JP2006506521A - 高蒸着速度スパッタリング - Google Patents

Abstract

高蒸着スパッタリングのための方法および装置が記載されている。スパッタリング源は、アノードと、アノードに隣接して配置されたカソードアセンブリとを備える。カソードアセンブリは、スパッタリングターゲットを備える。電離源は、アノードおよびカソードアセンブリの近傍に弱電離プラズマを発生させる。電源はアノードとカソードアセンブリとの間に電場を形成させ、電場は弱電離プラズマから強電離プラズマを創り出す。強電離プラズマは第一の複数のイオンを含み、第一の複数のイオンはスパッタリングターゲットに衝突してスパッタリングターゲット中に十分な熱エネルギーを発生させ、スパッタリングターゲットのスパッタ率をスパッタリングターゲットの温度に非線形に関連させる。

Description

（発明の背景）
スパッタリングは、基板上に膜を成長させる公知の技法である。スパッタリングは、ターゲット表面からの原子の物理的放出であり、時には物理蒸着（ＰＶＤ）と呼ばれる。アルゴンイオンなどのイオンが発生させられ、次にターゲット表面に誘導され、そこでイオンはターゲット物質原子を物理的にスパッタリングする。ターゲット物質原子は弾道運動によって基板に移動し、そこでターゲット物質の膜として成長する。

二極スパッタリングシステムは、ターゲットおよびアノードを備える。二極スパッタリングシステムでは、チャンバの内部の二枚の平行板電極の間の気体中に放電を成立させることによって、スパッタリングが実現される。一般に、不活性ガス（例えばアルゴン）雰囲気下約１０^−１Ｔｏｒｒと１０^−２Ｔｏｒｒとの間の圧力で、平面電極間に数キロボルトの電位が加えられる。すると、プラズマ放電が形成される。プラズマ放電は、それぞれの電極から暗部と呼ばれるものによって隔てられている。

プラズマ放電は、ターゲットに対して比較的一定な正の電位を有し、イオンはプラズマから引き出され、カソード暗部を横切って加速される。ターゲットは、プラズマが形成される領域より低い電位を有する。従って、ターゲットは陽イオンを引きつける。陽イオンは高速でターゲットの方へ移動する。そこで、陽イオンはターゲットに衝突し、ターゲットから原子を物理的に叩き出すか、またはスパッタリングする。次に、スパッタリングされた原子は基板に伝播し、そこでスパッタリングされたターゲット物質の膜を成長させる。プラズマは、中性分子とターゲット表面で発生した二次電子との衝突によって形成される電子‐イオン対によって補給される。

マグネトロンスパッタリングシステムは、ターゲット表面のイオン衝撃によって発生する二次電子を捕獲し濃縮するような形状の磁場を用いる。マグネトロンスパッタリングシステムによって発生するプラズマ放電は、ターゲットの表面の近傍に位置し、高い電子密度を有する。高い密度の電子は、ターゲット表面に近い領域内でスパッタリング気体の電離を引き起こす。

マグネトロンスパッタリングシステムの一つの種類が、平面マグネトロンスパッタリングシステムである。平面マグネトロンスパッタリングシステムの構成は、二極スパッタリングシステムに類似している。しかし、平面マグネトロンスパッタリングシステムの磁石（永久磁石または電磁石）は、カソードの背後に配置される。磁石によって発生する磁力線は、実質的にカソード表面に垂直にターゲットカソードに出入りする。電子は電場および磁場中に閉じ込められる。閉じ込められた電子は放電の効率を高め、基板に到着する電子によって散逸するエネルギーを減らす。

従来のマグネトロンスパッタリングシステムは、比較的低い一様さを有する膜を成長させる。膜の一様さは、基板および／またはマグネトロンを機械的に移動させることによって高めることができる。しかし、そのようなシステムは、比較的複雑で実現するために高い費用がかかる。従来のマグネトロンスパッタリングシステムは、ターゲット利用率も比較的低い。本明細書では、用語「ターゲット利用率」は、ターゲット物質がスパッタリング中にいかに一様に浸食されるかの指標として定義される。例えば、高いターゲット利用率は、ターゲット物質が高度に一様に浸食されることを示す。

さらに、従来のマグネトロンスパッタリングシステムの成長速度は比較的低い。本明細書では、用語「成長速度」は、単位時間あたり基板上に成長する物質の量を意味するとして定義される。一般に、成長速度はスパッタ率に比例する。本明細書では、用語「スパッタ率」は、入射粒子あたりターゲットから放出されるターゲット原子の数を意味するとして定義される。従って、スパッタ率を高めると成長速度は増大する。

本発明は、「発明の詳細な説明」において具体的に説明される。添付の図面とともに以下の説明を参照することによって、本発明の上記の利点およびその他の利点はさらによく理解されよう。添付の図面では、さまざまな図の中で同じ数字は同じ構造要素および特徴を示す。図面は必ずしも実寸を反映しておらず、むしろ本発明の原理を説明することに力点を置いている。

（詳細な説明）
スパッタリングプロセスは、スパッタ率によって定量化することができる。本明細書中では、用語「スパッタ率」は、入射粒子あたりターゲットから放出されるターゲット原子の数を意味するとして定義される。スパッタ率は、ターゲット化学種、衝撃化学種、衝撃イオンのエネルギー、および衝撃イオンの入射角などいくつかの因子に依存する。一般的な既知のスパッタリングプロセスでは、一般にスパッタ率はターゲット温度に影響されない。

一般に、スパッタリングプロセスの成長速度はスパッタ率に比例する。従って、一般に成長速度は、スパッタ率を増大させることによって増大する。スパッタ率を増大させる一つの方法は、より大きなイオンフラックスがターゲットの表面に衝突するように、プラズマのイオン密度を高めることである。一般に、プラズマの密度は、プラズマ中の電離性衝突の数に比例する。

磁場を用いてプラズマ中に電子を閉じ込め、プラズマ中の電子と中性原子との間の電離性衝突の数を増大させることができる。マグネトロンスパッタリングシステム中の磁場および電場は、ターゲットの表面の近くの狭い領域の中に濃縮されている。これらの狭い領域は、磁場を作り出すために用いられる磁石の極の間に配置される。スパッタリング気体の電離は、大部分これらの局所領域中で起こる。電離領域の配置によってターゲットの一様でない浸食または消耗が引き起こされ、それが低いターゲット利用率につながる。

ターゲットとアノードとの間に加えられる電力を増大させると、電離気体の生成を増加させ、ひいてはターゲット利用率およびスパッタ率を高める。しかし、加えられる電力を増大させると、好ましくないターゲット加熱およびターゲット損傷につながることがある。さらにまた、ターゲットとアノードとの間に加えられる電圧を増大させると、プロセスチャンバ内に好ましくない放電（電気アーク）を成立させる確率を増大させる。好ましくない放電はスパッタリングプロセスを損なうことがある。

プラズマに加えられる電力をパルス化すると、比較的大きな電力パルスが周期的に加えられても、平均放電電力は低いままなので有利である可能性がある。さらに、これらの高電圧パルスの持続期間は、好ましくない放電につながる電気的な破壊条件が成立する確率を小さくするように、予め設定することができる。しかし、非常に大きな電力パルスを用いると、持続期間にかかわらず依然として好ましくない放電および好ましくないターゲット加熱が生じることがある。

図１は、パルス電源１０２を有する既知のマグネトロンスパッタリング装置１００の断面図の例を示す。既知のマグネトロンスパッタリング装置１００は、スパッタリングプロセスが実行される真空チャンバ１０４を備える。真空チャンバ１０４は、導管１０８によって真空ポンプ１０６と流体連通して配置される。真空ポンプ１０６は、真空チャンバ１０４を高真空に排気するのに適している。一般に、動作中の真空チャンバ１０４の内部の圧力は１００Ｐａより低い。アルゴン気体供給源などの原料気体供給源１０９は、気体入り口１１０によって真空チャンバ１０４に接続される。バルブ１１２は原料気体供給源１０９からの気体の流れを制御する。

マグネトロンスパッタリング装置１００は、ターゲット１１６を有するカソードアセンブリ１１４も備える。一般に、カソードアセンブリ１１４は円板形である。カソードアセンブリ１１４は、電気配線１２０によってパルス電源１０２の第一の出力１１８に電気的に接続される。一般に、カソードアセンブリ１１４はパルス電源１０２の負電位に接続される。真空チャンバ１０４からカソードアセンブリ１１４を絶縁するために、絶縁体１２２を用いて電気配線１２０を真空チャンバ１０４の壁に通すことができる。衝撃イオンから磁石１２６を保護するために、カソードアセンブリ１１４の背後に接地されたシールド１２４を配置してもよい。一般に、図１に示す磁石１２６はリングの形状であり、リングの内周に南磁極１２７、リングの外周に北磁極１２８を有する。多数のその他の磁石構成もまた用いることができる。

真空チャンバ１０４内のカソードアセンブリ１１４の近傍にアノード１３０が配置される。一般に、アノード１３０は接地に接続される。一般に、パルス電源１０２の第二の出力１３２も接地に接続される。基板１３４は、ターゲット１１６からスパッタリングされたターゲット物質を受け取るために、真空チャンバ１０４内の基板支持体１３５上に配置される。基板１３４は、電気配線１３８によってバイアス電圧電源１３６に電気的に接続することができる。真空チャンバ１０４からバイアス電圧電源１３６を絶縁するために、絶縁体１４０を用いて電気配線１３８を真空チャンバ１０４の壁に通すことができる。

動作中、パルス電源１０２は、カソードアセンブリ１１４とアノード１３０との間に、真空チャンバ１０４内のアルゴン原料気体を電離するのに十分な出力レベルを有する電圧パルスを加える。一般的な電離プロセスは、直接電離または電子衝撃による原子電離と呼ばれ、以下のように表すことができる。すなわち、
Ａｒ＋ｅ⁻→Ａｒ^＋＋２ｅ⁻
ここで、Ａｒは原料気体中の中性アルゴン原子を表し、ｅ⁻はカソードアセンブリ１１４とアノード１３０との間に加えられた電圧パルスに応答して発生する電離性電子を表す。中性アルゴン原子と電離性電子との間の衝突の結果、アルゴンイオン（Ａｒ^＋）と二個の電子とが生じる。

