JP2009235429A - Sputtering apparatus - Google Patents

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Osamu Michigami
修 道上
Yasuyuki Ota
靖之 太田
Satoshi Odajima
聡 小田島
Hiromitsu Satake
博光 佐竹
Takashi Muto
孝志 武藤
Yoko Michigami
洋子 道上
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ONIZAWA FINE PRODUCT KK
Japan Science and Technology Agency
Iwate University
Kuramoto Seisakusho Co Ltd
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ONIZAWA FINE PRODUCT KK
Japan Science and Technology Agency
Iwate University
Kuramoto Seisakusho Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sputtering apparatus capable of inclining a target surface with respect to a substrate surface at an arbitrary angle, finding the angle of inclination suitable for a material, manufacturing a thin film of excellent quality with excellent reproducibility, and achieving production of the thin film. <P>SOLUTION: The sputtering apparatus comprises a target electrode 12 and a substrate holder 13 arranged in a vacuum chamber 11, a target 14 held by the target electrode 12, a substrate 15 held by the substrate holder 13, an introduction pipe 16 which strides over the inside and the outside of the vacuum chamber 11 and can rotate around the axis O1, and an elbow pipe 17 which connects the tip end of the introduction pipe 16 to the target electrode 12, and makes the target 14 face the substrate 15 in an inclined state. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、スパッタ装置、特に、基板に均一な良質薄膜を成長させるためのスパッタ電極の位置決めを可能としたスパッタ装置に関するものである。   The present invention relates to a sputtering apparatus, and more particularly to a sputtering apparatus that enables positioning of a sputtering electrode for growing a uniform high-quality thin film on a substrate.

特開2007−182617号公報JP 2007-182617 A 特開平05−004804号公報JP 05-004804 A 特開2001−202618号公報JP 2001-202618 A 特開2006−307303号公報JP 2006-307303 A

従来から、大面積基板等の表面に均一な薄膜を成長させるために、ターゲットの大型化やターゲットと基板の中心線軸からの距離を調整する機構を設ける方法が提案されている。   Conventionally, in order to grow a uniform thin film on the surface of a large-area substrate or the like, there has been proposed a method of increasing the size of a target or providing a mechanism for adjusting the distance from the center line axis of the target to the substrate.

具体的には、図9(A)に示すように、真空チャンバ(図示せず)内にターゲット電極1と基板ホルダ2とが設置されている。ターゲット電極1にはターゲット3が取り付けられており、一般の成膜では、ターゲット3の表面は基板ホルダ2に保持された基板4の表面と対向配置されている(例えば、特許文献1参照)。   Specifically, as shown in FIG. 9A, a target electrode 1 and a substrate holder 2 are installed in a vacuum chamber (not shown). A target 3 is attached to the target electrode 1. In general film formation, the surface of the target 3 is disposed opposite to the surface of the substrate 4 held by the substrate holder 2 (see, for example, Patent Document 1).

この配置法は、on−axis法と呼ばれている。この配置状態では、スパッタの特徴である高エネルギー粒子が基板4の表面に入射し、薄膜の成長を阻害する。このため、完全な結晶成長を要求する半導体活性層の作製にはスパッタ法は使用されていない。   This arrangement method is called an on-axis method. In this arrangement state, high-energy particles that are characteristic of sputtering enter the surface of the substrate 4 and inhibit the growth of the thin film. For this reason, the sputtering method is not used for the production of a semiconductor active layer that requires complete crystal growth.

酸化物超伝導体では、ターゲット3の構成原子の配列状態や酸素含有量に超伝導特性は非常に敏感であることから、ターゲット3と基板4とが対向した状態でのスパッタ法では良質の薄膜が得られていない。   In the oxide superconductor, the superconducting characteristics are very sensitive to the arrangement state of atoms constituting the target 3 and the oxygen content. Therefore, a high-quality thin film can be obtained by sputtering with the target 3 and the substrate 4 facing each other. Is not obtained.

高エネルギー粒子が薄膜成長面に入射した場合、既に堆積した薄膜原子を再スパッタすることで薄膜から離脱させるが、軽元素や蒸気圧の高い元素ほど再スパッタされ易く、得られた薄膜の組成は変化する。また、高エネルギー粒子は、薄膜に応力・歪を導入し、多くの欠陥を発生させる。   When high energy particles are incident on the growth surface of the thin film, the thin film atoms already deposited are separated from the thin film by resputtering. However, light elements and elements with higher vapor pressure are more easily resputtered. Change. Moreover, high energy particles introduce stress and strain into the thin film and generate many defects.

スパッタリングは、このようなメカニズムを有するため、規則的な原子配列の必要な多元系の化合物薄膜や結晶欠陥に敏感な材料系の薄膜の作製においては、高エネルギー粒子の薄膜成長面への入射を極力抑制する必要がある。   Sputtering has such a mechanism. Therefore, in the production of multi-component compound thin films that require regular atomic arrangements and thin film materials that are sensitive to crystal defects, high energy particles must be incident on the thin film growth surface. It is necessary to suppress as much as possible.

この高エネルギー粒子の薄膜成長面への入射を回避する方法としては、高エネルギー粒子が飛び出す前面に基板4を設置しないことが望ましい。   As a method for avoiding the incidence of the high energy particles on the thin film growth surface, it is desirable not to install the substrate 4 on the front surface from which the high energy particles protrude.

そこで、図9(B)に示すように、ターゲット3の表面に平行に基板4をずらせるoff−center方式(例えば、特許文献1参照)や、図9(C)に示すように、ターゲット3の端に基板4を立てかける(ターゲット3の表面と基板4の表面とが直交)off−axis方式とがある(例えば、特許文献2参照)。   Therefore, as shown in FIG. 9B, an off-center method (see, for example, Patent Document 1) in which the substrate 4 is shifted parallel to the surface of the target 3, or as shown in FIG. There is an off-axis system in which the substrate 4 is stood on the edge (the surface of the target 3 and the surface of the substrate 4 are orthogonal) (see, for example, Patent Document 2).

これらの方法では、良質膜が得られる領域は狭く、また、膜厚が不均一となる等の欠点を有する。   These methods have disadvantages such as a narrow region where a good quality film can be obtained and a non-uniform film thickness.

また、このoff−axis法の発展形態として、図9(D)に示すように、2つのターゲット電極1を一定間隔にして対向させ、それらの中間位置上に基板4を配置して成膜する対向ターゲットスパッタ法が存在する(例えば、特許文献3参照)。   Further, as a development form of this off-axis method, as shown in FIG. 9D, two target electrodes 1 are made to face each other at a constant interval, and a substrate 4 is disposed on an intermediate position between them to form a film. There is a counter target sputtering method (see, for example, Patent Document 3).

この方法では、1つのターゲットを使用したoff−axis法よりも良質な薄膜を比較的大きなサイズで得られることができるものの、大型化には限界がある他、量産性やターゲット材料の効率性等に問題があり、実用的な生産装置の機能を備えていないのが実情である。   Although this method can obtain a thin film of higher quality than the off-axis method using a single target in a relatively large size, there is a limit to enlargement, mass productivity, efficiency of target materials, etc. The actual situation is that it does not have practical production equipment functions.

そこで、off−center法とoff−axis法の略中間として、図10に示すように、ターゲット3の表面に対して基板4を斜角して配置することによって高エネルギー粒子の基板面への入射を抑制することが考えられる(例えば、特許文献4参照)。   Therefore, as a substantially intermediate between the off-center method and the off-axis method, as shown in FIG. (For example, refer patent document 4).

ここで、ターゲット3の中心から基板4の中心を仰ぐ角度θ(仰角)、基板4の鉛直軸からの角度をφ、ターゲット3と基板4との各中心間距離をrとすれば、(r,θ,φ)でターゲット3と基板4との相互位置が定まる。   Here, if the angle θ (elevation angle) for looking up the center of the substrate 4 from the center of the target 3 is φ, the angle from the vertical axis of the substrate 4 is φ, and the distances between the centers of the target 3 and the substrate 4 are r (r , Θ, φ) determine the mutual position of the target 3 and the substrate 4.

