JP2006299370A - Film deposition apparatus, and film deposition method - Google Patents

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博 早田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a film deposition apparatus and a film deposition method capable of always obtaining a constant film thickness and film deposition rate even in a continuous operation for a long time in a sputter method using a powder target material. <P>SOLUTION: The film deposition apparatus comprises a vacuum tank capable of maintaining vacuum, a substrate holding stand which is located in the vacuum tank to load a substrate thereon, a cathode which is installed facing the substrate holding stand, and turned around the center axis of a face opposing the substrate holding stand while loading a container to hold a powder target material, a power supply to apply the voltage to the cathode, and a gas supply/exhaust means to discharge gas in the vacuum tank while supplying the gas therein. A grounding shield is arranged with an opening part formed between the substrate holding stand and the cathode, and a stirring means to stir the powder target material is provided on a part of the surface on the cathode side of the grounding shield. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、粉状の材料のターゲット材を用いて基板上に薄膜を形成するための成膜装置および成膜方法に関するものである。   The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method for forming a thin film on a substrate using a powdery target material.

近年、デバイスの高性能化や微細化が進み、その要素技術の1つである薄膜形成プロセスはその応用範囲が広がっている。しかし、多くの薄膜形成プロセスは真空技術などの高度な装置システムを必要とすることなどから、しばしばコスト面が問題視され、如何に生産性を高めて効率の良いモノづくりができるかが課題になっている。   In recent years, high performance and miniaturization of devices have progressed, and the range of application of the thin film forming process which is one of the elemental technologies has expanded. However, since many thin film formation processes require sophisticated equipment systems such as vacuum technology, cost is often viewed as a problem, and the issue is how to increase productivity and make efficient manufacturing. It has become.

特に、これまでバルク材の加工によって使用されてきた誘電体や絶縁物も薄膜化の傾向が進み、例えば、二酸化ケイ素(SiO2)、酸化チタン(TiO2)、酸化マグネシウム(MgO)などの金属酸化物、或いは、チッ化珪素(SiN)など窒化物も薄膜が用いられてきている。しかし、依然として生産性における問題点を残しているのが現状である。これは、ターゲット材に焼結体が用いられるため、スパッタ率が小さく、成膜速度を十分に高めることができないというのが主な理由である。 In particular, dielectrics and insulators that have been used in the processing of bulk materials have been increasingly thinned, for example, metals such as silicon dioxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), and magnesium oxide (MgO). Thin films of oxides or nitrides such as silicon nitride (SiN) have been used. However, there are still problems in productivity. This is mainly because a sintered body is used as the target material, so that the sputtering rate is small and the film formation rate cannot be sufficiently increased.

ところが、近年、ターゲット材にこれまで用いられてきた固形ではなく、顆粒状のものを用いることが報告されており、例えば、特許文献1に記載された発明などがある。特許文献1によれば、真空槽内に保持する材料の形態を工夫することによって、材料寿命を延ばし、稼働率を向上して、生産性を向上するという内容である。特に、固形のターゲットでは、逐一、真空槽内を大気開放し、稼働率を低下させていた問題が改善されるというものである。
特開平10−18029号公報
However, in recent years, it has been reported that a granular material is used instead of the solid material that has been used so far, for example, there is an invention described in Patent Document 1. According to Patent Document 1, by devising the form of the material held in the vacuum chamber, the material life is extended, the operation rate is improved, and the productivity is improved. In particular, in the case of a solid target, the problem of reducing the operating rate by opening the inside of the vacuum chamber to the atmosphere is improved.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-18029

しかしながら、上記特許文献1に記載の発明では、粉体状の材料を用いてスパッタ成膜しようとすると、以下のような課題が発生することになる。   However, in the invention described in Patent Document 1, when the sputter film formation is performed using the powdery material, the following problems occur.

すなわち、粉体状の材料は、各々の粒子間には働く力によって、凝集しやすいという性質を有しており、ターゲット材として集められたこれらの粒子は、すでに凝集傾向にある。ここに、プラズマ等の放電が直面することになると、発生する熱などの影響によって、その凝集が一層進むこととなり、ターゲット材の密度が高まった状態ができるのである。   That is, the powdery material has a property that it easily aggregates due to the force acting between the particles, and these particles collected as the target material already tend to aggregate. Here, when the discharge of plasma or the like is confronted, the agglomeration further proceeds due to the influence of the generated heat and the like, and the density of the target material is increased.

具体的には、プラズマ中からのイオンがターゲット材である粉体粒子に衝突すると、これによる熱が発生し、ターゲットの表面温度が上昇する。バルク材とは異なり、粉体の場合には粒子と粒子の間に空隙があるため、その熱伝導性は極めて乏しい。従って、ターゲット材の表面付近にある粉体粒子は急激に加熱され、粉体粒子同士の凝集の加速を招くのである。温度上昇による粉体同士の凝集は、放置しておくと溶着にまで進み、もはや、粉体をなさなくなる。   Specifically, when ions from the plasma collide with the powder particles that are the target material, heat is generated thereby increasing the surface temperature of the target. Unlike bulk materials, in the case of powders, there are voids between the particles, so the thermal conductivity is very poor. Therefore, the powder particles in the vicinity of the surface of the target material are heated rapidly, and the aggregation of the powder particles is accelerated. Aggregation of powders due to temperature rise proceeds to welding if left untreated, and no longer forms powders.

