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JPH0660392B2 - Thin film forming equipment - Google Patents
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JPH0660392B2 - Thin film forming equipment - Google Patents

Thin film forming equipment

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Publication number
JPH0660392B2
JPH0660392B2 JP6686586A JP6686586A JPH0660392B2 JP H0660392 B2 JPH0660392 B2 JP H0660392B2 JP 6686586 A JP6686586 A JP 6686586A JP 6686586 A JP6686586 A JP 6686586A JP H0660392 B2 JPH0660392 B2 JP H0660392B2
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magnetic field
substrate
thin film
vacuum chamber
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茂登 松岡
堅一 小野
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、試料基板上に各種材料の薄膜を形成するため
の装置に関するものであり、特に高密度プラズマによる
スパツタリングを利用して各種薄膜を高速度,高効率で
形成するための新規な薄膜製造装置に関するものであ
る。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an apparatus for forming thin films of various materials on a sample substrate, and in particular, it utilizes sputtering of high density plasma to form various thin films. The present invention relates to a new thin film manufacturing apparatus for forming at high speed and high efficiency.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来から、プラズマ中で薄膜形成要素としてのターゲツ
トをスパツタして膜を形成する、いわゆるスパツタ装置
は、各種材料の薄膜形成に各方面で広く用いられてい
る。中でも第4図に示すようなターゲツト1と基板2と
を向かいあわせた通常の2極(rf,dc)スパツタ装置
や、2極スパツタ装置に第5図に示すような電子放出用
の第三電極3を設けた3極スパツタ装置、さらには第6
図に示すように磁石5を用いてターゲツトに適当な磁石
界を印加することにより高密度低温プラズマを発生さ
せ、ひいては高速膜形成を実現しているマグネトロンス
パツタ法などが広く知られている。それらいずれの装置
においても、主として膜構成要素としてのターゲツ1と
薄膜を付着させる基板2を有する真空槽4、ガス導入系
及び排気系からなり、真空槽4の内部にプラズマを発生
させるものである。
BACKGROUND ART Conventionally, a so-called sputtering device for forming a film by sputtering a target as a thin film forming element in plasma has been widely used in various fields for forming a thin film of various materials. Among them, a normal two-pole (rf, dc) sputter device in which the target 1 and the substrate 2 are opposed to each other as shown in FIG. 4 or a two-electrode sputter device has a third electrode for electron emission as shown in FIG. 3 pole spatter device provided with 3, and further 6th
As shown in the figure, a magnetron sputtering method is widely known in which a high-density low-temperature plasma is generated by applying an appropriate magnet field to a target by using a magnet 5, and eventually a high-speed film formation is realized. Each of these devices mainly comprises a vacuum tank 4 having a target 1 as a film constituent and a substrate 2 to which a thin film is attached, a gas introduction system and an exhaust system, and generates plasma inside the vacuum tank 4. .

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

従来の装置で膜を高速度で形成しようとすると、必然的
にプラズマを高密度に保つ必要があるが、第4図に代表
される2極スパツタ装置では、プラズマを高密度にする
ほどターゲツト印加電圧も急激に上昇し、それと同時に
基板への高エネルギ粒子やプラズマ中の高速電子の衝撃
により基板の温度が急激に上昇し、形成される膜の損傷
も増加するため、特定の耐熱基板や膜材料及び膜組成に
しか適用することができない。また第5図に代表される
3極スパツタ装置の場合には、第3電極からのプラズマ
中への電子の供給により、プラズマ密度は上昇するもの
の、前述の2極スパツタの場合同様、高速形成しようと
すると、基板温度の急激な上昇をもたらし、結果として
得られる膜材料も、また形成する基板も少数にかぎられ
てしまうという欠点をもつている。
In order to form a film at a high speed with a conventional device, it is necessary to keep the plasma at a high density, but in the bipolar electrode sputtering device represented by FIG. 4, the higher the density of the plasma, the more the target is applied. The voltage also rises sharply, and at the same time, the temperature of the substrate rises sharply due to the impact of high-energy particles on the substrate and the high-speed electrons in the plasma, and damage to the formed film also increases. It can only be applied to material and film composition. Further, in the case of the three-pole sputter device typified by FIG. 5, the plasma density is increased by the supply of electrons from the third electrode into the plasma, but as in the case of the above-mentioned two-pole sputter device, it should be formed at high speed. In that case, the substrate temperature rises sharply, and the resulting film material and the substrate to be formed are limited in number.

一方、第6図に代表されるマグネトロン高速スパツタ装
置は、プラズマ中のガスのイオン化に必要なターゲツト
から放出されるγ(ガンマ)電子を磁界と電界によりタ
ーゲツト表面に閉じ込めることにより、プラズマをより
低ガス圧で生成及び高密度化させることを可能とし、実
際に10-3Torr台での低いガス圧でも高速スパツタを実現
しているため、各種薄膜の高速形成に広く用いられてい
る。しかしながら、このようなスパツタ装置では膜堆積
中の膜へのプラズマ中のイオン衝撃(主にArイオン)
や、ターゲツトからの高速中性粒子(主にArのターゲツ
ト表面での反跳粒子)や負イオンの衝撃が存在し、膜の
組成ずれや膜や基板の損傷を与える場合が多く、実際に
ZnO 膜などの形成時には、ターゲツトの侵食部の真上と
そうでない部分との膜質が全く異なることも知られてお
り、そうした高エネルギ粒子の基板衝撃が大きな問題と
なつている。加えて、ターゲツトの侵食部が局在してい
るため、ターゲツト利用効率も極めて低く、工業的規模
での生産性に欠点をもつている。
On the other hand, the magnetron high-speed sputtering apparatus typified by FIG. 6 confines the γ (gamma) electrons emitted from the target necessary for ionizing the gas in the plasma to the target surface by a magnetic field and an electric field, thereby lowering the plasma. It is widely used for high-speed formation of various thin films because it can be generated and densified by gas pressure and can realize high-speed sputtering even at low gas pressure of 10 -3 Torr level. However, in such a sputtering device, ion bombardment (mainly Ar + ions) in the plasma is applied to the film during film deposition.
In addition, the impact of high-speed neutral particles (mainly recoil particles on the target surface of Ar) and negative ions from the target is often present, causing the composition shift of the film and the damage of the film and the substrate.
It is also known that, when a ZnO film or the like is formed, the film quality of the part directly above the eroded part of the target is completely different from that of the other part, and the substrate impact of such high-energy particles is a big problem. In addition, since the erosion part of the target is localized, the utilization efficiency of the target is extremely low, and there is a drawback in productivity on an industrial scale.