この表記法を用いた場合、on−axis法では(r,0,0)、off−center法では(r,θ,0)、off−axis法では(r,θ,90)となる。   When this notation is used, the on-axis method is (r, 0, 0), the off-center method is (r, θ, 0), and the off-axis method is (r, θ, 90).

電子機能を利用する薄膜では、歪の少ない結晶性、原子の規則的な配列、構成原子の結晶格子内での所定位置の占有、単一の成長方位と面内単一配向、化学量論の組成、添加元素の均一分散等を実現することが必要である。   In thin films using electronic functions, crystallinity with less strain, regular arrangement of atoms, occupation of a predetermined position in the crystal lattice of constituent atoms, single growth orientation and in-plane single orientation, stoichiometry It is necessary to achieve uniform dispersion of the composition and additive elements.

多元系の酸化物超伝導材料では、化学量論組成からの僅かなズレは、超伝導特性の大幅な低下を招くが、この超伝導体は、結合力の弱い酸素原子を含むため、スパッタ法では高エネルギー粒子により酸素脱離を生じさせ、化学量論組成より酸素量の少ない超伝導特性の悪い薄膜が得られ易い。   In multi-element oxide superconducting materials, a slight deviation from the stoichiometric composition leads to a significant decrease in superconducting properties. However, since this superconductor contains oxygen atoms with low bonding strength, sputtering is used. Then, oxygen desorption is caused by high energy particles, and a thin film having a superconducting property with a smaller amount of oxygen than the stoichiometric composition is easily obtained.

従って、例えば、図9(B)に示した方法で、良質の超伝導薄膜を得るためには、基板4の表面に対するターゲット3の表面の最適な傾き(θ)と距離(r)とが存在するが、その領域は限定されてしまうことになる。   Therefore, for example, in order to obtain a high-quality superconducting thin film by the method shown in FIG. 9B, there exists an optimum inclination (θ) and distance (r) of the surface of the target 3 with respect to the surface of the substrate 4. However, the area is limited.

このような基板配置状態に範囲が存在する理由としては、スパッタリングによって空間に飛び出した原子団は、ターゲット3の表面近傍では、ターゲット3の組成とあまり変わらないが、高エネルギー粒子が入射する位置に基板4を配置した場合、基板4の表面上に付着した原子は再スパッタにより結果的には薄膜の組成ずれを生じさせる。   The reason why such a range exists in the substrate arrangement state is that the atomic group jumping into the space by sputtering is not much different from the composition of the target 3 in the vicinity of the surface of the target 3, but at a position where high energy particles are incident. When the substrate 4 is disposed, atoms attached on the surface of the substrate 4 result in a composition shift of the thin film due to resputtering.

一方、スパッタ原子団は、空間中でスパッタ原子の高エネルギー粒子により散乱されるが、原子の種類によって散乱の程度が異なるため、傾斜角度が大きく、遠方に配置された基板4上の薄膜ほどターゲット組成から大きくずれることになる。   On the other hand, the sputtered atomic groups are scattered by high-energy particles of sputtered atoms in the space, but the degree of scattering differs depending on the type of atoms. It will deviate greatly from the composition.

この様な理由から、材料の構成原子により、ターゲット3の表面に対して傾斜した角度と距離(傾斜角度・位置;θ、r)に最適値が存在することになる。   For this reason, there are optimum values for the angle and distance (tilt angle / position; θ, r) tilted with respect to the surface of the target 3 depending on the constituent atoms of the material.

すなわち、化合物半導体と酸化物超伝導体とでは構成元素が異なるため、一般的には適切な傾斜角度・位置は異なる。また、半導体の中でも成分の異なる半導体では良質の薄膜を作製できる固有の傾斜角度・位置が存在することになる。   That is, since the constituent elements are different between the compound semiconductor and the oxide superconductor, in general, an appropriate inclination angle and position are different. In addition, semiconductors having different components among the semiconductors have inherent inclination angles and positions where a high-quality thin film can be produced.

しかしながら、電子機能を利用する機能薄膜をスパッタ法で作製する技術分野では、上述したように、高エネルギー粒子に起因する課題を持つため、材料に適した傾斜角度を見出し、良質の薄膜を再現性良く作製し、生産に結びつけることができないという問題が生じていた。   However, in the technical field of producing functional thin films that use electronic functions by sputtering, as mentioned above, there are problems due to high energy particles, and therefore, a tilt angle suitable for the material is found and a good quality thin film is reproducible. There was a problem that it could not be produced well and linked to production.

そこで、本発明は、上記問題を解決するため、基板表面とターゲット表面とを任意の角度で傾斜状態で対向させることができ、材料に適した相対的な傾斜角度を見出すことによって良質の薄膜を再現性良く作製し、生産に結びつけることができるスパッタ装置を提供することを目的とする。   Therefore, in order to solve the above-mentioned problem, the present invention can make the substrate surface and the target surface face each other in an inclined state at an arbitrary angle, and obtain a high-quality thin film by finding a relative inclination angle suitable for the material. An object of the present invention is to provide a sputtering apparatus that can be manufactured with good reproducibility and linked to production.

