JP3775689B2 - Method and apparatus for ionizing sputtering of materials - Google Patents

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Description

本発明はスパッタコーティングに関し、特にコーティング材料を基板上にイオン化し物理的蒸着(IPVD)を行なう方法と装置とに関する。
発明の背景
半導体製造において、例えばバイアス、トレンチおよびコンタクトホールのようなサブミクロンの高いアスペクト比の形成物の存在は種々のコーティング問題を惹起している。超大規模集積半導体素子(VLSIおよびULSI)の製造において、そのような形成物の底部における接点はライナーでコーティングする必要があることが多く、かつ形成物は導体金属で充填する必要があることがよくある。フィルム蒸着すべき多くの半導体素子の製造状況下において、物理的蒸着(PVD)法を使用してコーティングを付与する必要があるか、少なくとも好ましい。狭くて高いアスペクト比の形成物(アパーチャ)の底部に物理的方法によってフィルム蒸着するには蒸着すべき材料を基板に向って運動させる上で高い方向性を達成する必要がある。より高いアスペクト比の形成物は、より大きな方向性を必要とする。例えば、基板の表面の狭くて高いアスペクト比の孔の底部における接点を効果的にコーティングするには、コーティング材の粒子が前記形成物の角度の付いた開口よりも著しく大きくない、直角に対する角度で運動する必要がある。
半導体素子の製造においては、幅が0.25から0.35ミクロンであり、素子の小型化傾向が継続するにつれて更に狭くなる傾向の高いアスペクト比の孔やトレンチの底部における接点を金属化する必要がある。例えばスパッタコーティングのような物理的蒸着法によってそのような接点を金属化することは、PVD法が全体的に達成されるフィルムの純度、および処理装置の全体のコストおよび簡素化において代替的な方法と比較して技術的および商業的に利点があるため好ましいことである。例えば、化学的蒸着(CVD)法は、化学的方法が孔やトレンチの内部で基板の表面にフィルムを形成することが可能であるため深い孔やトレンチにおけるフィルムの蒸着に時折使用されている。しかしながら、CVD法はPVD法の装置よりもより複雑で高価な装置を必要とする。CVD法は、その化学的性質のために、環境要素を含むことが多く、かつ素子の汚染源をもたらす可能性がある化学的先駆物質を採用することが多く、これらの装置は典型的にはより頻繁に防護保守作業を必要とし、そのため非生産的な休止時間をもたらす。多くの種類のフィルムに対して、PVD法はCVD法より高速で、生産性が良好で、従ってコストが低くなる。更に、CVD法は、例えばCVD蒸着を排除する可能性のある複雑な先駆物質や分配装置を必要とすることにより、多くの蒸着材料に対して生存し得ない、すなわち実用的でありえない。チタン、窒化チタンおよびタングステンに対しては許容される製造のためのCVD法は存在する。しかしながら、アルミニューム、銅、タンタル、および窒化タンタルに対するCVD法は存在せず、存在したとしても未完成であるか、商業的に実用的でない。更に、ある方法では、CVDは基板上に部分的に形成された素子を長期に亘って熱に対して露出させ、そのため材料の境界において材料を移動させたり、拡散させる可能性があり、あるいは当該素子をその他の損傷をもたらす熱に露出させたり、あるいは当該工程に対する熱供給を超過する可能性がありうる。
前記形成物の大きさを低減させ、アスペクト比を増大するため、ある用途においては物理的蒸着によってコーティングを付与することが好ましい基板上にコーティング材を運動させる上での益々高い方向性を達成するためにスパッタリング法に対する需要を増大させている。基板に入射するスパッタリングされた材料の粒子の通路が基板の面に対して非常に平行で、かつ直角に保つことが可能でないとすれば、高いアスペクト比の形成物をスパッタコーティングしようとすると該形成物の上側に過度の蒸着をもたらすか、あるいは形成物の口を閉鎖する結果となり、その場合、物理的蒸着法は満足な結果を達成しない。
スパッタコーティング法は、典型的には基板と高い純度のコーティング材のターゲットとを、例えばアルゴンのような不活性ガスで充填した真空室中に入れ、ガス中でプラズマを形成することによって実行される。プラズマは典型的には負の電位において常にあるいは間歇的にターゲットを保つことにより発生し、そのため、ターゲットはガスを真空室内で励起させ、ターゲットの面の近傍でプラズマを形成する電子を供給する陰極として機能する。プラズマの発生は、通常、マグネトロン陰極組立体によって高められる。該マグネトロン陰極組立体においてはターゲットの背後にある磁石がこれらの電子をターゲットの表面に亘って捕捉し、そこで電子は処理ガスの原子と衝突して、電子をガスの原子から剥ぎ取りそれらを正のイオンに変換する。ガスイオンは負に帯電したターゲットに向って加速され、そこで表面と衝突し、ターゲットの面の原子、ターゲット材料の原子クラスタあるいは粒子および二次電子から放出される。二次電子はプラズマを持続する上で主要な役目を果たす。ターゲット材料の放出された粒子は電荷が中立であり、種々の方向に真空空間を通して伝播しある程度基板と衝突し、該基板に接着してフィルムを形成する。基板上の益々狭くなる形成物と高くなるアスペクト比とは開口の許容角度を低減させ、それにによって形成物の側部を保護し、その結果形成物の側部およびその周りの領域によって遮断される入射粒子が更に増加し、底部に蒸着するために利用可能な粒子が更に少なくなる。
欧州特許第593924号は陰極スパッタリングによってプラズマを発生させる装置を記載している。本装置はコーティングすべき基板の上方に位置したマグネトロン陰極を含む。コイルが高周波数電源に接続された基板の上方の空間の周りに設けられている。コイルは2個の絶縁体の内面にある溝に配置されている。アンテナとして機能する各カバープレートが各絶縁体の内面の上方を延びており、遮蔽体が各絶縁体の下面および外面を被覆している。
伝播する粒子が基板の面に向って直角な直線運動するようにさせるために種々の方法が使用されてきた。一つの方法は、入射角を正常に分配し、コリメータを通過する粒子は基板に対して直角か、あるいは殆ど直角であるもののみであるようにコリメータに対して小さい角度で導かれた粒子を遮断することにより入射粒子の方向性を向上させるようにターゲットと基板との間で物理的なコリメータプレートを使用することを含む。ロングスロー(long-throw)スパッタリングとして知られている別な方法は基板に対して直角か、あるいは直角に近い角度で動いている粒子のみが真空室の長さに亘って移動して基板と衝突するように基板とターゲットとの間隔を増大することを必要とする。コリメータは、遮断された粒子がコリメータで堆積し、そこでフィルムが形成され、最終的にはひらひらと落下しようとするので粒子の汚染源をもたらす。コリメータによる蒸着とロングスローによる方法の双方共基板に対して小さい角度で動いている材料を排除することにより方向性を達成し、そのため基板に入射するスパッタリングした材料のパーセントを驚異的に増大し、そのため蒸着速度を著しく減少させる。それは、また防護のための保守作業を増し、ターゲット材料の使用を減少させ、生産量を低減する。
新規に検討されているスパッタリングされた材料を導く別な方法は、往々にしてイオン化した物理的蒸着法すなわちIPVDと称されるイオン化したスパッタリング法である。IPVDによれば、コーティング材料はマグネトロンスパッタリングあるいはその他の従来のスパッタリングあるいは蒸着技術を使用してターゲットからスパッタリングされる。スパッタコーティング方法において、スパッタリングされて粒子は広い放出角度でターゲットから放出される。IPVDは、粒子が静電子的にあるいは電気的に基板に対して直角な方向で導くことが出来るように粒子をイオン化することによって方向性を向上させようとしている。
IPVDにおいて、ターゲットと基板との間の、そこを通してスパッタリングされた粒子が基板までの途中で通過する空間におけるガスにおいて付加的なプラズマが形成される。従来技術においては、付加的なプラズマは、例えばRFエネルギをターゲットの下流側の真空室中へ容量的に結合するように種々の方法によって空間内で形成され、あるいは電子サイクロトロン共鳴(ECR)あるいはその他のマイクロ波発生技術によって前記空間から離れたところで形成され、次に前記空間へ流入するようにされた。この空間を通過するスパッタリングされた材料の粒子は電子あるいはイオン化された処理ガスの準安定した中性子と衝突する。衝突は電子をスパッタリングされた粒子の原子から電子をもぎ取り粒子を正に帯電した状態に残す。スパッタリングされたこれらの正のイオンは、次に電気的に、例えば負のバイアスを基板に付加することによって基板に向って電気的に加速される。
従来技術におけるIPVD法は製造環境におけるその粒子の使用を阻害する多数の欠点と問題とを示している。そのような方法は、例えば全体効率が低かった。特に、IPVD法は典型的には蒸着速度が低い。更に、従来技術による方法ではフィルムの汚染が高レベルであった。特に、従来技術のIPVD法では、ターゲットのスパッタリングパワーが増大するにつれて高いアスペクト比の形成物の充填は低下することが判明している。そのような充填の低下はアルミニューム合金のスパッタリングを、ターゲット/マグネトロン組立体に対して典型的に達成可能である12から30kWと比較して304.8ミリメートル(12インチ)のマグネトロンターゲットにより3kWのDCパワーに制限した。低いスパッタリングパワーによって蒸着速度は低くなり、その結果生産性および収量を低下させ、更に約45秒から1分である典型的なウエファーの処理時間と比較して、ウエファ当たりのスパッタリング時間を、例えば10から40分のように汚染を増加させる。更に、当該装置がスパッタリング室における、例えば20から40mTorrのような比較的高い圧力で作動しないとすれば、スパッタリングされた材料の断片的なイオン化は低いことが判明している。アルゴン処理ガスを使用すれば、この圧力は典型的には15mTorrであるか、あるいは低いmilliTorr範囲にある所望のスパッタリング圧力より高い。より高い圧力は蒸着されたフィルムの特性の質を低下させ、フィルムの汚染を増加させる傾向がある。更に、より高い圧力はプロセスのフラットフィールド均一性を低下させ、より大きな真空室構造を強要し、そのため更にイオン化効率を低下させる。従来技術のIPVD法によって起因したその他の問題はプラズマによるRF電極すなわち要素の望ましくないスパッタリングであり、望ましくない蒸着によるRF要素からの堆積したスパッタリングした材料のフレーキングであり、プラズマあるいはRF要素に蒸着された材料によるRF要素の短絡、およびスパッタリングされた材料をイオン化するためにプラズマ中へRFエネルギを結合するために使用する電極すなわち要素とのその他のプラズマおよび材料の相互作用である。
従って、従来技術の欠点や問題を克服するIPVD装置および方法に対する要望がある。特に、許容される高い全体効率、特に高い蒸着速度、高いスパッタリングされた材料のイオン化効率および蒸着されたフィルムの低い汚染をもたらす実用的で効果的なIPVD装置に対する要望がある。高い均一性と品質のフィルムを形成し、一方プロセスを商業的に有用にするのに十分に高い生産性を提供する装置に対する特別な要望がある。
発明の要約
従って、本発明は、真空室の内部に密閉された処理ガス空間と、蒸発したコーティング材料の供給源と、前記供給源と対向して真空室に位置し、前記供給源と面しその上で基板を支持する基板支持体とを有する真空室を提供する段階と、RFエネルギを前記空間を囲むコイルによって前記室に結合させる段階と、前記室に遮蔽体を設ける段階とを含む物理的蒸着方法を指向している。本発明によれば、本方法はイオン化した物理的蒸着を提供し、コイルと前記空間との間で非導電性保護構造体を提供する段階であって、RFエネルギが前記保護構造体を介して前記空間に結合され、前記遮蔽体が前記保護構造体と近接して設けられている段階と、RFエネルギから前記空間を電気的に遮蔽することなくコーティング材料の粒子から前記保護構造体を物理的に遮蔽する段階と、前記空間におけるプラズマをRFエネルギで付勢し、プラズマによりコーティング材料の粒子をイオン化する段階と、コーティング材料のイオン化された粒子を前記空間から基板上に導く段階とを含む。
本発明は、また低圧レベルで保つべき、真空室内に密閉された処理ガス空間と、前記真空室における蒸着材料の供給源と、蒸着材料の供給源と対向して前記室に位置し、前記供給源と面し、該供給源に対して平行に基板を支持する基板支持体と、前記基板支持体と前記供給源の面との間の前記室の空間を囲む少なくとも1個のコイルと、前記コイルに接続され、該コイルを付勢するように作動可能なRFエネルギ源と、遮蔽体とを含む、物理的蒸着装置を指向する。本発明によれば、前記装置はイオン化された物理的蒸着装置であり、更に、前記コイルと真空室の空間との間に配置された非導電性保護構造体を含み、RFエネルギ源は前記空間内のガスにおいてプラズマを付勢するため保護構造体を介してRFエネルギを結合するように作動可能であり、遮蔽体が前記真空室の空間の周りを周方向に、かつ前記真空室の外側で配置され、保護構造体から内方に離隔され、スパッタリングした材料から保護構造体を物理的に保護し、遮蔽体は該遮蔽体における周方向の電流を低減するのに十分遮蔽体を少なくとも部分的に分離する少なくとも1個の空隙を有する。
本発明の主な目的はVLSIおよびULSI半導体ウエファの狭くて高いアスペクト比の孔およびトレンチの底部および、ある程度は側部に薄いフィルムを蒸着する方法と装置とを提供することである。また、本発明の主な目的は全体効率が高いイオン化した物理的蒸着を行ない、特にコーティング材のイオン化効率が高くて広範囲の圧力で高い蒸着速度を提供する方法と装置とを提供することである。更に別な本発明の目的は予防保守要件が低いIPVD法およびハードウエアを提供することである。
本発明の特別な目的はターゲットにおけるスッパッタリングパワーが少なくとも中庸のレベルに維持することが可能で、真空室を比較的高いスパッタリング圧力に保つ必要なくスパッタリングされた材料中へのRFエネルギの高い結合効率を提供するIPVD装置と方法とを提供することである。本発明の更に別な目的は室内のプラズマと電極あるいはスパッタリングされた材料をイオン化するためにプラズマ中へRFエネルギを結合するために使用する要素との間の不利な相互作用、特に電極からのスパッタリングされた材料のスパッタリング、フレーキングあるいは電極の短絡の可能性を低く抑える方法と装置とを提供することである。
本発明の原理によれば、RF要素がエネルギをPVD処理室中へ結合し主プラズマと基板との間の室の空間において二次プラズマを発生している間に主プラズマがターゲットから材料をスパッタリングするためにターゲットの近傍で形成されるIPVD装置と方法とが提供される。二次プラズマは典型的にはスパッタリングターゲットに近接して閉じ込められた主プラズマに対する補助である。二次プラズマは一般に室を充填するが、主としてターゲットと基板との間の空間の少なくとも一部を占有し、それによってスパッタリングされた材料の粒子が該材料を基板上にイオンに助勢されて蒸着されるとき基板に向って静電気的に加速されうるようにターゲットから動いている間にスパッタリングされた材料の粒子をイオン化する。
