JP2001234338A - Deposition method of metallic compound thin film and deposition system therefor - Google Patents

Deposition method of metallic compound thin film and deposition system therefor

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JP2001234338A
JP2001234338A JP2000050256A JP2000050256A JP2001234338A JP 2001234338 A JP2001234338 A JP 2001234338A JP 2000050256 A JP2000050256 A JP 2000050256A JP 2000050256 A JP2000050256 A JP 2000050256A JP 2001234338 A JP2001234338 A JP 2001234338A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a deposition method of a metallic compound thin film for depositing the metallic compound thin film free from metallic imperfect reactants at a high speed and to provide a deposition system therefor. SOLUTION: The method comprizes a stage in which a.c. voltage is applied in such a manner that, as to plural sputtering targets 29a, 29b, 49a and 49b, each target 29a, 29b, 49a and 49b is alternatively made into a cathode and an anode, and simultaneously, any target is made into a cathode, and any target is made into an anode at all times, inert gas and reactive gas are introduced, and a metallic imperfect reactant superthin film is deposited on a substrate at film deposition process zones 20 and 40 in a vacuum tank 11, a stage in which the metallic imperfect reactant superthin film is converted into a metallic compound superthin film with the active seed of electrically neutral reactive gas at a reaction process zone 60 in the vacuum tank 11 and a stage in which these two stages are repeatedly performed in succession.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は金属化合物薄膜の形
成方法およびその形成装置に係り、特にスパッタリング
法により、基板に、安定して、かつ高速に金属化合物薄
膜を形成する方法およびその形成装置に関する。
The present invention relates to a method for forming a metal compound thin film and an apparatus for forming the same, and more particularly to a method for forming a metal compound thin film stably and at high speed on a substrate by a sputtering method and an apparatus for forming the same. .

【0002】[0002]

【従来の技術】スパッタリングで、酸化物・窒化物・弗
化物等の金属化合物の薄膜を形成することが広く行われ
ている。これらの金属化合物の薄膜を形成するには、以
下の代表的な方法がある。1.高周波(RF)電源を用
いて、金属化合物ターゲット(絶縁性)、または金属タ
ーゲット(導電性)に、反応性ガス(例えば酸素、窒
素、弗素ガス)を導入して、反応性スパッタリングによ
り薄膜形成する方法(以下、RF反応性スパッタリング
法と称する)。2.直流(DC)電源を用いて、金属タ
ーゲット(導電性)に、反応性ガス(例えば酸素、窒
素、弗素ガス)を導入して、反応性スパッタリングによ
り薄膜形成する方法(以下、DC反応性スパッタリング
法と称する)。これらの方法は、金属化合物薄膜の形成
方法として、最も一般的に用いられている方法である。
2. Description of the Related Art Sputtering is widely used to form thin films of metal compounds such as oxides, nitrides, and fluorides. There are the following representative methods for forming thin films of these metal compounds. 1. A reactive gas (eg, oxygen, nitrogen, or fluorine gas) is introduced into a metal compound target (insulating) or a metal target (conductive) using a high-frequency (RF) power supply, and a thin film is formed by reactive sputtering. Method (hereinafter referred to as RF reactive sputtering method). 2. A method of forming a thin film by reactive sputtering by introducing a reactive gas (for example, oxygen, nitrogen, or fluorine gas) to a metal target (conductive) using a direct current (DC) power supply (hereinafter, DC reactive sputtering method) ). These methods are the most commonly used methods for forming a metal compound thin film.

【0003】しかし、これらの方法には、図10に示す
ように、薄膜の堆積速度が遅いという問題点がある。こ
こで、図10は、成膜レート(薄膜の形成速度)と反応
性ガス流量/全ガス流量比との関係を示す図である。こ
の反応性ガス流量および全ガス流量は、ターゲット付近
における各々のガス流量をいう。ターゲットの配置され
た領域に反応性ガスを導入する上記RF,DC反応性ス
パッタリング法は、グラフのD領域に該当し、反応性ガ
スの流量比が小さいときよりも、成膜レートが低くなる
ことが分かる。例えば、RF,DC反応性スパッタリン
グ法による金属化合物薄膜の付着速度は、スパッタリン
グにより金属薄膜を付着させる場合の速度と比べて、1
/5〜1/10である。また、RF,DC反応性スパッ
タリング法による金属化合物薄膜の付着速度は、イオン
ビーム加熱方式、抵抗加熱方式による真空蒸着と対比す
ると、1/2〜1/10程度の成膜速度となってしま
う。したがって、RF,DC反応性スパッタリング法
は、大量生産を行うには問題がある。
However, these methods have a problem that the deposition rate of a thin film is low as shown in FIG. Here, FIG. 10 is a diagram showing a relationship between a film formation rate (a thin film formation rate) and a ratio of a reactive gas flow rate / a total gas flow rate. The reactive gas flow rate and the total gas flow rate refer to the respective gas flow rates near the target. The RF / DC reactive sputtering method in which a reactive gas is introduced into a region where a target is placed corresponds to the region D in the graph, and the film formation rate is lower than when the flow ratio of the reactive gas is small. I understand. For example, the deposition rate of the metal compound thin film by the RF, DC reactive sputtering method is one time smaller than the deposition rate of the metal thin film by sputtering.
/ 5 to 1/10. Further, the deposition rate of the metal compound thin film by the RF or DC reactive sputtering method is about 1/2 to 1/10 as compared with the vacuum deposition by the ion beam heating method or the resistance heating method. Therefore, the RF and DC reactive sputtering method has a problem in mass production.

【0004】そこで、成膜レートを高めるために、R
F,DC反応性スパッタリング法において、導入する反
応性ガス(例えば酸素、窒素、弗素ガス)の量を減少す
ることもできる。しかし、導入する反応性ガス(例えば
酸素、窒素、弗素ガス)の量を減少すると、構成元素で
ある酸素・窒素・弗素が欠乏した不完全な金属化合物薄
膜となりやすいという問題点が生じる。
Therefore, in order to increase the film forming rate, R
In the F, DC reactive sputtering method, the amount of a reactive gas (eg, oxygen, nitrogen, or fluorine gas) to be introduced can be reduced. However, when the amount of the reactive gas (for example, oxygen, nitrogen, or fluorine gas) to be introduced is reduced, there is a problem that an incomplete metal compound thin film deficient in the constituent elements of oxygen, nitrogen, and fluorine tends to be formed.

【0005】たとえば、光学膜、絶縁膜、保護膜などに
使用される代表的な酸化物薄膜であるSiO薄膜を作
成するには、SiOターゲット(絶縁性)を用い、高
周波電源を使用してRF反応性マグネトロンスパッタリ
ングを行うか、または、シリコン(Si)ターゲット
(導電性)を用い、DC電源を使用して、酸素ガスを導
入し、DC反応性マグネトロン・スパッタリングを行う
のが一般的である。このとき、スパッタリングの動作ガ
ス(例えばアルゴンガス)と同時に導入される反応性ガ
スである酸素ガスが不充分であると、形成される薄膜の
組成はSiO(x<2)となってしまう。
For example, in order to form a SiO 2 thin film which is a typical oxide thin film used for an optical film, an insulating film, a protective film, etc., a high frequency power supply is used by using an SiO 2 target (insulating). It is common practice to perform RF reactive magnetron sputtering by using a silicon (Si) target (conductive), introduce a oxygen gas using a DC power source, and perform DC reactive magnetron sputtering. is there. At this time, if the oxygen gas, which is a reactive gas introduced at the same time as the operating gas for sputtering (for example, argon gas), is insufficient, the composition of the formed thin film becomes SiO x (x <2).

【0006】また、RF,DC反応性スパッタリング法
には、アーク放電(異常放電)が発生しやすいという問
題点もある。このアーク放電により以下の問題点が生じ
る。 1.ターゲット材料が基板に飛散し、形成されつつある
薄膜に欠陥が生じる。 2.ターゲット表面にアーク痕が残り、アーク痕周辺で
絶縁部であるSiOの蓄積が進み、さらなる異常放電
が生じる。
Further, the RF and DC reactive sputtering method has a problem that an arc discharge (abnormal discharge) is easily generated. This arc discharge causes the following problems. 1. The target material scatters on the substrate, causing defects in the thin film being formed. 2. An arc mark remains on the target surface, and the accumulation of SiO 2 , which is an insulating portion, progresses around the arc mark, and further abnormal discharge occurs.

【0007】ここで、ターゲットにおけるアーク放電
(異常放電)発生のメカニズムは、以下の通りである。
すなわち、RF,DC反応性スパッタリング法におい
て、ターゲットの配置された領域に導入された反応性ガ
スが、ターゲットの表面で反応し、SiOを形成す
る。このSiOに、プラズマのアルゴンイオン、酸素
イオンの電荷の蓄積が生じる。このプラスに帯電した電
荷が、ターゲット表面に大量に蓄積する。この電荷が、
SiO膜の絶縁限界を越えたときに、絶縁破壊が起き
る。そして、この電荷が、ターゲットの導電性の部分、
アースシールド(アノード)に対してアーク放電をおこ
すのである。アーク放電が起こると、蓄積された電荷
は、ターゲット表面から逃げる。
Here, the mechanism of occurrence of arc discharge (abnormal discharge) in the target is as follows.
That is, in the RF and DC reactive sputtering method, the reactive gas introduced into the region where the target is arranged reacts on the surface of the target to form SiO 2 . In this SiO 2 , charges of plasma argon ions and oxygen ions are accumulated. This positively charged charge accumulates in large quantities on the target surface. This charge is
When the insulation limit of the SiO 2 film is exceeded, dielectric breakdown occurs. And this charge is the conductive part of the target,
An arc discharge is caused to the earth shield (anode). When an arc occurs, the accumulated charge escapes from the target surface.

【0008】また、RF,DC反応性スパッタリングで
は、通常、プラズマを利用して成膜するため、電荷を持
った粒子(イオン、電子)の衝突により、装置の構成部
品、基板ホルダー、基板等が加熱される。したがって、
100℃以下でのスパッタリングを行うことが困難であ
り、プラスチック等の耐熱性の低い材料への成膜が困難
であるという問題点もある。この問題点は、特に、高周
波電源を用いるRFマグネトロンスパッタリングにおい
て顕著であり、低温でのスパッタリングが可能な方法の
開発が望まれている。
In RF and DC reactive sputtering, since a film is usually formed by using plasma, components of the apparatus, a substrate holder, a substrate, and the like are collided by charged particles (ions, electrons). Heated. Therefore,
There is also a problem that it is difficult to perform sputtering at 100 ° C. or less, and it is difficult to form a film on a material having low heat resistance such as plastic. This problem is particularly remarkable in RF magnetron sputtering using a high-frequency power supply, and development of a method capable of performing sputtering at a low temperature is desired.

【0009】そこで、上記問題点を解決するため、近
年、ドラム回転形の金属モード(例えばMeta Mo
de),ツイン・マグネトロンスパッタリングと呼ばれ
る新しいスパッタリングによる金属化合物薄膜の成膜方
法が開発されている。ドラム回転形の金属モード(例え
ばMeta Mode)とは、真空容器内に配設された
円筒状の基板ホルダの外側に、ターゲットおよびプラズ
マ発生手段を備えた成膜室と、反応性ガス導入手段およ
びプラズマ発生手段を備えた反応室と、を分離して設け
た装置を用い、基板ホルダを回転させて、成膜室におけ
るスパッタリングによる基板上への金属超薄膜の堆積
と、反応室における反応性ガスを導入して発生させたプ
ラズマによる金属超薄膜から金属化合物への変換と、を
繰り返し行う方法をいう。この方法では、RF,DC反
応性スパッタリングと異なり、ターゲットの配置された
成膜室内に反応性ガスを導入しないため、アーク放電が
起こりにくいと共に、金属化合物薄膜の成膜を高速で行
うことが可能である。すなわち、このドラム回転形の金
属モード(例えばMeta Mode)によってスパッ
タリングをする場合は、成膜レート(薄膜の形成速度)
と反応性ガス流量/全ガス流量比との関係は、図10の
点A(反応性ガス流量/全ガス流量比=0%)に該当
し、従来最もよく用いられてきた上記RF反応性スパッ
タリング法,DC反応性スパッタリング法(領域D)と
対比して、酸化物薄膜等の成膜を高速に行うことが可能
である。
Therefore, in order to solve the above-mentioned problems, in recent years, a metal mode (for example, Meta Mo
de), a new method of forming a metal compound thin film by sputtering called twin magnetron sputtering has been developed. The drum-rotating metal mode (for example, Meta Mode) means that a film forming chamber provided with a target and a plasma generating unit, a reactive gas introducing unit, and a target are provided outside a cylindrical substrate holder provided in a vacuum vessel. By using a device provided with a reaction chamber provided with a plasma generating means and separated, the substrate holder is rotated to deposit an ultra-thin metal film on the substrate by sputtering in the film formation chamber, and reacting gas in the reaction chamber. And the conversion of a metal ultra-thin film into a metal compound by plasma generated by introducing the compound. In this method, unlike RF and DC reactive sputtering, no reactive gas is introduced into the deposition chamber in which the target is placed, so that arc discharge does not easily occur and the metal compound thin film can be deposited at a high speed. It is. That is, when sputtering is performed in the metal mode of the drum rotation type (for example, Meta Mode), the film forming rate (the thin film forming rate)
The relationship between the ratio and the ratio of the reactive gas flow rate / total gas flow rate corresponds to point A (reactive gas flow rate / total gas flow rate ratio = 0%) in FIG. It is possible to form an oxide thin film or the like at a high speed as compared with the DC reactive sputtering method (region D).

【0010】また、ツイン・マグネトロンスパッタリン
グとは、デュアル・マグネトロンスパッタリングの一種
である。ここで、デュアル・マグネトロンスパッタリン
グとは、接地電位から電気的に絶縁された一対の同種ま
たは異種のターゲットに、プラスとマイナスに交互に交
流電圧を印加することにより、常に一方のターゲットが
カソード(マイナス極)となり必ず他方のターゲットが
アノード(プラス極)となるようにして、反応性ガスを
導入しながらマグネトロンスパッタリングを行う方法を
いう。
[0010] Twin magnetron sputtering is a type of dual magnetron sputtering. Here, the dual magnetron sputtering means that one target is always cathode (negative) by alternately applying positive and negative alternating voltages to a pair of same or different targets electrically insulated from the ground potential. And magnetron sputtering while introducing a reactive gas so that the other target always becomes the anode (positive pole).

