JP2010156018A - Sputtering apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スパッタ装置に関し、特に、電子デバイス・電気機器等に組み込まれる精密薄膜を作製するスパッタ装置に関する。 The present invention relates to a sputtering apparatus, and more particularly, to a sputtering apparatus for producing a precision thin film incorporated in an electronic device / electric equipment.
近年、電子デバイス・電気機器の技術進歩は目覚しく、特に精密(極薄、均質、平坦)な薄膜が作製できるスパッタ技術に依るところが大きい。従来、これらのデバイス・機器の技術の更なる進歩に対応するため、新材料の開発や、膜の超薄化、均質・平坦化、付着力の強化等に加えて、さらに、装置の小型化・マイクロマシン化を実現する薄膜作製用スパッタ技術が求められ、また、デバイス・機器の多様性にも応える薄膜作製スパッタ技術が要求される。 In recent years, the technological progress of electronic devices and electrical equipment has been remarkable, and it depends largely on sputtering technology that can produce a thin film that is particularly precise (ultra-thin, homogeneous, flat). Conventionally, in order to respond to further advances in the technology of these devices and equipment, in addition to the development of new materials, ultra-thinning of films, homogenization / flattening, enhanced adhesion, etc., further miniaturization of equipment・ Thin film fabrication sputtering technology that realizes micromachining is required, and thin film fabrication sputtering technology that meets the diversity of devices and equipment is also required.
従来、公知のスパッタ装置として、各種の形式のものがある。以下では、その代表として、2極式(ダイオード式)のスパッタ法、マグネトロンスパッタ法、対向ターゲット式スパッタ法をそれぞれ用いた装置について、放電の特性あるいは磁界の特性を挙げることにする。まず、図8に、電極の配置の観点で2極式(ダイオード式)と対向ターゲット式とを例示する。例えば、図8(a)に示す2極式スパッタ装置は、真空槽100内に、基板101背後の陽極101aと、ターゲット102を接続・保持する陰極102aとを対向させ、直流電源103によって陽極101aと陰極102aの間に直流電圧を印加して、基板101とターゲット102の間にプラズマを発生させる装置である。なお、基板101は、基板バイアスするため陽極101aと電気接続されていてもよいし、側方においてもよく、いずれの場合であってもプラズマは形成される。
Conventionally, there are various types of known sputtering apparatuses. In the following, as a representative example, discharge characteristics or magnetic field characteristics will be given for apparatuses using a bipolar (diode type) sputtering method, a magnetron sputtering method, and an opposed target sputtering method. First, FIG. 8 illustrates a bipolar type (diode type) and a counter target type from the viewpoint of electrode arrangement. For example, in the bipolar sputtering apparatus shown in FIG. 8A, the
また、図8(b)は、対向ターゲット式スパッタ装置を、後記する励磁手段(外部励磁コイルまたは内蔵磁石)の図示を省略した状態で示したものである。この装置は、陰極104に接続・保持されたターゲット105aと、陰極106に接続・保持されたターゲット105bとが、空間107を挟んで対向配置され、空間107の側方に基板116が配置され、さらに、ターゲット105a,105bのそれぞれの外周に円環状の陽極ワッシャ104a,106aが周設された形式の装置である(例えば、特許文献1参照)。この装置では、陰極104/ターゲット105a、陰極106/ターゲット105bと陽極ワッシャ104a,106aの間に直流電源108によって直流電圧が印加される。なお、特許文献1では、陰極104,106は筒状に構成されており、陽極ワッシャ104a,106aは、陰極104,106およびターゲット105a,105bを外側から取り囲むように筒状に構成されており、外部励磁コイルを備えている。
FIG. 8B shows the opposed target sputtering apparatus in a state in which illustration of excitation means (external excitation coil or built-in magnet) described later is omitted. In this apparatus, a
次に、図9に、励磁手段として陰極の外部に励磁コイルを配設したスパッタ装置を図示する。図9(a)に概略構成を示すスパッタ装置は、前記の図8(a)に示す2極式スパッタ装置において、側方に、基板101とターゲット102の間の空間に磁界を印加する外部励磁コイル109を配設した装置である。また、図9(b)に概略構成を示すスパッタ装置は、前記の図8(b)に励磁手段を省略して示した装置において、側方に、ターゲット105aとターゲット105bの間の空間に磁界を印加する外部励磁コイル109を配設した対向ターゲット式スパッタ装置である。
Next, FIG. 9 shows a sputtering apparatus in which an exciting coil is disposed outside the cathode as an exciting means. 9A shows a sputtering apparatus having a schematic configuration, in the bipolar sputtering apparatus shown in FIG. 8A, the lateral excitation is performed by applying a magnetic field to the space between the
次に、図10に、励磁手段として陰極の内部(内側:ターゲット面の反対側)に磁石を配設したスパッタ装置を図示する。図10(a)に概略構成を示すスパッタ装置は、前記の図8(a)に示す2極式スパッタ装置において、基板101とターゲット102の間の空間に磁界を印加するための永久磁石110を、ターゲット102の背面側に配設した構成を有する装置である。つまり、この図10(a)に示す装置は、いわゆるマグネトロンスパッタ法を用いた装置(マグネトロン式スパッタ装置)である。また、図10(b)に概略構成を示すスパッタ装置は、前記の図8(b)に励磁手段を省略して示した装置において、ターゲット105aとターゲット105bの間の空間に磁界を印加するための永久磁石110を、ターゲット105a,105bの背面側に配設した構成を有する対向ターゲット式スパッタ装置である。
しかし、2極式(ダイオード式)のスパッタ法を用いた場合(磁石を使わない2極式スパッタ装置:図8(a)参照)、成膜速度が遅く、高エネルギー粒子が基板に衝突するため膜面損傷、基板温度の上昇を招き、さらに、印加電圧および雰囲気ガス圧力が高いことが求められる。この磁石を使わない2極式スパッタ装置に対して、図9(a)に示すように外部励磁コイル109を用いるスパッタ装置では、成膜速度は10倍程度までは高速となるが、前記の2極式スパッタ装置よりさらに高エネルギー粒子が基板に衝突するため過度の膜面損傷、基板温度の上昇を招き、さらに、大型の直流電源と励磁コイルを併設し、発熱する励磁コイルを強力に冷却する必要がある。さらに、マグネトロンスパッタ法を用いた装置(マグネトロン式スパッタ装置:図10(a)参照)では、磁石を使わない2極式スパッタ装置の課題である、低成膜速度、高い印加電圧および雰囲気ガス圧力(10−3Torr程度)の問題を解決できるが、強磁性体の低温および/または高速な成膜を行うスパッタが困難である、また、ターゲットの利用効率が低い、という不利がある。
However, when a bipolar (diode-type) sputtering method is used (a bipolar sputtering apparatus that does not use a magnet: see FIG. 8A), the deposition rate is slow and high energy particles collide with the substrate. The film surface is damaged, the substrate temperature is increased, and the applied voltage and the atmospheric gas pressure are required to be high. In contrast to the bipolar sputtering apparatus that does not use this magnet, in the sputtering apparatus that uses the
また、対向ターゲット式スパッタ法を用いた場合、外部励磁コイル109を配設した対向ターゲット式スパッタ装置(図9(b)参照)は、雰囲気ガス圧力が10−4Torr程度と低く、また、低温および/または高速で成膜できるが、対向するターゲットの間のプラズマ閉じ込め空間に形成される磁界分布が一様過ぎる。つまり、プラズマ閉じ込め空間において磁界分布が中心部よりも境界部の方が相対的に強くなってはいない。したがって、プラズマ閉じ込め空間の境界部のプラズマ閉じ込めが弱く、境界部においてプラズマ粒子が側方(プラズマ閉じ込め空間の外側)に逃げやすいため、逆にプラズマ閉じ込め空間の中心付近では、ターゲット面中央部の侵蝕が周縁部に比べて過大となる。また、このスパッタ装置(図9(b)参照)には、真空槽内部の温度上昇を招くという問題、さらに、ターゲットの使用効率が不十分である、という問題もある。なお、図9(a)に示す装置のように外部励磁コイル109を強力に冷却する必要もある。
Further, when the counter target type sputtering method is used, the counter target type sputtering apparatus (see FIG. 9B) provided with the
これに対して、対向ターゲット式スパッタ法を用いたとしても、図10(b)に示す装置、すなわち、陰極104,106の内部に永久磁石110を配設した対向ターゲット式スパッタ装置では、図9(b)に示す装置と比べると、外部励磁コイル109を駆動するための大型直流電源が不要であり、さらに、プラズマ閉じ込め空間において磁界分布が中心部よりも境界部の方が相対的に強いため、ターゲット前面の磁界分布が理想的なものとなる。また、図9(b)に示す装置と比べてさらに低ガス圧化を図ることができる。例えば、雰囲気ガスの供給を止めたとしても、一方のターゲット表面から叩き出された原子がイオン化して他方のターゲットに衝突する現象によるスパッタ(セルフスパッタ)も可能となるなどの利点がある。しかしながら、陰極104,106の内部に永久磁石110を単純に配設しただけの構造では、永久磁石110で形成される磁束が漏れ易くなる。この磁束漏れによってプラズマ空間において磁界が不足する領域が生じてしまうので、良質な成膜のためにプラズマを安定に制御しようとしても品質が不十分となってしまう。また、このスパッタ装置(図10(b)参照)には、陰極104,106の内部に配設した永久磁石110の温度上昇等の問題がある。このスパッタ装置において、プラズマ閉じ込めの磁界を強力にすると共に、磁束漏れが生じないように、強い永久磁石を単純に用いようとすれば、そのような磁石を効率よく冷却するために水冷が好ましいが、次のような問題がある。
On the other hand, even if the counter target type sputtering method is used, in the apparatus shown in FIG. 10B, that is, in the counter target type sputtering apparatus in which the
従来のスパッタ装置では、基板、ターゲット、磁石等の高温となる構成部材を冷却するため、必要な箇所に冷却水を流通させて冷却する水冷方式が採用されている。この水冷方式では、冷却水の流通経路あるいは磁石や電極板に水垢が付着して、各種の問題が発生する。例えば、水垢の付着や蓄積による流通経路の目詰りによる水漏れまたは断水、冷却不足による構成部材の破損に伴う温度上昇や磁石上付着膜の断熱に伴う磁石温度上昇による磁力低下等の各種の問題が発生する。そのため、冷却水の流通経路の点検、整備を定期的に行うなど保守の手間および費用が掛かり、また、冷却水の循環設備を必要とするため、装置が大型化、高価となる原因となっている。その他、水道の導入工事の費用や水道の使用料も多額となる。 In the conventional sputtering apparatus, in order to cool the high-temperature components such as the substrate, the target, and the magnet, a water-cooling method is adopted in which cooling water is circulated through the necessary portions to cool. In this water-cooling method, scales adhere to the flow path of the cooling water or to the magnets and electrode plates, causing various problems. For example, various problems such as water leakage or water stoppage due to clogging of the distribution path due to adhesion or accumulation of scale, temperature rise due to breakage of components due to insufficient cooling, or magnetic force drop due to magnet temperature rise due to heat insulation of the adhesion film on the magnet Occurs. For this reason, maintenance work such as periodic inspection and maintenance of the cooling water flow and maintenance costs are required, and a cooling water circulation facility is required, which increases the size and cost of the device. Yes. In addition, the cost of water supply construction and water usage fees are also large.
