JP6539649B2 - 電気絶縁層の反応スパッタ堆積用のターゲット - Google Patents

Description

本発明は、コーティングチャンバー内での電気絶縁層の反応スパッタ堆積用のターゲットの使用により、やはりコーティングチャンバー内に配置されたアノードへのターゲット表面からの火花放電の発生が防止されるようにターゲット表面が設計されたターゲットに関する。

従来技術
スパッタリング技術（「スパッタリングプロセス」、「ＨｉＰＩＭＳプロセス」及び「スパッタ堆積」などの用語を以下で使用する）を用いたコーティングプロセスは、電圧源又は電源による負電圧の適用によりカソードとして接続された少なくとも１つのいわゆるターゲットの使用によって真空チャンバー内で実行される。スパッタリングプロセスにおいて、やはりコーティングチャンバーに存在する少なくとも１つの付加的な電極がアノードとして接続される。原則として不活性ガスであるいわゆる作用ガスがコーティングチャンバーに導入され、正に帯電したイオンがそれから生成される。正に帯電した作用ガスはターゲット表面で加速され、それで加速イオンとの衝突により粒子がターゲット表面から放出される。プロセスパラメーターに依存して、ターゲットから放出される粒子は或る程度にイオン化され、コーティングすべき基板表面に堆積する。金属ターゲットが使用される場合、スパッタリングプロセスの間にターゲットから生成されるイオンはしばしば金属イオンと称される。アルゴンが通常、しかし絶対に専門的にではなく、作用ガスとして使用される。

非金属層がスパッタリングプロセスにより金属ターゲットから析出される場合、金属ターゲットから生成される金属イオンと反応し得るいわゆる反応ガスが、コーティングチャンバーに導入されてもよい。このようにして、反応ガスとターゲットから生成されるイオンとの反応から生じる物質がコーティングすべき基板表面上に薄層として堆積される。

金属ターゲットと、少数の例を挙げればＯ_２，Ｎ_２，Ｃ_２Ｈ_２，ＣＨ_４などの反応ガスの導入により、これは、基板表面における反応と、酸化物、窒化物、炭化物又はその混合物（該混合物は酸素窒化物、炭素窒化物（carbonitride）、カルボキシ窒化物を含む）などの対応する複合物質の形成をもたらす。

コーティングチャンバー内部の周囲ガス内での散乱プロセスのために、また電気的又は電磁的引力のために、ターゲットからすでにスパッタされた粒子とイオン化原子がターゲットに運ばれて戻る。本発明の文脈では、この現象を「再堆積」と称する。これは特にターゲットエッジで生じ、というのもスパッタ率が他のターゲット表面領域に比べてそこでは非常に低いからである。しかし、再堆積は一般に、例えばトラック（racetrack）の外側で、低いスパッタ率を有するターゲット表面の全ての領域で大量に期待できる。

いわゆる「再堆積」のためにターゲット表面に戻る粒子、特にイオン化原子は、反応ガスと反応でき、従って反応から生じる複合物質から成る薄膜（フィルム）を形成し得る。これは特に、加速された「再堆積」によってターゲット表面領域を覆う。

反応から生じる複合物質が低い電気伝導率を有する物質である場合、遅かれ早かれ火花放電の問題を生じる電気絶縁膜、例えば酸化膜がターゲット表面に形成される。

例えばターゲットエッジでの絶縁コーティングの形成は、コーティング表面とスパッタリングターゲットの間の電荷の蓄積をもたらし、さらなる結果として破壊的な電荷をもたらし、従ってターゲット表面からアノードへの火花放電が発生する。火花放電の発生はスパッタリングプロセス全体を不安定にし、その際、層構造に所望でない欠陥をも生じさせる。

