JP2004052005A

JP2004052005A - Sputtering system for producing thin film

Info

Publication number: JP2004052005A
Application number: JP2002207263A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Morohashi; 諸橋　信一
Original assignee: Yamaguchi Technology Licensing Organization Ltd
Current assignee: Yamaguchi Technology Licensing Organization Ltd
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-07-16
Also published as: JP3936970B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sputtering system for producing a thin film with a miniaturized structure by which the stain of adjoining targets is prevented, and the production of a thin film can be performed at an advantageous cost while utilizing the strong point of the conventional facing target sputtering method by which high speed-low temperature sputtering is possible. <P>SOLUTION: A pair of multi-prism type target holders 11 in which a target 13 is arranged at each face parallel to the rotary axis of a rotatable multi-prismatic body are arranged to face each other. Further, the space between the respectively adjoining targets 13 of the multi-prism type target holder 11 is provided with an attachable and detachable protective board 14 for preventing the stain of the surfaces of the targets 13 in the production of a thin film. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、エレクトロニクス、電子工業、時計工業、機械工業、光学工業等ににおける薄膜をスパッタで形成するスパッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単層又は多層構造の薄膜からなる電子材料とその応用である電子デバイス作製においては、真空状態下での薄膜作製装置が重要である。乾式での薄膜作製方法には、大別して真空蒸着、スパッタ等の物理蒸着法や、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の化学蒸着法等がある。なかでもスパッタは、基板材料の種類を問わずにどんな材質の膜でも有毒なガスを使用しないで安全に比較的簡単な装置で薄膜を堆積できることから、各方面において広く使用されている。
【０００３】
スパッタの原理は、真空チャンバー内でプラズマを発生させ、そのプラズマ中のイオンをターゲットに衝突させターゲット表面の構成原子や、分子をはじき飛ばして、基板上に堆積させて薄膜を作製するものである。
【０００４】
スパッタ装置には、衝撃イオン源であるイオン化ガス、又は放電プラズマの発生方法、印加電源の種類、電極の構造からイオンビームスパッタ方法、２極スパッタ方法、マグネトロンスパッタ方法、対向ターゲット式スパッタ方法等の各種の方法を用いたものがある。
イオンビームスパッタ方法を用いたものは、イオン室で形成した照射イオンをスパッタ室へ導出し、その照射イオンでターゲットをスパッタして薄膜を堆積させたもので、放電圧力が１０^−４Ｔｏｒｒ以下と低くてもスパッタが可能である。薄膜への放電ガスの混入が少なくスパッタ粒子のもつ運動エネルギーが大きいために、表面平滑性の優れた緻密な薄膜形成が可能となるが、薄膜堆積速度が小さいことが欠点であり、工業用の適用の難点となっている。
【０００５】
２極スパッタ方法を用いたものは、プラズマ内のイオンが陰極降下内で加速されてターゲットを衝撃してスパッタをおこし、対向した基板上にスパッタされた粒子を飛来させて薄膜を堆積させている。印加電源の違いにより直流（ＤＣ）、交流（ＲＦ）スパッタがある。装置の構成は簡単ではあるが、次のような欠点がある。（１）プラズマの効率が悪く、プラズマを発生させるために導入するガス圧力を高くしなければならので、薄膜へのガス混入が大きくなる。（２）プラズマ効率が悪く、結果的に薄膜堆積速度が小さい。（３）イオンガスがターゲットを衝撃する時に生成される高エネルギーのγ電子（２次電子）が正対している基板を直撃するので、基板温度が堆積中に数百度にも上昇する。（４）ターゲットと基板が正対しているために、ターゲットを衝撃したイオンの一部が基板を直撃する（反跳イオン）ために基板へのダメージ及び多成分の薄膜での積層ずれが発生する。
【０００６】
２極スパッタ方法の欠点を解決するために、マグネトロンスパッタ方法が考案された。図１３に示すその代表的なプレナーマグネトロンスパッタ方法を用いたものは、印加電源の違いにより直流と、交流スパッタがある。２極スパッタで述べた、ターゲットをイオンガスが直撃する時に生成される高エネルギーのγ電子は、基板直撃による基板温度上昇の大きな原因ではあるが、高エネルギーのためにガスをイオン化してプラズマ放電を維持する上で重要な役割をしている。そこで、ターゲット裏面に図のように永久磁石を備えるマグネトロンを配置してターゲット表面に平行な磁界（磁束線で示す）を作り、ターゲット表面から放出されたγ電子をターゲット表面近くに閉じ込めるようにして雰囲気ガスとの衝突回数の増加を図ることによって、次のような長所がある。（１）雰囲気ガスのイオン化を促進してプラズマ効率を高めることができる（高速スパッタ）。（２）磁束線が閉じた移動経路であるので、高エネルギーのγ電子の基板衝撃による基板温度上昇を抑制できる（低温スパッタ）。
【０００７】
このプレナーマグネトロンスパッタ方法は、マグネトロンの配置により２極スパッタ方法の欠点が大幅に改善され、構造が比較的簡単で、高堆積速度で薄膜形成可能なために、この方法による装置は広く用いられている。しかしながら、基板とターゲットが正対しているために、次のような欠点がある。（１）γ電子及び反跳イオンの基板への入射を完全には抑制することができない。（２）強磁性体をターゲットにした場合、マグネトロンの磁束線が強磁性体の部分を通り、γ電子を閉じ込めるのに十分な大きさの磁界がターゲット表面に印加できないため、強磁性体の低温スパッタ及び高速スパッタが困難である。
【０００８】
図１４に示す対向ターゲット式スパッタ方法を用いたものは、マグネトロンスパッタ方法のもつ欠点を更に改善するために考案された。２つのターゲットが対向する位置にあり、それぞれのターゲット裏面には、永久磁石が互いに反対磁極をもつようにマグネトロンが配置されている。雰囲気ガスのイオン化ガスのターゲット衝撃によりターゲット表面から放出された高エネルギーのγ電子は、対向するターゲット間に閉じ込められた高密度プラズマを発生する。基板は、対向するターゲットの横のプラズマ外に置かれているので、γ電子及び反跳イオンの基板への入射を完全に抑制することができ、低温及び高速スパッタが可能となる。また、この対向ターゲット式スパッタ方法は、γ電子を閉じ込めることによる高密度プラズマにより、雰囲気ガス圧力を低くしても放電が可能で（真空度１０^−４Ｔｏｒｒ台）、薄膜への雰囲気ガス混入も小さく、強磁性体の低温及び高速スパッタも可能であるという長所を持っている。なお、対向ターゲット式スパッタ方法にも、印加電源の違いにより直流スパッタと、交流スパッタがある。
【０００９】
しかしながら、図１３に示した、プレナーマグネトロンスパッタ方法は、ターゲット裏面に配置されたマグネトロンの発生する磁束線が閉じているのに対して、図１４に示した、対向ターゲット式スパッタ方法の場合は、対向するターゲット間の向き合う面のマグネトロンの磁極は反対であるために、ここで発生する磁束線が閉じているが、マグネトロンのターゲット反対面は、閉じた磁束線を形成できず、磁束の漏洩が生じている。裏面で磁束が漏洩するということは、その分だけ対向するターゲット面間に磁束線が廻らないことを意味し、マグネトロンから発生する磁束を有効に対向するターゲット面に導いていないことになり効率のよいマグネトロンの使い方になっていない。
【００１０】
この影響を小さくするために、ターゲットと反対側の磁極後ろには、漏れ磁束を小さくするために鉄ヨークを設置する必要があり、装置の構造が大きくならざるを得ない欠点がある。通常、対向するターゲット間の磁束は、およそ１５０〜２５０エルステッド（Ｏｅ）が必要であり、大きな磁束を発生させるためには、ネオジム磁石を用いているが、ターゲットと反対側の磁極での漏れ磁束の発生から、有効に磁束を導かないために磁石の厚さを厚くしなければならない。しかも、鉄ヨークの飽和磁化は有限であるので、鉄ヨークをあまり薄くすると磁気的に飽和してしまい、鉄ヨークの裏面に磁束を漏洩させてしまう。従って、漏洩磁束を小さくするための鉄ヨークの厚みを厚く設計しなければならない。図１３で示した、プレナーマグネトロンスパッタ方法では、磁束がマグネトロンの表面及び裏面両方とも閉じているためにマグネトロンと鉄ヨークを合わせた厚みが３０〜５０ｍｍ程度で済んでいる。これに対して、図１４に示した、対向ターゲット式スパッタ方法では、マグネトロンと鉄ヨークを合わせた厚みが１００ｍｍ程度になってしまう。更に、図１５に示すように、この対向ターゲット式スパッタ方法で多層構造の薄膜を同一真空装置で作製する場合には、大きな構造の装置にしなくてはならず、対向ターゲット式スパッタを治める真空装置が大きくなるという問題が生じる。真空装置が大型になると、同じ到達真空度を作るためにはより排気速度の大きな真空ポンプを装置に設置しなければならず、コスト面からも問題となる。
【００１１】
また、従来の対向ターゲット式スパッタ方法は、スパッタ時に発生するγ電子がターゲット間を往復運動することで雰囲気ガスとの衝突確率が高くなり、結果的に高密度プラズマ化により雰囲気ガス圧力を低くしても放電が可能（真空度１０^−４Ｔｏｒｒ台）で、薄膜への雰囲気ガス混入も小さくできるという優れた長所をもっている。しかしながら、より高性能な電子デバイス作製のためには、雰囲気ガスの薄膜内への取り込み量を更に小さくすることが必要であり、そのためには真空度をより高く（１０^−５Ｔｏｒｒ台）して高密度プラズマ化を計り、スパッタすることが求められている。これらの薄膜作製用スパッタ装置に係る状況を鑑みて、高速及び低温スパッタが可能で、磁束漏洩を防止して、構造の小型化、マルチターゲット化、及びそれに伴う真空装置の小型化を計って、コスト的に有利とし、更に、より高密度プラズマ状態でのスパッタを実現し、多層薄膜が同じ位置にできる高真空、高速、低温スパッタが可能な薄膜作製用スパッタ装置を提供することを目的として特願２００１−３８５６４５号が提出されている。
【００１２】
図１６に示すように、この薄膜作製用スパッタ装置は、回転できる多角柱型回転軸に平行なそれぞれの面にターゲットを配置した多角柱回転式対向ターゲットスパッタ方法からなり、その一例として、回転できるターゲットホルダーがボックス型になっており、それぞれの面に４枚のターゲットが設置されて、一対のボックス型回転式対向ターゲットホルダーが対向している。ボックス型ターゲットホルダーのそれぞれのターゲット裏面に配置されている磁石の作る磁束線が、ボックス型ターゲットホルダー内面において完全に閉じるように、磁石の極性が交互に変わるように配置してある。これによって、ターゲット面と反対面の磁石の作る磁束線がオープンにならず、交互に反対の磁極をもつ４つの磁石で閉じた磁束線を形成することが可能になっている。これまでの対向ターゲット式スパッタ方法では、漏洩磁束を防ぐために、磁石に鉄ヨーク貼り付けた厚みが１００ｍｍ程度必要であったのに対して、この装置では、磁石の裏面で磁束線を閉じることができるので、原理的には磁束の漏洩を防ぐための鉄ヨークは必要なくなり、取り付けるとしても磁石に鉄ヨーク貼り付けた厚みは、３０〜５０ｍｍ程度で、非常に小型化にすることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の薄膜作製用スパッタ装置は、未だ解決すべき次のような問題がある。
（１）ボックス型ターゲットホルダーのそれぞれのターゲット裏面に配置されている磁石の作る磁束線は、ボックス型ターゲットホルダーの外面側において、対向するボックス型ターゲットホルダーの磁石とで閉じることで対向するターゲットの表面の構成原子や、分子をはじき飛ばし、はじき飛ばした原子や、分子を基板上に堆積している。この時、はじき飛ばされた原子や、分子は、ボックス型ターゲットホルダーの隣接するターゲットホルダーのターゲット上にも飛ばされて付着し、ターゲット表面が汚染される問題が発生している。
（２）基板へのスパッタを工業的に作製するには、スパッタの効率化を図ってよりコスト的に有利になることが求められている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、高速、且つ低温スパッタが可能な従来の対向ターゲット式スパッタ方法の長所を生かしながら、構造の小型化、隣接するターゲット汚染を防止し、しかもコスト的に有利にできる薄膜作製用スパッタ装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る薄膜作製用スパッタ装置は、回転できる多角柱体の回転軸に平行なそれぞれの面にターゲットを配置した多角柱型ターゲットホルダー一対を対向して配置し、しかも、多角柱型ターゲットホルダーのそれぞれの隣接するターゲットの間に薄膜作製時のターゲットの表面汚染を防ぐための着脱可能な防御板を設ける。これにより、対向ターゲット式スパッタ方法のもつ磁束漏洩対策のための大型化の問題を解消でき、真空装置の小型化も可能になる。しかも、防御板によってターゲットの表面からはじき飛ばされた構成原子や、分子が隣接するターゲットの表面へ付着して発生するターゲット表面の汚染を防止することができる。
【００１５】
ここで、薄膜作製用スパッタ装置は、多角柱型ターゲットホルダーのそれぞれのターゲットの裏面に配置されている磁石の作る磁束線が多角柱型ターゲットホルダー内面で完全に閉じるように磁石の極性が交互に変わるように磁石を設けるのがよい。これにより、ターゲットの後ろにある磁石の極性がそれぞれ交互に反対磁極となることで磁束線をオープンとすることなく閉じることができ、磁束漏洩防止のための大きな鉄ヨークを必要としないので、装置の大型化を防止することができる。
【００１６】
また、薄膜作製用スパッタ装置は、一対の対向する多角柱型ターゲットホルダーの対向するそれぞれのターゲットの裏面に配置されている磁石の極性が反対で、しかも対向するそれぞれのターゲット間で磁束線が閉じているのがよい。これにより、磁束を漏洩させることなく、イオンをターゲットに照射してスパッタさせることができるので、効率よく基板に薄膜を堆積させることができる。
【００１７】
また、薄膜作製用スパッタ装置は、対向する多角柱型ターゲットホルダーのそれぞれを回転して別の面を対向させ、対向するそれぞれのターゲットの裏面に配置されている磁石の極性が回転前と反対になり、一対の多角柱型ターゲットホルダーをそれぞれ回転することで多角柱型ターゲットホルダーについているターゲットの数だけの多層薄膜が同じ場所で作製できるのがよい。これにより、多層構造の薄膜を効率的に、容易に形成することができるので、コスト的に有利な多層薄膜を形成する基板を作製することができる。
【００１８】
更に、薄膜作製用スパッタ装置は、往復運動する誘発電子ビームを励起する一対の対向する多角柱型ターゲットホルダーの間に電子ビームガンで入射できる自発電子ビーム機構を設けた、自発及び誘発電子ビーム励起プラズマを利用するのがよい。これにより、より高真空下で高密度のプラズマを発生させることができるので、高真空、低温、高速スパッタが可能になる。
【００１９】
前記目的に沿う本発明に係る薄膜作製用スパッタ装置は、回転できる多角柱体の回転軸に平行なそれぞれの面にターゲットを配置した多角柱型ターゲットホルダー一対を対向して配置する機構を１つのモジュールとして、真空チャンバー内に１つ以上のモジュールを配設する。これにより、多角柱型ターゲットホルダーに取り付けられているターゲット数にモジュール数を掛けた数の多層薄膜からなる基板の作製が可能となり、スループットの向上もあって、コスト面を重視する工業的生産に非常に有利となる。
【００２０】
前記目的に沿う本発明に係る薄膜作製用スパッタ装置は、回転できる多角柱体の回転軸に平行なそれぞれの面にターゲットを配置した多角柱型ターゲットホルダー一対を対向して配置する機構を１つのモジュールとして、真空チャンバー内に１つ以上のモジュールを配設する複数の真空チャンバーを真空が共通にできる連結体を介して連結し、しかも、該連結体には開閉機構を有する。複数の真空チャンバーを共通とするので、多数の多層薄膜の作製を行うのに１つの真空ポンプ行うことができ、スループットの向上もあって、コスト面を重視する工業的生産に非常に有利となる。また、連結体には開閉機構を備えているので、生産量の変動に応じて効率的な装置稼動を行うことができる。
【００２１】
ここで、薄膜作製用スパッタ装置は、それぞれの多角柱型ターゲットホルダーのそれぞれの隣接するターゲットの間に薄膜作製時のターゲットの表面汚染を防ぐための着脱可能な防御板を設けるのがよい。これにより、防御板でターゲット表面の汚染を防止することができる。
【００２２】
また、薄膜作製用スパッタ装置は、多角柱型ターゲットホルダーのそれぞれのターゲットの裏面に配置されている磁石の作る磁束線が多角柱型ターゲットホルダー内面で完全に閉じるように磁石の極性が交互に変わるように磁石を設けるのがよい。そして、一対の対向する多角柱型ターゲットホルダーの対向するそれぞれのターゲットの裏面に配置されている磁石の極性が反対で、しかも対向するそれぞれのターゲット間で磁束線が閉じているのがよい。更に、対向する多角柱型ターゲットホルダーのそれぞれを回転して別の面を対向させ、対向するそれぞれのターゲットの裏面に配置されている磁石の極性が回転前と反対になり、一対の多角柱型ターゲットホルダーをそれぞれ回転することで多角柱型ターゲットホルダーについているターゲットの数だけの多層薄膜が同じ場所で作製できるのがよい。これにより、磁束線をオープンとすることなく閉じることができ、磁束漏洩防止のための大きな鉄ヨークを必要とせず、装置の大型化を防止することができる。また、磁束を漏洩させることなく、イオンをターゲットに照射してスパッタでき、効率よく基板に薄膜を堆積させることができる。更に、多層構造の薄膜を効率的に、容易に形成することができ、コスト的に有利な多層薄膜からなる基板を作製することができる。
【００２３】
また、薄膜作製用スパッタ装置は、薄膜を形成するための基板を多角柱型基板ホルダーカセットに最大で多角柱型基板ホルダーカセットの多角柱の側面の数だけ装着し、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー間に垂直に設けたロードロック室から、多角柱型基板ホルダーカセットを対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー間に挿入と、取り出しができる機構を備えるのがよい。これにより、多層構造の薄膜を更に効率的に、容易に連続して形成することができ、コスト的に有利な多層薄膜からなる基板を作製することができる。
【００２４】
更に、薄膜作製用スパッタ装置は、往復運動する誘発電子ビームを励起する一対の対向する多角柱型ターゲットホルダーの間に電子ビームガンで入射できる自発電子ビーム機構を設けた、自発及び誘発電子ビーム励起プラズマを利用するのがよい。これにより、より高真空下で高密度のプラズマを発生させることができるので、高真空、低温、高速スパッタが可能になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る薄膜作製用スパッタ装置の対向する一対の多角柱型ターゲットホルダーの斜視図、平面図、図２は同薄膜作製用スパッタ装置の対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー間に自発電子ビームが照射される説明図、図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同薄膜作製用スパッタ装置の変形例の多角柱型ターゲットホルダーの平面図、図４は同変形例の薄膜作製用スパッタ装置の説明図、図５は同他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の説明図、図６は同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置におけるスパッタの方向依存性の説明図、図７は同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の多角柱型基板ホルダーカセットの説明図、図８は同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の多角柱型基板ホルダーカセットのシャッター機構の説明図、図９は同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の真空チャンバー内とロードロック室内を往復する多角柱型基板ホルダーカセットの移動機構の説明図、図１０は同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の真空チャンバー内の冷却及び電源供給ステージの概念図、図１１は同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の真空チャンバー内とロードロック室内を往復する多角柱型基板ホルダーカセットの変形例の移動機構の説明図、図１２は同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の真空チャンバー内の対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー間に自発電子ビームが照射される説明図である。
