JP2832256B2 - Plasma deposition equipment - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、半導体集積回路などの電子デバイスの製造
および各種材料の表面処理にあたり、試料基板上に各種
材料の薄膜を形成するためのプラズマ付着装置に関する
ものであり、特に、プラズマを利用して金属や金属化合
物の薄膜を低温で高品質に形成するためのプラズマ付着
装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to plasma deposition for forming thin films of various materials on a sample substrate in the manufacture of electronic devices such as semiconductor integrated circuits and surface treatment of various materials. The present invention relates to an apparatus, and more particularly, to a plasma deposition apparatus for forming a thin film of a metal or a metal compound with high quality at a low temperature using plasma.
[従来の技術] 従来、プラズマを利用する薄膜形成法として、原料を
ガスの形で供給するプラズマCVD法が広く用いられてい
る。しかし、この方法では試料基板を250〜400℃に加熱
する必要があること、また、形成された膜も綴密性の点
で不十分であるなどの問題があった。これに対し、マイ
クロ波による電子サイクロトロン共鳴プラズマを利用す
るCVD形ECR(Electron Cyclotron Resonance)プラズマ
付着法(特開昭56-155535号公報)では、試料基板を加
熱しない低温で、高温CVDに匹敵する繊密かつ高品質な
薄膜を形成できる。[Prior Art] Conventionally, as a thin film forming method using plasma, a plasma CVD method for supplying a raw material in a gas form has been widely used. However, this method has a problem that the sample substrate needs to be heated to 250 to 400 ° C., and the formed film is insufficient in the tightness. In contrast, a CVD type ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma deposition method using electron cyclotron resonance plasma by microwaves (Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-155535) is comparable to high-temperature CVD at a low temperature without heating the sample substrate. A dense and high-quality thin film can be formed.
これに対して、金属および金属化合物膜については、
一般にスパッタ法が広く用いられている。スパッタ法で
は、固体ターゲットのスパッタリングにより容易に金属
原料を供給できる利点がある。そこでCVD形ECRプラズマ
付着法とスパッタ法との利点を生かしてスパッタ形ECR
プラズマ付着法(特開昭59-47728号公報)が開発され、
直円筒形ターゲットの開発(特開昭60-50167号公報)、
マグネトロンモード放電の利用(特開昭61-114518号公
報)により、ターゲット電流を大きく向上させて膜形成
速度,膜形成特性の向上が可能となった。In contrast, for metal and metal compound films,
Generally, a sputtering method is widely used. The sputtering method has an advantage that a metal source can be easily supplied by sputtering a solid target. Therefore, a sputter type ECR utilizing the advantages of the CVD type ECR plasma deposition method and the sputtering method
The plasma deposition method (JP-A-59-47728) was developed,
Development of a straight cylindrical target (JP-A-60-50167),
The use of magnetron mode discharge (Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-114518) has made it possible to greatly increase the target current and improve the film formation speed and film formation characteristics.
上記特開昭61-114518号公報に開示された装置の構成
概要および膜形成原理を第4図によって述べる。第4図
において、1はプラズマ生成室、2は試料室、3はマイ
クロ波導入窓、4は矩形導波管、5はプラズマ流、6は
プラズマ引出し窓、7は試料基板、8は試料台、9は排
気系、10は磁気コイル、11は磁気シールド、12は第1ガ
ス導入系、13は第2ガス導入系、14は冷却水配管、15は
スパッタリング用ターゲット、16は局所磁界用軟鉄リン
グ、16Aは例えばステンレス鋼などの非磁性の導電体か
らなるリング、17はシールド電極、17Aは絶縁体、18は
冷却水配管、19はスパッタ電源である。排気系9により
プラズマ生成室1と試料室2とを高真空に排気した後、
第1ガス導入系12と第2ガス導入系13の一方または両方
よりガスを導入して10-3〜10-1Pa程度の圧力とし、マイ
クロ波源(図示省略)より矩形導波管4、マイクロ波導
入窓3を介して導入されるマイクロ波と、磁気コイル10
により形成される磁界とにより、プラズマ生成室1で電
子サイクロトロン共鳴を用いてプラズマを生成する。プ
ラズマはプラズマ引出し窓6から試料台の方向に引き出
され、プラズマ流5を形成する。プラズマ流5と接し、
かつ、それを取り囲むようにターゲット15が配置されて
いるので、スパッタ電源19によりターゲット15に負の電
圧を印加してプラズマ流5中のイオンによってスパッタ
リングする。FIG. 4 shows an outline of the structure of the apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-114518 and the principle of film formation. In FIG. 4, 1 is a plasma generation chamber, 2 is a sample chamber, 3 is a microwave introduction window, 4 is a rectangular waveguide, 5 is a plasma flow, 6 is a plasma extraction window, 7 is a sample substrate, and 8 is a sample stage. , 9 is an exhaust system, 10 is a magnetic coil, 11 is a magnetic shield, 12 is a first gas introduction system, 13 is a second gas introduction system, 14 is a cooling water pipe, 15 is a sputtering target, 16 is a soft iron for a local magnetic field. The ring, 16A is a ring made of a nonmagnetic conductor such as stainless steel, for example, 17 is a shield electrode, 17A is an insulator, 18 is a cooling water pipe, and 19 is a sputter power supply. After the plasma generation chamber 1 and the sample chamber 2 are evacuated to a high vacuum by the exhaust system 9,
A gas is introduced from one or both of the first gas introduction system 12 and the second gas introduction system 13 to a pressure of about 10 -3 to 10 -1 Pa, and a rectangular wave guide 4 and a microwave are supplied from a microwave source (not shown). The microwave introduced through the wave introduction window 3 and the magnetic coil 10
A plasma is generated in the plasma generation chamber 1 using electron cyclotron resonance by the magnetic field formed by The plasma is extracted from the plasma extraction window 6 in the direction of the sample stage and forms a plasma stream 5. In contact with the plasma stream 5,
In addition, since the target 15 is disposed so as to surround the target, a negative voltage is applied to the target 15 by the sputtering power supply 19 to perform sputtering by ions in the plasma flow 5.
