JPH0583632B2 - - Google Patents

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JPH0583632B2
JPH0583632B2 JP59223944A JP22394484A JPH0583632B2 JP H0583632 B2 JPH0583632 B2 JP H0583632B2 JP 59223944 A JP59223944 A JP 59223944A JP 22394484 A JP22394484 A JP 22394484A JP H0583632 B2 JPH0583632 B2 JP H0583632B2
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target
magnetic field
plasma
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generating
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Yutaka Saito
Yasumichi Suzuki
Hidezo Sano
Tamotsu Shimizu
Susumu Aiuchi
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    • H01J37/34Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405Magnetron sputtering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/35Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C23C14/354Introduction of auxiliary energy into the plasma
    • C23C14/357Microwaves, e.g. electron cyclotron resonance enhanced sputtering

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体素子等の薄膜生成工程におけ
るスパツタリング装置に係り、特にスパツタ成膜
速度及びターゲツト寿命の増大、並びに薄膜の膜
厚均一化に好適なスパツタ源に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a sputtering apparatus used in the process of producing thin films for semiconductor devices, etc., and is particularly suitable for increasing the sputtering deposition rate and target life, and making the thickness of thin films uniform. Regarding the source of spatter.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

スパツタ成膜は、陰極上におかれたターゲツト
材料に、所定値以上のエネルギーを有するイオン
を衝突させ、これにより放出されるターゲツト材
料の構成原子又は粒子が半導体基板上に付着堆積
して薄膜を形成することにより行われる。
In sputtering film formation, a target material placed on a cathode is bombarded with ions having an energy of more than a predetermined value, and the constituent atoms or particles of the target material released thereby adhere and deposit on a semiconductor substrate to form a thin film. This is done by forming.

スパツタ成膜を行う装置としては、特公昭53−
19319号公報に記載されたものがある。この装置
によれば、陰極のターゲツト材料面の裏側に磁気
装置の一対の磁極を設け、前記陰極面に沿つて前
記磁気装置によつて生ぜしめられる弧状の磁力線
を形成する。そして陽陰電極間に電圧を印加して
発生させたプラズマの荷電粒子を、前記磁力線に
よりサイクロトロン運動させて保持することによ
り、2極スパツタリング装置に比較して高密度の
プラズマを生ぜしめ、高い成膜速度が得られるよ
うになつていた。
As a device for sputtering film formation,
There is one described in Publication No. 19319. According to this device, a pair of magnetic poles of a magnetic device are provided on the back side of the target material surface of the cathode, and arc-shaped lines of magnetic force are formed by the magnetic device along the cathode surface. By applying a voltage between the anode and cathode electrodes and holding the charged particles in the plasma in cyclotron motion using the magnetic lines of force, a higher density plasma is generated than in a two-pole sputtering device, resulting in a higher growth rate. It was becoming possible to obtain membrane speed.

この方法では、プラズマ領域がリング状とな
ること、高周波又は直流電力によりプラズマの
発生とイオンのターゲツトへの衝突エネルギーを
供給していること、の2点から、成膜速度を上げ
る目的で供給電力を増加させると、イオンのター
ゲツトへの衝突エネルギーが過大となり、ターゲ
ツト表面の温度上昇を招き、大きな温度ストレス
に帰因するターゲツトの破壊が起こる。又、この
方法では、プラズマ領域がリング状となり、ター
ゲツトの侵食領域も同様の形状となるため、ター
ゲツト材料の一部が成膜に寄与するのみで、か
つ、ターゲツト寿命が短かつた。
In this method, the plasma region is ring-shaped, and high frequency or DC power is used to generate plasma and supply the energy for collision of ions to the target. When the ions are increased, the energy of collision of ions with the target becomes excessive, leading to an increase in the temperature of the target surface, and destruction of the target due to large temperature stress occurs. Furthermore, in this method, the plasma region has a ring shape and the eroded region of the target also has a similar shape, so that only a part of the target material contributes to film formation, and the target life is short.

イオン衝突エネルギーを低減する方法の1つと
して、特開昭58−75839号公報に示されるように、
プラズマの発生電力としてマイクロ波を用いるも
のがある。この方法ではプラズマの荷電粒子を磁
力線により保持する陰極に、マイクロ波を供給
し、そのエネルギーを吸収させて高密度のプラズ
マを発生させる一方で、陽陰電極間に印加した電
圧により、プラズマの荷電粒子を加速しターゲツ
トに衝突させ、スパツタ成膜を行う。
As one method of reducing ion collision energy, as shown in Japanese Patent Application Laid-open No. 75839/1983,
Some use microwaves to generate plasma. In this method, microwaves are supplied to the cathode, which holds the charged particles of the plasma by magnetic field lines, and the energy is absorbed to generate high-density plasma, while the voltage applied between the positive and negative electrodes charges the plasma. Sputter film deposition is performed by accelerating the particles and causing them to collide with the target.

