JP2008069402A - Sputtering apparatus and sputtering method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sputtering apparatus improved in film quality by preventing the occurrence of abnormal electrical discharge caused by accumulation of insulators on a target surface. <P>SOLUTION: The sputtering apparatus is equipped with: a vacuum container 11 in which a film-forming process area 20A and a reaction process area 60A are formed; a sputtering means 20 which carries out sputtering in the film-forming process area 20A to deposit a film material substance on the surface of a substrate S; and a plasma generating means 60 which generates a plasma in the reaction process area 60A to produce a reactant of the film material substance deposited on the surface of the substrate S. The sputtering means 20 is equipped with: a cylindrical target 81 which rotates around a central axis Xa-Xb; a magnetic body unit 88 which forms a leakage magnetic field on the surface of the cylindrical target 81; and a target-rotating motor 93 for rotating the cylindrical target 81 relative to the magnetic body unit 88. Since any non-erosion area is hardly formed on the surface of the target, insulators are hardly accumulated, and the occurrence of abnormal electrical discharge is thereby prevented. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明はスパッタリング装置及びスパッタリング方法に係り、特に、反応性スパッタリングにより薄膜形成を行うスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。   The present invention relates to a sputtering apparatus and a sputtering method, and more particularly to a sputtering apparatus and a sputtering method for forming a thin film by reactive sputtering.

スパッタリング装置として、マグネトロンカソードによりターゲットをスパッタリングして基板表面に膜原料物質の薄膜を形成させる成膜プロセス領域と、反応性ガスのプラズマを発生させて成膜プロセス領域で基板表面に形成された膜原料物質を反応させる反応プロセス領域を備えた反応性スパッタリング装置が知られている(例えば、特許文献1)。   As a sputtering device, a film forming process region in which a target is sputtered by a magnetron cathode to form a thin film of a film raw material on the substrate surface, and a film formed on the substrate surface in the film forming process region by generating a reactive gas plasma A reactive sputtering apparatus having a reaction process region for reacting a raw material is known (for example, Patent Document 1).

図9に示すように、特許文献1に記載のスパッタリング装置101は、仕切壁125で区画された成膜プロセス領域120Aと、仕切壁145で区画された成膜プロセス領域140Aと、仕切壁165で区画された反応プロセス領域160Aと反応プロセス領域160Aとが互いに真空容器111内の離間した位置に形成されている。成膜プロセス領域120Aには、スパッタ電極121と、これに固定された平板状のターゲット129が配設されている。また、成膜プロセス領域140Aには、スパッタ電極141と、これに固定された平板状のターゲット149が配設されている。成膜プロセス領域120A内でターゲット129を、成膜プロセス領域140A内でターゲット149をそれぞれスパッタリングすることで、基板の表面に金属超薄膜(膜原料物質の薄膜)を形成する。次に、基板を保持する基板ホルダ113を回転させて基板を反応プロセス領域160Aに移動させ、酸素ガス(反応性ガス)のプラズマにより金属超薄膜を金属酸化物超薄膜に変換している。   As shown in FIG. 9, the sputtering apparatus 101 described in Patent Document 1 includes a film formation process region 120 </ b> A partitioned by a partition wall 125, a film formation process region 140 </ b> A partitioned by a partition wall 145, and a partition wall 165. The partitioned reaction process region 160A and reaction process region 160A are formed at positions separated from each other in the vacuum vessel 111. In the film forming process region 120A, a sputter electrode 121 and a flat target 129 fixed thereto are disposed. Further, a sputtering electrode 141 and a flat target 149 fixed thereto are disposed in the film forming process region 140A. By sputtering the target 129 in the film forming process region 120A and the target 149 in the film forming process region 140A, an ultra-thin metal film (film raw material thin film) is formed on the surface of the substrate. Next, the substrate holder 113 holding the substrate is rotated to move the substrate to the reaction process region 160A, and the metal ultrathin film is converted into the metal oxide ultrathin film by plasma of oxygen gas (reactive gas).

しかしながら、平板状のターゲットではマグネトロン電極で発生する磁場が変化せずに固定されているため、ターゲットの位置によってスパッタリングされやすい領域とされにくい領域が発生する。
より詳細に説明すると、図10に示すように、スパッタ電極121は、ターゲット129の裏面側に配置されるヨーク122と、ヨーク122の表面に固定された中央磁石123a及び外側磁石123b,123cから構成されている。中央磁石123aはS極を、外側磁石123b,123cはN極をターゲット129に向けて配置されているため、中央磁石123aと外側磁石123bとの間、中央磁石123aと外側磁石123cとの間に磁場が形成され、その一部はターゲット129の表面で漏洩磁界を形成している。
However, in a flat target, since the magnetic field generated by the magnetron electrode is fixed without change, a region that is easily sputtered is generated depending on the position of the target.
More specifically, as shown in FIG. 10, the sputtering electrode 121 includes a yoke 122 disposed on the back side of the target 129, a central magnet 123 a fixed to the surface of the yoke 122, and outer magnets 123 b and 123 c. Has been. The central magnet 123a is arranged with the south pole facing the south pole, and the outer magnets 123b and 123c are arranged with the north pole facing the target 129. Therefore, the middle magnet 123a is located between the outer magnet 123b and the middle magnet 123a. A magnetic field is formed, and a part of the magnetic field forms a leakage magnetic field on the surface of the target 129.

成膜プロセス領域120Aに不活性ガスを導入した状態で高周波電圧を印加すると、成膜プロセス領域120A内でプラズマが発生して不活性ガスをイオン化する。イオンはターゲット129に衝突して、二次電子を放出させる。この二次電子は、漏洩磁界のうちターゲット129の表面と水平方向に沿った軌道をサイクロイド運動して移動し、不活性ガスと衝突して更に多くのイオンを発生させる。すなわち、ターゲット129の表面に発生する漏洩磁界のうちターゲット129の表面と水平方向では多くのイオンが発生して高いレートでスパッタリングが行われるが、それ以外の領域ではイオンの発生が少なくスパッタリングレートが低い。   When a high frequency voltage is applied with the inert gas introduced into the film forming process region 120A, plasma is generated in the film forming process region 120A to ionize the inert gas. The ions collide with the target 129 and emit secondary electrons. The secondary electrons move in a trajectory along the horizontal direction with the surface of the target 129 in the leakage magnetic field, and collide with the inert gas to generate more ions. That is, among the leakage magnetic field generated on the surface of the target 129, many ions are generated in the horizontal direction with respect to the surface of the target 129, and sputtering is performed at a high rate. Low.

このため、ターゲット129の表面に対して水平方向の磁場領域ではターゲット129が侵食(エロージョン)されやすく、それ以外の領域ではターゲット129がエロージョンされにくい。このように、磁場の向きの違いによりターゲット129の表面に侵食されやすい領域(エロージョン領域A)と侵食されにくい領域(非エロージョン領域B)が発生するため、全体としてターゲットの利用率が低下し、この結果、成膜に要するコストが上昇するという不都合があった。   For this reason, the target 129 is easily eroded (eroded) in the magnetic field region in the horizontal direction with respect to the surface of the target 129, and the target 129 is not easily eroded in other regions. As described above, a region that is likely to be eroded (erosion region A) and a region that is not easily eroded (non-erosion region B) are generated due to the difference in the direction of the magnetic field, so that the target utilization rate as a whole decreases. As a result, there is a disadvantage that the cost required for film formation increases.

さらに、反応性スパッタリング装置では、反応プロセス領域160Aから成膜プロセス領域120Aに流入する反応性ガスとターゲット129が反応して、ターゲット129の表面に反応性ガスとの反応物(例えば、酸化物)が蓄積しやすいという性質がある。特許文献1のような平板状のターゲット129において、ターゲット129の表面のうちエロージョン領域はスパッタリングされやすいため絶縁物が蓄積してもすぐにスパッタリングにより除去されるが、非エロージョン領域はスパッタリングされにくいため絶縁物が蓄積しやすい。ターゲット129の表面に絶縁物が蓄積すると、これに正の電荷を有するイオンが蓄積し、負電位にあるターゲット129との間で電位差を生じる。絶縁物への電荷が蓄積しつづけ、最終的に絶縁限界を超えると絶縁破壊が起きてアーク放電(異常放電)が発生する。この異常放電によりターゲット材料の塊(パーティクル)が基板に飛散して薄膜に欠陥が生じるという不都合があった。また、異常放電によりターゲット表面にアーク痕が残り、この周辺で更に絶縁物の蓄積が生じて異常放電を起こすことで薄膜に欠陥を生じさせるという悪循環が生じる。   Further, in the reactive sputtering apparatus, the reactive gas flowing from the reaction process region 160A into the film forming process region 120A reacts with the target 129, and a reaction product (for example, oxide) with the reactive gas on the surface of the target 129. Is easy to accumulate. In the flat target 129 as in Patent Document 1, the erosion region of the surface of the target 129 is easily sputtered, so even if an insulator is accumulated, it is immediately removed by sputtering, but the non-erosion region is difficult to be sputtered. Insulation is easy to accumulate. When an insulator is accumulated on the surface of the target 129, ions having a positive charge are accumulated therein, and a potential difference is generated between the target 129 and a negative potential. When electric charges continue to accumulate in the insulator and eventually exceed the insulation limit, dielectric breakdown occurs and arc discharge (abnormal discharge) occurs. Due to this abnormal discharge, a lump (particle) of the target material is scattered on the substrate, resulting in a defect in the thin film. Moreover, an arc mark remains on the surface of the target due to the abnormal discharge, and a vicious cycle occurs in which an accumulation of an insulator further occurs around the target to cause abnormal discharge, thereby causing defects in the thin film.

一般的な反応性スパッタリングでは、成膜プロセス領域120A内にも反応性ガスを導入して、成膜プロセス領域120A内で膜原料物質と反応性ガスとの反応物を生成させることで、反応性の向上を図ることも行われている。しかしながら、上述した異常放電を防止するためには、ターゲット129と反応性ガスとを極力接触させないようにする必要があるため、成膜プロセス領域120A内に反応性ガスを導入することは事実上困難であるか、あるいは導入したとしてもその濃度は非常に低いものであり、反応性の向上に対する寄与が非常に低いという不都合があった。   In general reactive sputtering, a reactive gas is introduced also into the film forming process region 120A, and a reaction product of a film raw material and a reactive gas is generated in the film forming process region 120A. Improvements are also being made. However, since it is necessary to prevent the target 129 and the reactive gas from contacting each other as much as possible in order to prevent the abnormal discharge described above, it is practically difficult to introduce the reactive gas into the film forming process region 120A. Even if it is introduced, the concentration is very low, and the contribution to the improvement of the reactivity is very low.

さらに、反応プロセス領域160A内に導入される反応性ガスについても、その濃度が高すぎると成膜プロセス領域120A,140Aに混入する反応性ガスの濃度が高くなる。このため、反応プロセス領域160A内に導入される反応性ガスについても、その濃度を低く保つ必要があった。
このように、従来のスパッタリング装置では、成膜プロセス領域120A,140Aや反応プロセス領域160Aに高濃度の反応性ガスを導入して膜原料物質と反応性ガスとの反応を促進させ、成膜レートの向上を図ることが困難となっていた。
Furthermore, if the concentration of the reactive gas introduced into the reaction process region 160A is too high, the concentration of the reactive gas mixed into the film forming process regions 120A and 140A increases. For this reason, it is necessary to keep the concentration of the reactive gas introduced into the reaction process region 160A low.
As described above, in the conventional sputtering apparatus, a high concentration reactive gas is introduced into the film forming process regions 120A and 140A and the reaction process region 160A to promote the reaction between the film raw material and the reactive gas. It has been difficult to improve.

ところで、従来、反応性スパッタリングとは異なる一般的なスパッタリング装置において、ターゲットを回転させることでターゲット全体に占める非エロージョン領域の割合を低下させる技術が知られている(例えば、特許文献2〜4及び非特許文献1参照)。
特許文献2には、回転自在な円筒ターゲットと内部線形マグネット組立体とを備えたマグネトロンスパッタリング装置が開示されている。
特許文献3には、円筒状のチタン管と、チタン管の内部に配設される複数の磁石からなる円筒ターゲットを備えたリアクティブスパッタリング装置が開示されている。
特許文献4には、回転可能なチューブ状ターゲットと、この内部に配設されたマグネット・アセンブリとを備えたスパッタリング装置が開示されている。
By the way, conventionally, in a general sputtering apparatus different from reactive sputtering, a technique for reducing the ratio of a non-erosion region in the entire target by rotating the target is known (for example, Patent Documents 2 to 4 and Non-patent document 1).
Patent Document 2 discloses a magnetron sputtering apparatus including a rotatable cylindrical target and an internal linear magnet assembly.
Patent Document 3 discloses a reactive sputtering apparatus including a cylindrical titanium tube and a cylindrical target including a plurality of magnets arranged inside the titanium tube.
Patent Document 4 discloses a sputtering apparatus including a rotatable tubular target and a magnet assembly disposed therein.

特開平11−256327号公報(請求項7、段落0010〜0034、第1図)JP-A-11-256327 (Claim 7, paragraphs 0010 to 0034, FIG. 1) 特開平3−211275号公報(請求項33、第20頁、第21頁、第29図、第30図)JP-A-3-21275 (Claim 33, pages 20, 21, 21, 29 and 30) 特開平6−158312号公報(請求項1〜4、段落0006〜0011、第1図、第2図)Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-158312 (Claims 1-4, paragraphs 0006-0011, FIGS. 1 and 2) 特表2002−529600号公報(請求項1〜4、段落0006〜0011、第3図)JP-T-2002-529600 (Claims 1-4, paragraphs 0006-0011, FIG. 3) Steven J.Nadalら、"Strategies for high rate reactive sputtering"、Thin Solid Films、Elsevier Science B.V.、2001、Vol.392、p.174−183Steven J.M. Nadal et al., “Stratesies for high rate reactive sputtering”, Thin Solid Films, Elsevier Science B. et al. V. 2001, Vol. 392, p. 174-183

このように、特許文献2〜4のスパッタリング装置では、回転式の円筒ターゲットを回転させることで、ターゲット材料の使用率を80〜90%に向上させることが可能となる。これにより、薄膜形成に要するコストの低減を図ることが可能となる。
しかしながら、成膜プロセス領域と反応プロセス領域とが離間した反応性スパッタリング装置で、このような回転式のターゲットを用いた例については知られていなかった。
As described above, in the sputtering apparatuses disclosed in Patent Documents 2 to 4, the usage rate of the target material can be improved to 80 to 90% by rotating the rotary cylindrical target. Thereby, it is possible to reduce the cost required for forming the thin film.
However, an example using such a rotary target in a reactive sputtering apparatus in which the film forming process region and the reaction process region are separated has not been known.

