JP2019099837A - Sputtering apparatus, and sputtering method - Google Patents

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末次 大輔
Daisuke Suetsugu
大輔 末次
貴英 平崎
Takahide Hirasaki
貴英 平崎
大熊 崇文
Takafumi Okuma
崇文 大熊
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Abstract

To provide a sputtering apparatus and a sputtering method having good film coatability and its uniform distribution over a substrate surface.SOLUTION: A sputtering apparatus includes a vacuum chamber 1, a sputter pulse power source 30 connected to a target material 7, a deflection coil 21 arranged in a space between the target material 7 and a substrate 6, a deflection coil pulse power source 31 connected to the deflection coil 21, and a pulse timing controller 40 that is connected to the sputter pulse power source 30 and the deflection coil pulse power source 31 and controls pulse timing by synchronizing or shifting the timing of each pulse from the sputter pulse power source 30 and the deflection coil pulse power source 31.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体ウエハなどの基板に対して成膜を行う、スパッタ装置およびスパッタ方法に関する。   The present invention relates to a sputtering apparatus and a sputtering method for forming a film on a substrate such as a semiconductor wafer.

半導体デバイスや電子デバイスの製造においては、基板上に金属や酸化物などの薄膜を形成し、この薄膜を所望のパターンに形成して、電極や配線の他、抵抗、キャパシタなどが形成されている。近年、半導体デバイスでは微細化が進み、基板上に形成されたトレンチやホールのアスペクト比(深さ/トレンチ幅もしくはホール径)は大きくなる傾向にある。また、耐熱性が要求される電子デバイスにおいては、熱伝導性は高いが表面にサブミクロンの凹凸が存在するセラミック焼結基板を用いて製作する場合がある。このように表面にトレンチやホールの凹凸を有する基板や、サブミクロンの凹凸が存在する基板において、これらの凹凸部分の側壁部分や底面部分などに、配線材料のめっきシード膜、抵抗デバイスの抵抗膜、各種デバイスの防湿保護膜などを均一に形成する要求が高まっている。   In the manufacture of semiconductor devices and electronic devices, thin films of metals, oxides, etc. are formed on a substrate, and the thin films are formed into a desired pattern, and resistors, capacitors, etc. are formed in addition to electrodes and wirings. . In recent years, miniaturization of semiconductor devices has progressed, and the aspect ratio (depth / trench width or hole diameter) of trenches and holes formed on a substrate tends to be large. Further, in the case of an electronic device which is required to have heat resistance, it may be manufactured using a ceramic sintered substrate having high thermal conductivity but having submicron irregularities on the surface. As described above, in a substrate having irregularities of trenches or holes on the surface, or a substrate having irregularities of submicron, plating seed films of wiring materials, resistance films of resistance devices, etc. on side wall portions or bottom portions of these irregularities. There is an increasing demand for uniformly forming moisture-proof protective films of various devices.

従来、このような凹凸部分に形成する薄膜の被覆性を向上するための成膜手段の一つとしてはパルススパッタ法がある(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, there is a pulse sputtering method as one of the film forming means for improving the coverage of a thin film formed on such a concavo-convex portion (see, for example, Patent Document 1).

以下、図8を参照しつつ従来のパルススパッタ法について説明する。図8は、従来のパルススパッタ法を行うためのパルススパッタ装置の概略構成を示す断面図である。   Hereinafter, the conventional pulse sputtering method will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a pulse sputtering apparatus for performing the conventional pulse sputtering method.

図8に示す従来のパルススパッタ装置において、真空チャンバー101の内部は、バルブ103を介して接続された真空ポンプ102で排気することによって、真空状態となるように減圧される。ガス供給源104はスパッタに必要なガスを真空チャンバー101内へ一定速度で供給することができる。バルブ103はその開閉率を変化させることにより、真空チャンバー101内の真空度を所望のガス圧力に制御することができる。真空チャンバー101内には、ターゲット材107が配置されている。バッキングプレート108は、ターゲット材107を支持している。スパッタパルス電源130はバッキングプレート108に電気的に接続されている。スパッタパルス電源130は、バッキングプレート108を介してターゲット材107に電圧を印加することにより、真空チャンバー101内の一部のガスが解離し、プラズマを発生させることができる。また、スパッタパルス電源130は出力のオン、オフを一定のタイミングで繰り返すパルスを印加することができる。真空チャンバー101の内部には、ターゲット材107に対向して、基板106が配置されている。基板ホルダー105は、基板106の下部に配置されており、基板106を支持している。基板バイアス直流電源133は、基板ホルダー105に電気的に接続されており、電圧を印加することにより基板電位を設定することができる。スパッタ条件設定器141は、スパッタパルス電源130と、バイアス直流電源133とに接続されており、スパッタパルス電源130のパルス電圧印加のオン、オフ比の設定値や、バイアス直流電源133のバイアス電圧設定値を指示し制御することができる。   In the conventional pulse sputtering apparatus shown in FIG. 8, the inside of the vacuum chamber 101 is depressurized to a vacuum state by evacuating it with a vacuum pump 102 connected via a valve 103. The gas supply source 104 can supply the gas necessary for sputtering into the vacuum chamber 101 at a constant rate. The degree of vacuum in the vacuum chamber 101 can be controlled to a desired gas pressure by changing the open / close rate of the valve 103. In the vacuum chamber 101, a target material 107 is disposed. The backing plate 108 supports the target material 107. The sputter pulse power supply 130 is electrically connected to the backing plate 108. By applying a voltage to the target material 107 through the backing plate 108, the sputtering pulse power source 130 can dissociate a part of the gas in the vacuum chamber 101 and generate plasma. In addition, the sputtering pulse power supply 130 can apply a pulse that repeats the on / off of the output at a constant timing. A substrate 106 is disposed inside the vacuum chamber 101 so as to face the target material 107. The substrate holder 105 is disposed below the substrate 106 and supports the substrate 106. The substrate bias DC power supply 133 is electrically connected to the substrate holder 105, and can set the substrate potential by applying a voltage. The sputtering condition setting unit 141 is connected to the sputtering pulse power supply 130 and the bias DC power supply 133, and sets the on / off ratio of pulse voltage application of the sputtering pulse power supply 130 and the bias voltage setting of the bias DC power supply 133. You can indicate and control the value.

パルス電圧印加のオンの期間に、真空チャンバー101内に発生させたパルス状のプラズマによってターゲット材107がスパッタリングされて飛び出す。その際、飛び出した材料粒子の一部はイオン化し正電荷を帯びた荷電粒子となっており、残りの材料粒子は中性粒子である。飛び出した中性粒子については、基板106に到達してターゲット材107の薄膜が堆積する。荷電粒子については、基板106に印加された電位により引き寄せられて加速され、中性粒子に比べて、基板106に対してより垂直に近い角度で基板106に入射するため、基板106の凹部の底面にも到達しやすい。真空チャンバー101内のガスおよびプラズマは、基板106上に堆積されつつある材料粒子と反応して目的の化合物を形成する。また、パルス電圧印加のオフの期間にも、真空チャンバー101内のガスおよびプラズマが、基板106上に堆積したターゲット材107と反応することにより、ターゲット材107とガスが反応した緻密な化合物が形成される。これら一連のパルス成膜を所定の回数繰り返すことにより、基板106上に化合物薄膜が生成される。   During the on period of the pulse voltage application, the target material 107 is sputtered out by the pulsed plasma generated in the vacuum chamber 101. At that time, some of the material particles that have jumped out are ionized and become positively charged charged particles, and the remaining material particles are neutral particles. The ejected neutral particles reach the substrate 106 and a thin film of the target material 107 is deposited. The charged particles are attracted and accelerated by the potential applied to the substrate 106, and are incident on the substrate 106 at an angle closer to perpendicular to the substrate 106 than the neutral particles, so the bottom of the recess of the substrate 106 It is easy to reach. The gas and plasma in the vacuum chamber 101 react with material particles being deposited on the substrate 106 to form a target compound. Further, even during the off period of the pulse voltage application, the gas and plasma in the vacuum chamber 101 react with the target material 107 deposited on the substrate 106 to form a dense compound in which the target material 107 and the gas react. Be done. A compound thin film is formed on the substrate 106 by repeating this series of pulse film formation a predetermined number of times.

