JP2011208185A - Sputtering apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スパッタにより基板上に薄膜を形成するためのスパッタリング装置に関するものである。 The present invention relates to a sputtering apparatus for forming a thin film on a substrate by sputtering.
半導体集積回路(以下、ICと称す)の製造工程では、金属及び誘電体の成膜が種々行われる。成膜の処理方法としては、たとえば、CVD,ドライエッチング,スパッタリング等が用いられている。近年、ICの小型化が進んでおり、これに対応するために、更なる微細化や3次元的に半導体を形成することが検討されており、高アスペクトビアへの高均一な成膜が求められている。 In the manufacturing process of a semiconductor integrated circuit (hereinafter referred to as IC), various metal and dielectric films are formed. For example, CVD, dry etching, sputtering, or the like is used as a film forming method. In recent years, miniaturization of ICs has progressed, and in order to cope with this, further miniaturization and three-dimensional semiconductor formation have been studied, and highly uniform film formation on high aspect vias is required. It has been.
更に、近年、レンズの薄型化や枚数削減のために、立体形状(凹凸面)レンズへの反射防止膜やエッジフィルタ等の光学薄膜の高均一な形成も検討されている。これらの光学デバイスは、通常、低屈折率材料(SiO2,MgF等)と高屈折率材料(Ta2O5,TiO2,Nb2O5等)、その中間の屈折率を有する材料(Al2O3等)の膜の積層構造であり、各層の光学膜厚(屈折率×物理膜厚)がデバイス特性を決定するために、高い膜厚均一性と高い膜厚制御性が必要である。これら光学薄膜は蒸着で形成されるのが主流であったが、膜質の観点からスパッタリングによる形成が検討されている。 Furthermore, in recent years, highly uniform formation of an optical thin film such as an antireflection film or an edge filter on a three-dimensional (uneven surface) lens has been studied in order to reduce the thickness of the lens and reduce the number of lenses. These optical devices usually have a low refractive index material (SiO 2 , MgF, etc.) and a high refractive index material (Ta 2 O 5 , TiO 2 , Nb 2 O 5, etc.), and a material having an intermediate refractive index (Al 2 O 3 etc.), and in order that the optical film thickness (refractive index x physical film thickness) of each layer determines device characteristics, high film thickness uniformity and high film thickness controllability are required. . These optical thin films were mainly formed by vapor deposition, but formation by sputtering has been studied from the viewpoint of film quality.
また、近年、ニーズの多様化により、商品の多品種少量化が進んでおり、従来の大型装置を用いた大ロット生産から小ロット生産への変換が求められている。また、商品の在庫削減を目的とした商品管理サイクルの短縮化等に伴い、生産リードタイムの短縮も求められている。以上の要望に対応するためにも、スパッタリングを用いた小型成膜装置による高品質・低コストかつ効率的な生産が検討されている。 In recent years, diversification of needs has led to a reduction in the number of products in a variety of products, and there is a demand for conversion from large lot production to small lot production using a conventional large-sized apparatus. In addition, with the shortening of the product management cycle for the purpose of reducing the inventory of products, there is a demand for shortening the production lead time. In order to meet the above demands, high-quality, low-cost and efficient production using a small film forming apparatus using sputtering has been studied.
図10に従来のマグネトロンスパッタリング装置の概略構成図を示す。今回は半導体向けの電極形成用マグネトロンスパッタリング装置を例に示す。以下、この従来のスパッタリング装置を説明する。 FIG. 10 shows a schematic configuration diagram of a conventional magnetron sputtering apparatus. This time, the magnetron sputtering device for electrode formation for semiconductors is shown as an example. Hereinafter, this conventional sputtering apparatus will be described.
