JP3043053B2 - Magnetic field microwave plasma sputtering equipment - Google Patents

Magnetic field microwave plasma sputtering equipment

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JP3043053B2 JP2320092A JP32009290A JP3043053B2 JP 3043053 B2 JP3043053 B2 JP 3043053B2 JP 2320092 A JP2320092 A JP 2320092A JP 32009290 A JP32009290 A JP 32009290A JP 3043053 B2 JP3043053 B2 JP 3043053B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体集積回路の配線形成等に用いられる
有磁場マイクロ波プラズマスパッタリング装置に関す
る。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic field microwave plasma sputtering apparatus used for forming wiring of a semiconductor integrated circuit.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

半導体製造工程で集積回路の配線形成には、一般的
に、アルゴンガスを処理ガスとし、アルミニウムをター
ゲットとし、シリコン基板を試料とするスパッタリング
処理が行われ、シリコン基板上にアルミニウムの薄膜を
形成している。このスパッタリング工程では、スパッタ
リング中に、処理ガスとして用いるアルゴン等の不純物
がアルミニウム膜内部に取り込まれ、アルミニウム結晶
の結晶格子に欠陥をつくることが知られている。
In a semiconductor manufacturing process, a wiring process for an integrated circuit is generally performed by a sputtering process using argon gas as a processing gas, aluminum as a target, and a silicon substrate as a sample to form a thin film of aluminum on the silicon substrate. ing. In this sputtering process, it is known that during sputtering, an impurity such as argon used as a processing gas is taken into the aluminum film to form a defect in the crystal lattice of the aluminum crystal.

このアルゴン等の不純物により生成された欠陥は、結
晶格子の熱振動により結晶中を移動し、欠陥同士が結合
してより大きな欠陥になったり、すでに成長している粒
界に捕らえられる事によりアルミニウムの結晶粒界の生
成核となったりする。
The defects generated by impurities such as argon move in the crystal due to the thermal vibration of the crystal lattice, and the defects combine to become larger defects, or become trapped in already grown grain boundaries, resulting in aluminum. Nuclei of the crystal grain boundaries.

生成した結晶粒界では、電流を流した時に粒界に電子
の移動が集中して、アルミニウム原子を電子の運動エネ
ルギーにより移動させてボイドを生成し、配線を断線さ
せるエレクトロマイグレーションの原因となったり、ア
ルミニウムと基板材料との熱膨張係数の差により生じる
引っ張り応力の集中点となり断線するストレスマイグレ
ーションの原因となるので、高品位の半導体集積回路を
製造するには、出来るだけアルゴンガス等の不純物の混
入を少なくし、結晶粒界を成長させないことが求められ
る。
At the generated crystal grain boundaries, the movement of electrons concentrates at the grain boundaries when current is applied, causing aluminum atoms to move by the kinetic energy of the electrons, generating voids, and causing electromigration that breaks wiring. However, the concentration of tensile stress generated by the difference in the coefficient of thermal expansion between aluminum and the substrate material becomes a point of concentration of tensile stress, which causes stress migration that breaks. Therefore, in order to manufacture a high-quality semiconductor integrated circuit, impurities such as argon gas should be used as much as possible. It is required that contamination be reduced and crystal grain boundaries not grow.

従って、不純物の混入を少なくするために、アルゴン
ガスの粒子数の少ない高真空下でスパッタリングを行
い、成膜を行う必要がある。
Therefore, in order to reduce the contamination of impurities, it is necessary to perform sputtering under high vacuum with a small number of particles of argon gas to form a film.

しかしながら、従来のRF放電により生成したプラズマ
によりスパッタリングを行った場合は、高真空下で高密
度プラズマを得る事ができないので、比較的高真空でも
高密度プラズマが得られる有磁場マイクロ波プラズマを
用いたスパッタリングが注目されている。
However, when sputtering is performed using plasma generated by conventional RF discharge, high-density plasma cannot be obtained under a high vacuum. Sputtering has attracted attention.

ここで、高真空下で高密度プラズマを発生できる有磁
場マイクロ波プラズマスパッタリング装置について説明
する。
Here, a magnetic field microwave plasma sputtering apparatus capable of generating high-density plasma under high vacuum will be described.

有磁場マイクロ波プラズマによるスパッタリング装置
は、磁界によりサイクロトロン運動をしている電子の角
周波数に同期した電磁波(マイクロ波)を供給すること
により、電子を電磁波(マイクロ波)に共鳴させ(電子
サイクロトロン共鳴条件、以下ECR条件という。)、電
磁波のエネルギーを電子に与え、電子に与えられたエネ
ルギーにより、中性原子、分子を電離させ、プラズマを
発生させるものである。
A sputtering apparatus using a magnetic field microwave plasma supplies an electromagnetic wave (microwave) synchronized with the angular frequency of a cyclotron-moving electron by a magnetic field, thereby causing the electron to resonate with the electromagnetic wave (microwave) (electron cyclotron resonance). The condition is hereinafter referred to as ECR condition), in which the energy of an electromagnetic wave is given to electrons, and the energy given to the electrons causes ionization of neutral atoms and molecules to generate plasma.

一般にECR条件を形成するのに必要なマイクロ波のサ
イクロトロン周波数は下式で表される。
Generally, the cyclotron frequency of the microwave required to form the ECR condition is represented by the following equation.

Wc=−(e×B)/m (但し、Wcはサイクロトロン角周波数、eは電子の電
荷、Bは磁束密度、mは電子の質量。) 電子の質量mは定数なので、この式から、通常工業的
に利用されるマイクロ波電源(2.45 GHz)を用いた場合
においては、ECR条件を形成する磁束密度Bは、875Gaus
sと計算される。
Wc = − (e × B) / m (Wc is the cyclotron angular frequency, e is the charge of the electron, B is the magnetic flux density, m is the mass of the electron.) Since the mass m of the electron is a constant, from this equation, When an industrially used microwave power supply (2.45 GHz) is used, the magnetic flux density B forming the ECR condition is 875 Gauss.
s is calculated.

