JP2010053452A - Sputtering system - Google Patents

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Nobuyuki Takahashi
信行 高橋
Akio Konishi
暁夫 小西
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sputtering system improved in a film thickness distribution by arranging a gas jet tube is arranged around a cathode case housing a cathode, thereby spreading a process gas uniformly near the center of a substrate. <P>SOLUTION: Among three magnetron cathodes, the cathodes 54a, 54c on both the sides are fitted to a vacuum vessel 32 in such a manner that their angles can be adjusted. After the inside of the vacuum vessel 32 is exhausted to 1×10^4 Pa, a process gas (a gaseous mixture of argon and oxygen) 88 is introduced from a gas jet tube 82 belonging to the cathode case 50. In total, the flow rate of the argon gas is set to 120SCCM and the flow rate of the oxygen gas is set to 90SCCM, and the pressure at the inside of the vacuum vessel is set to 0.7 Pa. Direct current power of 1 kW is fed from respective direct current power sources 72 to the cathodes 54a, 54b, 54c, and a target 78 made of chromium is sputtered, so as to form a chromium oxide thin film on a substrate 10. When a film thickness of 200 nm is obtained, a film thickness distribution reaches ±4%. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明はスパッタリング装置に係り、特に、大型基板の成膜処理に使用するスパッタリング装置に関する。 The present invention relates to a sputtering apparatus, and more particularly to a sputtering apparatus used for film formation processing of a large substrate.

液晶表示装置の製作過程では、比較的大きな基板の表面に所定の薄膜を作成する工程が存在する。このような薄膜の作成においては、所定の材料からなるターゲットをスパッタリングすることによって基板上にターゲット材料の薄膜を堆積させるスパッタリング法が広く用いられている(例えば、特許文献1乃至7参照)。液晶表示装置の基板は通常はガラスでできており、1枚の基板からできるだけ多くの液晶表示装置を生産するために、基板の大型化が続いている。最近では、基板サイズは500mm×600mm以上になっている。 In the manufacturing process of a liquid crystal display device, there is a step of forming a predetermined thin film on the surface of a relatively large substrate. In forming such a thin film, a sputtering method in which a thin film of a target material is deposited on a substrate by sputtering a target made of a predetermined material is widely used (see, for example, Patent Documents 1 to 7). The substrates of liquid crystal display devices are usually made of glass, and the size of the substrates continues to increase in order to produce as many liquid crystal display devices as possible from a single substrate. Recently, the substrate size is 500 mm × 600 mm or more.

図9は従来の反応性スパッタリング装置の側面断面図である。基板10は搬送ロボット(図示せず)によってロードロックチャンバー(図示せず)からゲートバルブ12の開口を通して基板ホルダー14上に搬送される。排気口16に接続された排気系によって真空容器18を所定の圧力まで排気した後、マグネトロンカソード20(内部に磁石23を収容している)の周縁近傍に配置したガス噴出管21からプロセスガス(アルゴンと酸素の混合ガス)を所定圧力になるように導入する。そして、直流電源22からカソード20に直流電力を供給して、真空容器18内に放電を発生させ、クロム製のターゲット24をスパッタリングして、基板10上に酸化クロム薄膜を形成する。 FIG. 9 is a side sectional view of a conventional reactive sputtering apparatus. The substrate 10 is transferred from the load lock chamber (not shown) to the substrate holder 14 through the opening of the gate valve 12 by a transfer robot (not shown). After the vacuum vessel 18 is evacuated to a predetermined pressure by an exhaust system connected to the exhaust port 16, a process gas (from a gas ejection pipe 21 disposed near the periphery of the magnetron cathode 20 (which contains the magnet 23 therein) ( Argon and oxygen mixed gas) is introduced to a predetermined pressure. Then, DC power is supplied from the DC power source 22 to the cathode 20 to generate a discharge in the vacuum vessel 18, and a chromium target 24 is sputtered to form a chromium oxide thin film on the substrate 10.

特開平06−264239号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-264239 特開平09−015585号公報Japanese Patent Laid-Open No. 09-015585 特開平10−030175号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-030175 特開平08−035064号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-035064 特開平11−209872号公報JP-A-11-209872 特開平05−078831号公報JP 05-078831 A 実開平02−131547号公報Japanese Utility Model Publication No. 02-131547

基板10上の膜厚分布を良好にするためには、ターゲット24のサイズは基板10のサイズよりも大きくするのが好ましい。基板10のサイズが500mm×600mmの場合には、ターゲット24のサイズは例えば600mm×700mmにする。図10は上述のサイズの基板に成膜したときの基板上の酸化クロム薄膜の膜厚分布を示したグラフである。ターゲット24と基板10の距離は100mmである。平均膜厚が200nmのときに膜厚分布は±8%である。 In order to improve the film thickness distribution on the substrate 10, the size of the target 24 is preferably larger than the size of the substrate 10. When the size of the substrate 10 is 500 mm × 600 mm, the size of the target 24 is 600 mm × 700 mm, for example. FIG. 10 is a graph showing the film thickness distribution of the chromium oxide thin film on the substrate when the film is formed on the substrate of the above size. The distance between the target 24 and the substrate 10 is 100 mm. When the average film thickness is 200 nm, the film thickness distribution is ± 8%.

