JPS609101B2 - How to generate glow discharge - Google Patents
How to generate glow dischargeInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
この発明は電極型グロー放電を発生する方法に係わり、
更に具体的には、材料のスパッタリングに使われるグロ
−放電を発生する方法に関する。[Detailed Description of the Invention] The present invention relates to a method of generating an electrode type glow discharge,
More specifically, the present invention relates to a method of generating glow discharge for use in sputtering materials.
種々の電極型グロー放電方法が考案され、便われている
。この分野の方法は常に改良され、変えられ、開発され
ているが、この発明の考えは、従来との相違点を含めて
新規な改良を表わすものと考えられ、その結果、効率、
安定性並びに信頼性が一層大きいグロー放電発生方法を
提供する。この発明の考えに依れば、陰極スパッタリン
グ法に依り、材料の薄膜の様な被膜又は被覆を枕積する
改良された装置を設計することが出来る。更に、この発
明の考えに依れば、イオン化ガス種目に於ける電子遷移
に関連した波長を持つ放射を発生するのに効率がよい、
光源並びに放射源を含む低圧ガス放電方法を設計するこ
とが出来る。(好ましくは約10‐3以下という様な)
低圧で夕−ゲット面上に強力なグロー放電を維持するこ
とが出来る発明方法が望まれる。従来例えば、イオン化
用の電子の運動を制限する磁界と、イオン化用電子の発
生とスパッタリング過程との結合をなくする抑制放電が
提案されている。然し、こういう装置は、形状が平面状
であるという欠点があり、平面状の場合にはイオン電流
分布、即ち陰極(ターゲット)面に対するスパッタリン
グの割合を一様に保つのが困難であることが知られてい
る。円筒形陰極を持つ装置に磁界を用い、陰極の鞠線が
磁力線と平行になる様にすると「一層の性能改善を期待
することが出来る。この様な手段に依り、1次電子の半
径方向の運動が制限され、そのェネルギの大部分が周囲
ガスとのイオン化用の衝突に消費されるまで、それらを
陰極面の近くにとゞまらせることが出来る。同時に、幾
何学的な対称性の為、陰極電流は各方位にわたって一様
にすることが出来る。円筒形の外面を陰極面として使っ
てもよいし、或いは内面を使ってもよい。いづれの幾何
学的な形式でも、実際上、1次電子は、まだそのェネル
ギのかなりの部分を保ちながら、軸方向に移動して、陰
極の近くから逃げ出すことが判った。動作圧力を段々低
くし且つ陰極の直径対長さの比を段々大きくすると、こ
ういう末端損失が段々重大になって来る。上に述べた問
題の他に、プラズマ物理では「導電性のターゲット材料
に対する普通の直流スパッタリング法が電気絶縁性のタ
ーゲット材料のスパッタリングには使うことが出来ない
ことが良く知られている。Various electrode type glow discharge methods have been devised and used. Although methods in this field are constantly being improved, modified, and developed, the ideas of this invention, including their differences, are believed to represent novel improvements, resulting in increased efficiency and
Provided is a glow discharge generation method with greater stability and reliability. In accordance with the ideas of this invention, an improved apparatus can be designed for depositing coatings or coatings, such as thin films of materials, by cathodic sputtering techniques. Further, in accordance with the ideas of the present invention, the method is efficient in producing radiation having wavelengths associated with electronic transitions in ionized gas species.
A low pressure gas discharge method can be designed that includes a light source as well as a radiation source. (preferably less than about 10-3)
An inventive method that can maintain a strong glow discharge on the target surface at low pressure is desired. Conventionally, for example, a suppression discharge has been proposed that eliminates the coupling between a magnetic field that restricts the movement of ionizing electrons and the generation of ionizing electrons and the sputtering process. However, this type of device has the disadvantage of being flat in shape, and it is known that in the case of a flat shape, it is difficult to maintain a uniform ion current distribution, that is, the ratio of sputtering to the cathode (target) surface. It is being If a magnetic field is used in a device with a cylindrical cathode so that the cathode's cathode line is parallel to the magnetic field lines, further performance improvement can be expected. Their motion is restricted, allowing them to remain close to the cathode surface until most of their energy is dissipated in ionizing collisions with the surrounding gas. At the same time, the geometrical symmetry Therefore, the cathode current can be made uniform in all directions.The outer surface of the cylinder may be used as the cathode surface, or the inner surface may be used.In practice, in either geometric form, It was found that the primary electrons, still retaining a significant portion of their energy, migrate axially and escape from the vicinity of the cathode.By progressively lowering the operating pressure and progressively increasing the diameter-to-length ratio of the cathode, As the size increases, these terminal losses become increasingly important.In addition to the problems mentioned above, in plasma physics, ``the ordinary DC sputtering method for electrically conductive target materials can be used for sputtering electrically insulating target materials. It is well known that this is not possible.
これは、絶縁性のターゲット材料に電荷がたまると、衝
撃イオン電流の流れが、実用にとって小さすぎる値に制
限されるからである。電気絶縁性のターゲットから直流
スパッタリングに依り材料を放出させる際に出合う困難
が、無線周波スパッタリング法を使うことに依って一般
に克服されている。この方法では、導電板をスパッタリ
ングしようとする誘電体ターゲットの背後に密に接近し
て配置し、典型的にはメガサィクル範囲の高周波電圧に
依つて導電板をバイアスする。この為、無線周波誘電体
電流が絶縁性のターゲットを通って、ターゲット面に電
荷がたまっていれば、それを有効に取去り、連続的にイ
オン衝撃に依るスパッタリングが出来る様にする。従来
の大抵の無線周波スパッタリング装置は平面状のターゲ
ットの形を用いており、無線周波及び直流の補助放電を
組合せて使うことが多く、或るスパッタリング装置は外
部から印加する磁界を使っている。従釆の無線周波装置
はいづれも多数の欠点があり、種々のグロー放電並びに
スパッタリングの用途に対するその適切さを減じている
。This is because charge build-up in the insulating target material limits the flow of bombarded ion current to values that are too small for practical use. The difficulties encountered in ejecting material from electrically insulating targets by direct current sputtering have generally been overcome by using radio frequency sputtering techniques. In this method, a conductive plate is placed in close proximity behind the dielectric target to be sputtered, and the plate is biased with a high frequency voltage, typically in the megacycle range. For this reason, the radio frequency dielectric current passes through the insulating target, and if any charge is accumulated on the target surface, it is effectively removed, allowing continuous sputtering by ion bombardment. Most conventional radio frequency sputtering devices use a planar target shape, often using a combination of radio frequency and direct current auxiliary discharges, and some sputtering devices use externally applied magnetic fields. Both conventional radio frequency devices have a number of drawbacks that reduce their suitability for various glow discharge and sputtering applications.
こういう問題としては、経費が高いこと、複雑であるこ
と、不充分であること、スパッタリング収率が低いこと
、装置内の望ましくない面からスパッタリングが起るこ
と「使える次積区域が小さいこと、高い電圧が必要なこ
と、プラズマ放電を維持する過程とスパッタリングの割
合を制御する過程との間に実質的な結合があって、その
結果装置の動作範囲に重大な制限が加えられること、高
いガス圧力を必要とすること、融通性がないこと、無線
周波の漏洩があること、ターゲットと基体の間の距離に
対する依存性があること、沈積された被膜が汚染される
こと、ターゲットに浴びせられるプラズマ領域内にイオ
ン密度勾配が存在すること、スパッタリングが一様でな
いこと、基体が不当に加熱され、これが避けられないこ
と、多重電源を必要とすること、大きなターゲット寸法
に合せることが出来ないこと「末端損失があってスパッ
タリングが軸万向に変化を生ずること、低い圧力での性
能が制限されること等がある。この発明に依れば、作り
出されるイオン1個あたりのェネルギ経費が最小限にな
る様な効率的なグロー放電が作り出される。These problems include high cost, complexity, inadequacies, low sputtering yields, sputtering from undesirable surfaces in the equipment, small available volume area, high voltage requirements, substantial coupling between maintaining the plasma discharge and controlling the rate of sputtering, resulting in significant limitations on the operating range of the device, and high gas pressures. lack of flexibility, radio frequency leakage, dependence on the distance between target and substrate, contamination of the deposited coating, and plasma field exposed to the target. presence of ion density gradients in Losses can cause sputtering to vary axially, limit performance at low pressures, etc. With this invention, the energy cost per ion produced is minimized. A similar efficient glow discharge is created.
更に、イオンの非常に大きな部分がスパッタリングに使
われる様にターゲットに対して位層ぎめされた領域内に
イオンが作り出される。更に、プラズマ放電が制御され
た形でターゲット面にわたって分布させられ、この為ス
パッタリングされる材料の源が所望の幾何学的な分布を
持つ。この為、スパッタリング特性は一様なものも、わ
ざと一様でなくしたものも得られる。この発明は、陰極
ターゲットから放出された1次電子の運動を半径方向並
びに藤方向の両方の方向で制限するプラズマ・トラップ
を作り「これら1次電子が、そのヱネルギの大部分が付
加的なプラズマを発生するイオン化用の衝突に有効仕事
として消費されるまで、ターゲット面の近くにとゞまる
様にする。Furthermore, the ions are created in a region that is aligned relative to the target such that a very large portion of the ions are used for sputtering. Furthermore, the plasma discharge is distributed over the target surface in a controlled manner so that the source of sputtered material has the desired geometric distribution. For this reason, sputtering characteristics can be either uniform or intentionally non-uniform. This invention creates a plasma trap that restricts the movement of primary electrons emitted from a cathode target in both the radial and radial directions, and ``these primary electrons transfer most of their energy to the additional plasma.'' It stays close to the target surface until it is consumed as effective work in the ionizing collisions that generate it.
この明細書でいうトラップに依る完全な収容とは、付加
的なイオンを発生するに十分なェネルギがまだ残ってい
る1次電子の実質的に全部、即ち大多数が収容されてい
ることを言う。即ち、トラップに収容されない電子は実
質的なイオン化の仕事をしない。プラズマ・トラップは
、陰極電位にある面からの電子の反射と、磁界に依る電
子の偏向との組合せに依り、低いガス圧力の環境内で達
成される。In this specification, complete containment by a trap means that substantially all, or the majority, of the primary electrons that still have sufficient energy to generate additional ions are contained. . That is, electrons that are not accommodated in the traps do not perform substantial ionization work. Plasma trapping is achieved in an environment of low gas pressure by a combination of reflection of electrons from a surface at cathode potential and deflection of electrons by a magnetic field.
プラズマは、普通に考えた直線で囲まれた容積の6辺全
部をふさぐトラップに依り、この発明の放電装置内に完
全に収容され、プラズマ・トラップの断面でみて、6辺
の内の4つが磁力線と電極面に依って限定され、残りの
2辺は装置の鞠対称性に依って閉じる。この軸対称性は
、磁界及び/又は電極構造に依って得られる。1次電子
がトラツプの中に投げ出されると、そのェネルギはプラ
ズマ内に付加的なイオンを作る為に使われる。The plasma is completely contained within the discharge device of the present invention by means of a trap that blocks all six sides of a volume surrounded by a straight line, and when viewed in cross section of the plasma trap, four of the six sides are closed. It is limited by the magnetic field lines and the electrode plane, and the remaining two sides are closed by the square symmetry of the device. This axial symmetry is obtained through the magnetic field and/or electrode structure. When the primary electrons are thrown into the trap, their energy is used to create additional ions within the plasma.
1次電子がその有用なェネルギの略全部をイオンを作る
為に使いきると、それらはイオン化の目的には最早価値
がなく、そこでそれらは全体的な電気装置に於ける所要
の電流の流れを維持する為に使われる。この電流の流れ
は、電子、イオン、及び両方の組合せに依って作られる
。従って、この発明は、一旦そのェネルギが取出された
後、電子が容易に電流通路を完成することが出来る様に
、トラップに効率的な陽極接点をも設ける。陽極は、高
ェネルギの電子を収集せずに低ェネルギの電子を効率よ
く収集する様にトラツプを遮る位置に配置することが望
ましい。簡単に言うと、この発明の考えを実施した実施
例では、中位から低い電圧並びに低い周囲ガス圧力で高
い陰極電流密度を生するフランジ付き陰極形式を用いる
ことが出来る。円筒形陰極を用いた2つの実施例が説明
される。‘ィープラズマが外向きにフランジのついた円
筒の外側で発生される。‘。}プラズマが内向きにフラ
ンジのついた中空円筒の中で発生される。いづれの構成
も磁界を用い、その磁力線は円筒則ち陰極胴体の軸線と
大体平行である。磁界強度を調節して、プラズマを胴体
の壁の近く、本質的に一方は胴体の円筒面に依って限定
され且つ他方ではフランジの周緑に依って限定された容
積内に局限することが出来、この為多数のプラズマ‘イ
オンは、陰極面に沿って存在する陰極ごやの近くに形成
される。従って、こういう陰極は本質的に高速電子の磁
気的並びに電気的なトラップ作用を同時に用いることに
依って作用し、トラップは個々の磁力線が陰極さやと2
箇所で交差する結果として形成される。この交差はさや
の面と磁力線とが大体垂直になって起る。良Pち、電子
トラップの大体3辺は陰極さやに依って多成され、第4
辺は磁界に依って形成される。この構造の対称性の為、
プラズマの一様性は良好である。無線周波の場合、2重
電極形式が用いられる。Once the primary electrons have used nearly all of their useful energy to create ions, they are no longer of value for ionization purposes, so they maintain the required current flow in the overall electrical system. used to do. This current flow is created by electrons, ions, and a combination of both. Therefore, the present invention also provides an efficient anode contact at the trap so that the electrons can easily complete the current path once their energy has been extracted. The anode is preferably placed in a position that blocks the trap so that it efficiently collects low energy electrons without collecting high energy electrons. Briefly, embodiments embodying the ideas of this invention may utilize a flanged cathode format that produces high cathode current densities at moderate to low voltages as well as low ambient gas pressures. Two embodiments using cylindrical cathodes are described. A plasma is generated on the outside of an outwardly flanged cylinder. '. }Plasma is generated in a hollow cylinder flanged inward. Both configurations use a magnetic field, the lines of which are generally parallel to the axis of the cylinder or cathode body. By adjusting the magnetic field strength, the plasma can be localized close to the wall of the fuselage, essentially within a volume confined by the cylindrical surface of the fuselage on the one hand and by the circumference of the flange on the other hand. Therefore, a large number of plasma ions are formed near the cathode layer along the cathode surface. Thus, such cathodes essentially operate by simultaneously using magnetic and electrical trapping effects of fast electrons, the traps being caused by the fact that individual magnetic field lines are separated from the cathode sheath.
formed as a result of intersections at points. This intersection occurs when the plane of the sheath and the magnetic field lines are approximately perpendicular. Roughly three sides of the electron trap are formed by the cathode sheath, and the fourth side is formed by the cathode sheath.
The edges are formed by the magnetic field. Due to the symmetry of this structure,
The plasma uniformity is good. For radio frequencies, a dual electrode format is used.
これも中位から低い電圧並びに比較的低い周囲ガス圧力
で高い陰極電流密度を生ずる。グロー放電、層に於ける
通常の無線周波動作では、電極の対の内の各々の電極が
互いに陽極並びに陰極となりるが、無線周波サイクルの
大部にわたって、両の電極がプラズマに対し陰極として
振舞うことを示すことが出来る。この点、交互の半サイ
クルの極めて短い期間の間だけ、電極がプラズマに対し
て陽極になる。然し、プラズマ及び陰極さやの中にある
イオンは、殆んどいつでも、本質的に、両方の電極が陰
極として振舞う直流グロー放電の環境内にある様に振舞
う。【ィープラズマが1対の柱形電極の外側で発生され
る、‘o}プラズマが1対の中空電極の中で発生される
、し一プラズマが比較的薄い平面状又は轡曲したシート
形電極の表面に隣接して発生される主な3種類の電極に
ついて説明する。This also produces high cathodic current densities at moderate to low voltages and relatively low ambient gas pressures. In normal radio frequency operation in a glow discharge, layer, each electrode in a pair of electrodes is anode and cathode to each other, but for most of the radio frequency cycle, both electrodes behave as cathodes to the plasma. It can be shown that In this respect, the electrode becomes anode to the plasma only for very short periods of alternating half-cycles. However, the plasma and ions within the cathode sheath behave essentially at all times as if they were in a direct current glow discharge environment, with both electrodes acting as cathodes. [a] plasma is generated outside a pair of cylindrical electrodes, a plasma is generated inside a pair of hollow electrodes, and a plasma is generated outside a pair of cylindrical electrodes. Three main types of electrodes generated adjacent to a surface will be described.