前述のように、粉体のターゲット材の熱伝導性は乏しく、ターゲット温度の上昇と粉体凝集は表面付近で進むため、内部の粉体状態はそれに比べて大きな変化はない。すなわち、ターゲット材表面だけ凝集が進み、密度は高くなり、溶着・固化していくのである。この結果、この状態では粉体の特徴である高い成膜レートは得られないという問題を生じることになる。   As described above, the thermal conductivity of the powder target material is poor, and the target temperature rise and powder aggregation proceed near the surface, so that the internal powder state is not significantly changed. That is, agglomeration proceeds only on the surface of the target material, the density increases, and welding and solidification occur. As a result, in this state, there arises a problem that a high film formation rate that is a characteristic of the powder cannot be obtained.

このように、粉体状のターゲット材を使用するに当たっては、表面が粉体の凝集が進んでいない初期状態では、粉体のかさ密度が小さく、スパッタによる成膜速度は早いが、プラズマによる放電に晒されターゲット材表面の温度が上昇して、粉体の凝集が進むと、ターゲット材表面のスパッタ率が下がり、成膜速度が低下する。すなわち、同じターゲット材の表面の放電を連続的に行うと、粉体の凝集度合いが経時的に変化をして、成膜速度も経時的に低下し、安定したプロセスが実現できないという課題を有しているのである。   As described above, when using a powdery target material, in the initial state where the powder is not agglomerated, the bulk density of the powder is small and the film formation rate by sputtering is high. When the temperature of the surface of the target material rises due to exposure to the powder and the agglomeration of the powder proceeds, the sputtering rate on the surface of the target material decreases and the film formation rate decreases. In other words, if the surface of the same target material is continuously discharged, the degree of powder aggregation changes over time, the film formation rate also decreases over time, and a stable process cannot be realized. It is doing.

従って、スパッタ放電に曝されたターゲット材料表面は、すぐに凝集してしまうため、同じターゲット面を使って多量の成膜処理はできないと同時に別に準備された材料も同様の理由で使用できなくなる。   Accordingly, since the target material surface exposed to the sputter discharge is agglomerated immediately, a large amount of film forming treatment cannot be performed using the same target surface, and at the same time, a separately prepared material cannot be used for the same reason.

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、長時間の連続稼動によっても、基板に対して安定した膜厚でかつ高い成膜レートを得ることが可能な成膜装置および成膜方法を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and a film forming apparatus and a film forming method capable of obtaining a stable film thickness and a high film forming rate even with continuous operation for a long time. The purpose is to provide.

上記目的を達成するために、本発明の成膜装置は、真空を維持することが可能な真空槽と、真空槽内にあり基板を載置する基板保持台と、基板保持台と対向して設置され、粉状のターゲット材料を保持する容器を載置し、かつ、基板保持台に対向する面の中心軸を中心に回転するカソードと、カソードに電圧を印加する電源と、真空槽内にガスを供給しつつ排気するガス供排気手段からなる成膜装置において、基板保持台とカソードとの間には開口部を有してアースシールドが配置され、アースシールドのカソード側の表面の一部には、粉状のターゲット材料を攪拌する攪拌手段が設けられたことで解決できる。   In order to achieve the above object, a film forming apparatus of the present invention includes a vacuum chamber capable of maintaining a vacuum, a substrate holding table in the vacuum chamber on which a substrate is placed, and a substrate holding table. A cathode that is installed and holds a powdery target material and rotates about the central axis of the surface facing the substrate holder, a power source that applies a voltage to the cathode, and a vacuum chamber In a film forming apparatus comprising gas supply / exhaust means for exhausting gas while supplying a gas, an earth shield is provided with an opening between the substrate holding base and the cathode, and a part of the surface of the earth shield on the cathode side Can be solved by providing a stirring means for stirring the powdery target material.

このとき、攪拌手段にターゲット材と同種類の粉末材料を供給しながら基板を処理すること好適である。   At this time, it is preferable to process the substrate while supplying the same kind of powder material as the target material to the stirring means.

また、粉状のターゲット材の平均粒径は50nm以上10μm未満であるとなお良い。   The average particle size of the powdery target material is more preferably 50 nm or more and less than 10 μm.

更に、本発明の成膜方法は、真空槽内にガスを供給しつつ排気し、真空槽内を所定の圧力に制御しながらプラズマを発生させ、粉状のターゲット材料を保持する容器を載置するカソードに電圧を印加させながら、カソードを基板保持台に対向する面の中心軸を中心に回転させ、カソードに対向する基板保持台に載置された基板を処理する成膜方法であって、粉状のターゲット材料は基板保持台とカソードとの間に配設された開口部を有するアースシールドを介してプラズマに曝される第1領域と曝されない第2領域を有し、第2領域にて粉状のターゲット材料を攪拌させることで前記第1領域と前記第2領域でのターゲット材料のかさ密度を実質的に同一にしながら、基板の成膜を行うことで解決できる。   Furthermore, in the film forming method of the present invention, a container for holding a powdery target material is placed by evacuating while supplying gas into the vacuum chamber, generating plasma while controlling the inside of the vacuum chamber to a predetermined pressure. A film forming method for processing a substrate placed on a substrate holding table facing the cathode by rotating the cathode about the central axis of the surface facing the substrate holding table while applying a voltage to the cathode; The powdery target material has a first region that is exposed to plasma and a second region that is not exposed through an earth shield having an opening disposed between the substrate holder and the cathode. By stirring the powdery target material, the problem can be solved by performing film formation on the substrate while making the bulk density of the target material substantially the same in the first region and the second region.