従来のスパッタリング装置90は、真空引き可能な真空容器91でスパッタ室を形成し、真空容器91の上方にはターゲット92が下部電極93に固定保持され、アース電位となるアースシールド920が外周を覆っている。更にターゲット92の裏面にはそれぞれ内側磁石96とそれを取り囲むように内側磁石96とは反対の磁化成分を持つ外側磁石98が配置され、両磁石(96、98)はヨーク910で磁気的に結合されている。この磁石(96、98)により、導電性のターゲット92表面には弧状の磁力線912が形成される。下部電極93は容器91とは電気的に絶縁されている。そして下部電極93は、ターゲット92の温度が上昇するのを防ぐために水冷機構(図示せず)を内蔵する。
In the
そして、真空容器91の下方には、基板ホルダ914が下部電極93に対向して50mmの距離にて平行に配置される。そして、この基板ホルダ914は真空容器91と電気的に絶縁されており、浮遊電位である。そして、基板ホルダ914上に基板例えば半導体のウェハ(基板915)が載置される。そして、基板ホルダ914は、基板915を所定の温度に維持するための冷却もしくは加熱機構(図示せず)を内蔵する。
A
そして、下部電極93と真空容器91間の電源917により、所定のDC電力が与えられる。
And predetermined DC electric power is given by the
このスパッタリング装置90で成膜処理を行うには基板ホルダ914上に基板915を載置し、排気口(図示せず)につながる真空ポンプ(図示せず)により真空容器91内を真空に引き、次にガス導入口(図示せず)から反応性ガスを含む所定のガス(例えば、Arガス)を所定流量導入しつつ排気口と真空ポンプとの間に介在する可変コンダクタンスバルブ(図示せず)を調節して所定の圧力に調節する。また、高い面内均一性を確保する必要がある場合には、基板ホルダ914に結合された基板ホルダ回転機構916にて基板ホルダ914を回転させる。また、本成膜前のダミー放電時に基板へスパッタ粒子が付着しないようにするための基板シャッター919を基板上に配置している。
In order to perform the film forming process with the
そして、ターゲット92に負のDC電圧を印加することでグロー放電を起こし、プラズマを発生させる。発生したプラズマ中の電子はターゲット92裏面に配置された磁石(96、98)により発生する弧状の磁力線912にトラップされ、更に電離を促進しプラズマ密度を向上させる。発生したプラズマ中の+イオン(例えば、Ar+、O2+等)は負のDC電圧によりターゲット92に引き込まれターゲット92の構成原子をスパッタリングする。ターゲット92からスパッタリングされたスパッタ粒子はコサイン則に従い、拡散し、基板915上に堆積していく。この際、スパッタ粒子はスパッタリング装置90内の防着板等の部材にも付着する。高アスペクトのビアに対して成膜をした場合、直進成分が少ないため、ビアの表面および表面近傍の側面に膜は付着し、ビアの底面には成膜されにくい。また、凹凸面のレンズに対しても、上記の理由により、高均一な膜形成は困難である。
Then, a negative DC voltage is applied to the
それに対して、スパッタ粒子の直進性を高め、高アスペクトのビア内への膜付着を促進させるために、以下の文献が公開されている。 On the other hand, in order to improve the straightness of the sputtered particles and promote film adhesion in the high aspect via, the following documents are disclosed.
特許文献1、2では、ターゲットと基板間の距離を大きくしたり、ターゲットと基板間にコリメータを配置することで、スパッタ粒子の直進成分の割合を多くしている。 In Patent Documents 1 and 2, the ratio of the rectilinear component of the sputtered particles is increased by increasing the distance between the target and the substrate or arranging a collimator between the target and the substrate.
また、特許文献3では、スパッタリング成膜と同時にイオン発生機構からのイオンシャワー照射によりエッチングし、表面を改質している。 Moreover, in patent document 3, it etches by ion shower irradiation from an ion generation mechanism simultaneously with sputtering film-forming, and modifies the surface.
しかしながら、特許文献1や特許文献2の方法では、装置が大型化・複雑化すると共に、スループットも低下してしまう。 However, the methods of Patent Document 1 and Patent Document 2 increase the size and complexity of the apparatus and reduce the throughput.
また、特許文献3の方法では、スパッタリング成膜とイオン発生機構の干渉が大きく、面内を高均一に処理することが困難である。 In the method of Patent Document 3, there is a large interference between the sputtering film formation and the ion generation mechanism, and it is difficult to process the surface in a highly uniform manner.
本発明は、上記従来の課題を解決するものであって、3次元形状の測定物に対し均一性の高いエッチングができ、高均一な膜の作成かつ高効率な生産を行うことが可能なスパッタリング装置を提供するものである。 The present invention solves the above-described conventional problems, and can perform highly uniform etching on a three-dimensional shape measurement object, and can perform production of a highly uniform film and highly efficient production. A device is provided.