また、従来のスパツタ装置による膜形成においては、い
ずれもプラズマ中のガスや粒子のイオン化が十分でなく
スパツタされた膜堆積要素としての中性粒子は、そのほ
とどが中性粒子のままで基板に入射するため、反応性の
点から言えば活性が十分でないため、一部の酸化物や熱
非平衡物質を得るには500 ℃〜800 ℃程度の高い基板温
度を必要としていた。しかもプラズマに投入された電力
のほとんどが熱エネルギとして消費されてしまい、投入
電力にしめるプラズマ形成(電離)に用いられる電力の
割合が低いため、電力効率が低いという欠点があつた。
Further, in the film formation by the conventional sputtering device, the ionization of the gas and particles in the plasma is not sufficient in all cases, and the neutral particles as the film deposition elements sputtered are mostly neutral particles. Since it is incident on the substrate, the activity is not sufficient from the viewpoint of reactivity, so that a high substrate temperature of about 500 ° C to 800 ° C was required to obtain some oxides and thermal nonequilibrium substances. Moreover, most of the electric power supplied to the plasma is consumed as heat energy, and the ratio of the electric power used for plasma formation (ionization) to make the supplied electric power is low, resulting in a low power efficiency.

さらに、いずれのスパツタ法でも10-3Torr以下の低ガス
圧では放電が安定に形成できず、不純物がそれだけ多く
膜中にとりこまれるという欠点があつた。
Furthermore, none of the sputter methods has the drawback that a discharge cannot be stably formed at a low gas pressure of 10 -3 Torr or less, and that much impurities are trapped in the film.

すなわちスパツタによる薄膜形成においては以下のよう
な事が望まれている。
That is, in forming a thin film by sputtering, the following things are desired.

(1)膜や基板の損傷や急激な温度上昇がなく高速で膜形
成ができること、(高密度プラズマであること) (2)粒子のエネルギが広い範囲にわたつて制御できるこ
と、 (3)粒子のエネルギの分散ができるだけ少ないこと、 (4)プラズマのイオン化率が高く活性であること、 (5)低ガス圧でもプラズマが生成できること、 一方、最近第7図に示すように、電子サイクロトロン共
鳴と磁束密度がしだいに小さくなる発散磁界とを組み合
わせたスパツタ装置やCVD装置が提案されており、
(たとえば特願昭55−57877 ,特開昭56−155535 号公
報)、良質膜の高速形成を実現している。第7図で第1
図と同じ符号は同じ部分を示す。6はプラズマ生成部、
7はマイクロ波用導波管、8は電子サイクロトロン共鳴
用電磁石である。第7図の例において、マイクロ波導入
機構として導波管中を伝搬したマイクロ波を石英などの
マイクロ波導入窓を通して真空槽4に導入し、さらに真
空槽自体が、マイクロ波に対して共鳴条件を満足させる
ように設計されている必要があつた。.即ち、真空槽4
の大きさが用いるマイクロ波の波長に依つて決定されて
しまい、それだけ装置構成の自由度が少ないという欠点
があつた。さらに形成される膜が、AlやFeなどの金
属、あるいは他の導電性材料である場合には、それが上
記マイクロ波導入窓にも付着し、そのためにマイクロ波
がそのマイクロ波導入窓部で反射されてしまい、結果と
して放電が安定に接続できないという大きな欠点をもつ
ており、SiO2や Al2といつた絶縁性の膜の形成にし
か適用できなかつた。
(1) High-speed film formation without damage to the film or substrate or rapid temperature rise, (high density plasma), (2) particle energy control over a wide range, (3) particle Energy dispersion is as small as possible, (4) Plasma ionization rate is high and active, (5) Plasma can be generated even at low gas pressure. On the other hand, recently, as shown in Fig. 7, electron cyclotron resonance and magnetic flux A sputtering device and a CVD device have been proposed in combination with a divergent magnetic field whose density gradually decreases.
(For example, Japanese Patent Application No. 55-57877 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-155535), high-speed formation of a good quality film is realized. First in Figure 7
The same reference numerals as those in the figure indicate the same parts. 6 is a plasma generator,
Reference numeral 7 is a microwave waveguide, and 8 is an electron cyclotron resonance electromagnet. In the example of FIG. 7, the microwave propagating in the waveguide as a microwave introducing mechanism is introduced into the vacuum chamber 4 through the microwave introducing window such as quartz, and the vacuum chamber itself resonates with the microwave. Need to be designed to satisfy. . That is, the vacuum chamber 4
However, there is a drawback in that the degree of freedom in the device configuration is so small that it is determined depending on the wavelength of the microwave used. When the film to be formed is a metal such as Al or Fe, or another conductive material, it also adheres to the microwave introduction window, so that the microwave is absorbed in the microwave introduction window. Since it is reflected, and as a result, the discharge cannot be stably connected, it can only be applied to the formation of an insulating film with SiO 2 or Al 2 O 3 .