さらに、従来のスパッタ装置では、2極式スパッタ法、マグネトロンスパッタ法、対向ターゲット式スパッタ法に限らず、陽極とターゲット/陰極の間に電圧を印加するための直流電源が、商用交流電源(AC100または200[V]、50または60[Hz])から電源装置を介して手軽に得られているわけではなく、図11に示すような複雑な回路構成を必要としている。すなわち、図11において最も左側の商用交流電源の電圧は、第1段目として、変圧器(昇圧器)によって500〜2000[V]に昇圧され、第2段目に、整流器と平滑C(コンデンサ回路)により直流電圧(DC)とされる。このうち、第1段目の装置は、小型かつ安価なものであるが、第2段目の装置は、比較的大型かつ高価なものであって、平滑Cに大量の電荷が蓄積される。したがって、スパッタ装置およびその装置を作動させる全体の装置構成が大型化、高価となりがちで、その保守が容易でなく、また、消費エネルギーが多いものであった。
また、DC(直流電圧)の代わりに高周波電源を用いる場合には、図11において、第2段目までに生成された直流電圧(DC)を、さらに、第3段目の発振器により、周波数を13.56[MHz]に調整する。こうして得られた高周波電源(RF)を、RFの負荷であるスパッタ装置とのインピーダンス整合をとる整合器を通して、スパッタ装置に入力する。このように高周波電源を用いる場合には、DCの場合に発生する問題に加え、第3段目の発振器の発生するRFのために、発振器周囲の計器にノイズが生じて測定に支障をきたす。さらに、4段目の整合器は、スパッタ装置毎に、あるいはターゲット毎に調節する必要がある。
Furthermore, the conventional sputtering apparatus is not limited to the bipolar sputtering method, the magnetron sputtering method, and the opposed target sputtering method, and a DC power source for applying a voltage between the anode and the target / cathode is a commercial AC power source (AC100). Or 200 [V], 50 or 60 [Hz]) is not easily obtained via a power supply device, and a complicated circuit configuration as shown in FIG. 11 is required. In other words, the voltage of the leftmost commercial AC power source in FIG. 11 is boosted to 500 to 2000 [V] by a transformer (booster) as the first stage, and the rectifier and smoothing C (capacitor) at the second stage. Circuit) to a direct voltage (DC). Of these, the first-stage device is small and inexpensive, but the second-stage device is relatively large and expensive, and a large amount of charge is accumulated in the smoothing C. Therefore, the sputtering apparatus and the overall apparatus configuration for operating the apparatus tend to be large and expensive, and the maintenance thereof is not easy, and the energy consumption is large.
When a high frequency power supply is used instead of DC (direct current voltage), the direct current voltage (DC) generated up to the second stage in FIG. Adjust to 13.56 [MHz]. The high-frequency power source (RF) thus obtained is input to the sputtering apparatus through a matching unit that performs impedance matching with the sputtering apparatus that is an RF load. When the high-frequency power source is used in this way, in addition to the problem that occurs in the case of DC, the RF generated by the third-stage oscillator causes noise in the instrument surrounding the oscillator, which hinders measurement. Furthermore, the fourth stage matching unit needs to be adjusted for each sputtering apparatus or for each target.
以上のとおり、従来のスパッタ装置は、前述の各種の問題を有し、所要の特性を有する精密な薄膜を低温および/または高速で形成するためには、大規模かつ高価な装置となり、また、その運転も煩雑な操作が必要となり、エネルギー消費、保守の観点からも不利である。また、従来のスパッタ装置は、同一物を多数かつ手軽に量産する場合にのみ適用し得る、生産性を重視したものである。そのため、従来のスパッタ装置は、今後のデバイスの微小化や多様性に伴って生じる要求に柔軟に対応することが困難または不可能である。 As described above, the conventional sputtering apparatus has the above-described various problems, and is a large-scale and expensive apparatus for forming a precise thin film having required characteristics at low temperature and / or high speed. The operation also requires complicated operations, which is disadvantageous from the viewpoint of energy consumption and maintenance. Moreover, the conventional sputtering apparatus attaches importance to productivity, which can be applied only when mass-producing the same thing easily and in large numbers. Therefore, it is difficult or impossible for the conventional sputtering apparatus to flexibly respond to the demands that will occur with future miniaturization and diversity of devices.
そこで、本発明の課題は、前記の各種の問題を解決し、所要の特性を有する精密な薄膜を低温および/または高速で形成可能であるとともに、小型かつ安価で、簡易かつ省エネ運転が可能で、保守が容易であるスパッタ装置を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned various problems, and to form a precise thin film having the required characteristics at low temperature and / or high speed, as well as being small and inexpensive, and capable of simple and energy-saving operation. An object of the present invention is to provide a sputtering apparatus that is easy to maintain.
また、本発明の他の課題は、水冷方式における冷却水の流通経路で生じる水垢の付着等に起因する各種の問題を解消し、簡易な構成で構成部材を冷却することで所要の性能を発揮することができ、また、保守が容易で装置の小型化、低価格化、運転費用の低減を図ることができるスパッタ装置を提供することにある。 In addition, another object of the present invention is to solve various problems caused by adhesion of scales generated in the flow path of cooling water in the water cooling system, and to exhibit the required performance by cooling the constituent members with a simple configuration. Another object of the present invention is to provide a sputtering apparatus that can be easily maintained and can be reduced in size, cost, and operating cost.
本発明者は、前記課題を乗り越えるために鋭意検討した。その結果、蛍光灯の点灯用電気回路を調査した結果、その動作原理において、その放電モードと電極フィラメントのスパッタ現象に着目し、一対のターゲットの間に設けられた変圧器の二次側高電圧コイルの両端に前記各ターゲットを接続して、前記一対のターゲットのそれぞれに相互に逆の極性の交流電圧を交互に印加することによって、一対のターゲットの間に高密度のプラズマが、完全電離した状態で安定して形成され、平坦かつ均一な薄膜を形成できることを知見した。そして、これによって、小型、安価、簡易で、かつ省エネ運転および保守が容易で、低温および高速のスパッタを行うことができることを見出した。また、冷却を必要とするターゲット等の各構成部材を空冷方式によって冷却することによって、水冷方式における各種の問題を克服できることを見出した。 The present inventor has intensively studied to overcome the above-mentioned problems. As a result, as a result of investigating the lighting electric circuit of the fluorescent lamp, focusing on the discharge mode and the spatter phenomenon of the electrode filament in the operation principle, the secondary side high voltage of the transformer provided between the pair of targets By connecting each target to both ends of the coil and alternately applying AC voltages having opposite polarities to each of the pair of targets, high-density plasma is completely ionized between the pair of targets. It has been found that a flat and uniform thin film can be formed stably in a state. As a result, it has been found that low-speed and high-speed sputtering can be performed with small size, low cost, simple, energy-saving operation and easy maintenance. Further, it has been found that various problems in the water cooling system can be overcome by cooling each constituent member such as a target that requires cooling by an air cooling system.
