JPH03138363A - Plasma beam sputtering device - Google Patents
Plasma beam sputtering deviceInfo
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- JPH03138363A JPH03138363A JP27376189A JP27376189A JPH03138363A JP H03138363 A JPH03138363 A JP H03138363A JP 27376189 A JP27376189 A JP 27376189A JP 27376189 A JP27376189 A JP 27376189A JP H03138363 A JPH03138363 A JP H03138363A
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Abstract
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
スパッタリングを利用して各種薄膜を高速度かつ高効率
で形成するための新規なプラスマビームスパッタ装置に
関するものである。Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to an apparatus for forming thin films of various materials on a sample substrate, and in particular, an apparatus for forming thin films of various materials using sputtering using high-density plasma. The present invention relates to a new plasma beam sputtering apparatus for forming at high speed and high efficiency.
[従来の技術]
次世代材料の創成、材料の表面特性を改質する新プロセ
ス技術として、反応性の高い活性粒子で、しかもその運
動エネルギが制御できるプラズマ(イオン)を用いた膜
形成、エツチング技術としてプラズマ応用技術が注目さ
れている。たとえば、将来の機能素子の開発のためには
、多元素系の膜形成技術や膜特性の優れた膜形成技術が
重要であり、多元系の膜形成に必要な元素の供給源の一
つとして、プラズマ生成源を用いる薄膜形成法や、基板
上に薄膜を形成するのと同時にプラズマを照射するプラ
ズマ(イオン)アシストNBa形成法などが注目されて
いる。すなわち、プラズマは(1)元素の供給源や(2
)膜質の物性制御のアシストとして有用な手段である。[Conventional technology] Film formation and etching using plasma (ions) with highly reactive active particles whose kinetic energy can be controlled as a new process technology for creating next-generation materials and modifying the surface properties of materials. Plasma application technology is attracting attention as a technology. For example, for the development of future functional devices, multi-element film formation technology and film formation technology with excellent film properties are important, and as one of the sources of elements necessary for multi-element film formation. , a thin film forming method using a plasma generation source, and a plasma (ion) assisted NBa forming method in which plasma is irradiated at the same time as forming a thin film on a substrate are attracting attention. In other words, plasma is a source of (1) elements and (2)
) It is a useful means to assist in controlling the physical properties of membranes.
従来のこの種のイオンビームスパッタ装置の装置構成例
を第6図に示す。第6図において、1はスパッタ用のイ
オン源、2はイオン源1へのガス導入口、3はイオン引
ぎ出し電極、4は電極3から引き出されたイオンビーム
である。5は真空試料室12内に配置したスパッタ用タ
ーゲット、6はターゲット5への冷却水通路、7は真空
試料室12内に配置した基板ホルダ、8はホルダ7に載
置した基板である。9はアシスト用イオン源、lOはイ
オン源9へのガス導入口、11はイオン源9からのイオ
ンビームである。13は真空試料室12に対する真空排
気系、14は排気系13の開閉を行うゲートバルブであ
る。An example of the configuration of a conventional ion beam sputtering apparatus of this type is shown in FIG. In FIG. 6, 1 is an ion source for sputtering, 2 is a gas inlet to the ion source 1, 3 is an ion extraction electrode, and 4 is an ion beam extracted from the electrode 3. 5 is a sputtering target placed in the vacuum sample chamber 12, 6 is a cooling water passage to the target 5, 7 is a substrate holder placed in the vacuum sample chamber 12, and 8 is a substrate placed on the holder 7. Reference numeral 9 represents an assisting ion source, lO represents a gas inlet to the ion source 9, and 11 represents an ion beam from the ion source 9. 13 is a vacuum evacuation system for the vacuum sample chamber 12, and 14 is a gate valve for opening and closing the evacuation system 13.
スパッタ用イオン源lにガス導入口2よりスパッタ用の
ガスとして不活性なArガスなどを尋人してプラズマ化
する。そのプラズマ中のイオンを引き出し電極3で0.
5〜5kVに加速したイオンビーム4として引き出し、
ターゲット5を照射する。ターゲット5にイオンビーム
4を照射することにより、ターゲット5からスパッタ粒
子が発生し、そのスパッタ粒子が基板8に堆積すること
により膜が形成される。この装置は、膜形成したい材料
をターゲットにすれば任意の化合物、合金も膜形成でき
る特長をもっている。さらに、スパッタ粒子により膜形
成しながら、さらにそれと同時にアシスト用イオン源9
よりイオン・プラズマを照射することにより、膜の物性
を制御したり、新しい化合物を合成できる特長をもって
いる。An inert Ar gas or the like is introduced as a sputtering gas through a gas inlet 2 into an ion source 1 for sputtering to form a plasma. The ions in the plasma are extracted by the electrode 3.
Extracted as an ion beam 4 accelerated to 5 to 5 kV,
Irradiate target 5. By irradiating the target 5 with the ion beam 4, sputter particles are generated from the target 5, and the sputter particles are deposited on the substrate 8, thereby forming a film. This device has the feature that it can form a film on any compound or alloy by targeting the material you want to form a film on. Furthermore, while forming a film using sputtered particles, the assisting ion source 9
By irradiating the film with ion plasma, it is possible to control the physical properties of the film and synthesize new compounds.
[発明が解決しようとする課題]
ところが、このような構成では、ターゲット5と基板8
に直進するイオンビームを照射する必要があったため、
スパッタ用イオン源1、アシスト用イオン源9、基板8
およびターゲット5の設定場所やその取りつけ方向、傾
きに種々の制約があり、装置設計の自由度が少なかった
。そのため、装置構成は複雑になり、単純な装置構成は
困難であった。[Problems to be Solved by the Invention] However, in such a configuration, the target 5 and the substrate 8
Because it was necessary to irradiate the ion beam with an ion beam that went straight to
Sputtering ion source 1, assisting ion source 9, substrate 8
Furthermore, there are various restrictions on the location of the target 5, its mounting direction, and its inclination, resulting in less freedom in device design. Therefore, the device configuration has become complicated, and it has been difficult to create a simple device configuration.