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は従来の問題点を解決するため、試料基板上に各
種材料の薄膜を形成する薄膜形成装置において、順次結
合したプラズマ生成部、スパツタ部および基板支持部を
備えたガス導入口を有する真空槽で構成し、前記プラズ
マ生成部は、真空槽外に設けたマイクロ波導入機構に接
続された電子サイクロトロン共鳴を起す励振器としての
スリツト付円筒コイルを備え、前記プラズマ生成部およ
び基板支持部は、前記真空槽内の前記スリツト付円筒コ
イル近傍に、電子サイクロトロン共鳴を引起すに必要な
磁束密度を形成しかつ前記スパツタ部で磁束密度を極小
とするミラー磁界または非対称磁場勾配を形成する一対
の電磁石を備え、前記スパツタ部には、スパツタするタ
ーゲツトを配置してなることを特徴とする。
In order to solve the conventional problems, the present invention relates to a thin film forming apparatus for forming a thin film of various materials on a sample substrate, in which a vacuum having a gas inlet provided with a plasma generating part, a sputter part and a substrate supporting part which are sequentially coupled. The plasma generating unit comprises a cylindrical coil with slits as an exciter for causing electron cyclotron resonance connected to a microwave introducing mechanism provided outside the vacuum chamber, and the plasma generating unit and the substrate supporting unit are In the vicinity of the slitted cylindrical coil in the vacuum chamber, a pair of magnetic field densities necessary for causing electron cyclotron resonance is formed and a mirror magnetic field or an asymmetric magnetic field gradient is formed to minimize the magnetic flux density in the spatula section. An electromagnet is provided, and a target to be sputtered is arranged in the spatula portion.

〔作 用〕[Work]

本発明は高い活性度の高密度プラズマを局所的に発生さ
せ、試料基板を低温に保つままで高品質の薄膜を高速
度,高効率,高安定に形成できる。すなわち、本発明は
ミラー磁界中あるいは非対称磁界中で円筒状コイル(リ
ジターノコイル)を用いた電子サイロトロン共鳴により
プラズマを生成および加熱し、ミラー磁界あるいは非対
称磁界の磁場勾配によりプラズマを閉じ込め、あるいは
有効に発散させることにより局所的に高密度のプラズマ
を形成し、さらにその高密度プラズマの前面に負電圧を
印加したターゲツトを配置してプラズマ中のイオンをタ
ーゲツトに有効に引き込み、高速,高効率スパツタを実
現するばかりでなく、膜や基板の損傷や急激な温度上昇
を抑制しつつ分散の少ないエネルギを持つ粒子で、低温
基板上に低ガス圧中で高純度の膜を形成できる。以下図
面にもとづき実施例について説明する。
According to the present invention, a high-density plasma with high activity is locally generated, and a high-quality thin film can be formed at high speed, high efficiency, and high stability while keeping the sample substrate at a low temperature. That is, according to the present invention, plasma is generated and heated by electron thyrotron resonance using a cylindrical coil (rigitano coil) in a mirror magnetic field or an asymmetric magnetic field, and the plasma is confined by a magnetic field gradient of the mirror magnetic field or the asymmetric magnetic field, or effective. A high-density plasma is locally formed by diverging into the plasma, and a target to which a negative voltage is applied is placed in front of the high-density plasma to effectively draw ions in the plasma to the target, thereby achieving a high-speed, high-efficiency sputtering. In addition to realizing the above, it is possible to form a high-purity film on a low-temperature substrate at low gas pressure with particles having energy with little dispersion while suppressing damage to the film or substrate and rapid temperature rise. Embodiments will be described below with reference to the drawings.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の薄膜装置の断面概略図、第2図は本発
明の実施例である。真空槽4は、マイクロ波励振器とし
てのスリツト付円筒コイル(リジターノコイル)10を配
置したプラズマ生成部6、スパツタするためのターゲツ
ト1を配置したスパツタ部12及び基板2を配置した基板
支持部13からなる。またスリツト付円筒コイル10にはマ
イクロ波用導波部9を備え、更に図示しない整合器、マ
イクロ波電力計、アイソレータ等からなるマイクロ波源
からマイクロ波を導入するマイクロ波用導波部9により
マイクロ波を供給する。実施例では、マイクロ波用導波
部9としては同軸線路を用い、図示しないマイクロ波源
としては、例えば2.45GHz のマグネトロンを用いてい
る。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a thin film device of the present invention, and FIG. 2 is an embodiment of the present invention. The vacuum chamber 4 includes a plasma generating unit 6 in which a cylindrical coil with slits (resitano coil) 10 as a microwave exciter is arranged, a sputtering unit 12 in which a target 1 for sputtering is arranged, and a substrate supporting unit in which a substrate 2 is arranged. It consists of 13. Further, the slitted cylindrical coil 10 is provided with a microwave waveguide 9 and is further provided with a microwave waveguide 9 for introducing a microwave from a microwave source including a matching device, a microwave power meter, an isolator, etc. Supply the waves. In the embodiment, a coaxial line is used as the microwave waveguide 9, and a 2.45 GHz magnetron, for example, is used as the microwave source (not shown).