そこで、請求項1に係る発明のスパッタ装置は、前記課題を解決するために、間隔をおいて対向配置された第1ターゲットおよび第2ターゲットと、前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットのそれぞれを接続かつ支持する第1電極部材および第2電極部材と、前記第1ターゲットと前記第2ターゲットの間に磁界空間を形成するために前記第1電極部材および前記第2電極部材のそれぞれの背面側に配置された一対の磁石と、前記第1電極部材および前記第2電極部材の側面を囲んで周設された周壁部から、前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットの前面中央に向けて迫出した環状の第1電極ワッシャ部および第2電極ワッシャ部を有する第1シールド部材および第2シールド部材と、前記第1ターゲットと前記第2ターゲットの間の側方に、前記磁界空間を臨んで配置される基板を設置するホルダを備え、前記第1ターゲットと前記第1電極ワッシャ部の間に印加される交流電圧V1と、前記第2ターゲットと前記第2電極ワッシャ部の間に印加される交流電圧V2とが、V1+V2=0[V]となるようにしたことを特徴とする。 Therefore, in order to solve the above-described problem, the sputtering apparatus according to the first aspect of the present invention includes a first target and a second target, and a first target and a second target, which are arranged to face each other at intervals. First and second electrode members to be connected and supported, and respective back sides of the first electrode member and the second electrode member to form a magnetic field space between the first target and the second target And a pair of magnets arranged on the surface and a peripheral wall portion surrounding the side surfaces of the first electrode member and the second electrode member and projecting toward the front center of the first target and the second target The first shield member and the second shield member having the annular first electrode washer portion and the second electrode washer portion, the first target and the second target Laterally between, comprising a holder for providing a substrate which is disposed facing the magnetic field space, the AC voltage V 1 applied between the first target the first electrode washer portion, said second target And the AC voltage V 2 applied between the second electrode washer section and V 1 + V 2 = 0 [V].
このスパッタ装置では、第1電極部材と第1電極ワッシャ部の間に印加される交流電圧V1と、第2電極部材と第2電極ワッシャ部の間に印加される交流電圧V2とを、V1+V2=0[V]とすることによって、昇圧器、整流器、整合器等の一連の付加機器を必要とせずに、第1電極部材および第2電極部材に支持された第1ターゲットおよび第2ターゲットに正負の逆極性の交流電圧を直接印加して、ターゲット間に高密度プラズマが完全電離した状態で安定して形成され、平坦かつ均一な薄膜を形成できる。特に、絶縁性化合物や高分子材料でも平坦かつ均一な薄膜を形成することができる。 In this sputtering apparatus, an alternating voltage V 1 applied between the first electrode member and the first electrode washer part, and an alternating voltage V 2 applied between the second electrode member and the second electrode washer part, By setting V 1 + V 2 = 0 [V], the first target supported by the first electrode member and the second electrode member without the need for a series of additional devices such as a booster, a rectifier, and a matching device, and By applying an alternating voltage of positive and negative polarity to the second target directly, high density plasma is stably formed between the targets in a completely ionized state, and a flat and uniform thin film can be formed. In particular, a flat and uniform thin film can be formed even with an insulating compound or a polymer material.
また、請求項2に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記第1ターゲットと前記第2ターゲットの間に交流電圧を印加するための変圧器を備え、前記変圧器の二次側高電圧コイルの両端に前記第1電極部材および前記第2電極部材のそれぞれを接続し、前記二次側高電圧コイルの中性点を接地するとともに、前記第1シールド部材および前記第2シールド部材を前記中性点に接続したことを特徴とする。
Moreover, the invention which concerns on
このスパッタ装置では、変圧器の二次側高電圧コイルの両端に第1電極部材および第2電極部材のそれぞれを接続し、二次側高電圧コイルの中性点を接地するとともに、第1シールド部材および第2シールド部材を中性点に接続することによって、昇圧器、整流器、整合器等の一連の付加機器を必要とせずに、前記第1ターゲットおよび第2ターゲットに正負の逆極性の交流電圧を直接に印加して、ターゲット間に高密度プラズマが完全電離した状態で安定して形成され、平坦かつ均一な薄膜を形成できる。特に、絶縁性化合物や高分子材料でも平坦かつ均一な薄膜を形成することができる。 In this sputtering apparatus, the first electrode member and the second electrode member are connected to both ends of the secondary side high voltage coil of the transformer, the neutral point of the secondary side high voltage coil is grounded, and the first shield By connecting the member and the second shield member to the neutral point, the first target and the second target are exchanged with positive and negative polarities without requiring a series of additional devices such as a booster, a rectifier, and a matching unit. By applying a voltage directly, high-density plasma is stably formed between the targets in a completely ionized state, and a flat and uniform thin film can be formed. In particular, a flat and uniform thin film can be formed even with an insulating compound or a polymer material.
請求項3に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記基板と、前記第1電極部材または前記第2電極部材との間に、前記基板側が負の電位となるバイアス電圧を印加することを特徴とする。 The invention according to claim 3 is characterized in that in the sputtering apparatus, a bias voltage at which the substrate side has a negative potential is applied between the substrate and the first electrode member or the second electrode member. To do.
このスパッタ装置では、基板と、第1電極部材または第2電極部材との間に、基板側が負の電位となるバイアス電圧を印加することによって、ナノサイズの粒子および薄膜の均一性、平坦性、結晶性を制御して適正な範囲に調整が可能となる。 In this sputtering apparatus, by applying a bias voltage with a negative potential on the substrate side between the substrate and the first electrode member or the second electrode member, the uniformity and flatness of nano-sized particles and thin films, Crystallinity can be controlled and adjusted to an appropriate range.
請求項4に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記各磁石から前記第1ターゲットまたは前記第2ターゲットの背面側に向けて延設されたヨークを有することを特徴とする。 The invention according to claim 4 is characterized in that in the sputtering apparatus, the magnet has a yoke extending from each magnet toward the back side of the first target or the second target.
このスパッタ装置では、各磁石から前記第1ターゲットまたは前記第2ターゲットの背面側に向けて延設されたヨークを有することによって、一対の磁石からの第1電極部材または第2電極部材の内部空間への磁力線の漏れを10%以下に低減することができる。なお、ヨークは漏斗形状の漏斗形ヨークであることがより好ましい。 In this sputtering apparatus, the internal space of the first electrode member or the second electrode member from the pair of magnets is provided by having a yoke extending from each magnet toward the back side of the first target or the second target. The leakage of the magnetic field lines to 10% can be reduced to 10% or less. The yoke is more preferably a funnel-shaped funnel yoke.
請求項5に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記ヨークが、方向性珪素鋼で形成されていることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is characterized in that, in the sputtering apparatus, the yoke is formed of directional silicon steel.
このスパッタ装置では、漏斗形ヨークが、交流変圧器の磁芯材と同じ方向性珪素鋼(3.5%Si−Fe)で形成されていることが好ましい。 In this sputtering apparatus, the funnel-shaped yoke is preferably formed of the same directional silicon steel (3.5% Si—Fe) as the magnetic core material of the AC transformer.
請求項6に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記第1電極部材および前記第2電極部材、ならびに前記第1シールド部材および前記第2シールド部材が、Cu(高純度銅)で構成されていることを特徴とする。 The invention according to claim 6 is the sputtering apparatus, wherein the first electrode member and the second electrode member, and the first shield member and the second shield member are made of Cu (high purity copper). It is characterized by that.
このスパッタ装置では、第1電極部材および第2電極部材、ならびに第1シールド部材および第2シールド部材が、反磁性かつ、熱伝導率、電気伝導率や熱輻射率が高い材料であるCuで形成されていることによって、これらの部材を通過する磁束を低減させ、また、大きな放熱効果や等電位(局所放電防止)効果を得ることができる。 In this sputtering apparatus, the first electrode member and the second electrode member, and the first shield member and the second shield member are made of Cu, which is a material that is diamagnetic and has high thermal conductivity, electrical conductivity, and thermal radiation rate. As a result, the magnetic flux passing through these members can be reduced, and a large heat dissipation effect and equipotential (local discharge prevention) effect can be obtained.
