JP3327991B2 - Penning discharge type etching / deposition method and apparatus - Google Patents

Penning discharge type etching / deposition method and apparatus

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JP3327991B2
JP3327991B2 JP10825593A JP10825593A JP3327991B2 JP 3327991 B2 JP3327991 B2 JP 3327991B2 JP 10825593 A JP10825593 A JP 10825593A JP 10825593 A JP10825593 A JP 10825593A JP 3327991 B2 JP3327991 B2 JP 3327991B2
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control electrode
cathode
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penning discharge
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修 塚越
亮三 五十嵐
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、例えば水晶振動子の製
造に利用され得るペニング放電型エッチング・デポジシ
ョン方法及び装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a Penning discharge type etching / deposition method and apparatus which can be used, for example, for manufacturing a quartz oscillator.

【0002】[0002]

【従来の技術】ワープロ、パソコン等のOA機器には、
マイクロコンピュータが内蔵されており、それらのマイ
クロコンピュータの動作の基準を決めるためクロック発
生用として水晶振動子が使用されている。そしてこの種
のマイクロコンピュータに使用される水晶振動子の発振
周波数はPPM オーダーの精度が要求されている。水晶振
動子の発振周波数の調整は、通常水晶振動子の両側の電
極に付着させる金属の量を調整することによって行われ
ている。すなわち、水晶振動子の発振周波数を指定の周
波数に正確に調整するために、水晶振動子の周波数を測
定しながら振動子上に物質を蒸着によって追加的に付加
し、関係式 Δf=kΔM から、所定の周波数になった時、蒸着を停止する方法が
取られており、上記式においてΔfは質量ΔMの追加に
よる周波数の変化分であり、またkは比例定数である。
この従来の調整法では、予め安全をみて水晶振動子の電
極部にまず金属膜を薄目に付け、周波数カウンタで発振
周波数を測定しながら金属膜の付着を繰り返していくの
で、周波数調整に何回もの工程が必要となり、手間が掛
かるだけでなく金属膜が多く付き過ぎたり、また蒸着に
より付ける場合に、下地とのなじみが悪く、発振周波数
の経年変化が多い等の欠点があった。
2. Description of the Related Art OA devices such as word processors and personal computers include:
Microcomputers are built in, and a crystal oscillator is used for generating a clock in order to determine the standard of operation of those microcomputers. The oscillation frequency of the crystal unit used in this type of microcomputer is required to have an accuracy on the order of PPM. Adjustment of the oscillation frequency of the crystal unit is usually performed by adjusting the amount of metal adhered to the electrodes on both sides of the crystal unit. That is, in order to accurately adjust the oscillation frequency of the crystal oscillator to the specified frequency, a substance is additionally added on the oscillator while measuring the frequency of the crystal oscillator by vapor deposition, and from the relational expression Δf = kΔM, When a predetermined frequency is reached, a method of stopping vapor deposition is adopted. In the above equation, Δf is a change in frequency due to the addition of the mass ΔM, and k is a proportional constant.
In this conventional adjustment method, a metal film is first thinned on the electrode part of the crystal unit for safety, and the adhesion of the metal film is repeated while measuring the oscillation frequency with a frequency counter. However, there is a drawback that not only is it necessary to carry out a process, but also it takes time and effort, but also there are too many metal films, and when it is deposited by vapor deposition, it does not fit well with the base and there is a lot of secular change in oscillation frequency.

【0003】このような欠点を改善するため、水晶振動
子のベース電極を形成する際に所要周波数の得られる膜
厚設定を行い、不足の基板に付いては追加的に蒸着処理
を施し、一方過分な基板に対してはエッチング処理によ
り余分量を取り除くことにより周波数調整する方法が提
案されてきた。その一例としては、小型ペニング放電装
置における一方のカソードに直径6mm程度のアパーチャ
を開け、このアパーチャに被加工部品である水晶振動子
を置き、アノードをアパーチャの真下位置とその位置か
ら外れた位置との間で動かして放電室のアパーチャに密
接させてアパーチャの真下の位置では直接エッチング作
用のあるアルゴンイオンをアパーチャを介して水晶振動
子へ導き、エッチングを行い、一方アノードをアパーチ
ャの真下位置から外れた位置へ動かした際にはアルゴン
イオンがアパーチャを介して水晶振動子へ当たるのを阻
止し、代わりに対向カソードの材料スパッタして水晶振
動子にデポジションするようにしたものがある(特公昭
63−9585号公報参照)。
In order to improve such disadvantages, a film thickness is set so as to obtain a required frequency when forming a base electrode of a crystal unit, and an insufficient substrate is additionally subjected to a vapor deposition process. A method of adjusting the frequency of an excessive substrate by removing an excess amount by an etching process has been proposed. As an example, an aperture having a diameter of about 6 mm is opened in one of the cathodes of the small Penning discharge device, a quartz crystal as a workpiece is placed in the aperture, and the anode is positioned directly below the aperture and in a position deviated from the aperture. Between the electrodes and close to the aperture of the discharge chamber.At the position directly below the aperture, argon ions, which have an etching effect, are directly guided to the crystal unit via the aperture, and etching is performed, while the anode is removed from the position directly below the aperture. When moved to a different position, argon ions are prevented from impinging on the crystal unit through the aperture, and instead, the material of the opposite cathode is sputtered and deposited on the crystal unit.
63-9585).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、ペニング放
電を利用してエッチングと蒸着との両方を選択的に実施
して周波数を調整する従来提案されたものでは、アノー
ドを機械的に動かすことによりエッチング処理と蒸着処
理とを切換えるために、アノードを移動するのに10〜20
秒程度要しかつ位置のセッティングが微妙で、その結果
周波数調整工程に時間が掛かり過ぎかつ再現性に乏し
い。従って、通常周波数調整工程が2〜3秒であるイン
ラインシステムにはこの方式は実用的ではなく、放電室
と水晶振動子を密着させなければならないなど生産性の
点で問題があった。
By the way, in the conventional proposal in which the frequency is adjusted by selectively performing both etching and vapor deposition using Penning discharge, the etching is performed by mechanically moving the anode. 10 to 20 minutes to move the anode to switch between process and deposition process
It takes about seconds and the setting of the position is delicate. As a result, the frequency adjustment process takes too much time and the reproducibility is poor. Therefore, this method is not practical for an in-line system in which the frequency adjustment step is usually performed for 2 to 3 seconds, and there is a problem in terms of productivity such that the discharge chamber and the crystal unit must be brought into close contact.