【0011】このデュアル・マグネトロンスパッタリン
グでは、一対のスパッタリングターゲットのうち、一方
をカソード、他方をアノードとし、交番電界により、両
ターゲットをアノードとカソードとに交互にそれぞれ変
化させてスパッタリングを行うため、交番電界によりア
ノードがカソードに変換されたときに、ターゲット表面
にアノード時に付着した不完全反応物金属がスパッタさ
れて元の正常な状態となる。したがって、安定したアノ
ード電位状態が常に得られ、プラズマ電位(通常はアノ
ード電位とほぼ等しい)の変化が防止でき、酸化物薄膜
等の高速成膜と、アーク放電の発生防止が可能である。
すなわち、従来のRF,DC反応マグネトロンスパッタ
リング法ではアノードとなるターゲットシールド、装置
部品、装置本体が、非導電性あるいは導電性の低い不完
全金属に被われてアノード電位が低化していた現象を防
止できるのである。
In this dual magnetron sputtering, one of a pair of sputtering targets is used as a cathode and the other is used as an anode, and the two targets are alternately changed to an anode and a cathode by an alternating electric field. When the anode is converted to the cathode by the electric field, the incomplete reactant metal attached to the target surface at the time of the anode is sputtered and returns to the original normal state. Therefore, a stable anode potential state is always obtained, a change in plasma potential (generally, substantially equal to the anode potential) can be prevented, and high-speed deposition of an oxide thin film or the like and occurrence of arc discharge can be prevented.
That is, in the conventional RF, DC reactive magnetron sputtering method, the phenomenon that the target potential, the device component, and the device body serving as the anode are covered with the non-conductive or low-conductive incomplete metal and the anode potential is reduced is prevented. You can.

【0012】ツイン・マグネトロンスパッタリングは、
上述の通り、上記デュアル・マグネトロンスパッタリン
グの一種である。このツイン・マグネトロンスパッタリ
ングは、ターゲットの非エロージョン部分に絶縁物を用
いる点、スパッタ電極に、スパッタリング用電源から交
流電圧を印加すると共に、スパッタ電圧よりも格段に高
い周波数の交流電圧を発振回路から印加する点、ターゲ
ット付近の反応性ガス流量/全ガス流量比により、スパ
ッタリング電圧をフィードバック制御し、この電圧によ
り成膜速度を制御する点に、特徴がある。ターゲットの
非エロージョン部分に絶縁物を用いることによりアーク
発生が低減される。また、発振回路は、電荷の蓄積によ
りアークが発生しようとしているときに発振し、カソー
ドの付加的な極性交番を発生させ、アークを消滅させる
ものである。
[0012] Twin magnetron sputtering,
As described above, this is a kind of the dual magnetron sputtering. This twin magnetron sputtering uses an insulator for the non-erosion part of the target, applies an AC voltage to the sputter electrode from a power supply for sputtering, and applies an AC voltage at a frequency much higher than the sputter voltage from an oscillation circuit. This is characterized in that the sputtering voltage is feedback-controlled based on the ratio of the reactive gas flow rate / total gas flow rate near the target, and the film forming rate is controlled by this voltage. Arcing is reduced by using an insulator for the non-eroded portion of the target. The oscillating circuit oscillates when an arc is about to occur due to accumulation of electric charge, and generates an additional polarity alternation of the cathode to extinguish the arc.

【0013】また、フィードバック制御について説明す
ると、スパッタリング電圧と成膜速度との間には相関が
あるため、電圧を、成膜速度制御のパラメータとして用
いることにより、成膜速度の制御が可能である。そし
て、このパラメータとなる電圧と反応性ガス流量/全ガ
ス流量比との間には、図10の成膜速度と反応性ガス流
量/全ガス流量比との関係とほぼ同様の関係があるた
め、電圧の値は、反応性ガスの流量によりフィードバッ
ク制御することが可能である。そこで、このツイン・マ
グネトロンスパッタリングでは、反応性ガス流量を調整
することにより、電圧の値をパラメータとして、成膜速
度を所望の値に調整する。
In the feedback control, there is a correlation between the sputtering voltage and the film forming speed. Therefore, the film forming speed can be controlled by using the voltage as a parameter for controlling the film forming speed. . Then, between the voltage serving as this parameter and the reactive gas flow rate / total gas flow rate ratio, there is almost the same relationship as the relationship between the deposition rate and the reactive gas flow rate / total gas flow rate ratio in FIG. The value of the voltage can be feedback-controlled by the flow rate of the reactive gas. Therefore, in this twin magnetron sputtering, the film forming rate is adjusted to a desired value by adjusting the flow rate of the reactive gas and using the value of the voltage as a parameter.

【0014】このツイン・マグネトロンスパッタリング
は、金属モード,化合物モードによる金属化合物薄膜形
成方法それぞれの問題点を補う方法である。すなわち、
この方法によれば、金属モードと化合物モードの転移領
域(図10の領域C)で、基板上に化合物薄膜を直接堆
積でき、しかも異常放電が低減される。従来最もよく用
いられてきた上記RF反応性スパッタリング法,DC反
応性スパッタリング法(領域D)と対比して、高速で安
定した成膜が可能となる。ツイン・マグネトロンスパッ
タリングについては、例えば、特開平4−325680
号公報、特開平5−222531号公報、特許第257
4636号公報などにも報告されている。
The twin magnetron sputtering is a method for compensating for the problems of the metal compound thin film forming method using the metal mode and the compound mode. That is,
According to this method, the compound thin film can be directly deposited on the substrate in the transition region between the metal mode and the compound mode (region C in FIG. 10), and the abnormal discharge is reduced. Compared with the RF reactive sputtering method and the DC reactive sputtering method (region D), which have been most often used in the past, high-speed and stable film formation can be performed. Regarding twin magnetron sputtering, see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-325680.
Patent Publication, Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 5-222531, Japanese Patent Publication No. 257
No. 4636, and the like.

【0015】しかし、上記ドラム回転形の金属モード
(例えばMeta Mode),ツイン・マグネトロン
スパッタリングでは、形成した金属化合物薄膜に強い応
力が発生し、薄膜の光学的な吸収を減少させることが困
難であるという問題点がある。また、従来のツイン・マ
グネトロンスパッタリングでは、金属化合物の成膜を行
う場合に、一対のターゲットを配置した真空容器内に反
応性ガスを導入しているが、この方法によると、異常放
電防止のためにターゲット付近に充分な反応性ガスを導
入できないため、反応性ガスである酸素が不充分とな
り、薄膜の組成がSiO(x<2)のような不完全な
反応物となるという問題点がある。
However, in the above-described drum-rotating metal mode (for example, Meta Mode) or twin magnetron sputtering, a strong stress is generated in the formed metal compound thin film, and it is difficult to reduce the optical absorption of the thin film. There is a problem. In conventional twin magnetron sputtering, a reactive gas is introduced into a vacuum vessel in which a pair of targets are arranged when forming a metal compound film. However, according to this method, an abnormal discharge is prevented. However, since a sufficient amount of reactive gas cannot be introduced into the vicinity of the target, oxygen as a reactive gas becomes insufficient, and the composition of the thin film becomes an incomplete reactant such as SiO x (x <2). is there.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記各従来
のスパッタリング成膜方法が有するそれぞれの問題点を
解決するものであり、本発明の目的は、金属不完全反応
物を含まない安定した特性の金属化合物薄膜を高速で形
成することが可能な金属化合物薄膜の形成方法およびそ
の形成装置を提供することにある。また、本発明の他の
目的は、より小さな応力で、光学的な吸収の少ない良質
の金属化合物薄膜を高速で形成することが可能な金属化
合物薄膜の形成方法およびその形成装置を提供すること
にある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve each of the problems of the above-mentioned conventional sputtering film forming methods. An object of the present invention is to provide a metal compound thin film forming method and a forming apparatus capable of forming a metal compound thin film having characteristics at high speed. Another object of the present invention is to provide a method and an apparatus for forming a metal compound thin film capable of forming a high-quality metal compound thin film with less optical absorption and less optical stress at a high speed. is there.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】上記課題は、請求項1に
係る発明によれば、接地電位から電気的に絶縁された複
数のスパッタリングターゲットに、各ターゲットがカソ
ードおよびアノードに交互になると同時に常にいずれか
のターゲットがカソードとなりいずれかのターゲットが
アノードとなるように、交流電圧を印加し、不活性ガス
および反応性ガスを導入して、真空槽内の成膜プロセス
ゾーンで、基板上に金属の不完全反応物からなる金属不
完全反応物超薄膜を形成する工程と、前記真空槽内の前
記成膜プロセスゾーンと空間的,圧力的に分離された反
応プロセスゾーンで、前記金属不完全反応物超薄膜に電
気的に中性な反応性ガスの活性種を接触させ、前記金属
不完全反応物超薄膜と前記反応性ガスの活性種とを反応
させて金属化合物超薄膜に変換させる工程と、前記金属
不完全反応物超薄膜を形成する工程と前記金属化合物超
薄膜に変換させる工程とを順次繰り返し行う工程と、に
より、前記金属化合物超薄膜を複数層形成して堆積し
て、目的とする膜厚の前記金属化合物薄膜を基板上に形
成することにより解決される。
According to the first aspect of the present invention, a plurality of sputtering targets which are electrically insulated from a ground potential are provided at the same time as each target alternates between a cathode and an anode. An AC voltage is applied so that an inert gas and a reactive gas are introduced so that one of the targets becomes a cathode and one of the targets becomes an anode. Forming a metal imperfect reactant ultra-thin film composed of the imperfect reactant of the above, and the reaction process zone spatially and pressure-separated from the film forming process zone in the vacuum chamber. Contacting the ultra-thin product with an active species of an electrically neutral reactive gas, and reacting the ultra-thin metal incomplete reactant with the active species of the reactive gas to form a metal compound A step of sequentially converting the step of converting to a thin film, the step of forming the ultra-thin metal reactant ultra-thin film, and the step of converting to the ultra-thin metal compound thin film, to form a plurality of ultra-thin metal compound layers The problem is solved by depositing and forming the metal compound thin film having a desired thickness on a substrate.

【0018】このように、金属不完全反応物超薄膜を形
成した後、これを金属化合物超薄膜にシーケンシャルに
変換させる反応機構を採用しているため、より小さな応
力の薄膜を形成でき、光学的な吸収の少ない良質の金属
化合物薄膜を高速で形成することが可能となる。
As described above, since a reaction mechanism for sequentially forming an ultra-thin metal reactant thin film and then converting the ultra-thin metal compound into an ultra-thin metal compound film is employed, a thin film having smaller stress can be formed, and It is possible to form a high-quality metal compound thin film with little absorption at a high speed.

【0019】また、金属不完全反応物超薄膜を形成する
工程で、各ターゲットがカソードおよびアノードに交互
になると同時に常にいずれかのターゲットがカソードと
なりいずれかのターゲットがアノードとなるように、交
流電圧を印加しているため、各ターゲットがアノードで
あるときにターゲット表面に付着した非導電性または導
電性の低い金属化合物が、このターゲットがカソードに
なったときにターゲット表面から取り除かれる。したが
って、各ターゲット表面への金属化合物の蓄積が防止さ
れ、安定したアノード部を確保して、アノード電位の変
化を防止して再現性の良い良質の薄膜を形成することが
可能となる。
In the step of forming an ultrathin metal reactant thin film, an AC voltage is applied so that each target alternates between a cathode and an anode, and at the same time, one of the targets is always a cathode and one of the targets is an anode. Is applied, the non-conductive or low-conductive metal compound attached to the target surface when each target is an anode is removed from the target surface when the target becomes a cathode. Therefore, the accumulation of the metal compound on the surface of each target is prevented, a stable anode portion is secured, the change in anode potential is prevented, and a high-quality thin film with good reproducibility can be formed.

【0020】このとき、前記電気的に中性な反応性ガス
の活性種が、ラジカル、励起状態にあるラジカル、励起
状態にある原子、励起状態にある分子のうち少なくとも
一つを含むように構成すると好適である。このラジカ
ル、励起状態にあるラジカル、励起状態にある原子、励
起状態にある分子は、金属の不完全反応物から金属化合
物を得る反応性の成膜行程の化学反応において、イオ
ン、電子等の荷電粒子よりも、決定的に重要な働きをす
る。また、荷電粒子のように薄膜にダメージを与えない
という特質を有する。したがって、本発明では、上記の
特質を有するラジカル、励起状態にあるラジカル、励起
状態にある原子、励起状態にある分子のうち少なくとも
一つを含む電気的に中性な反応性ガスの活性種を利用す
るため、効率的に金属化合物超薄膜に変換させる工程を
行うことが可能となる。
In this case, the active species of the electrically neutral reactive gas includes at least one of a radical, an excited radical, an excited atom, and an excited molecule. This is preferable. These radicals, radicals in an excited state, atoms in an excited state, and molecules in an excited state are charged with ions, electrons, and the like in a chemical reaction in a reactive film forming process of obtaining a metal compound from an incomplete metal reactant. It plays a more important role than particles. In addition, it has the property of not damaging a thin film unlike charged particles. Therefore, in the present invention, the active species of an electrically neutral reactive gas containing at least one of a radical having the above characteristics, a radical in an excited state, an atom in an excited state, and a molecule in an excited state Since it is used, it is possible to perform a step of efficiently converting it to a metal compound ultrathin film.

【0021】また、前記電気的に中性な反応性ガスの活
性種は、反応性ガスを導入して反応性ガスプラズマを発
生させ、電気的に中性の活性種を選択的に通過させるグ
リッドを介して真空槽内に導入するように構成すると好
適である。
Further, the active species of the electrically neutral reactive gas is a grid for introducing a reactive gas to generate a reactive gas plasma and selectively passing the electrically neutral active species. It is preferable to introduce the gas into the vacuum chamber through the vacuum chamber.

【0022】上記課題は、請求項4に係る発明によれ
ば、スパッタリングにより基板上に金属化合物薄膜を形
成する装置において、反応性ガスおよび不活性ガスを導
入するガス導入手段および、接地電位から電気的に絶縁
されると共に交流電源に接続されて該交流電源により正
電位と負電位とに交互に印加可能な複数のスパッタリン
グターゲットが配設され、前記基板上に、金属不完全反
応物超薄膜を形成する工程を行う真空槽内に形成された
成膜プロセスゾーンと、電気的に中性な反応性ガス活性
種の発生手段を備え、前記金属不完全反応物超薄膜と前
記反応性ガスの活性種とを反応させて金属化合物超薄膜
に変換させる工程を行う真空槽内に形成された反応プロ
セスゾーンと、前記成膜プロセスゾーンと前記反応プロ
セスゾーンとの間で前記基板を搬送する基板ホルダー
と、前記成膜プロセスゾーンと前記反応プロセスゾーン
とを空間的、圧力的に分離する遮蔽手段とを備えたこと
により解決される。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an apparatus for forming a metal compound thin film on a substrate by sputtering, wherein a gas introducing means for introducing a reactive gas and an inert gas, and an electric power supply from a ground potential. A plurality of sputtering targets that are electrically insulated and connected to an AC power source and can be alternately applied to a positive potential and a negative potential by the AC power source are provided, and the metal incomplete reactant ultrathin film is formed on the substrate. A film forming process zone formed in a vacuum chamber for performing a forming step, and a means for generating an electrically neutral reactive gas active species, wherein the metal incomplete reactant ultrathin film and the activity of the reactive gas are provided. A reaction process zone formed in a vacuum chamber for performing a step of reacting with a seed to convert it into a metal compound ultra-thin film, between the film formation process zone and the reaction process zone A substrate holder for carrying the serial board, spatial and said reaction process zone and the deposition process zone, is solved by providing a shielding means for the pressure separated.