たとえば、基板8とターゲット5とを平行に対向させて
、これらを水平もしくは垂直に配置する構成を採ろうと
すると、イオンビームの照射角度をあらかじめ定めて、
イオン源1の設置場所と角度を決めなければならなかっ
た。このため、基板8、ターゲット5.イオン源1との
位置関係ないフたん設定してしまうと、これらの相対的
な位置関係を変更する自由度は全くと言うほどなかった
。そのため、基板8とターゲット5とを水平、または垂
直にする配置は通常は適切な配置ではなく、第6図のよ
うにある角度をもった配置がとられていた。このように
、基板8がある角度をもって配置されている場合には、
基板8の交換が容易でないという問題があった。For example, if you try to adopt a configuration in which the substrate 8 and the target 5 are arranged horizontally or vertically, with the substrate 8 and the target 5 facing each other in parallel, the irradiation angle of the ion beam must be determined in advance.
The installation location and angle of ion source 1 had to be determined. For this reason, the substrate 8, the target 5. Once the positional relationship with the ion source 1 was set, there was almost no degree of freedom to change the relative positional relationship. Therefore, the substrate 8 and the target 5 are usually not properly arranged horizontally or vertically, but rather are arranged at a certain angle as shown in FIG. In this way, when the substrate 8 is arranged at a certain angle,
There was a problem that it was not easy to replace the board 8.
さらに、反応性イオンビームスパッタ装置では、第6図
のようにスパッタ粒子とともに、アシスト用のイオンを
も基板8に照射しているが、スパッタ粒子とアシスト用
のイオン粒子の方向を合わせて、しかも基板8に一定の
角度(たとえば、垂直照射)で照射する装置構成は困難
であフた。Furthermore, in the reactive ion beam sputtering apparatus, as shown in FIG. 6, assisting ions are irradiated onto the substrate 8 along with the sputtered particles. It was difficult to configure an apparatus to irradiate the substrate 8 at a fixed angle (for example, vertical irradiation).
このように、入射するスパッタ粒子とイオン粒子の方向
が異なり、しかも、基板8に入射する粒子の方向を垂直
にできないのは、目的に適合した高品質膜を形成する上
でおおきな制約であった。As described above, the directions of the incident sputtered particles and ion particles are different, and the fact that the direction of the particles incident on the substrate 8 cannot be made perpendicular is a major constraint in forming a high-quality film suitable for the purpose. .
さらに、ターゲット、イオン源を複数個設置した装Mを
構成すると、その構成が非常に複雑になってしまい、イ
オンビームスパッタ装置の開発、進展の大ぎな制約にな
っていた。すなわち、ターゲット、基板、イオン源の設
置に自由度がある装荷構成が要望されていた。このよう
な装置構成が可能になればイオンビームスパッタ技術は
急速に進展するものと予想される。Furthermore, if a device M is configured in which a plurality of targets and ion sources are installed, the configuration becomes extremely complicated, which is a major constraint on the development and progress of ion beam sputtering devices. That is, there is a demand for a loading configuration that allows flexibility in the installation of targets, substrates, and ion sources. If such an apparatus configuration becomes possible, it is expected that ion beam sputtering technology will advance rapidly.
そこで、本発明の目的は、平行に対向した基板とターゲ
ットを水平もしくは垂直にしても、スパッタ粒子とアシ
スト用の荷電粒子の両者の方向を基板に垂直方向に保つ
ことができ、しかもプラズマ生成源の設置位置に制約を
加えることなしに自由度のおおきな新しい構成のプラス
マビームスパッタ装置を提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to maintain the direction of both the sputtered particles and assisting charged particles perpendicular to the substrate even if the substrate and target that face each other in parallel are placed horizontally or vertically. It is an object of the present invention to provide a plasma beam sputtering apparatus having a new configuration with a large degree of freedom without imposing restrictions on the installation position.
[課題を解決するための手段J
このような目的を達成するために、本発明は、プラズマ
を生成するプラズマ生成源と、該プラズマ生成源に気密
を保ったまま結合された真空試料室と、該真空試料室内
に配置され、前記プラズマ生成源からのプラズマ流の照
射によりスパッタされた粒子を放出するターゲット部と
、該ターゲット部からの粒子により膜が生成される基板
を配置した基板ホルダと、前記プラズマ生成源からのプ
ラズマ流を前記ターゲット部に照射するようにプラズマ
流の方向を変えるプラズマ流制御部とを具えたことを特
徴とする。[Means for Solving the Problems J] In order to achieve such objects, the present invention provides a plasma generation source that generates plasma, a vacuum sample chamber hermetically coupled to the plasma generation source, a target part disposed in the vacuum sample chamber and emitting sputtered particles by irradiation with a plasma flow from the plasma generation source; and a substrate holder having a substrate on which a film is generated by the particles from the target part; The apparatus is characterized by comprising a plasma flow control section that changes the direction of the plasma flow so that the plasma flow from the plasma generation source is irradiated onto the target section.
[作 用]
従来のイオンビームスパッタ装置では、直進するイオン
ビームでターゲットを照射してスパッタ粒子を得、それ
と同時に直進するアシストイオンビームで基板を照射す
る構成になっていたため、ターゲット、基板、イオン源
の間の幾何学配置に大きな制約があった。しかも、基板
に垂直な方向性をもったスパッタ粒子およびアシスト用
イオンを照射する装置構成は困難であフた。特に・平行
に対向する基板とターゲットを水平もしくは垂直に配置
した装置構成は、実現されていなかった。[Function] Conventional ion beam sputtering equipment is configured to irradiate the target with a straight-travelling ion beam to obtain sputtered particles, and at the same time irradiate the substrate with a straight-travelling assist ion beam. There were major constraints on the geometry between the sources. Moreover, it was difficult to configure an apparatus for irradiating sputtered particles and assisting ions with directionality perpendicular to the substrate. In particular, an apparatus configuration in which the substrate and target are arranged horizontally or vertically facing each other in parallel has not been realized.
