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JP2000273624A - Magnetron sputtering equipment - Google Patents

Magnetron sputtering equipment

Info

Publication number
JP2000273624A
JP2000273624A JP11079140A JP7914099A JP2000273624A JP 2000273624 A JP2000273624 A JP 2000273624A JP 11079140 A JP11079140 A JP 11079140A JP 7914099 A JP7914099 A JP 7914099A JP 2000273624 A JP2000273624 A JP 2000273624A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
target
discharge
magnetron sputtering
gas
vacuum vessel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP11079140A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomoyuki Kiyono
知之 清野
Satoshi Umehara
諭 梅原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP11079140A priority Critical patent/JP2000273624A/en
Publication of JP2000273624A publication Critical patent/JP2000273624A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To retain discharge under relatively low gas pressure and to form a film with high controllability by forming the magnetron magnetic field on the surface of a target at the magnet part in a vacuum vessel, blowing off gas for discharge toward the plane of the target, generating discharge and executing sputtering. SOLUTION: A vacuum vessel 16 is connected to a vacuum pump 18 via a gate valve 17, the inside thereof is set with a substrate 15 via a substrate holder 19, oppositely thereto, a target 21 is arranged on a backing plate 23, and the circumference thereof is provided with an earth shield 24. The magnetron magnetic field is formed on the surface of the target 21 by a magnet 22, discharge gas of Ar or the like is fed from nozzles 14, D C or high frequency voltage is applied on the target 21 from a power source 26, discharge is generated, and sputtering is executed by the generated ions. At this time, the center axes of the blow-off of the plural nozzles 14 fitted to a distributor 13 are allowed to place in the plane of the target 21. In this way, gaseous molecular density in the surface of the target 21 is increased, and discharge is made maintainable under low gas pressure.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、マグネトロンスパ
ッタ法により薄膜を形成するためのマグネトロンスパッ
タ装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetron sputtering apparatus for forming a thin film by a magnetron sputtering method.

【0002】[0002]

【従来の技術】マグネトロンスパッタ装置は半導体製造
や液晶表示素子製造,磁気ヘッドや磁気ディスクの製造
など、電子部品の製造において使用されている薄膜形成
装置のひとつである。
2. Description of the Related Art A magnetron sputtering apparatus is one of thin film forming apparatuses used in the manufacture of electronic components such as semiconductor manufacture, liquid crystal display element manufacture, magnetic heads and magnetic disks.

【0003】マグネトロンスパッタ装置は、真空ポンプ
により減圧された真空容器内において薄膜を形成すべき
基板を処理する装置である。マグネトロンスパッタ装置
において基板に成膜を行う直前は、真空容器内部の圧力
を1×10-4Pa以下の高真空状態にするが、成膜する
場合は圧力を0.1〜1Pa 程度にする必要がある。こ
のような圧力が選ばれる理由を以下に述べる。
[0003] A magnetron sputtering apparatus is an apparatus for processing a substrate on which a thin film is to be formed in a vacuum vessel reduced in pressure by a vacuum pump. Immediately before the film is formed on the substrate in the magnetron sputtering apparatus, the pressure inside the vacuum vessel is set to a high vacuum of 1 × 10 −4 Pa or less. There is. The reason why such a pressure is selected will be described below.

【0004】マグネトロンスパッタ装置は、ターゲット
にイオンが衝突することでターゲット材料が飛散、すな
わちスパッタされ、基板に薄膜として堆積させる薄膜形
成装置である。このイオンはアルゴン等の不活性ガスを
電離して得られるものである。マグネトロンスパッタ装
置では、ターゲットへのイオンの衝突時にターゲットか
ら二次電子も放出され、この二次電子がシース領域で高
速に加速されてガス中に飛び込む。
A magnetron sputtering apparatus is a thin film forming apparatus that scatters, that is, sputters a target material when ions collide with the target and deposits the target material as a thin film on a substrate. These ions are obtained by ionizing an inert gas such as argon. In the magnetron sputtering apparatus, secondary electrons are also emitted from the target when ions collide with the target, and the secondary electrons are accelerated at high speed in the sheath region and jump into the gas.