請求項1に係る発明は、チャンバー内においてターゲットと基板とを対向させてスパッタリングを行うスパッタリング装置において、前記ターゲットと前記基板とを任意の角度の傾斜状態で対向させることができるようにしたことを特徴とするスパッタリング装置である。
請求項2に係る発明は、前記ターゲット又は基板を保持するホルダー部と、前記ホルダー部を支持しチャンバーに取り付けるための支持・導入機構部とを、曲がりを有する接続部材を介して接続することを特徴とする請求項1記載のスパッタリング装置である。
請求項3に係る発明は、前記ホルダー部と支持・導入機構部とは取り外し可能であることを特徴とする請求項2記載のスパッタリング装置である。
請求項4に係る発明は、前記接続部材を複数個用いて接続することを特徴とする請求項2記載のスパッタリング装置である。
請求項5に係る発明は、前記複数の接続部材同士は回転フランジを用いて接続されていることを特徴とする請求項4記載のスパッタリング装置である。
複数に分割された接続部を相対的に回転させることにより、より複雑且つ精密な傾斜角度を設定することができる。
請求項6に係る発明は、前記接続部材はエルボーパイプであることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項記載のスパッタリング装置である。
請求項7に係る発明は、前記支持・導入機構部は、軸心を中心として、チャンバー室外部から、回動可能とした請求項2乃至6のいずれか1項記載のスパッタリング装置である。
請求項8に係る発明は、前記支持・導入機構部は直線条のパイプからなることを特徴とする請求項2乃至7のいずれか1項記載のスパッタリング装置である。
請求項9に係る発明は、前記パイプの一端は、前記チャンバー室の導入フランジからチャンバー室外へ取り出され、バイトンシールにより真空シールされていることを特徴とする請求項2乃至8のいずれか1項記載のスパッタリング装置である。
請求項10に係る発明は、前記スパッタリング装置は、ターゲット又は基板が移動するインラインスパッタリング装置であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項記載のスパッタリング装置である。
請求項11に係る発明は、前記ターゲットは長方形であり、その長軸を中心として回動可能とした請求項10記載のスパッタリング装置である。
請求項12に係る発明は、前記ホルダー部はターゲットを保持するホルダー部の場合であって、そのホルダー部内部にマグネットを配置したことを特徴とする請求項2乃至10のいずれか1項記載のスパッタリング装置である。
請求項13に係る発明は、前記ホルダー部はターゲットを保持するホルダー部であって、支持・導入機構部の内部に冷却パイプ及びスパッタリング用電線が配置されていることを特徴とする請求項2乃至11のいずれか1項記載のスパッタリング装置である。
請求項14に係る発明は、前記ホルダー部は基板を保持するホルダー部であることを特徴とする請求項2乃至11のいずれか1項記載のスパッタリング装置である。
本発明では、基板とターゲットとの傾斜角度を任意に選択することが可能であるため、材料に適した傾斜角度を選定することができ、最良の薄膜形成を行うことが可能となる。
ホルダー部と支持・導入機構部とを曲がりを有する接続部材で接続するという簡便な部材構成で任意の角度の傾斜状態を実現することができる。
The invention according to claim 1 is configured such that, in a sputtering apparatus that performs sputtering with a target and a substrate facing each other in a chamber, the target and the substrate can be opposed to each other in an inclined state at an arbitrary angle. This is a characteristic sputtering apparatus.
According to a second aspect of the present invention, a holder part for holding the target or the substrate and a support / introduction mechanism part for supporting the holder part and attaching the holder part to the chamber are connected via a connecting member having a bend. The sputtering apparatus according to claim 1, wherein the sputtering apparatus is characterized.
The invention according to claim 3 is the sputtering apparatus according to claim 2, wherein the holder part and the support / introduction mechanism part are detachable.
The invention according to claim 4 is the sputtering apparatus according to claim 2, wherein the connection members are connected by using a plurality of connection members.
The invention according to claim 5 is the sputtering apparatus according to claim 4, wherein the plurality of connecting members are connected to each other using a rotating flange.
By relatively rotating the connection part divided into a plurality of parts, a more complicated and precise inclination angle can be set.
The invention according to claim 6 is the sputtering apparatus according to any one of claims 2 to 5, wherein the connecting member is an elbow pipe.
The invention according to claim 7 is the sputtering apparatus according to any one of claims 2 to 6, wherein the support / introduction mechanism section is rotatable from the outside of the chamber chamber about the axis.
The invention according to claim 8 is the sputtering apparatus according to any one of claims 2 to 7, wherein the support / introduction mechanism section is formed of a straight strip pipe.
The invention according to claim 9 is characterized in that one end of the pipe is taken out of the chamber chamber from the introduction flange of the chamber chamber and vacuum-sealed by a Viton seal. It is a sputtering apparatus of description.
The invention according to claim 10 is the sputtering apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the sputtering apparatus is an in-line sputtering apparatus in which a target or a substrate moves.
The invention according to an eleventh aspect is the sputtering apparatus according to the tenth aspect, wherein the target has a rectangular shape and is rotatable about a major axis thereof.
The invention according to claim 12 is the case where the holder part is a holder part for holding a target, and a magnet is arranged inside the holder part. It is a sputtering device.
The invention according to claim 13 is characterized in that the holder portion is a holder portion for holding a target, and a cooling pipe and a sputtering wire are arranged inside the support / introduction mechanism portion. 11. The sputtering apparatus according to any one of 11 above.
The invention according to claim 14 is the sputtering apparatus according to any one of claims 2 to 11, wherein the holder part is a holder part for holding a substrate.
In the present invention, since the tilt angle between the substrate and the target can be arbitrarily selected, a tilt angle suitable for the material can be selected, and the best thin film can be formed.
An inclined state at an arbitrary angle can be realized with a simple member configuration in which the holder portion and the support / introduction mechanism portion are connected by a connecting member having a bend.

導入部を軸線中心に回転させることにより、接続部に接続されたターゲット電極又は基板ホルダの何れか一方を他方に対して傾斜状態で対向させることができると同時に、その相対距離を変更することができる。   By rotating the introduction portion about the axis, either the target electrode or the substrate holder connected to the connection portion can be opposed to the other in an inclined state, and at the same time, the relative distance can be changed. it can.

導入機構部や接続部にパイプを用いることによって各種配線の配索を容易に確保しつつ、ターゲット電極と基板ホルダとの相対角度並びに相対距離を容易に変更することができる。   By using pipes for the introduction mechanism section and the connection section, it is possible to easily change the relative angle and the relative distance between the target electrode and the substrate holder while easily securing the wiring of various wirings.

曲がり(傾斜)を有する接続部を複数に分割されていると、両者を相対的に回転させることにより、より複雑且つ精密な傾斜角度を設定することができる。
特に、支持・導入機構部をその軸線周りで外部から回転をさせることができるようにすることにより、傾斜角度の制御とともに、基板とターゲットとの距離の制御も可能となる。また、外部から回転を制御できる場合には、例えば、移動中のものであっても移動に合わせて距離、角度を適宜設定することも可能となる。
また、ホルダーと支持・導入機構部とが90°の角度となった場合には、支持・導入機構部をその軸心まわりに回転させることにより基板とターゲットとの相対的角度が平行とならないようにすることができる。
ホルダー部を基板ホルダーとして基板ホルダーと支持・導入機構部とを傾斜を持たせて接続する場合には、ターゲットホルダーは直線状にチャンバー内に支持・導入できるため、例えば冷却パイプとして可撓性のものを用いる必要がなくなり複雑化を避けることが可能となる。
If the connecting part having a bend (inclination) is divided into a plurality of parts, a more complicated and precise inclination angle can be set by relatively rotating both of them.
In particular, by enabling the support / introduction mechanism unit to be rotated from the outside around its axis, it is possible to control the tilt angle and the distance between the substrate and the target. Further, when the rotation can be controlled from the outside, for example, even if the object is moving, the distance and angle can be appropriately set according to the movement.
In addition, when the holder and the support / introduction mechanism are at an angle of 90 °, the relative angle between the substrate and the target is not made parallel by rotating the support / introduction mechanism around the axis. Can be.
When connecting the substrate holder and the support / introduction mechanism with an inclination using the holder as a substrate holder, the target holder can be supported and introduced into the chamber in a straight line. It becomes unnecessary to use a thing, and it becomes possible to avoid complication.

本発明のスパッタ装置によれば、基板表面に対してターゲット表面を任意の角度で傾斜することができ、材料に適した傾斜角度を見出し、良質の薄膜を再現性良く作製し、生産に結びつけることができる。   According to the sputtering apparatus of the present invention, the target surface can be tilted at an arbitrary angle with respect to the substrate surface, a tilt angle suitable for the material can be found, a high-quality thin film can be produced with good reproducibility, and linked to production. Can do.

次に、本発明のスパッタ装置に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。   Next, an embodiment of the sputtering apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明に係わるスパッタ装置の側面から電極を導入した時(基板は装置上方に設置)の縦断面図である。図2は本発明に係わるスパッタ装置の長方形の角型チャンバ内でのスパッタ電極、基板、基板の移動方向を上方からみた説明図である。この場合、スパッタ電極は真空チャンバの底板(ベース板)から導入している。図3はターゲット電極の説明図である。
これらの図では、排気系、真空計、バルブ、シャッタ機構等の本発明に直接関係の無い冶具は省略して示している。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view when an electrode is introduced from the side of a sputtering apparatus according to the present invention (a substrate is placed above the apparatus). FIG. 2 is an explanatory view of the sputtering electrode, the substrate, and the moving direction of the substrate in the rectangular rectangular chamber of the sputtering apparatus according to the present invention as viewed from above. In this case, the sputter electrode is introduced from the bottom plate (base plate) of the vacuum chamber. FIG. 3 is an explanatory diagram of the target electrode.
In these drawings, jigs that are not directly related to the present invention, such as an exhaust system, a vacuum gauge, a valve, and a shutter mechanism, are omitted.

図1及び図2において、スパッタ装置10は、真空チャンバ11内に配置されたターゲット電極12及び基板ホルダ13と、ターゲット電極12に保持されたターゲット14と、基板ホルダ13に保持された基板15と、真空チャンバ11の内外に跨り且つ軸線O1を中心として回転可能な導入パイプ16と、導入パイプ16の先端とターゲット電極12とを接続すると共にターゲット14を基板15に対して傾斜状態で対向させるエルボパイプ17と、を備えている。真空シール部(真空シールアダプタ)20は、真空シールするとともに導入パイプ16を出入り可能(適切な位置の選択)としており、また、導入パイプの回転動作も可能な機能を有する。   1 and 2, the sputtering apparatus 10 includes a target electrode 12 and a substrate holder 13 disposed in a vacuum chamber 11, a target 14 held on the target electrode 12, and a substrate 15 held on the substrate holder 13. , An introduction pipe 16 straddling the inside and outside of the vacuum chamber 11 and rotatable about the axis O1, and an elbow pipe for connecting the tip of the introduction pipe 16 and the target electrode 12 and opposing the target 14 to the substrate 15 in an inclined state. 17. The vacuum seal unit (vacuum seal adapter) 20 has a function of vacuum sealing and allowing the introduction pipe 16 to enter and exit (selecting an appropriate position) and also enabling the introduction pipe to rotate.

