JP2005171328A - Plasma film deposition system, and film deposition method using the system - Google Patents

Plasma film deposition system, and film deposition method using the system Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma film deposition system and a method therefor wherein a thin film is deposited on a substrate with a large area at high uniformity, and to provide a method wherein a metallic compound is stably deposited in a metal mode. <P>SOLUTION: The plasma film deposition system comprises: a sample stand for installing at least a sample substrate inside a vessel holdable to a reduced pressure; a target having a through hole and arranged with a fixed interval from the sample stand or one or more sets of targets arranged so as to be confronted each other; and a mechanism for controlling the distribution of particles flying from the target to the sample substrate. In the method, a thin film is deposited on the sample substrate using the system. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体集積回路やディスプレイ装置などの電子デバイスの製造を目的として試料基板上に各種材料の薄膜を形成するためのプラズマ成膜装置及び該装置を用いた膜形成方法に関する。特に本発明は、高品質の金属や金属化合物薄膜を低温で形成するためのプラズマ成膜装置及び成膜方法に関する。   The present invention relates to a plasma film forming apparatus for forming thin films of various materials on a sample substrate for the purpose of manufacturing electronic devices such as semiconductor integrated circuits and display devices, and a film forming method using the apparatus. In particular, the present invention relates to a plasma film forming apparatus and a film forming method for forming a high-quality metal or metal compound thin film at a low temperature.

減圧容器内で対向するターゲットに電圧を印加し、スパッタリングによって飛び出したターゲット粒子を、近傍に設置した試料基板上に付着させて薄膜を形成する方法は、例えばNFTS(New Facing Targets Sputtering、新対向ターゲット式スパッタ法)などの技術として知られている。   A method of forming a thin film by applying a voltage to a target facing in a decompression vessel and depositing target particles ejected by sputtering on a sample substrate placed in the vicinity is, for example, NFTS (New Faceting Targets Sputtering, a new counter target. It is known as a technique such as a sputtering method.

また、いわゆる固体ソース電子サイクロトロン共鳴(Electron Cyclotron Resonance、ECR)プラズマ成膜法が知られており、この方法は既に特許化されている(特許文献1及び2)。この方法は、ECRで発生したプラズマを利用し、そのプラズマの周囲に配置したターゲットに電圧を印加することによりプラズマに含まれるイオンをターゲットに加速して入射させることでスパッタリング現象を生ぜしめ、放出したターゲット粒子を近傍に設置した試料基板上に付着させて薄膜を形成する技術である。   Further, a so-called solid source electron cyclotron resonance (ECR) plasma film forming method is known, and this method has already been patented (Patent Documents 1 and 2). This method uses plasma generated by ECR, and applies a voltage to a target arranged around the plasma to accelerate and cause ions contained in the plasma to be incident on the target, thereby causing a sputtering phenomenon and emission. This is a technique for forming a thin film by depositing the target particles on a sample substrate placed nearby.

従来のこの種の装置においては、試料基板に付着する薄膜の膜厚に分布が生じてしまい、試料基板全面に渡って均一に成膜することが困難であった。   In this type of conventional apparatus, the film thickness of the thin film adhering to the sample substrate is distributed, and it is difficult to form a film uniformly over the entire surface of the sample substrate.

このような膜厚分布を軽減させ、均一に成膜する手段の1つとして、ターゲットに対して基板を傾けて配置したうえで回転させる、いわゆる傾斜回転成膜法がある(特許文献3)。この方法は均一性の改善には極めて効果が大であり、直径30cmの大面積基板においても±5%以内の均一性を十分に確保することが可能である。しかしながら、傾斜して配置することや、真空中で回転することなどから、機構が複雑になり、装置コストが高くなるなどの欠点があった。   As one of means for reducing such a film thickness distribution and uniformly forming a film, there is a so-called tilt rotation film forming method in which a substrate is inclined with respect to a target and then rotated (Patent Document 3). This method is extremely effective in improving uniformity, and even within a large area substrate having a diameter of 30 cm, it is possible to sufficiently ensure uniformity within ± 5%. However, there are drawbacks such as the fact that the mechanism is complicated and the cost of the apparatus is increased due to the inclined arrangement and rotation in vacuum.

従来の装置における他の問題として、金属化合物薄膜を反応性成膜するときの安定性を確保することが困難となる場合があることが挙げられる。固体ソースECRプラズマ成膜法の大きな特徴として、金属ターゲットとアルゴン・酸素混合ガスとを用いて化合物薄膜を形成する反応性成膜がある。このような反応性成膜において、酸素流量をある微小な範囲に制御すると、ターゲット表面から金属元素がスパッタされて飛び出し、試料基板上に吸着した後に酸素が付着・反応して金属酸化物薄膜が形成されるようなプロセスで薄膜が成長する。これに対し、酸素流量を多くしていくとターゲット表面に酸素が付着して酸化し、酸化物の状態でスパッタされて飛び出すモードになる。前者のように、ターゲットから金属元素のままで飛び出す場合をメタルモード成膜、酸化物として飛び出す場合を酸化物モード成膜という。メタルモード成膜では、金属のスパッタリング効率が酸化物に比べて圧倒的に高いことから、成膜速度が大きく取れるという大きな利点がある。一方で、酸素雰囲気中でターゲット表面を常に安定に金属の状態で保つことが難しく、成膜中に何らかの要因でターゲット表面が酸化されて酸化物モードに移行してしまう問題があった。メタルモード成膜を安定に保持できる酸素流量範囲をメタルモードマージンと言い、この範囲が広いほど安定な成膜が可能となる。Siターゲットを用いたSiO成膜や、Alターゲットを用いたAl成膜では十分なマージンが確保できるが、その他の高融点金属酸化物成膜などでは十分でない場合が多く、特にTiO成膜では、これまで安定なメタルモード成膜が極めて困難であった。 Another problem with conventional devices is that it may be difficult to ensure stability when a metal compound thin film is formed reactively. A major feature of the solid source ECR plasma film formation method is reactive film formation in which a compound thin film is formed using a metal target and an argon / oxygen mixed gas. In such a reactive film formation, if the oxygen flow rate is controlled within a very small range, the metal element is sputtered out from the target surface, adsorbed on the sample substrate, and then the oxygen adheres and reacts to form the metal oxide thin film. The thin film grows in the process as it is formed. On the other hand, when the oxygen flow rate is increased, oxygen adheres to the target surface and oxidizes, and a mode in which it is sputtered and jumps out in the oxide state. As in the former case, the case of jumping out from the target with the metal element as it is is called metal mode film formation, and the case of jumping out as an oxide is called oxide mode film formation. In metal mode film formation, since the sputtering efficiency of metal is overwhelmingly higher than that of oxide, there is a great advantage that the film formation speed can be increased. On the other hand, it is difficult to always keep the target surface in a stable metallic state in an oxygen atmosphere, and there is a problem that the target surface is oxidized for some reason during film formation and shifts to an oxide mode. The oxygen flow rate range in which metal mode film formation can be stably maintained is called a metal mode margin, and the wider this range, the more stable film formation is possible. A sufficient margin can be secured by SiO 2 film formation using an Si target or Al 2 O 3 film formation using an Al target, but other refractory metal oxide film formation is often not sufficient, especially TiO 2. In 2 film formation, stable metal mode film formation has been extremely difficult so far.

特許第1553959号公報Japanese Patent No. 1553959 特許第1462543号公報Japanese Patent No. 1462543 特許第3208439号公報Japanese Patent No. 3208439

以上述べたように、従来の装置においては、基板上に均一に成膜するためには複雑な構造の機構を用いる必要があり、容易で均一性の高い成膜法が望まれていた。また、TiOなどの薄膜を安定にメタルモード成膜する装置が望まれていた。 As described above, in a conventional apparatus, it is necessary to use a mechanism having a complicated structure in order to uniformly form a film on a substrate, and an easy and highly uniform film forming method has been desired. In addition, there has been a demand for an apparatus that stably forms a thin film such as TiO 2 in a metal mode.

本発明の第1の目的は、プラズマ付着装置において大面積の基板上に薄膜を高均一に成膜する装置及び方法を提供することにある。また、第2の目的は、金属化合物を安定にメタルモード成膜する方法を提供することにある。   A first object of the present invention is to provide an apparatus and method for forming a thin film with high uniformity on a large-area substrate in a plasma deposition apparatus. A second object is to provide a method for stably depositing a metal compound in a metal mode.

