(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続動作モードで基板上に材料を形成するためのカソード材料のスパッタ堆積システムであって、
（ａ）イオンおよび電子を含むプラズマが作り出されるコーティングチャンバと、
（ｂ）該チャンバに配置される少なくとも２つのアノードと、
（ｃ）該チャンバにおいて該プラズマに隣接して配置されるカソードであって、該基板の表面上に膜を堆積するように、該プラズマからの該イオンによるボンバードに応答して該カソードからスパッタリングされ得る原子を含むカソードと、
（ｄ）該カソードに接続され、該カソードを該プラズマに対して負電位に維持するＤＣ電源と、
（ｅ）該アノードを交互にイオン収集状態と電子収集状態とに同期して駆動するように該アノードに接続されるＡＣ電源であって、該イオン収集状態では、該アノードは、該プラズマに対して負電位に維持されると該イオンを引きつけ、該電子収集状態では、該アノードは、該プラズマに対して正電位に維持されると該電子を引きつけ、該イオン収集状態および該電子収集状態は、該カソードが該プラズマに対して負電位に維持されている間に起こる、ＡＣ電源と、
（ｆ）該ＡＣ電源に接続される少なくとも１つの一次巻線と、該アノードに接続される少なくとも１つの二次巻線とを有する変圧器であって、該変圧器は、タップを備える単一の二次巻線を有し、該ＤＣ電源が、該カソードに接続される負のリードと、該タップに接続される正のリードとを有する、変圧器と
を備える、システム。
【請求項２】
前記ＡＣ電源がサイクルを有し、該サイクルの間、前記アノードの少なくとも１つが、常に前記電子収集状態である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ＡＣ電源がサイクルを有し、該サイクルの間、前記アノードのすべてが前記イオン収集状態である期間が、前記プラズマを消滅させるために必要とされる時間よりも短い、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ＡＣ電源が、パルス式電源を含み、該パルス式電源は、各アノードを、前記イオン収集状態と前記電子収集状態との間で切り換えさせる、請求項２または３に記載のシステム。
【請求項５】
前記コーティングチャンバが、反応性ガスを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記イオンによるボンバードに応答して前記カソードからスパッタリングされた前記原子が、前記反応性ガスと反応して前記膜を形成および堆積する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
連続動作モードで基板上に絶縁材料のスパッタ堆積を行う方法であって、
ａ）イオンおよび電子のプラズマが作り出されるコーティングチャンバを提供することと、
ｂ）該チャンバに少なくとも２つのアノードを提供することと、
ｃ）該チャンバにおいて、該プラズマに隣接してカソードを提供することであって、該カソードは、該基板上に材料を形成および堆積するように、該プラズマからのイオンによるボンバードに応答して該カソードからスパッタリングされ得る原子を含む、ことと、
ｄ）ＤＣ電源により、該カソードを該プラズマに対して負電位に維持することと、
ｅ）ＡＣ電源により、該アノードを交互にイオン収集状態と電子収集状態とに同期して変えることであって、該イオン収集状態では、該アノードは、該プラズマに対して負電位に維持されると該イオンを引きつけ、該電子収集状態では、該アノードは、該プラズマに対して正電位に維持されると該電子を引きつけ、該イオン収集状態および該電子収集状態は、該カソードが該プラズマに対して負電位に維持されている間に起こる、ことと、
ｆ）該ＡＣ電源に接続される少なくとも１つの一次巻線と、該アノードに接続される少なくとも１つの二次巻線とを有する変圧器を介して、該ＡＣ電源から電圧を提供することであって、該変圧器は、タップを備える単一の二次巻線を有する、ことと、
ｇ）該ＤＣ電源の正のリードを該タップに接続することと、
ｈ）該ＤＣ電源の負のリードを該カソードに接続することと
を包含する、方法。
【請求項８】
前記アノードを交互に変えることが、該アノードをサイクルで交互に変えることを包含し、該サイクルの間、該アノードの少なくとも１つが、常に前記電子収集状態である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記アノードを交互に変えることが、該アノードをサイクルで交互に変えることを包含し、該サイクルの間、該アノードのすべてが前記イオン収集状態である期間が、前記プラズマを消滅させるために必要とされる時間よりも短い、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記アノードをサイクルで交互に変えることが、該サイクルの少なくとも一部分の間、該アノードの各々をイオン収集状態に保持することをさらに包含する、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記チャンバに反応性ガスを提供することをさらに包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記イオンによるボンバードに応答して前記カソードからスパッタリングされた前記原子が、前記反応性ガスと反応して、絶縁性である材料を形成および堆積するように該反応性ガスを選択することをさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