特許明細書（特許文献１）では、ターゲットに適用される負電圧の極性が１〜１０マイクロ秒の間逆転される点で、反応スパッタリングプロセスは安定化される。この場合、逆極性電圧が負電圧の５〜２０％であるとよい。これにより、反応スパッタリングプロセスにおける放電の優れた安定化を実現できる。しかし、このソリューションは酸化アルミニウムなどの幾つかの複合物質の反応スパッタ堆積では満足のいくものではない。というのは、このような物質は高い電気絶縁作用を有し、このような薄膜、例えば酸化アルミニウム膜がターゲット表面に形成されたときに、当該プロセスが不安定になり、それでこの手段はもはや当該プロセスを安定化するのに十分でないからである。

特許出願（特許文献２）では、コーティング物質で覆われるターゲットエッジの傾向を低減することを意図した斜めの縁を有するターゲットデザインが開示されている。このソリューションは、ターゲットエッジ領域への粒子の「再堆積」を防ぐ又は少なくとも遅延させることを意図している。コーティング物質によるターゲットエッジの被覆はこの手段によって遅らせることができるが、どんな高い電気絶縁複合物質の膜の形成も常に、特にターゲットエッジからアノードへの火花放電の危険を含んでいる。これは、例えば酸化アルミニウム層の反応スパッタ堆積の場合にしばしば生じる。

前述した火花放電の問題は特に、アルミニウムから作られた金属ターゲットと酸素の形式の反応ガスが使用される、反応ハイパワーインパルススパッタリング（ＨｉＰＩＭＳ）プロセスにより酸化アルミニウム層を堆積する際に伝えられている。

本発明の意味において、用語「ＨｉＰＩＭＳプロセス」は、少なくとも０．２Ａ／ｃｍ^２の又は０．２Ａ／ｃｍ^２より大きいスパッタリング放電の電流密度、又は少なくとも１００Ｗ／ｃｍ^２の又は１００Ｗ／ｃｍ^２より大きい出力密度を使用するスパッタリングプロセスを言う時に使用される。

ＥＰ０６９２１３８Ｂ１ ＷＯ９９／６３１２８

本発明の目的
本発明の目的は、反応スパッタリングプロセスによる電気絶縁層の堆積の際にターゲットとアノードの間での火花放電の発生のために生じるプロセスの不安定性を回避することができる実施形態を創出することである。

本発明の記載
本発明の目的は、ターゲットが請求項１に記載されるデザインにより作られ、反応スパッタリングプロセス、特に反応ＨｉＰＩＭＳプロセスを実行するために使用されることで達成される。

本発明は、コーティングチャンバーにおける電気絶縁層の反応スパッタ堆積用のターゲットの使用により、やはりコーティングチャンバーに配置されたアノードへのターゲット表面からの火花放電の発生が防止されるようにターゲット表面が設計されたターゲットに関する。

本発明に係るターゲットは図１に概略的に描かれており、少なくとも表面領域１０では、少なくとも１つの第１領域Ｂ_Ｍ１と少なくとも１つの第２領域Ｂ_Ｍ２を含む。
ここで、
・第１領域Ｂ_Ｍ１は第１物質Ｍ_１で作られ、第１物質Ｍ_１は、反応から生じるＭ_１含有複合物質がコーティングすべき基板をコーティングするための所望な層物質の組成に対応するように、反応ガスと反応する１又は複数の元素から成り、
・第２領域Ｂ_Ｍ２は第２物質Ｍ_２で作られ、第２物質Ｍ_２は、前述した反応ガスに対して不活性な１若しくは複数の元素、又は反応から生じるＭ_２含有複合物質がＭ_１含有複合物質に比べて高い電気伝導率を有するように前述した反応ガスと反応する１若しくは複数の元素から成り、
・Ｍ_１≠Ｍ_２である。

好ましくは、第１領域Ｂ_Ｍ１は、ターゲットからの粒子のスパッタリングのために高い浸食率（浸食速度）を受けるターゲット表面の領域を取り囲むターゲットの領域である。これは特に、トラックが期待されるターゲット表面の領域を指す。ターゲット表面上のトラックの位置は様々なプロセスパラメーター（主にターゲットでの磁場特性、だが例えばターゲット形状（外形）も）に依存するので、本発明により規定される第１領域Ｂ_Ｍ１は対応するプロセスパラメーター及びプロセス条件の関数として選択できる。