本発明の第1は、改良されたプラズマ成膜装置に関する。本発明のプラズマ装置は、減圧に維持できる容器内に、少なくとも、試料基板を設置するための試料台と、試料台から一定の間隔をおいて配置された、貫通溝を有するターゲットまたは1組以上の互いに相対向して配置されたターゲットと、ターゲットから試料基板に飛来する粒子分布を制御する機構とを有することを特徴とする。   The first of the present invention relates to an improved plasma film forming apparatus. The plasma apparatus of the present invention includes at least a sample stage for placing a sample substrate in a container that can be maintained at a reduced pressure, and a target having a through groove disposed at a certain interval from the sample stage, or one or more sets. A target disposed opposite to each other, and a mechanism for controlling the distribution of particles flying from the target to the sample substrate.

本発明の一実施態様では、前記試料基板に飛来する粒子分布を制御する機構が、試料基板とターゲットとの間の任意の位置に設けられた遮蔽板である。本発明の別の実施形態では、試料基板に飛来する粒子分布を制御する機構が、貫通溝の内面またはターゲットの相対向した面に傾斜を設けたターゲットであり、この傾斜は、貫通溝の内面または対向した面が試料基板に近い側から、試料基板から最も離れた側に向けて離れるような傾斜であることを特徴とする。   In one embodiment of the present invention, the mechanism for controlling the distribution of particles flying to the sample substrate is a shielding plate provided at an arbitrary position between the sample substrate and the target. In another embodiment of the present invention, the mechanism for controlling the distribution of particles flying to the sample substrate is a target having an inclination on the inner surface of the through groove or the opposite surface of the target, and this inclination is the inner surface of the through groove. Alternatively, it is characterized in that the opposing surface is inclined so as to separate from the side close to the sample substrate toward the side farthest from the sample substrate.

本発明の装置の更に詳細な実施形態は、マイクロ波と磁界の相互作用による電子サイクロトロン共鳴放電を利用して減圧下においてプラズマを生成するように構成されたプラズマ生成室と、薄膜を形成すべき試料基板を設置するための試料台を備えた試料室と、前記プラズマ生成室と前記試料室との間に配置され前記プラズマ流を前記試料室に引き出すためのプラズマ引出し窓と、前記プラズマ生成室から前記試料室に向けて磁界強度が所定の勾配で弱くなる発散磁界の磁界分布をもつ磁界発生手段と、ターゲットを含むスパッタリング材料からなり、前記ターゲットが前記プラズマ引出し窓と前記試料台との間に前記プラズマ流を取り囲むように配置され、前記プラズマ流の一部のイオンにより前記ターゲットをスパッタし、スパッタ粒子を前記プラズマ流に取り込んで前記試料基板にまで輸送して入射させ、前記試料基板上に前記スパッタリング材料を含む薄膜を形成するようにしたプラズマ付着装置に関し、この装置が試料基板に飛来する粒子分布を制御する機構を有することを特徴とする。   A more detailed embodiment of the apparatus of the present invention should form a plasma generation chamber configured to generate a plasma under reduced pressure using an electron cyclotron resonance discharge by the interaction of a microwave and a magnetic field, and a thin film. A sample chamber provided with a sample stage for installing a sample substrate; a plasma extraction window disposed between the plasma generation chamber and the sample chamber for extracting the plasma flow into the sample chamber; and the plasma generation chamber A magnetic field generating means having a magnetic field distribution of a divergent magnetic field whose magnetic field strength is weakened with a predetermined gradient from the sample chamber toward the sample chamber, and a sputtering material including a target, the target being between the plasma extraction window and the sample stage Are arranged so as to surround the plasma flow, the target is sputtered by some ions of the plasma flow, and sputtered particles The present invention relates to a plasma deposition apparatus that takes in the plasma flow, transports it to the sample substrate and makes it incident, and forms a thin film containing the sputtering material on the sample substrate. It has a mechanism for controlling.

本発明の遮蔽板は、前記試料台側と前記ターゲット側との間の気体のコンダクタンスを抑制する構造を有していることを他の特徴とする。   Another feature of the shielding plate of the present invention is that it has a structure that suppresses gas conductance between the sample stage side and the target side.

本発明の第2は、プラズマ成膜装置を用いた成膜方法に関する。この方法は、電子サイクロトロン共鳴で発生させたプラズマの周囲に配置したターゲットに電圧を印加することにより、プラズマに含まれるイオンをターゲットに加速して入射させることでスパッタリング現象を生ぜしめ、放出したターゲット粒子を、近傍に配置した試料基板上に付着させて薄膜を形成する成膜方法であり、飛来するターゲット粒子の粒子分布を制御する機構を介して成膜することを特徴とする。更に、本発明の成膜方法は、不活性ガス及び反応性ガスの混合ガス雰囲気中で成膜を行うことができる。また、試料基板に飛来する粒子分布を制御する機構は、試料基板とターゲットとの間の任意の位置に設けられた遮蔽板であることが好ましい。更に前記遮蔽板は、前記試料台側と前記ターゲット側との間の気体のコンダクタンスを抑制する構造を有していることが好ましい。   The second of the present invention relates to a film forming method using a plasma film forming apparatus. In this method, a voltage is applied to a target arranged around the plasma generated by electron cyclotron resonance, thereby causing ions contained in the plasma to be accelerated and incident on the target, thereby causing a sputtering phenomenon and emitting the target. This is a film forming method for forming a thin film by attaching particles onto a sample substrate arranged in the vicinity, and is characterized in that the film is formed through a mechanism for controlling the particle distribution of flying target particles. Furthermore, the film forming method of the present invention can form a film in a mixed gas atmosphere of an inert gas and a reactive gas. The mechanism for controlling the distribution of particles flying on the sample substrate is preferably a shielding plate provided at an arbitrary position between the sample substrate and the target. Furthermore, it is preferable that the shielding plate has a structure for suppressing gas conductance between the sample stage side and the target side.

本発明の装置及び成膜方法では、大きな膜厚分布を抑制し、高均一な成膜が実現できる。また、ターゲット表面での原子のスパッタ速度を低下させること無く基板上への薄膜の成膜速度を下げることができ、化合物薄膜成膜時のメタルモードマージンを向上させることができる。   In the apparatus and film forming method of the present invention, a large film thickness distribution can be suppressed and highly uniform film formation can be realized. In addition, the deposition rate of the thin film on the substrate can be lowered without lowering the sputtering rate of atoms on the target surface, and the metal mode margin during compound thin film deposition can be improved.

更に、本発明の一実施形態である遮蔽板の構造を、ターゲット近傍と試料室との間の気体のコンダクタンスを小さくするように工夫することで、メタルモードマージンが更に大きくできる。   Furthermore, the metal mode margin can be further increased by devising the structure of the shielding plate according to an embodiment of the present invention so as to reduce the gas conductance between the vicinity of the target and the sample chamber.

本発明の第1は、改良された固体ソースECRプラズマ成膜装置である。以下に図面を参照して本発明を説明する。
第1図は、固体ソースECRプラズマ成膜装置の概略構造を示したものである。同図において、プラズマ生成室1と試料室2とは大気から隔離された密閉空間となっており、プラズマ引出し窓3を介して繋がっている。試料台4に置かれた試料基板5上に薄膜を形成するには、まず、プラズマ生成室1と試料室2を、排気路6を通して真空ポンプにより真空排気した後、ガス導入口(A)7または(B)8からガスを導入し所定の圧力に保持する。次いで、プラズマ生成室1の周囲に置かれた2つの磁気コイル9に電流を流して磁界を発生させた後、矩形導波管10に導かれたマイクロ波11をプラズマ生成室下部のマイクロ波導入窓12を通して真空側に導入する。これにより、プラズマ生成室1内で電子サイクロトロン共鳴が生じ、ECRプラズマが発生する。プラズマ生成室1で発生したプラズマは、発散磁界に沿ってプラズマ引出し窓3から試料基板5へプラズマ流13として流れ込む。この状態でスパッタ電源14を投入してターゲット15に電圧を印加すると、ECRプラズマ中のイオンがターゲット15に向かって加速を受け、そのイオン衝撃によってターゲット構成原子が真空中に放出される。ターゲット15から飛び出した粒子はあらゆる方向に進み、試料基板5上に薄膜を形成する。
The first of the present invention is an improved solid source ECR plasma deposition apparatus. The present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a schematic structure of a solid source ECR plasma film forming apparatus. In the figure, the plasma generation chamber 1 and the sample chamber 2 are sealed spaces that are isolated from the atmosphere, and are connected via a plasma extraction window 3. In order to form a thin film on the sample substrate 5 placed on the sample stage 4, first, the plasma generation chamber 1 and the sample chamber 2 are evacuated by a vacuum pump through the exhaust path 6, and then the gas introduction port (A) 7. Alternatively, gas is introduced from (B) 8 and maintained at a predetermined pressure. Next, a current is passed through the two magnetic coils 9 placed around the plasma generation chamber 1 to generate a magnetic field, and then the microwave 11 guided to the rectangular waveguide 10 is introduced into the lower part of the plasma generation chamber. It introduces to the vacuum side through the window 12. As a result, electron cyclotron resonance occurs in the plasma generation chamber 1, and ECR plasma is generated. The plasma generated in the plasma generation chamber 1 flows as a plasma flow 13 from the plasma extraction window 3 to the sample substrate 5 along the divergent magnetic field. When the sputtering power supply 14 is turned on and a voltage is applied to the target 15 in this state, ions in the ECR plasma are accelerated toward the target 15 and target constituent atoms are released into the vacuum by the ion bombardment. The particles that have jumped out of the target 15 travel in all directions and form a thin film on the sample substrate 5.