本発明の目的は、成膜プロセス領域と反応プロセス領域とが離間した位置に設けられた反応性スパッタリング装置において、ターゲットの利用率を向上させて薄膜形成に要するコストを低減させるとともに、ターゲット表面での反応物の蓄積による異常放電の発生とこれに伴う膜質の低下を防止し、成膜時間の短縮を図ることが可能なスパッタリング装置及びスパッタリング方法を提供することにある。   An object of the present invention is to reduce the cost required for thin film formation by improving the utilization rate of a target in a reactive sputtering apparatus provided at a position where a film forming process region and a reaction process region are separated from each other. It is an object of the present invention to provide a sputtering apparatus and a sputtering method capable of preventing the occurrence of abnormal discharge due to accumulation of reactants and the accompanying deterioration in film quality and shortening the film formation time.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、従来の反応性スパッタリング装置に回転式のターゲットを適用することで、ターゲットの利用率を向上させるのみならず、ターゲット表面での反応物の蓄積を防止して異常放電(アーク放電)の発生を防止することができるという新たな知見を得て、本発明を完成させた。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors applied a rotary target to a conventional reactive sputtering apparatus, not only improving the utilization rate of the target, but also on the target surface. The present invention has been completed by obtaining new knowledge that it is possible to prevent the occurrence of abnormal discharge (arc discharge) by preventing the accumulation of reactants.

すなわち、上記課題は、本発明のスパッタリング装置によれば、基体に薄膜を形成するスパッタリング装置であって、互いに空間的に離間した位置に形成された成膜プロセス領域及び反応プロセス領域が内部に有する真空容器と、前記成膜プロセス領域と前記反応プロセス領域との間で前記基体を搬送可能な基体搬送手段と、前記成膜プロセス領域内にスパッタガスを導入するスパッタガス導入手段と、前記成膜プロセス領域内で前記スパッタガスによるスパッタリングを行い前記基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ手段と、前記反応プロセス領域内に反応性ガスを導入する反応性ガス導入手段と、前記反応プロセス領域内でプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質と前記反応性ガスとを反応させるプラズマ発生手段と、を備え、前記スパッタ手段は、長手方向に沿った中心軸線を中心に回転可能な円筒状ターゲットと、該円筒状ターゲットの表面に磁界を形成する磁界形成手段と、該磁界形成手段に対して前記円筒状ターゲットを回転させるターゲット回転手段と、を備えたことにより解決される。   That is, according to the sputtering apparatus of the present invention, the above-described problem is a sputtering apparatus for forming a thin film on a substrate, and has a film formation process region and a reaction process region formed in spatially spaced positions from each other. A vacuum container; a substrate transfer means capable of transferring the substrate between the film formation process region and the reaction process region; a sputtering gas introduction means for introducing a sputtering gas into the film formation process region; and the film formation Sputtering means for performing sputtering with the sputtering gas in the process region and attaching a film raw material to the surface of the substrate; reactive gas introducing means for introducing a reactive gas into the reaction process region; and in the reaction process region A plasma that generates plasma and reacts the film source material adhering to the surface of the substrate with the reactive gas. Generating means, and the sputtering means includes a cylindrical target rotatable around a central axis along the longitudinal direction, a magnetic field forming means for forming a magnetic field on the surface of the cylindrical target, and the magnetic field forming means. And a target rotating means for rotating the cylindrical target.

このように、磁界形成手段に対して円筒状ターゲットが回転しているため、磁界に対する円筒状ターゲットの表面位置が変化し、非エロージョン領域が生じにくくなる。このため、円筒状ターゲットの表面全体をスパッタリングすることが可能となる。また、非エロージョン領域が生じにくいため、その表面に絶縁物が蓄積しにくく、異常放電の発生を防止することが可能となる。これにより、ターゲット材料の塊が基体に飛散することで薄膜の欠陥が発生することを防止することが可能となる。   As described above, since the cylindrical target is rotated with respect to the magnetic field forming means, the surface position of the cylindrical target with respect to the magnetic field is changed, and a non-erosion region is hardly generated. For this reason, it becomes possible to sputter the whole surface of a cylindrical target. In addition, since a non-erosion region is unlikely to occur, it is difficult for an insulator to accumulate on the surface, and it is possible to prevent the occurrence of abnormal discharge. Thereby, it becomes possible to prevent the defect of the thin film from occurring due to the lump of the target material scattered on the substrate.

また、前記スパッタ手段は、前記成膜プロセス領域内に隣接して配設され、前記隣接して配設された一対のスパッタ手段に対して交互に電圧を印加する交流電源と、を備えることが好ましい。   In addition, the sputtering unit includes an AC power source that is disposed adjacent to the film formation process region and alternately applies a voltage to the pair of sputtering units disposed adjacent to each other. preferable.

このように、成膜プロセス領域内に一対のスパッタ手段が隣接して配設されており、これに交流電圧を印加することで、スパッタ手段が備える円筒状ターゲットに正と負の電位が交互に印加される。このため、円筒状ターゲットの表面に電荷が蓄積してもこれが中和され、異常放電の発生が防止される。これにより、ターゲット材料の塊が基体に飛散することで薄膜の欠陥が発生することを防止することが可能となる。
また、一対のスパッタ手段のうち一方が正となっているときに、他方が負となっているため、成膜プロセス領域内での放電が持続し、成膜レートを低下させることなく安定的に薄膜形成を行うことが可能となる。
In this way, a pair of sputtering means are disposed adjacent to each other in the film forming process region, and by applying an alternating voltage thereto, positive and negative potentials are alternately applied to the cylindrical target provided in the sputtering means. Applied. For this reason, even if electric charges accumulate on the surface of the cylindrical target, they are neutralized and the occurrence of abnormal discharge is prevented. Thereby, it becomes possible to prevent the defect of the thin film from occurring due to the lump of the target material scattered on the substrate.
In addition, when one of the pair of sputtering means is positive and the other is negative, the discharge in the film forming process area is sustained, and stable without reducing the film forming rate. Thin film formation can be performed.

また、前記真空容器は、複数の成膜プロセス領域を有し、該複数の成膜プロセス領域のそれぞれには、前記円筒状ターゲットを備えた前記スパッタ手段が配設され、前記複数の成膜プロセス領域のうち1つに配設された前記円筒状ターゲットは、他のいずれか1つに配設された前記円筒状ターゲットとは異なる材料で形成されていることが好ましい。   The vacuum container has a plurality of film forming process regions, and each of the plurality of film forming process regions is provided with the sputtering means including the cylindrical target, and the plurality of film forming processes. It is preferable that the cylindrical target disposed in one of the regions is formed of a material different from the cylindrical target disposed in any one of the other regions.

このようにすることで、異なる材料からなる薄膜が積層した複合薄膜を基体上に形成することが可能となる。これにより、薄膜の物理的・光学的特性にバリエーションをもたせることが可能となる。   In this way, a composite thin film in which thin films made of different materials are laminated can be formed on the substrate. This makes it possible to provide variations in the physical and optical characteristics of the thin film.

さらに、前記成膜プロセス領域は、内部へのガスの流入を阻止するための仕切壁を有しないことが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the film forming process region does not have a partition wall for preventing gas from flowing into the inside.

このように、成膜プロセス領域が仕切壁を有していないため、スパッタリング装置の構成を簡単にすることが可能となる。また、反応プロセス領域に導入される反応性ガスが成膜プロセス領域内に流入しやすくなるため、反応プロセス領域に導入される反応性ガスを利用して反応性を更に向上させることが可能となる。これにより、薄膜形成に要するコストを低減することができる。   Thus, since the film forming process area does not have a partition wall, the configuration of the sputtering apparatus can be simplified. Further, since the reactive gas introduced into the reaction process region easily flows into the film forming process region, the reactivity can be further improved by using the reactive gas introduced into the reaction process region. . Thereby, the cost required for thin film formation can be reduced.

また、上記課題は、本発明のスパッタリング方法によれば、基体に薄膜を形成するスパッタリング方法であって、真空容器内に区画された成膜プロセス領域内にスパッタガスを導入するスパッタガス導入工程と、前記成膜プロセス領域内で前記スパッタガスにより円筒状ターゲットをスパッタリングして前記基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ工程と、前記成膜プロセス領域と空間的に離間した位置に形成された反応プロセス領域に前記基体を搬送する基体搬送工程と、前記反応プロセス領域内に反応性ガスを導入する反応性ガス導入工程と、前記反応プロセス領域内でプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質と前記反応性ガスとを反応させるプラズマ発生工程と、を行い、前記スパッタ工程では、前記円筒状ターゲットの表面に磁界を形成した状態で、前記円筒状ターゲットをその長手方向に沿った中心軸線を中心に回転させることにより解決される。   Further, the above-described problem is a sputtering method for forming a thin film on a substrate according to the sputtering method of the present invention, and a sputtering gas introduction step for introducing a sputtering gas into a film forming process region partitioned in a vacuum vessel; A sputtering process in which a cylindrical target is sputtered by the sputtering gas in the film forming process region to deposit a film raw material on the surface of the substrate, and is formed at a position spatially separated from the film forming process region. A substrate transport step for transporting the substrate to the reaction process region, a reactive gas introduction step for introducing a reactive gas into the reaction process region, and a plasma generated in the reaction process region to adhere to the surface of the substrate And a plasma generating step for reacting the film raw material and the reactive gas, and in the sputtering step, On the surface of the Jo target while a magnetic field is solved by rotating about the axis along the cylindrical target in its longitudinal direction.

このように、磁界形成手段に対して円筒状ターゲットを回転させることで、磁界に対する円筒状ターゲットの表面位置を変化させて、非エロージョン領域が生じにくくさせることにより、円筒状ターゲットの表面全体をスパッタリングすることが可能となる。また、非エロージョン領域が生じにくいため、その表面に絶縁物が蓄積しにくく、異常放電の発生を防止することが可能となる。これにより、ターゲット材料の塊が基体に飛散することで薄膜の欠陥が発生することを防止することが可能となる。   In this way, by rotating the cylindrical target with respect to the magnetic field forming means, the surface position of the cylindrical target with respect to the magnetic field is changed, and the non-erosion region is hardly generated, so that the entire surface of the cylindrical target is sputtered. It becomes possible to do. In addition, since a non-erosion region is unlikely to occur, it is difficult for an insulator to accumulate on the surface, and it is possible to prevent the occurrence of abnormal discharge. Thereby, it becomes possible to prevent the defect of the thin film from occurring due to the lump of the target material scattered on the substrate.

本発明のスパッタリング装置及びスパッタリング方法によれば、磁界形成手段に対して円筒状ターゲットが回転しているため、非エロージョン領域が生じにくくなり、円筒状ターゲットの表面全体をスパッタリングすることが可能となる。また、非エロージョン領域が生じにくいため、その表面に絶縁物が蓄積しにくく、異常放電の発生を防止することが可能となり、薄膜に欠陥が生じることを防止することができる。このため、安価なコストで膜質の優れた薄膜を製造することが可能となる。   According to the sputtering apparatus and the sputtering method of the present invention, since the cylindrical target is rotated with respect to the magnetic field forming means, a non-erosion region is hardly generated, and the entire surface of the cylindrical target can be sputtered. . In addition, since a non-erosion region is unlikely to occur, it is difficult for an insulator to accumulate on the surface thereof, so that abnormal discharge can be prevented and defects in the thin film can be prevented. For this reason, it becomes possible to manufacture a thin film with excellent film quality at a low cost.

以下に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は発明を具体化した一例であって本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the members, arrangements, and the like described below are examples embodying the present invention and do not limit the present invention, and it goes without saying that various modifications can be made in accordance with the spirit of the present invention.

図1〜図6は本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置について説明した図であり、図1はスパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図、図2は図1のスパッタリング装置の縦断面をとって側面から見た状態を示す説明図、図3は図1のスパッタリング装置の成膜プロセス領域周辺を拡大して示した説明図、図4は回転カソードユニットの斜視図、図5は図4の回転カソードユニットのXa−Xb断面図、図6は図1のスパッタリング装置の反応プロセス領域周辺を拡大して示した説明図である。   1 to 6 are diagrams for explaining a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is an explanatory view showing a state of the sputtering apparatus as viewed from the upper side, and FIG. FIG. 3 is an explanatory view showing the state of the sputtering apparatus as viewed from the side, taken from the side, FIG. 3 is an explanatory view showing the periphery of the film forming process area of the sputtering apparatus of FIG. 1, and FIG. 4 is a perspective view of the rotating cathode unit. 5 is an Xa-Xb cross-sectional view of the rotating cathode unit of FIG. 4, and FIG. 6 is an explanatory diagram showing an enlarged view of the reaction process region periphery of the sputtering apparatus of FIG.

本実施形態のスパッタリング装置1では、目的の膜厚よりも相当程度薄い薄膜を基板Sの表面に付着するスパッタ工程と、この薄膜に対してプラズマ処理を行って薄膜の組成を変換する反応工程とにより基板Sの表面に中間薄膜を形成し、このスパッタ工程と反応工程を複数回繰り返すことで、中間薄膜を複数層積層して目的の膜厚を有する最終薄膜を基板Sの表面に形成している。
具体的には、スパッタ工程と反応工程によって組成変換後における膜厚の平均値が0.01〜1.5nm程度の中間薄膜を基板Sの表面に形成する工程を、回転ドラム13の回転毎に繰り返すことにより、目的とする数nm〜数百nm程度の膜厚を有する最終薄膜を形成している。
In the sputtering apparatus 1 of the present embodiment, a sputtering process in which a thin film considerably thinner than the target film thickness is adhered to the surface of the substrate S, and a reaction process in which the thin film is subjected to plasma treatment to convert the composition of the thin film. By forming the intermediate thin film on the surface of the substrate S and repeating the sputtering process and the reaction process a plurality of times, a plurality of intermediate thin films are stacked to form a final thin film having the desired film thickness on the surface of the substrate S. Yes.
Specifically, the step of forming an intermediate thin film having an average film thickness after composition conversion of about 0.01 to 1.5 nm on the surface of the substrate S by the sputtering step and the reaction step is performed each time the rotary drum 13 rotates. By repeating, a final thin film having a target film thickness of several nm to several hundred nm is formed.

以下、スパッタリング装置について説明する。
図1に示すように、本実施形態のスパッタリング装置1は、真空容器11と、回転ドラム13と、ドラム回転モータ17(図2参照)と、スパッタ手段20と、スパッタガス供給手段30と、プラズマ発生手段60と、反応性ガス供給手段70と、を主要な構成要素としている。
なお、図中では、スパッタ手段20及びプラズマ発生手段60は破線で、スパッタガス供給手段30及び反応性ガス供給手段70は一点鎖線で表示している。
本実施形態では、酸化ケイ素(SiO)を成膜する例について説明する。
Hereinafter, the sputtering apparatus will be described.
As shown in FIG. 1, the sputtering apparatus 1 of this embodiment includes a vacuum vessel 11, a rotating drum 13, a drum rotating motor 17 (see FIG. 2), a sputtering unit 20, a sputtering gas supply unit 30, and a plasma. The generation means 60 and the reactive gas supply means 70 are main components.
In the figure, the sputtering means 20 and the plasma generation means 60 are indicated by broken lines, and the sputtering gas supply means 30 and the reactive gas supply means 70 are indicated by a one-dot chain line.
In this embodiment, an example in which silicon oxide (SiO 2 ) is formed will be described.