また、一般的に、ターゲット材107の裏面には、マグネット109とヨーク110が配置され、ターゲット材107の表面において、ターゲット材107の平面に対する平行磁場が最大となる位置にプラズマを集中させて、成膜速度を向上させている。なお、このプラズマが集中する位置をエロージョンと呼ぶ。また、エロージョンが特定の位置に集中するとターゲット材107の一部だけが消耗し、材料を効率的に利用できないため、図示していないが、マグネット109とヨーク110を、駆動装置によってターゲット材107に対して平行に移動して、エロージョン位置を移動させることがある。   In general, the magnet 109 and the yoke 110 are disposed on the back surface of the target material 107, and the plasma is concentrated on the surface of the target material 107 at a position where the parallel magnetic field with respect to the plane of the target material 107 is maximum. The deposition rate is improved. The position where this plasma is concentrated is called erosion. In addition, when erosion concentrates on a specific position, only a part of the target material 107 is consumed, and the material can not be used efficiently, so the magnet 109 and the yoke 110 are not shown in FIG. It may move parallel to move the erosion position.

特開2004−266112号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2004-266112

しかしながら、前述の従来のパルススパッタ装置(図8参照)については、イオン化した粒子の入射する角度を制御することが出来ないため、よりアスペクト比が大きい凹凸を有する基板においては十分な被覆性を得られず、特に凹部の底部や底部近くの側壁の被覆性が十分でない場合がある。また、ターゲット材107表面のエロージョンはリング状の形状を有しており、粒子の飛び出す方向は等方的でないため、基板106の表面の位置において、粒子の基板106に対する入射する角度が異なっている。この結果、被覆性に関して基板面内分布が大きく異なり均一ではないという問題が生じてしまい、デバイスの品質や歩留まりを悪化させるという問題を有していた。   However, in the above-described conventional pulse sputtering apparatus (see FIG. 8), since the incident angle of ionized particles can not be controlled, sufficient coverage can be obtained in a substrate having a larger aspect ratio asperity. In particular, the coverage of the bottom of the recess and the side wall near the bottom may not be sufficient. In addition, since the erosion of the surface of the target material 107 has a ring shape and the particles do not fly out in an isotropic direction, the incident angle of the particles to the substrate 106 is different at the position of the substrate 106 surface. . As a result, there is a problem that the in-plane distribution of the substrate is largely different and not uniform with respect to the covering property, and there is a problem that the quality and the yield of the device are deteriorated.

本発明は、前述の従来のパルススパッタ装置における問題点を考慮し、薄膜の被覆性が良く、基板面内分布の均一化を図ることができる成膜が可能なスパッタ装置およびスパッタ方法を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a sputtering apparatus and a sputtering method capable of forming a film having good thin film coverage and uniformity of in-plane distribution of the substrate, taking into consideration the problems in the above-described conventional pulse sputtering apparatus. The purpose is

本発明のスパッタ装置は、ターゲット材料および基板が内部に配置される真空チャンバーと、前記ターゲット材料に接続されるスパッタパルス電源と、を備え、前記真空チャンバー内でプラズマを生成して基板上に薄膜を形成するスパッタ装置であって、
前記スパッタ装置は、前記ターゲット材料と前記基板との間の空間に配設された偏向コイルと、前記偏向コイルに接続された偏向コイルパルス電源と、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源とに接続されて、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源からの各パルスのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うパルスタイミング制御器と、を備える。
The sputtering apparatus of the present invention comprises a vacuum chamber in which a target material and a substrate are disposed, and a sputter pulse power source connected to the target material, generating plasma in the vacuum chamber to form a thin film on the substrate A sputtering apparatus for forming
The sputtering apparatus includes a deflection coil disposed in a space between the target material and the substrate, a deflection coil pulse power supply connected to the deflection coil, the sputtering pulse power supply, and the deflection coil pulse power supply. And a pulse timing controller connected to perform control to synchronize or shift the timing of each pulse from the sputtering pulse power supply and the deflection coil pulse power supply.

本発明によれば、イオン化した粒子の飛翔方向を、基板の凹凸形状に適した角度に偏向制御することができるため、薄膜の被覆性が向上するスパッタ装置およびスパッタ方法を提供することが出来る。すなわち、本発明のスパッタ装置およびスパッタ方法においては、粒子の飛翔方向の偏向により、垂直に近い角度による底部の被覆、浅い入射角度への制御による側壁への被覆、入射角度を逆転させた制御による逆側面への被覆により、効果的に被覆性を高めることが出来る。また、本発明のスパッタ装置およびスパッタ方法は、偏向に悪影響を与えることなく基板バイアスを印加することが出来るため、例えば、基板のトレンチやホールなどの凹凸部分において生じるオーバーハングが低減され、基板凹部の側壁および底部への被覆性をさらに向上させる効果がある。   According to the present invention, the flying direction of the ionized particles can be controlled to be deflected to an angle suitable for the asperity shape of the substrate, so that a sputtering apparatus and a sputtering method can be provided in which the coverage of the thin film is improved. That is, in the sputtering apparatus and the sputtering method according to the present invention, coating of the bottom by an angle close to the vertical, coating to the side wall by control to a shallow incident angle, and control by reversing the incident angle Coating on the opposite side can effectively enhance the coverage. In addition, since the sputtering apparatus and the sputtering method of the present invention can apply the substrate bias without adversely affecting the deflection, for example, the overhang generated in the uneven portion such as the trench or the hole of the substrate is reduced, and the substrate concave portion It has the effect of further improving the coverage of the side wall and bottom of the

本発明に係る実施の形態1のスパッタ装置の概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the sputter apparatus of Embodiment 1 which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態1のスパッタ装置において、イオン化した粒子の磁場による偏向を模式的に示す図The figure which shows typically the deflection | deviation by the magnetic field of ionized particle | grains in the sputter apparatus of Embodiment 1 which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態1のスパッタ装置において、図2における矢印Aの方向から見た偏向コイルの模式図In the sputtering apparatus of Embodiment 1 which concerns on this invention, the schematic diagram of the deflection | deviation coil seen from the direction of arrow A in FIG. 本発明に係る実施の形態1のスパッタ装置において、偏向された粒子などの基板への入射角度を模式的に示す図The figure which shows typically the incident angle to the board | substrate of the particle | grains etc. which were deflected in the sputter apparatus of Embodiment 1 which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態1のスパッタ装置において、スパッタパルス信号と磁場偏向パルス信号との印加タイミングを示す波形図In the sputtering apparatus according to the first embodiment of the present invention, a waveform chart showing application timings of a sputtering pulse signal and a magnetic field deflection pulse signal 本発明に係る実施の形態2のスパッタ装置の概略構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic structure of the sputter apparatus of Embodiment 2 which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態2のスパッタ装置において、スパッタパルス信号と磁場偏向パルス信号と基板バイアスパルス信号との印加タイミングを示す波形図In the sputtering apparatus of Embodiment 2 according to the present invention, a waveform chart showing application timings of a sputtering pulse signal, a magnetic field deflection pulse signal and a substrate bias pulse signal 従来のパルススパッタ装置の概略構成を示す断面図Sectional view showing a schematic configuration of a conventional pulse sputtering apparatus

先ず始めに、本発明に係るスパッタ装置およびスパッタ方法における各種態様の構成について記載する。
本発明に係る第1の態様のスパッタ装置は、
ターゲット材料および基板が内部に配置される真空チャンバーと、前記ターゲット材料に接続されるスパッタパルス電源とを備え、前記真空チャンバー内でプラズマを生成して基板上に薄膜を形成するスパッタ装置であって、
前記スパッタ装置は、前記ターゲット材料と前記基板との間の空間に配設された偏向コイルと、前記偏向コイルに接続された偏向コイルパルス電源と、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源とに接続されて、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源からの各パルスのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うパルスタイミング制御器とを、を備える。
First, the configurations of various aspects in the sputtering apparatus and the sputtering method according to the present invention will be described.
The sputtering apparatus according to the first aspect of the present invention is
A sputtering apparatus comprising: a vacuum chamber in which a target material and a substrate are disposed; and a sputtering pulse power source connected to the target material, wherein plasma is generated in the vacuum chamber to form a thin film on the substrate. ,
The sputtering apparatus includes a deflection coil disposed in a space between the target material and the substrate, a deflection coil pulse power supply connected to the deflection coil, the sputtering pulse power supply, and the deflection coil pulse power supply. And a pulse timing controller connected to perform control to synchronize or shift the timing of each pulse from the sputtering pulse power supply and the deflection coil pulse power supply.