この膜厚分布は、図8に示すように基板10の中心線26上で40mm間隔で測定して得られたものである。すなわち、500mm×600mmのサイズの基板10の長手方向に平行な中心線26上において、基板の一方の端部から基板中央を通って他方の端部までの膜厚の変化を測定したものである。この中心線26は、図9における基板10の搬送方向(図9の左右方向)に平行である。図9に示すようにガス噴出管21は大型のターゲット24の周縁付近に配置されているので、基板10の端部付近ではプロセスガスの供給が充分であっても、基板10の中央付近ではガスの供給が不足気味になって膜厚が薄くなる。 This film thickness distribution is obtained by measuring at 40 mm intervals on the center line 26 of the substrate 10 as shown in FIG. That is, the change in film thickness from one end of the substrate to the other end through the center of the substrate is measured on a center line 26 parallel to the longitudinal direction of the substrate 10 having a size of 500 mm × 600 mm. . The center line 26 is parallel to the transport direction of the substrate 10 in FIG. 9 (the left-right direction in FIG. 9). As shown in FIG. 9, since the gas ejection pipe 21 is arranged near the periphery of the large target 24, even if the process gas is sufficiently supplied near the end of the substrate 10, the gas is near the center of the substrate 10. The film becomes thin due to insufficient supply.

この点をもう少し詳しく説明する。反応性スパッタリング装置では、プロセスガスに含まれる成分の一部(例えば酸素)が薄膜の組成の中に(例えば酸化物として)取り込まれることになるので、所定流量のプロセスガスを常に基板近傍に供給する必要がある。しかし、基板が大型になると、カソードの周縁近傍のガス噴出管から基板中央に向かってプロセスガスが拡散する間に、基板の端部近傍でプロセスガスの一部が消費されてしまって、基板の中央付近でプロセスガスの濃度が薄くなる。濃度が薄くなると成膜速度が小さくなり、基板の中央付近で膜厚が減少することになる。 This point will be explained in more detail. In reactive sputtering equipment, a part of the components contained in the process gas (for example, oxygen) is taken into the composition of the thin film (for example, as an oxide), so a process gas at a predetermined flow rate is always supplied near the substrate. There is a need to. However, when the substrate becomes large, a part of the process gas is consumed in the vicinity of the edge of the substrate while the process gas diffuses from the gas ejection tube near the periphery of the cathode toward the center of the substrate. The concentration of the process gas decreases near the center. When the concentration is reduced, the film formation rate is reduced, and the film thickness is reduced near the center of the substrate.

上述のように、従来のスパッタリング装置では、大型基板に成膜する場合に、基板中央付近へのプロセスガスの供給が不十分になり、良好な膜厚分布を得ることが難しくなっていた。 As described above, in the conventional sputtering apparatus, when a film is formed on a large substrate, the supply of process gas to the vicinity of the center of the substrate becomes insufficient, and it is difficult to obtain a good film thickness distribution.

この発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、大型基板に成膜する際にプロセスガスの供給を均一化して良好な膜厚を得ることができるスパッタリング装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a sputtering apparatus that can obtain a good film thickness by uniformizing the supply of process gas when forming a film on a large substrate. It is to provide.

この発明のスパッタリング装置は、 排気可能な真空容器と、真空容器の内部で基板を保持する基板ホルダーと、基板に対向する位置に配置され、ターゲットが取り付けられるカソードと、カソードを固定するカソードケースと、真空容器の内部にプロセスガスを導入するガス導入機構とを備え、カソードケースは、カソードに取り付けられたターゲットの表面が基板の表面に非平行になるように真空容器に対する取付角度を調節でき、ガス導入機構は、カソードケースに固定されたガス噴出管を備えていることを特徴とする。 A sputtering apparatus according to the present invention includes an evacuable vacuum vessel, a substrate holder that holds a substrate inside the vacuum vessel, a cathode that is disposed at a position facing the substrate, to which a target is attached, and a cathode case that fixes the cathode. A gas introduction mechanism for introducing a process gas into the interior of the vacuum vessel, and the cathode case can adjust the mounting angle with respect to the vacuum vessel so that the surface of the target attached to the cathode is non-parallel to the surface of the substrate, The gas introduction mechanism includes a gas jet pipe fixed to the cathode case.

