JPH11256327A - Forming method of metallic compound thin film and film forming device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、マグネトロンスパ
ッタリング法、真空蒸着法により、基板に安定して、か
つ高速で金属化合物薄膜を形成する方法、およびそれに
使用する成膜装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a metal compound thin film stably and at a high speed on a substrate by a magnetron sputtering method or a vacuum evaporation method, and a film forming apparatus used for the method.
【0002】[0002]
【従来の技術】スパッタリングで、金属あるいは酸化物
・窒化物・弗化物等の金属化合物の薄膜を形成すること
が広く行われている。金属薄膜を形成する場合と比較し
て、酸化物・窒化物・弗化物のような金属化合物の薄膜
を形成するには、以下の代表的な方法がある。 高周波(RF)電源を用いて、金属化合物ターゲッ
ト(絶縁性)、または金属ターゲット(導電性)に反応
性ガス(例えば酸素、窒素、弗素ガス)を導入して反応
性スパッタリングにより薄膜形成する方法。 直流(DC)電源を用いて、金属ターゲットに反応
性ガスを導入して成膜するDC反応性マグネトロンスパ
ッタリングにより薄膜形成する方法。2. Description of the Related Art It is widely practiced to form a thin film of a metal or a metal compound such as an oxide, nitride or fluoride by sputtering. There are the following representative methods for forming a thin film of a metal compound such as an oxide, a nitride or a fluoride as compared with the case of forming a metal thin film. A method in which a reactive gas (for example, oxygen, nitrogen, or fluorine gas) is introduced into a metal compound target (insulating) or a metal target (conductive) using a radio frequency (RF) power supply to form a thin film by reactive sputtering. A method of forming a thin film by DC reactive magnetron sputtering in which a reactive gas is introduced into a metal target using a direct current (DC) power supply to form a film.
【0003】しかし両方法とも以下の問題点がある。 薄膜の堆積速度が遅い(特にRFスパッタリングは
顕著である。) プラズマにより基板の温度上昇が生じ100℃以下
で行うことが困難である。(特にRFスパッタリングは
顕著である。) DC反応マグネトロンスパッタリングの場合、ター
ゲット特に非エロージョン部分のアーク放電によりター
ゲット材料が基板に飛散し、この飛散は形成されつつあ
る薄膜に欠陥が発生する原因になると考えられる。 RFマグネトロンスパッタリングの場合、接地電位
になっている装置構成部品等、あるいは、基板、基板の
保持治具等に形成された絶縁性の薄膜に電荷が蓄積さ
れ、それが異常放電の原因となり、アーク放電をおこし
た材料が基板に飛散し、あるいは基板にアーク痕が残
り、形成されつつある薄膜に欠陥が発生する原因になる
と考えられる。この現象は大型基板ほど多くなる。However, both methods have the following problems. The deposition rate of the thin film is slow (particularly, RF sputtering is remarkable). The plasma raises the temperature of the substrate, and it is difficult to perform the deposition at 100 ° C. or less. (In particular, RF sputtering is remarkable.) In the case of DC reactive magnetron sputtering, the target material, particularly the non-erosion portion, is scattered on the substrate by the arc discharge, and this scatter may cause defects to occur in the thin film being formed. Conceivable. In the case of RF magnetron sputtering, electric charges are accumulated in a device component or the like at a ground potential, or in an insulating thin film formed on a substrate, a substrate holding jig, or the like, which causes abnormal discharge and causes arcing. It is considered that the material that caused the discharge scatters on the substrate, or an arc mark remains on the substrate, which causes a defect in the thin film being formed. This phenomenon increases as the size of the substrate increases.
【0004】スパッタリングなどで得られる化合物薄膜
は、その構成元素である酸素・窒素・弗素が欠乏し不完
全な金属化合物を生成しやすい。たとえば、酸化物薄膜
の代表であり、光学膜、絶縁膜、保護膜などに使用され
るSiO2 薄膜を作成するとき、一般的には、SiO2
ターゲット(絶縁性)を高周波電源を使用しRFマグネ
トロンスパッタリングによりSiO2 薄膜を形成した
り、Siターゲット(導電性)をDC電源を使用してD
Cマグネトロン・スパッタリングによりSiO2薄膜を
形成する。この時、スパッタリングの動作ガスであるA
rと同時に導入される反応性ガスである酸素が不十分で
あると形成される薄膜の組成はSiOx(X<2)とな
ってしまう。この現象を防止するために、反応するに十
分な量の酸素をスパッタリング雰囲気中に導入すること
により酸素の欠乏は防止しうるが、この場合にの薄膜の
付着速度は金属薄膜の付着速度を比べで1/5〜1/1
0に低下してしまう。[0004] Compound thin films obtained by sputtering or the like are deficient in the constituent elements oxygen, nitrogen and fluorine, and are liable to produce incomplete metal compounds. For example, when a SiO 2 thin film, which is a representative of an oxide thin film and is used for an optical film, an insulating film, a protective film, and the like, is formed, in general, the SiO 2
A target (insulating) is formed by forming an SiO 2 thin film by RF magnetron sputtering using a high-frequency power source, and a Si target (conductive) is formed using a DC power source.
An SiO 2 thin film is formed by C magnetron sputtering. At this time, the operating gas A for sputtering is used.
If oxygen, which is a reactive gas introduced simultaneously with r, is insufficient, the composition of the formed thin film will be SiOx (X <2). In order to prevent this phenomenon, oxygen deficiency can be prevented by introducing a sufficient amount of oxygen into the sputtering atmosphere to react, but the deposition rate of the thin film in this case is compared with the deposition rate of the metal thin film. At 1/5 to 1/1
It drops to zero.
【0005】またこの時導入した反応性ガスが、ターゲ
ットの表面で反応しSiO2 を形成する。このSiO2
にプラズマのアルゴンプラスイオン、酸素プラスイオン
の電荷の蓄積が生じる。このプラスに帯電した電荷が大
量に蓄積し、SiO2 膜の絶縁限界を越えると絶縁破壊
が起きる。あるいはターゲットの導電性の部分、アース
・シールド(アノード)に対してアーク放電をおこし、
蓄積された電荷が逃げる。これがターゲットの異常放電
の過程であり原因である。このアーク放電により以下の
問題点が生じる。 ターゲット材料が基板に飛散し、形成されつつある
薄膜に欠陥が生じる原因になる。 ターゲット表面にアーク痕が残り、アーク痕周辺で
絶縁部であるSiO2の蓄積が進み、さらなる異常放電
の原因になる。The reactive gas introduced at this time reacts on the surface of the target to form SiO 2 . This SiO 2
Then, the electric charge of the argon plus ion and the oxygen plus ion of the plasma is accumulated. When a large amount of this positively charged electric charge is accumulated and exceeds the insulation limit of the SiO 2 film, dielectric breakdown occurs. Alternatively, an arc discharge is caused to the conductive part of the target, the earth shield (anode),
The stored charge escapes. This is the process and the cause of the abnormal discharge of the target. This arc discharge causes the following problems. The target material is scattered on the substrate, causing defects in the thin film being formed. Arc traces remain on the target surface, and the accumulation of SiO 2 , which is an insulating portion, progresses around the arc traces, causing further abnormal discharge.