負のバイアスを加えられたカソードアセンブリ１１４は、正電荷イオンを十分な加速度で引きつけ、それによってイオンはターゲット１１６からターゲット物質をスパッタリングする。スパッタリングされたターゲット物質の一部は基板１３４上に成長する。

一般に、電離の原因となる電子は、磁石１２６によって形成される磁場によって閉じ込められる。磁気閉じ込めは、比較的低い磁場強度しかない閉じ込め領域１４２で最も強い。閉じ込め領域１４２は、ターゲット物質の近傍に位置し、実質的にリング形である。一般に、閉じ込め領域１４２内にはチャンバ１０４内の他の場所より高濃度のプラズマ中の正電荷イオンが存在する。従って、ターゲット１１６は、より高い濃度の正電荷イオンに直接隣接する区域でより速く浸食される。これらの区域での速い浸食の結果、好ましくないターゲット１１６の一様でない浸食、ひいては比較的低いターゲット利用率が生じる。

プラズマに加えられる電力を劇的に増大させると、より一様なターゲット１１６の浸食およびより高いスパッタ率を得る結果となる可能性がある。しかし、この増大した一様さを実現するために必要な使用電力量は、パルスの持続期間にかかわらずカソードアセンブリ１１４とアノード１３０との間の好ましくない放電につながる電気的な破壊条件を生じる確率を増大させることがある。好ましくない放電はスパッタリングプロセスを損ない、真空チャンバ１０４内の汚染を引き起こす。さらに、増大した電力はターゲットを過熱させ、ターゲット損傷を引き起こすことがある。

一般に、スパッタ率は実験によって定められる。近似的に、衝撃イオンエネルギーに対するスパッタ率依存性は、約１０〜３０ｅＶの間にあるしきい値と、それに続く数１００ｅＶまで達するほぼ一次依存性の範囲を示す。さらに高いエネルギー範囲では、依存性は一次に達しない。一般に、スパッタリングプロセスは、イオンエネルギーが一次依存性の範囲にあるときにエネルギー効率が最もよい。

一般に、スパッタリングシステムは、一定の動作条件下で成長速度を測定するために較正される。ターゲット１１６の浸食速度は以下の式によって表すことができる。すなわち、

ここで、ｋは定数、ＪはｍＡ／ｃｍ^２で表したイオン電流密度、Ｙは原子／イオンで表したスパッタ率、Ｍはグラムで表した原子量、ρはｇｍ／ｃｍ^３で表したターゲット物質の密度である。一般に、成長速度はスパッタ率Ｙに比例する。

図２は、カソード冷却システムを有する先行技術カソードアセンブリ１１４’の断面図の例を示す。カソードアセンブリ１１４’はターゲット１１６’を備える。カソード冷却装置は、カソードアセンブリ１１４’から伝熱によって熱を除去する流体１５２を含む導管１５０も備える。流体１５２は、例えば冷却液または冷却気体である。

動作中、プラズマ中のイオン１５４はターゲット１１６’の表面１５６に衝突する。イオン１５４の衝突は表面１５６に熱１５８を発生させる。さらに、イオン１５４の衝撃は最終的にはターゲット１１６’の表面１５６から原子１６０を叩き出し、スパッタリングを引き起こす。イオン衝撃によって発生する熱１５８は、カソードアセンブリ１１４’を通って放散される。カソードアセンブリ１１４’は導管１５０と熱的に接触している。流体１５２は熱１５８を吸収し、カソードアセンブリ１１４’から熱を除去する。

図３は、ターゲット１１６’から物質をスパッタリングする既知のプロセスの例を示す。質量Ｍ_ｉおよび速度ｖ_ｉを有するイオン１５４が、最初にターゲット１１６’の表面１５６上に静止している質量Ｍ_ｔを有するターゲット粒子１６２に衝突する。イオン１５４は表面１５６に垂直な入射角で衝突する。イオン１５４からの運動量がターゲット粒子１６２に移り、ターゲット粒子１６２をターゲット１１６’中に移動させる。

従って、一般に、スパッタリングされた粒子１６４がターゲット１１４’から放出されるためには、一連の衝突によって初期運動量ベクトルの成分が９０度より大きく変化することが必要である。一般に、入射イオン１５４は衝突のカスケードを経て、そのエネルギーはターゲット表面１５６の領域上で分配される。しかし、スパッタリング運動量交換は主に表面１５６の下約１０オングストロームの深さの領域内で起こる。一般に、入射イオン１５４は二つの格子原子１６６、１６８にほとんど同時に衝突する。この低エネルギーノックオン原子は運動量の横成分を受け取り、その隣接格子原子の一つ以上のスパッタリングを開始する。一次ノックオン原子はターゲット１１４’中に移動し、そこで跳ね返され、時には表面１５６に戻って表面原子１７０の後ろ側に衝突することにより、スパッタリングを起こすことがある。

入射イオン１５４の運動エネルギーの一部は、ターゲット粒子１６２に移る。この運動エネルギー移動関数は、以下のように表すことができる。すなわち、

スパッタ率Ｙは、実質的に平らな表面１５６への垂直なイオン入射を仮定すると、以下のように表すことができる。すなわち、

ここで、ｋは定数、εはエネルギー移動関数、αは入射イオン１５４の質量に対するターゲット原子１６２の質量の比のほぼ一次の関数、Ｅは入射イオン１５４の運動エネルギー、Ｕはターゲット物質の表面結合エネルギーである。ほとんどのスパッタリング物質の場合、εαの質量依存性は物質によってあまり変化しない。物質によって変化する主な因子は表面結合エネルギーであるが、これは一乗の依存性だけを有する。

２０〜３０ｅＶより大きなエネルギーでは、重粒子はターゲットの表面から原子をスパッタリングすることができる。スパッタ率は、数１００ｅＶまでエネルギーとともに迅速に増大し、一般に物理スパッタリングには５００〜１０００ｅＶアルゴンイオンが用いられる。数１００ｅＶより大きなエネルギーでは、イオン１５４がターゲット１１６’中に注入される可能性がある。これは、１ｋｅＶを超えるエネルギーで特に起こる可能性がある。

図４は、本発明によるマグネトロンスパッタリング装置２００の実施態様の断面図の例を示す。マグネトロンスパッタリング装置２００は、真空チャンバなどのチャンバ２０２を備える。チャンバ２０２は、真空バルブ２０６を通して流体連通によって真空系２０４に接続される。一つの実施態様では、チャンバ２０２は接地電位に電気的に接続される。

チャンバ２０２は、一本以上の気体ライン２０７によって原料気体供給源２０８に接続される。一つの実施態様では、気体ライン２０７は、チャンバおよびその他の構成要素から絶縁体２０９によって絶縁される。さらに、気体ライン２０７は、インライン絶縁カプラー（示していない）を用いて原料気体供給源から絶縁することができる。気体流れ制御システム２１０は、チャンバ２０２への気体の流れを制御する。気体供給源２０８は任意の原料気体を含んでよい。例えば、原料気体は、希ガスまたは希ガス混合物であってよい。原料気体は、反応性気体、非反応性気体、または反応性気体と非反応性気体との両方の混合物であってもよい。

スパッタ被覆される基板２１１は、基板支持体２１２によってチャンバ２０２内に支持される。基板２１１は、半導体ウエハーなど任意の種類の工作物であってよい。一つの実施態様では、基板支持体２１２は、バイアス電圧電源２１４の出力２１３に電気的に接続される。絶縁体２１５は、チャンバ２０２の壁からバイアス電圧供給源２１４を絶縁する。一つの実施態様では、バイアス電圧電源２１４は、ラジオ周波数（ＲＦ）電源などの交流（ＡＣ）電源である。その他の実施態様（示していない）では、基板支持体２１２は接地電位に接続されるか、または電気的にフロート状態である。

マグネトロンスパッタリング装置２００は、カソードアセンブリ２１６も備える。一つの実施態様では、カソードアセンブリ２１６は、カソード２１８と、ターゲット物質で構成されるスパッタリングターゲット２２０とを備える。一つの実施態様では、カソード２１８は金属で作製される。一つの実施態様では、カソード２１８は、ステンレス鋼など化学的に不活性な物質で作製される。スパッタリングターゲット２２０はカソード２１８に物理的に接触する。一つの実施態様では、スパッタリングターゲット２２０は、図４に示すようにカソード２１８の内部に配置される。スパッタリングターゲット２２０から基板２１１までの距離は、数センチメートルから約１００センチメートルまで変化してよい。

ターゲット物質は、スパッタリングに適する任意の物質であってよい。例えば、ターゲット物質は、金属物質、重合体物質、超電導物質、強磁性物質を含む磁性物質、非磁性物質、導電性物質、非導電性物質、コンポジット物質、反応性物質、または耐火物質であってよい。

カソードアセンブリ２１６は、整合ユニット２２４の出力２２２に接続される。絶縁体２２６は、チャンバ２０２の接地された壁からカソードアセンブリ２１６を絶縁する。整合ユニット２２４の入力２３０は、パルス電源２３４の第一の出力２３２に接続される。パルス電源２３４の第二の出力２３６は、アノード２３８に接続される。絶縁体２４０は、チャンバ２０２の接地された壁からアノード２３８を絶縁する。別の絶縁体２４２は、カソードアセンブリ２１６からアノード２３８を絶縁する。

一つの実施態様（示していない）では、パルス電源２３４の第一の出力２３２は、カソードアセンブリ２１６に直接接続される。一つの実施態様（示していない）では、パルス電源２３４の第二の出力２３６およびアノード２３８は、両方とも接地に接続される。一つの実施態様（示していない）では、パルス電源２３４の第一の出力２３２は、カソードアセンブリ２１６に負の電圧インパルスを接続する。別の実施態様（示していない）では、パルス電源２３４の第二の出力２３６は、アノード２３８に正の電圧インパルスを接続する。