このようにカソードケースの周囲にガス噴出管を設けたことにより、単一の大きなカソードの周縁近傍だけにガス噴出管を設けた従来例と比較して、プロセスガスが基板中央付近まで均一に行き渡るようになり、基板中央付近での膜厚の減少を防ぐことができ、膜厚分布を改善できる。また、1個のターゲット・サイズが小さくなるので、大型のターゲットを製造するのが困難なターゲット材料を使う場合にも、この発明は効果的である。 By providing the gas ejection pipe around the cathode case in this manner, the process gas is distributed evenly to the vicinity of the center of the substrate as compared with the conventional example in which the gas ejection pipe is provided only in the vicinity of the periphery of a single large cathode. As a result, it is possible to prevent the film thickness from decreasing near the center of the substrate and to improve the film thickness distribution. In addition, since the size of one target is reduced, the present invention is effective even when using a target material that is difficult to manufacture a large target.

カソードの配置としては、複数の細長い矩形のカソードをその長手方向が互いに平行になるように配置するのが好ましい。これによって、複数のカソードが全体として大きな矩形になる。 As the arrangement of the cathodes, it is preferable to arrange a plurality of elongated rectangular cathodes so that their longitudinal directions are parallel to each other. Thereby, the plurality of cathodes become a large rectangle as a whole.

この発明のスパッタリング装置は、真空容器に対して角度調節できるカソードケースの周囲にガス噴出管を配置したので、単一の大きなカソードの周辺近傍だけにガス噴出管を設けた従来例と比較して、ガスが基板中央付近まで均一に行き渡るようになり、基板中央付近での膜厚の減少を防ぐことができ、膜厚分布を改善できる。 In the sputtering apparatus of the present invention, since the gas ejection pipe is arranged around the cathode case whose angle can be adjusted with respect to the vacuum vessel, compared with the conventional example in which the gas ejection pipe is provided only in the vicinity of the periphery of a single large cathode. The gas can be distributed uniformly to the vicinity of the center of the substrate, the decrease in the film thickness near the center of the substrate can be prevented, and the film thickness distribution can be improved.

この発明の反応性スパッタリング装置の一つの実施形態を示す正面断面図である。It is a front sectional view showing one embodiment of the reactive sputtering device of this invention. 図1のA−A線断面図(平面断面図)である。It is the sectional view on the AA line (plan sectional drawing) of FIG. 図1のB−B線断面図(側面断面図)である。It is a BB sectional view (side sectional view) of Drawing 1. カソード組立体の正面断面の拡大図である。It is an enlarged view of the front cross section of a cathode assembly. 図3のD部の拡大図である。It is an enlarged view of the D section of FIG. 図1の反応性スパッタリング装置において両側のカソードを傾斜させた状態を示す正面断面図である。FIG. 2 is a front cross-sectional view showing a state where the cathodes on both sides are inclined in the reactive sputtering apparatus of FIG. 1. 図6の状態の反応性スパッタリング装置で成膜したときの膜厚分布のグラフである。It is a graph of film thickness distribution when forming into a film with the reactive sputtering apparatus of the state of FIG. 基板上の膜厚分布測定ラインを示す平面図である。It is a top view which shows the film thickness distribution measurement line on a board | substrate. 従来の反応性スパッタリング装置の側面断面図である。It is side surface sectional drawing of the conventional reactive sputtering apparatus. 図9の従来装置で成膜したときの膜厚分布のグラフである。FIG. 10 is a graph of film thickness distribution when the film is formed by the conventional apparatus of FIG. 9. FIG.

図1はこの発明の反応性スパッタリング装置の一つの実施形態を示す正面断面図である。図2は図1のA−A線断面図(平面断面図)、図3は図1のB−B線断面図(側面断面図)である。また、図1は図2のC−C線断面図となっている。すなわち、図1において、3個のカソード組立体のうちの左側のカソード組立体28aはカソード支持機構30の手前から見たものであり、中央のカソード組立体28bはカソードの中心線を含む平面で切断した断面図であり、右側のカソード組立体28cはカソード組立体28cとカソード支持機構との間から見たものである。 FIG. 1 is a front cross-sectional view showing one embodiment of a reactive sputtering apparatus of the present invention. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1 (planar cross-sectional view), and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. That is, in FIG. 1, the left cathode assembly 28a of the three cathode assemblies is viewed from the front of the cathode support mechanism 30, and the central cathode assembly 28b is a plane including the center line of the cathode. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the right side, and a cathode assembly 28c on the right side is viewed from between the cathode assembly 28c and the cathode support mechanism.