マイクロ波源には、周波数2.45GHzのマグネトロンを
用いることができ、この時の電子サイクロトロン共鳴条
件は磁束密度875Gであり、プラズマ生成室1の少なくと
も一部でこの条件が満たされている。プラズマ生成室1
はマイクロ波の電界強度を増し、プラズマ生成の効率を
高めるために、マイクロ波空洞共振器の構成とし、例え
ば、TE112モードの空洞共振器を採用し、内のり寸法で
直径15cm、高さ15cmの円筒形状とし、プラズマによる加
熱を防止するため冷却水配管14により冷却されている。
磁気コイル10による磁界はプラズマ生成室1に電子サイ
クロトロン共鳴条件の磁束密度を与えるとともに、プラ
ズマ生成室1から試料台8の方向に弱くなる発散磁界を
形成する。また、外部への磁界の不要な広がりを防止す
るため磁気シールド11が設けられている。プラズマ生成
室1では、電子サイクロトロン共鳴により高エネルギー
状態の円運動電子が形成され、ガス分子との衝突電離に
よりプラズマが形成される。円運動電子は自己の持つ磁
気モーメントと磁気コイル10により発生する発散磁界と
の相互作用により、プラズマ引出し窓6から円運動しな
がら加速されて試料台8の方向に導かれる。試料台8が
プラズマ生成室1とは電気的に絶縁されているため、プ
ラズマ生成室1と試料台8の間に、電子を減速させイオ
ンを加速する電界が発生し、プラズマがプラズマ引出し
窓6からプラズマ流5として試料台方向に引き出され
る。この電界の効果によって、プラズマ流中のイオンに
は膜形成に適度なイオンエネルギーが付与される。As the microwave source, a magnetron having a frequency of 2.45 GHz can be used. The electron cyclotron resonance condition at this time is a magnetic flux density of 875 G, and this condition is satisfied in at least a part of the plasma generation chamber 1. Plasma generation chamber 1
Increases the electric field intensity of the microwaves in order to increase the efficiency of plasma generation, a structure of a microwave cavity resonator, for example, employ a resonant cavity of the TE 112 mode, 15cm diameter at inner dimension, height 15cm It has a cylindrical shape and is cooled by a cooling water pipe 14 to prevent heating by plasma.
The magnetic field generated by the magnetic coil 10 gives the plasma generation chamber 1 a magnetic flux density under the electron cyclotron resonance condition, and forms a divergent magnetic field that weakens in the direction from the plasma generation chamber 1 to the sample stage 8. Further, a magnetic shield 11 is provided to prevent unnecessary spread of a magnetic field to the outside. In the plasma generation chamber 1, circularly moving electrons in a high energy state are formed by electron cyclotron resonance, and plasma is formed by impact ionization with gas molecules. Circular motion electrons are accelerated while moving circularly from the plasma extraction window 6 and guided toward the sample stage 8 due to the interaction between the magnetic moment of the electron and the divergent magnetic field generated by the magnetic coil 10. Since the sample stage 8 is electrically insulated from the plasma generation chamber 1, an electric field is generated between the plasma generation chamber 1 and the sample stage 8 to decelerate electrons and accelerate ions. From the sample stage toward the sample stage. Due to the effect of the electric field, ions in the plasma flow are given an appropriate ion energy for film formation.