【0005】高速電子はターゲット表面のマグネトロン
磁場により長時間ターゲット表面に滞在するので、ガス
分子と衝突する確率が高くなる。高速電子がガス分子と
衝突することでガス分子を電離し、イオンが得られる。
このイオンがターゲットに衝突し、二次電子が発生する
というサイクルを繰り返すことで放電が維持される。こ
のようにマグネトロンスパッタ装置では磁場により電子
をターゲット近傍に滞在させ、比較的低ガス圧でも放電
を維持できるが、それでもこのガス圧力は0.1Pa 以
上であるのが一般的である。
[0005] Since high-speed electrons stay on the target surface for a long time due to the magnetron magnetic field on the target surface, the probability of collision with gas molecules increases. The fast electrons collide with the gas molecules to ionize the gas molecules and obtain ions.
The discharge is maintained by repeating a cycle in which the ions collide with the target and generate secondary electrons. As described above, in a magnetron sputtering apparatus, electrons can be kept near a target by a magnetic field and discharge can be maintained even at a relatively low gas pressure. However, the gas pressure is generally 0.1 Pa or more.

【0006】薄膜を形成する場合、薄膜の結晶性や応力
などの性質を制御して成膜することが必要とされてい
る。これは、結晶の大きさや性質が薄膜の物性を左右す
るものであり、また応力は基板の変形などの影響を及ぼ
すためである。このような薄膜の性質は、成膜時の温
度,雰囲気ガスの膜への巻き込み、スパッタ粒子のエネ
ルギーなど複雑であり、完全に解明されてはいない。
In forming a thin film, it is necessary to control the properties of the thin film such as crystallinity and stress. This is because the size and properties of the crystal affect the physical properties of the thin film, and the stress has an effect such as deformation of the substrate. The properties of such thin films are complicated, such as the temperature during film formation, the entrainment of atmospheric gas into the film, and the energy of sputtered particles, and have not been completely elucidated.

【0007】薄膜の性質を制御するために、実際には成
膜条件を変更することで行われる。具体的には基板温度
の管理や成膜時のガス圧力,成膜速度,スパッタリング
するイオンのエネルギーなどによって行われている。
[0007] In order to control the properties of the thin film, it is actually performed by changing the film forming conditions. Specifically, it is controlled by controlling the substrate temperature, gas pressure during film formation, film formation speed, energy of ions to be sputtered, and the like.

【0008】これらのうち、成膜時のガス圧力に関して
は、前述のように放電を維持する必要から0.1Pa 以
上が必要であり、それ以下の圧力は制御範囲に入れるこ
とができなかった。
[0008] Of these, the gas pressure during film formation is required to be 0.1 Pa or more because of the necessity of maintaining discharge as described above, and a pressure lower than 0.1 Pa cannot be controlled.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】膜特性のうち、特に膜
応力は成膜時のガス圧力の影響を受けやすいことが知ら
れている。膜の種類によっては1000MPa以上の高
い応力が生じる場合もある。このようにガス圧力は成膜
条件として非常に重要なパラメータであり、その可変範
囲が広いほど所望の膜特性を得やすい。
It is known that, among film characteristics, film stress, in particular, is easily affected by gas pressure during film formation. Depending on the type of the film, a high stress of 1000 MPa or more may occur. As described above, the gas pressure is a very important parameter as a film forming condition, and the wider the variable range, the easier it is to obtain desired film characteristics.

【0010】しかし、マグネトロンスパッタ装置では前
述のように0.1Pa 程度が放電維持の限界であり、応
力の圧力依存性から見て、0.1Pa 以下の圧力が必要
な場合でも、従来は放電維持ができず、成膜することが
不可能となっていた。そのため、より低ガス圧でも放電
を維持できるマグネトロンスパッタ装置が望まれていた
のである。
However, in the magnetron sputtering apparatus, about 0.1 Pa is the limit of the discharge maintenance as described above. Even if a pressure of 0.1 Pa or less is required in view of the pressure dependency of the stress, the discharge maintenance is conventionally performed. And it was impossible to form a film. Therefore, a magnetron sputtering apparatus capable of maintaining discharge even at a lower gas pressure has been desired.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】前記課題は、マグネトロ
ンスパッタ装置のガス導入機構において、ガス導入ノズ
ルの出射方向であるノズルの中心軸をターゲット表面と
することで解決することができる。
The above object can be attained by setting the central axis of the gas introduction nozzle, which is the emission direction of the gas introduction nozzle, as the target surface in the gas introduction mechanism of the magnetron sputtering apparatus.