【0006】また、真空蒸着法においても、金属超薄膜
の形成とその金属酸化物への変換を繰り返す方法は有効
である。この場合、蒸発源、特に電子ビーム源のカソー
ド部が反衣成生物(絶縁物)によって異常放電の原因と
なる。成膜速度の点でも、一般的にスパッタリングによ
る成膜は蒸着材料をイオンビーム加熱方式、抵抗加熱方
式の真空蒸着と比較し1/2〜1/10程度の成膜速度
しか実現できないため、大量生産を行うには問題があ
る。また一般的にスパッタリングは、プラズマを利用し
成膜するため、電荷を持った粒子(イオン、電子)の衝
突により装置の構成部品、基板ホルダー、基板等の加熱
の原因となり、プラズマチック等の耐熱性の悪い材料へ
の成膜が困難である。これは特に高周波電源を用いるR
Fマグネトロン・スパッタリングにおいて顕著である。
以上の点が問題となり化合物薄膜をスパッタリングで形
成する場合大きな障害となっている。[0006] Also in the vacuum deposition method, a method of repeatedly forming an ultrathin metal film and converting it to a metal oxide is effective. In this case, the evaporation source, particularly the cathode portion of the electron beam source, causes abnormal discharge due to the anticorrosive organism (insulator). In terms of film formation rate, generally, film formation by sputtering can achieve only a film formation rate of about 1/2 to 1/10 compared to vacuum deposition of an ion beam heating method or a resistance heating method. There is a problem in producing. In general, since sputtering forms a film using plasma, collisions of charged particles (ions, electrons) cause heating of components of the apparatus, a substrate holder, a substrate, and the like. It is difficult to form a film on a material having poor properties. This is especially true for R using a high frequency power supply.
This is remarkable in F magnetron sputtering.
The above points cause problems and are a major obstacle in forming a compound thin film by sputtering.
【0007】本出願人は先に、以下の提案を行なった。 スパッタリングによりチタン等の金属からなる超薄
膜を基板上に堆積する工程と、この超薄膜に酸素等の反
応性ガスのイオンビームを照射して酸化チタン等の金属
化合物の超薄膜に変換する工程とを繰り返し、所望の薄
膜の金属化合物薄膜を形成する。(特公昭8−1951
8号公報) スパッタリングにより金属からなる超薄膜を基板上
に堆積する工程と、この超薄膜に誘導型プラズマ源によ
り発生した反応性ガスのプラズマを照射して、金属化合
物の超薄膜に変換する工程とを繰り返し、所望の薄膜の
金属化合物薄膜を形成する。(特開平8−176821
号公報)The present applicant has previously made the following proposal. A step of depositing an ultrathin film made of a metal such as titanium on a substrate by sputtering, and a step of irradiating the ultrathin film with an ion beam of a reactive gas such as oxygen to convert it into an ultrathin film of a metal compound such as titanium oxide. Is repeated to form a desired metal compound thin film. (Japanese Patent Publication 8-1951
No. 8) A step of depositing an ultrathin film made of metal on a substrate by sputtering, and a step of irradiating the ultrathin film with plasma of a reactive gas generated by an inductive plasma source to convert it into an ultrathin metal compound film Is repeated to form a desired metal compound thin film. (JP-A-8-176821
No.)
【0008】しかしながら、上記の方法に関しては、
イオン銃は消耗によるフィラメントの交換が必要であ
り、また、フィラメント、スクリーン電極、サプレッサ
ー電極と構成部材が多く必要であり、さらにこれらに伴
い、真空室の汚染、スクリーン電極電流の増大による電
源電流容量問題、ニュートラライザによる温度上昇など
の問題点があることが判明した。またの方法は荷電粒
子(Arイオン、反応ガスイオン、電子)をプラズマと
して基板に照射するため、荷電粒子によって基板と基板
に形成されつつある薄膜にダメージを生じさせたり、基
板の温度上昇を生じさせたりすることが判明した。However, regarding the above method,
Ion guns require replacement of filaments due to wear, and also require a large number of filaments, screen electrodes, suppressor electrodes, and components, and with these, power supply current capacity due to contamination of the vacuum chamber and increase in screen electrode current. It was found that there were problems such as a temperature rise due to the neutralizer. Another method irradiates the substrate with charged particles (Ar ions, reactive gas ions, and electrons) as plasma, so that the charged particles may damage the substrate and the thin film being formed on the substrate, or may increase the temperature of the substrate. It turned out to be.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、金属超薄膜
に対して酸化・窒化・弗化等の反応を行ないながら所定
膜厚の薄膜を成膜するに際し、薄膜に対するダメージを
防止し、特性の安定した金属化合物薄膜を低温下に安定
して製造することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, when a thin film having a predetermined thickness is formed while performing reactions such as oxidation, nitridation and fluorination on an ultra-thin metal film, damage to the thin film is prevented, It is an object to stably produce a metal compound thin film having a stable temperature at a low temperature.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明の金属化合物薄念
の形成方法は、真空槽内で基板上に金属ないし金属の不
完全反応物からなる金属超薄膜を形成する工程と、この
金属超薄膜に電気的に中性な反応性ガスの活性種を接触
せしめ、金属超薄膜と反応性ガスの活性種とを反応せし
めて金属化合物超薄膜に変換せしめる工程とを順次繰り
返し、金属化合物超薄膜を複数層形成・堆積することに
より、目的とする膜厚の金属化合物薄膜を基板上に形成
することを特徴とする。SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, there is provided a method for forming a metal compound thin film, comprising the steps of forming an ultrathin metal film comprising a metal or an incomplete reactant of a metal on a substrate in a vacuum chamber; Contacting the thin film with an active species of an electrically neutral reactive gas, reacting the ultra-thin metal film with the active species of the reactive gas and converting it into a metal compound ultra-thin film. Are formed and deposited to form a metal compound thin film having a desired film thickness on a substrate.
【0011】金属超薄膜の形成は、マグネトロンスパッ
タリング法、真空蒸着法などにより行なうことができ、
特にマグネトロンスパッタリング法、とりわけDCマグ
ネトロンスパッタリング法により、金属ターゲットを用
いて金属超薄膜を形成する方法に好適である。金属ある
いは金属の不完全化合物からなる金属超薄膜を、反応性
ガスとの反応により金属化合物超薄膜に変換せしめる工
程において、ラジカル、励起状態にあるラジカル、原
子、分子等の電気的に中性な活性種の利用が有効であ
る。The formation of the metal ultra-thin film can be performed by a magnetron sputtering method, a vacuum evaporation method, or the like.
It is particularly suitable for a method of forming an ultrathin metal film using a metal target by a magnetron sputtering method, especially a DC magnetron sputtering method. In the process of converting an ultrathin metal film made of a metal or an incomplete compound of a metal into an ultrathin metal compound by reacting with a reactive gas, the neutral neutralization of radicals, excited radicals, atoms, molecules, etc. Use of active species is effective.
【0012】本発明の成膜装置は、金属化合物薄膜を形
成するための装置であって、マグネトロンスパッタリン
グ装置において;マグネトロンスパッタリング法により
基板上に、金属ないし金属の不完全反応物からなる金属
超薄膜を形成する工程を行なう成膜プロセスゾーンと;
この金属超薄膜に電気的に中性な反応性ガスの活性種を
接触せしめ、金属超薄膜と反応性ガスの活性種とを反応
せしめて金属化合物超薄膜に変換せしめる工程を行なう
反応プロセスゾーンと;成膜プロセスゾーンと反応プロ
セスゾーンとの間で基板を搬送する搬送手段と;成膜プ
ロセスゾーンと反応プロセスゾーンとを空間的、圧力的
に分離して成膜プロセスゾーンに反応性ガスが混入する
ことを防止する遮蔽手段とを具え;安定な成膜プロセス
ゾーンと反応プロセスゾーンとの間で基板を複数回繰り
返して搬送、処理し、金属化合物超薄膜を複数層形成・
堆積することにより、目的とする膜厚の金属化合物薄膜
を基板上に形成することを特徴とする。また、マグネト
ロンスパッタリング装置に替えて真空蒸着装置に応用す
ることもできる。すなわち、金属超薄膜を基板上への形
成を真空蒸着法によって行なうこともできる。The film forming apparatus of the present invention is an apparatus for forming a metal compound thin film in a magnetron sputtering apparatus; a metal ultra-thin film made of a metal or an incomplete reactant of a metal on a substrate by a magnetron sputtering method. A film forming process zone for performing a step of forming a film;
A reaction process zone in which an active species of an electrically neutral reactive gas is brought into contact with the ultrathin metal film, and the ultrathin metal film reacts with the active species of the reactive gas to convert it into a metal compound ultrathin film. Transport means for transporting the substrate between the film formation process zone and the reaction process zone; and a reactive gas mixed into the film formation process zone by spatially and pressure separating the film formation process zone and the reaction process zone Shielding means for preventing transfer of the substrate; transporting and processing the substrate repeatedly a plurality of times between the stable film forming process zone and the reaction process zone to form a plurality of metal compound ultra-thin layers;
It is characterized in that a metal compound thin film having a target film thickness is formed on a substrate by depositing. Further, the present invention can be applied to a vacuum evaporation apparatus instead of the magnetron sputtering apparatus. That is, the formation of the ultrathin metal film on the substrate can be performed by a vacuum evaporation method.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】図1および図2は、本発明の薄膜
形成方法および装置について示す説明図であり、図1が
上面図(わかりやすいように一部断面をしてある)、図
2が図1の線A−B−Cに沿った側面図である。真空槽
11内の略円筒の基板ホルダ13の回りには、スパッタ
リング電極21,41と活性種発生装置61およびグリ
ッド81とが配設されている。スパッタリング電極2
1,41の前面がそれぞれ成膜プロセスゾーン20,4
0を構成している。図1では、異なる2種類の物質をス
パッタリングすることを想定してスパッタリング電極2
1,41を2つ設ける場合を示している。一方、活性種
発生装置61およびグリッド81の前面が反応プロセス
ゾーン60を構成する。1 and 2 are explanatory views showing a method and an apparatus for forming a thin film according to the present invention. FIG. 1 is a top view (partially sectioned for easy understanding), and FIG. FIG. 2 is a side view taken along the line ABC of FIG. 1. Around the substantially cylindrical substrate holder 13 in the vacuum chamber 11, sputtering electrodes 21, 41, an active species generator 61 and a grid 81 are arranged. Sputtering electrode 2
The front surfaces of 1, 41 are film forming process zones 20, 4 respectively.