いづれの形式でも協働する磁界を用い、特定の電極構造
の外側又は内側の磁界コイルを使う。磁界は特定の電極
構造と共に、磁界及び/又は電極構造に依って課せられ
る前述の軸対称性を持つ少なくとも1つのプラズマ収容
トラップを限定する様な形にされる。磁界の形及び強度
を調節してプラズマをトラップ内に局限し、末端損失を
なくすことが出来る。協働して作用する1対の電極と磁
界とに依り、単一のプラズマ・トラツプを限定すること
が出来る。この代りに、各々の電極が磁界と協働してト
ラップを限定し、こうして別の電極が磁界と共に限定す
るトラップとは別個のトラップを作ることが出来る。更
に、別々のトラップが磁界と各々の電極とに依って限定
されると共に、両方の電極が協働して磁界と共にトラッ
プを限定する混成形式では、両方の種類のトラップを同
時に使うことが出来る。更に、この発明では、各々の個
々の電極と磁界とに依って複数個のプラズマ・トラップ
を限定することが考えられる。柱形及び中空の陰極の形
の場合、或る形では端の翼又はフランジを利用して、プ
ラズマ・トラップを閉じ込めるのを助けることが出来、
或いは残りの電極構造と磁界とに依ってトラップの境界
を完全に限定することが出来れば、翼を完全にはふくく
ことが出来る。Both types use cooperating magnetic fields, using field coils outside or inside a particular electrode structure. The magnetic field is shaped in conjunction with a particular electrode structure to define at least one plasma containment trap with the aforementioned axial symmetry imposed by the magnetic field and/or electrode structure. The shape and strength of the magnetic field can be adjusted to confine the plasma within the trap and eliminate end losses. A single plasma trap can be defined by a pair of electrodes and a magnetic field working together. Alternatively, each electrode can cooperate with the magnetic field to define a trap, thus creating a separate trap from that defined by another electrode together with the magnetic field. Furthermore, both types of traps can be used simultaneously in a hybrid format where a separate trap is defined by a magnetic field and each electrode, and both electrodes cooperate to define the trap along with the magnetic field. Furthermore, the present invention contemplates defining multiple plasma traps, each with its own individual electrode and magnetic field. For prismatic and hollow cathode configurations, end wings or flanges may be utilized in some configurations to help confine the plasma trap;
Alternatively, if the trap boundaries can be completely defined by the remaining electrode structure and magnetic field, the blades can be completely occluded.
翼を使う時、翼はトラップを有効に閉じ込める程度に大
きく作る。そうしないと、装置の経済的な利点を減ずる
程、磁界強度を強めなければならなくなろう。この点、
翼の寸法は、1次電子が付加的なイオンを作る為にその
有用なェネルギを失うのに必要な空間と直接に関係があ
る。この発明の考えは、陰極としてのターゲットに通常
課せられる負担が如何なる形でもスパッタリング過程の
妨害にならない程度まで、トラップ内にプラズマを維持
する為の補給条件を最小限に抑える様な効率のプラズマ
・トラップを提供する方法であると考えることが出来る
。When using wings, make them large enough to effectively confine the trap. Otherwise, the magnetic field strength would have to be increased so much that it would reduce the economic benefits of the device. In this point,
The wing dimensions are directly related to the space required for the primary electrons to lose their useful energy to create additional ions. The idea of the invention is to generate a plasma with such efficiency that the replenishment requirements for maintaining the plasma in the trap are minimized to the extent that the loads normally imposed on the target as a cathode do not interfere with the sputtering process in any way. You can think of it as a way to provide a trap.
この為、ターゲット面にわたって強力なプラズマ放電を
維持する過程は、スパッタリング過程自体とごく弱くし
か結合されていない。この点、所定の動作ガス圧力並び
にスパッタリング電流で広い範囲のスパッタリング電圧
を容易に得られる様にするのに必要なことは、磁界強度
を僅かに調節することだけである。 従って、この発明
の目的は、新規で改良されたグロー放電方法を提供する
ことである。この発明の上記並びにその他の目的並びに
利点は、以下図面について更に詳しく説明する所から明
らかになろう。第1図には、この発明に依る電極型放電
装置12をその中に取付けた普通の真空室10が示され
ている。Therefore, the process of maintaining a strong plasma discharge across the target surface is only weakly coupled to the sputtering process itself. In this regard, all that is required is a slight adjustment of the magnetic field strength to easily obtain a wide range of sputtering voltages for a given working gas pressure and sputtering current. It is therefore an object of this invention to provide a new and improved glow discharge method. The above and other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the drawings. FIG. 1 shows a conventional vacuum chamber 10 with an electrode discharge device 12 according to the invention installed therein.
放電装置12は、室10の中に取付けられ且つ支持手段
15に依って保持されたスプール型翼つき又はフランジ
付き陰極14を含んでいる。Discharge device 12 includes a spool-shaped winged or flanged cathode 14 mounted within chamber 10 and held by support means 15 .
陰極14は上側の翼又はフランジー4aと「下側の翼又
はフランジー4bとを持っている。環状の陽極16が陰
極14の上側のフランジー4aの周囲に配置され、真空
室10のカバーに取付けられている様な2つ又は更に多
くの中空スベーサ17に依って支持されている。2つの
磁界コイル巻線を使うことに依り、陰極の面上の領域に
磁界が形成される。The cathode 14 has an upper wing or flange 4a and a lower wing or flange 4b. An annular anode 16 is disposed around the upper flange 4a of the cathode 14 and is attached to the cover of the vacuum chamber 10. By using two field coil windings, a magnetic field is created in the area on the surface of the cathode.
一方のコイル巻線は陰極14の内部に配置されている。
他方のコイル巻線21‘ま真空室10の外壁22の周り
に配置されている。外側磁界コイル21に依る磁界は、
典型的には陰極のフランジー4a,14bの少し上から
その少し下まで伸びる。これらのコイルに依り、磁力線
23に依って示される様に「陰極の胴体に接近し且つそ
れと平行な磁力線を持つ適当な合成磁界が作られる。室
1川まアルゴンの様な適当なガスが入っており「低圧環
境になる様に真空にひいてある。陰極14及び陽極16
は両方共中空であり、陰極14及び陽極16の両方に冷
却水を供給する為「適当な配管25a乃至25cから供
給を受ける冷却水源が装置と結合される。高圧並びに磁
界兼用電源27が示されている。典型的には2つの別個
の電源を使うことは言う迄もない。この電圧源27が陰
極14と接続されて「陽極16を接地した時にそれに負
の電圧を供給すると共に、コイル28及び21に電力を
供給する。真空室10の下端に配管29があり、これは
弁を介して普通の様に真空ポンプ(図に示してない)に
結合することが出来る。基体31がその上に被覆又はめ
つきをスパッタリングすることが出来る様に、真空室1
0内に配置されることが示されている。One coil winding is placed inside the cathode 14.
The other coil winding 21' is arranged around the outer wall 22 of the vacuum chamber 10. The magnetic field due to the outer magnetic field coil 21 is
Typically, it extends from slightly above to slightly below the cathode flanges 4a, 14b. By means of these coils a suitable composite magnetic field is created, as shown by magnetic field lines 23, with magnetic field lines close to and parallel to the body of the cathode. The cathode 14 and the anode 16 are evacuated to create a low-pressure environment.
are both hollow, and a source of cooling water supplied from appropriate piping 25a to 25c is coupled to the apparatus to supply cooling water to both the cathode 14 and the anode 16.A power supply 27 for both high voltage and magnetic fields is shown. It goes without saying that typically two separate power supplies are used. This voltage source 27 is connected to the cathode 14 to provide a negative voltage to the anode 16 when grounded, and and 21. At the lower end of the vacuum chamber 10 there is a line 29 which can be connected via a valve to a vacuum pump (not shown) in the conventional manner. A vacuum chamber 1 is installed so that a coating or plating can be sputtered on
It is shown that it is located within 0.
第1図の実施例では「真空室10の中に磁性金属の随意
選択的な上側及び下側カラー31及び32を設けること
が出来る。In the embodiment of FIG. 1, optional upper and lower collars 31 and 32 of magnetic metal may be provided within the vacuum chamber 10.
カラー31,32は磁力線を真直ぐにする為に用いられ
ているが、陰極14の中に内側磁界巻線を設ける場合、
これらは必要ではないことがある。第2図に示す放電装
置12が真空室10の上側カバー18に取付けられ且つ
それから垂れ下がっていることが示されている。The collars 31 and 32 are used to straighten the lines of magnetic force, but when an inner magnetic field winding is provided inside the cathode 14,
These may not be necessary. The discharge device 12 shown in FIG. 2 is shown attached to and depending from the upper cover 18 of the vacuum chamber 10.
真空室は典型的にはアルミニウムの様な非磁性金属で作
られる。陰極14は、カバー18に固定された支持手段
15に取付けられる。最初に陰極14の構造を考えると
「 これは、スパッタリングしようとする材料で作るか
又はその材料をめつきした円筒形の管又は胴体40を含
む。適当な材料の1例を挙げると、非磁性ステンレスス
チールであり、陰極胴体の外側はクロームを基体にスパ
ッタリングする為にクロームめつきされる。陰極14は
上側及び下側の翼又はフランジー4a,14bをも含ん
でおり、この各々は典型的には分解し易くする為2つの
部分から成る構造になっている。上側フランジ14aは
下部42及び上部43を含む。Vacuum chambers are typically made of non-magnetic metal such as aluminum. The cathode 14 is attached to support means 15 fixed to the cover 18. Considering first the structure of the cathode 14, it includes a cylindrical tube or body 40 made of or plated with the material to be sputtered. One example of a suitable material is a non-magnetic material. Stainless steel, the outside of the cathode body is chrome plated for sputtering the chrome onto the substrate. The cathode 14 also includes upper and lower wings or flanges 4a, 14b, each of which typically has a two-part structure for ease of disassembly.The upper flange 14a includes a lower part 42 and an upper part 43.
これらの部分が多数の留めねじ44に依って結合され、
0リング45に依って密封され、上側の円筒形翼又はフ
ランジ14aとなる。このフランジー4aは水の様な冷
却流体を受入れる内部空洞47を持っている。下側のフ
ランジ14bも同じ様な構造であり、上部及び下部52
,53を含む。これらの2つの部分が多数の留めねじ5
4によって一緒に結合され、0リング55に依って密封
される。同じ様な空洞57が部分52,53の間に形成
されて冷却水を受入れる。好ましくは上部42,52を
、(クロームをスパッタリングしようとする場合)クロ
ームでめつきしたステンレススチールの様な非磁性金属
で作り、下部43,53はステンレススチールの様な磁
性金属で作る。翼14a及び14bが多数の結合棒59
に依って胴体4川こ固定され、0リング60及び61が
封じになっている。These parts are connected by a number of fixing screws 44,
It is sealed by an O-ring 45 and becomes the upper cylindrical wing or flange 14a. The flange 4a has an internal cavity 47 for receiving a cooling fluid such as water. The lower flange 14b has a similar structure, with upper and lower parts 52
, 53 included. These two parts have a large number of retaining screws 5
4 and sealed together by an O-ring 55. A similar cavity 57 is formed between sections 52, 53 to receive cooling water. Preferably the upper portions 42, 52 are made of a non-magnetic metal such as stainless steel plated with chrome (if chrome is to be sputtered) and the lower portions 43, 53 are made of a magnetic metal such as stainless steel. The wings 14a and 14b are connected to a large number of connecting rods 59
The four parts of the fuselage are fixed by the screws, and the O-rings 60 and 61 are sealed.
胴体40の中には、上側のフランジ14aの下部42内
の環状孔63を介して冷却水を受入れる環状室62があ
る。同様な環状孔65が下側のフランジ14bの上部5
2の中に設けられている。上側のフランジー4aの上部
43は1対の環状スベーサ・リング67a,67bと、
その間に形成された溝の中に配置された○リング67c
とを含んでいて、理由は後で詳しく説明するが、硝子、
パィレックス、セラミック、水晶又はその他の適当な材
料で作られた上側絶縁体70を、環状の間隙又は溝71
として示す様に、陰極の上側の翼14aの上部43の上
面から適当に隔てる。次に内部磁界集成体20について
説明すると、これはスプール76を持っている。Inside the fuselage 40 is an annular chamber 62 that receives cooling water through an annular hole 63 in the lower part 42 of the upper flange 14a. A similar annular hole 65 is provided in the upper part 5 of the lower flange 14b.
It is set in 2. The upper part 43 of the upper flange 4a has a pair of annular smoother rings 67a, 67b,
○ ring 67c placed in the groove formed between them
Although the reason will be explained in detail later, glass,
An upper insulator 70 made of Pyrex, ceramic, quartz or other suitable material is connected to an annular gap or groove 71.
It is appropriately spaced from the upper surface of the upper part 43 of the upper wing 14a of the cathode, as shown in FIG. Turning now to internal field assembly 20, it has a spool 76.
このスプールは磁性ステンレススチールで作ることが出
来る。スプールは円筒形の胴体77と、上側及び下側の
翼77a,77bとを持っている。翼77−a及び77
bが多数の留めねじ79及び801こ依り胴体77に固
定される。胴体77の両端の近くで、その周りにプラス
チックのリング82及び83が配置され、多数のターン
の線を有するコイル85がリング82及び83の間で胴
体77の周りに配置されている。この線は絶縁銅線であ
ってよく、1端(図に示してない)が胴体77に電気的
に接続される。その他端86が胴体77の下端の中の孔
を通りぬける。総86が可操性であって、胴体77の中
の中心内部室87を通り支持手段15の支持管89の孔
88を上向きに通ることが好ましし・。内部磁界巻線8
5がその両端、即ちリング82及び83の近くでより多
くのターン数を持ち、一層一様な磁界を作ることが好ま
しい。内部スプール76は、スプール76の上側の翼7
7aを数箇所92(1箇所だけ示す)で陰極の上側のフ
ランジ14aの上部43の内面に取付けることに依り、
陰極14の中に支持される。This spool can be made from magnetic stainless steel. The spool has a cylindrical body 77 and upper and lower wings 77a, 77b. Wings 77-a and 77
b is fixed to the body 77 by a large number of fixing screws 79 and 801. Plastic rings 82 and 83 are placed around the fuselage 77 near the ends thereof, and a coil 85 having a number of turns of wire is placed around the fuselage 77 between the rings 82 and 83. This wire may be an insulated copper wire, and one end (not shown) is electrically connected to the fuselage 77. The other end 86 passes through a hole in the lower end of the body 77. Preferably, the tube 86 is movable and passes upwardly through a central interior chamber 87 in the body 77 and through an aperture 88 in a support tube 89 of the support means 15. Internal magnetic field winding 8
Preferably, 5 has a greater number of turns near its ends, ie near rings 82 and 83, creating a more uniform magnetic field. The internal spool 76 is connected to the upper wing 7 of the spool 76.
7a at several locations 92 (only one location shown) on the inner surface of the upper portion 43 of the upper flange 14a of the cathode.
It is supported within the cathode 14.
スプール76は、陰極の下側のフランジー4bの下部5
3の内面の中心にある留めねじ94に依っても支持され
且つ取付けられている。この構造(特に留めねじ94が
下部53を翼77bに結合すること)に依り、陰極内の
内圧が高く(冷却流体が大気圧より高く)且つ真空室1
0内の外部圧力が低いことに依って、陰極の翼が外向き
に曲がることが防止される。スプール76の下側の翼7
7bは多数の孔95を持ち、後で説明する様に、冷却水
が中央室87からそれを通って集成体全体の外部へ戻る
ことが出来る様にしている。次に陽極16の構造につい
て説明すると、この陽極は、非磁性ステンレススチール
で作ることの出来る上側及び下側の環状部分100,1
01を持ち、これらがその部分に沿って配置された多数
の留めねじ102及び103に依って一緒に結合されて
いる。The spool 76 is attached to the lower part 5 of the flange 4b on the lower side of the cathode.
It is also supported and attached by a set screw 94 centered on the inner surface of 3. This structure (particularly that the retaining screw 94 connects the lower part 53 to the wing 77b) ensures that the internal pressure within the cathode is high (the cooling fluid is above atmospheric pressure) and that the vacuum chamber 1
The low external pressure within zero prevents the cathode wings from bending outward. Lower wing 7 of spool 76
7b has a number of holes 95 through which cooling water can return from the central chamber 87 to the outside of the entire assembly, as will be explained later. Next, the structure of the anode 16 will be described. This anode includes upper and lower annular portions 100, 1 which can be made of non-magnetic stainless steel.
01, which are joined together by a number of set screws 102 and 103 located along the section.
これらの部分を内側及び外側の○リング105,106
に依つて密封して、冷却水を受入れる内部環状空洞10
8を形成する。下側部分100の下面は多数の環状溝1
10を持つ。陽極16は、112に示す様に、陰極14
の上側のフランジ14aに接近しているが、それから隔
たつている。陽極16は真空室10の上側カバー18に
接続された2つの支持体17に依って所定位置に保持さ
れる。These parts are attached to the inner and outer ○ rings 105, 106.
an internal annular cavity 10 which is hermetically sealed and receives cooling water;
form 8. The lower surface of the lower part 100 has a number of annular grooves 1
have 10. The anode 16 is connected to the cathode 14 as shown at 112.
is close to, but spaced from, the upper flange 14a. The anode 16 is held in place by two supports 17 connected to the upper cover 18 of the vacuum chamber 10.