真空容器11は、公知のスパッタリング装置で通常用いられるようなステンレススチール製で、ほぼ直方体形状をした中空体である。真空容器11の内部は、開閉扉としての扉11Cによって薄膜形成室11Aとロードロック室11Bに分けられる。真空容器11の上方には扉11Cを収容する扉収納室(不図示)が接続されており、扉11Cは、真空容器11の内部と扉収納室の内部との間でスライドすることで開閉する。   The vacuum container 11 is a hollow body made of stainless steel, which is usually used in a known sputtering apparatus, and has a substantially rectangular parallelepiped shape. The inside of the vacuum vessel 11 is divided into a thin film forming chamber 11A and a load lock chamber 11B by a door 11C as an open / close door. A door storage chamber (not shown) for storing the door 11C is connected above the vacuum vessel 11, and the door 11C opens and closes by sliding between the inside of the vacuum vessel 11 and the inside of the door storage chamber. .

真空容器11には、ロードロック室11Bと真空容器11の外部とを仕切るための扉11Dが設けられている。扉11Dはスライド又は回動することで開閉する。薄膜形成室11Aには排気用の配管16a−1が接続され、この配管16a−1には真空容器11の内部を排気するための真空ポンプ15aが接続されている。真空容器11の内部において配管16a−1には開口が形成されており、この開口は真空容器11の内部の成膜プロセス領域20Aと反応プロセス領域60Aとの間に位置している。これにより、成膜プロセス領域20Aで飛散した膜原料物質を真空ポンプ15aで吸引することが可能となり、成膜プロセス領域20Aから飛散した膜原料物質が反応プロセス領域60Aに侵入してプラズマ発生手段60を汚染したり、成膜プロセス領域20Aの外に位置する基板Sの表面に付着して汚染したりすることを防止している。
また、ロードロック室11Bには排気用の配管16bが接続され、この配管16bには真空容器11の内部を排気するための真空ポンプ15bが接続されている。
The vacuum vessel 11 is provided with a door 11D for partitioning the load lock chamber 11B and the outside of the vacuum vessel 11. The door 11D opens and closes by sliding or rotating. An exhaust pipe 16a-1 is connected to the thin film forming chamber 11A, and a vacuum pump 15a for exhausting the inside of the vacuum vessel 11 is connected to the pipe 16a-1. An opening is formed in the pipe 16a-1 inside the vacuum vessel 11, and this opening is located between the film forming process region 20A and the reaction process region 60A inside the vacuum vessel 11. As a result, the film raw material scattered in the film forming process region 20A can be sucked by the vacuum pump 15a, and the film raw material scattered from the film forming process region 20A enters the reaction process region 60A and enters the plasma generating means 60. Or contaminated by adhering to the surface of the substrate S located outside the film forming process region 20A.
Further, an exhaust pipe 16b is connected to the load lock chamber 11B, and a vacuum pump 15b for exhausting the inside of the vacuum vessel 11 is connected to the pipe 16b.

本実施形態のスパッタリング装置1は、このようなロードロック室11Bを備えているため、薄膜形成室11A内の真空状態を保持した状態で基板Sの搬入出を行うことが可能となる。従って、基板Sを搬出する毎に真空容器11の内部を脱気して真空状態にする手間を省くことが可能となり、高い作業効率で成膜処理を行うことができる。
なお、本実施形態の真空容器11は、ロードロック室11Bを備えるロードロック方式を採用しているが、ロードロック室11Bを設けないシングルチャンバ方式を採用することも可能である。また、複数の真空室を備え、それぞれの真空室で独立に薄膜形成を行うことが可能なマルチチャンバ方式を採用することも可能である。
Since the sputtering apparatus 1 of this embodiment includes the load lock chamber 11B, the substrate S can be loaded and unloaded while maintaining the vacuum state in the thin film forming chamber 11A. Therefore, every time the substrate S is carried out, it is possible to save the trouble of degassing the inside of the vacuum vessel 11 to make a vacuum state, and the film forming process can be performed with high work efficiency.
In addition, although the vacuum vessel 11 of this embodiment employ | adopts the load lock system provided with the load lock chamber 11B, it is also possible to employ | adopt the single chamber system which does not provide the load lock chamber 11B. It is also possible to employ a multi-chamber system that includes a plurality of vacuum chambers and can form a thin film independently in each vacuum chamber.

回転ドラム13は、表面に薄膜を形成させる基板Sを真空容器11の内部で保持するための筒状の部材であり、基体保持手段としての機能を有する。図2に示すように、回転ドラム13は、複数の基板保持板13aと、フレーム13bと、基板保持板13a及びフレーム13bを締結する締結具13cと、を主要な構成要素としている。回転ドラム13は、本発明の基体搬送手段に相当する。
基板保持板13aはステンレススチール製の平板状部材で、基板Sを保持するための複数の基板保持孔を、基板保持板13aの長手方向に沿って板面中央部に一列に備えている。基板Sは、基板保持板13aの基板保持孔に収納され、脱落しないようにネジ部材等を用いて基板保持板13aに固定されている。また、基板保持板13aの長手方向の両端部には、後述する締結具13cを挿通可能なネジ穴が板面に設けられている。
The rotating drum 13 is a cylindrical member for holding the substrate S on the surface of which a thin film is to be formed, inside the vacuum vessel 11, and has a function as a substrate holding means. As shown in FIG. 2, the rotating drum 13 includes a plurality of substrate holding plates 13a, a frame 13b, and a fastener 13c for fastening the substrate holding plate 13a and the frame 13b as main components. The rotating drum 13 corresponds to the substrate transport means of the present invention.
The substrate holding plate 13a is a flat plate member made of stainless steel, and is provided with a plurality of substrate holding holes for holding the substrate S in a row at the center of the plate surface along the longitudinal direction of the substrate holding plate 13a. The board | substrate S is accommodated in the board | substrate holding hole of the board | substrate holding plate 13a, and is being fixed to the board | substrate holding plate 13a using the screw member etc. so that it may not drop | omit. In addition, screw holes through which fasteners 13c, which will be described later, can be inserted are provided on the plate surfaces at both ends in the longitudinal direction of the substrate holding plate 13a.

フレーム13bはステンレススチール製からなり、上下に配設された2つの環状部材で構成されている。フレーム13bのそれぞれの環状部材には、基板保持板13aのネジ穴と対応する位置にネジ穴が設けられている。基板保持板13aとフレーム13bはボルト及びナットからなる締結具13cを用いて固定される。具体的には、ボルトを基板保持板13a及びフレーム13bのネジ穴に挿通してナットで固定することにより固定される。
なお、本実施形態における回転ドラム13は、平板状の基板保持板13aを複数配置しているため横断面が多角形をした多角柱状をしているが、このような多角柱状のものに限定されず、円筒状や円錐状のものであってもよい。
The frame 13b is made of stainless steel, and is composed of two annular members arranged vertically. Each annular member of the frame 13b is provided with a screw hole at a position corresponding to the screw hole of the substrate holding plate 13a. The board holding plate 13a and the frame 13b are fixed using a fastener 13c made of bolts and nuts. Specifically, it is fixed by inserting a bolt into the screw holes of the substrate holding plate 13a and the frame 13b and fixing with a nut.
The rotating drum 13 in the present embodiment has a polygonal column shape with a polygonal cross section because a plurality of flat substrate holding plates 13a are arranged, but is limited to such a polygonal column shape. Instead, it may be cylindrical or conical.

基板Sは、本発明の基体に相当するものであり、ガラス等の材料で形成された部材である。本実施形態では、基板Sとして円板状のものを用いているが、本発明の基体の形状としてはこのような円板状のものに限定されず、表面に薄膜を形成できる他の形状、例えばレンズ形状、円筒状、円環状といった形状であってもよい。ここで、ガラス材料とは、酸化ケイ素(SiO)で形成された材料であり、具体的には、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラスなどが挙げられる。 The substrate S corresponds to the base body of the present invention, and is a member formed of a material such as glass. In the present embodiment, a disk-shaped substrate is used as the substrate S, but the shape of the substrate of the present invention is not limited to such a disk-shaped substrate, and other shapes that can form a thin film on the surface, For example, a lens shape, a cylindrical shape, or an annular shape may be used. Here, the glass material is a material formed of silicon oxide (SiO 2 ), and specifically includes quartz glass, soda-lime glass, borosilicate glass, and the like.

なお、基体の材料はガラスに限定されず、プラスチック樹脂などであってもよい。プラスチック樹脂の例としては、例えばポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート−ポリエチレンテレフタレート共重合体、ポリカーボネート−ポリブチレンテレフタレート共重合体、アクリル、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンからなる群より選択される樹脂材料、又はこれらの材料とガラス繊維及び/又はカーボン繊維との混合物などが挙げられる。   The material of the substrate is not limited to glass and may be a plastic resin or the like. Examples of the plastic resin include, for example, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer, nylon, polybutylene terephthalate, polycarbonate-polyethylene terephthalate copolymer, polycarbonate-polybutylene terephthalate copolymer, Examples thereof include resin materials selected from the group consisting of acrylic, polystyrene, polyethylene, and polypropylene, or mixtures of these materials with glass fibers and / or carbon fibers.

真空容器11の内部に設置された回転ドラム13は、図1に示す薄膜形成室11Aとロードロック室11Bとの間を移動できるように構成されている。本実施形態では、真空容器11の底面にレール(不図示)が設置されており、回転ドラム13はこのレールに沿って移動する。回転ドラム13は、円筒の筒方向の回転軸線Za−Zb(図2参照)が真空容器11の上下方向になるように真空容器11の内部に配設される。基板保持板13aをフレーム13bに取り付ける際やフレーム13bから取り外す際には、回転ドラム13はロードロック室11Bに搬送されて、このロードロック室11B内で基板保持板13aがフレーム13bに着脱される。一方、成膜中にあっては、回転ドラム13は薄膜形成室11Aに搬送されて、薄膜形成室11A内で回転可能な状態になっている。   The rotating drum 13 installed inside the vacuum vessel 11 is configured to be able to move between the thin film forming chamber 11A and the load lock chamber 11B shown in FIG. In this embodiment, a rail (not shown) is installed on the bottom surface of the vacuum vessel 11, and the rotary drum 13 moves along this rail. The rotary drum 13 is disposed inside the vacuum vessel 11 such that the cylindrical axis of rotation Za-Zb (see FIG. 2) is in the vertical direction of the vacuum vessel 11. When the substrate holding plate 13a is attached to or removed from the frame 13b, the rotary drum 13 is transferred to the load lock chamber 11B, and the substrate holding plate 13a is attached to and detached from the frame 13b in the load lock chamber 11B. . On the other hand, during film formation, the rotating drum 13 is transported to the thin film forming chamber 11A and is rotatable in the thin film forming chamber 11A.

図2に示すように、回転ドラム13の下面中心部はモータ回転軸17aの上面と係合する形状になっている。回転ドラム13とモータ回転軸17aとは、モータ回転軸17aの中心軸線と回転ドラム13の中心軸線とが一致するよう位置決めされ、両者が係合することにより連結されている。回転ドラム13下面のモータ回転軸17aと係合する面は絶縁部材で構成されている。これにより、基板Sの異常放電を防止することが可能となる。また、真空容器11とモータ回転軸17aとの間は、Oリングで気密が保たれている。   As shown in FIG. 2, the center of the lower surface of the rotary drum 13 is shaped to engage with the upper surface of the motor rotating shaft 17a. The rotating drum 13 and the motor rotating shaft 17a are positioned so that the center axis of the motor rotating shaft 17a and the center axis of the rotating drum 13 coincide with each other, and are connected by engaging both. A surface of the lower surface of the rotary drum 13 that engages with the motor rotation shaft 17a is formed of an insulating member. Thereby, abnormal discharge of the substrate S can be prevented. Further, an airtightness is maintained between the vacuum vessel 11 and the motor rotating shaft 17a by an O-ring.

真空容器11の内部の真空状態を維持した状態で、真空容器11の下部に設けられたドラム回転モータ17を駆動させることによってモータ回転軸17aが回転する。この回転に伴って、モータ回転軸17aに連結された回転ドラム13は回転軸線Za−Zbを中心に回転する。各基板Sは、回転ドラム13上に保持されているため、回転ドラム13が回転することで回転軸線Za−Zbを公転軸として公転する。   The motor rotating shaft 17a rotates by driving the drum rotating motor 17 provided in the lower part of the vacuum vessel 11 in a state where the vacuum state inside the vacuum vessel 11 is maintained. Along with this rotation, the rotating drum 13 connected to the motor rotating shaft 17a rotates around the rotation axis Za-Zb. Since each board | substrate S is hold | maintained on the rotating drum 13, when the rotating drum 13 rotates, it revolves around rotating shaft line Za-Zb as a revolution axis.

回転ドラム13の上面にはドラム回転軸18が設けられており、回転ドラム13の回転に伴ってドラム回転軸18も回転するように構成されている。真空容器11の上壁面には孔部が形成されており、ドラム回転軸18はこの孔部を貫通して真空容器11の外部に通じている。孔部の内面には軸受が設けられており、回転ドラム13の回転をスムーズに行えるようにしている。また、真空容器11とドラム回転軸18との間は、Oリングで気密が保たれている。   A drum rotating shaft 18 is provided on the upper surface of the rotating drum 13, and the drum rotating shaft 18 is configured to rotate as the rotating drum 13 rotates. A hole is formed in the upper wall surface of the vacuum container 11, and the drum rotation shaft 18 passes through the hole and communicates with the outside of the vacuum container 11. A bearing is provided on the inner surface of the hole so that the rotating drum 13 can be smoothly rotated. In addition, an air-tightness is maintained between the vacuum vessel 11 and the drum rotation shaft 18 by an O-ring.