図1の装置において、ターゲットからスパッタされた粒子は、一般に、ターゲット表面に対して垂直方向の成分が最も多くなるような余弦則に従って放出する。例えば、円筒状のターゲットにおいても、ターゲット表面全体から放出した粒子のうち、試料室に置かれた試料基板に向かうものだけが成膜に寄与する。このため、通常の配置関係においては、試料基板の中央が厚く、周囲が薄くなるような同心円状の膜厚分布となる。例えば、内径100mm、高さ40mmのターゲットを用いて成膜した場合、基板上に形成される薄膜の膜厚は中央から5cm離れた位置では中央よりも10%近く薄くなる。   In the apparatus of FIG. 1, the particles sputtered from the target are generally emitted according to the cosine law such that the component in the direction perpendicular to the target surface is the largest. For example, even in a cylindrical target, only the particles emitted from the entire target surface toward the sample substrate placed in the sample chamber contribute to the film formation. For this reason, in a normal arrangement relationship, the sample substrate has a concentric film thickness distribution in which the center of the sample substrate is thick and the periphery is thin. For example, when a film is formed using a target having an inner diameter of 100 mm and a height of 40 mm, the thickness of the thin film formed on the substrate is nearly 10% thinner than the center at a position 5 cm away from the center.

このように、固体ソースECRプラズマ成膜装置では、試料基板上に均一に成膜することが困難であった。本発明は図1に示される装置のこの問題点を改良したことを第1の特徴とする。   As described above, in the solid source ECR plasma film forming apparatus, it is difficult to form a film uniformly on the sample substrate. The first feature of the present invention is that this problem of the apparatus shown in FIG. 1 is improved.

本発明において、ターゲットは、貫通溝を有するターゲットまたは1組以上の互いに相対向して配置されたターゲットであることが好ましい。これらの具体例としては、円筒形、角柱形の貫通溝を有する筒状ターゲット、または、対向配置された少なくとも1つの一対のターゲットなどを挙げることができる。円筒形や角柱形の貫通溝を有するターゲットの場合、ターゲットの貫通溝は試料基板に対して垂直な方向を向いており、貫通溝の面からスパッタ粒子が放出される。また、対向配置されたターゲットの場合、対向面は試料基板に対して垂直であり、この対向面からスパッタ粒子が放出される。   In the present invention, the target is preferably a target having a through groove or a pair of targets arranged to face each other. Specific examples thereof include a cylindrical target having a cylindrical or prismatic through groove, or at least one pair of targets arranged to face each other. In the case of a target having a cylindrical or prismatic through groove, the through groove of the target faces a direction perpendicular to the sample substrate, and sputtered particles are emitted from the surface of the through groove. Further, in the case of a target arranged oppositely, the opposing surface is perpendicular to the sample substrate, and sputtered particles are emitted from this opposing surface.

ターゲットの材質としてはあらゆる固体材料が利用でき、代表的なものとして、シリコン、アルミニウム、ベリリウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、炭素、バナジウム、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、ニオブ、コバルト、ニッケル、亜鉛などのほか、STOやPZTなどの化合物も用いられる。   Any solid material can be used as the target material. Typical examples are silicon, aluminum, beryllium, magnesium, titanium, zirconium, hafnium, carbon, vanadium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, niobium, cobalt, nickel, In addition to zinc, compounds such as STO and PZT are also used.

ターゲットの大きさは、ターゲットの材料、成膜条件などにより適宜選択すればよいが、例えば円筒状のターゲットの場合、内径50mm〜500mm、高さ10mm〜100mmのターゲットを用いることができる。   The size of the target may be appropriately selected depending on the target material, film forming conditions, and the like. For example, in the case of a cylindrical target, a target having an inner diameter of 50 mm to 500 mm and a height of 10 mm to 100 mm can be used.

また、本発明では、成膜する際にアルゴンやキセノンなどの不活性ガス以外に酸素、窒素、フッ素などの反応性ガスを組み合わせて用いることができる。このような混合ガスを用いれば、ターゲットが単体金属の場合でもシリコン酸化物やシリコン窒化物、アルミナなどの酸化物、窒化物のほか、あらゆる化合物薄膜を形成することができ、これらに対して本発明の効果がある。本発明では不活性ガスと、酸素、窒素またはフッ素などの反応性ガスの混合比は、0%から100%の範囲で可変である。   In the present invention, a reactive gas such as oxygen, nitrogen, or fluorine can be used in combination with an inert gas such as argon or xenon when forming a film. If such a mixed gas is used, even if the target is a single metal, it is possible to form thin films of various compounds in addition to oxides and nitrides such as silicon oxide, silicon nitride, and alumina. There is an effect of the invention. In the present invention, the mixing ratio of the inert gas and the reactive gas such as oxygen, nitrogen or fluorine is variable in the range of 0% to 100%.

本発明は、ターゲットと試料基板との間に、スパッタ粒子の通過を抑制することにより試料基板に飛来する粒子分布を制御する機構を有する点が特徴である。この機構の第1の態様は、試料基板とターゲットとの間の任意の位置に設けられた遮蔽板である。遮蔽板は、円筒状ターゲットに対してはリング状であることが好ましい。また、スパッタの際のメタルモードマージンを大きくするために、遮蔽板の構造をターゲット近傍と試料室との間の気体のコンダクタンスを小さくするように工夫することも好ましい。このような工夫は、遮蔽板をリング状とし、リング外周部とその取り付け周囲との間の密閉性を十分に確保する構造とすることである。   The present invention is characterized in that it has a mechanism for controlling the distribution of particles flying on the sample substrate by suppressing the passage of sputtered particles between the target and the sample substrate. The first aspect of this mechanism is a shielding plate provided at an arbitrary position between the sample substrate and the target. The shielding plate is preferably ring-shaped with respect to the cylindrical target. In order to increase the metal mode margin during sputtering, it is also preferable to devise the structure of the shielding plate so as to reduce the gas conductance between the vicinity of the target and the sample chamber. Such a contrivance is to make the shielding plate into a ring shape and to ensure a sufficient sealing property between the outer periphery of the ring and its mounting periphery.

遮蔽板がリング状である場合、その内径は成膜条件によって異なるが、例えばターゲットの内径の50%から90%とすることができる。また、遮蔽板にはSUSやチタン、アルミニウムなどのあらゆる金属の他、石英やアルミナなどの絶縁体、シリコンのような半導体などを用いることができる。   When the shielding plate is ring-shaped, its inner diameter varies depending on the film forming conditions, but can be, for example, 50% to 90% of the inner diameter of the target. For the shielding plate, any metal such as SUS, titanium, and aluminum, an insulator such as quartz and alumina, and a semiconductor such as silicon can be used.

試料基板に飛来する粒子分布を制御する機構の第2の態様は、ターゲットの貫通溝の面または対向するターゲットの対向面に設けた傾斜構造である。本発明の傾斜構造は、貫通溝の面または対向するターゲットの対向面が、基板に近い側から遠い側に向けて広がるように傾斜されていることが好ましい。この傾斜の角度は、5°〜15°が好ましい。   The second aspect of the mechanism for controlling the distribution of particles flying on the sample substrate is an inclined structure provided on the surface of the through groove of the target or the opposing surface of the opposing target. The inclined structure of the present invention is preferably inclined so that the surface of the through groove or the opposing surface of the opposing target spreads from the side closer to the substrate toward the side farther from the substrate. The inclination angle is preferably 5 ° to 15 °.