この支持体は1つだけ示している。両方の支持体は同様
であって、カバー18に対する陽極の接地接続になり、
一方は冷却水の入口なり、且つ他方は冷却水の出口にな
る。支持体14は、留めねじに依り陽極16の上側部分
101に固定され且つ0リングに依って封じられた継手
114を含む。更に支持体17は管115を含む。この
管は、多数の留めねじ‘こ依ってスベーサ114に接続
され且つ0リングに依ってそれと密封されたフランジ1
16に銀はんだで取付けることが出釆る。管115の上
端が真空室10のカバー28内の孔を通りぬけ、ねじ付
き圧縮はめ込み部119(これは図に示してないが内側
○リングを含んでいてよい)、0リング120、覆い板
121及び1つ又は更に多くの留めねじ122に依って
、カバー28‘こ固定し且つ密封される。支持体17は
、大地電位以外の電圧で陽極16を動作させることが出
来る様に、真空室10から絶縁することが出来るが、こ
)に図示し且つ説明する場合は、陽極16が大地電位で
動作する。支持体軍7は、陽極16内の空洞108に冷
却水を供給することが出来る様にする内部通路母24を
持ち「水の復流は第2の支持体(図に示してない)に依
って行なわれる。金属性の複数個のアーム126(例え
ば4個、1つだけ示す)に依り、陽極亀6に対して付加
的な支持を与えることが出来る。Only one of these supports is shown. Both supports are similar and provide a ground connection of the anode to the cover 18;
One side will be the inlet of the cooling water, and the other will be the outlet of the cooling water. The support 14 includes a joint 114 fixed to the upper part 101 of the anode 16 by a set screw and sealed by an O-ring. Furthermore, the support 17 includes a tube 115. This tube has a flange 1 connected to the baser 114 by means of a number of retaining screws and sealed thereto by means of an O-ring.
16 can be attached with silver solder. The upper end of the tube 115 passes through a hole in the cover 28 of the vacuum chamber 10 and includes a threaded compression fit 119 (which may include an inner circle, not shown), an O-ring 120, and a cover plate 121. and one or more set screws 122 to secure and seal the cover 28'. Although the support 17 can be insulated from the vacuum chamber 10 so that the anode 16 can be operated at voltages other than ground potential, as shown and described in this case, it is assumed that the anode 16 is at ground potential. Operate. The support group 7 has an internal passageway base 24 that makes it possible to supply cooling water to the cavity 108 in the anode 16, and the return flow of water is dependent on a second support (not shown). Additional support for the anode turtle 6 can be provided by a plurality of metallic arms 126 (eg four, only one shown).
このアームの1端は支持手段15の上側キャップ軍27
の下側のフランジー27bに結合されト且つ他端はスべ
−サ128を介して陽極16の上側部分畳QI‘こ取付
けられる。これらのアームも陽極に対する接地接続にな
る。次に支持手段15について説明すると、これは前に
述べた上側キャップ127を含む。One end of this arm is connected to the upper cap arm 27 of the support means 15.
The other end of the anode 16 is connected to the lower flange 27b and the other end thereof is attached to the upper part of the anode 16 via a spacer 128. These arms also provide a ground connection to the anode. Turning now to the support means 15, it includes the upper cap 127 mentioned above.
このキャップはト多数の留めねじ131に依って真空室
10の上側カバー28の下側に固定された上側フランジ
ー27aを含む。キャップ127は下側フランジー27
bも含み、上側絶縁体70がこの下側フランジー27b
と、陰極の上側のフランジー4aの上部43の上面にあ
るリング67a? 67b及び○リング67cとの間に
はさみ込まれ「且つフランジ127bと○リング132
に依って密封される。キャップ127及び支持管89は
非磁性ステンレススチールで作ることが出来る。レキサ
ンという商品名で販売されている様なプラスチックで作
ることの出釆る内側ステム又は口出線絶縁体134がキ
ャップ127の中に取付けられ、円筒形の下端が絶縁体
70内の孔135に係合し且つはまり込んでいる。支持
管89は、内部スプール76の上側の翼77aに螺着し
た下端を持つと共に、陰極の上側のフランジ14aの上
部43の上面に係合し且つそれと密封されたフランジー
36を持っている。The cap includes an upper flange 27a secured to the underside of the upper cover 28 of the vacuum chamber 10 by a number of set screws 131. The cap 127 is connected to the lower flange 27
b, and the upper insulator 70 is connected to this lower flange 27b.
and the ring 67a on the upper surface of the upper part 43 of the upper flange 4a of the cathode? 67b and the ○ ring 67c, and the flange 127b and the ○ ring 132.
sealed by. Cap 127 and support tube 89 can be made of non-magnetic stainless steel. An inner stem or lead wire insulator 134, which may be made of a plastic such as that sold under the trade name Lexan, is mounted within the cap 127, with its cylindrical lower end extending into the hole 135 in the insulator 70. engaged and jammed. The support tube 89 has a lower end threaded onto the upper wing 77a of the internal spool 76 and has a flange 36 that engages and is sealed with the upper surface of the upper portion 43 of the upper flange 14a of the cathode.
支持管89は絶縁体134の中を上向きに伸び、ねじを
切った上端に主ナット140及びナット141が固定さ
れる。スラスト軸受144及び弓形ばね坐金145が、
絶縁体134の上面146と主ナット140の底面との
間で、支持管89の上端の周り‘こ取付けられている。
ばね坐金145を使うのは、熱に依る膨張及び収縮を吸
収する為である。第2図から明らかな様に、主ナット1
40が陰極14を中間の上側絶縁体70と共に支持手段
15に固定する。Support tube 89 extends upwardly through insulator 134 and has a threaded upper end secured to main nut 140 and nut 141. The thrust bearing 144 and the arcuate spring washer 145 are
It is attached around the upper end of the support tube 89 between the top surface 146 of the insulator 134 and the bottom surface of the main nut 140 .
The spring washer 145 is used to absorb expansion and contraction due to heat. As is clear from Fig. 2, main nut 1
40 fixes the cathode 14 with the intermediate upper insulator 70 to the support means 15.
こうして「支持管89のねじを切った下端がスプールT
6の上側の翼77aと結合して、陰極の上側の翼14a
、上側絶縁体70、上側キャップ70及び絶縁体134
を圧縮する。この様にして絶縁体134の下側の円筒形
の肩149がキャップ127の下側フランジー27bの
上側内縁に衝合し、陰極の上側の翼14aの上側リング
67a,67b及び上側キャップ127の下側フランジ
ー27bの下面を上側絶縁体70の夫々の面とぴったり
衝合し且つ密封する様に衝合する主たる保持応力を与え
る。陰極の上側の翼14a及び上側キャップ127の下
側フランジー27bの上にある○リング67c及び畳3
2が封じをする。絶縁体134は室10内の真空に露出
しない。上側取付部152が上側ナット141に取付け
られた多数の留めねじ量53に依って、支持管89の上
騰に取付けられ、0リング154に依って封じがなされ
ている。In this way, the threaded lower end of the support tube 89 is connected to the spool T.
The upper wing 14a of the cathode is combined with the upper wing 77a of the cathode.
, upper insulator 70, upper cap 70 and insulator 134
compress. In this way, the lower cylindrical shoulder 149 of the insulator 134 abuts the upper inner edge of the lower flange 27b of the cap 127 and the upper ring 67a, 67b of the upper wing 14a of the cathode and the lower part of the upper cap 127. Provides a primary retaining stress that causes the lower surface of side flange 27b to abut snugly and sealingly with each surface of upper insulator 70. The ○ ring 67c and the tatami 3 on the upper wing 14a of the cathode and the lower flange 27b of the upper cap 127
2 seals it. Insulator 134 is not exposed to the vacuum within chamber 10 . The upper mounting part 152 is attached to the rising part of the support tube 89 by means of a large number of retaining screws 53 attached to the upper nut 141, and is sealed by an O-ring 154.
内側磁界コイルの導線86の上端が取付部152の中を
上向きに通り、圧縮取付部155に依って封じられてい
る。取付部152は冷却水を受入れる入口室156を持
っている。この室156が支持管89内の入口室157
と蓮適する。入口室157は、その下端端に、陰極の上
側フランジー4a内の空洞47と蓮適する多数の孔15
8を持っている。管89は取付部152の出口通路16
0と蓮適する出口通路88を持っている。管89内の通
路157及び88に対する入口及び出口通路156及び
16川こ対する適当な封じは、夫々の通路の接合点に於
て夫々の封じに依って行なうことが出釆る。冷却水が入
口配管25aへ流れ、取付部152の入口通路156か
ら管89内の通路157を通って陰極の上側フランジー
4a内の空洞47に流れ、且つスプール76の上側の翼
77aの周りで向きを変えられる。The upper end of the inner magnetic field coil conductor 86 passes upwardly through the fitting 152 and is sealed by the compression fitting 155. Mounting portion 152 has an inlet chamber 156 for receiving cooling water. This chamber 156 is an inlet chamber 157 in the support tube 89.
And Ren suits. The inlet chamber 157 has at its lower end a number of holes 15 which fit into the cavity 47 in the upper flange 4a of the cathode.
I have 8. The pipe 89 is connected to the outlet passage 16 of the mounting portion 152.
0 and has an exit passageway 88 suitable for the lotus. Appropriate sealing of the inlet and outlet passages 156 and 16 to passages 157 and 88 in tube 89 may be provided by respective seals at the junctions of the respective passages. Cooling water flows into the inlet pipe 25a, from the inlet passage 156 of the fitting 152 through the passage 157 in the tube 89 to the cavity 47 in the cathode upper flange 4a, and around the upper wing 77a of the spool 76. can be changed.
冷却流体は環状孔63を通って陰極の上側のフランジ1
4aから出て行き、陰極胴体40内の室62に入り、陰
極の下側のフランジー4b内の空洞57に入る。流体が
スプール76の下側の翼77bの周りを流れてから、孔
95を通って、スプールの胴体77の中の中央室87に
入る。翼77a及び77bは、陰極のフランジー4a及
び14bを正しく冷却する様な向きに水を向けるじやま
板になる。この後流体は管89の出口通路88を通って
取付部152の出口通路160へ流れる。最後に、第2
図の集成体は、例えば上側絶縁体70と同じ材料で作ら
れた下側絶縁体164を持つ底部を含む。The cooling fluid passes through the annular hole 63 to the upper flange 1 of the cathode.
4a, enters the chamber 62 in the cathode body 40 and enters the cavity 57 in the flange 4b on the underside of the cathode. Fluid flows around the lower wings 77b of the spool 76 and then through the holes 95 and into the central chamber 87 in the body 77 of the spool. Wings 77a and 77b provide baffles that direct the water to properly cool cathode flanges 4a and 14b. The fluid then flows through outlet passage 88 of tube 89 to outlet passage 160 of fitting 152 . Finally, the second
The illustrated assembly includes a bottom with a lower insulator 164 made of the same material as the upper insulator 70, for example.
絶縁体164は、非磁性の下側キャップ165と陰極の
下側のフランジ14bの下部53を底との間にはさまれ
ている。絶縁体134と同じ材料で作られたプラスチッ
クの絶縁体166が下部53にねじ込まれ、キャップ1
65がこの絶縁体166の中にねじ込まれる。○リング
167及び168が絶縁体164との封じになり、図示
の装置は、上側絶縁体70と陰極の上側のフランジ14
aの上部との間の間隙71と同様な、長くて狭い環状間
隙171を形成する。次に絶縁体70及び絶縁体164
について説明すると、金属が陰極の電位にあるか又はそ
れに近い電位にあって(又は少なくとも陽極の電位から
相当離れていて)金属と絶縁物との接触がある所では、
絶縁体70の間隙71及び絶縁体164の間隙171の
様に、長くて狭い溝孔又は間隙を設け、この間隙は磁力
線に対して垂直である。この構成に依り、スパッタリン
グされる材料が間隙に沿ってその通路を取り、間隙に面
する絶縁体の面を被覆して、遂には導電通路を作って短
絡を生ずることが防止される。磁力線が172に示して
あ、環状間隙71及び171がそれに対して垂直である
ことが認められよう。間隙71及び171に於ける磁力
線は磁力線172と平行である。磁力線が垂直であるこ
とに依り、電子が間隙に入り込んでその中でイオン化を
生ずることが防がれる。動作中、陰極胴体40の近くに
ごや173がある。The insulator 164 is sandwiched between the non-magnetic lower cap 165 and the bottom 53 of the lower flange 14b of the cathode. A plastic insulator 166 made of the same material as insulator 134 is screwed into lower part 53 and cap 1
65 is screwed into this insulator 166. o Rings 167 and 168 form a seal with the insulator 164, and the illustrated device has an upper insulator 70 and an upper flange 14 of the cathode.
A long and narrow annular gap 171 is formed, similar to the gap 71 between the top part and the upper part of a. Next, the insulator 70 and the insulator 164
To explain, where there is contact between the metal and the insulator when the metal is at or near the potential of the cathode (or at least at a considerable distance from the potential of the anode),
A long narrow slot or gap is provided, such as gap 71 in insulator 70 and gap 171 in insulator 164, which gap is perpendicular to the magnetic field lines. This configuration prevents the sputtered material from taking its path along the gap and coating the side of the insulator facing the gap, ultimately creating a conductive path and causing a short circuit. It will be appreciated that the magnetic field lines are shown at 172 and that the annular gaps 71 and 171 are perpendicular thereto. The magnetic field lines in gaps 71 and 171 are parallel to magnetic field lines 172. The perpendicularity of the magnetic field lines prevents electrons from entering the gap and causing ionization therein. During operation, there is a shed 173 near the cathode body 40.
このさやは事実上フランジ14aと陽極16の間の環状
溝孔112まで伸びている。比較的低い圧力を使えば、
大きな次積面積が得られる。This sheath extends virtually to the annular slot 112 between the flange 14a and the anode 16. Using relatively low pressure,
A large cross-sectional area can be obtained.
即ち、スパッタリングされる材料の平均自由行路、即ち
衝突なしの見通し運動の平均長は、圧力に反比例するの
で、比較的低い圧力で動作させることの出釆る上に述べ
た実施例の様なスパッタリング装置では、基体を大きな
半径の所においても、上に述べた被覆材料の見通し範囲
に面している。この発明に依れば、第2図の磁力線17
2に依って示される様に、陰極胴体40とフランジ14
a,14bとの間に良好なトラツプが形成される。That is, since the mean free path, or average length of collision-free line-of-sight motion, of the sputtered material is inversely proportional to pressure, it is possible to operate at relatively low pressures. In the device, the base body faces the line of sight of the above-mentioned coating material even at a large radius. According to this invention, magnetic field lines 17 in FIG.
2, the cathode body 40 and the flange 14
A good trap is formed between a and 14b.
これは例えば内側及び外側磁界コイルの電流を調節し且
つ磁性及び非磁性金属を選ぶことに依って達成される。
別の重要な利点は、装置の寸法を変えることが出来るこ
とである。This is accomplished, for example, by adjusting the currents in the inner and outer field coils and by selecting magnetic and non-magnetic metals.
Another important advantage is that the dimensions of the device can be varied.
即ち、陰極の直径並びに特に長さは、満足な動作を本質
的に変えないま)で、容易に変更することが出来る。陰
極胴体40が準線源であり、従って他の変更を最小限に
抑えて容易に長さを伸ばすことが出来る。別の利点は、
陰極と陽極との間に比較的低い電圧を用いて動作させる
ことが出来ることであり、この結果2つの利点が得られ
る。That is, the diameter and especially the length of the cathode can be easily varied without essentially altering satisfactory operation. Cathode body 40 is a quasi-ray source and therefore can be easily extended in length with minimal other modifications. Another advantage is that
It is possible to operate with relatively low voltages between the cathode and the anode, resulting in two advantages.
第一に、スパッタリング収率(入射するイオン1個あた
りのスパッタリングされる原子数)の増加が、イオン・
ェネルギが大きい時は、線形より小さくなる。即ち、所
定のェネルギ入力に対して、低い電圧で動作させる時は
高い電圧で動作させる時よりも多くのスパッタリングが
行なわれる。第二に、低電圧で大電流の動作は、電源並
びにスパッタリング装置自体の設計に於て経費のか)る
絶縁問題を伴わずに、スパッタリング装置に高いレベル
のェネルギを供給することが出釆ることを意味する。別
の利点は、動作電流が動作電圧の何乗かに比例すること
である。即ち、電流1はVnに比例する。こ)でnは約
5乃至7である。従って、電圧の小さな変化に依って電
流の大きな変化が生ずる。 ・この
発明の別の主な利点は、良好な陽極接続を設けることが
出来ることである。First, the increase in sputtering yield (the number of sputtered atoms per incident ion)
When the energy is large, it becomes smaller than linear. That is, for a given energy input, more sputtering occurs when operating at lower voltages than when operating at higher voltages. Second, low voltage, high current operation allows for high levels of energy to be delivered to the sputtering equipment without costly insulation problems in the power supply as well as in the design of the sputtering equipment itself. means. Another advantage is that the operating current is proportional to some power of the operating voltage. That is, current 1 is proportional to Vn. In this), n is about 5 to 7. Therefore, small changes in voltage result in large changes in current. - Another main advantage of this invention is that a good anodic connection can be provided.
