JP2001081550A - Reactive sputtering apparatus and method for producing film - Google Patents
Reactive sputtering apparatus and method for producing filmInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、ダメージや組成ずれの少ない良質
な光学薄膜や超伝導薄膜を、大面積基板上に、しかも高
速で成膜できる反応性スパッタ装置を提供することを目
的とする。
【解決手段】 ターゲット13(側面)、14(底面)
が円筒形状を構成し、その底面部からスパッタガス導入
系30により、スパッタガスを導入し、基板40近傍の
ガスリング32から反応ガスを導入し、反応性スパッタ
を行う反応性スパッタ装置。
(57) [Problem] To provide a reactive sputtering apparatus capable of forming a high-quality optical thin film or superconducting thin film with little damage and composition deviation on a large-area substrate at a high speed. Aim. SOLUTION: Target 13 (side surface), 14 (bottom surface)
Has a cylindrical shape, a sputter gas is introduced from a bottom portion thereof by a sputter gas introduction system 30, a reactive gas is introduced from a gas ring 32 near the substrate 40, and reactive sputtering is performed.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ターゲットをスパ
ッタリングして、基体ホルダーに取り付けられた基体上
に被膜を成膜するスパッタ装置及びスパッタ方法に関
し、特にスパッタガスにフッ素や酸素を含む反応ガスを
導入して、光学薄膜や超伝導薄膜等の被膜を作製する反
応性スパッタ装置及び被膜の作製方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sputtering apparatus and a sputtering method for forming a film on a substrate attached to a substrate holder by sputtering a target, and more particularly to a sputtering gas containing a reactive gas containing fluorine or oxygen. The present invention relates to a reactive sputtering apparatus and a method for producing a coating, which are introduced to produce a coating such as an optical thin film or a superconducting thin film.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来から広く用いられている平行平板型
のマグネトロンスパッタ装置は、真空槽内に、薄膜の材
料となるターゲットと、基体ホルダーに取り付けられた
基体とを対向するように配した上で、プラズマを生成し
てターゲットをスパッタリングし、スパッタリングによ
って叩き出されたスパッタリング粒子を基体上に堆積さ
せることにより、基体上に薄膜を成膜する装置である。2. Description of the Related Art A parallel plate type magnetron sputtering apparatus, which has been widely used in the past, has a target, which is a thin film material, and a base mounted on a base holder, which are arranged in a vacuum chamber so as to face each other. This is an apparatus for forming a thin film on a substrate by generating plasma, sputtering a target, and depositing sputtered particles sputtered by sputtering on the substrate.
【0003】この装置を用いた成膜方法は、他の手法に
比べ簡便で高速成膜、大面積成膜に有効であり、ターゲ
ット寿命等に優れるという特徴がある。[0003] A film forming method using this apparatus is simpler than other methods, is effective for high-speed film formation, is effective for large-area film formation, and is characterized by excellent target life and the like.
【0004】このようなスパッタ装置で、近年、光学膜
分野において低屈折率材料であるフッ化アルミニウム
(AlF3)やフッ化マグネシウム(MgF2)等のフッ
化物スパッタリングの検討がなされている。In such a sputtering apparatus, in recent years, studies have been made on the sputtering of fluorides such as aluminum fluoride (AlF 3 ) and magnesium fluoride (MgF 2 ) as low refractive index materials in the field of optical films.
【0005】しかしながらNF3やF2ガス等の反応ガス
を導入してレンズ等にフッ化物材料を成膜する場合な
ど、ターゲットから飛び出したフッ素、フッ素化合物の
負イオンが、カソードシース電圧で加速され、生成した
高エネルギー粒子に起因した膜の組成ずれや膜へのダメ
ージ等の問題や、またターゲット材料やスパッタリング
条件によっては膜が形成されず、逆に基体がエッチング
される等の問題があった。However, when a reactive gas such as NF 3 or F 2 gas is introduced to form a film of a fluoride material on a lens or the like, the negative ions of fluorine and a fluorine compound which fly out of the target are accelerated by the cathode sheath voltage. In addition, there were problems such as a composition shift of the film due to the generated high energy particles and damage to the film, and a problem that the film was not formed depending on the target material and sputtering conditions, and the substrate was etched on the contrary. .
【0006】このような問題に対し、下記に示すいくつ
かの解決策が提案されてきた。[0006] To solve such a problem, several solutions described below have been proposed.
【0007】(1)スパッタリング圧力条件を通常の圧
力より高い条件下で成膜することにより、ガスとの衝突
回数を増やし、高エネルギー粒子の運動エネルギーを減
少させる。(1) The number of collisions with a gas is increased and the kinetic energy of high-energy particles is reduced by forming a film under a sputtering pressure condition higher than a normal pressure.
【0008】(2)強い磁界を用いることにより放電イ
ンピーダンスを下げ、プラズマ維持電圧を下げ、カソー
ドシース電圧を下げることにより、高エネルギー粒子の
密度を減少させる。(2) The density of high-energy particles is reduced by using a strong magnetic field to lower the discharge impedance, lower the plasma sustain voltage, and lower the cathode sheath voltage.
【0009】(3)通常用いられている高周波電源のR
F帯周波数(13.56MHz)をVHF帯(100M
Hz)の周波数を用いたスパッタリングによりカソード
シース電圧を下げることで、高エネルギー粒子のエネル
ギーを減少させる。(3) R of commonly used high frequency power supply
F-band frequency (13.56 MHz) is converted to VHF band (100M
The energy of the energetic particles is reduced by lowering the cathode sheath voltage by sputtering using a frequency of (Hz).
【0010】(4)平行平板のターゲットと基体の配置
構成から基体あるいはターゲットを90度回転したオフ
アクシス型スパッタ装置(特開平06−17248号公
報)やスパッタ面が空間を隔てて対面するように設ける
とともに、該スパッタ面に垂直な方向の磁界を発生する
手段と前記ターゲット間の空間の側方に配置した基体上
に薄膜形成をするような対向ターゲットスパッタ装置
(特開平05−182911号公報)等の構成にするこ
とにより、高エネルギー粒子が直接基体表面に衝突しな
いようにする。(4) An off-axis sputtering apparatus (Japanese Patent Laid-Open No. 06-17248) in which the substrate or the target is rotated by 90 degrees based on the arrangement of the parallel plate target and the substrate, or the sputtered surface is separated by a space. A facing target sputtering apparatus for forming a thin film on a substrate disposed on a side of a space between the target and a means for generating a magnetic field in a direction perpendicular to the sputtering surface (Japanese Patent Laid-Open No. 05-182911) With such a configuration, high-energy particles are prevented from directly colliding with the substrate surface.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の解決策は、高エネルギー粒子に起因する問題を十分に
解決することができず、また成膜速度の低下を招くとい
う問題があった。However, these solutions cannot sufficiently solve the problems caused by the high-energy particles, and also have the problems of lowering the film forming speed.
【0012】上述の(1)乃至(3)の解決策において
は、スパッタリング圧力条件を通常の圧力より高い条件
下で成膜したり、あるいは強い磁界やVHF帯の周波数
を用いるといった手段が講じられており、共に放電イン
ピーダンスが低くなる条件でターゲットにかかるセルフ
バイアス電圧は低下する。セルフバイアス電圧の低下に
より、高エネルギー粒子を(エネルギーは電圧低下)低
く抑えることができるが、基体のダメージを完全に無く
すことはできない。さらには、成膜速度の低下を招くこ
とにもなる。In the above-mentioned solutions (1) to (3), measures are taken such as forming a film under a sputtering pressure condition higher than a normal pressure, or using a strong magnetic field or a VHF band frequency. In both cases, the self-bias voltage applied to the target decreases under the condition that the discharge impedance decreases. By lowering the self-bias voltage, high-energy particles (the energy drops in voltage) can be kept low, but damage to the substrate cannot be completely eliminated. Further, the film formation rate is reduced.