一つの実施態様では、パルス電源２３４は、約５ｋＶと約３０ｋＶとの間のピーク電圧レベルを発生させる。一つの実施態様では、一般に動作電圧は、約５０Ｖと１ｋＶとの間である。一つの実施態様では、パルス電源２３４は、プラズマの体積に依存して約１Ａから５，０００Ａのオーダーである放電電流レベルを維持する。一般的な動作電流は、プラズマの体積に依存して約１００アンペア未満から数１０００アンペアまで変化する。一つの実施態様では、電力パルスは、１ｋＨｚより低い反復速度を有する。一つの実施態様では、パルス電源２３４によって発生するパルスのパルス幅は、実質的に約１マイクロ秒と数秒との間である。

アノード２３８は、アノード２３８とカソードアセンブリ２１６との間に、アノード２３８とカソードアセンブリ２１６との間の領域２４５を通して電流を流れさせるために十分なギャップ２４４を形成するように配置される。一つの実施態様では、ギャップ２４４は、約０．３ｃｍと１０ｃｍとの間である。カソードアセンブリ２１６の表面積は、領域２４５の体積を決定する。ギャップ２４４および領域２４５の全体積は、本発明で説明する電離プロセス中のパラメータである。

アノードシールド２４８は、アノード２３８に隣接して配置され、プラズマからアノード２３８を電気的に絶縁する電気シールドとして機能する。一つの実施態様では、アノードシールド２４８は接地電位に接続される。絶縁体２５０は、アノード２３８からアノードシールド２４８を絶縁するために配置される。

マグネトロンスパッタリング装置２００は、磁石アセンブリ２５２も備える。一つの実施態様では、磁石アセンブリ２５２は、カソードアセンブリ２１６の近傍に磁場２５４を創り出すのに適している。磁石アセンブリ２５２は、永久磁石２５６または電磁石（示していない）を含んでよい。磁石アセンブリ２５２の構成は、所望する磁場２５４の形状および強さに依存して変化してよい。磁石アセンブリは、バランスした構成またはバランスしていない構成のどちらを有してもよい。

一つの実施態様では、磁石アセンブリ２５２は、カソードアセンブリ２１６の近傍にパルス磁場を発生させるスイッチ式電磁石を備える。いくつかの実施態様では、さまざまな種類のスパッタリングされたターゲット物質を基板２１２に誘導するために、チャンバ２０２の周囲およびチャンバ内のさまざまな場所に別の磁石アセンブリ（示していない）を配置することがある。

一つの実施態様では、マグネトロンスパッタリング装置２００は、カソードアセンブリ２１６の近傍で磁場２５４を発生させることによって動作する。図２に示す実施態様では、永久磁石２５６は常に磁場２５４を発生させる。その他の実施態様では、電磁石に接続された電流供給源にエネルギーを供給することによって、電磁石（示していない）が磁場２５４を発生させる。一つの実施態様では、磁場２５４の強さは、約５０ガウスと２，０００ガウスとの間である。磁場２５４が発生した後、気体流制御システム２１０によって気体供給源２０８からの原料気体がチャンバ２０２に供給される。

一つの実施態様では、原料気体は、チャンバ２０２のカソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に直接供給される。カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に直接原料気体を注入すると、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間の気体の流量を増大させることができる。気体の流量を増大させると、持続期間のより長いインパルスが可能になり、ひいては密度のより高いプラズマを生成させることができる。本明細書中では、原料気体の流れについてさらに考察する。

一つの実施態様では、パルス電源２３４は、弱電離プラズマを発生させる電離電源の構成要素である。パルス電源は、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に電圧パルスを加える。一つの実施態様では、パルス電源２３４は、カソードアセンブリ２１６に負の電圧パルスを加える。電圧パルスの振幅および形状は、アノード２３８とカソードアセンブリ２１６との間の領域２４６中に弱電離プラズマが発生するようにする。

弱電離プラズマは、予備電離プラズマとも呼ばれる。一つの実施態様では、アルゴン原料気体の場合、予備電離プラズマのピークプラズマ密度は、約１０^６と１０^１２ｃｍ^−３との間である。一つの実施態様では、チャンバ内の圧力は、約１０^−３から１０Ｔｏｒｒまで変化する。予備電離プラズマのピークプラズマ密度は、特定のプラズマ処理システムの性質に依存する。

一つの実施態様では、パルス電源２３４は、弱電離プラズマを発生させるために、約１００Ｖと５ｋＶとの間にある初期電圧と、約０．１Ａと１００Ａとの間にある放電電流とを有する低電力パルスを発生させる。いくつかの実施態様では、パルスの幅は、０．１マイクロ秒から１００秒のオーダーであってよい。本明細書中では、パルスの特定のパラメータについてさらに詳細に考察する。

一つの実施態様では、パルス電源２３４は、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に原料気体が供給される前に、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に電圧を加える。別の実施態様では、パルス電源２３４は、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に原料気体が供給された後に、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に電圧を加える。

一つの実施態様では、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを発生させ維持するために直流（ＤＣ）電源（示していない）が用いられる。この実施態様では、ＤＣ電源は、予備電離プラズマを点火させるために十分高い電圧を発生させるのに適している。一つの実施態様では、ＤＣ電源は、予備電離プラズマを発生させ維持するために、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に数キロボルトの初期電圧を発生させる。カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間の初期電圧は、０．１Ａから１００Ａのオーダーの放電電流と１００Ｖから１０００Ｖのオーダーのプラズマ放電電圧を創り出す。

予備電離プラズマを発生させ維持するために必要な直流は、プラズマ体積の関数である。さらに、予備電離プラズマを発生させ維持するために必要な電流は、領域２４５内の磁場の強さの関数である。例えば一つの実施態様では、ＤＣ電源は、領域２４５内のプラズマの体積および磁場の強さに依存して、１ｍＡから１００Ａのオーダーの電流を発生させる。ＤＣ電源は、原料気体の導入前にカソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に初期ピーク電圧を発生させ維持するのに適してよい。

別の実施態様では、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを発生させ維持するために、交流（ＡＣ）電源（示していない）が用いられる。例えば、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマは、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、容量結合プラズマ放電（ＣＣＰ）、または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）放電を用いて発生させ維持することができる。ＡＣ電源を用いると、ＤＣ電源より少ない電力しか必要とせずに弱電離プラズマを発生させ維持することができる。さらに、予備電離プラズマまたは弱電離プラズマは、ＵＶ放射技法、Ｘ線技法、電子ビーム技法、イオンビーム技術、または電離フィラメント技法など多数のその他の技法によって発生させることができる。いくつかの実施態様では、弱電離プラズマは領域２４５の外で形成され、それから領域２４５内に拡散する。

弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを形成させると、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に大電力パルスが加えられたとき、チャンバ２０２内で破壊条件が成立する可能性が実質的に除かれる。カソード区域上に弱電離プラズマまたは予備電離プラズマを一様に分布させると、大電力パルスが加えられたとき、より一様な強電離プラズマが生じる。弱電離プラズマはプラズマ中の電気伝導率を提供する低いレベルの電離を有するので、破壊条件が成立する確率は実質的に除かれる。この伝導率は、プラズマに大電力が加えられたとき破壊条件の可能性を大いに低下させ、あるいは防ぐ。

一度弱電離プラズマが形成されると、次にカソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に大電力パルスを発生させる。一つの実施態様では、パルス電源２３４が大電力パルスを発生させる。大電力パルスの所望の電力レベルは、例えば所望の成長速度、予備電離プラズマの密度、およびプラズマの体積を含むいくつかの因子に依存する。一つの実施態様では、大電力パルスの電力レベルは、約１ｋＷから約１０ＭＷの範囲にある。一つの実施態様では、大電力パルスは、弱電離プラズマに急速に加えられる。一つの実施態様では、大電力パルスは、実質的に爆発的に低電離プラズマに実質的に瞬間的に加えられる。このように大電力パルスを急速に加えると、ターゲット２２０の表面層がほとんど瞬間的に蒸発する結果となることがある。

大電力パルスは、所定の時間の間それぞれ維持され、一つの実施態様では、その時間は約１マイクロ秒から約１０秒の範囲にある。一つの実施態様では、大電力パルスの反復周波数または反復速度は、約０．１Ｈｚから１ｋＨｚの間の範囲にある。好ましくない基板加熱を最小化するために、パルス電源２３４によって発生する平均電力は、プラズマの体積に依存して１メガワット未満であってよい。

一つの実施態様では、大電力パルスは非常に急速に加えられ、それによってターゲット２２０の表面層は実質的に蒸発し、少量の熱だけがカソードアセンブリ２１６を通して伝えられる。一つの実施態様では、カソードアセンブリ２１６、アノード２３８、および基板支持体２１２の少なくとも１つの中の熱エネルギーは、ヘリウム冷却（図示せず）などの液体冷却または気体冷却によって伝熱除去されるか、あるいは放散される。

大電力パルスは、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に強電場を発生させる。この強電場は、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間のギャップ２４４中の領域２４５内に実質的に位置する。一つの実施態様では、電場はパルス電場である。別の実施態様では、電場は準静電場である。本明細書中では、用語「準静電場」は、電子と中性気体粒子との衝突時間よりはるかに大きな電場変化特性時間を有する電場を意味すると定義される。電場変化のそのような時間は１０秒のオーダーであってよい。本明細書中では、強電場の強さおよび位置についてさらに詳細に考察する。

大電力パルスは、弱電離プラズマから高電離プラズマまたは強電離プラズマを発生させる。例えば、約１００ｍＴｏｒｒと１０Ｔｏｒｒとのオーダーの圧力の場合、この強電離プラズマから形成される放電電流は５ｋＡのオーダーであってよい。

一般に、スパッタリングターゲット２２０は負のバイアスを加えられるので、強電離プラズマ中の正電荷イオンは、高速でスパッタリングターゲット２２０の方へ加速される。加速されたイオンはスパッタリングターゲット２２０の表面に衝突し、ターゲット物質をスパッタリングさせる。本発明の強電離プラズマは、非常に高いターゲット物質のスパッタ率を生じる。