これは、フランジ付き陰極構造並びに比較的低い圧力で
動作することが出来ることを含めて、この発明のいくつ
かの面に依るものである。良好な陽極接続という言葉は
、電子がフランジに交差しない磁力線にあたる時、電子
がなるべく早く、(又は電子が陰極フランジに交差しな
い様な位置まで半径方向外向きに移動した後、陰極フラ
ンジに出来るだけ近い所で)陽極に依って遮ぎられる様
に、陽極16をフランジー4aに対して配置することを
指す。この結果、プラズマから陽極までの電圧降下が袷
んどなく、その為、印加電圧は殆んど全部が有利に使わ
れる。別の利点は、放射並びにプラズマに依る基体の衝
撃が極く僅かなので、基体の加熱が最小限に抑えられる
ことである。This is due to several aspects of the invention, including the flanged cathode structure and the ability to operate at relatively low pressures. A good anode connection means that when the electrons hit the magnetic field lines that do not intersect the flange, the electrons move radially outward to a position such that they do not intersect the cathode flange as quickly as possible (or after they have moved radially outward to a position such that they do not intersect the cathode flange). refers to positioning the anode 16 relative to the flange 4a so that it is screened by the anode (nearly). As a result, there is no voltage drop from the plasma to the anode, so that almost all of the applied voltage is used advantageously. Another advantage is that heating of the substrate is minimized since the bombardment of the substrate by the radiation as well as by the plasma is negligible.
これはもプラズマが陰極の周囲に収容されているからで
ある。従って「この装置は融け易い又はガス化し易い基
体材料にも使うことが出来、この装置に依れば、電子衝
撃に依る基体材料の構造の目立った変更はない。他方、
希望すれば、磁界を遮断することに依り或いはわざと基
体にプラズマを浴びせることに依り、電子衝撃を行なう
ことも出釆る。別の利点は、陰極並びに陽極の両方のす
ぐれた水冷を容易に行なうことが出来ることである。This is also because the plasma is contained around the cathode. Therefore, ``this device can also be used for substrate materials that are easily melted or easily gasified, and with this device there is no noticeable change in the structure of the substrate material due to electron bombardment.On the other hand,
If desired, it is also possible to perform electron bombardment by interrupting the magnetic field or by intentionally bombarding the substrate with plasma. Another advantage is that excellent water cooling of both the cathode as well as the anode can be easily achieved.
この為装置を非常に大きな電流密度にすることが出来る
。別の利点は「主に問題7i及び;71を設けたこと並
びにその配置の為、絶縁体70及び亀64が不定期間の
間もつと思われることである。This allows the device to have very high current densities. Another advantage is that the insulator 70 and tortoise 64 are expected to last for an indeterminate period of time, primarily due to the provision of problems 7i and 71 and their arrangement.
はた、例えば第2図に示した装置では、室内の真空に露
出される材料は、金属と、典型的にはパィレックス、セ
ラミック、水晶等で作られる絶縁体70及び164とだ
けである。従って、ガス化の問題を招く・県れのある弾
性体又はプラスチックが真空に露出することはない。別
の利点は「大きな面積にわたって安定な電流密度を与え
ることが出来ることである。For example, in the apparatus shown in FIG. 2, the only materials exposed to the chamber vacuum are metal and insulators 70 and 164, typically made of Pyrex, ceramic, quartz, or the like. Therefore, no crooked elastomer or plastic is exposed to the vacuum leading to gasification problems. Another advantage is the ability to provide a stable current density over a large area.
この為「電流密度の大きな範囲にわたって「 スパッタ
リング材料の一様性が良好である。スパッタリング装置
に於ける動作電圧Vは放電効率の指数であると考えるこ
とが出来、次の様に表わすことが出来る。For this reason, the sputtering material has good uniformity over a large range of current density.The operating voltage V in the sputtering device can be considered to be an index of discharge efficiency, and can be expressed as follows: .
Ei
V=7テラ
こ)でEiは電子に依って1個のイオンを作る為に消費
される平均ェネルギ、yは陰極材料に対するイオン衝撃
に依るイオン−電子2次放出係数、r,は電子ェネルギ
の内、トラップで失われる分、ど2 はイオンの内、陰
極に到達する分である。Ei V=7 Terako) where Ei is the average energy consumed by electrons to create one ion, y is the ion-electron secondary emission coefficient due to ion bombardment on the cathode material, and r is the electron energy. Of the ions lost in the trap, 2 is the ions that reach the cathode.
Eiは使うガスの特性の函数である。例えばアルゴンの
場合、これは約30電子ボルト(eV)/イオンである
。アルゴンの環境に対するyは約0.1である。即ち陰
極にあたる10個のイオンの内1つがプラズマ内に放出
される1個の電子を作り、残りは陰極の金属内で失われ
る。これらの放出された電子が陰極さやの中で加速され
、印加電圧Vに大体等しいヱネルギを獲得する。これら
の電子がトラツプされてェネルギを失う時、それらがプ
ラズマを作り、それが更に多くのイオンを作り出しtこ
れが更にスパッタリングを行なって更に多くの電子を作
り出すという風になる。磁界に依って得られるトラップ
が非常に効率がよいと、ど,は1であり「電子は全ての
ヱネルギを失うまで、トラップされる。若干のイオンは
プラズマの外へ漂い出て若干は陰極まで引張られる。こ
の為トご2 は普通は1ではない。ど2はイオンの内、
陰極まで引張られる分であり、0の最小値から1の最大
値まで変化する。完全なトラップでは「 ざ,とど2の
積が1であり、この場合動作電圧は完全な装置の場合の
300ボルトになる。例示した装置では、動作電圧が大
体800ボルトであり、従ってご,とそ2 の積は大体
0.3であるが、これは効率が30%であることを表わ
す。後で説明する中空陰極装置ではL「包み込み」の形
状がご,を高くするのに有利である。この為、典型的な
動作電圧は約400ボルトであり、ど,×ご2の積は0
.75である。再び第2図の形式の構造について説明す
ると、ご,及びご2が大きくて1に近いことが望ましい
のは勿論である。Ei is a function of the characteristics of the gas used. For example, for argon this is approximately 30 electron volts (eV)/ion. y for an argon environment is approximately 0.1. That is, one out of ten ions hitting the cathode produces one electron that is emitted into the plasma, and the rest are lost within the metal of the cathode. These emitted electrons are accelerated in the cathode sheath and acquire an energy approximately equal to the applied voltage V. When these electrons become trapped and lose energy, they create a plasma, which creates more ions, which in turn sputters to create more electrons. If the trap obtained by the magnetic field is very efficient, then D is 1 and the electrons will be trapped until they lose all their energy. Some ions will drift out of the plasma and some will reach the cathode. It is pulled.For this reason, Togo2 is usually not 1.Do2 is an ion,
This is the amount that is pulled to the cathode, and varies from a minimum value of 0 to a maximum value of 1. In a perfect trap, the product of 2 and 2 is 1, in which case the operating voltage would be 300 volts for the complete device.In the example device, the operating voltage would be approximately 800 volts, so the The product of 2 and 2 is approximately 0.3, which means that the efficiency is 30%.In the hollow cathode device, which will be explained later, the ``wrapping'' shape of L is advantageous in increasing the height of the lattice. be. Therefore, the typical operating voltage is about 400 volts, and the product of d, x d is 0.
.. It is 75. Explaining the structure of the type shown in FIG. 2 again, it is of course desirable that 0 and 02 be large and close to 1.
これは前に述べた様に効率のよいトラップを設け且つト
ラップを出来るだけ陰極の胴体に接近して配置すること
に依って達成される。即ち〜効率のよい放電を作り出せ
ば、ご,が1に近くなり、出来るだけ陰極の近くでイオ
ンを作って多数が陰極の近くに来る様にすれば、ご2が
1に近くなる。前に述べた様にひは使うガス環境に敏感
であり、アルゴンでは大体0.1である。Eiは使うガ
スに依って変化するが、典型的には「 スパッタリング
に使う典型的なガスに対して前に述べた様に大体3企V
ノィオンである。従来の普通のスパッタリング装置では
、印加電圧が大体3000ボルトであり、適当な絶縁を
するのに非常な注意を必要とした。これに対して、この
発明に依る装置で可能になる様に、それより低い電圧(
例えば800乃至850ボルト)を使えば、陰極並びに
その電源の両方に対する絶縁問題は実質的に最小限に抑
えられる。第2図の装置では内側及び外側磁界の両方を
設けているが、特に部品に適当な材料を選んだ時、磁力
線に作用する磁性板を使っても使わなくても、いづれか
一方又は両方を使うことが出来るのは言う迄もない。This is accomplished, as previously discussed, by providing an efficient trap and locating the trap as close to the body of the cathode as possible. That is, if an efficient discharge is created, , becomes close to 1, and if ions are created as close to the cathode as possible so that a large number of them come near the cathode, then , becomes close to 1. As mentioned earlier, H is sensitive to the gas environment used, and for argon it is approximately 0.1. Ei varies depending on the gas used, but typically there are approximately three
It is Noion. In conventional conventional sputtering equipment, the applied voltage was approximately 3000 volts, requiring great care to provide adequate insulation. In contrast, lower voltages (
(e.g., 800-850 volts), insulation problems for both the cathode and its power supply are substantially minimized. The device shown in Figure 2 has both inner and outer magnetic fields, but one or both can be used, especially when appropriate materials are selected for the parts, with or without a magnetic plate that acts on the magnetic field lines. Needless to say, it is possible.
前に述べた様に、磁力線が陰極胴体4川こ接近していて
且つ本質的にそれと略平行であることが特に望ましい。
これは内側磁界及び外側磁界の両方を使うことに依って
達成するのが一番よく、その場合両方を調節して所望の
合成磁界を得ることが出来る。磁界強度を調整する必要
がある時、陰極に対する磁力線の適正な位置は維持しな
がら、両方の磁界を一緒に調節することが出釆る。次に
第3a図乃至3dには、この発明の考えを用いたもので
あるが、フランジ付きの中空陰極集成体を使う別の実施
例及びその変形が示されている。As previously mentioned, it is particularly desirable for the magnetic field lines to be close to and essentially parallel to the cathode body.
This is best achieved by using both an inner field and an outer field, in which case both can be adjusted to obtain the desired composite field. When it is necessary to adjust the magnetic field strength, it is possible to adjust both fields together while maintaining the proper position of the magnetic field lines relative to the cathode. Turning now to Figures 3a-3d, another embodiment and variation thereof is shown which utilizes the ideas of the present invention, but which utilizes a flanged hollow cathode assembly.
これは或る意味では第2図の陰極14と逆であるが、動
作は全く同様である。第3a図はこの集成体全体を示し
ており、第3b図はその端面図であり、第3c図及び第
3d図は集成体の端部に対する好ましい変形構造を詳し
く示している。第3c図は集成体の左側の端の一部分を
示す部分図であるが、これは両端に使うことが出来る。
第3d図は集成体の右側の端の部分図であるが、これも
集成体の両端に使うことが出来る。第3a図で、中空陰
極が陰極胴体214(及び端のフランジ214a及び2
14bを持つことが示されている。Although this is in some respects the opposite of the cathode 14 of FIG. 2, the operation is exactly the same. Figure 3a shows the assembly in its entirety, Figure 3b is an end view thereof, and Figures 3c and 3d detail preferred deformations for the ends of the assembly. Figure 3c is a partial view showing a portion of the left end of the assembly, which can be used for both ends.
Figure 3d is a partial view of the right end of the assembly, but this can also be used for both ends of the assembly. In FIG. 3a, the hollow cathode is connected to cathode body 214 (and end flanges 214a and 2).
14b.
胴体は円筒形であり、フランジ214a,214bは環
状リングの同じ形である。これらのフランジは第3d図
の変形に示す様に冷却水通路214cを持っていてよい
。陰極胴体及びフランジはスパッタリングしようとする
材料で作るか、又はアルミニウム又はステンレススチー
ルの様な非磁性材料で作って、スパッタリングしようと
する材料を内面にめつきするかプラズマ吹付けとする。
この様なめつき又はプラズマ吹付けされる被覆の典型的
な厚さは10乃至100ミルの範囲内である。取替える
ことが出来る陰極胴体214は第3a図に示す様に外側
円筒形ハウジング215に熔接することが出来、冷却水
を受入れる環状空洞215aを形成する。第3c図及び
第3d図の変形に示す様に、胴体214を封じリング2
16b及び215cに依つてハウジング215の内側に
捕捉して、冷却水を受入れる環状空洞215dを形成す
ることが好ましい。環状陽極216a及び216bが設
けられ、第2図の絶縁体70と同じ材料で作ったりング
形絶縁体218及び219に依り、陰極に対して絶縁さ
れる。The body is cylindrical and the flanges 214a, 214b are in the same shape of annular rings. These flanges may have cooling water passages 214c as shown in the variant of Figure 3d. The cathode body and flange may be made of the material to be sputtered, or may be made of a non-magnetic material such as aluminum or stainless steel, with the material to be sputtered plated or plasma sprayed on the inner surface.
Typical thicknesses for such licked or plasma sprayed coatings range from 10 to 100 mils. A replaceable cathode body 214 can be welded to an outer cylindrical housing 215 as shown in FIG. 3a, forming an annular cavity 215a for receiving cooling water. As shown in the variations of FIGS. 3c and 3d, the body 214 is closed to the sealing ring 2.
16b and 215c are preferably captured inside the housing 215 to form an annular cavity 215d for receiving cooling water. Annular anodes 216a and 216b are provided and insulated from the cathode by ring-shaped insulators 218 and 219 made of the same material as insulator 70 of FIG.
陽極面に溝216cが示されている。第2図について説
明した様に、溝及び/又はビート吹付け部を設けて、陽
極面に入射するスパッタリングされた材料の接着性を改
善する。陽極216a及び216bは夫々の冷却水空洞
223及び224を持ち、第3c図及び第3dに示す様
に、夫々の陽極端板221及び222に取付けて夫々の
冷却水空洞223a及び224bを形成することが好ま
しい。端板221,222を取外すことに依り、冷却水
空洞を定期的に掃除することが出来る。陰極、陽極及び
絶縁体218,219の間に、細長くて狭い環状間隙2
28及び229(第3a図、第3c図及び第3d図)が
設けられる。Grooves 216c are shown on the anode surface. As discussed with respect to FIG. 2, grooves and/or beat blasts are provided to improve adhesion of sputtered material incident on the anode surface. The anodes 216a and 216b have respective cooling water cavities 223 and 224 and are attached to respective anode end plates 221 and 222 to form respective cooling water cavities 223a and 224b, as shown in FIGS. 3c and 3d. is preferred. By removing the end plates 221, 222, the cooling water cavity can be cleaned periodically. An elongated and narrow annular gap 2 between the cathode, anode and insulators 218, 219
28 and 229 (Figures 3a, 3c and 3d) are provided.
これらの間隙は第2図に示した集成体の間隙71及び1
71と同様の性質及び作用を持ち、磁界コイル234に
依って発生される磁力線に対して垂直である。第3c図
及び第3d図に示す様に、一連の孔228a及び228
bを加えて、これらの間隙からのガス化をなくすのを助
けることに依り、第2図について説明したガス化の問題
を抑えることが出来る。夫々の陰極フランジ214a,
214bと陽極216a及び216bの環状裾部231
及び232との間に、第2組の間隙231,232(第
3a図)及び231a,232a(第3c図及び第3d
図)が形成される。これらの間隙231,232及び2
31a,232aは磁力線に平行である。実際には、磁
界コイル234が典型的には非磁性金属(例えばアルミ
ニウム)の適当な巻型に設けられた多数の巻線で構成さ
れ、これらの巻線を陰極の外側ハウジング215から絶
縁する絶縁遮蔽体234a(第3c図及び第3d図)の
上に設けられる。These gaps are the gaps 71 and 1 of the assembly shown in FIG.
71 and is perpendicular to the magnetic field lines generated by the magnetic field coil 234. As shown in Figures 3c and 3d, a series of holes 228a and 228
By adding b to help eliminate gasification from these gaps, the gasification problem described with respect to FIG. 2 can be suppressed. each cathode flange 214a,
214b and the annular skirt 231 of the anodes 216a and 216b.
and 232, the second set of gaps 231, 232 (Fig. 3a) and 231a, 232a (Fig. 3c and 3d).
) is formed. These gaps 231, 232 and 2
31a and 232a are parallel to the lines of magnetic force. In practice, the field coil 234 typically consists of a number of windings on a suitable former of non-magnetic metal (e.g. aluminum), with insulation separating the windings from the cathode outer housing 215. It is provided on the shield 234a (FIGS. 3c and 3d).