この方法ではプラズマ密度が高い分だけ、ター
ゲツトに衝突するイオンの数が増すため、前記装
置より大きい成膜速度が得られるが、ターゲツト
の侵食、温度ストレスによるターゲツトの破壊、
ターゲツト材の成膜への寄与率の低さといつた問
題は解決されない。
In this method, the number of ions colliding with the target increases as the plasma density increases, so a faster film formation rate can be obtained than with the above-mentioned apparatus.
Problems such as the low contribution rate of the target material to film formation remain unsolved.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、ターゲツト表面のほぼ全面に
高密度プラズマを発生させ、ターゲツトの侵食領
域をターゲツト表面のほぼ全域とし、イオンの衝
突エネルギを極端に大きくすることなくターゲツ
ト内の温度ストレスの小さい状態で高速成膜を可
能とし、かつターゲツトの使用効率を増大させ、
またスパツタ成膜における薄膜の膜厚均一化の図
れるスパツタ装置を提供することにある。
The purpose of the present invention is to generate high-density plasma over almost the entire surface of the target, to make the erosion region of the target almost the entire surface of the target, and to create a state of low temperature stress within the target without extremely increasing the collision energy of ions. enables high-speed film deposition and increases target usage efficiency.
Another object of the present invention is to provide a sputtering apparatus that can achieve uniform thickness of a thin film during sputtering film formation.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は、真空容器の内部でターゲツトをスパ
ツタして前記ターゲツトと対向する基板電極上に
載置した基板の表面に薄膜を形成するスパツタリ
ング方法であつて、前記ターゲツトは中央部に開
口を有し、前記ターゲツトの表面近傍を弧状に覆
う磁場を発生させ、前記ターゲツトに電力を印加
すると共に前記開口を通して前記ターゲツトと前
記基板電極との間にマイクロ波と磁場との相互作
用により発生させた高密度のプラズマを導入し、
前記表面近傍を弧状に覆う磁場により前記ターゲ
ツトの表面近傍に前記高密度のプラズマを閉じ込
めて前記ターゲツトをスパツタリングすることに
より前記基板上に薄膜を形成することを特徴とす
るスパツタリング方法及びその装置である。
The present invention is a sputtering method for forming a thin film on the surface of a substrate placed on a substrate electrode facing the target by sputtering a target inside a vacuum container, wherein the target has an opening in the center. , generating a magnetic field covering the vicinity of the surface of the target in an arc shape, applying electric power to the target, and generating a high-density field through the interaction between the microwave and the magnetic field between the target and the substrate electrode through the opening. Introducing the plasma of
A sputtering method and apparatus thereof, characterized in that a thin film is formed on the substrate by sputtering the target while confining the high-density plasma near the surface of the target using a magnetic field covering the vicinity of the surface in an arc shape. .

すなわち本発明は、プラズマ発生部の静磁界
(ミラー磁場)と平行ないし静磁場に沿う方向に
マイクロ波を入射し、この静磁界の強度を電子サ
イクロトロン共鳴条件(マイクロ波周波数2.45G
Hzでは磁界強度875ガウス)以上とし、このミラ
ー磁場を発生させる磁気装置の一部をターゲツト
面上でプラズマを拘束するための磁界発生に用い
ることで、プラズマ輸送距離を最短とし、プラズ
マの拡散を小さくすると共に、この磁気装置を複
数個の磁気回路で構成することによりターゲツト
上での磁力線の強度分布、形状等を制御可能とす
る構成としたものである。
That is, the present invention injects microwaves in a direction parallel to or along the static magnetic field (mirror magnetic field) of the plasma generation part, and adjusts the strength of the static magnetic field under electron cyclotron resonance conditions (microwave frequency 2.45G).
By using a part of the magnetic device that generates this mirror magnetic field to generate a magnetic field to restrain the plasma on the target surface, the plasma transport distance can be minimized and the plasma diffusion can be minimized. In addition to being small in size, this magnetic device is constructed with a plurality of magnetic circuits, thereby making it possible to control the intensity distribution, shape, etc. of the magnetic lines of force on the target.

次にプラズマの発生及び密度について説明を補
足する。
Next, a supplementary explanation will be given regarding the generation and density of plasma.

マイクロ波によるプラズマの発生においては、
マイクロ波がいかに有効にプラズマ発生に寄与す
るかが重要で、これによりプラズマ密度が決定さ
れる。
In the generation of plasma by microwaves,
It is important how effectively microwaves contribute to plasma generation, and this determines plasma density.