これにより、導入パイプ16を軸線O1を中心に回転させることにより、エルボパイプ17に接続されたターゲット電極12の傾斜角度θを可変することができると同時に、導入パイプ16のチャンバからの出入りでターゲット14と基板15との相対距離を変更することができる。   Thus, by rotating the introduction pipe 16 about the axis O1, the inclination angle θ of the target electrode 12 connected to the elbow pipe 17 can be varied, and at the same time, the target 14 is moved in and out of the chamber of the introduction pipe 16. And the relative distance between the substrate 15 can be changed.

この際、エルボパイプ17の屈曲角度は、ターゲット14の中心法線O2と基板15の中心法線O3とが平行とならないようにターゲット電極12の傾斜角度を確保するように設定されている。尚、中心法線O2は、図2に示すように、エルボパイプ17の中心軸と一致している。   At this time, the bending angle of the elbow pipe 17 is set so as to ensure the inclination angle of the target electrode 12 so that the center normal line O2 of the target 14 and the center normal line O3 of the substrate 15 do not become parallel. Note that the center normal line O2 coincides with the center axis of the elbow pipe 17 as shown in FIG.

これにより、実質的にターゲット14の表面と基板15の表面とが適切な角度で傾斜させることができる。   Thereby, the surface of the target 14 and the surface of the substrate 15 can be substantially inclined at an appropriate angle.

尚、エルボパイプ17は、図4乃至図6に示すように、複数に分割すると共に相対的に各軸線O4,O5を中心に相対回転可能としても良い。   As shown in FIGS. 4 to 6, the elbow pipe 17 may be divided into a plurality of pieces and relatively rotatable about the axes O4 and O5.

これにより、複数に分割されたエルボパイプ17を相対的に回転させることにより、より複雑且つ精密な傾斜角度を設定することができる。   Thereby, a more complicated and precise inclination angle can be set by relatively rotating the elbow pipe 17 divided into a plurality.

以下、本発明のスパッタ装置10に係わる各構成部材を詳細に説明する。   Hereinafter, each component related to the sputtering apparatus 10 of the present invention will be described in detail.

ターゲット電極12は、図3に示すように、ターゲット15を保持するように円筒形状又は直方体形状を呈する電極部18と、エルボパイプ17から真空チャンバ11の外部に至る配管構造の導入機構部19と、を備えている。   As shown in FIG. 3, the target electrode 12 includes an electrode portion 18 having a cylindrical shape or a rectangular parallelepiped shape so as to hold the target 15, an introduction mechanism portion 19 having a piping structure extending from the elbow pipe 17 to the outside of the vacuum chamber 11, It has.

電極部18は、例えば、マグネットや水冷部(図示せず)等を備えているが、周知の構成のものを使用することができる。また、電極部18を直接真空チャンバ11に取り付けて導入機構部19を省略したターゲット電極も存在するが、このような場合にあっては、電極は固定され、任意の角度の選択は不可能であるため、ここでは除外して上述した2つの機構部からなるものを対象とする。   The electrode unit 18 includes, for example, a magnet, a water cooling unit (not shown), and the like, but a known configuration can be used. In addition, there is a target electrode in which the electrode unit 18 is directly attached to the vacuum chamber 11 and the introduction mechanism unit 19 is omitted. In such a case, the electrode is fixed and an arbitrary angle cannot be selected. For this reason, the above-described two mechanisms are excluded.

ところで、ターゲット電極12は、基板15の表面に対し、種々の角度で傾斜する構成を採用する場合が考えられる。   By the way, the case where the structure which inclines with the target electrode 12 at various angles with respect to the surface of the board | substrate 15 is considered.

ここで、例えば、基板15が真空チャンバ11の上部に設置されている場合、ターゲット電極12が真空チャンバ11の側面から導入されるとき(図1)と、真空チャンバ11の底面から導入される(図2)ことが考えられる。   Here, for example, when the substrate 15 is installed on the upper portion of the vacuum chamber 11, when the target electrode 12 is introduced from the side surface of the vacuum chamber 11 (FIG. 1), it is introduced from the bottom surface of the vacuum chamber 11 ( Fig. 2) is conceivable.

ターゲット電極12を真空チャンバ11の側面から導入した場合、導入機構部19の軸線O1と電極部18の軸線O2とは、90°の角度で固定(ターゲット14と基板15とが平行した対面状配置となる)される場合と、任意の角度θで傾斜する場合とがある。   When the target electrode 12 is introduced from the side surface of the vacuum chamber 11, the axis O1 of the introduction mechanism unit 19 and the axis O2 of the electrode unit 18 are fixed at an angle of 90 ° (the target 14 and the substrate 15 are arranged in a face-to-face arrangement). In some cases, and incline at an arbitrary angle θ.

90°の角度で固定した場合では、ターゲット13と基板15とを相対的に傾斜させるためには、導入機構部19を軸線O1を中心として回転(例えば、真空シール部20)で回転することにより達成できる。   In the case of fixing at an angle of 90 °, in order to relatively incline the target 13 and the substrate 15, the introduction mechanism portion 19 is rotated by rotating around the axis O1 (for example, the vacuum seal portion 20). Can be achieved.

一方、真空チャンバ11の底面からターゲット電極12を導入した場合(図2)、導入パイプ16と電極部18は90°のエルボパイプで接続されている。ターゲットを保持するホルダー部(電極部)18と導入機構部19とは、その接合部分である電極部フランジ18aとエルボパイプフランジ17aが接続されていることになる。基板面に対し電極面を傾斜させるためには導入パイプ16を真空シール部20の位置で回転させればよい。   On the other hand, when the target electrode 12 is introduced from the bottom surface of the vacuum chamber 11 (FIG. 2), the introduction pipe 16 and the electrode portion 18 are connected by a 90 ° elbow pipe. The holder portion (electrode portion) 18 that holds the target and the introduction mechanism portion 19 are connected to an electrode portion flange 18a and an elbow pipe flange 17a, which are joint portions. In order to incline the electrode surface with respect to the substrate surface, the introduction pipe 16 may be rotated at the position of the vacuum seal portion 20.

また、電極部フランジ18aの設置位置が斜めになっている場合、例えば、導入パイプ16の軸線方向が基板15の表面と直角(真空チャンバ11の側面から導入)又は平行(真空チャンバ11の底面から導入)以外の斜め方向からの導入や基板15の中心に向かっていない導入の場合には、電極部フランジ18a又はエルボパイプフランジ17aの接合面が傾斜している必要がある。   When the installation position of the electrode flange 18a is inclined, for example, the axial direction of the introduction pipe 16 is perpendicular to the surface of the substrate 15 (introduced from the side surface of the vacuum chamber 11) or parallel (from the bottom surface of the vacuum chamber 11). In the case of introduction from an oblique direction other than introduction) or introduction toward the center of the substrate 15, the joint surface of the electrode portion flange 18a or the elbow pipe flange 17a needs to be inclined.

尚、これらの例は、基板ホルダ13が成膜中において一方向に移動しない場合である。   In these examples, the substrate holder 13 does not move in one direction during film formation.

一方、インライン方式では、基板15が一方向に移動し、膜厚と特性とが均一な薄膜を基板15に連続的に成膜することができる。この方法は量産機能を持つ作製法である。   On the other hand, in the in-line method, the substrate 15 moves in one direction, and a thin film having a uniform film thickness and characteristics can be continuously formed on the substrate 15. This method is a manufacturing method having a mass production function.