これらの巻線が第3図に示した集成体に沿って配置され
る。即ち、第3図の各々の巻線234は、好ましい構造
では、複数個のコイルを表わす。陰極内に所望の磁界を
作る様に、これらのコイルを位層ぎめし、コイル電流を
調節することが出来る。磁性端板237及び238を夫
々陽極216a及び216bの外側端に取付けることが
出来る。磁力線を磁性端板237,238に通して、磁
力線に陽極を通過させ、こうすることに依って陽極接続
を改善する。磁性端板は鉄で作ることが好ましい。陽極
磁性端板集成体がト封じリング215a及び215bに
螺着する一連のボルト23?a及び238a(第3c図
及び第3d図)に依って、絶縁体218及び219を捕
捉する様に、陰極に取付けられる。これらの封じリング
はポリカーボン。プラスチックの様な絶縁材料で作られ
る。1対の円筒形絶縁体241及び242が磁性端板2
37及び238の外側端で夫々の接地遮蔽体245及び
246もこ隣接して配置される。These windings are arranged along the assembly shown in FIG. That is, each winding 234 in FIG. 3 represents a plurality of coils in the preferred construction. These coils can be stratified and the coil current can be adjusted to create the desired magnetic field within the cathode. Magnetic end plates 237 and 238 can be attached to the outer ends of anodes 216a and 216b, respectively. The magnetic field lines are passed through the magnetic end plates 237, 238 to allow the magnetic field lines to pass through the anode, thereby improving the anode connection. Preferably, the magnetic end plate is made of iron. A series of bolts 23 through which the anode magnetic end plate assembly is threaded onto sealing rings 215a and 215b. a and 238a (FIGS. 3c and 3d) are attached to the cathode so as to capture the insulators 218 and 219. These sealing rings are polycarbonate. Made of an insulating material such as plastic. A pair of cylindrical insulators 241 and 242 form the magnetic end plate 2
At the outer ends of 37 and 238, respective grounding shields 245 and 246 are also positioned adjacently.
これらの絶縁体は、絶縁体218及び219と同じ材料
であってよい。接地遮蔽体に依り「接地された基体に対
してバイアス式スパッタリング法が行なわれる時、プラ
ズマ放電を中空陰極の中に局限することが出来る。即ち
、1つの電源を使って陽極を接地された基体に対して数
百ボルト程度の正の電位に駆動する。第2の電源に依っ
て陰極を基体に対し数百ボルトの負の電位に駆動する。
これによって生ずる放電に依って発生されるプラズマは
「陽極電位の所又はその近くに存在する。この為、接地
された基体はプラズマに対して負であり、基体の表面か
らスパッタリングが起る。基体からのスパッタリング速
度が沈積速度より小さくなって、正味の沈積が起る様に
、相対的な電位を調節する。この基体のスパッタリング
に依って、次債過程の間、基体が絶えずきれいにされる
。織部遮蔽体245,246は、正に駆動される陽極が
、真空ポンプ並びに装置内のその他の接地素子から電流
を引出さない様に保証する。装置の端に適当な端の取付
具249及び250を取付けることが出来る。端の取付
具249,250、接地遮蔽体245,246及び外側
絶縁体241,242は、適当なボルト又は結合棒に依
り板237,238に固定される。これらのボルト又は
結合棒は、第3c図及び第3d図に示す様に、絶縁体2
46a及び246bに依つて絶縁され、陽極が接地遮蔽
体に電気的に接続されない様にする。端の取付具249
,25川ま真空装置に接続することが出来、その中に可
動又は固定の基体252が取付けられるか、或いは第3
a図の集成体全体を第1図に示した様な種類の真空室の
中に取付けることが出釆る。ステンレススチールのスク
リーン247及び248を接地遮蔽体245及び246
に固定し、基体252が通りぬける孔を設ける。電気導
線256が第3a図に示す左側の陽極216aに接続さ
れ、電気導線257が磁界巻線234の下を通して右側
の陽極216bに接続される。導線257を巻線線23
4の下に取付けるのは「プラズマ放電々流にサージが起
った場合に、磁界コイル234の集成体に重大な過渡状
態が誘起されるのを防止する為である。導線256及び
257は、実施例に於ける様に大地に接続してもよいが
、前にバイアス式スパッタリングについて述べた様に、
正の電位に接続してもよい。陰極導線259は殻体21
5と負の電圧源とに接続することが出来る。第3c図に
示す接触式留めねじ215eが陰極胴体214とハウジ
ング215との間の良好な電気的接触を保証する。適当
な管状通路が陽極空洞223,224及び陰極空洞21
5a,214dに接続され、それらに冷却水を供給する
。これらの配管を第2図の装置について述べたと同様な
任意の適当な方法で冷却水の源に相互接続することが出
来ることは言う迄もない。磁界巻線234の導線も中空
であってやはり水冷にすることが好ましい。陰極胴体2
14と陰極フランジ214a,214bとの間、陽極2
16a,216bと陽極端板221,222との間、並
びに陽極端板と磁性端板237,238との間に、0リ
ング封じ(図に示してない)を設けるのが好ましい。絶
縁体218,219の面とフランジ214a,214b
及び陽極216a,216bとの間に○リング封じ27
0,273が用いられ、封じリング215b,215c
(第3c図及び第3d図)と陰極集成体214一215
との間に○リング封じ274及び275が用いられる。
絶縁体2417 242の面で、板245,246と取
付具249,250の間、並びにこの実施例が使われる
時は第3c図の水冷胴体214と端のフランジ214a
,214bとの間に、同様な封じ(図に示してない)が
用いられる。第3図に示した種類の装置の動作では、こ
の装置を300ボルト位の低い電圧で動作させることが
出来ることが判った。These insulators may be the same material as insulators 218 and 219. The grounding shield allows the plasma discharge to be localized within the hollow cathode when the bias sputtering process is performed on a grounded substrate, i.e. using one power source to connect the anode to the grounded substrate. The second power source drives the cathode to a negative potential of several hundred volts relative to the substrate.
The plasma generated by the resulting discharge resides at or near the anode potential. Therefore, the grounded substrate is negative to the plasma and sputtering occurs from the surface of the substrate. The relative potentials are adjusted such that the sputtering rate from the substrate is less than the deposition rate so that net deposition occurs.This sputtering of the substrate continuously cleans the substrate during the subsequent deposition process. Oribe shields 245, 246 ensure that the positively driven anode does not draw current from the vacuum pump and other grounded elements in the apparatus.Appropriate end fittings 249 and 250 at the ends of the apparatus The end fittings 249, 250, grounding shields 245, 246 and outer insulators 241, 242 are secured to the plates 237, 238 by suitable bolts or tie rods. The connecting rod is connected to the insulator 2 as shown in Figures 3c and 3d.
46a and 246b to prevent the anode from being electrically connected to a grounding shield. End fitting 249
, 25 can be connected to a vacuum device, in which a movable or fixed base 252 is mounted, or a third
It is possible to mount the entire assembly of Figure a in a vacuum chamber of the type shown in Figure 1. Grounding shields 245 and 246 with stainless steel screens 247 and 248
A hole is provided through which the base body 252 passes. An electrical lead 256 is connected to the left anode 216a shown in FIG. 3a, and an electrical lead 257 is passed under the magnetic field winding 234 and connected to the right anode 216b. Winding wire 23 with conducting wire 257
4 to prevent significant transients from being induced in the magnetic field coil assembly 234 in the event of a surge in the plasma discharge stream.The conductors 256 and 257 are It may be connected to ground as in the embodiment, but as mentioned previously for bias sputtering,
It may also be connected to a positive potential. The cathode conductor 259 is connected to the shell 21
5 and a negative voltage source. A contacting set screw 215e, shown in FIG. 3c, ensures good electrical contact between the cathode body 214 and the housing 215. Suitable tubular passageways are provided in the anode cavities 223, 224 and the cathode cavities 21.
5a and 214d, and supplies cooling water to them. It goes without saying that these lines can be interconnected to a source of cooling water in any suitable manner similar to that described for the apparatus of FIG. The conductors of magnetic field winding 234 are also preferably hollow and also water-cooled. Cathode body 2
14 and the cathode flanges 214a, 214b, the anode 2
O-ring seals (not shown) are preferably provided between 16a, 216b and the anode end plates 221, 222, and between the anode end plates 237, 238. Surfaces of insulators 218, 219 and flanges 214a, 214b
○ ring seal 27 between the anodes 216a and 216b
0,273 is used, and the sealing rings 215b, 215c
(Figures 3c and 3d) and cathode assemblies 214-215
○ ring seals 274 and 275 are used between the two.
In the plane of the insulators 2417 242, between the plates 245, 246 and the fittings 249, 250, and when this embodiment is used, the water-cooled body 214 and the end flange 214a of FIG. 3c.
, 214b, a similar seal (not shown) is used. In operation of a device of the type shown in FIG. 3, it has been found that the device can be operated at voltages as low as 300 volts.
これは、ご,とご2の積が1に近いからである。第3図
の中空陰極構造では、第2図の陰極構造と同様な所定の
動作圧力に於て、動作電流を広い範囲にわたって変える
ことが出来る。中空陰極構造を用いた時、陰極の中心に
ある基体252に対する沈積速度は、第一次的には、圧
力に無関係であり、電圧にも殆んど無関係である。従っ
て、圧力が本質的に独立パラメータであり、例えば基体
上の核形成過程に影響する様に、所望に依り他の理由で
これを変えることが出来る。第3図a乃至dに示し且つ
上に説明した中空陰極の実施例は、第2図に示したスプ
ール型陰極形式と本質的に同じ利点を持つことは言う迄
もない。This is because the product of Go and Go2 is close to 1. The hollow cathode structure of FIG. 3 allows the operating current to be varied over a wide range at a given operating pressure, similar to the cathode structure of FIG. When using a hollow cathode structure, the deposition rate for the substrate 252 at the center of the cathode is primarily independent of pressure and almost independent of voltage. Therefore, pressure is essentially an independent parameter and can be varied for other reasons as desired, for example to influence the nucleation process on the substrate. It will be appreciated that the hollow cathode embodiment shown in FIGS. 3a-d and described above has essentially the same advantages as the spool type cathode format shown in FIG.
即ち、中空陰極形式では、前に述べた様に、電子トラッ
プが、陰極面から、陽極の内径に依って限定された半径
まで内向きに伸びる薄い環状領域内に存在する。この実
施例に依って良好な陽極接続が得られるので、陰極さや
の縁(これは陰極面から数ミリメートルしか拡がらない
)からトラップの縁(即ち陽極の内径)まで、トラップ
にわたって、所望の電子ェネルギ勾配が存在する。こね
為、半径内向きの拡散に依ってトラップを出て行って、
陽極ではなく基体の近辺へ通過する電子は、非常に低い
ェネルギ、即ち3乃至申Vである。これが実際その通り
であることは、プラズマの半径にわたる静電プローブに
依る測定で検証された。従って、中空陰極形式では、周
りのプラズマからの基体の加熱が、プラズマが基体まで
拡がらないスプール型陰極形式の場合より必然的に大き
くなるが、(こ)に説明した中空陰極の実施例では)プ
ラズマが基体の近辺に到達する前に冷める様になってい
るので、加熱が従来よりずっと少ない。次に第4図につ
いて説明すると、この図には、2重電極型放電装置31
2を中に装着した普通の真空室311 1を持つこの発
明に依る無線周波グロー放電方法を実施するための装置
が示されている。That is, in the hollow cathode format, as previously mentioned, the electron trap exists in a thin annular region extending inwardly from the cathode face to a radius limited by the inner diameter of the anode. This embodiment provides a good anodic connection so that the desired electrons can be transferred across the trap from the edge of the cathode sheath (which extends only a few millimeters from the cathode surface) to the edge of the trap (i.e. the inner diameter of the anode). An energy gradient exists. To knead, it leaves the trap by diffusion inward,
The electrons that pass into the vicinity of the substrate rather than the anode have very low energy, 3 to 1 V. That this is indeed the case was verified by electrostatic probe measurements across the radius of the plasma. Therefore, in the hollow cathode format, the heating of the substrate from the surrounding plasma is necessarily greater than in the spooled cathode format, where the plasma does not extend to the substrate, but in the hollow cathode embodiment described above. ) Since the plasma cools down before reaching the vicinity of the substrate, heating is much less than before. Next, referring to FIG. 4, this figure shows a double electrode type discharge device 31
An apparatus for carrying out the radio frequency glow discharge method according to the invention is shown having a conventional vacuum chamber 311 1 fitted with a vacuum chamber 311 .
放電装置312は、真空室311の中に取付けられ且つ
適当な取付けトランク315に依って支持された1対の
翼付き又はフランジ付きの同軸電極313,314を含
んでいる。Discharge device 312 includes a pair of winged or flanged coaxial electrodes 313, 314 mounted within vacuum chamber 311 and supported by a suitable mounting trunk 315.
電極313及び314は物理的に隔たっており且つ適当
な絶縁体316に依って互いに電気的に絶縁されている
。電極313は上側の翼313aを持ち、これに対して
電極314は下側の翼314aを持ち、これらの翼は取
付けの為又はプラズマ・トラツプを閉じ込めるのを助け
る為に用いられる。然し、後で明らかになるが、電極3
13及び314が磁界と協働して、端の翼313a,3
14aを使わずにトラップを有効に閉じ込めることが出
来る。この場合、これらの翼を構造から除いてもよい。
電極313,314が一緒になって円柱形無線周波柱形
陰極集成体を構成する。典型的には1.8Mcの周波数
で動作する無線周波電源3 1 7が、取付けトランク
315を通って電極313,314へ伸びる遮蔽付き伝
送線318に接続される。多数の磁界コイル巻線318
が真空室311の導電性ハウジング311aの外壁の周
りに配置され且つそれから絶縁されている。Electrodes 313 and 314 are physically separated and electrically isolated from each other by a suitable insulator 316. Electrode 313 has upper wings 313a, whereas electrode 314 has lower wings 314a, which are used for attachment or to help confine the plasma trap. However, as will become clear later, electrode 3
13 and 314 cooperate with the magnetic field, the end wings 313a, 3
The trap can be effectively confined without using 14a. In this case, these wings may be removed from the structure.
Electrodes 313, 314 together constitute a cylindrical radio frequency column cathode assembly. A radio frequency power source 3 1 7, typically operating at a frequency of 1.8 Mc, is connected to a shielded transmission line 318 that extends through the mounting trunk 315 to the electrodes 313, 314. Multiple magnetic field coil windings 318
is disposed around and insulated from the outer wall of the conductive housing 311a of the vacuum chamber 311.
これらの磁界コイルが室内に一様な磁界を作る。磁力線
は、一様な磁界が望ましい所で、磁力線319に依って
示す様に、電極313,314に接近し且つその間に伸
びている。真空室31 1には、典型的には0.5乃至
1.0ミクロンの比較的低い圧力で、適当な動作ガスが
収められている。These magnetic field coils create a uniform magnetic field within the room. The magnetic field lines approach and extend between the electrodes 313, 314, as shown by magnetic field lines 319, where a uniform magnetic field is desired. Vacuum chamber 311 contains a suitable working gas at a relatively low pressure, typically 0.5 to 1.0 microns.
取付けトランク315及び伝送線318が室311の上
部にある適当な真空封じ320を通りぬける。Attachment trunk 315 and transmission line 318 pass through a suitable vacuum seal 320 at the top of chamber 311.
適当な絶縁体321が取付けトランク315を電極31
3から電気的に絶縁して、取付けトランクが陰極電位を
持ち、その為にスパッタリング・ターゲットになること
を防止する。真空室311の下端に導管322がある。A suitable insulator 321 is attached to the trunk 315 and the electrode 31
3 to prevent the mounting trunk from having a cathodic potential and therefore becoming a sputtering target. At the lower end of vacuum chamber 311 is conduit 322 .
これは任意の適当な弁装置を介して普通の方法で真空ポ
ンプ(図に示してない)に結合することが出来る。導電
スクリーン323が、導管322が室と蓮適する時に通
る、室311の導電性ハウジング311a内の閉口を覆
っている。この点、スクリーン323及び外側導電性ハ
ウジング311aが協働して、無線周波遮蔽体を限定し
、これが無線周波電源の中心タップ接地(図に示してな
い)に適当に接続され、循環接地電流を避ける様になっ
ている。更に、スクリーン323が真空ポンプを遮蔽し
、それがない場合にポンプまで伝わるかも知れない放電
を防止する。本質的に絶縁体324及び遮蔽体325で
構成される端キャップが、電極314の翼314aに隣
接して電極集成体の外側に設けられ、電極の端面上でス
パッタリングが起らない様にしている。水等の様な適当
な冷却流体を供給する為「取付けトランク315を介し
て放電装置312に適当な冷却材導管(図に示してない
)も接続される。基体326が真空室311内に配置さ
れ、この装置の陰極夕−レットである各々の電極313
,314から被覆又はめつきをスパッタリングすること
が出来る様になっている。第5a図乃至第5d図には、
柱形2重電極構造の種々の実施例が示されている。This can be coupled in the conventional manner to a vacuum pump (not shown) via any suitable valve arrangement. A conductive screen 323 covers the closure in the conductive housing 311a of the chamber 311 through which the conduit 322 intersects with the chamber. In this regard, the screen 323 and the outer conductive housing 311a cooperate to define a radio frequency shield that is suitably connected to the center tap ground (not shown) of the radio frequency power source to carry circulating ground currents. It seems to be avoided. Additionally, screen 323 shields the vacuum pump and prevents electrical discharges that might otherwise travel to the pump. An end cap consisting essentially of an insulator 324 and a shield 325 is provided on the outside of the electrode assembly adjacent to the wings 314a of the electrode 314 to prevent sputtering from occurring on the end surface of the electrode. . A suitable coolant conduit (not shown) is also connected to the discharge device 312 via the mounting trunk 315 for supplying a suitable cooling fluid, such as water. A substrate 326 is disposed within the vacuum chamber 311. and each electrode 313 is the cathode electrode of this device.