【0023】このように、遮蔽手段により成膜プロセス
ゾーンと反応プロセスソーンとが区切られているため、
成膜プロセスゾーンで金属不完全反応物超薄膜を成膜
し、反応プロセスゾーンで金属化合物超薄膜への変換を
行うことが可能となり、金属不完全反応物超薄膜を形成
した後、これを金属化合物超薄膜にシーケンシャルに変
換させる反応機構を採用でき、より小さな応力の薄膜を
形成でき、光学的な吸収の少ない良質の金属化合物薄膜
を高速で形成することが可能となる。また、遮蔽手段に
より成膜プロセスゾーンと反応プロセスソーンとが区切
られているため、成膜プロセスゾーンと反応プロセスソ
ーンとを、完全には仕切られていないものの、ほぼ独立
した真空雰囲的に別個の空間として形成することができ
る。
As described above, since the film forming process zone and the reaction process zone are separated by the shielding means,
An ultra-thin metal incomplete reactant film is formed in the film formation process zone, and it can be converted into an ultra-thin metal compound compound in the reaction process zone. A reaction mechanism for sequentially converting a compound ultrathin film can be employed, a thin film having smaller stress can be formed, and a high-quality metal compound thin film having little optical absorption can be formed at a high speed. Further, since the film forming process zone and the reaction process zone are separated by the shielding means, the film forming process zone and the reaction process zone are not completely separated from each other, but are separated in a substantially independent vacuum atmosphere. Space.

【0024】その結果、各ゾーンは、個別に他のゾーン
からの影響が抑えられた真空雰囲気を有することがで
き、それぞれ最適の条件を設定することができる。例え
ば、スパッタリングによる放電と、反応性ガスの活性種
発生による放電とは個別に制御でき互いに影響を与える
ことがないので、安定した放電をすることができ、不慮
の事故を招くことがなく信頼性を高めることが可能とな
る。また、成膜プロセスゾーン内の反応性ガス流量を容
易に制御でき、異常放電を防止することが可能となる。
さらに、遮蔽手段を備えているため、特に、成膜プロセ
スゾーンごとに異なる種類のターゲットを用いる場合
に、蒸着材料が他の成膜プロセスゾーンに混入すること
を防止することができる。このとき、前記成膜プロセス
ゾーンと前記反応プロセスゾーンとは、同じ真空槽内に
形成されると好適である。
As a result, each zone can have a vacuum atmosphere in which the influence from other zones is individually suppressed, and optimum conditions can be set for each zone. For example, discharge by sputtering and discharge by generation of active species of reactive gas can be controlled separately and do not affect each other, so that stable discharge can be achieved and reliability can be improved without causing accidents. Can be increased. Further, the flow rate of the reactive gas in the film forming process zone can be easily controlled, and abnormal discharge can be prevented.
Furthermore, since the shielding means is provided, it is possible to prevent the deposition material from being mixed into another film formation process zone, particularly when a different type of target is used for each film formation process zone. At this time, it is preferable that the film forming process zone and the reaction process zone are formed in the same vacuum chamber.

【0025】また、前記活性種の発生手段は、反応性ガ
スを導入する反応性ガス導入手段を備えて、電圧を印加
する電源に接続された反応性ガスプラズマ発生手段と、
該反応性ガスプラズマ発生手段で発生した反応性ガスプ
ラズマ中の電気的に中性の活性種を、選択的に通過させ
るグリッドとを備えると好適である。このように、反応
性ガスプラズマ発生手段と、該反応性ガスプラズマ発生
手段で発生した反応性ガスプラズマ中の電気的に中性の
活性種を、選択的に通過させるグリッドとを備えている
ため、金属の不完全反応物を金属化合物に変換する反応
において、イオン、電子等の荷電粒子よりも決定的に重
要な働きをするラジカル、励起状態にあるラジカル、励
起状態にある原子、励起状態にある分子を利用でき、効
率的に金属化合物超薄膜に変換させる工程を行うことが
可能となる。
The active species generating means includes a reactive gas introducing means for introducing a reactive gas, and a reactive gas plasma generating means connected to a power supply for applying a voltage.
Preferably, a grid is provided for selectively passing the electrically neutral active species in the reactive gas plasma generated by the reactive gas plasma generating means. As described above, the reactive gas plasma generating means and the grid for selectively passing the electrically neutral active species in the reactive gas plasma generated by the reactive gas plasma generating means are provided. In the reaction of converting incomplete metal reactants to metal compounds, radicals that play a more important role than charged particles such as ions and electrons, radicals in excited state, atoms in excited state, and excited state A certain molecule can be used, and a step of efficiently converting it to a metal compound ultrathin film can be performed.

【0026】また、前記基板ホルダーは、前記真空槽か
ら電気的に絶縁されていると好適である。これにより、
基板における異常放電を防止することが可能となる。
Further, it is preferable that the substrate holder is electrically insulated from the vacuum chamber. This allows
It is possible to prevent abnormal discharge in the substrate.

【0027】また、前記成膜プロセスゾーンと前記反応
プロセスゾーンとは、同じ真空槽内に形成され、前記基
板ホルダーへの前記基板の装着を行う基板ロード室と、
前記基板ホルダーからの前記基板の離脱を行う基板アン
ロード室とを備え、前記基板ロード室と前記真空槽、お
よび前記基板アンロード室と前記真空槽が、それぞれ圧
力的に分離可能な遮断手段を介して連結され、前記基板
ロード室と前記真空槽と前記基板アンロード室とは、各
々独自の排気手段を有し、前記基板ロード室と前記真空
槽と前記基板アンロード室との間で、前記基板ホルダー
を搬送する基板ホルダー搬送手段が配設されていると好
適である。
Further, the film forming process zone and the reaction process zone are formed in the same vacuum chamber, and a substrate loading chamber for mounting the substrate on the substrate holder;
A substrate unloading chamber for detaching the substrate from the substrate holder, wherein the substrate loading chamber and the vacuum chamber, and the substrate unloading chamber and the vacuum chamber each have a pressure-separable shutoff means. The substrate loading chamber, the vacuum chamber, and the substrate unloading chamber each have their own evacuation means, and between the substrate loading chamber, the vacuum chamber, and the substrate unloading chamber, It is preferable that a substrate holder conveying means for conveying the substrate holder is provided.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】本発明は、スパッタリングで、金
属化合物超薄膜を複数層形成して堆積することにより、
目的とする膜厚の金属化合物薄膜を基板上に形成する金
属化合物薄膜の形成方法に関する発明である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention provides a method for forming a plurality of ultrathin metal compound thin films by sputtering and depositing them.
The present invention relates to a method of forming a metal compound thin film having a target thickness on a substrate.

【0029】本発明でいう超薄膜とは、超薄膜が複数回
堆積されて最終的な薄膜となることから、この最終的な
薄膜との混同を防止するために用いた用語であり、最終
的な薄膜よりもかなり薄いという意味である。超薄膜の
平均厚さは、任意であるが、0.1〜15オングストロ
ーム程度とすると好ましい。本発明は、2極スパッタ,
3極スパッタ,4極スパッタ,マグネトロンスパッタ,
ECRスパッタ,バイアススパッタ等、公知の種々のス
パッタリングにより実施することが可能である。
The term “ultra-thin film” used in the present invention is a term used to prevent confusion with the final thin film because the ultra-thin film is deposited a plurality of times to form a final thin film. It means that it is much thinner than a thin film. The average thickness of the ultrathin film is arbitrary, but is preferably about 0.1 to 15 Å. The present invention provides a bipolar sputter,
3-pole sputtering, 4-pole sputtering, magnetron sputtering,
It can be performed by various known sputtering methods such as ECR sputtering and bias sputtering.

【0030】本発明は、接地電位にある真空槽11から
電気的に絶縁された複数の同種または異種のスパッタリ
ングターゲット29a,29b、49a,49bに、各
ターゲット29a,29b、49a,49bがカソード
およびアノードに交互になると同時に常にいずれかのタ
ーゲット29a,29b、49a,49bがカソードと
なりいずれかのターゲット49a,49b、29a,2
9bがアノードとなるように、1KHz以上100KH
z以下の交流電圧を印加し、動作ガスである不活性ガス
および反応性ガスを導入して、真空槽11内の成膜プロ
セスゾーン20,40で、基板上に金属の不完全反応物
からなる金属不完全反応物超薄膜を形成する工程と、前
記真空槽11内の前記成膜プロセスゾーン20,40と
空間的,圧力的に分離された反応プロセスゾーン60
で、前記金属不完全反応物超薄膜に電気的に中性な反応
性ガスの活性種を接触させ、前記金属不完全反応物超薄
膜と前記反応性ガスの活性種とを反応させて金属化合物
超薄膜に変換させる工程と、前記金属不完全反応物超薄
膜を形成する工程と金属化合物超薄膜に変換させる工程
とを順次繰り返し行う工程と、により、金属化合物超薄
膜を複数層形成して堆積し、金属化合物薄膜を形成す
る。
According to the present invention, a plurality of sputtering targets 29a, 29b, 49a, 49b of the same type or different types, which are electrically insulated from the vacuum chamber 11 at the ground potential, are provided with a cathode and a target, respectively. At the same time as alternating with the anode, any one of the targets 29a, 29b, 49a, 49b becomes a cathode and any one of the targets 49a, 49b, 29a, 2
1KHz or more and 100KH so that 9b becomes the anode
An AC voltage of z or less is applied, and an inert gas and a reactive gas, which are operating gases, are introduced. In the film forming process zones 20 and 40 in the vacuum chamber 11, a metal is formed on the substrate by an incomplete reactant. Forming an ultra-thin metal reactant thin film; and forming a reaction process zone 60 spatially and pressure-separated from the film formation process zones 20 and 40 in the vacuum chamber 11.
Then, the ultra-thin metal incomplete reactant ultra-thin film is brought into contact with an active species of an electrically neutral reactive gas, and the ultra-thin metal incomplete reactant is reacted with the active species of the reactive gas to form a metal compound. Forming a plurality of ultra-thin metal compound thin films by sequentially repeating the steps of converting to an ultra-thin film, forming the ultra-thin metal reactant ultra-thin film, and converting to ultra-thin metal compound film. Then, a metal compound thin film is formed.

【0031】本発明では、金属不完全反応物超薄膜を形
成する工程と金属化合物超薄膜に変換させる工程とを順
次繰り返し行えばよく、ドラム式の基板ホルダを回転す
ることによりこれらの工程を繰り返し行う方法のみなら
ず、成膜プロセスゾーン20,40を複数設け、各成膜
プロセスゾーン20,40のターゲット29a,29
b、49a,49bとして異なる組成のターゲットを用
いることにより、複合金属化合物薄膜を形成することも
できる。
In the present invention, the step of forming an ultrathin metal reactant thin film and the step of converting it into an ultrathin metal compound may be sequentially repeated, and these steps are repeated by rotating a drum type substrate holder. In addition to the method for performing the process, a plurality of film forming process zones 20 and 40 are provided, and targets 29a and 29
By using targets having different compositions as b, 49a, and 49b, a composite metal compound thin film can be formed.

【0032】成膜プロセスゾーン20,40の圧力は、
1.0×10−1〜1.3Paとすると好適である。成
膜プロセスゾーン20,40に導入する反応性ガスの流
量比率は、導入する反応性ガスの種類によって多少異な
るが、成膜プロセスゾーン20,40の全ガス流量中の
約20%以下,好ましくは約8%以下とするとよい。こ
の比率とすることにより、成膜プロセスゾーン20,4
0のターゲット表面で、異常放電が発生することを防止
することができる。また、成膜プロセスゾーン20,4
0に導入する反応性ガスの流量比率は、導入する反応性
ガスの種類によって多少異なるが、成膜プロセスゾーン
20,40の全ガス流量中の約3%以上,好ましくは約
5%以上とするとよい。この比率とすることにより、小
さな応力で、光学的な吸収の少ない良質の金属化合物薄
膜を高速で形成することが可能となる。
The pressure in the film forming process zones 20 and 40 is
It is preferable that the pressure be 1.0 × 10 −1 to 1.3 Pa. The flow ratio of the reactive gas introduced into the film forming process zones 20 and 40 is slightly different depending on the type of the reactive gas to be introduced, but is about 20% or less of the total gas flow in the film forming process zones 20 and 40, preferably. It is good to be about 8% or less. By setting this ratio, the film forming process zones 20, 4
It is possible to prevent abnormal discharge from occurring on the target surface of zero. In addition, the film forming process zones 20 and 4
The flow rate ratio of the reactive gas introduced to 0 is slightly different depending on the type of the reactive gas to be introduced, but it is assumed that it is about 3% or more, preferably about 5% or more of the total gas flow rate in the film forming process zones 20 and 40. Good. With this ratio, it is possible to form a high-quality metal compound thin film with little optical absorption at a high speed with a small stress.

【0033】複合金属酸化物薄膜を形成する場合を例と
して、基板上に複合金属の化合物の薄膜が形成されるプ
ロセスを、図11に基づいて説明する。まず、基板を、
第1の金属ターゲット29a,29bに対向するよう
に、成膜プロセスゾーン20におく。そして、反応性ガ
スとしての酸素ガスを導入しながら、第1の金属ターゲ
ット29a,29bをスパッタリングして、非常に薄い
第1の金属不完全酸化物超薄膜を形成する(図11
左)。
The process of forming a composite metal compound thin film on a substrate will be described with reference to FIG. 11, taking the case of forming a composite metal oxide thin film as an example. First, the substrate
It is placed in the film forming process zone 20 so as to face the first metal targets 29a and 29b. Then, while introducing oxygen gas as a reactive gas, the first metal targets 29a and 29b are sputtered to form a very thin first metal incomplete oxide ultrathin film (FIG. 11).
left).

【0034】次に、基板を、第2の金属ターゲット49
a,49bに対向するように、成膜プロセスゾーン40
におく。この位置で、反応性ガスとしての酸素ガスを導
入しながら、第2の金属ターゲット49a,49bをス
パッタリングして、非常に薄い第2の金属不完全酸化物
超薄膜を形成する(図11中央)。このとき、第1の金
属不完全酸化物超薄膜と第2の金属不完全酸化物超薄膜
は基板上に均質に成膜される。つまり基板上に、複合金
属の不完全酸化物からなる超薄膜を形成する。
Next, the substrate is placed on the second metal target 49.
a, 49b so as to face the film forming process zone 40.
Place. At this position, the second metal targets 49a and 49b are sputtered while introducing oxygen gas as a reactive gas to form a very thin second metal incomplete oxide ultrathin film (FIG. 11 center). . At this time, the first ultra-thin metal incomplete oxide film and the second ultra-thin metal incomplete oxide thin film are uniformly formed on the substrate. That is, an ultrathin film made of an incomplete oxide of a composite metal is formed on the substrate.