スパッタリング用ターゲット15は、高活性なECRプラ
ズマを効率的にスパッタリングに利用するために、直円
筒形状とし試料室2のプラズマ引出し窓6近傍に、プラ
ズマ流5に接し、かつそれを囲む位置に配置され、スパ
ッタ電源19に接続され、負の電圧が印加されている。ま
た、局所磁界用軟鉄リング16によってターゲット表面近
傍において、磁力線がターゲットから出てターゲットに
戻る局所磁界を形成し、ターゲット15のスパッタリング
領域に電界と磁界が直交するExBの条件を満たし、ここ
に局部的にマグネトロンモードの高密度プラズマを生成
してスパッタリングの効率を向上させている。局所磁界
はターゲット表面近傍のみに在在するので、プラズマ流
5によるイオン輸送の効果を維持したままで、高速に高
品質の膜形成が可能となる。さらに、ターゲット15は異
常放電、不用なイオンの入射を防止するために、プラズ
マ流5に面しない部分が接地電位のシールド電極17によ
って5〜10mmの間隙をもって覆われている。また、ター
ゲット15はスパッタリングによる加熱を防止するため、
冷却水配管18により冷却されている。The sputtering target 15 is formed in a straight cylindrical shape in the vicinity of the plasma extraction window 6 of the sample chamber 2 in contact with the plasma flow 5 and at a position surrounding the plasma flow window 5 in order to efficiently use the highly active ECR plasma for sputtering. Then, it is connected to a sputtering power supply 19 and a negative voltage is applied. In addition, the local magnetic field soft iron ring 16 forms a local magnetic field near the target surface where the magnetic field lines exit from the target and return to the target, and satisfy the ExB condition in which the electric field and the magnetic field are orthogonal to the sputtering region of the target 15. The magnetron mode high-density plasma is generated to improve the sputtering efficiency. Since the local magnetic field exists only near the target surface, a high-quality film can be formed at high speed while maintaining the effect of ion transport by the plasma flow 5. Further, the portion of the target 15 not facing the plasma flow 5 is covered with a shield electrode 17 of a ground potential with a gap of 5 to 10 mm in order to prevent abnormal discharge and incidence of unnecessary ions. Also, the target 15 prevents heating by sputtering,
It is cooled by a cooling water pipe 18.
[発明が解決しようとする課題] 以上の構成において、例えば、第1ガス導入系12から
Arを、第2ガス導入系13からO2を導入し、ターゲット1
5にAlを用いた場合には、1000Å/min以上の高速で、高
品質なアルミナ(Al2O3)膜が形成されている。これ
は、マグネトロンモードスパッタによる金属原料の高速
供給,活性化,およびプラズマ流による膜形成に適度の
イオン衝撃による反応促進効果によるものである。しか
し、これ以上の付着速度を得ようとすると、ターゲット
の電界がプラズマ流中におよび、異常放電が発生し、安
定な膜形成が困難であった。さらに、Arガスのみによる
スパッタリングでは、導電性のアルミニウム(Al)膜が
マイクロ波導入窓に付着し、マイクロ波の導入が困難と
なり、安定なプラズマ生成が困難となる欠点があった。[Problem to be Solved by the Invention] In the above configuration, for example, the first gas introduction system 12
Ar was introduced from the second gas introduction system 13 into O 2 , and the target 1
When Al is used for 5, a high-quality alumina (Al 2 O 3 ) film is formed at a high speed of 1000 ° / min or more. This is due to the high-speed supply and activation of the metal raw material by magnetron mode sputtering, and the reaction promoting effect of moderate ion bombardment on the film formation by the plasma flow. However, if an attempt is made to obtain a higher deposition rate, the electric field of the target is spread in the plasma flow, abnormal discharge occurs, and it has been difficult to form a stable film. Furthermore, sputtering using only Ar gas has a disadvantage that a conductive aluminum (Al) film adheres to the microwave introduction window, making it difficult to introduce microwaves and making stable plasma generation difficult.
以上のように、特開昭61-114518号公報に開示の装置
によれば、スパッタ形ECRプラズマ付着法による誘電膜
の形成において膜形成速度、膜形成特性の向上が可能と
なった。しかし、さらにスパッタ放電の安定化、イオン
エネルギーの制御性を向上し、さらに、金属,金属化合
物の導電膜形成実現が望まれている。As described above, according to the apparatus disclosed in JP-A-61-114518, it is possible to improve the film formation speed and film formation characteristics in forming a dielectric film by the sputter type ECR plasma deposition method. However, it is desired to further stabilize the sputter discharge and improve the controllability of ion energy, and to realize the formation of a conductive film of a metal or a metal compound.