【0005】そこで、本発明は、従来技術の問題点を解
決して、水晶振動子の金属薄膜の厚さを調整するのにエ
ッチングとデポジションとを非常に高速に切換え、水晶
振動子を迅速に所定位置にセットすることができるペニ
ング放電型エッチング・デポジション方法及び装置を提
供することを目的としている。
Accordingly, the present invention solves the problems of the prior art, and switches between etching and deposition at a very high speed to adjust the thickness of the metal thin film of the crystal unit, thereby quickly mounting the crystal unit. It is an object of the present invention to provide a Penning discharge type etching / deposition method and apparatus which can be set at a predetermined position.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第1の発明によるペニング放電型エッチ
ング・デポジション方法は、ヨーク部材内に配置した筒
状のアノードを挾んで対向させて一対のカソードを設
け、各カソードの外側で閉磁気回路を形成するヨーク部
材内面にそれぞれ永久磁石を取り付けたペニング放電部
からのカソード材料の分子や原子及びキャリアガスのイ
オンの取出し用アパーチャの軸線に沿って同軸に制御電
極を配置し、ペニング放電部の放電室と制御電極の設け
られた部位とを差動排気しまたはペニング放電部の放電
室にキャリアガスを導入しつつアパーチャより流出させ
て制御電極の設けられた部位をペニング放電部の放電室
より高真空に設定し、制御電極に発生される電位がペニ
ング放電部のプラズマ電位より十分に高い電位となるよ
うに制御電極に印加する電圧を設定してデボジション処
理を行い、また制御電極に発生される電位がペニング放
電部のプラズマ電位より十分に低い電位となるように制
御電極に印加する電圧を設定してキャリアガスイオンに
よるエッチング処理を行うことを特徴としている。ま
た、本発明の第2の発明によるペニング放電型エッチン
グ・デポジション装置は、真空容器壁を形成するヨーク
部材内に筒状のアノードを設け、アノードの一側にはカ
ソードをまた他側にはアパーチャ付のカソードをそれぞ
れ配置し、アノードの一側のカソードの外側で閉磁気回
路を形成するヨーク部材内側に永久磁石を設け、アノー
ドの他側のアパーチャ付のカソードの外側のヨーク部材
の開口部分内側の回りにアパーチャ付の永久磁石を設け
て、ヨーク部材を通る磁気回路を形成し、またヨーク部
材の開口部分に隣接して放電室の外側にアパーチャ付の
制御電極及びアパーチャ付のアース電極を順次配置し、
アパーチャ付の制御電極への印加電圧を制御することに
よって、アパーチャ付のアース電極の外側に位置する被
処理物に対してエッチング及びデポジション処理を行う
ように構成したことを特徴としている。
In order to achieve the above object, a penning discharge type etching / deposition method according to a first aspect of the present invention is directed to a method in which a cylindrical anode disposed in a yoke member is opposed. A pair of cathodes are provided, and a permanent magnet is attached to the inner surface of the yoke member that forms a closed magnetic circuit outside each cathode.Apertures for extracting molecules and atoms of cathode material and ions of carrier gas from a Penning discharge unit are attached. The control electrode is arranged coaxially along the axis, and the discharge chamber of the Penning discharge unit and the portion provided with the control electrode are differentially evacuated or discharged from the aperture while introducing a carrier gas into the discharge chamber of the Penning discharge unit. The location where the control electrode is provided is set to a higher vacuum than the discharge chamber of the Penning discharge unit, and the potential generated at the control electrode Set the voltage to be applied to the control electrode so that it is sufficiently higher than the potential, perform the devouring process, and control so that the potential generated at the control electrode is sufficiently lower than the plasma potential of the Penning discharge part. An etching process using carrier gas ions is performed by setting a voltage to be applied to the electrode. The penning discharge type etching / deposition apparatus according to the second aspect of the present invention is provided with a cylindrical anode in a yoke member forming a vacuum vessel wall, a cathode on one side of the anode, and a cathode on the other side. A cathode with an aperture is arranged, a permanent magnet is provided inside a yoke member forming a closed magnetic circuit outside the cathode on one side of the anode, and an opening portion of the yoke member outside the cathode with an aperture on the other side of the anode. A permanent magnet with an aperture is provided around the inside to form a magnetic circuit passing through the yoke member, and a control electrode with an aperture and a ground electrode with an aperture are provided outside the discharge chamber adjacent to the opening of the yoke member. Arranged sequentially,
By controlling the voltage applied to the control electrode with an aperture, etching and deposition processing is performed on an object to be processed located outside the earth electrode with the aperture.