これに対して、本発明では、イオンの代わりにプラズマ
を使い、6n場の作用でプラズマを任意の方向に曲げら
れるようにして、プラズマ流が基板やターゲットと大き
な角度(たとえば、垂直)をもっていても、基板やター
ゲットを照射できるようにした。そのため、平行に対向
した基板とターゲットを水平もしくは垂直に設置した装
置を容易に構成できる。しかも、スパッタ粒子とアシス
ト用の荷電粒子の方向をあわせて、基板に垂直に照射で
きる。また、2個以上の複数のプラズマ流を重ねあわせ
たり、個々のプラズマ流の方向を制御できるので、非常
に自由度の高い装置構成が可能である。特に、本発明は
ECRプラズマ生成源のように、プラズマ流と同一方向
に磁力線を有する磁場を用いてプラズマを生成している
プラズマ生成源に対して有効である。In contrast, in the present invention, plasma is used instead of ions, and the plasma can be bent in any direction by the action of a 6n field, so that the plasma flow has a large angle (for example, perpendicular) to the substrate or target. It has also been made possible to irradiate substrates and targets. Therefore, it is possible to easily configure an apparatus in which a substrate and a target that face each other in parallel are installed horizontally or vertically. Moreover, the directions of the sputtered particles and the assisting charged particles can be aligned and irradiated perpendicularly to the substrate. Furthermore, since two or more plasma streams can be superimposed and the direction of each individual plasma stream can be controlled, a highly flexible device configuration is possible. In particular, the present invention is effective for a plasma generation source that generates plasma using a magnetic field having lines of magnetic force in the same direction as the plasma flow, such as an ECR plasma generation source.
[実施例]
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[実施例1]
第1図は本発明の第一の実施例の構成を示す図であって
、20−1.20−2はECRプラズマ生成源、21−
1,212はプラズマ生成室、22−1.22−2はプ
ラズマ生成室20−1.20−2に結合された導波管、
23−1.23−2はそのマイクロ波導入口、24−1
.24−2はプラズマ生成室21−1.21−2に結合
されたプラズマ放電用のガスの導入口、25−1.25
−2はプラズマ生成室21−1.21−2の周囲に配設
されたECRプラズマ生成用のマグネットコイル、26
−1.26−2はプラズマ生成室21−1.21−2内
に設けられたプラズマリミッタ、27−1.27−2は
プラズマ中のイオンエネルギを低電圧で制御するために
ECRプラズマ生成源20−1.20−2に電圧を印加
できるようにするための絶縁体である。28.29は、
それぞれ、プラズマ生成源20−1.20−2からのプ
ラズマ流、30.31はプラズマ流の方向を変えるプラ
ズマ流制御用の磁気回路でありて、プラズマ生成室20
−1.20−2から出射するプラズマ流28.29の進
行方向を偏向するように真空試料室39内の基板ホルダ
32.ターゲットホルダ34の周囲に配設するものとす
る。32は真空試料室39内に配置された基板ホルダ、
33はホルダ32に配置された基板、34は真空試料室
39内において、プラズマ生成源20−1.20−2を
結ぶ軸線を中心として、基板ホルダ32と反対側に配置
されたターゲットホルダ、35はホルダ34に配置され
たスパッタ用ターゲット、36はホルダ32に印加され
たイオン加速用バイアス電圧である。37はスパッタ粒
子、38は基板ホルダ32内に取りつけたヒータである
。プラズマ生成源20−1,20−2と真空試料室39
とは気密を保ったまま結合されている。[Example 1] Fig. 1 is a diagram showing the configuration of the first example of the present invention, in which 20-1 and 20-2 are ECR plasma generation sources, 21-
1,212 is a plasma generation chamber, 22-1.22-2 is a waveguide coupled to the plasma generation chamber 20-1.20-2,
23-1.23-2 is the microwave inlet, 24-1
.. 24-2 is a plasma discharge gas inlet connected to the plasma generation chamber 21-1.21-2, 25-1.25
-2 is a magnet coil for ECR plasma generation arranged around the plasma generation chamber 21-1.21-2, 26
-1.26-2 is a plasma limiter installed in the plasma generation chamber 21-1.21-2, and 27-1.27-2 is an ECR plasma generation source for controlling the ion energy in the plasma at low voltage. It is an insulator for applying voltage to 20-1 and 20-2. 28.29 is
Plasma flow from the plasma generation source 20-1, 20-2, 30.31 is a magnetic circuit for plasma flow control that changes the direction of the plasma flow, and the plasma generation chamber 20
Substrate holder 32. in vacuum sample chamber 39 so as to deflect the traveling direction of plasma flow 28.29 emitted from -1.20-2. It is assumed that the target holder 34 is disposed around the target holder 34. 32 is a substrate holder placed in the vacuum sample chamber 39;
33 is a substrate placed in the holder 32; 34 is a target holder placed on the opposite side of the substrate holder 32 with respect to the axis connecting the plasma generation sources 20-1 and 20-2 in the vacuum sample chamber 39; 35; is a sputtering target placed on the holder 34, and 36 is an ion acceleration bias voltage applied to the holder 32. 37 is a sputtered particle, and 38 is a heater installed in the substrate holder 32. Plasma generation sources 20-1, 20-2 and vacuum sample chamber 39
and are connected airtightly.