【0013】上述の(4)のオフアクシス型スパッタ装
置の場合は、ターゲットと基体との配置が平行平板のタ
ーゲットと基体の配置構成から基体あるいはターゲット
を90度回転した側面配置のため、ターゲット面で形成
された負イオンによるダメージの少ない膜形成が可能と
なる。しかし側面配置構成であるがゆえに成膜速度を大
幅に犠牲にした成膜方法となってしまう。In the case of the above-described off-axis type sputtering apparatus (4), the target and the substrate are arranged side by side by rotating the substrate or the target by 90 degrees from the arrangement of the parallel plate target and the substrate. It is possible to form a film with less damage due to negative ions formed in the step (1). However, because of the side-surface arrangement, the film forming method is greatly sacrificed in film forming speed.
【0014】また、対向ターゲットスパッタ装置(特開
平05−182911号公報)で負イオンの形成しやす
い材料のスパッタリングを行うとき、対向ターゲットの
特徴を生かし、基体が空間を隔てて対面しているため、
ターゲット表面で形成された負イオンによるダメージの
少ない膜形成が可能であるが、放電印加電力の増大とと
もにターゲットのエロージョン領域がターゲット中央に
集中する現象がみられる。Further, when sputtering is performed on a material in which negative ions are easily formed with a facing target sputtering apparatus (Japanese Patent Laid-Open No. 05-182911), the substrate faces each other with a space therebetween, taking advantage of the features of the facing target. ,
Although it is possible to form a film with less damage due to negative ions formed on the surface of the target, a phenomenon is observed in which the erosion region of the target is concentrated at the center of the target with an increase in the power applied to discharge.
【0015】特にターゲットが非磁性体の場合にかかる
現象は顕著である。このようなエロージョン領域の集中
は成膜速度の低下ばかりでなく膜厚分布に悪影響を及ぼ
し、さらにはスパッタリングの高速化をはかるために大
電力を印加する場合等においては、スパークの原因とも
なり好ましいものではない。This phenomenon is particularly remarkable when the target is a non-magnetic material. Such concentration of the erosion region not only lowers the film forming speed but also adversely affects the film thickness distribution. Further, in the case where a large power is applied in order to increase the speed of sputtering, it causes a spark, which is preferable. Not something.
【0016】本発明はかかる欠点を克服するために、従
来とは異なったスパッタカソードを搭載した反応性スパ
ッタ装置を開発し、ダメージや組成ずれの少ない良質な
酸化膜やフッ化膜等からなる光学薄膜や超伝導薄膜を、
大面積基体上に、しかも高速で成膜できる反応性スパッ
タ装置を提供することを目的とするものである。In order to overcome the above drawbacks, the present invention has developed a reactive sputtering apparatus equipped with a sputtering cathode different from the conventional one, and has developed an optical film made of a high-quality oxide film or fluoride film with little damage or composition deviation. Thin films and superconducting thin films
It is an object of the present invention to provide a reactive sputtering apparatus capable of forming a film on a large-area substrate at a high speed.
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段】本発明は、スパッタガス
と反応ガスを導入し、ターゲットをスパッタして、基体
上に成膜する反応性スパッタ装置であって、前記基体の
近傍に反応ガスを導入する手段を有し、かつ、前記ター
ゲットが、前記基体に向かって凹状面を有し、その凹状
面が、円筒形状または略楕円柱形状をなし、該ターゲッ
トの底面に、スパッタガスを導入する手段を有すること
を特徴とする反応性スパッタ装置に関する。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a reactive sputtering apparatus for introducing a sputtering gas and a reaction gas, sputtering a target, and forming a film on a substrate. Means for introducing, and the target has a concave surface facing the base, the concave surface has a cylindrical shape or a substantially elliptical column shape, and a sputter gas is introduced to the bottom surface of the target. The present invention relates to a reactive sputtering apparatus characterized by having means.
【0018】前記ターゲットの側面の任意の位置におけ
る法線が、前記基体の成膜面と交わらない配置となって
いる。The normal line at an arbitrary position on the side surface of the target does not cross the film-forming surface of the substrate.
【0019】また、好ましくは、前記ターゲットの側面
が複数段のターゲットで構成され、その内の1つにター
ゲット表面状態の検出手段を有し、その検出手段がスパ
ッタ電源から供給される一定電力の印加電圧またはセル
フバイアス電圧である。さらには、その印加電圧または
セルフバイアス電圧が一定となるように前記スパッタガ
ス及び前記反応ガスの流量を制御する手段を有する。Preferably, the side surface of the target is composed of a plurality of stages of targets, one of which has a means for detecting the surface state of the target, and the detecting means has a constant power supplied from a sputtering power source. The applied voltage or the self-bias voltage. Further, there is provided means for controlling the flow rates of the sputtering gas and the reaction gas so that the applied voltage or the self-bias voltage is constant.
【0020】また、好ましくは、前記ターゲットの外側
面に、ターゲット冷却手段と、1または複数のマグネト
ロン磁場形成手段とを有する。このマグネトロン磁場形
成手段としては、例えば、リング状の磁石が好ましい態
様として挙げられる。Preferably, a target cooling means and one or more magnetron magnetic field forming means are provided on the outer surface of the target. As the magnetron magnetic field forming means, for example, a ring-shaped magnet is mentioned as a preferable embodiment.
【0021】また、本発明の反応性スパッタ装置におい
て、前記ターゲットの底面が金属の多孔質ターゲットで
あることが好ましい。Further, in the reactive sputtering apparatus of the present invention, it is preferable that the bottom surface of the target is a metal porous target.
【0022】本発明の反応性スパッタ装置において使用
するスパッタガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、ク
リプトン、キセノンから選択される1種または複数種の
不活性ガスである。また、反応ガスは、フッ素または酸
素を含む反応ガスである。The sputter gas used in the reactive sputtering apparatus of the present invention is one or more inert gases selected from helium, neon, argon, krypton, and xenon. The reaction gas is a reaction gas containing fluorine or oxygen.
【0023】さらに本発明は、上記の反応性スパッタ装
置を用いて、基体上に成膜する反応性スパッタ方法に関
する。Further, the present invention relates to a reactive sputtering method for forming a film on a substrate using the above reactive sputtering apparatus.
【0024】[0024]
【発明の実施の形態】本発明の反応性スパッタ装置は、
基体上に酸化膜、または、フッ化膜を成膜する反応性ス
パッタ装置で、特に、Al、Y、Mg等負イオンの発生
しやすいターゲットを使用して酸化イットリウム(Y2
O3)やフッ化アルミニウム(AlF3)、フッ化マグネ
シウム(MgF2)等の酸化膜やフッ化物の膜を反応性
スパッタリングで薄膜形成する場合に有効である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The reactive sputtering apparatus of the present invention comprises:
A reactive sputtering apparatus for forming an oxide film or a fluoride film on a substrate, particularly using a target such as Al, Y, Mg, etc., which easily generates negative ions, yttrium oxide (Y 2
This is effective when an oxide film such as O 3 ), aluminum fluoride (AlF 3 ), and magnesium fluoride (MgF 2 ) or a fluoride film is formed by reactive sputtering.