【００２６】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る薄膜作製用スパッタ装置１０は、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１を有している。この対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１は、例えば、回転できるボックス型の回転軸１２に平行なそれぞれの面にそれぞれ４枚の異なった材料のターゲット１３を有し、一対のそれぞれが回転できるボックス型の多角柱型ターゲットホルダー１１が対向している。ターゲット１３の取付方法は着脱の簡便性から銅のバッキングプレートにターゲット１３を取付、バッキングプレートを銅又はステンレスからなるボックス型の多角柱型ターゲットホルダー１１に取り付けている。更に、対向する一対のそれぞれの多角柱型ターゲットホルダー１１には、それぞれの隣接するターゲット１３間に多層薄膜作製時のターゲット１３の表面汚染を防ぐための着脱可能な防御板１４を設けている。この防御板１４は、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１間で形成される磁束線１５によって誘発されたγ電子（誘発電子ビーム）１６がＡｒ等のイオンビームを引き出しターゲット１３に照射してターゲット１３の表面からはじき飛ばされた構成原子や、分子を基板に堆積させる時に、対向する一対のそれぞれの多角柱型ターゲットホルダー１１の隣接するターゲット１３の表面に堆積させて隣接するターゲット１３の表面を汚染させるのを防止している。
【００２７】
対向する一対のそれぞれの多角柱型ターゲットホルダー１１のそれぞれのターゲット１３の裏面には、それぞれ磁石１７を有し、これらの磁石１７の作る磁束線１５がそれぞれ１つの多角柱型ターゲットホルダー１１の内面で完全に閉じるように、磁石１７の極性が交互に変わるように配置されているのがよい。これにより、ターゲット１３面と反対面の磁石１７の作る磁束がオープンにならず、交互に反対の磁性をもつ磁石１７で閉じた磁束線１５を形成することが可能になる。従って、原理的には磁束の漏洩を防ぐための鉄ヨークが不要となり、付けてもその厚さを薄くすることができるので、装置の小型化を行うことができる。
【００２８】
また、対向する一対のそれぞれの多角柱型ターゲットホルダー１１は、対向するターゲット１３のそれぞれの面のターゲット１３の裏面の磁石１７の極性が反対になるように配置されている。そして、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１の間で形成される磁束線１５が一方の多角柱型ターゲットホルダー１１のターゲット１３の裏面の磁石１７のＮ極から他方の多角柱型ターゲットホルダー１１のターゲット１３の裏面の磁石１７のＳ極の向きに閉じるようになっているのがよい。そして、この対向する一対のボックス型からなる多角柱型ターゲットホルダー１１は、それぞれの回転軸１２が互いに同方向回転、又は、逆方向回転することで、別の材料からなるそれぞれのターゲット１３の面が向き合い次のスパッタが行われる。この時の対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１の２つのターゲット１３間で作る磁束線１５の向きは、回転前と反対向きになる。そして、順次回転を重ねることで、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１についている一対のターゲット１３の数だけの多層薄膜が同じ場所で作製可能にすることができる。
【００２９】
対向ターゲット式スパッタ方法では、プラズマを発生させるための雰囲気ガスの圧力を１０^−４Ｔｏｒｒ台にして、雰囲気ガスのイオン化ガスのターゲット１３への衝撃によって、ターゲット１３の表面から放出された高エネルギーの誘発電子ビーム（γ電子）１６が対向するターゲット１３間に閉じ込められて対向するターゲット１３間を往復運動して雰囲気ガスをイオン化して高密度プラズマを発生している。図２に示すように、この誘発電子ビーム１６と共に、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１の間に、例えば、斜め上方から電子ビームガン１８で自発電子ビーム１９を入射している。これにより、より低真空下（１０^−５Ｔｏｒｒ台）で高密度プラズマを生成しての高真空で、低温、高速スパッタが可能になる。
【００３０】
なお、上記の対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１のそれぞれのホルダーは、ボックス型で説明したが、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１のそれぞれのホルダーは、例えば、６角柱（図３（Ａ）参照）、あるいは、８角柱（図３（Ｂ）参照）であってもよく、更に、これより多い多角柱の偶数角柱からなる多角柱型のターゲットホルダー１１であってもよい。また、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１のそれぞれの磁石１７の形状は、円柱型以外に円筒型等であってもよく、その形状は特に限定されるものではない。
また、多角柱型ターゲットホルダー１１の回転面は水平面に平行で説明したが、回転面の方向は限定されるものではない。また、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１のそれぞれのホルダーは、お互いに同方向回転、又は、逆方向回転になればよく、その向きは問わない。更に、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１間の距離は、それぞれの回転軸１２も含めた多角柱型ターゲットホルダー１１を平行移動することで調整することができる。
【００３１】
試みに、図１５に示した従来型で４つの異なる材料をスパッタする場合の対向ターゲット式スパッタ方法と比較すると、従来型は、一対の対向ターゲット式ホルダー自体が裏面の磁極後ろに漏れ磁束を小さくするための厚い鉄ヨークを設置する必要があり、構造が大きくならざるを得ない欠点がある。また、多層構造の薄膜を同一真空装置でこの方式で作製するためには、大きな構造の対向ターゲット式スパッタを４対を並列させて配置しなくてはならず、対向ターゲット式スパッタを治める真空装置が大きくなる。例えば、同一サイズのターゲットを４つ配置した場合で比較すると、本発明の一実施の形態に係る薄膜作製用スパッタ装置１０のスパッタ部分の占有面積及び体積は、従来型の時のスパッタ部分の占有面積及び体積の約５０％で済む。また、真空装置が大型になると、同じ到達真空度を作るために、より排気速度の大きな真空ポンプを必要とし、コスト面からも問題がある。
【００３２】
続いて、図４、図５を参照しながら、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１を１つのモジュールとする薄膜作製用スパッタ装置を説明する。
図４に示すように、本発明の一実施の形態に係る変形例の薄膜作製用スパッタ装置１０ａは、回転できる多角柱型の回転軸１２に平行なそれぞれの面にターゲット１３を配置した対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１を１つのモジュールとして、真空チャンバー２０内に１つ以上（図４では２つ）のモジュールを配設している。真空チャンバー２０内に１つ以上のモジュールを配設することで、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１に取り付けられているそれぞれのターゲット１３の一対の数にモジュール数を掛けた数の多層薄膜作製が可能であり、スループットの向上が期待できる。
【００３３】
また、図５に示すように、本発明の一実施の形態に係る他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置１０ｂは、回転できる多角柱型の回転軸１２に平行なそれぞれの面にターゲット１３を配置した対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１を１つのモジュールとして、真空チャンバー２０内に１つ以上（図５では２つ）のモジュールを配設し、このモジュールの配設された複数の真空チャンバー２０を真空が共通にできる連結体２１を介して連結している。また、連結体２１には、真空チャンバー２０毎に真空状態を作り出すことができるための開閉機構を設けている。真空ポンプが共用できる真空チャンバー２０内に多数のモジュールを配設することで、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１に取り付けられているそれぞれのターゲット１３の一対の数にモジュール数を掛けた数の多層薄膜作製が可能であり、スループットの向上が期待できる。また、逆に生産量を制限したい時には、連結体に設けられている開閉機構を閉じることで、容易に生産量に合わせた装置稼動を行うことができる。
【００３４】
真空チャンバー２０内の対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１のそれぞれの隣接するターゲット１３間には、多層薄膜作製時のターゲット１３の表面汚染を防ぐための着脱可能な防御板１４を設けるのがよい。この防御板１４は、ターゲット１３の表面からはじき飛ばされた構成原子や、分子を基板に堆積させる時に、対向する一対のそれぞれの多角柱型ターゲットホルダー１１の隣接するターゲット１３の表面や、隣り合うモジュールの対向する一対のそれぞれの多角柱型ターゲットホルダー１１のターゲット１３の表面に堆積させて表面を汚染させるのを防止している。
【００３５】
また、真空チャンバー２０内の対向する一対のそれぞれの多角柱型ターゲットホルダー１１のそれぞれのターゲット１３の裏面に配置されている磁石１７の作る磁束線１５は、それぞれ１つの多角柱型ターゲットホルダー１１の内面で完全に閉じるように、磁石１７の極性が交互に変わるように配置されているのがよい。ターゲット１３面と反対面の磁石１７の作る磁束が交互に反対の磁性をもつ磁石１７で閉じた磁束線１５を形成するので、磁束の漏洩を防ぐための鉄ヨークが不要となり、付けてもその厚さを薄くすることができ、真空チャンバーを小型化できる。
【００３６】
また、真空チャンバー２０内の対向する一対のそれぞれの多角柱型ターゲットホルダー１１の対向するそれぞれのターゲット１３の裏面の磁石１７の極性は、互いに反対になるように配置されているのがよく、しかも、対向するそれぞれのターゲット１３間で磁束線１５が閉じるようになっているのがよい。磁束を漏洩させることなく、効率的にイオンをターゲットに照射してスパッタさせることができるので、高速に薄膜を基板に堆積させることができる。
【００３７】
また、真空チャンバー２０内の対向する一対のそれぞれの多角柱型ターゲットホルダー１１は、それぞれを回転させて、別の材料からなるターゲット１３面を対向させ磁束線１５の向きを回転前と反対向きにする。そして、順次回転を重ねることで、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１についている一対のターゲット１３の数だけの多層薄膜が同じ場所で作製できるのがよい。多層構造の薄膜を同じ場所で効率的に形成することができ、コスト的に有利な多層薄膜からなる基板を作製することができる。
【００３８】
次いで、図６〜図１１を参照しながら、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１間で、基板２３が装着できる多角柱型基板ホルダーカセット２４を用いて、基板２３にスパッタをするために、挿入と取り出しができる機構を説明する。
図６に示すように、対向ターゲット式スパッタ方法の特徴として、向き合うターゲット１３から飛び出すスパッタ粒子は、ターゲット１３間の空間で矢印２２で示すような方向に向って飛び出してスパッタが行われる。この特徴を生かして、薄膜を形成しようとする基板２３は、通常、ターゲット１３間の軸線に対して、例えば、ターゲット１３間の距離の半分程度の距離をおいたところに、軸線に対して垂直面となるように設置されている。そして、図７に示すように、この基板２３を対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１間に設置し、基板２３に連続して多層の薄膜を形成するためには、多角柱型基板ホルダーカセット２４が用いられ、基板２３は、この多角柱型基板ホルダーカセット２４に最大で、多角柱の側面の数だけ装着される。なお、図７では、多角柱型基板ホルダーカセット２４は、６角柱で示しており、基板ホルダーカセットの足部は省略している。図８に示すように、多角柱型基板ホルダーカセット２４のそれぞれの多角柱の側面のターゲット１３に面する側には、独立して、あるいは同時に開閉ができるシャッター２５機構が設置されており、基板２３個々に製膜、あるいは同時に製膜が可能となっている。
【００３９】
図９に示すように、多角柱型基板ホルダーカセット２４は、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１間に垂直に設けられたロードロック室２６に挿入されている。そして、多角柱型基板ホルダーカセット２４は、ロードロック室２６から対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１間に挿入したり、取り出したりすることができる機構によって、真空チャンバー２０内と、ロードロック室２６内とを移動できる。なお、図９では、多角柱型基板ホルダーカセット２４は、６角柱で示しており、基板ホルダーカセットの足部は省略している。
【００４０】
図１０に示すように、真空チャンバー２０内には、多角柱型基板ホルダーカセット２４を受け取って、多角柱型基板ホルダーカセット２４を冷却したり、電源を供給したりすることができる冷却及び電源供給ステージ２７が設けられている。なお、図１０では、多角柱型基板ホルダーカセット２４は、８角柱で説明しており、基板ホルダーカセットの足部も示している。この冷却及び電源供給ステージ２７によって、基板２３を冷却した状態で個々に、あるいは同時に多数枚の基板２３に製膜ができ、スループットの向上が期待できる。更に、加熱ヒーターを対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１に装着することで基板２３加熱下での製膜も可能となる。本実施の形態ではロードロックタイプで示してあるが、装置構成としてはロードロック室２６等のサブチャンバーがない、直接多角柱型基板ホルダーカセット２４を真空チャンバー２０に入れる所謂バッチ式であってもよい。
【００４１】
上述した実施の形態の変形例として、図１１に示すように、対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１の機構を１つのモジュールとして、同一真空チャンバー２０内に２つのモジュールを設置して、多角柱型基板ホルダーカセット２４の２つをそれぞれ真空チャンバー２０の両側に設置したロードロック室２６から同時に挿入や、取り出しを行っている。これにより、図９に示した方法による製膜枚数の２倍のスループットが達成することができる。
また、２つのモジュールのそれぞれのターゲット１３の材料を変えて、片側のロードロック室２６から入れた多角柱型基板ホルダーカセット２４を、入れた側の１つめの対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１での製膜を行う。そして、製膜終了後、多角柱型基板ホルダーカセット２４を２つめのモジュール側に移動して製膜し、製膜終了後２つめのモジュール側のロードロック室２６から多角柱型基板ホルダーカセット２４を取り出すことで、多角柱型ターゲットホルダー１１に装着しているターゲット１３の数の２倍の異なる多層薄膜構造の基板２３を作製することができる。
【００４２】
続いて、図１２を参照しながら、真空チャンバー２０内の対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１間に誘発電子ビーム１６に加えて自発電子ビーム１９を照射する形態を説明する。
雰囲気ガスのイオン化ガスのターゲット１３への衝撃によってターゲット１３表面から放出された高エネルギーの誘発電子ビーム１６は、対向するターゲット１３間に閉じ込められ、対向するターゲット１３間を往復運動して雰囲気ガスをイオン化して高密度プラズマを発生している。これによって、多層薄膜を同じ場所でコンパクトに高速且つ低温スパッタで作製できるが、プラズマを発生させるための雰囲気ガスの真空チャンバー２０内での圧力は１０^−４Ｔｏｒｒ台で行われている。しかしながら、より高密度プラズマを生成して、より高速且つ低温スパッタで作製することが求められている。図１２に示すように、誘発電子ビーム１６に加えて、真空チャンバー２０内の対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー１１間に、例えば、斜め上から電子ビームガン１８で入射できる自発電子ビーム１９機構を設けた自発及び誘発電子ビーム励起プラズマを利用できるようにするのがよい。これにより、より低真空下（１０^−５Ｔｏｒｒ台）で高密度プラズマを生成でき、より高速且つ低温スパッタが可能になる。
【００４３】
なお、本実施の形態においては、スパッタには、回転式の多角柱型ターゲットホルダー１１に印加する電源の違いによって、直流（ＤＣ）又は交流（ＲＦ）スパッタがある。また、基板２３は、スパッタ中においてフロート状態でもよく、更には、バイアス電圧を印加してバイアススパッタを行うことも可能である。
【００４４】
次に、本実施の形態に係る薄膜作製用スパッタ装置で作製される薄膜スパッタの一例を説明する。自発電子ビームを照射しない場合、Ｎｂターゲットを用いて、ターゲットと基板間の距離を９ｃｍで、Ａｒ圧力２×１０^−４Ｔｏｒｒ、ＤＣ印加電流２．０Ａ、ＤＣ印加電圧３５０Ｖで、堆積速度１２５ｎｍ／ｍｉｎが得られた。Ｎｂは、超伝導材料で超伝導になる温度（Ｔｃ）は、９．３Ｋであるが、酸素が１ａｔ％混入しただけでそのＴｃは、８．３Ｋに下がってしまうほど敏感である。上記の条件で作製したＮｂ薄膜は、Ｔｃが９．３Ｋと同じ値を示した。次に、自発電子ビームを１００Ｖ、１０Ａの印加電力で電子ビーム源から引出しして対向するターゲット間に照射したところ、Ａｒ圧力３×１０^−５Ｔｏｒｒ、ＤＣ印加電流２．０Ａ、ＤＣ印加電圧３５０Ｖで、堆積速度１００ｎｍ／ｍｉｎが得られた。この条件で作製したＮｂ薄膜は、Ｔｃが９．３Ｋと同じ値を示し、室温と１０Ｋでの抵抗の比で表す残留抵抗比が約１０と自発電子ビーム１９を照射しない場合に比べて約３倍の大きな値を示し、残留ガスの取り込みの小さな高品質な薄膜が形成された。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の薄膜作製用スパッタ装置は、回転できる多角柱型ターゲットホルダーを用いた対向ターゲット式スパッタ方法により、磁束線の漏洩を防ぐことで、マルチターゲット化と装置の小型化の同時達成が可能となると共に、隣接するターゲット間に防御板を設けることで、ターゲット面の汚染を防いで品質の向上を計って、コスト的に有利な基板を作製することができる。また、同じ場所で多層薄膜構造の高速且つ低温スパッタが達成でき、多角柱型基板ホルダーカセットの導入でスループットの向上も計れる。更にターゲット間の誘発電子ビームに自発電子ビームを上乗せすることで、より高密度プラズマ状態が形成でき、多層薄膜構造の高真空、高速、及び低温スパッタが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る薄膜作製用スパッタ装置の対向する一対の多角柱型ターゲットホルダーの斜視図、平面図である。
【図２】同薄膜作製用スパッタ装置の対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー間に自発電子ビームが照射される説明図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同薄膜作製用スパッタ装置の変形例の多角柱型ターゲットホルダーの平面図である。
【図４】同変形例の薄膜作製用スパッタ装置の説明図である。
【図５】同他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の説明図である。
【図６】同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置におけるスパッタの方向依存性の説明図である。
【図７】同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の多角柱型基板ホルダーカセットの説明図である。
【図８】同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の多角柱型基板ホルダーカセットのシャッター機構の説明図である。
【図９】同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の真空チャンバー内とロードロック室内を往復する多角柱型基板ホルダーカセットの移動機構の説明図である。
【図１０】同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の真空チャンバー内の冷却及び電源供給ステージの概念図である。
【図１１】同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の真空チャンバー内とロードロック室内を往復する多角柱型基板ホルダーカセットの変形例の移動機構の説明図である。