次に、基板Sの表面に薄膜を形成する成膜プロセス領域20A及び反応プロセス領域60Aについて説明する。図1に示すように、真空容器11の内壁には、回転ドラム13へ面した位置に仕切壁12と仕切壁14が立設されている。仕切壁12と仕切壁14は、真空容器11内で成膜プロセス領域20Aと反応プロセス領域60Aをそれぞれ区画するための部材である。本実施形態における仕切壁12と仕切壁14は、いずれも真空容器11と同じステンレススチール製の部材である。仕切壁12と仕切壁14は、いずれも上下左右に一つずつ配設された平板部材により構成されており、真空容器11の内壁面から回転ドラム13に向けて四方を囲んだ状態となっている。これにより、成膜プロセス領域20A及び反応プロセス領域60Aが真空容器11の内部でそれぞれ離間した位置に区画される。仕切壁12と仕切壁14は、その端部が回転ドラム13の外周面に近接しており、回転ドラム13との間に僅かな隙間を空けた状態になっている。これにより、成膜プロセス領域20Aや反応プロセス領域60Aからのガスの流出や流入を阻害している。   Next, the film forming process region 20A and the reaction process region 60A for forming a thin film on the surface of the substrate S will be described. As shown in FIG. 1, a partition wall 12 and a partition wall 14 are erected on the inner wall of the vacuum vessel 11 at a position facing the rotary drum 13. The partition wall 12 and the partition wall 14 are members for partitioning the film formation process region 20A and the reaction process region 60A in the vacuum vessel 11, respectively. The partition wall 12 and the partition wall 14 in this embodiment are both the same stainless steel members as the vacuum vessel 11. Each of the partition wall 12 and the partition wall 14 is configured by a flat plate member arranged one by one on the top, bottom, left, and right, and is in a state of surrounding four sides from the inner wall surface of the vacuum vessel 11 toward the rotary drum 13. Yes. As a result, the film forming process region 20A and the reaction process region 60A are partitioned at positions separated from each other inside the vacuum vessel 11. The end portions of the partition wall 12 and the partition wall 14 are close to the outer peripheral surface of the rotary drum 13, and a slight gap is left between the partition wall 12 and the partition wall 14. This hinders outflow and inflow of gas from the film forming process region 20A and the reaction process region 60A.

成膜プロセス領域20Aに位置する真空容器11の側壁は、外方に突出した横断面凸状をしており、突出した壁面にはスパッタ手段20が設けられている。成膜プロセス領域20Aは、真空容器11の内壁面と、この内壁面から垂直に突出した仕切壁12と、回転ドラム13の外周面とにより囲繞された領域に形成されている。成膜プロセス領域20Aでは、基板Sの表面に膜原料物質を付着させるスパッタ処理が行われる。   The side wall of the vacuum vessel 11 located in the film forming process region 20A has a convex cross section protruding outward, and a sputtering means 20 is provided on the protruding wall surface. The film forming process region 20 </ b> A is formed in a region surrounded by the inner wall surface of the vacuum vessel 11, the partition wall 12 projecting perpendicularly from the inner wall surface, and the outer peripheral surface of the rotary drum 13. In the film forming process region 20A, a sputtering process for attaching a film raw material to the surface of the substrate S is performed.

また、成膜プロセス領域20Aから回転ドラム13の回転軸を中心として約90°離間した真空容器11の側壁もまた、外方に突出した横断面凸状をしており、突出した壁面にはプラズマ発生手段60が設けられている。反応プロセス領域60Aは、真空容器11の内壁面と、この内壁面から垂直に突出した仕切壁14と、回転ドラム13の外周面とにより囲繞された領域に形成されている。反応プロセス領域60Aでは、基板Sの表面に付着した膜原料物質と反応性ガスとの反応が行われる。   Further, the side wall of the vacuum vessel 11 which is separated from the film forming process region 20A by about 90 ° about the rotation axis of the rotary drum 13 also has a convex cross section projecting outward, and the projecting wall surface has plasma. A generating means 60 is provided. The reaction process region 60 </ b> A is formed in a region surrounded by the inner wall surface of the vacuum vessel 11, the partition wall 14 projecting perpendicularly from the inner wall surface, and the outer peripheral surface of the rotary drum 13. In the reaction process region 60A, the reaction between the film raw material adhering to the surface of the substrate S and the reactive gas is performed.

ドラム回転モータ17によって回転ドラム13が回転すると、回転ドラム13の外周面に保持された基板Sが公転して、成膜プロセス領域20Aに面する位置と反応プロセス領域60Aに面する位置との間を繰り返し移動することになる。そして、このように基板Sが公転することで、成膜プロセス領域20Aでのスパッタ処理と、反応プロセス領域60Aでの反応処理とが順次繰り返し行われて、基板Sの表面に薄膜が形成される。   When the rotating drum 13 is rotated by the drum rotating motor 17, the substrate S held on the outer peripheral surface of the rotating drum 13 revolves between the position facing the film forming process area 20A and the position facing the reaction process area 60A. Will move repeatedly. As the substrate S revolves in this way, the sputtering process in the film forming process region 20A and the reaction process in the reaction process region 60A are sequentially repeated, and a thin film is formed on the surface of the substrate S. .

(成膜プロセス領域20A)
以下、成膜プロセス領域20Aについて説明する。
図3に示すように、成膜プロセス領域20Aにはスパッタ手段20が設置されている。
スパッタ手段20は、成膜プロセス領域20A内に配設される一対の回転カソードユニット21,22と、真空容器11の外部に設けられ回転カソードユニット21,22に接続されるトランス23と、トランス23を介して回転カソードユニット21,22に電力を供給する交流電源24と、を主要な構成要素として備えている。
(Deposition process area 20A)
Hereinafter, the film forming process region 20A will be described.
As shown in FIG. 3, the sputtering means 20 is installed in the film forming process region 20A.
The sputtering means 20 includes a pair of rotating cathode units 21 and 22 disposed in the film forming process region 20A, a transformer 23 provided outside the vacuum vessel 11 and connected to the rotating cathode units 21 and 22, And an AC power source 24 for supplying power to the rotary cathode units 21 and 22 through the main components.

回転カソードユニット21,22は、いずれも交流電源24から電力の供給を受けてターゲットをスパッタし、基板Sに膜原料物質を供給するための装置である。回転カソードユニット21と回転カソードユニット22は、同一の部材により構成された同じ装置であり、成膜プロセス領域20A内の内壁面に隣接した状態に配置されている。   Each of the rotating cathode units 21 and 22 is an apparatus for receiving a power supply from the AC power supply 24 to sputter a target and supply a film raw material to the substrate S. The rotary cathode unit 21 and the rotary cathode unit 22 are the same apparatus configured by the same member, and are arranged adjacent to the inner wall surface in the film forming process region 20A.

以下、回転カソードユニット21を構成する部材について説明する。なお、本実施形態では、回転カソードユニット22についても回転カソードユニット21と同じ構成を採用している。
図4に示すように、回転カソードユニット21は、円筒状ターゲット81と、外部平面上に円筒状ターゲット81を支持するボックス91と、円筒状ターゲット81がボックス91から脱落しないように保持するキャップ82,83と、を備えている。
Hereinafter, members constituting the rotary cathode unit 21 will be described. In the present embodiment, the rotary cathode unit 22 has the same configuration as the rotary cathode unit 21.
As shown in FIG. 4, the rotary cathode unit 21 includes a cylindrical target 81, a box 91 that supports the cylindrical target 81 on an external plane, and a cap 82 that holds the cylindrical target 81 so as not to drop out of the box 91. , 83.

円筒状ターゲット81は、薄膜の原料となる膜原料物質を円筒状に成形したものであり、内部が中空の部材である。本実施形態では、円筒状ターゲット81の材料として金属ケイ素(Si)を使用しているが、目的とする薄膜の特性に応じて亜鉛(Zn)、チタン(Ti)、銅(Cu)等の他の金属でもよい。また、円筒状ターゲット81の原料は金属に限定されず、酸化ケイ素(SiO)、酸化亜鉛(ZnO)等の酸化物や窒化ケイ素(SiN)等の窒化物のような金属の反応物でもよい。 The cylindrical target 81 is formed by forming a film raw material, which is a thin film raw material, into a cylindrical shape, and is a hollow member. In this embodiment, metal silicon (Si) is used as the material of the cylindrical target 81, but other than zinc (Zn), titanium (Ti), copper (Cu), etc., depending on the properties of the target thin film. Any metal may be used. The raw material of the cylindrical target 81 is not limited to a metal, but a metal reaction product such as an oxide such as silicon oxide (SiO x ) or zinc oxide (ZnO x ) or a nitride such as silicon nitride (SiN x ). But you can.

円筒状ターゲット81の両端側は、それぞれキャップ82とキャップ83とにより冠着されている。キャップ82,83は、いずれも一方の平面が開放された半円状部材で構成されている。キャップ82,83は、いずれも箱型のボックス91の外側の一平面上に、平面に対して垂直方向に立設した状態に固定されている。   Both ends of the cylindrical target 81 are crowned by a cap 82 and a cap 83, respectively. The caps 82 and 83 are each composed of a semicircular member with one flat surface open. The caps 82 and 83 are both fixed on a single plane outside the box-shaped box 91 so as to stand in a direction perpendicular to the plane.

図5に示すように、円筒状ターゲット81の中空内部には、その長手方向に沿って棒状の支持棒84が設けられている。支持棒84は、その両端がキャップ82とキャップ83のそれぞれの内側壁面に固定されており、円筒状ターゲット81の長手方向に沿った中心軸線Xa−Xbと一致するよう位置している。   As shown in FIG. 5, a rod-like support bar 84 is provided in the hollow interior of the cylindrical target 81 along the longitudinal direction thereof. Both ends of the support bar 84 are fixed to the inner wall surfaces of the cap 82 and the cap 83, and are positioned so as to coincide with the central axis Xa-Xb along the longitudinal direction of the cylindrical target 81.

円筒状ターゲット81の両側の開放端は、それぞれ固定板85と固定板86とで閉塞されている。固定板85,86は、いずれもその中心部に開口が形成された円板状部材であり、この開口を通じて支持棒84が貫通している。固定板85,86の開口の端面と支持棒84の外周面との間には、図示しないベアリングがそれぞれ設けられており、支持棒84が貫通した状態で固定板85,86がそれぞれ支持棒84の中心で回転可能となっている。固定板85のうちキャップ82側の面には、ターゲット側ギヤ89が固定されている。   The open ends on both sides of the cylindrical target 81 are closed by a fixed plate 85 and a fixed plate 86, respectively. Each of the fixing plates 85 and 86 is a disk-shaped member having an opening formed at the center thereof, and the support bar 84 passes through the opening. Bearings (not shown) are respectively provided between the opening end faces of the fixing plates 85 and 86 and the outer peripheral surface of the support rod 84, and the fixing plates 85 and 86 are respectively supported by the support rod 84 in a state where the support rod 84 penetrates. It is possible to rotate at the center. A target side gear 89 is fixed to the surface of the fixed plate 85 on the cap 82 side.

固定板86は、導電性材料で形成された部材であり、その表面には配線が接続している。ボックス91のうちキャップ83との固定部の近傍には開口が形成されているおり、固定板86から延びる配線はこの開口を通じてボックス91の内部に延びている。ボックス91のうち円筒状ターゲット81が配設された側とは反対側の壁面には、配線を導出するための開口が形成されており、固定板86に接続された配線は、この開口を通じてボックス91の外部へ延出している。配線は、真空容器11の外部に延出し、トランス23を介して交流電源24に接続している。これにより、交流電源24から円筒状ターゲット81に交番電圧が印加される。本実施形態では、周波数10kHz〜2MHzで電圧を印加している。   The fixing plate 86 is a member made of a conductive material, and wiring is connected to the surface thereof. An opening is formed in the box 91 in the vicinity of the fixing portion with the cap 83, and the wiring extending from the fixing plate 86 extends into the box 91 through the opening. An opening for leading out the wiring is formed on the wall surface of the box 91 opposite to the side where the cylindrical target 81 is disposed, and the wiring connected to the fixed plate 86 is connected to the box through the opening. 91 extends outside. The wiring extends to the outside of the vacuum vessel 11 and is connected to the AC power source 24 via the transformer 23. Thereby, an alternating voltage is applied from the AC power supply 24 to the cylindrical target 81. In this embodiment, a voltage is applied at a frequency of 10 kHz to 2 MHz.

支持棒84のうち円筒状ターゲット81内に位置する部分には、ヨーク87が取り付けられている。ヨーク87は平板状部材であり、ヨーク87のうち支持棒84の取り付け面と反対側の面には磁性体ユニット88が設けられている。   A yoke 87 is attached to a portion of the support bar 84 located in the cylindrical target 81. The yoke 87 is a flat plate member, and a magnetic unit 88 is provided on the surface of the yoke 87 opposite to the mounting surface of the support bar 84.

図3に示すように、ヨーク87は、その中央部と両端部とが同じ方向に突出した平板状部材である。ヨーク87のうち中央の突出部の先端には、永久磁石である中央磁石88aが、ヨーク87の両側の突出部の先端には、それぞれ永久磁石である外側磁石88b,88cが取り付けられている。中央磁石88aはS極を基板S側に向けて、外側磁石88b,88cはいずれもN極を基板S側に向けて配置されている。このように配置されているため、中央磁石88aと外側磁石88bとの間、中央磁石88aと外側磁石88cとの間で磁場が形成される。この磁場の一部が円筒状ターゲット81の表面に漏洩して、円筒状ターゲット81の表面に漏洩磁界が形成される。
なお、中央磁石88a、外側磁石88b,88cからなる磁性体ユニット88が、本発明の磁界形成手段に相当する。
As shown in FIG. 3, the yoke 87 is a flat plate member whose central portion and both end portions protrude in the same direction. A central magnet 88a, which is a permanent magnet, is attached to the tip of the central protruding portion of the yoke 87, and outer magnets 88b, 88c, which are permanent magnets, are attached to the leading ends of the protruding portions on both sides of the yoke 87, respectively. The center magnet 88a is disposed with the south pole facing the substrate S, and the outer magnets 88b and 88c are both disposed with the north pole facing the substrate S. Since they are arranged in this way, magnetic fields are formed between the central magnet 88a and the outer magnet 88b and between the central magnet 88a and the outer magnet 88c. A part of this magnetic field leaks to the surface of the cylindrical target 81, and a leakage magnetic field is formed on the surface of the cylindrical target 81.
The magnetic unit 88 including the central magnet 88a and the outer magnets 88b and 88c corresponds to the magnetic field forming means of the present invention.

本実施形態では、磁性体ユニット88を構成する磁石として永久磁石を用いているが、本発明の磁界形成手段としては永久磁石に限定されず、磁界を形成する他の手段、例えば電磁石などでもよい。
また、磁性体ユニット88を円筒状ターゲット81の内部に配設しているが、円筒状ターゲット81の表面に漏洩磁界を形成可能であればどのような位置であってもよく、例えば磁性体ユニット88を円筒状ターゲット81の外部に設けてもよい。
In the present embodiment, a permanent magnet is used as the magnet constituting the magnetic body unit 88, but the magnetic field forming means of the present invention is not limited to a permanent magnet, and may be other means for forming a magnetic field, such as an electromagnet. .
Further, the magnetic body unit 88 is disposed inside the cylindrical target 81, but may be at any position as long as a leakage magnetic field can be formed on the surface of the cylindrical target 81. For example, the magnetic body unit 88 may be provided outside the cylindrical target 81.