【0025】本発明の構成において、マグネトロン磁場
形成手段を有する場合、凹状面の側面のスパッタ面で
は、ターゲット表面に垂直な電界と径方向にほぼ垂直な
磁界が交差する同軸マグネトロン放電条件となり、電子
はターゲット表面に垂直な弧(サイクロイド曲線)を描
き、スパッタガス分子と衝突してイオン化しながら周方
向(閉ループ)に移動するマグネトロン放電を発生させ
ることができる。In the structure of the present invention, when the magnetron magnetic field forming means is provided, the coaxial magnetron discharge condition in which the electric field perpendicular to the target surface and the magnetic field almost perpendicular to the radial direction intersect on the sputtering surface on the side of the concave surface, Draws an arc (cycloid curve) perpendicular to the target surface, and can generate a magnetron discharge moving in the circumferential direction (closed loop) while ionizing by colliding with sputter gas molecules.
【0026】イオン化されたスパッタガス分子は負電位
にバイアスされたターゲット表面に向かって加速、衝突
してスパッタリングが開始される。The ionized sputtering gas molecules accelerate and collide with the target surface biased to a negative potential to start sputtering.
【0027】スパッタガスとしては、例えば、ヘリウ
ム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンから選択
される1種または複数種の不活性ガスを用いる。As the sputtering gas, for example, one or more inert gases selected from helium, neon, argon, krypton, and xenon are used.
【0028】本発明においては、特にAl、Y、Mg等
の負イオンの発生しやすいターゲットを使用して酸化イ
ットリウム(Y2O3)やフッ化アルミニウム(Al
F3)、フッ化マグネシウム(MgF2)等の酸化膜やフ
ッ化物の膜を形成する場合を考える。In the present invention, in particular, a target in which negative ions such as Al, Y and Mg are easily generated is used, and yttrium oxide (Y 2 O 3 ) or aluminum fluoride (Al
A case in which an oxide film such as F 3 ) or magnesium fluoride (MgF 2 ) or a fluoride film is formed will be considered.
【0029】通常の平行平板型マグネトロンスパッタリ
ング装置で反応性スパッタを行なう場合、反応ガスの影
響でターゲット表面に薄い酸化イットリウム(Y
2O3)、フッ化アルミニウム(AlF3)、フッ化マグ
ネシウム(MgF2)等の化合物膜が形成される。この
化合物膜が形成されたスパッタ面をスパッタリングする
と負イオンまたは負イオンが結合した化合物が一部形成
され、形成された負イオンはイオンシース電圧で加速さ
れ大きな運動エネルギーと方向性を持った負イオンとな
る。When reactive sputtering is performed by a usual parallel plate type magnetron sputtering apparatus, a thin yttrium oxide (Y
Compound films such as 2 O 3 ), aluminum fluoride (AlF 3 ), and magnesium fluoride (MgF 2 ) are formed. When the sputtering surface on which the compound film is formed is sputtered, negative ions or a compound in which the negative ions are bonded are partially formed, and the formed negative ions are accelerated by an ion sheath voltage and have a large kinetic energy and directionality. Becomes
【0030】一般に負イオンまたは負イオンが結合した
化合物は非常に不安定なためにガス分子との衝突で中和
され中性粒子となる。このため、方向性と大きな運動エ
ネルギーを持った中性粒子は正面に配置された基体と衝
突し大きなダメージを与える。In general, a negative ion or a compound to which a negative ion is bonded is very unstable, so that it is neutralized by collision with gas molecules to form neutral particles. For this reason, neutral particles having directionality and large kinetic energy collide with a substrate disposed in front and cause large damage.
【0031】また、スパッタリング条件によっては、基
体表面に衝突する負イオン(飛行中に中性粒子となる)
のエッチング速度が成膜速度より高い場合もあり、膜が
形成されないこともある。Further, depending on the sputtering conditions, negative ions colliding with the substrate surface (neutral particles during flight)
In some cases, the etching rate may be higher than the film forming rate, and the film may not be formed.
【0032】一方、本発明の構成では、ターゲットが基
体に向かって凹状面をなし、その凹状面が、円筒形状ま
たは略円柱形状を有している。つまり本発明で用いるタ
ーゲットは、凹状面の側面部分と底面部分にスパッタ面
を有することになる。On the other hand, in the configuration of the present invention, the target has a concave surface facing the base, and the concave surface has a cylindrical shape or a substantially columnar shape. That is, the target used in the present invention has a sputtered surface on the side surface portion and the bottom surface portion of the concave surface.
【0033】このターゲット側面部分のスパッタ面で発
生した負イオンはシース電圧によりターゲットの中心方
向に加速される。負イオンは反応性が大きいため、飛行
の途中で質量の軽いガス分子と衝突して電荷を失い中性
粒子となる。このとき、負イオンはガス分子に比べて質
量数が大きいために、衝突による軌道変更はほとんど生
じない。このようにして、負イオンに由来する高いエネ
ルギーを持った中性粒子は対面のターゲットに衝突す
る。The negative ions generated on the sputtering surface on the side surface of the target are accelerated toward the center of the target by the sheath voltage. Since negative ions have high reactivity, they collide with gas molecules having a low mass during flight and lose their electric charge to become neutral particles. At this time, since the mass number of the negative ion is larger than that of the gas molecule, the orbital change due to collision hardly occurs. In this way, high energy neutral particles derived from negative ions collide with the facing target.
【0034】一方、スパッタリングによりターゲット表
面より放出されるスパッタ粒子は放出角度分布を持ち、
種々の方向に放出されるので、基体の方向に放出された
粒子は、電界、磁界の影響を受けることなく直進し、基
体に堆積する。On the other hand, sputtered particles emitted from the target surface by sputtering have an emission angle distribution,
Since the particles are emitted in various directions, the particles emitted in the direction of the substrate travel straight without being affected by an electric field and a magnetic field, and are deposited on the substrate.
【0035】しかし、基体とターゲット底面は対向して
いるため、凹形状ターゲット底面で形成された負イオン
または負イオンが結合した化合物は、基体成膜面に到達
し、膜質及び成膜速度の低下を招く可能性が皆無とはい
えない。However, since the base and the bottom surface of the target are opposed to each other, the negative ions or the compound formed by binding the negative ions formed on the bottom surface of the concave target reach the base film formation surface, and the film quality and the film formation speed are reduced. There is no possibility that this will happen.
【0036】特に質量の大きな負イオンが結合した化合
物等は、大きなエネルギーを有しているので、スパッタ
リング率は高く、スパッタ面がターゲット以外の基体や
ホルダー、真空部材等に向いている場合に、膜のダメー
ジや膜中への不純物混入等の原因となりうる。Particularly, a compound or the like to which a negative ion having a large mass has a large energy has a high sputtering rate, and when the sputtering surface is suitable for a substrate, a holder, a vacuum member or the like other than the target, This may cause damage to the film and contamination of impurities into the film.
【0037】そこで、本発明においては、凹状面を有す
るターゲットの底部からスパッタガスを導入することに
よって、スパッタガスと反応ガスをガス分離し、さらに
膜のダメージや膜中への不純物混入を低減する対策をと
っている。Therefore, in the present invention, the sputtering gas is introduced from the bottom of the target having a concave surface to separate the reaction gas from the sputtering gas, thereby further reducing damage to the film and mixing of impurities into the film. We are taking measures.
【0038】つまり、底部からスパッタガスを導入する
ことにより、凹形状ターゲット空間部には、スパッタガ
スが主に充填されることとなり、反応ガスとガス分離が
可能となり、あるいは、凹状面底部に行くほどスパッタ
ガスの濃度が濃くなる濃度勾配が形成され、酸素、フッ
素を含む反応ガスの侵入を抑えることが可能となるので
ある。したがって、凹状面底面部における負イオンの発
生が抑えられる。That is, by introducing the sputter gas from the bottom, the sputter gas is mainly filled in the concave target space, and the gas can be separated from the reaction gas, or the concave target space goes to the concave bottom. As the concentration of the sputtering gas becomes higher, a concentration gradient is formed, and the intrusion of the reaction gas containing oxygen and fluorine can be suppressed. Therefore, generation of negative ions at the bottom surface of the concave surface is suppressed.