【図１２】同薄膜作製用スパッタ装置、変形例及び他の変形例の薄膜作製用スパッタ装置の真空チャンバー内の対向する一対の多角柱型ターゲットホルダー間に自発電子ビームが照射される説明図である。
【図１３】従来の薄膜作製用スパッタ装置のマグネトロンスパッタ方法の説明図である。
【図１４】従来の薄膜作製用スパッタ装置の対向ターゲット式スパッタ方法の説明図である。
【図１５】従来の薄膜作製用スパッタ装置の対向ターゲット式スパッタ方法で多層構造の薄膜を同一真空装置で作製する場合の説明図である。
【図１６】従来の薄膜作製用スパッタ装置の多角柱回転式対向ターゲットスパッタ方法の説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１０ｂ：薄膜作製用スパッタ装置、１１：多角柱型ターゲットホルダー、１２：回転軸、１３：ターゲット、１４：防御板、１５：磁束線、１６：γ電子（誘発電子ビーム）、１７：磁石、１８：電子ビームガン、１９：自発電子ビーム、２０：真空チャンバー、２１：連結体、２２：矢印、２３：基板２４：多角柱型基板ホルダーカセット、２５：シャッター、２６：ロードロック室、２７：冷却及び電源供給ステージ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a sputtering apparatus for forming a thin film by sputtering in electronics, electronic industry, watch industry, machine industry, optical industry and the like.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In manufacturing an electronic material composed of a single-layer or multi-layer thin film and an electronic device as an application thereof, a thin-film manufacturing apparatus under vacuum is important. The dry thin film manufacturing methods are roughly classified into physical vapor deposition methods such as vacuum vapor deposition and sputtering, and chemical vapor deposition methods such as CVD (Chemical Vapor Deposition). Among them, sputtering is widely used in various fields, since a thin film of any material can be deposited safely with a relatively simple apparatus without using a toxic gas regardless of the kind of substrate material.
[0003]
The principle of sputtering is to generate a plasma in a vacuum chamber, bombard the ions in the plasma with a target, repel constituent atoms and molecules on the target surface, and deposit them on a substrate to form a thin film.
[0004]
The sputtering apparatus includes an ionized gas as an impact ion source, or a method of generating a discharge plasma, a type of an applied power source, an electrode beam structure, an ion beam sputtering method, a two-electrode sputtering method, a magnetron sputtering method, a facing target type sputtering method, or the like. Some use various methods.
In the ion beam sputtering method, irradiation ions formed in an ion chamber are led to a sputtering chamber, and a target is sputtered with the irradiation ions to deposit a thin film. ^-4 Sputtering is possible even if the pressure is as low as Torr or less. Since the mixing of the discharge gas into the thin film is small and the kinetic energy of the sputtered particles is large, it is possible to form a dense thin film with excellent surface smoothness.However, the low deposition rate of the thin film is disadvantageous. It is a difficult point of application.
[0005]
In the two-electrode sputtering method, the ions in the plasma are accelerated in the cathode descent, bombard the target and sputter, and the sputtered particles fly on the opposing substrate to deposit a thin film. . There are direct current (DC) and alternating current (RF) sputtering depending on the difference in applied power supply. Although the configuration of the device is simple, it has the following disadvantages. (1) The efficiency of the plasma is low, and the pressure of the gas introduced to generate the plasma must be increased, so that the gas mixture into the thin film increases. (2) The plasma efficiency is poor, resulting in a low deposition rate of the thin film. (3) The high-energy γ-electrons (secondary electrons) generated when the ion gas bombards the target hit the facing substrate directly, so that the substrate temperature rises to several hundred degrees during the deposition. (4) Since the target and the substrate face each other, some of the ions that have bombarded the target hit the substrate directly (recoil ions), causing damage to the substrate and stacking misalignment in a multi-component thin film. .
[0006]
In order to solve the disadvantages of the bipolar sputtering method, a magnetron sputtering method has been devised. The one using the representative planar magnetron sputtering method shown in FIG. 13 includes DC and AC sputtering depending on the applied power supply. The high-energy γ-electrons generated when the ion gas hits the target directly, as described in bipolar sputtering, are a major cause of the substrate temperature rise due to the direct impact of the substrate, but due to the high energy, the gas is ionized and the plasma discharge occurs. Has an important role in maintaining. Therefore, a magnetron with a permanent magnet is placed on the back of the target as shown in the figure to create a magnetic field (indicated by magnetic flux lines) parallel to the target surface so that γ electrons emitted from the target surface are confined near the target surface. By increasing the number of collisions with the atmospheric gas, there are the following advantages. (1) Plasma efficiency can be increased by promoting ionization of atmospheric gas (high-speed sputtering). (2) Since the magnetic flux lines have a closed movement path, it is possible to suppress a rise in substrate temperature due to impact of high energy γ electrons on the substrate (low-temperature sputtering).
[0007]
In this planar magnetron sputtering method, the disadvantages of the two-pole sputtering method are greatly improved by the arrangement of the magnetrons, the structure is relatively simple, and a thin film can be formed at a high deposition rate. I have. However, since the substrate and the target face each other, there are the following disadvantages. (1) The incidence of γ electrons and recoil ions on the substrate cannot be completely suppressed. (2) When a ferromagnetic material is used as a target, the magnetic flux lines of the magnetron pass through the ferromagnetic material and a magnetic field large enough to confine γ electrons cannot be applied to the target surface. Difficulty of sputtering and high-speed sputtering.
[0008]
The method using the facing target type sputtering method shown in FIG. 14 has been devised in order to further improve the disadvantages of the magnetron sputtering method. The two targets are at opposing positions, and a magnetron is arranged on the back surface of each target such that the permanent magnets have opposite magnetic poles. The high-energy γ electrons emitted from the target surface by the impact of the ionized gas of the atmospheric gas on the target generate high-density plasma confined between the opposing targets. Since the substrate is placed outside the plasma beside the opposing target, the incidence of γ electrons and recoil ions on the substrate can be completely suppressed, and low-temperature and high-speed sputtering can be performed. Further, in this facing target type sputtering method, discharge can be performed even at a low atmospheric gas pressure due to high-density plasma by confining γ electrons (vacuum degree 10 degrees). ^-4 (Torr level), there is an advantage that the atmosphere gas is little mixed into the thin film, and low-temperature and high-speed sputtering of a ferromagnetic material is possible. Note that the facing target type sputtering method also includes DC sputtering and AC sputtering depending on the applied power.
[0009]
However, in the planar magnetron sputtering method shown in FIG. 13, the magnetic flux lines generated by the magnetron arranged on the back surface of the target are closed, whereas in the case of the opposed target type sputtering method shown in FIG. The magnetic flux lines generated here are closed because the magnetic poles of the magnetron on the facing surface between the opposing targets are opposite, but the magnetron target opposite surface can not form a closed magnetic flux line, and the leakage of magnetic flux Has occurred. Leakage of magnetic flux on the back surface means that the magnetic flux lines do not turn between the opposing target surfaces by that much, which means that the magnetic flux generated from the magnetron is not effectively guided to the opposing target surface and efficiency is reduced. Not a good magnetron.
[0010]
In order to reduce this effect, it is necessary to install an iron yoke behind the magnetic pole on the side opposite to the target in order to reduce the leakage magnetic flux, and there is a drawback that the structure of the apparatus must be large. Usually, the magnetic flux between the opposed targets needs to be about 150 to 250 Oe, and a neodymium magnet is used to generate a large magnetic flux. , The thickness of the magnet must be increased in order not to guide the magnetic flux effectively. In addition, since the saturation magnetization of the iron yoke is finite, if the iron yoke is too thin, it is magnetically saturated, and the magnetic flux leaks to the back surface of the iron yoke. Therefore, the thickness of the iron yoke for reducing the leakage magnetic flux must be designed to be large. In the planar magnetron sputtering method shown in FIG. 13, since the magnetic flux is closed on both the front and back surfaces of the magnetron, the total thickness of the magnetron and the iron yoke is about 30 to 50 mm. On the other hand, in the facing target type sputtering method shown in FIG. 14, the total thickness of the magnetron and the iron yoke is about 100 mm. Further, as shown in FIG. 15, when a thin film having a multilayer structure is manufactured by the same vacuum apparatus by this opposed target type sputtering method, the apparatus must have a large structure and a vacuum apparatus for controlling the opposed target type sputtering. Is increased. If the vacuum device becomes large, a vacuum pump with a higher pumping speed must be installed in the device in order to achieve the same ultimate vacuum degree, which is problematic in terms of cost.
[0011]