上記のように構成された第1の態様のスパッタ装置は、イオン化した粒子の飛翔方向を、基板の凹凸形状に適した角度に偏向制御することができるため、薄膜の被覆性を向上させることが出来る。   The sputtering apparatus of the first aspect configured as described above can control the flying direction of the ionized particles to an angle suitable for the concavo-convex shape of the substrate, and thus improve the coverage of the thin film. It can.

本発明に係る第2の態様のスパッタ装置は、前記の第1の態様のスパッタ装置において、
前記基板に接続されたバイアスパルス電源と、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源と前記バイアスパルス電源とに接続されて、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源と前記バイアスパルス電源からの各パルスのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うパルスタイミング制御器とを、を備えてもよい。
The sputtering apparatus according to the second aspect of the present invention is the sputtering apparatus according to the first aspect described above,
A bias pulse power supply connected to the substrate, the sputtering pulse power supply, the deflection coil pulse power supply, and the bias pulse power supply are connected to each other from the sputter pulse power supply, the deflection coil pulse power supply, and the bias pulse power supply. And a pulse timing controller that performs control to synchronize or shift the timing of the pulses.

上記のように構成された第2の態様のスパッタ装置は、偏向に悪影響を与えることなく基板バイアスを印加することが出来るため、例えば、基板のトレンチやホールなどの凹凸部分において生じるオーバーハングが低減され、基板凹部の側壁および底部への被覆性をさらに向上させることが出来る。   The sputtering apparatus according to the second aspect configured as described above can apply the substrate bias without adversely affecting the deflection, so that, for example, the overhang generated in the uneven portion such as the trench or the hole of the substrate is reduced. It is possible to further improve the coverage of the side wall and the bottom of the substrate recess.

本発明に係る第3の態様のスパッタ方法は、前記の第1または第2の態様のスパッタ装置を利用するスパッタ方法であって、
前記パルスタイミング制御器が、前記偏向コイルパルス電源のパルスのオンのタイミングを、前記スパッタパルス電源のパルスのオフ時点から0μsec以上100μsec以下の期間の経過後にオン状態とする制御を行っている。
A sputtering method according to a third aspect of the present invention is a sputtering method utilizing the sputtering apparatus according to the first or second aspect, wherein
The pulse timing controller performs control such that the on timing of the pulse of the deflection coil pulse power supply is turned on after the lapse of a period of 0 μsec or more and 100 μsec or less from the off time of the pulse of the sputter pulse power supply.

上記のように構成された第3の態様のスパッタ方法は、イオン化した粒子の飛翔方向を、基板の凹凸形状に適した角度に偏向制御することができるため、薄膜の被覆性を向上させることが出来る。   In the sputtering method of the third aspect configured as described above, the flying direction of the ionized particles can be controlled to be deflected to an angle suitable for the concavo-convex shape of the substrate, so that the coverage of the thin film can be improved. It can.

本発明に係る第4の態様のスパッタ方法は、前記の第2の態様のスパッタ装置を利用するスパッタ方法であって、
前記パルスタイミング制御器が、前記バイアスパルス電源のパルスのオンのタイミングを、前記スパッタパルス電源のパルスのオンに同期して印加し、前記バイアスパルス電源のパルスのオフのタイミングを、前記スパッタパルス電源のパルスのオフ時点から0μsec以上30μsec以下の期間の経過後にオフ状態とする制御を行っている。
A sputtering method according to a fourth aspect of the present invention is a sputtering method utilizing the sputtering apparatus according to the second aspect, wherein
The pulse timing controller applies the on timing of the pulse of the bias pulse power in synchronization with the on of the pulse of the sputtering pulse power, and the off timing of the pulse of the bias pulse power corresponds to the sputtering pulse power. Control is performed to turn off after a period of 0 μsec or more and 30 μsec or less elapses from the point of time when the pulse is off.

上記のように構成された第4の態様のスパッタ方法は、偏向に悪影響を与えることなく基板バイアスを印加することが出来るため、例えば、基板のトレンチやホールなどの凹凸部分において生じるオーバーハングが低減され、基板凹部の側壁および底部への被覆性をさらに向上させることが出来る。   The sputtering method according to the fourth aspect configured as described above can apply a substrate bias without adversely affecting deflection, so that, for example, an overhang that occurs in an uneven portion such as a trench or a hole of the substrate is reduced. It is possible to further improve the coverage of the side wall and the bottom of the substrate recess.

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施の形態における説明では、同じ要素には同じ符号を付しており、同じ符号に関する重複する説明を省略する場合がある。また、図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In the description of the embodiments, the same elements are denoted by the same reference signs, and redundant description of the same signs may be omitted. Also, the drawings schematically show the respective components mainly for the purpose of easy understanding.

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態において示される数値、形状、構成、ステップ、およびステップの順序などは、一例を示すものであり、本発明を限定するものではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。   Each embodiment described below shows one specific example of the present invention. Numerical values, shapes, configurations, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples and do not limit the present invention. Among the components in the following embodiments, components that are not described in the independent claim indicating the highest concept are described as optional components.

(実施の形態1)
以下、本発明に係る実施の形態1のスパッタ装置について、図1から図4を用いて説明する。図1は、本発明に係る実施の形態1のスパッタ装置の概略構成を示す断面図である。図2から図4は、実施の形態1のスパッタ装置におけるスパッタ動作およびスパッタ方法を説明する図であり、詳細については後述する。
Embodiment 1
Hereinafter, the sputtering apparatus of Embodiment 1 which concerns on this invention is demonstrated using FIGS. 1-4. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a sputtering apparatus according to a first embodiment of the present invention. 2 to 4 are diagrams for explaining the sputtering operation and the sputtering method in the sputtering apparatus of the embodiment 1, and the details will be described later.

図1に示す実施の形態1のスパッタ装置において、断面で示す真空チャンバー1は、バルブ3を介して接続された真空ポンプ2で排気することによって、真空チャンバー1の内部を真空状態に減圧する構成である。   In the sputtering apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 1, the vacuum chamber 1 shown in cross section is configured to evacuate the inside of the vacuum chamber 1 to a vacuum state by evacuating with the vacuum pump 2 connected via the valve 3 It is.

ガス供給源4はスパッタリングに必要なガスを真空チャンバー1へ一定速度で供給することができる。ガス供給源4により供給されるガスとしては、例えば、窒素や酸素などの目的の材料と反応性を持ったガスや、反応性を持ったガスとアルゴンなどの希ガスとの混合ガスなどが選択できる。   The gas supply source 4 can supply the gas necessary for sputtering to the vacuum chamber 1 at a constant rate. As the gas supplied from the gas supply source 4, for example, a gas having reactivity with a target material such as nitrogen or oxygen, or a mixed gas of a reactive gas and a rare gas such as argon is selected. it can.