本発明の第2は、上記装置を用いた成膜方法である。本発明の方法は、電子サイクロトロン共鳴で発生させたプラズマの周囲に配置したターゲットに電圧を印加することにより、プラズマに含まれるイオンをターゲットに加速して入射させることでスパッタリング現象を生ぜしめ、放出したターゲット粒子を、近傍に配置した試料基板上に付着させて薄膜を形成する成膜方法において、飛来するターゲット粒子の粒子分布を制御する機構を介して成膜することを特徴とする。   A second aspect of the present invention is a film forming method using the above apparatus. In the method of the present invention, a voltage is applied to a target arranged around a plasma generated by electron cyclotron resonance, thereby causing ions contained in the plasma to be accelerated and incident on the target, thereby causing a sputtering phenomenon and emission. In a film forming method for forming a thin film by attaching the target particles to a sample substrate arranged in the vicinity, the film is formed through a mechanism for controlling the particle distribution of the flying target particles.

本発明の方法では、不活性ガス単独、または不活性ガスと、酸素、窒素またはフッ素などの反応性ガスの混合ガスを使用することができる。混合ガスを用いる場合、ガスの混合比は、0%から100%の範囲で可変である。   In the method of the present invention, an inert gas alone or a mixed gas of an inert gas and a reactive gas such as oxygen, nitrogen or fluorine can be used. When a mixed gas is used, the mixing ratio of the gas is variable in the range of 0% to 100%.

本発明の成膜方法では、ターゲットは第1の発明で説明した通りである。ターゲット粒子の粒子分布を制御する機構の第1の態様は遮蔽板である。特に、ターゲットの形状が円筒形である場合には、遮蔽板はリング状であることが好ましい。このような円筒ターゲットでは、遮蔽板をリング状とし、リング外周部とその取り付け周囲との間の密閉性を十分に確保する構造とすることが望ましい。遮蔽板がリングである場合の材質や内径などは第1の発明で説明した通りである。また、該手段の第2の態様は、ターゲットに設けた傾斜構造である。傾斜の構造は第1の発明で説明した通りである。   In the film forming method of the present invention, the target is as described in the first invention. The first aspect of the mechanism for controlling the particle distribution of the target particles is a shielding plate. In particular, when the target has a cylindrical shape, the shielding plate is preferably ring-shaped. In such a cylindrical target, it is desirable that the shielding plate has a ring shape and has a structure that ensures sufficient sealing between the outer periphery of the ring and the periphery of the ring. The material, inner diameter, and the like when the shielding plate is a ring are as described in the first invention. Moreover, the 2nd aspect of this means is the inclination structure provided in the target. The inclined structure is as described in the first invention.

これらのターゲット粒子の粒子分布を制御する機構を用いて成膜することで、試料基板上に均一に薄膜を形成することが可能となる。また、ターゲット近傍と試料基板の存在する空間との間の気体のコンダクタンスを小さくすることにより、混合ガスを用いた場合であってもターゲット表面の酸化等を抑制でき、メタルモードマージンを大きくできる。   By forming a film using a mechanism for controlling the particle distribution of these target particles, a thin film can be uniformly formed on the sample substrate. Further, by reducing the gas conductance between the vicinity of the target and the space where the sample substrate exists, even if a mixed gas is used, oxidation of the target surface can be suppressed and the metal mode margin can be increased.

以下に実施例により本発明を更に詳細に説明する。
(実施例1)
円筒型ターゲットと試料基板との間に遮蔽板を設置することによって、試料基板上に形成される膜厚分布を均一化した実施例を第2図に示す。同図のターゲット15は、内径100mm、高さ40mmの円筒状をなし、その上下面は、ターゲットと電気的に真空絶縁された金属シールド16によってカバーされている。またターゲットの外周面は、バッキングチューブ17と呼ばれる金属製の裏板を介して水冷される構造となっている。このため、ターゲット原子がスパッタされて飛び出す領域はターゲット内周面のみである。試料基板は、中心位置を円筒ターゲットの中心に一致させて、ターゲット上端からおよそ200mm離れた上方に置かれている。このような配置関係の装置において、ターゲット上端から12mmの距離に様々な内径Dを有するリング状の遮蔽板18を設置した。ターゲットは電気的に周囲から絶縁されており、ECRプラズマを発生させた後に、ターゲットにRFパワーを印加することによりターゲット元素がスパッタされて飛び出すことになる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
(Example 1)
FIG. 2 shows an embodiment in which the thickness distribution formed on the sample substrate is made uniform by installing a shielding plate between the cylindrical target and the sample substrate. The target 15 shown in the figure has a cylindrical shape with an inner diameter of 100 mm and a height of 40 mm, and the upper and lower surfaces thereof are covered with a metal shield 16 that is electrically vacuum-insulated from the target. In addition, the outer peripheral surface of the target has a structure that is water-cooled through a metal back plate called a backing tube 17. For this reason, the region where the target atoms are sputtered out is only the inner peripheral surface of the target. The sample substrate is placed approximately 200 mm away from the upper end of the target with the center position coincident with the center of the cylindrical target. In such an arrangement-related apparatus, a ring-shaped shielding plate 18 having various inner diameters D was installed at a distance of 12 mm from the upper end of the target. The target is electrically insulated from the surroundings, and after generating ECR plasma, by applying RF power to the target, the target element is sputtered out.

このような配置において、試料基板上に形成される薄膜の膜厚分布をシミュレーションした結果を第3図に示す。   FIG. 3 shows the result of simulating the film thickness distribution of the thin film formed on the sample substrate in such an arrangement.

ここでは、ターゲット表面から飛び出す粒子の密度分布は、ターゲット表面の垂線となす角度をθとしたときにcosθに比例するものと仮定している。シミュレーションでは、ターゲット表面一点から放出して基板表面に到達する粒子を、ターゲット表面全面にわたって積分している。また、気相中でのガス衝突による散乱効果についても考慮している。図から明らかなように、遮蔽リングの内径Dをターゲット内径と同一の100mmとした場合、すなわち遮蔽しない状態では大きな膜厚分布が見られる一方で、リング径を小さくするに従って中央部の膜厚が減少し、均一性が改善されている。遮蔽リングの内径Dを86mmとしたときに、ほぼ平坦な分布が得られている。それ以上にリング径を小さくすると中央の膜厚が薄くなり凹状の分布となってしまう。   Here, it is assumed that the density distribution of particles popping out from the target surface is proportional to cos θ, where θ is the angle formed with the perpendicular to the target surface. In the simulation, particles that reach the substrate surface after being emitted from one point on the target surface are integrated over the entire surface of the target. In addition, the scattering effect due to gas collision in the gas phase is also considered. As is apparent from the figure, when the inner diameter D of the shielding ring is set to 100 mm, which is the same as the target inner diameter, that is, a large film thickness distribution is seen when the shield is not shielded. Reduced and uniformity is improved. When the inner diameter D of the shielding ring is 86 mm, a substantially flat distribution is obtained. If the ring diameter is made smaller than that, the film thickness at the center becomes thin, resulting in a concave distribution.

遮蔽リングを挿入することによって膜厚の均一性が改善されるメカニズムは、第2図に示した単純なモデルを用いて説明することができる。簡単のために、ターゲット中央部におけるスパッタリング現象に着目すると、この点から飛び出す粒子はあらゆる方向に進むが、そのうちターゲット表面に対して垂直方向の成分が最も多く、それ以外の角度成分は余弦則に従って小さくなる。図2の実線矢印で示した粒子は、気相中でのある程度の衝突を経て試料基板の周囲に付着する成分であり、一方、破線矢印方向に進む粒子の大部分は試料基板の中央に付着する。遮蔽リングを挿入すると、図からも明らかなように、破線の成分は遮蔽リングに遮断されて試料基板には到達できない。このような現象はターゲット全面から飛び出した粒子について同様に生じるので、試料基板上にはこれらを全て集めたような膜厚分布で薄膜が形成される。遮蔽リングを挿入することによって、平均的には試料基板の中央部分の付着量をカットしたような効果が得られ、均一性が向上することとなる。   The mechanism by which the uniformity of the film thickness is improved by inserting the shielding ring can be explained using a simple model shown in FIG. For simplicity, paying attention to the sputtering phenomenon at the center of the target, the particles popping out from this point travel in all directions, but most of them are perpendicular to the target surface, and the other angular components follow the cosine law. Get smaller. The particles shown by solid line arrows in FIG. 2 are components that adhere to the periphery of the sample substrate after a certain amount of collision in the gas phase, while most of the particles traveling in the direction of the broken line arrows adhere to the center of the sample substrate. To do. When the shielding ring is inserted, the broken line component is blocked by the shielding ring and cannot reach the sample substrate, as is apparent from the figure. Such a phenomenon occurs in the same manner with respect to particles protruding from the entire surface of the target, so that a thin film is formed on the sample substrate with a film thickness distribution as if all of these were collected. By inserting the shielding ring, on average, the effect of cutting the amount of adhesion at the central portion of the sample substrate is obtained, and the uniformity is improved.