0. In FIG. 1, the sputtering electrode 2 is assumed on the assumption that two different types of substances are sputtered.
The case where two 1, 41 are provided is shown. On the other hand, the front surface of the active species generator 61 and the grid 81 constitute a reaction process zone 60.
【0014】基板ホルダ13に搭載された基板(図示せ
ず)は、モータ17による基板ホルダ13の回転に伴な
い、成膜プロセスゾーンの前面でSi等の金属超薄膜が
形成され、反応プロセスゾーンの前面でSiO2 等に変
換されて金属酸化物超薄膜が形成される。この操作を繰
り返すことにより、金属酸化物超薄膜層が複数層積層・
堆積されて、最終的な目的とする膜厚のSiO2 等の薄
膜が形成される。本発明でいう超薄膜とは、超薄膜が複
数回堆積されて最終的な薄膜となることから、この最終
的な薄膜との混同を防止するために用いた用語であり、
最終的な薄膜よりも十分に薄いという意味である。超薄
膜の厚さは任意であるが、0.1〜20オングストロー
ム程度、あるいは0.5〜10オングストローム程度が
好ましい。On the substrate (not shown) mounted on the substrate holder 13, a metal ultra-thin film of Si or the like is formed in front of the film forming process zone with the rotation of the substrate holder 13 by the motor 17, and the reaction process zone is formed. Is converted into SiO 2 or the like on the front surface of the substrate to form an ultrathin metal oxide film. By repeating this operation, the metal oxide ultra-thin film
It is deposited to form a thin film of SiO 2 or the like having a final target film thickness. The ultra-thin film according to the present invention is a term used to prevent confusion with the final thin film because the ultra-thin film is deposited a plurality of times to form a final thin film.
This means that it is much thinner than the final thin film. The thickness of the ultrathin film is arbitrary, but is preferably about 0.1 to 20 Å, or about 0.5 to 10 Å.
【0015】Si等の金属は、DCマグネトロンスパッ
タリングにより高速で成膜することができ、これを反応
プロセスゾーンによりSiO2 等の金属化合物に変換す
ることにより、DCマグネトロンスパッタリング法によ
り高速でSiO2 、TiO2等の金属化合物薄膜が得ら
れることになる。成膜プロセスゾーン20(40も同
様)は、スパッタ電極21、スパッタ電源23、ターゲ
ット29、スパッタガスボンベ27、マスフローコント
ローラ25、遮蔽板(遮蔽手段)12から構成される。
真空ポンプ15により真空度を調整された真空槽11の
遮蔽板12内に、スパッタ用のアルゴンガスなどが導か
れ、成膜プロセスゾーン20の真空ガス雰囲気が調整さ
れて、DCマグネトロンスパッタリングが行なわれる。[0015] metal such as Si, can be formed at high speed by DC magnetron sputtering, by converting it into a metal compound such as SiO 2 by the reaction process zone, SiO 2 at a high speed by DC magnetron sputtering, A thin film of a metal compound such as TiO 2 can be obtained. The film forming process zone 20 (similarly for 40) includes a sputter electrode 21, a sputter power source 23, a target 29, a sputter gas cylinder 27, a mass flow controller 25, and a shielding plate (shielding means) 12.
Argon gas for sputtering is introduced into the shielding plate 12 of the vacuum chamber 11 whose degree of vacuum is adjusted by the vacuum pump 15, and the vacuum gas atmosphere in the film forming process zone 20 is adjusted to perform DC magnetron sputtering. .
【0016】ターゲット29としては、Al,Ti,Z
r,Sn,Cr,Ta,Si,Te,Ni−Cr,In
−Snなどの金属ターゲットが用いられ、反応性ガスの
活性種の暴露により、Al2O3,TiO2 ,ZrO2 ,
Ta2O5,SiO2 等の光学膜ないし絶縁膜、ITO等
の導電膜、Fe2O3などの磁性膜、TiN,CrN,T
iCなどの超硬膜とされる。TiO2 ,ZrO2 ,Si
O2 のような絶縁性の金属化合物は、金属(Ti,Z
r,Si)に比べスパッタリング速度が極端に遅く生産
性が悪いので、特に本発明の方法が有用である。As the target 29, Al, Ti, Z
r, Sn, Cr, Ta, Si, Te, Ni-Cr, In
Metal target such as -Sn are used, the active species exposure of the reactive gases, Al 2 O 3, TiO 2 , ZrO 2,
Optical films or insulating films such as Ta 2 O 5 and SiO 2 , conductive films such as ITO, magnetic films such as Fe 2 O 3 , TiN, CrN, T
It is a superhard film such as iC. TiO 2 , ZrO 2 , Si
Insulating metal compounds such as O 2 are metals (Ti, Z
The method of the present invention is particularly useful because the sputtering rate is extremely slow and productivity is low as compared with (r, Si).
【0017】また、ターゲット29としてSiO2 等を
用いた高周波マグネトロンスパッタリングを行ない本発
明を実施することもできる。これは、SiO2 のスパッ
タリングによりSiOx(x<2)のように酸素の欠損
が見られることあるからである。このようなSiOx超
薄膜は、後段の反応プロセスゾーン60において安定な
SiO2 超薄膜に変換される。すなわち、本発明でいう
金属超薄膜とは金属からなる超薄膜の他にSiOx(x
<2)のように金属の不完全反応物からなる超薄膜をも
包含する。ついで、金属超薄膜は、反応プロセスゾーン
60においてSiO2 等の金属酸化物超薄膜に変換され
る。The present invention can also be implemented by performing high-frequency magnetron sputtering using SiO 2 or the like as the target 29. This is because oxygen deficiency may be observed as in SiOx (x <2) due to sputtering of SiO 2 . Such an ultra-thin SiOx thin film is converted into a stable ultra-thin SiO 2 thin film in the subsequent reaction process zone 60. That is, the metal ultra-thin film according to the present invention refers to an ultra-thin metal film and an SiOx (x
As described in <2), an ultrathin film made of an incompletely reacted metal is also included. Next, the ultra-thin metal film is converted into an ultra-thin metal oxide film such as SiO 2 in the reaction process zone 60.