本発明は、以上の状況に鑑みてなされたもので、その
目的は、スパッタ形プラズマ付着法において、プラズマ
引出し窓から引出すプラズマを、スパッタリング用ター
ゲットを照射するリング状プラズマ流と、試料基板を照
射する円柱状プラズマ流に分割し、試料に照射するプラ
ズマ流中へのスパッタ電界の広がりを制限して、スパッ
タ放電特性,イオン流照射による膜形成特性を安定化さ
せること、およびマイクロ波導入窓を有するプラズマ付
着装置においては、上記に加えてスパッタリング用ター
ゲットからマイクロ波導入窓に直接飛来する金属粒子を
除去して、種々の金属、金属化合物薄膜を制御性,信頼
性高く形成し得るプラズマ付着装置を提供することにあ
る。The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to irradiate a plasma drawn from a plasma extraction window, a ring-shaped plasma flow for irradiating a sputtering target, and a sample substrate in a sputtering type plasma deposition method. To stabilize sputter discharge characteristics and film formation characteristics by ion flow irradiation by limiting the spread of the sputter electric field into the plasma flow irradiating the sample. In addition to the above, in addition to the above, a plasma deposition apparatus that can form various metal and metal compound thin films with high controllability and reliability by removing metal particles directly flying from a sputtering target to a microwave introduction window. Is to provide.
[課題を解決するための手段] 本発明によるプラズマ付着装置は、ガスを導入してプ
ラズマを発生させるプラズマ生成室と、膜形成すべき試
料基板を配置するための試料台を配置した試料室と、前
記プラズマ生成室と前記試料室との間に配置されプラズ
マをプラズマ流として前記プラズマ生成室から前記試料
室に導入するためのプラズマ引出し窓と、スパッタリン
グ材料で形成され前記プラズマ流を取り囲み前記プラズ
マ流と接するように配置されたターゲットとを具え、前
記ターゲットをスパッタするためのイオンを、前記プラ
ズマ流の一部から引出して前記ターゲットに入射させ、
前記ターゲットのスパッタリングにより試料基板上に薄
膜を付着、堆積させるプラズマ付着装置において、前記
プラズマ引出し窓は、中央部が開孔をなし外周が前記プ
ラズマ生成室の内周より小さいプラズマ遮断部が前記プ
ラズマ生成室に固定されることによって、前記プラズマ
流を前記試料台に導かれるプラズマ流と、前記ターゲッ
トに導かれるプラズマ流とに分割する構造を有すること
を特徴とする。[Means for Solving the Problems] A plasma deposition apparatus according to the present invention includes a plasma generation chamber for introducing a gas to generate plasma, and a sample chamber in which a sample stage on which a sample substrate on which a film is to be formed is arranged. A plasma extraction window disposed between the plasma generation chamber and the sample chamber for introducing plasma from the plasma generation chamber into the sample chamber as a plasma flow; and a plasma surrounding the plasma flow formed of a sputtering material and surrounding the plasma flow. A target disposed in contact with the flow, ions for sputtering the target are extracted from a portion of the plasma flow and incident on the target,
In the plasma deposition apparatus for depositing and depositing a thin film on a sample substrate by sputtering the target, the plasma extraction window has an opening at the center and an outer periphery smaller than the inner periphery of the plasma generation chamber. It is characterized by having a structure in which the plasma flow is divided into a plasma flow guided to the sample stage and a plasma flow guided to the target by being fixed to the generation chamber.
[作用] 本発明においては、プラズマ導入窓を独特の構造とし
ており、そのため、試料基板に照射するプラズマを分離
することにより、安定に,信頼性,制御性高く膜形成す
ることができる。[Operation] In the present invention, the plasma introduction window has a unique structure. Therefore, by separating the plasma applied to the sample substrate, a film can be stably formed with high reliability and controllability.
[実施例] 以下に本発明の実施例について、図面を参照して詳細
に説明する。Examples Examples of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
第1図は本発明の実施例装置の断面図、第2図は本発
明におけるターゲット,プラズマ引出し窓およびマイク
ロ波導入窓の配置を示す模式図、第3図はターゲット電
界分布の模式図である。FIG. 1 is a sectional view of an apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic view showing the arrangement of a target, a plasma extraction window and a microwave introduction window in the present invention, and FIG. 3 is a schematic view of a target electric field distribution. .
第1図の実施例において、第4図の従来構造との相違
はプラズマ引出し窓6の構造、およびこれにともなうタ
ーゲット15の配置位置にあり、これらを除く部分は両者
の構成、その作用は同じである。第2図はプラズマ引出
し窓近傍の拡大図であり、本発明の実施例の詳細につい
て第2図を参照して説明する。In the embodiment shown in FIG. 1, the difference from the conventional structure shown in FIG. 4 lies in the structure of the plasma extraction window 6 and the arrangement position of the target 15 associated therewith. It is. FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the plasma extraction window, and details of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第2図においてはターゲット15、プラズマ流5、プラ
ズマ引出し窓6、マイクロ波導入窓3、試料台8の幾何
学的配置を示している。プラズマ引出し窓6は、ターゲ
ットにリング状プラズマ流5Aを、およびこれと分離して
試料台8に円柱状プラズマ流5Bを照射するために、リン
グ状引出し窓6A、円状引出し窓6Bにより構成されてい
る。さらに、これらの間のリング状のプラズマ遮断部6C
によりターゲットからマイクロ波導入窓3が直視できな
い構造になっている。プラズマ遮断部6Cは、例えば3本
または4本の図示しない放射状の支持部を有し、この放
射状の支持部は、ボルト締め等の公知の方法によってプ
ラズマ生成室の端部に固定される。FIG. 2 shows the geometrical arrangement of the target 15, the plasma flow 5, the plasma extraction window 6, the microwave introduction window 3, and the sample stage 8. The plasma extraction window 6 includes a ring-shaped extraction window 6A and a circular extraction window 6B for irradiating the target with the ring-shaped plasma flow 5A and the column-shaped plasma flow 5B on the sample stage 8 separately therefrom. ing. In addition, a ring-shaped plasma cutoff section 6C between them
Thereby, the microwave introduction window 3 cannot be seen directly from the target. The plasma cutoff unit 6C has, for example, three or four radial support portions (not shown), and these radial support portions are fixed to an end of the plasma generation chamber by a known method such as bolting.