さらに、強電離プラズマは領域２４６内に均一に拡散する傾向があり、従ってより均一なプラズマ体積を創り出す傾向がある。均一な拡散は、スパッタリングターゲット２２０の表面に従来のマグネトロンスパッタリングの場合よりも一様に衝突する加速イオンを生じる。従って、スパッタリングターゲット２２０の表面はより均等に浸食され、ひいてはより高いターゲット利用率が実現される。さらにまた、ターゲット物質は、スパッタリングターゲット２２０の表面全域でより一様にスパッタリングされるので、基板２１１上に成長する物質の一様さおよび均一さも、基板２１１および／または磁石アセンブリ２５２を回転させる必要性なしに増大する。

一つの実施態様では、本発明の大電力パルスマグネトロンスパッタリングシステム２００は、比較的高い電子温度のプラズマおよび比較的高い密度のプラズマを発生させる。本発明の大電力パルスマグネトロンスパッタリングシステム２００の一つの用途は、電離物理蒸着（ＩＰＶＤ）である。ＩＰＶＤは、スパッタリングプロセスを促進するために、スパッタリングされた中性原子を陽イオンに変換する技法である。

図５Ａから図５Ｄは、パルス電源２３４を有するスパッタリング装置２００の断面図の例を示す。例えば、図５Ａは、パルス電源２３４が起動される前の時点でのパルス電源２３４を有するスパッタリング装置２００の断面図の例を示す。図５Ａは、スパッタリングターゲット２２０を備えるカソードアセンブリ２１６の例を示す。カソードアセンブリ２１６は、整合ユニット２２４の出力２２２に接続される。整合ユニット２２４の入力２３０は、パルス電源２３４の第一の出力２３２に接続される。パルス電源２３４の第二の出力２３６は、アノード２３８に接続される。

アノード２３８は、アノード２３８とカソードアセンブリ２１６との間に、アノード２３８とカソードアセンブリ２１６との間の領域２４５を通して電流を流れさせるのに十分なギャップ２４４を形成するように配置される。一つの実施態様では、ギャップ２４４の幅は、約０．３ｃｍと１０ｃｍとの間である。カソードアセンブリ２１６の表面積は、領域２４５の体積を決定する。ギャップ２４４および領域２４５の全体積は、本明細書中で説明する電離プロセスにおけるパラメータである。気体ライン２０７は、原料気体供給源２０８（図４）からの原料気体２５６を、アノード２３８とカソードアセンブリ２１６との近傍に供給する。

動作中、気体供給源２０８からの原料気体２５６は、気流制御システム２１０（図４）によって供給される。好ましくは、原料気体２５６は、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に供給される。カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に原料気体２５６を直接注入すると、原料気体２５６の流量を増大させることができる。これは、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間の領域２４５中で迅速な体積交換を引き起こし、より長い継続時間を有する大電力パルスをギャップ２４４に加えさせる。より長い持続時間の大電力パルスは、より高密度のプラズマを生成させる。本明細書中では、この体積交換についてさらに詳細に説明する。

図５Ｂは、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に原料気体２５６が供給された後のカソードアセンブリ２１６の例を示す。パルス電源２３４は、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に電圧パルスを加える。一つの実施態様では、パルス電源２３４は、カソードアセンブリ２１６に負の電圧パルスを加える。電圧パルスの特性は、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に、アノード２３８とカソードアセンブリ２１６との間の領域２４５に弱電離プラズマ２６２を創り出す電場２６０が形成されるように選ばれる。弱電離プラズマ２６２は予備電離プラズマとも呼ばれる。

一つの実施態様では、パルス電源２３４は、１００Ｖから５ｋＶの範囲にある初期電圧と、０．１Ａから１００Ａの範囲にある放電電流を有する低電力パルスを発生させることによって、弱電離プラズマ２６２を発生させる。いくつかの実施態様では、パルスの幅は０．１マイクロ秒から１００秒の範囲にあってよい。本明細書中では、パルスの特定のパラメータについてさらに詳細に考察する。

別の実施態様では、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２６２を発生させ維持するために、交流（ＡＣ）電源（示していない）が用いられる。弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２６２は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、容量結合プラズマ放電（ＣＣＰ）、または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）放電を用いて発生させ維持することができる。ＡＣ電源を用いて予備電離プラズマを発生させると、ＤＣ電源を用いて予備電離プラズマを発生させるよりエネルギー効率を高くできる。

さらに、予備電離プラズマまたは弱電離プラズマ２６２は、ＵＶ放射技法、Ｘ線技法、電子ビーム技法、イオンビーム技術、または電離フィラメント技法など多数のその他の技法によって発生させることができる。これらの技法は、本発明による電離電源中に用いられる構成要素を含む。いくつかの実施態様では、弱電離プラズマは領域２４５の外で形成され、それから領域２４５内に拡散する。

一つの実施態様では、原料気体２５６が領域２４５を通って移動すると、一般に弱電離プラズマ２６２は領域２６４内に均一に拡散する。均一な拡散は、領域２６４中での高度に一様な強電離プラズマの創出を容易にする傾向がある。一つの実施態様（示していない）では、弱電離プラズマ２６２は、カソードアセンブリ２１６の近傍で磁場によって閉じ込められる。詳しくは、弱電離プラズマ２６２中の電子は、カソードアセンブリ２１６の近傍に発生する磁場によって閉じ込められる。一つの実施態様では、磁場の強さは５０から２，０００ガウスの範囲にある。

パルス電源２３４は、弱電離プラズマ２６２が形成された後に、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８（図５Ｃ）との間に大電力パルスを発生させる。大電力パルスの所望の電力レベルは、弱電離プラズマ２６２の密度およびプラズマの体積を含むいくつかの因子に依存する。一つの実施態様では、大電力パルスの電力レベルは約１ｋＷから約１０ＭＷ以上の範囲にある。

大電力パルスは、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に強電場２６６を発生させる。強電場２６６は、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間の領域２４５に実質的に位置する。一つの実施態様では、電場２６６はパルス電場である。別の実施態様では、電場２６６は準静電場である。本明細書中では、強電場２６６の強さおよび位置についてさらに詳細に考察する。

図５Ｄは、弱電離プラズマ２６２から高電離プラズマまたは強電離プラズマ２６８を発生させる大電力パルスの例を示す。強電離プラズマ２６８は高密度プラズマとも呼ばれる。強電離プラズマ２６８から形成される放電電流は、５ｍＴｏｒｒと１０Ｔｏｒｒとの範囲にある圧力の場合、放電電圧が５０Ｖから１，０００Ｖの範囲で約１，０００Ａ以上のオーダーであってよい。一つの実施態様では、強電離プラズマ２６８は、領域２６４内に均一に拡散する傾向がある。均一な拡散は、より均一なプラズマ体積を創り出す。

均一な拡散は、強電離プラズマ２６８中の加速イオン２７２がスパッタリングターゲット２２０の表面に従来のマグネトロンスパッタリングの場合よりも一様に衝突する結果をもたらす。従って、スパッタリングターゲット２２０の表面はより均等に浸食され、ひいてはより高いターゲット利用率が実現される。さらにまた、ターゲット物質はスパッタリングターゲット２２０の表面全体でより一様にスパッタリングされるので、ターゲット物質は、基板および／またはマグネトロンを回転させる必要なしに基板２１１（図４）上により一様に成長する。

強電場２６６は、強電離プラズマ２６８が形成される速度を著しく増大させる原料気体２５６の多段電離プロセスを容易にする。再び図２Ｄを参照して、多段または逐次電離プロセスは以下のように説明される。カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間で原料気体２５６に予備電離電圧が加えられ、弱電離プラズマ２６２を形成する。一般に、弱電離プラズマ２６２は領域２４５内で形成され、原料気体２５６が流れ続けるにつれて領域２６４に拡散する。

一つの実施態様では、領域２４５内に磁場２５４（図４）が発生し、カソードアセンブリ２１６の中心に広がる。この磁場は、領域２４５から領域２６４に電子を拡散させることを支援する傾向がある。弱電離プラズマ２６２中の電子は、磁場２４５によって領域２６４中に実質的に閉じ込められる。一つの実施態様では、領域２４５内の弱電離プラズマ２６２の体積は、新しい体積の原料気体２５６と迅速に交換される。

パルス電源２３４は、弱電離プラズマ２６２（図２Ｃ）の生成後に、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に大電力パルスを加える。この大電力パルスは、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間の領域２４５内に強電場２６６を発生させる。強電場２６６は、弱電離プラズマ２６２中の中性原子２７０、電子（示していない）、およびイオン２７２の間で起こる衝突をもたらす。これらの衝突は、弱電離プラズマ２６２中に多数の励起原子２７４を発生させる。

弱電離プラズマ２６２中に励起原子２７４が蓄積されると、電離プロセスは変化する。一つの実施態様では、強電場２６６は、強電離プラズマ２６８が形成される速度を著しく増大させる原子原料気体の多段電離プロセスを容易にする。多段電離プロセスは、弱電離プラズマ２６２中の励起原子２７４の密度が増大するにつれて増大する効率を有する。一つの実施態様では、強電場２６６は、分子または原子原料気体のイオンの生成を促進する。

一つの実施態様では、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間の距離またはギャップ２４４は、原子の励起速度を最大にするように選ばれる。領域２４５内の電場２６６の値は、パルス電源２３４によって加えられる電圧レベルと、アノード２３８とカソードアセンブリ２１６との間のギャップ２４４の寸法とに依存する。いくつかの実施態様では、電場２６６の強さは、プラズマシステムのさまざまなシステムパラメータおよび動作条件によって１０Ｖ／ｃｍから１０^５Ｖ／ｃｍの範囲にある。

いくつかの実施態様では、ギャップ２４４は、所望のプラズマのさまざまなパラメータに依存して０．３０ｃｍから１０ｃｍの範囲にある。一つの実施態様では、領域２４５内の電場２６６は、予備電離プラズマまたは弱電離プラズマ２６２に急速に加えられる。いくつかの実施態様では、急速に加えられる電場２６６は、０．１マイクロ秒から１０秒の範囲にある立ち上り時間を有する電圧パルスを加えることによって発生する。

一つの実施態様では、ギャップ２４４の寸法および加えられる電場２６６のパラメータは、領域２４５内の原子２７０の比較的高速な励起のための最適条件を決定するために変化させられる。例えば、アルゴン原子は、励起されるために約１１．５５ｅＶのエネルギーを必要とする。従って、原料気体２５６が領域２４５を通って流れるとき弱電離プラズマ２６２が形成され、弱電離プラズマ２６２中の原子２７０は逐次電離プロセスを経験する。