Ｉ．技術分野
本発明は概して、基板上に絶縁膜を形成および堆積する反応性プラズマスパッタ堆積技術に関し、具体的には、基板上への絶縁材料のスパッタ堆積システムおよび方法に関する。
ＩＩ．背景技術
スパッタリングは、ほとんどの空気が排気されているチャンバにおいて、通常金属であるターゲットが、プラズマ（等しい数のイオンおよび電子の大群）付近の位置に配置されるプロセスである。プラズマを作り出すために、周知の従来の手段が用いられる。ＤＣ電源の負のリードをターゲットに接続することにより、ターゲット即ちカソードに、アノードと呼ばれる別個の電極に対して負電圧が生成される。ターゲット上の負電圧は、プラズマからイオンを引きつけ、これらのイオンは、ターゲットに向かって加速される。到達すると、ターゲットへのイオンの衝突により、ターゲット原子が物理的に叩き出される。これらのターゲット原子は、ターゲットから、その近くに配置された基板に移動し、この基板は、これらのターゲット原子でコーティングされる。放出されたターゲット原子はまた、システムのその他すべての表面もコーティングするが、ほとんどの部分については、ターゲット原子は中性であるため、ターゲット原子の経路を方向付ける実際的な方法はない。プラズマからイオンが排出されるとすぐに、プラズマ中には過剰な電子が存在するようになる。これらの過剰な電子は、ターゲット電圧を作り出すために用いられるＤＣ電源の正のリードに引きつけられる。この正のリードは、アノードと呼ばれる別個の電極か、あるいは、チャンバ壁に接続される。この電極またはチャンバ壁のいずれも、電子を集める際に、プラズマ電流の流れを提供するため、プラズマ電流提供エレメントであると考えられ得る。
上記のように、これは、薄い金属層堆積の非常に一般的なプロセスである。これは、半導体処理において広く用いられており、そして、コンパクトディスクおよびＣＤ−ＲＯＭ上の反射層、コンピュータ記憶装置のハードディスク上の活性層、ならびに、その他の多くの機能的および装飾的応用のための金属層を作り出すのに、広く用いられている。
上記プロセスは、ＤＣスパッタリングと呼ばれ、ターゲット（即ち、カソード）が導通状態であることを必要とする。なぜなら、ターゲットに到達するイオンは、ターゲット表面の帯電を防ぐために、ターゲットから１つ以上の電子を受け入れて再び中性ガス原子になることができなければならないからである。ターゲット表面が帯電すると、プロセスを非常に速く停止させる遅延電圧（retarding potential）が作り出されてしまう。絶縁体は、この目的のために利用可能な自由電子を有していないため、絶縁性のターゲット材料を用いることはできない。一方、反応性背景ガスとの反応により化学的に絶縁体を形成することにより、金属ターゲットから、絶縁材料層を堆積させることができる。これは、反応性スパッタリングと呼ばれる。例えば、チャンバを満たす背景ガス中に適量の酸素ガスが存在している場合、アルミニウムターゲットおよびシリコンターゲットから、それぞれＡｌ2Ｏ3およびＳｉＯ2を作り出すことができる。
そのような絶縁膜の堆積を伴うプロセスへの商業的関心はますます高くなっている。この関心は、少なくとも一部分には、耐摩耗性コーティング、ミクロ回路（薄膜ヘッドなどの装置を含む）またはコンデンサなどの電子装置のための絶縁膜、精巧な建築用ガラスコーティング、食品包装のための酸素バリアまたは建築用ガラスラミネートのためのポリエステル膜上のコーティング、高効率ランプまたは誘導炉熱シールドのための熱反射コーティング、ＬＣＤディスプレイにおいて用いられるＩＴＯガラスなどのフラットパネルディスプレイのためのバリア層および機能層の堆積、およびその他の無数の同様の機能的応用へのそのようなプロセスの応用のために起こっている。これに加えて、幅広い範囲の様々なプラスチック、天然および人工繊維、ならびに金属物質への装飾的効果を作り出すために用いられる多くの反応性ＰＶＤプロセスがある。
しかし、これらの場合、反応生成物が電気絶縁体であるときに問題点が生じる。上記のように、絶縁膜はチャンバ内のすべての表面をコーティングする（最終的にコーティングする）ため、絶縁膜は、最終的には必ずアノードをコーティングする。このようなことが起こるため、電子の伝導路がコーティングされてしまい、プロセスを続行することができない。これは、「消失する（disappearing）アノード」の問題と呼ばれているものである。過去において、反応性プロセスは、この影響が重大な問題を引き起こすまで実行されていた。そして、重大な問題が引き起こされると、システムを開いて、アノードから邪魔な絶縁層を機械的に擦り落とし、新しい金属表面を作り出していた。従って、このメンテナンスなしでの連続動作は不可能である。