好ましくは、第２領域Ｂ_Ｍ２は、ターゲットからの粒子のスパッタリングによって低い浸食率を受けるターゲット表面の領域を含むターゲットの領域である。これは特に、トラックが期待されないターゲット表面の領域を指す。第１領域Ｂ_Ｍ１の選択と似た方法で、本発明により規定される第２領域Ｂ_Ｍ２は対応するプロセスパラメーター及びプロセス条件の関数として選択できる。

好ましくは、図１の例により示されるように、第１領域Ｂ_Ｍ１はターゲットのコア領域（芯領域）を含む。

好ましくは、図１の例により示されるように、第２領域Ｂ_Ｍ２はターゲットのエッジ領域を含む。

好ましくは、Ｍ_２と反応から生じるＭ_２含有複合物質の両方が、ターゲット表面のエッジ領域とコーティングチャンバー内のアノードとの間の火花放電の生成を回避し又は好ましくは完全に防ぐのに十分高い電気伝導率を有するように、第２物質Ｍ_２は選択される。

本発明の好ましい実施形態によれば、第２物質Ｍ_２は、第１物質Ｍ_１にも含まれる少なくとも１つの元素を含む。

本発明の別な好ましい実施形態によれば、第１物質Ｍ_１は、金属又は複数の金属の組み合わせを含む。幾つかのコーティングプロセスのために、第１物質Ｍ_１は金属から成る又は複数の金属の組み合わせから成ると有利である。

本発明の異なる好ましい実施形態によれば、第２物質Ｍ_２は、金属又は複数の金属の組み合わせを含む。幾つかのコーティングプロセスのために、第２物質Ｍ_２は金属から成る又は複数の金属の組み合わせから成ると有利である。

本発明を例と図に関連して以下でより詳細に説明する。

本発明に係るターゲットを概略的に描く図である。 反応ＨｉＰＩＭＳプロセスの火花放電の経時シーケンスを示す。 反応ＨｉＰＩＭＳプロセスの火花放電の経時シーケンスを示す。 本発明の好ましい実施形態に従うターゲットを通る断面の概略図である。 本発明の別な好ましい実施形態に従うターゲットを通る断面の概略図である。 本発明の３つの他の好ましい実施形態に従って設計された、３つのターゲットを通る断面の概略的描写を示す図である。 火花放電を妨げる経時シーケンスを示す図である。 コーティングチャンバーの高さにわたって様々な位置に分配された、基板上に堆積した酸化アルミニウム層の測定されたクロム濃度を示す図である。

反応ガスとしての酸素とアルミニウムを含むターゲットを使用して、本発明者らは、Oerlikon Balzers社製のタイプIngenia S3p（登録商標）の高出力インパルスマグネトロンスパッタコーティング装置にて多数のコーティング試験を行った。

酸素雰囲気における酸化物層のＨｉＰＩＭＳ堆積のプロセス安定性を試験するために、異なるクロム含有量を有するターゲットがテストされた。これにより、増大するクロム含有量に伴い火花放電の傾向が低くなることが判明した。本発明者の意見では、これに対する説明は、増大するクロム含有量を有する堆積したアルミニウムクロム酸化物層の電気絶縁性質が減少することにある。

図２は、２つの異なる反応ＨｉＰＩＭＳプロセスの火花放電の経時シーケンスを示す。

図２ａに示すシーケンスは、９９．９原子％のアルミニウム濃度を有するアルミニウムターゲットを使用したＨｉＰＩＭＳプロセスに属する。ターゲットにて使用されるスパッタリング出力密度は３００Ｗ／ｃｍ^２だった。アルゴンが先ずコーティングチャンバーに導入され、作動ガスとして使用された。当該プロセスは圧力制御により、０．６Ｐａの全体プロセス圧力で実行された。ターゲットを調整するために、ターゲット上でのスパッタリングプロセスがアルゴン雰囲気中でシャッターの背後で時刻ｔ_０で開始された。ターゲット調整インターバルの後、時刻ｔ１で、酸素がコーティングチャンバーに導入され、酸素分圧が１００ｍＰａに維持された。時刻ｔ２では、この時刻以降にコーティングすべき基板表面への酸化物層の析出が開始されるように、シャッターがターゲットから取り除かれた。図２ａに示すように、強力で頻度の多い火花放電が酸化物層の堆積の間に観測された。ＨｉＰＩＭＳプロセスの実行後、本発明者等は使用されたターゲットを検査し、ターゲット表面のエッジ領域で火花放電の明確な痕跡を確認した。