このとき、攪拌手段にターゲット材と同種類の粉末材料を供給しながら基板を処理すること好適である。   At this time, it is preferable to process the substrate while supplying the same kind of powder material as the target material to the stirring means.

また、粉状のターゲット材の平均粒径は50nm以上10μm未満であるとなお良い。   The average particle size of the powdery target material is more preferably 50 nm or more and less than 10 μm.

以上のように、本発明によると、長期間にわたって均一な膜厚で安定的な成膜レートを確保することができるため、生産性が高い成膜装置および成膜方法が実現できる。   As described above, according to the present invention, since a stable film formation rate can be ensured with a uniform film thickness over a long period of time, a film formation apparatus and a film formation method with high productivity can be realized.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1に本発明の実施の形態1について示す。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.

真空槽1に、粉末ターゲット材料2を入れた容器3を配置すると共にその直上に基板4を配置し、基板4とターゲットの間には、シャッター5が配置される。ターゲット材2には二酸化ケイ素(SiO2)粉末を用い、容器3は石英(SiO)製とした。容器3は回転機能を有する銅製の電極6上に配置し、電極6には整合回路7を介して、高周波電源8が接続されると同時に、内部には、冷却水が循環するよう水路を切って、プラズマによる熱の発生に対して冷却するようになっている。 A container 3 containing a powder target material 2 is disposed in the vacuum chamber 1 and a substrate 4 is disposed immediately above the container 3. A shutter 5 is disposed between the substrate 4 and the target. Silicon dioxide (SiO 2 ) powder was used for the target material 2 and the container 3 was made of quartz (SiO). The container 3 is disposed on a copper electrode 6 having a rotating function, and a high frequency power source 8 is connected to the electrode 6 through a matching circuit 7, and at the same time, a water channel is cut to circulate cooling water. Thus, cooling is performed against the generation of heat by the plasma.

図2はターゲット材2、容器3と電極6などを含むカソードの詳細図を示し、図2(1)はカソードの上面図であり、図2(2)は側面図である。   FIG. 2 is a detailed view of the cathode including the target material 2, the container 3 and the electrode 6, FIG. 2 (1) is a top view of the cathode, and FIG. 2 (2) is a side view.

同図において、容器3の深さは10mm、直径を400mmとし、ここに粉末状のターゲット材を敷き詰めた。容器3は同等以上の面積を有する電極6の上に配置されている。また、ターゲット材2の上部に、ターゲット材の一部を残して、全体を覆うアースシールドカバー10が設置され、アースに接地されている。ターゲット材表面とこの覆った金属板の間の空隙の間隔は2mmとした。   In the figure, the depth of the container 3 is 10 mm, the diameter is 400 mm, and a powdery target material is spread over here. The container 3 is arrange | positioned on the electrode 6 which has an area more than equivalent. In addition, an earth shield cover 10 is installed on the upper part of the target material 2 so as to leave a part of the target material and cover the whole, and is grounded to the ground. The space | interval of the space | gap between the target material surface and this covered metal plate was 2 mm.

この空隙が大きくなると、プラズマの放電が回りこみ、ターゲットのプラズマからの隔離が難しくなる。また、ターゲット面が露出された領域の電極6裏面には、複数の永久磁石からなるマグネトロン磁石11を配置してあり、露出したターゲット面上に磁石と閉じた磁気回路を形成するように配置をした。ターゲットの露出面は、アースシールド板の開口形状によって形成されるが、直径160mmの円形状とした。これは、プラズマの放電を安定させるためである。アースシールドカバーの裏面の一部に、ターゲット材料の表面を機械的接触により、凝集した粉末を攪拌させる機構12を設ける。   When this gap becomes large, the plasma discharge is circulated and it becomes difficult to isolate the target from the plasma. Further, a magnetron magnet 11 made of a plurality of permanent magnets is arranged on the back surface of the electrode 6 in the region where the target surface is exposed, and is arranged so as to form a magnetic circuit closed with the magnet on the exposed target surface. did. Although the exposed surface of the target is formed by the opening shape of the earth shield plate, it has a circular shape with a diameter of 160 mm. This is to stabilize the plasma discharge. A mechanism 12 for stirring the agglomerated powder by mechanical contact with the surface of the target material is provided on a part of the back surface of the earth shield cover.

図3は凝集した粉末を分離するための機構部品(攪拌手段)の詳細を示している。   FIG. 3 shows details of a mechanical component (stirring means) for separating the agglomerated powder.