【0012】ノズル内はコンダクタンスが小さいため、
上流側ではガス分子密度が高く粘性流あるいは中間流で
ある。そのためノズルから出射された直後のガスは方向
性を有している。ガス分子は一度真空容器の内壁に衝突
すると、ランダムな方向へ向きを変えてしまう。真空容
器内壁に衝突する前にターゲット表面に導くことで、タ
ーゲット表面におけるガス分子密度を高めることができ
る。その結果、ターゲット表面における放電を維持しつ
つ、基板面における圧力を従来より低ガス圧とすること
ができる。
Since the conductance inside the nozzle is small,
On the upstream side, the gas molecule density is high and the flow is viscous or intermediate. Therefore, the gas immediately after being emitted from the nozzle has directivity. Once gas molecules collide with the inner wall of the vacuum vessel, they turn in random directions. By guiding to the target surface before colliding with the inner wall of the vacuum vessel, the gas molecule density on the target surface can be increased. As a result, the pressure on the substrate surface can be made lower than the conventional gas pressure while maintaining the discharge on the target surface.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本発明を実施したマグネトロンス
パッタ装置の断面を図1に示す。
FIG. 1 is a sectional view of a magnetron sputtering apparatus embodying the present invention.

【0014】真空容器16は、ゲート弁17を介して取
り付けられた真空ポンプ18によって真空状態になって
いる。基板15は基板ホルダ19に載せられた状態で配
置される。基板15は背面のヒータ20により加熱され
ている。
The vacuum vessel 16 is evacuated by a vacuum pump 18 mounted via a gate valve 17. The substrate 15 is placed on the substrate holder 19. The substrate 15 is heated by the heater 20 on the back.

【0015】基板15に対向する位置にはターゲット2
1が配置される。ターゲット21はバッキングプレート
23に接着されており、このバッキングプレート23を
冷却することでターゲット21も冷却される。また、バ
ッキングプレート23は大気との圧力隔壁にもなってい
る。
The target 2 is located at a position facing the substrate 15.
1 is arranged. The target 21 is adhered to the backing plate 23. By cooling the backing plate 23, the target 21 is also cooled. The backing plate 23 also serves as a pressure partition against the atmosphere.

【0016】絶縁シール25はバッキングプレート23
を電気的に真空容器16と絶縁し、かつバッキングプレ
ート23の真空シールの役割を果たす。
The insulating seal 25 is provided on the backing plate 23.
Is electrically insulated from the vacuum vessel 16 and serves as a vacuum seal for the backing plate 23.

【0017】成膜の手順を以下に述べる。The procedure of film formation will be described below.

【0018】まず基板15を所定の位置にセットし、ヒ
ータ20により温度を調整する。次にアルゴンガスを真
空容器16の内部に導入する。アルゴンガスはボンベ1
1からマスフローコントローラ12,分配器13,ノズ
ル14を経てターゲット21表面に導かれる。真空容器
16内の圧力は、アルゴンガスの流量と、真空ポンプ1
8の排気速度と、ゲート弁17の排気コンダクタンスと
で決まる量である。次に電源26によりターゲット21
を真空容器16に対して負電位とすることでターゲット
21の表面に放電プラズマが形成される。
First, the substrate 15 is set at a predetermined position, and the temperature is adjusted by the heater 20. Next, an argon gas is introduced into the vacuum chamber 16. Argon gas cylinder 1
From 1, it is guided to the surface of the target 21 via the mass flow controller 12, the distributor 13 and the nozzle 14. The pressure in the vacuum vessel 16 depends on the flow rate of the argon gas and the vacuum pump 1.
8 and the exhaust conductance of the gate valve 17. Next, the target 21 is
Is set to a negative potential with respect to the vacuum vessel 16, discharge plasma is formed on the surface of the target 21.

【0019】このプラズマ中には正に帯電したアルゴン
イオンが存在し、負電位であるターゲットに衝突する。
衝突によりターゲット21を構成する材料は原子レベル
で弾きとばされ基板15に堆積する。またターゲット2
1からはアルゴンイオンの衝突により二次電子も放出さ
れる。二次電子はターゲットから多くの運動エネルギー
を得てアルゴンガス中へ飛び出す。
In this plasma, positively charged argon ions are present and collide with a target having a negative potential.
Due to the collision, the material constituting the target 21 is repelled at the atomic level and deposited on the substrate 15. Also target 2
Secondary electrons are also emitted from 1 by collision of argon ions. Secondary electrons get much kinetic energy from the target and jump out into the argon gas.

【0020】しかしターゲット21の表面には、いわゆ
るマグネトロン磁場とよばれるトンネル状の磁界がマグ
ネット22により形成されている。この磁場により二次
電子はターゲット21の表面に長時間滞在するため、高
い確率でアルゴンガス分子と衝突する。この衝突でガス
が電離してまたアルゴンイオンが生成されるのである。
However, a tunnel-like magnetic field called a so-called magnetron magnetic field is formed on the surface of the target 21 by the magnet 22. Because of this magnetic field, the secondary electrons stay on the surface of the target 21 for a long time, and thus collide with argon gas molecules with high probability. This collision ionizes the gas and generates argon ions again.