図1において、この反応性スパッタリング装置は真空容器32の内部に3個のカソード組立体28a、28b、28cを備えている。これらのカソード組立体28a、28b、28cのカソード54a、54b、54cは、図2に示すように、平面視において細長い矩形をしており、その長手方向が互いに平行になるように配置されている。この実施形態では、500mm×600mmのサイズの基板10に対して、平面視におけるカソード54a、54b、54cのサイズ(すなわち、ターゲットのサイズ)はそれぞれ200mm×700mmである。ところで、カソード54a、54b、54cの短辺の寸法W1を200mmよりも大きくすると、環状のガス噴出管82の中空部分の最短の内側寸法W2もそれ以上に広がることになって、プロセスガスを均一に行き渡せる効果が少なくなってしまう。したがって、カソードの短辺の寸法W1は200mm以下にするのが好ましい。一方、短辺の寸法W1の下限値は50mm程度である。したがって、短辺の寸法W1は50〜200mmの範囲内にするのが好ましい。図1に戻って、カソード組立体28a、28b、28cの下方には基板ホルダー34があり、その上に基板10を保持できる。ターゲット78と基板10との距離は80〜120mmである。真空容器32には、基板10を搬入するためのゲートバルブ33と、排気系に接続している排気口35とが設けられている。 In FIG. 1, the reactive sputtering apparatus includes three cathode assemblies 28 a, 28 b, and 28 c inside a vacuum vessel 32. As shown in FIG. 2, the cathodes 54a, 54b, 54c of the cathode assemblies 28a, 28b, 28c have an elongated rectangular shape in plan view, and are arranged so that their longitudinal directions are parallel to each other. . In this embodiment, for the substrate 10 having a size of 500 mm × 600 mm, the sizes of the cathodes 54 a, 54 b, 54 c (that is, the target size) in plan view are 200 mm × 700 mm, respectively. By the way, when the dimension W1 of the short sides of the cathodes 54a, 54b, 54c is larger than 200 mm, the shortest inner dimension W2 of the hollow portion of the annular gas ejection pipe 82 is further expanded, thereby making the process gas uniform. The effect that can be spread over is reduced. Accordingly, the short side dimension W1 of the cathode is preferably set to 200 mm or less. On the other hand, the lower limit of the short side dimension W1 is about 50 mm. Therefore, the short side dimension W1 is preferably in the range of 50 to 200 mm. Returning to FIG. 1, there is a substrate holder 34 below the cathode assemblies 28a, 28b, 28c, on which the substrate 10 can be held. The distance between the target 78 and the substrate 10 is 80 to 120 mm. The vacuum vessel 32 is provided with a gate valve 33 for carrying the substrate 10 and an exhaust port 35 connected to an exhaust system.

次にカソード組立体の構造を説明する。図4は中央のカソード組立体28bの正面断面の拡大図である。ほかの2個のカソード組立体28a、28cも同じ構造である。真空容器の天板36には矩形の開口38があり、この開口38を覆うようにカソード取付板40がボルトで固定されている。カソード取付板40と天板36との間はOリング42で真空シールされている。カソード取付板40の中央には円形の開口44があり、この開口44の内周付近にベローズ46の上端が接合されている。ベローズ46の下端は中空円板状のカソード支持体48に接合されている。カソード支持体48の下面にはカソードケース50がボルトで固定されている。カソード支持体48とカソードケース50との間はOリング52で真空シールされている。カソードケース50はカソード支持体48とベローズ46とカソード取付板40と天板36とを介して接地されている。ベローズ46は、後述するようにカソードケース50が傾斜したときにカソード支持体48(カソードケース50と共に傾斜する)と天板36との距離が変化するのを吸収するためのものである。 Next, the structure of the cathode assembly will be described. FIG. 4 is an enlarged view of a front cross section of the central cathode assembly 28b. The other two cathode assemblies 28a and 28c have the same structure. The top plate 36 of the vacuum vessel has a rectangular opening 38, and a cathode mounting plate 40 is fixed with bolts so as to cover the opening 38. The cathode mounting plate 40 and the top plate 36 are vacuum sealed with an O-ring 42. A circular opening 44 is provided at the center of the cathode mounting plate 40, and the upper end of the bellows 46 is joined to the inner periphery of the opening 44. The lower end of the bellows 46 is joined to a hollow disk-like cathode support 48. A cathode case 50 is fixed to the lower surface of the cathode support 48 with bolts. The cathode support 48 and the cathode case 50 are vacuum sealed with an O-ring 52. The cathode case 50 is grounded via the cathode support 48, the bellows 46, the cathode mounting plate 40 and the top plate 36. As will be described later, the bellows 46 is for absorbing a change in the distance between the cathode support 48 (inclined with the cathode case 50) and the top plate 36 when the cathode case 50 is inclined.

カソードケース50の内部にはマグネトロンカソード54bが配置されている。カソード54bの背面とカソードケース50の内面との間はセラミック製の第1絶縁石56で電気的に絶縁されており、カソード54を支持するパイプ58(カソード54bと一体に接合されている)の外面とカソードケース50の開口の内面との間はセラミック製の第2絶縁石60で電気的に絶縁されている。第2絶縁石60とパイプ58の間はOリング62で真空シールされており、第2絶縁石60とカソードケース50の間はOリング64で真空シールされている。パイプ58の上部の外周にはネジ66が形成されている。このネジ66に第1ナット68を締め付けることでカソード54bをカソードケース50に固定することができる。 A magnetron cathode 54 b is arranged inside the cathode case 50. The back surface of the cathode 54b and the inner surface of the cathode case 50 are electrically insulated by a ceramic first insulating stone 56, and a pipe 58 (joined integrally with the cathode 54b) that supports the cathode 54 is used. The outer surface and the inner surface of the opening of the cathode case 50 are electrically insulated by a ceramic second insulating stone 60. The space between the second insulating stone 60 and the pipe 58 is vacuum-sealed with an O-ring 62, and the space between the second insulating stone 60 and the cathode case 50 is vacuum-sealed with an O-ring 64. A screw 66 is formed on the outer periphery of the upper portion of the pipe 58. The cathode 54 b can be fixed to the cathode case 50 by tightening the first nut 68 on the screw 66.