第2図によって最初にスパッタ放電の安定化について
説明する。ターゲット15に負電位を印加してスパッタリ
ングを行う場合、電界の大部分はターゲット表面近傍の
シース部分に印加され、残りはプラズマを介して周辺の
接地面との空間に印加される。これを模式的に示したの
が第3図の破線(a)である。また、マグネトロンモー
ドスパッタリングのように高速にスパッタリングし、こ
のために生じる二次電子が十分にターゲットに捕捉され
ないような場合や、原理的にスパッタリングによる二次
電子を捕捉しない構成のスパッタリングの場合には、第
3図の実線(b)のように周辺の接地面との空間にも高
い電界が及ぶ状況になる。一方、パーシエンの法則によ
れば、平等電界ギャップにおいて火花放電の起きる電圧
(火花電圧)は、ガス種,ガス圧力およびギャップ間隔
により異なる。例えば、Arガス1×10-3Torr、ギャップ
間隔100cmにおける火花電圧は200Vである。火花放電の
生じるギャップ間隔および火花電圧はすでに電子やイオ
ンが存在する場合やプラズマが存在する場合には著しく
小さくなって火花放電を発生しやすくなることが知られ
ている。スパッタリングにおける異常放電は火花放電を
きっかけとするものと推定できる。第3図の線(a),
(b)のようにターゲット電界がターゲット表面と接地
面との間に印加される場合には、この間の距離、電圧が
パーシエンの法則に合致すると、異常放電が生じ易くな
る。第4図に示した従来の構成では、ターゲットに印加
した電圧はプラズマを介してプラズマ生成室1、試料台
8の広い範囲に及ぶのでパーシエンの法則に合致する距
離が実現され易く、このため異常放電が発生し易い。こ
れに対し、第2図に示す本発明の構成では、リング状引
出し窓6Aを適当な寸法にすることにより、リング状プラ
ズマ5Aを引出すプラズマ引出し窓とし、かつ、リング状
プラズマにしみだしたターゲット電界をパーシエンの法
則における距離以下に制限できるので、異常放電のない
安定なスパッタリングが実現できる。このときのターゲ
ット電界の分布を第3図の実線(c)に示す。実験では
Arガス圧1×10-3Torr、Alターゲットにおいては第4図
の従来構成では500Vで異常放電が発生したが、第2図に
示す本発明の構成では、リング状引出し窓を10mmの幅と
して、1000Vにおいても安定なスパッタリングが実現で
きた。First, stabilization of the sputter discharge will be described with reference to FIG. When sputtering is performed by applying a negative potential to the target 15, most of the electric field is applied to the sheath portion near the target surface, and the rest is applied to the space with the surrounding ground plane via the plasma. This is schematically shown by the broken line (a) in FIG. In addition, when sputtering is performed at a high speed as in magnetron mode sputtering, and the secondary electrons generated for this purpose are not sufficiently captured by the target, or in the case of sputtering in which the secondary electrons are not captured by sputtering in principle. As shown by the solid line (b) in FIG. 3, a high electric field is applied to the space with the surrounding ground plane. On the other hand, according to Parsien's law, the voltage at which spark discharge occurs in the equal electric field gap (spark voltage) differs depending on the gas type, gas pressure, and gap interval. For example, the spark voltage at an Ar gas of 1 × 10 −3 Torr and a gap interval of 100 cm is 200 V. It is known that a gap interval and a spark voltage at which a spark discharge occurs become extremely small when electrons or ions are already present or when plasma is present, so that a spark discharge is easily generated. It can be assumed that abnormal discharge in sputtering is triggered by spark discharge. The line (a) in FIG. 3,
In the case where the target electric field is applied between the target surface and the ground plane as in (b), if the distance and the voltage conform to Parsien's law, abnormal discharge is likely to occur. In the conventional configuration shown in FIG. 4, the voltage applied to the target extends over a wide range of the plasma generation chamber 1 and the sample stage 8 via the plasma, so that a distance that conforms to the Parcien's law is easily realized, and therefore, the abnormal Discharge is likely to occur. On the other hand, in the configuration of the present invention shown in FIG. 2, the ring-shaped extraction window 6A is made to have an appropriate size so that the ring-shaped plasma 5A is extracted from the plasma extraction window, and the target electric field soaked into the ring-shaped plasma. Can be limited to a distance equal to or less than the distance in Parsien's law, and stable sputtering without abnormal discharge can be realized. The distribution of the target electric field at this time is shown by a solid line (c) in FIG. In the experiment
In the case of the Ar gas pressure of 1 × 10 −3 Torr and the Al target, abnormal discharge occurred at 500 V in the conventional configuration of FIG. 4, but in the configuration of the present invention shown in FIG. And stable sputtering at 1000V.