【0018】反応プロセスゾーンは、主として活性種発
生装置61、グリッド81、遮蔽板(遮蔽手段)14か
らなる。活性種発生装置61の反応性ガスプラズマ発生
室63で放電により生じたプラズマ中にはプラズマイオ
ン、電子、ラジカル、励起状態のラジカル、原子、分子
等を構成要素とする。本発明ではグリッド81により、
反応ガスプラズマ中の活性種であるラジカル、励起状態
のラジカル、原子、分子などを選択的に反応プロセスゾ
ーン60に導かれ、一方、荷電粒子である電子、イオン
はグリッド81を通過できず反応プロセスゾーン60に
漏出してくることはない。したがって、反応プロセスゾ
ーン60において、金属超薄膜は荷電粒子に曝露される
ことなく、電気的に中性な反応性ガスの活性種のみに曝
露されて(接触して)反応し、Si等の金属からSiO
2 等の金属化合物に変換される。なお、ラジカルとは、
遊離基(ratical)であり、一個以上の不対電子
を有する原子または分子である。また、励起状態(ex
cite state)とは、エネルギーの最も低い安
定な基底状態に対して、それよりもエネルギーの高い状
態のことをいう。The reaction process zone mainly comprises an active species generator 61, a grid 81, and a shielding plate (shielding means) 14. The plasma generated by the discharge in the reactive gas plasma generation chamber 63 of the active species generator 61 includes plasma ions, electrons, radicals, radicals in excited state, atoms, molecules, and the like as constituent elements. In the present invention, by the grid 81,
Radicals as active species in the reaction gas plasma, radicals in excited state, atoms, molecules, and the like are selectively guided to the reaction process zone 60, while electrons and ions as charged particles cannot pass through the grid 81 and react with the reaction process zone 60. It does not leak into the zone 60. Therefore, in the reaction process zone 60, the metal ultra-thin film is exposed to (contacts) only the active species of the electrically neutral reactive gas without reacting with the charged particles, and reacts with the metal such as Si. From SiO
It is converted to a metal compound such as 2 . The radical is
A radical is an atom or molecule that has one or more unpaired electrons. In addition, the excited state (ex
The term “citate state” refers to a state having higher energy than a stable ground state having the lowest energy.
【0019】金属あるいは金属の不完全化合物から金属
化合物を得る反応性の成膜行程において、イオン、電子
等の荷電粒子よりも、活性種たとえばラジカル、励起種
等の化学的に活性であり、かつ電気的に中性な粒子が化
学反応において、決定的に重要な働きをする。また、荷
電粒子のように薄膜にダメージを与えず、基板温度の上
昇が抑えられ、薄膜のさまざまな性質、光学的、機械
的、電気的な性質のコントロールの制御を複合して行う
とき、化学反応プロセスと、成膜プロセスを明確に分離
し、かつ化学反応にもっとも寄与する粒子のみを使用す
ることにより、目的とする特性の薄膜を容易に得ること
ができる。In a reactive film forming process for obtaining a metal compound from a metal or an incomplete compound of a metal, the active species such as radicals and excited species are more chemically active than charged particles such as ions and electrons, and Electrically neutral particles play a critical role in chemical reactions. In addition, it does not damage the thin film like charged particles, suppresses the rise of the substrate temperature, and controls chemical, optical, mechanical, and electrical properties of the thin film in a combined manner. By clearly separating the reaction process from the film formation process and using only the particles that most contribute to the chemical reaction, a thin film having the desired characteristics can be easily obtained.
【0020】活性種発生装置61は、ラジカル源とも呼
ばれ、反応ガスプラズマ発生室63、プラズマを発生さ
せるための電極65、高周波電源69とを具えた反応ガ
スプラズマ発生部とグリット81とからなっている。反
応ガスボンベ73からマスフローコントローラ71を介
して酸素ガスなどの反応性ガスが、反応ガスプラズマ発
生室63に供給され、マッチングボックス67を介して
高周波電源69からの高周波電力が、石英管からなる反
応性ガスプラズマ室63の外周面に巻回されたコイル状
の電極65に印加されると、反応性ガスのプラズマが反
応性ガスプラズマ室63内に発生する。The active species generator 61 is also called a radical source, and comprises a reactive gas plasma generating section having a reactive gas plasma generating chamber 63, an electrode 65 for generating plasma, a high frequency power supply 69, and a grit 81. ing. A reactive gas such as oxygen gas is supplied from a reaction gas cylinder 73 via a mass flow controller 71 to a reaction gas plasma generation chamber 63, and a high frequency power from a high frequency power supply 69 is supplied through a matching box 67 to a reactive gas comprising a quartz tube. When applied to the coiled electrode 65 wound on the outer peripheral surface of the gas plasma chamber 63, a plasma of a reactive gas is generated in the reactive gas plasma chamber 63.
【0021】反応性ガスとしては、酸素、オゾン等の酸
化性ガス、窒素等の窒化性ガス、メタン等の炭化性ガ
ス、CF4 等の弗化性ガスなどが用いられる。反応性ガ
スプラズマ部としては、反応性ガスプラスマ発生室の外
部または内部に電極を設けた誘導結合型プラズマ源、容
量結合型プラズマ源、誘導結合・容量結合混在型プラズ
マ源などを用いることができる。これらの具体例として
は、以下のものが挙げられる。As the reactive gas, an oxidizing gas such as oxygen and ozone, a nitriding gas such as nitrogen, a carbonizing gas such as methane, and a fluorinating gas such as CF 4 are used. As the reactive gas plasma part, an inductively coupled plasma source having electrodes provided outside or inside the reactive gas plasma generation chamber, a capacitively coupled plasma source, a mixedly coupled inductively coupled and capacitively coupled plasma source, or the like can be used. The following are specific examples of these.
【0022】(1)図1、図2に図示したプラズマ源:
円筒状の石英ガラス等の誘電体からなる反応性ガスプラ
ズマガス発生室63の大気側周面にコイル状の電極65
を配置し、このコイル状電極に100KHz〜40MH
zの高周波電力を印加してプラズマを発生させる誘導結
合型プラズマ発生源。 (2)図3に示したプラズマ源:円盤性の石英ガラス等
の誘電体からなる反応性ガスプラズマ発生室63の大気
側に渦巻き状(蚊取り線香状)のコイル電極91を配置
し、この渦巻き状コイル電極91に100KHz〜40
MHzの高周波電力を印加してプラズマを発生させる誘
導結合型プラズマ発生源。図2(B)は渦巻状コイル電
極91の平面図を示す。 (3)図4に示したプラズマ源:反応性ガスプラズマ発
生室63の内部に平板状の電極93を配置し、この平板
状電極93に100KHz〜40MHzの高周波電力を
印加してプラズマを発生させる容量結合型プラズマ発生
源。 (4)図5に示したプラズマ源:反応性ガス発生室63
の内部にコイル状電極95または渦巻き状コイル電極を
配置し、これら電極に100KHz〜40MHzの高周
波電力を印加して誘導結合型プラズマと容量結合型プラ
ズマとが混存するプラズマ発生源。(1) Plasma source shown in FIGS. 1 and 2:
A coil-shaped electrode 65 is provided on the peripheral surface of the reactive gas plasma gas generation chamber 63 made of a dielectric material such as a cylindrical quartz glass.
Is arranged, and 100 KHz to 40 MH is applied to this coiled electrode.
An inductively-coupled plasma generation source for generating plasma by applying high frequency power of z. (2) Plasma source shown in FIG. 3: A spiral (mosquito coil) coil electrode 91 is arranged on the atmosphere side of a reactive gas plasma generation chamber 63 made of a dielectric substance such as a disk-shaped quartz glass. 100 KHz to 40 for coil electrode 91
An inductively coupled plasma generation source that generates plasma by applying high-frequency power of MHz. FIG. 2B is a plan view of the spiral coil electrode 91. (3) Plasma source shown in FIG. 4: A plate-like electrode 93 is arranged inside the reactive gas plasma generation chamber 63, and plasma is generated by applying high-frequency power of 100 KHz to 40 MHz to the plate-like electrode 93. Capacitively coupled plasma source. (4) Plasma source shown in FIG. 5: reactive gas generation chamber 63
And a coil generating electrode in which inductively coupled plasma and capacitively coupled plasma coexist by applying a high-frequency power of 100 KHz to 40 MHz to these electrodes.