【0039】凹形状ターゲット開口部近傍では、反応ガ
スの侵入があるが一部はスパッタリングされたスパッタ
リング粒子と反応して消費され、残りの反応ガスは凹形
状ターゲット開口部近傍から濃度勾配に比例した化合物
膜が形成される。その結果、化合物膜の形成を凹面形状
ターゲット側面部分領域に抑えることができる。凹面形
状ターゲット側面部分に化合物膜が形成され負イオンが
形成されても、スパッタ面の任意の位置における法線が
基体ホルダーの基体成膜面と交わらない配置とすること
により、基体への負イオンダメージを与えることはな
い。In the vicinity of the opening of the concave target, there is intrusion of the reaction gas, but a part of the reaction gas is consumed by reacting with the sputtered sputtered particles, and the remaining reaction gas is proportional to the concentration gradient from the vicinity of the opening of the concave target. A compound film is formed. As a result, the formation of the compound film can be suppressed to the partial region of the side surface of the concave target. Even if a compound film is formed on the side surface of the concave target and negative ions are formed, the arrangement is such that the normal line at an arbitrary position on the sputtering surface does not intersect with the substrate deposition surface of the substrate holder, so that the negative ions No damage is done.
【0040】本発明のターゲットの凹状面は、底面の一
方が基体成膜面に向かって開口した図4(a)の131に示し
たような円筒形状または図4(b)の132に示したような略
楕円柱形状となっている。略楕円柱形状とは、底面形状
が、楕円もしくは、ほぼ楕円形状(小判形状)を含む。The concave surface of the target of the present invention has a cylindrical shape as shown at 131 in FIG. 4A or one shown at 132 in FIG. It has such a substantially elliptical column shape. The substantially elliptical column shape includes a bottom shape including an ellipse or a substantially elliptical shape (an oval shape).
【0041】また、ターゲット底面の材質については、
ターゲット側面と同じ材料で微粉末を圧縮成型した金属
の多孔質ターゲットを用いることが好ましい。このよう
な多孔質材料を用い、多孔質孔を通してスパッタガスを
供給することにより、均一に供給することができ、さら
にターゲット表面の反応ガスによる化合物膜形成を抑え
ることができより好ましい。多孔質体の孔のサイズ及び
多孔度は供給すべきスパッタガスの量に応じて適宜定め
ることができる。As for the material of the target bottom surface,
It is preferable to use a metal porous target obtained by compression-molding fine powder with the same material as the target side surface. By using such a porous material and supplying the sputtering gas through the porous holes, the sputtering gas can be supplied uniformly, and the formation of the compound film due to the reaction gas on the target surface can be suppressed, which is more preferable. The pore size and porosity of the porous body can be appropriately determined according to the amount of the sputtering gas to be supplied.
【0042】ターゲットの底面を多孔質体としない場合
は、スパッタガスの導入孔134を、図5に示すようにタ
ーゲット底面133に設けても良い。When the bottom surface of the target is not made of a porous material, a sputter gas introduction hole 134 may be provided in the target bottom surface 133 as shown in FIG.
【0043】さらに、プロセスの安定化を図るために、
ターゲット表面状態の検出手段及び制御手段を設ける。
図3は、ターゲットに供給する電力およびスパッタリン
グ圧力を一定にし、スパッタガスと反応ガスの比を変化
させた時のターゲットに印加される電圧変化を示した図
である。Further, in order to stabilize the process,
A means for detecting a target surface state and a control means are provided.
FIG. 3 is a diagram showing a change in voltage applied to the target when the power supplied to the target and the sputtering pressure are kept constant and the ratio between the sputtering gas and the reaction gas is changed.
【0044】ターゲット表面が金属状態の時は負の大き
い電圧を示し、反応ガス流量を徐々に増していくとター
ゲット表面は金属と化合物形成の混合状態から全面が化
合物形成に覆われた状態に変化し、それに伴ってターゲ
ット印加電圧は低い値を示す。When the target surface is in a metallic state, a large negative voltage is exhibited, and as the reaction gas flow rate is gradually increased, the target surface changes from a mixed state of metal and compound formation to a state in which the entire surface is covered with compound formation. Accordingly, the target applied voltage shows a low value.
【0045】本発明においては、好ましくは、凹状面の
側面部ターゲットを複数段で形成し、その一部の印加電
圧を計測しターゲット表面状態を判断してもよい。ター
ゲット表面状態、およびスパッタリング圧力がいつも一
定となるように反応ガスとスパッタガス流量を制御す
る。このように、凹面形状ターゲットの一部のターゲッ
ト表面状態を監視し一定となるように反応ガスとスパッ
タガス流量を制御することによりターゲット内空間部の
濃度勾配を一定にし、且つ、ターゲット底面部分のガス
分離が可能で、問題となる凹状面底面部分ではいつもタ
ーゲットの金属部分が露出した金属スパッタリングとな
り負イオン発生を防止することができる。In the present invention, preferably, the side surface target having the concave surface may be formed in a plurality of stages, and the applied voltage of a part of the target may be measured to determine the target surface state. The reaction gas and sputter gas flow rates are controlled so that the target surface state and the sputtering pressure are always constant. In this way, by monitoring the target surface state of a part of the concave target and controlling the flow rate of the reaction gas and the sputtering gas so as to be constant, the concentration gradient of the target internal space is made constant, and the target bottom surface part is formed. Since gas separation is possible, the metal portion of the target is always exposed at the bottom surface of the concave surface, which is a problem, so that metal sputtering is exposed, thereby preventing generation of negative ions.
【0046】以上により、本発明では、ターゲット形状
を凹面形状にしてターゲット底面からスパッタガスであ
る不活性ガスを供給し、さらに、基体近傍に反応ガスを
導入する構成とすることにより凹状面ターゲット内空間
部では不活性ガスと反応ガスの濃度勾配が形成される。
反応ガスが侵入する凹状面ターゲット開口部近傍ではタ
ーゲット面の法線が基体と交差しない配置となるため、
負イオンが形成されても基体に成膜された膜にダメージ
を与えることがない。一方、ターゲット面の法線が基体
と交差する凹面形状のターゲット底面では不活性ガスと
反応ガスのガス分離が達成され金属部分が露出した金属
スパッタリングとなり負イオン発生を防止することがで
きる。As described above, in the present invention, the target is formed into a concave shape, an inert gas as a sputter gas is supplied from the bottom of the target, and a reaction gas is introduced into the vicinity of the substrate. In the space, a concentration gradient between the inert gas and the reaction gas is formed.
In the vicinity of the concave target opening where the reaction gas enters, the normal of the target surface is arranged so as not to intersect with the base,
Even if negative ions are formed, the film formed on the substrate is not damaged. On the other hand, on the concave bottom surface where the normal line of the target surface intersects with the substrate, the gas separation of the inert gas and the reactive gas is achieved, and the metal portion becomes exposed metal sputtering, thereby preventing the generation of negative ions.
【0047】このように、従来と比較して負イオンダメ
ージのない反応性スパッタリングを可能にすることによ
り光学薄膜や超伝導薄膜を組成ずれの少ない良質な薄膜
を得ることができる。As described above, by enabling reactive sputtering without negative ion damage as compared with the prior art, it is possible to obtain a high quality optical thin film or superconductive thin film with less composition deviation.
【0048】[0048]
【実施例】以下、実施例を示しながら、さらに本発明に
ついて詳述する。The present invention will be described in further detail below with reference to examples.
【0049】(実施例1)図1は本発明の反応性スパッ
タ装置の一実施形態の断面図である。Example 1 FIG. 1 is a sectional view of one embodiment of the reactive sputtering apparatus of the present invention.
