JP2005534811A - 陰極スパッタリングによって２つの材料を交互に堆積するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも２つの物質の種々異なる重畳した層から形成された層システムの堆積用の陰極スパッタリングによって２つの材料を交互に堆積するための方法及び所属の装置に関しており、その際、種々異なる材料の少なくとも２つの、電気的に相互に結合された部分ターゲットから形成されているターゲットのうち、前記部分ターゲットは種々異なったプラズマ密度にさらされており、第１の作動状態では、磁場形成装置が励起され、該励起は、先ず一方の材料製の第１の部分ターゲットがマグネトロン放電によってスパッタリングされ、他方で、他方の材料製の第２の部分ターゲットが磁場が強化されていないグロー放電にさらされて、スパッタリングされないように行われ、第２の部分ターゲットがマグネトロン放電によってスパッタリングされるように行われ、その後、前記第１の作動状態に戻ることができる。

Description

本発明は、固定的に設けられた基板上に、マグネトロン源を有する、スパッタリングとも言う陰極スパッタリングによって２つの物質の種々異なる材料を交互に堆積するための方法及び装置に関している。本発明は、電子機器、センサ装置、マイクロメカニック装置用の多層システムの堆積用、及び、薄膜メモリ媒体の製造用に用いられる。

最近の薄膜製品の製造の際、マグネトロンスパッタリング方法及び装置が、基板の定常的な堆積のために頻繁に用いられている。これは、共通に１つの層システムを形成する、種々異なる材料製の多数の個別層でも該当する。そのような層システムの製造コストを制限するために、各々１つのマグネトロン源を用いて、種々異なる物質の材料からなる２つの層を順次連続して堆積することができるようにされている。そのために、マグネトロン源は、種々異なった材料をスパッタリングするのに適している必要がある。別の要求は、一般的に、基板面全体に亘って層厚及び層特性が高い均一度であるようにすることである。

この理由から、回転対称なターゲットがよく使われるが、各マグネトロン源を並列に設けても、所定の基板形状の場合には、良好な均一度が達成できる。

同心状のリング状の放電ゾーンを有する多数のマグネトロン源が公知である。これらの解決手段全てに共通していることは、例えば、半導体メタライジング及びマイクロ構造の製造の際に必要であるように、できる限り大きな基板面上に均一な層厚を達成するため、又は、基板上の段の被覆を改善するために、１つのターゲット材料しかスパッタリングされない点にある。複数材料を交互に堆積するために、このシステムは使用することができない。その理由は、個別放電ゾーン内での陰極スパッタリングによって基板に達する全てのコーティング成分の重畳によって初めて、所要の層厚の均一度が達成されるからである。

ドイツ連邦共和国特許公開第４１２７２６１Ｃ１号公報には、同心状の各マグネトロン装置、及び、直流分離された部分ターゲット及び別個のマグネットシステムを用いて、種々異なる２つの材料を同時に又は順次連続して堆積するためのスパッタ装置が記載されている。この装置は、両材料が同時にスパッタリングされる場合には、混合層の堆積に良好に適している。この個別部分ターゲットは、各々、コーティング材料で、基板が均一に被覆されるように幾何形状が構成されている。しかし、各材料を時間的に順次連続してスパッタリングする場合、それぞれスパッタリングされない部分ターゲットが、他の部分ターゲットのスパッタリング材料で混ぜ合わされてしまう。この理由は、この基板上のみならず、スイッチオフされている部分ターゲット上にも、このスパッタリング材料が堆積されるからである。このような混ぜ合わせられたものは、スイッチオンされている部分ターゲットの本来の材料が除去されて、層として基板上に堆積される前に、ターゲットの切換後除去する必要がある。スパッタリングすべきでない各部分ターゲット上の小さな電力密度のマグネトロン放電をスイッチオンしても、この欠点は克服されない。つまり、各新規堆積の前にクリーニングステップが必要である。さもないと、成長層が、その下側に位置している層の材料で混ぜ合わされてしまうからである。

本発明の課題は、個別コーティング間に付加的なクリーニングステップなしに、固定基板のコーティング用のマグネトロン源を用いて、種々異なった物質の合成したものの２つの材料の交互スパッタリングを行うことができるようにし、各々他の層の材料によって各層が相互に混ぜ合わされず、各個別層が高い均一度となるようにすることである。