スパッタリングは、ECR条件下で発生したプラズマを
利用してアルゴンプラズマを生成し、生成したアルゴン
プラズマを、負の電位を印加したターゲットに静電力に
より衝突させ、アルゴンの衝突により飛び出した中性の
ターゲットの成分粒子を、試料に衝突させる事により成
膜を行っているのである。(1989 AMERICAN VACUUM SOC
IETY TECHNOL.A7(4) JUL/AUG 2652、応用物理 57巻
第9号 1988 1301)。
In sputtering, argon plasma is generated using plasma generated under ECR conditions, and the generated argon plasma collides with a target to which a negative potential is applied by electrostatic force, and a neutral target that pops out due to argon collision. Is formed by colliding the component particles with the sample. (1989 AMERICAN VACUUM SOC
IETY TECHNOL. A7 (4) JUL / AUG 2652, Applied Physics Vol. 57, No. 9, 1988 1301).

この従来の有磁場マイクロ波プラズマスパッタリング
装置の構成を第5図を用いて説明する。第5図は従来の
有磁場マイクロ波プラズマスパッタリング装置を模式的
に示す断面図である。
The configuration of this conventional magnetic field microwave plasma sputtering apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a sectional view schematically showing a conventional magnetic field microwave plasma sputtering apparatus.

第5図において、(51)は真空容器であって、該真空
容器(51)は、内部にアルゴンガス等の処理ガスを導入
可能とされいているとともに、その内部を真空排気ポー
ト(51a)により真空引き可能とされてあり、該真空容
器(51)内に、試料台(62)に載置して試料(63)を配
置する。また、真空容器(51)内には、筒状のアルミニ
ウム等よりなるターゲット(59)と電極(58)とを配置
し、該ターゲット(59)と電極(58)との間に、ターゲ
ット(59)が負側となるように直流電流(60)を印加す
る。また、真空容器(51)内には石英製のマイクロ波照
射窓(52)が組み込まれており、該マイクロ波照射窓
(52)には導波管(53)が接続されており、図示されな
いマイクロ波源(通常 2.45 GHz が用いられる)から
のマイクロ波を第5図中の矢印(54)方向から真空容器
(51)内に導入する。また、(55)はコイルであって、
該コイル(55)により、真空容器(51)内にECR条件
(第5図中の点線囲み(56))となる875Gauss近傍の磁
束密度ができる磁界を供給する。
In FIG. 5, reference numeral (51) denotes a vacuum vessel. The vacuum vessel (51) is capable of introducing a processing gas such as an argon gas into the inside thereof, and the inside thereof is evacuated by a vacuum exhaust port (51a). The sample can be evacuated, and the sample (63) is placed on the sample table (62) in the vacuum vessel (51). In the vacuum vessel (51), a cylindrical target (59) made of aluminum or the like and an electrode (58) are arranged, and the target (59) is placed between the target (59) and the electrode (58). ) Is applied on the negative side so that DC current (60) is applied. A microwave irradiation window (52) made of quartz is incorporated in the vacuum vessel (51), and a waveguide (53) is connected to the microwave irradiation window (52), which is not shown. Microwaves from a microwave source (usually at 2.45 GHz) are introduced into the vacuum vessel (51) from the direction of the arrow (54) in FIG. (55) is a coil,
The coil (55) supplies a magnetic field having a magnetic flux density near 875 Gauss under the ECR condition (encircled by a dotted line (56) in FIG. 5) into the vacuum vessel (51).

従来の有磁場マイクロ波プラズマスパッタリング装置
は、このようにしてECR条件(56)下で処理ガスを効率
良くプラズマ化し、このプラズマのうちの正の電荷を持
つ陽イオン(57)を、直流電源(60)により負の電位を
印加されたターゲット(59)に衝突させ、これによりタ
ーゲット(59)の成分粒子(61)を飛び出させて、この
成分粒子(61)を試料(63)の表面に薄膜として形成す
るものである。
The conventional magnetic field microwave plasma sputtering apparatus efficiently converts the processing gas into plasma under the ECR condition (56) and converts positive ions (57) having a positive charge in the plasma into a DC power supply ( The target (59), to which a negative potential is applied by (60), is caused to collide with the target (59), thereby causing the component particles (61) of the target (59) to fly out. It is formed as.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら、従来の有磁場マイクロ波プラズマ装置
では、処理ガスの圧力としては、ECR条件を用いている
ことから、10-4Torr程度が用いられている。これは、EC
R条件を用いた場合、処理ガスであるアルゴンガスの粒
子数それ自体が減少するため、10-4Torrより高真空側で
やはり高密度のプラズマを得る事が出来ず、成膜速度が
低下するので、アルゴン等の不純物の混入の少ない成膜
を行うのに実用的な限界があるという本質的な課題があ
った。
However, in the conventional magnetic field microwave plasma apparatus, about 10 −4 Torr is used as the pressure of the processing gas because ECR conditions are used. This is EC
When the R condition is used, the number of particles of the argon gas, which is the processing gas, itself decreases, so that high-density plasma cannot be obtained on the vacuum side higher than 10 -4 Torr, and the film formation rate decreases. Therefore, there is an essential problem that there is a practical limit in performing film formation with less contamination of impurities such as argon.