真空槽4及びターゲツト1はプラズマ生成による温度上
昇を防止するために水冷され、ガス導入系は真空槽4に
直接接続される。真空槽4内においてプラズマ生成部6
内のスリツト付円筒コイル10と対向する位置に基板2を
配置し、基板2の上にはスパツタ粒子を遮断することが
できるようにシヤツタ(図示省略)を配置している。ま
たその基板ホルダにはヒータを内臓しており、基板2を
加熱することができる。
The vacuum chamber 4 and the target 1 are water-cooled to prevent temperature rise due to plasma generation, and the gas introduction system is directly connected to the vacuum chamber 4. The plasma generation unit 6 in the vacuum chamber 4
The substrate 2 is arranged at a position facing the slitted cylindrical coil 10 inside, and a shutter (not shown) is arranged on the substrate 2 so as to block the spatter particles. Further, the substrate holder has a built-in heater so that the substrate 2 can be heated.

さらに基板2には直流あるいは交流の電圧を印加するこ
とができ、膜形成中の基板バイアスや基板2のスパツタ
クリーニングも行なうことができる。
Furthermore, a DC or AC voltage can be applied to the substrate 2, and substrate bias during film formation and sputter cleaning of the substrate 2 can be performed.

プラズマ生成部6はマイクロ波に対して特に共鳴条件を
満足させる必要がなく、その内部に配置したスリツト付
円筒コイル10が、用いるマイクロ波に対して整合されて
いればよい。例えば2.45GHz のマイクロ波に対しては、
スリツト付円筒コイル10のスリツトの長さが、マイクロ
波の半波長、即ち、12cm程度であればよい。
The plasma generating unit 6 does not need to satisfy the resonance condition for microwaves, and the slitted cylindrical coil 10 arranged therein may be matched with the microwave used. For example, for 2.45GHz microwave,
The slit length of the slit-equipped cylindrical coil 10 may be a half wavelength of the microwave, that is, about 12 cm.

スパツタ部12にはターゲツト1を配置しており、-1.5K
V,10Aまでの負の電圧が印加できるようにした。
The target 1 is placed in the spatula part 12, and -1.5K
Negative voltage up to V, 10A can be applied.

真空槽4の外側両端には電磁石11を周設し、電磁石11に
よつて発生する磁界の強度を上記スリツト付円筒コイル
10の近傍でマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴の
条件が成立するように決定する。
Electromagnets 11 are provided around both ends of the vacuum chamber 4, and the strength of the magnetic field generated by the electromagnets 11 is increased by the cylindrical coil with slits.
It is determined so that the condition of the electron cyclotron resonance by the microwave is satisfied near 10.

例えば周波数2.45GHz のマイクロ波に対しては、電子サ
イクロトロン共鳴の条件は磁束密度875Gであるため、両
側の電磁石11は、最大3000G 程度の磁束密度が得られる
ように設計した。二つの電磁石11に流す電流はそれぞれ
独立に制御することで、それぞれの電磁石11から得られ
る磁束密度を制御している。またこの二つの電磁石11が
適当な距離を置くことにより、真空槽4内で最も磁束密
度が弱くなる、いわゆるミラー磁界配置を実現でき、一
方、二つの電磁石11のうち基板2側に配置した電磁石11
を流す電源を0、あるいは弱く、あるいは強くすること
により真空槽4内で非対称磁界配置を実現することがで
きる。
For example, for microwaves with a frequency of 2.45 GHz, the condition for electron cyclotron resonance is a magnetic flux density of 875 G, so the electromagnets 11 on both sides were designed to obtain a maximum magnetic flux density of about 3000 G. The currents flowing through the two electromagnets 11 are independently controlled to control the magnetic flux density obtained from each electromagnet 11. Further, by placing an appropriate distance between the two electromagnets 11, it is possible to realize a so-called mirror magnetic field arrangement in which the magnetic flux density is the weakest in the vacuum chamber 4, while the electromagnets of the two electromagnets 11 arranged on the side of the substrate 2 are realized. 11
An asymmetric magnetic field arrangement can be realized in the vacuum chamber 4 by setting the power supply for flowing 0 to 0, weak or strong.

上記のようなミラー磁界配置をとることは、電子サイク
ロトロン共鳴によつて効率よく電子にエネルギを与える
だけでなく、生成したイオンや電子を磁界方向に散逸す
るのを防ぎ、さらにプラズマをこのミラー磁界中に閉じ
込める効果をもつている。
The arrangement of the mirror magnetic field as described above not only efficiently gives energy to the electrons by electron cyclotron resonance, but also prevents the generated ions and electrons from being dissipated in the magnetic field direction, and further plasma is generated by the mirror magnetic field. It has the effect of being trapped inside.

第3図は本発明の原理図を示す。FIG. 3 shows the principle of the present invention.

ここでプラズマを形成するときのパラメータは、プラズ
マ生成部内のガス圧,マイクロ波のパワーターゲツトの
印加電圧及びミラー磁界の勾配(電磁石の最大磁束密度
Bmと両磁石間の真空槽内での最小磁束密度B0の比:Bm/
B0)、及びミラー磁界の対称度(片方の電磁石の最大時
速密度Bmともう片方の電磁石の最大磁束密度Bmo との比
Bm/Bmo )及び両電磁石間の距離等である。
The parameters for forming plasma are the gas pressure in the plasma generation part, the applied voltage of the microwave power target, and the gradient of the mirror magnetic field (maximum magnetic flux density of the electromagnet).
Ratio of minimum magnetic flux density B 0 in the vacuum chamber between Bm and both magnets: Bm /
B 0 ), and the symmetry of the mirror magnetic field (the ratio of the maximum hourly velocity density Bm of one electromagnet to the maximum magnetic flux density Bmo of the other electromagnet)
Bm / Bmo) and the distance between both electromagnets.