同図において、部品は長さ7mm、直径約0.5mmの針状部品13を複数配置した櫛状の構成部品14である。また、構成部品14は、針状部品の配置位置を変えたものが複数ありこれを直列に並べて構成されている。針状部品の各々の配置間隔は、5mmとした。これらの配置間隔は、間隔が広すぎると攪拌効果が得られないが、小さくしすぎると、針状部品と針状部品の間に粉体が詰まることになり、やはり攪拌効果が発揮できない。具体的には、針状部品13のうち、ターゲット材料に入り込んでいる長さ、すなわち、本実施の形態の場合には2mmでこれ以上針状部品13の間隔が狭まると、相隣接する2本の針状部品で形成される断面が縦長となり、そこにターゲット材料が詰まると相隣接する2本の針状部品とその間に詰まったターゲット材料によって、それらが一体となった部品のごとく機能することになり、ターゲット材料の表面形状が荒らされることになる。   In the figure, the component is a comb-like component 14 in which a plurality of needle-like components 13 having a length of 7 mm and a diameter of about 0.5 mm are arranged. In addition, there are a plurality of component parts 14 in which the arrangement positions of the needle-like parts are changed, and these are arranged in series. The interval between each of the needle-like parts was 5 mm. If the interval is too wide, the stirring effect cannot be obtained, but if it is too small, the powder is clogged between the needle-like parts and the stirring effect cannot be exhibited. Specifically, when the distance between the needle-like parts 13 becomes narrower by 2 mm in the length of the needle-like parts 13 entering the target material, that is, 2 mm in the case of this embodiment, two adjacent ones. When the target material is clogged, the cross section formed by these needle-shaped parts will function as a united part with two adjacent needle-shaped parts and the target material clogged between them. Thus, the surface shape of the target material is roughened.

以上の見解から、針状部品13の間隔は針状部品13のターゲット材料への入り込みの距離の2〜3倍程度が好ましく、具体的には、針状部品13のターゲット材料の入り込み2mmに対して2〜6mmが好ましい。本実施の形態の場合、図3に示すように、針状部品の間隔を5mmにしたもので、これらの配置位置を変えたものを複数おくことにより攪拌効果を発揮する。   From the above view, the distance between the needle-like parts 13 is preferably about 2 to 3 times the distance of the needle-like parts 13 entering the target material. 2 to 6 mm is preferable. In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 3, the interval between the needle-like parts is 5 mm, and a stirring effect is exhibited by placing a plurality of those whose arrangement positions are changed.

また、針状部品の長さは、部品がターゲット材料の内部に約5mm入る程度とし、全長を7mmとした。これは、ターゲット表面の凝集や固化は、せいぜい1mm程度の深さで十分であるが、成膜が進むことによって、材料が消費され減少する。このため、ターゲット材料の位置は、下がって来るため、針状部品の長さもある程度の全長が必要である。ここでは、深さが5mmなので、都合ターゲットの減少が、4mmまでは対応が可能となるようにした。   In addition, the length of the needle-shaped part was set so that the part was about 5 mm inside the target material, and the total length was 7 mm. This is because the target surface is agglomerated and solidified to a depth of about 1 mm at most, but the material is consumed and reduced as the film formation proceeds. For this reason, since the position of the target material is lowered, the needle-like component needs to have a certain length as a whole. Here, since the depth is 5 mm, it is possible to cope with the reduction of the target up to 4 mm.

さて、このような構成によって得られた装置により、成膜処理の実験を行った。そこで、以下に、本実施の形態の成膜処理の動作手順の説明を行う。   Now, an experiment of a film forming process was performed using the apparatus obtained by such a configuration. Therefore, the operation procedure of the film forming process of this embodiment will be described below.

まず、真空槽1内を真空ポンプ(図示せず)により、10-5Pa程度まで排気した後、アルゴンガス(Arガス)を導入し、0.2Pa程度の圧力に調整した。なお、ターゲット材容器の回転速度は2r.p.hとした。 First, the inside of the vacuum chamber 1 was evacuated to about 10 −5 Pa by a vacuum pump (not shown), and then argon gas (Ar gas) was introduced to adjust the pressure to about 0.2 Pa. The rotational speed of the target material container is 2r. p. h.

また、基板4は真空槽1に隣接した基板搬送室20から投入される。基板4投入後、シャッター5を閉じた状態で、電極6に13.56MHzの高周波電力を印加し、真空槽1内にプラズマを発生させる。このとき、電極6に印加した電力は3kWである。供給したターゲット材の粉体材料は、平均粒径が500μm、かさ密度が0.5のものを使用し、攪拌機構12を使用した場合と、従来例における使用しない場合において、30分ごとに基板を投入し、膜厚の径時的な変化について評価を行った。   The substrate 4 is loaded from the substrate transfer chamber 20 adjacent to the vacuum chamber 1. After loading the substrate 4, high frequency power of 13.56 MHz is applied to the electrode 6 with the shutter 5 closed to generate plasma in the vacuum chamber 1. At this time, the power applied to the electrode 6 is 3 kW. The supplied target material powder material has an average particle size of 500 μm and a bulk density of 0.5, and the substrate is used every 30 minutes when the stirring mechanism 12 is used and when it is not used in the conventional example. Was evaluated for changes in film thickness over time.

その結果を図4に示す。同図に示すように、本実施の形態において、ターゲット材料2に攪拌機構12を設けた場合、ターゲット材料が凝集して、固化することが防ぐことができるため、ターゲットのスパッタ率が変化せず、安定した成膜レートを維持できる。   The result is shown in FIG. As shown in the figure, in the present embodiment, when the stirring mechanism 12 is provided in the target material 2, the target material can be prevented from aggregating and solidifying, so that the sputtering rate of the target does not change. A stable film formation rate can be maintained.