真空チャンバー1に設けられたバルブ3は、その開閉率を変化させることにより、真空チャンバー1内の真空度を所望のガス圧力に制御することができる。   The valve 3 provided in the vacuum chamber 1 can control the degree of vacuum in the vacuum chamber 1 to a desired gas pressure by changing the open / close rate.

図1に示すように、真空チャンバー1内の上部には、スパッタリングのターゲット材料であるターゲット材7が配置されている。ターゲット材7は、任意のスパッタ材料であるが、例えば、金属材料や半導体材料などの無機材料である。   As shown in FIG. 1, a target material 7 which is a target material for sputtering is disposed in the upper part in the vacuum chamber 1. The target material 7 is any sputtering material, and is, for example, an inorganic material such as a metal material or a semiconductor material.

真空チャンバー1内に設けられたバッキングプレート8は、ターゲット材7を支持している。真空チャンバー1の外部に設けられたスパッタパルス電源30は、バッキングプレート8を介して、ターゲット材7に電気的に接続されており、ターゲット材7に電圧を印加することができる。また、スパッタパルス電源30は、内部の高圧電源によって発生させた直流電流を、コンデンサ等に蓄積し、半導体スイッチング素子等によりオン、オフして、電圧印加をパルス化することができる。   A backing plate 8 provided in the vacuum chamber 1 supports the target material 7. The sputtering pulse power supply 30 provided outside the vacuum chamber 1 is electrically connected to the target material 7 via the backing plate 8, and a voltage can be applied to the target material 7. Further, the sputtering pulse power supply 30 can store direct current generated by the internal high voltage power supply in a capacitor or the like, turn it on and off with a semiconductor switching element or the like, and pulse the voltage application.

真空チャンバー1内に設けられたマグネット9およびヨーク10は、バッキングプレート8の裏面に配置されており、ターゲット材7表面に磁場を発生させることができる。   The magnet 9 and the yoke 10 provided in the vacuum chamber 1 are disposed on the back surface of the backing plate 8 and can generate a magnetic field on the surface of the target material 7.

図1において、真空チャンバー1内の下部には、基板6が配置されている。基板ホルダー5は基板6の下部に配置されており、基板6を支持している。基板回転機構20は、基板ホルダー5に接続されており、基板6をその回転軸を中心にして自転させることが出来る。   In FIG. 1, a substrate 6 is disposed in the lower part of the vacuum chamber 1. The substrate holder 5 is disposed below the substrate 6 and supports the substrate 6. The substrate rotation mechanism 20 is connected to the substrate holder 5 and can rotate the substrate 6 about its rotation axis.

図1において、対向して配置されたターゲット材7と基板6との間の空間には1組の偏向コイル21が対向して配設されている。偏向コイルパルス電源31は、対向する偏向コイル21に電気的に接続されており、偏向コイル21に電流を流すことによりターゲット材7と基板6との間の空間に磁場を発生させることが出来る。また、偏向コイルパルス電源31は、スパッタパルス電源30と同様に、電圧印加をパルス化して、偏向コイル21にパルス電流を出力することができる。   In FIG. 1, a pair of deflection coils 21 is disposed opposite to each other in a space between the target material 7 and the substrate 6 disposed opposite to each other. The deflection coil pulse power supply 31 is electrically connected to the opposing deflection coil 21, and can generate a magnetic field in the space between the target material 7 and the substrate 6 by supplying a current to the deflection coil 21. Further, the deflection coil pulse power supply 31 can output a pulse current to the deflection coil 21 by pulsing the voltage application in the same manner as the sputtering pulse power supply 30.

図1において、スパッタパルス電源30と偏向コイルパルス電源31とに接続された、パルスタイミング制御器40が真空チャンバー1の外部に配置されている。パルスタイミング制御器40は、スパッタパルス電源30によるスパッタリングと、偏向コイル21による磁場発生とのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うことが出来る。   In FIG. 1, a pulse timing controller 40 connected to a sputtering pulse power supply 30 and a deflection coil pulse power supply 31 is disposed outside the vacuum chamber 1. The pulse timing controller 40 can perform control to synchronize or shift the timing between the sputtering by the sputtering pulse power supply 30 and the magnetic field generation by the deflection coil 21.

[スパッタ装置のスパッタ動作およびスパッタ方法]
次に、実施の形態1のスパッタ装置のスパッタ動作について説明するとともに、本発明のスパッタ方法についても説明する。なお、以下に述べるスパッタ動作およびスパッタ方法に関しては、後述する実施の形態2においても実質的に同様である。
[Sputtering Operation and Sputtering Method of Sputtering Apparatus]
Next, the sputtering operation of the sputtering apparatus of Embodiment 1 will be described, and the sputtering method of the present invention will also be described. The sputtering operation and the sputtering method described below are substantially the same as in Embodiment 2 described later.

まず、真空チャンバー1内にターゲット材7をセットするとともに、ターゲット材7の下方に基板6の主面が水平となるように基板6をセットする。   First, the target material 7 is set in the vacuum chamber 1, and the substrate 6 is set below the target material 7 so that the main surface of the substrate 6 is horizontal.

続いて、真空ポンプ2を作動させて真空チャンバー1内が真空状態になるように減圧を行う。真空チャンバー1内が所定の真空度に到達した後、ガス供給源4からガスを真空チャンバー1内に導入して、真空チャンバー1内が所定のガス圧力となるようにゲートバルブ3の開度を調整する。   Subsequently, the vacuum pump 2 is operated to reduce the pressure so that the inside of the vacuum chamber 1 is in a vacuum state. After the inside of the vacuum chamber 1 reaches a predetermined degree of vacuum, a gas is introduced from the gas supply source 4 into the vacuum chamber 1, and the opening degree of the gate valve 3 is adjusted so that the inside of the vacuum chamber 1 has a predetermined gas pressure. adjust.

続いて、スパッタパルス電源30によりパルス電圧を発生させて、ターゲット材7に印加し、真空チャンバー1内にプラズマを発生させる。パルス電圧印加のオンの期間に、真空チャンバー1内に発生させたパルス状のプラズマによってターゲット材7がスパッタリングされて飛び出す。その際、飛び出した材料粒子の一部はイオン化し正電荷を帯びた荷電粒子となっており、残りの材料粒子は中性粒子である。   Subsequently, a pulse voltage is generated by the sputtering pulse power source 30 and applied to the target material 7 to generate plasma in the vacuum chamber 1. During the on period of the pulse voltage application, the target material 7 is sputtered out by the pulsed plasma generated in the vacuum chamber 1. At that time, some of the material particles that have jumped out are ionized and become positively charged charged particles, and the remaining material particles are neutral particles.

次に、イオン化した粒子が基板6に到達するまでの軌道について、図2を用いて説明する。図2は、本発明に係る実施の形態1のスパッタ装置における、イオン化した粒子の磁場による偏向方向と、基板への入射方向とを模式的に示した図である。   Next, a trajectory until ionized particles reach the substrate 6 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a view schematically showing the direction of deflection of the ionized particles by the magnetic field and the direction of incidence on the substrate in the sputtering apparatus of Embodiment 1 according to the present invention.

図2において、ターゲット材7から飛び出した、イオン化した粒子の流れは電流Iと表される。ターゲット材7と基板6との間の空間に対向して配置されている偏向コイル21は、電流Iに垂直な方向成分の磁場Bを発生させる。イオン化した粒子は、電流Iと磁場Bに垂直方向のローレンツ力Fを受けるため、ローレンツ力Fを受けない中性粒子の軌道に対して角度を有して基板6へ入射する。   In FIG. 2, the flow of ionized particles ejected from the target material 7 is represented as current I. The deflection coil 21 disposed opposite to the space between the target material 7 and the substrate 6 generates a magnetic field B in the direction component perpendicular to the current I. The ionized particles receive Lorentz force F in the direction perpendicular to the current I and the magnetic field B, and thus enter the substrate 6 at an angle with respect to the trajectory of neutral particles not subjected to the Lorentz force F.