この場合、真空チャンバ11は円筒状ではなく筐体状となっており、基板15が側面に立てかけられた配置で、この基板15が一方向に移動しつつ成膜される。   In this case, the vacuum chamber 11 has a casing shape instead of a cylindrical shape, and the substrate 15 is deposited while the substrate 15 is placed on the side surface while the substrate 15 moves in one direction.

ターゲット14の表面は長方形で、長軸が鉛直方向に一致するように(基板15の移動方向と垂直)配置されている。一般的には、基板15の表面と電極面とが対向している。   The surface of the target 14 is rectangular and is arranged so that the long axis coincides with the vertical direction (perpendicular to the moving direction of the substrate 15). In general, the surface of the substrate 15 and the electrode surface face each other.

本発明の一実施形態においては、長軸を回転させることで電極面を傾斜させる。また、真空チャンバ11の底面からターゲット電極12を導入する場合、ターゲット14の表面と導入機構部19とは90°の角度で固定され、導入機構部19を真空シール部20で回転させる。このターゲット電極の挿入方式では、ターゲット電極の下端に直接ストレート(真直ぐな)な導入パイプを接続しても良い。この場合、水冷用のパイプ導入、電力線の取り付け等の点で構造がエルボ短管を使用する前者の構造とは異なるが、基板面とターゲット面の傾斜状態は導入パイプの回転により付与することができる。   In one embodiment of the present invention, the electrode surface is inclined by rotating the major axis. When the target electrode 12 is introduced from the bottom surface of the vacuum chamber 11, the surface of the target 14 and the introduction mechanism portion 19 are fixed at an angle of 90 °, and the introduction mechanism portion 19 is rotated by the vacuum seal portion 20. In this target electrode insertion method, a straight (straight) introduction pipe may be directly connected to the lower end of the target electrode. In this case, the structure is different from the former structure that uses elbow short pipes in terms of introducing pipes for water cooling, attaching power lines, etc., but the inclined state of the substrate surface and the target surface can be imparted by rotation of the introduction pipe. it can.

一方、基板15と対面している真空チャンバ11の側面からターゲット電極12を導入する場合、電極部フランジ18aとエルボパイプフランジ17aとの接合部分で、ターゲット電極12を左右に回転させることにより、傾斜電極としての機能を果たす配置が実現できる。   On the other hand, when the target electrode 12 is introduced from the side surface of the vacuum chamber 11 facing the substrate 15, the target electrode 12 is tilted by rotating it left and right at the joint portion between the electrode flange 18a and the elbow pipe flange 17a. An arrangement that functions as an electrode can be realized.

ターゲット電極12が真空チャンバ11の斜め方向から導入される場合、一方向に移動のない基板15では傾斜機能により滑らかに変化させることは容易であるが、一方向に移動する基板15に対しては、基板15とターゲット14とが一定間隔で滑らかに傾斜することは容易ではなく、構造に合致した傾斜機構を付与することが必要である。   When the target electrode 12 is introduced from an oblique direction of the vacuum chamber 11, it is easy to smoothly change the substrate 15 that does not move in one direction by the tilt function, but for the substrate 15 that moves in one direction, It is not easy to smoothly incline the substrate 15 and the target 14 at regular intervals, and it is necessary to provide an inclination mechanism that matches the structure.

しかし、斜めからのターゲット電極12の導入は特殊な例であり、真空チャンバ11の側面又は底面からの導入が一般的である。一般的な場合について説明する。   However, introduction of the target electrode 12 from an oblique direction is a special example, and introduction from the side surface or bottom surface of the vacuum chamber 11 is common. A general case will be described.

高エネルギー粒子の基板面への入射を回避するためには基板面とターゲット面とを傾斜させる必要がある。
その際、電極部18と支持・導入機構部16との関係として、(i)90°の角度を持たせて接続する場合、(ii)傾斜機能を持たせて接続する場合がある。
真空チャンバ11の側面から導入する場合には、(i)、(ii)のいずれでもよく、(i)の場合には支持・導入機構部16をその軸心を中心として回動可能としておき、回転させることにより基板面とターゲット面とを傾斜させることができる。(ii)は、後述する短管の組み合わせたよって実現することができる。なお、(ii)の場合であっても支持・導入機構部は回動可能としてもよい。
真空チャン場11の底面から導入する場合には、(ii)が好ましい。
In order to avoid incidence of high energy particles on the substrate surface, it is necessary to incline the substrate surface and the target surface.
At that time, as a relationship between the electrode portion 18 and the support / introduction mechanism portion 16, (i) when connecting with an angle of 90 °, or (ii) connecting with an inclination function, there are cases.
When introducing from the side surface of the vacuum chamber 11, either (i) or (ii) may be used, and in the case of (i), the support / introduction mechanism 16 is made rotatable about its axis, By rotating, the substrate surface and the target surface can be inclined. (Ii) can be realized by combining short pipes described later. Even in the case of (ii), the support / introduction mechanism may be rotatable.
When introducing from the bottom of the vacuum chamber 11, (ii) is preferable.

本例においては、導入機構部19には、一対の水冷パイプ21とスパッタ用の電力線22とが挿入されている。   In this example, a pair of water-cooled pipes 21 and a sputtering power line 22 are inserted into the introduction mechanism unit 19.

ここで、上記2つの機能を実現するためには、次のことを満足しなければならない。   Here, in order to realize the above two functions, the following must be satisfied.

即ち、ターゲット14を固定する電極とエルボパイプ17とは絶縁する必要がある。また、電極部18と導入機構部19との接合部での傾斜(90°も含む)機能を確保する必要がある。さらに、ターゲット電極12が傾斜している。そのため、水冷パイプ21はエルボパイプ17の屈曲角度に応じて変形可能なフレキシブルな材質(硬質ナイロンチューブ;シンフレックスチューブ、ウレタンチューブ等)でなければならない。   That is, the electrode for fixing the target 14 and the elbow pipe 17 need to be insulated. In addition, it is necessary to ensure an inclination (including 90 °) function at the joint portion between the electrode portion 18 and the introduction mechanism portion 19. Furthermore, the target electrode 12 is inclined. Therefore, the water-cooled pipe 21 must be made of a flexible material (hard nylon tube; shinflex tube, urethane tube, etc.) that can be deformed according to the bending angle of the elbow pipe 17.

電極部18と導入機構部19との接合部分に角度を持つ短管を2つ組み合わせることにより傾斜機能をもたせることができる。   An inclination function can be provided by combining two short tubes having an angle at the joint portion between the electrode portion 18 and the introduction mechanism portion 19.

この場合、回転フランジ付短管が不可欠である。また、簡単にはベローズ付き短管フランジも利用することができる。   In this case, a short pipe with a rotating flange is indispensable. In addition, a short pipe flange with bellows can also be used.

真空チャンバ11の側面からターゲット電極12を導入している際(図4)、エルボパイプ17を複数に分割することにより、図4及び図6に示すように、導入パイプ16の軸線O1に対してエルボパイプ17の軸線O2を全体として45°傾斜させると同時に各エルボパイプ17の相対角度を可変とする。
また、真空チャンバ11の底面からターゲット電極12を導入している際、図5に示す状態においては、基板面とターゲット面は傾斜していない。この場合も、図6に示すように、エルボパイプ17の相対角度を可変とする。なお、エルボパイプ17の構成は複数でも構わない。
When the target electrode 12 is introduced from the side surface of the vacuum chamber 11 (FIG. 4), the elbow pipe 17 is divided into a plurality of parts so that the elbow pipe with respect to the axis O1 of the introduction pipe 16 is divided as shown in FIGS. The 17 axis O2 is inclined by 45 ° as a whole, and at the same time, the relative angle of each elbow pipe 17 is variable.
Further, when the target electrode 12 is introduced from the bottom surface of the vacuum chamber 11, the substrate surface and the target surface are not inclined in the state shown in FIG. Also in this case, the relative angle of the elbow pipe 17 is variable as shown in FIG. The elbow pipe 17 may have a plurality of configurations.