絶縁体によるアノードのコーティングに関する別の欠点は、絶縁体に電子が集まろうとするため、この絶縁体が概して帯電してしまうことである。この帯電により、アノード上の絶縁膜に、膜材料の絶縁耐力を越え得る電場が引き起こされ得る。これが起こると、アークが形成され得、このアークのエネルギーにより、膜の部分がアノードから放出され得、微粒子を作り出す。これらの微粒子は、基板上で成長している膜に含まれ得、最終製品において許容不可能であり得る欠陥を作り出してしまう。
Esteらは、J. Vac. Sci. Technol. A、vol. 6、No. 3（May/June 1988）において発表された「A Quasi-direct-current Sputtering Technique for the Deposition of Dielectrics at Enhanced Rates」と題された論文において、２つのターゲットを交互に誘電膜即ち絶縁膜の堆積に用いるスパッタリングプロセスへのアプローチを提案している。この場合は交流電位出力を有する電源は、２つのターゲットが交互に互いに対して正および負に駆動されるよう、２つのターゲットに接続される。これにより、各ターゲットが、他方のターゲットのためのアノードとしての役割を果たす。この反転が十分に頻繁に起こると、アノードとしての役割を果たしているターゲット上には非常に薄い絶縁体層しか形成されず、この非常に薄い層は、そのターゲットが負になる番になると、スパッタ除去され得る。これは、絶縁体がすぐにスパッタリングプロセスを停止しないために可能であるが、帯電の影響のため、絶縁体の存在はプロセスを低速にし、最終的には停止してしまう。層が非常に薄ければ、この層は、プロセスが停止する前にスパッタ除去され得る。厚い層が形成されるほどの時間がないようにするために、通常の反転時間は、数十マイクロ秒である。Proceedings of the 1993 International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films、Surf、Coat.Tech.、vol. 61、（1993）、page 331において発表された「Pulsed Magnetron Sputter Technology」と題されたShillerらの論文も参照されたい。この論文は、ターゲットの各々が、電源の出力の１サイクル内で、一度はカソードとして、一度はアノードとしての役割を果たすという点で、Esteらのアプローチと同様の二重マグネトロンターゲットアプローチをカバーしている。。
大部分について、これは、「消失するアノード」の問題に対する成功アプローチであることが証明されている。しかし、このアプローチは、２つのターゲットを必要するという不利な点を有し、これが、システムの費用を増加し、また、メンテナンスを複雑にする。また、既存のスパッタリングシステムにこの二重ターゲットプロセスを後から備えることは困難である。なぜなら、第２のターゲットのための場所がない場合が多いからである。
二重ターゲットアプローチのより重大な欠点は、ターゲットアセンブリの適切な設計が通常、プラズマ密度を高めるためにターゲット表面の上に磁場を作り出すための磁石を必要とすることにより引き起こされる。この磁場は、ターゲットへの電子の流れを妨げる。従って、カソードにとっての適切な設計は概して、妨害されずにプラズマから電子を集めることを必要とするアノードにとっては優れた設計ではない。スパッタリングシステムでは、プラズマとターゲット即ちカソードとの間には、「カソード降下」と呼ばれる電位差がある。同様に、プラズマとアノードとの間には、「アノード降下」と呼ばれる、概してはるかに小さい電位差がある。優れた設計のシステムでは、電源の電圧のほとんどすべてがカソード降下として現れ、アノード降下として現れる電圧はほとんどない。典型的な場合、カソード降下は６００ボルトであり得、アノード降下は２０ボルト未満であり得る。一方、二重ターゲットシステムでは、アノード降下は、はるかに大きい値に増加し、５０〜１００ボルトもの大きさである場合が多い。これは、２つの重大な徴候を引き起こす。第１に、より大きいアノード降下により、プラズマ電位が変わり、そのため、より高いエネルギーの基板ボンバード（bombardment）が起こる。これは、幾らかのイオンボンバードが成長膜をより密にする助けとなり得るため、有益であり得るが、基板ボンバードはまた、基板加熱と等しいと考えられる。従って、これは、基板がプラスチックなどの熱に敏感な材料からなる場合、重要な不利な点であり得る。第２に、電源電流がアノードを通るため、アノード降下と電流との積が、アノードにおける電力損失を表す。これは、それ自体では問題であり得るが、たとえアノードが加熱の影響に耐えることができても、アノードにおける電力損失を、必然的に、電源（実際の装置であるか、または、関係のあるエレメントへの何らか電力供給を容易にすることに関わるか、もしくは、その役割を果たす回路のいずれかの部分である）の電力から差し引かなければならず、従って、スパッタリングプロセスのカソードに利用可能な電力が低減される。従って、電源により送達されるワットあたりに等しい堆積レートは、アノード降下のカソード降下に対する割合だけ低減される。二重カソードスパッタリングに関する上記の例の場合、アノードは、電力の１／６（電源から利用可能な６００ボルトのうち１００ボルトに電流を掛けた値）を受け取り、カソードは残り５／６を受け取る。これは、潜在的なスパッタリング電力の１６．７％の損失を表しているが、１０ボルトのアノード降下は、潜在的な電力のほんの１．７％だけを「盗んで」アノードを加熱する。言うまでもなく、その他の損失も存在し得るが、実質的なアノード降下は、堆積レートを著しく低下し得る。