この課題は、請求項１記載の各要件を有する方法によって解決される。請求項２から５には、方法の特に有利な実施例が記載されている。本発明の方法を実施するための装置は、請求項６に記載されている。請求項７から１２には、この装置の別の実施例が記載されている。

本発明の核心的技術思想は、有利には、同心状に構成された２つの部分ターゲットの形状での、順次連続するか、又は、交互にスパッタリングすべき両方の材料が、各々決められた電気ポテンシャルに接続されるやり方にあり、その際、この電気ポテンシャルは、陽極に対して気体放電を維持するのに十分な大きさである。この気体放電は、極めて種々異なったプラズマ密度の、並行して作動される２つの領域から形成され、その際、２つの物質の種々異なった部分ターゲットの分離線の領域内でのプラズマ密度が、急激な変化を有する。適切な磁場形成装置によって、気体放電の２つの状態を調整することができ、その際、一方の状態では、一方の部分ターゲット上にマグネトロン放電が形成されて、この部分ターゲットがスパッタリングされ、他方の状態では、他方の部分ターゲット上に、マグネトロン放電が形成されて、この部分ターゲットがスパッタリングされる。適切な手段により、これら両状態間の切換が可能である。更に、磁場形成装置は、各々僅かなプラズマ密度が印加された他方の部分ターゲットでの気体放電により、スパッタリングされた粒子が蓄積するのが阻止され、又は、少なくとも大きなオーダーで低減される（この部分ターゲット自身はスパッタリングされない）。既述の方法により、一方の材料のスパッタリングで形成された層が各々他方の材料で混ぜ合わされるのを回避できることは、測定精度の範囲内で実験により証明することができる。その際、本発明にとって重要な点は、両作動状態、つまり、種々異なったプラズマ密度間での切換は、ターゲット表面での磁場強度の磁場方向を切り換えることによって実施することができる点にある。磁場方向をこのように切り換えることにより、プラズマ密度で生じる急激な変化により予期されるよりもかなり強く、ターゲット材料のスパッタリングの効果が影響される。ターゲット表面から磁力線がほぼ垂直方向に出る場合には、放電の比較的高いプラズマ密度の場合でも、ターゲット材料の定格スパッタリングが小さくなる。しかし、このようにして維持される放電は、隣接するスパッタプロセスの寄生的なコーティングによってターゲット表面が汚濁されるのを回避するのに十分な大きさである。磁場強度の配向が、ターゲット表面の法線から離れて、有利には、ターゲット表面に対してほぼ並行な磁力線の方向になされると、直ぐに、ターゲット材料の効果的なスパッタリングが形成される。ターゲット表面は何時でも異物材料によってさほど汚濁されないので、付加的なクリーニングステップは必要ない。

本発明の方法の核心的技術思想は、一方の部分ターゲットのスパッタリング中、各々、他の材料からなる別の部分ターゲットが、プラズマ放電が点火される作動状態に保持され、プラズマ放電は、ターゲット表面からほぼ垂直方向に出る磁場強度の磁場によって維持され、このプラズマ放電により、この部分ターゲットがさほどスパッタリングされないという点にある。ターゲット表面に対してほぼ平行な磁力線の方向に磁場強度を切り換えることによって、この部分ターゲットが続いてスパッタリングされる。それと同時に、これまでスパッタリングされた部分ターゲット上で、このターゲットに対してほぼ平行な磁場方向が、垂直方向に切り換えられ、そうすることによって、今度は、この部分ターゲットが、汚濁しないように保護されるのみならず、コーティングプロセスにもはや寄与しなくなる。両作動状態間で複数回切り換えることによって、このようにして、交互に切り換えて個別層の積層を高い有効性で、途中で切り換えられるクリーニングステップなしに堆積することができる。

また、種々異なる材料の少なくとも２つの部分ターゲットからなり、その電気的ポテンシャルが同じか又は相互に近いターゲットのうち、両部分ターゲットは、種々異なったプラズマ密度にさらされており、その際、第１の作動状態では、磁場形成装置は、先ず、一方の材料からなる第１の部分ターゲットがマグネトロン放電によってスパッタリングされ、他方の材料からなる第２の部分ターゲットが磁場が強化されていないグロー放電にさらされるように励起され、その際、スパッタリングされず、続いて、第２の作動状態で、磁場形成装置が、第１の部分ターゲットが磁場が強化されていないグロー放電にさらされ、その際、スパッタリングざず、第２の部分ターゲットがマグネトロン放電によってスパッタリングされるように励起され、その後、第１の作動状態に戻ることができる。