第4図は、遮蔽リングの内径Dを80mmに固定したまま、ターゲット上端との距離を0〜32mmの間で可変したときの膜厚分布をシミュレーションした結果である。内径は同じでも距離を近づけることによって均一化の効果が強化されるが、その分だけ成膜速度の低下が目立ってくる。内径80mmの場合には、20mm程度離した位置が最も高均一となっている。   FIG. 4 shows the result of simulating the film thickness distribution when the distance from the upper end of the target is varied between 0 and 32 mm while the inner diameter D of the shielding ring is fixed at 80 mm. Even if the inner diameter is the same, the effect of homogenization is strengthened by reducing the distance, but the film formation rate is significantly reduced accordingly. In the case of an inner diameter of 80 mm, the positions separated by about 20 mm are the most uniform.

第5図は、Siターゲットを用いて実際にSiO膜を形成した結果を示している。この成膜の条件として、圧力約0.1Paのもとで、ガス流量(ガス:アルゴン)を20SCCMとしたうえで、マイクロ波パワー、RFパワーとも500Wを使用した。遮蔽リング(材質:SUS)とターゲットとの距離Hは12mmに固定し、リング径Dを可変とした。遮蔽リングの無い従来構造では、基板中心から±30mmの面内で±4.61%の膜厚分布があるのに対し、内径80mmの遮蔽リングを用いることによって±1.39%にまで改善されている。第6図はAlターゲットを用いてAlを成膜した結果である(成膜条件は、上記と同じである)。SiO膜と同様に、膜厚分布は従来構造の±5.75%から±1.26%にまで改善されることが確認される。実験で得られた膜厚分布とシミュレーション結果との間には多少のずれが見られるが、リング径を小さくしていくと中央が凹状になる傾向は一致している。シミュレーションとの差異の要因としては、メタルモード成膜においてターゲットの全表面が酸化されないで、ある一定の領域のみが酸化されることが一要因と考えられる。そのほかにも、ターゲットから放出される粒子が一般にはcosθに比例し、nの値がターゲットの結晶構造や表面状態によって変わること、気相中での散乱効果がガス圧力に依存することなど、シミュレーション上の問題が考えられる。これらについてはパラメータを合わせ込むことで、更にシミュレーションの精度を向上させることが可能である。 FIG. 5 shows the result of actually forming the SiO 2 film using the Si target. As conditions for the film formation, a gas flow rate (gas: argon) was set to 20 SCCM under a pressure of about 0.1 Pa, and 500 W was used for both microwave power and RF power. The distance H between the shielding ring (material: SUS) and the target was fixed at 12 mm, and the ring diameter D was variable. The conventional structure without a shield ring has a film thickness distribution of ± 4.61% within a plane of ± 30 mm from the center of the substrate, but is improved to ± 1.39% by using a shield ring with an inner diameter of 80 mm. ing. FIG. 6 shows the result of depositing Al 2 O 3 using an Al target (deposition conditions are the same as above). Similar to the SiO 2 film, it is confirmed that the film thickness distribution is improved from ± 5.75% of the conventional structure to ± 1.26%. Although there is a slight difference between the film thickness distribution obtained in the experiment and the simulation result, the tendency that the center becomes concave as the ring diameter is reduced is consistent. One possible reason for the difference from the simulation is that the entire surface of the target is not oxidized in metal mode film formation, and only a certain region is oxidized. In addition, particles emitted from the target are generally proportional to cos n θ, the value of n varies depending on the crystal structure and surface state of the target, and the scattering effect in the gas phase depends on the gas pressure. There may be a simulation problem. About these, it is possible to improve the precision of simulation further by combining parameters.

以上に示した結果から分かるように、遮蔽リングの内径Dとターゲットからの距離Hを変化させることによって、試料基板上の膜厚分布を均一化することが可能となる。しかしながら最適な均一条件は、ターゲット材料やガス種、ガス圧力、マイクロ波パワー、RFパワーなど諸々の成膜条件によって変化する。また、成膜を続けるとターゲット材料が消耗して内径が大きくなり、必要なリングの内径もわずかに変わってくる。このような状況に対応するために、各種内径を有する遮蔽リングをいくつか用意しておいて、必要に応じて取り替えることで対応可能である。リングを交換する代わりに、リングに上下機構を付加してターゲットとの距離を変えることによっても分布の最適化が可能である。内径を変えるには部品を交換しなければならないが、上下機構であれば、成膜しながらでも可変可能であり、利便性が高い。ECRプラズマにおいては遮蔽リングは電気的にフローティングにするのが望ましく、石英やアルミナなどの絶縁材料で製作するか、または保持部分を絶縁材料とするのが好ましい。   As can be seen from the results shown above, the film thickness distribution on the sample substrate can be made uniform by changing the inner diameter D of the shielding ring and the distance H from the target. However, the optimum uniform condition varies depending on various film forming conditions such as the target material, gas type, gas pressure, microwave power, and RF power. Further, when the film formation is continued, the target material is consumed and the inner diameter is increased, and the required inner diameter of the ring is slightly changed. In order to cope with such a situation, it is possible to prepare several shielding rings having various inner diameters and replace them as necessary. Instead of exchanging the ring, the distribution can be optimized by adding a vertical mechanism to the ring and changing the distance from the target. In order to change the inner diameter, the parts must be replaced. However, the vertical mechanism can be changed even while the film is formed, which is highly convenient. In ECR plasma, it is desirable that the shield ring be electrically floating, and it is preferable that the shield ring is made of an insulating material such as quartz or alumina, or the holding portion is made of an insulating material.

上記実施例では、固体ソースECRプラズマ成膜法において、円筒型ターゲットを用いる場合について説明したが、ECRプラズマを用いない一般的なスパッタ法においても、ターゲットからの放出分布は原理的に同じであり、上記と同等の効果が得られる。また、プラズマの生成手段に拘わらず、ターゲット形状が円筒型でなく板状の二枚のターゲットが対向して配置された対向ターゲットの場合にも、その断面構造は第2図に示されているものと同様であり、従って、同等の効果が得られる。対向ターゲットは必ずしも平行に配置する必要はなく、場合によっては多少、試料基板側の間隔を広げた方が成膜速度が向上して具合が良い場合がある。円筒ターゲットについても、試料基板側に数度程度ラッパ状に開いた構造で、成膜速度が向上することが実験的に確認されている。   In the above embodiment, the case where a cylindrical target is used in the solid source ECR plasma film forming method has been described. However, even in a general sputtering method that does not use ECR plasma, the emission distribution from the target is the same in principle. The effect equivalent to the above can be obtained. In addition, regardless of the plasma generation means, the cross-sectional structure is also shown in FIG. 2 in the case where the target shape is not a cylindrical shape but two plate-like targets are arranged to face each other. Therefore, the same effect can be obtained. The opposing targets do not necessarily need to be arranged in parallel, and in some cases, the film formation speed may be improved and the condition may be better if the interval on the sample substrate side is somewhat widened. It has been experimentally confirmed that the cylindrical target also has a structure that is opened in a trumpet shape on the sample substrate side by several degrees to improve the film forming speed.

ターゲット材料としてはあらゆる固体材料が利用でき、代表的なものとして、シリコン、アルミニウム、ベリリウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、炭素、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル、亜鉛などのほか、STOやPZTなどの化合物も用いられる。また、成膜する際にアルゴンやヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガス以外に酸素や窒素、フッ素などの反応性ガスを組み合わせて用いれば、ターゲットが単体金属の場合でもシリコン酸化物やシリコン窒化物、アルミナなどの酸化物、窒化物のほか、あらゆる化合物薄膜を形成することができ、これらに対して本発明の効果がある。   Any solid material can be used as the target material. Typical examples are silicon, aluminum, beryllium, magnesium, titanium, zirconium, hafnium, carbon, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, nickel, and zinc. In addition, compounds such as STO and PZT are also used. In addition, when a reactive gas such as oxygen, nitrogen, or fluorine is used in combination with an inert gas such as argon, helium, neon, krypton, or xenon when forming a film, silicon oxide or In addition to oxides and nitrides such as silicon nitride and alumina, any compound thin film can be formed.