, 314 for sputtering a coating or plating. In Figures 5a to 5d,
Various embodiments of prismatic dual electrode structures are shown.
その各々は円錐形電極313と、同軸の円錐形電極31
4とを含み、その円錐台が互いに隣接した所で終端し且
つ第4図について示した様に、電気絶縁の為「絶縁体3
16だけに依って分離されている。然し、第5a図乃至
第5d図はいづれも異なった磁界形式を示しており「
この為各々の場合に限定されるプラズマ・トラップが異
なる。前に述べた様に、電極3137314に関連して
示した端の翼313a,314aを、取付けの為又はプ
ラズマGトラップを限定する助けにする為に「設けるこ
とが出来る。Each of them includes a conical electrode 313 and a coaxial conical electrode 31.
4, the truncated cones of which terminate adjacent to each other, and as shown in connection with FIG.
16. However, Figures 5a to 5d all show different magnetic field formats.
For this reason, the plasma traps limited in each case are different. As previously mentioned, the end wings 313a, 314a shown in conjunction with electrode 3137314 can be provided for attachment or to help define a plasma G-trap.
このいづれの為にも翼を必要としない場合、端の翼を入
れる必要はない。然し、これらの端の翼を設けると「電
極313,314を限定する円錐面の角度を選択的に調
節して、スパッタリングされる材料が選ばれた方向に投
げ出される様にすることが出来る。プラズマ・トラップ
の境界を限定するのを助ける為に端の翼313a,31
4aを使う場合Lそれらはトラップを有効に閉じ込める
程度に十分大きく作る。If you do not need wings for either of these purposes, there is no need to include end wings. However, the provision of these end wings allows the angle of the conical surfaces defining the electrodes 313, 314 to be selectively adjusted so that the material to be sputtered is thrown in a selected direction. - End wings 313a, 31 to help define the boundaries of the trap.
If using 4a, make them large enough to effectively confine the trap.
もしそうしないと、磁界強度を不当に強くしなければな
らない。この点に関連して言うと、翼の寸法は、1次電
子が付加的なイオンを作る際にその有用なェネルギを失
うのに必要な空間に直接に関係している。第5a図では
、磁力線3亀9が円錐形電極313,314の対称軸線
に平行に伸び、その為磁力線が各々の側で一方の電極3
13,314と交わり、この為、協働して作用する両方
の電極313,314を利用した単一のプラズマ・トラ
ツプを限定する。Otherwise, the magnetic field strength would have to be unduly strong. In this regard, the wing dimensions are directly related to the space required for the primary electrons to lose their useful energy in creating additional ions. In FIG. 5a, the magnetic field lines 3 extend parallel to the symmetry axes of the conical electrodes 313, 314, so that on each side the magnetic field lines 3
13, 314, thus defining a single plasma trap utilizing both electrodes 313, 314 working together.
翼313a及び314aがトラップを限定する助けにな
るかどうかは、磁界強度と、付加的なイオン化の仕事を
することが出来る1次電子の略全部を完全に収容するの
に必要な対称軸線からの半径方向の距離とに関係する。
第5a図に示す磁界は、典型的には、真空室の外側に巻
装した、第1図のコイル21の様な磁界コイルに依って
発生される。第5b図は第5a図と同様な電極形式を示
しているが、2組の磁界コイル328,32′9が夫々
電極313,314の内側に設けられ、各々の電極上で
終端する轡曲した磁界を発生する。Whether wings 313a and 314a help confine the trap depends on the magnetic field strength and the distance from the axis of symmetry required to fully accommodate substantially all of the primary electrons available to do additional ionization work. radial distance.
The magnetic field shown in Figure 5a is typically generated by a magnetic field coil, such as coil 21 in Figure 1, wrapped outside the vacuum chamber. Figure 5b shows an electrode format similar to Figure 5a, but with two sets of magnetic field coils 328, 32'9 provided inside electrodes 313, 314, respectively, with bent coils terminating on each electrode. Generates a magnetic field.
この為、第5b図の実施例も、協働して作用する電極3
139 314と共に単一のプラズマ・トラップを限定
し、このトラップを閉じ込める。第5c図でも、1対の
磁界コイル330,331があり「各々の電極313,
314の内側に1つの磁界コイルがある。然し、第5c
図の実施例では、各々の磁界コイルに依って発生される
磁界が同じ電極上で始まり且つ終端し、この為2つの別
々のプラズマ・トラップが限定される。各々のプラズマ
&トラップは磁界319と1つの電極だけとに依って限
定される。もっとも電気回路の連続性の為、いくらかの
小さな電子電流が2つのトラップの間に存在する。第5
d図は第5c図に示した実施例と同機であり、夫々電極
313,314の中に2つの磁界コイル332,333
を用いていろ。For this reason, the embodiment of FIG. 5b also has electrodes 3 acting in concert.
139 defines a single plasma trap with 314 and confines this trap. In FIG. 5c, there is also a pair of magnetic field coils 330, 331, with each electrode 313,
There is one magnetic field coil inside 314. However, section 5c
In the illustrated embodiment, the magnetic fields generated by each field coil begin and terminate on the same electrode, thus defining two separate plasma traps. Each plasma & trap is limited by a magnetic field 319 and only one electrode. However, due to the continuity of the electrical circuit, some small electron current exists between the two traps. Fifth
Figure d shows the same machine as the embodiment shown in Figure 5c, with two magnetic field coils 332 and 333 in electrodes 313 and 314, respectively.
Use it.
然し、第5d図の実施例では、ぎギギの形の磁界が限定
され、この為各々の電極に関連して複数個の別々のプラ
ズマ。トラツプが得られる。図面には具体的に示してい
ないが、第5b図に示した磁界と第5c図又は第5dに
示した磁界という様に「いろいろな形の磁界を組合せる
ことに依り「混成磁気トラップ形式を実現することが出
来、用いることが出来る。However, in the embodiment of FIG. 5d, the jagged magnetic field is limited so that a plurality of separate plasmas are associated with each electrode. You will get a trap. Although not specifically shown in the drawings, by combining various types of magnetic fields, such as the magnetic field shown in Figure 5b and the magnetic field shown in Figures 5c or 5d, a ``hybrid magnetic trap type'' can be created. It can be realized and used.
この様な混成形式では「複数個のトラップが個々の電極
と磁界とに依って限定されると共に、付加的なプラズマ
・トラップが磁界と、協働して作用する両方の電極とに
依って限定される。第5b図乃至第5d図の実施例に於
ける磁界を内側磁界コイルに依って発生されると説明し
たが、永久磁石を用いてもこの様な磁界を発生すること
が出釆ることは言う迄もない。In such a hybrid format, "multiple traps are defined by individual electrodes and magnetic fields, and additional plasma traps are defined by magnetic fields and both electrodes acting in concert." Although the magnetic field in the embodiments of Figures 5b to 5d has been described as being generated by the inner magnetic field coil, it is also possible to generate such a magnetic field using a permanent magnet. Needless to say.
第6a図乃至第6e図は、この発明の考えに従ったグロ
ー放電方法に於けるプラズマ・トラップを限定する為、
第5a図乃至第5d図に示した任意の磁界形式と共に用
いるのに適当な種々の2重電極柱形式を示している。Figures 6a to 6e show that to limit the plasma trap in the glow discharge method according to the idea of the present invention,
Figures 5a-5d illustrate various dual electrode post formats suitable for use with any of the magnetic field formats shown in Figures 5a-5d.
第6e図は、第5a図に示した様な真直ぐな磁界と共に
用いるのが好ましい。この電極形式には前に述べた任意
の磁界形式を用いることが出来る。軸対称性が電極と向
い合う磁界に依って得られる。これ迄説明したこの発明
に依る全てのグロー放電電極及び磁界形式に於て、プラ
ズマ・トラップは回転軸線の周りの鯛対称性を持つこと
を特徴としている。Figure 6e is preferably used with a straight magnetic field as shown in Figure 5a. This electrode type can use any of the magnetic field types previously mentioned. Axial symmetry is obtained by the magnetic field facing the electrodes. In all the glow discharge electrode and magnetic field types according to the invention so far described, the plasma trap is characterized by a sea bream symmetry about the axis of rotation.
この対称性は磁界、電極又は磁界と電極の両方に依って
得られる。次に第7図には第4図と同様であるが、中空
電極集成体を用いて内部プラズマを発生する場合を示す
略図が示されている。1対の中空で円錐形の同軸電極4
13,414が外側の導電性の円筒形ハウジング415
の中に適当に支持されれる。This symmetry can be achieved by the magnetic field, the electrodes, or both the magnetic field and the electrodes. Referring next to FIG. 7, there is shown a schematic diagram similar to FIG. 4, but illustrating the use of a hollow electrode assembly to generate internal plasma. A pair of hollow conical coaxial electrodes 4
13,414 is an outer conductive cylindrical housing 415;
properly supported within.
ハウジング415の両端は端の遮蔽体416,417に
終端し、この遮蔽体には真空にひくことが出来る口41
6a,417aがある。口416a,417aが導電性
スクリーン418,419に依って覆われている。電極
413,414は適当な電気絶縁体419に依って隔て
られ、適当な電源421から遮蔽付き伝送線420を介
して、各々の電極413,414の電気接続箇所422
,423に無線周波電力が供給される。接地された電源
421、遮蔽付き伝送線420、円筒形ハウジング41
5、端の遮蔽体416,417及びスクリーン418,
419が一緒になって、第4図の実施施例に於ける真空
室とスクリーンとに依って得られるものと同様なファラ
デー型無線周波遮蔽体を構成する。The ends of the housing 415 terminate in end shields 416, 417 having ports 41 that can be drawn to a vacuum.
There are 6a and 417a. Openings 416a and 417a are covered by conductive screens 418 and 419. The electrodes 413, 414 are separated by a suitable electrical insulator 419 and are connected to an electrical connection point 422 of each electrode 413, 414 via a shielded transmission line 420 from a suitable power source 421.
, 423 are supplied with radio frequency power. Grounded power source 421, shielded transmission line 420, cylindrical housing 41
5. End shields 416, 417 and screens 418,
419 together constitute a Faraday-type radio frequency shield similar to that provided by the vacuum chamber and screen in the embodiment of FIG.
真空ポンプとの蓮通は任意の適当な導管424に依って
行なわれる。Communication with the vacuum pump is provided by any suitable conduit 424.
導管424は別個に接地し且つ絶縁部材425に依つて
端の遮蔽体417から絶縁することが好ましい。同様な
絶縁部材426が装置の反対側に設けられ、端キャップ
、グロー放電装置の別の段、又は榛形基体430の様な
適当な基体と電極413,414の中心軸線に沿って送
る送り装置に接続される。電気絶縁体427が電極41
3と端板416の間に伸び、同様な電気絶縁体428が
電極414と端板417の間に伸びて、電極を導電性の
無線周波遮蔽体から隔離する。Conduit 424 is preferably separately grounded and insulated from end shield 417 by insulating member 425 . A similar insulating member 426 is provided on the opposite side of the device and is provided with an end cap, another stage of the glow discharge device, or a suitable substrate such as a comb substrate 430 and a feed device for feeding along the central axis of the electrodes 413, 414. connected to. The electrical insulator 427 is the electrode 41
3 and end plate 416, and a similar electrical insulator 428 extends between electrode 414 and end plate 417 to isolate the electrode from the conductive radio frequency shield.
第4図の磁界コイル318と同様な多数の磁界コイル4
29が円筒形ハウジング415の外側の周りに巻菱され
、電極413,414と協働するプラズマ封じ込め用の
磁界を作る。A number of field coils 4 similar to field coil 318 of FIG.
29 is wrapped around the outside of cylindrical housing 415 to create a magnetic field for plasma containment that cooperates with electrodes 413 and 414.
この点について言うと、中空陰極方式を使う場合、磁界
は常に外側磁界コイルから供給される。第8a図乃至第
8c図は、中空陰極電極形式と共に用いることが出来る
種々の磁界形式を例示している。In this regard, when using the hollow cathode method, the magnetic field is always supplied by the outer field coil. Figures 8a-8c illustrate various magnetic field formats that can be used with hollow cathode electrode formats.
第8a図乃至第8c図のいづれの実施例でも、円錐形電
極集成体を示してあるが、これは1例にすぎず、図示の
磁界形式と共に他の中空電極形式を使うことが出来るこ
とは言う迄もない。更に、電極413,414を分離す
る絶縁体419が示されているが、スパッタリングする
ターゲット材料が誘電体である場合の様に、電極自体が
電気絶縁材料である場合は、この絶縁体を除くことが出
来る。第8a図では、全ての磁力線431が電極413
から電極414へ通るので、磁界と、協働して作用する
両方の電極とに依ってプラズマ・トラップが限定される
。従って、第8a図は、第5a図及び第5b図に示した
柱形式の中空電極の場合を例示している。第8b図は、
磁力線が同じ電極上の2箇所で出入する場合を示してお
り、この為磁界と各々の個々の電極とに依って別々のプ
ラズマ・トラップが限定される。Although a conical electrode assembly is shown in each of the embodiments of FIGS. 8a-8c, this is only one example, and it is understood that other hollow electrode formats can be used with the magnetic field format shown. Needless to say. Furthermore, although an insulator 419 is shown separating the electrodes 413 and 414, this insulator can be removed if the electrode itself is an electrically insulating material, such as when the target material to be sputtered is a dielectric. I can do it. In FIG. 8a, all the magnetic field lines 431 are connected to the electrode 413.
to electrode 414, the plasma trap is limited by the magnetic field and both electrodes working together. Accordingly, FIG. 8a illustrates the case of the pillar-type hollow electrode shown in FIGS. 5a and 5b. Figure 8b shows
The magnetic field lines are shown entering and exiting at two locations on the same electrode, thus defining separate plasma traps depending on the magnetic field and each individual electrode.
従って、第8b図は、柱形電極について第5c図に示し
た形式の中空電極の場合に当る。同様に、第8c図はぎ
ざぎざの磁界形式を示しており、この場合、複数個の別
々のトラップが磁界と各々の電極とに依って限定される
。FIG. 8b therefore corresponds to the case of a hollow electrode of the type shown in FIG. 5c for a columnar electrode. Similarly, FIG. 8c shows a jagged magnetic field format, where a plurality of separate traps are defined by the magnetic field and each electrode.
この為、第8c図は第5d図について前に説明した磁界
形式と類似している。第8c図は中空電極の場合を示す
。第9a図乃至第9e図は、第8a図に示した磁界を第
8b図又は第8c図に示した磁界形式と組合せて使うこ
とが出来る様な混成の場合を含めて、第8a図乃至第8
c図に示した任意の磁界形式と共に使うことが出来る2
重電極中空陰極形式の種々の実施例を示している。For this reason, Figure 8c is similar to the magnetic field format previously described with respect to Figure 5d. Figure 8c shows the case of hollow electrodes. Figures 9a to 9e are similar to Figures 8a to 9e, including hybrid cases where the magnetic field shown in Figure 8a can be used in combination with the field type shown in Figures 8b or 8c. 8
Can be used with any of the magnetic field formats shown in Figure 2.
Figure 3 shows various embodiments of the heavy electrode hollow cathode format.
第9a図は1対の中空同軸円筒形電極413,414を
示しており、これらの電極は必要に依っては電気絶縁体
419に依って分離される。FIG. 9a shows a pair of hollow coaxial cylindrical electrodes 413, 414, optionally separated by an electrical insulator 419.
第8a図の磁界形式を単独で又は第8b図及び第8c図
の磁界形式と一緒に用いる場合、プラズマ・トラップを
閉じ込める為に、電極413,414に対して夫々外側
の端の翼413a,414aを設けることが望ましい。
それ以外の時、磁界が各々の電極と組合さって別個にプ
ラズマ。トラツプを限定する場合、端の翼は設ける必要
がない。第9b図は第9a図と同様であるが「夫々電極
413,414に内側の端の翼413b,414bを付
け加えてあり、これらの内側の翼は外側の端の翼413
a,4i4aより短かく「希望に依っては混成プラズマ
・トラップ動作が出来る様になつている。第9c図は夫
々内側の端の翼413b,414bを持つ1対の同軸円
錐形電極413,414を示している。When the magnetic field type of FIG. 8a is used alone or in conjunction with the magnetic field types of FIGS. 8b and 8c, wings 413a, 414a at the outer ends of electrodes 413, 414, respectively, are used to confine the plasma trap. It is desirable to provide
At other times, a magnetic field is combined with each electrode to generate a separate plasma. If the trap is limited, there is no need to provide end wings. FIG. 9b is similar to FIG. 9a, except that inner end wings 413b and 414b are added to the electrodes 413 and 414, respectively, and these inner wings are similar to the outer end wings 413.