また、従来の有磁場マイクロ波プラズマ装置では、試
料に薄膜として形成すべきターゲットの成分粒子が真空
容器中を浮遊し、この粒子が、マイクロ波を真空容器中
に導入する石英ガラス等でできたマイクロ波導入窓に付
着し、導入窓の寿命を縮めるだけでなく、マイクロ波の
導入効率が落ちてプラズマ化の効率が落ちることにより
成膜速度が低下していくという課題があったのである。
In a conventional magnetic field microwave plasma device, target component particles to be formed as a thin film on a sample float in a vacuum vessel, and the particles are made of quartz glass or the like that introduces microwaves into the vacuum vessel. The problem is that the film is not only attached to the microwave introduction window and shortens the life of the introduction window, but also the microwave introduction efficiency is reduced and the efficiency of plasma conversion is reduced, so that the film forming speed is reduced.

本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになさ
れたものであって、アルゴン等の不純物の混入の少ない
成膜を高い成膜速度で行うことができる有磁場マイクロ
波プラズマスパッタリング装置を提供することを主目的
とし、この有磁場マイクロ波プラズマスパッタリング装
置のマイクロ波導入窓の寿命を延ばすことを副次的な目
的とするものである。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and provides a magnetic field microwave plasma sputtering apparatus capable of performing film formation with a small amount of impurities such as argon at a high film formation rate. The secondary object is to extend the life of the microwave introduction window of the magnetic field microwave plasma sputtering apparatus.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明は、試料(28)とターゲット(29)とを内部に
配置した真空容器(21)内に処理ガスを導入し、該真空
容器(21)内に磁界発生手段(30)により磁界を形成す
るとともにマイクロ波導入手段(24)によりマイクロ波
を導入することで前記処理ガスをプラズマ化し、このブ
ラズマを前記ターゲット(29)に照射してターゲット
(29)の成分を前記試料(28)上に薄膜として形成する
有磁場マイクロ波プラズマスパッタリング装置におい
て、上記従来技術の課題を解決すべく下記の技術的手段
を講じたものである。すなわち、磁界発生手段(30)の
形成する磁界がターゲット(29)近傍で発散する発散磁
界とされているとともに、マイクロ波の導入方向(27)
が前記発散磁界の高磁界側から低磁界側に沿うようにマ
イクロ波導入手段(24)が配置され、さらに磁界発生手
段(30)の形成する磁界の強度がターゲット(29)近傍
に電子サイクロトロン共鳴条件と高磁場マイクロ波吸収
条件とを形成可能な強度とされていることを特徴とする
ものである。
According to the present invention, a processing gas is introduced into a vacuum vessel (21) in which a sample (28) and a target (29) are arranged, and a magnetic field is generated in the vacuum vessel (21) by magnetic field generating means (30). At the same time, the processing gas is turned into plasma by introducing microwaves by means of microwave introduction means (24), and the plasma is irradiated on the target (29) to put the components of the target (29) on the sample (28). In a magnetic field microwave plasma sputtering apparatus formed as a thin film, the following technical means have been taken in order to solve the above-mentioned problems of the prior art. That is, the magnetic field generated by the magnetic field generating means (30) is a diverging magnetic field diverging in the vicinity of the target (29), and the microwave introduction direction (27)
The microwave introducing means (24) is arranged so as to extend from the high magnetic field side to the low magnetic field side of the divergent magnetic field, and the intensity of the magnetic field formed by the magnetic field generating means (30) is adjusted to be close to the target (29) by electron cyclotron resonance. The strength is such that the conditions and the high magnetic field microwave absorption conditions can be formed.

また、請求項2記載の発明は、上述の手段に加えて、
ターゲート(29)を、その頂面をマイクロ波の導入方向
(27)に向けた円錐台の斜面に沿って配置したことを特
徴とするものである。
The invention according to claim 2 provides, in addition to the above means,
The target gate (29) is arranged along a slope of a truncated cone whose top surface faces the direction (27) for introducing microwaves.

さらに、請求項3記載の発明は、上述の手段に加え
て、真空容器(21)中の真空度が10-5Torr以下であるこ
とを特徴とするものである。
Further, the invention according to claim 3 is characterized in that, in addition to the above means, the degree of vacuum in the vacuum vessel (21) is 10 -5 Torr or less.

〔作用〕[Action]

有磁場マイクロ波プラズマを発生する条件には上記EC
R条件とは別に、ECR条件を含む発散磁界中で、ある一定
の条件の下でECR条件の2〜3倍の高磁場においてマイ
クロ波吸収が起こることが、本発明者により見出され、
特許願平成2年第77318号として既に出願されている。
The above-mentioned EC
It has been found by the present inventors that, apart from the R condition, in a diverging magnetic field including the ECR condition, under certain conditions, microwave absorption occurs in a high magnetic field that is 2-3 times the ECR condition,
A patent application has been filed as Japanese Patent Application No. Heisei 77318/1990.

この条件を、以下の説明では高磁場マイクロ波吸収条
件と呼ぶが、この高磁場マイクロ波吸収条件を用いれ
ば、ECR条件より高真空側で、高密度プラズマが得られ
ることが発見されている。
This condition is referred to as a high magnetic field microwave absorption condition in the following description. However, it has been found that high density plasma can be obtained on the higher vacuum side than the ECR condition by using the high magnetic field microwave absorption condition.

この現象を第6図を用いて説明する。第6図は、圧力
5×10-5Torrの下において横軸に磁束密度をとり縦軸に
プラズマ密度をとったグラフであり、図中のB1がECR条
件を示すピークであり、図中のB2が高磁場マイクロ波吸
収条件を示すピークである。このグラフからわかるよう
に、この高磁場マイクロ波吸収条件を用いれば、ECR条
件より高真空側でも高密度プラズマが得ることができる
のである。
This phenomenon will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a graph showing the magnetic flux density on the horizontal axis and the plasma density on the vertical axis under a pressure of 5 × 10 −5 Torr, and B 1 in the figure is a peak indicating the ECR condition. of B 2 is a peak indicating a high magnetic field microwave absorption conditions. As can be seen from this graph, high-density plasma can be obtained even on a higher vacuum side than ECR conditions by using these high-field microwave absorption conditions.