【0050】図1において、10は真空チャンバー、2
0はチャンバー10を排気する真空ポンプ等からなる排
気系、30はスパッタガス導入系、31は反応ガス導入
系である。そして真空チャンバー10内には、図示の如
く、チャンバー10に絶縁部材11を介して固着された
ターゲットホルダー12が設けられ、該ホルダー12に
は断面が凹面形状の一体型の円筒状ターゲット13が配
設してある。さらに円筒状ターゲット13の底面にはタ
ーゲットと同じ材料で微粉末を圧縮成型させた金属の多
孔質ターゲット14が配設してある。In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a vacuum chamber, 2
Reference numeral 0 denotes an exhaust system including a vacuum pump for exhausting the chamber 10, reference numeral 30 denotes a sputtering gas introduction system, and reference numeral 31 denotes a reaction gas introduction system. As shown, a target holder 12 fixed to the chamber 10 via an insulating member 11 is provided in the vacuum chamber 10, and an integrated cylindrical target 13 having a concave cross section is provided in the holder 12. It is set up. Further, on the bottom surface of the cylindrical target 13, a metal porous target 14 obtained by compression-molding fine powder with the same material as the target is provided.
【0051】このターゲット13の外側面には、磁界発
生手段である複数のリング状永久磁石15が円筒状ター
ゲット13内面のスパッタ面に平行に配置してある。On the outer surface of the target 13, a plurality of ring-shaped permanent magnets 15, which are magnetic field generating means, are arranged in parallel to the sputter surface on the inner surface of the cylindrical target 13.
【0052】ターゲット13とそれに対応するターゲッ
トホルダー12の部分には、冷却パイプ161、162
を介して冷却水が水冷ジャケット17内部を循環し、タ
ーゲット13、14及び永久磁石15が冷却されるよう
になっている。Cooling pipes 161 and 162 are provided on the target 13 and the target holder 12 corresponding thereto.
The cooling water circulates through the inside of the water-cooling jacket 17 through the, and the targets 13 and 14 and the permanent magnet 15 are cooled.
【0053】リング状永久磁石15の磁極の向きは図1
のような極性に配置し、各々の磁石で磁界50が閉ルー
プを形成できる極性に配置してある。The orientation of the magnetic poles of the ring-shaped permanent magnet 15 is shown in FIG.
And the magnets are arranged so that the magnetic field 50 can form a closed loop with each magnet.
【0054】なお、18は放電をシールドするシールド
板で、ターゲット材料以外のスパッタリングを防止し薄
膜中への不純物混入を防止する役割や、ターゲットホル
ダー12、絶縁部材11等の防着板、さらに陽極として
も働く。Reference numeral 18 denotes a shield plate for shielding discharge, which serves to prevent sputtering of materials other than the target material to prevent impurities from being mixed into the thin film, as well as to prevent deposition of the target holder 12, the insulating member 11, etc. Works as well.
【0055】また、凹面形状のターゲット底面14の対
面側には、薄膜が形成される基体40を保持する基体ホ
ルダー41が配設されている。基体ホルダー40と凹面
形状ターゲット開口部の基体ホルダー側の近傍に反応ガ
スを導入するガスリング32と中央部に開閉機構を有す
るシャッター板19が配設されている。A substrate holder 41 for holding a substrate 40 on which a thin film is to be formed is provided on the side facing the concave target bottom surface 14. A gas ring 32 for introducing a reaction gas is provided near the base holder side of the base holder 40 and the concave target opening, and a shutter plate 19 having an opening / closing mechanism at the center is provided.
【0056】一方、スパッタ電力を供給する直流、高周
波電源またはそれらの重畳からなる電力供給手段60は
プラス側をアースに、マイナス側をターゲットホルダー
12、ターゲット13、14に接続する。なお、プリス
パッタ時に基体40の膜付着を保護するため基体40と
ターゲット14との間に出入りするシャッター19が設
けてある。On the other hand, a power supply means 60 composed of a direct current, a high frequency power supply or a superposition thereof for supplying a sputtering power has a plus side connected to the ground and a minus side connected to the target holder 12 and the targets 13 and 14. A shutter 19 is provided between the substrate 40 and the target 14 to protect the substrate 40 from adhering a film during pre-sputtering.
【0057】さらに、ターゲット13、14を図4(b)
の132に示したような略楕円柱形状(小判形状)にし
て、略楕円の開口部(底面も同様)の長軸長さy、短軸
長さxを最適化することによりターゲット開口部の前面
を移動又は回転する大面積基体に対応することが可能で
ある。なお、長軸長さ、短軸長さは、略楕円形の中央部
を通る軸のうち、最も長い軸の長さと最も短い軸の長さ
を意味するものとする。Further, the targets 13 and 14 are set as shown in FIG.
By making the shape of a substantially elliptical cylinder (oval shape) as shown in 132, and optimizing the major axis length y and the minor axis length x of the substantially elliptical opening (same for the bottom surface), It is possible to correspond to a large-area substrate that moves or rotates the front surface. Note that the major axis length and the minor axis length mean the length of the longest axis and the length of the shortest axis among the axes passing through the central portion of the substantially elliptical shape.
【0058】次に、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス
をスパッタガス導入系30より多孔質ターゲット14を
通して凹面形状ターゲット空間部に導入し、さらに、ス
パッタリング中に負イオンの発生しやすい酸素(O2)
や三フッ化窒素(NF3)、不活性ガス希釈のフッ素
(F2)等の反応ガスを反応ガス供給系31から基体ホ
ルダー側の近傍に反応ガスを導入するガスリング32よ
り導入し、直流、高周波またはそれらの重畳した電力を
印加する。ターゲット13のスパッタ面では、前述した
リング状永久磁石15によってスパッタ面に平行な磁界
と垂直の電界が形成される。Next, an inert gas such as argon or helium is introduced from the sputtering gas introduction system 30 into the concave target space through the porous target 14, and oxygen (O 2), which is likely to generate negative ions during sputtering, is further introduced. )
Gas such as nitrogen, nitrogen trifluoride (NF 3 ), fluorine (F 2 ) diluted with an inert gas, or the like, is introduced from a reaction gas supply system 31 through a gas ring 32 for introducing the reaction gas to the vicinity of the substrate holder. , High frequency or superimposed power is applied. On the sputtering surface of the target 13, a magnetic field parallel to the sputtering surface and a vertical electric field are formed by the ring-shaped permanent magnet 15 described above.
【0059】このように磁界と電界が垂直に形成される
と、ターゲットに印加された電界で移動した電子は磁界
で曲げられサイクロイド運動しながらターゲットの円周
方向に回転する。サイクロイド運動する電子は飛行距離
が長くなり、スパッタガス分子と衝突する確率が高くな
る。電子と衝突したガス分子は、イオン化されマグネト
ロン放電が形成できる。ターゲット13、14には、電
力供給手段60から負の電圧が印加されているのでイオ
ン化されたガス分子は、ターゲット13、14のスパッ
タ面に加速しながら引き寄せられターゲットに衝突しタ
ーゲット材料を叩き出すマグネトロンスパッタが生じ
る。When the magnetic field and the electric field are formed vertically in this manner, the electrons moved by the electric field applied to the target are bent by the magnetic field and rotate in the circumferential direction of the target while performing cycloidal motion. Cycloidally moving electrons have a longer flight distance and a higher probability of colliding with sputter gas molecules. The gas molecules that collide with the electrons are ionized to form a magnetron discharge. Since a negative voltage is applied to the targets 13 and 14 from the power supply means 60, the ionized gas molecules are attracted while accelerating to the sputtering surfaces of the targets 13 and 14 and collide with the targets to strike out the target material. Magnetron sputtering occurs.