図5に示すように、ボックス91は、内部空間を有する箱型部材であり、内部にターゲット回転モータ93が設けられている。ターゲット回転モータ93は出力軸を備え、直流電源96から電力の供給を受けてこの出力軸を回転させる装置である。本実施形態では、ターゲット回転モータ93は、DCブラシレスモータで構成されている。ターゲット回転モータ93の出力軸には、モータ側ギヤ94が固定されている。モータ側ギヤ94には、中間ギヤ92が噛合している。ボックス91のうちキャップ82との固定部の近傍には開口が形成され、中間ギヤ92を軸支するシャフト95が横架されている。中間ギヤ92の一部は、この開口からボックス91の外部に突出し、ターゲット側ギヤ89と噛合している。ターゲット回転モータ93は、配線を介してボックス91の内部に設けられた直流電源96に接続されている。   As shown in FIG. 5, the box 91 is a box-shaped member having an internal space, and a target rotation motor 93 is provided therein. The target rotation motor 93 is an apparatus that includes an output shaft and rotates the output shaft upon receiving electric power from a DC power source 96. In the present embodiment, the target rotation motor 93 is a DC brushless motor. A motor side gear 94 is fixed to the output shaft of the target rotation motor 93. An intermediate gear 92 meshes with the motor side gear 94. An opening is formed in the box 91 in the vicinity of the fixing portion with the cap 82, and a shaft 95 that supports the intermediate gear 92 is horizontally mounted. A part of the intermediate gear 92 protrudes from the opening to the outside of the box 91 and meshes with the target side gear 89. The target rotation motor 93 is connected to a DC power supply 96 provided inside the box 91 through wiring.

回転カソードユニット21は、上述の構成を備えているため、直流電源96から電力の供給を受けて出力軸が回転し、この回転がモータ側ギヤ94、中間ギヤ92、ターゲット側ギヤ89により順次伝達され、固定板85を介してターゲット側ギヤ89に固定された円筒状ターゲット81を回転する。円筒状ターゲット81は、固定板85,86を介して支持棒84に軸支されているため、ターゲット回転モータ93の出力軸の回転に伴ってこの支持棒84を中心軸として回転する。支持棒84は、円筒状ターゲット81の回転では回転しないため、これに固定されている磁性体ユニット88もまた、円筒状ターゲット81の回転により回転しない構成となっている。
なお、出力軸を回転するターゲット回転モータ93と、出力軸の回転を伝達する中間ギヤ92、モータ側ギヤ94及びターゲット側ギヤ89と、磁性体ユニット88を回転させずに円筒状ターゲット81のみを回転させる支持棒84及び固定板85,86は、本発明のターゲット回転手段に相当する。
Since the rotary cathode unit 21 has the above-described configuration, the output shaft rotates upon receiving power from the DC power source 96, and this rotation is sequentially transmitted by the motor side gear 94, the intermediate gear 92, and the target side gear 89. Then, the cylindrical target 81 fixed to the target side gear 89 via the fixed plate 85 is rotated. Since the cylindrical target 81 is pivotally supported by the support rod 84 via the fixed plates 85 and 86, the cylindrical target 81 rotates about the support rod 84 as the central axis as the output shaft of the target rotation motor 93 rotates. Since the support bar 84 does not rotate by the rotation of the cylindrical target 81, the magnetic body unit 88 fixed thereto is also configured not to rotate by the rotation of the cylindrical target 81.
It should be noted that only the target rotation motor 93 that rotates the output shaft, the intermediate gear 92 that transmits the rotation of the output shaft, the motor side gear 94 and the target side gear 89, and the cylindrical target 81 without rotating the magnetic body unit 88. The support rod 84 and the fixed plates 85 and 86 to be rotated correspond to the target rotating means of the present invention.

円筒状ターゲット81を回転させるターゲット回転手段としては、このようなギヤによる回転機構に限定されず、円筒状ターゲットを回転させる機構であればどのようなものであってもよい。例えば、モータの出力軸及び円筒状ターゲットにそれぞれプーリを固定し、これらプーリをベルトで巻回して、モータの出力軸の回転を円筒状ターゲットに伝達する機構を採用してもよい。   The target rotating means for rotating the cylindrical target 81 is not limited to such a rotating mechanism using gears, and any mechanism may be used as long as it rotates the cylindrical target. For example, a mechanism may be employed in which pulleys are respectively fixed to the motor output shaft and the cylindrical target, and the pulleys are wound around a belt to transmit the rotation of the motor output shaft to the cylindrical target.

図2に示すように、成膜プロセス領域20A内では、回転カソードユニット21,22は、いずれもその長手方向が回転ドラム13の長手方向(すなわち、回転軸線Za−Zb方向)と平行となるように配置されている。また、図3に示すように、回転カソードユニット21,22は、絶縁部材26を介して接地電位にある真空容器11の内壁面に固定されている。   As shown in FIG. 2, in the film forming process region 20A, the rotary cathode units 21 and 22 both have a longitudinal direction parallel to the longitudinal direction of the rotary drum 13 (that is, the rotation axis Za-Zb direction). Is arranged. Further, as shown in FIG. 3, the rotary cathode units 21 and 22 are fixed to the inner wall surface of the vacuum vessel 11 at the ground potential via the insulating member 26.

成膜プロセス領域20Aの周辺にはアルゴン等のスパッタガスを供給するスパッタガス供給手段30が設けられている。スパッタガス供給手段30は、スパッタガス貯蔵手段としてのスパッタガスボンベ32と、スパッタガスの流量を調整するスパッタガス流量調整手段としてのマスフローコントローラ31と、スパッタガス供給路としての配管35a及び配管35cと、反応性ガス貯蔵手段としての反応性ガスボンベ34と、反応性ガスの流量を調整する反応性ガス流量調整手段としてのマスフローコントローラ33と、反応性ガス供給路としての配管35a及び配管35dと、を主要な構成要素として具備している。
スパッタガスとしては、例えばアルゴンやヘリウム等の不活性ガスが挙げられる。本実施形態ではアルゴンガスを使用している。また、本実施形態では反応性ガスとして酸素ガスを用いている。
A sputtering gas supply means 30 for supplying a sputtering gas such as argon is provided around the film forming process region 20A. The sputtering gas supply means 30 includes a sputtering gas cylinder 32 as a sputtering gas storage means, a mass flow controller 31 as a sputtering gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the sputtering gas, pipes 35a and 35c as sputtering gas supply paths, The main components are a reactive gas cylinder 34 as a reactive gas storage means, a mass flow controller 33 as a reactive gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the reactive gas, and a pipe 35a and a pipe 35d as reactive gas supply paths. As a component.
Examples of the sputtering gas include inert gases such as argon and helium. In this embodiment, argon gas is used. In this embodiment, oxygen gas is used as the reactive gas.

マスフローコントローラ31、スパッタガスボンベ32、マスフローコントローラ33、反応性ガスボンベ34は、いずれも真空容器11の外部に設けられている。マスフローコントローラ31は、配管35cを介してスパッタガスボンベ32に接続されている。また、マスフローコントローラ33は、配管35dを介して反応性ガスボンベ34に接続されている。   The mass flow controller 31, the sputtering gas cylinder 32, the mass flow controller 33, and the reactive gas cylinder 34 are all provided outside the vacuum vessel 11. The mass flow controller 31 is connected to the sputtering gas cylinder 32 via a pipe 35c. The mass flow controller 33 is connected to a reactive gas cylinder 34 via a pipe 35d.

マスフローコントローラ31,33は、配管35aのうちY字に分岐した端部にそれぞれ接続されており、配管35aの他端は真空容器11の側壁を貫通して成膜プロセス領域20A内の回転カソードユニット21,22の近傍に延びている。図2に示すように、配管35aの先端部は回転カソードユニット21,22の下部中心付近に延びており、その先端部は回転カソードユニット21,22の前面中心方向に向けて屈曲し、先端が開口して導入口35bが形成されている。   The mass flow controllers 31 and 33 are respectively connected to the end of the pipe 35a that branches into a Y shape, and the other end of the pipe 35a passes through the side wall of the vacuum vessel 11 and is a rotating cathode unit in the film forming process region 20A. 21 and 22 are extended. As shown in FIG. 2, the tip of the pipe 35 a extends near the lower center of the rotary cathode units 21 and 22, and the tip of the pipe 35 a is bent toward the front center of the rotary cathode units 21 and 22. An opening 35b is formed by opening.

マスフローコントローラ31はスパッタガスの流量を調整するための装置であり、スパッタガスボンベ32からのスパッタガスが流入する流入口と、スパッタガスを配管35aへ流出させる流出口と、ガスの質量流量を検出するセンサと、ガスの流量を調整するコントロールバルブと、流入口より流入したガスの質量流量を検出するセンサと、センサにより検出された流量に基づいてコントロールバルブの制御を行う電子回路と、を主要な構成要素として備えている(いずれも不図示)。電子回路には外部から所望の流量を設定することが可能となっている。マスフローコントローラ33もマスフローコントローラ31と同様の構成を備えている。マスフローコントローラ33は、反応性ガスボンベ34から配管35aに導入される反応性ガスの流量を調整するための装置である。   The mass flow controller 31 is a device for adjusting the flow rate of the sputtering gas, and detects an inlet port for the sputtering gas from the sputtering gas cylinder 32, an outlet port for allowing the sputtering gas to flow into the pipe 35a, and a mass flow rate of the gas. A sensor, a control valve that adjusts the gas flow rate, a sensor that detects the mass flow rate of the gas flowing in from the inlet, and an electronic circuit that controls the control valve based on the flow rate detected by the sensor are the main components. It is provided as a component (both not shown). A desired flow rate can be set to the electronic circuit from the outside. The mass flow controller 33 has the same configuration as the mass flow controller 31. The mass flow controller 33 is a device for adjusting the flow rate of the reactive gas introduced from the reactive gas cylinder 34 into the pipe 35a.

スパッタガスボンベ32からのスパッタガスは、マスフローコントローラ31により流量を調整されて配管35a内に導入される。また、反応性ガスボンベ34からの反応性ガスは、マスフローコントローラ33により流量を調整されて配管35a内に導入される。配管35aに流入したスパッタガスと反応性ガスは混合され、導入口35bより成膜プロセス領域20Aに配置された回転カソードユニット21,22の前面に混合ガスとして導入される。   The sputter gas from the sputter gas cylinder 32 is introduced into the pipe 35 a with the flow rate adjusted by the mass flow controller 31. The reactive gas from the reactive gas cylinder 34 is introduced into the pipe 35a after the flow rate is adjusted by the mass flow controller 33. The sputter gas and the reactive gas flowing into the pipe 35a are mixed and introduced as a mixed gas from the introduction port 35b to the front surfaces of the rotary cathode units 21 and 22 disposed in the film forming process region 20A.

次に、反応プロセス領域20A内でスパッタリングを行う原理について説明する。
成膜プロセス領域20Aにスパッタガス供給手段30からスパッタガスが供給されて、回転カソードユニット21の周辺が不活性ガス雰囲気になった状態で、交流電源24から円筒状ターゲット81に交番電圧が印加されると、接地電位にある基板Sと円筒状ターゲット81との間でスパッタガスの一部は電子を放出してイオン化する。中央磁石88aと外側磁石88b,88cとによって円筒状ターゲット81の表面に漏洩磁界が形成されているため、電子は円筒状ターゲット81の表面近傍に発生した磁界中を、トロイダル曲線を描きながら周回する。この電子の軌道に沿って高密度のプラズマが発生し、このプラズマに向けてスパッタガスのイオンが加速され、円筒状ターゲット81に衝突することで円筒状ターゲット81の表面の原子や粒子が叩き出される。本実施形態では、円筒状ターゲット81がケイ素で形成されているため、ケイ素原子やケイ素粒子が叩き出される。
Next, the principle of performing sputtering in the reaction process region 20A will be described.
An alternating voltage is applied from the AC power source 24 to the cylindrical target 81 in a state where the sputtering gas is supplied from the sputtering gas supply means 30 to the film forming process region 20A and the periphery of the rotary cathode unit 21 is in an inert gas atmosphere. Then, a part of the sputtering gas emits electrons and is ionized between the substrate S at the ground potential and the cylindrical target 81. Since a leakage magnetic field is formed on the surface of the cylindrical target 81 by the central magnet 88a and the outer magnets 88b and 88c, electrons circulate in a magnetic field generated near the surface of the cylindrical target 81 while drawing a toroidal curve. . A high-density plasma is generated along the trajectory of the electrons, and ions of the sputtering gas are accelerated toward the plasma and collide with the cylindrical target 81 so that atoms and particles on the surface of the cylindrical target 81 are knocked out. It is. In this embodiment, since the cylindrical target 81 is formed of silicon, silicon atoms and silicon particles are knocked out.

円筒状ターゲット81から叩き出された原子や粒子は、反応性ガスとプラズマ中で反応して反応物に変換される。本実施形態では、反応性ガスとして酸素ガスを導入しているため、ケイ素の不完全酸化物(SiO:ここで0<x<2)、又はケイ素の完全酸化物(SiO)が生成する。ケイ素の不完全酸化物や完全酸化物が基板Sの表面に付着して薄膜を形成する。また、基板Sの表面に付着した未反応のケイ素原子やケイ素粒子の一部が反応性ガスと反応して、ケイ素の不完全酸化物や完全酸化物に変換される。 The atoms and particles knocked out of the cylindrical target 81 react with the reactive gas in the plasma and are converted into reactants. In this embodiment, since oxygen gas is introduced as the reactive gas, an incomplete silicon oxide (SiO x : 0 <x <2) or a complete silicon oxide (SiO 2 ) is generated. . Silicon incomplete oxide or complete oxide adheres to the surface of the substrate S to form a thin film. Further, unreacted silicon atoms and a part of silicon particles adhering to the surface of the substrate S react with the reactive gas, and are converted into incomplete oxide or complete oxide of silicon.

このようにして、基板Sの表面に、ケイ素、ケイ素の不完全酸化物及び完全酸化物からなる薄膜が形成される。成膜プロセス領域20Aにおいて基板Sの表面に付着するケイ素、ケイ素の不完全酸化物及び完全酸化物が、本発明の膜原料物質に相当する。
なお、回転カソードユニット22に関しても、上述した回転カソードユニット21と同様の原理によって基板Sの表面に膜原料物質を付着させる。
In this way, a thin film made of silicon, an incomplete oxide of silicon, and a complete oxide is formed on the surface of the substrate S. Silicon, an incomplete oxide of silicon, and a complete oxide attached to the surface of the substrate S in the film forming process region 20A correspond to the film raw material of the present invention.
As for the rotary cathode unit 22, the film raw material is adhered to the surface of the substrate S according to the same principle as the rotary cathode unit 21 described above.