磁界のないプラズマ中での電磁波は、波数ベク
トルκで表現すると、 κ=ω2−ωp 2/c2 但し、ω :入射電磁波周波数 ωp :プラズマ周波数 で与えられ、ω<ωpではκが負となり、電磁波
はプラズマ中に伝搬し得ない。換言すれば、例え
ば、2.45GHzのマイクロ波ではプラズマ密度が7.4
×1010/cm3を超えるプラズマ中には伝搬し得な
い。すなわち2.45GHzのマイクロ波で生成するプ
ラズマは磁場がない状態ではプラズマ密度は7.4
×1010/cm3以上にはならないことがわかる。
Electromagnetic waves in a plasma without a magnetic field are expressed by a wave number vector κ, κ=ω 2 −ω p 2 /c 2 where ω is the incident electromagnetic wave frequency ω p is the plasma frequency, and when ω < ω p , κ becomes negative and electromagnetic waves cannot propagate into the plasma. In other words, for example, with a 2.45GHz microwave, the plasma density is 7.4
It cannot propagate into plasma exceeding ×10 10 /cm 3 . In other words, plasma generated by 2.45GHz microwave has a plasma density of 7.4 in the absence of a magnetic field.
It can be seen that it does not exceed ×10 10 /cm 3 .

一方、静磁界のあるプラズマ中での電磁波は、
その電磁波の進行方向と磁界とのなす角度により
伝搬状態が異なる。特に磁界と平行になるように
電磁波をプラズマ中に入射した場合は、右回り円
偏波の分散式は、 κ2C2/ω2=1−ωp 2/(ω−ωce)(ω−ωci) 但し、 ωce :電子サイクロトロン周波数 ωci :イオンサイクロトロン周波数 で与えられ、0<ω<ωceとなる周波数の電磁波
はプラズマ密度に関係なくプラズマ中を伝搬す
る。
On the other hand, electromagnetic waves in a plasma with a static magnetic field are
The propagation state differs depending on the angle between the direction of travel of the electromagnetic wave and the magnetic field. In particular, when electromagnetic waves are introduced into the plasma parallel to the magnetic field, the dispersion formula for right-handed circularly polarized waves is κ 2 C 22 =1−ω p 2 /(ω−ω ce )(ω -ω ci ) However, ω ce : Electron cyclotron frequency ω ci : Ion cyclotron frequency, and electromagnetic waves with a frequency of 0<ω<ω ce propagate in the plasma regardless of the plasma density.

すなわち静磁界を設け、かつ、この静磁界と平
行にマイクロ波を入射することができれば、この
静磁界の強度を電子サイクロトロン共鳴(2.45G
Hzでは875G)以上とすることにより、右円偏波
はプラズマ中を伝搬し、マイクロ波電力をプラズ
マに供給するため、プラズマ周波数、ωpは、ωp
>ωとなり、プラズマ密度は7.4×1010/cm3より
はるかに大きな値(1012/cm3以上)になることが
知られている。
In other words, if a static magnetic field is provided and a microwave is incident parallel to this static magnetic field, the strength of this static magnetic field can be adjusted to electron cyclotron resonance (2.45G
875G in Hz) or more, the right-handed circularly polarized wave propagates in the plasma and supplies microwave power to the plasma, so the plasma frequency, ω p , becomes ω p
>ω, and the plasma density is known to be much larger than 7.4×10 10 /cm 3 (more than 10 12 /cm 3 ).

上記の様にして発生させたプラズマは、磁気装
置により拘束する必要がある。こうしないとプラ
ズマは発散してしまい、高密度とならず、マイク
ロ波電力の損失が大きくなる。またプラズマは発
生後、速やかにターゲツト付近まで輸送されねば
ならない。輸送途中で拡散によりプラズマ密度が
低下するからである。
The plasma generated as described above needs to be restrained by a magnetic device. If this is not done, the plasma will diverge and will not be dense, resulting in large microwave power losses. Furthermore, after the plasma is generated, it must be quickly transported to the vicinity of the target. This is because the plasma density decreases due to diffusion during transportation.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下本発明の実施例を第1図から第4図により
説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 4.