【0060】一方、凹面形状のターゲットの側面と同材
料で作られた凹面形状ターゲット底面の金属の多孔質タ
ーゲット14の孔から供給されたスパッタガスと基体近
傍のガスリング32から供給された反応ガスの濃度は、
凹面形状ターゲット空間部ではスパッタリングされた材
料との反応で消費されることや、コンダクタンスのため
圧力差が生じることによりガス濃度勾配が形成される。On the other hand, the sputtering gas supplied from the hole of the metal porous target 14 on the bottom surface of the concave target made of the same material as the side surface of the concave target, and the reaction gas supplied from the gas ring 32 near the substrate. The concentration of
In the concave target space, a gas concentration gradient is formed due to consumption by the reaction with the sputtered material and a pressure difference due to conductance.
【0061】このとき、ターゲット13の開口部近傍の
ターゲット表面では反応ガスの侵入があるためスパッタ
リング中に正イオン、中性粒子、電子、負イオンが生成
される。生成された負イオンはターゲット電圧と同極性
のため反発しイオンシースでスパッタ面にほぼ垂直に加
速される。加速された負イオンは飛行中のスパッタガス
分子と衝突し、高エネルギー中性粒子となり、向かい合
うターゲットに衝突しターゲット材料を叩き出すスパッ
タリング現象をおこす。同様に基体と対向している底面
ターゲット14のスパッタ面では反応ガスの侵入は抑え
られているので、負イオンが生成されない金属スパッタ
リング状態となり、基体へのダメージのない成膜が得ら
れる。At this time, since a reaction gas enters the target surface near the opening of the target 13, positive ions, neutral particles, electrons, and negative ions are generated during sputtering. The generated negative ions are repelled because they have the same polarity as the target voltage, and are accelerated by the ion sheath almost perpendicular to the sputtering surface. The accelerated negative ions collide with the sputter gas molecules in flight, become high-energy neutral particles, and collide with the opposing target, causing a sputtering phenomenon in which the target material is beaten. Similarly, since the invasion of the reaction gas is suppressed on the sputtering surface of the bottom target 14 facing the base, the metal sputtering state where no negative ions are generated is obtained, and a film without damage to the base can be obtained.
【0062】また、基体表面で良好な薄膜を生成させる
には次の2がポイントとなる。In order to form a good thin film on the substrate surface, the following two points are important.
【0063】1)飛行してくるスパッタリング粒子が必
要とする反応ガスが十分に供給されている。1) The reactant gas required by the flying sputtering particles is sufficiently supplied.
【0064】2)反応に必要な適度な大きさのアシスト
エネルギーが十分に供給されている。ここで、アシスト
エネルギーとは、プラズマと基体の電位差(数十ボルト
程度)を示し、正に電離したスパッタガスイオン及び反
応ガスイオンの一部は、この電圧で加速され基体に入射
する。ある程度のエネルギーを有し基体に入射するこれ
らのイオンは、基体表面における反応を促進するだけで
はなく、膜質を緻密にする効果を有する。2) An adequate amount of assist energy required for the reaction is sufficiently supplied. Here, the assist energy indicates a potential difference (about several tens of volts) between the plasma and the substrate, and a part of the positively ionized sputter gas ions and reactive gas ions are accelerated by this voltage and enter the substrate. These ions having a certain energy and incident on the substrate not only promote the reaction on the substrate surface but also have the effect of densifying the film quality.
【0065】反応ガスとスパッタガス比は、本発明で
は、ガス分離を行う関係上、スパッタガスをあまり少な
くすることができない。そのため、スパッタリング速度
で調整を行うのが好ましい。しかし、電力供給手段の電
力調整では、2)のアシストエネルギーが変化するので
本発明では、スパッタガスのガス種の導入量を変化させ
ることにより行う。具体的には質量の重いアルゴンガス
と質量の軽いHeガスの比を変化させることで成膜速度
を最適化する。In the present invention, the ratio of the reactant gas to the sputter gas cannot be reduced so much because the gas is separated. Therefore, it is preferable that the adjustment be performed at the sputtering speed. However, in the power adjustment of the power supply means, the assist energy of 2) changes, so in the present invention, the adjustment is performed by changing the introduction amount of the gas type of the sputtering gas. Specifically, the film formation rate is optimized by changing the ratio of the heavy argon gas to the light He gas.
【0066】尚、ヘリウムガスは、アルゴンガスに比べ
イオン化エネルギーが高く、それぞれ15.8eV、2
4.6eVでイオンの寿命も長い等の特徴があり、ペニ
ング効果により反応促進の効果もある。The helium gas has a higher ionization energy than the argon gas, and is 15.8 eV, 2
It has characteristics such as a long ion life of 4.6 eV, and also has the effect of accelerating the reaction by the Penning effect.
【0067】以上のように成膜速度、反応ガス流量、ア
シストエネルギー等を最適化することにより良質な膜形
成が可能である。As described above, a high quality film can be formed by optimizing the film forming speed, the flow rate of the reaction gas, the assist energy and the like.
【0068】前記ターゲット構成では、凹面形状ターゲ
ット空間部にスパッタガスと反応ガスの適度な濃度分布
が形成される。そして、反応ガスが侵入される開口部近
傍のスパッタ面では、スパッタ面の法線が基体と交わら
ない配置構成のため、生成された負イオンは向かい合う
ターゲット面をスパッタリングする。また、底面のスパ
ッタ面では、反応ガスの侵入は抑えられガス分離ができ
るので負イオンが生成されない金属スパッタリングとな
る。このように、凹面形状ターゲット底面では、ガス分
離がされるので負イオンの発生しない金属スパッタとな
り、また、反応ガスの侵入のある側面では、スパッタ面
で形成された負イオン(飛行中衝突により高エネルギー
中性粒子となる)は向かい合うターゲット面と衝突する
等、プラズマで形成される正イオンと高エネルギー中性
粒子の両方でスパッタリングされるため、成膜速度を高
めることができる。さらに、基体面に入射する高エネル
ギー中性粒子を極力減少させることが可能で、組成ずれ
が少なく且つダメージの少ない良好な薄膜を形成するこ
とが可能となった。In the above target configuration, an appropriate concentration distribution of the sputtering gas and the reactive gas is formed in the concave target space. Then, on the sputter surface near the opening where the reaction gas enters, the generated negative ions sputter the opposing target surface because of the arrangement in which the normal line of the sputter surface does not cross the base. In addition, on the bottom sputtering surface, invasion of the reaction gas is suppressed and gas separation can be performed, so that metal sputtering is performed without generating negative ions. As described above, the gas is separated at the bottom surface of the concave target, resulting in metal sputter without generation of negative ions. On the side surface where the reaction gas enters, the negative ions formed on the sputter surface (higher due to collision during flight) are formed. Energy neutral particles) are sputtered by both positive ions formed by plasma and high energy neutral particles, such as by colliding with an opposing target surface, so that the deposition rate can be increased. Further, high-energy neutral particles incident on the substrate surface can be reduced as much as possible, and a favorable thin film with less composition deviation and less damage can be formed.
【0069】また、本発明では下記のような利点もあ
る。ターゲット13、14で形成されたマグネトロンス
パッタ面と基体でほぼ全域を囲む構成となりスパッタ面
から飛び出したスパッタリング粒子は基体またはスパッ
タ面に付着する。ターゲット面に付着した粒子は再スパ
ッタされ基体に付着しスパッタ粒子の捕獲効果を高めタ
ーゲットの利用効率を向上すること等の利点もある。The present invention also has the following advantages. The magnetron sputtering surface formed by the targets 13 and 14 and the substrate substantially surround the entire area, and the sputtered particles sputtered from the sputtering surface adhere to the substrate or the sputtering surface. The particles adhering to the target surface are re-sputtered and adhere to the substrate, which has the advantage of increasing the effect of capturing sputtered particles and improving the utilization efficiency of the target.