本発明は、上記の2つの高密度のプラズマを発生する
ことができる条件により得られたプラズマを両方とも利
用することにより、10-4Torr以上の高真空下においてタ
ーゲット近傍に高密度のプラズマを発生させ、処理ガス
であるアルゴン等の不純物の混入の少ない高純度の成膜
を、十分実用に耐える高い成膜速度で行えることを特徴
とするものである。
The present invention uses both of the plasmas obtained under the conditions capable of generating the two high-density plasmas described above, thereby forming a high-density plasma near the target under a high vacuum of 10 −4 Torr or more. It is characterized in that high-purity film formation with little contamination of impurities such as argon, which is generated as a processing gas, can be performed at a high film-forming speed that can sufficiently withstand practical use.

ここで、上記の2つのプラズマを同時にターゲット近
傍に発生させるための、ターゲットの形状について説明
する。ECR条件と高磁場マイクロ波吸収条件とを両立さ
せるためには、マイクロ波の周波数を真空容器内で連続
的に変化させる事は困難であるので、必然的に、磁界
を、磁束密度がターゲットの位置に応じて逓減していく
発散磁界とする必要があるのである。
Here, the shape of the target for simultaneously generating the two plasmas near the target will be described. It is difficult to continuously change the frequency of microwaves in a vacuum vessel in order to achieve both ECR conditions and high magnetic field microwave absorption conditions. It is necessary to make the divergent magnetic field gradually decrease according to the position.

また、ECRプラズマはマイクロ波を反射するので、マ
イクロ波の導入方向が前記発散磁界の高磁界側から低磁
界側に沿うようにマイクロ波導入手段を配置し、高磁場
マイクロ波吸収条件側からマイクロ波を入射する必要が
あるのである。
In addition, since the ECR plasma reflects microwaves, the microwave introduction means is arranged so that the direction of introduction of the microwaves extends from the high magnetic field side to the low magnetic field side of the diverging magnetic field, and the microwave is introduced from the high magnetic field microwave absorption condition side. Waves need to be incident.

ターゲットを配置する位置について、第2図を用いて
説明する。
The position where the target is placed will be described with reference to FIG.

第2図aは縦軸に磁束密度をとり横軸にマイクロ波導
入方向に沿った位置をとったグラフであり、第2図bと
第2図cとは縦軸にプラズマ密度をとり横軸に磁束密度
をとったグラフである。
FIG. 2a is a graph with the magnetic flux density taken along the vertical axis and the position along the microwave introduction direction taken along the horizontal axis, and FIGS. 2b and 2c show the plasma density taken along the vertical axis and the horizontal axis. 7 is a graph showing the magnetic flux density.

ここで、第2図bは圧力10-4Torrの下でのグラフであ
り、第2図cは圧力10-5Torrの下でのグラフである。第
2図bと第2図cのグラフに示すように、高磁場マイク
ロ波吸収条件(グラフ中B2で示す)におけるプラズマ密
度は、ECR条件(グラフ中B1で示す)におけるプラズマ
密度が10-5Torrの高真空下では減少しているのに比し
て、高磁場マイクロ波吸収条件におけるプラズマ密度は
あまり減少しないことがわかる。また、第2図aに示す
ように、本発明の磁界は発散磁界なので、その磁束密度
の減少は第2図a中の曲線(ロ)のようになる。本発明
を実施するには、この2つの条件を共にターゲット近傍
に形成する必要があるので、第2図a中に(イ)で示す
位置にターゲットを配置すればよいのである。
Here, FIG. 2B is a graph under a pressure of 10 −4 Torr, and FIG. 2C is a graph under a pressure of 10 −5 Torr. As shown in the graph of Figure 2 b and Figure 2 c, the plasma density in the high-field microwave absorption condition (shown graphically in B 2), the plasma density in the ECR condition (shown graphically in B 1) which 10 It can be seen that the plasma density under the high magnetic field microwave absorption condition does not decrease much as compared with that under the high vacuum of -5 Torr. Further, as shown in FIG. 2A, the magnetic field of the present invention is a divergent magnetic field, and the magnetic flux density decreases as shown by the curve (b) in FIG. 2A. In order to carry out the present invention, it is necessary to form both of these two conditions in the vicinity of the target. Therefore, the target may be arranged at the position indicated by (a) in FIG. 2A.

次いで、本発明のスパッタリングの粒子の動きを第3
図を用いて説明する。
Next, the movement of the particles of the sputtering of the present invention is described as the third.
This will be described with reference to the drawings.