Figure 9c shows a pair of coaxial conical electrodes 413, 414 with inner end wings 413b, 414b, respectively. It shows.
この形式にすると、中空陰極電極について前に設明した
任意の磁界形式を用いることが出来る。第9d図は第9
c図と同様であるが、電極4畳3,414の円筒形内面
が一般化した複雑な形であり、この為任意の必要条件に
合う様に、スパッタリングの模様形状を変えることが出
来る。This format allows any of the magnetic field formats previously established for hollow cathode electrodes to be used. Figure 9d is the 9th
Although it is similar to Fig. c, the cylindrical inner surface of the electrode 4 tatami mat 3, 414 has a generalized and complicated shape, so that the sputtering pattern shape can be changed to meet arbitrary requirements.
第9e図は長軸に沿って割れ目が入った円筒で構成され
る1対の中空陰極電極を示している。電極が導電材料で
ある場合〜円筒の両半分の間に絶縁体419が設けられ
る。第9e図の電極形式も、前に述べた任意の磁界形式
と共に用いることが出来る。それに依って得られるプラ
ズマ・トラップの対称軸線は、電極構造の対称性ではな
く、磁界に依って決定される。グロー放電装置のプラズ
マを収容する種々の異なる形のトラップを限定する為に
、種々の磁界形式と組合される柱形並びに中空電極型の
2重電極形式の種々の形を説明したので「次にこれらの
トラップの作用について説明する。Figure 9e shows a pair of hollow cathode electrodes consisting of a cylinder with a crack along its long axis. If the electrode is a conductive material - an insulator 419 is provided between the two halves of the cylinder. The electrode format of FIG. 9e can also be used with any of the magnetic field formats previously described. The axis of symmetry of the resulting plasma trap is determined by the magnetic field and not by the symmetry of the electrode structure. Having described various configurations of dual electrode configurations, cylindrical and hollow electrode types, in combination with various magnetic field configurations to define the various different configurations of traps containing the plasma of glow discharge devices, we will now discuss The functions of these traps will be explained.
この発明に関連して述べた全ての2重電極無線周波グロ
−放電装置に於て、両方の電極がスパッタリングのター
ゲットである。In all dual electrode radio frequency glow discharge devices described in connection with this invention, both electrodes are sputtering targets.
グロー放電装置は、無線周波電界と荷重プラズマ粒子と
の間の殆んど全てのェネルギのやり取りが、陰極さや領
域で起る様な圧力及び周波数の組合せで動作させられる
。この様な無線周波放電装置の動作は直流放電装置の動
作も同様であり、各々の電極が無線周波電圧サイクルの
大部分にわたって直流陰極として振舞う。陰極ごやでは
、各々のターゲット電極上に、0から尖頭値までの印加
された無線周波電圧から誘電体スパッタリング・ターゲ
ットの両端の電圧降下を差引し、た値に大体等しい平均
の電圧降下が存在する。動作ガスのイオンがプラズマ容
積から陰極さやの中に漂動し、そこで陰極ターゲット面
に向う方向に加速される際、さや電位の中を通る。これ
らの衝撃イオンが陰極面に衝突するとトターゲツト材料
の原子がスパッタリングに依ってた)き出されると共に
、陰極面から2次電子が放出される。これらの電子が陰
極さやの中で加速されて大体全さや電圧を獲得し、それ
から1次電子としてプラズマ容積に入り、電子一原子衝
突過程に依り新しいイオンを作り出す。これらの1次電
子並びにその2次電子に依ってプラズマ容積内に作り出
されたイオンの一部が、最終的には陰極さやの縁へ到達
し、そこでさやに入り、陰極ターゲット面を衝撃し、こ
うして上に述べた過程を繰り返す。こうして陰極過程に
依り放電が自己支持される。この様な直流又は無線周波
グロー放電装置で、動作電圧は放電効率の指数と考える
ことが出釆る。Glow discharge devices are operated at a combination of pressure and frequency such that nearly all of the energy exchange between the radio frequency electric field and the loaded plasma particles occurs in the cathode sheath region. The operation of such a radio frequency discharge device is similar to that of a direct current discharge device, with each electrode acting as a direct current cathode for most of the radio frequency voltage cycle. At the cathode, each target electrode has an average voltage drop approximately equal to the applied radio frequency voltage from zero to the peak value minus the voltage drop across the dielectric sputtering target. exist. Ions of the working gas drift from the plasma volume into the cathode sheath, where they pass through the sheath potential as they are accelerated toward the cathode target surface. When these bombarded ions collide with the cathode surface, atoms of the target material are ejected (by sputtering) and secondary electrons are emitted from the cathode surface. These electrons are accelerated in the cathode sheath to acquire an approximate totality and voltage, and then enter the plasma volume as primary electrons, creating new ions by an electron-one-atom collision process. A portion of the ions created in the plasma volume by these primary electrons and their secondary electrons eventually reach the edge of the cathode sheath, where they enter the sheath and impact the cathode target surface. The process described above is thus repeated. The discharge is thus self-supporting due to the cathodic process. In such DC or radio frequency glow discharge devices, the operating voltage can be considered as an index of discharge efficiency.
電気絶縁性のターゲットを使う場合、無線周波の場合に
は、動作電圧が、誘電体スパッタリング■ターゲットの
電圧降下を含む放電装置の両端の全電圧ではなく、グロ
ー放電の両端の0から尖頭値までの動作電圧である。鞠
対称性を持つ装置に電極の対及び適当な形の磁界の組合
せを用いて、1次電子の半径方向並びに軸方向の両方の
運動を制限するトラップを作り、こうして電子のェネル
ギの大部分がイオン化用の衝突で消費される迄、電子を
ターゲットの面の近くにと)、まらせる。When using an electrically insulating target, in the case of radio frequency, the operating voltage is not the total voltage across the discharge device, including the voltage drop across the dielectric sputtering target, but the zero to peak value across the glow discharge. The operating voltage is up to. Using a pair of electrodes and a suitably shaped magnetic field in combination in a device with parasitic symmetry, a trap is created that restricts both the radial and axial movement of the primary electrons, thus displacing most of the electron's energy. electrons (close to the surface of the target) until they are consumed in ionizing collisions.
この為、イオンがターゲット面に隣接して作り出される
。即ち、トラップされた電子に依って作り出されるプラ
ズマは、ターゲットを構成する電極を取巻き且つそれと
密に接触する「回転軸線の周りの環体を実質的に限定す
る。プラズマ・トラップは、陰極電位にある面からの電
子の反射と、磁界に依る電子の偏向との組合せに依って
達成される。Therefore, ions are created adjacent to the target surface. That is, the plasma created by the trapped electrons substantially confines an annulus around the axis of rotation surrounding and in intimate contact with the electrodes that make up the target. This is accomplished by a combination of reflection of electrons from a surface and deflection of electrons by a magnetic field.
こうして或る側面では磁界に依り且つ残りの側面では陰
極面に依って閉じ込められたプラズマ・トラップが形成
され、この為末端損失は完全になくなる。プラズマ・ト
ラツプの全ての側面を閉じ込めることについて言う場合
、プラズマの実際の長方形容積が6つの側面を持ち、そ
の内トラップの2つの側面は軸対称性に依って閉じられ
るので、対称軸線に垂直にみた4つの側面の断面形だけ
を考えればよいことが理解されよう。A plasma trap is thus formed, confined on one side by the magnetic field and on the other side by the cathode surface, so that end losses are completely eliminated. When talking about confining a plasma trap on all sides, perpendicular to the axis of symmetry, since the actual rectangular volume of the plasma has six sides, two of the sides of the trap are closed due to axial symmetry. It will be understood that it is only necessary to consider the cross-sectional shapes of the four side surfaces.
無線周波2重電極形式では、対の電極が2本の無線周波
給電線によって駆動される。In the radio frequency dual electrode format, a pair of electrodes is driven by two radio frequency feed lines.
電極の対が交番電圧に依って駆動されるから、電極は交
互に互いに対して陽極並びに陰極になる。2つの電極を
夫々A及びBと呼ぶと、或る時は電極Aが電極Bに対し
て陰極であり、他の時は電極Bに対して陽極である。The pairs of electrodes are driven by alternating voltages so that the electrodes alternately become anodes and cathodes with respect to each other. Referring to the two electrodes as A and B, respectively, at some times electrode A is a cathode with respect to electrode B, and at other times it is an anode with respect to electrode B.
一般に、両方の電極は無線周波サイクルの大部分にわた
って、プラズマに対して負にバイアスされている。即ち
、電極A及びBがプラズマに対しては陰極として振舞う
。無線周波電圧の交互の半サイクルの極く短い期間の間
だけ、電極A及びBがプラズマに対して陽極になる。上
に述べたことを念頭において考えれば、無線周波プラズ
マ・トラップは2つの鎚蟻に分けることが出釆る。第1
の範蟻では、2つの電極A及びBがトラップを部分的に
閉じる様に協働して作用し、磁界がトラップの閉じ込め
を完成する。この様な場合、磁力線は電極Aから出て電
極Bに入る。この場合、電極Aから電極Bまで磁力線に
沿って比較的自由な電子の運動があり、陰極さやは2つ
の電極で電子の運動に対する反射面を形成する。この為
、対称軸線を含む平面で装置の断面を考えれば、プラズ
マ・トラップの2つの側面が磁力線に依って閉じられ、
別の側面が電極Aに依って閉じられ、そして最後の側面
が電極Bに依って閉じられる。第2の場合、電極A及び
Bが協働して作用せず、むしろ互いに完全に独立してお
り、この場合、磁界は電極Aに隣接して1つのトラップ
、電極Bに隣接して第2のトラップの別々にトラツプを
完成する為に使われる。Generally, both electrodes are negatively biased with respect to the plasma during most of the radio frequency cycle. That is, electrodes A and B behave as cathodes for plasma. Only for very short periods of alternating half-cycles of the radio frequency voltage are electrodes A and B anode to the plasma. With the above in mind, radio frequency plasma traps can be divided into two types. 1st
In the ant range, the two electrodes A and B act together to partially close the trap, and the magnetic field completes the confinement of the trap. In such a case, magnetic field lines exit from electrode A and enter electrode B. In this case, there is relatively free movement of electrons along the lines of magnetic force from electrode A to electrode B, and the two electrodes of the cathode sheath form a reflective surface for the movement of electrons. Therefore, if we consider the cross section of the device in the plane that includes the axis of symmetry, the two sides of the plasma trap are closed by the magnetic field lines,
Another side is closed by electrode A and the last side by electrode B. In the second case, electrodes A and B do not act together, but are rather completely independent of each other, in which case the magnetic field is one trap adjacent to electrode A, a second trap adjacent to electrode B. Used to complete traps separately.
1例は、磁力線が電極Aから出て、曲がってから再び電
極Aに入る場合である。One example is when magnetic field lines exit electrode A, bend, and then enter electrode A again.
この場合、対称軸線を含む平面で断面図を考えると、電
極Aに隣接してトラップが形成され、このプラズマ・ト
ラップの1つの側面が電極Aに於ける陰極さやに依つて
閉じられ、トラツプの残りの3つの側面が電極Aに於け
る磁界に依って閉じられる。同様に別個のトラップが電
極Bに出来、電極Bの陰極さやと磁界とに依って形成さ
れる。第3の場合、即ち混成の場合、磁界発生コイルの
電流を適当に操作することに依り、一部の磁力線は電極
Aから電極Bに通るが、他の磁力線が電極Aから出て電
極Aへ戻る様な磁力線を作ることが出来、電極Bでも同
じ様にして、別々のものと電極の間を橋渡しするものの
両方の種類のプラズマ・トラップが同時に存在する様に
することが出来る。In this case, considering the cross section in the plane containing the axis of symmetry, a trap is formed adjacent to electrode A, one side of this plasma trap is closed by the cathode sheath at electrode A, and the trap is closed on one side by the cathode sheath at electrode A. The remaining three sides are closed by the magnetic field at electrode A. Similarly, a separate trap is created at electrode B, formed by the cathode sheath of electrode B and the magnetic field. In the third case, that is, the hybrid case, by appropriately manipulating the current in the magnetic field generating coil, some magnetic field lines pass from electrode A to electrode B, while other magnetic field lines exit from electrode A and reach electrode A. It is possible to create magnetic field lines that go back and do the same thing at electrode B so that both types of plasma traps, one separate and one bridging between the electrodes, are present at the same time.
前に述べた2つの電極A及びBが互いに協働して作用し
、単一のプラズマ・トラップを限定する様に磁界が構成
されている場合、トラップが所望のプラズマ密度を維持
する様に作用する態様を次に説明する。When the two previously mentioned electrodes A and B act in conjunction with each other and the magnetic field is configured to confine a single plasma trap, the trap acts to maintain the desired plasma density. The manner in which this is done will be explained next.
説明の便宜上、電極Aが電極Bに対して陰極である瞬間
を考える。For convenience of explanation, consider the moment when electrode A is a cathode with respect to electrode B.
両方の電極がプラズマに対しては陰極であるから、いづ
れもイオン衝撃を受け、それに依ってこれらの電極から
は、2次放出係数yiに依って左右される形で電子の放
出が起る。電極Bに依って放出された電子は電極Bの周
りの陰極さやに依って加速され、大体磁力線に沿って電
極Bから離れる様に移動する。この為、仮定した形式で
は磁力線が電極Bから電極Aへ伸びているから、放出さ
れたこれらの電子が電極Aへ移動する。然し、電極Aが
電極Bに対して陰極であるから、電子が電極Aに於ける
陰極ごやに依って反射され、電極Bへ戻り、そこで電極
Bの陰極さやに依って再び反射される。この正味の結果
として、電極Bに依って放出された電子が電極A及び電
極Bに依ってトラップされる。次に、電極Bから放出さ
れた電子について前に述べた場合と対照的に、電極Aか
ら放出された電子を考える。Since both electrodes are cathodes with respect to the plasma, they are both subject to ion bombardment, which causes electron emission from these electrodes in a manner that depends on the secondary emission coefficient yi. Electrons emitted by electrode B are accelerated by the cathode sheath around electrode B and move away from electrode B roughly along the magnetic field lines. Therefore, in the assumed format, the lines of magnetic force extend from electrode B to electrode A, so these emitted electrons move to electrode A. However, since electrode A is a cathode with respect to electrode B, electrons are reflected by the cathode sheath in electrode A and returned to electrode B, where they are reflected again by the cathode sheath of electrode B. The net result of this is that electrons emitted by electrode B are trapped by electrodes A and B. Next, consider electrons emitted from electrode A in contrast to what was previously described for electrons emitted from electrode B.
電極Aは電極Bより更に負の電位にある、即ち電極Aが
電極Bに対して陰極であるということを前に述べた。電
子は電極Aの周りの陰極さやに依って加速され、磁力線
に沿って電極Aから遠ざかり、最後には電極Bに到達す
る。放電装置内のガス圧力が低いから、この電子は電極
Bの近くに到達した時ェネルギを殆んど或いは全く失っ
ておらず、電極Bに於ける陰極さやを通りぬける程のェ
ネルギを持つており、この為実際には電極Bに衝突する
。この結果、トラップから電子がなくなる。然し、この
衝突の結果として、電極Bから2次電子を放出させるこ
とが出来る。ガスのイオンに依る衝突とは対照的に、電
子の衝突に依るこの放出は2次放出係数yeに依って左
右される。上に述べた説明から、初めは電極Aから放出
された電子がトラップから取去られることに依り、電極
Bからの電子放出が増加することは明らかであろう。It was previously mentioned that electrode A is at a more negative potential than electrode B, ie, electrode A is a cathode with respect to electrode B. Electrons are accelerated by the cathode sheath around electrode A, move away from electrode A along magnetic field lines, and finally reach electrode B. Because the gas pressure in the discharge device is low, these electrons lose little or no energy when they reach the vicinity of electrode B, and have enough energy to pass through the cathode sheath at electrode B. , so it actually collides with electrode B. As a result, the trap is free of electrons. However, secondary electrons can be emitted from electrode B as a result of this collision. In contrast to collisions with gas ions, this emission due to electron collisions depends on the secondary emission coefficient ye. From the above explanation, it will be clear that the electron emission from electrode B increases as the electrons initially emitted from electrode A are removed from the trap.