【0007】[0007]

【作用】本発明によるペニング放電型エッチング・デポ
ジション方法及び装置においては、ヨーク部材内側に永
久磁石を設けてヨーク部材を通る磁気回路を形成したこ
とにより、放電室内の両カソードと筒状アノードの中の
軸方向磁場は400 ガウス以上にし、一方放電室の外側の
制御電極の設けられた部位における磁場は10ガウス以下
にすることができ、その結果放電室の外側の制御電極が
アノードとなってこの部分に第2のペニング放電の生ず
るのを防止することができるようになる。また、放電室
の外側の制御電極を取り囲む部分を差動排気して放電室
内より高真空にしているので、低磁場と相俟ってこの部
分では放電が生じないようにすることができるようにな
る。さらに、キャリヤガスイオンによるエッチングと、
対向カソードからスパッタされたカソード材料分子のう
ちアパーチャを通り抜けたものによるデポジションとが
同時に起ることになるが、エッチングの方が一桁以上レ
ートが大きいので、デポジションは見られない。そのた
め本発明ではデポジション時にはペニング放電装置のプ
ラズマ電位より十分高い電位が制御電極のアパーチャ部
分に発生するように制御電極に印加される電圧が制御さ
れる。それにより、プラズマ電位はアノード電位より数
十ボルト低く、キャリヤガスイオンの出発点の電位はプ
ラズマ電位と同じで、初速度は数eVであるので、制御電
極によって追い返され、被加工部品である水晶振動子に
は入らないが、対向カソードからスパッタされたカソー
ド材料分子または原子は電荷をもっていないので制御電
極のアパーチャを通り抜けて水晶振動に達することがで
き、このようにしてデポジションが行われることにな
る。例えば筒状アノードの電位を1500ボルトにすると
き、制御電極の電位を2100ボルトに設定することにより
デポジションを行うことができ、また制御電極の電位を
−1000ボルトにすることによってキャリヤガスイオンを
引出してエッチングを行うことができる。このようにデ
ポジションとエッチングとの切替えは、単に筒状アノー
ドの電位に対する制御電極の電位の設定で行うようにし
ているので、マイクロ秒台の時間で行うことができ、そ
れにより水晶振動子の周波数の調整を正確かつ高速で実
施できるようになる。
In the penning discharge type etching / deposition method and apparatus according to the present invention, a permanent magnet is provided inside the yoke member to form a magnetic circuit passing through the yoke member. The internal axial magnetic field can be greater than 400 Gauss, while the magnetic field at the location of the control electrode outside the discharge chamber can be less than 10 Gauss, so that the control electrode outside the discharge chamber becomes the anode. The second Penning discharge can be prevented from occurring in this portion. Also, since a portion surrounding the control electrode outside the discharge chamber is differentially evacuated to a higher vacuum than the discharge chamber, a discharge can be prevented from occurring in this portion in combination with a low magnetic field. Become. In addition, etching with carrier gas ions,
Deposition by cathode material molecules sputtered from the opposing cathode and passing through the aperture will occur at the same time, but no deposition is observed since the etching rate is one or more digits higher. Therefore, in the present invention, at the time of deposition, the voltage applied to the control electrode is controlled such that a potential sufficiently higher than the plasma potential of the Penning discharge device is generated at the aperture of the control electrode. As a result, the plasma potential is several tens of volts lower than the anode potential, the potential at the starting point of the carrier gas ions is the same as the plasma potential, and the initial velocity is several eV. Although it does not enter the vibrator, the cathode material molecules or atoms sputtered from the opposing cathode have no charge, so they can pass through the aperture of the control electrode and reach the crystal oscillation, and thus the deposition is performed. Become. For example, when the potential of the cylindrical anode is set to 1500 volts, the deposition can be performed by setting the potential of the control electrode to 2100 volts, and by setting the potential of the control electrode to -1000 volts, carrier gas ions can be removed. It can be pulled out and etched. As described above, the switching between the deposition and the etching is performed simply by setting the potential of the control electrode with respect to the potential of the cylindrical anode, so that the switching can be performed in a time of the order of microseconds. The frequency adjustment can be performed accurately and at high speed.