イオン化されスパッタリングされた材料は、ウエファの表面を損傷することなく運動しているイオンを最適に導くように制御可能な、基板に付与された負のバイアスによって基板に向って加速されることが好ましい。代替的に、あるいは追加して、室は更に室の軸線に対して平行で、基板の表面に対して直角な軌道にイオン化されスパッタリングされた粒子を閉じ込め易くするように基板とターゲットとの間の室内で軸線方向の磁界を形成する永久磁石あるいは電磁石によって囲むことが可能である。
RFイオン化エネルギ結合要素はRF電極でよく、例えば室を囲む1個あるいは複数のコイルのような導体要素であることが好ましい。以下詳細に説明するように、RF要素は室内に位置し、好ましくは室の処理ガスから絶縁されるか、あるいは室の外側に位置することが可能である。
好ましい装置には、また例えば主プラズマとの、あるいはRF要素によって発生する二次プラズマとの相互作用のようなプラズマとの不利な相互作用からRF要素を保護あるいは遮断する非導電性で非磁性の誘電材料からなる保護構造体が設けられる。保護構造体は、それに衝突するスパッタリングされた材料が該構造体から落下して汚染源とならないように該構造体に接着するようなものである。保護構造体の部分は更にその中であるいはその上に堆積したスパッタリングした材料の層において渦流を阻止し、かつRF要素の静電遮蔽を阻止するように構成されることが好ましい。
RF要素および保護構造体の種々の形態が本発明の範囲内で可能である。例えば、一実施例において、RFコイルは保護構造体の後ろで室を囲み、該保護構造体はRFコイルを外側の導電性密閉体で被覆して、処理空間を囲む室の真空気密内壁の部分を形成する。代替的に、RFコイルはターゲットの周囲の外側および下流側で処理室の真空内にあり、保護構造体がRFコイルをプラズマとの相互作用から分離している。別な実施例においては、コイルの導体を完全に被覆する中実の絶縁体で、あるいは導体の近傍でのプラズマの形成を阻止するのに十分狭いスロットを有するスロット付きあるいはセグメント化された絶縁体と共に保護絶縁材料で被覆されたRFコイルが設けられている。RFコイルと保護構造体とは形状が筒形で処理空間を囲むことが好ましい。
好適な装置は、更に保護構造体の機能がその上のスパッタリングした材料の蒸着の作用と相殺されないように保護構造体を遮蔽するように設けられた遮蔽体アレイを含む。保護構造体と遮蔽体アレイとの種々の実施例を以下の例で説明するように利用することが可能である。
第1の実施例
本実施例においては、RF要素は保護構造体として使用されている概ね筒形のクオーツ窓の後ろで真空室を囲む螺旋状コイルからなる。概ね筒形のクオーツ窓は前記室の真空気密内壁の一部を形成可能で、あるいは室の内部のコイルを囲む絶縁体の形態あるいは処理ガスからコイル導体を遮蔽するその他の何らかの形態でよい。
PVD処理室からコイルを分離する窓に近接して室を囲む概ね筒形の遮蔽体が設けられている。前記遮蔽体は前記室の軸線に対して好ましくは平行な方向にスリットされる。「近接した」という用語は遮蔽体と窓との間でプラズマの形成を阻止するのに十分短い距離だけ窓から離されることを意味する。スリットされた遮蔽体はコイルを真空室および処理ガスから分離している誘電窓の形状に倣っている。遮蔽体はコーティング材料が窓に堆積するのを阻止する。材料が導電性であると、コイルの電気短絡が発生し、RFエネルギが室中へ伝達されないようにする。遮蔽体は該遮蔽体がRFコイルからのエネルギを消費し、補助プラズマ中に結合されるエネルギの効率を減少させるような周方向電流が導入されうる周方向通路を室の周りで提供しないような仕方でスリットされることが好ましい。遮蔽体は、更にRFコイルに亘っての短い軸線方向電界まで軸線方向に十分遠くまで延び、それによってエネルギをプラズマに誘導結合する効率を最適化し、結合されたエネルギの容量分を低減する。更に、遮蔽体は、スパッタリングした粒子がそこを通して進行する空間においてプラズマがより効率的に発生するように遮蔽体の後ろでのプラズマの発生を阻止するように窓に近接離隔して保持される。窓からの遮蔽体のこの離隔は処理ガスの原子の平均の自由通路、すなわち空間におけるプラズマの最小拡散長さよりも小さい。
遮蔽体のスリットはその中でプラズマが形成しうるようにするのに十分広く、そのためプラズマは供給源からのコーティング材料がスリットを通過する結果、窓におけるコーティング材の蒸着を再スパッタリングすることにより連続的にプラズマが除去される。
コイルの保護被覆に対する遮蔽体の位置と形状は室の空間における高効率なプラズマ発生に寄与し、遮蔽体とコイルとの間のプラズマの発生による損失を排除する。その結果、スパッタリングされた材料の高イオン化効率が提供される。
本実施例では、例えば遮蔽体構造体とコイル保護絶縁体すなわち窓との間のような、室の非有効領域におけるプラズマの発生が阻止され、そのためイオン化効率の喪失が排除される。
第2の実施例
本実施例によれば、RF要素をプラズマおよびスパッタリングされた材料から相互に保護するために、密閉体、誘電窓および中実あるいはセグメント化した絶縁体が単独、あるいは組み合わされて使用される。遮蔽体は、プラズマによってそのスパッタリングを制御するようにバイアス可能な複数の遮蔽体部分の形態であることが好ましい。遮蔽体アレイは、誘導された渦流がエネルギを消費し、エネルギのプラズマに対する結合に対抗するのを阻止するように遮蔽体部分を少なくとも部分的に電気的に遮断する複数の空隙を有する。更に、個々の遮蔽体部分は、そのコーティングの均一性およびイオン化された材料の基板上への方向性を最適化するように個々にバイアス可能なように電気的に分離されているのが好ましい。遮蔽体セグメントの間の空間はプラズマが遮蔽体の後ろから処理空間内へ伝播し易くする。
第3の実施例
本実施例においては、螺旋状コイルが保護構造体の後ろで室を囲む。そのように配置されると、コイルが前記室内で形成されたプラズマと接触しないように保護される。前記室内には遮蔽体のアレイが設けられ、これらもターゲットと基板との間の空間を囲み、好ましくはプラズマによってそのスパッタリングを制御するようにバイアスされる。遮蔽体のアレイは複数の空隙を有しており、遮蔽体の部分を少なくとも部分的に電気的に分離、誘導された渦流がエネルギを消費し、エネルギのプラズマに対する結合に対抗するのを部分的に阻止する。遮蔽体部分がターゲットから保護構造体を保護し、一方コイルからのエネルギの結合および二次プラズマの形成および位置に影響が最小であるように遮蔽体部分が構成され、かつ方向付けられ、空隙が画成される。
遮蔽体のアレイはコーティングがその上に形成されず、その中で渦流を支持し、RFコイルを静電遮蔽するように保護構造体に対して位置している。ターゲットのどの部分も保護構造体のどの部分からも見えないことが好ましく、保護構造体のいずれかの部分からターゲットを見ることができ、導電性のスパッタリング材料のコーティングが堆積するとすれば、コーティングされた領域は渦流を支持しうるか、あるいはコイルを顕著に遮蔽しうるような形状にはされない。
この第3の実施例の図示例においては、保護構造体は誘電窓からなる。遮蔽体アレイはターゲットと窓との間の全ての通路を集合的に完全に遮断する角度の付いた部分から形成されている。前記部分は主プラズマと基板との間の空間の容積の多くがコイルから見えるように角度が付いている。そのため、窓はターゲットからのスパッタ蒸着から保護され、一方スパッタリングされた材料をイオン化する二次プラズマを形成するためにエネルギの最大効率の結合を提供する。遮蔽体部分は窓から離隔されることが好ましく、コイルのある部分が、二次プラズマを形成したいと思う室の空間が見えるようにするのに十分隣接した部分の間の空間を有しており、そのためプラズマが窓の近傍で形成されスパッタリングされた材料がイオン化しうる空間内へ延びることが可能である。
この第3の実施例の一図示例によれば、遮蔽体アレイは窓の内部に位置し、ターゲットから窓までの通路に対して全体的に垂直な角度で傾斜した複数の軸線方向に離隔した切頭円錐形の部分から形成されている。遮蔽体部分は前記室の軸線に対して同じ角度で傾斜するか、前記部分を異なる角度で傾斜させる、例えば前記部分をターゲットからより離れた距離において軸線に対してより小さい角度で傾斜させることが可能である。前記部分は、重なりが最小であると拡散したスパッタリングした粒子が窓と衝突するのを低減するが、隣接する部分をターゲットの各点から保護しないことが好ましい。遮蔽体部分は該部分における空隙によって周方向に更にセグメント化することにより電位誘導電流通路を中断することが好ましい。
第3の実施例の別な図示例によれば、遮蔽体アレイは窓の内部で前記室の周りで周方向に離隔された複数の平坦あるいは僅かに湾曲し、軸線方向に延びている長方形のブレードから形成されている。これらのブレードは窓から離隔され、各各前記室の半径に対して角度を付けて傾斜し集中的に窓を、あるいは少なくともコイルの領域内に概ねある窓の部分をターゲットの全体領域から保護するが、コイルのある部分はプラズマを形成したいと思う室の空間から見えうるようにしている。このように、二次プラズマは窓の近傍で形成可能で、スパッタリングされた粒子がそこを通過する空間内へ直ちに延びることが可能である。この実施例の遮蔽部分は前記室の半径に対して同じ角度で傾斜することが好ましい。窓のコーティングを更に減少させるために最小の重なりは有効であるが、前記遮蔽部分はターゲットのあらゆる点から前記部分の近傍を保護しないことが好ましい。遮蔽部分は相互に対して周方向に離隔し、かつ真空室におけるガスの分子の少なくとも平均自由行程と等しい距離だけターゲットおよび基板から離隔されることが好ましい。
本発明がスパッタリングコーティングシステムに使用される場合、スパッタリングパワーは高いレベルに保つことが可能で、そのため高い蒸着速度と高いスパッタリングされた材料のイオン化速度を保つ。これらの結果は、例えばRFコイルの短絡あるいは汚染の増加、従って蒸着されたフィルムの劣化のような問題が多く発生することなく達成される。その結果、基板の面に対して直角である入射するスパッタリングされた材料の高い方向性を以ってスパッタリングにより高アスペクト比の形成物を効果的、かつ効率的に充填することができる。濃密なスパッタリングプラズマはスパッタリング材料をイオン化するプラズマを発生させるRFプラズマ結合要素を短絡あるいは悪影響を及ぼすことが無いようにされるので、従来技術のスパッタリングパワーを低減する必要性は排除される。RF要素自体によって形成されるプラズマは該要素を短絡しないようにされる。スパッタリングガス圧力は低い、すなわち通常のスパッタリングレベルに保たれ、拡散による方向性の喪失が阻止される。RF結合要素のスパッタリングからの悪影響は排除される。これらの利点は、本発明が提供する高品質の高アスペクト比の形成物のコーティングを提供しない従来のスパッタリング方法に匹敵する処理時間において達成可能である。
PVD法、特にコーティングを高アスペクト比の形成物中に蒸着するスパッタコーティング法を向上させることに加えて、本発明はまた概ね物理的技術によって蒸着される蒸発材料の蒸発源あるいはその他の供給源を採用しているPVD法において利点を提供する。反応方法や、材料を化学的に蒸着することによって向上されるか、あるいは化学的蒸着を含む物理的方法も本発明によって有利とされうる。本発明は金属フィルムの蒸着に関連して特に効用があるが、その他の材料、特に酸化物や窒化物の蒸着において利点を提供しうる。
本発明の前記およびその他の目的や利点は本発明の好適実施例の以下の詳細説明から直ちに明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明の一実施例によるIPVDスパッタリング装置の側面線図、
図1Aはコイルの保護の代替形態を示す、図1のプロトコルの拡大した側面線図、
図2は図1に示す装置の遮蔽体の斜視図、
図3は本発明の一実施例によるIPVDスパッタリング装置の線図、
図4Aから図4Dまでは図3に示す装置の代替的なコイル形態を示す線図、
図5は図3に示すものとは対照的な二次プラズマRF結合要素および保護構造体の代替形態を有するIPVDスパッタリング装置の線図、
図6は図3および図5に示すものとは対照的な二次プラズマRF結合要素および保護構造体の別な代替的形態を有するIPVDスパッタリング装置の線図、
図7Aから図7Dまでは図6に示す実施例に示すものに対する代替案におけるコイル絶縁保護構造体の形態を示す線図、
図8は本発明の一実施例によるIPVDスパッタリング装置の線図、
図9は遮蔽体アレイの代替形態を示す、図8の一部の線図、
図10は図9の線3−3に沿って見た図9に示す遮蔽体アレイの実施例の断面図である。
発明の詳細説明
図1は本発明の原理によるスパッタコーティング装置10を線図で示す。本装置10は室12に密閉された真空気密の処理空間11を含む。前記室11には、一端で、その上に装着された半導体ウエファ15を支持する基板支持体すなわちサセプタ14が装着されている。ウエファ15は基板支持体14に装着されると、ターゲット16に対して平行で、かつ対面している。ターゲット16はウエファ15の薄いフィルムとして蒸着されるスパッタコーティング材料から形成されている。処理空間11は全体的に筒形の空間であって、超高真空圧力レベルに保たれ、処理の間、例えばアルゴンのような処理ガスで充填される。空間11は基板支持体14とターゲット16との間で室12に位置している。
ターゲット16は基板支持体14に対向して端部において室12に装着された陰極組立体17の一部である。陰極組立体17は、その上にターゲット16が固定されているターゲットホルダ18を含む。磁石構造体19は、典型的に基板支持体14からは反対の側においてターゲットホルダ18の後ろに設けられている。また、暗い空間遮蔽体13をターゲット16の周囲に設けることが出来る。磁石構造体19は、当該技術分野の専門家には周知のように負の電位に電気的に付勢されると陰極組立体17によって室12中へ放出される電子を捕捉するターゲット16の面21の上方で閉鎖された磁石トンネルを発生させる磁石を含むことが好ましい。磁石構造体19は、当該技術分野において周知の多数のマグネトロンスパッタリング組立体のいずれか1個の永久磁石あるいは電磁石でよい固定あるいは回転あるいはその他の方法で運動している磁石を含みうる。