図２ｂに示すシーケンスは、５０：５０原子％のアルミニウムクロム濃度を有するアルミニウムクロムターゲットを使用したＨｉＰＩＭＳプロセスに属する。他の点では、前述したＨｉＰＩＭＳプロセスのものと同じプロセスパラメーター及び同じプロセスシーケンスを使用した。図２ｂに示すように、今回、酸化物層の堆積の間に明確な火花放電は観測できなかった。本発明者等は同様にＨｉＰＩＭＳプロセスの実行後、使用されたターゲットを検査したが、今回はターゲット表面のエッジ領域で火花放電の痕跡を確認できなかった。

これらのテストの後、本発明者等は、所望の層の堆積のための物質Ｍ_１に加えて、少なくともターゲット表面のエッジ領域に第２物質Ｍ_２を有し、反応スパッタリング又はＨｉＰＩＭＳ層堆積の間に火花放電を生じる傾向が無いターゲットを設計することを突如発案した。

以下では、本発明に従う実施形態を有するターゲットの多数の好ましい実施形態を開示する。これらは、破壊的な放電の傾向を低減し又は火花放電を作る傾向を低減し、従って反応スパッタリングプロセス又はＨｉＰＩＭＳプロセスにより安定したプロセスで電気絶縁層の堆積を達成する。

図３は、本発明の好ましい実施形態に従うターゲットを通る断面の概略図である。所望な層を作るために使用される第１物質Ｍ_１はターゲットのコア領域に位置している。反応スパッタリングプロセスの間に火花放電を発生させる傾向がＭ_１よりも低い第２物質Ｍ_２は、より大きな浸食が生じるターゲットのエッジ領域に第１物質Ｍ_１と結合して位置している。前述したように、火花放電を生じるより大きな傾向は特に、スパッタリングプロセスの間に僅かな浸食が生じる、トラックが発見されないターゲット表面の領域で予期される。これが、第２物質Ｍ_２が正確にこの位置に位置決めされるべき理由である。第２物質Ｍ_２が本発明に従い存在すべき箇所であるターゲットの領域は低いスパッタ率により特徴付けられるので、この第２物質Ｍ_２の割合は、コーティングすべき基板上に堆積される層の組成において非常に低い。ここでターゲットのコア領域と呼ばれるターゲット領域のエリアの寸法は、図３に示すように、ターゲットの厚みに対して変わってもよい。図３はまた、マグネトロンの磁場により形成される領域であって、少なくともターゲットのエッジ領域で第１物質Ｍ_１と第２物質Ｍ_２に重なるプラズマ領域３を示している。

幾つかのテストでは、例えば図３及び図５で概略的に描かれているように、ターゲットの前領域又は表面領域１０において第１物質Ｍ_１から成るターゲットのコア領域の寸法がターゲットの後領域２０よりも小さいと有利であることが確認された。

図４は、本発明の別な好ましい実施形態に従うターゲットを通る断面の概略図である。第２物質Ｍ_２の濃度が非常に高くなって、本方法を用いて堆積される層の層特性に悪影響が出るのを防止するために、ターゲットは、第１物質及び第２物質の両方が存在するターゲットの「混合領域」において設定角度Ｗを有するように具体化される。この設定角度Ｗは、層構造にとって望ましくない第２物質Ｍ_２を選択的にマスクするために使用される。図４における矢印Ｅ_Ｍ１及びＥ_Ｍ２は、本発明のこの実施形態に従うターゲットの使用のために期待される、第１物質Ｍ_１と第２物質Ｍ_２の好ましい放出方向を示す。図４は、コーティングすべき基板６の例も示している。