【0008】[0008]

【実施例】以下添付図面を参照して本発明の実施例につ
いて説明する。図1には本発明によるペニング放電型エ
ッチング・デポジション装置の一実施例を示し、1はヨ
ーク部材で、両端を開放し、内部に円筒状の空間を画定
した純鉄製の巻枠型部分1aと、巻枠型部分1aの一端すな
わち一方の開放端を閉じる純鉄製の端板部分1bと、巻枠
型部分1aの他方の開放端上に重ね合わされる純鉄製のフ
ランジ部分1cとで構成され、真空容器壁の一部を形成し
ている。図示してないがヨーク部材1の巻枠型部分1aの
胴部には予備排気及びアルゴンガス等のキャリヤガス導
入用の口部が設けられている。巻枠型部分1a内には同軸
状に SUS製の円筒状アノード2が絶縁性支持部材3によ
り支持され、配置されて、この円筒状アノード2は図示
してないコネクタを介して電源に接続されている。ま
た、この円筒状アノード2を挾んで巻枠型部分1aの両端
の開口部にはこれらの開口部を塞ぐように銀製の円盤状
カソード4、5が対向して設けられており、上方のカソ
ード5は中央にアパーチャを備えている。各カソード
4、5は、ヨーク部材1との良好な熱接触を保証するた
め間にアルミニウム箔(図示してない)を挾んでいる。
これらのカソード4、5の外側においてヨーク部材1の
端板部分1b及びフランジ部分1cには、円盤状の永久磁石
6、7がカソード4、5との間に真空熱絶縁用の隙間
8、9をあけてそれぞれ設けられており、上方の永久磁
石7は中央にアパーチャを備えている。両磁石は好まし
くはSmCoから成り、そして軸対称に設けられている。従
って、ヨーク部材1の巻枠型部分1a、端板部分1b及びフ
ランジ部分1cを通る磁気回路が形成され、この磁気回路
は、図示実施例では、ヨーク部材1の内部に画定された
放電室内の円筒状アノード2と対向カソード4、5の内
側の軸方向磁場が400 ガウス以上となり、放電室の上部
のカソード5のアパーチャ、上方の磁石7のアパーチャ
及びフランジ部分1cの内周部分で画定された開口部10の
外側の磁場が10ガウス以下になるように構成されてい
る。この開口部10の上方には中央アパーチャ付きのすな
わち環状の制御電極11が開口部10の軸線に同軸に絶縁性
支持部材12によって取り付けられており、この制御電極
11は図示してない制御電源に接続され、円筒状アノード
2の電位に対して高い電位と低い電位とに切り替えられ
るようにされている。制御電極11の上方にはアース電極
13が配置され、このアース電極13は、開口部10の軸線と
同軸のアパーチャを備え、そしてSUS 製の支持体14を介
してヨーク部材1のフランジ部分1c上に支持されてい
る。こうして構成された組立体は真空装置の器壁15に気
密に装着される。尚図1において16は周波数調整すべき
水晶振動子17のキャリヤである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows an embodiment of a penning discharge type etching / deposition apparatus according to the present invention. Reference numeral 1 denotes a yoke member, a pure iron bobbin type portion 1a having both ends opened and defining a cylindrical space therein. And an end plate portion 1b made of pure iron that closes one end, that is, one open end of the bobbin mold portion 1a, and a pure iron flange portion 1c that is superimposed on the other open end of the bobbin mold portion 1a. And a part of the vacuum vessel wall. Although not shown, the body of the bobbin-shaped portion 1a of the yoke member 1 is provided with a port for preliminary exhaust and introduction of a carrier gas such as argon gas. A cylindrical anode 2 made of SUS is coaxially supported and arranged in an insulating support member 3 in the winding frame type portion 1a, and the cylindrical anode 2 is connected to a power supply via a connector (not shown). ing. Also, silver disk-shaped cathodes 4 and 5 are provided opposite to the openings at both ends of the reel-shaped portion 1a with the cylindrical anode 2 interposed therebetween so as to cover these openings. 5 has an aperture in the center. Each cathode 4, 5 has an aluminum foil (not shown) sandwiched therebetween to ensure good thermal contact with the yoke member 1.
Outside the cathodes 4 and 5, disk-shaped permanent magnets 6 and 7 are provided between the end plates 1 b and the flanges 1 c of the yoke member 1 between the cathodes 4 and 5 for vacuum thermal insulation. And the upper permanent magnet 7 has an aperture in the center. Both magnets are preferably made of SmCo and are provided axially symmetric. Accordingly, a magnetic circuit is formed that passes through the bobbin-shaped portion 1a, the end plate portion 1b, and the flange portion 1c of the yoke member 1. The axial magnetic field inside the cylindrical anode 2 and the opposing cathodes 4 and 5 becomes 400 gauss or more, and is defined by the aperture of the cathode 5 at the upper part of the discharge chamber, the aperture of the magnet 7 above and the inner peripheral part of the flange part 1c. The magnetic field outside the opening 10 is configured to be 10 Gauss or less. Above the opening 10, an annular control electrode 11 having a central aperture is attached by an insulating support member 12 coaxially with the axis of the opening 10.
Reference numeral 11 is connected to a control power supply (not shown) so that the potential can be switched between a high potential and a low potential with respect to the potential of the cylindrical anode 2. Ground electrode above control electrode 11
The ground electrode 13 has an aperture coaxial with the axis of the opening 10 and is supported on the flange portion 1c of the yoke member 1 via a support 14 made of SUS. The thus constructed assembly is hermetically mounted on the wall 15 of the vacuum device. In FIG. 1, reference numeral 16 denotes a carrier of the crystal unit 17 whose frequency is to be adjusted.