ONに切り換えられると一定に留まるか、あるいはパルス化され、通常はDC電源である電気エネルギ源20が陰極組立体17と、通常接地され、システム陽極として作用する室12の壁との間に接続されている。陰極組立体17は室12の壁から絶縁されている。電源20はRFフィルタ22を介して陰極組立体17に接続されることが好ましい。例えばRF発生器24のような補助エネルギ源もまたマッチングネットワーク25を介して任意に陰極組立体17に接続可能である。バイアス回路27も設けられ、マッチングネットワーク28を介して基板支持体14に接続されている。バイアス回路27は基板支持体14に装着されたウエファ15にバイアスを供給する。二極DC電源すなわちRF供給源はこの目的のために使用可能である。定常あるいはパルス化された電源20および(または)RF発生器24は面21に負の電位を発生させ、これが電子をターゲット16の面21から放出するようにさせる。放出された電子は、ターゲット16の面21に近接して処理ガスの原子と衝突し、イオン化し、ターゲットの面21の近傍で主プラズマ23を形成するまで磁石構造体19によって発生した磁界によって面21上で捕捉された状態に留まる。この主プラズマ23は、ターゲット16から粒子を排出する負に帯電された面21に向って、かつそれに対して加速されたガスの正のイオン源となる。
ターゲット面21と基板支持体14との間の空間11は前記2個の部分によって形成されたものと見なしうる。前記空間の一方の部分は主としてプラズマ23によってふさがれ、ターゲット1のスパッタリング面21上で所望の浸蝕パターンをつくるような形状にされており、一方前記空間11の第2の部分は残りの容積分であって、基板支持体14上でプラズマ23と基板15との間に位置している。ターゲット16からのスパッタリングされた材料の粒子は、一般に皆無ではないが若干がプラズマ23と容積部26とを通過して基板15に衝突する個所において空間11を通して運動量のみによって伝播しうる電気的に中立の粒子として発生する。従来のスパッタリング装置においては、プラズマ23を通過する中立のスパッタリングされた粒子は、前記プラズマ23がターゲットの近傍で小さい容積を占め、対象の作動圧力において、中立のスパッタリングされた粒子とプラズマ23の粒子との間で発生する衝突は少ないので十分イオン化されない。そのため、従来のスパッタリングにおいては、中立のスパッタリングされた粒子は殆ど中立の状態でプラズマ23を出て行き、基板15上に薄いフィルムとして蒸着されるまで中立状態に留まる。
高アスペクト比の孔や形成物の底部で接点をコーティングし、孔をスパッタリングした電導性材料で充填することにより孔を金属化するために、VLSIおよびULSI素子製造においては、粒子が基板に対して法線の周りで狭い角度分布状態で基板の面上に衝突し、かくして粒子が形成物中へ、かつ形成物の底部上へ直接進行し、形成物の側部と衝突したりあるいは影とされることがないことが極めて好ましい。基板上への粒子のこのような垂直方向の衝突は、スパッタリングされた粒子が容積部26を通過するにつれて該粒子をイオン化し、そのため粒子が電荷を発生させるようにすることによって装置10によって促進される。粒子は一旦帯電すると、室の軸線に対して平行であり、基板15の面に対して垂直な軌道中へ静電気的に加速されるか、あるい他の方法で電気的あるいは磁気的に導かれうる。そのような方法は当該技術分野においてイオン化された物理的蒸着(IPVD)あるいはイオン助勢スパッタコーティングとして知られている。
本発明の好適実施例によれば、空間26でのスパッタリングされた粒子の浮遊中中のイオン化は空間26を囲むが、空間11を占有しないRF要素を設けることによりRFエネルギを該空間26中へ反応させて、好ましくは誘導して結合することにより実行される。螺旋形以外のコイル形状を使用することは可能であるが、RF要素は螺旋コイル組立体30の形態であることが好ましい。コイル組立体の可能な形態の例30a−30dが図4Aから図4Dまでに示されている。更に、コイル組立体30の形態はコイル、巻き線および(または)コイルと巻き線とからなる装置を含むべきである。更に、図示する以外の仕方で、例えば中央のタップをコイルの中心に追加し、その他の2本のリード線を設置するとか、あるいはその逆にすることにより、コイル中へRFエネルギを送り込むことが可能である。コイル組立体30はエネルギを空間26内の処理ガス中へ誘導結合することによって前記空間26を全体的に充填し、主プラズマ23とは峻別される二次プラズマ29を形成する。限定的ではないが、好ましくは0.1から0.2MHzから60または80MHzの範囲で作動するRF発生器32がマッチングネットワーク33を介してコイル組立体30に接続されエネルギをコイル組立体30に対して提供し空間26において二次プラズマ29を形成する。
処理ガス源40が流量制御装置41を介して室11に接続されている。スパッタ処理のための供給ガス40は典型的にはアルゴンのような不活性ガスである。反応方法に対しては、例えば窒素や酸素のような付加的なガスが補助流量制御装置を介して導入しうる。高い真空ポンプ39がまた室12に接続され該室12をmilliTorrあるいはサブミリメートルトル(sub-milliTorr)の範囲の真空レベルまで吸引する。5から50milliTorrの範囲の圧力が好ましい。ポンプ39は毎秒5から300の標準立方センチメータ(sccm)の範囲の流量の処理ガスで超高い真空状態を維持する。本装置10はまた前述した要素の作動を順に配列し、かつ制御するように作動するマイクロプロセッサに基づくプログラム可能な制御装置であることが好ましい主制御装置50を含む。制御装置50は陰極電源20および24、基板バイアス電源27、コイル組立体30である二次プラズマ発生要素を付勢するRF発生器32、ガス流量制御装置41、ポンプ39およびその他の本装置10の制御可能な要素を付勢する出力を有する。
イオン化したスパッタリングした粒子の方向性を達成するために、基板の面に向って、かつその上に正にイオン化されスパッタリングされた粒子を加速するための力を提供するようにマッチングネットワーク28を介して基板支持体14に接続されたバイアス電源27により二次プラズマ29に対して基板15を負にバイアスすることにより基板支持体14の前方でプラズマのシースにおいて電位勾配を保持すればよい。この目的に対して二極DC電源あるいはRF電源を使用することが出来る。
更に、あるいは代替案として、室12において軸線方向に磁界を発生させるべく室12の周りで磁石80を設けることが出来る。磁石80は電磁石でよく、あるいは1個以上の永久磁石で形成しうる。前記磁石80からの磁界は帯電された粒子がラインの周りを旋回し、それによって半径方向の閉じ込めを増大させる。軸線方向の電界が存在する中で、帯電した粒子は軸線方向に導かれ、基板に向って運動し、半径方向の損失を最小にしうる。
コイル組立体30と空間11との間には、プラズマ23および29がコイル組立体30と接触し、電気的に相互作用しないようにする保護構造体が設けられている。この構造体はコイル組立体30が空間26内へ達しないようにコイル組立体を囲む磁界を妨害しない非導電性材料である。保護構造体の一好適形態は室12の壁に対して真空気密のシールを形成するように装着された、該室12の壁における、例えばクオーツのような真空に対して相容性の誘電材料で作られた窓60の構造体である。窓60は電気絶縁性で透磁性の材料の単一の片でよく、あるいは接合されたセグメントに形成し、全体的に筒形の保護構造体を形成してもよい。前述の実施例に記載のコイル組立体30は好ましくは窓60の外側で室12の周りに巻かれる。コイル組立体30の外側には導電性金属の密閉体61が被覆しており、該密閉体はコイル組立体30を遮断し、また電磁エネルギがコイル組立体30から、かつ室12の内部から室12の外側まで放射されないようにする密封空洞62を形成している。空洞62は室11から密封されるが、外部環境と連通し、あるいは大気圧あるいはより低い圧力で不活性ガスで充填され、コイル組立体30が付勢されるとプラズマの形成が空洞62内のガスによって助長されないようにしうる。
窓60自体は導電性ではないが、ターゲット16からスパッタリングされる導電性材料のコーティングの堆積には敏感である。窓60内の、あるいは窓上の導電性が室の周りの電流の誘導を支援し、空間26においてコイル組立体30から二次プラズマ29までのエネルギのRF結合の有効性を低減したり、削除したり、あるいは阻害する。特に方位角方向(周方向)、すなわち室12の周りを延びる方向における窓60のコーティングのそのような導電性は誘導結合された短絡を発生させ、前記空間26内に誘導結合されたエネルギの全てあるいは多くの無効にしうる。
窓60における導電性のスパッタリングされた材料のそのような堆積を阻止するために、好適な装置は、更に以下説明する遮蔽体アレイの種々の実施例を含む。
第1の実施例
図1は空間11と窓60との間で窓60の内面に近接して設けられたスリットされた筒形遮蔽体100を示す。前記遮蔽体100はターゲット16からスパッタリングされた材料から窓60を保護し、ターゲット16の面21のいずれかの個所と窓60との間の全ての直接的な見通し線を遮断することが好ましい。更に、本実施例によれば、遮蔽体100は、室12の軸線に対して平行である長手方向のスリット103を有する。また、周方向の電流を遮断する形状にされた1個あるいは複数のスリットを備えた遮蔽体を使用することも可能である。これは遮蔽体100における周方向すなわち方位角方向の電流の誘導を阻止する。
更に、遮蔽体100は、コイル組立体30からの電界の有効な軸線方向の全範囲に概ね達するコイル組立体30の軸線方向範囲を越えた軸線方向の範囲を有する。その結果、導電性遮蔽体100は室12の軸線に対して平行である二次プラズマ29における電界を有効に抑制し、空間26からコイル組立体30を容量的に遮蔽させ、そのためコイル組立体30からの空間26へのエネルギの結合効率を下げるような軸線方向の電界を阻止する。遮蔽体100はターゲット16の面21の後ろから窓60およびコイル組立体30を越えて軸線方向に延びることが好ましい。このような形態では、遮蔽体100は二次プラズマ29における軸線方向の電界をより効果的に短絡し、それによってコイル組立体30から二次プラズマ29内へのエネルギの誘導結合を向上させる。
本発明の好適実施例は、また遮蔽体100が窓60から近接離隔しているためコイル組立体30からのエネルギの高度に効率的な結合を行なう。この間隔はガスの原子あるいは分子の平均自由行程より、あるいは室12内の二次プラズマ29の最小拡散長さより小さいことが好ましい距離に保たれている。この遮蔽体から窓までの近接した間隔は、窓あるいはコイルを保護する非導電性構造体に隣接して、かつ設けられているいずれかの構造体の後ろでプラズマの形成を可能にする以下説明するその他の実施例とは対照的である。窓の後ろでのプラズマの形成を排除することはコイルあるいはその他のプラズマ発生電極から、スパッタリングされた粒子が通過する空間内へのエネルギの割合を増加させる傾向があり、そのため有効なプラズマ、従ってスパッタリングされた材料のイオン化効率を増大させる。装置10において、約5から50milliTorrの範囲の処理ガス圧を使用することが計画されている。そのような圧力におけるアルゴンガスの平均自由行程はそれぞれ11ミリメートルから1.0ミリメートルである。その結果、窓60から遮蔽体までの好適な間隔は約1.0から15ミリメートルである。
他方、スリット103は幅が約15ミリメートルより大きくされることが好ましい。スリット103の幅は、スパッタリングされた材料がスリット103を通過する結果スリット103の近傍で遮蔽体100の縁部に、あるいは窓60に堆積する可能性のあるスパッタリングされた材料を掃除するために二次プラズマ29がスリット103で形成されうるようにするのに十分広いものである。スリット103で形成されるそのようなプラズマ29はスリット103の近傍で窓60に対して延び、スリット103において窓60において堆積する材料を再スパッタリングすることによって連続して除去される。
窓60の代わりに、コイル組立体30は代替的に図1Aに示すように室12内で絶縁ブロック66に埋設することが可能である。絶縁ブロック66は窓60のそれと同様の仕方で機能し、コイル組立体30を室11内のプラズマから、かつスパッタリングされた材料から遮断する。遮蔽体100は図1に示す窓60に対して構成されたのと同じように絶縁ブロック66に対して構成される。
第1の実施例の細部の多くは以下説明する実施例に対して有用であるが、説明を簡単にするために説明は省略し、実施例間の差異を強調できるようにしている。
第2の実施例
図3は図1に示す遮蔽体100に対する代替案であるが、窓60の内面に対して近接の度合はより少なくて空間11と窓60との間に設けられている遮蔽体アレイ200を示す。遮蔽体アレイ200は少なくとも部分的にターゲット16からスパッタリングされた材料から窓60を保護するが、コイル組立体30から空間26内へのエネルギの結合を促進するのに十分な空間すなわち空隙204を有する。
遮蔽体アレイ200は、周方向の導電性通路がスパッタリングされた材料のコーティングによって形成されないように窓60の少なくとも軸線方向の帯片を保護する複数の個々の遮蔽体あるいは遮蔽体セグメント202であることが好ましい。空隙204は遮蔽体アレイ200における周方向の電流通路を概ね遮断するような形状にされ、かつアレイ200の軸線方向寸法に亘って全体あるいは部分的に延びる形状にされている。遮蔽体セグメント202は金属あるいはスパッタリングされた材料のコーティングが遮蔽体シールド202に形成されるとそのようなコーティングを保持するように選択されたその他の材料から作る必要がある。さもなければ、そのようなコーティングは落下し、室12および処理されつつあるウエファ15を汚染させる。遮蔽体セグメント202における蒸着した材料の堆積を制御し、それによって汚染の危険性を低減するために、遮蔽体セグメント202は電気的にバイアスすればよい。セグメント202はまた例えば基板15上でのコーティングの均一性、およびイオン化した材料の基板に対する方向性を最適化し、それによって基板上に蒸着されたフィルムの分布を最適化するために使用するようにバイアスを個々に制御可能として個々にバイアスすることも好ましい。そのような形態において、空隙204は、個々にバイアスされた遮蔽体セグメント202の各々を相互に対して完全に分離し、電気的に遮断する。バイアスは、各遮蔽体が個々に電流制限抵抗器208を介して接続された状態でフィルタあるいはマッチングネットワーク207を介して接続された発生器206によって提供される。抵抗器208は可変型でよく、あるいは制御装置50に応答して遮蔽体セグメント202のバイアスを個々に制御するその他の手段を設けてもよい。
図5はコイル組立体30が室12の壁の内部であるが、依然として空間11の外側において真空室12に位置している装置10に対する代替実施例を示す。保護構造体はコイル組立体30と空間11との間にあって、室12の壁の内部から内方にコイル組立体30を密閉している密閉体61aにある窓60aの形態である。密閉体61aはコイル組立体30が位置している密閉体の内側から室12の真空まで通気するポート62を含む。遮蔽体アレイ200は前述の実施例と同様ターゲット16から窓60aを保護するように位置している。