次に、イオン化した粒子(イオン粒子)の基板6への入射方向について、図3を用いて説明する。図3は図2における矢印Aの方向から見た偏向コイル21の模式図である。偏向コイル21に矢印Bの方向に電流を流すことにより、図3の紙面手前方向の磁場Bを発生させた場合、下方向へ進行するイオン化した粒子すなわち電流Iは右方向のローレンツ力Fを受け、右方向に偏向される。   Next, the incident direction of the ionized particles (ion particles) on the substrate 6 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic view of the deflection coil 21 as viewed in the direction of arrow A in FIG. When a magnetic field B in the forward direction of the sheet of FIG. 3 is generated by supplying a current to the deflection coil 21 in the direction of arrow B, the ionized particles traveling downward, ie, the current I receive the Lorentz force F in the right direction. , Is deflected to the right.

図4は、基板6に対する中性粒子およびイオン化した粒子の入射方向を模式的に示した断面図である。図4において、(a)および(c)は偏向されたイオン化した粒子の入射方向を示した図であり、それぞれは逆方向に偏向された状態を模式的に示している。図4の(b)は偏向されていないイオン化した粒子の入射方向を示した図である。なお、図4においては、中性粒子の入射方向を実線の矢印で示し、イオン化した粒子の入射方向を破線の矢印で示す。   FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing incident directions of neutral particles and ionized particles to the substrate 6. In FIG. 4, (a) and (c) are diagrams showing incident directions of deflected ionized particles, and each schematically shows a state of being deflected in the opposite direction. FIG. 4b shows the incident direction of the non-deflected ionized particles. In FIG. 4, the incident direction of neutral particles is indicated by a solid arrow, and the incident direction of ionized particles is indicated by a dashed arrow.

図4の(a)に示すように、基板6付近へ到達したイオン化した粒子は、ローレンツ力Fを受けない中性粒子の軌道に対して角度を有して基板6へ入射する。この角度の傾きは、偏向コイル21に流す電流によって制御することが出来る。すなわち、偏向コイル21に電流を流さない場合には、図4の(b)に示すように、イオン化した粒子は偏向していないため、中性粒子とイオン化した粒子との入射角度は一致する。また、偏向コイル21に流す電流を反転させることにより、図4の(c)に示すように、イオン化した粒子の基板6への入射角度が反対側から入射する角度となり、入射角度を反転させることが出来る。上記のように、基板6に対して中性粒子およびイオン化した粒子が入射されて、基板6の表面上には薄膜7aが形成される。   As shown in FIG. 4A, the ionized particles having reached the vicinity of the substrate 6 enter the substrate 6 at an angle with respect to the trajectory of the neutral particles not subjected to the Lorentz force F. The inclination of this angle can be controlled by the current supplied to the deflection coil 21. That is, when no current flows through the deflection coil 21, as shown in FIG. 4B, since the ionized particles are not deflected, the incident angles of the neutral particles and the ionized particles coincide with each other. Further, by inverting the current supplied to the deflection coil 21, as shown in FIG. 4C, the incident angle of the ionized particles to the substrate 6 becomes an incident angle from the opposite side, and the incident angle is reversed. Can do. As described above, neutral particles and ionized particles are incident on the substrate 6 to form a thin film 7 a on the surface of the substrate 6.

次に、パルスタイミング制御器40によるタイミング制御について、図5を用いて説明する。図5は、本発明に係る実施の形態1のスパッタ装置において、スパッタパルス電源30からのスパッタパルス信号(スパッタ電圧V、スパッタ電流I)と、偏向コイルパルス電源31からの磁場偏向パルス信号の印加タイミングを示す波形図である。図5において、(a)はスパッタパルス信号によるスパッタ電圧Vのパルス波形の一例を示し、(b)はスパッタパルス信号によるスパッタ電流Iの波形の一例を示している。図5の(c)は、偏向コイル21に入力される磁場偏向パルス信号の波形図である。   Next, timing control by the pulse timing controller 40 will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows application of a sputtering pulse signal (sputtering voltage V, sputtering current I) from the sputtering pulse power supply 30 and application of a magnetic field deflection pulse signal from the deflection coil pulse power supply 31 in the sputtering apparatus of Embodiment 1 according to the present invention. It is a wave form diagram showing timing. In FIG. 5, (a) shows an example of the pulse waveform of the sputtering voltage V by the sputtering pulse signal, and (b) shows an example of the waveform of the sputtering current I by the sputtering pulse signal. FIG. 5C is a waveform diagram of the magnetic field deflection pulse signal input to the deflection coil 21. As shown in FIG.

スパッタパルス信号によりバッキングプレート8に印加されるスパッタ電圧Vは、一定のパルス周期T(周波数f=1/T)で、オン期間(on)とオフ期間(off)とを繰り返す矩形波(パルス)である(図5の(a)参照)。また、パルスのデューティ比は、オン期間/パルス周期Tで表される。スパッタ電流Iは、スパッタ電圧Vのオン期間は徐々に増加する傾向である。また、スパッタパルス信号により生じるスパッタ電流Iは、スパッタ電圧Vのオフ期間に入ってから減少を始め、スパッタリングの条件によるが、30μsec程度の時間までスパッタ電流Iは流れ続ける。スパッタ電流Iは、スパッタリングされてターゲット材7が飛び出す粒子数に概ね比例している。すなわち、スパッタ電圧Vのオン期間+30μsec程度の期間は、発生したプラズマによりスパッタされたスパッタ粒子がターゲット材7から基板6に向かって飛び出しているといえる。   The sputtering voltage V applied to the backing plate 8 by the sputtering pulse signal is a rectangular wave (pulse) repeating an on period (on) and an off period (off) at a constant pulse period T (frequency f = 1 / T). (See (a) of FIG. 5). Further, the duty ratio of the pulse is represented by on period / pulse period T. The sputtering current I tends to gradually increase in the on period of the sputtering voltage V. In addition, the sputtering current I generated by the sputtering pulse signal starts to decrease after entering the off period of the sputtering voltage V, and the sputtering current I continues to flow until about 30 μsec depending on the sputtering conditions. The sputtering current I is approximately in proportion to the number of particles sputtered and the target material 7 pops out. That is, it can be said that sputtered particles sputtered by the generated plasma fly out from the target material 7 toward the substrate 6 in a period of about +30 μsec of the on period of the sputtering voltage V.