本願発明のスパッタリング装置は、真空容器と、前記真空容器内に配置されたターゲットと、前記真空容器内にガスを導入しながら排気するガス調整手段と、前記ターゲットに対向して配置された基板ホルダとを備え、前記ターゲットにて前記基板ホルダに保持された基板を成膜するスパッタリング装置において、前記ターゲットの中心と前記基板ホルダの中心がずらして配置され、前記基板に対して垂直および斜め方向からイオンを照射する複数のイオン発生機構を備えたことを特徴とするものである。 A sputtering apparatus according to the present invention includes a vacuum vessel, a target arranged in the vacuum vessel, a gas adjusting means for exhausting gas while introducing the gas into the vacuum vessel, and a substrate holder arranged facing the target A sputtering apparatus for forming a substrate held on the substrate holder by the target, wherein the center of the target and the center of the substrate holder are arranged to be shifted from each other perpendicularly and obliquely to the substrate. A plurality of ion generation mechanisms for irradiating ions are provided.
本願発明のスパッタリング装置は、高アスペクトのビアや凸凹形状のレンズのような3次元形状の測定物に対して面内均一性が高く、高均一な膜の形成かつ高効率な生産が実現できる。 The sputtering apparatus of the present invention has high in-plane uniformity with respect to a three-dimensional measurement object such as a high aspect via or convex / concave lens, and can realize highly uniform film formation and high efficiency production.
(実施の形態1)
図1に本発明の実施の形態1のスパッタリング装置の概略構成図を示す。なお、図において、配置関係を明確にするために、各図にxyz軸を図示している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a sputtering apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the drawings, the xyz axis is shown in each figure in order to clarify the arrangement relationship.
このスパッタリング装置10は、開口径φ10μm、深さ30μmのビアのパターン(図示せず)を有したSiの基板115を、真空容器11に投入し、スパッタリングにより導電体であるCu薄膜を形成しながら、イオンビームによりエッチングするDCマグネトロンスパッタリング装置の例である。
In this
真空容器11の下部に外径300mm×100mmの矩形のCuのターゲット12及び下部電極13を配置し、ターゲット12−基板115間の距離100mmでSiの基板115を配置している。ここで、基板トレイ114の中心とターゲット中心間距離は70mmである。ターゲット12の外周には接地電位のアースシールド120を配置した。また、半径φ100mmの垂直方向入射用のイオンビーム発生装置121を、基板115の中心からターゲット12の反対側に70mmずらし、基板115との距離を100mmの高さに配置した。また、このイオンビーム発生装置(イオン発生機構)121は、基板115に対して最適な角度に設定できるように可動可能である。図2に示すように、半径φ100mmの斜め入射用のイオンビーム発生装置122を基板115の中心からターゲット12の反対側に90mmずらし、さらに、基板115の中心をその中心として周方向に45°ずらし、基板115に対して30°斜めにし、基板115から50mmの高さに配置した。さらに、ターゲット12とイオンビーム発生装置121との間に2枚の防着板123、124を配置した。
A
ターゲット12側の防着板123は加工性に優れる磁性体材料SPCCで構成され、その底辺と基板115との距離を50mmにて設置した。また、低コストの非磁性のSUS304で構成される防着板124は、底辺と基板115との距離を70mmにて設置した。
The
この真空容器11をターボ分子ポンプ(図示せず)とロータリーポンプ(図示せず)で5×10−4Paまで排気した後に、Arガスを50sccm導入した。真空容器11内圧力は可変コンダクタンスバルブ(図示せず)を調整することにより0.5Paで一定に保った。
The
次に、基板115を回転させ、DCパルス電源117により3kWの電力をターゲット12の裏面の下部電極13に印加した。これにより、ターゲット12上にグロー放電が発生し、スパッタリングを開始できる。それと同時にイオンビーム発生装置121、122により、印加電圧を500V、電流を20mAに設定し、基板115上にイオンビームを照射し、エッチングを行った。
Next, the