【0023】また、コイルの形状等を調整することによ
り、ヘリコル波プラズマ源とし、プラズマ中における活
性種の発生効率を高めることもできる。さらに、図1、
図2に示したように、外部磁石71および/または内部
磁石73を配置し、プラズマ発生部に20〜300ガウ
スの磁場を形成することにより高密度プラズマが得ら
れ、活性種発生効率を高めることができる。反応性ガス
プラズマ発生室63内のプラズマ中には、荷電粒子であ
る反応性ガスイオン・電子と、電気的に中性な反応性ガ
スの活性種であるラジカル・励起状態のラジカル・原
子、分子とが存在するが、本発明では後者の電気的に中
性な粒子のみを選択的に反応プロセスゾーン60に導
き、金属超薄膜から金属酸化物超薄膜への変換反応(例
えば、Si→SiO2 )に利用する。Further, by adjusting the shape of the coil and the like, a helical wave plasma source can be used to increase the generation efficiency of active species in the plasma. Further, FIG.
As shown in FIG. 2, by arranging the external magnet 71 and / or the internal magnet 73 and forming a magnetic field of 20 to 300 Gauss in the plasma generating section, high-density plasma can be obtained, and the generation efficiency of active species can be increased. Can be. In the plasma in the reactive gas plasma generation chamber 63, there are reactive gas ions / electrons as charged particles and radicals / atoms / molecules in active state of electrically neutral reactive gas, radicals / excited states. However, in the present invention, only the latter electrically neutral particles are selectively guided to the reaction process zone 60, and the conversion reaction from the ultrathin metal film to the ultrathin metal oxide film (for example, Si → SiO 2) is performed. ).
【0024】そこで、反応性ガスプラズマ発生室63と
反応プロセスゾーン60との間に、電気的に中性な活性
種粒子のみを選択的に通過せしめ、一方、荷電粒子は通
過させないグリッドを設ける。グリッドの表面でプラズ
マ中のイオンと電子との間に電荷交換が行なわれて中和
される。このようなグリッドとしては、例えば、マルチ
・アパーチャ・グリッド、マリチ・スリット・グリット
がある。図6は、マルチ・アパーチャ・グリッド101
を示す平面図である。マルチ・アパーチャ・グリッド1
01は、金属あるいは絶縁物からなる平板に直径0.1
〜3mmの穴103が無数に穿設されている。Therefore, a grid is provided between the reactive gas plasma generating chamber 63 and the reaction process zone 60 to selectively allow only electrically neutral active species particles to pass, while not allowing charged particles to pass. Charge exchange is performed between ions and electrons in the plasma on the surface of the grid to be neutralized. Examples of such grids include a multi-aperture grid and a multi-slit grid. FIG. 6 shows a multi-aperture grid 101.
FIG. Multi-aperture grid 1
01 is a flat plate made of metal or insulator and has a diameter of 0.1
Innumerable holes 103 of 33 mm are drilled.
【0025】図7は、マルチ・スリット・グリッドを示
す平面図である。マルチ・スリット・グリッド111
は、金属あるいは絶縁物からなる平板に幅0.1〜1m
mのスリットが無数に設けられている。グリッド10
1,111は、冷却管105,115等により水冷等の
冷却をすることが望ましい。グリッド101,111
は、プラズマ中のイオンと電子をその表面で電荷交換
し、電荷を持たない電気的に中性な反応性に富む活性種
を、反応プロセスゾーンに導く。FIG. 7 is a plan view showing a multi-slit grid. Multi slit grid 111
Is a flat plate made of metal or insulating material with a width of 0.1 to 1 m
An infinite number of m slits are provided. Grid 10
Desirably, 1,111 is cooled by cooling pipes 105, 115, etc., such as water cooling. Grid 101, 111
Exchanges ions and electrons in the plasma on the surface thereof, and guides an electrically neutral, reactive active species having no charge to the reaction process zone.
【0026】次に遮蔽手段(遮蔽板)について説明す
る。図1および図2に示されたような、各成膜プロセス
ゾーン20,40、反応プロセスゾーン60は遮蔽板1
2,14,16(遮蔽手段)によって囲繞され、それぞ
れ真空槽11内で真空雰囲的に別個の空間を形成するこ
とができる。すなわち、大きな真空槽11の中に完全に
は仕切られていないものはほぼ独立し、独立して制御可
能な2つの真空室、すなわち成膜プロセスゾーン(2
0,40)と反応プロセスゾーン60が存在する。この
結果、各ゾーン(室)は、個別に他のゾーンからの影響
が抑えられた真空雰囲気を有することができ、それぞれ
最適の条件を設定することができる。例えば、スパッタ
リングによる放電と、反応性ガスの活性種発生による放
電とは個別に制御でき互いに影響を与えることがでない
ので、安定した放電をすることができ、不慮の事故を招
くことがなく信頼性が高い。特に成膜プロセスゾーン2
0,40の圧力を、反応プロセスゾーン60より高くす
ることが望ましい。これにより、反応プロセスゾーン6
0に導入された反応性ガスが、成膜プロセスゾーン2
0,40に流入されることが防止され、成膜プロセスゾ
ーン20,40のターゲット表面で、金属化合物が形成
されることによる異常放電を防止することができる。Next, the shielding means (shielding plate) will be described. As shown in FIGS. 1 and 2, each of the film forming process zones 20 and 40 and the reaction process zone 60
2, 14, 16 (shielding means), and separate spaces can be formed in the vacuum chamber 11 in a vacuum atmosphere. That is, the ones that are not completely partitioned in the large vacuum chamber 11 are almost independent and can be controlled independently in two vacuum chambers, that is, a film forming process zone (2).
0,40) and a reaction process zone 60. As a result, each zone (chamber) can have a vacuum atmosphere in which the influence from other zones is individually suppressed, and optimal conditions can be set for each zone. For example, a discharge by sputtering and a discharge by generation of reactive species of a reactive gas can be controlled individually and do not affect each other, so that a stable discharge can be performed and reliability can be improved without causing an accident. Is high. Especially film formation process zone 2
Desirably, the pressure at 0,40 is higher than the reaction process zone 60. Thereby, the reaction process zone 6
The reactive gas introduced into the film forming process zone 2
0, 40 is prevented, and abnormal discharge due to the formation of a metal compound on the target surfaces of the film forming process zones 20, 40 can be prevented.
【0027】遮蔽板を設けることは、特に、複数のター
ゲットが隣接して設けられた場合に好適である。成膜プ
ロラスゾーン20,40の圧力(真空度)は、0.8〜
10×10-3Torrが好適である。反応プロセスゾー
ン60の圧力(真空度)は、0.5〜8×10-3Tor
rが好適である。代表的な作動条件を以下に示す。Providing a shielding plate is particularly suitable when a plurality of targets are provided adjacent to each other. The pressure (degree of vacuum) of the film formation pros zones 20 and 40 is 0.8 to
10 × 10 −3 Torr is preferred. The pressure (degree of vacuum) in the reaction process zone 60 is 0.5 to 8 × 10 −3 Torr.
r is preferred. Typical operating conditions are shown below.