第1図、第2図は、第1の実施例のスパツタリ
ング装置のスパツタ成膜部の構造を示す断面図で
ある。ターゲツト1と基板2は平面対向してお
り、ターゲツト1は裏面にパツキングプレート3
を介して陰極4に密接して設置れ、該陰極4は絶
縁物5を介して真空槽6に設置されている。ま
た、前記陰極4の絶縁物5を介して陰極7が設置
され、該陽極7は絶縁板8を介して真空槽6に設
置されている。この陽陰電極間に電源9が設置さ
れる。ここでターゲツト1の中央部10は空洞と
なつており、この部分にプラズマ発生室11が配
設されており、該プラズマ発生室11の外周には
導波管12が絶縁物13を介して陰極4に設置し
てある。前記導波管12にはフランジ14により
別の導波管15が取付けられ、該導波管15の他
端にはマイクロ波発生源16が設置されている。
更に、前記導波管15のフランジ14の外周に磁
気装置17が設置され、もう1つの磁気装置18
が前記陰極4の裏面に設置されている。ここで該
磁気装置18は、複数個の磁気コイル18a,1
8b,18cより構成され、それぞれ独立に磁界
強度が制御可能となつている。
FIGS. 1 and 2 are cross-sectional views showing the structure of the sputter film forming section of the sputtering apparatus of the first embodiment. The target 1 and the substrate 2 face each other in a plane, and the target 1 has a packing plate 3 on the back side.
The cathode 4 is placed in close contact with a cathode 4 via an insulator 5, and the cathode 4 is placed in a vacuum chamber 6 via an insulator 5. Further, a cathode 7 is installed on the cathode 4 with an insulator 5 interposed therebetween, and the anode 7 is installed in a vacuum chamber 6 with an insulating plate 8 interposed therebetween. A power source 9 is installed between the positive and negative electrodes. Here, the center part 10 of the target 1 is hollow, and a plasma generation chamber 11 is disposed in this part.A waveguide 12 is connected to the cathode through an insulator 13 on the outer periphery of the plasma generation chamber 11. It is set at 4. Another waveguide 15 is attached to the waveguide 12 by a flange 14, and a microwave generation source 16 is installed at the other end of the waveguide 15.
Further, a magnetic device 17 is installed on the outer periphery of the flange 14 of the waveguide 15, and another magnetic device 18
is installed on the back surface of the cathode 4. Here, the magnetic device 18 includes a plurality of magnetic coils 18a, 1
8b and 18c, the magnetic field strength of which can be controlled independently.

前記プラズマ発生室11は、マイクロ波は通過
するが真空は保持する材料(例えば石英、アルミ
ナ磁器など)より成り、真空槽へは真空を保持し
うるように設置される。
The plasma generation chamber 11 is made of a material (for example, quartz, alumina porcelain, etc.) that allows microwaves to pass through but maintains a vacuum, and is installed in the vacuum chamber so as to maintain a vacuum.

また基板2は、基板ホルダ19上に載置され、
該基板ホルダ19は、軸20により絶縁物21を
介して電気的に絶縁されかつ真空を保持しうる状
態で設置される。
Further, the substrate 2 is placed on the substrate holder 19,
The substrate holder 19 is electrically insulated by a shaft 20 via an insulator 21 and installed in a state in which a vacuum can be maintained.

以上の構成において、磁気装置17,18はミ
ラー磁場を構成し、磁力線は第2図に示すよう
に、磁気装置17の磁力線22は、磁気装置18
との中間で磁束密度が小さくなり広がつて磁気装
置18の中心でまた絞り込まれ、さらにターゲツ
ト1上で磁力線23は、ターゲツト1の空洞部1
0から出て、ターゲツト1上でほぼターゲツト1
表面と平行となり、ターゲツト1端で陰極4内へ
はいり込む磁気装置構成としておく。ここでスパ
ツタ成膜室24は雰囲気ガス(例えばアルゴンガ
スなど)の所定の真空状態(10-2から10-4Torr
程度)に排気しておく。
In the above configuration, the magnetic devices 17 and 18 constitute a mirror magnetic field, and the magnetic lines of force are as shown in FIG.
The magnetic flux density decreases and expands in the middle between 2 and 3, and narrows again at the center of the magnetic device 18, and furthermore, on the target 1, the magnetic field lines 23 are formed in the cavity 1 of the target 1.
From 0 to almost target 1 on target 1
The magnetic device is constructed so that it is parallel to the surface and enters the cathode 4 at one end of the target. Here, the sputtering film forming chamber 24 is kept in a predetermined vacuum state (10 -2 to 10 -4 Torr) of atmospheric gas (for example, argon gas, etc.).
Exhaust the air to a certain level.

マイクロ波発生源16よりマイクロ波を発振す
ると、マイクロ波は導波管15により導びかれ、
導波管12へ送られ、さらにプラズマ発生室11
を通過する。この際、磁気装置17,18により
作られる静磁界によつて、当該マイクロ波はプラ
ズマ発生室11内の雰囲気ガスを電離しプラズマ
状態にする。
When microwaves are oscillated from the microwave generation source 16, the microwaves are guided by the waveguide 15,
It is sent to the waveguide 12 and further to the plasma generation chamber 11.
pass through. At this time, due to the static magnetic field created by the magnetic devices 17 and 18, the microwave ionizes the atmospheric gas in the plasma generation chamber 11 and turns it into a plasma state.