一方、従来例においては、スパッタ放電に曝されるターゲット材料は凝集が進み、固化が進行する。その結果、成膜レートが低下するために、得られる二酸化ケイ素の膜厚が小さくなる。すなわち、安定なプロセス状態が得られない。本実施の形態の同じ条件にてプロセスを実施した場合のターゲット表面の粉体材料について、そのかさ密度を評価した。結果を図5に示す。   On the other hand, in the conventional example, the target material exposed to the sputter discharge is agglomerated and solidified. As a result, the film formation rate is lowered, and the resulting silicon dioxide film thickness is reduced. That is, a stable process state cannot be obtained. The bulk density of the powder material on the target surface when the process was carried out under the same conditions of the present embodiment was evaluated. The results are shown in FIG.

同図に示すように、攪拌機構12が無い場合、スパッタの連続放電の進行と共に、ターゲット表面の粉体のかさ密度は増加し、凝集が進んでいることが示される。一方、攪拌機構12が配置されている場合には、かさ密度に変化はない。これは、スパッタの放電によって、ターゲット表面は一度は凝集するものの、直ぐに攪拌機構12によって、凝集状態を解くように機能する。また、攪拌機構12によって、放電に曝されないていない内部の粉体を表面に出すようにするため、結果的に凝集した粉体は、固化する状態にまで到達することはない。従って、攪拌機構12によって、かさ密度を小さくならしめることにより、安定したプロセスが得られるのである。   As shown in the figure, when the stirring mechanism 12 is not provided, the bulk density of the powder on the target surface increases with the progress of continuous sputtering discharge, indicating that agglomeration is progressing. On the other hand, when the stirring mechanism 12 is arranged, there is no change in the bulk density. Although the target surface agglomerates once due to the discharge of the sputtering, the agitation mechanism 12 immediately functions to release the agglomerated state. Further, since the internal powder that is not exposed to the discharge is put out on the surface by the stirring mechanism 12, the agglomerated powder does not reach a solidified state as a result. Therefore, a stable process can be obtained by reducing the bulk density by the stirring mechanism 12.

(実施の形態2)
次にターゲット材料2の平均粒径、及び、かさ密度の条件を変化させた場合の実施結果について述べる。使用した装置は、図1〜図3に示される装置と同様であり、説明に付す番号も同じものを使用する。
(Embodiment 2)
Next, the implementation results when the average particle diameter and the bulk density conditions of the target material 2 are changed will be described. The used apparatus is the same as the apparatus shown in FIGS. 1 to 3, and the same reference numerals are used.

ターゲット材料2の粉体平均粒径を5.0μmとし、これらのかさ密度は0.4であった。これらの材料を用いて、攪拌機構12の有無の条件で、連続放電による成膜実験を行い、膜厚の安定性について評価を行った。その結果を図6に示す。   The average particle diameter of the target material 2 was 5.0 μm, and the bulk density thereof was 0.4. Using these materials, film formation experiments by continuous discharge were performed under the condition of the presence or absence of the stirring mechanism 12, and the film thickness stability was evaluated. The result is shown in FIG.

同図に示すように、本実施の形態において、ターゲット材料2に攪拌機構を設けた場合、ターゲット材料が凝集して固化することが防ぐことができるため、ターゲットのスパッタ率が変化せず、安定した成膜レートを維持できる。また、本実施の形態の場合、実施の形態1の場合と比較して膜厚が低くなる。   As shown in the figure, in this embodiment, when the target material 2 is provided with a stirring mechanism, the target material can be prevented from aggregating and solidifying, so that the sputtering rate of the target does not change and is stable. The film forming rate can be maintained. In the case of the present embodiment, the film thickness is lower than that in the case of the first embodiment.

これは、粉体の平均粒径が大きくなると、その分スパッタ率が小さくなって、成膜レートが減少する。一方、従来例においては、スパッタ放電に曝されるターゲット材料は径時的に凝集が進み、固化が進行する。その結果、成膜レートが低下するために、得られる二酸化ケイ素の膜厚が小さくなる。すなわち、安定なプロセス状態が得られない。この場合も同様に、同じ条件のプロセスにて、ターゲット表面の粉末材料のかさ密度を評価した。   This is because when the average particle size of the powder is increased, the sputtering rate is decreased accordingly, and the film formation rate is decreased. On the other hand, in the conventional example, the target material exposed to the sputter discharge is gradually aggregated and solidified. As a result, the film formation rate is lowered, and the resulting silicon dioxide film thickness is reduced. That is, a stable process state cannot be obtained. In this case as well, the bulk density of the powder material on the target surface was evaluated in the same process.

結果を図7に示す。実施の形態1と比較して、平均粒径が大きいとかさ密度は大きい。これは、粒子1つ1つは、密度の高い物質であるため、この粒子を大きさが大きいとかさ密度も大きくなる。これらの粉体も、プラズマの放電によって、粉体の凝集が進み、かさ密度が大きくなる。一方、攪拌機構12が配置されている場合には、かさ密度に変化はない。これは、実施の形態1と同様にスパッタの放電によって、ターゲット表面は一度は凝集するが、直ぐに攪拌機構12によって凝集状態を解くように機能する。   The results are shown in FIG. Compared to Embodiment 1, the bulk density is large when the average particle size is large. This is because each particle is a substance having a high density, and when the size of the particle is large, the bulk density is also increased. These powders also have increased bulk density due to plasma discharge and increased bulk density. On the other hand, when the stirring mechanism 12 is arranged, there is no change in the bulk density. This is because the target surface aggregates once by sputtering discharge as in the first embodiment, but functions so as to immediately release the aggregated state by the stirring mechanism 12.