【0021】また、本発明を実施したマグネトロンスパ
ッタ装置の断面を上から見たのが図2で、ターゲット2
1の周囲からノズル14によりガスが導入されている。
配管27はガスを各ノズルに等しく分配するためのもの
である。
FIG. 2 is a top view of a cross section of the magnetron sputtering apparatus embodying the present invention.
Gas is introduced from around 1 by a nozzle 14.
The pipe 27 distributes gas equally to each nozzle.

【0022】[0022]

【発明の効果】ノズル14によりターゲット21表面の
アルゴンガス分子密度を高めることができる。実施例で
は、真空容器16の内部の圧力が0.05Pa の状態で
も放電を維持することができた。一方、図3に示した従
来のマグネトロンスパッタ装置では、ガスが真空容器1
6の内部にほぼ均等に衝突してしまうため、0.15Pa
以下の圧力では放電を維持することができなかった。
The argon gas molecular density on the surface of the target 21 can be increased by the nozzle 14. In the example, the discharge could be maintained even when the pressure inside the vacuum vessel 16 was 0.05 Pa. On the other hand, in the conventional magnetron sputtering apparatus shown in FIG.
6 almost uniformly collides with the inside of
At the following pressures, discharge could not be maintained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例であるマグネトロンスパッタ装
置の断面を横側から見た図。
FIG. 1 is a diagram showing a cross section of a magnetron sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention as viewed from the side.

【図2】本発明の実施例であるマグネトロンスパッタ装
置の断面を上側から見た図。
FIG. 2 is a diagram showing a cross section of a magnetron sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention as viewed from above.

【図3】従来のマグネトロンスパッタ装置の断面を上側
から見た図。
FIG. 3 is a view of a cross section of a conventional magnetron sputtering apparatus viewed from above.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11,31…ガスボンベ、12,32…マスフローコン
トローラ、13…分配器、14…ノズル、15,35…
基板、16,36…真空容器、17,37…ゲート弁、
18,38…真空ポンプ、19,39…基板ホルダ、2
0,40…ヒータ、21,41…ターゲット、22,4
2…マグネット、23,43…バッキングプレート、2
4,44…アースシールド、25,45…絶縁シール、
26,46…電源、27…配管。
11, 31 ... gas cylinder, 12, 32 ... mass flow controller, 13 ... distributor, 14 ... nozzle, 15, 35 ...
Substrates, 16, 36: vacuum vessel, 17, 37: gate valve,
18, 38: vacuum pump, 19, 39: substrate holder, 2
0, 40 ... heater, 21, 41 ... target, 22, 4
2 ... magnet, 23, 43 ... backing plate, 2
4,44 ... earth shield, 25,45 ... insulation seal,
26, 46 ... power supply, 27 ... piping.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】内部に配置された基板を有する真空容器
と、薄膜とすべき母材からなるターゲットと、該ターゲ
ットの表面上に所望のマグネトロン磁場を形成する磁石
部と、該ターゲットに直流電圧あるいは高周波電圧を印
加して該ターゲット表面において放電を発生させるため
の電源と、放電用ガスの導入機構とを有するマグネトロ
ンスパッタ装置において、該放電用ガスの導入機構が、
該真空容器内においてノズル形状となっており、該ノズ
ルの吹き出しの中心軸が、該ターゲット面内にあること
を特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
1. A vacuum vessel having a substrate disposed therein, a target made of a base material to be formed into a thin film, a magnet section for forming a desired magnetron magnetic field on the surface of the target, and a DC voltage applied to the target. Alternatively, in a magnetron sputtering apparatus having a power supply for generating a discharge on the target surface by applying a high-frequency voltage, and a discharge gas introduction mechanism, the discharge gas introduction mechanism includes:
A magnetron sputtering apparatus having a nozzle shape in the vacuum vessel, wherein a center axis of a blowout of the nozzle is located in the target surface.
JP11079140A 1999-03-24 1999-03-24 Magnetron sputtering equipment Pending JP2000273624A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013136832A (en) * 2011-11-28 2013-07-11 National Institute For Materials Science Sputter gun and deposition apparatus using the same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013136832A (en) * 2011-11-28 2013-07-11 National Institute For Materials Science Sputter gun and deposition apparatus using the same

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