本発明の方法は、殊に、回転対称な部分ターゲットの使用に適している。内側の、円形の平坦な、各材料の一方からなる部分ターゲットと、外側の、ほぼ台形状横断面の、他方の材料からなるリング状の部分ターゲットの場合、台形状の部分ターゲットの法線の配向は、適切に離隔された扁平な基板上での各部分ターゲットの各々のスパッタリングの際、ほぼ同じ層厚分布が形成されるように行われる。この要求を満たすために、部分ターゲット上のエロージョンゾーンの直径、並びに、外側部分ターゲットの台形の角度は、公知のシミュレーション計算によって、又は、コーティングの実験によって、及び、通常の、層厚の制御測定によって最適化されて決められる。ターゲットの幾何的なパラメータに対する一般的に妥当する情報は該当しない。その理由は、別の方法特性量、殊に、基板の直径及び間隔、並びに、作動気体の圧力が影響するからである。しかし、本発明の方式は、これらの方法特性量にほぼ依存しない。

本発明のスパッタリング方法は、典型的には直流電流で実行される。それにも拘わらず、例えば、１．．．１００ｋＨｚの周波数領域内の、パルス状電圧を使うと目的に適っている。そうすることによって、層堆積プロセスを活発なエネルギで作動することができ、そうすることによって、体積される各層の構造及び特性を改善することができる。

有利には、方法を実施するための装置は、中心内の材料Ａの扁平な円形状部分ターゲットと、材料Ｂの同軸状のリング状部分ターゲットとを有するマグネトロンスパッタ源（ほぼ台形状のプロフィールを有している）を有している。各部分ターゲット間の各法線は、前述の台形の角度４をなしている。有利には、両部分ターゲットは、直接導電接続されており、共通の冷却プレート上に熱伝導するように固定されている。両部分ターゲットは、抵抗性及び／又は誘導性及び／又は容量性構成素子によって相互に電気的に結合されているようにすると目的に適っている。両部分ターゲット間の分離線は、各部分ターゲットが直接結合されている場合には、有利には、間隙なしに構成するとよい。磁場形成装置として、有利には、一体的な強磁性ヨークを備えた、別個に制御可能な、同軸状の複数のコイル巻線（３つの同心状の強磁性極片が備えられている）からなる電磁石を使うとよい。中間の極片は、各部分ターゲットの分離線の領域内に設け、内側の極片は、内側部分ターゲットの中心内に設け、外側極片は、外側部分ターゲットの外側に設けるとよい。

電流給電装置によって、本発明の方法を実施するための両作動状態に相応している、種々異なった磁場を形成することができる。材料Ａからなる部分ターゲットのスパッタリングの際、内側極片の領域内に狭幅に限定して出て、中間の極片と外側の極片との間の拡張領域内に、磁力線がほぼ垂直方向に入る、反対極性の拡張磁極を形成する磁場が形成される。それに対して、材料Ｂからなるほぼ台形状の横断面の部分ターゲットのスパッタリングの際、装置は、外側極片の領域内に、狭幅に制限された強い磁極と、中間極片と内側極片との間の拡張領域内に、磁力線のほぼ垂直方向の出口がある拡張極を有している。これらの、形状及び値が種々異なる２つの磁場間で、電気手段によって僅かな時定数で切り換えることができると特に有利である。そのために、各コイルは個別に励起可能であり、又は、各コイル巻線内の各コイル電流の組合せが適切に調整される。装置の比較的長い作動時には、公知のように、エロージョンによって、ターゲットの形状、従って、徐々にターゲット表面上に作用する磁場の大きさ及び形状が変化する。従って、特に有利には、この影響を、コイル電流を持続的又は段階的に変化することによってほぼ補償することができ、その際、磁場の既述の要件は維持され続ける。特に有利には、磁場形成装置の両作動状態間が急速に切り換えられる。その理由は、個別層間の特にシャープな境界が達成されるからである。この切換にとって特に有利には、１００ｍｓより小さい時定数、特に有利には５ｍｓより小さな時定数にするとよい。