【0070】(実施例2)図2は本発明の反応性スパッ
タ装置の一実施形態の断面図である。Example 2 FIG. 2 is a sectional view of an embodiment of the reactive sputtering apparatus of the present invention.
【0071】実施例1の図1と実施例2の図2の差異
は、ターゲット13が絶縁材110、111及び112
を介して独立に13A、13Bに分割され、さらに13
A、14ターゲットに電力供給手段60が接続され、同
様に13Bには電力供給手段61が接続されている。ま
た、ターゲット13Bにはスパッタ中のターゲット電圧
を測定する電圧計70と測定値が設定値と一定となるよ
うにスパッタガス導入系30と反応ガス導入系31の流
量を制御する制御系71が付加されたものである。The difference between FIG. 1 of the first embodiment and FIG. 2 of the second embodiment is that the target 13 is made of insulating materials 110, 111 and 112.
Are independently divided into 13A and 13B through
A power supply means 60 is connected to the A and 14 targets, and a power supply means 61 is similarly connected to 13B. In addition, a voltmeter 70 for measuring a target voltage during sputtering and a control system 71 for controlling the flow rates of the sputtering gas introduction system 30 and the reaction gas introduction system 31 so that the measured value is constant are added to the target 13B. It was done.
【0072】スパッタ圧力が一定の時、ターゲット13
Bのマグネシウム(Mg)ターゲットに一定の高周波電
力または直流電流と直流電圧の積が一定となる電力を印
加してスパッタガスのArと反応ガスのNF3との流量
比を変化させてスパッタを行うとターゲット電圧は、図
3のようにターゲット表面状態によって変化する。When the sputtering pressure is constant, the target 13
A constant high-frequency power or a power at which a product of a DC current and a DC voltage is constant is applied to a magnesium (Mg) target of B to perform sputtering by changing a flow ratio of Ar as a sputtering gas and NF 3 as a reaction gas. The target voltage changes according to the target surface state as shown in FIG.
【0073】ターゲット13Bの表面がマグネシウムの
金属状態でマグネシウムの金属がスパッタされる時は大
きい負電圧を示し、反応ガスであるNF3ガス流量を徐
々に増していくとターゲット表面は金属と化合物形成の
混合状態から全面が化合物形成に覆われた状態に変化し
それに伴ってターゲット印加電圧は小さい負電圧の値を
示す。凹状面の側面部ターゲット13と外側のマグネト
ロン磁場の極性を反転させた二重マグネトロン磁場配置
とを2分割で形成し、その開口部側のターゲット13B
の印加電圧または、セルフバイアス電圧を電圧計70で
計測しターゲット表面状態、且つ、スパッタ圧力がいつ
も一定となるようにNF3ガスとArガス流量を制御系
71で制御する。When the surface of the target 13B is in the state of magnesium metal and the magnesium metal is sputtered, a large negative voltage is exhibited. When the flow rate of the NF 3 gas as a reaction gas is gradually increased, the target surface forms a compound with the metal. Changes from the mixed state to the state where the entire surface is covered with the formation of the compound, and the voltage applied to the target accordingly shows a small negative voltage value. A concave side surface target 13 and a double magnetron magnetic field arrangement in which the polarity of the outer magnetron magnetic field is inverted are formed in two parts, and the target 13B on the opening side thereof is formed.
And the self-bias voltage are measured by a voltmeter 70, and the control system 71 controls the NF 3 gas and Ar gas flow rates so that the target surface state and the sputtering pressure are always constant.
【0074】実際の成膜においては、Arガス流量を1
00sccm、NF3ガス流量を30sccm程度流
し、電力供給手段としてDC電源を使用して、ターゲッ
ト印加電圧の設定を図3のAからBの変化率の大きな領
域のB領域に近い−350Vのターゲット電圧に設定
し、そのターゲット印加電圧が一定となるようにNF3
ガスとArガス流量を制御するのが好ましい。この時、
ターゲット13Aと14に印加されたターゲット印加電
圧はA領域近傍の電圧変化を示し負イオンダメージのな
い良好な特性のフッ化マグネシウム膜が得られた。In actual film formation, the Ar gas flow rate is set to 1
00 sccm, a NF 3 gas flow rate of about 30 sccm, and a DC power supply as a power supply means. The target applied voltage was set at a target voltage of −350 V close to the region B in the region where the rate of change from A to B in FIG. And set NF 3 so that the target applied voltage is constant.
It is preferable to control the gas and Ar gas flow rates. At this time,
The target applied voltage applied to the targets 13A and 14 shows a voltage change in the vicinity of the region A, and a magnesium fluoride film having good characteristics without negative ion damage was obtained.
【0075】したがって、本発明では、ターゲット形状
を凹面形状にしてターゲット底面から不活性ガスを供給
し、さらに基体近傍に反応ガスを導入する構成にするこ
とにより、凹面形状ターゲット空間部では不活性ガスと
反応ガスの濃度勾配が形成される。さらに、凹面形状タ
ーゲット一部のターゲット表面状態を監視し、一定とな
るように反応ガスとスパッタガス流量を制御することに
より、ターゲット内空間部の濃度勾配を一定にし、且
つ、ターゲット底面部分のガス分離が可能で、問題とな
るターゲット面の法線が基体と交差する凹面形状のター
ゲット底面では、いつもターゲットの金属部分が露出し
た金属スパッタとなり負イオン発生を防止することがで
きる。Therefore, according to the present invention, the target shape is concave, the inert gas is supplied from the bottom surface of the target, and the reaction gas is introduced into the vicinity of the substrate. Then, a concentration gradient of the reaction gas is formed. Furthermore, by monitoring the target surface state of a part of the concave target, and controlling the flow rate of the reaction gas and the sputtering gas so as to be constant, the concentration gradient in the internal space of the target is made constant, and the gas at the target bottom part Separation is possible, and on the bottom surface of the concave target where the normal line of the target surface intersects with the substrate, the metal portion of the target always becomes exposed metal spatter, thereby preventing generation of negative ions.
【0076】反応ガスが侵入する凹面形状ターゲット開
口部近傍では、ターゲット面の法線が基体と交差しない
配置となるため負イオンが形成されても基体に成膜され
た膜にダメージを与えることがない。In the vicinity of the concave target opening where the reaction gas enters, the normal line of the target surface does not intersect with the substrate, so that even if negative ions are formed, the film formed on the substrate may be damaged. Absent.
【0077】このように従来と比較して負イオンダメー
ジのない反応性スパッタリングを可能にすることにより
光学薄膜や超伝導薄膜を組成ずれの少ない良質な薄膜を
得ることができるようになった。As described above, by enabling reactive sputtering without negative ion damage as compared with the prior art, a high quality optical thin film or superconducting thin film having a small composition deviation can be obtained.
【0078】[0078]
【発明の効果】以上説明したように、本発明は以下に述
べる効果を有する。As described above, the present invention has the following effects.
【0079】第一に、凹状面を有するターゲットの側面
部分において、発生したスパッタ粒子が、基体成膜面に
到達しにくく、基体成膜面にダメージを与えにくい。First, on the side surface of the target having a concave surface, generated sputtered particles are unlikely to reach the substrate deposition surface, and are less likely to damage the substrate deposition surface.
【0080】第二に、反応ガスを基体近傍から導入し、
スパッタガスを凹状面の底部から導入することにより、
ターゲット内空間部への反応ガスの侵入を抑制し、特に
基体成膜面と対向する凹状面底部における負イオンの発
生を抑制する。これにより、凹状面底部が基体と対向し
ていても、基体成膜面へのダメージを抑えることが可能
となった。Second, a reaction gas is introduced from near the substrate,
By introducing sputtering gas from the bottom of the concave surface,
It suppresses the invasion of the reaction gas into the space inside the target, and particularly suppresses the generation of negative ions at the bottom of the concave surface facing the substrate deposition surface. As a result, even when the bottom of the concave surface faces the substrate, it is possible to suppress damage to the substrate deposition surface.