窓60あるいは60aの代わりに、図6に示す代替実施例はコイル組立体30の導体を被覆する絶縁コーティング86の形態の保護構造体を利用している。本実施例において、コイル組立体30は空間11の外側で室12に位置し、空間26を囲む。遮蔽体アレイ200は前述の実施例と同様にターゲット16から絶縁層86を保護するように位置している。絶縁層86は、図7Aに示すようにコイル組立体30の導体の表面を全体に被覆する中実の絶縁体86aのような多数の形態のいずれか、あるいは図7Bに示すように複数の断続した絶縁体セグメント86bの形態でよい。セグメント化した絶縁体86bでは、セグメントの間の空隙87はコイル組立体30の有効性を高めるが、一方室12におけるガスの分子の平均自由行程以下に空隙87を狭くすることによってプラズマがコイル組立体30の導体に連通しないようにすることが好ましい。コイル組立体30の絶縁コーティングの代わりに、それぞれ図7Cおよび図7Dに示す例えば絶縁体86cおよび86dのように絶縁材料がコイル組立体30を覆うようにしうる。これらの特徴およびプラズマからコイル組立体30を遮断するための多数のその他の代替案および保護構造体をその他の実施例に関連して使用することが可能である。
第3の実施例
図8は窓60の内面に近接して空間11と窓60との間に設けられた遮蔽体アレイ300を示す。遮蔽体アレイ300はターゲット16からスパッタリングされた材料から窓60を保護し、ターゲット16の面21のいずれかの個所と窓60との間の全ての直接的な見通し線を遮断することが好ましい。しかしながら、本発明のこの実施例によれば、遮蔽体アレイ300は窓60の後ろのコイル組立体30とプラズマ29が結合される空間26との間で概ね遮断されていない領域を提供し、それによってコイル組立体30および伝播しているプラズマとからエネルギを空間26内へ結合し易くする空間すなわち空隙305を提供している。
遮蔽体アレイ300はターゲット16の任意の個所からも窓60を集合的に保護する複数の遮蔽体あるいは遮蔽セグメント302の形態であることが好ましい。この保護によりスパッタリングしたフィルムが堆積して窓60上に形成されようとする傾向を殆ど排除する。従って、導電性通路あるいは静電遮蔽のいずれも発生しない。
本発明の一好適実施例において、遮蔽セグメント302は切頭円錐形で、内面がターゲット16の面21に対して、かつ支持体14上の基板15に対して平行な平面と角度θを形成する。各遮蔽セグメント302の角度θは同じであるが遮蔽セグメント302の有効性は、セグメント302とターゲット16との間の距離が大きくなるにつれて角度θを小さくすることによって向上、すなわち最適化でき、かくしてセグメント302の頂面303がターゲット16と直接対面し、ターゲット16を所定のセグメント領域に対して窓60から最大保護する。遮蔽セグメント302は空間11の外側に位置し、空間11を周方向に囲み、かつ周方向の空隙すなわち空間305によって相互に軸線方向に分離される。空隙305の最大幅は線79で示すように窓60からターゲット16の面を依然として完全におおう最大の空隙Sであり、かくして窓60の周方向帯領域が窓60の周りで環状の導電性帯片を蒸着するようにトーゲット16に露出されない。従って、空隙305の最大幅Sはターゲット16からより大きな距離においてより大きくしうる。空隙306はより狭くてよいが、室12の温度と圧力とにおいて処理ガスの原子の平均自由行程以下であってはならないが、所与の処理状態においては空間26へのRFプラズマの最も効率的な拡散を促進すべく最適な離隔関係とすべきである。同じ理由から、セグメント302は各々高さHを有しており、該高さHは各セグメント302に対して同じか、あるいはセグメント302間の保護と空間とを最適化するように変更してもよい。
遮蔽セグメント302の理想的な数は室12の形状によって決まる。単一の遮蔽セグメント302を使用しうるが、典型的には、2から6個のセグメント302が採用される。RFプラズマ損失を最小とするためセグメント302の数は限定され、累積した遮蔽セグメントの面積は最小とすべきである。更に、RFコイル組立体30によって誘導された渦電流あるいはその他の電流のための閉鎖された周方向通路の形成を阻止するために、セグメント302は各セグメントを遮断する少なくとも1個の空隙304を有すべきである。隣接するセグメント302の空隙304は図示のように直線でよく、あるいは窓60に亘って軸線方向にフィルムの連続した線の堆積を阻止するように千鳥状としうることが好ましい。空隙304はアーチ状になるのを阻止するのに十分広くあるべきであって、処理パラメータによって変わるが、約1/4から1インチの幅を必要とする。
空隙304は遮蔽体アレイ300における電流通路を概ね遮断するような形状にされ、かつ前記アレイ300の軸線方向寸法に亘って全体的に、あるいは部分的に延びるような形状にされている。遮蔽セグメント302は金属、セラミックあるいはクオーツのような真空と相容性の誘導性材料あるいはスパッタリングされた材料のコーティングが遮蔽セグメント302上に形成されるとそのようなコーティングを保持するように選択されたその他の相容性材料から作ればよい。さもなければ、そのような堆積物は落下し、室12および処理しつつあるウエファ15を汚染する。遮蔽体アレイ300に蒸着された材料の堆積を制御し、それによって汚染の危険性を低減するために、遮蔽セグメント300は電気的にバイアスし、その目的に沿った金属から作ればよい。遮蔽セグメント302は、また例えば基板15のコーティングの均一性および基板15上へのイオン化された材料の方向性を最適することによって、基板に蒸着されつつあるフィルムの分布を最適化するために使用するように各バイアスを個々に制御可能にして個々にバイアスされることが好ましい。そのような形態において、空隙304は個々にバイアスされた遮蔽セグメント302を相互から各々完全に分離し、電気的に遮蔽する。バイアスはフィルタあるいはマッチングネットワーク307を介して接続された発生器306によって提供され、各遮断セグメント302は電流制限抵抗器308を介して個々に接続されている。抵抗器308は可変型でよく、制御装置50に応答して遮蔽セグメント302のバイアスを個々に制御するその他の手段を設けることが出来る。
前述した遮蔽体アレイ300の利点は図9と図10とに示すように、遮蔽体アレイ300aを有する代替実施例によって実行可能である。アレイ300aは窓60の内部で空間11の周囲の周りでブレードあるいは羽根のアレイとして配置された複数の平坦あるいは僅かに湾曲した長方形のセグメント302aから形成されている。セグメント302aは軸線方向の空間すなわちスロット304aによって相互から周方向に離隔されている。前記スロットはプラズマが空間26内へ結合するようにするセグメント302a間の空間を提供し、かつアレイ300aの周りでの潜在的な周方向の電流通路を遮断する。セグメント302aの方向は、各々が室12の軸線312を通して半径方向平面311に対して角度φを画成するようなものである。遮蔽セグメント302aの隣接するセグメントの間および遮蔽セグメント302aと窓60との間の間隔Wは窓60の近傍でプラズマが効果的に形成され、セグメント302aの間の空隙304aの空間26内へ伝播しうるように室12におけるガスの平均自由行程以下であってはならない。セグメント302aはセグメント302aの端部において窓60にコーティングの周方向の帯が形成されるのを阻止するように軸線方向に十分長く、窓60においてターゲット16全体を保護するように相互に対して角度φと空間Wとに設定されることが好ましい。
窓60の代わりに、前述した遮蔽体アレイは室の内部に設けられた誘電性窓あるいは絶縁によりプラズマから保護されている室のコイルに使用しうる。
当該技術分野の専門家は、本明細書で示した本発明の実行は変更可能であって、本発明は好適実施例に関して説明していることを認識している。従って、本発明の原理と意図とから逸脱することなく、追加や修正が可能であって、種々の実施例の細部は交換可能である。
The present invention relates to sputter coating, and more particularly to a method and apparatus for ionizing a coating material onto a substrate and performing physical vapor deposition (IPVD).
Background of the Invention
In semiconductor manufacturing, the presence of submicron high aspect ratio formations such as biases, trenches and contact holes have caused various coating problems. In the manufacture of very large scale integrated semiconductor devices (VLSI and ULSI), the contacts at the bottom of such formations often need to be coated with a liner, and the formations often need to be filled with a conductive metal. is there. In the manufacturing context of many semiconductor devices to be film deposited, it is necessary or at least preferred to apply the coating using a physical vapor deposition (PVD) method. Film deposition on the bottom of a narrow, high aspect ratio formation (aperture) by physical methods requires achieving high orientation in moving the material to be deposited toward the substrate. Higher aspect ratio formations require greater directionality. For example, to effectively coat a contact at the bottom of a narrow, high aspect ratio hole on the surface of the substrate, the particles of coating material are not significantly larger than the angled opening of the formation, at an angle to a right angle. I need to exercise.
In semiconductor device manufacturing, the width is 0.25 to 0.35 microns, and the contact at the bottom of the trench or trench with a high aspect ratio that tends to become narrower as the device continues to shrink There is. Metallizing such contacts by physical vapor deposition, such as sputter coating, is an alternative method in film purity, and overall cost and simplification of the processing equipment, where PVD is achieved overall. This is preferred because of its technical and commercial advantages. For example, chemical vapor deposition (CVD) is sometimes used to deposit films in deep holes and trenches because chemical methods can form a film on the surface of the substrate inside the holes and trenches. However, CVD methods require more complex and expensive equipment than PVD equipment. Because of their chemical nature, CVD methods often include environmental elements and often employ chemical precursors that can provide a source of device contamination, and these devices are typically more Frequent protective maintenance work is required, thus resulting in unproductive downtime. For many types of films, the PVD method is faster and more productive than the CVD method, and thus costs are lower. Furthermore, CVD methods cannot survive for many deposition materials, i.e., cannot be practical, for example by requiring complex precursors and dispensing equipment that can eliminate CVD deposition. There are acceptable CVD processes for titanium, titanium nitride and tungsten. However, there is no CVD method for aluminum, copper, tantalum, and tantalum nitride, and if present, it is incomplete or commercially impractical. Further, in some methods, CVD may expose elements partially formed on the substrate to heat for extended periods of time, which may cause the material to move or diffuse at the material boundary, or It is possible to expose the device to other damaging heat or to exceed the heat supply for the process.