本発明は、回転カソードユニット21の円筒状ターゲット81がスパッタリングの間に回転している点を特徴としている。すなわち、円筒状ターゲット81が回転しているため、磁性体ユニット88により発生する漏洩磁界に対して円筒状ターゲット81が常に移動するため、円筒状ターゲット81の表面にエロージョンされにくい領域が発生せず、表面のどの領域であってもほぼ均一にエロージョンされる。すなわち、従来の平板状ターゲットを用いた場合のようにターゲットの表面に非エロージョン領域が生じにくい点を特徴としている。このため、非エロージョン領域が生じることによるターゲットの利用率を向上させ、成膜に要するコストを低減させることが可能となる。   The present invention is characterized in that the cylindrical target 81 of the rotating cathode unit 21 rotates during sputtering. That is, since the cylindrical target 81 is rotating, the cylindrical target 81 always moves with respect to the leakage magnetic field generated by the magnetic body unit 88, so that a region that is not easily eroded is generated on the surface of the cylindrical target 81. Any area of the surface is eroded almost uniformly. That is, it is characterized in that a non-erosion region hardly occurs on the surface of the target as in the case of using a conventional flat target. For this reason, it is possible to improve the utilization rate of the target due to the generation of the non-erosion region, and to reduce the cost required for film formation.

また、本発明では、円筒状ターゲット81の表面に非エロージョン領域が発生しにくいため、絶縁物(本実施形態では、ケイ素の完全酸化物や不完全酸化物)の蓄積がほとんどない。このため、絶縁性の反応物が蓄積することによる異常放電(アーク放電)が発生しにくく、これにより欠陥が少なく膜質の優れた薄膜を形成することが可能となる。   In the present invention, since a non-erosion region hardly occurs on the surface of the cylindrical target 81, there is almost no accumulation of an insulator (in this embodiment, a complete oxide or incomplete oxide of silicon). For this reason, abnormal discharge (arc discharge) due to accumulation of insulating reactants is unlikely to occur, and this makes it possible to form a thin film with few defects and excellent film quality.

特に、反応性スパッタリング装置では成膜プロセス領域20Aや反応プロセス領域60Aに反応性ガスを導入する必要があるため、ターゲットの異常放電による薄膜の損傷が大きな問題となっていた。従来の反応性スパッタリング装置では、成膜プロセス領域20Aや反応プロセス領域60Aに導入する反応性ガスの濃度を小さすることで非エロージョン領域に蓄積する絶縁物の量を少なくして異常放電を防止していたが、反応性ガスの濃度が小さいため膜原料物質と反応性ガスの反応速度が小さく、成膜に時間がかかるという不都合があった。   In particular, in the reactive sputtering apparatus, it is necessary to introduce a reactive gas into the film forming process region 20A and the reaction process region 60A, so that damage of the thin film due to abnormal discharge of the target has been a serious problem. In the conventional reactive sputtering apparatus, the amount of the insulating material accumulated in the non-erosion region is reduced by reducing the concentration of the reactive gas introduced into the film forming process region 20A or the reaction process region 60A, thereby preventing abnormal discharge. However, since the concentration of the reactive gas is small, the reaction rate between the film raw material and the reactive gas is low, and there is a disadvantage that it takes a long time for film formation.

一方、本発明では、ターゲットを回転させることで異常放電の発生を防止し、膜質を大幅に向上させることが可能となる。また、絶縁物の蓄積による異常放電が発生しにくいため、成膜プロセス領域20Aや反応プロセス領域60Aに導入する反応性ガスの量を多くすることもできる。これにより、膜原料物質と反応性ガスとの反応速度を増加させることができる。このため、成膜レートが向上し、成膜時間の短縮を図ることが可能となる。   On the other hand, in the present invention, by rotating the target, the occurrence of abnormal discharge can be prevented and the film quality can be greatly improved. In addition, since abnormal discharge due to the accumulation of the insulator hardly occurs, the amount of the reactive gas introduced into the film forming process region 20A and the reaction process region 60A can be increased. Thereby, the reaction rate between the film raw material and the reactive gas can be increased. For this reason, the film formation rate is improved and the film formation time can be shortened.

(反応プロセス領域60A)
続いて、反応プロセス領域60Aについて説明する。上述したように反応プロセス領域60Aでは、成膜プロセス領域20Aで基板Sの表面に付着した膜原料物質を反応処理して、膜原料物質の化合物又は不完全化合物からなる薄膜の形成を行う。
同時に、反応プロセス領域60Aでは、薄膜形成前の基板Sの表面にプラズマ処理を行う前処理工程や、薄膜形成後の基板Sの表面にプラズマ処理を行う後処理工程が行われる。
(Reaction process area 60A)
Subsequently, the reaction process region 60A will be described. As described above, in the reaction process region 60A, the film raw material adhered to the surface of the substrate S in the film formation process region 20A is subjected to a reaction treatment to form a thin film made of a compound of the film raw material or an incomplete compound.
At the same time, in the reaction process region 60A, a pretreatment process for performing plasma treatment on the surface of the substrate S before the thin film formation and a posttreatment process for performing plasma treatment on the surface of the substrate S after the thin film formation are performed.

図6に示すように、反応プロセス領域60Aに対応する真空容器11の壁面には、プラズマ発生手段60を設置するための開口11aが形成されている。また、反応プロセス領域60Aには配管75aが接続されている。配管75aの一端にはマスフローコントローラ72が接続されており、このマスフローコントローラ72は更に反応性ガスボンベ71に接続されている。このため、反応プロセス領域60A内に反応性ガスボンベ71から酸素ガスを供給することが可能となっている。   As shown in FIG. 6, an opening 11a for installing the plasma generating means 60 is formed on the wall surface of the vacuum vessel 11 corresponding to the reaction process region 60A. A pipe 75a is connected to the reaction process region 60A. A mass flow controller 72 is connected to one end of the pipe 75 a, and this mass flow controller 72 is further connected to a reactive gas cylinder 71. For this reason, it is possible to supply oxygen gas from the reactive gas cylinder 71 into the reaction process region 60A.

反応プロセス領域60Aに面する側の仕切壁14の壁面には、熱分解窒化硼素(Pyrolytic Boron Nitride)からなる保護層が被覆されている。さらに、真空容器11の内壁面の反応プロセス領域60Aに面する部分にも熱分解窒化硼素からなる保護層が被覆されている。熱分解窒化硼素は、化学的気相成長法(Chemical Vapor Deposition)を利用した熱分解法によって仕切壁14や真空容器11の内壁面へ被覆される。このような保護層は、必要に応じて設けるようにすることが好ましい。   The wall surface of the partition wall 14 facing the reaction process region 60A is covered with a protective layer made of pyrolytic boron nitride (Pyrolytic Boron Nitride). Furthermore, a protective layer made of pyrolytic boron nitride is also coated on the inner wall surface of the vacuum vessel 11 facing the reaction process region 60A. The pyrolytic boron nitride is coated on the partition wall 14 and the inner wall surface of the vacuum vessel 11 by a thermal decomposition method using a chemical vapor deposition method. Such a protective layer is preferably provided as necessary.

プラズマ発生手段60は、反応プロセス領域60Aに面して設けられている。本実施形態のプラズマ発生手段60は、ケース体61と、誘電体板62と、アンテナ63と、マッチングボックス64と、高周波電源65と、を有して構成されている。   The plasma generating means 60 is provided facing the reaction process region 60A. The plasma generating means 60 of this embodiment includes a case body 61, a dielectric plate 62, an antenna 63, a matching box 64, and a high frequency power supply 65.

ケース体61は、真空容器11の壁面に形成された開口11aを塞ぐ形状を備え、ボルト(不図示)で真空容器11の開口11aを塞ぐように固定されている。ケース体61が真空容器11の壁面に固定されることで、プラズマ発生手段60は真空容器11の壁面に取り付けられている。本実施形態において、ケース体61はステンレスで形成されている。   The case body 61 has a shape for closing the opening 11a formed on the wall surface of the vacuum vessel 11, and is fixed so as to close the opening 11a of the vacuum vessel 11 with a bolt (not shown). By fixing the case body 61 to the wall surface of the vacuum vessel 11, the plasma generating means 60 is attached to the wall surface of the vacuum vessel 11. In the present embodiment, the case body 61 is made of stainless steel.

誘電体板62は、板状の誘電体で形成されている。本実施形態において、誘電体板62は石英で形成されているが、誘電体板62の材質としてはこのような石英だけではなく、Al等のセラミックス材料で形成されたものでもよい。誘電体板62は、図示しない固定枠でケース体61に固定されている。誘電体板62がケース体61に固定されることで、ケース体61と誘電体板62によって囲繞された領域にアンテナ収容室61Aが形成される。 The dielectric plate 62 is formed of a plate-like dielectric. In this embodiment, the dielectric plate 62 is made of quartz, but the material of the dielectric plate 62 is not limited to such quartz, but may be made of a ceramic material such as Al 2 O 3 . The dielectric plate 62 is fixed to the case body 61 with a fixing frame (not shown). By fixing the dielectric plate 62 to the case body 61, an antenna accommodating chamber 61 </ b> A is formed in a region surrounded by the case body 61 and the dielectric plate 62.

ケース体61に固定された誘電体板62は、開口11aを介して真空容器11の内部(反応プロセス領域60A)に臨んで設けられている。このとき、アンテナ収容室61Aは、真空容器11の内部と分離している。すなわち、アンテナ収容室61Aと真空容器11の内部とは、誘電体板62で仕切られた状態で独立した空間を形成している。また、アンテナ収容室61Aと真空容器11の外部は、ケース体61で仕切られた状態で独立の空間を形成している。本実施形態では、このように独立の空間として形成されたアンテナ収容室61Aの中に、アンテナ63が設置されている。なお、アンテナ収容室61Aと真空容器11の内部、アンテナ収容室61Aと真空容器11の外部との間は、それぞれOリングで気密が保たれている。   The dielectric plate 62 fixed to the case body 61 is provided facing the inside of the vacuum vessel 11 (reaction process region 60A) through the opening 11a. At this time, the antenna accommodating chamber 61 </ b> A is separated from the inside of the vacuum container 11. That is, the antenna accommodating chamber 61 </ b> A and the inside of the vacuum container 11 form an independent space in a state where the antenna plate is partitioned by the dielectric plate 62. Further, the antenna accommodating chamber 61 </ b> A and the outside of the vacuum container 11 form an independent space in a state of being partitioned by the case body 61. In the present embodiment, the antenna 63 is installed in the antenna accommodating chamber 61A formed as an independent space in this way. In addition, airtightness is maintained between the antenna housing chamber 61A and the inside of the vacuum vessel 11 and between the antenna housing chamber 61A and the outside of the vacuum vessel 11 by O-rings.

本実施形態では、配管16a−1から配管16a−2が分岐している。この配管16a−2はアンテナ収容室61Aに接続されており、アンテナ収容室61Aの内部を排気して真空状態にする際の排気管としての役割を備えている。   In this embodiment, the pipe 16a-2 branches from the pipe 16a-1. The pipe 16a-2 is connected to the antenna accommodating chamber 61A, and has a role as an exhaust pipe when the inside of the antenna accommodating chamber 61A is evacuated to be in a vacuum state.

配管16a−1には、真空ポンプ15aから真空容器11の内部に連通する位置にバルブV1、V2が設けられている。また、配管16a−2には、真空ポンプ15aからアンテナ収容室61Aの内部に連通する位置にバルブV3が設けられている。バルブV2,V3のいずれかを閉じることで、アンテナ収容室61Aの内部と真空容器11の内部との間での気体の移動は阻止される。真空容器11の内部の圧力や、アンテナ収容室61Aの内部の圧力は、真空計(不図示)で測定される。   Valves V <b> 1 and V <b> 2 are provided in the piping 16 a-1 at positions where the vacuum pump 15 a communicates with the inside of the vacuum vessel 11. Further, a valve V3 is provided in the pipe 16a-2 at a position where it communicates from the vacuum pump 15a to the inside of the antenna accommodating chamber 61A. By closing either of the valves V2 and V3, gas movement between the inside of the antenna accommodating chamber 61A and the inside of the vacuum vessel 11 is prevented. The pressure inside the vacuum vessel 11 and the pressure inside the antenna accommodating chamber 61A are measured by a vacuum gauge (not shown).

本実施形態では、スパッタリング装置1に制御装置(不図示)を備えている。この制御装置には、真空計の出力が入力される。制御装置は、入力された真空計の測定値に基づいて、真空ポンプ15aによる排気を制御して、真空容器11の内部やアンテナ収容室61Aの内部の真空度を調整する機能を備える。本実施形態では、制御装置がバルブV1,V2,V3の開閉を制御することで、真空容器11の内部とアンテナ収容室61Aの内部を同時に、又は独立して排気できる。   In the present embodiment, the sputtering apparatus 1 includes a control device (not shown). The output of the vacuum gauge is input to this control device. The control device has a function of adjusting the degree of vacuum inside the vacuum vessel 11 and inside the antenna accommodating chamber 61A by controlling the exhaust by the vacuum pump 15a based on the input measurement value of the vacuum gauge. In the present embodiment, the control device controls the opening and closing of the valves V1, V2, and V3, so that the inside of the vacuum container 11 and the inside of the antenna housing chamber 61A can be exhausted simultaneously or independently.

アンテナ63は、高周波電源65から電力の供給を受けて真空容器11の内部(反応プロセス領域60A)に誘導電界を発生させ、反応プロセス領域60Aにプラズマを発生させる手段である。本実施形態のアンテナ63は、銅で形成された円管状の本体部と、本体部の表面を被覆する銀で形成された被覆層を備えている。すなわち、アンテナ63の本体部を安価で加工が容易な、しかも電気抵抗も低い銅で円管状に形成し、アンテナ63の表面を銅よりも電気抵抗の低い銀で被覆している。これにより、高周波に対するアンテナ63のインピーダンスを低減して、アンテナ63に電流を効率よく流すことによりプラズマを発生させる効率を高めている。
本実施形態のスパッタリング装置1では、高周波電源65からアンテナ63に周波数1〜27MHzの交流電圧を印加して、反応プロセス領域60Aに反応性ガスのプラズマを発生させるように構成されている。
The antenna 63 is means for receiving electric power from the high frequency power supply 65 to generate an induction electric field inside the vacuum vessel 11 (reaction process region 60A) and to generate plasma in the reaction process region 60A. The antenna 63 of the present embodiment includes a tubular main body portion made of copper, and a covering layer made of silver covering the surface of the main body portion. That is, the main body of the antenna 63 is formed into a circular tube shape with copper that is inexpensive and easy to process and has low electrical resistance, and the surface of the antenna 63 is covered with silver having a lower electrical resistance than copper. Thereby, the impedance of the antenna 63 with respect to a high frequency is reduced, and the efficiency of generating plasma is increased by flowing a current through the antenna 63 efficiently.
The sputtering apparatus 1 according to the present embodiment is configured to generate a reactive gas plasma in the reaction process region 60 </ b> A by applying an AC voltage of 1 to 27 MHz to the antenna 63 from the high frequency power supply 65.