次に、第2図によってECRプラズマ流によるイオンエ
ネルギー制御の安定化について説明する。ECRプラズマ
法ではプラズマ流中に発生するプラズマ流中電界および
試料表面に発生するプラズマシース電界によって連続的
に加速,輸送される。プラズマ流中電界は10〜40Vであ
り、ガス圧、マイクロ波電力等により制御する。また、
プラズマシース電界はおおむね10Vである。このため、
ガス圧、マイクロ波電力等を制御することにより、膜形
成に適度な10〜50eVのエネルギーを付与してプラズマ生
成室1から試料表面にイオン輸送できる。第4図に示し
た従来の構成では、スパッタ電界がプラズマ流5全体に
及ぶので、このようなECRプラズマ法の特徴である低エ
ネルギーイオン輸送の条件が乱され、膜形成に悪影響を
及ぼす。さらに、プラズマ流5を介してプラズマ生成室
1の内部にもスパッタ電界が及ぶので、ECRによるプラ
ズマ生成に対しても影響する。これに対し、本発明の第
2図に示す構成では、スパッタ電界がリング状プラズマ
5Aに制限され、試料に照射する円柱プラズマ流5Bおよ
び、プラズマ生成室1に影響しないので、スパッタリン
グと独立して安定に信頼性高くイオンエネルギー制御で
きる。Next, the stabilization of ion energy control by the ECR plasma flow will be described with reference to FIG. In the ECR plasma method, the plasma is continuously accelerated and transported by the electric field in the plasma flow generated in the plasma flow and the plasma sheath electric field generated on the sample surface. The electric field in the plasma flow is 10 to 40 V, and is controlled by gas pressure, microwave power, and the like. Also,
The plasma sheath electric field is approximately 10V. For this reason,
By controlling the gas pressure, microwave power, and the like, an appropriate energy of 10 to 50 eV for film formation can be applied to transport ions from the plasma generation chamber 1 to the sample surface. In the conventional structure shown in FIG. 4, since the sputtering electric field extends over the entire plasma flow 5, the condition of low energy ion transport, which is a feature of such an ECR plasma method, is disturbed, which adversely affects film formation. Furthermore, since the sputtering electric field also reaches the inside of the plasma generation chamber 1 via the plasma flow 5, it also affects the plasma generation by ECR. On the other hand, in the configuration shown in FIG.
Since it is limited to 5A and does not affect the cylindrical plasma flow 5B irradiating the sample and the plasma generation chamber 1, the ion energy can be stably and reliably controlled independently of sputtering.
続いて、第2図によってマイクロ波導入の安定化につ
いて説明する。スパッタされた粒子はターゲットからあ
る分布をもって飛翔する。ECR法ではプラズマ流中の円
運動電子との衝突によりスパッタされた粒子の一部はイ
オン化され、プラズマ流中電界の効果により試料台方向
に輸送される。しかし、イオン化されなかった粒子はタ
ーゲットから直線的に飛翔し、この一部がマイクロ波導
入窓に付着する。この付着膜が金属的性質を示す場合に
は、ここでマイクロ波が反射され、プラズマ室へのマイ
クロ波導入が困難となり、プラズマ生成が不安定になっ
たり、プラズマ生成が不可能になる。第4図の従来構造
ではスパッタリングのためのイオンが得られやすいよう
にターゲット15をプラズマ流5に接するように配置する
ので、ターゲット面からマイクロ波導入窓3が直視でき
る配置となる。これに対し、第2図の本発明の構成で
は、プラズマ遮断部6Cが存在するためにターゲット15か
らマイクロ波導入窓3が直視できない配置構成となって
いる。このため、ターゲットからマイクロ波導入窓に飛
翔する粒子を除去できるので、マイクロ波導入に影響す
ることなくスパッタリングできる。Next, stabilization of microwave introduction will be described with reference to FIG. The sputtered particles fly with a certain distribution from the target. In the ECR method, some of the sputtered particles are ionized by collision with circularly moving electrons in the plasma flow, and are transported toward the sample stage by the effect of the electric field in the plasma flow. However, the non-ionized particles fly straight from the target, and a part of the particles adheres to the microwave introduction window. If the deposited film exhibits metallic properties, microwaves are reflected here, making it difficult to introduce microwaves into the plasma chamber, making plasma generation unstable or impossible. In the conventional structure shown in FIG. 4, the target 15 is arranged so as to be in contact with the plasma flow 5 so that ions for sputtering can be easily obtained, so that the microwave introduction window 3 can be viewed directly from the target surface. On the other hand, in the configuration of the present invention shown in FIG. 2, the microwave introduction window 3 cannot be directly viewed from the target 15 due to the presence of the plasma blocking unit 6C. Therefore, particles flying from the target to the microwave introduction window can be removed, and sputtering can be performed without affecting the microwave introduction.