【0035】そして基板上に形成された超薄膜に、電気
的に中性な反応性ガスとしての酸素ガスの活性種を照射
し、上記超薄膜を、酸素ガスの活性種と反応させて、複
合金属の酸化物に変換する(図11右)。具体的には、
ラジカル源のある反応プロセスゾーン60で酸化する。
上記の超薄膜を形成する工程と、複合金属の化合物に変
換する工程とを、順次繰返し、所望の膜厚の複合金属の
化合物薄膜を基板に形成する。なお本実施の形態では、
超薄膜を形成する工程と複合金属の化合物に変換する工
程を順次繰返し、所望膜厚の複合金属の化合物薄膜を基
板に形成すればよく、基板を搬送してもよいし、基板を
固定してもよい。
The ultra-thin film formed on the substrate is irradiated with an active species of oxygen gas as an electrically neutral reactive gas, and the ultra-thin film is reacted with the active species of oxygen gas to form a composite. It is converted to a metal oxide (Fig. 11, right). In particular,
Oxidation occurs in the reaction process zone 60 where the radical source exists.
The step of forming the ultrathin film and the step of converting the compound into a compound of a composite metal are sequentially repeated to form a composite metal compound thin film having a desired thickness on the substrate. In the present embodiment,
The step of forming an ultra-thin film and the step of converting it to a compound of a composite metal are sequentially repeated to form a compound metal compound thin film of a desired thickness on the substrate, the substrate may be transported, or the substrate may be fixed. Is also good.

【0036】金属化合物超薄膜に変換させる工程では、
電気的に中性な反応性ガスの活性種として、ラジカル、
励起状態にあるラジカル、励起状態にある原子、励起状
態にある分子のうち少なくとも一つを含むものを用い
る。この電気的に中性な反応性ガスの活性種は、反応性
ガスを導入して反応性ガスプラズマを発生させ、荷電粒
子である電子およびイオンを選択的にトラップし、電気
的に中性の活性種を選択的に通過させるグリッド81を
通すことにより発生させる。このグリッド81を介し
て、電気的に中性な反応性ガスの活性種を、真空槽11
内に導入する。
In the step of converting into a metal compound ultrathin film,
Radicals, as active species of electrically neutral reactive gases,
A substance containing at least one of a radical in an excited state, an atom in an excited state, and a molecule in an excited state is used. The active species of this electrically neutral reactive gas generate reactive gas plasma by introducing the reactive gas, selectively trap electrons and ions as charged particles, The active species are generated by passing through a grid 81 for selectively passing them. Through this grid 81, active species of an electrically neutral reactive gas are supplied to the vacuum chamber 11.
Introduce within.

【0037】また、本発明は、スパッタリングによる金
属化合物薄膜の形成装置に関する発明である。本発明に
係る装置は、反応性ガスおよび不活性ガスを導入するガ
ス導入手段25,45と、成膜プロセスゾーン20,4
0と、反応プロセスゾーン60と、成膜プロセスゾーン
20,40と反応プロセスゾーン60との間で基板を搬
送する基板ホルダー13と、成膜プロセスゾーン20,
40と反応プロセスゾーン60とを空間的、圧力的に分
離する遮蔽手段12,14,16とを備える。
The present invention also relates to an apparatus for forming a metal compound thin film by sputtering. The apparatus according to the present invention includes gas introduction means 25 and 45 for introducing a reactive gas and an inert gas, and film formation process zones 20 and 4.
0, a reaction process zone 60, a substrate holder 13 for transferring a substrate between the film formation process zones 20 and 40, and the reaction process zone 60;
It comprises shielding means 12, 14, 16 for spatially and pressure-separating 40 from the reaction process zone 60.

【0038】成膜プロセスゾーン20,40は、真空槽
11内に形成されている。成膜プロセスゾーン20,4
0には、接地電位から電気的に絶縁されると共に交流電
源に接続されて該交流電源により正電位と負電位とに交
互に印加可能な複数のスパッタリングターゲットとが配
設されている。このゾーンでは、基板上に、金属不完全
反応物超薄膜を形成する工程を行う。また、反応プロセ
スゾーン60は、真空槽11内に形成され、電気的に中
性な反応性ガス活性種の発生手段61を備えている。こ
のゾーン60では、金属不完全反応物超薄膜と反応性ガ
スの活性種とを反応させて金属化合物超薄膜に変換させ
る工程を行う。
The film forming process zones 20 and 40 are formed in the vacuum chamber 11. Film forming process zones 20, 4
At 0, there are provided a plurality of sputtering targets which are electrically insulated from the ground potential and which are connected to an AC power supply and which can alternately apply a positive potential and a negative potential by the AC power supply. In this zone, a step of forming an ultrathin metal incomplete reactant film on the substrate is performed. The reaction process zone 60 is formed in the vacuum chamber 11 and includes means 61 for generating an electrically neutral reactive gas active species. In this zone 60, a step of reacting the ultra-thin metal incomplete reactant film with the active species of the reactive gas to convert it into a ultra-thin metal compound film is performed.

【0039】このとき、特に成膜プロセスゾーン20,
40の圧力を、反応プロセスゾーン60より高くする。
これにより、反応プロセスゾーン60に導入された反応
性ガスが、成膜プロセスゾーン20,40に流入される
ことが防止され、成膜プロセスゾーン20,40におけ
る反応性ガスの流量を、所定流量に維持することが可能
となる。本例では、成膜プロセスゾーン20,40と反
応プロセスゾーン60とは、同じ真空槽11内に形成さ
れている。
At this time, in particular, the film forming process zone 20,
The pressure at 40 is higher than the reaction process zone 60.
This prevents the reactive gas introduced into the reaction process zone 60 from flowing into the film formation process zones 20 and 40, and reduces the flow rate of the reactive gas in the film formation process zones 20 and 40 to a predetermined flow rate. It can be maintained. In this example, the film forming process zones 20 and 40 and the reaction process zone 60 are formed in the same vacuum chamber 11.

【0040】電気的に中性な反応性ガス活性種の発生手
段61は、ラジカル、励起状態にあるラジカル、励起状
態にある原子、励起状態にある分子のうち少なくとも一
つを含むものを発生させる装置である。この活性種の発
生手段61は、反応性ガスを導入する反応性ガス導入手
段77を備え、電圧を印加する1KHz以上100KH
z以下の交流電源69に接続された反応性ガスプラズマ
発生手段63と、反応性ガスプラズマ発生手段63で発
生した反応性ガスプラズマ中の電気的に中性の活性種
を、選択的に通過させるグリッド81とを備える。
The means 61 for generating an electrically neutral reactive gas active species generates at least one of a radical, an excited radical, an excited atom, and an excited molecule. Device. The active species generating means 61 includes a reactive gas introducing means 77 for introducing a reactive gas, and applies a voltage of 1 KHz to 100 KH for applying a voltage.
a reactive gas plasma generating means 63 connected to an AC power supply 69 of z or less, and selectively allowing electrically neutral active species in the reactive gas plasma generated by the reactive gas plasma generating means 63 to pass therethrough. And a grid 81.

【0041】活性種発生装置61の反応性ガスプラズマ
発生室63で放電により生じたプラズマは、プラズマイ
オン、電子、ラジカル、励起状態のラジカル、原子、分
子等を構成要素とする。本発明では、グリッド81によ
り、反応性ガスプラズマ中の活性種であるラジカル、励
起状態のラジカル、原子、分子などが選択的ないし優先
的に反応プロセスゾーン60に導かれるように構成され
ている。そして、荷電粒子である電子、イオンはグリッ
ド81の通過を阻止され反応プロセスゾーン60に漏出
しない。
The plasma generated by the discharge in the reactive gas plasma generation chamber 63 of the active species generator 61 includes plasma ions, electrons, radicals, radicals in excited state, atoms, molecules and the like. In the present invention, the grid 81 is configured so that radicals, active radicals, atoms, molecules, and the like in the reactive gas plasma are selectively or preferentially guided to the reaction process zone 60 in the reactive gas plasma. Then, electrons and ions as charged particles are prevented from passing through the grid 81 and do not leak to the reaction process zone 60.

【0042】したがって、反応プロセスゾーン60にお
いて、金属不完全反応物物超薄膜は、荷電粒子に曝露さ
れることなく、電気的に中性な反応性ガスの活性種に曝
露されて反応し、金属不完全酸化物超薄膜から金属化合
物に変換されることとなる。ここで、ラジカルとは、遊
離基(ratical)であり、一個以上の不対電子を
有する原子または分子である。また、励起状態(exc
ite state)とは、エネルギーの最も低い安定
な基底状態に対して、それよりもエネルギーの高い状態
のことをいう。このグリッド81には、マルチ・アパー
チャ・グリッド101またはマルチ・スリット・グリッ
ド111等を用いる。
Accordingly, in the reaction process zone 60, the ultra-thin metal reactant ultra-thin film is exposed to an active species of an electrically neutral reactive gas and reacted without being exposed to charged particles. Incomplete oxide thin films are converted into metal compounds. Here, the radical is a radical and is an atom or a molecule having one or more unpaired electrons. In addition, the excited state (exc
The “item state” refers to a state having higher energy than a stable ground state having the lowest energy. As the grid 81, a multi-aperture grid 101 or a multi-slit grid 111 is used.

【0043】前記活性種の発生手段61の反応性ガスプ
ラズマ発生室63としては、円筒状の誘電体の大気側周
面にコイル状の電極を配置し、このコイル状電極に10
0KHz以上50MHz以下の高周波電力を印加してプ
ラズマを発生させる誘導結合型プラズマ発生源を用いる
ことができる。また、円盤状の誘電体の大気側に渦巻き
状コイルの電極を配置し、この渦巻き状コイル電極に1
00KHz以上50MHz以下の高周波電力を印加して
プラズマを発生させる誘導結合型プラズマ発生源を用い
ることもできる。
As the reactive gas plasma generating chamber 63 of the active species generating means 61, a coil-shaped electrode is arranged on the atmosphere-side peripheral surface of a cylindrical dielectric.
An inductively coupled plasma generation source that generates plasma by applying a high frequency power of 0 KHz or more and 50 MHz or less can be used. In addition, an electrode of a spiral coil is arranged on the atmospheric side of a disk-shaped dielectric, and one spiral electrode is provided on the spiral coil electrode.
An inductively coupled plasma generation source that generates plasma by applying a high-frequency power of 00 KHz or more and 50 MHz or less can also be used.

【0044】さらに、反応性ガスプラズマ発生部内部に
平板状の電極を配置し、この平板状電極に100KHz
以上50MHz以下の高周波電力を印加してプラズマを
発生させる容量結合型プラズマ発生源を用いることもで
きる。反応性ガス発生部内部にコイル状の電極または渦
巻き状のコイル電極を配置し、これら電極に100KH
z以上50MHz以下の高周波電力を印加して誘導結合
型プラズマと容量結合型プラズマとが混存するプラズマ
発生源を用いることもできる。
Further, a plate-like electrode is arranged inside the reactive gas plasma generating section, and the plate-like electrode is set at 100 KHz.
A capacitively-coupled plasma generation source that generates plasma by applying a high-frequency power of 50 MHz or less can also be used. A coil-shaped electrode or a spiral-shaped coil electrode is arranged inside the reactive gas generating section, and 100 KH
A plasma source in which inductively-coupled plasma and capacitively-coupled plasma coexist by applying a high-frequency power of z to 50 MHz may be used.

【0045】反応性ガスプラズマ発生室63では、ヘリ
コン波プラズマを発生させるようにすることもできる。
また、反応性ガスプラズマ発生室63に、20〜300
ガウスの磁場を形成する外部コイル71あるいは内部コ
イル73を配設することもできる。これらのように構成
すると、前記活性種発生手段61の活性種の発生効率を
高めることが可能となる。
In the reactive gas plasma generation chamber 63, helicon wave plasma can be generated.
In addition, the reactive gas plasma generation chamber 63 has 20 to 300
An external coil 71 or an internal coil 73 that forms a Gaussian magnetic field may be provided. With such a configuration, it is possible to increase the generation efficiency of the active species of the active species generating means 61.

【0046】前記基板ホルダー13は、真空槽11から
電気的に絶縁されている。これにより、基板における異
常放電を防止することが可能となる。また、成膜プロセ
スゾーン20,40に配設された部材,例えば、前記遮
蔽手段12,14,ターゲットを覆うターゲットシール
ド等は、水冷等による冷却手段を備えている。これによ
り、プラズマによる基板の温度上昇が防止でき、高品質
の薄膜を形成することが可能となる。
The substrate holder 13 is electrically insulated from the vacuum chamber 11. This makes it possible to prevent abnormal discharge in the substrate. Further, members provided in the film forming process zones 20 and 40, for example, the shielding means 12 and 14 and a target shield for covering the target are provided with cooling means such as water cooling. As a result, the temperature of the substrate can be prevented from rising due to the plasma, and a high-quality thin film can be formed.

【0047】また、本発明では、図9に示すように、成
膜プロセスゾーン20,40と反応プロセスゾーン60
とは、同じ真空槽121内に形成され、基板ホルダー1
43への基板141の装着を行う基板ロード室123
と、基板ホルダー143からの基板の離脱を行う基板ア
ンロード室125とを備えるように構成される。基板ロ
ード室123と真空槽121、および基板アンロード室
125と真空槽121が、それぞれ圧力的に分離可能な
遮断手段131,135を介して連結される。
In the present invention, as shown in FIG. 9, the film forming process zones 20 and 40 and the reaction process zone 60 are used.
Means that the substrate holder 1 is formed in the same vacuum chamber 121
The substrate load chamber 123 for mounting the substrate 141 on the substrate 43
And a substrate unloading chamber 125 for detaching the substrate from the substrate holder 143. The substrate loading chamber 123 and the vacuum chamber 121, and the substrate unloading chamber 125 and the vacuum chamber 121 are connected via pressure-separable shutoff means 131 and 135, respectively.

【0048】基板ロード室123と真空槽121と基板
アンロード室125とは、各々独自の排気手段ロータリ
ーポンプ(RP)を有し、基板ロード室123と真空槽
121と基板アンロード室125との間で、基板ホルダ
ー143を搬送する基板ホルダー搬送手段が配設されて
いる。基板ロード室123と基板アンロード室125で
は、必要により、その他の前処理,後処理を行うように
することもできる。
Each of the substrate loading chamber 123, the vacuum chamber 121, and the substrate unloading chamber 125 has its own evacuation means rotary pump (RP). Between them, a substrate holder conveying means for conveying the substrate holder 143 is provided. In the substrate loading chamber 123 and the substrate unloading chamber 125, other pre-processing and post-processing may be performed as necessary.

【0049】[0049]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。なお、以下に説明する部材,配置等は本発明を
限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変
することができるものである。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The members, arrangements, and the like described below do not limit the present invention, and can be variously modified within the scope of the present invention.