ここで、例えば2.45GHz の周波数のマイクロ波を用い、
マイクロ波励振器としてのスリツト付円筒コイル10の片
方の電磁石の中心に位置させたとすると、前述のよう
に、プラズマ生成部6内のスリツト付円筒コイル付近の
磁束密度(この場合Bmとなる)を875Gとして磁場勾配を
形成させればよい。プラズマ中の荷電粒子はこのような
磁界が空間的にゆるやかに変化している場合には、磁力
線14に加速されて、磁力線14の回りをスパイラル運動し
ながら角運動量を保持しつつ移動する。
Here, for example, using a microwave with a frequency of 2.45 GHz,
Assuming that it is located at the center of one of the electromagnets of the slit-equipped cylindrical coil 10 as the microwave exciter, as described above, the magnetic flux density (in this case, Bm) in the vicinity of the slit-equipped cylindrical coil in the plasma generation unit 6 is calculated. A magnetic field gradient may be formed as 875G. When such a magnetic field is spatially gently changing, the charged particles in the plasma are accelerated by the magnetic force lines 14 and move spirally around the magnetic force lines 14 while maintaining angular momentum.

ミラー磁界中でプラズマを形成する場合には荷電粒子は
磁束密度の高い部分で反射され、結果として、ミラー磁
界中を往復運動し、ひいては閉じ込めが実現される。こ
こで前述したミラー磁界の勾配:Bm/B0 はプラズマ閉じ
込め効率に大きな影響をおよぼす。以上のようにして閉
じ込められた高密度プラズマに面したターゲツト1に負
の電圧を印加させることにより、高密度プラズマ中のイ
オンをターゲツト1に効率よく引き込み、スパツタを起
させる。さらに、ターゲツト1からスパツタされたほと
んどが、中性の粒子の一部分は電子温度の高い高密度プ
ラズマ中でイオン化される。一方電子はイオンに対して
はるかに軽いため、磁力線方向の運動速度はイオンに比
して電子の方が大きい。したがつてミラー磁界端部から
多くの電子が逃げだし、正イオンがミラー磁界中に取り
残されることになり、荷電分離がおこり、必然的にミラ
ー磁界端部近傍に電界が誘起される。この内外のポテン
シヤル差(Vp)が電子の平均エネルギに匹敵した時に平
衡し、この電界は、電子に対しては減速,イオンに対し
ては加速電界として働いて両種の放出量がほぼ同じにな
る。即ちこうしたミラー磁界による空間電荷効果による
損失は、このプラズマを薄膜形成装置の視点から見れ
ば、その電位差に相当するエネルギを持つたイオンをプ
ラズマから取り出せることを意味している。
When plasma is formed in the mirror magnetic field, the charged particles are reflected by the portion having a high magnetic flux density, and as a result, the charged particles reciprocate in the mirror magnetic field and eventually confine. The above-mentioned gradient of the mirror magnetic field, Bm / B 0, has a great influence on the plasma confinement efficiency. By applying a negative voltage to the target 1 facing the high-density plasma confined as described above, the ions in the high-density plasma are efficiently drawn into the target 1 to cause the spatter. Furthermore, most of the particles sputtered from the target 1 are partially ionized in a high-density plasma having a high electron temperature. On the other hand, since the electron is much lighter than the ion, the velocity of motion in the direction of the magnetic field is larger for the electron than for the ion. Therefore, many electrons escape from the end of the mirror magnetic field, positive ions are left behind in the mirror magnetic field, charge separation occurs, and an electric field is inevitably induced near the end of the mirror magnetic field. Equilibrium occurs when the internal and external potential difference (Vp) is equal to the average energy of electrons, and this electric field acts as a decelerating electric field for electrons and an accelerating electric field for ions, so that the emission amounts of both species are almost the same. Become. That is, the loss due to the space charge effect due to the mirror magnetic field means that, from the viewpoint of the thin film forming apparatus, the plasma can extract ions having energy corresponding to the potential difference.

一方、非対称磁界を用い、片方の磁束密度Bmo がプラズ
マ中の電荷粒子を閉じ込める効果をなくした場合には、
プラズマ中の電荷粒子は磁力線14の回りに拘束されて基
板方向に移動する。そうして得られた電子やイオンが基
板上に飛来し、効果として膜が形成されることになる。
これらの粒子のエネルギは、マイクロ波のパワーやガス
圧あるいは磁界の勾配やその対称度に大きく依存し、数
eVから数百eVまでの広い範囲で自由に制御することがで
きる。
On the other hand, when an asymmetric magnetic field is used and one of the magnetic flux densities Bmo eliminates the effect of confining charged particles in the plasma,
The charged particles in the plasma are bound around the magnetic field lines 14 and move toward the substrate. The electrons and ions obtained in this way fly onto the substrate, effectively forming a film.
The energy of these particles greatly depends on the microwave power, gas pressure, magnetic field gradient and its symmetry,
It can be controlled freely over a wide range from eV to several hundred eV.

しかもターゲツトと基板が直交した位置にあるためター
ゲツトからの負イオンや中性の高エネルギ粒子の基板衝
撃を受けずにすみ、従来のスパツタ法で問題となつたよ
うな種々の高エネルギ粒子の基板衝撃を抑制することが
できる。
Moreover, since the target and the substrate are in the orthogonal position, it is possible to avoid the substrate impact of negative ions and neutral high-energy particles from the target, and the substrate of various high-energy particles which has been a problem in the conventional sputtering method. Impact can be suppressed.