次に、弱電離プラズマ２６２中の励起原子２７４は、領域２６４内にある電子（示していない）に出会う。中性原子２７０は電離するために約１５．７６ｅＶのエネルギーを必要とするが、励起原子２７４は電離するために約４ｅＶのエネルギーしか必要としない。従って、励起原子２７４は中性原子２７０よりはるかに高速に電離する。一つの実施態様では、強電離プラズマ２６８中のイオン２７２はカソードアセンブリ２１６に衝突し、二次電子放出を引き起こす。これらの二次電子は、強電離プラズマ２６８中の中性原子２７０または励起原子２７４と相互作用する。このプロセスは、原料気体２５６が補給されるにつれて、強電離プラズマ２６８中のイオン２７２の密度をさらに増大させる。

急速に電場２６６を加えることに対応する多段電離プロセスは、以下のように説明することができる。すなわち、
Ａｒ＋ｅ⁻→Ａｒ^＊＋ｅ⁻
Ａｒ^＊＋ｅ⁻→Ａｒ^＋＋２ｅ⁻
ここで、Ａｒは原料気体２５６中の中性アルゴン原子２７０を表し、ｅ⁻はカソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に十分な電圧が加えられているとき、予備電離プラズマ２６２に応答して発生する電離性の電子を表す。さらに、Ａｒ^＊は弱電離プラズマ２６２中の励起アルゴン原子２７４を表す。励起アルゴン原子２７４と電離性の電子との間の衝突は、結果としてアルゴンイオン（Ａｒ^＋）と二個の電子とを生じさせる。

一般に、励起アルゴン原子２７４は電離するために中性アルゴン原子２７０より少ないエネルギーしか必要としない。従って、励起原子２７４はカソードアセンブリ２１６の表面の近くで中性アルゴン原子２７０より速く電離する傾向がある。プラズマ中の励起原子２７４の密度が増大するにつれて、電離プロセスの効率は急速に増大する。最終的に、この高められた効率は強電離プラズマ２６８の密度のアバランシェ様増大を生じさせる結果となる。原料気体２５６中のパルス放電の場合、弱電離プラズマ２６２に加えられるエネルギーのうち励起原子２７４に変換されるエネルギーの比率は適切な励起条件下では非常に高い。

従って、本発明の一つの様相では、アノード２３８とカソードアセンブリ２１６との間に強電場２６６を発生させるために、ギャップ２４４の中の弱電離プラズマ２６２に大電力パルスが加えられる。この強電場２６６は、弱電離プラズマ２６２中に励起原子２７４を発生させる。励起原子２７４は、カソードアセンブリ２１６によって放出される二次電子によって急速に電離する。この急速な電離は、カソードアセンブリ２１６の近傍の区域２６４内で大きなイオン密度を有する強電離プラズマ２６８が形成される結果をもたらす。強電離プラズマ２６８は、高密度プラズマとも呼ばれる。

本発明の一つの実施態様では、領域２４５内の原料気体２５６の流れを制御することによって、より高い密度のプラズマが発生する。この実施態様では、第一の体積の原料気体２５６が領域２４５に供給される。次に、第一の体積の原料気体２５６は電離され、領域２４５内に弱電離プラズマ２６２を形成する。次に、パルス電源２３４が弱電離プラズマ２６２に大電力電気パルスを加える。大電力電気パルスは、弱電離プラズマ２６２から強電離プラズマ２６８を発生させる。

大電力電気パルスのレベルおよび持続時間は、大電力放電が収縮して終了する前に強電離プラズマ２６８が吸収できる電力のレベルおよび持続時間によって制限される。一つの実施態様では、大電力電気パルスの強さおよび持続時間を増大させ、従って、原料気体２５６の流量を増大させることによって、強電離プラズマ２６８の密度を増大させる。

一つの実施態様では、強電離プラズマ２６８は、急速な原料気体２５６の体積交換によって、領域２４５を通って輸送される。原料気体２５６は、領域２４５を通って移動するとき、移動する強電離プラズマ２６８と相互作用し、加えられる大電力電気パルスによって自身も強電離状態になる。電離プロセスは、本明細書中で説明する直接電離および／または逐次電離の組み合わせであってよい。原料気体２５６の急速な体積交換によって領域２４５中を通して強電離プラズマ２６８を輸送すると、強電離プラズマ２６８に加えることができる電力のレベルおよび持続時間を増大させ、ひいては領域２６４内により高い密度の強電離プラズマを発生させる。

既に考察したように、電離プロセスの効率を高めるために、カソードアセンブリ２１６の近傍に磁場（示していない）を発生させることがある。磁場は、弱電離プラズマ２６２中の電子と、カソードアセンブリ２１６からの二次電子とを、カソードアセンブリ２１６の近傍で実質的に閉じ込める。閉じ込められた電子は励起原子２７４を電離し、強電離プラズマ２６８を発生させる。一つの実施態様では、弱電離プラズマ２６２が点火される区域に実質的に電子を閉じ込めるために、領域２４５内に磁場を発生させる。

一つの実施態様では、本発明による強電離プラズマ２６８を用いて磁性物質をスパッタリングする。一般に、従来のマグネトロンスパッタリングは、マグネトロンによって発生する磁場が磁性のターゲットによって吸収される可能性があるので磁性物質をスパッタリングするには適しない。磁性物質をスパッタリングするためには、伝統的なＲＦ二極スパッタリングを用いることができる。しかし、一般にこの方法は、スパッタリング膜の非常に貧弱な一様さ、比較的低いプラズマ密度、および比較的低い成長速度をもたらす結果となる。

本発明によると、磁性物質は、磁性ターゲット物質を含むターゲットアセンブリをＲＦ電源（図示せず）で駆動することによって、スパッタリングすることができる。例えば、ＲＦ電源は、最大約１０ｋＷの電力を供給することができる。実質的に一様な弱電離プラズマは、ターゲットアセンブリの近傍に位置する原料気体にＲＦ電力を加えることによって発生させることができる。強電離プラズマは、本明細書中で説明するように弱電離プラズマに強電場を加えることによって発生する。強電離プラズマ中のイオンは、ＲＦ電源がターゲットアセンブリに負の電圧バイアスを加えるので、ターゲット物質に衝突してスパッタリングを引き起こす。

一つの実施態様では、本発明による強電離プラズマ２６８は、誘電物質をスパッタリングするために用いられる。本発明によると、誘電物質は、誘電体ターゲット物質を含むターゲットアセンブリをＲＦ電源（示していない）で駆動することによってスパッタリングされる。例えば、ＲＦ電源は最大約１０ｋＷの電力を供給することができる。実質的に一様な弱電離プラズマは、ターゲットアセンブリの近傍に位置する原料気体にＲＦ電力を加えることによって発生させることができる。

一つの実施態様では、弱電離プラズマ中に電子を閉じ込めるために、ターゲットアセンブリの近傍に磁場を発生させることができる。強電離プラズマは、本明細書中で説明するように弱電離プラズマに強電場を加えることによって発生する。ＲＦ電源はターゲットアセンブリに負の電圧バイアスを加えるので、強電離プラズマ中のイオンはターゲット物質に衝突してスパッタリングを引き起こす。

一つの実施態様では、本発明によって誘電ターゲット物質をスパッタリングする弱電離プラズマ２３２を創り出すために、ＤＣ電源（示していない）が用いられる。この実施態様では、誘電体ターゲット物質はカソード２１８に対して、カソード２１８のある区域がアノード２３８とカソード２１８との間の直流を伝導することができるように配置される。

図６は、図４のスパッタリング装置２００内のプラズマに加えられた周期パルスについて、加えられた電圧、電流および電力の絶対値の時間の関数としてのグラフ表示３２０、３２２、および３２４の例をそれぞれ示す。一つの実施態様では、時間ｔ_０（示していない）で原料気体２５６は、パルス電源２３４が起動される前に、カソードアセンブリ２１６の近傍を流れる。十分な量の原料気体２５６がカソードアセンブリ２１６の近傍に流れるために必要な時間は、原料気体２５６の流量および領域２４５内の所望の圧力を含むいくつかの因子に依存する。

図６に示す実施態様では、電源２３４は一定の電力を発生する。時間ｔ_１で、パルス電源２３４はアノード２３８とカソードアセンブリ２１６との間に電圧３２６を発生させる。一つの実施態様では、電圧３２６は大体１００Ｖと５ｋＶとの間である。時間ｔ_０と時間ｔ_１との間の期間（示していない）は、数マイクロ秒から数ミリ秒までのオーダーであってよい。時間ｔ_１で、電流３２８および電力３３０は一定の値を有する。

時間ｔ_１と時間ｔ_２との間で、弱電離プラズマ２６２（図５Ｂ）が発生する間、電圧３２６、電流３２８、および電力３３０は一定のままである。時間ｔ_２での電圧３３２は、１００Ｖから５ｋＶの範囲にある。時間ｔ_２での電流３３４は、０．１Ａから１００Ａの範囲にある。時間ｔ_２で供給される電力３３６は、０．０１ｋＷから１００ｋＷの範囲にある。

パルス電源２３４によって発生する電力３３６は、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間の領域２４５内に位置する気体２５６を部分的に電離させる。部分的に電離した気体は、弱電離プラズマまたは予備電離プラズマ２６２とも呼ばれる。本明細書中で説明するように、弱電離プラズマ２６２が生成すると、弱電離プラズマ２６２に大電力パルスが加えられたときに破壊条件が創り出される可能性を実質的になくす。この破壊条件の抑制は、アノード２３８とカソードアセンブリ２１６との間の好ましくないアーク放電の発生を実質的になくす。

一つの実施態様では、時間ｔ_１と時間ｔ_２との間の期間は、予備電離プラズマ２６２が十分なプラズマ密度で形成され維持されるように、１マイクロ秒から１００秒の範囲にある。一つの実施態様では、弱電離プラズマ２６２を維持するために、パルス電源２３４からの電力３３６は連続的に加えられる。パルス電源２３４は、弱電離プラズマ２６２を維持するために、連続的な名目電力を出力するように設計することができる。