【0028】(1)スパッタリング条件(Si) 投入電力:3.6kW 基板温度:室温 成膜プロセスゾーン内圧力:2.0×10-3Torr 基板ホルダ回転数:100rpm 超金属薄膜の厚さ:2〜6オングストローム (2)スパッタリング条件(Zr) 投入電力:1.9kW 基板温度:室温 成膜プロセスゾーン内圧力:5.0×10-3Torr 基板ホルダ回転数:100rpm 超金属薄膜の厚さ:1〜4オングストローム (3)活性種発生装置の駆動条件 装置:図1,2に示した誘導結型プラズマ発生源 投入電力:1.9kW 圧力:1.4×10-3Torr(1) Sputtering conditions (Si) Input power: 3.6 kW Substrate temperature: room temperature Pressure in film forming process zone: 2.0 × 10 −3 Torr Number of rotations of substrate holder: 100 rpm Thickness of supermetal thin film: 2 66 Å (2) Sputtering conditions (Zr) Input power: 1.9 kW Substrate temperature: room temperature Pressure in the film formation process zone: 5.0 × 10 −3 Torr Number of rotations of substrate holder: 100 rpm Thickness of supermetal thin film: 1 (3) Driving conditions of active species generator Apparatus: Inductively-coupled plasma generator shown in FIGS. 1 and 2 Input power: 1.9 kW Pressure: 1.4 × 10 -3 Torr
【0029】この時の、ターゲットの表面での異常放電
を積極的に防止するため1〜200kHzの間隔で+5
0〜+200Vにターゲットの電位を反転させることに
より、ターゲットの非エロージョン部分に形成された化
合物に蓄積するプラスに帯電した電荷をプラズマ中の電
子で中和することは、成膜プロセスを安定に行う上で非
常に有効である。またこの時、スパッタリング・プロセ
スによる発生したプラズマによる成膜プロセスゾーンを
構成している部品、たとえば、成膜プロセスゾーンを囲
っている遮蔽板、ターゲットシールド等は基板の温度上
昇を防止するために水冷等の冷却手段を施すことが望ま
しい。At this time, in order to positively prevent abnormal discharge on the surface of the target, +5 at intervals of 1 to 200 kHz.
By inverting the potential of the target to 0 to +200 V to neutralize the positively charged charges accumulated in the compound formed in the non-erosion portion of the target with the electrons in the plasma, the film formation process is performed stably. Very effective on the above. At this time, the components constituting the film forming process zone by the plasma generated by the sputtering process, such as a shield plate and a target shield surrounding the film forming process zone, are water-cooled to prevent the temperature of the substrate from rising. It is desirable to provide a cooling means such as.
【0030】図1に示して装置を用いて多層反射防止膜
を形成する場合の一例を挙げると以下の通りである。タ
ーゲット29にSi等の酸化物が低屈折である金属ター
ゲットを固定し、一方、ターゲット49にはTi,Zr
等の酸化物が高屈折率である金属ターゲットを固定す
る。ターゲット29をスパッタしてSi超薄膜を形成
し、これを反応プロセスゾーン60でSiO2 超薄膜に
変換する。基板ホルダー13を回転して目的とする膜厚
のSiO2 薄膜を形成する。ついで、ターゲット49を
スパッタしてTiまたはZr超薄膜を形成し、同様にT
iO2 またはZrO2 超薄膜の変換を繰り返して目的と
する膜厚のTiO2 またはZrO2 薄膜を形成する。以
上の操作を繰り返すことにより低屈折率層(SiO2 )
/高屈折率層(TiO2 ,ZrO2 )の交互積層膜から
なる多層反射防止膜が得られる。One example of the case of forming a multilayer anti-reflection film using the apparatus shown in FIG. 1 is as follows. A metal target whose oxide such as Si has a low refractive index is fixed to the target 29, while Ti, Zr
Such oxides fix a metal target having a high refractive index. The target 29 is sputtered to form an ultra-thin Si film, which is converted into an ultra-thin SiO 2 film in the reaction process zone 60. The substrate holder 13 is rotated to form a SiO 2 thin film having a desired thickness. Next, the target 49 is sputtered to form a Ti or Zr ultra-thin film.
The conversion of the iO 2 or ZrO 2 ultra-thin film is repeated to form a TiO 2 or ZrO 2 thin film having a desired film thickness. By repeating the above operation, a low refractive index layer (SiO 2 )
/ A multilayer antireflection film composed of alternately laminated films of high refractive index layers (TiO 2 , ZrO 2 ) is obtained.
【0031】図8は本発明の他の実施例を示す平面図で
ある。装置構成は全体として成膜室121、その前後の
基板ロード室123、および基板アンロード室125か
ら構成される。各室はそれぞれ個別の排気系を有し、R
Pはロータリーポンプを、TMPはターボモリキュラー
ポンプを示す。各室間はゲートバルブ131,133を
介して連結されている。基板ロード室123はゲートバ
ルブ135ないしは開閉扉により大気に開放可能であ
り、基板アンロード室125はゲートバルブ137ない
しは開閉扉によりより大気に開閉可能である。すなわ
ち、各室は圧力的に隔離され各々独自の排気系を有し、
また、ゲートバルブ131,133を通して基板ホルダ
ー143を搬送することができる。FIG. 8 is a plan view showing another embodiment of the present invention. The apparatus configuration includes a film forming chamber 121, a substrate loading chamber 123 before and after the film forming chamber 121, and a substrate unloading chamber 125 as a whole. Each chamber has its own exhaust system,
P indicates a rotary pump, and TMP indicates a turbomolecular pump. The chambers are connected via gate valves 131 and 133. The substrate loading chamber 123 can be opened to the atmosphere by a gate valve 135 or an opening / closing door, and the substrate unloading chamber 125 can be opened to the atmosphere by a gate valve 137 or an opening / closing door. That is, each chamber is pressure-isolated and has its own exhaust system,
Further, the substrate holder 143 can be transferred through the gate valves 131 and 133.
【0032】基板141を搭載した基板ホルダー143
ゲートバルブ135を介して基板ロード室123に搬入
され、基板ロード室123がRPにより真空に引かれ
て、加熱等の必要によりる前処理を受ける。この処理が
終了後に基板ホルダー143は成膜室121に搬送され
る。すなわち、基板ロード室123は、基板ホルダーの
脱着・排気・必要による前処理の機能を有する。成膜室
121で、基板141に薄膜が形成される。なお、煩雑
を避けるべく図面上では基板ホルダー143のみを一点
鎖線で示し基板141の図示を省略した。The substrate holder 143 on which the substrate 141 is mounted
The substrate is loaded into the substrate load chamber 123 via the gate valve 135, and the substrate load chamber 123 is evacuated by the RP to undergo necessary pretreatment such as heating. After this processing is completed, the substrate holder 143 is transferred to the film forming chamber 121. That is, the substrate loading chamber 123 has a function of attaching / detaching / evacuating the substrate holder and performing a pretreatment as needed. In the film forming chamber 121, a thin film is formed on the substrate 141. In order to avoid complication, only the substrate holder 143 is shown by a dashed line in the drawing, and the illustration of the substrate 141 is omitted.
【0033】成膜処理が終了した基板ホルダー143は
基板アンロード室125に搬送され、必要に応じて後処
理を受けた後、ゲートバルブ137を介して外部に取り
出される。すなわち、基板アンロード室125は、基板
ホルダーの脱着・排気・必要による後処理の機能を有す
る。成膜室121における成膜処理は、基板ホルダーが
水平板状である点を除いて図1、図2に示した実施例と
基本的に替わるところがない。すなわち、遮蔽板15
1,161によって形成される成膜プロセスゾーン15
3,163にターゲット155,165が配置され、D
Cマグネトロンスパッタリング法により金属超薄膜が形
成される。MFCはマスフローコントローラを示す。基
板ホルダー143の回転により、金属超薄膜は例えばS
i→SiO2 のように金属酸化物超薄膜に変換される。
これは、遮蔽板171により囲繞された反応プロセスゾ
ーン173により行なわれ、活性種発生装置175から
電気的に中性なラジカル等の活性種の曝露による。The substrate holder 143 on which the film forming process has been completed is conveyed to the substrate unloading chamber 125, subjected to post-processing if necessary, and taken out through the gate valve 137. That is, the substrate unloading chamber 125 has a function of attaching / detaching / evacuating the substrate holder and performing post-processing when necessary. The film forming process in the film forming chamber 121 is basically the same as the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 except that the substrate holder has a horizontal plate shape. That is, the shielding plate 15
1, 161 formed film formation process zone
Targets 155 and 165 are arranged at 3,163 and D
An ultrathin metal film is formed by a C magnetron sputtering method. MFC indicates a mass flow controller. Due to the rotation of the substrate holder 143, the metal ultra-thin film becomes, for example, S
It is converted into a metal oxide ultra-thin film like i → SiO 2 .