【0009】次に、このように構成した図示装置の動作
について説明する。上述のように磁気回路を形成するこ
とによって、ヨーク部材1により形成されたペニング放
電室内の磁場は400 ガウス以上にし、A(アルゴンイ
オン)または銀原子の搬送部を成す放電室外側では数ガ
ウス以下となるようにし、そしてペニング放電室内では
2×10-3トール程度で数十mAの放電が起り、引出部すな
わち制御電極11の近傍ではペニング放電が生じないよう
にされている。 (1) エッチングモードの場合、 円筒状アノード2に1500Vの電圧を印加し、制御電極11
は−1000Vとし、そして下方のカソード4から60mmの位
置に処理すべき水晶振動子17が位置しているとする。
今、0.5mA のアルゴンイオンビームを引出し、0.5mA の
アルゴンイオンビームのビーム半径Rを、R=0.63cm、
断面積を1.23cm2 とすると、アルゴンイオンの電流密度
は 406×10-6A/cm2 となり、アルゴンイオンのイオン
数は 406×10-6A/cm2 /1.6022+10-19 C= 3.8×10
15ions/cm2 ・sec であり、アルゴンイオン(1500
eV)による銀のスパッタ率は〜5である。従って、上記
のアルゴンイオンビームでスパッタされる銀原子の数
は、 3.8×1015×5=1.9 ×1016Ag原子/cm2 ・sec となる。一方、銀の密度は10.492g/cm3 であり、銀の1
分子量は107.870 であり、アボガドロ数は 6.022×1023
/モルであるので、1cm3 中の銀原子の数は (10.492/107.870 )× 6.022×1023= 5.867×1022 となる。従ってアルゴンイオンビームでスパッタされる
銀原子の数1.9 ×1016/cm2 ・sec は、 1.9×1016/ 5.867×1022= 3.3×10-7cm/sec であり、エッチングレートは33オングストローム/sec
となる。また、カソードの消耗量については、放電電流
は片側のカソードで 0.5mA ×[(0.7)2 ×π]/[(0.3)2 ×π] =2.7mA 2.7mA/[(0.7)2 ×π] =1.767 ×10-3A/cm2 [1.767×10-3A/cm2 ] /1.6022+10-19 C=1.103 ×
1016/cm2 ・sec であり、また銀のスパッタ率は〜5であるので、スパッ
タされる銀原子の個数は 1.103 ×1016/cm2 ・sec となる。銀のスパッタ率は〜5であるので、カパッタさ
れる銀原子の個数は 1.103 ×1016×5/cm2 ・sec 9.4 ×10-7cm/sec=94
オングストローム/秒 となる。従って厚さ2mmの銀板が1.5mm までスパッタさ
れる時間は、 0.15/94×10-8=1.596 ×105 秒=44.3時間 となる。一方、アノードに入る電荷総量は、 2.7mA ×2×1.6 ×105 =864 クーロン となる。
Next, the operation of the illustrated apparatus configured as described above will be described. By forming the magnetic circuit as described above, the magnetic field in the Penning discharge chamber formed by the yoke member 1 is made to be 400 gauss or more, and several gauss outside the discharge chamber which constitutes a portion for transporting A + (argon ions) or silver atoms. In the Penning discharge chamber, a discharge of several tens of mA occurs at about 2 × 10 −3 Torr, and no Penning discharge occurs in the vicinity of the extraction portion, that is, in the vicinity of the control electrode 11. (1) In the case of the etching mode, a voltage of 1500 V is applied to the cylindrical anode 2 and the control electrode 11 is applied.
Is −1000 V, and the crystal unit 17 to be processed is located at a position 60 mm from the cathode 4 below.
Now, a 0.5 mA argon ion beam is extracted, and the beam radius R of the 0.5 mA argon ion beam is defined as R = 0.63 cm,
When the cross-sectional area and 1.23Cm 2, the current density of argon ions is 406 × 10 -6 A / cm 2, and the number of ions argon ions 406 × 10 -6 A / cm 2 /1.6022+10 -19 C = 3.8 × Ten
15 A + ions / cm 2 · sec, and argon ions (1500
The sputtering rate of silver by eV) is 〜5. Accordingly, the number of silver atoms sputtered by the argon ion beam is 3.8 × 10 15 × 5 = 1.9 × 10 16 Ag atoms / cm 2 · sec. On the other hand, the density of silver is 10.492 g / cm 3 ,
The molecular weight is 107.870 and the Avogadro number is 6.022 × 10 23
/ Mol, the number of silver atoms in 1 cm 3 is (10.492 / 107.870) × 6.022 × 10 23 = 5.867 × 10 22 . Therefore, the number of silver atoms sputtered by an argon ion beam, 1.9 × 10 16 / cm 2 · sec, is 1.9 × 10 16 /5.867×10 22 = 3.3 × 10 -7 cm / sec, and the etching rate is 33 Å / cm. sec
Becomes Regarding the consumption of the cathode, the discharge current for one cathode is 0.5 mA × [(0.7) 2 × π] / [(0.3) 2 × π] = 2.7 mA 2.7 mA / [(0.7) 2 × π] = 1.767 × 10 −3 A / cm 2 [1.767 × 10 −3 A / cm 2 ] /1.6022+10 −19 C = 1.103 ×
10 16 / cm 2 · sec, and the silver sputtering rate is up to 5, the number of sputtered silver atoms is 1.103 × 10 16 / cm 2 · sec. Since the sputtering rate of silver is 55, the number of silver atoms to be bonded is 1.103 × 10 16 × 5 / cm 2 · sec 9.4 × 10 -7 cm / sec = 94
Angstrom / sec. Therefore, the time for a silver plate having a thickness of 2 mm to be sputtered to 1.5 mm is 0.15 / 94 × 10 −8 = 1.596 × 10 5 seconds = 44.3 hours. On the other hand, the total charge entering the anode is 2.7 mA × 2 × 1.6 × 10 5 = 864 coulombs.