以上の説明では、従来例、本発明の実施例共に、電子
サイクロトロン共鳴プラズマを用いた場合について説明
した。しかし、本発明を他のプラズマ生成法、例えばマ
イクロ波放電プラズマ,高周波放電プラズマ,直流放電
プラズマを用いた場合に適用しても同様の効果があり、
スパッタターゲットに接するプラズマからプラズマ中の
イオンを、高精度にエネルギー制御して安定かつ信頼性
高く利用することができる。また、以上の説明では直流
スパッタリングを例として説明したが、本発明はターゲ
ットに高周波電界を印加してスパッタリングを行う高周
波スパッタリングを用いる場合にも適用できる。さら
に、本発明では固体ターゲットのスパッタリングによる
膜形成に利用する場合について説明したが、スパッタリ
ングを用いた金属イオン源などにも適用できる。In the above description, the case where the electron cyclotron resonance plasma is used has been described in both the conventional example and the embodiment of the present invention. However, the same effects can be obtained by applying the present invention to other plasma generation methods, for example, when using microwave discharge plasma, high-frequency discharge plasma, or DC discharge plasma.
From the plasma in contact with the sputtering target, the ions in the plasma can be stably and reliably used by controlling the energy with high precision. In the above description, DC sputtering has been described as an example. However, the present invention can be applied to a case where high-frequency sputtering in which a high-frequency electric field is applied to a target to perform sputtering is used. Further, in the present invention, the case where the present invention is used for forming a film by sputtering a solid target is described, but the present invention can also be applied to a metal ion source using sputtering.
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によればプラズマ室に生
成されたイオンを引出し、ターゲットに導いてスパッタ
リングするプラズマ付着装置において、ターゲットに照
射するプラズマと、試料基板に照射するプラズマを分離
することにより、安定に,信頼性,制御性高く膜形成す
ることができる。さらに、本発明のプラズマ付着装置を
半導体など電子部品の製造に適用した場合には、基板に
損傷を与えることなく、高品質の電子部品が実現でき
る。さらに、本発明は電子部品の製造分野に限らず、種
々の材料への薄膜形成にも適用でき、その効果は大き
い。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, in a plasma deposition apparatus that extracts ions generated in a plasma chamber, guides the ions to a target, and performs sputtering, the plasma to be applied to the target and the plasma to be applied to the sample substrate. Can be formed stably, with high reliability and controllability. Furthermore, when the plasma deposition apparatus of the present invention is applied to the manufacture of electronic components such as semiconductors, high quality electronic components can be realized without damaging the substrate. Furthermore, the present invention can be applied not only to the field of manufacturing electronic components but also to the formation of thin films on various materials, and the effect is great.
第1図は本発明のプラズマ付着装置の実施例の断面図、 第2図は本発明におけるターゲット,プラズマ引出し
窓,マイクロ波導入窓の配置を示す模式図、 第3図はターゲット電界分布の模式図、 第4図は従来のプラズマ付着装置の断面図である。 1……プラズマ生成室、2……試料室、3……マイクロ
波導入窓、4……矩形導波管、5……プラズマ流、6…
…プラズマ引出し窓、7……試料基板、8……試料台、
9……排気系、10……磁気コイル、11……磁気シール
ド、12……第1ガス導入系、13……第2ガス導入系、14
……冷却水配管、15……スパッタリング用ターゲット、
16……局所磁界用軟鉄リング、17……シールド電極、18
……冷却水配管、19……スパッタ電源。FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of the plasma deposition apparatus of the present invention, FIG. 2 is a schematic view showing the arrangement of a target, a plasma extraction window, and a microwave introduction window in the present invention, and FIG. FIG. 4 is a sectional view of a conventional plasma deposition apparatus. 1 ... plasma generation chamber, 2 ... sample chamber, 3 ... microwave introduction window, 4 ... rectangular waveguide, 5 ... plasma flow, 6 ...