加えて、ミラー磁界中では、プラズマ中には、粒子間衝
突による粒子の散乱が存在することから、その衝突散乱
によるプラズマ密度の時間減少の緩和時間は、プラズマ
中のイオンエネルギが低いほど小さいため、ミラー磁界
端部から逃げる粒子群の平均エネルギは、プラズマ内部
の粒子群の平均エネルギの数分の1になる。即ち、プラ
ズマ中のイオン化にはより高いエネルギで(高活性で)
行い、またそれを外へ取り出して膜とする場合には、数
分の1のより小さいエネルギでそのイオンを取り出すこ
とができることを意味しており、この磁界配置をもつス
パツタ装置が薄膜形成装置として理想的な性質をもつて
いることを示している。
In addition, since there is scattering of particles due to collisions between particles in the plasma in the mirror magnetic field, the relaxation time for the time decrease of the plasma density due to the collision scattering is smaller as the ion energy in the plasma is smaller. The average energy of the particle group escaping from the end of the mirror magnetic field is a fraction of the average energy of the particle group inside the plasma. That is, higher energy (high activity) for ionization in plasma
When it is carried out and taken out to form a film, it means that the ions can be taken out with a smaller energy of a fraction, and a sputtering device having this magnetic field arrangement is used as a thin film forming device. It shows that it has an ideal property.

さらに、本発明では、プラズマを活性にしていることか
らより低いガス圧(10-5Torr)でも放電が安定に形成で
きそれだけ不純物の少ない膜が実現できるという特徴を
有している。
Further, the present invention is characterized in that since the plasma is activated, the discharge can be stably formed even at a lower gas pressure (10 −5 Torr), and a film with less impurities can be realized.

さらに本発明では電子サイクロトロン共鳴による加熱を
利用しているためプラズマ中の電子温度を自由に制御で
きる。このため多価イオンが生成できるほどの電子温度
も実現できるので、結果としてその多価イオンを用いて
化学的に不安定な材料も合成できるという優れた特徴を
もつている。
Further, in the present invention, since the heating by electron cyclotron resonance is utilized, the electron temperature in plasma can be freely controlled. Therefore, an electron temperature sufficient to generate multiply charged ions can be realized, and as a result, a chemically unstable material can be synthesized using the multiply charged ions.

一方、本発明の薄膜形成装置では前述のようにプラズマ
のイオン化率が極めて高いため、ターゲツトから放出さ
れた中性のスパツタ粒子がプラズマ中でイオン化される
割合が高い特長を有しており、このイオン化されたター
ゲツト構成元素がまたターゲツトの電位で加速されて、
またターゲツトをスパツタする、いわゆるセルフスパツ
タの割合も極めて大きくなる。即ち、プラズマ生成用ガ
ス(例えばAr)がごく希薄なあるいは用いない場合でも
上述のセルフスパツタを持続し、ひいては超高純度の膜
形成も実現できるという特徴をもつている。
On the other hand, in the thin film forming apparatus of the present invention, since the ionization rate of the plasma is extremely high as described above, the neutral sputter particles released from the target have a feature that the ionization rate in the plasma is high. The ionized target constituent elements are also accelerated by the potential of the target,
Further, the proportion of so-called self-sputtering that sputters the target becomes extremely large. That is, even if the gas for plasma generation (for example, Ar) is extremely dilute or is not used, the above-mentioned self-sputtering can be maintained, and as a result, ultra-high purity film formation can be realized.

さらに本発明ではマイクロ波励起用として従来の導波管
からマイクロ波導入窓を通してマイクロ波を導入する方
法を用いずスリツト付円筒コイルを用いているため、従
来型で問題となつたマイクロ波導入窓のくもりによる放
電の不安定性を完全に解決しており、金属やその他の導
電性材料も極めて長期にわたり安定に形成できるという
優れた特徴を有している。
Further, in the present invention, since the cylindrical coil with slit is used for exciting the microwave without using the conventional method of introducing the microwave from the waveguide through the microwave introducing window, the microwave introducing window which is a problem in the conventional type is used. It completely solves the instability of discharge due to cloudy weather, and has an excellent feature that metal and other conductive materials can be stably formed over an extremely long period of time.

加えて、本発明では上述のスリツト付円筒コイルのスリ
ツト長を、用いるマイクロ波の半波長に整合させてやる
だけで効率よく電子サイクロトロン共鳴を実現できるた
めに、真空槽を従来のように共鳴条件に合わせる必要が
なく、自由な大きさに設計できるので、大型化にも小型
化にも容易に対応できるという極めて優れた特徴を有し
ている。
In addition, in the present invention, the slit length of the above-mentioned slitted cylindrical coil can be efficiently realized by only matching the half-wavelength of the microwave used, so that the vacuum chamber can be resonated under conventional resonance conditions. Since it can be designed in any size without the need to adjust to, it has an extremely excellent feature that it can easily cope with both upsizing and downsizing.

次に本発明装置を用いてAl膜を形成した結果について
述べる。
Next, the result of forming an Al film using the device of the present invention will be described.

実施例1:対称ミラー磁界配置中の真空槽内の真空度を
5×10-7Torrにまで排気した後、Arガスを導入し、スパ
ツタ部のガス圧を2×10-4Torrとしてマイクロ波電力10
0 〜1000W、Alのターゲツト印加電圧300 〜1200V、
ミラー磁場勾配(875G/20G) の条件で膜を形成した。こ
のときスリツト付円筒コイルと基板は、それぞれの電磁
石の中央に配置し基板は特に加熱しないでスパツタを行
つた。
Example 1: After evacuating the vacuum degree in a vacuum chamber to 5 × 10 −7 Torr in a symmetrical mirror magnetic field arrangement, Ar gas was introduced, and the gas pressure in the spatula portion was 2 × 10 −4 Torr. Power 10
0-1000W, Al target applied voltage 300-1200V,
The film was formed under the condition of the mirror magnetic field gradient (875G / 20G). At this time, the cylindrical coil with slit and the substrate were arranged at the centers of the respective electromagnets, and the substrate was sputtered without being particularly heated.