【0010】(2) デポジションモードの場合、 円筒状アノード2に印加する電圧が1500V の時、制御電
極11に印加する電圧は2100V 以上にする。微分スパッタ
率の角度依存性が余弦法則に従うとし、そして図2に示
すように、垂直に入射するアルゴンイオン一個に対して
法線方向立体角dωにスパッタされる銀原子の個数をa
dωとすると、全スパッタ率ηは、入射アルゴンイオン
に対して 従って、銀製のカソード4の中心部における直径0.6cm
の領域S1からスパッタされる銀原子のうち、 n1=adω×S1 cosθ×入射アルゴンイオン/cm2 だけデポジットされることになる。さらに、その領域S1
の外側の0.4cm 幅の円環状領域S2からは n2=adω´×S2 cosθ×入射アルゴンイオン/cm2 だけデポジットされることになる。全放電電流を50mAと
し、片側25mAとして、0.6 φの領域S1には n1=(η/π)・[(π・ 0.32 )/(π・62 )]・ 0.3
2 π×[(25×10-3)/(1.602 ×10-19 )]/ 0.72 ・π =3.58×1014銀原子/ 0.32 ×πcm2 がデポジットされ、一方その外側の領域には、dω´を
〜 0.1dωとすると、 n2=n1×0.1 ×( 0.72 − 0.32 )/ 0.32 =1.59×10
14銀原子/ 0.32 ×πcm2 がデポジットされ、全体では、 n1+n2=5.2 ×1014銀原子/ 0.32 ×πcm2=1.83×10
15銀原子/cm2 ・sec =3.1 オングストローム/秒 となり、またカソードの消耗に関しては1.5mm の深さ消
耗するのに4.8 時間掛かることになる。
(2) In the deposition mode, when the voltage applied to the cylindrical anode 2 is 1500 V, the voltage applied to the control electrode 11 is set to 2100 V or more. Assuming that the angle dependency of the differential sputtering rate obeys the cosine law, and as shown in FIG. 2, the number of silver atoms sputtered at a normal solid angle dω for one vertically incident argon ion is a
dω, the total sputtering rate η is Therefore, a diameter of 0.6 cm at the center of the silver cathode 4
Of the silver atoms sputtered from the region S1 of the formula (1), n1 = adω × S1 cosθ × incident argon ions / cm 2 . Further, the area S1
Is deposited from the annular region S2 having a width of 0.4 cm outside the area of n2 = adω ′ × S2 cosθ × incident argon ion / cm 2 . All discharge current and 50 mA, as one 25mA, the area S1 of 0.6 φ n1 = (η / π ) · [(π · 0.3 2) / (π · 6 2)] · 0.3
2 π × [(25 × 10 -3 ) / (1.602 × 10 -19 )] / 0.7 2 · π = 3.58 × 10 14 silver atoms / 0.3 2 × πcm 2 , while the area outside it is: When the dω' the ~ 0.1dω, n2 = n1 × 0.1 × (0.7 2 - 0.3 2) / 0.3 2 = 1.59 × 10
14 silver atoms / 0.3 2 × πcm 2 is deposited, in whole, n1 + n2 = 5.2 × 10 14 silver atoms / 0.3 2 × πcm 2 = 1.83 × 10
15 silver atoms / cm 2 · sec = 3.1 angstroms / second, and the consumption of the cathode takes 4.8 hours to consume a depth of 1.5 mm.

【0011】図3には、軸対称に設けられた二つの永久
磁石体6、7によって形成される磁場分布を表す等磁位
線を示し、放電室内では磁場の強さは445 エルステッド
であり、放電室の外側の引出部付近では13〜3エルステ
ッドである。図4には中心軸線上の磁場分布を示し、縦
軸は磁場の強さをまた横軸は中心軸線に沿った位置を表
している。このグラフからアノード内では900 ガウス、
制御電極に対応した位置では、−1〜−3ガウス程度と
なっていることがわかる。図5には、エッチングモード
における電場分布を、また図6にはデポジションモード
における電場分布を示している。
FIG. 3 shows equipotential lines representing a magnetic field distribution formed by two permanent magnet bodies 6 and 7 provided axially symmetrically. In the discharge chamber, the strength of the magnetic field is 445 Oersteds. It is 13 to 3 Oe near the drawer outside the discharge chamber. FIG. 4 shows the magnetic field distribution on the central axis, the vertical axis represents the strength of the magnetic field, and the horizontal axis represents the position along the central axis. From this graph, 900 Gauss in the anode,
It can be seen that at a position corresponding to the control electrode, it is about -1 to -3 Gauss. FIG. 5 shows the electric field distribution in the etching mode, and FIG. 6 shows the electric field distribution in the deposition mode.