第3図a〜第3図cは高磁場マイクロ波吸収条件にお
ける粒子の動きを説明するものであり、第3図d〜第3
図fはECR条件における粒子の動きを説明するものであ
る。第3図において、(01)は円筒状のアルミニウムの
ターゲット、(02)はシリコンの試料、(03)はECR条
件によるプラズマの領域、(04)は高磁場マイクロ波吸
収条件によるプラズマの領域、(05)は直流電源、(0
6)(06′)はアルゴンの陽イオン、(07)(07′)は
ターゲットから飛び出したターゲットの成分粒子であ
る。アルゴンの陽イオン(06)(06′)は、直流電源
(05)に吸引されてターゲット(01)に衝突する(第3
図a、第3図b)。この衝突によりターゲット(01)か
らその成分粒子(07)(07′)が飛び出す(第3図b、
第3図e)。この衝突により飛び出した成分粒子(07)
(07′)が試料(02)の表面に薄膜を形成するのであ
る。(第3図c、第3図f)。
FIGS. 3a to 3c illustrate the movement of particles under high magnetic field microwave absorption conditions, and FIGS.
FIG. F illustrates the movement of particles under ECR conditions. In FIG. 3, (01) is a cylindrical aluminum target, (02) is a silicon sample, (03) is a plasma region under ECR conditions, (04) is a plasma region under high magnetic field microwave absorption conditions, (05) is a DC power supply, (0
6) (06 ') is the cation of argon, and (07) and (07') are the component particles of the target that jumped out of the target. The cations (06) and (06 ') of argon are attracted by the DC power supply (05) and collide with the target (01) (third).
Fig. A, Fig. 3b). This collision causes the component particles (07) and (07 ') to fly out of the target (01) (FIG. 3b,
Fig. 3e). Component particles that jumped out by this collision (07)
(07 ') forms a thin film on the surface of the sample (02). (FIGS. 3c and 3f).

本発明は、上述のように10-4Torr以上の高真空状態で
特にその効果が発揮されるものであるが、特にこれに限
定されるものではない。すなわち、10-4Torr以下の真空
度であっても、従来の有磁場マイクロ波プラズマスパッ
タリング装置より、プラズマ密度が高いので成膜速度を
得ることができる。
As described above, the present invention exerts its effects particularly in a high vacuum state of 10 −4 Torr or more, but is not particularly limited thereto. That is, even if the degree of vacuum is 10 −4 Torr or less, the film formation rate can be obtained because the plasma density is higher than that of the conventional magnetic field microwave plasma sputtering apparatus.

請求項2記載の発明の作用について模式図である第4
図を用いて説明する。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the operation of the invention of claim 2.
This will be described with reference to the drawings.

アルゴンイオンの入射エネルギーは、負に帯電したタ
ーゲットの静電力に依存し、スパッタ中は、アルゴン原
子はターゲットに対してほぼ垂直に入射する。入射した
アルゴンイオンによりスパッタされて飛び出すアルミニ
ウムの方向は、入射したアルゴンイオンに対して一定の
確率分布を持つ、この確率分布は、スパッタを行う原
子、ターゲットの材質等により変化するが、一般的にタ
ーゲットと平行に近付くほど確率が低くなる。
The incident energy of the argon ions depends on the electrostatic force of the negatively charged target, and during sputtering, the argon atoms are incident almost perpendicular to the target. The direction of aluminum sputtered out by the incident argon ions has a certain probability distribution with respect to the incident argon ions. This probability distribution varies depending on the atom to be sputtered, the material of the target, and the like. The probability becomes lower as it approaches the target in parallel.

この確率分布を第4図aに示す。第4図aにおいて、
(10)はターゲットであって、このターゲット(10)に
アルゴンガス等の陽イオン(11)が図示矢印方向に衝突
すると、ターゲット(10)の成分粒子(12)が飛び出す
ことを示す。点線(13)がその飛び出す方向の確率分布
を示す。
This probability distribution is shown in FIG. In FIG. 4a,
Reference numeral (10) denotes a target. When a cation (11) such as an argon gas collides with the target (10) in a direction indicated by an arrow, component particles (12) of the target (10) fly out. The dotted line (13) indicates the probability distribution in the popping-out direction.

次いで、ターゲットを、その頂面をマイクロ波導入方
向に向けた円錐台の斜面に沿って配置することにより、
石英窓に、スパッタされたターゲットの成分粒子が付着
されないことを第4図bを用いて説明する。
Then, by arranging the target along the slope of the truncated cone with its top surface facing the microwave introduction direction,
The fact that component particles of the sputtered target are not adhered to the quartz window will be described with reference to FIG. 4B.

第4図bにおいて、(10)が円錐状のターゲット、
(15)が石英窓、(16)が試料、(14a)がECR条件の下
で成立したプラズマの領域、(14b)が高磁場マイクロ
波吸収条件の下で成立したプラズマの領域を示す。図に
示すように、どちらの条件下で成立したプラズマの陽イ
オン(11a)(11b)の衝突により飛び出したターゲット
の成分粒子(13a)(13b)も、試料(16)側に向かい、
石英窓(15)側に向かうことがないのである。従って、
両条件により発生したプラズマによりスパッタされたタ
ーゲットの成分粒子は、円錐型ターゲットにすることに
より、マイクロ波の導入方向には飛び出さず、マイクロ
波導入のために石英ガラス等の導入窓へのアルミニウム
の付着が防止できるのである。
In FIG. 4b, (10) is a conical target,
(15) shows a quartz window, (16) shows a sample, (14a) shows a plasma region established under ECR conditions, and (14b) shows a plasma region established under high magnetic field microwave absorption conditions. As shown in the figure, the target component particles (13a) and (13b) ejected by the collision of the positive ions (11a) and (11b) of the plasma established under either condition also head toward the sample (16),
It does not go to the quartz window (15) side. Therefore,
The component particles of the target sputtered by the plasma generated under both conditions do not fly out in the direction of microwave introduction by forming a conical target, and aluminum is introduced into the introduction window such as quartz glass for microwave introduction. This can prevent the adherence of the particles.