この際、分割された各エルボパイプ17は、全体としての角度の半分としても良いし、別々としても良い。   At this time, each of the divided elbow pipes 17 may be half of the angle as a whole or may be separate.

(実施例1)
上記の構成において、例えば、3インチのアルニコ製の円筒磁石(例えば、高さ:46mm、中心磁石:20mmφ×40mm)を用い、ターゲット電極12を作製した。
Example 1
In the above configuration, for example, a 3-inch Alnico cylindrical magnet (for example, height: 46 mm, center magnet: 20 mmφ × 40 mm) was used to produce the target electrode 12.

また、ターゲット電極12の裏側中央部には、電極支持/導入パイプ(SUS304)を接続したが、この中央には図6に示した45°で分割したエルボパイプ17を2個介在させた。   In addition, an electrode support / introduction pipe (SUS304) was connected to the center of the back side of the target electrode 12, and two elbow pipes 17 divided at 45 ° shown in FIG.

このターゲット電極12には、水冷パイプ21用の1対の3/8インチシンフレックスチューブと電力供給用のシールド銅線とが接続されており、これらが各パイプ16,17を通して真空チャンバ11の外部へと引き出されている。また、ターゲット電極12を円筒形の真空チャンバ11に設置した。   The target electrode 12 is connected to a pair of 3/8 inch syflex tubes for the water-cooled pipe 21 and a shielded copper wire for supplying power, and these are connected to the outside of the vacuum chamber 11 through the pipes 16 and 17. Has been pulled out. In addition, the target electrode 12 was installed in a cylindrical vacuum chamber 11.

真空チャンバ11は、真空チャンバ11の底面(底面)と円筒形状のフィードスルカラー(側面)及びチャンバ開閉機構(図示せず)を備えた上部フランジ(上面)からなっている。   The vacuum chamber 11 includes a bottom surface (bottom surface) of the vacuum chamber 11, a cylindrical feed-through collar (side surface), and an upper flange (top surface) provided with a chamber opening / closing mechanism (not shown).

基板ホルダ13は、真空チャンバ11の上面に取り付けられており、回転機構23を備えている。また、基板15の成膜面は下方に向いており、基板15の裏側には加熱用のヒ−タ24が設置されている。基板15の温度は、800℃まで可能である。ターゲット電極は、フィードスルカラー(側面)に溶接固定された管状の導入フランジ25からターゲット電極12を挿入した。   The substrate holder 13 is attached to the upper surface of the vacuum chamber 11 and includes a rotation mechanism 23. The film formation surface of the substrate 15 faces downward, and a heating heater 24 is provided on the back side of the substrate 15. The temperature of the substrate 15 can be up to 800 ° C. As the target electrode, the target electrode 12 was inserted from a tubular introduction flange 25 fixed to the feedthrough collar (side surface) by welding.

この導入パイプ16は、導入フランジ25を貫通し、フィードスルカラー(側面)の内外でバイトンシール機構を持つ締め付け金具(真空シール金具)とコンフラットフランジ等を介して接合され、導入パイプ16は金具の締め付けによってバイトンで真空シールされる。   The introduction pipe 16 passes through the introduction flange 25, and is joined to a fastening fitting (vacuum seal fitting) having a Viton seal mechanism inside and outside the feedthrough collar (side surface) via a conflat flange or the like. It is vacuum sealed with Viton by tightening.

このようなターゲット電極12の導入では、ターゲット電極12は真空チャンバ11の中心方向に対し自由に出入り可能となっているため、基板15の中心に対して適切な位置の選択が可能である。   In such introduction of the target electrode 12, the target electrode 12 can freely enter and exit with respect to the center direction of the vacuum chamber 11, so that an appropriate position can be selected with respect to the center of the substrate 15.

また、分割されたエルボパイプ17を用いることにより、基板15の表面に対しスパッタ面が種々の角度で、対向させることが可能である。   Further, by using the divided elbow pipe 17, the sputtering surface can be opposed to the surface of the substrate 15 at various angles.

このようなターゲット電極12を用いて、EuBaCu(EBCO)薄膜を作製した。 An EuBa 2 Cu 3 O 7 (EBCO) thin film was produced using such a target electrode 12.

尚、基板15には1インチ角のR面サファイアを用いた。また、R面サファイアの表面に、反応防止用バッファ層として、650℃で(001)配向させた80ÅのCeOエピタキシャル膜を形成した。EBCO薄膜の作製には、化学量論組成のEuBaCu焼結ターゲットを使用した。サイズは、86mmφ×6mmtであった。 The substrate 15 was 1-inch square R-plane sapphire. Further, on the surface of the R-plane sapphire, an 80 cm CeO 2 epitaxial film that was (001) -oriented at 650 ° C. was formed as a reaction preventing buffer layer. For the preparation of the EBCO thin film, a stoichiometric composition EuBa 2 Cu 3 O 7 sintered target was used. The size was 86 mmφ × 6 mmt.

EBCO薄膜は、Ar+8%O中、7Paの雰囲気のもとで、直流電源で0.55Aの条件でスパッタして作製した。このときの基板15の温度は660℃であった。EBCO薄膜の膜厚を2000Åとした。 The EBCO thin film was produced by sputtering with a direct current power source at 0.55 A under an atmosphere of 7 Pa in Ar + 8% O 2 . The temperature of the substrate 15 at this time was 660 ° C. The film thickness of the EBCO thin film was 2000 mm.

基板15とターゲットとの各中心距離rを約70mmとし、ターゲットの鉛直軸との傾きをθとし、φ=90−θとなる条件(基板15はrの動径方向に向いている)で、EBCO薄膜を作製した。   Under the condition that the center distance r between the substrate 15 and the target is about 70 mm, the inclination with respect to the vertical axis of the target is θ, and φ = 90−θ (the substrate 15 is oriented in the radial direction of r), An EBCO thin film was produced.

そのうえで、ターゲット14の表面の傾斜角θに対するEBCO薄膜の超伝導臨界温度(Tce;抵抗がゼロとなる温度)の変化を測定した。その測定結果を図7に示す。   Then, the change in the superconducting critical temperature (Tce; temperature at which the resistance becomes zero) of the EBCO thin film with respect to the inclination angle θ of the surface of the target 14 was measured. The measurement results are shown in FIG.

θがゼロ付近では、ターゲット14の表面と基板15の表面とがほぼ対向している(on−axis)状態にあり、Tceは4.2Kの低温でも超伝導を示さなかった。また、θが大きくなるにつれ、Tceが上昇し、θ=80−90°でこの材料系の限界である90−91KのTceのEBCO薄膜が得られた。θ=90°は、off−axis配置に一致するが、θが70°以上の高角側は、高エネルギー粒子の基板15の表面への入射が極力回避された状態であり、この角度領域では高品質な超伝導薄膜が得られることが分かる。   When θ is near zero, the surface of the target 14 and the surface of the substrate 15 are substantially on-axis, and Tce does not exhibit superconductivity even at a low temperature of 4.2K. Further, as θ increased, Tce increased, and an EBCO thin film of 90-91K Tce, which is the limit of this material system, was obtained at θ = 80-90 °. θ = 90 ° coincides with the off-axis arrangement, but the high-angle side where θ is 70 ° or more is a state where incidence of high-energy particles on the surface of the substrate 15 is avoided as much as possible. It can be seen that a quality superconducting thin film can be obtained.

(実施例2)
外側磁極間隔を81mm(横)×250mm(縦)(厚さ:8.3mm)及び内側磁極20mm×191mm長の方形マグネットを備えたターゲット電極12(外形サイズ:87×80×273)を作製した。
(Example 2)
A target electrode 12 (outside size: 87 × 80 × 273) having a square magnet with an outer magnetic pole spacing of 81 mm (horizontal) × 250 mm (vertical) (thickness: 8.3 mm) and an inner magnetic pole 20 mm × 191 mm long was produced. .