請求項7に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記第1電極部材および前記第2電極部材と、前記第1シールド部材および前記第2シールド部材とは、ポリイミドからなる絶縁部材を介して連結されていることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the sputtering apparatus, the first electrode member and the second electrode member, and the first shield member and the second shield member are connected via an insulating member made of polyimide. It is characterized by.
このスパッタ装置では、耐熱温度が従来用いられているテフロン(登録商標)の200℃に対して、450℃と高く、さらに、絶縁耐力やトラッキング耐圧も高く、気密性や加工性にも優れるポリイミドからなる絶縁部材を新規材料として採用することによって、第1電極部材および第2電極部材、ならびに第1シールド部材および第2シールド部材を連結することによって、両部材の間をボイド放電や破壊がなく電気絶縁するとともに、両部材の間からの空気の漏れや部材分解ガスの漏れを遮断することができる。 In this sputtering apparatus, the heat-resistant temperature is higher than that of Teflon (registered trademark) of 200 ° C., which is 450 ° C., and the dielectric strength and tracking withstand voltage are also high. By adopting an insulating member as a new material, by connecting the first electrode member and the second electrode member, and the first shield member and the second shield member, there is no void discharge or destruction between both members. While insulating, the leakage of the air from between both members and the leakage of the member decomposition gas can be blocked.
請求項8に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記第1電極ワッシャ部および前記第2電極ワッシャ部が、45度を中心として43〜47度の範囲の角度で前記磁界空間から前記第1ターゲットまたは前記第2ターゲットに向けて拡径するように形成されたテーパ部を有することを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the sputtering apparatus, the first electrode washer and the second electrode washer are separated from the magnetic field space at an angle in a range of 43 to 47 degrees with 45 degrees as a center. Or it has a taper part formed so that a diameter may be expanded toward the said 2nd target, It is characterized by the above-mentioned.
このスパッタ装置では、第1電極ワッシャ部および第2電極ワッシャ部が、45度を中心として43〜47度の範囲の角度で前記磁界空間から前記第1ターゲットまたは前記第2ターゲットに向けて拡径するように形成されたテーパ部を有することによって、第1電極ワッシャ部および第2電極ワッシャ部の内側とターゲットの面側縁の間隙の異常短絡放電を防止できる。 In this sputtering apparatus, the first electrode washer portion and the second electrode washer portion are expanded in diameter from the magnetic field space toward the first target or the second target at an angle in a range of 43 to 47 degrees around 45 degrees. By having the tapered portion formed in such a manner, it is possible to prevent an abnormal short-circuit discharge between the inside of the first electrode washer portion and the second electrode washer portion and the surface side edge of the target.
請求項9に係る発明のスパッタ装置は、前記スパッタ装置において、前記第1電極部材および第2電極部材は、内部に冷却用空気流通空間を有し、前記冷却用空気流通空間に冷却用大気を導入する空気導入管および熱せられた大気を排気する熱気排気管が挿設されていることを特徴とする。
The sputtering apparatus of the invention according to
このスパッタ装置では、第1電極部材および第2電極部材の冷却用空気流通空間に挿設された空気導入管を通じて冷却用空気流通空間に冷却用空気を導入してターゲット、磁石等を空冷し、冷却で使用されて熱せられた大気を熱気排気管により排気することによって、水冷式における水垢の発生・水漏れ・断水等のトラブルを回避できる。 In this sputtering apparatus, cooling air is introduced into the cooling air circulation space through the air introduction pipe inserted in the cooling air circulation space of the first electrode member and the second electrode member, and the target, magnet, etc. are air-cooled, By exhausting the heated and heated atmosphere by cooling with a hot air exhaust pipe, troubles such as generation of water scale, water leakage and water shutoff in the water cooling system can be avoided.
請求項10に係る発明は、前記スパッタ装置において、前記第1シールド部材および前記第2シールド部材の側壁に、ギャップ中残留ガスが流出可能な放熱・排気孔が穿設されていることを特徴とする。 The invention according to claim 10 is characterized in that, in the sputtering apparatus, a heat radiation / exhaust hole through which residual gas in the gap can flow out is formed in the side walls of the first shield member and the second shield member. To do.
このスパッタ装置では、第1シールド部材および前記第2シールド部材の側壁に穿設された放熱・排気孔を通して、電極部材の側壁部とシールド部材のギャップ中の残留ガスを排気して、ターゲット、磁石等で発生する熱を排除できる。 In this sputtering apparatus, the residual gas in the gap between the side wall portion of the electrode member and the shield member is exhausted through the heat radiating / exhausting holes formed in the side walls of the first shield member and the second shield member, and the target, magnet It is possible to eliminate the heat generated by the like.
本発明のスパッタ装置は、ターゲット間に印加する交流電圧を昇圧器、整流器、整合器等の一連の付加機器を必要とせずに、前記一対のターゲットに交流電圧を直接印加して、ターゲット間に発生するプラズマを高密度で安定化させ、平坦かつ均一な薄膜を形成することができる。そのため、本発明のスパッタ装置は、小型、安価、簡易かつ省エネ運転また保守容易、低温または高温で、成膜することができる。 The sputtering apparatus of the present invention directly applies an AC voltage to the pair of targets without applying a series of additional devices such as a booster, a rectifier, and a matching device. The generated plasma can be stabilized with high density, and a flat and uniform thin film can be formed. Therefore, the sputtering apparatus of the present invention can form a film at a low temperature or high temperature in a compact, inexpensive, simple and energy saving operation and easy maintenance.