ここで、特に原子量の大きな材料、例えばジルコニウムやモリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステンのようなターゲットを用いる場合には、図3〜図6に示すような平坦な膜厚分布となりにくい場合があることに注意を払う必要がある。これは、ターゲットからの放出粒子が重いために、スパッタガスであるアルゴンによる十分な散乱を受けないで直進する傾向が強い場合であり、このために基板の中心から半径方向に膜厚の凹凸が生じることになる。このような現象を軽減するために、散乱効果の大きいクリプトンやキセノンなどの希ガスをスパッタガスとして用いる方法がある。散乱効果は、衝突する粒子同士の大きさや重さに大きく影響されるので、ターゲット材料に対して最も効率的なスパッタガスを選択するとよい。キセノンなどは高価なガスであるので、必要とする最小限の消耗量とするために、例えばアルゴンガスで50%程度まで希釈してもよい。   Here, when using a material having a particularly large atomic weight, for example, a target such as zirconium, molybdenum, hafnium, tantalum, or tungsten, it may be difficult to obtain a flat film thickness distribution as shown in FIGS. It is necessary to pay attention. This is a case where the emitted particles from the target are heavy, so that there is a strong tendency to go straight without being sufficiently scattered by the sputtering gas argon. Will occur. In order to reduce such a phenomenon, there is a method of using a rare gas such as krypton or xenon having a large scattering effect as a sputtering gas. Since the scattering effect is greatly affected by the size and weight of the colliding particles, it is preferable to select the most efficient sputtering gas for the target material. Since xenon or the like is an expensive gas, it may be diluted to, for example, about 50% with argon gas in order to achieve the minimum required consumption.

膜厚分布をより均一にする他の方法として、リングの形状に工夫を加えることが考えられる。例えば、内径80mm程度のリングの内周全体にわたって、高さ、幅とも4mm程度の突起を4mm間隔で設け、歯車状とすることにより、膜厚分布をよりなめらかにすることができる。突起の高さや幅は例えば、1mm程度から10mm程度の範囲で分布が最適となるように選択可能である。また、その形状は矩形でなく三角形状としてもよい。さらに、リングの内周部分を歯車状にしないで、数mm前後のメッシュを配置してもよい。要するに、ターゲットからの放出粒子のリング内側での遮蔽性を内周境界で0〜100%に明確に分離することなく、10〜90%程度の遮蔽性をもって設定できる手段であれば、どのような仕組みであってもよい。   As another method for making the film thickness distribution more uniform, it is conceivable to devise the shape of the ring. For example, the film thickness distribution can be made smoother by providing protrusions having a height and width of about 4 mm at intervals of 4 mm over the entire inner circumference of the ring having an inner diameter of about 80 mm and forming a gear shape. The height and width of the protrusions can be selected so that the distribution is optimal, for example, in the range of about 1 mm to about 10 mm. Further, the shape may be a triangle instead of a rectangle. Furthermore, a mesh of around several mm may be arranged without making the inner peripheral portion of the ring into a gear shape. In short, any means can be set with a shielding property of about 10 to 90% without clearly separating the shielding property inside the ring of emitted particles from the target to 0 to 100% at the inner boundary. It may be a mechanism.

(実施例2)
第2の実施例では、遮蔽リング(材質:高純度アルミナ(純度99.99%))を設置した第2図と同様な装置構造を用いてTiO膜を形成した。第7図は、遮蔽リングの内径Dを従来の100mmから80mmまで変化させたときの基板上のTiO膜厚分布を示している。遮蔽リングとターゲットとの距離Hは12mmに固定し、圧力約0.03Paのもとでアルゴン流量を7SCCMとしたうえで、マイクロ波パワー、RFパワーとも600Wに設定して成膜した。膜厚分布の結果は第1の実施例と同様な傾向が得られているが、最適な均一性はリング内径Dを84mmとした場合である。
(Example 2)
In the second example, a TiO 2 film was formed using the same device structure as that in FIG. 2 in which a shielding ring (material: high-purity alumina (purity 99.99%)) was installed. FIG. 7 shows the TiO 2 film thickness distribution on the substrate when the inner diameter D of the shielding ring is changed from the conventional 100 mm to 80 mm. The distance H between the shielding ring and the target was fixed to 12 mm, the argon flow rate was set to 7 SCCM under a pressure of about 0.03 Pa, and the microwave power and the RF power were set to 600 W for film formation. The result of the film thickness distribution shows the same tendency as in the first embodiment, but the optimum uniformity is when the ring inner diameter D is 84 mm.

遮蔽リングが無い従来のTiO成膜に関しては、単に均一性だけでなく、いくつかの大きな問題があった。その第1点として、メタルモードマージンが小さいことが挙げられる。第8図は、Tiターゲットを用いてTiO膜を形成するときに、ターゲットの直流電位成分Vdcが酸素流量に対してどのように変化するかを調べたものである。アルゴンガスを20SCCM流して圧力0.1Pa程度に保持した状態で、マイクロ波パワー、RFパワーとも500W印加している。酸素流量0SCCM、すなわちアルゴンガスのみの場合には、ターゲットから飛び出したチタン原子がそのまま試料基板上に到達してチタン薄膜が形成されるが、酸素を添加した場合には一定酸素流量以上においてTiO薄膜が形成されることになる。一方、ターゲット表面に着目すると、酸素流量が少ない間はターゲット表面にはチタン金属が露出しているが、酸素流量を増大させていくと過剰な酸素がターゲット表面に吸着して酸化膜で覆われるようになる。表面が酸化物で覆われると2次電子放出係数などの違いによってインピーダンスが下がり、パワーを一定とした場合にはその分だけ電圧Vdcの絶対値は小さくなる。同図でもその変化を読み取ることができ、4.5SCCM前後で|Vdc|が僅かに低下している。このように、Vdcの変化を調べることによって、ターゲット表面の酸化状態を判定することが可能である。第8図において、酸素流量を増大させたときに|Vdc|は高い値から低い値に移り、それ以外の領域では酸素流量に対してほぼ一定の値を示している。酸素流量を多い方から下げた場合には|Vdc|は必ずしも4.5SCCM付近で高い値に戻るわけではなく、2SCCM程度でようやく元に戻る。このように、ターゲット表面が一旦酸素で覆われるとスパッタ効率が低いために除去されない状態が保持されて、ヒステリシス特性を示すことになる。このヒステリシスが大きい、すなわち酸素流量の差異と|Vdc|変化量との積が大きいと、メタルモードマージンが高くなって成膜が安定に維持される。しかしながら、第8図の特性はVdcの差異が小さく、マージンは十分とは言えない。第9図は、遮蔽リング(D=80mm)を用いたうえ、アルゴン流量7SCCM、マイクロ波パワー/RFパワーを600Wとして成膜条件を最適化した場合の同様な特性である。Vdcの変化量が100V程度まで大きくなり、十分なメタルモードマージンが得られている。 The conventional TiO 2 film formation without a shielding ring has several major problems in addition to uniformity. The first point is that the metal mode margin is small. FIG. 8 shows how the DC potential component Vdc of the target changes with respect to the oxygen flow rate when a TiO 2 film is formed using a Ti target. In a state where argon gas was flowed at 20 SCCM and the pressure was maintained at about 0.1 Pa, both microwave power and RF power were applied. In the case where the oxygen flow rate is 0 SCCM, that is, only argon gas is used, titanium atoms jumping out of the target reach the sample substrate as they are to form a titanium thin film. However, when oxygen is added, TiO 2 is used at a certain oxygen flow rate or higher. A thin film will be formed. On the other hand, when focusing on the target surface, titanium metal is exposed on the target surface while the oxygen flow rate is low, but as the oxygen flow rate is increased, excess oxygen is adsorbed on the target surface and covered with an oxide film. It becomes like this. When the surface is covered with an oxide, the impedance decreases due to the difference in secondary electron emission coefficient and the like, and when the power is constant, the absolute value of the voltage Vdc decreases accordingly. The change can also be read in the figure, and | Vdc | slightly decreases around 4.5 SCCM. Thus, by examining the change in Vdc, it is possible to determine the oxidation state of the target surface. In FIG. 8, when the oxygen flow rate is increased, | Vdc | shifts from a high value to a low value, and in other regions, the value is almost constant with respect to the oxygen flow rate. When the oxygen flow rate is decreased from the larger one, | Vdc | does not necessarily return to a high value in the vicinity of 4.5 SCCM, but finally returns to about 2 SCCM. In this way, once the target surface is covered with oxygen, the sputtering efficiency is low and the state where it is not removed is maintained and exhibits hysteresis characteristics. If this hysteresis is large, that is, if the product of the difference in oxygen flow rate and the | Vdc | variation is large, the metal mode margin becomes high and film formation is stably maintained. However, in the characteristics of FIG. 8, the difference in Vdc is small and the margin is not sufficient. FIG. 9 shows the same characteristics when using a shielding ring (D = 80 mm) and optimizing the film formation conditions with an argon flow rate of 7 SCCM and a microwave power / RF power of 600 W. The amount of change in Vdc increases to about 100 V, and a sufficient metal mode margin is obtained.