偏向コイル21は、スパッタ電圧Vのオフ時点のタイミングから一定の第1期間=T1が経過してから磁場偏向パルス信号のオン期間が始動する。スパッタ電圧Vのオフ時点からの一定の第1期間T1としては、0μsec以上100μsec以下の範囲が望ましい。第1期間T1がマイナスの期間、すなわちスパッタ電圧Vのオン期間において偏向コイル21のオン期間が始動して、磁場を発生させると、ターゲット材7付近のマグネット9により発生させている磁場が乱されて、ターゲット材7の表面でのプラズマ放電が不安定になってしまう。また、一般的なスパッタリング条件における例として、スパッタ粒子の速度を1000m/sec、ターゲット材7と基板6との距離を100mmとすると、スパッタ粒子が基板6に到達するまでの時間は100μsecと計算される。スパッタ電圧Vのオフ時点からの第1期間T1が100μsecより大きいと、イオン化した粒子が偏向コイル21を通過した後に磁場を発生させることとなり、イオン化した粒子に対して磁場による偏向を十分に行うことが出来ない。なお、前記の第1期間T1としては、30μsec以上とすることがより望ましい。第1期間T1を30μsec以上とすることにより、スパッタ電圧Vのオフ時点から30μsec程度のプラズマ減衰過程において、偏向コイル21による磁場を発生させないことにより、ターゲット材7の表面でのプラズマ放電への影響を排除することが出来、より安定した放電状態を得ることが出来る。なお、同じ理由から、偏向コイル21のパルス電圧のオフ時点は、次のスパッタ電圧Vがオンとなるタイミングまでであればよい(図5の(c)において第2期間T2参照)。   The deflection coil 21 starts the on period of the magnetic field deflection pulse signal after a constant first period = T1 has elapsed from the timing when the sputtering voltage V is off. The constant first period T1 from the off point of the sputtering voltage V is desirably in the range of 0 μsec to 100 μsec. When the first period T1 is a negative period, that is, the on period of the deflection coil 21 is started in the on period of the sputtering voltage V and the magnetic field is generated, the magnetic field generated by the magnet 9 near the target material 7 is disturbed. As a result, plasma discharge on the surface of the target material 7 becomes unstable. Also, as an example under general sputtering conditions, assuming that the velocity of sputtered particles is 1000 m / sec and the distance between the target material 7 and the substrate 6 is 100 mm, the time for the sputtered particles to reach the substrate 6 is calculated to be 100 μsec. Ru. If the first period T1 from the off time of the sputtering voltage V is greater than 100 μsec, the ionized particles will generate a magnetic field after passing through the deflection coil 21, and the ionized particles will be sufficiently deflected by the magnetic field I can not The first period T1 is more preferably 30 μsec or more. By setting the first period T1 to 30 μsec or more, the plasma coil is not generated by the deflection coil 21 in the plasma attenuation process of about 30 μsec from the off point of the sputtering voltage V, thereby affecting the plasma discharge on the surface of the target material 7 Can be eliminated, and a more stable discharge state can be obtained. For the same reason, the off time of the pulse voltage of the deflection coil 21 may be up to the timing when the next sputtering voltage V is on (see the second period T2 in (c) of FIG. 5).

実施の形態1のスパッタ装置におけるパルス周期Tは、磁場による偏向に対して直接影響を与えるものではないが、30μsec以上(周波数は33kHz未満)とすることが望ましい。これは、パルス周期Tが30μsec未満では、スパッタ電圧Vのオフ時点からの一定の第1期間T1をより望ましい条件である30μsec以上とすることが出来ないためである。また、パルスのデューティ比は、小さいほどスパッタ電力がオンの期間に集中し、パワー密度が高まることにより、スパッタ粒子のイオン化率が上昇する。設定できるデューティ比の範囲はスパッタパルス電源30の能力により規制されるが、磁場偏向の効果をより高めたい場合には、スパッタパルス電源30の能力の範囲でデューティ比を小さく設定すればよい。   Although the pulse period T in the sputtering apparatus of Embodiment 1 does not directly affect the deflection by the magnetic field, it is preferable to set it to 30 μsec or more (the frequency is less than 33 kHz). This is because if the pulse cycle T is less than 30 μsec, the constant first period T1 from the off time of the sputtering voltage V can not be made more than 30 μsec, which is a more desirable condition. Further, as the pulse duty ratio is smaller, the sputtering power is concentrated in the on period, and the power density is increased, whereby the ionization rate of sputtered particles is increased. The range of the duty ratio that can be set is regulated by the capability of the sputter pulse power supply 30, but if it is desired to further increase the effect of magnetic field deflection, the duty ratio may be set small within the capability range of the sputter pulse power supply 30.

また、実施の形態1のスパッタ装置においては、基板回転機構20により基板6を自転させることにより、基板6に対するスパッタ粒子の入射角度を変えて、基板6の表面における薄膜7aの分布を平均化して、基板6の表面の凹凸部分に対する薄膜の被覆性を更に向上させることが出来る。   Further, in the sputtering apparatus according to the first embodiment, the substrate rotation mechanism 20 rotates the substrate 6 to change the incident angle of sputtered particles to the substrate 6, thereby averaging the distribution of the thin film 7a on the surface of the substrate 6. The coverage of the thin film on the uneven portion of the surface of the substrate 6 can be further improved.

以上のように、実施の形態1のスパッタ装置において、スパッタ方法によるスパッタ動作を行うことにより、基板6に到達したスパッタ粒子は、基板6上に堆積すると同時に、真空チャンバー1内のガスおよびプラズマと反応する。また、スパッタ動作においてスパッタ粒子が断続的に供給されるパルス周期Tのうち、材料粒子が基板6に供給されない期間[(パルス周期T)−(オン期間)−(スパッタ電圧Vのオフ時点からの一定の第1期間T1)]にも、真空チャンバー1内のガスおよびプラズマが、基板6上に堆積した未反応のターゲット材7と反応することにより、ターゲット材7とガスが欠損することなく反応した緻密な化合物が基板6上に形成され成膜される。これら一連のパルス成膜を所定の回数繰り返すことにより、基板表面には所望の化合物薄膜を得ることが出来る。   As described above, in the sputtering apparatus of Embodiment 1, the sputtered particles having reached the substrate 6 by performing the sputtering operation by the sputtering method are deposited on the substrate 6 and at the same time with the gas and plasma in the vacuum chamber 1. react. In addition, of the pulse periods T in which sputtered particles are intermittently supplied in the sputtering operation, a period during which material particles are not supplied to the substrate 6 [(pulse period T)-(on period)-(from an off time of sputtering voltage V During a certain first period T1), the gas and plasma in the vacuum chamber 1 react with the unreacted target material 7 deposited on the substrate 6 to react without loss of gas between the target material 7 and the gas. The dense compound is formed on the substrate 6 and formed into a film. A desired compound thin film can be obtained on the substrate surface by repeating this series of pulse film formation a predetermined number of times.

なお、実施の形態1のスパッタ装置においては、ターゲット材7の裏面にマグネット9とヨーク10が配置されており、ターゲット材7の表面において、ターゲット材7の平面に対する平行磁場が最大となる位置にプラズマを集中させて、成膜速度を向上させてもよい。なお、プラズマが集中するエロージョンが特定の位置に集中するとターゲット材7の一部だけが消耗し、材料を効率的に利用できないため、マグネット9とヨーク10を駆動装置によってターゲット材7に対して平行に移動して、エロージョン位置を移動させてもよい。   In the sputtering apparatus of Embodiment 1, the magnet 9 and the yoke 10 are disposed on the back surface of the target material 7, and the surface parallel to the plane of the target material 7 is at the maximum position on the surface of the target material 7. The deposition rate may be improved by concentrating the plasma. When erosion where concentration of plasma concentrates at a specific position, only a part of the target material 7 is consumed and the material can not be used efficiently. Therefore, the magnet 9 and the yoke 10 are parallel to the target material 7 by a drive device. To move the erosion position.

実施の形態1のスパッタ装置においては、偏向コイル21による磁場によって、スパッタリングにおけるプラズマ放電の安定性を損なうことなく、イオン化した粒子の基板6に対する入射角度を制御することが出来るため、アスペクト比の大きい凹凸部分を有する基板に対しても、垂直に近い角度による底部の被覆、浅い入射角度への制御による側壁への被覆、入射角度を逆転させた制御による逆側面への被覆により、効果的に被覆性を高めた成膜を行うことが可能となる。   In the sputtering apparatus of Embodiment 1, the incident angle of the ionized particles to the substrate 6 can be controlled by the magnetic field of the deflection coil 21 without impairing the stability of the plasma discharge in sputtering, so the aspect ratio is large. Even for a substrate having an uneven portion, the coating can be effectively performed by covering the bottom with an angle close to the vertical, covering to the side wall by controlling to the shallow incident angle, and covering to the opposite side by controlling the incident angle. It is possible to perform film formation with improved properties.