Also, in the conventional facing target type sputtering method, the probability of collision with the ambient gas increases due to the reciprocation of γ electrons generated during sputtering between the targets. As a result, the ambient gas pressure is reduced by high density plasma. Discharge possible (vacuum 10 ^-4 (Torr level), which has an excellent advantage that atmospheric gas mixture into the thin film can be reduced. However, in order to produce a higher-performance electronic device, it is necessary to further reduce the amount of the atmospheric gas taken into the thin film. ^-5 (Torr level) to obtain high-density plasma and to perform sputtering. In view of the situation concerning these thin film production sputtering devices, high-speed and low-temperature sputtering is possible, preventing magnetic flux leakage, miniaturizing the structure, multi-targeting, and downsizing the accompanying vacuum device, The purpose is to provide a sputtering apparatus for producing a thin film capable of high-vacuum, high-speed, and low-temperature sputtering in which high-density plasma can be sputtered and multi-layer thin films can be placed at the same position. Application No. 2001-385645 has been filed.
[0012]
As shown in FIG. 16, this sputtering apparatus for producing a thin film comprises a polygonal column rotating type opposed target sputtering method in which targets are arranged on respective surfaces parallel to a rotatable polygonal column type rotation axis. The target holder is box-shaped, and four targets are installed on each surface, and a pair of box-type rotary opposing target holders oppose each other. The magnets are arranged so that the polarity of the magnets alternates so that the magnetic flux lines generated by the magnets arranged on the back surface of each target of the box type target holder are completely closed on the inner surface of the box type target holder. As a result, the magnetic flux lines generated by the magnets on the surface opposite to the target surface do not become open, and it is possible to form closed magnetic flux lines with four magnets having alternately opposite magnetic poles. The conventional target sputtering method required a thickness of about 100 mm attached to an iron yoke on a magnet in order to prevent leakage magnetic flux, whereas in this apparatus, the magnetic flux lines were closed on the back surface of the magnet. Since it is possible, in principle, an iron yoke for preventing leakage of magnetic flux is not required, and even if it is attached, the thickness of the iron yoke attached to the magnet is about 30 to 50 mm, which can be very small.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional sputtering apparatus for producing a thin film as described above has the following problems to be solved.
(1) The magnetic flux lines generated by the magnets arranged on the back surface of each target of the box-type target holder are closed on the outer surface side of the box-type target holder by the magnets of the opposing box-type target holder, and the magnetic flux lines of the opposing targets are closed. The surface constituent atoms and molecules are repelled, and the repelled atoms and molecules are deposited on the substrate. At this time, the repelled atoms and molecules are also scattered and adhere to the target of the target holder adjacent to the box-type target holder, causing a problem that the target surface is contaminated.
(2) In order to industrially produce a sputter on a substrate, it is required that the sputter be more efficient and be more cost-effective.
The present invention has been made in view of such circumstances, and, while taking advantage of the advantages of a conventional opposed target sputtering method capable of high-speed and low-temperature sputtering, miniaturization of the structure and prevention of adjacent target contamination, Further, it is an object of the present invention to provide a sputtering apparatus for producing a thin film which can be advantageous in cost.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
A sputtering apparatus for producing a thin film according to the present invention, which meets the above object, comprises a pair of polygonal column target holders each having a target disposed on each surface parallel to the rotation axis of a rotatable polygonal column, facing each other. A removable protection plate is provided between each adjacent target of the prismatic target holder to prevent surface contamination of the target during thin film production. As a result, the problem of increasing the size of the facing target sputtering method for preventing magnetic flux leakage can be solved, and the vacuum apparatus can be reduced in size. Moreover, the target surface can be prevented from being contaminated due to the constituent atoms and molecules repelled from the surface of the target by the defense plate and adhering to the surface of the adjacent target.
[0015]
Here, the sputtering apparatus for producing a thin film alternates the polarities of the magnets so that the magnetic flux lines generated by the magnets disposed on the back surface of each target of the polygonal column target holder are completely closed on the inner surface of the polygonal column target holder. It is good to provide a magnet to change. As a result, since the polarity of the magnet behind the target is alternately opposite to each other, the magnetic flux lines can be closed without being opened, and a large iron yoke for preventing magnetic flux leakage is not required. Can be prevented from increasing in size.
[0016]
Further, in the sputtering apparatus for producing a thin film, the magnets disposed on the back surfaces of the opposed targets of the pair of opposed polygonal prism target holders have opposite polarities, and the magnetic flux lines are closed between the opposed targets. Good to be. This allows the target to be irradiated with ions and sputtered without leaking magnetic flux, so that a thin film can be efficiently deposited on the substrate.
[0017]
In addition, the sputtering apparatus for producing a thin film rotates each of the opposed polygonal prism target holders so that different surfaces are opposed to each other, and the polarity of the magnets disposed on the back surface of each opposed target is opposite to that before rotation. That is, it is preferable that by rotating the pair of polygonal prism target holders, multiple multilayer thin films of the same number as the targets on the polygonal prism target holder can be produced in the same place. Accordingly, a thin film having a multilayer structure can be efficiently and easily formed, and a substrate for forming a multilayer thin film which is advantageous in cost can be manufactured.
[0018]
Further, the sputter apparatus for producing a thin film is provided with a spontaneous and induced electron beam excited plasma provided with a spontaneous electron beam mechanism which can be incident by an electron beam gun between a pair of opposed polygonal column target holders for exciting a reciprocating induced electron beam. It is better to use. Thus, high-density plasma can be generated under a higher vacuum, and high-vacuum, low-temperature, high-speed sputtering can be performed.
[0019]
The sputtering apparatus for producing a thin film according to the present invention, which meets the above object, has a mechanism for arranging a pair of polygonal column target holders, each having a target disposed on each surface parallel to the rotation axis of a rotatable polygonal column, facing each other. As a module, one or more modules are provided in a vacuum chamber. As a result, it is possible to manufacture a multi-layer thin-film substrate in which the number of modules is multiplied by the number of targets attached to the polygonal column-shaped target holder. It is very advantageous.
[0020]
The sputtering apparatus for producing a thin film according to the present invention, which meets the above object, has a mechanism for arranging a pair of polygonal column target holders, each having a target disposed on each surface parallel to the rotation axis of a rotatable polygonal column, facing each other. As a module, a plurality of vacuum chambers in which one or more modules are disposed in a vacuum chamber are connected via a connector capable of sharing a vacuum, and the connector has an opening / closing mechanism. Since a plurality of vacuum chambers are used in common, one vacuum pump can be used to produce a large number of multilayer thin films, and there is an improvement in throughput, which is very advantageous for industrial production that emphasizes cost. . Further, since the connecting body is provided with the opening / closing mechanism, the apparatus can be operated efficiently according to the fluctuation of the production amount.
[0021]
Here, in the sputtering apparatus for producing a thin film, a detachable protection plate for preventing surface contamination of the target during the production of the thin film is preferably provided between each adjacent target of each polygonal column type target holder. Thus, contamination of the target surface can be prevented by the protection plate.
[0022]