【0050】図1および図2は、本発明の薄膜形成方法
および装置について示す説明図であり、図1が理解の容
易のために一部断面を取った上面図、図2が図1の線A
−B−Cに沿った側面図である。本例では、スパッタリ
ングの一例であるマグネトロンスパッタリングを用いて
いるが、これに限定されるものでなく、マグネトロン放
電を用いない2極スパッタ等、他の公知のスパッタリン
グを用いることもできる。
FIGS. 1 and 2 are explanatory views showing a method and an apparatus for forming a thin film according to the present invention. FIG. 1 is a top view partially sectioned for easy understanding, and FIG. A
It is a side view along -BC. In this example, magnetron sputtering, which is an example of sputtering, is used. However, the present invention is not limited to this, and other known sputtering such as bipolar sputtering without using magnetron discharge can be used.

【0051】本例の金属化合物薄膜の形成装置は、真空
槽11と、真空槽11内に遮蔽手段としての遮蔽板1
2,14で形成された成膜プロセスゾーン20,40
と、成膜プロセスゾーン20,40内に配置されたスパ
ッタリングターゲットとしてのマグネトロンスパッタリ
ングターゲット29a,b,49a,bと、真空槽11
内に遮蔽手段としての遮蔽板16で形成された反応プロ
セスゾーン60と、成膜プロセスゾーン20,40,反
応プロセスゾーン60に基板が対向するように配置され
た基板ホルダ13と、を主要構成要素としている。
The apparatus for forming a metal compound thin film according to this embodiment includes a vacuum chamber 11 and a shielding plate 1 serving as shielding means in the vacuum chamber 11.
Film forming process zones 20, 40 formed in 2, 14
And magnetron sputtering targets 29a, b, 49a, b as sputtering targets disposed in the film forming process zones 20, 40, and the vacuum chamber 11
The main constituent elements are a reaction process zone 60 formed by a shielding plate 16 as a shielding means therein, and a substrate holder 13 in which a substrate is arranged so as to face the film formation process zones 20, 40 and the reaction process zone 60. And

【0052】真空槽11は、スパッタリングで通常用い
られるステンレス製の略直方体状の中空体からなる。真
空槽11の底面には、排気用の配管が接続され、この配
管には、図2に示すように、真空槽11内を排気可能な
真空ポンプ15が接続されている。この真空ポンプ15
と図示しないコントローラとにより、真空槽11内の真
空度が調整可能に構成されている。
The vacuum chamber 11 is formed of a generally rectangular parallelepiped hollow body made of stainless steel, which is generally used for sputtering. An exhaust pipe is connected to the bottom surface of the vacuum chamber 11, and a vacuum pump 15 capable of exhausting the inside of the vacuum chamber 11 is connected to the pipe, as shown in FIG. This vacuum pump 15
And a controller not shown, the degree of vacuum in the vacuum chamber 11 can be adjusted.

【0053】成膜プロセスゾーン20,40は、図1に
示すように、真空槽11内に設けられている。成膜プロ
セスゾーン20は、遮蔽板12と基板ホルダー13とに
囲繞され、成膜プロセスゾーン40は、遮蔽板14と基
板ホルダー13とに囲繞されている。本例では、成膜プ
ロセスゾーンを2つ設けているが、これに限定されるも
のでなく、成膜プロセスゾーンを1つ,または3つ以上
設けるように構成してもよい。本例では、成膜プロセス
ゾーンを2つ設けているため、成膜プロセスゾーンごと
に異なる2種類の物質をスパッタリングすることも可能
である。
The film forming process zones 20 and 40 are provided in a vacuum chamber 11 as shown in FIG. The film forming process zone 20 is surrounded by the shielding plate 12 and the substrate holder 13, and the film forming process zone 40 is surrounded by the shielding plate 14 and the substrate holder 13. In this example, two film forming process zones are provided, but the present invention is not limited to this, and one or three or more film forming process zones may be provided. In this example, since two film forming process zones are provided, it is also possible to sputter two different substances for each film forming process zone.

【0054】遮蔽板12は、ステンレス製の平面板状体
からなり、成膜プロセスゾーン20を囲繞して4枚の遮
蔽板12が、真空槽11の壁面に垂直に立設されてい
る。遮蔽板12には、不図示の水冷用の配管が取り付け
られ、遮蔽板12は、冷却可能に構成されている。ま
た、遮蔽板14の構成は、成膜プロセスゾーン40を囲
繞する点を除いては、遮蔽板12と同様である。
The shielding plate 12 is made of a flat plate made of stainless steel, and four shielding plates 12 are vertically arranged on the wall surface of the vacuum chamber 11 so as to surround the film forming process zone 20. A water cooling pipe (not shown) is attached to the shield plate 12, and the shield plate 12 is configured to be coolable. The configuration of the shielding plate 14 is the same as that of the shielding plate 12 except that it surrounds the film forming process zone 40.

【0055】成膜プロセスゾーン20,40のそれぞれ
には、ガス導入手段としてのマスフローコントローラ2
5,45が、配管を介して配設されている。このマスフ
ローコントローラ25,45は、不活性ガスとしてのア
ルゴンガスを貯留するスパッタガスボンベ27,47、
反応性ガスとしての酸素ガス,窒素ガス,弗素ガス等を
貯留する反応性ガスボンベ79に接続されている。この
反応性ガスは、反応性ガスボンベ79から、マスフロー
コントローラ25,45で制御して、配管を通して成膜
プロセスゾーン20,40に導入可能に構成されてい
る。
Each of the film forming process zones 20 and 40 has a mass flow controller 2 as a gas introducing means.
5, 45 are arranged via piping. The mass flow controllers 25 and 45 include sputter gas cylinders 27 and 47 for storing argon gas as an inert gas,
It is connected to a reactive gas cylinder 79 for storing oxygen gas, nitrogen gas, fluorine gas, etc. as a reactive gas. The reactive gas is configured to be introduced from the reactive gas cylinder 79 into the film forming process zones 20 and 40 through the piping under the control of the mass flow controllers 25 and 45.

【0056】成膜プロセスゾーン20には、マグネトロ
ンスパッタ電極21a,bが配置されている。このマグ
ネトロンスパッタ電極21a,bは、不図示の絶縁部材
を介して接地電位にある真空槽11に固定されている。
したがって、スパッタリング電極21a,ターゲット2
9aと、スパッタリング電極21b、ターゲット29b
とは、互いに電気的に分離されている。マグネトロンス
パッタ電極21a,bはトランス24を介して、交流電
源23に接続され、交番電界が印加可能に構成されてい
る。マグネトロンスパッタ電極21a,bの基板ホルダ
ー13側の面には、薄膜材料金属からなる複数としての
2つのターゲット29a,bが固定されている。また、
成膜プロセスゾーン40には、ターゲット49a,49
bが、上記ターゲット29a,29bと同様に、配置さ
れている。ターゲット29a,29b,49a,49b
は、蒸着材料からなる略円盤状体として形成されてい
る。
In the film forming process zone 20, magnetron sputtering electrodes 21a and 21b are arranged. The magnetron sputtering electrodes 21a and 21b are fixed to the vacuum chamber 11 at a ground potential via an insulating member (not shown).
Therefore, the sputtering electrode 21a and the target 2
9a, sputtering electrode 21b, target 29b
Are electrically separated from each other. The magnetron sputtering electrodes 21a and 21b are connected to an AC power supply 23 via a transformer 24 so that an alternating electric field can be applied. A plurality of two targets 29a and 29b made of a thin film material metal are fixed to the surfaces of the magnetron sputtering electrodes 21a and 21b on the substrate holder 13 side. Also,
In the film forming process zone 40, targets 49a, 49
b is arranged similarly to the targets 29a and 29b. Targets 29a, 29b, 49a, 49b
Is formed as a substantially disk-shaped body made of a vapor deposition material.

【0057】ターゲット29a,29b,49a,49
bと基板ホルダー13との間には、ターゲット29a,
29b,49a,49bと基板ホルダー13との間を遮
断または開放するように可動可能な不図示のターゲット
シールドが配置されている。このターゲットシールド
は、スパッタリング開始時に、スパッタリングが安定す
るまでターゲット29a,29b,49a,49bと基
板ホルダー13との間を遮断し、スパッタリングが安定
した後にターゲット29a,29b,49a,49bと
基板ホルダー13との間を開放することにより、スパッ
タリングが安定してから基板へ堆積することを可能にす
るものである。このターゲットシールド等の成膜プロセ
スゾーン20,40の周辺部材には、基板の温度上昇
等、発熱による悪影響を防止するため、水冷等による冷
却手段が配設されている。
The targets 29a, 29b, 49a, 49
b and the substrate holder 13, a target 29a,
A target shield (not shown) that is movable so as to cut off or open between the substrate holder 13 and 29b, 49a, 49b is arranged. At the start of sputtering, the target shield blocks the target 29a, 29b, 49a, 49b and the substrate holder 13 until the sputtering is stabilized, and after the sputtering is stabilized, the target 29a, 29b, 49a, 49b and the substrate holder 13 are turned off. Opening the gap between them allows the deposition on the substrate after the sputtering is stabilized. Cooling means such as water cooling is provided in peripheral members of the film forming process zones 20 and 40 such as the target shield in order to prevent adverse effects due to heat generation such as a rise in the temperature of the substrate.

【0058】反応プロセスゾーン60は、図1に示すよ
うに、真空槽11内に設けられている。成膜プロセスゾ
ーン60は、遮蔽板16と基板ホルダー13とに囲繞さ
れている。遮蔽板16の構成は、反応プロセスゾーン6
0を囲繞する点を除いては、遮蔽板12と同様である。
反応プロセスゾーン60の真空槽11の壁面には、開口
が形成され、この開口には、反応性ガスプラズマ発生手
段としての活性種発生装置61が連結されている。
The reaction process zone 60 is provided in the vacuum chamber 11 as shown in FIG. The film forming process zone 60 is surrounded by the shielding plate 16 and the substrate holder 13. The structure of the shielding plate 16 is the reaction process zone 6
It is the same as the shielding plate 12 except that it surrounds 0.
An opening is formed in the wall surface of the vacuum chamber 11 of the reaction process zone 60, and an active species generator 61 as a reactive gas plasma generating means is connected to this opening.

【0059】活性種発生装置61は、ラジカル源とも呼
ばれ、反応性ガスプラズマを発生させる石英管からなる
反応性ガスプラズマ発生室63と、反応性ガスプラズマ
発生室63に巻回されたコイル状の電極65と、マッチ
ングボックス67と、マッチングボックス67を介して
コイル状の電極65に接続された高周波電源69と、マ
スフローコントローラ77と、マスフローコントローラ
77を介して接続された反応性ガスボンベ79と、を備
える。
The active species generator 61 is also called a radical source, and has a reactive gas plasma generating chamber 63 formed of a quartz tube for generating reactive gas plasma, and a coil-shaped coil wound around the reactive gas plasma generating chamber 63. An electrode 65, a matching box 67, a high-frequency power supply 69 connected to the coiled electrode 65 via the matching box 67, a mass flow controller 77, a reactive gas cylinder 79 connected via the mass flow controller 77, Is provided.

【0060】反応性ガスプラズマ発生室63と真空槽1
1との間には、グリッド81が配設されている。このグ
リッド81は、電気的に中性な活性種粒子のみを選択的
に通過せしめて反応プロセスゾーン60に導き、一方、
荷電粒子は通過させない機能を有する。この機能は、グ
リッド81の表面で、プラズマ中のイオンと電子との間
に電荷交換が行なわれて中和されることにより生じるも
のである。
Reactive gas plasma generation chamber 63 and vacuum chamber 1
A grid 81 is provided between the two. The grid 81 selectively passes only electrically neutral active species particles to the reaction process zone 60, while
It has a function of preventing charged particles from passing therethrough. This function is generated by charge exchange between ions and electrons in the plasma on the surface of the grid 81 and neutralization.

【0061】グリッド81としては、マルチ・アパーチ
ャ・グリッド、マルチ・スリット・グリッドを用いるこ
とができる。図6は、マルチ・アパーチャ・グリッド1
01を示す平面図である。マルチ・アパーチャ・グリッ
ド101は、金属あるいは絶縁物からなる平板からな
り、直径0.1〜3.0mm程度の穴103が無数に穿
設されている。
As the grid 81, a multi-aperture grid or a multi-slit grid can be used. FIG. 6 shows a multi-aperture grid 1
It is a top view which shows No. 01. The multi-aperture grid 101 is formed of a flat plate made of a metal or an insulator, and has holes 103 having a diameter of about 0.1 to 3.0 mm innumerable.

【0062】図7は、マルチ・スリット・グリッドを示
す平面図である。マルチ・スリット・グリッド111
は、金属あるいは絶縁物からなる平板からなり、幅0.
1〜1.0mm程度のスリットが無数に設けられてい
る。グリッド101,111には、冷却管105,11
5が配設され、水冷による冷却可能に構成されている。
FIG. 7 is a plan view showing a multi-slit grid. Multi slit grid 111
Is a flat plate made of a metal or an insulator, and has a width of 0.1 mm.
Innumerable slits of about 1 to 1.0 mm are provided. Grids 101 and 111 have cooling pipes 105 and 11 respectively.
5 is provided, and is configured to be capable of cooling by water cooling.

【0063】反応性ガスボンベ79からマスフローコン
トローラ77を介して酸素ガスなどの反応性ガスが、反
応性ガスプラズマ発生室63に供給され、マッチングボ
ックス67を介して高周波電源69からの高周波電力
が、コイル状の電極65に印加されると、反応性ガスの
プラズマが反応性ガスプラズマ室63内に発生するよう
に構成されている。
A reactive gas such as oxygen gas is supplied from a reactive gas cylinder 79 via a mass flow controller 77 to a reactive gas plasma generation chamber 63, and high frequency power from a high frequency power supply 69 is supplied to a coil via a matching box 67. When applied to the electrode 65 in the shape of a circle, a plasma of a reactive gas is generated in the reactive gas plasma chamber 63.

【0064】また、図1、図2に示したように、外部磁
石71が、反応性ガスプラズマ発生室63の外側に配置
され、また内部磁石73が、反応プロセスゾーン60内
のグリッド81の外側に配置されている。この外部磁石
71,内部磁石73は、プラズマ発生部に20〜300
ガウスの磁場を形成することにより高密度プラズマを発
生させ、活性種発生効率を高めるという機能を有する。
なお、本例では、外部磁石71,内部磁石73の双方を
配設しているが、外部磁石71,内部磁石73のいずれ
か一方を配設するように構成してもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, the external magnet 71 is disposed outside the reactive gas plasma generation chamber 63, and the internal magnet 73 is disposed outside the grid 81 in the reaction process zone 60. Are located in The external magnet 71 and the internal magnet 73 are connected to the plasma generator 20 to 300.
It has the function of generating high-density plasma by forming a Gaussian magnetic field and increasing the generation efficiency of active species.
In this example, both the external magnet 71 and the internal magnet 73 are provided, but any one of the external magnet 71 and the internal magnet 73 may be provided.