In order to reduce the size of the formation and increase the aspect ratio, in some applications it is preferable to apply the coating by physical vapor deposition to achieve an increasingly higher direction in moving the coating material on the substrate. Therefore, the demand for the sputtering method is increased. If the path of the sputtered material particles incident on the substrate cannot be kept very parallel and perpendicular to the plane of the substrate, the formation is attempted when sputter coating a high aspect ratio formation. This results in excessive deposition on the top of the object, or results in closing the mouth of the formation, in which case physical vapor deposition does not achieve satisfactory results.
Sputter coating is typically performed by placing a substrate and a high purity coating material target in a vacuum chamber filled with an inert gas such as argon and forming a plasma in the gas. . The plasma is typically generated by constantly or intermittently holding the target at a negative potential, so that the target excites the gas in the vacuum chamber and supplies the electrons that form the plasma near the surface of the target. Function as. Plasma generation is usually enhanced by a magnetron cathode assembly. In the magnetron cathode assembly, a magnet behind the target traps these electrons across the surface of the target, where they collide with atoms in the process gas, stripping the electrons from the gas atoms and making them positive. Convert to ions. The gas ions are accelerated towards the negatively charged target, where they collide with the surface and are emitted from atoms on the target surface, atomic clusters or particles of the target material, and secondary electrons. Secondary electrons play a major role in sustaining the plasma. The discharged particles of the target material are neutral in charge, propagate in various directions through the vacuum space, collide with the substrate to some extent, and adhere to the substrate to form a film. Increasingly narrower formations and higher aspect ratios on the substrate reduce the allowable angle of the opening, thereby protecting the sides of the formation and consequently being blocked by the sides of the formation and the area around it. Increasing the incident particles further reduces the number of particles available for vapor deposition at the bottom.
EP 593924 describes an apparatus for generating plasma by cathode sputtering. The apparatus includes a magnetron cathode positioned above the substrate to be coated. A coil is provided around the space above the substrate connected to the high frequency power source. The coil is disposed in a groove on the inner surfaces of the two insulators. Each cover plate that functions as an antenna extends above the inner surface of each insulator, and a shield covers the lower surface and outer surface of each insulator.
Various methods have been used to cause propagating particles to make a linear motion perpendicular to the plane of the substrate. One method distributes the incident angle normally and blocks particles introduced at a small angle with respect to the collimator so that the particles passing through the collimator are only perpendicular or nearly perpendicular to the substrate. Using a physical collimator plate between the target and the substrate to improve the directionality of the incident particles. Another method known as long-throw sputtering is that only particles moving at or near normal to the substrate move across the length of the vacuum chamber and collide with the substrate. Thus, it is necessary to increase the distance between the substrate and the target. The collimator provides a source of particle contamination as the blocked particles accumulate in the collimator where a film is formed and eventually falls off. Both collimated deposition and long throw methods achieve directionality by eliminating material moving at a small angle with respect to the substrate, thus dramatically increasing the percentage of sputtered material incident on the substrate, Therefore, the deposition rate is significantly reduced. It also increases maintenance work for protection, reduces the use of target materials and reduces production.
Another way to derive the newly studied sputtered material is an ionized sputtering process, often referred to as ionized physical vapor deposition or IPVD. According to IPVD, the coating material is sputtered from the target using magnetron sputtering or other conventional sputtering or vapor deposition techniques. In the sputter coating method, the sputtered particles are emitted from the target at a wide emission angle. IPVD attempts to improve directionality by ionizing particles so that the particles can be guided electrostatically or electrically in a direction perpendicular to the substrate.
In IPVD, additional plasma is formed in the gas in the space between the target and the substrate through which the sputtered particles pass midway to the substrate. In the prior art, the additional plasma is formed in space by various methods, eg, capacitively coupling RF energy into a vacuum chamber downstream of the target, or electron cyclotron resonance (ECR) or other The microwave generation technology is formed away from the space and then flows into the space. Sputtered material particles passing through this space collide with metastable neutrons of electrons or ionized process gas. The collision strips the electrons from the atoms of the sputtered particles and leaves the particles in a positively charged state. These sputtered positive ions are then accelerated electrically, eg towards the substrate by applying a negative bias to the substrate.
The IPVD method in the prior art exhibits a number of drawbacks and problems that hinder the use of the particles in the manufacturing environment. Such a method, for example, has a low overall efficiency. In particular, the IPVD method typically has a low deposition rate. In addition, the prior art methods have a high level of film contamination. In particular, it has been found that in the prior art IPVD method, the filling of the high aspect ratio formation decreases as the sputtering power of the target increases. Such a fill reduction results in an aluminum alloy sputtering of 3 kW with a 304.8 millimeter (12 inch) magnetron target compared to the 12-30 kW typically achievable for target / magnetron assemblies. Limited to DC power. Low sputtering power results in a low deposition rate, resulting in reduced productivity and yield, and a sputtering time per wafer, eg, 10%, compared to typical wafer processing times of about 45 seconds to 1 minute. Increase contamination from 40 minutes to 40 minutes. Furthermore, it has been found that the fractional ionization of the sputtered material is low if the apparatus does not operate at a relatively high pressure, for example 20 to 40 mTorr, in the sputtering chamber. If an argon process gas is used, this pressure is typically 15 mTorr or higher than the desired sputtering pressure in the low milliTorr range. Higher pressures tend to reduce the quality of the deposited film properties and increase film contamination. Furthermore, higher pressures reduce process flat field uniformity and force a larger vacuum chamber structure, thus further reducing ionization efficiency. Another problem caused by the prior art IPVD method is unwanted sputtering of the RF electrode or element by plasma, flaking of the deposited sputtered material from the RF element by undesirable deposition, and deposition on the plasma or RF element. Short circuit of the RF element with the material formed, and other plasma and material interactions with the electrode or element used to couple RF energy into the plasma to ionize the sputtered material.
Accordingly, there is a need for an IPVD apparatus and method that overcomes the shortcomings and problems of the prior art. In particular, there is a need for a practical and effective IPVD device that results in acceptable overall efficiency, particularly high deposition rates, high sputtered material ionization efficiency, and low contamination of the deposited film. There is a particular need for an apparatus that forms a film of high uniformity and quality while providing high enough productivity to make the process commercially useful.
Summary of invention
Accordingly, the present invention is a process gas space sealed inside a vacuum chamber, a source of evaporated coating material, and located in the vacuum chamber opposite the source and facing the source. A physical vapor deposition method comprising providing a vacuum chamber having a substrate support for supporting a substrate, coupling RF energy to the chamber by a coil surrounding the space, and providing a shield in the chamber. Is oriented. In accordance with the present invention, the method provides ionized physical vapor deposition and provides a non-conductive protective structure between a coil and the space, wherein RF energy is passed through the protective structure. Coupled to the space, the shield being provided proximate to the protective structure, and physically protecting the protective structure from particles of coating material without electrically shielding the space from RF energy Shielding the plasma, energizing the plasma in the space with RF energy, ionizing particles of the coating material with the plasma, and directing ionized particles of the coating material from the space onto the substrate.
The present invention also provides a process gas space sealed in a vacuum chamber, to be kept at a low pressure level, a source of vapor deposition material in the vacuum chamber, and a source of vapor deposition material located in the chamber facing the source. A substrate support facing the source and supporting the substrate parallel to the supply source; at least one coil surrounding the chamber space between the substrate support and the surface of the supply source; and Directed to a physical vapor deposition apparatus that includes an RF energy source connected to and operable to energize the coil and a shield. According to the present invention, the device is an ionized physical vapor deposition device, further comprising a non-conductive protective structure disposed between the coil and a vacuum chamber space, wherein the RF energy source is the space. Operable to couple RF energy through a protective structure to energize the plasma in the gas within, with a shield circumferentially around the space of the vacuum chamber and outside the vacuum chamber Disposed and spaced inwardly from the protective structure to physically protect the protective structure from the sputtered material, the shield being at least partially sufficient to reduce circumferential current in the shield. Having at least one gap separating.
It is a principal object of the present invention to provide a method and apparatus for depositing thin films on narrow and high aspect ratio holes and trench bottoms and to some extent on the sides of VLSI and ULSI semiconductor wafers. In addition, the main object of the present invention is to provide a method and apparatus for performing ionized physical vapor deposition with high overall efficiency, and in particular, having high ionization efficiency of a coating material and providing a high vapor deposition rate over a wide range of pressures. . Yet another object of the present invention is to provide an IPVD method and hardware with low preventive maintenance requirements.
A particular object of the present invention is that the sputtering power at the target can be maintained at at least moderate levels and high RF energy coupling into the sputtered material without the need to keep the vacuum chamber at a relatively high sputtering pressure. It is to provide an IPVD apparatus and method that provides efficiency. Yet another object of the present invention is to adversely interact between the room plasma and the elements used to couple RF energy into the plasma to ionize the electrode or sputtered material, particularly sputtering from the electrode. It is to provide a method and apparatus that minimizes the possibility of sputtering, flaking or shorting of electrodes of the formed material.
In accordance with the principles of the present invention, the main plasma sputters material from the target while the RF element couples energy into the PVD process chamber and generates a secondary plasma in the chamber space between the main plasma and the substrate. In order to do so, an IPVD apparatus and method formed in the vicinity of a target is provided. The secondary plasma is typically an auxiliary to the main plasma confined in close proximity to the sputtering target. The secondary plasma generally fills the chamber, but mainly occupies at least a portion of the space between the target and the substrate, whereby particles of the sputtered material are deposited on the substrate with the aid of ions. The particles of the sputtered material are ionized while moving from the target so that they can be electrostatically accelerated towards the substrate.
The ionized and sputtered material is preferably accelerated towards the substrate by a negative bias applied to the substrate that can be controlled to optimally direct the moving ions without damaging the wafer surface. . Alternatively or additionally, the chamber is further between the substrate and the target to facilitate confinement of ionized and sputtered particles in a trajectory that is parallel to the chamber axis and perpendicular to the surface of the substrate. It can be surrounded by a permanent magnet or an electromagnet that forms an axial magnetic field in the room.
The RF ionization energy coupling element may be an RF electrode, preferably a conductor element such as one or more coils surrounding the chamber. As will be described in detail below, the RF element is located within the chamber, and may preferably be isolated from the chamber process gas or located outside the chamber.
Preferred devices also include non-conductive, non-magnetic that protects or shields the RF element from adverse interactions with the plasma, such as, for example, with the main plasma or with a secondary plasma generated by the RF element. A protective structure made of a dielectric material is provided. The protective structure is such that the sputtered material impinging on it adheres to the structure so that it does not fall from the structure and become a source of contamination. The portion of the protective structure is preferably further configured to prevent eddy currents in the layer of sputtered material deposited therein or thereon and to prevent electrostatic shielding of the RF element.
Various forms of RF elements and protective structures are possible within the scope of the present invention. For example, in one embodiment, the RF coil surrounds the chamber behind the protective structure, and the protective structure covers the RF coil with an outer conductive seal so that a portion of the vacuum hermetic inner wall of the chamber surrounding the processing space. Form. Alternatively, the RF coil is in the processing chamber vacuum outside and downstream of the perimeter of the target, and a protective structure separates the RF coil from interaction with the plasma. In another embodiment, a slotted or segmented insulator with a solid insulator that completely covers the conductor of the coil or with a slot that is narrow enough to prevent plasma formation in the vicinity of the conductor. In addition, an RF coil coated with a protective insulating material is provided. It is preferable that the RF coil and the protective structure have a cylindrical shape and surround the processing space.
The preferred apparatus further includes a shield array provided to shield the protective structure such that the function of the protective structure is not offset by the effect of deposition of the sputtered material thereon. Various embodiments of the protective structure and the shield array can be utilized as described in the following examples.
First embodiment
In this embodiment, the RF element consists of a helical coil that surrounds the vacuum chamber behind a generally cylindrical quartz window used as a protective structure. The generally cylindrical quartz window can form part of the vacuum-tight inner wall of the chamber, or it can be in the form of an insulator surrounding the coil inside the chamber, or in some other form that shields the coil conductor from the process gas.
A generally cylindrical shield is provided that surrounds the chamber adjacent to the window separating the coil from the PVD processing chamber. The shield is slit in a direction that is preferably parallel to the axis of the chamber. The term “close” means separated from the window by a sufficiently short distance to prevent plasma formation between the shield and the window. The slit shield follows the shape of the dielectric window separating the coil from the vacuum chamber and process gas. The shield prevents coating material from depositing on the window. If the material is conductive, an electrical short circuit of the coil will occur, preventing RF energy from being transferred into the chamber. The shield does not provide a circumferential passage around the chamber where the shield consumes energy from the RF coil and a circumferential current can be introduced that reduces the efficiency of the energy coupled into the auxiliary plasma. It is preferred to be slit in a manner. The shield further extends far enough in the axial direction to a short axial electric field across the RF coil, thereby optimizing the efficiency of inductively coupling energy into the plasma and reducing the capacity of the combined energy. In addition, the shield is held in close proximity to the window to prevent the generation of plasma behind the shield so that the plasma is more efficiently generated in the space through which the sputtered particles travel. This separation of the shield from the window is less than the average free path of the process gas atoms, ie the minimum diffusion length of the plasma in space.
The slit in the shield is wide enough to allow the plasma to form therein, so that the plasma is continuous by resputtering the deposition of the coating material in the window as a result of the coating material from the source passing through the slit. Thus, the plasma is removed.