また、ターゲット電極12の裏側中央部に導入パイプ(SUS304)16を接続した。この接続部分には90°エルボパイプ17を介在せ、ターゲット電極12の長軸方向とパイプ軸方向とが平行になるように接続した。また、このターゲット電極12には水冷パイプ用の1対の3/8インチシンフレックスチューブと電力供給用のシールド銅線とが接続され、電極支持/導入パイプを通して真空外に取り出されている。   In addition, an introduction pipe (SUS304) 16 was connected to the center of the back side of the target electrode 12. A 90 ° elbow pipe 17 is interposed in this connection portion, and the long axis direction of the target electrode 12 and the pipe axis direction are connected in parallel. The target electrode 12 is connected to a pair of 3/8 inch synflex tubes for water-cooled pipes and shielded copper wires for power supply, and is taken out of the vacuum through electrode support / introduction pipes.

真空チャンバ11は角型形状しており、基板15は真空チャンバ11の側面と平行に立てた状態に設置されている。また、基板15は50−600℃の温度で加熱でき、任意の速度で左右に移動でき、前後にターゲット14との間隔を調整できる機構となっている。   The vacuum chamber 11 has a square shape, and the substrate 15 is installed in a state where it is parallel to the side surface of the vacuum chamber 11. The substrate 15 can be heated at a temperature of 50 to 600 ° C., can move left and right at an arbitrary speed, and has a mechanism that can adjust the distance from the target 14 in the front and rear directions.

ターゲット電極12は、真空チャンバ11の底面からコンフラットフランジポートを通して導入されていると共に、バイトンシールド機構を持つ金具が取り付けられ、その導入部で電極位置を選択し、固定及び真空シールされる。   The target electrode 12 is introduced from the bottom surface of the vacuum chamber 11 through the conflat flange port, and a metal fitting having a Viton shield mechanism is attached. The electrode position is selected at the introduction portion, and the target electrode 12 is fixed and vacuum-sealed.

所定の位置が定まった場合、真空チャンバ11内のターゲット電極12の下部に支持台を介在させた。真空チャンバ11の側面と平行に立てかけた基板15の成膜面に対して、真空チャンバ11の底面からのターゲット電極12の導入・設置では、ターゲット電極12は左右に回転することができ、on−axis状態から任意の傾斜角まで変化が可能である。   When the predetermined position was determined, a support base was interposed under the target electrode 12 in the vacuum chamber 11. In the introduction / installation of the target electrode 12 from the bottom surface of the vacuum chamber 11 with respect to the film formation surface of the substrate 15 leaning parallel to the side surface of the vacuum chamber 11, the target electrode 12 can be rotated left and right. A change from an axis state to an arbitrary inclination angle is possible.

このターゲット電極12を用いて、Gaを添加したZnO(GZO)薄膜の作製を行った。   Using this target electrode 12, a ZnO (GZO) thin film to which Ga was added was produced.

GZOターゲットとして、Gaを4重量%添加したZnO焼結体(6×75×250mm)を使用した。 As a GZO target, a ZnO sintered body (6 × 75 × 250 mm 3 ) added with 4% by weight of Ga 2 O 3 was used.

厚さ1mmの銅板にGZO焼結体ターゲット14を張り付け、これをターゲット電極12に設置した。基板15としては、76×26×lmmのスライドガラスを使用し、温度は150℃とした。スパッタ電源として高周波電源を使用し、電力300Wで、また、1PaのAr雰囲気でスパッタした。基板15は、2mm/minで移動させた。作製したGZO薄膜の膜厚を約2000Åとした。 A GZO sintered compact target 14 was attached to a copper plate having a thickness of 1 mm, and this was installed on the target electrode 12. As the substrate 15, a 76 × 26 × lmm 3 slide glass was used, and the temperature was 150 ° C. A high frequency power source was used as a sputtering power source, and power was 300 W and sputtering was performed in an Ar atmosphere of 1 Pa. The substrate 15 was moved at 2 mm / min. The thickness of the produced GZO thin film was about 2000 mm.

基板15とターゲット14の表面の中心間距離rが70mmで、基板15の表面とターゲット14の表面とが完全に対向している場合から水平面内で回転することにより基板15の表面に対しターゲット14の表面を傾斜させることができる。   When the distance r between the centers of the substrate 15 and the surface of the target 14 is 70 mm and the surface of the substrate 15 and the surface of the target 14 are completely opposed to each other, the target 14 is rotated with respect to the surface of the substrate 15 by rotating in the horizontal plane. Can be inclined.

この角度が傾斜角θとなる。φ=90−θとなる条件(基板15はrの動径方向に向いている)で、GZO薄膜を作製した。ターゲット14の表面の傾斜角θに対するGZO薄膜の室温における電気抵抗率ρを測定した。その結果を図8に示す。   This angle is the inclination angle θ. A GZO thin film was produced under the condition of φ = 90−θ (the substrate 15 is oriented in the radial direction of r). The electrical resistivity ρ at room temperature of the GZO thin film with respect to the inclination angle θ of the surface of the target 14 was measured. The result is shown in FIG.

θがゼロ付近では、on−axis状態になるが、その結果、高エネルギー粒子の衝撃により、結晶欠陥等により結晶性の悪い薄膜が形成され、電気抵抗率の高い薄膜が得られている。この薄膜の電気抵抗率ρは、1〜0.1Ωcmであった。傾斜させていくと、電気抵抗率は減少していき、40°では10−3Ωcmの薄膜が得られ、それ以上の角度では、ρ=(2.5〜3.7)×10−4Ωcmを得た。 When θ is near zero, an on-axis state is obtained. As a result, a thin film with poor crystallinity is formed due to crystal defects or the like due to the impact of high-energy particles, and a thin film with high electrical resistivity is obtained. The electrical resistivity ρ of this thin film was 1 to 0.1 Ωcm. As the film is tilted, the electrical resistivity decreases, and a thin film of 10 −3 Ωcm is obtained at 40 °, and ρ = (2.5 to 3.7) × 10 −4 Ωcm at a larger angle. Got.

ところで、スパッタ法によって発生する粒子のエネルギーは、蒸着法のものより2桁以上高い。この高ネネルギ−粒子が基板15の表面(薄膜堆積面)に入射すると基板15にもぐりこみ、強固な薄膜が得られるものの、原子の規則的な配列や欠陥の少ない薄膜、組成ずれのない薄膜を得ることはできない。   By the way, the energy of the particles generated by the sputtering method is two orders of magnitude higher than that of the vapor deposition method. When the high energy particles are incident on the surface of the substrate 15 (thin film deposition surface), the particles penetrate into the substrate 15 to obtain a strong thin film, but a thin film having a regular arrangement of atoms, a thin film with few defects, and a thin film with no composition deviation is obtained. It is not possible.

そこで、ターゲット電極12を傾斜させると、高エネルギー粒子の入射を回避することができ、良質なエピタキシャル薄膜成長が可能となる。この方法を適用すれば、半導体活性層の形成や結晶性・欠陥・組成ズレ・構造ひずみに非常に敏感な酸化物超伝導薄膜等の機能性薄膜の作製に利用できる。   Therefore, when the target electrode 12 is tilted, incidence of high energy particles can be avoided, and high-quality epitaxial thin film growth can be achieved. If this method is applied, it can be used for the formation of a semiconductor active layer and the production of a functional thin film such as an oxide superconducting thin film that is very sensitive to crystallinity, defects, composition deviation, and structural strain.

また、成膜によって発生する粒子のエネルギーは全て原子の成長に有害なものではなく、材料系により、薄膜の成長をアシストする効果を有する。スパッタによって発生する粒子のエネルギーは、主として傾斜角度に依存する。傾斜角度が増加するにつれて粒子のエネルギーは低下する(双方の距離rにも依存するが)。   In addition, the energy of particles generated by film formation is not harmful to the growth of atoms, and the material system has an effect of assisting the growth of the thin film. The energy of the particles generated by sputtering mainly depends on the tilt angle. As the tilt angle increases, the energy of the particles decreases (depending on both distances r).