この構成では、ECRプラズマ生成源を用いた例を示し
た。ECRプラズマはマイクロ波と磁界の相互作用でプ
ラズマを生成するものであり、2.45GHzのマイク
ロ波に対して、875ガウスがECR条件である。均一
かつ高密度のプラズマを生成するためには磁場分布が重
要であり、プラズマ中のマイクロ波の伝播等を勘案して
、マグネットコイル25−1.25−2により、それぞ
れ、875ガウス以上の磁界が発生できるようになって
いる。この磁場の磁力線の方向はマイクロ波の電界と直
交する方向であるため、図示のプラズマ流28.29が
流れていく方向になっている。In this configuration, an example using an ECR plasma generation source was shown. ECR plasma generates plasma through the interaction of microwaves and a magnetic field, and the ECR condition is 875 Gauss for a 2.45 GHz microwave. Magnetic field distribution is important in order to generate uniform and high-density plasma, and in consideration of the propagation of microwaves in the plasma, the magnetic coils 25-1 and 25-2 each generate a magnetic field of 875 Gauss or more. can occur. Since the direction of the magnetic lines of force of this magnetic field is perpendicular to the electric field of the microwave, it is the direction in which the illustrated plasma flows 28 and 29 flow.
このように、ECRプラズマ生成源20−1.20−2
は、比較的高い磁界を使用しているとともに、その磁力
線の向きはプラズマ流28.29の出射される方向と一
致しているため、この近傍に別の磁気回路30.31を
配置することによってこのプラズマを容易に曲げること
ができる。すなわち、第1図に示したように、はぼ直交
する方向にマグネットコイル30を配置し、磁力線の向
きをECRプラズマ生成源20−1に用いているマグネ
ットコイル25−1の磁力線方向と同方向にすることに
よって、プラズマ流28は図に示すように、ターゲット
35の方向に曲げられ、ターゲット35に垂直にプラズ
マを照射することができる。他方、マグネットコイル3
0の磁力線の向きを逆にすると、反対方向に曲げられる
。In this way, ECR plasma generation source 20-1.20-2
uses a relatively high magnetic field and the direction of the magnetic field lines matches the direction in which the plasma flow 28.29 is emitted, so by placing another magnetic circuit 30.31 near this This plasma can be easily bent. That is, as shown in FIG. 1, the magnet coils 30 are arranged in a direction that is substantially orthogonal to each other, and the direction of the lines of magnetic force is the same as the direction of the lines of magnetic force of the magnet coil 25-1 used in the ECR plasma generation source 20-1. By doing so, the plasma flow 28 is bent in the direction of the target 35, as shown in the figure, and the target 35 can be irradiated with plasma perpendicularly. On the other hand, magnet coil 3
If the direction of the magnetic field lines at 0 is reversed, they will be bent in the opposite direction.
そこで、マグネットコイル30の磁力線の方向と一致す
る方向にECRプラズマ源20−1の磁気コイル25−
1の極性を設定し、かつ逆方向の極性になるように基板
部の磁気コイル31とプラズマ生成源20−2の磁気コ
イル25−2を設定しておくと、磁力線はプラズマ生成
室21−1からターゲット35の方向およびプラズマ生
成室21−2から基板33の方向に向かうことになる。Therefore, the magnetic coil 25- of the ECR plasma source 20-1 is aligned in the direction that matches the direction of the magnetic field lines of the magnet coil 30.
1, and the magnetic coil 31 of the substrate part and the magnetic coil 25-2 of the plasma generation source 20-2 are set so that the polarity is in the opposite direction, the lines of magnetic force are set in the plasma generation chamber 21-1. The plasma is directed from the plasma generation chamber 21-2 toward the target 35 and from the plasma generation chamber 21-2 toward the substrate 33.
電子が磁力線に沿って動いていくためイオンもその方向
に引っ張られ、見掛は上磁力線に沿ってプラズマ流が曲
げられる。すなわち、第1図に示されているように、プ
ラズマ流28はターゲット35を照射するようになり、
プラズマ流29は基板33を照射するようになる。As the electrons move along the magnetic field lines, the ions are also pulled in that direction, and the plasma flow is apparently bent along the upper magnetic field lines. That is, as shown in FIG. 1, the plasma stream 28 comes to irradiate the target 35,
The plasma stream 29 now irradiates the substrate 33 .
もちろん、プラズマ生成源20−1.20−2の磁気コ
イルの電流の向きを変えて極性を変えることにより、プ
ラズマ流28.29の方向を基板33もしくはターゲッ
ト35の方向に変えることもできる。たとえば、第2図
に示すように、プラズマ生成源20−1.20−2の両
者のプラズマ流をターゲット35に照射して、ターゲッ
ト35上のイオン電流やイオン照射の均一性を向上させ
ることが可能である。Of course, it is also possible to change the direction of the plasma flow 28, 29 toward the substrate 33 or the target 35 by changing the direction and polarity of the current in the magnetic coil of the plasma generation source 20-1, 20-2. For example, as shown in FIG. 2, it is possible to irradiate the target 35 with plasma flows from both plasma generation sources 20-1 and 20-2 to improve the ion current on the target 35 and the uniformity of ion irradiation. It is possible.
第1図の説明では、プラズマ制御用の磁気回路30.3
1として、マグネットコイルを用いた例を示したが、E
CRプラズマ生成源に用いているマグネットコイル25
−1.25−2の磁力線がターゲットもしくは基板方向
に来るようにすればよく、永久磁石の使用ももちろん可
能であり、場合によっては軟鉄などを基板近傍に置くこ
とによって目的を実現できる。In the explanation of FIG. 1, the magnetic circuit 30.3 for plasma control
1 shows an example using a magnetic coil, but E
Magnet coil 25 used in CR plasma generation source
-1.25-2 magnetic lines of force should be directed toward the target or substrate, and it is of course possible to use permanent magnets, and in some cases, the purpose can be achieved by placing soft iron or the like near the substrate.