【0012】上述のように、円筒状アノード2の電位を
1500Vとする時、制御電極11の電位を2100Vに制御する
ことによりカソード材料である銀を水晶振動子17上に3
オングストローム/秒の割合でデポジションすることが
でき、また制御電極11の電位を−1000Vに切換えること
によりキャリヤガスイオンすなわち図示例ではアルゴン
ガスイオンによるエッチングを30オングストローム/秒
の割合で行うことができる。しかも、制御電極11の電位
の切換えは電圧制御により行うことができるので、この
切換えは1msecという非常な高速で実施することができ
る。
As described above, the potential of the cylindrical anode 2 is
When the voltage is 1500 V, the potential of the control electrode 11 is controlled to 2100 V so that silver as a cathode material is placed on the crystal unit 17.
Deposition can be performed at a rate of Å / sec, and by switching the potential of the control electrode 11 to −1000 V, etching with carrier gas ions, that is, argon gas ions in the illustrated example, can be performed at a rate of 30 Å / sec. . Moreover, since the switching of the potential of the control electrode 11 can be performed by voltage control, this switching can be performed at a very high speed of 1 msec.

【0013】ところで、図示実施例では水晶振動子の周
波数調整に適用した例について説明してきたが、微調整
を必要とする薄膜形成やエッチングを伴う他の物品の処
理にも当然応用することができる。また図示装置では円
筒形に構成されているが、必ずしも円筒形に限られるも
のではなく、適用対象物に応じて任意の形状に構成する
ことができる。またカソードの材質についても銀に限る
ことはなく、形成すべき薄膜の材質に応じて任意に選定
することができる。
In the illustrated embodiment, an example in which the present invention is applied to the frequency adjustment of a quartz oscillator has been described. However, the present invention can be naturally applied to the processing of other articles which require fine adjustment and include thin film formation and etching. . Although the illustrated apparatus is configured in a cylindrical shape, it is not necessarily limited to a cylindrical shape, and may be configured in an arbitrary shape according to an application object. The material of the cathode is not limited to silver, but can be arbitrarily selected according to the material of the thin film to be formed.

【0014】[0014]

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、ペニング放電を利用したエッチング及びデボジショ
ンにおいて、ペニング放電室から外部へのびる引出部を
設け、この引出部に、制御電極を配置し、磁場が実質的
にペニング放電室内に限定されるに磁気回路を形成する
と共に制御電極部位がペニング放電室より高真空になる
ように差動排気することによって、制御電極部位での放
電は阻止することができるようになり、また制御電極に
印加する電位をペニング放電室における筒状アノードの
電位に対して制御することによってエッチングとデポジ
ションとを非常に高速(マイクロ秒台)で切換えること
ができるようになる。その結果、本発明を水晶振動子の
周波数調整に応用した場合には周波数調整に微量の蒸着
とエッチングとを高速で繰返し実施することができ、周
波数調整を高速でしかも高精度に実施することができる
ようになり、インラインシステムに容易に取り入れるこ
とが可能となる。
As described above, according to the present invention, in the etching and devotion using Penning discharge, a lead-out part extending from the Penning discharge chamber to the outside is provided, and a control electrode is arranged in this lead-out part. By forming a magnetic circuit so that the magnetic field is substantially limited to the Penning discharge chamber, and by differentially evacuating the control electrode part to a higher vacuum than the Penning discharge chamber, the discharge at the control electrode part is prevented. It is possible to switch between etching and deposition at a very high speed (on the order of microseconds) by controlling the potential applied to the control electrode with respect to the potential of the cylindrical anode in the Penning discharge chamber. Become like As a result, when the present invention is applied to frequency adjustment of a crystal unit, a very small amount of deposition and etching can be repeatedly performed at high speed for frequency adjustment, and frequency adjustment can be performed at high speed and with high accuracy. And can be easily incorporated into inline systems.

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

【図1】 本発明によるペニング放電型エッチング・デ
ポジション装置を示す概略断面図。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a Penning discharge type etching / deposition apparatus according to the present invention.

【図2】 図1に示す装置のデポジション動作モードに
おける動作説明図。
FIG. 2 is an operation explanatory diagram of the apparatus shown in FIG. 1 in a deposition operation mode.

【図3】 磁気回路によって形成される磁場の分布を表
す等磁位線を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing equipotential lines representing a distribution of a magnetic field formed by a magnetic circuit.

【図4】 図1に示す装置の中心軸線上における磁場の
強さを示すグラフ。
FIG. 4 is a graph showing the strength of a magnetic field on the central axis of the device shown in FIG.

【図5】 エッチングモードにおける電場分布を示す概
略線図。
FIG. 5 is a schematic diagram showing an electric field distribution in an etching mode.