従って、従来技術の反応性スパッタリングプロセスの上記欠点を克服するための異なるアプローチが必要とされている。本発明は、わずかなアノード降下、従って、小さい基板ボンバードを有し、且つ、スパッタリング電力の優れた利用を有する別個のアノードアセンブリを用いて、「消失するアノード」の問題を被ることなく、単一ターゲット動作を可能にする。
ＩＩＩ．発明の開示
従って、本発明の目的は、二重カソードスパッタリングシステムにおいて観察されるアノード降下に対して比較的小さいアノード降下を作り出す特性を有する反応性スパッタリングシステムに、アノード機能を提供することである。
本発明の別の目的は、スパッタリングシステムにおける基板加熱を、二重カソードスパッタリングシステムにおいて通常観察される基板加熱よりも少なくすることである。
本発明のさらに他の目的は、カソード電源により送達されるワットあたりの、スパッタリングシステムのターゲットのスパッタリングレートを、二重カソードスパッタリングシステムにおいて通常観察されるスパッタリングレートよりも大きくすることである。
本発明の他の目的は、システムのアノード（単数または複数）上の絶縁膜の蓄積による反応性スパッタリングプロセスの停止を防ぐことにより、連続動作を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、システムのアノード（単数または複数）上の絶縁膜の蓄積により引き起こされる不均一な電場を回避することにより、堆積の均一性を向上することである。
本発明のさらに他の目標は、システムのアノード（単数または複数）上の絶縁膜の蓄積により起こり得るアーク発生を防ぎ、それにより、そのようなアーク発生により作り出される機械的な力によって引き起こされる、チャンバ内に分散される微粒子物を防ぐことである。
従って、本発明は、連続動作モードで基板上に絶縁材料のスパッタ堆積を行うためのシステムに向けられる。本発明は、これを可能にするために、アノードアセンブリの新規な設計を開示する。このアセンブリは、複数のアノードを含み、これらのアノードの少なくとも１つは、システムに清浄な正のアノードを提供するように、いかなる所定の時間にも正（即ち、ターゲットと逆の極性）にバイアスされ得る、即ち、より一般的には、「電子収集状態」にされ得る。そして、これらのアノードの少なくとも１つは、アノード上に堆積されている可能性のあるいかなる絶縁材料もスパッタ除去され得るように、少なくとも幾らかの時間の間、プラズマに対して負（即ち、ターゲットと同じ極性）にバイアスされ得る、即ち、より一般的には、「イオン収集状態」にされ得る。このように、アノード構造上に形成されている可能性のあるいかなる絶縁材料をも除去することにより、アノード構造が正にバイアスされるときのプラズマからの電子収集に、アノード構造を続けて効果的に使用することが可能になり、従って、システムのアノードとして、アノード構造を続けて効果的に使用することが可能になる。これにより、システムの連続動作が可能になる。カソード電源（上記のようなカソード電源である。即ち、カソード電源は、実際の装置であるか、または、カソードへの何らかの電力供給を容易にすることに関わるか、もしくは、その役割を果たす回路のいずれかの部分である。）は、カソード上に負（イオン収集）電位を作り出すために用いられ得る。この電源は、アノード電源とは別個のものであってもよく、そして、アノードの状態を交互にイオン収集状態と電子収集状態とに変え得る。
本発明はまた、連続動作モードで基板上に絶縁材料を作り出すためのターゲットのスパッタ堆積方法に向けられる。この方法は、コーティングチャンバを提供する工程と、プラズマを発生させる工程と、スパッタリングされるターゲットカソードと、少なくとも２つのアノードとを提供する工程と、カソードを負電位に維持するが、該アノードをイオン収集（スパッタリング）状態と電子収集状態との間で切り換えるまたは交互に変える工程と、を包含する。この方法におけるイオン収集状態の存在は、アノード上のいかなる絶縁堆積のスパッタリングも可能にし、従って、連続動作モードを可能にする。
基板上に成長する膜の汚染を厳密に回避するために、アノードは、好ましくは、ターゲットと同じ材料からなっていてもよい。なぜなら、アノードの材料の幾らかが基板上にも堆積され得るからである。一方、既に指摘したように、実際には極めてわずかなアノードしかスパッタリングされない。シールドを構成して、アノードからのスパッタ材料の大部分を遮り、このスパッタ材料がターゲットまたは基板に到達しないようにすれば、汚染は最小限に維持され得る。その他の材料を用いてもよい。
そのようなアプローチは、既存のシステムに後から備えることがより容易である。なぜなら、アノードは、追加のターゲットよりも物理的にはるかに小さく、概して、システムには、必要なアノード対を配置するのに十分な場所があるからである。