最後に請求項3記載の発明の作用を説明すると、真空
容器内を10-5Torr程度の高真空とした場合では、2つの
高密度プラズマを発生させる条件下でのプラズマの密度
が異なる。すなわち、高磁場マイクロ波吸収条件下での
プラズマ密度の方が高いのである。ターゲットを、その
頂面をマイクロ波導入方向に向けた円錐台の斜面に沿っ
て配置することにより、両条件が成立している部分の容
積を両プラズマ密度の比に応じて設定し、これにより両
プラズマよりスパッタさせたターゲートの成分粒子を等
しく試料に衝突させることができるのである。
Finally, the operation of the invention according to claim 3 will be described. When the inside of the vacuum chamber is set to a high vacuum of about 10 −5 Torr, the plasma densities under the conditions for generating two high-density plasmas are different. That is, the plasma density under high magnetic field microwave absorption conditions is higher. By arranging the target along the slope of the truncated cone with the top surface facing the microwave introduction direction, the volume of the part where both conditions are satisfied is set according to the ratio of both plasma densities, The target particles sputtered from both plasmas can equally collide with the sample.

〔実施例〕〔Example〕

本発明の有磁場マイクロ波プラズマスパッタリング装
置の一実施例を第1図を用いて説明する。
An embodiment of the magnetic field microwave plasma sputtering apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.

第1図は本発明の有磁場マイクロ波プラズマスパッタ
リング装置の一実施例を模式的に示した断面図である。
第1図において、(21)は真空容器であって、この真空
容器(21)は、漏斗状のマイクロ波導入部(21a)と、
該マイクロ波導入部(21a)の大径側の開口部に接続さ
れた筒状の本体部(21b)とからなり、図示されていな
い真空脱気装置によりその内部を真空引き可能とされて
いる。また、その本体部(21b)とマイクロ波導入部(2
1a)との間には、これら両者を電気的に絶縁するテフロ
ン等の材料でできた絶縁体(22)と、これら両者の間の
気密を確保するO−リング(23)とが設けられている。
この真空容器(21)内の本体部(21b)の中央部に円盤
状の試料(28)が配置されていると共に、漏斗状のマイ
クロ波導入部(21a)の円錐部の内面に沿ってターゲッ
ト(29)が配置されている。
FIG. 1 is a sectional view schematically showing an embodiment of a magnetic field microwave plasma sputtering apparatus according to the present invention.
In FIG. 1, (21) is a vacuum vessel, and this vacuum vessel (21) has a funnel-shaped microwave introduction section (21a);
A cylindrical main body (21b) connected to the large-diameter side opening of the microwave introduction section (21a), and the inside thereof can be evacuated by a vacuum deaerator (not shown). . The main body (21b) and the microwave introduction part (2
An insulator (22) made of a material such as Teflon that electrically insulates the two, and an O-ring (23) that secures airtightness between the two are provided between the two. I have.
A disk-shaped sample (28) is arranged at the center of the main body (21b) in the vacuum vessel (21), and a target is formed along the inner surface of the conical part of the funnel-shaped microwave introduction part (21a). (29) is arranged.

また、真空容器(21)のマイクロ波導入部(21a)の
小径側の開口部には筒状の導波管(24)が円盤状の石英
窓(25)を介して接続されており、図示されていないマ
イクロ波源により発生させたマイクロ波を、図中の矢印
(27)方向から、導波管(24)と石英窓(25)とを通し
て真空容器(21)内に導入する。
In addition, a cylindrical waveguide (24) is connected to the opening on the small diameter side of the microwave introduction part (21a) of the vacuum vessel (21) through a disk-shaped quartz window (25). Microwaves generated by a microwave source not shown are introduced into the vacuum vessel (21) through the waveguide (24) and the quartz window (25) from the direction of the arrow (27) in the figure.

更に、真空容器(21)のマイクロ波導入部(21a)の
周囲にはドーナツ状の電磁コイル(30)が配置されてお
り、該コイル(30)は、漏斗状のマイクロ波導入部(21
a)の円錐部分に大径側にいくにつれて発散する発散磁
界を形成する。
Further, a donut-shaped electromagnetic coil (30) is arranged around the microwave introduction part (21a) of the vacuum vessel (21), and the coil (30) is provided with a funnel-shaped microwave introduction part (21).
A divergent magnetic field diverging toward the large diameter side is formed in the conical portion of a).

(31)は直流電源であって、この直流電源(31)は、
真空容器(21)の本体部(21b)とマイクロ波導入部(2
1a)との間に接続されて、マイクロ波導入部(21a)に
負の電圧(約600V〜1KV)を印加してターゲット(29)
表面を負の電位とする。なお、ターゲット(29)の成分
粒子の付着を防ぐため、前記絶縁体(22)は、真空容器
(21)の本体部(21b)とマイクロ波導入部(21a)との
間の奥まった位置に配置されている。
(31) is a DC power supply, and this DC power supply (31)
The main unit (21b) of the vacuum vessel (21) and the microwave introduction unit (2
1a), and applies a negative voltage (approximately 600 V to 1 KV) to the microwave introduction section (21a) to set the target (29)
The surface is at a negative potential. In addition, in order to prevent the component particles from adhering to the target (29), the insulator (22) is located in a recessed position between the main body (21b) and the microwave introduction part (21a) of the vacuum vessel (21). Are located.

この第1図に示す装置の作用を説明すると、まず、真
空容器(21)内に試料(28)としてシリコン基板を配置
すると共に、ターゲット(29)としてアルミニウム板を
配置する。この後、真空容器(21)内に処理ガスとして
アルゴンガスを導入し、更に真空引きして真空容器(2
1)内を例えば10-5Torr程度の圧力にする。この状態
で、マイクロ波を図示矢印(27)方向から真空容器(2
1)内に導入すると、コイル(30)の形成する磁界との
共同作用により処理ガスであるアルゴンガスがプラズマ
化される。
The operation of the apparatus shown in FIG. 1 will be described. First, a silicon substrate is placed as a sample (28) in a vacuum vessel (21), and an aluminum plate is placed as a target (29). Thereafter, an argon gas is introduced into the vacuum vessel (21) as a processing gas, and further evacuated to create a vacuum vessel (2).
1) The inside is set to a pressure of, for example, about 10 −5 Torr. In this state, microwaves are applied to the vacuum container (2
When introduced into 1), argon gas as a processing gas is turned into plasma by the cooperative action with the magnetic field formed by the coil (30).