パイプ58のネジ66にはさらに第2ナット70が噛み合っていて、この第2ナット70に直流電源72が接続されている。この直流電源72からカソード54bに直流電力を供給することができる。 A second nut 70 is further engaged with the screw 66 of the pipe 58, and a DC power source 72 is connected to the second nut 70. DC power can be supplied from the DC power source 72 to the cathode 54b.

カソード54bの内部には磁石55が収容されている。カソード54bの表面側(図面の下側)にはターゲット78が固定されている。パイプ58の内部には2本の水冷管74が通っている。水冷管74を通る冷却水76はカソード54bの内部を流れて、ターゲット78を冷却する。ターゲット78の周縁部はターゲットシールド80で覆われている。ターゲットシールド80はカソードケース50に固定されている。 A magnet 55 is accommodated in the cathode 54b. A target 78 is fixed to the surface side (the lower side of the drawing) of the cathode 54b. Two water cooling tubes 74 pass through the pipe 58. The cooling water 76 passing through the water cooling pipe 74 flows inside the cathode 54 b and cools the target 78. The peripheral edge of the target 78 is covered with a target shield 80. The target shield 80 is fixed to the cathode case 50.

カソードケース50の周囲には、これを取り囲むようにガス噴出管82が固定されている。ガス噴出管82は図2に示すように概略矩形の環状構造をしている。図4に戻って、ガス噴出管82には多数のガス噴出孔84があいている。ガス噴出管82には金属製のフレキシブルチューブ86が接続されている。プロセスガス88はフレキシブルチューブ86を通ってガス噴出管82に入り、ガス噴出孔84から真空容器内に出て行く。フレキシブルチューブ86は、後述するようにカソードケース50が傾斜したときにガス噴出管82(カソードケース50と共に傾斜する)と天板36との距離が変化するのを吸収するためのものである。この反応性スパッタリング装置のガス導入機構は、3個のガス噴出管82とこれにつながる3個のフレキシブルチューブ86とを備えている。 A gas ejection pipe 82 is fixed around the cathode case 50 so as to surround the cathode case 50. The gas ejection pipe 82 has a substantially rectangular annular structure as shown in FIG. Returning to FIG. 4, the gas ejection pipe 82 has a large number of gas ejection holes 84. A metal flexible tube 86 is connected to the gas ejection pipe 82. The process gas 88 enters the gas ejection pipe 82 through the flexible tube 86 and exits from the gas ejection hole 84 into the vacuum container. The flexible tube 86 is for absorbing the change in the distance between the gas ejection pipe 82 (inclined with the cathode case 50) and the top plate 36 when the cathode case 50 is inclined as will be described later. The gas introduction mechanism of this reactive sputtering apparatus includes three gas ejection pipes 82 and three flexible tubes 86 connected thereto.

次に、カソード組立体を角度調節可能に支持する構造について説明する。図2に示すように真空容器32の内部には、水平に延びる2本の細長い支持板90、91が互いに間隔をあけて平行に配置されている。支持板90、91の両端は、図1に示すように、鉛直方向に延びる固定板92によって真空容器32の天板36に固定されている。図2において、一方の支持板90の上には、固定ネジ付きの3個のカソード支持機構30が固定され、他方の支持板91の上には、固定ネジのない3個のカソード支持機構31が固定されている。そして、図3(図1のB−B線断面図)に示すように、1対のカソード支持機構30、31によって1個のカソード組立体を角度調節可能に支持している。 Next, a structure for supporting the cathode assembly so as to be adjustable in angle will be described. As shown in FIG. 2, in the vacuum vessel 32, two horizontally elongated support plates 90 and 91 are arranged in parallel and spaced apart from each other. As shown in FIG. 1, both ends of the support plates 90 and 91 are fixed to the top plate 36 of the vacuum vessel 32 by a fixing plate 92 extending in the vertical direction. In FIG. 2, three cathode support mechanisms 30 with fixing screws are fixed on one support plate 90, and three cathode support mechanisms 31 without fixing screws are on the other support plate 91. Is fixed. As shown in FIG. 3 (cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 1), one cathode assembly is supported by a pair of cathode support mechanisms 30 and 31 so that the angle can be adjusted.