ここで、磁気装置17の中心磁界強度を磁気装
置18の中心磁界強度より大きくすることによ
り、プラズマは磁力線22に沿つてターゲツト1
の空洞部10に送られ、さらに磁力線23に沿つ
てターゲツト1の表面全面に輸送され、ターゲツ
ト1表面上にプラズマ25が発生する。ここで、
プラズマ発生室11内のプラズマは、静磁界を有
しかつ磁力線22がマイクロ波の進行方向に沿う
方向であるため高密度のプラズマ(プラズマ密度
ne=1011/cm3以上)状態となる。このプラズマ発
生室11とターゲツト1の表面が近いことかつ陰
極4に電力を印加することにより、荷電粒子は磁
力線23に沿つてサイクロトロン運動し、ターゲ
ツト1の円周方向にドリフトしながら回転するた
め、ターゲツト1の表面のプラズマ25も高密度
プラズマ状態となる。
Here, by making the center magnetic field strength of the magnetic device 17 larger than the center magnetic field strength of the magnetic device 18, the plasma is directed to the target 1 along the magnetic field lines 22.
The plasma 25 is sent to the cavity 10 of the target 1, and further transported to the entire surface of the target 1 along the lines of magnetic force 23, and a plasma 25 is generated on the surface of the target 1. here,
The plasma in the plasma generation chamber 11 has a static magnetic field and the lines of magnetic force 22 are along the direction of propagation of the microwaves, so the plasma has a high density (plasma density
n e = 10 11 /cm 3 or more). Due to the proximity of the surfaces of the plasma generation chamber 11 and the target 1 and the application of electric power to the cathode 4, the charged particles undergo cyclotron motion along the lines of magnetic force 23 and rotate while drifting in the circumferential direction of the target 1. The plasma 25 on the surface of the target 1 also becomes a high-density plasma state.

陽陰電極管に電源9により電力を印加すること
でターゲツト1表面に負の電界が発生し、これに
よりプラズマ中のイオンが加速されターゲツト1
表面に衝突する。その結果ターゲツト1表面から
はじき出された原子又は粒子が基板2の表面上に
付着堆積して薄膜を形成する。
By applying power to the positive and negative electrode tubes from the power source 9, a negative electric field is generated on the surface of the target 1, which accelerates ions in the plasma and
Collision with a surface. As a result, atoms or particles ejected from the surface of the target 1 adhere and deposit on the surface of the substrate 2 to form a thin film.

ターゲツト1面上のプラズマ25は密度が高い
ため、プラズマ中のイオンの数が多く、電源9に
より印加する電圧は低くて足りる。この結果、タ
ーゲツト1表面の負の電界が過渡に強まることが
なく、またプラズマ25は、ほぼターゲツト全面
にわたるため、ターゲツト1の侵食領域も大きく
ターゲツト1に与える温度ストレスは小さいもの
となる。
Since the plasma 25 on the surface of the target 1 has a high density, the number of ions in the plasma is large, and a low voltage is sufficient to be applied by the power source 9. As a result, the negative electric field on the surface of the target 1 does not become excessively strong, and since the plasma 25 covers almost the entire surface of the target, the erosion area of the target 1 is also large, and the temperature stress applied to the target 1 is small.

またターゲツトは中央が空洞となつているた
め、従来見られた中央部からの原子又は粒子の飛
来がなく、ターゲツト全面が侵食領域になつても
基板2表面に付着堆積する薄膜の膜厚も均一性が
向上し、ターゲツト径を極端に大きくしなくてす
み、ターゲツト1からはじき出された原子又は粒
子が基板2に付着堆積する割合が大きくスパツタ
成膜の効率が良い。
In addition, since the target is hollow in the center, there are no atoms or particles flying from the center, which was conventionally seen, and even if the entire surface of the target becomes an erosion area, the thickness of the thin film deposited on the surface of the substrate 2 is uniform. It is not necessary to make the target diameter extremely large, and the rate at which atoms or particles ejected from the target 1 are deposited on the substrate 2 is high, resulting in good sputtering film formation efficiency.

磁気装置18の複数個の磁気コイル18a,1
8b,18cをそれぞれ独立に制御することが可
能である。このためターゲツトの半径方向におけ
る、ターゲツト1と平行な磁界の強度を制御で
き、これによつてプラズマ25の半径方向密度分
布を制御可能としている。この結果、プラズマ密
度の高いところほどターゲツト1からはじき出さ
れる原子又は粒子の数が多いこととなり、基板2
上に付着堆積する基板の半径方向での膜厚を制御
できる。
A plurality of magnetic coils 18a, 1 of the magnetic device 18
It is possible to control each of 8b and 18c independently. Therefore, the intensity of the magnetic field parallel to the target 1 in the radial direction of the target can be controlled, thereby making it possible to control the radial density distribution of the plasma 25. As a result, the higher the plasma density, the greater the number of atoms or particles ejected from the target 1, and the higher the plasma density.
The thickness of the film deposited on the substrate in the radial direction can be controlled.