このとき、ECR共鳴条件と高磁場マイクロ波吸収条件
が成立する部分で特に高密度のプラズマが生成する。こ
のプラズマ中の正イオンは、直流電源(31)により印加
された負の電位に引きつけられてターゲット(29)に衝
突し、この衝突によりターゲット(29)の成分であるア
ルミニウム粒子が飛び出し、この粒子が試料(28)の表
面に付着することで試料(28)表面に薄膜が形成される
のである。
At this time, particularly high-density plasma is generated in a portion where the ECR resonance condition and the high magnetic field microwave absorption condition are satisfied. The positive ions in the plasma are attracted to the negative potential applied by the DC power supply (31) and collide with the target (29), and the collision causes aluminum particles, which are components of the target (29), to fly out. Adheres to the surface of the sample (28) to form a thin film on the surface of the sample (28).

ところで、漏斗状のマイクロ波導入部(21a)の円錐
部分のなす角αは、発明者等の実験によると45度程度が
望ましいが、この角度αは、材質、使用圧力に合わせて
適宜選択できる。すなわち、請求項3記載の発明の作用
の項で説明したように、ECR条件下でのプラズマ密度と
高磁場マイクロ波吸収条件下でのプラズマ密度との比に
応じて、均一に試料上に薄膜が形成できるように角度α
を選択し、マイクロ波のモードを乱さないように設計す
れば良いのである。
The angle α formed by the conical portion of the funnel-shaped microwave introduction portion (21a) is desirably about 45 degrees according to experiments performed by the present inventors, but the angle α can be appropriately selected according to the material and the working pressure. . In other words, as described in the operation of the third aspect of the present invention, the thin film is uniformly formed on the sample according to the ratio between the plasma density under the ECR condition and the plasma density under the high magnetic field microwave absorption condition. Angle α so that
And design so as not to disturb the microwave mode.

第1図に示す装置と同じ構成の装置であって、真空容
器(21)の内径がφ250−φ100mm、漏斗状のマイクロ波
導入部(21a)の円錐部分のなす角αが45度の円錐型タ
ーゲット(29)を有する装置のターゲット近傍に、ECR
条件と高磁場マイクロ波吸収条件が成立するようにコイ
ル(30)を設置した。このとき、コイル(30)内径はφ
180mmであり、コイル電流300Aを流した場合に、マイク
ロ波の導波管(24)付近に高磁場マイクロ波吸収条件、
円錐型ターゲート(29)出口にECR条件が成立した。こ
の条件において、アルミニウムのスパッタ成膜をシリコ
ン基板上に行ったところ、下記第1表の結果を得た。
A device having the same configuration as the device shown in FIG. 1, wherein the inner diameter of the vacuum vessel (21) is φ250-φ100 mm, and the cone α of the conical portion of the funnel-shaped microwave introduction part (21a) is 45 degrees. ECR near the target of the device with the target (29)
The coil (30) was installed so that the conditions and the high magnetic field microwave absorption conditions were satisfied. At this time, the inner diameter of the coil (30) is φ
180 mm, when a coil current of 300 A is passed, high-field microwave absorption conditions near the microwave waveguide (24),
The ECR condition was satisfied at the exit of the conical targate (29). Under these conditions, when aluminum was formed by sputtering on a silicon substrate, the results shown in Table 1 below were obtained.

本発明は、アルミニウム以外のターゲット材料につい
ても適用できるし、SiO2やTaO2の薄膜の形成等の反応性
スパッタリングについても適用できるのは言うまでもな
い。
It goes without saying that the present invention can be applied to target materials other than aluminum, and can also be applied to reactive sputtering such as formation of a thin film of SiO 2 or TaO 2 .

更に、プラズマがターゲットに衝突する位置を変えて
ターゲットの消耗を均一にするため、コイルの通電量を
変化させて磁界の強度を変え、ECR条件と高磁場マイク
ロ波吸収条件の形成される位置を変化させるようにして
も良い。
Furthermore, in order to change the position where the plasma collides with the target and make the target wear evenly, the amount of current applied to the coil is changed to change the magnetic field strength, and the position where the ECR condition and the high magnetic field microwave absorption condition are formed is changed. You may make it change.

また、当然磁界の強度を変化させる代わりにターゲッ
トの位置を変更自在としても良いし、コイルの位置を変
化させても良い。
Also, the position of the target may be freely changed instead of changing the strength of the magnetic field, or the position of the coil may be changed.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明の有磁場マイクロ波プラズマスパッタリング装
置では、ECRプラズマと高磁場マイクロ波吸収プラズマ
の2つのプラズマ発生条件により得られたプラズマを共
に利用することにより、ターゲット近傍に高密度プラズ
マを発生させ、成膜速度の高いスパッタリングを行うこ
とができる。
In the magnetic field microwave plasma sputtering apparatus of the present invention, high-density plasma is generated near the target by using both plasmas obtained under the two plasma generation conditions of the ECR plasma and the high magnetic field microwave absorbing plasma. Sputtering at a high film speed can be performed.

また、本発明の有磁場マイクロ波プラズマスパッタリ
ング装置では、高真空下においても十分実用的な成膜速
度で、アルゴン等の不純物の混入の少ない高純度の成膜
を行うことができる。
Further, with the magnetic field microwave plasma sputtering apparatus of the present invention, high-purity film formation with less contamination of impurities such as argon can be performed at a sufficiently practical film formation rate even under a high vacuum.