【0081】第三に、本発明においては、セルフバイア
ス電圧を低下させる必要がなく、基体に対して、ターゲ
ットが側面配置になっていないことから、高速成膜が可
能である。Third, in the present invention, it is not necessary to lower the self-bias voltage, and the target is not arranged on the side surface with respect to the substrate, so that high-speed film formation is possible.
【0082】このように、従来の平行平板型マグネトロ
ンスパッタの長所を取り入れ、高速低温スパッタを行え
るのに加え、従来の平行平板型マグネトロンスパッタで
は不可能であった負イオンの発生しやすいターゲット材
料を用い、組成ずれやダメージの少ない良質な酸化膜、
フッ化膜薄膜等からなる光学薄膜や超伝導薄膜を形成で
きる。また、スパッタ速度も、より高速で行うことがで
き、スパッタ粒子捕獲効率も高い。As described above, in addition to the advantages of the conventional parallel plate magnetron sputtering, high-speed low-temperature sputtering can be performed. In addition, a target material in which negative ions are easily generated, which is impossible with the conventional parallel plate magnetron sputtering, is used. Use, high quality oxide film with less composition deviation and damage,
An optical thin film or a superconducting thin film made of a fluoride thin film or the like can be formed. Further, the sputtering can be performed at a higher speed, and the efficiency of capturing sputtered particles is high.
【図1】本発明の実施例1の反応性スパッタ装置断面図
である。FIG. 1 is a sectional view of a reactive sputtering apparatus according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施例2の反応性スパッタ装置断面図
である。FIG. 2 is a sectional view of a reactive sputtering apparatus according to a second embodiment of the present invention.
【図3】反応ガス/スパッタガス比を変化させた時のタ
ーゲット電圧変化を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing a change in target voltage when a reaction gas / sputter gas ratio is changed.
【図4】本発明に用いるターゲットの形状を示す図であ
る。FIG. 4 is a view showing a shape of a target used in the present invention.
【図5】ターゲット底部に設けられるスパッタガス導入
口を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a sputter gas inlet provided at the bottom of the target.
10 真空チャンバー 11、110、111、112 絶縁部材 12 ターゲットホルダー 13、13A、13B 円筒状ターゲット 14 多孔質ターゲット 15 永久磁石 161、162 冷却パイプ 17 水冷ジャケット 18 シールド板 19 シャッター板 20 排気系 30 スパッタガス導入系 31 反応ガス導入系 32 ガスリング 40 基体 41 基体ホルダー 50 磁界 60、61 電力供給手段 70 電圧計 71 制御系 131 円筒形ターゲット 132 略楕円柱形状ターゲット 133 円筒形ターゲット底面 134 スパッタガス導入口 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Vacuum chamber 11, 110, 111, 112 Insulating member 12 Target holder 13, 13A, 13B Cylindrical target 14 Porous target 15 Permanent magnet 161, 162 Cooling pipe 17 Water cooling jacket 18 Shield plate 19 Shutter plate 20 Exhaust system 30 Sputter gas Introducing system 31 Reaction gas introducing system 32 Gas ring 40 Substrate 41 Substrate holder 50 Magnetic field 60, 61 Power supply means 70 Voltmeter 71 Control system 131 Cylindrical target 132 Substantially elliptical column target 133 Cylindrical target bottom surface 134 Sputtering gas inlet
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 康之 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 枇榔 竜二 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 金沢 秀宏 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 Fターム(参考) 4K029 BC04 BC07 CA06 CA13 DA04 DA10 DC13 DC25 DC39 DC42 EA04 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Yasuyuki Suzuki 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc. (72) Inventor Ryuji Bilo 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon (72) Inventor Hidehiro Kanazawa 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo F-term (reference) 4K029 BC04 BC07 CA06 CA13 DA04 DA10 DC13 DC25 DC39 DC42 EA04
Claims (11)
ゲットをスパッタして、基体状に成膜を行なう反応性ス
パッタ装置であって、前記基体の近傍に反応性ガスを導
入する手段を有し、かつ、前記ターゲットが、前記基体
に向かって凹状面を有し、該凹状面が、円筒形状または
略楕円柱形状をなし、該ターゲットの底面にスパッタガ
スを導入する手段を有することを特徴とする反応性スパ
ッタ装置。1. A reactive sputtering apparatus for introducing a sputtering gas and a reactive gas, sputtering a target, and forming a film on a substrate, comprising a means for introducing a reactive gas near the substrate. And, the target has a concave surface facing the base, the concave surface has a cylindrical shape or a substantially elliptical column shape, and has means for introducing a sputtering gas to the bottom surface of the target. Reactive sputtering equipment.
る法線が、前記基板の成膜面と交わらない配置であるこ
とを特徴とする請求項1記載の反応性スパッタ装置。2. The reactive sputtering apparatus according to claim 1, wherein a normal line at an arbitrary position on the side surface of the target does not intersect with a film forming surface of the substrate.
ットで構成され、その内の1つにターゲット表面状態の
検出手段を有することを特徴とする請求項1または2記
載の反応性スパッタ装置。3. The reactive sputtering apparatus according to claim 1, wherein a side surface of the target is constituted by a plurality of stages of targets, and one of the side surfaces has means for detecting a target surface state.
パッタ電源から供給される一定電力の印加電圧またはセ
ルフバイアス電圧の検出手段であることを特徴とする請
求項3記載の反応性スパッタ装置。4. The reactive sputtering apparatus according to claim 3, wherein said means for detecting the target surface state is means for detecting an applied voltage of a constant power supplied from a sputtering power supply or a self-bias voltage.
イアス電圧が一定となるように前記スパッタガス及び前
記反応ガスの流量を制御する手段を有することを特徴と
する請求項4記載の反応性スパッタ装置。5. A reactive sputtering apparatus according to claim 4, further comprising means for controlling the flow rates of said sputtering gas and said reactive gas so that said detected applied voltage or self-bias voltage becomes constant. .
冷却手段と、1または複数のマグネトロン磁場形成手段
とを有することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに
記載の反応性スパッタ装置。6. The reactive sputtering apparatus according to claim 1, further comprising a target cooling unit and one or more magnetron magnetic field forming units on an outer surface of the target.
グ状の磁石であることを特徴とする請求項6記載の反応
性スパッタ装置。7. The reactive sputtering apparatus according to claim 6, wherein said magnetron magnetic field forming means is a ring-shaped magnet.
ーゲットであることを特徴とする請求項1〜7のいずれ
かに記載の反応性スパッタ装置。8. The reactive sputtering apparatus according to claim 1, wherein the bottom surface of the target is a metal porous target.
ン、アルゴン、クリプトン、キセノンから選択される1
種または複数種の不活性ガスであることを特徴とする請
求項1〜8のいずれかに記載の反応性スパッタ装置。9. The sputtering gas selected from helium, neon, argon, krypton, and xenon.
The reactive sputtering apparatus according to claim 1, wherein the reactive sputtering apparatus is a kind or a plurality of kinds of inert gases.
含む反応ガスであることを特徴とする請求項1〜9のい
ずれかに記載の反応性スパッタ装置。10. The reactive sputtering apparatus according to claim 1, wherein the reactive gas is a reactive gas containing fluorine or oxygen.
応性スパッタ装置を用いて、基体上に被膜を作製する被
膜の作製方法。11. A method for producing a coating film on a substrate using the reactive sputtering apparatus according to claim 1.
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