時間ｔ_２と時間ｔ_３との間で、パルス電源２３４は、弱電離プラズマ２６２に大きな電圧パルス３３８を供給する。いくつかの実施態様では、大きな電圧パルス３３８は、２００Ｖから３０ｋＶの範囲にある電圧を有する。いくつかの実施態様では、時間ｔ_２と時間ｔ_３との間の期間は０．１マイクロ秒から１０秒の範囲にある。時間ｔ_３と時間ｔ_４との間で、弱電離プラズマ２６２に流れる電流が増加し始める前に大きな電圧パルス３３８が加えられる。一つの実施態様では、時間ｔ_３と時間ｔ_４との間の期間は、約１０ナノ秒と１マイクロ秒との間であってよい。

時間ｔ_４と時間ｔ_５との間で、電流３４２が増加するにつれて電圧３４０は低下する。時間ｔ_４と時間ｔ_５との間で、電圧３４６と電流３４８との間に準定常状態が成立するまで電力３４４も増大する。時間ｔ_４と時間ｔ_５との間の期間は、数百ナノ秒のオーダーである。

一つの実施態様では、時間ｔ_５で、電圧３４６は５０Ｖから３０ｋＶの範囲、電流３４８は１０Ａから５ｋＡの範囲、電力３５０は１ｋＷから１０ＭＷの範囲にある。電力３５０は、時間ｔ_６までプラズマに連続的に加えられる。一つの実施態様では、時間ｔ_５と時間ｔ_６との間の期間は、１マイクロ秒から１０秒の範囲にある。

パルス電源２３４は、最大電力３５０と、弱電離プラズマ２６２を強電離プラズマ２６８に変換するのに十分なパルス幅を有する大電力パルスを供給する（図２Ｄを参照すること）。時間ｔ_６で最大電力３５０は終了する。一つの実施態様では、パルス電源２３４は、時間ｔ_６の後でプラズマを維持するのに十分なバックグラウンド電力を供給し続ける。

一つの実施態様では、電源２３４は、０．０１ｋＷから１００ｋＷの範囲にある電力３５２をプラズマに加え続けることによって、大電力パルスの供給後にプラズマを維持する。連続して発生される電力は、パルス電源２３４が次の大電力パルスを供給する準備をする間、プラズマ中の予備電離条件を維持する。

時間ｔ_７で、パルス電源２３４は次の大電力パルス（示していない）を供給する。一つの実施態様では、大電力パルスの間の反復速度は、０．１Ｈｚと１ｋＨｚとの範囲にある。大電力パルスの特定のサイズ、形状、幅、および周波数は、プロセスパラメータ、パルス電源２３４の設計、スパッタリングシステム２００の幾何構造、プラズマの体積、強電離プラズマ２６８の密度、および領域２４５内の圧力を含むさまざまな因子に依存する。大電力パルス３５４の立ち上がり区間３５６および立ち下がり区間３５８の形状および持続時間は、強電離プラズマ２６８の電離速度を制御する間に弱電離プラズマ２６２を維持するように選ばれる。

別の実施態様（示していない）では、電源２３４は、一定の電圧を発生させる。この実施態様では、加えられる電圧３２０は、時間ｔ_２から時間ｔ_６まで連続して加えられる。電流３２２および電力３２４は時間ｔ_６まで上昇し、そこで一定電圧レベルを維持し、次に電圧３２０は終了される。一つの実施態様では、電流、電力および電圧の値は励起原子を発生させるために最適化される。

本発明の一つの実施態様では、電離プロセスの効率は、カソードアセンブリ２１６の近傍に磁場を発生させることによって増大する。磁場は、弱電離プラズマ２６２中の電子をカソードアセンブリ２１６の近傍に実質的に閉じ込める。閉じ込められた電子は励起原子２７４を電離し、それによって強電離プラズマ２６８を発生させる。この実施態様では、磁気的に増強されたプラズマは強い反磁性を有する。本明細書中では、用語「強い反磁性」は、磁気的に増強された高密度プラズマ放電がプラズマ体積から外部磁界を排除する傾向があることを意味するとして定義される。

図７Ａから図７Ｄは、本発明による磁気的に増強されたプラズマスパッタリング装置内のさまざまな電子ＥｘＢドリフト電流について、シミュレーションされたカソードアセンブリ２１６の近傍のさまざまな磁場分布４００、４０２、４０４および４０６の例を示す。磁気的に増強されたプラズマ発生装置は、カソードアセンブリ２１６の近傍に配置された磁石アセンブリ２５２を含む。磁石アセンブリ２５２は、カソードアセンブリ２１６の近傍に磁場を発生させる。一つの実施態様では、磁場の強さは５０から２，０００ガウスの範囲にある。シミュレーションされた磁場分布４００、４０２、４０４、および４０６は、高い電流密度を有する大電力プラズマが、磁気的に増強されたプラズマスパッタリング装置の区域２４６内に一様に拡散する傾向があることを示す。

カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に加えられた大電力パルスは、カソードアセンブリ２１６から二次電子を発生させ、二次電子は、交差する電場および磁場によってカソードアセンブリ２１６の近傍で実質的に円運動する。実質的に円形の電子の運動は、電子ＥｘＢドリフト電流を発生させる。電子ＥｘＢドリフト電流の大きさは、プラズマ中の放電電流の大きさに比例し、一つの実施態様では、大体放電電流の大きさの３倍から１０倍の範囲にある。

一つの実施態様では、実質的に円形の電子ＥｘＢドリフト電流は、磁石アセンブリ２５２によって発生する磁場と相互作用する磁場を発生させる。一つの実施態様では、電子ＥｘＢドリフト電流によって発生する磁場は、磁石アセンブリ２５２によって発生する磁場と実質的に反対の方向を有する。電子ＥｘＢドリフト電流によって発生する磁場の大きさは、増大した電子ＥｘＢドリフト電流とともに増大する。領域２４６内の強電離プラズマの均一な拡散は、少なくとも部分的には、磁石アセンブリ２５２によって発生する磁場と電子ＥｘＢドリフト電流によって発生する磁場との相互作用によって生じる。

一つの実施態様では、低い電流密度プラズマの場合には、電子ＥｘＢドリフト電流が円形の形状を実質的に定める。しかし、プラズマの電流密度が増大すると、磁石アセンブリ２５２によって発生する磁場、大電力パルスによって発生する電場、および電子ＥｘＢドリフト電流によって発生する磁場の相互作用がより強くなるにつれて、実質的に円形の電子ＥｘＢドリフト電流はより複雑な形状を定める傾向がある。例えば、一つの実施態様では、電子ＥｘＢドリフト電流は、実質的にサイクロイド形状を有する。従って、電子ＥｘＢドリフト電流の厳密な形状は複雑になる可能性があり、さまざまな因子に依存する。

例えば、図７Ａは、磁石アセンブリ２５２によって発生する磁場と電子ＥｘＢドリフト電流４１０によって発生する磁場との相互作用によって発生する磁力線４０８の例を示す。電子ＥｘＢドリフト電流４１０は、カソードアセンブリ２１６の近傍で発生し、実質的に円形の形状のリングで例を示される。図７Ａに示す例では、電子ＥｘＢドリフト電流４１０は約１００Ａである。

本発明の一つの実施態様では、電子ＥｘＢドリフト電流４１０は、放電電流の３倍から１０倍の大きさの範囲にある。従って、図７Ａに示す例では、放電電流は１０Ａから３０Ａの範囲にある。図７Ａに示す磁力線４０８は、磁石アセンブリ２５２によって発生する磁場が、比較的小さな電子ＥｘＢドリフト電流４１０によって発生する比較的小さな磁場による影響をほとんど受けないことを示す。

図７Ｂは、磁石アセンブリ２５２によって発生する磁場と電子ＥｘＢドリフト電流４１４によって発生する磁場との相互作用によって発生する磁力線４１２の例を示す。電子ＥｘＢドリフト電流４１４は、カソードアセンブリ２１６の近傍で発生する。図７Ｂに示す例では、電子ＥｘＢドリフト電流４１４は約３００Ａである。一般に電子ＥｘＢドリフト電流４１４は、放電電流の約３倍の大きさと１０倍の大きさとの間なので、この例の放電電流は３０Ａと１００Ａとの範囲にある。

磁石アセンブリ２５２によって発生する磁力線４１２は、比較的小さな電子ＥｘＢドリフト電流４１４によって発生する比較的小さな磁場による影響をほとんど受けない。しかし、電子ＥｘＢドリフト電流４１４に最も近い磁力線４１６は、電子ＥｘＢドリフト電流４１４によって発生する磁場によって若干変形する。この変形は、より大きな電子ＥｘＢドリフト電流なら、磁石アセンブリ２５２によって発生する磁場とより強く相互作用するより強い磁場を発生させるはずであることを示唆する。

図７Ｃは、磁石アセンブリ２５２によって発生する磁場と、電子ＥｘＢドリフト電流４２０によって発生する磁場との相互作用によって発生する磁力線４１８の例を示す。電子ＥｘＢドリフト電流４２０は、カソードアセンブリ２１６の近傍で発生する。図７Ｃに示す例では、電子ＥｘＢドリフト電流４２０は、約１，０００Ａである。一般に電子ＥｘＢドリフト電流４２０は、放電電流の約３倍と１０倍との間の大きさなので、この例の放電電流は大体１００Ａと３００Ａとの間である。

磁石アセンブリ２５２によって発生する磁力線４１８は、比較的大きな電子ＥｘＢドリフト電流４２０によって発生する比較的強い磁場によって引き起こされる顕著な変形を示す。従って、より大きな電子ＥｘＢドリフト電流４２０は、磁石アセンブリ２５２によって発生する磁場と強く相互作用し制御し始める可能性があるより強い磁場を発生する。

磁石アセンブリ２５２によって発生する磁場と電子ＥｘＢドリフト電流４２０によって発生する磁場との相互作用は、図７Ａおよび図７Ｂの磁力線４０８、４１２および４１６より若干カソードアセンブリ２１６の表面に対して平行性の高い磁力線４２２を実質的に発生させる。磁力線４２２は、強電離プラズマ２６８を区域２４６中により一様に分布させる。従って、強電離プラズマ２６８は区域２４６内に一様に拡散する。