また、請求項2記載の発明によると、石英ガラス等の
真空封止の為のマイクロ波照射窓へのターゲットの成分
粒子の付着を防止でき、高価な石英ガラス等の部材の寿
命を延ばすことができると共に、マイクロ波透過率の低
下による成膜速度の低下を防止することができ、さら
に、メンテナンスに要する時間を短縮することができ
る。
According to the second aspect of the present invention, it is possible to prevent the component particles of the target from adhering to the microwave irradiation window for vacuum sealing of quartz glass or the like, and to prolong the life of expensive quartz glass or the like member. In addition to this, it is possible to prevent a decrease in the film formation rate due to a decrease in the microwave transmittance, and to further reduce the time required for maintenance.

さらに、請求項3記載の発明によると、高純度の成膜
を行うことができる10-5Torr程度の高真空とした場合に
おいても、スパッタされたターゲットの成分粒子を等し
く試料に衝突させることができるので、薄膜のムラを低
減することができるという効果があるのである。
Furthermore, according to the third aspect of the present invention, even in the case of a high vacuum of about 10 -5 Torr at which high-purity film formation can be performed, the component particles of the sputtered target can equally collide with the sample. Therefore, there is an effect that unevenness of the thin film can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の有磁場マイクロ波プラズマスパッタリ
ング装置の実施例を模式的に示す断面図、第2図aは本
発明におけるターゲットの配置位置を示すグラフ、第2
図bおよび第2図cは高磁場マイクロ波吸収条件を示す
グラフ、第3図は本発明の有磁場マイクロ波プラズマス
パッタリング原理を示す模式図、第4図は請求項2記載
の発明の作用を示す模式図、第5図は従来の有磁場マイ
クロ波プラズマスパッタリング装置の実施例を模式的に
示す断面図、第6図は高磁場マイクロ波吸収条件を示す
グラフである。 (21)…真空容器、(24)…導波管、(27)…マイクロ
波導入方向、(28)…試料、(29)…ターゲット、(3
0)…電磁コイル。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of a magnetic field microwave plasma sputtering apparatus according to the present invention, FIG. 2a is a graph showing an arrangement position of a target in the present invention, and FIG.
2 and 3 are graphs showing high magnetic field microwave absorption conditions, FIG. 3 is a schematic diagram showing the principle of magnetic field microwave plasma sputtering of the present invention, and FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing an example of a conventional magnetic field microwave plasma sputtering apparatus, and FIG. 6 is a graph showing high magnetic field microwave absorption conditions. (21) ... vacuum vessel, (24) ... waveguide, (27) ... microwave introduction direction, (28) ... sample, (29) ... target, (3
0)… Electromagnetic coil.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−277775(JP,A) 特開 昭61−194174(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 14/00 - 14/58 C23C 16/00 - 16/56 H01L 21/205,21/31,21/203 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-3-277775 (JP, A) JP-A-61-194174 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) C23C 14/00-14/58 C23C 16/00-16/56 H01L 21 / 205,21 / 31,21 / 203

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】試料(28)とターゲット(29)とを内部に
配置した真空容器(21)内に処理ガスを導入し、該真空
容器(21)内に磁界発生手段(30)により磁界を形成す
るとともにマイクロ波導入手段(24)によりマイクロ波
を導入することで前記処理ガスをプラズマ化し、このブ
ラズマを前記ターゲット(29)に照射してターゲット
(29)の成分を前記試料(28)上に薄膜として形成する
有磁場マイクロ波プラズマスパッタリング装置におい
て、磁界発生手段(30)の形成する磁界がターゲット
(29)近傍で発散する発散磁界とされているとともに、
マイクロ波の導入方向(27)が前記発散磁界の高磁界側
から低磁界側に沿うようにマイクロ波導入手段(24)が
配置され、さらに磁界発生手段(30)の形成する磁界の
強度がターゲット(29)近傍に電子サイクロトロン共鳴
条件と高磁場マイクロ波吸収条件とを形成可能な強度と
されていることを特徴とする有磁場マイクロ波プラズマ
スパッタリング装置。
A process gas is introduced into a vacuum vessel (21) in which a sample (28) and a target (29) are arranged, and a magnetic field is generated in the vacuum vessel (21) by magnetic field generating means (30). The process gas is turned into plasma by being formed and microwaves are introduced by a microwave introduction means (24), and the plasma is irradiated on the target (29), and the components of the target (29) are placed on the sample (28). The magnetic field generated by the magnetic field generating means (30) is a diverging magnetic field diverging near the target (29) in the magnetic field microwave plasma sputtering apparatus formed as a thin film on the
The microwave introduction means (24) is arranged so that the microwave introduction direction (27) extends from the high magnetic field side to the low magnetic field side of the divergent magnetic field, and furthermore, the intensity of the magnetic field generated by the magnetic field generation means (30) is set to the target. (29) A magnetic field microwave plasma sputtering apparatus characterized in that the intensity is such that electron cyclotron resonance conditions and high magnetic field microwave absorption conditions can be formed in the vicinity.
【請求項2】ターゲット(29)が、その頂面をマイクロ
波の導入方向(27)に向けた円錐台の斜面に沿って配置
されていることを特徴とする請求項1記載の有磁場マイ
クロ波プラズマスパッタリング装置。
2. The magnetic field micro-device according to claim 1, wherein the target is arranged along a slope of a truncated cone whose top surface faces the direction of introduction of the microwave. Wave plasma sputtering equipment.
【請求項3】真空容器(21)中の真空度が10-5Torr以下
であることを特徴とする請求項2記載の有磁場マイクロ
波プラズマスパッタリング装置。
3. The magnetic field microwave plasma sputtering apparatus according to claim 2, wherein the degree of vacuum in the vacuum vessel (21) is 10 -5 Torr or less.
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