【0065】本例では、反応性ガスプラズマ部として、
図1,図2に示すように、反応性ガスプラズマ発生室の
外部または内部に電極を設けた誘導結合型プラズマ源を
用いているが、次に説明するように、反応性ガスプラズ
マ発生室内にコイル電極を配置した誘導結合型プラズマ
源(下記(1))、容量結合型プラズマ源(下記
(2))、誘導結合・容量結合混在型プラズマ源(下記
(3))などを用いることもできる。
In this example, the reactive gas plasma section is
As shown in FIGS. 1 and 2, an inductively coupled plasma source having electrodes provided outside or inside a reactive gas plasma generation chamber is used. It is also possible to use an inductively coupled plasma source provided with a coil electrode ((1) below), a capacitively coupled plasma source ((2) below), a mixed inductively coupled / capacitively coupled plasma source ((3) below), or the like. .

【0066】すなわち、 (1)図3に示したプラズマ源:円盤状の石英ガラス等
の誘電体からなる反応性ガスプラズマ発生室63の大気
側に渦巻き状(蚊取り線香状)のコイル電極91を配置
し、この渦巻き状コイル電極91に100KHz〜50
MHzの高周波電力を印加してプラズマを発生させる誘
導結合型プラズマ発生源。図3(B)は渦巻状コイル電
極91の平面の概略説明図である。 (2)図4に示したプラズマ源:反応性ガスプラズマ発
生室63の内部に平板状の電極93を配置し、この平板
状電極93に100KHz〜50MHzの高周波電力を
印加してプラズマを発生させる容量結合型プラズマ発生
源。 (3)図5に示したプラズマ源:反応性ガス発生室63
の内部にコイル状電極95または渦巻き状コイル電極を
配置し、これら電極に100KHz〜50MHzの高周
波電力を印加して誘導結合型プラズマと容量結合型プラ
ズマとが混存するプラズマを発生されるプラズマ発生
源。等を用いることができる。また、コイルの形状等を
調整することにより、ヘリコン波プラズマ源とし、プラ
ズマ中における活性種の発生効率を高めることもでき
る。
(1) Plasma source shown in FIG. 3: A spiral (mosquito coil) coil electrode 91 is arranged on the atmosphere side of a reactive gas plasma generation chamber 63 made of a dielectric material such as a disk-shaped quartz glass. The spiral coil electrode 91 has a frequency of 100 KHz to 50 KHz.
An inductively coupled plasma generation source that generates plasma by applying high-frequency power of MHz. FIG. 3B is a schematic explanatory diagram of a plane of the spiral coil electrode 91. (2) Plasma source shown in FIG. 4: A plate-like electrode 93 is arranged inside the reactive gas plasma generation chamber 63, and a plasma is generated by applying high-frequency power of 100 KHz to 50 MHz to the plate-like electrode 93. Capacitively coupled plasma source. (3) Plasma source shown in FIG. 5: reactive gas generation chamber 63
A plasma source in which a coil-shaped electrode 95 or a spiral-shaped coil electrode is disposed inside, and a high-frequency power of 100 KHz to 50 MHz is applied to these electrodes to generate plasma in which inductively-coupled plasma and capacitively-coupled plasma coexist. . Etc. can be used. In addition, by adjusting the shape of the coil and the like, a helicon wave plasma source can be used to increase the generation efficiency of active species in the plasma.

【0067】以下、本例の装置を用いて多層反射防止膜
を形成する場合の手順について、酸化シリコンと酸化チ
タンが積層した多層反射防止膜を形成する場合を例とし
て説明する。基板ホルダ13に基板をセットする。ター
ゲット29a,bとして、酸化物が低屈折率であるシリ
コンターゲットを、マグネトロンスパッタ電極21a,
21bに固定する。ターゲット49a,bとして、酸化
物が高屈折率であるチタンターゲットを、マグネトロン
スパッタ電極41a,41bに固定する。真空槽11内
を所定の圧力に減圧する。
Hereinafter, a procedure for forming a multilayer anti-reflection film using the apparatus of this embodiment will be described by taking as an example a case of forming a multilayer anti-reflection film in which silicon oxide and titanium oxide are laminated. The substrate is set on the substrate holder 13. As the targets 29a and 29b, a silicon target whose oxide has a low refractive index is used.
21b. As the targets 49a and 49b, a titanium target whose oxide has a high refractive index is fixed to the magnetron sputtering electrodes 41a and 41b. The pressure inside the vacuum chamber 11 is reduced to a predetermined pressure.

【0068】その後、成膜プロセスゾーン20内の圧力
を、1.0×10−1〜1.3Paに調整する。モータ
17を作動させて、基板ホルダ13の回転を開始する。
成膜プロセスゾーン20内に、スパッタリング用の不活
性ガスであるアルゴンガスおよび反応性ガスとしての酸
素ガスを、スパッタガスボンベ27、反応性ガスボンベ
79からマスフローコントローラ25で流量調整して導
き、成膜プロセスゾーン20内のスパッタリング雰囲気
を調整する。このときの成膜プロセスゾーン20に導入
する各ガスの流量は、アルゴンガスを約300scc
m,酸素ガスを15〜24sccmとする。
After that, the pressure in the film forming process zone 20 is adjusted to 1.0 × 10 −1 to 1.3 Pa. The rotation of the substrate holder 13 is started by operating the motor 17.
An argon gas as an inert gas for sputtering and an oxygen gas as a reactive gas are introduced into the film forming process zone 20 from the sputtering gas cylinder 27 and the reactive gas cylinder 79 by adjusting the flow rate with the mass flow controller 25, and the film forming process is performed. The sputtering atmosphere in the zone 20 is adjusted. At this time, the flow rate of each gas introduced into the film forming process zone 20 is about 300 scc of argon gas.
m, oxygen gas is 15 to 24 sccm.

【0069】そして、交流電源23からトランス24を
介して、スパッタリング電極21a,21bに周波数1
〜100KHzの交流電圧を印加し、ターゲット29
a,29bに、交番電界が掛かるようにする。これによ
り、ある時点においてはターゲット29aがカソード
(マイナス極)となり、その時ターゲット29bは必ず
アノード(プラス極)となる。次の時点において交流の
向きが変化すると、今度はターゲット29bがカソード
(マイナス極)となり、ターゲット29aがアノード
(プラス極)となる。このように一対のターゲット29
a,29bが、交互にアノードとカソードとなることに
より、プラズマが形成され、カソード上のターゲットが
スパッタされる。
Then, the frequency 1 is applied to the sputtering electrodes 21a and 21b from the AC power source 23 via the transformer 24.
交流 100 KHz AC voltage is applied to the target 29.
The alternating electric field is applied to a and 29b. Thus, at a certain point, the target 29a becomes a cathode (negative pole), and at that time, the target 29b always becomes an anode (plus pole). When the direction of the alternating current changes at the next time, the target 29b becomes the cathode (minus pole) and the target 29a becomes the anode (plus pole). Thus, the pair of targets 29
As a and 29b alternately become an anode and a cathode, plasma is formed, and a target on the cathode is sputtered.

【0070】この時、アノード上には非導電性あるいは
導電性の低いシリコン不完全酸化物,酸化シリコン等が
付着する場合もあるが、このアノードが交番電界により
カソードに変換された時に、これらシリコン不完全酸化
物等がスパッタされ、ターゲット表面は元の清浄な状態
となる。そして、これを繰り返すことにより、常に安定
なアノード電位状態が得られ、プラズマ電位(通常アノ
ード電位とほぼ等しい)の変化が防止され、安定してシ
リコン不完全酸化物超薄膜が形成される。このように、
スパッタ用交流電源23から電力を投入し、シリコンを
スパッタリングして、基板上へのSiO(x<2)等
の金属不完全酸化物超薄膜の堆積を行う。
At this time, non-conductive or low-conductive silicon imperfect oxide, silicon oxide, or the like may adhere to the anode, but when the anode is converted to a cathode by an alternating electric field, these silicon may be removed. Incomplete oxides and the like are sputtered, and the target surface returns to its original clean state. By repeating this, a stable anode potential state is always obtained, a change in plasma potential (generally, substantially equal to the anode potential) is prevented, and a silicon incomplete oxide ultrathin film is stably formed. in this way,
Power is supplied from the AC power supply 23 for sputtering, and silicon is sputtered to deposit an ultrathin metal imperfect oxide thin film such as SiO x (x <2) on the substrate.

【0071】成膜プロセスゾーン20におけるスパッタ
リングを行うと同時に、反応プロセスゾーン60には、
反応性ガスボンベ79から反応性ガスとしての酸素ガス
を導入する。コイル状電極65に、100KHz〜50
MHzの高周波電力を印加し、活性種発生装置61によ
りプラズマを発生させる。なお、反応プロセスゾーン6
0の圧力は、0.7×10−1〜1.0Paに維持す
る。反応性ガスプラズマ発生室63内のプラズマ中に
は、荷電粒子である酸素ガスイオン,電子と、電気的に
中性な反応性ガスの活性種であるラジカル・励起状態の
ラジカル,原子,分子とが存在する。そのうち、後者の
電気的に中性な反応性ガスの活性種を、グリッド81に
より、選択的ないし優先的に反応プロセスゾーン60に
導く。
Simultaneously with the sputtering in the film forming process zone 20, the reaction process zone 60
Oxygen gas as a reactive gas is introduced from the reactive gas cylinder 79. 100 KHz to 50 for the coiled electrode 65
A high frequency power of MHz is applied, and the active species generator 61 generates plasma. The reaction process zone 6
The pressure of 0 is maintained at 0.7 × 10 −1 to 1.0 Pa. In the plasma in the reactive gas plasma generation chamber 63, oxygen gas ions and electrons as charged particles and radicals / atoms / molecules in a radical / excited state which are active species of an electrically neutral reactive gas are contained. Exists. The active species of the latter electrically neutral reactive gas are selectively or preferentially guided to the reaction process zone 60 by the grid 81.

【0072】そして、基板ホルダ13が回転して、基板
が成膜プロセスゾーン20にあるときに、金属不完全酸
化物超薄膜SiO(x<2)が形成された基板が、反
応プロセスゾーン60に入ったときに、超薄膜が、酸素
ガスの活性種により完全に酸化されてSiOに変換さ
れる。このように、基板を搭載した基板ホルダ13を回
転することにより、成膜プロセスゾーン20における金
属不完全酸化物超薄膜SiO(x<2)の形成と、反
応プロセスゾーン60におけるSiOへの変換が繰り
返され、基板上に所望膜厚のSiOが形成される。な
お、ターゲット21にSiOを用いてもよい。従来の
化合物ターゲットによるRF,DC反応性スパッタリン
グ法とは異なり、本発明では、ターゲット21にSiO
を用いても、反応プロセスゾーン60で酸素の欠損が
補われるため、安定したSiOの成膜を行うことが可
能である。その後、スパッタ用交流電源23をオフにす
る。
Then, when the substrate holder 13 is rotated and the substrate is in the film forming process zone 20, the substrate on which the incomplete metal oxide thin film SiO x (x <2) is formed is moved to the reaction process zone 60. When entering, the ultra-thin film is completely oxidized by active species of oxygen gas and converted into SiO 2 . In this manner, by rotating the substrate holder 13 on which the substrate is mounted, the formation of the incomplete metal oxide ultrathin film SiO x (x <2) in the film formation process zone 20 and the formation of the SiO 2 in the reaction process zone 60 are performed. conversion is repeated, SiO 2 having a desired thickness is formed on the substrate. Note that SiO 2 may be used for the target 21. Unlike the RF and DC reactive sputtering method using the conventional compound target, in the present invention, the target 21 is made of SiO 2.
Even if 2 is used, oxygen deficiency is compensated in the reaction process zone 60, so that stable film formation of SiO 2 can be performed. Then, the sputtering AC power supply 23 is turned off.

【0073】成膜プロセスゾーン240内の圧力を、
1.0×10−1〜1.3Paに調整する。マスフロー
コントローラ45で流量を調整しながら、スパッタリン
グガスボンベ47から不活性ガスとしてのアルゴンガス
を、反応性ガスボンベ79から反応性ガスとしての酸素
ガスを、成膜プロセスゾーン40に導入する。このとき
の成膜プロセスゾーン20に導入する各ガスの流量は、
アルゴンガスを約300sccm,酸素ガスを15〜2
4sccmとする。スパッタ用交流電源43から周波数
1〜100KHzの交流電圧を印加し、ターゲット49
a,49bに、交番電界が掛かるようにする。チタンを
スパッタリングして、基板上へのTiO(x<2)等
の金属不完全酸化物超薄膜の堆積を開始する。
The pressure in the film forming process zone 240 is
It is adjusted to 1.0 × 10 −1 to 1.3 Pa. While adjusting the flow rate with the mass flow controller 45, an argon gas as an inert gas from the sputtering gas cylinder 47 and an oxygen gas as a reactive gas from the reactive gas cylinder 79 are introduced into the film forming process zone 40. At this time, the flow rate of each gas introduced into the film forming process zone 20 is:
About 300 sccm of argon gas and 15 to 2 oxygen gas
4 sccm. An AC voltage having a frequency of 1 to 100 KHz is applied from a sputtering
The alternating electric field is applied to a and 49b. Titanium is sputtered to begin depositing an ultrathin metal imperfect oxide thin film such as TiO x (x <2) on the substrate.

【0074】同時に、反応プロセスゾーン60に反応性
ガスボンベ79から、反応性ガスとしての酸素ガスを導
入し、活性種発生装置61を作動させて、酸素ガスの活
性種を発生させる。そして、基板ホルダ13が回転する
と、成膜プロセスゾーン40で、基板上に金属不完全酸
化物超薄膜TiO(x<2)が形成され、反応プロセ
スゾーン60で、超薄膜が、酸素ガスの活性種により完
全に酸化されてTiOに変換される。
At the same time, oxygen gas as a reactive gas is introduced from the reactive gas cylinder 79 into the reaction process zone 60, and the active species generator 61 is operated to generate active species of oxygen gas. When the substrate holder 13 rotates, an ultrathin metal oxide thin film TiO x (x <2) is formed on the substrate in the film formation process zone 40, and the ultrathin film is formed of oxygen gas in the reaction process zone 60. It is completely oxidized by the active species and converted to TiO 2 .

【0075】このように、基板を搭載した基板ホルダ1
3を回転することにより、成膜プロセスゾーン40にお
ける金属不完全酸化物超薄膜TiO(x<2)の形成
と、反応プロセスゾーン60におけるTiOへの変換
が繰り返され、基板上に所望膜厚のTiOが形成され
る。このSiOを形成する工程と、TiOを形成す
る工程とを繰り返し、基板上に、SiO薄膜と、Ti
薄膜とが積層した多層反射防止膜が形成される。
As described above, the substrate holder 1 on which the substrate is mounted
3, the formation of the ultrathin metal oxide thin film TiO x (x <2) in the film formation process zone 40 and the conversion to TiO 2 in the reaction process zone 60 are repeated, and the desired film is formed on the substrate. Thick TiO 2 is formed. This step of forming SiO 2 and the step of forming TiO 2 are repeated, and an SiO 2 thin film and a Ti
A multilayer anti-reflection film in which the O 2 thin film is laminated is formed.