In addition, the sputtering apparatus for producing a thin film alternately changes the polarity of the magnets such that the magnetic flux lines generated by the magnets disposed on the back surface of each target of the polygonal prism target holder are completely closed on the inner surface of the polygonal prism target holder. It is good to provide a magnet like this. It is preferable that the magnets disposed on the back surfaces of the opposing targets of the pair of opposing polygonal prism target holders have opposite polarities, and that the magnetic flux lines are closed between the opposing targets. Further, each of the facing polygonal prism target holders is rotated to face another surface, and the polarity of the magnets disposed on the back surface of each of the facing targets is opposite to that before the rotation, and a pair of polygonal prism type target holders is formed. By rotating the target holders, it is preferable that as many multilayer thin films as the number of targets attached to the polygonal prism type target holder can be formed in the same place. Accordingly, the magnetic flux lines can be closed without being opened, and a large iron yoke for preventing magnetic flux leakage is not required, and the device can be prevented from being enlarged. In addition, the target can be irradiated with ions and sputtered without leaking magnetic flux, and a thin film can be efficiently deposited on the substrate. Furthermore, a thin film having a multilayer structure can be efficiently and easily formed, and a substrate made of a multilayer thin film which is advantageous in cost can be manufactured.
[0023]
In addition, the sputtering apparatus for forming a thin film mounts a substrate for forming a thin film on a polygonal column-shaped substrate holder cassette by the number of sides of the polygonal column of the polygonal column-shaped substrate holder cassette at the maximum, and a pair of polygonal column-shaped opposing substrates. It is preferable to provide a mechanism capable of inserting and removing the polygonal column-shaped substrate holder cassette between a pair of opposed polygonal column-shaped target holders from a load lock chamber provided vertically between the target holders. Accordingly, a thin film having a multilayer structure can be formed more efficiently and easily and continuously, and a substrate made of a multilayer thin film which is advantageous in cost can be manufactured.
[0024]
Further, the sputter apparatus for producing a thin film is provided with a spontaneous and induced electron beam excited plasma provided with a spontaneous electron beam mechanism which can be incident by an electron beam gun between a pair of opposed polygonal column target holders for exciting a reciprocating induced electron beam. It is better to use. Thus, high-density plasma can be generated under a higher vacuum, and high-vacuum, low-temperature, high-speed sputtering can be performed.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings to provide an understanding of the present invention.
FIGS. 1A and 1B are a perspective view and a plan view of a pair of opposed polygonal prism target holders of a sputtering apparatus for producing a thin film according to an embodiment of the present invention, and FIG. Explanatory drawing in which a spontaneous electron beam is irradiated between a pair of opposed polygonal column target holders of a sputtering apparatus for production, and FIGS. 3A and 3B each show a polygonal column of a modification of the sputtering apparatus for producing a thin film. FIG. 4 is a plan view of a target holder, FIG. 4 is an explanatory view of a sputtering apparatus for producing a thin film of the modification, FIG. 5 is an explanatory view of a sputtering apparatus for producing a thin film of another modification, FIG. FIG. 7 is an explanatory view of the direction dependency of sputtering in a thin film production sputtering apparatus of a modified example and another modified example. FIG. 7 is a polygonal column type of the thin film production sputtering apparatus of the modified example and other modified examples. PCB holder FIG. 8 is an explanatory view of a shutter mechanism of a polygonal column-shaped substrate holder cassette of the sputtering apparatus for producing a thin film of the same, a sputtering apparatus for producing a thin film of a modified example and another modified example, and FIG. Explanatory drawing of a moving mechanism of a polygonal column type substrate holder cassette which reciprocates between a vacuum chamber and a load lock chamber of a sputtering apparatus, a thin film production sputtering apparatus of a modified example and other modified examples, FIG. FIG. 11 is a conceptual view of a cooling and power supply stage in a vacuum chamber of a thin film production sputtering apparatus according to a modification and another modification. FIG. 11 is a thin film production sputtering apparatus according to the modification and other modifications. FIG. 12 is an explanatory view of a moving mechanism of a modified example of a polygonal column-shaped substrate holder cassette reciprocating between a vacuum chamber and a load lock chamber. FIG. Is an explanatory diagram spontaneous electron beam is irradiated to a pair of polygonal prism target holder facing the vacuum chamber of the examples and other thin film fabrication sputtering apparatus according to a modification.
[0026]
As shown in FIGS. 1A and 1B, a sputtering apparatus 10 for producing a thin film according to an embodiment of the present invention has a pair of opposed polygonal prism target holders 11. This pair of opposed polygonal prism target holders 11 has, for example, four targets 13 made of different materials on respective surfaces parallel to the rotatable box-shaped rotation axis 12, and each of the pair can rotate. The box-shaped polygonal column-shaped target holder 11 is opposed. The target 13 is attached to a copper backing plate for easy attachment and detachment, and the backing plate is attached to a box-shaped polygonal column target holder 11 made of copper or stainless steel. Further, each of the pair of opposed polygonal prism target holders 11 is provided with a detachable protection plate 14 between adjacent ones of the targets 13 for preventing surface contamination of the targets 13 at the time of producing a multilayer thin film. The protective plate 14 is configured such that γ electrons (induced electron beam) 16 induced by magnetic flux lines 15 formed between a pair of opposed polygonal prism target holders 11 extract an ion beam such as Ar and irradiate the target 13. When the constituent atoms and molecules repelled from the surface of the target 13 are deposited on the substrate, the constituent atoms and molecules are deposited on the surface of the adjacent target 13 of each of the pair of opposing polygonal prism target holders 11 to remove the surface of the adjacent target 13. Prevents contamination.
[0027]
On the back surface of each of the targets 13 of each of the pair of opposed polygonal column target holders 11, there is provided a magnet 17, and the magnetic flux lines 15 formed by these magnets 17 are respectively formed on the inner surface of one polygonal column target holder 11. It is preferable that the magnets 17 are arranged so that the polarity of the magnets 17 alternates so that the magnets 17 are completely closed. As a result, the magnetic flux generated by the magnet 17 on the surface opposite to the surface of the target 13 does not become open, and the magnetic flux lines 15 alternately closed by the magnets 17 having opposite magnetism can be formed. Therefore, in principle, an iron yoke for preventing leakage of magnetic flux is not required, and even if it is attached, its thickness can be reduced, so that the device can be downsized.
[0028]
Further, the pair of opposed polygonal prism target holders 11 are arranged such that the polarity of the magnet 17 on the back surface of the target 13 on each surface of the opposed target 13 is opposite. The magnetic flux lines 15 formed between the pair of opposed polygonal column target holders 11 are moved from the N pole of the magnet 17 on the back surface of the target 13 of one polygonal column target holder 11 to the other polygonal column target holder 11. It is preferable to close the magnet 13 on the back surface of the target 13 in the direction of the S pole. The pair of opposing polygonal prism-shaped target holders 11 is configured such that the respective rotation shafts 12 rotate in the same direction or in opposite directions to each other, so that the surfaces of the respective targets 13 made of different materials are formed. And the next sputtering is performed. At this time, the direction of the magnetic flux lines 15 formed between the two targets 13 of the pair of opposed polygonal column target holders 11 is opposite to the direction before rotation. Then, by repeating the rotation sequentially, it is possible to produce the same number of multilayer thin films as the number of the pair of targets 13 on the pair of opposed polygonal prism target holders 11 at the same place.
[0029]
In the facing target type sputtering method, the pressure of the atmospheric gas for generating plasma is set to 10 ^-4 On the Torr level, the high-energy induced electron beam (γ-electron) 16 emitted from the surface of the target 13 due to the impact of the ionized gas of the atmospheric gas on the target 13 is confined between the opposing targets 13 and faces the opposing target. 13 reciprocates to ionize the atmosphere gas to generate high density plasma. As shown in FIG. 2, together with the induced electron beam 16, a spontaneous electron beam 19 is incident on the pair of opposed polygonal column target holders 11 by, for example, an obliquely upward electron beam gun 18. Thereby, under a lower vacuum (10 ^-5 High-temperature, high-temperature sputtering can be performed under high vacuum generated by high-density plasma on the Torr level.
[0030]
Although the holders of the pair of opposing polygonal column target holders 11 have been described as box-shaped, as shown in FIGS. 3A and 3B, the pair of opposing polygonal column target holders are used. Each of the holders 11 may be, for example, a hexagonal prism (see FIG. 3 (A)) or an octagonal prism (see FIG. 3 (B)), and further comprises an even number of polygonal prisms. The target holder 11 may be a polygonal prism type target holder. The shape of each magnet 17 of the pair of opposed polygonal prism target holders 11 may be a cylindrical shape or the like in addition to a columnar shape, and the shape is not particularly limited.