アンテナ63は、マッチング回路を収容するマッチングボックス64を介して高周波電源65に接続されている。マッチングボックス64内には、図示しない可変コンデンサが設けられている。
アンテナ63は、導線部を介してマッチングボックス64に接続されている。導線部はアンテナ63と同様の素材からなる。ケース体61には、導線部を挿通するための挿通孔が形成されており、アンテナ収容室61A内側のアンテナ63と、アンテナ収容室61A外側のマッチングボックス64とは、挿通孔に挿通される導線部を介して接続される。導線部と挿通孔との間にはシール部材が設けられ、アンテナ収容室61Aの内外で気密が保たれる。
The antenna 63 is connected to a high frequency power supply 65 via a matching box 64 that houses a matching circuit. A variable capacitor (not shown) is provided in the matching box 64.
The antenna 63 is connected to the matching box 64 via a conducting wire part. The conductor portion is made of the same material as that of the antenna 63. The case body 61 is formed with an insertion hole for inserting the conducting wire portion, and the antenna 63 inside the antenna accommodating chamber 61A and the matching box 64 outside the antenna accommodating chamber 61A are led through the inserting hole. Connected through the unit. A seal member is provided between the conductor portion and the insertion hole, and airtightness is maintained inside and outside the antenna accommodating chamber 61A.

アンテナ63と回転ドラム13との間には、イオン消滅手段としてのグリッド66が設けられている。グリッド66は、アンテナ63で発生したイオンの一部や電子の一部を消滅させるためのものである。グリッド66は、導電体からなる中空部材であり、アースされている。中空部材からなるグリッド66の内部に冷却媒(例えば冷却水)を流すために、グリッド66の端部には冷却媒を供給するホース(不図示)が接続されている。   A grid 66 is provided between the antenna 63 and the rotating drum 13 as ion annihilation means. The grid 66 is for extinguishing part of ions and part of electrons generated by the antenna 63. The grid 66 is a hollow member made of a conductor and is grounded. In order to flow a cooling medium (for example, cooling water) inside the grid 66 made of a hollow member, a hose (not shown) for supplying the cooling medium is connected to an end of the grid 66.

また、反応プロセス領域60Aの内部及びその周辺には反応性ガスを供給するための反応性ガス供給手段70が設けられている。反応性ガス供給手段70は、反応性ガスを貯蔵する反応性ガスボンベ71と、反応性ガスボンベ71より供給される反応性ガスの流量を調整するマスフローコントローラ72と、反応性ガスを反応プロセス領域60Aに導入する配管75aを主要な構成要素として具備している。本実施形態では、上述した成膜プロセス領域20Aに導入される反応性ガスと同様に、反応性ガスとして酸素ガスを用いている。   Further, a reactive gas supply means 70 for supplying a reactive gas is provided in and around the reaction process region 60A. The reactive gas supply means 70 includes a reactive gas cylinder 71 for storing the reactive gas, a mass flow controller 72 for adjusting the flow rate of the reactive gas supplied from the reactive gas cylinder 71, and the reactive gas in the reaction process region 60A. A pipe 75a to be introduced is provided as a main component. In the present embodiment, oxygen gas is used as the reactive gas, similarly to the reactive gas introduced into the film forming process region 20A described above.

なお、反応性ガスボンベ71及びマスフローコントローラ72は、成膜プロセス領域20Aのスパッタガスボンベ32及びマスフローコントローラ31と同様の装置を採用することが可能である。また、反応性ガスとしては、酸素ガスに限定されず、目的とする薄膜の材質に応じて窒素ガス、フッ素ガス、オゾンガス等から適宜選択する。さらに、反応性ガスに加えて、アルゴン等の不活性ガスを混合して導入してもよい。このようにすることで、後述するプラズマの発生により反応性ガスのラジカルの密度が増加するため、膜原料物質と反応性ガスとの反応性が増し、プラズマ処理の効率を向上させることが可能となる。   The reactive gas cylinder 71 and the mass flow controller 72 can employ the same devices as the sputtering gas cylinder 32 and the mass flow controller 31 in the film forming process region 20A. The reactive gas is not limited to oxygen gas, and is appropriately selected from nitrogen gas, fluorine gas, ozone gas, and the like according to the material of the target thin film. Further, in addition to the reactive gas, an inert gas such as argon may be mixed and introduced. By doing so, since the density of reactive gas radicals increases due to the generation of plasma, which will be described later, the reactivity between the film raw material and the reactive gas increases, and the efficiency of the plasma processing can be improved. Become.

反応性ガスボンベ71から配管75aを通じて酸素ガスが反応プロセス領域60Aに導入された状態で、アンテナ63に高周波電源65から電力が供給されると、反応プロセス領域60A内のアンテナ63に面した領域にプラズマが発生し、基板Sの表面に形成された膜原料物質のうち成膜プロセス領域20Aで完全酸化されなかった成分が反応処理されて、膜原料物質の酸化物又は不完全酸化物となる。   When oxygen gas is introduced from the reactive gas cylinder 71 into the reaction process region 60A through the pipe 75a, power is supplied to the antenna 63 from the high frequency power supply 65, and plasma is generated in a region facing the antenna 63 in the reaction process region 60A. In the film raw material formed on the surface of the substrate S, a component that has not been completely oxidized in the film forming process region 20A is subjected to a reaction treatment to become an oxide or incomplete oxide of the film raw material.

具体的には、反応性ガス供給手段70から酸素ガスが導入され、膜原料物質のうちケイ素(Si)、ケイ素の完全酸化物である酸化ケイ素(SiO)又は不完全酸化物(SiOx1(ここで、0<x1<2))が生成する。また、膜原料物質のうち不完全酸化ケイ素(SiOx2:ここで、0<x2<2)が酸化されて、ケイ素の完全酸化物である酸化ケイ素(SiO)又は不完全酸化物(SiO(ここで、0<y<2、かつy>x2))が生成する。 Specifically, oxygen gas is introduced from the reactive gas supply means 70, and silicon (Si), silicon oxide (SiO 2 ) which is a complete oxide of silicon, or incomplete oxide (SiO x1 (SiO x1 ( Here, 0 <x1 <2)) is generated. Further, incomplete silicon oxide (SiO x2 : where 0 <x2 <2) is oxidized in the film raw material, and silicon oxide (SiO 2 ) or incomplete oxide (SiO y ) which is a complete oxide of silicon. (Where 0 <y <2 and y> x2)).

次に、スパッタリング装置1を用いて基板Sの表面に酸化ケイ素(SiO)からなる薄膜を形成する方法について説明する。
まず、真空容器11の外で回転ドラム13に基板Sをセットし、真空容器11のロードロック室11B内に収容する。そして、図示しないレールに沿って回転ドラム13を薄膜形成室11Aに移動させる。扉11C及び扉11Dを閉じた状態で真空容器11内を密閉し、真空ポンプ15aを用いて真空容器11内を10−1〜10−5Pa程度の高真空状態にする。
Next, a method for forming a thin film made of silicon oxide (SiO 2 ) on the surface of the substrate S using the sputtering apparatus 1 will be described.
First, the substrate S is set on the rotary drum 13 outside the vacuum vessel 11 and accommodated in the load lock chamber 11 </ b> B of the vacuum vessel 11. Then, the rotating drum 13 is moved to the thin film forming chamber 11A along a rail (not shown). The inside of the vacuum vessel 11 is sealed with the door 11C and the door 11D closed, and the inside of the vacuum vessel 11 is brought to a high vacuum state of about 10 −1 to 10 −5 Pa using the vacuum pump 15a.

次に、成膜プロセス領域20A内にスパッタガス供給手段30からアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを導入する(スパッタガス導入工程)。この状態で、交流電源24から円筒状ターゲット81に電力を供給して、円筒状ターゲット81をスパッタリングする。アルゴンガスの流量は、250〜1000sccm程度の範囲内で適切な流量を設定する。この状態で、回転ドラム13が回転して成膜プロセス領域20Aに基板Sが搬送されると、その表面に膜原料物質であるケイ素(Si)、ケイ素の不完全酸化物(SiO:ここで0<x<2)、完全酸化物(SiO)が付着する(スパッタ工程)。この間、円筒状ターゲット81は直流電源96から電力の供給を受けて回転した状態となっている。 Next, a mixed gas of argon gas and oxygen gas is introduced from the sputtering gas supply means 30 into the film forming process region 20A (sputtering gas introduction step). In this state, power is supplied from the AC power supply 24 to the cylindrical target 81 to sputter the cylindrical target 81. The flow rate of argon gas is set to an appropriate flow rate within a range of about 250 to 1000 sccm. In this state, when the rotating drum 13 rotates and the substrate S is transported to the film forming process region 20A, silicon (Si), which is a film raw material, and an incomplete oxide of silicon (SiO x : here) 0 <x <2), complete oxide (SiO 2 ) is deposited (sputtering process). During this time, the cylindrical target 81 is in a state of being rotated by receiving power from the DC power source 96.

なお、回転ドラム13と回転カソードユニット21,22との間に移動式又は回転式の遮蔽板を設けて、スパッタ工程の開始及び停止を行ってもよい。この場合、スパッタ工程の開始前は、遮蔽板の位置を、回転カソードユニット21,22から移動する膜原料物質が基板Sに到着しない遮断位置に配置し、スパッタ工程の開始時に、回転カソードユニット21,22から移動する膜原料物質が基板Sに到着する非遮断位置に移動させる。   Note that a moving or rotary shielding plate may be provided between the rotary drum 13 and the rotary cathode units 21 and 22 to start and stop the sputtering process. In this case, before the start of the sputtering process, the position of the shielding plate is arranged at a blocking position where the film source material moving from the rotary cathode units 21 and 22 does not reach the substrate S, and at the start of the sputtering process, the rotary cathode unit 21 is placed. , 22 is moved to a non-blocking position where the film raw material moving to the substrate S arrives.

次に、回転ドラム13を回転して基板Sを反応プロセス領域60Aに搬送する(基体搬送工程)。
続いて、反応プロセス領域60Aの内部に反応性ガス供給手段70から酸素ガスを導入する(反応性ガス導入工程)。この状態で、高周波電源65からアンテナ63に交流電圧を印加して、反応プロセス領域60Aの内部に酸素ガスのプラズマを発生させる(プラズマ発生工程)。反応プロセス領域60Aの内部では、酸素ガスのプラズマが発生しているため、基板Sの表面に付着した膜原料物質のケイ素(Si)やケイ素の不完全酸化物(SiO:ここで0<x<2)は、酸素ガスと反応して酸化ケイ素(SiO)やケイ素の不完全酸化物(SiO:ここで0<x<2)に変換される。これにより、基板Sの表面に中間薄膜が形成される。
Next, the rotary drum 13 is rotated to transport the substrate S to the reaction process region 60A (substrate transport process).
Subsequently, oxygen gas is introduced from the reactive gas supply means 70 into the reaction process region 60A (reactive gas introduction step). In this state, an alternating voltage is applied from the high frequency power supply 65 to the antenna 63 to generate oxygen gas plasma inside the reaction process region 60A (plasma generation step). Since oxygen gas plasma is generated inside the reaction process region 60A, silicon (Si) or an incomplete oxide of silicon (SiO x : where 0 <x <2) reacts with oxygen gas and is converted into silicon oxide (SiO 2 ) or incomplete oxide of silicon (SiO x : 0 <x <2). As a result, an intermediate thin film is formed on the surface of the substrate S.

回転ドラム13を連続して回転して、成膜プロセス領域20Aでのスパッタ工程と反応プロセス領域60Aでの反応工程を順次繰り返すことで中間薄膜を複数積層し、所望の膜厚を有する最終薄膜を形成する。
以上の工程が終了すると、回転ドラム13の回転を停止し、真空容器11の内部の真空状態を解除して、回転ドラム13を真空容器11から取り出す。基板保持板13aをフレーム13bから取り外して、基板Sを回収する。
A plurality of intermediate thin films are stacked by sequentially rotating the rotating drum 13 and sequentially repeating the sputtering process in the film forming process region 20A and the reaction process in the reaction process region 60A, and a final thin film having a desired film thickness is obtained. Form.
When the above steps are completed, the rotation of the rotary drum 13 is stopped, the vacuum state inside the vacuum vessel 11 is released, and the rotary drum 13 is taken out from the vacuum vessel 11. The substrate holding plate 13a is removed from the frame 13b, and the substrate S is collected.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係るスパッタリング装置について、図7を参照して説明する。図7は第2の実施形態に係るスパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。
(Second Embodiment)
Next, a sputtering apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is an explanatory view illustrating a state of the sputtering apparatus according to the second embodiment as viewed from the top surface by taking a cross section.

この図に示すように、第2の実施形態のスパッタリング装置2は、成膜プロセス領域20Aの他にもう一箇所成膜プロセス領域40Aを設けている点で、第1の実施形態のスパッタリング装置1と異なる。すなわち、第2の実施形態に係るスパッタリング装置2には、成膜プロセス領域20Aと、反応プロセス領域60Aのほかに、これらの領域とは離間した位置に成膜プロセス領域40Aが形成されている。   As shown in this figure, the sputtering apparatus 2 of the second embodiment is provided with another film forming process region 40A in addition to the film forming process region 20A, so that the sputtering apparatus 1 of the first embodiment is provided. And different. That is, in the sputtering apparatus 2 according to the second embodiment, in addition to the film forming process region 20A and the reaction process region 60A, a film forming process region 40A is formed at a position separated from these regions.

第1の実施形態の成膜プロセス領域20Aと同様に、成膜プロセス領域20Aには、回転カソードユニット21,22を備えたスパッタ手段20と、スパッタガスを導入するためのスパッタガス供給手段30とが設けられている。成膜プロセス領域40Aにも同様に、回転カソードユニット41,42を備えたスパッタ手段40と、スパッタガスを導入するためのスパッタガス供給手段50とが設けられている。回転カソードユニット41,42は、いずれも回転カソードユニット21,22と同様の構成を備えている。回転カソードユニット21,22の構成については第1の実施形態で説明しているため、ここでは説明を省略する。   Similar to the film forming process region 20A of the first embodiment, the film forming process region 20A includes a sputtering unit 20 having rotating cathode units 21 and 22, and a sputtering gas supply unit 30 for introducing a sputtering gas. Is provided. Similarly, the film forming process region 40A is also provided with a sputtering means 40 having rotating cathode units 41 and 42 and a sputtering gas supply means 50 for introducing a sputtering gas. Each of the rotary cathode units 41 and 42 has the same configuration as that of the rotary cathode units 21 and 22. Since the configuration of the rotary cathode units 21 and 22 has been described in the first embodiment, the description thereof is omitted here.