装置のアースを陽極として接続すると目的に適っている。幾つかの用途では、装置アースから電気的に切り離された別個の陽極を装置に構成すると目的に適っている。

本発明の特に小型で有利な構成は、気体供給システムが統合されたコーティング源を有している。

本発明に相応する方法及び装置について、以下、図示の実施例を用いて詳細に説明する。

この方法により、スパッタ装置のプロセスステーション内で、多数の扁平な円形状基板、例えば、磁気データ坦体として公知のような基板が、相互に個別に１００ｎｍ厚の強磁性クロム合金、及び、２０ｎｍ厚のチタン化合物でコーティングされ、その際、各基板の位置決めは、両層の堆積のために変化しない。

図面：
図１は、方法を実施するための２つの回転対称な部分ターゲットを備えたスパッタ源の部分略図、
図２は、内側部分ターゲットのスパッタ時の磁場を示す図、
図３は、外側部分ターゲットのスパッタ時の磁場を示す図
である。

図１には、方法の実施のための装置が示されている。この装置は、マグネトロンスパッタ源を有している。扁平部分ターゲット１の形状でのクロム合金及び部分ターゲット２の形状でのチタン化合物は、導電性の冷却プレート３上に共通にボンディングされていて、スパッタ電流給電装置と陰極により結合されている。部分ターゲット２は、ほぼ台形のプロフィールを有している。各部分ターゲットの各法線は、円錐角度４をなしている。部分ターゲット１，２の下側には、コイル５及び６が位置しており、磁場形成装置の構成部分は、種々異なった大きさ及び方向の電流を用いて共通に励起することができる。更に、電磁石は、３つの同心状の強磁性極片８，９，１０を備えたヨークを有している。中間の極片９は、各部分ターゲットの分離線の領域内に位置しており、内側極片は、内側部分ターゲット１の中心に位置しており、外側極片１０は、外側部分ターゲットの限界をなしている。

クロム合金のスパッタリングのために、スイッチング可能なコイル電流給電装置（図示していない）を用いて、コイル５及び６が、種々異なった大きさと方向の所定の電流で共通に励起される。コイル５，６の個別磁場のスパッタ位置によって、図２に示した磁場が形成される。陰極のスイッチングの際、部分ターゲット１上に、陽極としてスイッチングされているコーティング室に対して負の電位によって、０．５Ｐａの圧力でアルゴンが充填されたコーティング室内でマグネトロン放電が形成される。ターゲット２の領域内には、同様に、気体放電が形成されるが、磁力線は、ほぼ垂直方向にターゲット表面から出ているので、磁場は増強されていない。プラズマ密度は、各部分ターゲット間の分離線１１の領域内で、際だった勾配を有している。部分ターゲット２は、スパッタリングされないが、部分ターゲットは、クロム合金の層で実際上被覆もされない。８０ｍｍの間隔で部分ターゲット１に対して平行且つ中心に設けられた基板（図示していない）上には、１．５ｓで１６Ｗｃｍ^−２の電力密度で、獲得したい厚みの層が形成される。均一度は、４６ｍｍ〜１４ｍｍ基板半径の利用基板面上で±２％の大きさである。最高ターゲットエロージョンのゾーンは、直径１１８ｍｍを有している。

２ミリ秒以内でのコイル電流の大きさ及び方向の変化によって、ターゲットの電気ポテンシャルが変化せずに、図３に相応した磁場が形成される。気体放電は、部分ターゲット２上に、マグネトロン放電の形式でのプラズマ密度及びプラズマ密度分布が作用するように形成される。それに対して、部分ターゲット１の領域内では、磁気的に増強されていないグロー放電が点火される。例えば、直径１７２ｍｍ、及び、円錐角度４〜３５°での、部分ターゲット２上でのエロージョンゾーンの位置により、所与の基板領域上で堆積される、チタン化合物製の層が、±１．５％の均一度を有していて、クロムを含まないようにされる。この層の堆積のために、１２Ｗｃｍ^−２の平均電力密度で、０．９ｓの時間が必要である。

前述の方法及び方法の実施のための装置について、分かりやすく説明したが、両材料の複数部分層からなる交番層のシステム（所謂マルチレイヤー）を高い精度と境界面での材料移行をシャープにして製造するのにも適している。