この為、電極Aからの電子は非常に短い期間の間だけト
ラップされるが、これらの電子が電極Bからの電子放出
を高め、電極Bから電子放出が実質的にトラップされる
。従って、両方の電極が協働してプラズマ・トラップを
限定する様に作用する場合の無線周波装置のプラズマ密
度は、2つの2次放出係数、即ちッi及びyeに依って
決定されることは明らかであろう。同様な解析に依り、
2つの無線周波電極が協働して作用せず、磁界と共に別
々のトラップを限定する様に磁界が形成されている場合
、プラズマ密度は主に1つの係数yiだけに依って決定
され、2次放出は主にイオン衝撃に依って誘起され、電
子衝撃に依る分が最小限であることを示すことが出来る
。Therefore, although the electrons from electrode A are only trapped for a very short period of time, these electrons enhance the electron emission from electrode B, which substantially traps the electron emission. Therefore, the plasma density of a radio frequency device when both electrodes work together to confine the plasma trap can be determined by the two secondary emission coefficients, i and ye. It should be obvious. Based on a similar analysis,
If the two radio frequency electrodes do not work together and the magnetic field is formed in such a way as to confine separate traps together with the magnetic field, the plasma density is mainly determined by only one coefficient yi, and the second order It can be shown that the emission is mainly induced by ion bombardment, with minimal contribution from electron bombardment.
次に第10a図乃至第10d図について説明すると、こ
れらの図は、放電を維持し且つ磁界と協働してプラズマ
収容トラップを限定する対の平面状電極513,514
を用いた無線周波グロー放電方法の2つの実施例が示さ
れている。Referring now to Figures 10a-10d, these figures show a pair of planar electrodes 513, 514 that maintain the discharge and cooperate with the magnetic field to confine the plasma containment trap.
Two embodiments of radio frequency glow discharge methods are shown.
第10a図及び第10b図に示した実施例と、第10c
図及び第10d図に示した実施例との主な違いは「電極
の形並びに限定されるプラズマ・トラップの形式である
。第10a図及び第10b図は電極513,514が半
円形乃至はD字形電極であり、一緒にすると直径に沿っ
て割れ目が入った円を限定することを示している。The embodiment shown in FIGS. 10a and 10b and 10c
The main difference from the embodiment shown in Figures 10a and 10d is the shape of the electrodes and the type of plasma trap that is limited. It is shown that the electrodes are letter-shaped and, when taken together, define a circle with a fissure along its diameter.
第10a図及び第10b図で「回転軸線が電極513,
514の平面に対して垂直であり且つ複数個の基体52
0‘こ面しているターゲット面とは電極の反対側に設け
られたトロイダル・コイル515がトロイダル形磁界を
限定し、これが各々の電極と協働して混成プラズマ収容
トラップを限定する。磁界コイル515は適当な電気絶
縁体516に依って電極513,514から隔てられて
いる。各々の電極513,514には、適当な無線周波
電源517から夫々遮蔽付き母線518,519を介し
て電力が供給される。第10c図及び第10d図では、
電極513,514が互いに隔たった同心円板の形をし
ており、電極513が外側リング状電極を構成し、電極
514が内側の密実な円板を構成している。更に「トロ
イダル形磁界コイル巻線515が第10c図で磁界を限
定し、この場合両方の電極513,514が互いに且つ
磁界と協働してプラズマGトラツブを限定する様に作用
する。第10a図乃至第10d図に示した実施例に於け
るプラズマ・トラップの対称軸線は、トロイダル形磁界
の回転軸線である。更に「第10a図乃至第10d図の
実施例の電極として、円形で平面状の形を示したが、電
極は平面状電極でなく、登曲したシート形電極であって
もよくt円形以外の形であってもよい。In FIGS. 10a and 10b, "the axis of rotation is the electrode 513,
514 and a plurality of substrates 52
A toroidal coil 515 located on the opposite side of the electrodes from the target surface facing 0' defines a toroidal magnetic field that cooperates with each electrode to define a hybrid plasma containment trap. Field coil 515 is separated from electrodes 513, 514 by a suitable electrical insulator 516. Each electrode 513, 514 is powered by a suitable radio frequency power source 517 via a shielded bus bar 518, 519, respectively. In Figures 10c and 10d,
Electrodes 513, 514 are in the form of spaced concentric disks, with electrode 513 forming an outer ring-shaped electrode and electrode 514 forming an inner solid disk. Furthermore, a toroidal magnetic field coil winding 515 defines the magnetic field in FIG. 10c, in which case both electrodes 513, 514 act in cooperation with each other and with the magnetic field to define the plasma G trap.FIG. 10a. The axis of symmetry of the plasma trap in the embodiment shown in Figures 10a to 10d is the axis of rotation of the toroidal magnetic field. Although the shape is shown, the electrode is not a planar electrode, but may be a curved sheet-shaped electrode, or may have a shape other than a circular shape.
第10a図乃至第10d図に示した種類のグロー放電装
置は、柱形電極集成体について第4図に示した様な任意
の適当な密閉室環境内に、トランク315と同様な適当
なトランクを用いて取付けることが出来る。A glow discharge device of the type shown in FIGS. 10a-10d may include a suitable trunk similar to trunk 315 in any suitable enclosed room environment such as that shown in FIG. 4 for a columnar electrode assembly. It can be installed using
前に述べた様に、この発明の主な1つの利点は、比較的
低い動作圧力を使うことが出来ることである。As previously mentioned, one major advantage of the present invention is that relatively low operating pressures can be used.
動作ガスに比較的低い圧力を使うと、ターゲットからス
パッタリングされる材料が略直線状に放出され「従って
基体上へ見通し範囲内でスパッタリングされる。これと
対照的に、従来の典型的な装置に於ける様に高い動作圧
力を使う場合、スパッタリングされた材料はガスに依っ
て散乱され、見通し方向以外の方向に移動する傾向があ
る。この結果、スパッタリングされた材料の一部は陰極
へ戻り、沈積速度が低下する。更に、ガスの散乱に依り
、ターゲットの方を向いている基体の特定の面を被覆す
るだけではなく、ターゲットに対する基体の向きに応じ
て、側面及び後側の様な他の面をも被覆することがある
。比較的低い圧力を使うと、大きな次債面積も得られる
。Using relatively low pressures for the working gas, material to be sputtered from the target is ejected in a substantially straight line and is thus sputtered line-of-sight onto the substrate, in contrast to typical conventional equipment. When using high operating pressures, such as in Furthermore, due to the scattering of the gas, it does not only coat the specific side of the substrate facing the target, but also coats other sides, such as the sides and back side, depending on the orientation of the substrate with respect to the target. The use of relatively low pressures also results in large bond areas.
これはスパッタリングされる材料の平均自由行路、即ち
衝突のない見通し範囲の運動の平均長が圧力に反比例す
るからである。この為、この発明に依るスパッタリング
装置は比較的低い圧力で動作させることが出来ることに
依り、大きな半径の所に設けた基体でも、被覆材料の流
れが見通し範囲に来る。この為、この発明は大きな室を
使うことが出来、それに伴って大きな枕債面積を使うこ
とが出来る。この発明では、ターゲット電極の長さに沿
ったあらゆる点からのスパッタリングされる材料が、見
通しの軌跡に沿って所定の基体位置に到達することが出
来る様な低い動作ガス圧力で動作させることが出来るの
で、ターゲット電極と基体との間にじやま板を配置した
場合、その影響がどうなるかをかなりの正確さをもつて
解析的に予測することが可能である。This is because the mean free path of the sputtered material, ie, the average length of line-of-sight motion without collisions, is inversely proportional to pressure. For this reason, the sputtering apparatus according to the invention can be operated at relatively low pressures, so that the flow of coating material is in line of sight even on substrates arranged at large radii. For this reason, the present invention allows the use of a large room and, accordingly, the use of a large bed area. The invention can be operated at low operating gas pressures such that sputtered material from any point along the length of the target electrode can reach a predetermined substrate location along a line-of-sight trajectory. Therefore, it is possible to analytically predict with considerable accuracy what the effect will be when a barrier plate is placed between the target electrode and the substrate.
この為、この様なじやま板を使って、被覆の厚さの勾配
を制御して被覆を枕積すること、並びに一様な被覆の厚
さが得られる基体の区域を拡げることが出来る。別の利
点は、この発明の方法が電気的に非常に安定であり、何
時間も動作させても電気的な動作パラメータのドリフト
が最小限で信頼性があることである。Thus, such uniform cutting boards can be used to stack the coating with a controlled gradient of coating thickness, as well as to extend the area of the substrate over which a uniform coating thickness is obtained. Another advantage is that the method of the invention is electrically very stable and reliable with minimal drift in electrical operating parameters even after many hours of operation.
この発明の特定の形式を図示し且つ説明したが、上に述
べたことから、この発明の範囲内で種々の変更が出来る
ことは言う迄もない。While a particular form of the invention has been illustrated and described, it will be understood from the foregoing that various modifications may be made within the scope of the invention.
この発明は特許請求の範囲の記載のみに依って制限され
るのである。The invention is limited only by the scope of the claims.
第1図は真空室の中に設けたこの発明の考えによる電極
型放電装置の簡略側面図、第2図はこの発明の考えに依
る放電装置の詳しい断面図、第3a図はこの発明に依る
放電装置の別の形式の断面図、第3b図はその端面図、
第3c図及び第3d図は第3a図の装置の細部並びにそ
の変形を示す拡大部分図、第4図は磁界コイルを備えた
適当な真空室の中に適当に設けられるこの発明の2重電
極柱形無線周波グロー放電装置の簡略側面図、第5a図
乃至第5d図はこの発明を実施するのに用いることが出
来る種々の異なる磁界形式と共に柱形2重電極構造の実
施例を示す図、第6a図乃至第6e図はこの発明を実施
するのに使うことが出来る2重電極構造形式のいくつか
の実施例を示す図、第7図は第4図と同様であるが中空
陰極集成体を用いた場合を示す簡略側面図、第8a図乃
至第8c図はこの発明で使うことが出来る種々の滋界形
式と共に中空陰極構造を示す図、第9a図乃至第9e図
はこの発明を実施する際に使うことが出来る中空陰極電
極構造のいくつかの実施例を示す図、第10a図は2重
の平面状電極を用いたこの発明のグロー放電装置の1実
施例を示す図、第10b図は第10a図に示した装置の
電極並びに磁界巻線の底面図、第10c図はこの発明に
依る2重平面状電極を用いたグロー放電装置の別の実施
例を示す図、第10d図は第10c図に示した装置の電
極並びに磁界巻線の底面図である。
主な符号の説明 10・・・真空室、14・・・陰極、
15・・・支持手段、16・・・陽極、17・・・中空
スべ−サ(導軍手段)、18・・・カバー、20・・・
内側磁界コイル、21・・・外側磁界コイル、23…磁
力線、27・・・高圧及び磁界電源、31・・・基体、
40・・・陰極胴体、42,43…上側のフランジ、4
7,57・・・空洞、52,53・・・下側のフランジ
、62・・・環状室、70・・・上側絶縁体、71…間
隙、76・・・スプール、77・・・円筒形胴体、77
a,77b…上側及び下側の翼、85・・・コイル、8
7・・・中心内部室、112・・・間隙、164・・・
下側絶縁体、171…間隙、172・・・磁力線、17
3・・・陰極さや、214・・・陰極胴体、214a,
214b・・・端のフランジ、215…ハウジング、2
16a,216b・・・環状陽極、218,219・・
・リング形絶縁体、228,229…間隙、234・・
・磁界コイル、252…基体、256,257・・・導
線、311・・・真空室、312・・・2重電極型放電
装置、313,314・・・フランジつき同軸電極、3
15…取付けトランク、316・・・絶縁体、317・
・・無線周波電源、318・・・遮蔽つき伝送線、31
9・・・磁力線、326・・・基体、328,329,
330,331,332,333・・・磁界コイル、4
13,414・・・中空円錐形同軸電極、415…ハウ
ジング、419・・・絶縁体、420・・・伝送線、4
21・・・電源、429・・・磁界コイル、431・・
・磁力線、513,514・・・電極、515・・・ト
ロイダル・コイル、517・・・無線周波電源、518
,519・・・遮蔽つき母線。々杉ノ
f→ンクタク
々フタク
々フクゑ
々格ね
メイク夕〆
〃花〆
〃フク久
々ね&
メウス々久ぐ
メウス汐,夕〆
(俗物
々花の
ノフンク多〆
メスメタ〆
メウスクメク
メス乙の力
メウンクある
メウスタタク
メウス夕.〆
メウスクタク
〃花の
〆ウス々のZ
メウスク2〆
イウフク.タタ
メス汐そゑ汐
ノス汐そ〆る
′7ス〆えめど
メウスクイ汐〆Fig. 1 is a simplified side view of an electrode type discharge device according to the idea of the present invention installed in a vacuum chamber, Fig. 2 is a detailed sectional view of the discharge device according to the idea of the invention, and Fig. 3a is a diagram according to the invention. A sectional view of another type of discharge device, FIG. 3b is an end view thereof;
3c and 3d are enlarged partial views showing details of the apparatus of FIG. 3a and variations thereof; FIG. 4 is a double electrode of the invention suitably placed in a suitable vacuum chamber with magnetic field coils; Figures 5a-5d are simplified side views of a cylindrical radio frequency glow discharge device, illustrating embodiments of cylindrical dual electrode structures with a variety of different magnetic field formats that can be used to practice the invention; 6a through 6e illustrate several embodiments of dual electrode construction types that can be used to practice the invention, and FIG. 7 is similar to FIG. 4 but with a hollow cathode assembly. Figures 8a to 8c are diagrams showing the hollow cathode structure as well as the various energy formats that can be used in the present invention, and Figures 9a to 9e are simplified side views showing the case in which the present invention is implemented. Fig. 10a shows an embodiment of the glow discharge device of the present invention using double planar electrodes; Fig. 10b shows some embodiments of hollow cathode structures that can be used in 10a is a bottom view of the electrodes and magnetic field windings of the device shown in FIG. 10a; FIG. 10c is a diagram showing another embodiment of the glow discharge device using double planar electrodes according to the invention; FIG. 10d 10c is a bottom view of the electrodes and field windings of the device shown in FIG. 10c. Explanation of main symbols 10... Vacuum chamber, 14... Cathode,
15... Supporting means, 16... Anode, 17... Hollow spacer (guiding means), 18... Cover, 20...
Inner magnetic field coil, 21... Outer magnetic field coil, 23... Lines of magnetic force, 27... High voltage and magnetic field power supply, 31... Base body,
40... Cathode body, 42, 43... Upper flange, 4
7,57...Cavity, 52,53...Lower flange, 62...Annular chamber, 70...Upper insulator, 71...Gap, 76...Spool, 77...Cylindrical shape fuselage, 77
a, 77b... Upper and lower wings, 85... Coil, 8
7... Central internal chamber, 112... Gap, 164...
Lower insulator, 171... Gap, 172... Lines of magnetic force, 17
3... Cathode sheath, 214... Cathode body, 214a,
214b... end flange, 215... housing, 2
16a, 216b... annular anode, 218, 219...
・Ring-shaped insulator, 228, 229...Gap, 234...
- Magnetic field coil, 252...Base, 256,257...Conducting wire, 311...Vacuum chamber, 312...Double electrode type discharge device, 313,314...Flanged coaxial electrode, 3
15... Mounting trunk, 316... Insulator, 317.
... Radio frequency power supply, 318 ... Shielded transmission line, 31
9... Lines of magnetic force, 326... Substrate, 328, 329,
330, 331, 332, 333...Magnetic field coil, 4
13,414...Hollow conical coaxial electrode, 415...Housing, 419...Insulator, 420...Transmission line, 4
21...Power supply, 429...Magnetic field coil, 431...
・Magnetic field lines, 513, 514... Electrode, 515... Toroidal coil, 517... Radio frequency power supply, 518
, 519... Bus bar with shield. Susugi No F→Nuktaku Futaku Fukuezu Kakeme Make Yuu〆〃Hana〆〃Fuku It's been a long time Meustatakumeusu evening.〆Meusuttaku〃Flower〆〆Meusukui of the flowers Z Meusuku 2〆Iufuku.
Claims (1)
するためのグロー放電を発生させる方法において、陽極
を兼ねた真空室と、該真空室内の低圧の不活性ガス雰囲
気中に配置した陰極との間に電圧を印加するとともに、
予め決められた磁界及び陰極構造とすることにより陰極
から放出される電子の運動を半径方向及び軸方向で制限
するプラズマ・トラツプを作り、これによりこれら電子
のエネルギの大部分が付加的なガスイオンの衝突に有効
仕事として消費されるまで陰極ターゲツト面の近くにと
どまるようにしたことを特徴とするグロー放電を発生す
る方法。1 In a method of generating glow discharge for forming a thin film on a substrate by cathode sputtering, a method is used in which a vacuum chamber that also serves as an anode and a cathode placed in a low-pressure inert gas atmosphere within the vacuum chamber are used. While applying voltage,
A predetermined magnetic field and cathode structure create a plasma trap that radially and axially restricts the motion of electrons emitted from the cathode, so that most of the energy of these electrons is transferred to additional gas ions. A method for generating a glow discharge characterized in that the glow discharge remains close to a cathode target surface until it is dissipated as useful work in collisions with the cathode.
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|---|---|---|---|
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Publications (2)
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|---|---|
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
| Country | Link |
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116057200B (en) * | 2020-09-16 | 2024-09-10 | 株式会社爱发科 | Drive block for rotary cathode unit |
-
1981
- 1981-11-16 JP JP18243381A patent/JPS609101B2/en not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57123975A (en) | 1982-08-02 |
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