図5は図3のD部の拡大図である。カソード支持機構30はハウジング94と軸受96と固定ネジ98とを備えている。ハウジング94は支持板90の上に固定されている。一方、カソードケース50の長手方向の両端の端面にはシャフト51が固定されている。ハウジング94の内部には軸受96があり、この軸受96でシャフト51を回転可能に支持している。ハウジング94には固定ネジ98が噛み合っている。固定ネジ98をねじ込むと固定ネジ98の先端がシャフト51の端面に押し付けられてシャフト51はハウジング94に対して固定される。固定ネジ98をゆるめると、シャフト51はハウジング94に対して回転可能になる。すなわち、固定ネジ98をゆるめると、後述するようにカソードケース50を傾斜させることができる。これにより、真空容器に対するカソードの取り付け角度を調節することができる。図3において、右側のカソード支持機構31には固定ネジは設けられていない。 FIG. 5 is an enlarged view of a portion D in FIG. The cathode support mechanism 30 includes a housing 94, a bearing 96, and a fixing screw 98. The housing 94 is fixed on the support plate 90. On the other hand, shafts 51 are fixed to end faces at both ends in the longitudinal direction of the cathode case 50. A bearing 96 is provided inside the housing 94, and the shaft 51 is rotatably supported by the bearing 96. A fixing screw 98 is engaged with the housing 94. When the fixing screw 98 is screwed in, the tip of the fixing screw 98 is pressed against the end surface of the shaft 51, and the shaft 51 is fixed to the housing 94. When the fixing screw 98 is loosened, the shaft 51 becomes rotatable with respect to the housing 94. That is, when the fixing screw 98 is loosened, the cathode case 50 can be inclined as will be described later. Thereby, the attachment angle of the cathode with respect to a vacuum vessel can be adjusted. In FIG. 3, the right-side cathode support mechanism 31 is not provided with a fixing screw.

次に、カソードを傾斜させることを説明する。図6は図1の反応性スパッタリング装置において両側のカソードを傾斜させた状態を示すものである。左側のカソード54aは水平状態からシャフト51の中心線の回りに反時計方向に角度θだけ傾斜している。すなわち、カソード54aに取り付けたターゲットの表面の法線79aの方向が基板10の中央に向かって傾斜するように、左側のカソード54aが傾斜している。この状態では、カソード54aに取り付けたターゲットの表面は基板10の表面に非平行になる。一方、右側のカソード54cは水平状態から時計方向に同じ角度θだけ傾斜している。この右側のカソード54cについても、ターゲットの表面の法線79cの方向が基板10の中央に向かって傾斜することになり、ターゲットの表面は基板10の表面に非平行になる。角度θはこの実施形態では5度に設定している。中央のカソード54bは水平状態のままである。このように両側のターゲットを水平状態から内側に向かって傾斜させることで基板10上の膜厚分布が改善される。 Next, the inclination of the cathode will be described. FIG. 6 shows a state in which the cathodes on both sides are inclined in the reactive sputtering apparatus of FIG. The left cathode 54a is inclined from the horizontal state by an angle θ around the center line of the shaft 51 in the counterclockwise direction. That is, the left cathode 54a is inclined such that the direction of the normal line 79a of the surface of the target attached to the cathode 54a is inclined toward the center of the substrate 10. In this state, the surface of the target attached to the cathode 54 a is not parallel to the surface of the substrate 10. On the other hand, the right cathode 54c is inclined from the horizontal state by the same angle θ in the clockwise direction. With respect to the cathode 54c on the right side, the direction of the normal line 79c of the target surface is inclined toward the center of the substrate 10, and the target surface becomes non-parallel to the surface of the substrate 10. The angle θ is set to 5 degrees in this embodiment. The central cathode 54b remains horizontal. Thus, the thickness distribution on the substrate 10 is improved by inclining the targets on both sides inward from the horizontal state.

この実施形態のように3個のカソードを備える場合、少なくとも両側のカソードについては取付角度を調節できるようにする。中央のカソードは通常は傾斜させないので、取付角度の調節機構を省略することもできる。複数の細長い矩形のカソードを平行に配置する場合、カソードの数は2個以上の任意の数とすることができるが、少なくとも両側の2個のカソード(カソードが2個の場合はすべてのカソード)には取付角度の調節機構を設けるのが好ましい。 When three cathodes are provided as in this embodiment, the mounting angle can be adjusted for at least the cathodes on both sides. Since the central cathode is not normally inclined, the mechanism for adjusting the mounting angle can be omitted. When a plurality of elongated rectangular cathodes are arranged in parallel, the number of cathodes can be any number of 2 or more, but at least two cathodes on both sides (all cathodes when there are two cathodes) It is preferable to provide a mechanism for adjusting the mounting angle.