１つの実施形態では、本発明は、単一のターゲットとともに２つのアノードを用いて、連続動作を可能にする。２つのアノード間に接続される小型の補助ＡＣ電源（「アノード電源」と呼ばれる）は、数百ボルトピークのオーダのＡＣ電圧を生成する。一方のアノードが正であり、従って、アノードとしての役割を果たしているとき、他方のアノードは、プラズマに対して負にされる。この負電圧は、プラズマからイオンを引きつけ（「イオン収集」状態）、これらのイオンは、アノード表面の幾らかをスパッタ除去する。一方、この期間中、他方のアノードは正に駆動され、従って、このエレメントは、プラズマから電子を引きつけて集める（「電子収集」状態）。アノード電源の交互の半サイクルで、各アノードは、交互に電子コレクタまたはイオンコレクタのいずれかとしての役割を果たす。後者の状態では、アノードがスパッタリングされる。このスパッタリングプロセスは、アノードを、絶縁膜のない状態に保つ。各半サイクルで形成される薄膜を除去するために、極めてわずかなスパッタリング電力しか必要とされないため、実際には、極めてわずかなアノード材料しかスパッタリング除去されず、アノードは、長期間耐えるようにされ得る。
別の実施形態では、チャンバに複数のアノードが配置され、各アノードは、交互のサイクルの幾らかの部分の間、負に駆動されてスパッタリングされる。いかなる時間にも、アノードの少なくとも１つが正電位に維持され、プラズマから電子を引きつけて集める。あるいは、好ましくは、すべてのアノードが負である期間が、プラズマを消滅させるほど十分に長くならないように、すべてのアノードがサイクルの間に同時に負に駆動されてもよい。「プラズマを消滅させる」とは、プラズマ中のイオンおよび電子の密度が、定常状態値の１０％よりも低いレベルに低下したことを意味する。
尚、本発明の概念は、絶縁材料の反応性スパッタリングにおける清浄なアノードの必要性により生み出されたものであるが、金属堆積におけるアノードが、背景ガスにより後方散乱を受けた導電性の乏しい膜でコーティングされ得ることはまれではなく、従って、本発明は、絶縁体の反応性スパッタリングを越える応用を有している。
パルスにより規則的に負電圧にされる単一のアノードを用いることも可能である。この場合、負のパルスの期間中、システムには特定のアノードがない可能性がある。この場合、電気回路は、この期間中にチャンバ壁がアノードまたは電流提供エレメントになるように構成され得るが、場合によっては、プラズマが、システムのアノード無しで少量のイオンを提供することが可能であり得る。この場合、チャンバ壁への接続は必要でない。この一般的なアプローチの変形は、上記に示した状態の１つを無くすことにより、多数のエレメントにおいて適用され得る。即ち、すべてのエレメントが、幾らかの期間の間、同時に負にされ得る。エレメントの数に関係なく、いずれかのエレメントが負に保たれる時間は、おそらく、プラズマからエレメントにイオンを引きつけ、且つ、エレメントに堆積された材料をスパッタ除去するのに十分に長い時間であるべきである。
上記実施形態のいずれにおいても、カソードがスパッタリングされ得、且つ、膜が堆積され得るように、カソードがプラズマに対して負に保持されることが必要である。これは、カソード電源を用いて達成される。カソード電源は、単純なＤＣ電源であってもよく、高周波数電源であってもよい。後者の場合、プラズマの非対称の性質のため、下限と上限とにより規定される周波数範囲にわたって、ターゲット表面上にいわゆる「セルフバイアス」電位が現れる。下限では、イオンは、単一の半サイクルでカソードに完全に到達することができ、上限では、電子は、交流波の単一の半サイクルでカソードに到達することができない。これら２つの限界の間では、電子は、プラズマとカソード表面との間の間隙を移動できるが、イオンはできず、このようにして作り出される非対称性により、プラズマ処理の当業者に周知の態様で、カソード上にセルフバイアスが現れる。
【図面の簡単な説明】
図１は、ＤＣ電源を用いる従来の単一ターゲットスパッタリングシステムを示す。
図２は、ＡＣ電源を用いる従来の二重ターゲットスパッタリングシステムを示す。
図３は、２つのアノードが正弦波電圧源により駆動され、これら２つのアノード上の電圧の位相が互いに１８０°ずれている、本発明の１つの実施形態を示す。
図４は、３つのアノードが３相正弦波源により駆動され、これらのアノード上の電圧の位相が互いに１２０°ずれている、本発明の別の実施形態を示す。
図５は、各アノード上のパルス電圧を制御するパルスシーケンサを備えるパルス式電源により複数のアノードが駆動される、多相多アノード構成を示す。
図６は、ダイオードまたはコンデンサであり得る補助電気エレメントを備えるチャンバに単一のアノードが配置される実施形態を示す。
図７は、図６の電気エレメントが短絡回路と置き換えられている、本発明の単一アノード構成を示す。
図８は、壁上の堆積膜に関する図７の詳細と、この堆積膜がどのようにして等価コンデンサを形成するかとを示す。
Ｖ．発明を実施するための最良の形態
容易に理解され得るように、本発明の基本概念は、様々な方法で使用され得る。本発明は、プロセスまたは方法と、それを達成するための装置との両方を含む。さらに、何らかの具体的な回路が開示されるが、これらの回路は、ある特定の方法を達成するだけではなく、多数の方法で変更され得ることが理解されるはずである。重要なことに、上記のすべてについて、上記局面のすべてが、本開示に含まれることが理解されるはずである。