The position and shape of the shield relative to the protective coating of the coil contributes to highly efficient plasma generation in the chamber space and eliminates losses due to the generation of plasma between the shield and the coil. As a result, high ionization efficiency of the sputtered material is provided.
In this embodiment, the generation of plasma in the ineffective area of the chamber, for example between the shield structure and the coil protection insulator or window, is prevented, thus eliminating the loss of ionization efficiency.
Second embodiment
According to this embodiment, a sealing body, dielectric window and solid or segmented insulator are used alone or in combination to protect the RF elements from plasma and sputtered materials. The shield is preferably in the form of a plurality of shield portions that can be biased to control its sputtering by plasma. The shield array has a plurality of voids that at least partially electrically shield the shield portion to prevent induced vortices from consuming energy and resisting coupling of energy to the plasma. Furthermore, the individual shield portions are preferably electrically separated so as to be individually biased to optimize the uniformity of the coating and the directionality of the ionized material onto the substrate. The space between the shield segments facilitates plasma propagation from behind the shield into the process space.
Third embodiment
In this embodiment, a helical coil surrounds the chamber behind the protective structure. When so arranged, the coil is protected from contact with the plasma formed in the chamber. The chamber is provided with an array of shields that also enclose the space between the target and the substrate and are preferably biased to control its sputtering by plasma. The array of shields has a plurality of air gaps that at least partially electrically isolate the shield parts, and the induced eddy currents partially consume energy and counteract the coupling of energy to the plasma. To stop. The shield portion is configured and oriented so that the shield portion protects the protective structure from the target, while having minimal impact on the coupling of energy from the coil and the formation and location of the secondary plasma, Defined.
The array of shields is positioned relative to the protective structure so that no coating is formed thereon, supports vortices therein, and electrostatically shields the RF coil. It is preferable that no part of the target is visible from any part of the protective structure, the target can be seen from any part of the protective structure, and if a coating of conductive sputtering material is deposited, it is coated. The region is not shaped to support vortices or to significantly shield the coil.
In the illustrated example of the third embodiment, the protective structure comprises a dielectric window. The shield array is formed from angled portions that collectively and completely block all the passages between the target and the window. The portion is angled so that much of the volume of the space between the main plasma and the substrate is visible from the coil. As such, the window is protected from sputter deposition from the target, while providing the most efficient coupling of energy to form a secondary plasma that ionizes the sputtered material. The shield portion is preferably spaced from the window, and the portion of the coil has a space between adjacent portions sufficient to allow viewing of the room space in which the secondary plasma is to be formed. Therefore, it is possible for the plasma to form in the vicinity of the window and extend into the space where the sputtered material can be ionized.
According to one illustrated example of this third embodiment, the shield array is located inside the window and is spaced apart in a plurality of axial directions inclined at an angle generally perpendicular to the path from the target to the window. It is formed from a frustoconical portion. The shield part may be inclined at the same angle relative to the chamber axis, or the part may be inclined at a different angle, for example the part may be inclined at a smaller angle relative to the axis at a further distance from the target. Is possible. The portion reduces overlap of the sputtered particles that have been diffused with minimal overlap, but preferably does not protect adjacent portions from points of the target. The shield part is preferably further segmented in the circumferential direction by a gap in the part to interrupt the potential induced current path.
According to another illustrative example of the third embodiment, the shield array has a plurality of flat or slightly curved rectangular extensions extending axially within the window and circumferentially spaced around the chamber. It is formed from a blade. These blades are spaced from the window and are inclined at an angle with respect to the radius of each chamber to protect the window centrally, or at least the portion of the window generally within the region of the coil from the entire area of the target However, a certain part of the coil is visible from the space of the room where the plasma is to be formed. Thus, the secondary plasma can be formed in the vicinity of the window and can immediately extend into the space through which the sputtered particles pass. The shielding part of this embodiment is preferably inclined at the same angle with respect to the radius of the chamber. Although minimal overlap is effective to further reduce window coating, it is preferred that the shielding portion does not protect the vicinity of the portion from any point on the target. The shielding portions are preferably spaced circumferentially relative to each other and separated from the target and the substrate by a distance equal to at least the mean free path of the gas molecules in the vacuum chamber.
When the present invention is used in a sputtering coating system, the sputtering power can be kept at a high level, thus maintaining a high deposition rate and a high ionization rate of the sputtered material. These results are achieved without the occurrence of many problems such as, for example, shorting of the RF coil or increased contamination and thus degradation of the deposited film. As a result, high aspect ratio formation can be effectively and efficiently filled by sputtering with a high directivity of the incident sputtered material normal to the plane of the substrate. The dense sputtering plasma is prevented from shorting or adversely affecting the RF plasma coupling element that generates the plasma that ionizes the sputtering material, thus eliminating the need to reduce the sputtering power of the prior art. The plasma formed by the RF element itself is prevented from shorting the element. The sputtering gas pressure is kept low, i.e. at normal sputtering levels, to prevent loss of directionality due to diffusion. The adverse effects from sputtering of the RF coupling element are eliminated. These advantages are achievable at processing times comparable to conventional sputtering methods that do not provide the high quality, high aspect ratio formation coatings provided by the present invention.
In addition to improving PVD processes, particularly sputter coating processes that deposit coatings in high aspect ratio formations, the present invention also provides an evaporation source or other source of evaporation material that is generally deposited by physical techniques. Offers advantages in the PVD process employed. Reaction methods and physical methods that are enhanced by chemical vapor deposition of materials or that include chemical vapor deposition may also be advantageous by the present invention. While the present invention is particularly useful in connection with the deposition of metal films, it can provide advantages in the deposition of other materials, particularly oxides and nitrides.
The above and other objects and advantages of the present invention will be readily apparent from the following detailed description of the preferred embodiments of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of an IPVD sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 1A is an enlarged side view of the protocol of FIG. 1 showing an alternative form of coil protection;
FIG. 2 is a perspective view of the shield of the apparatus shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram of an IPVD sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
4A to 4D are diagrams showing alternative coil configurations of the apparatus shown in FIG.
FIG. 5 is a diagram of an IPVD sputtering apparatus having an alternative form of secondary plasma RF coupling element and protective structure as opposed to that shown in FIG.
6 is a diagram of an IPVD sputtering apparatus having another alternative form of secondary plasma RF coupling element and protection structure as opposed to that shown in FIGS. 3 and 5;
7A to 7D are diagrams showing the form of the coil insulation protection structure in an alternative to the one shown in the embodiment shown in FIG.
FIG. 8 is a diagram of an IPVD sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a partial diagram of FIG. 8, showing an alternative form of the shield array,
10 is a cross-sectional view of the embodiment of the shield array shown in FIG. 9 taken along line 3-3 of FIG.
Detailed description of the invention
FIG. 1 shows diagrammatically a sputter coating apparatus 10 according to the principles of the present invention. The apparatus 10 includes a vacuum-tight processing space 11 sealed in a chamber 12. The chamber 11 is mounted with a substrate support, that is, a susceptor 14 that supports the semiconductor wafer 15 mounted thereon at one end. When mounted on the substrate support 14, the wafer 15 is parallel to and faces the target 16. Target 16 is formed from a sputter coating material that is deposited as a thin film of wafer 15. The processing space 11 is a generally cylindrical space, maintained at an ultra-high vacuum pressure level and filled with a processing gas such as argon during processing. The space 11 is located in the chamber 12 between the substrate support 14 and the target 16.
The target 16 is a part of the cathode assembly 17 that is mounted in the chamber 12 at the end facing the substrate support 14. The cathode assembly 17 includes a target holder 18 on which the target 16 is fixed. The magnet structure 19 is typically provided behind the target holder 18 on the side opposite the substrate support 14. A dark space shield 13 can be provided around the target 16. The magnet structure 19 is the surface of the target 16 that captures electrons emitted into the chamber 12 by the cathode assembly 17 when electrically energized to a negative potential as is well known to those skilled in the art. Preferably, it includes a magnet that generates a magnet tunnel closed above 21. The magnet structure 19 may include a fixed or rotating or otherwise moving magnet that may be any one of the permanent magnets or electromagnets of a number of magnetron sputtering assemblies known in the art.
When switched ON, the electrical energy source 20, which remains constant or pulsed, typically a DC power source, is connected between the cathode assembly 17 and the wall of the chamber 12, which is normally grounded and serves as the system anode. Has been. The cathode assembly 17 is insulated from the wall of the chamber 12. The power supply 20 is preferably connected to the cathode assembly 17 via the RF filter 22. An auxiliary energy source such as an RF generator 24 can also optionally be connected to the cathode assembly 17 via the matching network 25. A bias circuit 27 is also provided and connected to the substrate support 14 via a matching network 28. The bias circuit 27 supplies a bias to the wafer 15 mounted on the substrate support 14. A bipolar DC power supply or RF source can be used for this purpose. Stationary or pulsed power supply 20 and / or RF generator 24 generates a negative potential at surface 21 that causes electrons to be emitted from surface 21 of target 16. The emitted electrons collide with the atoms of the processing gas in the vicinity of the surface 21 of the target 16, are ionized, and are surfaced by the magnetic field generated by the magnet structure 19 until the main plasma 23 is formed in the vicinity of the target surface 21. Stays captured on 21. This main plasma 23 becomes a positive ion source of gas accelerated toward and against the negatively charged surface 21 that ejects particles from the target 16.
It can be considered that the space 11 between the target surface 21 and the substrate support 14 is formed by the two portions. One part of the space is mainly blocked by the plasma 23 and shaped to create a desired erosion pattern on the sputtering surface 21 of the target 1, while the second part of the space 11 is the remaining volume. And, it is located between the plasma 23 and the substrate 15 on the substrate support 14. The sputtered material particles from the target 16 are generally, but not entirely, electrically neutral, which can propagate only through momentum through the space 11 where they pass through the plasma 23 and volume 26 and strike the substrate 15. As particles. In the conventional sputtering apparatus, the neutral sputtered particles passing through the plasma 23 occupy a small volume near the target, and the neutral sputtered particles and the plasma 23 particles at the target operating pressure. Since there are few collisions between the two, they are not sufficiently ionized. Thus, in conventional sputtering, the neutral sputtered particles exit the plasma 23 in a nearly neutral state and remain neutral until deposited as a thin film on the substrate 15.
In VLSI and ULSI device manufacturing, particles are applied to the substrate in order to metallize the holes by coating the contacts at the bottom of the high aspect ratio holes and formation and filling the holes with sputtered conductive material. Collides on the surface of the substrate with a narrow angular distribution around the normal, so that the particles travel directly into the formation and onto the bottom of the formation, colliding with the sides of the formation or being shadowed. It is highly preferred that there is no occurrence. Such vertical impingement of particles on the substrate is facilitated by the apparatus 10 by ionizing the sputtered particles as they pass through the volume 26, thus causing the particles to generate a charge. The Once charged, the particles are either electrostatically accelerated into a trajectory that is parallel to the chamber axis and perpendicular to the plane of the substrate 15, or otherwise electrically or magnetically guided. sell. Such methods are known in the art as ionized physical vapor deposition (IPVD) or ion assisted sputter coating.
In accordance with a preferred embodiment of the present invention, ionization during the suspension of sputtered particles in the space 26 surrounds the space 26 but provides RF energy into the space 26 by providing RF elements that do not occupy the space 11. It is carried out by reacting, preferably by induction binding. Although it is possible to use coil shapes other than helical, the RF element is preferably in the form of a helical coil assembly 30. Examples of possible configurations of coil assemblies 30a-30d are shown in FIGS. 4A-4D. Further, the form of the coil assembly 30 should include coils, windings and / or devices consisting of coils and windings. In addition, RF energy can be pumped into the coil in ways other than shown, for example by adding a center tap to the center of the coil and installing the other two leads or vice versa. Is possible. The coil assembly 30 totally fills the space 26 by inductively coupling energy into the processing gas in the space 26, thereby forming a secondary plasma 29 that is distinct from the main plasma 23. Although not limited, an RF generator 32, preferably operating in the range of 0.1 to 0.2 MHz to 60 or 80 MHz, is connected to the coil assembly 30 via a matching network 33 to transfer energy to the coil assembly 30. A secondary plasma 29 is formed in the space 26 provided.
A processing gas source 40 is connected to the chamber 11 via a flow rate control device 41. The feed gas 40 for the sputtering process is typically an inert gas such as argon. For the reaction process, additional gases such as nitrogen and oxygen can be introduced via an auxiliary flow controller. A high vacuum pump 39 is also connected to the chamber 12 and draws the chamber 12 to a vacuum level in the range of milliTorr or sub-milliTorr. A pressure in the range of 5 to 50 milliTorr is preferred. Pump 39 maintains a very high vacuum with process gas at a flow rate in the range of 5 to 300 standard cubic centimeters (sccm) per second. The apparatus 10 also includes a main controller 50 which is preferably a microprocessor based programmable controller that operates to sequence and control the operation of the elements described above. The control device 50 includes cathode power sources 20 and 24, a substrate bias power source 27, an RF generator 32 for energizing a secondary plasma generating element as a coil assembly 30, a gas flow rate control device 41, a pump 39, and other devices 10 of the present invention. Has an output energizing the controllable element.
Via the matching network 28 to provide a force to accelerate positively ionized and sputtered particles toward and above the surface of the substrate to achieve the orientation of the ionized sputtered particles. The potential gradient may be maintained in the sheath of the plasma in front of the substrate support 14 by negatively biasing the substrate 15 with respect to the secondary plasma 29 by the bias power source 27 connected to the substrate support 14. A dipole DC power supply or an RF power supply can be used for this purpose.