また、第1図の例では、プラズマ生成源20−1゜20
−2と基板33との角度が垂直に近い例が示しであるが
、本発明はこの角度に限定されることがない。たとえば
、この角度が小さい場合はより簡単にプラズマ流は曲げ
られる。なお、磁気回路30゜31は固定の場合を示し
たが、ターゲット35.基板33近傍のマグネットコイ
ル30.31を面内方向に動かすことにより、ターゲッ
ト35および基板33に達するプラズマ流の空間的均一
化が図られる。In addition, in the example of FIG. 1, the plasma generation source 20-1°20
Although an example in which the angle between -2 and the substrate 33 is nearly perpendicular is shown, the present invention is not limited to this angle. For example, if this angle is small, the plasma flow will be more easily bent. Although the case where the magnetic circuits 30 and 31 are fixed is shown, the target 35. By moving the magnet coils 30, 31 near the substrate 33 in the in-plane direction, the plasma flow reaching the target 35 and the substrate 33 can be made spatially uniform.
このターゲット部35に数100νから数kVの負のバ
イアス電圧36を印加することにより、プラズマ流28
中のイオンが加速されて、ターゲット35に衝突するこ
とによって、ターゲット35から構成元素が基板33の
方向にスパッタされる。それによって、基板33上に所
望の膜が堆積される。By applying a negative bias voltage 36 of several hundred ν to several kV to this target portion 35, the plasma flow 28
The ions therein are accelerated and collide with the target 35, whereby constituent elements are sputtered from the target 35 toward the substrate 33. Thereby, a desired film is deposited on the substrate 33.
膜形成の例を述べると、スパッタターゲットは所望の化
合物、合金などで構成されており、Y1Ba2Cu3O
7,ZnO,^II 、Ga、Zn、Si、Ti、In
、Mo等を供給し、プラズマ生成源から、0□、N2.
ASH4,PH5゜B2Ha、Kr、^「等のプラズマ
を供給することによって、酸化物、窒化物、はう化物、
GaAs、 Ga Aρ^S等の化合物半導体、さら
には不活性ガスのプラズマ照射による膜質の制御など種
々の膜形成が可能である。To give an example of film formation, the sputter target is composed of a desired compound, alloy, etc.
7, ZnO, ^II, Ga, Zn, Si, Ti, In
, Mo, etc. from the plasma generation source, 0□, N2.
By supplying plasma such as ASH4, PH5゜B2Ha, Kr,
Various types of films can be formed, including compound semiconductors such as GaAs and GaAρ^S, and film quality controlled by plasma irradiation with inert gas.
このような構成によれば、ターゲット35からのスパッ
タ粒子37とプラズマ生成源20−2からのプラズマ流
29の方向を一致させることができるので、プラズマ生
成源20−1.20−2を、基板33の傾きに制限なく
、垂直を含めて任意の角度に設置することができる。そ
の結果、種々の供給源と組み合わせて、高度で膜品質の
良い膜形成が可能になる。特に、垂直入射にすることに
より、粒子は基板33に垂直に向かうので、基板平面内
で均質な膜が形成できるし、溝などの凹部への膜形成が
可能になる。According to such a configuration, the directions of the sputtered particles 37 from the target 35 and the plasma flow 29 from the plasma generation source 20-2 can be made to match, so that the plasma generation source 20-1, 20-2 can be aligned with the substrate. 33, and can be installed at any angle including vertically. As a result, in combination with various supply sources, it becomes possible to form a film with high quality and high quality. In particular, by using vertical incidence, the particles are directed perpendicularly to the substrate 33, so that a homogeneous film can be formed within the plane of the substrate, and it is also possible to form a film in recesses such as grooves.
プラズマを用いた膜質は、プラズマ中のイオンの衝撃で
低温で高品質膜が形成でき、垂直方向がその効果が最も
大きいと推定とされる。なお、般に、垂直に粒子を入射
する構成は、膜の均一性が良く、しかも傾ける場合より
も供給される粒子密度が高くなるので、成長速度を早く
することができる。また、プラズマが基板に垂直のとき
に、プラズマシースは基板全体にわたりて均一にできる
ので、高周波バイアス、直流バイアスを安定にかけるこ
とができる。このようにして、膜物性をより精密に制御
できる。Films using plasma can form high-quality films at low temperatures due to the bombardment of ions in the plasma, and it is presumed that the effect is greatest in the vertical direction. In general, a configuration in which particles are incident perpendicularly provides a good uniformity of the film, and the density of particles supplied is higher than in the case where the particles are incident at an angle, so that the growth rate can be increased. Furthermore, when the plasma is perpendicular to the substrate, the plasma sheath can be made uniform over the entire substrate, so high frequency bias and DC bias can be stably applied. In this way, the physical properties of the film can be controlled more precisely.
さらに、ターゲット35近傍、もしくは基板33近傍の
プラズマ流制御用の磁気コイル30.31の中心軸を傾
けることにより、ターゲットもしくは基板に入射するプ
ラズマ流の角度を変えて、スパッタ粒子の量、分布等を
変化させることができる。例として第1図のプラズマ流
制御回路30の部分に描かれている。Furthermore, by tilting the central axis of the magnetic coil 30.31 for plasma flow control near the target 35 or near the substrate 33, the angle of the plasma flow incident on the target or substrate can be changed, thereby changing the amount and distribution of sputtered particles. can be changed. As an example, the plasma flow control circuit 30 is shown in FIG.