図７Ｄは、磁石アセンブリ２５２によって発生する磁場と電子ＥｘＢドリフト電流４２６によって発生する磁場との相互作用によって発生する磁力線４２４の例を示す。電子ＥｘＢドリフト電流４２６は、カソードアセンブリ２１６の近傍で発生する。図７Ｄに示す例では、電子ＥｘＢドリフト電流４２６は約５ｋＡである。この例の放電電流は近似的に５００Ａと１，７００Ａとの間である。

磁石アセンブリ２５２によって発生する磁力線４２４は、比較的大きな電子ＥｘＢドリフト電流４２６によって発生する比較的強い磁場との相互作用に起因する比較的高い変形率を示す。従って、この実施態様では、比較的大きな電子ＥｘＢドリフト電流４２６は、磁石アセンブリ２５２によって発生する磁場より著しく強い非常に強い磁場を発生させる。

大きな電子ＥｘＢドリフト電流は、カソードアセンブリ２１６からの二次電子を閉じ込めることによって、強電離プラズマの電離速度を速めることができる。二次電子は、中性および励起原子および分子を電離する。高密度のイオンを有する強電離プラズマは、本発明によるプラズマスパッタリングプロセス中の成長速度を増大させることができる。

スパッタリングプロセスの成長速度は、以下のように表すことができる。すなわち、
Ｒ_Ｄ＝Ｋ×Ｙ×Ｉ
ここで、Ｋは幾何構造因子、Ｙはスパッタ率、Ｉは放電電流である。従って、成長速度はスパッタ率Ｙに比例する。スパッタ率Ｙは入射イオンあたりスパッタリングされる原子数として定義され、ターゲット表面に衝突するイオンの種類、イオンのエネルギー、衝撃イオンの入射角、ターゲット物質の結合エネルギー、およびターゲット温度に依存する。いわゆる「冷陰極」を含む一般的なスパッタリングプロセスでは、ターゲットの温度は次第に加熱され、その熱は、図２を参照して説明した液体冷却を用いて放散される。この一般的なスパッタリングプロセスは、衝撃イオンの運動量およびエネルギー交換を用いて標的原子を叩き出す。

成長速度を著しく速めるために、本発明は非常に大きな放電電流および非常に高いスパッタ率を生じさせる。大電力パルスはほとんど瞬間的に加えられ、ターゲットの表面で爆発的な反応を引き起こす。爆発的な反応は、ターゲットの表面層を急速に蒸発させる。

図８は、図４のスパッタリングターゲット２２０の温度Ｔの関数としてのスパッタ率Ｙのグラフ表示５００の例を示す。本発明によると、熱スパッタリングプロセスを用いることによって、より高い成長速度を実現することができる。一つの実施態様では、成長速度は、スパッタ率を増大することによって増大する。ターゲット２２０のスパッタ率は、ターゲット２２０の温度が高くなるにつれて増大する。ターゲット２２０の温度が高くなるにつれて、領域５０２に示すように、スパッタ率は実質的に線形に緩やかに増大する。一般に領域５０２では、スパッタ率はターゲット２２０の温度に依存しない。

ターゲットの温度が温度Ｔ_０５０４に達すると、スパッタ率は非線形な割合で増大する。一つの実施態様では、スパッタ率は、指数関数的な割合で増大する。温度Ｔ_０は近似的に０．７Ｔ_ｍに等しく、ここでＴ_ｍはターゲット物質の融点である。別の実施態様では、温度Ｔ_０は近似的にＵ／４０ｋに等しく、ここでＵは表面原子の結合エネルギーであり、ｋはＢｏｌｔｚｍａｎ定数である。

ターゲット温度Ｔ_０以上でのスパッタ率は、以下のように表すことができる。すなわち、

ここで、ΔＴ_Ｍは温度Ｔ_０からのターゲット温度の最大温度差、Ｒはターゲット上の高温区域の初期半径、τは高温区域内の高温の期間、κは温度伝導度の係数、Ｕは結合エネルギーである。

本発明によって、適切な電力レベルおよび持続時間を有する大電力パルスがプラズマに加えられると、スパッタ率は非線形に増大する。一つの実施態様では、スパッタ率は、実質的に指数関数的に増大する。本発明の一つの実施態様によると、大電力パルスは、弱電離プラズマ２６２（図５Ｃ）に比較的短い持続時間で加えられる。この大電力パルスは、高密度のエネルギー性イオン２７２を含む強電離プラズマ２６８（図５Ｄ）を創り出す。

従って、一つの実施態様では、ターゲット表面の非常に大量の爆発的なエネルギーは、指数関数的に増大するスパッタ率をもたらす。爆発的なエネルギーは、ターゲット表面の温度を急速に上昇させる。この急速な温度の上昇は、ターゲットの表面層が既知のスパッタリング技法と比較して非常に高速で実質的に蒸発し、スパッタリングされる結果をもたらす。一つの実施態様では、ターゲット物質の成長速度は毎分１ミクロンより大きい。

図９は、本発明の一つの実施態様によってターゲット２２０から原子５１２をスパッタリングするプロセス５１０の例を示す。一つの実施態様では、ターゲット２２０は負のバイアスを加えられる。負のバイアスは、強電離プラズマ２６８中のエネルギー性イオン２７２をターゲット２２０の表面５１４に激しく衝突させ、それによってターゲットの温度を急速に上昇させる。ターゲットの温度が温度Ｔ_０に達すると、スパッタ率は非線形に増大する。一つの実施態様では、スパッタ率はほとんど指数関数的に増大する。従って、成長速度は急速に増大する。スパッタ率は、結晶構造、表面原子の結合エネルギー、および／またはターゲット物質の融点などターゲット物質の性質に依存することがある。

図１０は、本発明の一つの実施態様によるカソードアセンブリ２１６の断面図の例を示す。ターゲット２２０の温度があるレベルに達すると、ターゲット物質はアバランシェ様の様相で蒸発する。一つの実施態様では、大電力パルスは、ターゲット２２０の平均温度をあまり上昇させないように、ターゲット２２０の深さの浅い部分でだけ熱エネルギー５１６を発生させる。ターゲット物質は、ほとんど瞬間的に蒸発する。しかし、熱エネルギーは浅い表層の深さにしか浸透しないので、ターゲット２２０自体への損傷は極めて少ない。

図１１は、本発明によってスパッタリングターゲットのスパッタ率を高めるプロセスの例を示す流れ図６００である。プロセスは、チャンバ２０２を特定の圧力に減圧する（工程６０４）ことによって開始される（工程６０２）。次に、チャンバ内の圧力が評価される（工程６０６）。一つの実施態様では、次に原料気体がチャンバに供給される（工程６０８）。気体圧力が評価される（工程６１０）。気体圧力が適正なら、チャンバ内の圧力が再び評価される（工程６１２）。

チャンバ内の圧力が適正なら、原料気体２５６（図５Ｂ）の近傍に適切な磁場２５４（図４）を発生させることができる（工程６１４）。一つの実施態様では、磁石アセンブリ２５２は少なくとも一つの永久磁石を備えてよく、従って、磁場はプロセスが開始される前でも安定に発生する。別の実施態様では、磁石アセンブリ２５２は少なくとも一つの電磁石を備え、従って、磁場は電磁石が動作しているときだけ発生する。一つの実施態様では、次に磁場２５４が評価される（工程６１６）。

原料気体２５６は、弱電離プラズマ２６２を発生させる（工程６１８）ために電離される。一つの実施態様では、弱電離プラズマ２６２は、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間のギャップ２４４中に比較的低い電流放電を創り出すことによって発生する。別の実施態様（示していない）では、弱電離プラズマ２６２は、電離電極とカソードアセンブリ２１６との間に比較的低い電流放電を創り出すことによって発生させることができる。さらに別の実施態様（示していない）では、カソードアセンブリ２１６の近傍に電子を放出させるために電極を加熱する。この実施態様では、弱電離プラズマ２６２を発生させるために、アノード２３８と電極との間に比較的低い電流放電を創り出す。例えば、図４に示す実施態様では、弱電離プラズマ２６２は、原料気体２５６の導入後にカソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間のギャップ２４４に電位を加えることによって発生する。

気体が弱電離していれば（工程６２０）、弱電離プラズマ２６２から強電離プラズマ２６８（図５Ｄ）が発生する（工程６２２）。一つの実施態様では、強電離プラズマ２６８は、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に大電力パルスを加えることによって発生する。本明細書中で説明したように、大電力パルスは、アノード２３８とカソードアセンブリ２１６との間のギャップ２４４中に強電場２６６を発生させる。

強電場２６６は、原料気体に逐次電離を辿らせる。一つの実施態様では、原料気体は分子気体を含み、強電場２６６は強電離プラズマ２６８を増強するイオンの生成を増大させる。一つの実施態様では、強電離プラズマ２６８は、図５Ｄの区域２６４内で実質的に均一である。この均一さは、スパッタリングターゲット２２０のより一様な浸食、ひいては比較的高いターゲット利用率を結果としてもたらす。カソードアセンブリ２１６はアノード２３８に対して負のバイアスを加えられているので、カソードアセンブリ２１６は、強電離した実質的に一様なプラズマからイオンを引きつける。これは、イオンをカソードアセンブリ２１６に衝突させ、それによってターゲット物質のスパッタリングを起こさせる。

一つの実施態様では、強電離プラズマは、強電離プラズマと新しい体積の原料気体２５６との急速な交換によって増強される（工程６２４）。この急速な交換は、領域２４５内で起こる。一つの実施態様では、強電離プラズマの急速な交換は、大電力パルスの持続時間中に起こる。

強電離プラズマ２６８が形成された（工程６２６）後、スパッタ率は、既知のモニタリング技法によって監視される（工程６２８）。スパッタ率が不十分なら（工程６３０）、プラズマに供給される電力を増大させる（工程６３２）。一つの実施態様では、カソードアセンブリ２１６とアノード２３８との間に加えられる大電力パルスの大きさを増大させることによって、プラズマに供給される電力を増大させる。一つの実施態様では、プラズマに供給される電力は、ターゲットの表面層を蒸発させるのに十分である。これは、スパッタ率を実質的に非線形に増大させる。