【0076】ターゲット29a,b,49a,49bと
して、本例では、シリコンおよびチタンを用いている
が、これに限定されるものでなく、アルミニウム(A
l),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),スズ
(Sn),クロム(Cr),タンタル(Ta),シリコ
ン(Si),テルル(Te),ニッケル・クロム(Ni
−Cr),インジウム・スズ(In−Sn)などの金属
ターゲットを用いることができる。また、これらの金属
の化合物,例えば、Al,TiO,ZrO
Ta,SiO,Nb等を用いることもで
きる。
In this example, silicon and titanium are used as the targets 29a, b, 49a, and 49b. However, the present invention is not limited to this.
l), titanium (Ti), zirconium (Zr), tin (Sn), chromium (Cr), tantalum (Ta), silicon (Si), tellurium (Te), nickel chromium (Ni
-Cr) or a metal target such as indium tin (In-Sn) can be used. Compounds of these metals, for example, Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 ,
Ta 2 O 5 , SiO 2 , Nb 2 O 5 or the like can also be used.

【0077】これらのターゲットを用いた場合、反応プ
ロセスゾーン60における反応性ガスの活性種の曝露に
より、Al,TiO,ZrO,Ta
SiO,Nb等の光学膜ないし絶縁膜、ITO
等の導電膜、Feなどの磁性膜、TiN,Cr
N,TiCなどの超硬膜とされる。TiO,Zr
,SiOのような絶縁性の金属化合物は、金属
(Ti,Zr,Si)に比べスパッタリング速度が極端
に遅く生産性が悪いので、特に本発明のデュアル・マグ
ネトロンスパッタリング法が有効である。
When these targets are used, exposure to the reactive species of the reactive gas in the reaction process zone 60 causes Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , Ta 2 O 5 ,
Optical film or insulating film such as SiO 2 , Nb 2 O 5 , ITO
, A magnetic film such as Fe 2 O 3 , TiN, Cr
It is a super hard film of N, TiC or the like. TiO 2 , Zr
Insulating metal compounds such as O 2 and SiO 2 have extremely low sputtering rates and poor productivity compared to metals (Ti, Zr, Si), so the dual magnetron sputtering method of the present invention is particularly effective. .

【0078】なお、ターゲット29a,29bとターゲ
ット49a,49bに、異なる金属又は金属化合物のタ
ーゲットを用いることにより、異なる金属化合物が積層
された多層反射防止膜,例えば、SiOとZrO
の多層反射防止膜,SiOとTaとの多層反射
防止膜,SiOとNbとの多層反射防止膜等を
形成することも可能である。
By using targets of different metals or metal compounds for the targets 29a and 29b and the targets 49a and 49b, a multilayer antireflection film in which different metal compounds are laminated, for example, a multilayer of SiO 2 and ZrO 2 is formed. It is also possible to form an antireflection film, a multilayer antireflection film of SiO 2 and Ta 2 O 5 , a multilayer antireflection film of SiO 2 and Nb 2 O 5, and the like.

【0079】なお、本例では、図11に示すように、成
膜プロセスゾーン20,40と反応プロセスゾーン60
とに、同一の反応性ガスボンベ79から反応性ガスを導
入するように構成しているが、これに限定されるもので
なく、成膜プロセスゾーン20,40と、反応プロセス
ゾーン60とに、異なるガスボンベを連結し、同じ元素
を有する異なるガスを導入することも可能である。
In this example, as shown in FIG. 11, the film forming process zones 20 and 40 and the reaction process zone 60 are used.
Although the configuration is such that the reactive gas is introduced from the same reactive gas cylinder 79, the present invention is not limited to this. The film forming process zones 20 and 40 and the reaction process zone 60 are different. It is also possible to connect gas cylinders and introduce different gases having the same element.

【0080】また、ターゲット29aと29bとは同一
の金属ターゲットでも異種の金属ターゲットでもよい。
同一の金属ターゲットを用いた場合は、単一金属からな
る金属不完全酸化物超薄膜が形成され、異種の金属ター
ゲットを用いた場合は合金からなる金属不完全酸化物超
薄膜が形成される。ターゲット49aと49bについて
も同様である。
The targets 29a and 29b may be the same metal target or different metal targets.
When the same metal target is used, a metal incomplete oxide ultrathin film made of a single metal is formed, and when different metal targets are used, a metal incomplete oxide ultrathin film made of an alloy is formed. The same applies to the targets 49a and 49b.

【0081】成膜プロセスゾーン20,40,反応プロ
セスゾーン60に導入する反応性ガスとしては、本例で
導入している酸素の他に、オゾン,一酸化二窒素(N
O)等の酸化性ガス、窒素等の窒化性ガス、メタン等の
炭化性ガス、弗素,四弗化炭素(CF)等の弗化性ガ
スなどを用いることができる。なお、成膜プロセスゾー
ン20,40に、窒素ガスを導入する場合、成膜プロセ
スゾーン20,40に導入するガス流量は、不活性ガス
としてのアルゴンガス300sccm,窒素ガス9〜6
0sccmとするとよい。
As the reactive gas introduced into the film forming process zones 20 and 40 and the reaction process zone 60, in addition to the oxygen introduced in this embodiment, ozone, nitrous oxide (N 2
An oxidizing gas such as O), a nitriding gas such as nitrogen, a carbonizing gas such as methane, and a fluorinating gas such as fluorine and carbon tetrafluoride (CF 4 ) can be used. When nitrogen gas is introduced into the film forming process zones 20 and 40, the flow rate of the gas introduced into the film forming process zones 20 and 40 is 300 sccm of an argon gas as an inert gas and 9 to 6 of a nitrogen gas.
It is good to be 0 sccm.

【0082】以下に、本例により、SiOと、Ta
またはNbとの多層反射防止膜を形成した場
合の作動条件を示す。 (1)スパッタリング条件(Si)投入電力:7.0k
W 基板温度:室温 成膜プロセスゾーン内圧力:1.3Pa 印加交流電圧周波数 40KHz 基板ホルダ回転数:100rpm 超薄膜の厚さ:2〜6オングストローム (2)スパッタリング条件(Ta/Nb) 投入電力:5.0kW 基板温度:室温 成膜プロセスゾーン内圧力:1.3Pa 印加交流電圧周波数 40KHz 基板ホルダ回転数:100rpm 超薄膜の厚さ:1〜4オングストローム (3)活性種発生装置の駆動条件(O) 装置:図1,2に示した誘導結合型プラズマ発生源 投入電力:2.0kW 圧力:6.5×10−1Pa
Hereinafter, according to this example, SiO 2 and Ta 2
The operating conditions when a multilayer antireflection film with O 5 or Nb 2 O 5 is formed are shown. (1) Sputtering conditions (Si) Input power: 7.0k
W Substrate temperature: room temperature Pressure in the film formation process zone: 1.3 Pa Applied AC voltage frequency 40 KHz Substrate holder rotation speed: 100 rpm Ultrathin film thickness: 2 to 6 Å (2) Sputtering conditions (Ta / Nb) Input power: 5 0.0 kW Substrate temperature: room temperature Pressure in film forming process zone: 1.3 Pa Applied AC voltage frequency 40 KHz Substrate holder rotation speed: 100 rpm Thickness of ultra-thin film: 1-4 Å (3) Driving conditions of active species generator (O 2 ) Apparatus: Inductively coupled plasma generation source shown in FIGS. 1 and 2 Input power: 2.0 kW Pressure: 6.5 × 10 −1 Pa

【0083】本例の金属化合物薄膜の形成方法により形
成した薄膜の減衰係数と成膜速度との関係を示すグラフ
を図8に示す。図8のサンプルA(O有)は、図1に
示す金属化合物薄膜の形成装置を用いて本例の金属化合
物薄膜の形成方法により形成した薄膜についてのグラフ
であり、具体的には、上記作動条件(1)〜(3)によ
り形成したものである。また、図8のサンプルB(O
無)は、対比例であって、具体的には、図1に示す金属
化合物薄膜の形成装置の成膜プロセスゾーン20,40
に反応性ガスを導入せずに、形成した金属化合物薄膜に
ついてのグラフである。サンプルBの薄膜形成装置,形
成方法のその他の構成は、サンプルAに係る本例の構成
と同様であり、作動条件も、上記作動条件(1)〜
(3)による。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the damping coefficient of the thin film formed by the method of forming a metal compound thin film of the present example and the film forming speed. Sample A (with O 2 ) in FIG. 8 is a graph of a thin film formed by the method for forming a metal compound thin film of this example using the apparatus for forming a metal compound thin film shown in FIG. It is formed under the operating conditions (1) to (3). Further, the sample B (O 2
No) is a comparative example. Specifically, the film forming process zones 20, 40 of the metal compound thin film forming apparatus shown in FIG.
4 is a graph of a metal compound thin film formed without introducing a reactive gas into the thin film. Other configurations of the thin film forming apparatus and the forming method of the sample B are the same as those of the sample A according to the present embodiment.
According to (3).

【0084】図8より、サンプルAに係る本例の金属化
合物薄膜の形成方法によれば、サンプルBに係る対比例
の金属化合物薄膜の形成方法と対比して、同じ成膜速度
であっても、減衰係数が低い薄膜が形成されることが分
かった。すなわち、本例の金属化合物薄膜の形成方法に
よれば、成膜プロセスゾーンに反応性ガスを導入しない
対比例の方法と対比して、同じ成膜速度であっても、光
学的な吸収の少ない薄膜を得ることができることが分か
った。さらに、図10に示すように、本例の金属化合物
薄膜の形成方法によれば、従来のツイン・マグネトロン
スパッタリング法と略同様の成膜レートが得られること
が分かっている。
FIG. 8 shows that the method of forming a metal compound thin film of this example according to sample A has the same film forming rate as the method of forming a metal compound thin film of sample B in comparison. It was found that a thin film having a low attenuation coefficient was formed. That is, according to the method for forming a metal compound thin film of the present example, compared with a comparative method in which no reactive gas is introduced into the film forming process zone, even if the film forming speed is the same, optical absorption is small. It was found that a thin film could be obtained. Further, as shown in FIG. 10, it is known that according to the method for forming a metal compound thin film of this example, a film formation rate substantially similar to that of the conventional twin magnetron sputtering method can be obtained.

【0085】図9は本発明の他の実施例を示す平面図で
ある。装置構成は全体として真空槽としての成膜室12
1、その前後の基板ロード室123、および基板アンロ
ード室125から構成される。各室はそれぞれ個別の排
気系を有し、RPはロータリーポンプを、TMPはター
ボモレキュラーポンプを示す。各室間はゲートバルブ1
31,133を介して連結されている。基板ロード室1
23はゲートバルブ135ないしは開閉扉により大気に
開放可能であり、基板アンロード室125はゲートバル
ブ137ないしは開閉扉により大気に開閉可能である。
すなわち、各室は圧力的に隔離され各々独自の排気系を
有し、また、ゲートバルブ131,133を通して基板
ホルダー143を搬送することができる。
FIG. 9 is a plan view showing another embodiment of the present invention. The apparatus has a film forming chamber 12 as a vacuum chamber as a whole.
1, a substrate loading chamber 123 before and after the substrate loading chamber, and a substrate unloading chamber 125. Each chamber has an individual exhaust system, RP indicates a rotary pump, and TMP indicates a turbomolecular pump. Gate valve 1 between each room
31 and 133 are connected. Substrate loading room 1
23 can be opened to the atmosphere by a gate valve 135 or an opening / closing door, and the substrate unload chamber 125 can be opened to the atmosphere by a gate valve 137 or an opening / closing door.
That is, each chamber is pressure-isolated and has its own exhaust system, and the substrate holder 143 can be transferred through the gate valves 131 and 133.

【0086】基板141を搭載した基板ホルダー143
がゲートバルブ135を介して基板ロード室123に搬
入され、基板ロード室123がロータリーポンプにより
真空に引かれて、加熱等の必要による前処理を受ける。
すなわち、基板ロード室123は、基板ホルダーの脱着
・排気・必要による前処理の機能を行う室である。この
処理終了後に、基板ホルダー143は、成膜室121に
搬送される。成膜室121で、基板141に薄膜が形成
される。なお、煩雑を避けるべく図面上では、成膜室1
21における基板ホルダー143のみを一点鎖線で示
し、基板141の図示を省略した。
A substrate holder 143 on which a substrate 141 is mounted
Is carried into the substrate load chamber 123 through the gate valve 135, and the substrate load chamber 123 is evacuated by a rotary pump to undergo pretreatment such as heating.
That is, the substrate loading chamber 123 is a chamber for performing a pre-processing function of attaching / detaching / exhausting / necessary substrate holder. After this processing is completed, the substrate holder 143 is transferred to the film forming chamber 121. In the film forming chamber 121, a thin film is formed on the substrate 141. In order to avoid complexity, the film forming chamber 1 is shown in the drawing.
Only the substrate holder 143 in 21 is shown by a dashed line, and the illustration of the substrate 141 is omitted.

【0087】成膜処理が終了した基板ホルダー143は
基板アンロード室125に搬送され、必要に応じて後処
理を受けた後、ゲートバルブ137を介して外部に取り
出される。すなわち、基板アンロード室125は、基板
ホルダーの脱着・排気・必要による後処理を行う室であ
る。成膜室121における成膜処理は、基板ホルダーが
水平板状である点を除いて図1、図2に示した実施例と
同様である。
The substrate holder 143 on which the film forming process has been completed is conveyed to the substrate unloading chamber 125, subjected to post-processing if necessary, and taken out through the gate valve 137. That is, the substrate unloading chamber 125 is a chamber for performing desorption / evacuation / subsequent post-processing of the substrate holder. The film forming process in the film forming chamber 121 is the same as the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 except that the substrate holder has a horizontal plate shape.

【0088】[0088]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、簡単な構
成および操作で、安定した特性の金属化合物薄膜を高速
で形成することができる。金属薄膜には、強い応力が発
生することが知られているが、本発明に係る金属化合物
薄膜の形成方法では、まず、金属不完全反応物超薄膜を
形成した後、これを金属化合物超薄膜にシーケンシャル
に変換させる反応機構を採用しているため、従来の金属
超薄膜を金属化合物超薄膜に変換する方法による場合と
対比して、より小さな応力の薄膜を形成することが可能
となる。さらに、光学的な吸収の少ない良質の金属化合
物薄膜を高速で形成することが可能となる。
As described above, according to the present invention, a metal compound thin film having stable characteristics can be formed at a high speed with a simple structure and operation. It is known that strong stress is generated in a metal thin film. However, in the method for forming a metal compound thin film according to the present invention, first, an ultra-thin metal incomplete reactant film is formed, and then the ultra-thin metal compound thin film is formed. Since a reaction mechanism for sequentially converting the metal ultra-thin film is adopted, it is possible to form a thin film having a smaller stress as compared with the conventional method of converting a metal ultra-thin film into a metal compound ultra-thin film. Further, a high-quality metal compound thin film having little optical absorption can be formed at a high speed.