スパッタリング成膜のみでの基板115上のビア125内への膜付着形状を図3(a)、(b)に示す。ビア125とは、図3(a)に示すような基板115表面に複数個、任意の形状・配置にて形成されている穴のことである。基板115に対してターゲット12をずらして配置しているため、基板外側115bのビア125は、ビア内側面の内側および外側に偏りが少ないが、基板内側115aのビア125は、ビア内側面の内側に対して外側が薄くなっている。
FIGS. 3A and 3B show the shape of the film attached to the via 125 on the
ここで、イオンビーム発生装置122による斜め入射のみでのエッチングの模式図を図4(a)、(b)に示す。斜め入射のため、基板115の表面およびビア内側面の内側のみエッチングされてしまう。基板内側115aのビア125は均一になるが、基板外側115bのビア125はビア内側面の内側のみエッチングされるために、逆に偏りができてしまう。さらに、イオンビーム発生装置121を追加したエッチングの模式図を図5(a)、(b)に示す。イオンビーム発生装置121が水平に配置されている時は、基板115表面およびビア内の底面の付着した膜をエッチングする。イオンビーム発生装置121が基板115の外側方向15°に傾いている時は、基板115表面および基板外側115bのビア内側面の外側をエッチングする。以上の効果により、本発明では、表面の面内かつビア内で均一な膜形成が可能になる。
Here, FIGS. 4A and 4B are schematic diagrams of etching only by oblique incidence by the
また、ターゲット12とイオンビーム発生装置121間に設置した防着板123を磁性体材料にすることで、磁石16,18からの磁界を遮断し、イオンビームが磁界により、軌道が曲げられることを防止でき、狙いの箇所を効率的にエッチングできる。防着板123がないときの模式図を図6に示し、防着板123があるときの模式図を図7に示す。
Further, by making the
さらに、ターゲット12とイオンビーム発生装置121間に設置した防着板123、124に正の電位を印加することで、プラズマ中とイオンビーム中の正イオンの干渉を小さくできる。防着板123にはプラズマ中の正イオンのイオンビーム中への拡散を防止するために、放電電圧の10%以下である+20Vを印加した。その際に、2重の防着板にてそれぞれ単独で印加電圧を制御し、プラズマ側の防着板123への印加電圧より防着板124への印加電圧を小さくし、かつ、防着板124を防着板123よりも基板115側から遠く設置することで、正の電位を持つイオンビームが正の電位を印加した防着板124に反発し大きく曲げられることを抑制し、狙い通りの箇所に照射できる。
Furthermore, by applying a positive potential to the
以上の理由により、防着板124には+10Vを印加した。この際、防着板124への印加電圧はイオンビーム発生装置121に印加されている電圧の5%以下かつ防着板124への印加電圧より小さく設定すれば十分な効果は得られる。
For the reasons described above, +10 V was applied to the
また、防着板123への印加電圧を放電電圧の10%以上にするとプラズマへの影響が大きくなってしまい、放電が不均一になってしまうため、防着板123への印加電圧は十分な効果が得られる放電電圧の5%〜10%が望ましい。
Further, if the applied voltage to the
基板115と防着板123、124の配置については、防着板123は基板シャッター119と干渉しない位置、かつ基板115から30mm以上かつ磁界及びプラズマを十分遮断できる50mm以下にて設定するのが好ましく、本実施例では50mmとした。また、防着板124はイオンビーム発生装置121への影響を小さくできるのに十分な距離である70mmを基板115から離して設置した。また、防着板123、124を絶縁するために、テフロン(登録商標)やセラミック等の絶縁体をそれらの間に挿入してもよい。
The arrangement of the
さらに、電位が小さく磁性体材料の防着板123を、電位が大きい防着板124より基板115側方向に長くすることで、基板115近傍で防着板124に印加している電位やスパッタカソードの磁場によりイオンビームが曲げられないようにしている。
Furthermore, the potential applied to the
さらに、図8に示すように防着板123とターゲット12の距離を、ターゲット12の外側に対して、ターゲット12の内側を大きくすることで、防着板123への膜付着量を均一にすることができる。
Furthermore, as shown in FIG. 8, the distance between the
さらに、図9に示すように防着板123を、防着板123とターゲット12の距離が基板115に近づくにつれて大きくなるように斜めにすることで膜の付着量を削減することもできる。
Further, as shown in FIG. 9, the deposition amount of the film can be reduced by making the
さらに、基板ホルダ114において、負の電位を印加することで、イオンビームのエネルギー・直進性をさらに向上させることができ、エッチングレート向上及び形状の最適化ができる。
Furthermore, by applying a negative potential to the
さらに、イオンビーム以外のイオンシャワー等のイオン発生機構を用いても本発明と同様の効果が得られる。 Furthermore, the same effect as that of the present invention can be obtained by using an ion generation mechanism such as an ion shower other than the ion beam.