また、攪拌機構12によって、放電に曝されていない内部の粉体を表面に出すようにするため、結果的に凝集した粉体は、固化する状態にまで到達することはない。従って、攪拌機構12によって、かさ密度を小さくならしめることにより、安定したプロセスが得られるのである。   Further, since the internal powder that has not been exposed to the discharge is put out on the surface by the stirring mechanism 12, the agglomerated powder does not reach a solidified state as a result. Therefore, a stable process can be obtained by reducing the bulk density by the stirring mechanism 12.

(実施の形態3)
次に、ターゲット材料2の粉体の平均粒径を50nmとし、かさ密度を0.2とした場合の攪拌機構12有無の条件によって、連続放電による成膜実験を行った。結果を図8に示す。
(Embodiment 3)
Next, a film formation experiment by continuous discharge was performed under the condition of the presence or absence of the stirring mechanism 12 when the average particle size of the powder of the target material 2 was 50 nm and the bulk density was 0.2. The results are shown in FIG.

ターゲット攪拌機構12を設けた場合、ターゲット材料が凝集して、固化することが防ぐことができるため、ターゲットのスパッタ率が変化せず、安定した成膜レートを維持できる。本実施の形態の場合、実施の形態1の場合と比較して膜厚が大きくなる。これは、粉体の平均粒径が小さくなると、その分スパッタ率が大きくなって、成膜レートが増大するためである。一方、従来例においては、スパッタ放電に曝されるターゲット材料は径時的に凝集が進み固化が進行する。その結果、成膜レートが低下するために、得られる二酸化ケイ素の膜厚が小さくなる。すなわち、安定なプロセス状態が得られない。粉体の平均粒径が小さい場合、凝集も進みやすい傾向があるため、従来例における膜厚の径時的な変動の割合も大きくなる傾向にある。従って、本発明の効果は、粉体の平均粒径が小さいほど効果は大きい。   When the target stirring mechanism 12 is provided, the target material can be prevented from aggregating and solidifying, so that the sputtering rate of the target does not change and a stable film formation rate can be maintained. In the case of the present embodiment, the film thickness becomes larger than that in the case of the first embodiment. This is because when the average particle size of the powder is reduced, the sputtering rate is increased accordingly, and the film formation rate is increased. On the other hand, in the conventional example, the target material exposed to the sputter discharge is gradually aggregated and solidified. As a result, the film formation rate is lowered, and the resulting silicon dioxide film thickness is reduced. That is, a stable process state cannot be obtained. When the average particle diameter of the powder is small, the aggregation tends to proceed easily, so that the rate of fluctuation of the film thickness over time in the conventional example also tends to increase. Therefore, the effect of the present invention is greater as the average particle size of the powder is smaller.

同様に、この場合も同様に、同じ条件のプロセスにて、ターゲット表面の粉末材料のかさ密度を評価した。   Similarly, in this case as well, the bulk density of the powder material on the target surface was evaluated in the same process.

結果を図9に示す。実施の形態1と比較して、平均粒径が大きいとかさ密度は大きい。これは、粒子1つ1つは、密度の高い物質であるため、この粒子を大きさが大きいとかさ密度も大きくなる。これらの粉体も、プラズマの放電によって、粉体の凝集が進み、かさ密度が大きくなる。一方、攪拌機構12が配置されている場合には、かさ密度に変化はない。   The results are shown in FIG. Compared to Embodiment 1, the bulk density is large when the average particle size is large. This is because each particle is a substance having a high density, and when the size of the particle is large, the bulk density is also increased. These powders also have increased bulk density due to plasma discharge and increased bulk density. On the other hand, when the stirring mechanism 12 is arranged, there is no change in the bulk density.

同様の検討を、更に平均粒径の異なる材料について検討を行った。   The same examination was further conducted on materials having different average particle diameters.

その結果、粉体の適当な平均粒径の範囲として、上記実施の形態を含む50nm〜10μmが適することが判明した。これは、粉体の平均粒径が50nmより小さくなると、真空槽内における粉体の挙動が、攪拌する機構等の各部に付着し、かさ密度を一定にならしめる本来の機能が発揮できない。一方、粉体の平均粒径が10μmでは、ターゲット材料自体のスパッタ率は小さく、粉体材料を使用する実用性は小さくなる。   As a result, it has been found that 50 nm to 10 μm including the above embodiment is suitable as a range of an appropriate average particle diameter of the powder. This is because when the average particle size of the powder is smaller than 50 nm, the behavior of the powder in the vacuum chamber adheres to each part such as a stirring mechanism and the original function of making the bulk density constant cannot be exhibited. On the other hand, when the average particle diameter of the powder is 10 μm, the sputtering rate of the target material itself is small and the practicality of using the powder material is small.

(実施の形態4)
次に、本発明の実施の形態4について述べる。
(Embodiment 4)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.

図10に本実施の形態で用いた装置の概略を示す。同図において、実施の形態1と同様の機能を果たすものについて、同じ番号を付した。   FIG. 10 shows an outline of the apparatus used in this embodiment. In the same figure, the same reference numerals are assigned to the same functions as those in the first embodiment.