This is performed by the reaction process zone 173 surrounded by the shielding plate 171, and by the exposure of the active species generator 175 to active species such as electrically neutral radicals.
【0034】[0034]
【発明の効果】本発明によれば、特性の安定した金属化
合物薄膜を、薄膜にダメージを与えることを防止して、
低温基板温度で高速に形成することができる。According to the present invention, a metal compound thin film having stable characteristics is prevented from being damaged,
It can be formed at a high speed at a low substrate temperature.
【図1】本発明で用いられる装置の実施例を示す説明上
面図である。FIG. 1 is an explanatory top view showing an embodiment of an apparatus used in the present invention.
【図2】本発明で用いられる装置の実施例を示す、図1
の線A−B−Cに沿った断面図である。FIG. 2 shows an embodiment of the apparatus used in the present invention, FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line ABC of FIG.
【図3】プラズマ源の構成例を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration example of a plasma source.
【図4】プラズマ源の構成例を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a configuration example of a plasma source.
【図5】プラズマ源の構成例を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration example of a plasma source.
【図6】マルチ・アパーチャ・グリッドを示す平面図で
ある。FIG. 6 is a plan view showing a multi-aperture grid.
【図7】マルチ・スリット・グリッドを示す平面図であ
る。FIG. 7 is a plan view showing a multi-slit grid.
【図8】本発明で用いる装置の実施例を示す説明平面図
である。FIG. 8 is an explanatory plan view showing an embodiment of an apparatus used in the present invention.
11 真空槽 12,14,16 遮蔽板 13 基板ホルダー 15 真空ポンプ 17 モータ 20,40 成膜プロセスゾーン 21,41 スパッタ電極 23,43 スパッタ電源 25,45 マスフローコントローラ 27,47 スパッタガスボンベ 29,49 ターゲット 60 反応プロセスゾーン 61 活性種発生装置 63 反応性ガスプラズマ発生室 65 電極 67 マッチングボックス 69 高周波電源 71 外部コイル 73 内部コイル 77 マスフローコントローラ 79 反応性ガスボンベ 81 グリッド 91 渦巻き状電極 93 平板電極 95 コイル状電極 101 マルチ・アパーチャ・グリッド 103 穴 105 冷却管 111 マルチ・スリット・グリッド 113 スリット 115 冷却管 121 成膜室 123 基板ロード室 125 基板アンロード室 131,133,135,137 ゲートバルブ 141 基板 143 基板ホルダ 151,161,171 遮蔽板 153,163 成膜プロセスゾーン 155,165 ターゲット 173 反応プロセスゾーン 175 活性種発生装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Vacuum tank 12, 14, 16 Shielding plate 13 Substrate holder 15 Vacuum pump 17 Motor 20, 40 Deposition process zone 21, 41 Sputtering electrode 23, 43 Sputter power supply 25, 45 Mass flow controller 27, 47 Sputter gas cylinder 29, 49 Target 60 Reaction process zone 61 Active species generator 63 Reactive gas plasma generation chamber 65 Electrode 67 Matching box 69 High frequency power supply 71 External coil 73 Internal coil 77 Mass flow controller 79 Reactive gas cylinder 81 Grid 91 Spiral electrode 93 Flat plate electrode 95 Coiled electrode 101 Multi-aperture grid 103 Hole 105 Cooling pipe 111 Multi-slit grid 113 Slit 115 Cooling pipe 121 Deposition chamber 123 Substrate loading chamber 125 Substrate unloading Load chamber 131, 133, 135, 137 Gate valve 141 Substrate 143 Substrate holder 151, 161, 171 Shielding plate 153, 163 Film formation process zone 155, 165 Target 173 Reaction process zone 175 Active species generator
Claims (19)
完全反応物からなる金属超薄膜を形成する工程と、この
金属超薄膜に電気的に中性な反応性ガスの活性種を接触
せしめ、金属超薄膜と反応性ガスの活性種とを反応せし
めて金属化合物超薄膜に変換せしめる工程とを順次繰り
返し、金属化合物超薄膜を複数層形成・堆積することに
より、目的とする膜厚の金属化合物薄膜を基板上に形成
することを特徴とする金属化合物薄膜の形成方法。1. A step of forming an ultrathin metal film made of a metal or an incomplete reactant of a metal on a substrate in a vacuum chamber, and contacting the ultrathin metal film with an active species of an electrically neutral reactive gas. The step of reacting the ultra-thin metal film with the active species of the reactive gas to convert it into a ultra-thin metal compound film is sequentially repeated, and by forming and depositing a plurality of ultra-thin metal compound films, the desired film thickness is obtained. A method for forming a metal compound thin film, comprising forming a metal compound thin film on a substrate.
ッタリング法により行なう請求項1に記載の金属化合物
薄膜の形成方法。2. The method according to claim 1, wherein the ultrathin metal film is formed by a magnetron sputtering method.
なう請求項1に記載の金属化合物薄膜の形成方法。3. The method for forming a metal compound thin film according to claim 1, wherein the formation of the ultrathin metal film is performed by a vacuum deposition method.
たは励起状態にあるラジカル、原子あるいは分子である
請求項1〜3のいずれか一項に記載の金属化合物薄膜の
形成方法。4. The method for forming a metal compound thin film according to claim 1, wherein the active species of the reactive gas is a radical or an excited radical, atom or molecule.
し、放電することより、反応性ガスイオン、電子および
電気的に中性の活性種とを構成要素とする反応性ガスプ
ラズマを反応性ガスプラズマ発生室内に発生せしめ;こ
の反応性ガスプラズマから荷電粒子である電子およびイ
オンを選択的にトラップし、一方、電気的に中性の活性
種を選択的に通過せしめるグリッドを用いて電気的に中
性の活性種を反応性ガスプラズマ発生室から真空槽内に
取り出して金属超薄膜と接触せしめ反応さる請求項1〜
4のいずれか一項に記載の金属化合物薄膜の形成方法。5. A reactive gas plasma comprising reactive gas ions, electrons, and electrically neutral active species is reacted by introducing a reactive gas, applying high frequency power, and discharging. Generated in a reactive gas plasma generation chamber; the reactive gas plasma selectively traps electrons and ions as charged particles, while using a grid to selectively allow electrically neutral active species to pass through. A neutral active species is taken out of the reactive gas plasma generation chamber into a vacuum chamber and brought into contact with an ultrathin metal film to react.
5. The method for forming a metal compound thin film according to any one of 4.
リッドまたはマルチ・スリット・グリッドである請求項
5に記載の金属化合物薄膜の形成方法。6. The method according to claim 5, wherein the grid is a multi-apatcher grid or a multi-slit grid.
て;マグネトロンスパッタリング法により基板上に、金
属ないし金属の不完全反応物からなる金属超薄膜を形成
する工程を行なう成膜プロセスゾーンと;この金属超薄
膜に電気的に中性な反応性ガスの活性種を接触せしめ、
金属超薄膜と反応性ガスの活性種とを反応せしめて金属
化合物超薄膜に変換せしめる工程を行なう反応プロセス
ゾーンと;成膜プロセスゾーンと反応プロセスゾーンと
の間で基板を搬送する搬送手段と;成膜プロセスゾーン
と反応プロセスゾーンとを空間的、圧力的に分離して成
膜プロセスゾーンに反応性ガスが混入することを防止す
る遮蔽手段とを具え;安定な成膜プロセスゾーンと反応
プロセスゾーンとの間で基板を複数回繰り返して搬送、
処理し、金属化合物超薄膜を複数層形成・堆積すること
により、目的とする膜厚の金属化合物薄膜を基板上に形
成することを特徴とする成膜装置。7. A magnetron sputtering apparatus; a film forming process zone for performing a step of forming a metal ultra-thin film made of a metal or an incomplete reactant of a metal on a substrate by a magnetron sputtering method; Contact active species of neutral reactive gas
A reaction process zone for performing a step of reacting the ultra-thin metal film with an active species of a reactive gas to convert it into a metal compound ultra-thin film; a transfer means for transferring a substrate between the film formation process zone and the reaction process zone; Shielding means for spatially and pressure-separating the film forming process zone from the reaction process zone to prevent the reactive gas from entering the film forming process zone; a stable film forming process zone and a reaction process zone The substrate is transported repeatedly multiple times between
A film forming apparatus, wherein a metal compound thin film having a desired film thickness is formed on a substrate by processing and forming and depositing a plurality of metal compound ultra-thin films.