この時、150 〜2200Å/minの堆積速度で効率よく膜形成
できた。従来のスパツタ膜と比べて良質の膜が、クラツ
クや剥離を生じることなく安定に形成できた。
At this time, a film could be formed efficiently at a deposition rate of 150 to 2200Å / min. As compared with the conventional sputter film, a good quality film could be stably formed without cracking or peeling.

一方、このときのイオンの平均エネルギは、5eVから30
eVまで変化し基板方向に飛来する粒子のうち10〜30%が
イオンであつた。
On the other hand, the average energy of the ions at this time is 5eV to 30
Ions accounted for 10 to 30% of the particles that changed to eV and flew toward the substrate.

実施例2:本発明の薄膜形成装置の実施例(第2図)に
おいて片方の電磁石に電流を流さない完全な発散型磁界
配置(Bm=875G,Bmo=180G)で真空槽内の真空度を5×
10-7Torrにまで排気した後Arガスを導入し、スパツタ部
のガス圧を2.5 ×10-4Torrとしてマイクロ波電力100 〜
800W,Al のターゲツト印加電圧300 〜1200V の条件で膜
を形成した。
Embodiment 2 In the embodiment of the thin film forming apparatus of the present invention (FIG. 2), the degree of vacuum in the vacuum chamber is set by a complete divergent magnetic field arrangement (Bm = 875G, Bmo = 180G) in which no current flows through one electromagnet. 5x
After evacuating to 10 -7 Torr, Ar gas was introduced, and the gas pressure in the sputter part was set to 2.5 × 10 -4 Torr and the microwave power was 100 to 100 〜.
The film was formed under the conditions of 800 W, Al target applied voltage of 300 to 1200 V.

このとき、スリツト付円筒コイルと基板は、それぞれの
電磁石の中央に配置し、基板は特に加熱しないでスパツ
タを行つた。
At this time, the cylindrical coil with slit and the substrate were arranged at the centers of the respective electromagnets, and the substrate was sputtered without being particularly heated.

このとき200 〜2400Å/minの堆積速度で効率よく安定に
膜形成できた。従来のスパツタ膜と比べて、膜の内部応
力が小さいため、厚さ2μm以上の膜をクラツクや剥離
を生じることなしに安定に形成できた。
At this time, a film could be formed efficiently and stably at a deposition rate of 200 to 2400Å / min. Since the internal stress of the film is smaller than that of the conventional sputtering film, a film having a thickness of 2 μm or more can be stably formed without causing cracking or peeling.

一方、このときのイオンの平均エネルギは5eVから25eV
まで変化し、基板方向に飛来する粒子のうち、10〜30%
がイオンであつた。
On the other hand, the average energy of the ions at this time is 5eV to 25eV.
10 to 30% of the particles that change up to the direction of the substrate
Was Ion.

本発明の薄膜形成装置は、Al膜の形成のみならず、ほ
とんどすべての薄膜の形成に用いることができ、また導
入するガスを反応性のガスあるいはその混合ガスにする
ことで反応スパツタも実現できる。
The thin film forming apparatus of the present invention can be used not only for forming an Al film, but also for forming almost all thin films, and a reactive sputtering can be realized by using a reactive gas or a mixed gas thereof as an introduced gas. .

さらに本発明の薄膜形成装置はターゲツトをスパツタし
ないで用いることもでき、即ち反応ガスあるいはその混
合ガスを流しながらプラズマを生成することによりCV
D装置としても用いることができる。
Further, the thin film forming apparatus of the present invention can be used without spattering the target, that is, by generating plasma while flowing the reaction gas or its mixed gas, the CV can be obtained.
It can also be used as a D device.

加えて本発明の薄膜形成装置はイオン限としても用いる
ことができ、本実施例の基板の位置に数枚のイオン引き
出しグリツドを配置してそのグリツドに電圧を印加する
ことでイオンを選択的に取り出すことができる。
In addition, the thin film forming apparatus of the present invention can also be used as an ion limit, and several ions are extracted at the position of the substrate of this embodiment, and ions are selectively applied by applying a voltage to the grid. You can take it out.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上詳述したように本発明はプラズマ生成にスリツト付
円筒コイル(リジターノコイル)を用いた電子サイクロ
トロン共鳴条件による高密度マイクロ波放電を用い、ミ
ラー磁界あるいは非対称磁界によつてプラズマを効率よ
く閉じ込めあるいは発散させ、その高密度プラズマ中の
イオンを効率よくターゲツトに引き込みスパツタを実現
するもので、低ガス圧で高い活性度のプラズマが得ら
れ、従来のスパツタ装置に比べ極めて高いイオン化率を
もつた粒子で高速に低ガス圧中で安定に形成でき、その
粒子のエネルギが数eVから数百eVまでの広い範囲で自由
に制御でき、しかもそのエネルギは分散が少ないという
優れた特徴を本発明の薄膜形成装置が有していることか
ら、この装置を用いて損傷の少ない極めて高純度で良質
の膜を低基板温度で高速度高効率、高安定に形成するこ
とが出来るばかりでなく、従来の方法では実現できな平
衡材料の低温安定形成も可能となつた。
As described in detail above, the present invention uses the high-density microwave discharge under the electron cyclotron resonance condition in which a cylindrical coil with slits (a Ligitano coil) is used for plasma generation, and efficiently confines the plasma by a mirror magnetic field or an asymmetric magnetic field. Alternatively, by diverging the ions, the ions in the high-density plasma can be efficiently drawn into the target to realize a spatula. A plasma with high activity can be obtained at a low gas pressure, and it has an extremely high ionization rate compared to conventional sputter devices. Particles can be stably formed at a high speed in a low gas pressure, the energy of the particles can be freely controlled in a wide range from several eV to several hundred eV, and the energy is less dispersed. Since the thin film deposition equipment has this equipment, it is possible to use this equipment to obtain extremely high-purity, high-quality films with low damage at high substrate temperatures at high temperatures. Not only can it be formed with high speed and high efficiency and stability, but it is also possible to form a stable equilibrium material at low temperature, which could not be realized by the conventional method.