【0089】また、金属不完全反応物超薄膜の形成と、
金属化合物超薄膜への変換とを繰り返して行うことによ
り、金属化合物超薄膜を複数回堆積するので、目的とす
る膜厚の薄膜を、低い基板温度で高速に形成できる。金
属不完全反応物超薄膜の形成方法としてデュアル・マグ
ロトロンスパッタリング法を採用することにより、安定
したアノード部を確保して、アノード電位の変化を防止
して再現性の良い良質の薄膜が形成できる。
Further, formation of an ultrathin metal incompletely reacted product,
By repeatedly performing the conversion to the metal compound ultrathin film, the metal compound ultrathin film is deposited a plurality of times, so that a thin film having a desired film thickness can be formed at a high speed at a low substrate temperature. By adopting the dual-maggrotron sputtering method as a method of forming an ultrathin metal reactant thin film, it is possible to secure a stable anode part, prevent a change in anode potential, and form a good-quality thin film with good reproducibility. .

【0090】金属不完全反応物超薄膜を金属化合物超薄
膜に変換するに際し、ラジカル、励起状態にあるラジカ
ル、原子あるいは分子等の活性種を利用することによ
り、荷電粒子を用いた場合と対比して、薄膜がダメージ
を受けることが防止できるとともに、基板温度の上昇が
防止でき、効率的に良好な特性の薄膜を得ることができ
る。遮蔽手段により成膜プロセスゾーンと反応プロセス
ゾーンとが区切られており、スパッタリングのための放
電と、反応性ガスの活性種発生の放電とを個別に制御で
きるため、安定した放電が可能となり、安定した薄膜形
成を行うことができる。
In converting an ultrathin metal reactant ultrathin film into an ultrathin metal compound film, the active species such as radicals, radicals in excited state, atoms or molecules are utilized to make a comparison with the case where charged particles are used. As a result, the thin film can be prevented from being damaged and the substrate temperature can be prevented from rising, so that a thin film having good characteristics can be efficiently obtained. The film formation process zone and the reaction process zone are separated by the shielding means, and the discharge for sputtering and the discharge for generation of the active species of the reactive gas can be individually controlled. A thin film can be formed.

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

【図1】本発明で用いられる装置の実施例を示す説明上
面図である。
FIG. 1 is an explanatory top view showing an embodiment of an apparatus used in the present invention.

【図2】本発明で用いられる装置の実施例を示す、図1
の線A−B−Cに沿った断面図である。
FIG. 2 shows an embodiment of the apparatus used in the present invention, FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line ABC of FIG.

【図3】プラズマ源の構成例を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration example of a plasma source.

【図4】プラズマ源の構成例を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a configuration example of a plasma source.

【図5】プラズマ源の構成例を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration example of a plasma source.

【図6】マルチ・アパーチャ・グリッドを示す平面図で
ある。
FIG. 6 is a plan view showing a multi-aperture grid.

【図7】マルチ・スリット・グリッドを示す平面図であ
る。
FIG. 7 is a plan view showing a multi-slit grid.

【図8】本例の金属化合物薄膜の形成方法により形成し
た薄膜の減衰係数と成膜速度との関係を示すグラフであ
る。
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a damping coefficient and a deposition rate of a thin film formed by the method for forming a metal compound thin film of the present example.

【図9】本発明で用いる装置の実施例を示す説明平面図
である。
FIG. 9 is an explanatory plan view showing an embodiment of an apparatus used in the present invention.

【図10】反応性ガス比と成膜レートの関係を示す説明
図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a relationship between a reactive gas ratio and a film formation rate.

【図11】基板上に複合金属の化合物薄膜を形成すると
きの説明図である。
FIG. 11 is an explanatory view when a composite metal compound thin film is formed on a substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 真空槽 12,14,16 遮蔽板 13 基板ホルダー 15 真空ポンプ 17 モータ 20,40 成膜プロセスゾーン 21a,21b、41a,41b スパッタ電極 23、43 スパッタ用交流電源 24 トランス 25,45 マスフローコントローラ 27,47 スパッタガスボンベ 29a,29b、49a,49b ターゲット 60 反応プロセスゾーン 61 活性種発生装置 63 反応性ガスプラズマ発生室 65 電極 67 マッチングボックス 69 高周波電源 71 外部コイル 73 内部コイル 77 マスフローコントローラ 79 反応性ガスボンベ 81 グリッド 91 渦巻き状電極 93 平板電極 95 コイル状電極 101 マルチ・アパーチャ・グリッド 103 穴 105 冷却管 111 マルチ・スリット・グリッド 113 スリット 115 冷却管 121 成膜室 123 基板ロード室 125 基板アンロード室 131,133,135,137 ゲートバルブ 141 基板 143 基板ホルダー 151,161,171 遮蔽板 153,163 成膜プロセスゾーン 155a,155b、165a,165b ターゲット 173 反応プロセスゾーン 175 活性種発生装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Vacuum tank 12, 14, 16 Shielding plate 13 Substrate holder 15 Vacuum pump 17 Motor 20, 40 Deposition process zone 21a, 21b, 41a, 41b Sputtering electrode 23, 43 AC power supply for sputtering 24 Transformer 25, 45 Mass flow controller 27, 47 Sputter gas cylinder 29a, 29b, 49a, 49b Target 60 Reaction process zone 61 Active species generator 63 Reactive gas plasma generation chamber 65 Electrode 67 Matching box 69 High frequency power supply 71 External coil 73 Internal coil 77 Mass flow controller 79 Reactive gas cylinder 81 Grid 91 spiral electrode 93 plate electrode 95 coil electrode 101 multi-aperture grid 103 hole 105 cooling tube 111 multi-slit grid 113 slit 15 Cooling pipe 121 Film deposition chamber 123 Substrate load chamber 125 Substrate unload chamber 131, 133, 135, 137 Gate valve 141 Substrate 143 Substrate holder 151, 161, 171 Shielding plate 153, 163 Film deposition process zone 155a, 155b, 165a, 165b Target 173 Reaction process zone 175 Active species generator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜井 武 東京都品川区南大井3丁目2番6号 株式 会社シンクロン内 (72)発明者 丸田 和彦 東京都品川区南大井3丁目2番6号 株式 会社シンクロン内 (72)発明者 遠藤 和宏 東京都品川区南大井3丁目2番6号 株式 会社シンクロン内 Fターム(参考) 4K029 AA24 BA17 BA35 BA43 BA46 BA48 BB02 BC07 CA05 DA10 DC05 DC16 DC28 DC29 DC31 DC39 DC43 DC48 JA08 5F103 AA08 BB46 DD27 DD28 NN06 RR01 RR04 RR05  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Takeshi Sakurai 3-2-6 Minamioi, Shinagawa-ku, Tokyo Inside Shincron Co., Ltd. (72) Inventor Kazuhiko Maruta 3-2-2 Minamioi, Shinagawa-ku, Tokyo Stock In Syncron Co., Ltd. (72) Inventor Kazuhiro Endo 3-2-6 Minamioi, Shinagawa-ku, Tokyo F-term (reference) 4K029 AA24 BA17 BA35 BA43 BA46 BA48 BB02 BC07 CA05 DA10 DC05 DC16 DC28 DC29 DC31 DC39 DC43 DC48 JA08 5F103 AA08 BB46 DD27 DD28 NN06 RR01 RR04 RR05

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 接地電位から電気的に絶縁された複数の
スパッタリングターゲットに、各ターゲットがカソード
およびアノードに交互になると同時に常にいずれかのタ
ーゲットがカソードとなりいずれかのターゲットがアノ
ードとなるように、交流電圧を印加し、不活性ガスおよ
び反応性ガスを導入して、真空槽内の成膜プロセスゾー
ンで、基板上に金属の不完全反応物からなる金属不完全
反応物超薄膜を形成する工程と、 前記真空槽内の前記成膜プロセスゾーンと空間的,圧力
的に分離された反応プロセスゾーンで、前記金属不完全
反応物超薄膜に電気的に中性な反応性ガスの活性種を接
触させ、前記金属不完全反応物超薄膜と前記反応性ガス
の活性種とを反応させて金属化合物超薄膜に変換させる
工程と、 前記金属不完全反応物超薄膜を形成する工程と前記金属
化合物超薄膜に変換させる工程とを順次繰り返し行う工
程と、により、 前記金属化合物超薄膜を複数層形成して堆積して、目的
とする膜厚の前記金属化合物薄膜を基板上に形成するこ
とを特徴とする金属化合物薄膜の形成方法。
1. A plurality of sputtering targets electrically insulated from a ground potential, such that each target alternates between a cathode and an anode so that at the same time one target is a cathode and one target is an anode. A step of applying an AC voltage, introducing an inert gas and a reactive gas, and forming an ultra-thin metal incomplete reactant thin film comprising an incomplete metal reactant on a substrate in a film forming process zone in a vacuum chamber. And contacting an active species of an electrically neutral reactive gas with the ultrathin metal reactant ultra-thin film in a reaction process zone spatially and pressure-separated from the film formation process zone in the vacuum chamber. Causing the ultra-thin metal incomplete reactant to react with the active species of the reactive gas to convert the ultra-thin metal compound into a metal compound ultra-thin film; Forming a plurality of metal compound ultra-thin films and depositing the metal compound ultra-thin film by depositing the metal compound ultra-thin film into a substrate. A method for forming a metal compound thin film, comprising:
【請求項2】 前記電気的に中性な反応性ガスの活性種
が、ラジカル、励起状態にあるラジカル、励起状態にあ
る原子、励起状態にある分子のうち少なくとも一つを含
むものである請求項1記載の金属化合物薄膜の形成方
法。
2. The active species of the electrically neutral reactive gas includes at least one of a radical, a radical in an excited state, an atom in an excited state, and a molecule in an excited state. The method for forming a metal compound thin film according to the above.
【請求項3】 前記電気的に中性な反応性ガスの活性種
は、反応性ガスを導入して反応性ガスプラズマを発生さ
せ、電気的に中性の活性種を選択的に通過させるグリッ
ドを介して真空槽内に導入することを特徴とする請求項
1記載の金属化合物薄膜の形成方法。
3. A grid for introducing an active species of an electrically neutral reactive gas into a reactive gas by generating a reactive gas plasma by introducing the reactive gas and selectively passing an electrically neutral active species. 2. The method for forming a metal compound thin film according to claim 1, wherein the metal compound thin film is introduced into the vacuum chamber through the step.
【請求項4】 スパッタリングにより基板上に金属化合
物薄膜を形成する装置において、 反応性ガスおよび不活性ガスを導入するガス導入手段お
よび、接地電位から電気的に絶縁されると共に交流電源
に接続されて該交流電源により正電位と負電位とに交互
に印加可能な複数のスパッタリングターゲットが配設さ
れ、前記基板上に、金属不完全反応物超薄膜を形成する
工程を行う真空槽内に形成された成膜プロセスゾーン
と、 電気的に中性な反応性ガス活性種の発生手段を備え、前
記金属不完全反応物超薄膜と前記反応性ガスの活性種と
を反応させて金属化合物超薄膜に変換させる工程を行う
真空槽内に形成された反応プロセスゾーンと、 前記成膜プロセスゾーンと前記反応プロセスゾーンとの
間で前記基板を搬送する基板ホルダーと、 前記成膜プロセスゾーンと前記反応プロセスゾーンとを
空間的、圧力的に分離する遮蔽手段とを備えたことを特
徴とする金属化合物薄膜の形成装置。
4. An apparatus for forming a metal compound thin film on a substrate by sputtering, comprising: gas introduction means for introducing a reactive gas and an inert gas; and electrically insulated from a ground potential and connected to an AC power supply. A plurality of sputtering targets capable of alternately applying a positive potential and a negative potential by the AC power source were provided, and were formed in a vacuum chamber for performing a step of forming an ultrathin metal incomplete reactant on the substrate. A film formation process zone, and means for generating an electrically neutral reactive gas active species, and reacting the ultra-thin metal incomplete reactant thin film with the active species of the reactive gas to convert it into a metal compound ultra-thin film A reaction process zone formed in a vacuum chamber for performing a step of causing the substrate to be transferred between the film formation process zone and the reaction process zone; Metallic compound thin film forming apparatus characterized by comprising spatially the deposition process zone and said reaction process zone, and a shielding means for the pressure separated.
【請求項5】 前記成膜プロセスゾーンと前記反応プロ
セスゾーンとは、同じ真空槽内に形成されることを特徴
とする請求項4記載の金属化合物薄膜の形成装置。
5. The apparatus according to claim 4, wherein the film forming process zone and the reaction process zone are formed in the same vacuum chamber.
【請求項6】 前記活性種の発生手段は、 反応性ガスを導入する反応性ガス導入手段を備えて、電
圧を印加する電源に接続された反応性ガスプラズマ発生
手段と、 該反応性ガスプラズマ発生手段で発生した反応性ガスプ
ラズマ中の電気的に中性の活性種を、選択的に通過させ
るグリッドとを備えることを特徴とする請求項4記載の
金属化合物薄膜の形成装置。
6. The reactive gas generating means includes a reactive gas introducing means for introducing a reactive gas, a reactive gas plasma generating means connected to a power supply for applying a voltage, and the reactive gas plasma. 5. The apparatus for forming a metal compound thin film according to claim 4, further comprising a grid for selectively passing an electrically neutral active species in the reactive gas plasma generated by the generating means.
【請求項7】 前記基板ホルダーは、前記真空槽から電
気的に絶縁されたことを特徴とする請求項4記載の金属
化合物薄膜の形成装置。
7. The metal compound thin film forming apparatus according to claim 4, wherein said substrate holder is electrically insulated from said vacuum chamber.
【請求項8】 前記成膜プロセスゾーンと前記反応プロ
セスゾーンとは、同じ真空槽内に形成され、 前記基板ホルダーへの前記基板の装着を行う基板ロード
室と、前記基板ホルダーからの前記基板の離脱を行う基
板アンロード室とを備え、 前記基板ロード室と前記真空槽、および前記基板アンロ
ード室と前記真空槽が、それぞれ圧力的に分離可能な遮
断手段を介して連結され、 前記基板ロード室と前記真空槽と前記基板アンロード室
とは、各々独自の排気手段を有し、前記基板ロード室と
前記真空槽と前記基板アンロード室との間で、前記基板
ホルダーを搬送する基板ホルダー搬送手段が配設された
ことを特徴とする請求項4記載の金属化合物薄膜の形成
装置。
8. The substrate processing chamber, wherein the film forming process zone and the reaction process zone are formed in the same vacuum chamber, and a substrate load chamber for mounting the substrate on the substrate holder; A substrate unloading chamber for performing detachment, wherein the substrate loading chamber and the vacuum chamber, and the substrate unloading chamber and the vacuum chamber are respectively connected via pressure-separable blocking means, The chamber, the vacuum chamber, and the substrate unloading chamber each have their own exhaust means, and the substrate holder transports the substrate holder between the substrate loading chamber, the vacuum chamber, and the substrate unloading chamber. 5. The apparatus for forming a metal compound thin film according to claim 4, wherein a conveying means is provided.
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