(実施の形態2)
次に、本発明に係る実施の形態2のスパッタ装置について図6および図7を用いて説明する。図6は、本発明に係る実施の形態2のスパッタ装置の概略構成を示す断面図である。図7は、実施の形態2のスパッタ装置におけるスパッタ動作およびスパッタ方法を示す波形図である。図6および図7において、前述の実施の形態1と実質的に同一の機能、構成を有する要素には同じ番号を付与している。また、実施の形態2における基本的な動作は、実施の形態1における基本動作と同様であるので、実施の形態2においては実施の形態1と異なる点を主として説明する。
Second Embodiment
Next, the sputtering apparatus of Embodiment 2 which concerns on this invention is demonstrated using FIG. 6 and FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a sputtering apparatus of Embodiment 2 according to the present invention. FIG. 7 is a waveform chart showing a sputtering operation and a sputtering method in the sputtering apparatus of Embodiment 2. 6 and 7, elements having substantially the same functions and configurations as those of the first embodiment described above are given the same reference numerals. Further, since the basic operation in the second embodiment is the same as the basic operation in the first embodiment, the difference between the second embodiment and the first embodiment will be mainly described.

図6に示す実施の形態2のスパッタ装置において、真空チャンバー1内の下部には、基板6が配設されている。基板ホルダー5は、基板6の下部に配置されており、基板6を支持している。基板回転機構20は、基板ホルダー5に機械的に接続されており、基板6をその回転軸を中心にして自転させることが出来る。実施の形態2のスパッタ装置においては、基板ホルダー5を介して基板6に電気的に接続されるバイアスパルス電源32が設けられている。バイアスパルス電源32は、基板ホルダー5に電圧を印加することにより基板電位を設定することができる。また、バイアスパルス電源32は、スパッタパルス電源30と同様に、電圧印加(バイアス電圧の印加)をパルス化することができる。   In the sputtering apparatus of Embodiment 2 shown in FIG. 6, a substrate 6 is provided at the lower part in the vacuum chamber 1. The substrate holder 5 is disposed below the substrate 6 and supports the substrate 6. The substrate rotation mechanism 20 is mechanically connected to the substrate holder 5 and can rotate the substrate 6 about its rotation axis. In the sputtering apparatus of the second embodiment, a bias pulse power supply 32 electrically connected to the substrate 6 through the substrate holder 5 is provided. The bias pulse power supply 32 can set the substrate potential by applying a voltage to the substrate holder 5. In addition, the bias pulse power supply 32 can pulse voltage application (application of bias voltage) as the sputter pulse power supply 30 does.

図5に示すように、スパッタパルス電源30と偏向コイルパルス電源31とバイアスパルス電源32とに接続されたパルスタイミング制御器40は、真空チャンバー1の外部に配置されている。パルスタイミング制御器40は、スパッタパルス電源30によるスパッタリングと、偏向コイル21による磁場発生と、バイアスパルス電源32による基板バイアスの電圧印加とのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うことが出来る。   As shown in FIG. 5, the pulse timing controller 40 connected to the sputtering pulse power supply 30, the deflection coil pulse power supply 31 and the bias pulse power supply 32 is disposed outside the vacuum chamber 1. The pulse timing controller 40 can control to synchronize or shift the timing of the sputtering by the sputtering pulse power supply 30, the generation of the magnetic field by the deflection coil 21 and the voltage application of the substrate bias by the bias pulse power supply 32.

バイアスパルス電源32の電圧印加により基板電位を設定することにより、真空チャンバー1内にプラズマが発生している期間において、イオン化した粒子が電界により基板6に引き寄せられ、そのイオン衝撃により成膜される薄膜がより緻密になることが期待できる。   By setting the substrate potential by applying the voltage of the bias pulse power supply 32, ionized particles are attracted to the substrate 6 by the electric field in a period in which plasma is generated in the vacuum chamber 1, and film formation is performed by the ion bombardment. It can be expected that the thin film becomes more precise.

一般的に基板6の凹部への成膜において、凹部の側壁上部への薄膜堆積が、凹部の間口を塞いでしまうオーバーハングと呼ばれる状況が発生することがあるが、実施の形態2におけるスパッタ動作においては、イオン衝撃によるエッチング作用により、オーバーハングを低減して、側壁底部への堆積を促進する効果についても期待できる。しかしながら、基板6へのバイアス電圧の印加は、イオン化したターゲット材7の材料粒子の軌道にも影響を与えるため、バイアス電圧の印加のタイミングは重要である。   Generally, in the film formation on the concave portion of the substrate 6, a thin film deposition on the upper side wall of the concave portion sometimes causes a situation called an overhang which blocks the opening of the concave portion. In the above, the etching action by ion bombardment can be expected to have the effect of reducing the overhang and promoting the deposition on the sidewall bottom. However, since the application of the bias voltage to the substrate 6 also affects the trajectories of the material particles of the ionized target material 7, the timing of the application of the bias voltage is important.

実施の形態2における、パルスタイミング制御器40によるタイミング制御について、図7を用いて説明する。図7は本発明に係る実施の形態2のスパッタ装置において、スパッタパルス電源30からのスパッタパルス信号(スパッタ電圧V、スパッタ電流I)と、偏向コイルパルス電源31からの磁場偏向パルス信号と、バイアスパルス電源32からの基板バイアスパルス信号の印加タイミングを示す波形図である。スパッタ電圧Vに対する偏向コイル21による磁場偏向パルス信号の印加タイミングは、実施の形態1と同様である。基板バイアスパルス信号は、スパッタ電圧Vのオンのタイミングと同期してオン状態とされ、スパッタ電圧Vのオフ時点から一定の第3期間T3が経過したタイミングでオフ状態とされる。第3期間T3としては、0μsec以上30μsec以下の範囲が望ましい。これは、スパッタ電圧Vのオン期間に発生するプラズマと、スパッタ電圧Vのオフ時点から30μsec程度の期間残存するプラズマを基板6に効果的に引き寄せるためである。また、このように基板バイアスパルス信号と磁場偏向パルス信号とのオン期間のタイミングのずらすことにより、それぞれの信号により生じる動作の干渉を最低限に抑えることが出来る。したがって、実施の形態2のスパッタ装置においては、イオン化した粒子の磁場による偏向に影響を与えることなく、基板バイアスパルス信号による基板6に対する電圧印加により引き寄せたガス粒子のエッチング作用により、例えば、基板のトレンチやホールなどの凹凸部分において生じるオーバーハングが低減され、基板凹部の側壁および底部への被覆性が向上すると共に、イオン衝撃により堆積する薄膜をより緻密とすることが出来る。   The timing control by the pulse timing controller 40 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows a sputtering apparatus according to a second embodiment of the present invention, wherein a sputtering pulse signal (sputtering voltage V, sputtering current I) from sputtering pulse power supply 30, a magnetic field deflection pulse signal from deflection coil pulse power supply 31, and bias FIG. 6 is a waveform diagram showing application timings of a substrate bias pulse signal from a pulse power supply 32. The application timing of the magnetic field deflection pulse signal by the deflection coil 21 with respect to the sputtering voltage V is the same as that of the first embodiment. The substrate bias pulse signal is turned on in synchronization with the on timing of the sputtering voltage V, and is turned off at the timing when a predetermined third period T3 has elapsed from the off time of the sputtering voltage V. The third period T3 is desirably in the range of 0 μsec to 30 μsec. This is because the plasma generated in the on period of the sputtering voltage V and the plasma remaining for a period of about 30 μsec from the off point of the sputtering voltage V are effectively attracted to the substrate 6. Further, by thus shifting the timing of the on period of the substrate bias pulse signal and the magnetic field deflection pulse signal, it is possible to minimize the interference of the operation caused by the respective signals. Therefore, in the sputtering apparatus of the second embodiment, the etching action of the gas particles attracted by the voltage application to the substrate 6 by the substrate bias pulse signal does not affect the deflection of the ionized particles due to the magnetic field, for example, Overhangs that occur in uneven portions such as trenches and holes are reduced, coverage on the sidewalls and bottom of the substrate recess is improved, and the thin film deposited by ion bombardment can be made more compact.