図１は、従来の単一ターゲットシステムを示す。この場合、別個のアノード５があってもよく、または、ＤＣカソードスパッタリング電源６の正のリードがアノード５ではなくチャンバ１に接続される、別の接続がなされてもよい。この場合、アノード５は無くてもよい。上記別の接続は、図１に点線で示される。イオンは、プラズマ２からターゲット４に引きつけられ、ターゲット４にぶつかると、周知の原理に従って、スパッタ原子がターゲット４から放出される。これらのスパッタ原子は、ターゲットと基板３との間の空間を移動し、基板３に堆積して、基板３上にターゲット材料の薄膜を作り出す。
ターゲットが金属であり、且つ、背景（スパッタリング）ガスがアルゴンなどの不活性ガスであり、基板３上に金属膜を堆積させる場合、図１のように構成されるシステムに関して問題点はほとんどない。しかし、ターゲット上に化学化合物を作り出すために、チャンバ１に反応性ガスが導入される場合、および、反応生成物が電気絶縁体である場合、問題点が出てくる。絶縁膜はチャンバ１内のすべての表面をコーティングするため、絶縁膜は、最終的には、アノード（または、上記別の接続の場合、チャンバ壁）をコーティングする。このようなことが起こるため、プラズマ２から流れている電子の伝導路がコーティングされてしまい、プロセスを続行することができない。これは、「消失するアノード」の問題と呼ばれているものである。チャンバ１を開けて、アノードまたはチャンバ壁から邪魔な絶縁層を機械的に擦り落とし、新しい金属表面を作り出すことは可能であるが、これには費用および時間がかかるため、そのようなことをしなくてもよいようにすることが望ましい。この要望が、図２に示されるシステムの発明を生み出したと考えられる。
図２では、図１で通常単一のターゲット４により占有されている空間に、２つのターゲット７および８が配置され、別個のアノードは設けられない。交流電源１０は、絶縁カソード変圧器９を介して、２つのターゲット７と８との間に付与される。このようにして、ターゲット間の電圧が、ターゲット７がターゲット８に対して正であるような電圧であるとき、各ターゲット７は、ターゲット８のアノードとしての役割を果たし得る。同様に、ターゲット間の電圧が、ターゲット８がターゲット７に対して正であるような電圧であるとき、ターゲット８は、ターゲット７のアノードとしての役割を果たし得る。電源１０が交流電源であるため、この状況は、電流の半サイクルごとに反転される。反転が十分に頻繁に起こると、ターゲット７がアノードとしての役割を果たしているときに、ターゲット７上には非常に薄い絶縁体層しか形成されず、この非常に薄い層は、ターゲット７が負になる番になると、スパッタ除去され得る。同じことが、ターゲット８についても当てはまり得る。通常、図２に示されるようなシステムでは、電源１０の周波数は約４０ｋＨｚであり、これは、反転エネルギー１２．５μｓに対応する。
上記に述べたように、これは、成功アプローチであることが証明されているが、２つのターゲット７および８を必要とするため、システムの費用を増加し、メンテナンスを複雑にするという不利な点を有している。さらに、ターゲット７または８などのターゲットアセンブリの適切な設計は、ターゲット表面の上に磁場を作り出すことを伴い得る。この磁場は、ターゲットへの電子の流れを妨げ得る。これにより、アノード降下（正のターゲットとプラズマ２との間の電圧）が、１００ボルトという大きな値に増加され得、これにより、より高いエネルギーの基板ボンバードおよび基板加熱を引き起こし得る。また、特定の堆積レート（１ワットあたりのレート）は、アノード降下のカソード降下（負のターゲットとプラズマ２との間の電圧）に対する割合だけ低減され得る。
本発明の好適な実施形態の１つが、図３に示される。チャンバ１には、基板３、ターゲット４、ならびに少なくとも２つのアノード１１および１２が配置される。アノード駆動電源１４は、アノード変圧器１３により絶縁された交流電圧を２つのアノードに提供し、そのため、アノード１１が正に駆動されると、アノード１２が負に駆動され、その逆も起こる。変圧器１３の二次（secondary）は、「タップ」を有する。これは、端部から移動された点で、二次巻線への接続がなされることを意味する。タップは、電圧の等分割をもたらすように、変圧器の電気的中心にあってもなくてもよい。ターゲット４は、スパッタリング電力を供給するカソード電源６により、変圧器１３の二次のタップに対して負に保持される。
アノード電源１４の電圧サイクルが、アノード１１がアノード１２に対して正であるようなサイクルであるとき、アノード１１は、プラズマから電子を集める（即ち、アノード１１は、「電子収集」状態であると言うことができる）。これにより、変圧器１３の二次の左半分において、アノード１１からＤＣ電源６の正のリードに流れる電子電流が引き起こされる。これらの電子は、プラズマ２からターゲット４に到達するイオンと結合し、回路を完成させる。一方、アノード１２は、変圧器１３およびアノード電源１４の作用により、プラズマに対して負に駆動され、この負電位が、プラズマから追加のイオンを引きつける（即ち、アノードは、「イオン収集」状態である）。これらのイオンが、アノード１２の表面のスパッタリングを引き起こす。このアノード１２のスパッタリングは、アノード１２が正であり従ってプラズマ電位付近であったＡＣ電源１４の前の半サイクルでアノード１２に形成されていた可能性のある絶縁材料のいかなる蓄積をも除去する。