また本発明では、ミラー磁界あるいは非対称磁界を得る
ために磁気コイルを用いているが、これは種々の永久磁
石を用いてあるいはそれらを組み合わせてミラー磁界あ
るいは非対称磁界を形成しても全く同等の効果をもつこ
とは明らかである。
Further, in the present invention, a magnetic coil is used to obtain a mirror magnetic field or an asymmetric magnetic field. However, even if various permanent magnets are used or they are combined to form a mirror magnetic field or an asymmetric magnetic field, the same effect is obtained. It is clear that

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

第1図は本発明の薄膜形成装置の構成図、 第2図は本発明の薄膜形成装置の実施例、 第3図は本発明の薄膜形成装置の磁界配置図、 及びそれによつて生じるイオンの運動(原理図)、 第4図は2極スパツタ装置の構成図、 第5図は3極スパツタ装置の構成図、 第6図はマグネトロンスパツタ装置の構成図、 第7図は発散磁界型スパツタ装置あるいはCVD装置の
構成図である。 1……ターゲツト、2……基板、3……電子放出用第3
電極、4……真空槽、5……磁石、6……プラズマ生成
部、7……マイクロ波導波管、8……電子サイクロトロ
ン共鳴用電磁石、9……マイクロ波用導波部、10……ス
リツト付円筒コイル(リジターノコイル)、11……電
磁石、12……スパツタ部、13……基板支持部、14……磁
力線
FIG. 1 is a block diagram of a thin film forming apparatus of the present invention, FIG. 2 is an embodiment of the thin film forming apparatus of the present invention, FIG. 3 is a magnetic field layout of the thin film forming apparatus of the present invention, and ions generated thereby. Movement (principle diagram), FIG. 4 is a block diagram of a 2-pole sputter device, FIG. 5 is a block diagram of a 3-pole sputter device, FIG. 6 is a block diagram of a magnetron sputter device, and FIG. 7 is a divergent magnetic field type spatter device. It is a block diagram of an apparatus or a CVD apparatus. 1 ... Target, 2 ... Substrate, 3 ... Electron emission third
Electrodes, 4 ... Vacuum chamber, 5 ... Magnet, 6 ... Plasma generator, 7 ... Microwave waveguide, 8 ... Electron cyclotron resonance electromagnet, 9 ... Microwave waveguide, 10 ... Cylindrical coil with slit (rigitano coil), 11 …… electromagnet, 12 …… sputter part, 13 …… substrate support part, 14 …… magnetic field line

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−87869(JP,A) 特開 昭61−60881(JP,A) 特開 昭60−50167(JP,A) 河合良信応用物理54(12)(1985)P. 1291−1292 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A 61-87869 (JP, A) JP-A 61-60881 (JP, A) JP-A 60-50167 (JP, A) Yoshinobu Kawai Applied Physics 54 (12) (1985) P. 1291-1292

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】試料基板上に各種材料の薄膜を形成する薄
膜形成装置において、 順次結合したプラズマ生成部、スパツタ部および基板支
持部を備えたガス導入口を有する真空槽で構成し、 前記プラズマ生成部は、 前記真空槽外に設けたマイクロ波源からマイクロ波を導
入するマイクロ波用導波部に接続された電子サイクロト
ロン共鳴を起す励振器としてのスリツト付円筒コイルを
備え、 前記プラズマ生成部および基板支持部は、 前記真空槽内の前記スリツト付円筒コイルおよび該スリ
ツト付円筒コイルに対向して配置した基板を内包する位
置の前記真空槽の外側両端に、電子サイクロトロン共鳴
を引起すに必要な磁束密度を形成し、かつ前記スパツタ
部で磁束密度を極小とするミラー磁界または非対称磁場
勾配を形成する一対の電磁石を備え、 前記スパツタ部には、 スパツタするターゲツトを配置してなることを特徴とす
る薄膜形成装置。
1. A thin film forming apparatus for forming a thin film of various materials on a sample substrate, comprising a vacuum chamber having a gas inlet having a plasma generating part, a sputter part, and a substrate supporting part, which are sequentially coupled, The generator includes a cylindrical coil with a slit as an exciter that causes electron cyclotron resonance and is connected to a microwave waveguide that introduces microwaves from a microwave source provided outside the vacuum chamber, and the plasma generator and The substrate supporting part is necessary for inducing electron cyclotron resonance at both outer ends of the vacuum chamber at positions where the slit-equipped cylindrical coil and the substrate arranged facing the slit-equipped cylindrical coil in the vacuum chamber are included. A pair of electromagnets that form a magnetic flux density and that form a mirror magnetic field or an asymmetric magnetic field gradient that minimizes the magnetic flux density in the sputter part are provided. , The sputter unit, a thin film forming apparatus characterized by comprising placing a Tagetsuto to sputter.
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