ１７、９０には同一の同期信号Ｓｙが供給されている。
【００３３】
所与の時間△Ｔ内に少なくともｎ≦ｈの微小アークが発生すれば、アークカウンタ９０は“大きいアーク”を表す信号ＧＡを生成してタイマ１９へ出力する。信号ＧＡを受けるとタイマ１９は所与の時間長の間遮断信号Ａをライン１５へ出力し発生器２０を遮断させる。この遮断時間ｔa は 25 乃至 400μｓである。
【００３４】
発生器２０が遮断された後、通常の状態に復帰するために、プロセスは爾後に電力を駆動するための特定の時間長が必要になる。経験に基づいて、この時間長は約 150μｓに決定されている。この時間中に必然的にアーク検出器５３によって登録される所与の値以下の電圧値を、アーク検出器５３は無視しなければならない。状態“無視”は信号Ｉとしてライン６３を通してタイマ１９へ送られる。状態“無視”の時間ｔi はタイマ２１によって決定される。この目的のために、発生器２０が再度活動する時点、即ちｔa の終わりに第２のタイマ２１が時間ｔi （例えば 50 乃至 300μｓであることができる）を計時するために作動する。時間ｔi の間でも発生器は 40 ｋＨｚを発生することができるが、同時にライン６３上の信号Ｉは“無視”を表すようにセットされている。この時間ｔi の間、タイマ１９は潜在的に到着する信号ＧＡを無視するので、これらの信号が再び発生器を遮断することはない。
【００３５】
このように、２つのタイマ１９、２１の協働と、信号ＧＡに対するそれらの反応は中間周波数発生器２０の遮断プロセスにとって、及び活動にとって極めて重要である。
【００３６】
以上に説明した実施の形態では、タイマ１９、２１はデジタルカウンタの形状で構成されているので、時間ｔa 及びｔi は半もしくは１基本周期の整数倍として得られる。タイマ１９、２１にもスイッチ群１０２、１０３が設けられており、これらを使用することによって時間ｔa 及びｔi を適当に設定することができる。群内の個々のスイッチは、全ての群においてａ、ｂ、ｃ、ｄで示されている。もしタイマ１９、２１がデジタルカウンタであれば、２つのタイマ１９、２１に同期信号Ｓｙも供給しなければならない。
【００３７】
タイマ１９、２１は、例えば所与の時間単位内に発生した大きいアークの合計数をカウントするために、信号Ｃを同時にカウントするのにも使用できる。
【００３８】
図１及び図２に示す信号ＯＫは図２の信号ＥＡと同一である。名前を異ならせたのは、これらが常に離散したアーク［アインツェルアーク( Einzel-Arcs )]、即ち微小アークを表している信号であり、それらと、実際には上述したように微小アークのシーケンスとして観測される大きいアーク（ＧＡ）とを区別するために過ぎない。
【００３９】
調整区分４４へ供給される信号Ｈは、離散したアークが発生するか、もしくは発生器遮断時間ｔa の間及びその後のｔi が継続中の間に発生する。信号Ｈが出力されている限り調整区分４４内の全ての調整回路は動作を停止するが、発生器２０が始動後は、再び遮断前のプロセスの初期状態に迅速に復帰することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フラッシュオーバを認識し、抑圧するための装置を有するスパッタリング装置を示す図である。
【図２】フラッシュオーバを抑圧するための回路配列のブロック線図である。
【符号の説明】
１  スパッタリング装置
２  真空室
３  電子回路配列
４  電極
５  基板（サブストレート）
６  薄い層
７、８  ターゲット
９、１０  ターゲット保持板
１１、１２  電極
１３、１４、１５、１６  冷却用チャネル
１７  半波カウンタ
１８  アーク抑圧回路
１９  第１のタイマ
２０  中間周波数発生器
２１  第２のタイマ
２２、２３  ガス流し便
２６、２７  ガスタンク
２８、２９、３０、３１  絶縁体
３２、３３  ガスポート
３４、３５  遮蔽物
３８  容器の底
３９  容器
４０  カバー
４１、４２  凹部
４３  バイアス用電圧源
４４  プロセスコンピュータの調整区分
４７  電圧加算器
４９  タイマ
５０、５１、６１  可変抵抗
５３  アーク検出器
５４  アークカウンタ
５８  プロセスコンピュータ
８８  内部周波数発生器
９０  内部アークカウンタ
【図１】
0004231944.tif 000002
【図２】
0004231944.tif 000003