同様に、アノード電源１４の電圧サイクルが、アノード１２がアノード１１に対して正であるようなサイクルであるとき、アノード１２は、プラズマから電子を集める。これにより、変圧器１３の二次の右半分において、アノード１２からＤＣ電源６の正のリードに流れる電子電流が引き起こされる。これらの電子は、プラズマ２からターゲット４に到達するイオンと結合し、回路を完成させる。一方、アノード１１は、変圧器１３およびアノード電源１４の作用により、プラズマに対して負に駆動され、この負電位が、プラズマからイオンを引きつける。これにより、アノード１１の表面のスパッタリングが引き起こされる。このアノード１１のスパッタリングは、アノード１１が正であり従ってプラズマ電位付近であったＡＣ電源１４の前の半サイクルでアノード１１に形成されていた可能性のある絶縁材料のいかなる蓄積をも除去する。
このように、アノードエレメント１１および１２の各々は、ＡＣ電源１４の瞬間の極性に依存して、交互に真のアノード（電子コレクタ）およびスパッタカソード（イオンコレクタ）としての役割を果たす。
本発明の別の実施形態が、図４に示される。この図では、図３と比較して、追加のアノード１５が、ターゲット４付近に配置されている。３つのアノード１１、１２および１５は、３相変圧器１６を介して、３相電源１７により駆動される。この変圧器１６は、ここでは、デルタ−Ｙ接続で示されている。言うまでもなく、変圧器１６は、当該分野において周知であるように、Ｙ−Ｙ接続で構成されてもよい。Ｙ接続の特徴は、３つの二次巻線の各々の１つのリードが、通常「中立」点と呼ばれる共通点に接続されることである。カソード電源６の正のリードは、この共通点に接続され、負のリードは、カソード自体に接続される。
図５は、本発明のさらに他の実施形態を示す。この場合、多数のアノード１８が、ターゲット４に近接して配置され、パルス式アノード電源１９（多相であっても多相でなくてもよい）により駆動される。常に、少なくとも１つのアノードが正電位であり得る。これは、このアノードがプラズマ電位付近であり得、従って電子を集めることができ得るようにするため、または、少なくとも、すべてのアノードがプラズマに対して負であるいかなる期間も、プラズマが消滅しない程度に十分に短い時間に維持されるようにするためである。（本明細書で意図され、且つ、当業者が容易に理解するように、少なくとも１つのアノードは、プラズマが消滅しない限り、たとえ短時間の中断があったとしても、「常に」イオン収集状態である。）これは、プラズマ電位がチャンバに関して安定したままであること、および、スパッタリングプロセスが継続することを確実にし得る。アノード上のパルスは、パルスシーケンサユニット２０により、何らかのシーケンスでアノード上に配置され得る。各アノードがイオンを引きつけ、従って、スパッタリングされるようにするために、パルスは、パルスシーケンサユニット２０により作り出されたシーケンスの１サイクルにわたって、各アノードがプラズマに対して負電位を帯び得るように構成され得る。この作用により、パルスシーケンサユニット２０の各サイクルで、各アノードから材料の薄膜が除去されるはずである。これにより、各アノードの金属表面が導通状態のままであることが確実にされ得、そのため、各アノードは、パルス式電源１９により正に駆動される番になると、電子を効率的に引きつけるものになり得る（即ち、効率的にアノードとしての役割を果たし得る）。言うまでもなく、いずれかのアノードが負および正の状態で経過する時間は、同じでなくてもよく、いずれかの状態で経過する時間は、アノードごとに異なっていてもよく、そして、これらのタイミングは、ファクタの中でも特に、イオンと電子との相対移動度を考慮して、プロセスを最適化するように変更され得る。当業者が容易に理解するように、そのようなパルシングはまた、例えば正弦波交流タイプのシステムと比べて、プラズマに、より均一に電力を与えるという利点を提供し得る。
図６は、本発明の単一アノードの実施形態を示す。これは、カソード電源６の正のリードをチャンバ１に接続する直列電気（electrical）エレメント２１が追加されている点で、図１とは異なる。このエレメント２１は、ダイオードとして示されているが、コンデンサであってもよい。アノード電源１４は、絶縁変圧器１３を介して、アノード５に直列接続される。アノード電源１４（典型的には、ＡＣ）の極性が、アノードが正に駆動されるような極性であるとき、カソード電源６（典型的には、ＤＣ）の正のリードは負に駆動され、そして、カソード電流が、変圧器１３の二次巻線を介してアノード１４に流れる。アノード電源１４の極性が、アノードが負に駆動されるような極性であるとき、カソード電源６の正のリードは正に駆動され、そして、ダイオードが導通し、チャンバを一時的なアノードにする。
ダイオードとして示される電気エレメント２１がコンデンサと置き換えられると、コンデンサは、アノード電源１４のタイミングに依存する平均値まで充電される。コンデンサ２１は、アノード５が負に駆動されている間、アノード５およびターゲット４の両方のスパッタリングのスパッタリング電流により充電され、アノード５が正に駆動されると、放電される。