次に本発明の第2の実施例を第3図、第4図に
より説明する。本実施例のスパツタリング装置の
スパツタ成膜部の構成は、第1の実施例と同様で
あるが、ターゲツト1′は円錐形をしており、該
ターゲツト1′の外周面にパツキングプレート
3′が設置されさらにその外周面に陰極4′が密接
して設置されている。該陰極4′は絶縁物5′を介
して真空槽6に設置され、該陰極4′にはまた前
記絶縁物51を介して陰極7′が絶縁板8を介し
て真空槽6に設置されている。この陽陰電極間に
電源9を設置する。ターゲツト1′の中央部1
0′は第1の実施例と同様に空洞となつており、
ここにマイクロ波は通し真空は保持する材料より
成るプラズマ発生室11、導波管12が絶縁物1
3′を介して陰極4′に設置され、導波管12には
フランジ14で別の導波管15が取付られ、該導
波管15の他端にはマイクロ波発生源16が設置
される。前記導波管12,15のフランジ14の
外周に磁気装置17が設置され、さらに前記陰極
4′の円錐状外周面にもう1つの磁気装置18が
複数個の磁気コイル18a,18b,18cより
構成され、それぞれが前記陰極4′にそうように
設置される。基板2は第1の実施例と同様であ
る。また磁気装置17,18の構成も第1の実施
例と同様でミラー磁場を構成し、プラズマ発生室
11内では磁力線は22′となり、ターゲツト
1′の中央部10′の空洞を通り磁力線は23′の
ようになりターゲツト1′の外周部で陰極4′内へ
はいり込む。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4. The configuration of the sputter film forming section of the sputtering apparatus of this embodiment is the same as that of the first embodiment, but the target 1' has a conical shape, and a packing plate 3' is attached to the outer peripheral surface of the target 1'. A cathode 4' is disposed closely on the outer peripheral surface of the cathode 4'. The cathode 4' is installed in a vacuum chamber 6 via an insulator 5', and a cathode 7' is also installed in the vacuum chamber 6 via an insulator 8, via the insulator 51. There is. A power source 9 is installed between the positive and negative electrodes. Center part 1 of target 1'
0' is a cavity as in the first embodiment,
A plasma generation chamber 11 made of a material through which microwaves pass and maintains a vacuum, a waveguide 12 and an insulator 1
3' to the cathode 4', another waveguide 15 is attached to the waveguide 12 by a flange 14, and a microwave generation source 16 is installed at the other end of the waveguide 15. . A magnetic device 17 is installed on the outer circumference of the flanges 14 of the waveguides 12 and 15, and another magnetic device 18 is provided on the conical outer circumferential surface of the cathode 4' and is composed of a plurality of magnetic coils 18a, 18b, and 18c. and each is installed in the same way on the cathode 4'. The substrate 2 is the same as in the first embodiment. Furthermore, the configuration of the magnetic devices 17 and 18 is similar to that of the first embodiment, and forms a mirror magnetic field, and the lines of magnetic force are 22' in the plasma generation chamber 11, and the lines of magnetic force are 23' passing through the cavity of the central part 10' of the target 1'. ', and enters into the cathode 4' at the outer periphery of the target 1'.

以上の構成において、第1の実施例と同様マイ
クロ波放電によりプラズマ25′を発生させ、ス
パツタ成膜する。
In the above configuration, plasma 25' is generated by microwave discharge and sputter film formation is performed as in the first embodiment.

本実施例においては、第1の実施例の特徴に加
えさらに、ターゲツト1′が円錐状をしており、
これらの面が基板をかこむように傾斜している。
In this embodiment, in addition to the features of the first embodiment, the target 1' has a conical shape,
These surfaces are inclined so as to surround the substrate.

この結果、基板2表面への付着堆積する率が向
上し、同一電力を供給し、ターゲツトから同一の
ターゲツト原子又は粒子をはじき出した場合でも
基板への薄膜の付着堆積速度が増大する。
As a result, the rate of deposition on the surface of the substrate 2 is increased, and even when the same power is supplied and the same target atoms or particles are repelled from the target, the rate of deposition of the thin film on the substrate is increased.

ターゲツト1′表面からはじき出された原子又
は粒子の飛翔方向と量とについてcosine則が成り
立つことが、実験結果から知られている(例え
ば、東京大学出版会、金原粲著「スパツタリング
現象」、1984年3月発行)。
It is known from experimental results that the cosine law holds for the flight direction and amount of atoms or particles ejected from the surface of the target 1' (for example, the University of Tokyo Press, "Sputtering Phenomenon" by Kanehara Kou, 1984). Published in March).