本実施形態では、回転カソードユニット21,22と、回転カソードユニット41,42とで、異なる材料のターゲットを用いている。例えば、回転カソードユニット21,22ではケイ素、回転カソードユニット41,42ではチタンをターゲットとして用いる。このように、異なる材料のターゲットを用いることで、異なる材料からなる薄膜を積層して複合薄膜を形成することが可能となる。これにより、形成される薄膜の物理的、光学的特性にバリエーションをもたせることが可能となる。具体的には、例えば、酸化ケイ素からなる中間薄膜と酸化チタンからなる中間薄膜を順次積層して、酸化ケイ素と酸化チタンの中間の屈折率を有する複合薄膜を形成することも可能となる。   In the present embodiment, targets of different materials are used for the rotary cathode units 21 and 22 and the rotary cathode units 41 and 42. For example, silicon is used as the target in the rotary cathode units 21 and 22, and titanium is used as the target in the rotary cathode units 41 and 42. In this way, by using targets of different materials, it is possible to form a composite thin film by laminating thin films made of different materials. Thereby, it is possible to give variations to the physical and optical characteristics of the thin film to be formed. Specifically, for example, an intermediate thin film made of silicon oxide and an intermediate thin film made of titanium oxide can be sequentially laminated to form a composite thin film having an intermediate refractive index between silicon oxide and titanium oxide.

(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態に係るスパッタリング装置について説明する。
本実施形態のスパッタリング装置3は、第1の実施形態のスパッタリング装置1と同様の構成を備えているが、第1の実施形態のスパッタリング装置1とは異なり、成膜プロセス領域20Aや反応プロセス領域60Aを区画する仕切壁12,14を設けていない点を特徴とする。
(Third embodiment)
Next, a sputtering apparatus according to the third embodiment will be described.
The sputtering apparatus 3 of the present embodiment has the same configuration as that of the sputtering apparatus 1 of the first embodiment, but unlike the sputtering apparatus 1 of the first embodiment, the film forming process region 20A and the reaction process region. It is characterized in that the partition walls 12 and 14 partitioning 60A are not provided.

これは、円筒状ターゲット81が回転することで非エロージョン領域が生じにくくなり、絶縁物(膜原料物質と反応性ガスとの反応物)の蓄積も防止されることから、成膜プロセス領域20Aへの反応性ガスの流入を阻止する仕切壁12や成膜プロセス領域20Aへの反応性ガスの流出を阻止する仕切壁14を設ける必要がないことによる。逆に、反応プロセス領域60A内に導入される反応性ガスを成膜プロセス領域20A内に積極的に導入して、スパッタリングにより生じた膜原料物質と反応性ガスとを反応させて成膜レートを上昇させる観点からは、仕切壁12や仕切壁14を設けないほうが都合がよい。
このように、本実施形態のスパッタリング装置3によれば、仕切壁12,14を設ける必要がないことから、その構成を簡単にすることが可能となる。
This is because the non-erosion region is less likely to be generated by the rotation of the cylindrical target 81, and the accumulation of the insulator (reaction product of the film raw material and the reactive gas) is also prevented. This is because it is not necessary to provide the partition wall 12 for blocking the flow of the reactive gas and the partition wall 14 for blocking the flow of the reactive gas to the film forming process region 20A. Conversely, a reactive gas introduced into the reaction process region 60A is positively introduced into the film formation process region 20A, and the film source material generated by sputtering reacts with the reactive gas to increase the film formation rate. From the viewpoint of raising, it is more convenient not to provide the partition wall 12 and the partition wall 14.
Thus, according to the sputtering apparatus 3 of this embodiment, since it is not necessary to provide the partition walls 12 and 14, it becomes possible to simplify the structure.

以上の例では、本発明をRFマグネトロンスパッタリングに適用した例について説明したが、反応性スパッタリング装置においてターゲットを回転させる構成を適用しうる装置であれば、これに限定されない。例えば、DCマグネトロンスパッタリング等の他のマグネトロンスパッタリング装置にも適用できることは言うまでもない。   Although the example which applied this invention to RF magnetron sputtering was demonstrated in the above example, if it is an apparatus which can apply the structure which rotates a target in a reactive sputtering apparatus, it will not be limited to this. Needless to say, the present invention can also be applied to other magnetron sputtering apparatuses such as DC magnetron sputtering.

スパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which took the cross section of the sputtering device and was seen from the upper surface. 図1のスパッタリング装置の縦断面をとって側面から見た状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state seen from the side surface which took the longitudinal cross-section of the sputtering device of FIG. 図1のスパッタリング装置の成膜プロセス領域周辺を拡大して示した説明図である。It is explanatory drawing which expanded and showed the film-forming process area periphery of the sputtering device of FIG. 回転カソードユニットの斜視図である。It is a perspective view of a rotating cathode unit. 図4の回転カソードユニットのXa−Xb縦断面図である。It is Xa-Xb longitudinal cross-sectional view of the rotating cathode unit of FIG. 図1のスパッタリング装置の反応プロセス領域周辺を拡大して示した説明図である。It is explanatory drawing which expanded and showed the reaction process area | region periphery of the sputtering device of FIG. 第2の実施形態に係るスパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which took the cross section of the sputtering device which concerns on 2nd Embodiment, and was seen from the upper surface. 第3の実施形態に係るスパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which took the cross section of the sputtering device which concerns on 3rd Embodiment, and was seen from the upper surface. 従来の反応性スパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state seen from the upper surface, taking the cross section of the conventional reactive sputtering apparatus. 従来の反応性スパッタリング装置に用いられる平板状ターゲットの課題について説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the subject of the flat target used for the conventional reactive sputtering apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 スパッタリング装置
2 スパッタリング装置
3 スパッタリング装置
11 真空容器
11a 開口
11A 薄膜形成室
11B ロードロック室
11C 扉
11D 扉
12 仕切壁
13 回転ドラム(基板搬送手段)
13a 基板保持板
13b フレーム
13c 締結具
14 仕切壁
15a 真空ポンプ
15b 真空ポンプ
16a−1 配管
16a−2 配管
16b 配管
17 ドラム回転モータ
17a モータ回転軸
18 ドラム回転軸
20 スパッタ手段
20A 成膜プロセス領域
21 回転カソードユニット
22 回転カソードユニット
23 トランス
24 交流電源
26 絶縁部材
30 スパッタガス供給手段
31 マスフローコントローラ
32 スパッタガスボンベ
33 マスフローコントローラ
34 反応性ガスボンベ
35a 配管
35b 導入口
35c 配管
35d 配管
40 スパッタ手段
40A 成膜プロセス領域
41 回転カソードユニット
42 回転カソードユニット
50 スパッタガス供給手段
60 プラズマ発生手段
60A 反応プロセス領域
61 ケース体
61A アンテナ収容室
62 誘電体板
63 アンテナ
64 マッチングボックス
65 高周波電源
66 グリッド
70 反応性ガス供給手段
71 反応性ガスボンベ
72 マスフローコントローラ
75a 配管
81 円筒状ターゲット
82 キャップ
83 キャップ
84 支持棒(ターゲット回転手段)
85 固定板(ターゲット回転手段)
86 固定板(ターゲット回転手段)
87 ヨーク
88 磁性体ユニット(磁界形成手段)
88a 中央磁石(磁界形成手段)
88b 外側磁石(磁界形成手段)
88c 外側磁石(磁界形成手段)
89 ターゲット側ギヤ(ターゲット回転手段)
91 ボックス
92 中間ギヤ(ターゲット回転手段)
93 ターゲット回転モータ(ターゲット回転手段)
94 モータ側ギヤ(ターゲット回転手段)
95 シャフト
96 直流電源
101 スパッタリング装置
111 真空容器
113 基板ホルダ
120A 成膜プロセス領域
121 スパッタ電極
122 ヨーク
123a 中央磁石
123b 外側磁石
123c 外側磁石
125 仕切壁
129 ターゲット
140A 成膜プロセス領域
141 スパッタ電極
145 仕切壁
149 ターゲット
160A 反応プロセス領域
165 仕切壁
S 基板(基体)
V1 バルブ
V2 バルブ
V3 バルブ
Xa−Xb 中心軸線
Za−Zb 回転軸線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sputtering apparatus 2 Sputtering apparatus 3 Sputtering apparatus 11 Vacuum container 11a Opening 11A Thin film formation chamber 11B Load lock chamber 11C Door 11D Door 12 Partition wall 13 Rotating drum (substrate conveyance means)
13a Substrate holding plate 13b Frame 13c Fastener 14 Partition wall 15a Vacuum pump 15b Vacuum pump 16a-1 Piping 16a-2 Piping 16b Piping 17 Drum rotating motor 17a Motor rotating shaft 18 Drum rotating shaft 20 Sputtering means 20A Deposition process area 21 Rotation Cathode unit 22 Rotating cathode unit 23 Transformer 24 AC power supply 26 Insulating member 30 Sputter gas supply means 31 Mass flow controller 32 Sputter gas cylinder 33 Mass flow controller 34 Reactive gas cylinder 35a Pipe 35b Inlet 35c Pipe 35d Pipe 40 Sputter means 40A Film formation process region 41 Rotating cathode unit 42 Rotating cathode unit 50 Sputtering gas supply means 60 Plasma generating means 60A Reaction process area 61 Case body 61A Antenna accommodating chamber 62 Dielectric plate 63 Antenna 64 Matching box 65 High frequency power supply 66 Grid 70 Reactive gas supply means 71 Reactive gas cylinder 72 Mass flow controller 75a Piping 81 Cylindrical target 82 Cap 83 Cap 84 Support rod (target rotating means)
85 Fixed plate (target rotation means)
86 Fixed plate (target rotation means)
87 Yoke 88 Magnetic body unit (magnetic field forming means)
88a Central magnet (magnetic field forming means)
88b Outer magnet (magnetic field forming means)
88c Outer magnet (magnetic field forming means)
89 Target side gear (target rotation means)
91 Box 92 Intermediate gear (target rotation means)
93 Target rotation motor (target rotation means)
94 Motor side gear (target rotation means)
95 Shaft 96 DC power supply 101 Sputtering device 111 Vacuum vessel 113 Substrate holder 120A Film formation process area 121 Sputter electrode 122 Yoke 123a Central magnet 123b Outer magnet 123c Outer magnet 125 Partition wall 129 Target 140A Film formation process area 141 Sputter electrode 145 Partition wall 149 Target 160A Reaction process region 165 Partition wall S Substrate (base)
V1 Valve V2 Valve V3 Valve Xa-Xb Center axis Za-Zb Rotation axis

Claims (5)

基体に薄膜を形成するスパッタリング装置であって、
互いに空間的に離間した位置に形成された成膜プロセス領域及び反応プロセス領域が内部に有する真空容器と、
前記成膜プロセス領域と前記反応プロセス領域との間で前記基体を搬送可能な基体搬送手段と、
前記成膜プロセス領域内にスパッタガスを導入するスパッタガス導入手段と、
前記成膜プロセス領域内で前記スパッタガスによるスパッタリングを行い前記基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ手段と、
前記反応プロセス領域内に反応性ガスを導入する反応性ガス導入手段と、
前記反応プロセス領域内でプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質と前記反応性ガスとを反応させるプラズマ発生手段と、
を備え、
前記スパッタ手段は、
長手方向に沿った中心軸線を中心に回転可能な円筒状ターゲットと、
該円筒状ターゲットの表面に磁界を形成する磁界形成手段と、
該磁界形成手段に対して前記円筒状ターゲットを回転させるターゲット回転手段と、を備えたことを特徴とするスパッタリング装置。
A sputtering apparatus for forming a thin film on a substrate,
A vacuum container having a film forming process region and a reaction process region formed at positions spatially separated from each other;
Substrate transport means capable of transporting the substrate between the film formation process region and the reaction process region;
A sputtering gas introduction means for introducing a sputtering gas into the film forming process region;
Sputtering means for performing sputtering with the sputtering gas in the film forming process region and attaching a film raw material to the surface of the substrate;
Reactive gas introduction means for introducing a reactive gas into the reaction process region;
Plasma generating means for generating a plasma in the reaction process region to react the film raw material adhering to the surface of the substrate with the reactive gas;
With
The sputtering means includes
A cylindrical target rotatable around a central axis along the longitudinal direction;
Magnetic field forming means for forming a magnetic field on the surface of the cylindrical target;
A sputtering apparatus comprising: a target rotating unit that rotates the cylindrical target with respect to the magnetic field forming unit.
前記スパッタ手段は、前記成膜プロセス領域内に隣接して配設され、
前記隣接して配設された一対のスパッタ手段に対して交互に電圧を印加する交流電源と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載のスパッタリング装置。
The sputtering means is disposed adjacent to the film forming process area,
The sputtering apparatus according to claim 1, further comprising: an AC power source that alternately applies a voltage to the pair of sputtering units disposed adjacent to each other.
前記真空容器は、複数の成膜プロセス領域を有し、
該複数の成膜プロセス領域のそれぞれには、前記円筒状ターゲットを備えた前記スパッタ手段が配設され、
前記複数の成膜プロセス領域のうち1つに配設された前記円筒状ターゲットは、他のいずれか1つに配設された前記円筒状ターゲットとは異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のスパッタリング装置。
The vacuum container has a plurality of film forming process regions,
In each of the plurality of film forming process regions, the sputtering means including the cylindrical target is disposed,
The cylindrical target disposed in one of the plurality of film forming process regions is formed of a material different from the cylindrical target disposed in any one of the other. The sputtering apparatus according to claim 1 or 2.
前記成膜プロセス領域は、内部へのガスの流入を阻止するための仕切壁を有しないことを特徴とする請求項1〜3に記載のスパッタリング装置。   The sputtering apparatus according to claim 1, wherein the film forming process region does not have a partition wall for preventing gas from flowing into the inside. 基体に薄膜を形成するスパッタリング方法であって、
真空容器内に区画された成膜プロセス領域内にスパッタガスを導入するスパッタガス導入工程と、
前記成膜プロセス領域内で前記スパッタガスにより円筒状ターゲットをスパッタリングして前記基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ工程と、
前記成膜プロセス領域と空間的に離間した位置に形成された反応プロセス領域に前記基体を搬送する基体搬送工程と、
前記反応プロセス領域内に反応性ガスを導入する反応性ガス導入工程と、
前記反応プロセス領域内でプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質と前記反応性ガスとを反応させるプラズマ発生工程と、を行い、
前記スパッタ工程では、
前記円筒状ターゲットの表面に磁界を形成した状態で、前記円筒状ターゲットをその長手方向に沿った中心軸線を中心に回転させることを特徴とするスパッタリング方法。
A sputtering method for forming a thin film on a substrate,
A sputtering gas introduction step of introducing a sputtering gas into a film forming process area partitioned in a vacuum vessel;
A sputtering step of sputtering a cylindrical target with the sputtering gas in the film forming process region and attaching a film raw material to the surface of the substrate;
A substrate transporting step for transporting the substrate to a reaction process region formed at a position spatially separated from the film forming process region;
A reactive gas introduction step of introducing a reactive gas into the reaction process region;
Performing a plasma generation step of generating a plasma in the reaction process region to react the film raw material adhering to the surface of the substrate with the reactive gas;
In the sputtering process,
A sputtering method, wherein a magnetic field is formed on a surface of the cylindrical target, and the cylindrical target is rotated around a central axis along a longitudinal direction thereof.
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