り基板上に、金属ないし金属の不完全反応物からなる金
属超薄膜を形成する工程を行なう成膜プロセスゾーン
と;この金属超薄膜に電気的に中性な反応性ガスの活性
種を接触せしめ、金属超薄膜と反応性ガスの活性種とを
反応せしめて金属化合物超薄膜に変換せしめる工程を行
なう反応プロセスゾーンと;成膜プロセスゾーンと反応
プロセスゾーンとの間で基板を搬送する搬送手段と;成
膜プロセスゾーンと反応プロセスゾーンとを空間的、圧
力的に分離して成膜プロセスゾーンに反応性ガスが混入
することを防止する遮蔽手段とを具え;安定な成膜プロ
セスゾーンと反応プロセスゾーンとの間で基板を複数回
繰り返して搬送、処理し、金属化合物超薄膜を複数層形
成・堆積することにより、目的とする膜厚の金属化合物
薄膜を基板上に形成することを特徴とする成膜装置。8. A vacuum deposition apparatus; a film forming process zone for performing a step of forming a metal ultra-thin film made of a metal or an incomplete reactant of a metal on a substrate by a vacuum vapor deposition method; Reacting the active species of a neutral reactive gas with the active species and reacting the ultra-thin metal film with the reactive species of the reactive gas to convert it into a metal compound ultra-thin film; Transport means for transporting the substrate between the processing zone; shielding means for spatially and pressure-separating the film forming process zone and the reaction process zone to prevent the reactive gas from entering the film forming process zone; By repeatedly transporting and processing the substrate a plurality of times between the stable film formation process zone and the reaction process zone to form and deposit a plurality of ultrathin metal compound thin films. And a metal compound thin film having a desired thickness on a substrate.
は励起状態にあるラジカル、原子あるいは分子である請
求項7または8に記載の成膜装置。9. The film forming apparatus according to claim 7, wherein the active species of the reactive gas is a radical or an excited radical, atom or molecule.
が、反応性ガスを導入し高周波電力を印加することによ
り、反応性ガスイオン、電子および電気的に中性の活性
種とを構成要素とする反応性ガスプラズマを発生させる
反応性ガスプラズマ発生部と、この反応性ガスプラズマ
から荷電粒子である電子およびイオンを選択的にトラッ
プし、一方、電気的に中性の活性種を選択的に通過せし
めるグリッドとを具え、電気的に中性の活性種を反応プ
ロセスゾーンに供給する請求項7〜9のいずれか一項に
記載の成膜装置。10. An active species generating device for generating active species, wherein reactive gas is introduced and high frequency power is applied to form reactive gas ions, electrons and electrically neutral active species. A reactive gas plasma generating section for generating a reactive gas plasma, and selectively trap electrons and ions as charged particles from the reactive gas plasma, while selectively trapping electrically neutral active species. The film forming apparatus according to any one of claims 7 to 9, further comprising: a grid that allows the active neutral species to be supplied to the reaction process zone.
・グリッドまたはマルチ・スリット・グリッドである請
求項10に記載の成膜装置。11. The film forming apparatus according to claim 10, wherein the grid is a multi-apatcher grid or a multi-slit grid.
ズマ発生部として、円筒状の誘電体の大気側周面にコイ
ル状の電極を配置し、このコイル状電極に100KHz
〜40MHzの高周波電力を印加してプラズマを発生さ
せる誘導結合型プラズマ発生源を用いる請求項10に記
載の成膜装置。12. A coil-shaped electrode is disposed as a reactive gas plasma generating section of the active species generating device on the atmosphere-side peripheral surface of a cylindrical dielectric, and the coil-shaped electrode is provided at 100 KHz.
The film forming apparatus according to claim 10, wherein an inductively coupled plasma generation source that generates plasma by applying a high-frequency power of 〜40 MHz is used.
ズマ発生部として、円盤性の誘電体の大気側に渦巻き状
コイルの電極を配置し、この渦巻き状コイル電極に10
0KHz〜40MHzの高周波電力を印加してプラズマ
を発生させる誘導結合型プラズマ発生源を用いる請求項
10に記載の成膜装置。13. A spiral coil electrode is disposed on the atmospheric side of a disk-shaped dielectric as a reactive gas plasma generator of the active species generator.
The film forming apparatus according to claim 10, wherein an inductively coupled plasma generation source that generates plasma by applying a high frequency power of 0 KHz to 40 MHz is used.
ズマ発生部として、反応ガスプラズマ発生部内部に平板
状の電極を配置し、この平板状電極に100KHz〜4
0MHzの高周波電力を印加してプラズマを発生させる
容量結合型プラズマ発生源を用いる請求項10に記載の
成膜装置。14. A reactive gas plasma generating section of the active species generating apparatus, wherein a flat electrode is disposed inside the reactive gas plasma generating section, and the flat electrode has a frequency of 100 kHz to 4 kHz.
The film forming apparatus according to claim 10, wherein a capacitively coupled plasma generation source that generates plasma by applying a high-frequency power of 0 MHz is used.
ズマ発生部として、反応ガス発生部内部にコイル状の電
極または渦巻き状のコイル電極を配置し、これら電極に
100KHz〜40MHzの高周波電力を印加して誘導
結合型プラズマと容量結合型プラズマとが混存するプラ
ズマ発生源を用いる請求項10に記載の成膜装置。15. A coil-shaped electrode or a spiral coil electrode is disposed inside the reaction gas generator as a reactive gas plasma generator of the active species generator, and high frequency power of 100 KHz to 40 MHz is applied to these electrodes. The film forming apparatus according to claim 10, wherein a plasma generation source in which inductively coupled plasma and capacitively coupled plasma coexist is used.
率を高めるために、反応性ガスプラズマ発生部でヘリコ
ン波プラズマを発生させる請求項10〜15のいずれか
一項に記載の成膜装置。16. The film forming apparatus according to claim 10, wherein a helicon wave plasma is generated by a reactive gas plasma generating unit in order to increase the generation efficiency of the active species of the active species generator. .
率を高めるために、反応性ガスプラズマ発生部に、20
〜300ガウスの磁場を形成する外部コイルあるいは内
部コイルを具えている請求項10〜16のいずれか一項
に記載の成膜装置。17. A reactive gas plasma generating unit, comprising:
The film forming apparatus according to any one of claims 10 to 16, further comprising an external coil or an internal coil that forms a magnetic field of -300 gauss.
に、基板を支持する基板ホルダーを装置電位から電気的
に絶縁する請求項7または8に記載の成膜装置。18. The film forming apparatus according to claim 7, wherein a substrate holder supporting the substrate is electrically insulated from a device potential in order to prevent abnormal discharge in the substrate.
あって、成膜プロセスゾーンと反応プロセスゾーンを備
えた成膜室の前後に更に、基板ホルダーの脱着・排気・
必要による前処理の行える基板ロード室と、基板ホルダ
ーの脱着・排気・必要による後処理が行なえる基板アン
ロード室の2つの室を有し、各室は圧力的に隔離され各
々独自の排気系を有し、基板ロード室−成膜室−基板ア
ンロード室間に基板を搬送することにより、薄膜形成の
逐時処理を行うことを特徴とする成膜装置。19. The film forming apparatus according to claim 7, wherein a substrate holder is further provided before and after a film forming chamber having a film forming process zone and a reaction process zone.
It has two chambers: a substrate loading chamber where pre-processing can be performed as required, and a substrate unloading chamber where desorption / exhaust of the substrate holder and evacuation / subsequent post-processing can be performed. Wherein the substrate is transferred between a substrate loading chamber, a film forming chamber, and a substrate unloading chamber, thereby performing a sequential process of forming a thin film.
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