再びスパッタ率が評価される（工程６２８）。このプロセスは、スパッタ収率が十分になる（工程６３０）まで続けられ、スパッタリングが続行する（工程６３４）。スパッタ成長が完了したら（工程６３６）、スパッタプロセスは終了する（工程６３８）。

（等価物）
特定の実施態様を参照して、本発明を詳細に示し説明したが、当業者は、本明細書中で定義する本発明の範囲および技術思想から逸脱することなく、本発明において形状および細部のさまざまな変化が施され得ることを理解するべきである。

図１は、パルス電源を有する既知のマグネトロンスパッタリング装置の断面図の例を示す。 図２は、カソード冷却システムを有する先行技術カソードアセンブリの断面図の例を示す。 図３は、ターゲットから物質をスパッタリングする既知のプロセスの例を示す。 図４は、本発明によるマグネトロンスパッタリング装置の実施態様の断面図の例を示す。 図５Ａから図５Ｄは、図４のマグネトロンスパッタリング装置の断面図の例を示す。 図５Ａから図５Ｄは、図４のマグネトロンスパッタリング装置の断面図の例を示す。 図６は、図４のマグネトロンスパッタリング装置中のプラズマに加えられる周期パルスについて、時間の関数としての加えられた電圧、電流および電力のグラフ表示の例を示す。 図７Ａから図７Ｄは、本発明による磁気増強プラズマスパッタリング装置内のさまざまな電子ＥｘＢドリフト電流について、シミュレーションされたカソードアセンブリ近傍のさまざまな磁場分布の例を示す。 図８は、スパッタリングターゲットの温度の関数としてのスパッタ率のグラフ表示の例を示す。 図９は、本発明の一つの実施態様によるターゲットから物質をスパッタリングするプロセスの例を示す。 図１０は、本発明の一つの実施態様によるカソードアセンブリの断面図の例を示す。 図１１は、本発明によるスパッタリングターゲットのスパッタ率を高めるプロセスの例を示す流れ図である。 図１１Ｂは、図１１Ａの続きである。

Claims (30)

1. スパッタリング源であって、以下：
   アノードに隣接して配置されたカソードアセンブリであって、該カソードアセンブリは、スパッタリングターゲットを備える、カソードアセンブリ；
   アノードおよび該カソードアセンブリの近傍に弱電離プラズマを発生させる電離源；および
   該アノードと該カソードアセンブリとの間に電場を形成させる電源であって、該電場は該弱電離プラズマから強電離プラズマを創り出し、該強電離プラズマは、該スパッタリングターゲットに衝突し、それによって該スパッタリングターゲットのスパッタ率を該スパッタリングターゲットの温度に非線形に関連させるのに十分な熱エネルギーを該スパッタリングターゲット中に発生させる第一の複数のイオンを含む、電源
   を含む、スパッタリング源。
2. 前記電場は、準静電場を含む、請求項１に記載のスパッタリング源。
3. 前記電場は、電気パルスを含む、請求項１に記載のスパッタリング源。
4. 請求項３に記載のスパッタリング源であって、第二の複数のイオンを含む新たな強電離プラズマを発生させるために新しい体積の原料気体に電気パルスを加えながら、強電離プラズマを該新しい体積の原料気体と交換する気体交換手段をさらに含み、該第二の複数のイオンは前記スパッタリングターゲットに衝突し、それによって、前記スパッタターゲット中にさらなる熱エネルギーを発生させる、スパッタリング源。
5. 新しい体積の原料気体に電気パルスを加えながら、前記弱電離プラズマを新しい体積の原料気体と交換する気体交換手段をさらに含む、請求項３に記載のスパッタリング源。
6. 前記スパッタリングターゲットに衝突する前記第一の複数のイオンによって発生する熱エネルギーは、該スパッタリングターゲットの平均温度を実質的に上昇させない、請求項１に記載のスパッタリング源。
7. 前記弱電離プラズマの近傍に磁場を発生させるように配置された磁石をさらに含み、該磁場は前記スパッタリングターゲットの近傍の該弱電離プラズマ中に電子を実質的に閉じ込める、請求項１に記載のスパッタリング源。
8. 前記弱電離プラズマに加えられた前記電場は、該弱電離プラズマ中の原子を励起し、前記カソードアセンブリから二次電子を発生させ、該二次電子は該励起原子を電離させ、それによって強電離プラズマを創り出す、請求項１に記載のスパッタリング源。
9. 前記電源は、一定の電力を供給する、請求項１に記載のスパッタリング源。
10. 前記電源は、一定の電圧を供給する、請求項１に記載のスパッタリング源。
11. 前記電離源は、ＤＣ電源に接続された電極、ＡＣ電源に接続された電極、ＵＶ源、Ｘ線源、電子ビーム源、イオンビーム源、誘導結合プラズマ源、容量結合プラズマ源、およびマイクロ波プラズマ源を含む群から選択される、請求項１に記載のスパッタリング源。
12. 前記電場の立ち上り時間は、前記強電離プラズマの電離速度を増大させるように選択される、請求項１に記載のスパッタリング源。
13. 前記弱電離プラズマは、前記アノードと前記カソードアセンブリとの間に電気的な破壊条件が発達する確率を減少させる、請求項１に記載のスパッタリング源。
14. 前記強電離プラズマは、前記カソードアセンブリの近傍で実質的に一様である、請求項１に記載のスパッタリング源。
15. 前記アノードと前記カソードアセンブリとの間の距離は、前記強電離プラズマの電離速度を増大させるように選択される、請求項１に記載のスパッタリング源。
16. 高蒸着速度スパッタリングのための方法であって、該方法は以下：
    原料気体を電離させて弱電離プラズマを発生させる工程；
    該弱電離プラズマから強電離プラズマを発生させる工程であって、該強電離プラズマはスパッタリングターゲットの近傍に配置された複数のイオンを含む、工程；および
    該複数のイオンを該スパッタリングターゲットに衝突させて、該スパッタリングターゲット中に十分な熱エネルギーを発生させ、該スパッタリングターゲットのスパッタ率を該スパッタリングターゲットの温度に非線形に関連させる工程
    を包含する、方法。
17. 前記スパッタリングターゲットの近傍に磁場を発生させる工程をさらに包含し、該磁場は該スパッタリングターゲットの近傍に電子を閉じ込める、請求項１６に記載の方法。
18. 強電離プラズマを発生させる工程は、前記弱電離プラズマに電場を加えることを包含する、請求項１６に記載の方法。
19. 前記電場は、前記弱電離プラズマ中に励起原子を発生させ、前記スパッタリングターゲットから二次電子を発生させ、該二次電子は励起原子を電離させ、それによって前記強電離プラズマを創り出す、請求項１８に記載の方法。
20. ある体積の弱電離プラズマを、ある体積の原料気体と交換し、同時に該体積の原料気体を電離させて新しい体積の弱電離プラズマを創り出す工程をさらに包含する、請求項１６に記載の方法。
21. ある体積の強電離プラズマをある体積の原料気体と交換し、同時に該体積の原料気体から新しい体積の強電離プラズマを発生させる工程をさらに包含する、請求項１６に記載の方法。
22. 前記弱電離プラズマのピークプラズマ密度は、約１０^１２ｃｍ^−３より小さい、請求項１６に記載の方法。
23. 前記弱電離プラズマは、電気的な破壊条件を発達させる確率を低下させる、請求項１６に記載の方法。
24. 前記原料気体を電離させる工程は、静電場、ＡＣ電場、準静電場、パルス電場、ＵＶ放射、Ｘ線放射、電子ビーム、およびイオンビームの１つに原料気体を曝露する工程を包含する、請求項１６に記載の方法。
25. 前記複数のイオンをスパッタリングターゲットに衝突させる工程は、該スパッタリングターゲットの表面層を蒸発させる、請求項１６に記載の方法。
26. 前記強電離プラズマのピークプラズマ密度は、約１０^１２ｃｍ^−３より大きい、請求項１６に記載の方法。
27. スパッタリング源であって、以下：
    アノードに隣接して配置されたカソードアセンブリであって、スパッタリングターゲットを備える、カソードアセンブリ；
    該カソードアセンブリの近傍に位置する第一の体積の原料気体から弱電離プラズマを発生させる電離源；
    該弱電離プラズマから強電離プラズマを創り出す電場を該アノードと該カソードアセンブリとの間に形成させる電源であって、該強電離プラズマは第一の複数のイオンを含む、電源、および
    該電場が、第二の体積の原料気体からの第二の複数のイオンを含む新たな強電離プラズマを発生させる間に、強電離プラズマを第二の体積の原料気体と交換する気体コントローラであって、該第一および第二の複数のイオンは、該スパッタリングターゲットに衝突して該スパッタリングターゲット中に十分な熱エネルギーを発生させ、該スパッタリングターゲットのスパッタ率を該スパッタリングターゲットの温度に非線形に関連させる、気体コントローラ、
    を含む、スパッタリング源。
28. 第三の体積の原料気体に電気パルスを加えながら、前記弱電離プラズマを該第三の体積の原料気体と交換する気体交換手段をさらに含む、請求項２７に記載のスパッタリング源。
29. 前記スパッタリングターゲットに衝突する前記第一および第二の複数のイオンによって発生する熱エネルギーは、該スパッタリングターゲットの平均温度を実質的に上昇させない、請求項２７に記載のスパッタリング源。
30. スパッタリング源であって、以下：
    弱電離プラズマを発生させるために原料気体を電離させる手段；
    該弱電離プラズマから強電離プラズマを発生させる手段であって、該強電離プラズマは、スパッタリングターゲットの近傍に複数のイオンを含む、手段；および
    該スパッタリングターゲットのスパッタ率を該スパッタリングターゲットの温度に対して非線形に関係させるのに十分な熱エネルギーを、該スパッタリングターゲット中に発生させるために、複数のイオンを該スパッタリングターゲットに衝突させる手段
    を含む、スパッタリング源。

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