一旦、チャンバが絶縁層でコーティングされると、その薄膜がプラズマとともにコンデンサを形成し、そして、コンデンサ２１と同じ方法で動作することに注目され得る。これは、図７および図８に見られ得る。ここでは、単一アノードシステムが、チャンバ壁の拡大図とともに示されている。この拡大図は、等価コンデンサ２４を形成する堆積膜２３（絶縁性であっても絶縁性でなくてもよい）でコーティングされたチャンバ壁２２を示している。この等価コンデンサは、電気エレメント２１が回路中に配置された場合には、電気エレメント２１と効果的に直列になっていると考えられ、この電気エレメントは冗長になる。従って、図７および図８では、電気エレメントは、直接接続２５と置き換えられている。このとき、等価コンデンサは、容量電気エレメント２１の代わりをする。この場合、チャンバは、コーティングされるまで、アノードとしての役割を果たす。チャンバがコーティングされた時点で、アノードエレメントがこれを引き継ぐ。なぜなら、アノードエレメントは、アノード駆動電源１４の作用によりプラズマに対するアノードエレメントにおける周期的な負電位のために起こるスパッタリング作用により、清浄に保たれているからである。いずれの場合も、変圧器１３がその二次巻線において飽和せずにＤＣ電流を扱い得るように変圧器１３を設計するよう、注意しなければならない。なぜなら、二次における電流は、一般的な場合、平均化されてゼロにならないからである。いずれの場合も、変圧器１３がその二次巻線において飽和せずにＤＣ電流を扱い得るように変圧器１３を設計するよう、注意しなければならない。なぜなら、二次における電流は、一般的な場合、平均化されてゼロにならないからである。
すべての実施形態において、基板に化学化合物が形成されることが望ましい場合には、ターゲットからのスパッタ材料がガスと反応して基板上に化合物を形成し得るように、反応性ガス流がチャンバに導入されてもよい。一般的な例としては、ＳｉＯ2を得るために酸素存在下でシリコンをスパッタリングすること、Ａｌ2Ｏ3を得るために酸素存在下でアルミニウムをスパッタリングすること、ＡｌＮを得るために窒素存在下でアルミニウムをスパッタリングすること、などがある。
上記に述べたように、本発明は、様々な方法で実施され得る。さらに、本発明および請求の範囲の様々なエレメントの各々もまた、様々な態様で達成され得る。そのような変形が、いずれかの装置実施形態、方法またはプロセス実施形態の実施形態の変形であっても、単にこれらの実施形態のいずれかのエレメントの変形であっても、本開示がそのような変形の各々を含むことが理解されるはずである。具体的には、本開示が本発明のエレメントに関するため、各エレメントについての文言は、機能または結果だけが同じである場合であっても、等価な装置用語または方法用語で表現され得ることが理解されるはずである。そのような等価な用語、より広い用語、または、より一般的な用語は、各エレメントまたは作用の説明に含まれると考えられるはずである。本発明が権利を有する暗に広い適用範囲を明瞭にするために望ましい場合には、そのような用語が代わりに用いられ得る。ほんの一例としてではあるが、すべての作用が、その作用を起こすための手段として、または、その作用を引き起こすエレメントとして表現され得ることが理解されるはずである。同様に、開示された各々の物理的エレメントが、その物理的エレメントが容易にする作用の開示を含むことが理解されるはずである。この最後の局面に関して、「スイッチ」の開示は、はっきりと説明されていても説明されていなくても、「切り換え」動作の開示を含むことが理解されるはずである。逆に、「切り換え」動作の開示しかない場合であっても、そのような開示が、「スイッチ」の開示を含むことが理解されるはずである。そのような変更および代替用語は、本明細書に明らかに含まれることが理解されるはずである。
上記説明と、以下の請求の範囲とは、本発明の好適な実施形態を示している。特に請求の範囲に関しては、請求の範囲の本質から逸脱することなく、変更がなされ得ることが理解されるはずである。この点に関して、そのような変更が、依然として本発明の範囲内にあることが意図される。本発明に対して達成され得るすべての可能な修正を説明し且つ請求することは、単に実際的ではない。そのような修正が本発明の本質を用いる程度に、各修正は、当然、本特許により達成される保護範囲内にある。これは、本発明について特に当てはまる。なぜなら、本発明の基本的な概念および理解が、本質的に根本的なものであり、様々な方法で様々な分野に適用され得るからである。
さらに、本特許出願において言及されるいかなる引用文献も、本願の出願当初に提出されたいかなる情報開示にも挙げられるすべての引用文献も、その全体を、そのような引用文献が本発明の実施可能性を支持するために不可欠であると思われ得る程度に、本明細書において参考として援用する。しかし、記述が本発明の特許付与と一致していないと考えられ得る程度には、そのような記述は明らかに、出願人によりなされたものと見なされるべきではない。
【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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