方法を実施するための２つの回転対称な部分ターゲットを備えたスパッタ源の部分略図 内側部分ターゲットのスパッタ時の磁場を示す図 外側部分ターゲットのスパッタ時の磁場を示す図

Claims (12)

1. 少なくとも２つの物質の種々異なる重畳した層から形成された層システムの堆積用の陰極スパッタリングによって２つの材料を交互に堆積するための方法において、
   種々異なる材料の少なくとも２つの、電気的に相互に結合された部分ターゲットから形成されているターゲットのうち、前記部分ターゲットは種々異なったプラズマ密度にさらされており、第１の作動状態では、磁場形成装置が励起され、該励起は、先ず一方の材料製の第１の部分ターゲットがマグネトロン放電によってスパッタリングされ、他方で、他方の材料製の第２の部分ターゲットが磁場増幅されていないグロー放電にさらされて、スパッタリングされないように行われ、続いて、第２の作動状態では、前記磁場形成装置の励起は、前記第１の部分ターゲットが磁場増幅されていないグロー放電さらされて、スパッタリングされず、前記第２の部分ターゲットがマグネトロン放電によってスパッタリングされるように行われ、その後、前記第１の作動状態に戻ることができることを特徴とする方法。
2. マグネトロン放電は、各作動状態で、基板上に各々成長された層の層厚が、少なくとも前記基板の部分領域上で均一であるように調整される請求項１記載の方法。
3. 少なくとも１００ミリ秒より短い、有利には、５ミリ秒より短い所定時間内に各磁場形態間の切換を行う請求項１又は２記載の方法。
4. 陰極スパッタリングを直流電圧で行う請求項1から3迄の何れか1記載の方法。
5. 陰極スパッタリングを、ユニポーラパルス状直流電圧、有利には、１．．．１００ｋＨｚの領域内のパルス周波数の直流電圧で行う請求項1から3迄の何れか1記載の方法。
6. 同心状に設けられた２つの、種々異なる材料製の部分ターゲット（１，２）を有する、請求項１から５迄の何れか1記載の方法を実施するための装置において、
   ２つの同心状部分ターゲット（１，２）の各法線間の円錐角度（４）は、１０°〜５５°の領域内であり、電磁石は、有利には共通のマグネットヨーク（７）からなり、前記マグネットヨーク（７）は、３つの同心状強磁性極片（８，９，１０）と少なくとも２つの別個に制御可能な同心状コイル（５，６）とを有しており、コイル電流の維持及び切換用の手段は、一方の作動状態で、磁場を形成することができるように構成されており、前記磁場の形成は、磁力線が前記部分ターゲット（１）上で内側極片（８）の近傍で狭幅に隣り合っており、中間極片（９）と外側極片（１０）との間の領域内では、相互に広幅に離隔されていて、外側部分ターゲット（２）にほぼ垂直方向になるようにされており、他方の作動状態では、磁場の形成が、磁力線が前記部分ターゲット（２）上で前記外側極片（１０）の近傍で狭幅に隣り合っており、前記中間極片（９）と前記内側極片（８）との間の領域内では、相互に広幅に離隔されていて、前記内側部分ターゲット（１）にほぼ垂直方向になるようにされていることを特徴とする装置。
7. 外側部分ターゲット（２）は、ほぼ台形状の横断面を有しており、内側部分ターゲット（１）は、ほぼ矩形状の横断面を有しており、前記各ターゲットの形状及び前記各ターゲット上のエロージョンゾーンの位置は、２つの物質の異なった材料のスパッタリング用に適切に離隔された基板上に、当該基板上のほぼ同じ層厚分布が形成されるようにディメンショニングされている請求項６記載の装置。
8. 陽極は、装置のアースから絶縁されている請求項６又は７記載の装置。
9. 気体供給システムは、コーティング源に統合されている請求項６から８迄の何れか1記載の装置。
10. 部分ターゲットは、相互に導電接続されている請求項６から９迄の何れか1記載の装置。
11. 部分ターゲットは、抵抗性及び／又は誘導性及び／又は容量性構成素子によって相互に電気的に結合されている請求項６から９迄の何れか1記載の装置。
12. 各部分ターゲット（１，２）用の共通の冷却プレートが設けられており、前記各部分ターゲットは、非常に良好に熱伝導及び導電するように冷却プレートと結合されている請求項６から１１迄の何れか1記載の装置。

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