また、本発明のスパッタ装置は、水冷方式における冷却水の流通経路で生じる水垢の付着等に起因する各種のトラブルを免れ、空冷方式で構成部材を冷却することで所要の性能を発揮することができ、また、保守が容易で装置の小型化、低価格化、運転費用の低減を図ることができる。さらに、装置の設置に際して、水道工事や水道使用料も不要となる。 In addition, the sputtering apparatus of the present invention can avoid various troubles caused by adhesion of scales generated in the flow path of the cooling water in the water cooling method, and can exhibit the required performance by cooling the constituent members by the air cooling method. In addition, maintenance is easy, and the size and cost of the apparatus can be reduced, and the operating cost can be reduced. Furthermore, when installing the device, waterworks and water usage fees are not required.
以下、本発明のスパッタ装置について、図1に示す本発明の実施形態に係るスパッタ装置1に基づいて詳細に説明する。なお、図1は、真空槽(図示せず)内に設けられる電極、ターゲットおよび基板等の構成を示す断面模式図である。この図1は、スパッタ装置を構成する真空槽、真空槽内を減圧する真空ポンプ等の機器を省略した図である。
Hereinafter, the sputtering apparatus of the present invention will be described in detail based on the
図1に示すスパッタ装置1は、対向配置された一対の第1ターゲット2a,第2ターゲット2bと、第1ターゲット2aおよび第2ターゲット2bをそれぞれ接続・支持する第1電極部材3a,第2電極部材3bと、第1電極部材3a,第2電極部材3bの内側に設けられた冷却用空気流通空間4a,4bの内側隅に配設された磁石6a,6bと、第1ターゲット2aと第2ターゲット2bの間の側方に配置された基板7と、第1電極部材3a,第2電極部材3bおよび第1ターゲット2a,第2ターゲット2bを囲むように配設された第1シールド部材8a,第2シールド部材8bと、第1ターゲット2aと第2ターゲット2bの間に交流電圧を印加するための変圧器9とを備える。このスパッタ装置1において、第1電極部材3a,第2電極部材3b、磁石6a,6b、第1シールド部材8a,第2シールド部材8bは、基本的に筒状の形状を有するものである。
A
第1ターゲット2aおよび第2ターゲット2bは、第1電極部材3a,第2電極部材3bの、ターゲットを接続し、かつ、支持するターゲット接続・支持平板31a,31bに取付けられ、真空槽(図示せず)内に適当な間隔をおいて平行に対向配置される。この第1ターゲット2aと第2ターゲット2bの間の空間に、磁石6a,6bによって磁界空間Aが形成される。そして、この磁界空間A内にプラズマが閉じ込められる。
The
第1電極部材3aおよび第2電極部材3bは、第1ターゲット2a,第2ターゲット2bを支持するターゲット接続・支持平板31a,31bと、ターゲット接続・支持平板31a,31bの側部に設けられた側壁部32a,32bを有する中空筒状の部材である。これらの第1電極部材3a,第2電極部材3bのターゲット接続・支持平板31a,31bと、側壁部32a,32bとで囲まれる内部に冷却用空気流通空間4a,4bが設けられている。この冷却用空気流通空間4a,4bには、冷却用空気を導入する空気導入管33a,33bが挿設されている。そして、第1電極部材3a,第2電極部材3bは、空気導入管33a,33bを通って冷却用空気流通空間4a,4bに導入された冷却用空気が熱気となって排出するための熱気排気管10a,10bを有する。
The
図1に示すスパッタ装置において、空気導入管33a,33bは、第1電極部材3a,第2電極部材3bの冷却用空気流通空間4a,4bに冷却用空気を導入して第1ターゲット2a,第2ターゲット2b、磁石6a,6b等を空冷するためのものである。なお、空気導入管33a,33bから導入された冷却用空気は、図示しない冷却機構を介して所定の温度に冷却される。また、熱気排気管10a,10bは、冷却用空気流通空間4a,4bからの空気排出口11a,11bと、内部に開口した空気吸入口12a,12bとを有する。そして、ここでは、空気吸入口12a、12bは、ターゲット接続・支持平板31a,31bにそれぞれ近づけた状態で配置され、熱源となる位置(ターゲット接続・支持平板31a,31bの中央)に対して開口するように設定されている。
In the sputtering apparatus shown in FIG. 1, the
なお、図1に示すスパッタ装置1において、空気導入管33a,33bの空気導入口に送気ポンプ(図示せず)を連結し、あるいは、空気排出口11a,11bに吸気ポンプ(図示せず)を連結して、冷却用空気を強制的に冷却用空気流通空間4a,4bに流通させ、第1ターゲット2a,第2ターゲット2b、磁石6a,6b等を空冷するようにしてもよい。
In the
このように、空気導入管33a,33bを通って冷却用空気流通空間4a,4bに導入される冷却用空気によって、第1ターゲット2a,第2ターゲット2b、第1電極部材3a,第2電極部材3b、磁石6a,6b等を空冷することによって、従来、所要箇所に冷却水を流通させて第1ターゲット2a,第2ターゲット2b、磁石6a,6b等を冷却する水冷機構において生じていた問題、例えば、冷却水の流通経路に水垢が付着して目詰まり、水漏れまたは断水を起こし、ターゲット、電極部材、磁石等の冷却が不十分となる等のトラブルを避けられる。
Thus, the
また、磁石6a,6bは、第1ターゲット2a,第2ターゲット2bの背面側の第1電極部材3a,第2電極部材3bに設けられた冷却用空気流通空間4a,4bの内側隅に配設されている。この磁石6a,6bは、第1電極部材3a,第2電極部材3bの内周面に沿って配置された筒状の磁石である。この磁石6aと磁石6bは、第1電極部材3a,第2電極部材3b、第1ターゲット2a,第2ターゲット2bを挟んで対向配置され、対向する磁石6aの第1ターゲット2a側の端部62aと磁石6bの第2ターゲット2b側の端部62bのいずれか一方がN極、他方がS極となるように構成される。図1においては、磁石6aの第1ターゲット2a側の端部62aがN極、磁石6bの第2ターゲット2b側の端部62bがS極となっている。この磁石6a,6bによって、第1ターゲット2aと第2ターゲット2bの間に磁界空間Aが形成される。この磁石6a,6bでは、磁石6aのN極(端部62a)から出た磁束の全てが磁界空間Aを通過し、対向する磁石6bのS極(端部62b)に入るようにするのが理想的である。
The
さらに、この磁石6aおよび磁石6bのそれぞれから、第1ターゲット2a,第2ターゲット2bの背面側に向けて漏斗形ヨーク63a,63bが延設されている。ここでは、漏斗形ヨーク63a,63bのそれぞれは、第1電極部材3aあるいは第2電極部材3bの筐体の後部から縮径部分が突出した状態で配置され、熱気排気管10a,10bを支持する形状に形成されている。この漏斗形ヨーク63a,63bによって、磁石6a,磁石6bから第1電極部材3a,第2電極部材3bの内部空間(冷却用空気流通空間4a,4b)への磁束の漏れを低減することができる。この漏斗形ヨーク63a,63bは、飽和磁化が大きく、保磁力が低く、さらに、一軸異方性が強いことが好ましく、この観点から、方向性珪素鋼(3.5%Si−Fe)を磁界中で加熱処理された軟磁性材で構成されていることが好ましい。
Further, funnel-shaped
第1シールド部材8a,第2シールド部材8bは、第1電極部材3a,第2電極部材3bの側面および第1ターゲット2a,第2ターゲット2bの側縁を囲むように、第1電極部材3a,第2電極部材3bの外側に周設された周壁部80を有する中空筒状の部材である。そして、第1シールド部材8a,第2シールド部材8bは、周壁部80の端部80a,80bから、第1ターゲット2a,第2ターゲット2bの前面中央に向けて迫出した環状の第1電極ワッシャ部81a,第2電極ワッシャ部81bを有する。
The
この第1電極ワッシャ部81a,第2電極ワッシャ部81bは、図2に示すように、45度を中心として43〜47度の範囲の角度で磁界空間Aから第1ターゲット2a,第2ターゲット2bのそれぞれに向けて拡径するように形成されたテーパ部82を有することが好ましい。このテーパ部82を設けることによって、第1電極ワッシャ部81a,第2電極ワッシャ部81bの内縁下端と第1ターゲット2a,第2ターゲット2bの側縁21の間の異常短絡放電(スパーク)の発生を防止できる。
As shown in FIG. 2, the first
この第1シールド部材8a,第2シールド部材8bと、第1電極部材3a,第2電極部材3bとは、高熱伝導率、高輻射率かつ高電気伝導率を有し、かつ耐蝕性および加工性に優れるもので構成することが好ましく、この点で、4N(99.99%)以上の高純度Cuで構成されていることが好ましい。第1シールド部材8a,第2シールド部材8bと、第1電極部材3a,第2電極部材3bとを、反磁性かつ熱伝導率、輻射率が高い材料であるCuで構成することによって、これらの部材を通過する磁束を低減させ、また、大きな放熱効果を得ることができるため、有効である。