図５は、本発明の３つの他の好ましい実施形態に従って設計された、３つのターゲットを通る断面の概略的描写を示している。

図５ａは、図４で既に示された実施形態の１つの変形例を示す。この変形例によれば、ターゲットは、ターゲットをコーティングシステムに設置するのをより容易にするために、側面エッジ領域１５において少なくとも１つの凹部を含む。この実施形態によれば、第１物質Ｍ_１と第２物質Ｍ_２の間の境界面は好ましくは斜面に含まれている。

図５ｂは、ターゲットが２つの斜面を有するように具体化された１つの実施形態を示す。この場合、−ターゲット物質と反応ガスとの反応から生じる−第１領域Ｂ_Ｍ１での、ターゲット表面への薄膜の再堆積又は顕著な成長の大幅な減少が達成される。図５ｂに示されるように、場合により幾何学的に（形状により）誘発される火花放電又は短絡を回避するために、それぞれの斜面の最初及び／又は最後（端部）に存在するとげとげした領域が、対応的に作られた後に角を取られても（丸められても）好ましい。

図５ｃに示す実施形態は、差し込みマウント７、例えば差し込みリングがスパッタリングプロセスの間ターゲットを保持するために使用される本発明に従うターゲットを有する。差し込みホルダー７は、高温においても良好な機械的安定度を好ましくは有する第３物質Ｍ_３からなる。

酸化アルミニウム層（Ａｌ_２Ｏ_３）の作成はプロセス安定性にとって特に高い必要性を有するので、本発明者等は、プロセス安定性の改善を確認するために、ＨｉＰＩＭＳプロセスを用いて、また本発明に従って具体化されたターゲットを用いて、酸化アルミニウム層を堆積した。

本発明に従って実行された試行のうちの１つの結果を例として以下に報告する。

酸化アルミニウム層が反応ＨｉＰＩＭＳプロセスにより作成された。本プロセスは以下のプロセスパラメーターを用いて実行された。
−作動ガス：アルゴン
−反応ガス：酸素
−プロセス圧力：０．６Ｐａ
−酸素分圧：１００ｍＰａ
−出力密度：３００Ｗ／ｃｍ^２
図５ａに示す本発明の実施形態を有するターゲットであって、Ｍ_１＝９９．９原子％の濃度のアルミニウム（Ａｌ ９９．９原子％）、及び、Ｍ_２＝それぞれ５０原子％の濃度のアルミニウムとクロム（原子％でＡｌＣｒ ５０：５０）を有する。

このプロセスでの火花放電を妨げる経時シーケンスは図６に示されている。関連する火花放電は、本発明に従う電気絶縁酸化アルミニウム層の反応ＨｉＰＩＭＳ堆積の間に検出されなかった。被覆領域（すなわち、ターゲット物質と反応ガスの反応から生じる薄膜による増大した被覆を受けたターゲットの領域）は、火花放電の痕跡を全く示さなかった。第１物質Ａｌと第２物質ＡｌＣｒが互いに隣に位置する「混成領域」（上では「混合領域」とも呼んだ）は、一様なスパッタリングの達成を可能にした。これは、非常に少量のターゲット表面の酸化アルミニウム被覆が「混成領域」で検出されたことから明らかだった。ここで「混成領域」と呼ぶ領域は、Ｍ_１とＭ_２の間の境界領域に隣接する表面領域を含み、特にこの場合ターゲット表面上に存在する斜面の全表面領域を含む。用語「酸化アルミニウム被覆」はここでは、反応ガス（この場合酸素）と第１物質Ｍ_１（この場合アルミニウム）の反応から生じる電気絶縁酸化アルミニウム薄膜を言う。ターゲット表面のアルミニウムクロム酸化物被覆はターゲット表面のエッジ領域で検出できたが、酸化アルミニウムに比べて高い電気伝導率のために、この被覆は火花放電の妨げのためにプロセス不安定性を生じなかった。