In addition, the rotation surface of the polygonal prism target holder 11 is described as being parallel to the horizontal plane, but the direction of the rotation surface is not limited. Further, the respective holders of the pair of opposed polygonal prism target holders 11 only need to rotate in the same direction or rotate in the opposite directions, and their directions are not limited. Further, the distance between the pair of opposed polygonal prism target holders 11 can be adjusted by moving the polygonal prism target holders 11 including the respective rotating shafts 12 in parallel.
[0031]
In comparison with the conventional target type sputtering method in which four different materials are sputtered in the conventional type shown in FIG. 15, the conventional type has a pair of opposed target type holders that reduce the leakage flux behind the magnetic pole on the back surface. It is necessary to install a thick iron yoke to perform the operation, and there is a disadvantage that the structure must be large. In addition, in order to produce a thin film having a multilayer structure using the same vacuum apparatus by this method, it is necessary to arrange four pairs of opposed target type sputters having a large structure in parallel. Becomes larger. For example, when compared with a case where four targets of the same size are arranged, the occupied area and volume of the sputtered portion of the sputtering apparatus 10 for thin film production according to one embodiment of the present invention are the same as those of the conventional type. Only about 50% of the area and volume is required. In addition, when the vacuum apparatus becomes large, a vacuum pump with a higher pumping speed is required to produce the same ultimate vacuum degree, which is problematic in terms of cost.
[0032]
4 and 5, a description will be given of a sputtering apparatus for producing a thin film in which a pair of opposed polygonal prism target holders 11 constitutes one module.
As shown in FIG. 4, a sputtering apparatus 10a for producing a thin film according to a modified example according to an embodiment of the present invention is configured such that targets 13 are disposed on respective surfaces parallel to a rotatable polygonal rotary shaft 12 so as to face each other. One or more (two in FIG. 4) modules are provided in the vacuum chamber 20 with the pair of polygonal column target holders 11 as one module. By arranging one or more modules in the vacuum chamber 20, the number of multi-layer thin films is obtained by multiplying the number of modules by the number of pairs of the respective targets 13 attached to the pair of opposed polygonal column target holders 11. Fabrication is possible, and improvement in throughput can be expected.
[0033]
As shown in FIG. 5, a sputtering apparatus 10b for producing a thin film according to another modification of the embodiment of the present invention has a target 13 on each surface parallel to a rotatable polygonal column-shaped rotation axis 12. One or more (two in FIG. 5) modules are disposed in the vacuum chamber 20 with the pair of opposed polygonal prism target holders 11 arranged as one module, and a plurality of vacuum The chambers 20 are connected to each other via a connecting body 21 capable of forming a common vacuum. Further, the connecting body 21 is provided with an opening / closing mechanism for creating a vacuum state for each vacuum chamber 20. By arranging a number of modules in a vacuum chamber 20 that can be shared by a vacuum pump, a number obtained by multiplying the number of modules by the number of a pair of each target 13 attached to a pair of opposed polygonal column target holders 11. It is possible to manufacture a multi-layer thin film, and an improvement in throughput can be expected. Conversely, when it is desired to restrict the production amount, the apparatus can be easily operated in accordance with the production amount by closing the opening / closing mechanism provided on the connecting body.
[0034]
A removable protection plate 14 for preventing surface contamination of the target 13 at the time of manufacturing a multilayer thin film is preferably provided between each adjacent target 13 of the pair of opposed polygonal column target holders 11 in the vacuum chamber 20. Good. The protective plate 14 is used for depositing constituent atoms and molecules repelled from the surface of the target 13 on the surface of the target 13 adjacent to each of the pair of opposing polygonal prism target holders 11 and for adjacent modules when depositing atoms and molecules on the substrate. Is deposited on the surface of the target 13 of each of the pair of opposed polygonal column target holders 11 to prevent contamination of the surface.
[0035]
In addition, the magnetic flux lines 15 formed by the magnets 17 disposed on the back surfaces of the respective targets 13 of the pair of opposed polygonal column target holders 11 in the vacuum chamber 20 are respectively formed by the polygonal column target holders 11. Preferably, the magnets 17 are arranged so that the polarity of the magnets 17 alternates so as to be completely closed on the inner surface. Since the magnetic fluxes generated by the magnets 17 on the opposite side to the target 13 alternately form the magnetic flux lines 15 closed by the magnets 17 having the opposite magnetism, the iron yoke for preventing the leakage of the magnetic flux becomes unnecessary. The thickness can be reduced, and the vacuum chamber can be downsized.
[0036]
Further, it is preferable that the polarities of the magnets 17 on the back surfaces of the opposing targets 13 of the pair of opposing polygonal column target holders 11 in the vacuum chamber 20 are opposite to each other. Preferably, the magnetic flux lines 15 are closed between the opposing targets 13. Since the target can be efficiently irradiated with ions and sputtered without leaking magnetic flux, a thin film can be deposited on the substrate at high speed.
[0037]
In addition, each of the pair of opposed polygonal column target holders 11 in the vacuum chamber 20 is rotated so that the surfaces of the targets 13 made of different materials are opposed to each other, and the direction of the magnetic flux lines 15 is opposite to that before rotation. I do. Then, by repeating the rotation sequentially, it is preferable that as many multilayer thin films as the number of the pair of targets 13 on the pair of opposed polygonal prism target holders 11 can be produced at the same place. A thin film having a multilayer structure can be efficiently formed at the same place, and a substrate made of a multilayer thin film which is advantageous in cost can be manufactured.
[0038]
Next, referring to FIGS. 6 to 11, in order to sputter the substrate 23 between the pair of opposed polygonal column target holders 11 using the polygonal column type substrate holder cassette 24 to which the substrate 23 can be mounted. A mechanism for insertion and removal will be described.
As shown in FIG. 6, as a characteristic of the facing target type sputtering method, sputtered particles sputtered from the opposing targets 13 are sputtered in the space between the targets 13 in the direction indicated by the arrow 22 to perform sputtering. By taking advantage of this feature, the substrate 23 on which a thin film is to be formed is usually perpendicular to the axis, for example, at a distance of about half the distance between the targets 13 with respect to the axis between the targets 13. It is installed to be a surface. As shown in FIG. 7, the substrate 23 is placed between a pair of opposed polygonal column target holders 11 to form a multilayer thin film continuously on the substrate 23. 24 are used, and the substrates 23 are mounted in the polygonal column type substrate holder cassette 24 at the maximum by the number of side surfaces of the polygonal column. In FIG. 7, the polygonal column-shaped substrate holder cassette 24 is shown as a hexagonal column, and the foot of the substrate holder cassette is omitted. As shown in FIG. 8, a shutter 25 mechanism that can be opened or closed independently or simultaneously is provided on the side of each polygonal prism substrate holder cassette 24 facing the target 13 on the side of each polygonal prism. It is possible to form films individually or simultaneously with each other.
[0039]
As shown in FIG. 9, the polygonal column-shaped substrate holder cassette 24 is inserted into a load lock chamber 26 provided vertically between a pair of opposed polygonal column-shaped target holders 11. The polygonal column type substrate holder cassette 24 is inserted into and removed from the pair of polygonal column type target holders 11 facing each other from the load lock chamber 26 by a mechanism capable of being inserted into the vacuum chamber 20 and the load lock chamber. 26. In FIG. 9, the polygonal column-shaped substrate holder cassette 24 is shown as a hexagonal column, and the foot of the substrate holder cassette is omitted.
[0040]
As shown in FIG. 10, inside the vacuum chamber 20, cooling and power supply capable of receiving the polygonal column-shaped substrate holder cassette 24 and cooling or supplying power to the polygonal column-shaped substrate holder cassette 24 are provided. A stage 27 is provided. In FIG. 10, the polygonal prism substrate holder cassette 24 is described as an octagonal prism, and the foot of the substrate holder cassette is also illustrated. By the cooling and power supply stage 27, films can be formed on a large number of substrates 23 individually or simultaneously in a state where the substrates 23 are cooled, and an improvement in throughput can be expected. Further, by mounting a heater on a pair of opposed polygonal prism target holders 11, a film can be formed while the substrate 23 is being heated. Although the present embodiment is shown as a load lock type, the apparatus may be of a so-called batch type in which the polygonal column substrate holder cassette 24 is directly placed in the vacuum chamber 20 without a sub-chamber such as the load lock chamber 26. Good.