さらに、基板形状や要求仕様によって、スパッタリング成膜の成膜条件、装置構成とイオンビームのイオン種、照射条件および間欠等の照射方法を最適化することで本発明と同様の効果が得られる。 Furthermore, the same effects as those of the present invention can be obtained by optimizing the film formation conditions for sputtering film formation, the apparatus configuration, the ion species of the ion beam, the irradiation conditions, and the intermittent irradiation method depending on the substrate shape and the required specifications.
以上のことにより、1つの真空容器内にターゲットと複数のイオン発生機構を配置し、スパッタリング成膜しながら同時に複数のイオン発生機構により垂直方向および斜め方向からエッチングすることで、高アスペクトのビアや凸凹形状のレンズのような3次元形状の基板に対して、小型装置にて面内の高い膜厚均一性かつ高スループットが達成できる。これにより、高均一かつ生産性の向上が実現できる小型スパッタリング装置を提供することができた。 As described above, by arranging a target and a plurality of ion generation mechanisms in one vacuum vessel, and simultaneously etching a plurality of ion generation mechanisms from a vertical direction and an oblique direction while forming a sputtering film, With respect to a three-dimensional substrate such as an uneven lens, high in-plane film thickness uniformity and high throughput can be achieved with a small apparatus. As a result, it was possible to provide a small sputtering apparatus that can achieve high uniformity and improved productivity.
本発明にかかるスパッタリング装置は、高アスペクトのビアや凸凹形状のレンズのような3次元形状の基板に対して、小型装置にて面内の高い膜厚均一性かつ高スループットが達成できるので、スパッタリングにより薄膜を形成するための方法として有用である。 The sputtering apparatus according to the present invention can achieve high in-plane film thickness uniformity and high throughput with a small apparatus on a three-dimensional substrate such as a high aspect via or an uneven lens. This is useful as a method for forming a thin film.
10,90 スパッタリング装置
11,91 真空容器
12,92 ターゲット
13,93 下部電極
16,18,96,98 磁石
110,910 ヨーク
112,912 磁力線
114,914 基板ホルダ
115,915 基板
116,916 基板ホルダ回転機構
117,917 電源
119,919 基板シャッター
120,920 アースシールド
121、122 イオンビーム発生装置
123、124 防着板
10, 90
Claims (8)
前記ターゲットの中心と前記基板ホルダの中心がずらして配置され、
前記基板に対して垂直および斜め方向からイオンを照射する複数のイオン発生機構を備えたこと
を特徴とするスパッタリング装置。 A vacuum vessel, a target arranged in the vacuum vessel, a gas adjusting means for exhausting gas while introducing gas into the vacuum vessel, and a substrate holder arranged to face the target. In a sputtering apparatus for forming a substrate held by the substrate holder,
The center of the target and the center of the substrate holder are shifted from each other,
A sputtering apparatus comprising a plurality of ion generating mechanisms for irradiating ions from perpendicular and oblique directions with respect to the substrate.
を特徴とする請求項1に記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 1, wherein an adhesion preventing plate to which a positive potential is applied is disposed between the target and the ion generation mechanism.
を特徴とする請求項2に記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 2, wherein the deposition preventing plate is made of a magnetic material or a magnetic material formed on a surface thereof.
を特徴とする請求項2または3に記載のスパッタリング装置。 The deposition preventing plate is composed of a first deposition preventing plate and a second deposition preventing plate, and has a higher positive potential applied to the second deposition preventing plate on the ion generating mechanism side than the first deposition preventing plate on the target side. The sputtering apparatus according to claim 2, wherein:
を特徴とする請求項2から4いずれか1項に記載のスパッタリング装置。 The said adhesion prevention board is comprised from the 1st adhesion prevention board and the 2nd adhesion prevention board, and the distance with the board | substrate holder of the 2nd adhesion prevention board by the side of the said ion generating mechanism is more than the 1st adhesion prevention board by the side of a target. The sputtering apparatus according to claim 2, wherein the sputtering apparatus is large.
を特徴とする請求項2から5いずれか1項に記載のスパッタリング装置。 The surface of the deposition preventing plate is a curved surface, and the distance between the deposition preventing plate and the target is larger on the inner side of the target than on the outer side of the target. The sputtering apparatus as described.
を特徴とする請求項2から6いずれか1項に記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 2, wherein the distance between the deposition preventing plate and the target increases as the distance from the substrate approaches.
を特徴とする請求項2から7いずれか1項に記載のスパッタリング装置。 The sputtering apparatus according to claim 2, wherein a negative potential is applied to the substrate holder.
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