図10において、ターゲット配置、基板、ガス導入系およびプラズマ放電を発生させるカソード構成は図1と同様である。但し、新たにターゲット材料である粉末材料の供給部21をアースシールド板の開口領域とは隔てた部分に設けた。材料の供給機構部21は容器3に敷き詰められたターゲット材料2の表面上に一定量の割合で供給される機構である。以下に、本装置を用いた実施の形態の状況について述べる。   10, the target arrangement, the substrate, the gas introduction system, and the cathode configuration for generating plasma discharge are the same as those in FIG. However, the supply part 21 of the powder material which is a target material was newly provided in the part separated from the opening area | region of the earth shield board. The material supply mechanism unit 21 is a mechanism that supplies the material 3 at a constant rate onto the surface of the target material 2 spread on the container 3. The situation of the embodiment using this apparatus will be described below.

真空槽1内を真空ポンプ(図示せず)により、10-5Pa程度まで排気した後、アルゴンガス(Arガス)を導入し、0.2Paの圧力に調整した。ターゲット材容器の回転速度は2r.p.hとした。 The inside of the vacuum chamber 1 was evacuated to about 10 −5 Pa by a vacuum pump (not shown), and then argon gas (Ar gas) was introduced to adjust the pressure to 0.2 Pa. The rotation speed of the target material container is 2 r. p. h.

基板4は真空槽1に隣接した基板搬送室20から投入される。基板4投入後、シャッター5を閉じた状態で、電極6に13.56MHzの高周波電力を印加し、真空槽1内にプラズマを発生させる。このとき、電極6に印加した電力は3kWである。   The substrate 4 is loaded from the substrate transfer chamber 20 adjacent to the vacuum chamber 1. After loading the substrate 4, high frequency power of 13.56 MHz is applied to the electrode 6 with the shutter 5 closed to generate plasma in the vacuum chamber 1. At this time, the power applied to the electrode 6 is 3 kW.

容器に収められたターゲット材の粉体材料2は、平均粒径が0.5μm、かさ密度が0.5のもので、実施の形態1の場合と同じである。放電開始直後より、材料供給機構を動作させ、1g/4minの割合で、材料を供給した。材料供給機構21を使用した場合と、従来例における使用しない場合において、30分ごとに基板を投入し、膜厚の径時的な変化について評価を行った。   The target powder material 2 contained in the container has an average particle size of 0.5 μm and a bulk density of 0.5, which is the same as in the first embodiment. Immediately after the start of discharge, the material supply mechanism was operated to supply the material at a rate of 1 g / 4 min. When the material supply mechanism 21 was used and when it was not used in the conventional example, the substrate was introduced every 30 minutes, and the change with time of the film thickness was evaluated.

その結果を図11に示す。同図に示すように、本実施の形態において、ターゲット材料2の供給機構を動作させ、材料を供給した場合、ターゲット材料2が放電によって凝集しても、その表面には新たに初期のかさ密度を有する材料が供給されるため、その表面状態を安定する。この結果、ターゲット表面のスパッタ率が変化せず、安定した成膜レートを維持できる。   The result is shown in FIG. As shown in the figure, in the present embodiment, when the target material 2 supply mechanism is operated and the material is supplied, even if the target material 2 aggregates due to discharge, a new initial bulk density is formed on the surface. Since the material which has is supplied, the surface state is stabilized. As a result, the sputtering rate on the target surface does not change, and a stable film formation rate can be maintained.

一方、従来例においては、スパッタ放電に曝されるターゲット材料は凝集が進み、固化が進行する。その結果、成膜レートが低下するために、得られる二酸化ケイ素の膜厚が小さくなる。すなわち、安定なプロセス状態が得られない。本発明においても、放電の直前に常に一定のかさ密度をもつ材料を供給することにより、安定的なプロセスを得られるのである。   On the other hand, in the conventional example, the target material exposed to the sputter discharge is agglomerated and solidified. As a result, the film formation rate is lowered, and the resulting silicon dioxide film thickness is reduced. That is, a stable process state cannot be obtained. Also in the present invention, a stable process can be obtained by supplying a material having a constant bulk density immediately before discharge.

本発明の成膜装置および成膜方法は、長期間にわたって安定的な成膜レートを得ることができる効果を有し、薄膜デバイス形成や表面処理分野の用途にも適用できる。   The film forming apparatus and the film forming method of the present invention have an effect that a stable film forming rate can be obtained over a long period of time, and can be applied to applications in the field of thin film device formation and surface treatment.