The
これらの第1電極部材3a,第2電極部材3bと、第1シールド部材8a,第2シールド部材8bとは、耐熱性に優れるポリイミドからなる絶縁部材13を介して連結されていることが好ましい。この絶縁部材13によって、第1電極部材3a,第2電極部材3bと、第1シールド部材8a,第2シールド部材8bとの間を電気的に完璧に絶縁するとともに、真空槽内と外気とを遮断して、耐電圧性、耐トラッキング性、耐蝕性、耐熱性および耐水(湿)性を向上させることができる。なお、トラッキングは、絶縁物の表面に微弱な電流が流れることで絶縁物が炭化して発熱する現象であり、耐トラッキング性とは、電極部材やシールド部材に積層された絶縁部材13の表面に微弱な電流が流れたとしてもトラッキングが起きないことをいう。
The
さらに、第1シールド部材8a,第2シールド部材8bの周壁部80には、図3(a)および図3(b)に示すとおり、放熱・排気孔85が穿設されていることが好ましい。この放熱・排気孔85によって、第1ターゲット2a,第2ターゲット2b、磁石6a,6b等で発生する熱を効率的に排熱できる。この放熱・排気孔85を穿設する部位、孔径、孔数、また、放熱・排気孔85の分布形態等は、ターゲット、ターゲット表面スパッタ箇所等における熱の発生状況、磁石6a,6bの構造や寸法等に応じて適宜決定することができる。例えば、放熱・排気孔85の孔径は、第1シールド部材8a,第2シールド部材8bの内面と、第1電極部材3a,第2電極部材3bの外面の間のギャップ14の幅d(図3(b)参照)より小さく、第1シールド部材8a,第2シールド部材8bの肉厚t(図3(b)参照)より大きいことが好ましい。
Furthermore, it is preferable that the
また、放熱・排気孔85は、第1シールド部材8a,第2シールド部材8bの周壁部80の第1ターゲット2a,第2ターゲット2bに近接する側と、絶縁部材13に近接する側で孔数を多くすることが好ましい。さらに、第1シールド部材8a,8bの絶縁部材13の側に設ける放熱・排気孔85は、第1シールド部材8a,第2シールド部材8bの内面と、第1電極部材3a,第2電極部材3bの外面の間のギャップ14に残留して排気されにくい残留ガスを排気して、残留ガスの圧力を低減してスパークを完全防止するために有効である。
Further, the heat radiation /
また、変圧器9は、第1ターゲット2aと第2ターゲット2bの間に交流電圧を印加するためのものである。この変圧器9の二次側コイル9bの両端に、配線15a,15bを介して、第1ターゲット2aおよび第2ターゲット2bのそれぞれが接続されている。また、変圧器9の二次側コイル9bの中性点Mに、第1シールド部材8aおよび第2シールド部材8bが、配線16a,16bを介して接続されている。さらに、中性点Mは接地されている。
The
スパッタ装置1においては、前記のように接続することによって、接地されている中性点Mに接続されている第1シールド部材8aの第1電極ワッシャ部81aと、第2シールド部材8bの第2電極ワッシャ部81bの電位は0[V]となる。そのため、第1電極ワッシャ部81aと第2電極ワッシャ部81bの間の空間(磁界空間A)のプラズマ電位(Vp)は0[V]となる。一方、第1電極部材3a,第2電極部材3bのそれぞれが、変圧器9の二次側コイル9bの両端に、配線15a,15bを介して接続されている。そのため、二次側コイル9bの両端に生起する交流電圧Vに対して、第1電極部材3a(第1ターゲット2a)と第1シールド部材8a(第1電極ワッシャ部81a)の間に加わる交流電圧V1と、第2電極部材3b(第2ターゲット2b)と第2シールド部材8b(第2電極ワッシャ部81b)の間に加わる交流電圧V2は、絶対値(1/2|V|)が等しく相互に逆の極性を有することになる。したがって、V1+V2=0[V]、|V1|=|V2|=1/2|V|の関係を有することとなる。ここで、Vはある時間のときの交流電圧である。これによって、図5に示すように、完全対称のプラズマが形成され安定化し加速イオンや原子が有効にスパッタする。そのため、第1ターゲット2aと第2ターゲット2bの間に印加する交流電圧を昇圧、整流、整合等のための一連の機器を必要とせずに、一対の第1ターゲット2a,第2ターゲット2bに超安定な交流電圧を直接印加して、ターゲット間に発生するプラズマを安定化させ、平坦かつ均一な薄膜を形成することができる。
In the
基板7は、第1ターゲット2aと第2ターゲット2bの間の側方に、ホルダ71に支持されて、磁石6a,6bによって形成された磁界空間Aに臨んで配置され、ホルダ71に設置される。この基板7の表面にスパッタリングによって第1ターゲット2a,第2ターゲット2bの成分が堆積して成膜される。この基板7の材質は、特に限定されず、金属、プラスチック、あるいは絶縁材料等のいずれの材質のものを用いることができる。特に、従来、高エネルギー粒子衝撃があり高温となるため、薄膜を形成することが困難であったプラスチック、ソーダガラス等の低融点の材料からなる基板に薄膜を形成することができる。
The
この基板7と、第1シールド部材8a(第1電極ワッシャ部81a)との間に、バイアス回路17を介して、基板7の側が負の電位となるバイアス電圧を印加することが好ましい。これによって、バイアス電圧を調整するだけで特に基板を加熱しなくても、薄膜のナノ粒子、結晶性・組成、一様性などを制御できる。バイアス回路17は、交流電源18と、整流素子19a,19bとを、図1に示すように接続することにより、第1シールド部材8a(第1電極ワッシャ部81a)に対して、基板7が負の電位や正の電位となるバイアス電圧を印加することができる。これによって、プラズマ中から所望のエネルギーと数のイオンが出され、基板や成長中の膜を衝撃できるので、特に基板加熱が不要となる。
A bias voltage is preferably applied between the
次に、このスパッタ装置1におけるスパッタリングについて、図4〜7に基づいて説明する。なお、以下の説明において、変圧器9の一次側に供給される交流電力を100[V]、50[Hz]または60[Hz]の商用電力とし、変圧器9の巻き線比n=1:10、第1ターゲット2aと第2ターゲット2bの間の空間に供給されるスパッタガスとしてArを用いる場合について説明する。
Next, sputtering in the
このスパッタ装置1においては、図4に示すように、一次側と二次側の巻き線比N=1:10の変圧器9の一次側コイル9aに供給される100[V]、50[Hz]または60[Hz]の商用交流電力に対して、二次側コイル9bの両端に1000[V]、50[Hz]または60[Hz]の交流電圧Vが発生する。このとき、前記のとおり、変圧器9の二次側コイル9bの両端に、配線15a,15bを介して、第1電極部材3a(第1ターゲット2a)および第2電極部材3b(第2ターゲット2b)のそれぞれが接続されている。また、変圧器9の二次側コイル9bの中性点Mに、第1シールド部材8aおよび第2シールド部材8bが、配線16a,16bを介して接続され、さらに、中性点Mは接地されている。そのため、接地されている中性点Mに接続されている第1シールド部材8aの第1電極ワッシャ部81aと、第2シールド部材8bの第2電極ワッシャ部81bの電位は0[V]となり、第1電極ワッシャ部81aと第2電極ワッシャ部81bの間の空間(磁界空間A)のプラズマ電位(Vp)は0[V]となる。一方、第1電極部材3a,第2電極部材3bが、変圧器9の二次側コイル9bの両端に、配線15a,15bを介して接続されている。そのため、二次側コイル9bの両端に生起する交流電圧V(1000[V])に対して、第1電極部材3a(第1ターゲット2a)と第1シールド部材8a(第1電極ワッシャ部81a)の間に加わる交流電圧V1と、第2電極部材3b(第2ターゲット2b)と第2シールド部材8b(第2電極ワッシャ部81b)の間に加わる交流電圧V2は、図4に示すように、絶対値(500[V])が等しく相互に逆の極性を有することになる。すなわち、V1+V2=0[V]、|V1|=|V2|=1/2|V|=500[V]の関係となる。そして、このように、第1電極部材3a(第1ターゲット2a)と第1シールド部材8a(第1電極ワッシャ部81a)の間に交流電圧V1が印加され、第2電極部材3b(第2ターゲット2b)と第2シールド部材8b(第2電極ワッシャ部81b)の間に交流電圧V2が印加されることによって、第1電極ワッシャ部81aと第1ターゲット2aの間、および第2電極ワッシャ部81bと第2ターゲット2bの間に生じる電界によって、磁界空間A(Vp=0[V])と第1ターゲット2aの間の空間B1と、磁界空間A(Vp=0[V])と第2ターゲット2bの間の空間B2に、高密度の荷電粒子(電子/イオン)が生じる。
In this
図5は、以下に説明する動作において、交流電圧VEのプラス側(VE2)とマイナス側(VE1)の状態を同時に示している。
このような状態のスパッタ装置1において、V1−V2(=500[V]−(−500[V])=1000[V])の交流電圧が印加された第2ターゲット2bの間の空間(磁界空間A)にArが供給されると、図5に示すように、Arの電離(Ar0→Ar++e−)または帯電(Ar0+e−→Ar−)、さらに、電離したArまたは帯電したAr同士の衝突によって、Ar+、Ar0、Ar−および電子(e−)を含むプラズマが形成される。このとき、第1ターゲット2aと第2ターゲット2bの間の空間に磁石6a,6bによって磁界空間Aが形成されているため、磁界空間A内に、Ar+、Ar0、Ar−、e−、およびγ(ガンマ)電子(ターゲットより放出される電子)が閉じ込められ、高密度かつ安定なプラズマが形成される。
FIG. 5 shows simultaneously the positive side (V E2 ) and negative side (V E1 ) states of the AC voltage V E in the operation described below.