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、マイクロ波と磁場の組合せ高
密度プラズマ(プラズマ密度ne=1011/cm3以上)
を発生させ、これを短い距離にてターゲツト表面
に輸送すると共にプラズマ発生用磁場とターゲツ
ト印加電力により荷電粒子を閉込め、ターゲツト
表面上のほぼ全域にわたり高密度プラズマ状態と
できる。この結果、プラズマ中のイオンの数が増
大するため、陽陰電極間へ大電力を印加しても、
電流の増加により電圧を低く抑制でき、従つてイ
オンの衝突エネルギを低くおさえられ、ターゲツ
トへの熱衝撃の少ないスパツターを行うことがで
きる。さらにイオンによりターゲツトの侵食領域
を増大できるため、ターゲツトからはじきだされ
る原子又は粒子の数が増大しスパツタ成膜の高速
化が行えるばかりでなく、ターゲツト侵食領域を
増大するためターゲツトの利用率を大幅に向上で
きる。
According to the present invention, a high-density plasma (plasma density n e =10 11 /cm 3 or more) using a combination of microwave and magnetic field
The charged particles are generated and transported over a short distance to the target surface, and the charged particles are confined by a plasma generation magnetic field and electric power applied to the target, making it possible to create a high-density plasma state over almost the entire area on the target surface. As a result, the number of ions in the plasma increases, so even if high power is applied between the positive and negative electrodes,
By increasing the current, the voltage can be suppressed to a low level, and therefore the collision energy of ions can be kept low, and sputtering can be performed with less thermal shock to the target. Furthermore, since the eroded area of the target can be increased by ions, the number of atoms or particles ejected from the target increases, which not only speeds up sputtering film deposition, but also increases the target utilization rate by increasing the target eroded area. It can be significantly improved.

また、原子又は粒子の飛翔方向及び量を考慮し
ターゲツトを傾斜させることによりターゲツトか
らはじき出された原子又は粒子の基板への付着堆
積する割合を増大できる。さらに、プラズマ発生
はマイクロ波を用い、イオンのターゲツトへの衝
突エネルギは別電源を使用するため、ターゲツト
への衝突イオンの数とそのエネルギを個別制御で
きターゲツト材質にあつたスパツタリング条件の
設定が可能となるので、生産効率及び材料使用効
率及び使用電力効率の向上の効果がある。
Furthermore, by tilting the target in consideration of the flying direction and amount of atoms or particles, it is possible to increase the rate at which atoms or particles ejected from the target adhere to and deposit on the substrate. Furthermore, since microwaves are used to generate plasma and a separate power source is used to generate the energy of ions colliding with the target, the number of ions colliding with the target and their energy can be individually controlled, making it possible to set sputtering conditions that suit the target material. Therefore, there is an effect of improving production efficiency, material usage efficiency, and power usage efficiency.