【図6】 デポジションモードにおける電場分布を示す
概略線図。
FIG. 6 is a schematic diagram showing an electric field distribution in a deposition mode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:ヨーク部材 2:円筒状アノード 3:絶縁性支持部材 4:カソード 5:アパ…チャ付きカソード 6:永久磁石 7:アパーチャ付きの永久磁石 8:真空熱絶縁用の隙間 9:真空熱絶縁用の隙間 10:開口部 11:制御電極 12:絶縁性支持部材 13:アース電極 14:支持体 15:真空装置の器壁 16:キャリヤ 17:水晶振動子 1: Yoke member 2: Cylindrical anode 3: Insulating support member 4: Cathode 5: Aperture ... Cathode with aperture 6: Permanent magnet 7: Permanent magnet with aperture 8: Gap for vacuum thermal insulation 9: Vacuum thermal insulation Gap 10: Opening 11: Control electrode 12: Insulating support member 13: Earth electrode 14: Support 15: Vacuum device wall 16: Carrier 17: Quartz resonator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−97671(JP,A) 特開 平5−251406(JP,A) 特開 昭60−94728(JP,A) 特開 平2−214119(JP,A) 特公 昭63−9585(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23F 4/04 C23C 14/35 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-2-97671 (JP, A) JP-A-5-251406 (JP, A) JP-A-60-94728 (JP, A) JP-A-2-97 214119 (JP, A) JP-B 63-9855 (JP, B1) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) C23F 4/04 C23C 14/35

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ヨーク部材内に配置した筒状のアノードを
挾んで対向させて一対のカソードを設け、各カソードの
外側で閉磁気回路を形成するヨーク部材内面にそれぞれ
永久磁石を取り付けたペニング放電部からのカソード材
料の分子や原子及びキヤリアガスのイオンの取出し用ア
パーチャの軸線に沿って同軸にペニング放電部の放電室
の外側に制御電極を配置し、ペニング放電部の放電室と
制御電極の設けられた部位とを差動排気しまたはペニン
グ放電部の放電室にキャリアガスを導入しつつアパーチ
ャより流出させ制御電極の設けられた部位を排気してこ
の部位をペニング放電部の放電室より高真空に設定し、
制御電極に発生される電位がペニング放電部のプラズマ
電位より十分に高い電位となるように制御電極に印加す
る電圧を設定してカソード材料によるデボジション処理
を行い、また制御電極に発生される電位がペニング放電
部のプラズマ電位より十分に低い電位となるように制御
電極に印加する電圧を設定してキャリアガスイオンによ
るエッチング処理を行うことを特徴とするペニング放電
を利用したエッチング・デポジション方法。
1. A Penning discharge in which a pair of cathodes are provided so as to face each other across a cylindrical anode disposed in a yoke member, and a permanent magnet is attached to the inner surface of the yoke member forming a closed magnetic circuit outside each cathode. A control electrode is disposed outside the discharge chamber of the Penning discharge unit coaxially along the axis of the aperture for taking out the molecules and atoms of the cathode material and ions of the carrier gas from the unit, and providing the discharge chamber and the control electrode of the Penning discharge unit Differentially evacuating the part or the carrier gas into the discharge chamber of the Penning discharge part and flowing out of the aperture through the aperture to evacuate the part provided with the control electrode. Set to
The voltage applied to the control electrode is set so that the potential generated at the control electrode is sufficiently higher than the plasma potential of the Penning discharge part, and the devotion process using the cathode material is performed. An etching / deposition method using Penning discharge, characterized in that a voltage applied to a control electrode is set so as to be sufficiently lower than a plasma potential of a Penning discharge part to perform an etching treatment with carrier gas ions.
【請求項2】真空容器壁を形成するヨーク部材内に筒状
のアノードを設け、このアノードのの一側にはカソード
をまた他側にはアパーチャ付のカソードをそれぞれ配置
し、アノードの一側のカソードの外側で閉磁気回路を形
成するヨーク部材内側に永久磁石を設け、アノードの他
側のアパーチャ付のカソードの外側のヨーク部材の開口
部分内側の回りにアパーチャ付の永久磁石を設けて、ヨ
ーク部材を通る磁気回路を形成し、またヨーク部材の開
口部分に隣接して放電室の外側にアパーチャ付の制御電
極及びアパーチャ付のアース電極を順次配置し、アパー
チャ付の制御電極への印加電圧を制御することにより、
アパーチャ付のアース電極の外側に位置する被処理物に
対してエッチング及びデポジション処理を行うように構
成したことを特徴とするペニング放電型エッチング・デ
ポジション装置。
2. A cylindrical anode is provided in a yoke member forming a vacuum vessel wall, a cathode is disposed on one side of the anode, and a cathode with an aperture is disposed on the other side thereof. A permanent magnet is provided inside the yoke member forming a closed magnetic circuit outside the cathode, and a permanent magnet with an aperture is provided around the inside of the opening of the yoke member outside the cathode with the other aperture on the anode, A magnetic circuit passing through the yoke member is formed, and a control electrode with an aperture and a ground electrode with an aperture are sequentially arranged outside the discharge chamber adjacent to the opening of the yoke member, and a voltage applied to the control electrode with the aperture is provided. By controlling the
A penning discharge type etching / deposition apparatus characterized in that an object to be processed located outside an earth electrode with an aperture is subjected to etching and deposition processing.
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