[0041]
As a modified example of the above-described embodiment, as shown in FIG. 11, two modules are installed in the same vacuum chamber 20 with the mechanism of a pair of opposed polygonal prism target holders 11 as one module. The two prism-shaped substrate holder cassettes 24 are simultaneously inserted and removed from the load lock chambers 26 installed on both sides of the vacuum chamber 20, respectively. Thus, a throughput twice as large as the number of films formed by the method shown in FIG. 9 can be achieved.
Further, by changing the material of each of the targets 13 of the two modules, the polygonal column type substrate holder cassette 24 inserted from the load lock chamber 26 on one side is inserted into a pair of opposed polygonal column target holders on the first side. 11 is performed. After the film formation is completed, the polygonal column substrate holder cassette 24 is moved to the second module side to form a film, and after the film formation is completed, the polygonal column substrate holder cassette 24 is moved from the load lock chamber 26 on the second module side. By taking out, the substrate 23 having a multilayer thin film structure different in number from the number of the targets 13 mounted on the polygonal column target holder 11 can be manufactured.
[0042]
Subsequently, a mode in which a spontaneous electron beam 19 in addition to the induced electron beam 16 is irradiated between a pair of opposed polygonal column target holders 11 in the vacuum chamber 20 will be described with reference to FIG.
The high-energy induced electron beam 16 emitted from the surface of the target 13 by the impact of the ionized gas of the atmospheric gas on the target 13 is confined between the opposing targets 13 and reciprocates between the opposing targets 13 to remove the atmospheric gas. It is ionized to generate high density plasma. Thus, a multilayer thin film can be compactly produced at the same place by high-speed and low-temperature sputtering, but the pressure of the atmospheric gas for generating plasma in the vacuum chamber 20 is 10 to ^-4 It is performed on the Torr level. However, there is a need to generate higher-density plasma and produce it by higher-speed and lower-temperature sputtering. As shown in FIG. 12, in addition to the induced electron beam 16, a spontaneous electron beam 19 mechanism that can be incident between a pair of opposed polygonal column target holders 11 in the vacuum chamber 20 by, for example, an obliquely upward electron beam gun 18 is provided. Preferably, the provided spontaneous and induced electron beam excited plasma is made available. Thereby, under a lower vacuum (10 ^-5 (Torr level), high-density plasma can be generated, and higher-speed and lower-temperature sputtering can be performed.
[0043]
In the present embodiment, the sputtering includes direct current (DC) or alternating current (RF) sputtering depending on the power source applied to the rotary polygonal column target holder 11. Further, the substrate 23 may be in a floating state during sputtering, and furthermore, bias sputtering may be performed by applying a bias voltage.
[0044]
Next, an example of a thin film sputter produced by the sputtering apparatus for producing a thin film according to the present embodiment will be described. When the spontaneous electron beam is not applied, the distance between the target and the substrate is 9 cm using an Nb target, and the Ar pressure is 2 × 10 ^-4 At Torr, a DC applied current of 2.0 A and a DC applied voltage of 350 V, a deposition rate of 125 nm / min was obtained. Nb has a temperature (Tc) at which it becomes superconducting in a superconducting material is 9.3K, but the Tc is so sensitive as to fall to 8.3K when only 1 at% of oxygen is mixed therein. The Nb thin film produced under the above conditions exhibited the same Tc as 9.3K. Next, when a spontaneous electron beam was extracted from the electron beam source with an applied power of 100 V and 10 A and irradiated between the opposing targets, an Ar pressure of 3 × 10 ^-5 At Torr, a DC applied current of 2.0 A and a DC applied voltage of 350 V, a deposition rate of 100 nm / min was obtained. The Nb thin film produced under this condition has the same value of Tc as 9.3K, and has a residual resistance ratio of about 10 as a ratio of resistance between room temperature and 10K, which is about 3 times that of the case where the spontaneous electron beam 19 is not irradiated. A high quality thin film having twice the value and having a small residual gas uptake was formed.
[0045]
【The invention's effect】
The sputtering apparatus for producing a thin film of the present invention is capable of simultaneously achieving multi-targeting and miniaturization of the apparatus by preventing leakage of magnetic flux lines by a facing target type sputtering method using a rotatable polygonal column type target holder. In addition, by providing a protection plate between adjacent targets, it is possible to prevent contamination of the target surface, improve quality, and manufacture a substrate that is advantageous in cost. In addition, high-speed and low-temperature sputtering of a multilayer thin film structure can be achieved at the same place, and throughput can be improved by introducing a polygonal column type substrate holder cassette. Further, by adding the spontaneous electron beam to the induced electron beam between the targets, a higher-density plasma state can be formed, and high-vacuum, high-speed, and low-temperature sputtering of the multilayer thin film structure becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a perspective view and a plan view, respectively, of a pair of opposed polygonal prism type target holders of a sputtering apparatus for producing a thin film according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view in which a spontaneous electron beam is irradiated between a pair of opposed polygonal prism-shaped target holders of the sputtering apparatus for producing a thin film.
FIGS. 3A and 3B are plan views of a polygonal prism target holder of a modification of the sputtering apparatus for producing a thin film.
FIG. 4 is an explanatory view of a sputtering apparatus for producing a thin film according to the modification.
FIG. 5 is an explanatory view of a sputtering apparatus for producing a thin film according to another modification.
FIG. 6 is an explanatory diagram of the direction dependency of sputtering in the sputtering apparatus for producing a thin film, a modified example thereof, and a sputtering apparatus for producing a thin film according to another modified example.
FIG. 7 is an explanatory view of a polygonal-pillar-type substrate holder cassette of the sputtering apparatus for producing a thin film, a modified example thereof, and a sputtering apparatus for producing a thin film of another modified example.
FIG. 8 is an explanatory view of a shutter mechanism of a polygonal-pillar-type substrate holder cassette of the sputtering apparatus for producing a thin film, a modified example, and a sputtering apparatus for producing a thin film of another modified example.
FIG. 9 is an explanatory view of a moving mechanism of a polygonal column-shaped substrate holder cassette which reciprocates between a vacuum chamber and a load lock chamber of the sputtering apparatus for forming a thin film, a modification of the sputtering apparatus for forming a thin film, and another modification.
FIG. 10 is a conceptual diagram of a cooling and power supply stage in a vacuum chamber of the sputtering apparatus for forming a thin film, a modified example, and a sputtering apparatus for forming a thin film according to another modification.
FIG. 11 is an explanatory view of a moving mechanism of a modified example of the polygonal column-shaped substrate holder cassette which reciprocates between the inside of the vacuum chamber and the load lock chamber of the sputter device for producing a thin film, the modified example, and the modified example. It is.
FIG. 12 is an explanatory view in which a spontaneous electron beam is irradiated between a pair of opposed polygonal prism target holders in a vacuum chamber of the sputtering apparatus for forming a thin film, a modified example, and a sputtering apparatus for forming a thin film according to another modified example. is there.
FIG. 13 is an explanatory diagram of a magnetron sputtering method of a conventional sputtering apparatus for producing a thin film.
FIG. 14 is an explanatory diagram of a facing target type sputtering method of a conventional sputtering apparatus for producing a thin film.
FIG. 15 is an explanatory diagram of a case where a thin film having a multilayer structure is produced by the same vacuum apparatus by a facing target type sputtering method of a conventional sputtering apparatus for producing a thin film.
FIG. 16 is an explanatory diagram of a conventional polygonal column rotating type facing target sputtering method of a thin film production sputtering apparatus.
[Explanation of symbols]
10, 10a, 10b: sputtering apparatus for producing a thin film, 11: polygonal column target holder, 12: rotating shaft, 13: target, 14: defense plate, 15: magnetic flux line, 16: γ electron (induced electron beam), 17 : Magnet, 18: Electron beam gun, 19: Spontaneous electron beam, 20: Vacuum chamber, 21: Connected body, 22: Arrow, 23: Substrate 24: Polygonal column type substrate holder cassette, 25: Shutter, 26: Load lock chamber, 27: Cooling and power supply stage