図７に示すように、堆積した酸化アルミニウム層におけるクロム濃度は１．５原子％より低かった。従って、酸化アルミニウム層の層特性は悪影響を受けなかった。図７は、コーティングチャンバーの高さにわたって様々な位置に分配された、基板上に堆積した酸化アルミニウム層の測定されたクロム濃度を示す。この例の水平軸上の位置０は、ターゲットの中心が位置するコーティングシステムの垂直方向（言い換えれば、コーティングシステムの高さ）における平面と理解される。

１０ 表面領域
ＢＭ_１ 第１領域
ＢＭ_２ 第２領域
Ｍ_１ 第１物質
Ｍ_２ 第２物質

Claims (12)

1. コーティングチャンバー内での電気絶縁層の反応スパッタ堆積用のターゲットであって、
   前記ターゲットは、少なくとも表面領域（１０）では、少なくとも１つの第１領域（Ｂ_Ｍ１）と少なくとも１つの第２領域（Ｂ_Ｍ２）を含み、
   前記第１領域（Ｂ_Ｍ１）は第１物質（Ｍ_１）から作られ、前記第１物質（Ｍ_１）は、反応から生じるＭ_１含有複合物質がコーティングすべき基板をコーティングするための所望な層物質の組成に対応するように、反応ガスと反応する１又は複数の元素から成り、
   前記第２領域（Ｂ_Ｍ２）は第２物質（Ｍ_２）から作られ、前記第２物質（Ｍ_２）は、反応から生じるＭ_２含有複合物質が前記Ｍ_１含有複合物質に比べて高い電気伝導率を有するように前述した反応ガスと反応する複数の元素から成り、
   前記第２物質（Ｍ_２）は少なくとも１つの元素が前記第１物質（Ｍ_１）と異なり、
   前記第１領域（Ｂ_Ｍ１）での浸食率が、前記第２領域（Ｂ_Ｍ２）での浸食率より大きく、
   前記ターゲット表面（１０）は設定角度（Ｗ）で規定される少なくとも１つの斜面を有し、この斜面を有するターゲット表面領域で、前記第１物質（Ｍ_１）及び前記第２物質（Ｍ_２）が互いに隣接して位置し、
   前記第２物質（Ｍ_２）がアルミニウム及びクロムを含む、ことを特徴とするターゲット。
2. 前記第１領域（Ｂ_Ｍ１）はターゲットのコア領域を含む、ことを特徴とする請求項１に記載のターゲット。
3. 前記第２領域（Ｂ_Ｍ２）はターゲットのエッジ領域を含む、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のターゲット。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の少なくとも１つのターゲットを用いて堆積される少なくとも１つの層によって基板をコーティングする方法。
5. 前記層は、反応スパッタリングプロセスにより少なくとも部分的に、及び／又は、反応ＨｉＰＩＭＳプロセスにより少なくとも部分的に堆積され、スパッタされたターゲット物質と反応ガスの反応により前記層を作るために、前記プロセスにおいて反応ガスが使用される、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記スパッタリングプロセス及び／又は前記ＨｉＰＩＭＳプロセスの間のターゲットの表面領域（１０）での浸食率が、ターゲットの第２領域（Ｂ_Ｍ２）よりもターゲットの第１領域（Ｂ_Ｍ１）において大きい、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記層が電気絶縁性である、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 少なくとも大部分の前記層は、前記第１物質（Ｍ_１）と前記反応ガスの反応から生じる複合物質の組成に対応する組成を有する、ことを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記反応ガスが酸素又は窒素又はその混合物である、ことを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 使用される前記第１物質（Ｍ_１）が少なくとも大部分にアルミニウムを含む、ことを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記第１物質（Ｍ_１）は少なくとも９９．９原子％の濃度のアルミニウムを含み、前記層は少なくとも大部分に酸化アルミニウムを含む、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
12. 前記第２物質（Ｍ_２）は原子％で５０：５０の濃度のアルミニウムとクロムを含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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