Additionally or alternatively, a magnet 80 can be provided around the chamber 12 to generate a magnetic field in the axial direction in the chamber 12. The magnet 80 may be an electromagnet or may be formed of one or more permanent magnets. The magnetic field from the magnet 80 causes the charged particles to swirl around the line, thereby increasing radial confinement. In the presence of an axial electric field, the charged particles can be guided axially and move towards the substrate, minimizing radial losses.
A protective structure is provided between the coil assembly 30 and the space 11 to prevent the plasmas 23 and 29 from coming into contact with the coil assembly 30 and from interacting electrically. This structure is a non-conductive material that does not interfere with the magnetic field surrounding the coil assembly so that the coil assembly 30 does not enter the space 26. One preferred form of the protective structure is a dielectric material compatible with a vacuum, such as quartz, in the wall of the chamber 12 that is mounted to form a vacuum tight seal against the wall of the chamber 12. The structure of the window 60 made of The window 60 may be a single piece of electrically insulating and permeable material, or may be formed in joined segments to form a generally cylindrical protective structure. The coil assembly 30 described in the previous embodiment is preferably wound around the chamber 12 outside the window 60. The outer side of the coil assembly 30 is covered with a conductive metal sealing body 61, which shuts off the coil assembly 30, and electromagnetic energy from the coil assembly 30 and from the inside of the chamber 12 to the chamber. A sealed cavity 62 is formed so as not to be radiated to the outside of 12. Cavity 62 is sealed from chamber 11 but communicates with the external environment or is filled with an inert gas at atmospheric or lower pressure, and plasma formation occurs within cavity 62 when coil assembly 30 is energized. It may not be encouraged by gas.
The window 60 itself is not conductive, but is sensitive to the deposition of a coating of conductive material sputtered from the target 16. Conductivity in or on the window 60 aids in the induction of current around the chamber and reduces or eliminates the effectiveness of RF coupling of energy from the coil assembly 30 to the secondary plasma 29 in the space 26. Or inhibit. Such conductivity of the coating of the window 60, particularly in the azimuthal direction (circumferential direction), i.e. the direction extending around the chamber 12, creates an inductively coupled short circuit, and all of the energy inductively coupled into the space 26. Or many invalidations.
In order to prevent such deposition of conductive sputtered material in the window 60, suitable apparatus includes various embodiments of shield arrays as further described below.
First embodiment
FIG. 1 shows a slit cylindrical shield 100 provided between the space 11 and the window 60 in proximity to the inner surface of the window 60. The shield 100 preferably protects the window 60 from the material sputtered from the target 16 and blocks any direct line of sight between any portion of the surface 21 of the target 16 and the window 60. Furthermore, according to the present embodiment, the shield 100 has a longitudinal slit 103 that is parallel to the axis of the chamber 12. It is also possible to use a shield provided with one or a plurality of slits shaped to cut off current in the circumferential direction. This prevents the induction of current in the circumferential direction, that is, the azimuthal direction in the shield 100.
Further, the shield 100 has an axial extent beyond the axial extent of the coil assembly 30 that generally reaches the entire effective axial extent of the electric field from the coil assembly 30. As a result, the conductive shield 100 effectively suppresses the electric field in the secondary plasma 29 that is parallel to the axis of the chamber 12 and capacitively shields the coil assembly 30 from the space 26, so that the coil assembly 30. To prevent an electric field in the axial direction from decreasing the efficiency of energy coupling to the space 26. The shield 100 preferably extends axially from behind the surface 21 of the target 16 beyond the window 60 and the coil assembly 30. In such a configuration, the shield 100 more effectively shorts the axial electric field in the secondary plasma 29, thereby improving inductive coupling of energy from the coil assembly 30 into the secondary plasma 29.
The preferred embodiment of the present invention also provides a highly efficient coupling of energy from the coil assembly 30 because the shield 100 is closely spaced from the window 60. This distance is kept at a preferable distance that is smaller than the mean free path of the atoms or molecules of the gas or smaller than the minimum diffusion length of the secondary plasma 29 in the chamber 12. This close spacing from the shield to the window allows plasma formation adjacent to the non-conductive structure that protects the window or coil and behind any of the structures provided below. In contrast to the other examples. Eliminating the formation of plasma behind the window tends to increase the rate of energy from the coil or other plasma generating electrode into the space through which the sputtered particles pass, so that the effective plasma and hence sputtering Increase the ionization efficiency of the deposited material. It is planned to use a process gas pressure in the apparatus 10 in the range of about 5 to 50 milliTorr. The mean free path of argon gas at such pressure is 11 millimeters to 1.0 millimeter, respectively. As a result, the preferred spacing from the window 60 to the shield is about 1.0 to 15 millimeters.
On the other hand, the slit 103 is preferably made wider than about 15 millimeters. The width of the slit 103 is two to clean the sputtered material that may deposit on the edge of the shield 100 near the slit 103 or on the window 60 as a result of the sputtered material passing through the slit 103. Wide enough to allow the next plasma 29 to be formed by the slit 103. Such plasma 29 formed in the slit 103 extends to the window 60 in the vicinity of the slit 103 and is continuously removed by resputtering the material deposited in the window 60 in the slit 103.
Instead of the window 60, the coil assembly 30 can alternatively be embedded in an insulating block 66 within the chamber 12, as shown in FIG. 1A. Insulation block 66 functions in a manner similar to that of window 60 and shields coil assembly 30 from the plasma in chamber 11 and from the sputtered material. The shield 100 is configured for the insulating block 66 in the same manner as configured for the window 60 shown in FIG.
Many of the details of the first embodiment are useful for the embodiments described below, but are omitted to simplify the description so that differences between the embodiments can be emphasized.
Second embodiment
FIG. 3 shows an alternative to the shield 100 shown in FIG. 1, but shows a shield array 200 provided between the space 11 and the window 60 with less proximity to the inner surface of the window 60. . The shield array 200 protects the window 60 from material sputtered from the target 16 at least in part, but has sufficient space or voids 204 to facilitate coupling of energy from the coil assembly 30 into the space 26. .
The shield array 200 is a plurality of individual shields or shield segments 202 that protect at least the axial strips of the window 60 so that circumferential conductive paths are not formed by a coating of sputtered material. Is preferred. The gap 204 is shaped to substantially block the circumferential current path in the shield array 200 and is shaped to extend entirely or partially over the axial dimension of the array 200. The shield segment 202 must be made from a metal or other material selected to retain such a coating when a coating of sputtered material is formed on the shield shield 202. Otherwise, such coatings will fall and contaminate the chamber 12 and the wafer 15 being processed. In order to control the deposition of evaporated material on the shield segment 202 and thereby reduce the risk of contamination, the shield segment 202 may be electrically biased. The segment 202 is also biased to be used, for example, to optimize the coating uniformity on the substrate 15 and the orientation of the ionized material relative to the substrate, thereby optimizing the distribution of the film deposited on the substrate. It is also preferable to individually bias each of these to be individually controllable. In such a configuration, the air gap 204 completely isolates and electrically shields each individually biased shield segment 202 from each other. The bias is provided by a generator 206 connected through a filter or matching network 207 with each shield individually connected through a current limiting resistor 208. Resistor 208 may be variable, or other means for individually controlling the bias of shield segment 202 in response to controller 50 may be provided.
FIG. 5 shows an alternative embodiment for the device 10 in which the coil assembly 30 is inside the wall of the chamber 12 but is still located in the vacuum chamber 12 outside the space 11. The protective structure is between the coil assembly 30 and the space 11 and is in the form of a window 60a in a sealed body 61a that seals the coil assembly 30 inwardly from the interior of the chamber 12 wall. The sealing body 61 a includes a port 62 that vents from the inside of the sealing body where the coil assembly 30 is located to the vacuum of the chamber 12. The shield array 200 is positioned so as to protect the window 60a from the target 16 as in the previous embodiment.
Instead of the window 60 or 60a, the alternative embodiment shown in FIG. 6 utilizes a protective structure in the form of an insulating coating 86 that covers the conductors of the coil assembly 30. In this embodiment, the coil assembly 30 is located in the chamber 12 outside the space 11 and surrounds the space 26. The shield array 200 is positioned to protect the insulating layer 86 from the target 16 as in the previous embodiment. The insulating layer 86 may be in any of a number of forms, such as a solid insulator 86a that covers the entire conductor surface of the coil assembly 30 as shown in FIG. 7A, or a plurality of intermittent as shown in FIG. 7B. Insulator segment 86b may be used. In the segmented insulator 86b, the air gap 87 between the segments increases the effectiveness of the coil assembly 30, while the plasma is coiled by narrowing the air gap 87 below the mean free path of gas molecules in the chamber 12. It is preferable not to communicate with the conductor of the solid 30. Instead of the insulating coating on the coil assembly 30, insulating material may cover the coil assembly 30, such as insulators 86c and 86d shown in FIGS. 7C and 7D, respectively. Many other alternatives and protection structures for isolating the coil assembly 30 from these features and plasmas can be used in connection with other embodiments.
Third embodiment
FIG. 8 shows a shield array 300 provided between the space 11 and the window 60 in the vicinity of the inner surface of the window 60. The shield array 300 preferably protects the window 60 from material sputtered from the target 16 and blocks all direct line-of-sight between any portion of the surface 21 of the target 16 and the window 60. However, according to this embodiment of the invention, the shield array 300 provides a generally uninterrupted region between the coil assembly 30 behind the window 60 and the space 26 to which the plasma 29 is coupled, which Provides a space or gap 305 that facilitates coupling of energy from the coil assembly 30 and the propagating plasma into the space 26.
The shield array 300 is preferably in the form of a plurality of shields or shield segments 302 that collectively protect the window 60 from any location on the target 16. This protection almost eliminates the tendency of the sputtered film to accumulate and form on the window 60. Therefore, neither conductive paths nor electrostatic shielding occurs.
In one preferred embodiment of the invention, the shielding segment 302 is frustoconical and forms an angle .theta. With an inner surface parallel to the surface 21 of the target 16 and to the substrate 15 on the support 14. . The angle θ of each shielding segment 302 is the same, but the effectiveness of the shielding segment 302 can be improved, i.e. optimized, by decreasing the angle θ as the distance between the segment 302 and the target 16 increases. The top surface 303 of 302 faces the target 16 directly, providing maximum protection of the target 16 from the window 60 for a given segment area. The shielding segments 302 are located outside the space 11, surround the space 11 in the circumferential direction, and are separated from each other in the axial direction by a circumferential gap or space 305. The maximum width of the gap 305 is the largest gap S that still completely covers the surface of the target 16 from the window 60 as indicated by line 79, thus the circumferential band region of the window 60 is an annular conductive band around the window 60. It is not exposed to the toget 16 so as to deposit a piece. Accordingly, the maximum width S of the gap 305 can be increased at a greater distance from the target 16. The air gap 306 may be narrower, but should not be less than the mean free path of the process gas atoms at the chamber 12 temperature and pressure, but is most efficient for RF plasma into the space 26 in a given process state. Should be optimally spaced to promote proper diffusion. For the same reason, each segment 302 has a height H that can be the same for each segment 302 or can be modified to optimize the protection and space between segments 302. Good.
The ideal number of shielding segments 302 depends on the shape of the chamber 12. A single shielding segment 302 may be used, but typically 2 to 6 segments 302 are employed. In order to minimize RF plasma loss, the number of segments 302 is limited and the area of the accumulated shielding segment should be minimized. Further, in order to prevent the formation of closed circumferential passages for eddy currents or other currents induced by the RF coil assembly 30, the segments 302 have at least one air gap 304 that blocks each segment. Should. The gaps 304 in adjacent segments 302 can be straight as shown, or can preferably be staggered to prevent the deposition of continuous lines of film axially across the window 60. The air gap 304 should be wide enough to prevent arching and requires a width of about 1/4 to 1 inch, depending on processing parameters.
The air gap 304 is shaped to generally block current paths in the shield array 300 and to extend entirely or partially across the axial dimension of the array 300. The shielding segment 302 was selected to retain such coating when a coating of vacuum compatible inductive or sputtered material such as metal, ceramic or quartz was formed on the shielding segment 302. It can be made from other compatible materials. Otherwise, such deposits will fall and contaminate the chamber 12 and the wafer 15 being processed. In order to control the deposition of the material deposited on the shield array 300 and thereby reduce the risk of contamination, the shield segment 300 may be electrically biased and made of metal for its purpose. The shielding segment 302 is also used to optimize the distribution of the film being deposited on the substrate, for example by optimizing the coating uniformity of the substrate 15 and the orientation of the ionized material onto the substrate 15. Thus, it is preferable that each bias is individually controlled so that it can be controlled individually. In such a configuration, the air gap 304 completely separates and electrically shields the individually biased shielding segments 302 from each other. Bias is provided by a generator 306 connected through a filter or matching network 307, and each blocking segment 302 is individually connected through a current limiting resistor 308. Resistor 308 may be variable and may provide other means for individually controlling the bias of shielding segment 302 in response to controller 50.
The advantages of the shield array 300 described above can be implemented by an alternative embodiment having a shield array 300a, as shown in FIGS. The array 300a is formed from a plurality of flat or slightly curved rectangular segments 302a arranged as an array of blades or vanes around the periphery of the space 11 within the window 60. The segments 302a are circumferentially separated from each other by axial space or slots 304a. The slots provide space between the segments 302a that allow the plasma to couple into the space 26 and block potential circumferential current paths around the array 300a. The directions of the segments 302 a are such that each defines an angle φ with respect to the radial plane 311 through the axis 312 of the chamber 12. The spacing W between adjacent segments of the shielding segment 302a and between the shielding segment 302a and the window 60 is such that plasma is effectively formed in the vicinity of the window 60 and propagates into the space 26 of the air gap 304a between the segments 302a. It should not be less than the mean free path of gas in the chamber 12 as possible. The segments 302a are long enough in the axial direction to prevent the circumferential strip of coating from forming on the window 60 at the end of the segment 302a and are angled relative to each other to protect the entire target 16 at the window 60. It is preferable to set to φ and space W.