In the
そして、例えば、ある時点で、第1電極部材3a(第1ターゲット2a)と第1シールド部材8a(第1電極ワッシャ部81a)の間に負極性の交流電圧VE1(VE1=0〜−500[V])が印加され、第2電極部材3b(第2ターゲット2b)と第2シールド部材8b(第2電極ワッシャ部81b)の間に正極性の交流電圧VE2(VE2=0〜+500[V])が印加されている状態では、図5に示すように、第1電極ワッシャ部81の周辺に存在している電離したAr+は、第1電極ワッシャ部81aから第1電極部材3aに向かう電界Eによって加速され、その時点で負極として機能している第1ターゲット2aに向かって移動して衝突しスパッタする。この第1ターゲット2aに衝突したAr+は、電気的に中性なAr0になって反跳して、第2ターゲット2bに向かって移動して衝突する。この衝突したAr0は、図6に示すように、電離してAr+として第2ターゲット2b近傍に存在していて、電圧極性反転時には、逆方向に加速されることになる。一方、磁界空間Aに存在するマイナスイオンである、帯電したAr−、電子(e−)は、その時点で電気的にプラスとなっている第2ターゲット2bに引かれて移動して衝突する。このとき、第2ターゲット2b近傍に存在している電離したAr+を跳ね飛ばし、電離したAr+を磁界空間Aに押し込むので、磁界空間Aのプラズマ密度は増加することになる。
Then, for example, at a certain point in time, a negative AC voltage V E1 (V E1 = 0−−) between the
さらに、この時点で、電離したAr+が衝突した第1ターゲット2aからは、第1ターゲット2aを構成する成分がスパッタされ、図6に示すように、負スパッタイオンM−がターゲット面から飛散する。この第1ターゲット2aから飛散する負スパッタイオンM−は、電界Eで加速され第2ターゲット2bに向かうが、途中で、電離したAr+と衝突して電気的に中性なスパッタ原子M0となり、プラズマ中では充分重い粒子なので、大部分のスパッタ原子M0は、側方に配置された基板7の表面に堆積して成膜する。
Further, at this time, the components constituting the
一方、図示を省略するが、交流電圧V1と、交流電圧V2の電圧極性が反転すると、第1ターゲット2aと第2ターゲット2bに衝突するプラズマイオンが前記と逆となる。すなわち、第1電極部材3a(第1ターゲット2a)と第1シールド部材8a(第1電極ワッシャ部81a)の間に正極性の交流電圧VE1(VE1=0〜+500[V])が印加され、第2電極部材3b(第2ターゲット2b)と第2シールド部材8b(第2電極ワッシャ部81b)の間に負極性の交流電圧VE2(VE2=0〜−500[V])が印加される。そして、電離したAr+は、第2ターゲット2bに向かって移動して衝突し、スパッタする。また、第2ターゲット2bに衝突したAr+は、電気的に中性なAr0となって反跳して第1ターゲット2aに向かって移動する。一方、帯電したAr−は、第1ターゲット2aに引かれて移動して衝突し、Ar+を跳ね飛ばし、電離したAr+を磁界空間Aに押し込む。さらに、電離したAr+が衝突した第2ターゲット2bからは、第2ターゲット2bを構成する成分がスパッタされ、側方に配置された基板7の表面に堆積して成膜する。
Meanwhile, although not shown, an AC voltage V 1, the voltage polarity of the AC voltage V 2 is reversed, plasma ions impinging on the
次に、スパッタ装置1においては、図1に示すように、ホルダ71に設置された基板7と、第1シールド部材8a(第1電極ワッシャ部81a)との間に、バイアス回路17を介して、例えば、基板7の側が負の電位となるバイアス電圧が印加される。詳細には、バイアス回路17のスイッチ20が図1において右側にセットされることで、電位0の中性点に対して、バイアス電極としてのホルダ71には、負の電位が与えられ、基板7が例えば絶縁性基板ならば正に帯電する。このバイアス回路17には整流素子19bを介してマイナス方向の脈流が流れる。この場合、磁界空間Aから電子(e−)が基板7に衝突することで熱が発生するので、基板7を加熱するためのヒータを別に設けたときと同じ成膜効果を奏することになる。これによって、バイアス電圧を調整するだけで特に基板7を加熱しなくても、薄膜へのナノ粒子、結晶性・組成、一様性などを制御できる。基板7と、第1シールド部材8a(第1電極ワッシャ部81a)との間にバイアス電圧を印加しない場合には、基板7はプラズマフリーで浮游電位となる。また、基板7と、第1シールド部材8a(第1電極ワッシャ部81a)との間に直流バイアス電圧を印加する場合には、マイナス向き整流素子を通して可変交流電源を付設すれば可能となる。これに対して、基板7と、第1シールド部材8a(第1電極ワッシャ部81a)との間に、バイアス回路17を介して、基板7の側が負の電位となるバイアス電圧が印加されると、種々のバイアス効果の活用が可能である。なお、従来の2極式スパッタ装置では基板がプラズマに曝されているので、この効果は得られない。また、仮に、図1の整流素子19a.19bを逆向きに配設しておいた場合には、スイッチ20が図1において右側にセットされることで、電位0の中性点に対して、バイアス電極としてのホルダ71には、正の電位が与えられ、基板7が例えば絶縁性基板ならば負に帯電し、バイアス回路17には整流素子19bを介してプラス方向の脈流が流れる。この場合、磁界空間Aから、電離したAr+(イオン)が基板7に衝突することで同様な効果を奏することになる。
Next, in the
一方、このバイアス回路17のスイッチ20が図1において左側にセットされると、バイアス用交流電源18を介して交流電流が流れるので、バイアス電極としてのホルダ71には、負の電位と正の電位とが周期的に与えられる。この場合、磁界空間Aから電子(e−)が出る現象と、電離したAr+(イオン)が出る現象とが交互に発生する。図7に示すVSは、基板7側に与えられた電位の1周期(1/f)分の変化を示す。電位の1周期の前半で、基板7に負の電位が与えられると、磁界空間Aにおいて電離したAr+が基板7に衝突する。基板7が例えば絶縁性であれば、図6に示すように、例えば、ある時点で、負に帯電していると、磁界空間Aにおいて電離したAr+が基板7に衝突することになる。これにより、基板7には、正の電荷が蓄積されることになる。すると、電離したAr+が基板7に衝突せず、バイアス効果が弱まってしまう。しかしながら、スパッタ装置1においては、交流電源18の極性が反転した時点(電位の1周期の後半)では、同様に反転したバイアス電圧が印加されるので、図7に示すように、磁界空間Aに存在する電子(e−)が基板7に衝突する。これにより、基板7に蓄積されていた正の電荷がキャンセルされることになる。したがって、バイアス効果が弱くならず、電離したAr+の衝撃エネルギーが低下せず、その結果、基板7に対してスパッタ原子M0が系時的に一様に堆積され、品質の良好な成膜を可能とすることができる。この実施形態では、一例として、バイアス用交流電源18とスパッタ用交流電源2とが同期しているものとする。つまり、バイアス用交流電源18と、スパッタ用交流電源2と、例えば、第2電極部材3bの交流電圧VE2とが正極性のとき、第1電極部材3aの交流電圧VE1が負極性となる。
On the other hand, when the
次に、スパッタ装置1における各構成部材の冷却について説明する。
スパッタ装置1においては、第1電極部材3a,第2電極部材3bのターゲット接続・支持平板31a,31bと、側壁部32a,32bとで囲まれる冷却用空気流通空間4a,4bに、空気導入管33a,33bを通じて冷却用空気が導入される。冷却用空気流通空間4a,4bに導入された冷却用空気は、第1電極部材3a,第2電極部材3b、磁石6a,6b、さらに第1電極部材3a,第2電極部材3bを介して、第1ターゲット2a,第2ターゲット2bを冷却し、第1電極部材3a,第2電極部材3bの空気排出口11a,11bから排気される。これによって、従来の水冷機構において生じていた水垢の付着、目詰まり、水漏れ、断水等のトラブルの発生を解消することができる。また、第1シールド部材8a,第2シールド部材8bの周壁部80に穿設されている放熱・排気孔85は、第1ターゲット2a,第2ターゲット2b、磁石6a,6b等で発生する熱の輻射に有効である。そして、放熱・排気孔85は、第1シールド部材8a,第2シールド部材8bの内面と、第1電極部材3a,第2電極部材3bの外面の間のギャップ14に残留して排気されにくい残留ガスを排気して、残留ガスの圧力を低減し、ギャップ14中のスパーク発生を防止するために有効である。また、水冷方式では、冷却水の循環設備、冷却水の流通経路の点検、整備を必要とするため、装置の大型化、高価格化を招き、運転費用、メンテナンスの費用および手間が掛かる。これに対して、本発明に係るスパッタ装置1は、空冷方式を採用することによって、保守が容易で装置の小型化、低価格化、運転費用およびメンテナンス費用を低減できる。
Next, cooling of each component in the
In the
本発明の交流対向ターゲット式(図1:実施例1)、およびマグネトロン式(図8(a):比較例1)と対向ターゲット式(図8(b):比較例2)のスパッタ装置を用いた場合の代表的実施例等を比較表示する。表1に、超高密度磁気ディスクの記録層として採用されているCo−Cr:Ta合金薄膜を形成した場合、それぞれのスパッタ方式で最良の性能を示したスパッタ条件と磁気記録特性を示す。ここでは比較のために、バイアス電圧を印加しない場合のものを示した。なお、表1において、Arガス圧力の単位については1[Torr]=133.322[Pa]で換算可能であり、保磁力の単位については、1[Oe]=79.577[A/m]で換算可能である。また、線密度の単位BPI(bit per inch)は、25.4mm当たりのビット数を表す。 The AC facing target type (FIG. 1: Example 1) and magnetron type (FIG. 8A: Comparative Example 1) and facing target type (FIG. 8B: Comparative Example 2) sputtering apparatus of the present invention are used. The representative examples and the like are displayed in comparison. Table 1 shows sputtering conditions and magnetic recording characteristics showing the best performance in each sputtering method when a Co—Cr: Ta alloy thin film employed as a recording layer of an ultrahigh density magnetic disk is formed. Here, for comparison, the case where no bias voltage is applied is shown. In Table 1, the unit of Ar gas pressure can be converted by 1 [Torr] = 133.322 [Pa], and the unit of coercive force is 1 [Oe] = 79.577 [A / m]. Can be converted. The unit BPI (bit per inch) of linear density represents the number of bits per 25.4 mm.
表1に示す実施例1および比較例1〜2の結果を得るに当たり、試料作製および特性測定に用いたそれぞれの装置の構成は、以下のとおりである。
実施例1の本発明のスパッタ装置は、一対の直径10cm(4インチ)のCo−Cr:Ta合金ターゲットを設置し、スパッタ電源装置は、図1に示す構成の交流変圧器に一般商用周波数50[Hz]、100[V]を入力し、出力電圧500[V](中性点付)をスパッタ電圧とした。真空排気には、大阪真空製作所製ターボポンプを用いた。真空槽内ガス圧力とスパッタガスのアルゴン(Ar)ガス圧力測定は、アネルバ製電離真空計を用いた。基板温度は、基板ホルダに設置した熱電対により温度を測定した。成膜速度は、形成した膜厚を断面透過型電子顕微鏡(TEM)により測定した膜厚とスパッタ電圧の印加時間から、計算により求めた。保磁力は、理研電子製振動試料型磁力計(VSM)により、線密度は、特注のリード・ライトテストスタンドにより測定した。
In obtaining the results of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 shown in Table 1, the configuration of each apparatus used for sample preparation and characteristic measurement is as follows.