本発明に係る実施の形態2のスパッタ装置によれば、プラズマ放電の安定性を損なうことなく、磁場偏向によりイオン化した材料粒子の基板6に対する入射角度を制御することが出来る。また、イオン化した材料粒子の磁場による偏向に影響を与えることなく、基板6にバイアス電圧を印加することが出来る。従って、実施の形態2のスパッタ装置およびスパッタ方法によれば、アスペクト比の大きい凹凸部分を有する基板6に対して、安定して、被覆性が良く、緻密で高品質な膜を形成することが可能となる。   According to the sputtering apparatus of the second embodiment of the present invention, it is possible to control the incident angle of the material particles ionized by the magnetic field deflection to the substrate 6 without impairing the stability of the plasma discharge. In addition, a bias voltage can be applied to the substrate 6 without affecting the deflection of the ionized material particles due to the magnetic field. Therefore, according to the sputtering apparatus and the sputtering method of the second embodiment, a dense, high-quality film can be stably formed with good coverage, on the substrate 6 having the uneven portion with a large aspect ratio. It becomes possible.

以上のように、各実施の形態において具体的に説明したように、本発明のスパッタ装置およびスパッタ方法によれば、イオン化した粒子の飛翔方向を、基板の凹凸形状に適した角度に偏向制御することができるため、薄膜の被覆性を向上させることが出来る。すなわち、本発明のスパッタ装置およびスパッタ方法においては、粒子の飛翔方向の偏向により、垂直に近い角度による底部の被覆、浅い入射角度への制御による側壁への被覆、入射角度を逆転させた制御による逆側面への被覆により、効果的に被覆性を高めることが出来る。また、本発明のスパッタ装置およびスパッタ方法は、偏向に悪影響を与えることなく基板バイアスを印加することが出来るため、例えば、基板のトレンチやホールなどの凹凸部分において生じるオーバーハングが低減され、基板凹部側壁の底部への被覆性をさらに向上させることができる。   As described above, according to the sputtering apparatus and the sputtering method of the present invention, as described in detail in each embodiment, the flying direction of the ionized particles is controlled to be deflected to an angle suitable for the concavo-convex shape of the substrate. It is possible to improve the coverage of the thin film. That is, in the sputtering apparatus and the sputtering method according to the present invention, coating of the bottom by an angle close to the vertical, coating to the side wall by control to a shallow incident angle, and control by reversing the incident angle Coating on the opposite side can effectively enhance the coverage. In addition, since the sputtering apparatus and the sputtering method of the present invention can apply the substrate bias without adversely affecting the deflection, for example, the overhang generated in the uneven portion such as the trench or the hole of the substrate is reduced, and the substrate concave portion The coverage of the bottom of the side wall can be further improved.

本発明をある程度の詳細さをもって各実施の形態において説明したが、これらの構成は例示であり、これらの実施の形態の開示内容は構成の細部において変化してしかるべきものである。本発明においては、各実施の形態における要素の置換、組合せ、および順序の変更は請求された本発明の範囲及び思想を逸脱することなく実現し得るものである。   Although the present invention has been described in each embodiment with some details, these configurations are exemplification, and the disclosed contents of these embodiments should be changed in the details of the configuration. In the present invention, substitution of elements in each embodiment, combination, and change of order can be realized without departing from the scope and spirit of the claimed invention.

本発明におけるスパッタ装置およびスパッタ方法は、アスペクト比の大きい凹凸部分を有する基板に対して、例えば、窒化シリコン薄膜を、安定して、被覆性良く、高密度に形成することが可能であり、薄膜デバイスの製造において、高品質パッシベーション薄膜の形成などに有用である。   The sputtering apparatus and sputtering method according to the present invention are capable of stably forming, for example, a silicon nitride thin film with high coverage and high density, for a substrate having an uneven portion with a large aspect ratio. In the manufacture of devices, it is useful for forming high quality passivation thin films and the like.

1 真空チャンバー
2 ポンプ
3 ゲートバルブ
4 ガス供給源
5 基板ホルダー
6 基板
7 ターゲット材
8 バッキングプレート
9 マグネット
10 ヨーク
20 基板回転機構
21 偏向コイル
30 スパッタパルス電源
31 偏向コイルパルス電源
32 バイアスパルス電源
40 パルスタイミング制御器
Reference Signs List 1 vacuum chamber 2 pump 3 gate valve 4 gas supply source 5 substrate holder 6 substrate 7 target material 8 backing plate 9 magnet 10 yoke 20 substrate rotation mechanism 21 deflection coil 30 sputtering pulse power supply 31 deflection coil pulse power supply 32 bias pulse power supply 40 pulse timing Controller

Claims (4)

ターゲット材料および基板が内部に配置される真空チャンバーと、前記ターゲット材料に接続されるスパッタパルス電源とを備え、前記真空チャンバー内でプラズマを生成して基板上に薄膜を形成するスパッタ装置であって、
前記スパッタ装置は、前記ターゲット材料と前記基板との間の空間に配設された偏向コイルと、前記偏向コイルに接続された偏向コイルパルス電源と、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源とに接続されて、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源からの各パルスのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うパルスタイミング制御器とを、を備えることを特徴とする、スパッタ装置。
A sputtering apparatus comprising: a vacuum chamber in which a target material and a substrate are disposed; and a sputtering pulse power source connected to the target material, wherein plasma is generated in the vacuum chamber to form a thin film on the substrate. ,
The sputtering apparatus includes a deflection coil disposed in a space between the target material and the substrate, a deflection coil pulse power supply connected to the deflection coil, the sputtering pulse power supply, and the deflection coil pulse power supply. And a pulse timing controller connected to control the timing of each pulse from the sputtering pulse power source and the deflection coil pulse power source to be synchronized or shifted.
前記基板に接続されたバイアスパルス電源と、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源と前記バイアスパルス電源とに接続されて、前記スパッタパルス電源と前記偏向コイルパルス電源と前記バイアスパルス電源からの各パルスのタイミングを同期もしくはタイミングをずらす制御を行うパルスタイミング制御器とを、を備えることを特徴とする、請求項1に記載のスパッタ装置。   A bias pulse power supply connected to the substrate, the sputtering pulse power supply, the deflection coil pulse power supply, and the bias pulse power supply are connected to each other from the sputter pulse power supply, the deflection coil pulse power supply, and the bias pulse power supply. 2. The sputtering apparatus according to claim 1, further comprising: a pulse timing controller that performs control to synchronize or shift the timing of the pulse. 請求項1または2に記載のスパッタ装置を利用するスパッタ方法であって、
前記パルスタイミング制御器は、前記偏向コイルパルス電源のパルスのオンのタイミングを、前記スパッタパルス電源のパルスのオフ時点から0μsec以上100μsec以下の期間の経過後にオン状態とする制御を行う、ことを特徴とするスパッタ方法。
A sputtering method using the sputtering apparatus according to claim 1 or 2, wherein
The pulse timing controller performs control such that the on timing of the pulse of the deflection coil pulse power supply is turned on after a lapse of a period of 0 μsec or more and 100 μsec or less from the off time of the pulse of the sputter pulse power supply. Sputtering method.
請求項2に記載のスパッタ装置を利用するスパッタ方法であって、
前記パルスタイミング制御器は、前記バイアスパルス電源のパルスのオンのタイミングを、前記スパッタパルス電源のパルスのオンに同期して印加し、前記バイアスパルス電源のパルスのオフのタイミングを、前記スパッタパルス電源のパルスのオフ時点から0μsec以上30μsec以下の期間の経過後にオフ状態とする制御を行う、ことを特徴とするスパッタ方法。
A sputtering method using the sputtering apparatus according to claim 2, wherein
The pulse timing controller applies the on timing of the pulse of the bias pulse power in synchronization with the on of the pulse of the sputtering pulse power, and the off timing of the pulse of the bias pulse power corresponds to the sputtering pulse power. The sputtering method is characterized by performing control to turn off after a lapse of a period of 0 μsec or more and 30 μsec or less from the point of time when the pulse is off.
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