本発明の実施の形態1に係る成膜装置の概略図Schematic of a film forming apparatus according to Embodiment 1 of the present invention (1)本発明の実施の形態1に係る成膜装置のうちカソードの上面図(2)本発明の実施の形態1に係る成膜装置のうちカソードの側面図(1) Top view of the cathode in the film forming apparatus according to Embodiment 1 of the present invention (2) Side view of the cathode of the film forming apparatus according to Embodiment 1 of the present invention (1)本発明の実施の形態1に係る成膜装置のうちターゲット材料の表面を攪拌する構成部品の上面図(2)本発明の実施の形態1に係る成膜装置のうちターゲット材料の表面を攪拌する構成部品の側面図(1) Top view of components that stir the surface of the target material in the film forming apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. (2) Surface of the target material in the film forming apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. Side view of components that stir 第1の実施の形態において、実施した成膜の膜厚の径時的な傾向を示す図The figure which shows the time-dependent tendency of the film thickness of the film-forming implemented in 1st Embodiment. 本発明の実施の形態1におけるターゲット材料のかさ密度の径時的な状態を示す図The figure which shows the time-dependent state of the bulk density of the target material in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態2における成膜の膜厚の径時的な状態を示す図The figure which shows the time-dependent state of the film thickness of the film-forming in Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態2におけるターゲット材料のかさ密度の径時的な状態を示す図The figure which shows the time-dependent state of the bulk density of the target material in Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態3における成膜の膜厚の径時的な状態を示す図The figure which shows the time-dependent state of the film thickness of the film-forming in Embodiment 3 of this invention 本発明の実施の形態3におけるターゲット材料のかさ密度の径時的な状態を示す図The figure which shows the time-dependent state of the bulk density of the target material in Embodiment 3 of this invention 本発明の実施の形態4における成膜装置の概略図Schematic of the film forming apparatus in Embodiment 4 of the present invention 本発明の実施の形態4における成膜の膜厚の径時的な状態を示す図The figure which shows the time-dependent state of the film thickness of the film-forming in Embodiment 4 of this invention

符号の説明Explanation of symbols

1 真空槽
2 ターゲット材料
3 容器
4 基板
5 シャッター
6 電極
7 整合回路
8 高周波電源
9 アルゴンガス
10 アースシールド板
11 マグネトロン磁石
12 攪拌機構
13 針状部品
14 材料攪拌板
20 基板搬送室
21 材料供給機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum chamber 2 Target material 3 Container 4 Board | substrate 5 Shutter 6 Electrode 7 Matching circuit 8 High frequency power supply 9 Argon gas 10 Earth shield board 11 Magnetron magnet 12 Agitation mechanism 13 Needle-shaped part 14 Material stirring board 20 Substrate conveyance room 21 Material supply mechanism

Claims (6)

真空を維持することが可能な真空槽と、真空槽内にあり基板を載置する基板保持台と、基板保持台と対向して設置され、粉状のターゲット材料を保持する容器を載置し、かつ、基板保持台に対向する面の中心軸を中心に回転するカソードと、カソードに電圧を印加する電源と、真空槽内にガスを供給しつつ排気するガス供排気手段からなる成膜装置において、基板保持台とカソードとの間には開口部を有してアースシールドが配置され、アースシールドのカソード側の表面の一部には、粉状のターゲット材料を攪拌する攪拌手段が設けられたことを特徴とする成膜装置。 A vacuum chamber capable of maintaining a vacuum, a substrate holding table in the vacuum chamber on which a substrate is placed, and a container that holds the powdery target material placed on the substrate holding table. A film forming apparatus comprising: a cathode that rotates about a central axis of a surface facing the substrate holder; a power source that applies a voltage to the cathode; and a gas supply / exhaust unit that exhausts gas while supplying the gas into the vacuum chamber , An earth shield having an opening is disposed between the substrate holder and the cathode, and a stirring means for stirring the powdery target material is provided on a part of the cathode side surface of the earth shield. A film forming apparatus characterized by the above. 前記攪拌手段にターゲット材と同種類の粉末材料を供給しながら基板を処理することを特徴とする請求項1に記載の成膜装置。 The film forming apparatus according to claim 1, wherein the substrate is processed while supplying the same kind of powder material as the target material to the stirring unit. 粉状のターゲット材の平均粒径は50nm以上10μm未満であることを特徴とする請求項1または2に記載の成膜装置。 3. The film forming apparatus according to claim 1, wherein the average particle size of the powdery target material is 50 nm or more and less than 10 μm. 真空槽内にガスを供給しつつ排気し、真空槽内を所定の圧力に制御しながらプラズマを発生させ、粉状のターゲット材料を保持する容器を載置するカソードに電圧を印加させながら、カソードを基板保持台に対向する面の中心軸を中心に回転させ、カソードに対向する基板保持台に載置された基板を処理する成膜方法であって、粉状のターゲット材料は基板保持台とカソードとの間に配設された開口部を有するアースシールドを介してプラズマに曝される第1領域と曝されない第2領域を有し、第2領域にて粉状のターゲット材料を攪拌させることで前記第1領域と前記第2領域でのターゲット材料のかさ密度を実質的に同一にしながら、基板の成膜を行うことを特徴とする成膜方法。 While supplying gas into the vacuum chamber, exhausting the gas, generating plasma while controlling the inside of the vacuum chamber to a predetermined pressure, and applying a voltage to the cathode on which the container holding the powdery target material is applied, the cathode Is a film forming method for processing a substrate placed on a substrate holding table opposite to a cathode, the powdery target material being a substrate holding table and a substrate holding table. Having a first region exposed to plasma and a second region not exposed through an earth shield having an opening disposed between the cathode and stirring the powdery target material in the second region The film formation method is characterized in that the substrate is formed while the bulk density of the target material is substantially the same in the first region and the second region. ターゲット材と同種類の粉末材料を供給しながら基板を処理することを特徴とする請求項4に記載の成膜方法。 The film forming method according to claim 4, wherein the substrate is processed while supplying the same kind of powder material as the target material. 粉状のターゲット材の平均粒径は50nm以上10μm未満であることを特徴とする請求項4または5に記載の成膜方法。 6. The film forming method according to claim 4, wherein the average particle size of the powdery target material is 50 nm or more and less than 10 μm.
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