次に、この反応性スパッタリング装置の動作を説明する。図6において、基板10を搬送ロボット(図示せず)によってロードロックチャンバー(図示せず)からゲートバルブ33の開口を通して基板ホルダー34上に搬送する。ゲートバルブ33を閉じたあとに、排気口35に接続された排気系によって真空容器32を「1×10のマイナス4乗」Paまで排気する。それから、カソード54a、54b、54cに付属するそれぞれのガス噴出管82からプロセスガス(アルゴンと酸素の混合ガス)88を導入する。3個のガス噴出管82からの合計で、アルゴンガスの流量を120SCCM、酸素ガスの流量を90SCCMとして、真空容器内の圧力を0.7Paに設定する。そして、それぞれの直流電源72から3個のマグネトロンカソード54a、54b、54cにそれぞれ1kWの直流電力を供給して、真空容器32内に放電を発生させ、クロム製のターゲット78をスパッタリングして、基板10上に酸化クロム薄膜を形成する。このような条件で成膜すると、20分間のスパッタリングで、200nmの膜厚の酸化クロム薄膜を得ることができる。この場合、各カソードの周囲にガス噴出管82を設けているので膜厚分布が改善し、さらに、両側のカソード54a、54cを内側に傾斜させているので、膜厚分布がさらに改善する。 Next, the operation of this reactive sputtering apparatus will be described. In FIG. 6, a substrate 10 is transferred from a load lock chamber (not shown) to a substrate holder 34 through an opening of a gate valve 33 by a transfer robot (not shown). After the gate valve 33 is closed, the vacuum chamber 32 is exhausted to “1 × 10 minus fourth power” Pa by the exhaust system connected to the exhaust port 35. Then, a process gas (a mixed gas of argon and oxygen) 88 is introduced from each gas ejection pipe 82 attached to the cathodes 54a, 54b, 54c. In total, the flow rate of argon gas is 120 SCCM, the flow rate of oxygen gas is 90 SCCM, and the pressure in the vacuum vessel is set to 0.7 Pa from the three gas ejection pipes 82. Then, 1 kW DC power is supplied from each DC power source 72 to each of the three magnetron cathodes 54a, 54b, 54c to generate a discharge in the vacuum vessel 32, and a chromium target 78 is sputtered to form a substrate. A chromium oxide thin film is formed on 10. When the film is formed under such conditions, a chromium oxide thin film having a thickness of 200 nm can be obtained by sputtering for 20 minutes. In this case, since the gas ejection pipes 82 are provided around the respective cathodes, the film thickness distribution is improved. Further, since the cathodes 54a and 54c on both sides are inclined inward, the film thickness distribution is further improved.

図7は図6の状態(両側のカソードが傾斜している)の反応性スパッタリング装置において上述の条件で成膜したときの基板上の酸化クロムの膜厚分布を示すグラフである。この膜厚分布は、図8に示すように基板10の中心線26上で40mm間隔で測定したものである。すなわち、500mm×600mmのサイズの基板10の長手方向に平行な中心線26上において、基板の一方の端部から基板中央を通って他方の端部までの膜厚の変化を測定したものである。この中心線26は、図1における基板10の搬送方向(図1の左右方向)に平行である。平均膜厚が200nmのときに膜厚分布は±4%となった。ターゲットと基板の距離は100mmである。このように、従来装置における図10の膜厚分布と比較して膜厚分布が良好になった。膜厚分布が良好になった理由として次の2点を挙げることができる。(1)カソードを3個にして各カソードの周囲にガス噴出管を設けたことにより、単一の大きなカソードの周辺近傍だけにガス噴出管を設けた従来例と比較して、プロセスガスが基板中央付近まで均一に行き渡るようになり、基板中央付近での膜厚の減少を防ぐことができた。(2)両側のカソードを内側に向けて傾斜させたことで、両側のカソードから飛来する粒子が基板中央に集まりやすくなり、基板中央付近での膜厚の減少を防ぐことができた。 FIG. 7 is a graph showing the film thickness distribution of chromium oxide on the substrate when the film is formed under the above-described conditions in the reactive sputtering apparatus in the state of FIG. 6 (the cathodes on both sides are inclined). This film thickness distribution is measured at intervals of 40 mm on the center line 26 of the substrate 10 as shown in FIG. That is, the change in film thickness from one end of the substrate to the other end through the center of the substrate is measured on a center line 26 parallel to the longitudinal direction of the substrate 10 having a size of 500 mm × 600 mm. . The center line 26 is parallel to the transport direction (the left-right direction in FIG. 1) of the substrate 10 in FIG. When the average film thickness was 200 nm, the film thickness distribution was ± 4%. The distance between the target and the substrate is 100 mm. As described above, the film thickness distribution was improved as compared with the film thickness distribution of FIG. 10 in the conventional apparatus. The following two points can be cited as reasons why the film thickness distribution is improved. (1) Since three cathodes are provided and gas ejection pipes are provided around each cathode, the process gas is transferred to the substrate as compared with the conventional example in which gas ejection pipes are provided only in the vicinity of the periphery of a single large cathode. It became possible to spread evenly to the vicinity of the center, and it was possible to prevent the film thickness from decreasing near the center of the substrate. (2) By tilting the cathodes on both sides inward, the particles flying from the cathodes on both sides are likely to gather at the center of the substrate, and a reduction in film thickness near the center of the substrate can be prevented.