Claims

A pair of polygonal column target holders, each having a target disposed on each surface parallel to the rotation axis of the rotatable polygonal column, are arranged to face each other, and between the adjacent targets of each of the polygonal column target holders. A sputter device for producing a thin film, comprising a detachable protection plate for preventing surface contamination of the target at the time of producing the thin film.

The sputtering apparatus for producing a thin film according to claim 1, wherein the magnetic flux lines generated by magnets disposed on the back surface of each of the targets of the polygonal column target holder are completely closed on the inner surface of the polygonal column target holder. A sputtering apparatus for producing a thin film, wherein the magnets are provided so that the polarity of the magnets alternates.

3. The sputtering apparatus for producing a thin film according to claim 1, wherein the magnets disposed on the back surfaces of the opposing targets of the pair of opposing polygonal prism target holders have opposite polarities, and furthermore, oppose each other. Wherein the magnetic flux lines are closed between the targets.

The thin film production sputtering apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein each of the facing polygonal prism-type target holders is rotated to face another surface, and the back surface of each of the facing targets is attached. The polarities of the magnets arranged are opposite to those before rotation, and the multilayer thin films of the same number as the targets on the polygonal prism target holder are rotated at the same place by rotating the pair of polygonal prism target holders, respectively. A sputtering apparatus for producing a thin film, which can be produced.

5. The sputter apparatus according to claim 1, wherein the spontaneous electron beam can be incident by an electron beam gun between a pair of opposed polygonal column target holders for exciting a reciprocating induced electron beam. A sputter apparatus for producing a thin film, characterized by utilizing a spontaneous and induced electron beam excited plasma provided with a mechanism.

A mechanism for opposing and disposing a pair of polygonal prism target holders having targets arranged on respective surfaces parallel to the rotation axis of a rotatable polygonal cylinder is defined as one module, and one or more modules are arranged in a vacuum chamber. A sputtering apparatus for producing a thin film, comprising:

A mechanism for opposing and disposing a pair of polygonal prism target holders having targets arranged on respective surfaces parallel to the rotation axis of a rotatable polygonal cylinder is defined as one module, and one or more modules are arranged in a vacuum chamber. A plurality of the vacuum chambers to be provided are connected via a connecting member capable of common vacuum, and the connecting member has an opening / closing mechanism.

8. The detachable protective plate according to claim 6, wherein a surface of the target is prevented from being contaminated when the thin film is formed between the adjacent targets of each of the polygonal target holders. A sputtering apparatus for producing a thin film.

9. The sputtering apparatus for producing a thin film according to claim 6, wherein a magnetic flux line generated by a magnet disposed on the back surface of each of the targets of the polygonal column target holder is the polygonal column target holder. 10. A sputtering apparatus for producing a thin film, wherein the magnets are provided so that the polarity of the magnets is alternately changed so as to be completely closed on an inner surface.

10. The sputtering apparatus according to claim 6, wherein the magnets disposed on the back surfaces of the opposed targets of the pair of opposed polygonal column target holders have opposite polarities. 11. And a magnetic flux line is closed between each of the targets facing each other.

The sputtering apparatus for producing a thin film according to any one of claims 6 to 10, wherein each of the polygonal prism-type target holders facing each other is rotated to face another surface, and a back surface of each of the facing targets is provided. The polarities of the magnets arranged are opposite to those before rotation, and the multilayer thin films of the same number as the targets on the polygonal prism target holder are rotated at the same place by rotating the pair of polygonal prism target holders, respectively. A sputtering apparatus for producing a thin film, which can be produced.

12. The thin film forming sputtering apparatus according to claim 6, wherein a substrate for forming a thin film is placed in a polygonal column type substrate holder cassette at a maximum on a side surface of a polygonal column of the polygonal column type substrate holder cassette. 13. Inserting and removing the polygonal column-shaped substrate holder cassette between the pair of opposed polygonal column-shaped target holders from a load lock chamber mounted vertically and provided between the pair of opposed polygonal-column-shaped target holders. A sputtering apparatus for producing a thin film, comprising a mechanism capable of forming a thin film.

The sputter apparatus according to any one of claims 6 to 12, wherein a spontaneous electron beam that can be incident by an electron beam gun between a pair of opposed polygonal column target holders that excite a reciprocating induced electron beam. A sputter apparatus for producing a thin film, characterized by utilizing a spontaneous and induced electron beam excited plasma provided with a mechanism.