Instead of the window 60, the aforementioned shield array can be used for a dielectric window provided inside the chamber or for a coil in the chamber that is protected from plasma by insulation.
Those skilled in the art will recognize that the practice of the invention described herein can be varied and that the invention has been described with reference to the preferred embodiments. Accordingly, additions and modifications can be made without departing from the principles and intent of the present invention, and the details of the various embodiments can be interchanged.

Claims (8)

スパッタリング装置(10〜10b)であって、該装置が、
真空室(12)内に囲まれ低圧レベルに保たれた処理ガス空間(11)を有する真空室(12)と、
前記室(12)内にある、スパッタリング面を有する、スパッタリング材料の供給源(16)と
板(15)を支持する前記室(12)にある基板支持体(14)と、
スパッタリングされた物質が飛行して通過する、前記室(12)の容積部(26)の外にある少なくとも1個のコイル(3030d)と、
前記コイル(3030d)に接続され前記コイルを付勢するように作動して、前記容積部にRFエネルギを誘導結合させて二次プラズマを形成し、前記容積部を飛行通過するスパッタリングされた物質をイオン化させるRFエネルギ源(32)と
記コイル(3030d)と前記容積部(26)との間に挟まれた非導電性の保護構造体(60、60a、66、8686d)と、
記保護構造体(60、60a、66、8686d)を通して誘導結合されるRFエネルギと、
護構造体をスパッタリングされた材料から物理的に遮蔽するように、前記真空室(12)内で前記容積部(26)の、かつ前記保護構造体(60、60a、66、8686d)内方に配置された遮蔽体(100、300、300a)とを含むスパッタリング装置において、
前記遮蔽体(100、200、300、300a)が、前記室の周りの前記遮蔽体(100、300、300a)における周方向の電流を遮るようになっている、軸線方向に延びた少なくとも1つの隙間(103、204、304、304a)を有し
前記遮蔽体(100、300、300a)と前記保護構造体(60、60a、66、86〜86d)との間隔が、前記室(12)内の空間(11)の容積部中のガス原子の平均自由行程以下であるスパッタリング装置。
A sputtering apparatus (10-10b), the apparatus comprising:
A vacuum chamber (12) having a process gas space (11) enclosed within the vacuum chamber (12) and maintained at a low pressure level;
A source of sputtering material (16) having a sputtering surface in said chamber (12) ;
Supporting base plate (15), a substrate support in the chamber (12) and (14),
Sputtered material passes flying, volume of the chamber (12) and at least one coil (30 ~ 30d) on the outside (26),
Connected to said coil (30 ~ 30d) operates to bias the coil, an induced coupled to form the RF energy to the volume to form a secondary plasma, sputtered to fly through said volume An RF energy source (32) for ionizing the substance ;
Before Symbol coils (30 ~ 30d) and the non-conductive protective structure sandwiched between said volume (26) and (60,60a, 66,86 ~ 86d),
And RF energy is inductively coupled through the front Symbol protective structure (60,60a, 66,86 ~ 86d),
To physically shielded from the sputtered material protection structure, the outside of the volume in a vacuum chamber (12) (26), and said protective structure (60, 60a, 66, 86 ~ 86d ) In a sputtering apparatus including a shielding body (100, 300, 300a) disposed inside
Said shield (100,200,300,300a) is adapted to block the definitive circumferential direction of current to the shield around said chamber (100,300,300a), at least one extending in the axial direction One of a gap (103,204,304,304a),
The distance between the shield (100, 300, 300a) and the protective structure (60, 60a, 66, 86-86d) is such that the gas atoms in the volume of the space (11) in the chamber (12) Sputtering apparatus that is below the mean free path .
前記供給源(16)がスパッタリング面を有するスパッタリングターゲットを前記室(12)内に含み、前記装置がスパッタリング面に近接して主プラズマ(23)を発生するようにターゲットを付勢すべく該ターゲット(16)に接続されている陰極電源(20、24)と、基板(15)に対して直角な方向においてスパッタリングした材料のイオンを電気的に導く手段(27)とを含み、前記真空室(12)が両端と、該両端の間で前記室の周りに延びる側壁とを有し、前記側壁が前記室(12)の周りに延びて保護構造体を提供する誘電窓(60、60a)を有し、前記遮蔽体(300、300b)が前記容積部(26)の外側で前記室(12)を囲み、前記窓の内側で、かつ該窓から離隔して少なくとも1個の傾斜した遮蔽セグメント(302)から形成され、各セグメントが前記ターゲット(16)に面し、ターゲットの(16)のスパッタリング面に対して、かつターゲットの軸線に対して一定角度で傾斜して、ターゲット(16)のスパッタリング面から窓(60、60a)の概ね全ての個所をおおう面(303)を有しており、そのうちの少なくとも1個の隙間(103、204、304、304a)が前記室(12)の周りで周方向の電流通路を遮断し、前記遮蔽体は二次プラズマが前記窓の近傍から前記容積部(26)内へ延び易くする形状にされていることを特徴とする請求項1に記載の装置。The source (16) includes a sputtering target having a sputtering surface in the chamber (12), and the apparatus is configured to bias the target so that the apparatus generates a main plasma (23) in proximity to the sputtering surface. A cathode power supply (20, 24) connected to (16) and means (27) for electrically guiding ions of the material sputtered in a direction perpendicular to the substrate (15), the vacuum chamber ( 12) has dielectric windows (60, 60a) having opposite ends and sidewalls extending around the chamber between the ends, the sidewalls extending around the chamber (12) to provide a protective structure. The shield (300, 300b) surrounds the chamber (12) outside the volume (26) and is at least one inclined shielding segment inside the window and spaced apart from the window. (302), each segment facing the target (16), tilted at a fixed angle with respect to the sputtering surface of the target (16) and with respect to the axis of the target, It has a surface (303) that covers almost all points of the window (60, 60a) from the sputtering surface, and at least one gap (103, 204, 304, 304a) is around the chamber (12). in blocking a circumferential current path, wherein the shield is secondary plasma according to claim 1, characterized in that it is shaped to easily extend from the vicinity of the window to the volume (26) within the apparatus. 前記遮蔽体(300、300a)が複数の区分された遮蔽セグメント(302、302a)を含み、前記遮蔽セグメント(302、302a)が該セグメントを電気的に分離している隙間(304、304a)によって離隔していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の装置。The shield (300, 300a) includes a plurality of segmented shielding segments (302, 302a), and the shielding segments (302, 302a) are electrically separated by gaps (304, 304a). 3. A device according to claim 1 or claim 2 , wherein the devices are spaced apart. 前記遮蔽体(300)が複数の軸線方向に離隔した切頭円錐形の遮蔽セグメント(302)を含み、前記遮蔽セグメント(302)が前記ターゲット(16)と全体的に面するように傾斜し、かつターゲット(16)から窓(60、60a)の概ね全ての個所を全体的におおうように相互から離隔し、前記セグメントは各々前記室(12)の周りの周方向の電流通路を遮断する少なくとも1個の軸線方向の隙間(304)を有し、前記セグメント(302)の軸線方向の間隔は二次プラズマが前記窓から前記容積部(26)内へそこを通って延び易くするのに有効な空間を該窓(60、60a)から前記容積部(26)内へ画成していることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の装置。The shield (300) includes a plurality of axially spaced frustoconical shield segments (302), wherein the shield segment (302) is inclined to generally face the target (16); And spaced apart from each other so as to generally cover substantially all of the windows (60, 60a) from the target (16), each segment blocking at least a circumferential current path around the chamber (12). Having an axial gap (304), the axial spacing of the segments (302) is effective to facilitate secondary plasma extending from the window and into the volume (26). apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the spatial from the window (60, 60a) defining the said volume (26) within. 前記遮蔽体が軸線方向に延びる空間を間に有する複数の周方向に離隔したブレード状遮蔽体部分(302a)を含み、前記遮蔽体(300a)が前記容積部(26)の周りで相互から周方向に離隔した複数の軸線方向に延びるブレードで形成されており、各ブレードは該ブレードを通り、かつ前記室(12)の中心軸線(312)を通る半径方向平面(311)に対してある角度(θ)で傾斜しており、前記ブレードはターゲット(16)から窓(60)の概ね全ての個所を全体的におおうように方向づけられ、かつ相互から離隔しており、前記ブレード(302a)はそれぞれ二次プラズマが前記容積部(26)内へ延び易くするのに有効な空間を窓から前記容積部(26)内へ画成するように相互から離隔し、前記遮蔽体(100、200、300、300a)が材料の供給源(16)から窓(60、60a)をおおい、かつ、プラズマにおける概ね全ての軸線方向の電界を電気的に短絡するのに十分に軸線方向に延びており、前記遮蔽体は前記室(12)の周りで遮蔽体(100、200、300、300a)にある周方向の導電性通路を遮断するように遮蔽体の軸線方向長さに延びている少なくとも1個の軸線方向スリット(103、204、304、304a)を有し、前記遮蔽体における少なくとも1個のスリット(103、204、304、304a)は該スリットにおけるプラズマの形成を可能にするように前記室(12)のガスの原子の平均自由行程より十分に幅広く、前記遮蔽体(100、200、300、300a)が少なくとも前記コイル(3030d)の軸線方向長さである高さを有し、非電導性の保護構造体が前記室(12)の壁にある誘電窓(60、60a)を含み、前記コイル(3030d)が前記室(12)の外側で前記窓の後ろに位置していることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の装置。The shield includes a plurality of circumferentially spaced bladed shield portions (302a) having spaces extending in the axial direction therebetween, the shield (300a) surrounding the volume portion (26) from each other. Formed by a plurality of axially extending blades, each blade passing through the blade and at an angle relative to a radial plane (311) passing through the central axis (312) of the chamber (12) Tilted at (θ), the blades are oriented so as to generally cover almost all points of the window (60) from the target (16) and are spaced apart from each other, the blade (302a) Each of the shields (100, 20) is spaced apart from each other to define a space effective to facilitate the secondary plasma to extend into the volume (26) from the window into the volume (26). 300, 300a) covers the window (60, 60a) from the source of material (16) and extends sufficiently axially to electrically short out almost all axial electric fields in the plasma. The shield extends at least one axial length of the shield so as to block a circumferential conductive passage in the shield (100, 200, 300, 300a) around the chamber (12). A plurality of axial slits (103, 204, 304, 304a), wherein at least one slit (103, 204, 304, 304a) in the shield allows the formation of plasma in the slit. chamber (12) sufficiently wider than the mean free path of the gas atoms, said shield (100,200,300,300A) of at least the coils (30 ~ 30d Has a high a axial length of the of the non-conductive protective structure comprises a dielectric window (60, 60a) in the wall of the chamber (12), said coil (30 ~ 30d) said chamber (12) the apparatus according to that which is located behind the windows outside the preceding claims, characterized in any one of up to claims 4. スパッタリングした材料のイオンを導く手段が前記支持体(14)に接続されて該支持体上の基板(15)を電気的にバイアスをかけて基板に対して直角な方向にスパッタリングされた材料のイオンを加速するバイアスエネルギ発生器(27)を含むことを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の装置。Ions of sputtered means for guiding ions of the material is sputtered in a direction perpendicular to the substrate by electrically biased substrate (15) on a connected said support to said support (14) Materials apparatus according to any one of up to claims 1 to 5, characterized in that it comprises biasing energy generator (27) accelerates. 請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載されたスパッタリング装置(10〜10b)を準備する段階と、Preparing a sputtering apparatus (10 to 10b) according to any one of claims 1 to 6,
前記コイル(30〜30d)により非導電性保護構造体(60、60a、66、86〜86d)を通してRFエネルギを前記室(12)内へ誘導結合させる段階と、Inductively coupling RF energy into the chamber (12) through the non-conductive protective structure (60, 60a, 66, 86-86d) by the coil (30-30d);
RFエネルギから前記空間(11)を電気的に遮蔽することなく、前記遮蔽体(100、300、300a)により、飛行するスパッタリングされた材料から保護構造体を物理的に遮蔽する段階と、Physically shielding the protective structure from flying sputtered material by the shield (100, 300, 300a) without electrically shielding the space (11) from RF energy;
RFエネルギにより前記空間(11)内のプラズマを付勢する段階と、Energizing the plasma in the space (11) with RF energy;
スパッタリング材料をスパッタリングするために前記供給源(16)を付勢する段階と、Energizing the source (16) to sputter sputtering material;
スパッタリング材料粒子をプラズマでイオン化する段階とを含むスパッタリング方法。Ionizing the sputtering material particles with plasma.
スパッタリングされつつある材料の分布を制御するように遮蔽体(100、200、300、300a)バイアスをかける段階を更に含み、前記バイアスをかける段階が前記遮蔽体(300、300a)の複数の電気的に区分された部分(302、302a)を個々に、かつ選択的にバイアスをかける段階を含む請求項7に記載の方法。 Further comprising the step of biasing the shield (100,200,300,300a) to control the distribution of a material being sputtered, the step of subjecting said bias plurality of electrical said shield (300 and 300a) the method of claim 7 to the classified partial (302,302a) individually and selectively comprising biasing.
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