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

第1図は、本発明の第1の実施例のスパツタリ
ング装置の成膜部の構造を示す断面図、第2図は
第1図の成膜部での磁力線及びプラズマを表わす
断面図、第3図は本発明の第2の実施例のスパツ
タリング装置の成膜部の構造を示す断面図、第4
図は第3図の成膜部での磁力線及びプラズマを表
わす断面図である。 1,1′……ターゲツト、2……基板、4,
4′……陰極、7,7′……陽極、11……プラズ
マ発生室、14,15……導波管、16……マイ
クロ波発生源、9……電源、17,18……磁気
装置、6……真空槽、22,22′,23,2
3′……磁力線、25,25′……プラズマ。
1 is a sectional view showing the structure of a film forming section of a sputtering apparatus according to a first embodiment of the present invention; FIG. 2 is a sectional view showing magnetic lines of force and plasma in the film forming section of FIG. 1; The figure is a sectional view showing the structure of the film forming part of the sputtering apparatus according to the second embodiment of the present invention.
The figure is a cross-sectional view showing magnetic lines of force and plasma in the film forming part of FIG. 3. 1, 1'...Target, 2...Substrate, 4,
4'...Cathode, 7,7'...Anode, 11...Plasma generation chamber, 14,15...Waveguide, 16...Microwave source, 9...Power supply, 17, 18...Magnetic device , 6... Vacuum chamber, 22, 22', 23, 2
3'...Magnetic field lines, 25,25'...Plasma.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 真空容器の内部でターゲツトをスパツタして
前記ターゲツトと対向する基板電極上に載置した
基板の表面に薄膜を形成するスパツタリング方法
であつて、前記ターゲツトは中央部に開口を有
し、前記ターゲツトの表面近傍を弧状に覆う磁場
を発生させ、前記ターゲツトに電力を印加すると
共に前記開口を通して前記ターゲツトと前記基板
電極との間にマイクロ波と磁場との相互作用によ
り発生させた高密度のプラズマを導入し、前記表
面近傍を弧状に覆う磁場により前記ターゲツトの
表面近傍に前記高密度のプラズマを閉じ込めて前
記ターゲツトをスパツタリングすることにより前
記基板上に薄膜を形成することを特徴とするスパ
ツタリング方法。 2 真空容器の内部に薄膜を形成する材料からな
るターゲツトと、該ターゲツトを支持する電極手
段と、該電極手段に前記真空容器の外部から電力
を印加する電力印加手段と、前記ターゲツトと所
定の間隔を隔てて対向する基板電極手段と、前記
ターゲツトの裏側にあつて磁力線が前記ターゲツ
トの表面近傍を弧状に覆う磁場を発生させる磁場
発生手段と、マイクロ波により発生させたプラズ
マを前記ターゲツトの中央に設けた開口部を通し
て前記真空容器内に供給するマイクロ波プラズマ
供給手段とを有し、前記マイクロ波プラズマ供給
手段から供給されたプラズマを前記磁場で前記タ
ーゲツト表面近傍に閉じ込めることにより前記タ
ーゲツトの表面近傍に高密度のプラズマを発生さ
せ、前記電力印加手段により前記電極手段を介し
て前記ターゲツトに電力を印加することにより、
前記ターゲツトを前記高密度プラズマでスパツタ
リングして前記基板電極手段の上に載置した基板
の表面に薄膜を形成することを特徴とするスパツ
タリング装置。 3 前記マイクロ波プラズマ供給手段は前記プラ
ズマを前記真空容器内に供給する部分の近傍に磁
場発生部を有し、該磁場発生部は前記磁場発生手
段と対をなして前記マイクロ波プラズマ発生手段
の内部にミラー磁場を形成し、該ミラー磁場とマ
イクロ波との相互作用によりプラズマを発生する
ことを特徴とする特許請求の範囲第2項記載のス
パツタリング装置。 4 前記磁場発生部により発生する前記マイクロ
波プラズマ発生手段の内部の磁場強度、及び、前
記磁場発生手段により発生する前記マイクロ波プ
ラズマ発生手段の内部の磁場強度が、共に前記マ
イクロ波の周波数に応じた電子サイクロトロン共
鳴条件を満たす臨界磁場強度以上であることを特
徴とする特許請求の範囲第2項記載のスパツタリ
ング装置。 5 前記磁場発生部により発生する前記マイクロ
波プラズマ発生手段の内部の磁場強度が、前記磁
場発生手段により発生する前記マイクロ波プラズ
マ発生手段の内部の磁場強度より強いことを特徴
とする特許請求の範囲第2項記載のスパツタリン
グ装置。 6 前記ターゲツトの中央に設けた開口部の径が
前記マイクロ波の遮断寸法以下であることを特徴
とする特許請求の範囲第2項記載のスパツタリン
グ装置。 7 前記ターゲツトの裏側にある前記磁場発生手
段が、複数の磁場発生部により構成されているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第2項記載のスパ
ツタリング装置。
[Scope of Claims] 1. A sputtering method for forming a thin film on the surface of a substrate placed on a substrate electrode facing the target by sputtering a target inside a vacuum container, the target having an opening in the center. generating a magnetic field that covers the vicinity of the surface of the target in an arc shape, applying electric power to the target, and generating the magnetic field between the target and the substrate electrode through the opening by interaction between the microwave and the magnetic field. A thin film is formed on the substrate by introducing high-density plasma and sputtering the target by confining the high-density plasma near the surface of the target using a magnetic field covering the vicinity of the surface in an arc shape. sputtering method. 2. A target made of a material that forms a thin film inside the vacuum vessel, electrode means for supporting the target, power application means for applying electric power to the electrode means from outside the vacuum vessel, and a target at a predetermined distance from the target. substrate electrode means facing each other with a distance between them; magnetic field generating means for generating a magnetic field on the back side of the target in which lines of magnetic force cover the vicinity of the surface of the target in an arc shape; and plasma generated by microwaves at the center of the target. a microwave plasma supply means for supplying into the vacuum vessel through an opening provided therein, and confining the plasma supplied from the microwave plasma supply means near the surface of the target with the magnetic field, so that the plasma near the surface of the target is generating high-density plasma, and applying electric power to the target via the electrode means by the electric power applying means,
A sputtering apparatus characterized in that the target is sputtered with the high-density plasma to form a thin film on the surface of a substrate placed on the substrate electrode means. 3. The microwave plasma supply means has a magnetic field generation section near a part that supplies the plasma into the vacuum container, and the magnetic field generation section forms a pair with the magnetic field generation means, and the microwave plasma generation means has a magnetic field generation section. 3. The sputtering apparatus according to claim 2, wherein a mirror magnetic field is formed inside, and plasma is generated by interaction of the mirror magnetic field and microwaves. 4. The magnetic field strength inside the microwave plasma generating means generated by the magnetic field generating section and the magnetic field strength inside the microwave plasma generating means generated by the magnetic field generating means both depend on the frequency of the microwave. 3. The sputtering apparatus according to claim 2, wherein the magnetic field strength is greater than or equal to a critical magnetic field strength that satisfies the electron cyclotron resonance conditions. 5. Claims characterized in that the magnetic field strength inside the microwave plasma generating means generated by the magnetic field generating section is stronger than the magnetic field strength inside the microwave plasma generating means generated by the magnetic field generating means. The sputtering device according to item 2. 6. The sputtering apparatus according to claim 2, wherein the diameter of the opening provided at the center of the target is less than or equal to the microwave blocking dimension. 7. The sputtering apparatus according to claim 2, wherein the magnetic field generating means on the back side of the target is constituted by a plurality of magnetic field generating sections.
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