また、いままではプラズマ生成源の個数が2個の場合に
ついて説明してぎたが、真空試料室39の周囲に、3個
以上のプラズマ生成源を配置しても装置を容易に構成で
きる。たとえば、第3図に示すように、外径が50cm
の真空試料室39の周辺には、プラズマ生成源20の外
径を20cmとすれば、プラズマ生成源20を6個程度
は容易に設置することができ′る。ここでは、第1図示
の各符号中の−1゜−2は省略して同様の部分を示して
いる。Further, although the case where the number of plasma generation sources is two has been described so far, the apparatus can be easily constructed even if three or more plasma generation sources are arranged around the vacuum sample chamber 39. For example, as shown in Figure 3, the outer diameter is 50 cm.
If the outer diameter of the plasma generation sources 20 is 20 cm, about six plasma generation sources 20 can be easily installed around the vacuum sample chamber 39. Here, -1°-2 in each reference numeral shown in the first figure is omitted to indicate the same portion.
このプラズマ生成源20の磁気コイル25の極性を変化
させることによって、基板33上、もしくはターゲット
35上にプラズマ流を選択的に導くことかできる。よっ
て、従来、多数のプラズマ生成源を用いて、同一ターゲ
ットや同一基板上にプラズマを同時照射するのが困難で
あフたのに対して、本構成を用いれば多数のプラズマ生
成源からのプラズマを容易に重ね合わせて、基板もしく
はターゲット上に照射できる。このようにして、プラズ
マ密度や均一性を向上したり、種々のガス種を供給する
のが非常に容易になる。また、それぞれのプラズマ生成
源を使用ガスごとに専用にするようにして、汚染物の混
入を阻止するように使用しても有効である。By changing the polarity of the magnetic coil 25 of this plasma generation source 20, a plasma flow can be selectively guided onto the substrate 33 or onto the target 35. Therefore, whereas conventionally it was difficult to simultaneously irradiate plasma onto the same target or the same substrate using multiple plasma generation sources, with this configuration, plasma from multiple plasma generation sources can be irradiated simultaneously. can be easily overlapped and irradiated onto a substrate or target. In this way, it becomes very easy to improve plasma density and uniformity and to supply various gas species. It is also effective to dedicate each plasma generation source to each gas used so as to prevent contaminants from entering.
同様に、一つの装置で、(1)基板洗浄、(2)種々の
膜形成、(3)エツチング、(4)プラズマアシスト、
(5)ドーピングなど種々の処理を行うことができ、し
かも各供給源をある元素の供給の専用に使用することが
できるので、汚染物の混入の少ない高品質のプラズマ加
工ができる。Similarly, one device can perform (1) substrate cleaning, (2) various film formation, (3) etching, (4) plasma assist,
(5) Various treatments such as doping can be performed, and each supply source can be used exclusively for supplying a certain element, so high-quality plasma processing with less contaminants can be performed.
[実施例2]
第4図は、本発明の別の実施例を示し、これは、プラズ
マの進行方向に磁力線を有しなかりたり、弱い磁場でプ
ラズマを生成しているプラズマ生成源を使用する場合の
構成例である。[Example 2] Figure 4 shows another example of the present invention, which uses a plasma generation source that does not have magnetic lines of force in the direction of plasma progression or that generates plasma with a weak magnetic field. This is an example of a configuration when
第4図において、40.41はプラズマ生成源、42.
43417’ラズマ流28.29を取り囲んで配置され
たプラズマ制御用の補助磁気回路、44.45は永久磁
石を用いたプラズマ流制御用の磁気回路であフて、それ
ぞれ、ターゲットホルダ34.基板ホルダ32に取りつ
ける。In FIG. 4, 40.41 is a plasma generation source, 42.
43417' is an auxiliary magnetic circuit for plasma control arranged surrounding the plasma flow 28.29; 44.45 is a magnetic circuit for plasma flow control using a permanent magnet; Attach it to the substrate holder 32.
本実施例の構成、動作は第1図と全く同様であり、磁気
回路42と44により、磁力線がプラズマ生成源40か
らターゲット35の方向に生じるように磁場が発生され
ている。一方、磁気回路43と45により、磁力線がプ
ラズマ生成源41から基板33の方向になるように磁場
が発生されている。The configuration and operation of this embodiment are exactly the same as those shown in FIG. 1, and a magnetic field is generated by magnetic circuits 42 and 44 so that lines of magnetic force are generated from the plasma generation source 40 toward the target 35. On the other hand, a magnetic field is generated by the magnetic circuits 43 and 45 so that the lines of magnetic force are directed from the plasma generation source 41 toward the substrate 33.
したがって、プラズマ生成源40で生成されたプラズマ
は、この磁場の作用によって、第4図のプラズマ流28
で示したように、ターゲット35の方向に曲げられる。Therefore, the plasma generated by the plasma generation source 40 is caused by the plasma flow 28 in FIG. 4 due to the action of this magnetic field.
As shown, it is bent in the direction of the target 35.
同様に、プラズマ生成源41で生成されたプラズマは、
第4図のプラズマ流29で示したように、基板33の方
向に曲げられる。すなわち、第1図の場合と全く同様の
作用をする。Similarly, the plasma generated by the plasma generation source 41 is
As shown by the plasma stream 29 in FIG. 4, it is bent toward the substrate 33. That is, the operation is exactly the same as in the case of FIG.
[実施例3コ
第5図は本発明の別の実施例であって、加速イオンビー
ムを同時照射しながら、膜形成を行うイオンアシストデ
ポジション、またはイオンビームミキシングの例である
。[Embodiment 3] FIG. 5 shows another embodiment of the present invention, which is an example of ion-assisted deposition or ion beam mixing in which film formation is performed while simultaneously irradiating an accelerated ion beam.