そこで、上述の二つの因子が膜厚分布の改善度にどのように寄与しているかを検討するために、両側のカソードを傾斜させないで、その他の条件は上述の成膜条件と同じにして、基板上に酸化クロム薄膜を成膜した。その結果、平均膜厚が200nmのときに膜厚分布は±5%となった。したがって、従来装置で得られた膜厚分布(±8%)が、複数のカソードの周囲にそれぞれガス噴出管を配置することで±5%まで改善されたことになり、さらに、両側のカソードを傾斜させることで±4%まで改善されたことになる。このことから、複数のカソードの周囲にそれぞれガス噴出管を配置することによる膜厚分布改善効果の方が、両側のカソードを傾斜させることによる膜厚分布改善効果よりも大きいことが分かる。 Therefore, in order to examine how the above two factors contribute to the improvement of the film thickness distribution, the other conditions are the same as the above film forming conditions without tilting the cathodes on both sides. A chromium oxide thin film was formed on the substrate. As a result, the film thickness distribution was ± 5% when the average film thickness was 200 nm. Accordingly, the film thickness distribution (± 8%) obtained with the conventional apparatus was improved to ± 5% by arranging gas ejection pipes around the plurality of cathodes, and the cathodes on both sides were further improved. By tilting, it is improved to ± 4%. From this, it can be seen that the effect of improving the film thickness distribution by arranging the gas ejection pipes around the plurality of cathodes is larger than the effect of improving the film thickness distribution by inclining the cathodes on both sides.

10 基板
28a、28b、28c
カソード組立体
30、31 カソード支持機構
32 真空容器
34 基板ホルダー
46 ベローズ
50 カソードケース
54a、54b、54c
カソード
72 直流電源
78 ターゲット
82 ガス噴出管
86 フレキシブルチューブ
88 プロセスガス
10 Substrate 28a, 28b, 28c
Cathode assemblies 30, 31 Cathode support mechanism 32 Vacuum vessel 34 Substrate holder 46 Bellows 50 Cathode cases 54a, 54b, 54c
Cathode 72 DC power supply 78 Target 82 Gas ejection pipe 86 Flexible tube 88 Process gas

Claims (4)

排気可能な真空容器と、
真空容器の内部で基板を保持する基板ホルダーと、
前記基板に対向する位置に配置され、ターゲットが取り付けられるカソードと、
該カソードを固定するカソードケースと、
前記真空容器の内部にプロセスガスを導入するガス導入機構とを備えたスパッタリング装置において、
前記カソードケースは、前記カソードに取り付けられたターゲットの表面が前記基板の表面に非平行になるように前記真空容器に対する取付角度を調節でき、
前記ガス導入機構は、前記カソードケースに固定されたガス噴出管を備えていることを特徴とするスパッタリング装置。
An evacuable vacuum vessel,
A substrate holder for holding a substrate inside said vacuum vessel,
A cathode disposed at a position facing the substrate and to which a target is attached ;
A cathode case for fixing the cathode;
In scan sputtering apparatus provided with a gas introduction mechanism for introducing a process gas into said vacuum container,
The cathode case can adjust the mounting angle with respect to the vacuum vessel so that the surface of the target attached to the cathode is not parallel to the surface of the substrate,
The gas introduction mechanism, features and be away sputtering apparatus that includes a gas injection tube, which is fixed to the cathode case.
記カソードは、長い矩形のカソードであり、前記矩形のカソードが、その長手方向が互いに平行になるように複数配置されている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。 Before ask Sword is a cathode fine long rectangular, the rectangular cathode, spatter ring according to claim 1 you, characterized in that the longitudinal direction is more parallel to each other apparatus. 前記矩形のカソードの短辺の長さは50〜200mmの範囲内であることを特徴とする請求項2に記載のスパッタリング装置。 Scan sputtering apparatus according to claim 2 you, wherein a length of the rectangular cathode of the short side is in the range of 50 to 200 mm. 記カソードケースはベローズによって前記真空容器に接続されており、取付角度を調節できる前記カソードケースに固定された前記ガス噴出管は、前記真空容器の内部に配置された金属製のフレキシブルチューブを通してプロセスガスの供給を受け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。 Before SL cathode casing is connected to the vacuum container by a bellows, wherein the gas jet pipe which is fixed to the cathode casing with adjustable mounting angle, the process through the vacuum vessel disposed inside a metallic flexible tube scan sputtering apparatus according to claim 1 or 2 you characterized by receiving a supply of gas.
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JP2020090699A (en) * 2018-12-05 2020-06-11 三菱電機株式会社 Film deposition apparatus and manufacturing method of semiconductor device

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