遮蔽リングによってメタルモードマージンが改善される理由としては、以下のようなメカニズムがある。メタルモード成膜においては、試料基板側に十分な酸素供給して酸化を促進する一方で、ターゲット表面の酸化は確実に防ぐことが要件となる。遮蔽リングを設置した場合の第1の効果として、ターゲット表面のスパッタ速度は何ら変わらないのに対し、試料基板上の成膜速度は半分程度にまで低下することが挙げられる。これにより、ターゲット表面を従来と同等に金属状態に保ちながら、より長い時間、試料基板上に酸素供給を行うことができ、より確実に酸化膜を形成することが可能となる。遮蔽リングの第2の効果としては、試料室側とターゲットとの間に遮蔽リングを設置することによって、気体のコンダクタンスが抑制される影響がある。すなわち、遮蔽リングによって試料室側からターゲットへの酸素の供給が抑制され、試料基板側には十分に酸素を供給しつつターゲット表面の酸化を防ぐことが可能となる。   The reason why the metal mode margin is improved by the shielding ring is as follows. In the metal mode film formation, it is a requirement to reliably prevent oxidation of the target surface while supplying sufficient oxygen to the sample substrate side to promote oxidation. As a first effect when the shielding ring is installed, the sputtering rate on the target surface is not changed at all, whereas the deposition rate on the sample substrate is reduced to about half. As a result, oxygen can be supplied onto the sample substrate for a longer time while keeping the target surface in the metal state as in the conventional case, and the oxide film can be more reliably formed. The second effect of the shielding ring is that the gas conductance is suppressed by installing the shielding ring between the sample chamber side and the target. That is, the supply of oxygen from the sample chamber side to the target is suppressed by the shielding ring, and it becomes possible to prevent the target surface from being oxidized while sufficiently supplying oxygen to the sample substrate side.

遮蔽リングの上述の効果により、TiOの膜質が大きく改善されることになる。従来の通常のメタルモードで形成したTiO膜は絶縁特性が不十分で導電性を示していたが、遮蔽リングを用いることで確実に絶縁性の薄膜が得られるようになった。結晶性に関しても従来はほぼアモルファス状であったのに対し、より安定なルチル型またはアナターゼ型の結晶構造が得られるようになった。また、このような結晶性の違いにより、光学的な屈折率も、これまでは2.3〜2.4の範囲でばらついていたが、安定に2.5以上に制御できるようになった。また、これまで、1枚ごとの成膜再現性が問題となっていたが、第10図に示すように、多数枚の基板上に成膜速度や屈折率の大きな変動無く安定に成膜できるようになった。 Due to the above-described effect of the shielding ring, the film quality of TiO 2 is greatly improved. The conventional TiO 2 film formed in the normal metal mode has insufficient insulation properties and exhibits conductivity. However, an insulating thin film can be reliably obtained by using a shielding ring. Conventionally, the crystallinity is almost amorphous, but a more stable rutile or anatase crystal structure can be obtained. Further, due to the difference in crystallinity, the optical refractive index has been varied in the range of 2.3 to 2.4 so far, but can be stably controlled to 2.5 or more. In addition, until now, the reproducibility of film formation for each sheet has been a problem, but as shown in FIG. 10, it is possible to form a film stably on a large number of substrates without large fluctuations in film formation speed and refractive index. It became so.

上記実施例では、固体ソースECRプラズマ成膜法において、円筒型ターゲットを用いる場合について説明したが、ECRプラズマを用いない一般的なスパッタ法においても、ターゲットからの放出分布は原理的に同じであり、上記と同等の効果が得られる。また、プラズマの生成手段に拘わらず、ターゲット形状が円筒型でなく板状の二枚またはそれ以上のターゲットが対向して配置された対向ターゲットの場合にも、その断面構造は第2図に示されているものと同様であり、従って、同等の効果が得られる。   In the above embodiment, the case where a cylindrical target is used in the solid source ECR plasma film forming method has been described. However, even in a general sputtering method that does not use ECR plasma, the emission distribution from the target is the same in principle. The effect equivalent to the above can be obtained. In addition, regardless of the plasma generation means, the cross-sectional structure is also shown in FIG. 2 in the case where the target shape is not a cylindrical shape but two or more plate-like targets are arranged to face each other. Therefore, an equivalent effect can be obtained.

ターゲット材料としてはあらゆる金属ターゲットで効果があり、代表的なものとして、シリコン、アルミニウム、ベリリウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、炭素、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル、亜鉛などが利用される。また、成膜する際の不活性ガスとしては、一般的なアルゴン以外にヘリウムやネオン、クリプトン、キセノンなどでも本発明の効果があり、更に反応性ガスとしても酸素以外に窒素やフッ素などを用いることができる。   The target material is effective for all metal targets, and representative examples include silicon, aluminum, beryllium, magnesium, titanium, zirconium, hafnium, carbon, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, nickel, Zinc is used. Further, as an inert gas for film formation, helium, neon, krypton, xenon and the like other than general argon are effective in the present invention, and nitrogen and fluorine are used as a reactive gas in addition to oxygen. be able to.

(実施例3)
互いに対向するターゲットに傾斜を設けることによって、試料基板上の膜厚分布を均一化した実施例を第11図に示す。同図は、第1の実施例を示す第2図において遮蔽リング18を用いる代わりに、傾斜ターゲット19を利用したものである。ターゲットの内径や高さなどの寸法は第1の実施例と同一である。また、成膜の条件も実施例1と同じである。このような配置において、試料基板上に形成される薄膜の膜厚分布をシミュレーションした結果を第12図に示す。傾斜ターゲットの角度は、傾斜が無い場合を0度とし、最大15度まで可変した。この結果によれば、円筒状ターゲットの傾斜を10度としたときが最も均一な分布が得られることが分かる。これは、第11図からも理解されるように、傾斜無しのターゲット表面から飛び出す例えば破線に示すような方向成分は、傾斜を付けることによって実線のように傾斜分だけ試料基板の外周方向に向くことになり、基板中央部の膜厚が減少して高均一化される。
(Example 3)
FIG. 11 shows an embodiment in which the film thickness distribution on the sample substrate is made uniform by providing an inclination to the targets facing each other. In this figure, instead of using the shielding ring 18 in FIG. 2 showing the first embodiment, an inclined target 19 is used. Dimensions such as the inner diameter and height of the target are the same as those in the first embodiment. The film forming conditions are the same as those in the first embodiment. FIG. 12 shows the result of simulating the film thickness distribution of the thin film formed on the sample substrate in such an arrangement. The angle of the tilt target was 0 degree when there was no tilt, and was varied up to 15 degrees. According to this result, it can be seen that the most uniform distribution is obtained when the inclination of the cylindrical target is 10 degrees. As can be understood from FIG. 11, the direction component as shown by a broken line, for example, which protrudes from the target surface without inclination is directed toward the outer periphery of the sample substrate by the inclination as shown by the solid line. As a result, the film thickness at the central portion of the substrate is reduced and highly uniform.

ただし、シミュレーションにはいくつかの前提条件(例えば、ターゲット表面全面からの粒子の放出分布、気相中での散乱効果)があり、これらのパラメータは成膜条件によって変動する。従って、最適な傾斜角度はターゲット材料や成膜圧力などによって最適化する必要があることは言うまでもない。   However, the simulation has some preconditions (for example, the particle emission distribution from the entire target surface, the scattering effect in the gas phase), and these parameters vary depending on the film forming conditions. Therefore, it is needless to say that the optimum inclination angle needs to be optimized depending on the target material, the film forming pressure, and the like.