In the sputtering apparatus of the present invention of Example 1, a pair of 10 cm (4 inch) diameter Co—Cr: Ta alloy targets are installed, and the sputtering power supply apparatus has a general commercial frequency of 50 in an AC transformer configured as shown in FIG. [Hz] and 100 [V] were input, and an output voltage of 500 [V] (with a neutral point) was used as a sputtering voltage. A turbo pump manufactured by Osaka Vacuum Works was used for evacuation. The gas pressure in the vacuum chamber and the argon (Ar) gas pressure of the sputtering gas were measured using an Anelva ionization vacuum gauge. The substrate temperature was measured by a thermocouple installed on the substrate holder. The film formation rate was determined by calculation from the film thickness obtained by measuring the formed film thickness with a cross-sectional transmission electron microscope (TEM) and the application time of the sputtering voltage. The coercive force was measured with a vibrating sample magnetometer (VSM) manufactured by Riken Electronics, and the linear density was measured with a custom-made read / write test stand.
また、比較例1のマグネトロン式スパッタ装置は、直径20cm(8インチ)のCo−Cr:Ta合金ターゲットを設置し、スパッタ電源として特注の直流電源装置を用いた。真空排気には、大阪真空製作所製拡散ポンプを用いた。
比較例2の対向ターゲット式スパッタ装置は、一対の直径15cm(6インチ)のCo−Cr:Ta合金ターゲットを設置し、スパッタ電源として特注の直流電源装置を用いた。真空排気には、大阪真空製作所製ターボポンプを用いた。
比較例1および比較例2のガス圧力、基板温度、成膜速度、保磁力、線密度測定には、実施例1と同じ装置および手法を用いた。
The magnetron type sputtering apparatus of Comparative Example 1 was provided with a Co—Cr: Ta alloy target having a diameter of 20 cm (8 inches), and a custom-made DC power supply apparatus was used as a sputtering power supply. For evacuation, a diffusion pump manufactured by Osaka Vacuum Works was used.
The counter target type sputtering apparatus of Comparative Example 2 was provided with a pair of 15 cm (6 inch) diameter Co—Cr: Ta alloy targets, and a custom DC power supply apparatus was used as a sputtering power source. A turbo pump manufactured by Osaka Vacuum Works was used for evacuation.
For the gas pressure, substrate temperature, film formation rate, coercive force, and linear density measurement of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the same apparatus and method as in Example 1 were used.
以上の実験結果から、本発明の交流対向ターゲット式(図1)が低温かつ高速で最優性能の記録層を成膜できるスパッタ法であると見なせる。
以上説明したように、スパッタ装置1では、各部材により構成されることで、一般的な電圧で使用することができ、空冷で十分作動させることができる等、優れた効果を奏するものであるが、図面等により説明した各部材あるいは構成に限定されるものではなく、同じ機能を発揮するものであれば、例えば、以下のような種々の変更をしても構わない。
From the above experimental results, it can be considered that the AC facing target type (FIG. 1) of the present invention is a sputtering method capable of forming a recording layer having the highest performance at low temperature and high speed.
As described above, the
スパッタ装置1では、ヨークとして漏斗形ヨーク63a,63bを一例として説明したが、第1電極部材3aあるいは第2電極部材3bの筐体内に収まるように円筒形状に形成されていても構わない。なお、ヨークが円筒形状に形成される場合には、熱気排気管10a,10bを支持する案内部材を設置することとなる。また、ここでいう漏斗形とは、一端側が大きく開口して他端側がそれよりも小さく開口した状態をいい、一端側から他端側に向かって傾斜状(図1では傾斜せずに互い平行)に形成される状態であっても構わない。
In the
さらに、スパッタ装置1は、第1ターゲット2aと第1電極ワッシャ部81aの間に印加される交流電圧V1と、第2ターゲット2bと第2電極ワッシャ部81bの間に印加される交流電圧V2とが、V1+V2=0[V]となるように設定される構成であればよく、ヨークを設置した状態であればよりよいものとなる。
そして、電極部材3a,3bあるいは両シールド部材8a,8bの形状は、円筒形状あるいは直方体形状、円錐台形状(広い面が基板側)等、特に限定されるものではない。
Further, the
The shapes of the
また、スパッタ装置1では、基板7の温度の上昇が小さいため、空気導入管33a,33bは、熱気排気管10a,10bを中央にして左右のどちらかに設けられた構成として説明したが、熱気排気管10a,10bを中央にして互いに均等な距離となる位置に複数配置しても構わない。空気導入管33a,33bを複数設けることで、供給された冷却用大気(空気、冷却気体:不活性ガス)が中央のターゲット接続・支持平板31a,31bに向かって冷却するようになるため、冷却効果が向上して熱に弱い基板材料についてのスパッタ作業を行うことができる。
Further, in the
さらに、空気導入管33a,33bおよび熱気排気管10a,10bの太さは、同じ太さとしてもよく、また、開口高さ位置についてもターゲット接続・支持平板31a,31bを設置面に対して上下に配置する構成であれば、例えば、下方となるターゲット接続・支持平板31a側では、空気導入管33aおよび熱気排気管10aを図1と同じ配置とし、上方となるターゲット接続・支持平板31b側では、熱気排気管10bの位置を空気導入管33bの開口する面に近づけるように管を短くした状態で設置して、上下非対称な構成としても構わない。
Further, the
1 スパッタ装置
2 スパッタ用交流電源
2a 第1ターゲット
2b 第2ターゲット
3a 第1電極部材
3b 第2電極部材
31a,31b ターゲット接続・支持平板
32a,32b 側壁部
33a,33b 空気導入管
4a,4b 冷却用空気流通空間
6a,6b 磁石
62a,62b 端部
63a,63b ヨーク
7 基板
71 ホルダ
8a 第1シールド部材
8b 第2シールド部材
80 周壁部
80a,80b 端部
81a 第1電極ワッシャ部
81b 第2電極ワッシャ部
82 テーパ部
83 内縁下端
85 放熱・排気孔
9 変圧器
9a 一次側コイル
9b 二次側コイル
10a,10b 熱気排気管
11a,11b 空気排出口
12a,12b 空気吸入口
13 絶縁部材
14 ギャップ
15a,15b 配線
16a,16b 配線
17 バイアス回路
18 バイアス用交流電源
19a,19b 整流素子
20 スイッチ
21 側縁
100 真空槽
101 基板
101a 陽極
102 ターゲット
102a 陰極
103 直流電源
104 陰極
105a,105b ターゲット
106 陰極
104a,106a 陽極ワッシャ
107 空間
108 直流電源
109 外部励磁コイル
110 永久磁石
116 基板
A 磁界空間
B1,B2 強電界空間
M 中性点
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットのそれぞれを接続かつ支持する第1電極部材および第2電極部材と、
前記第1ターゲットと前記第2ターゲットの間に磁界空間を形成するために前記第1電極部材および前記第2電極部材のそれぞれの背面側に配置された一対の磁石と、
前記第1電極部材および前記第2電極部材の側面を囲んで周設された周壁部から、前記第1ターゲットおよび前記第2ターゲットの前面中央に向けて迫出した環状の第1電極ワッシャ部および第2電極ワッシャ部を有する第1シールド部材および第2シールド部材と、
前記第1ターゲットと前記第2ターゲットの間の側方に、前記磁界空間を臨んで配置される基板を設置するホルダを備え、
前記第1ターゲットと前記第1電極ワッシャ部の間に印加される交流電圧V1と、前記第2ターゲットと前記第2電極ワッシャ部の間に印加される交流電圧V2とが、V1+V2=0[V]となるようにしたことを特徴とするスパッタ装置。 A first target and a second target arranged opposite to each other at an interval;
A first electrode member and a second electrode member for connecting and supporting each of the first target and the second target;
A pair of magnets disposed on the back side of each of the first electrode member and the second electrode member to form a magnetic field space between the first target and the second target;
An annular first electrode washer portion projecting from the peripheral wall portion surrounding the side surfaces of the first electrode member and the second electrode member toward the center of the front surface of the first target and the second target; A first shield member and a second shield member having a second electrode washer;
A holder for installing a substrate disposed facing the magnetic field space on a side between the first target and the second target;
The AC voltage V 1 applied between the first target and the first electrode washer unit and the AC voltage V 2 applied between the second target and the second electrode washer unit are V 1 + V 2 = Sputtering apparatus characterized by being set to 0 [V].
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