... Plasma extraction window, 7 ... Sample substrate, 8 ... Sample table,
9: exhaust system, 10: magnetic coil, 11: magnetic shield, 12: first gas introduction system, 13: second gas introduction system, 14
... cooling water piping, 15 ... sputtering target,
16 ... Soft iron ring for local magnetic field, 17 ... Shield electrode, 18
…… Cooling water piping, 19 …… Sputter power supply.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 14/34 - 14/44 H01L 21/31,21/285──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) C23C 14/34-14/44 H01L 21 / 31,21 / 285
Claims (5)
ズマ生成室と、膜形成すべき試料基板を配置するための
試料台を配置した試料室と、前記プラズマ生成室と前記
試料室との間に配置されプラズマをプラズマ流として前
記プラズマ生成室から前記試料室に導入するためのプラ
ズマ引出し窓と、スパッタリング材料で形成され前記プ
ラズマ流を取り囲み前記プラズマ流と接するように配置
されたターゲットとを具え、前記ターゲットをスパッタ
するためのイオンを、前記プラズマ流の一部から引出し
て前記ターゲットに入射させ、前記ターゲットのスパッ
タリングにより試料基板上に薄膜を付着、堆積させるプ
ラズマ付着装置において、前記プラズマ引出し窓は、中
央部が開孔をなし外周が前記プラズマ生成室の内周より
小さいプラズマ遮断部が前記プラズマ生成室に固定され
ることによって、前記プラズマ流を前記試料台に導かれ
るプラズマ流と、前記ターゲットに導かれるプラズマ流
とに分割する構造を有することを特徴とするプラズマ付
着装置。1. A plasma generation chamber for generating plasma by introducing a gas, a sample chamber in which a sample stage on which a sample substrate on which a film is to be formed is arranged is disposed, and a plasma chamber is provided between the plasma generation chamber and the sample chamber. A plasma extraction window for introducing plasma from the plasma generation chamber into the sample chamber as a plasma flow, and a target formed of a sputtering material and surrounding the plasma flow and arranged to be in contact with the plasma flow. In a plasma deposition apparatus, ions for sputtering the target are extracted from a part of the plasma flow and incident on the target, and a thin film is deposited and deposited on a sample substrate by sputtering the target. The plasma shielding chamber has an opening at the center and an outer periphery smaller than the inner periphery of the plasma generation chamber. By parts is fixed to the plasma generation chamber, the plasma deposition apparatus characterized by having a structure for dividing the plasma flow and plasma flow is directed to the sample stage, in the plasma flow is directed to the target.
て、前記プラズマ生成室にはマイクロ波を通過させる材
料で、前記プラズマ生成室を大気と遮断して真空に保つ
構造のマイクロ波導入窓を有し、前記プラズマはマイク
ロ波による電子サイクロトロン共鳴放電を用いて生成さ
れることを特徴とするプラズマ付着装置。2. The plasma deposition apparatus according to claim 1, wherein the plasma generation chamber has a microwave introduction window made of a material that allows microwaves to pass therethrough, the microwave generation window having a structure that shuts off the plasma generation chamber from the atmosphere and maintains a vacuum. A plasma deposition apparatus, wherein the plasma is generated by using electron cyclotron resonance discharge by microwave.
て、前記ターゲットは前記マイクロ波導入窓から直視で
きない位置に配置されていることを特徴とするプラズマ
付着装置。3. The plasma deposition apparatus according to claim 2, wherein the target is arranged at a position that cannot be directly seen from the microwave introduction window.
ズマ付着装置において、前記プラズマ生成室から前記試
料室に向けて磁界強度が適当な勾配で弱くなっている発
散磁界の磁界分布をもつ磁気コイルを有することを特徴
とするプラズマ付着装置。4. A plasma deposition apparatus according to claim 1, wherein the divergent magnetic field has a magnetic field distribution in which the magnetic field intensity decreases with an appropriate gradient from the plasma generation chamber toward the sample chamber. A plasma deposition device having a magnetic coil.
ズマ付着装置において、前記試料台と前記プラズマ生成
室とが電気的に絶縁されていることを特徴とするプラズ
マ付着装置。5. The plasma deposition apparatus according to claim 1, wherein said sample stage and said plasma generation chamber are electrically insulated.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16083089A JP2832256B2 (en) | 1989-06-26 | 1989-06-26 | Plasma deposition equipment |
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---|---|---|---|
JP16083089A JP2832256B2 (en) | 1989-06-26 | 1989-06-26 | Plasma deposition equipment |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0328368A JPH0328368A (en) | 1991-02-06 |
JP2832256B2 true JP2832256B2 (en) | 1998-12-09 |
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Family Applications (1)
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JP16083089A Expired - Lifetime JP2832256B2 (en) | 1989-06-26 | 1989-06-26 | Plasma deposition equipment |
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JP (1) | JP2832256B2 (en) |
-
1989
- 1989-06-26 JP JP16083089A patent/JP2832256B2/en not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
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