これに対し、本発明のスパッタ装置10では、ターゲット電極12の傾斜角度を任意に選択することが可能になっているため、材料に適した傾斜角度の選定することができ、最良の薄膜作製ができる。   On the other hand, in the sputtering apparatus 10 of the present invention, since the inclination angle of the target electrode 12 can be arbitrarily selected, the inclination angle suitable for the material can be selected, and the best thin film production can be achieved. it can.

また、インライン方式の場合において、傾斜機能を持つ長方形電極を使用すると、適切な傾斜角度を見出すことが出来、良質の薄膜を量産できる装置設計が可能になる。   In addition, in the case of the in-line method, when a rectangular electrode having a tilt function is used, an appropriate tilt angle can be found, and an apparatus design capable of mass-producing a high-quality thin film can be realized.

尚、本発明のスパッタ装置10は、傾斜機構を有するため、高エネルギー粒子から蒸着法(MBE法を含む)の低エネルギー粒子までの広範な粒子での成膜が可能であり、要求に応じた種々の薄膜形成が可能である。   In addition, since the sputtering apparatus 10 of the present invention has a tilting mechanism, it is possible to form a film with a wide range of particles from high energy particles to low energy particles by vapor deposition (including MBE). Various thin film formations are possible.

本発明に係わるスパッタ装置の一方向の縦断面図である。1 is a longitudinal sectional view in one direction of a sputtering apparatus according to the present invention. 本発明に係わるスパッタ装置の側面から電極を導入した時(基板は装置上方に設置)の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view when the electrode is introduced from the side surface of the sputtering apparatus according to the present invention (the substrate is placed above the apparatus). 本発明に係わるスパッタ装置の長方形の角型チャンバ内でのスパッタ電極、基板、基板の移動方向を上方からみた説明図説明図である。It is explanatory drawing explanatory drawing which looked at the moving direction of the sputtering electrode, the board | substrate, and the board | substrate within the rectangular square chamber of the sputtering device concerning this invention. 本発明に係わる他のスパッタ装置の一方向の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of one direction of the other sputtering apparatus concerning this invention. 本発明に係わるさらに他のスパッタ装置の一方向の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of one direction of the other sputtering apparatus concerning this invention. 本発明に係わるさらに他のスパッタ装置における要部の説明図である。It is explanatory drawing of the principal part in the further another sputtering apparatus concerning this invention. ターゲット表面の傾斜角に対するEBCO薄膜の超伝導臨界温度の変化測定グラフ図である。FIG. 5 is a graph showing the change in the superconducting critical temperature of an EBCO thin film with respect to the inclination angle of the target surface. ターゲット表面の傾斜角に対するGZO薄膜の室温における電気抵抗率の測定グラフ図である。It is a measurement graph figure of the electrical resistivity in the room temperature of the GZO thin film with respect to the inclination-angle of a target surface. 従来のスパッタ装置を示し、(A)〜(D)は要部の説明図である。The conventional sputtering apparatus is shown, (A)-(D) is explanatory drawing of the principal part. 他の従来のスパッタ装置の要部の説明図である。It is explanatory drawing of the principal part of another conventional sputtering device.

符号の説明Explanation of symbols

1…ターゲット電極
2…基板ホルダ
3…ターゲット
4…基板
10…スパッタ装置
11…真空チャンバ
12…ターゲット電極
13…基板ホルダ
14…ターゲット
15…基板
16…導入パイプ
16a…導入パイプフランジ
17…エルボパイプ
17a…エルボパイプフランジ
18…電極部
19…導入機構部
20…真空シール部
21…水冷パイプ
22…電力線
23…回転機構
24…ヒータ
25…導入フランジ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Target electrode 2 ... Substrate holder 3 ... Target 4 ... Substrate 10 ... Sputtering device 11 ... Vacuum chamber 12 ... Target electrode 13 ... Substrate holder 14 ... Target 15 ... Substrate 16 ... Introducing pipe 16a ... Introducing pipe flange 17 ... Elbow pipe 17a ... Elbow pipe flange 18 ... Electrode part 19 ... Introduction mechanism part 20 ... Vacuum seal part 21 ... Water-cooled pipe 22 ... Power line 23 ... Rotation mechanism 24 ... Heater 25 ... Introduction flange

Claims (15)

チャンバー内においてターゲットと基板とを対向させてスパッタリングを行うスパッタリング装置において、前記ターゲットと前記基板とを任意の角度の傾斜状態で対向させることができるようにしたことを特徴とするスパッタリング装置。 In a sputtering apparatus that performs sputtering with a target and a substrate facing each other in a chamber, the sputtering apparatus is configured such that the target and the substrate can be opposed to each other in an inclined state at an arbitrary angle. 前記ターゲット又は基板を保持するホルダー部と、前記ホルダー部を支持しチャンバーに取り付けるための支持・導入機構部とを、曲がりを有する接続部材を介して接続することを特徴とする請求項1記載のスパッタリング装置。 The holder part holding the said target or a board | substrate and the support and introduction mechanism part for supporting the said holder part and attaching to a chamber are connected via the connection member which has a curve. Sputtering equipment. 前記ホルダー部と支持・導入機構部とは取り外し可能であることを特徴とする請求項2記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 2, wherein the holder part and the support / introduction mechanism part are detachable. 前記接続部材を複数個用いて接続することを特徴とする請求項2記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 2, wherein a plurality of connection members are used for connection. 前記複数の接続部材同士は回転フランジを用いて接続されていることを特徴とする請求項4記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 4, wherein the plurality of connection members are connected to each other using a rotating flange. 前記接続部材はエルボーパイプであることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 2, wherein the connection member is an elbow pipe. 前記支持・導入機構部は、軸心を中心として、チャンバー室外部から、回動可能とした請求項2乃至6のいずれか1項記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 2, wherein the support / introduction mechanism section is rotatable from the outside of the chamber room around an axis. 前記支持・導入機構部は直線条のパイプからなることを特徴とする請求項2乃至7のいずれか1項記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to any one of claims 2 to 7, wherein the support / introduction mechanism section includes a straight pipe. 前記パイプの一端は、前記チャンバー室の導入フランジからチャンバー室外へ取り出され、バイトンシールにより真空シールされていることを特徴とする請求項2乃至8のいずれか1項記載のスパッタリング装置。 9. The sputtering apparatus according to claim 2, wherein one end of the pipe is taken out of the chamber chamber from an introduction flange of the chamber chamber and vacuum-sealed by a Viton seal. 前記スパッタリング装置は、ターゲット又は基板が移動するインラインスパッタリング装置であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the sputtering apparatus is an in-line sputtering apparatus in which a target or a substrate moves. 前記ターゲットは長方形であり、その長軸を中心として回動可能とした請求項10記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 10, wherein the target has a rectangular shape and is rotatable about a major axis thereof. 前記ホルダー部はターゲットを保持するホルダー部の場合であって、そのホルダー部内部にマグネットを配置したことを特徴とする請求項2乃至10のいずれか1項記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 2, wherein the holder unit is a holder unit that holds a target, and a magnet is disposed inside the holder unit. 前記ホルダー部はターゲットを保持するホルダー部であって、支持・導入機構部の内部に冷却パイプ及びスパッタリング用電線が配置されていることを特徴とする請求項2乃至11のいずれか1項記載のスパッタリング装置。 The said holder part is a holder part holding a target, Comprising: The cooling pipe and the electric wire for sputtering are arrange | positioned inside the support and introduction mechanism part, The Claim 1 thru | or 11 characterized by the above-mentioned. Sputtering equipment. 前記ホルダー部は基板を保持するホルダー部であることを特徴とする請求項2乃至11のいずれか1項記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 2, wherein the holder part is a holder part for holding a substrate. 支持・導入機構部の内部に基板加熱用の電線が配置されていることを特徴とする請求項14記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 14, wherein an electric wire for heating the substrate is disposed inside the support / introduction mechanism.
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