ここでは、第1図のアシスト用プラズマ生成源20−2
のかわりにイオン源46を設置したものである。この例
において、イオン源46としてECRイオン源の構成を
示しであるが、他のイオン源でもよい。図中、47はイ
オン源46を構成するプラズマ生成室21に設けたイオ
ン引き出し電極系であって、3枚電極の例が示しである
。48はイオン引き出し電極47から引ぎ出されたイオ
ンビームである。Here, the assisting plasma generation source 20-2 in FIG.
An ion source 46 is installed instead. In this example, an ECR ion source configuration is shown as the ion source 46, but other ion sources may be used. In the figure, 47 is an ion extraction electrode system provided in the plasma generation chamber 21 constituting the ion source 46, and an example of three electrodes is shown. 48 is an ion beam extracted from the ion extraction electrode 47.
プラズマ生成源20からのプラズマ流28は磁気回路3
0の作用で、ターゲット35の方向に曲げられる。それ
によって、ターゲット35はプラズマ流20で照射され
る。このターゲット35からのスパッタ粒子で基板33
上に膜を形成しながら、エネルギ制御されたイオンビー
ム48を基板33上に同時に照射することによって、機
能的な高品質膜を形成できる。The plasma flow 28 from the plasma generation source 20 is connected to the magnetic circuit 3
0, it is bent in the direction of the target 35. The target 35 is thereby irradiated with the plasma stream 20. The sputtered particles from this target 35
By simultaneously irradiating the substrate 33 with the energy-controlled ion beam 48 while forming a film thereon, a functional high quality film can be formed.
イオンビームアシストデポジション、あるいはダイナミ
ックイオンビームミキシングは、膜形成と同時にイオン
を照射するもので、膜の緻密性。Ion beam assisted deposition, or dynamic ion beam mixing, involves irradiating ions at the same time as film formation, which improves the density of the film.
応力、付着性などの物性を制御したり、比較的高いイオ
ンを打ち込むことにより、合金膜の形成、界面消失を起
こさせて、極めて母材と一体化した強固な膜にして、特
性の優れた膜を形成する方法である。たとえば、Ti、
Al1 、Si、B6Siなどのターゲットからスパッ
タ粒子で膜を形成しながら、方、イオン源側からNビー
ムを、引き出し電極系の制御で、1〜49kVで照射す
ることによって、TiN、 Al1N、SiJ< 、8
Nなどが形成で参る。特に、この方法は、LSIなどを
作製するときに溝などの凹部に金属、絶縁膜等を埋め込
むのに有効である。By controlling physical properties such as stress and adhesion, and by implanting relatively high ions, we can form an alloy film and eliminate the interface, resulting in a strong film that is extremely integrated with the base material and has excellent properties. This is a method of forming a film. For example, Ti,
While forming a film with sputtered particles from a target such as Al1, Si, B6Si, etc., by irradiating N beam from the ion source side at 1 to 49 kV under the control of the extraction electrode system, TiN, Al1N, SiJ< , 8
N etc. are formed. In particular, this method is effective for embedding metal, insulating films, etc. into recesses such as trenches when manufacturing LSIs and the like.
また、実施例2で述べたように、基板清浄化、膜形成、
エツチング、ドーピングなどの処理を、真空を破ること
なく、順次に、行うことにより、スペースも時間も効率
化できる。In addition, as described in Example 2, substrate cleaning, film formation,
By sequentially performing processes such as etching and doping without breaking the vacuum, space and time can be made more efficient.
[発明の効果]
以上説明したように、本発明によれば、プラズマ生成源
からのプラズマ流をターゲット上に、さらに必要に応じ
て、基板方向に曲げることができるので、ターゲット、
基板、プラズマ生成源の配置の自由度が大きく、しかも
目的とする膜形成法に適合させたイオンビームスパッタ
装置を容易に構成できる利点を有する。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the plasma flow from the plasma generation source can be bent onto the target and, if necessary, toward the substrate.
This method has the advantage that there is a large degree of freedom in the arrangement of the substrate and the plasma generation source, and that an ion beam sputtering apparatus adapted to the intended film formation method can be easily constructed.
特に、平行に対向したターゲットと基板を水平もしくは
垂直にした配置にあっては、反応性イオンビームスパッ
タ装置を構成できるので、高速で膜質の良い膜を形成で
きるばかりでなく、基板の交換が容易になり、自動化し
たインプロセス装置として有効である。In particular, a reactive ion beam sputtering system can be configured when the target and substrate are arranged horizontally or vertically, facing each other in parallel, which not only allows high-speed formation of a film of good quality, but also makes it easy to replace the substrate. This makes it effective as an automated in-process device.
本発明装置は、プラズマ生成源を用いた、(1)多元系
の膜形成、(2)プラズマ・イオンアシストデポジショ
ン、(3)オンビームミキシング、(4)イオンドーピ
ング膜の形成などに適用すれば有用である。あるいはま
た、本発明は、(1)基板清浄化、(2ン種々の膜形成
、(3)エツチング、(4)ドーピング等の処理を複合
化した装置としても有用である。The apparatus of the present invention can be applied to (1) multi-component film formation, (2) plasma/ion assisted deposition, (3) on-beam mixing, (4) ion-doped film formation, etc. using a plasma generation source. Useful. Alternatively, the present invention is also useful as an apparatus that combines processes such as (1) substrate cleaning, (2) various film formations, (3) etching, and (4) doping.
第1図〜第5図は本発明のイオンビームスパッタ装置の
種々の実施例の構成を示す図、第6図は従来の反応性イ
オンビームスパッタ装置の構成例を示す図である。
1・・・スパッタ用イオン源、
2.10・・・ガス導入口、
3・・・引ぎ出し電極系、
4.11.48・・・イオンビーム、
5.35・・・ターゲット、
6・・・冷却水、
7.32・・・基板ホルダ、
8.33・・・基板、
9・・・アシスト用イオン源、
12.39・・・真空試料室、
13・・・真空排気系、
14・・・ゲートバルブ、
20・・・ECRプラズマ生成源、
21・・・プラズマ生成室、
22・・・導波管、
23・・・マイクロ波導入口、
24・・・ガス導入口、
25・・・マグネットコイル、
26・・・プラズマリミッタ、
27・・・絶縁体、
28.29・・・プラズマ流、
30.31・・・プラズマ流制御用磁気回路、34・・
・ターゲットホルダ、
36・・・バイアス電圧、
37・・・スパッタ粒子、
38・・・基板加熱用のヒータ、
40.41・・・プラズマ生成源、
4243・・・プラズマ流制御用補助磁気回路、44.