ECR成膜装置の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of an ECR film-forming apparatus. 第1の実施例における装置の主要部の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the principal part of the apparatus in a 1st Example. 遮蔽リングの内径を変えたときの膜厚分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the film thickness distribution when changing the internal diameter of a shielding ring. 遮蔽リングとターゲットとの距離を変えたときの膜厚分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the film thickness distribution when changing the distance of a shielding ring and a target. 第1の実施例でSiO膜を形成したときの膜厚分布の測定結果を示す図である。Is a graph showing measurement results of the film thickness distribution of the time of forming the SiO 2 film in the first embodiment. 第1の実施例でAl膜を形成したときの膜厚分布の測定結果を示す図である。Is a graph showing measurement results of the film thickness distribution of the time of forming an Al 2 O 3 film in the first embodiment. 本発明でTiO膜を形成したときの膜厚分布の測定結果を示す図である。In the present invention is a diagram showing a measurement result of the film thickness distribution of the time of forming the TiO 2 film. 従来のTiO成膜におけるVdc−O流量特性を示す図である。Shows a Vdc-O 2 flow rate characteristics in a conventional TiO 2 deposition. 本発明を用いたTiO成膜におけるVdc−O流量特性を示す図である。Shows a Vdc-O 2 flow characteristic in TiO 2 film formation using the present invention. 本発明を用いてTiOを多数基板上に成膜したときの成膜速度と屈折率の測定結果を示す図である。The measurement results of the deposition rate and refractive index when the deposited TiO 2 number on a substrate using the present invention. FIG. 第3の実施例における装置の主要部の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the principal part of the apparatus in a 3rd Example. ターゲットの傾斜角を変えたときの膜厚分布のシミュレーション結果である。It is a simulation result of film thickness distribution when changing the tilt angle of the target.

符号の説明Explanation of symbols

1 プラズマ生成室
2 試料室
3 プラズマ引出し窓
4 試料台
5 試料基板
6 排気路
7 ガス導入口(A)
8 ガス導入口(B)
9 磁気コイル
10 矩形導波管
11 マイクロ波
12 マイクロ波導入窓
13 プラズマ流
14 スパッタ電源
15 ターゲット
16 シールド
17 バッキングチューブ
18 遮蔽リング
19 傾斜ターゲット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma production chamber 2 Sample chamber 3 Plasma extraction window 4 Sample stand 5 Sample substrate 6 Exhaust path 7 Gas inlet (A)
8 Gas inlet (B)
9 Magnetic coil 10 Rectangular waveguide 11 Microwave 12 Microwave introduction window 13 Plasma flow 14 Sputtering power source 15 Target 16 Shield 17 Backing tube 18 Shielding ring 19 Inclined target

Claims (9)

減圧に維持できる容器内に、少なくとも、試料基板を設置するための試料台と、試料台から一定の間隔をおいて配置された、貫通溝を有するターゲットまたは1組以上の互いに相対向して配置されたターゲットと、ターゲットから試料基板に飛来する粒子分布を制御する機構とを有することを特徴とするプラズマ成膜装置。   In a container that can be maintained at a reduced pressure, at least a sample stage for placing a sample substrate, and a target having a through-groove disposed at a certain distance from the sample stage or at least one set of each other are arranged opposite to each other. And a mechanism for controlling the distribution of particles flying from the target to the sample substrate. 試料基板に飛来する粒子分布を制御する機構が、試料基板とターゲットとの間の任意の位置に設けられた遮蔽板であることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ成膜装置。   2. The plasma film forming apparatus according to claim 1, wherein the mechanism for controlling the distribution of particles flying to the sample substrate is a shielding plate provided at an arbitrary position between the sample substrate and the target. 試料基板に飛来する粒子分布を制御する機構が、貫通溝の内面またはターゲットの相対向した面に傾斜を設けたターゲットであり、この傾斜は、貫通溝の面または対向した面が試料基板に近い側から、試料基板から最も離れた側に向けて離れるような傾斜であることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ成膜装置。   The mechanism that controls the distribution of particles flying to the sample substrate is a target with an inclination on the inner surface of the through groove or on the opposite surface of the target, and this inclination is such that the surface of the through groove or the opposite surface is close to the sample substrate. 2. The plasma film forming apparatus according to claim 1, wherein the inclination is such that it is separated from the side toward the side farthest from the sample substrate. マイクロ波と磁界の相互作用による電子サイクロトロン共鳴放電を利用して減圧下においてプラズマを生成するように構成されたプラズマ生成室と、薄膜を形成すべき試料基板を設置するための試料台を備えた試料室と、前記プラズマ生成室と前記試料室との間に配置され、生成されたプラズマのプラズマ流を前記試料室に引き出すためのプラズマ引出し窓と、前記プラズマ生成室から前記試料室に向けて磁界強度が所定の勾配で弱くなる発散磁界の磁界分布をもつ磁界発生手段と、前記プラズマ引出し窓と前記試料台との間に前記プラズマ流を取り囲むように配置されたターゲットからなり、前記プラズマ流の一部のイオンにより前記ターゲットをスパッタし、スパッタ粒子を前記プラズマ流に取り込んで前記試料基板にまで輸送して入射させ、前記試料基板上に前記ターゲット材料を含む薄膜を形成するようにしたプラズマ成膜装置において、試料基板に飛来するスパッタリング材料の粒子分布を制御する機構を有することを特徴とするプラズマ成膜装置。   Equipped with a plasma generation chamber configured to generate plasma under reduced pressure using electron cyclotron resonance discharge by the interaction of microwave and magnetic field, and a sample stage for installing a sample substrate on which a thin film is to be formed A sample chamber, a plasma extraction window disposed between the plasma generation chamber and the sample chamber, for extracting a plasma flow of the generated plasma to the sample chamber, and from the plasma generation chamber toward the sample chamber A magnetic field generating means having a magnetic field distribution of a divergent magnetic field whose magnetic field strength is weakened at a predetermined gradient; and a target disposed so as to surround the plasma flow between the plasma extraction window and the sample stage. The target is sputtered by some of the ions, the sputtered particles are taken into the plasma flow and transported to the sample substrate for incidence. A plasma film forming apparatus for forming a thin film containing the target material on the sample substrate, the plasma film forming apparatus having a mechanism for controlling the particle distribution of the sputtering material flying on the sample substrate . 前記遮蔽板が、前記試料台側と前記ターゲット側との間の気体のコンダクタンスを抑制する構造を有していることを特徴とする請求項2に記載のプラズマ成膜装置。   The plasma film-forming apparatus according to claim 2, wherein the shielding plate has a structure that suppresses a gas conductance between the sample stage side and the target side. 電子サイクロトロン共鳴で発生させたプラズマの周囲に配置したターゲットに電圧を印加することにより、プラズマに含まれるイオンをターゲットに加速して入射させることでスパッタリング現象を生ぜしめ、放出したターゲット粒子を、近傍に配置した試料基板上に付着させて薄膜を形成する成膜方法において、飛来するターゲット粒子の粒子分布を制御する機構を介して成膜することを特徴とする成膜方法。   By applying a voltage to the target placed around the plasma generated by electron cyclotron resonance, the ions contained in the plasma are accelerated and incident on the target, causing a sputtering phenomenon, and the released target particles are in the vicinity. A film forming method for forming a thin film by adhering to a sample substrate disposed in a film, wherein the film is formed through a mechanism for controlling a particle distribution of flying target particles. 不活性ガス及び反応性ガスの混合ガス雰囲気中で成膜を行うことを特徴とする請求項6に記載の成膜方法。   The film formation method according to claim 6, wherein the film formation is performed in a mixed gas atmosphere of an inert gas and a reactive gas. 試料基板に飛来する粒子分布を制御する機構が、試料基板とターゲットとの間の任意の位置に設けられた遮蔽板であることを特徴とする請求項6または7に記載の成膜方法。   8. The film forming method according to claim 6, wherein the mechanism for controlling the distribution of particles flying on the sample substrate is a shielding plate provided at an arbitrary position between the sample substrate and the target. 前記遮蔽板が、前記試料台側と前記ターゲット側との間の気体のコンダクタンスを抑制する構造を有していることを特徴とする請求項8に記載の成膜方法。
The film forming method according to claim 8, wherein the shielding plate has a structure for suppressing a gas conductance between the sample stage side and the target side.
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