45・・・プラズマ流制御用磁気回路、46・・・アシ
スト用イオン源、
47・・・引き出し電極系。1 to 5 are diagrams showing the configuration of various embodiments of the ion beam sputtering apparatus of the present invention, and FIG. 6 is a diagram showing an example of the configuration of a conventional reactive ion beam sputtering apparatus. 1... Ion source for sputtering, 2.10... Gas inlet, 3... Extraction electrode system, 4.11.48... Ion beam, 5.35... Target, 6. ...Cooling water, 7.32...Substrate holder, 8.33...Substrate, 9...Ion source for assist, 12.39...Vacuum sample chamber, 13...Evacuation system, 14 ...Gate valve, 20...ECR plasma generation source, 21...Plasma generation chamber, 22...Waveguide, 23...Microwave inlet, 24...Gas inlet, 25... - Magnet coil, 26... Plasma limiter, 27... Insulator, 28.29... Plasma flow, 30.31... Magnetic circuit for controlling plasma flow, 34...
- Target holder, 36... Bias voltage, 37... Sputtered particles, 38... Heater for heating the substrate, 40.41... Plasma generation source, 4243... Auxiliary magnetic circuit for plasma flow control, 44.
45... Magnetic circuit for plasma flow control, 46... Ion source for assist, 47... Extraction electrode system.
Claims (1)
生成源に気密を保ったまま結合された真空試料室と、 該真空試料室内に配置され、前記プラズマ生成源からの
プラズマ流の照射によりスパッタされた粒子を放出する
ターゲット部と、 該ターゲット部からの粒子により膜が生成される基板を
配置した基板ホルダと、 前記プラズマ生成源からのプラズマ流を前記ターゲット
部に照射するようにプラズマ流の方向を変えるプラズマ
流制御部と を具えたことを特徴とするプラスマビームスパッタ装置
。 2)前記プラズマ生成源からの前記プラズマ流を前記基
板の方向に偏向させるように前記プラズマ流を制御する
磁気回路を前記基板の近傍に配置したことを特徴とする
請求項1記載のプラズマビームスパッタ装置。 3)前記プラズマ生成源の近傍に、前記プラズマ流を制
御するための補助磁気回路を配設したことを特徴とする
請求項1記載のプラズマビームスパッタ装置。 4)前記プラズマ生成源を2個以上有し、該2個以上の
プラズマ生成源からの各プラズマ流の少なくとも一つを
偏向させて、前記基板を照射するようにしたことを特徴
とする請求項1記載のプラズマビームスパッタ装置。[Scope of Claims] 1) A plasma generation source that generates plasma; a vacuum sample chamber that is airtightly coupled to the plasma generation source; a target section that emits sputtered particles by irradiation with a plasma stream; a substrate holder on which a substrate on which a film is generated by the particles from the target section is disposed; and a plasma stream from the plasma generation source that irradiates the target section. A plasma beam sputtering apparatus characterized by comprising a plasma flow control section that changes the direction of the plasma flow as shown in FIG. 2) Plasma beam sputtering according to claim 1, characterized in that a magnetic circuit for controlling the plasma flow from the plasma generation source is arranged in the vicinity of the substrate so as to deflect the plasma flow in the direction of the substrate. Device. 3) The plasma beam sputtering apparatus according to claim 1, further comprising an auxiliary magnetic circuit disposed near the plasma generation source for controlling the plasma flow. 4) Claim characterized in that there are two or more plasma generation sources, and at least one of the plasma flows from the two or more plasma generation sources is deflected to irradiate the substrate. 1. The plasma beam sputtering apparatus according to 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27376189A JPH03138363A (en) | 1989-10-23 | 1989-10-23 | Plasma beam sputtering device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27376189A JPH03138363A (en) | 1989-10-23 | 1989-10-23 | Plasma beam sputtering device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03138363A true JPH03138363A (en) | 1991-06-12 |
Family
ID=17532211
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27376189A Pending JPH03138363A (en) | 1989-10-23 | 1989-10-23 | Plasma beam sputtering device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03138363A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007109971A (en) * | 2005-10-14 | 2007-04-26 | Hoya Corp | Substrate with multilayer reflection film, manufacturing method thereof, reflection type mask blank and reflection type mask |
| JP2007109968A (en) * | 2005-10-14 | 2007-04-26 | Hoya Corp | Substrate with multilayer reflection film, manufacturing method thereof, reflection type mask blank and reflection type mask |
| JP2009155698A (en) * | 2007-12-27 | 2009-07-16 | Mitsubishi Materials Corp | Film forming method and apparatus |
| WO2018143164A1 (en) * | 2017-01-31 | 2018-08-09 | 国立大学法人東北大学 | Plasma generating device, plasma sputtering device, and plasma sputtering method |
-
1989
- 1989-10-23 JP JP27376189A patent/JPH03138363A/en active Pending
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| JPWO2018143164A1 (en) * | 2017-01-31 | 2019-11-21 | 国立大学法人東北大学 | Plasma generator, plasma sputtering apparatus, and plasma sputtering method |
| US10854448B2 (en) | 2017-01-31 | 2020-12-01 | Tohoku University | Plasma generating device, plasma sputtering device, and plasma sputtering method |
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