JP3893436B2 - Inclined target type magnetron sputtering system - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は各種半導体デバイスの製造、機械部品等への耐食性、耐磨耗性膜の形成、工芸品や建材等の加飾膜の形成等に利用する薄膜形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
スパッタ法は固体から直接蒸発原子をつくれるという大きな特徴をもち、その方法としては、2極スパッタやマグネトロンスパッタ法が主流を成しており、中でも膜堆積速度の高いスパッタ装置として、電界と磁界を組み合わせプラズマ密度を高めたマグネトロンスパッタ法が広く実施されている。しかしながら、スパッタ法で作製された膜質には、大きな違いがあり、緻密で密着性に優れた膜を得るには、イオンビームスパッタ法のような、高真空で動作する高いエネルギーのスパッタ粒子を利用した膜堆積ができるスパッタ法が有効であるが、その方法は装置の複雑さと膜堆積速度から、生産コストの高いものとなっていた。
【0003】
また、スパッタで使用するターゲットは種々の物質のものが可能であるが、特に、絶縁物のターゲットを用いた場合は、膜堆積がレートが低く、膜の作製に長時間要することが知られている。スパッタレートを上げるために投入パワーを大きくすると、絶縁ターゲット熱膨張と熱伝導の要因でターゲット自体が割れる危険がある。それを解決する技術として、ターゲットに熱伝導性に優れた金属材料を用い、導入ガスの一部にその金属と反応を起こすガスを導入し、スパッタを行う反応性スパッタも考案されているが、十分な反応を得る必要上、多くのガスを導入するため、結果として高いガス圧での作製条件となり、スパッタ粒子が装置内のガスと衝突する現象が発生するために、そのエネルギーは低下した状態になるため、緻密で密着性に優れた膜は得られない。またその場合、ガス圧の関係から、ターゲット表面で反応が起こり、導電性の金属ターゲットの表面に絶縁物が形成され、テャージアップしスパッタ現象が起きなくなってしまう問題があった。そのためこれまでは、直流電源を用いたDCスパッタは不可能で、高周波電源を用いたRFスパッタが使用されていた。しかしながら、高速度で大面積に膜作製を行うには、インピーダンスマッチングの難しいRFスパッタよりも、単純なDCスパッタで行う方がコスト的にも優れている。
【0004】
現在広く実施されているマグネトロンスパッタ法では、処理面積を大きくするためプレーナ型マグネトロンスパッタ装置は使用されているが、磁界を発生させる磁石がターゲット後部にあるため、その部分のエロージョンが少なく、ターゲット使用効率が悪い。その解決策として、内部磁石を移動して、なるべく均一なエロージョンになるように改良が加えられてきたが、本質的に十分な解決策とはなっていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題点を解決するために、本発明においては、これまでのスパッタ法に比べて、高エネルギーのスパッタ粒子及びガスの反跳原子を使用した緻密な構造を有する膜が作製できるスパッタを実現し、かつ高速な膜堆積を特徴とする装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達するために、本発明はターゲットを対称に配置し、それらを基板に対して傾斜させる機能を具備することによって、ターゲットからの高いエネルギーのスパッタ粒子とガスの反跳原子の発生機構と、その状態で基板に到達させるために必要な高い真空度で動作できる機構を備えたことを特徴とする。
【0007】
ここで、高いエネルギーの状態のスパッタ粒子及びターゲットで反射するスパッタガスの反跳原子を膜堆積に利用するには、ターゲットで発生したそれらが真空槽内部のガスと衝突することなく基板に到達する必要があり、高真空での放電が不可欠である。この条件はスパッタ粒子の平均自由行程が基板とターゲットとの間の距離より長くなることで表現できる。しかしながら従来のマグネトロンスパッタ装置においては、この条件の実現は困難であった。そこで、本発明においては、ターゲットの横に磁石を配することで、強い磁界による電子を封じ込めとターゲットの横に電気的に浮かせ、その浮動電位を利用した電子の反射によって、マグネトロンモードに必要な円滑な電子軌道を確保することで、高真空での動作と高密度で均一なプラズマの形成によるターゲットの均一なエロージョンを可能とすることを特徴とする。
【0008】また、ターゲットの端部において、電子の軌道を対になっているターゲットへ円滑に変えるために、ターゲット内側横の磁石を外側横の磁石より短くすることによって生じる磁界と、ターゲット端に配した金属板による浮動電位によって電子を反射させ、ターゲット間の電子の軌道の移動を円滑にし、高真空での動作を可能とすることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明のスパッタ装置は、スパッタ現象をモンテカルロシュミュレーションを用いて詳細に解析した結果をもとに設計した。例として、1200Vで加速したアルゴンイオンを鉄のターゲットに垂直に照射したときに発生するスパッタ粒子と反跳アルゴンのエネルギーと量に関する解析結果を図5から7に示す。図4に本シミュレーションで定義した角度を示す。角度25はターゲット面を基準として0度とし、ターゲット上部で90度になるよう軸を設定した。
【0010】
図5はスパッタ粒子のエネルギーの角度分布を示す。基板に平行な位置である角度90度では、鉄のスパッタ粒子の平均エネルギーは約30eV程度であるが、45度傾斜した場所の角度45度で、それは80eVと非常に高くなった。一方、スパッタガスの反跳原子である反跳アルゴンについては、図6に示すように、角度90度で、その平均エネルギーは55eV、角度45度の場所では、70eVと傾斜するにしたがって、そのエネルギーは緩やかに大きくなる傾向があった。しかしながら、スパッタ粒子のエネルギーほど著しい変化はなかった。これらの結果は、ターゲット面から傾斜した方向には、高いエネルギーのスパッタ粒子とガスの反跳原子があることを意味し、従来のターゲット面に平行な基板位置より、傾斜した方向の方が高いエネルギー状態を利用した膜堆積が行えることを示している。
【0011】
次に、各粒子の量に関する角度依存性を調べた。スパッタ粒子の分布は正則分布を示し、反跳アルゴンはそれより緩やかな分布を示した。図7に、一個のスパッタ粒子に対する反跳アルゴンの数を表す到達比を示す。ターゲットに平行な位置の角度90度では、到達比は0.02であるが、45度傾斜した角度45度の場所では、その値は0.08、さらに傾斜した角度20度では、0.3と通常のターゲットに平行な位置の10倍以上のアルゴン衝撃があった。つまり、ターゲットからの傾斜角度を大きくするに従って、高エネルギーの反跳アルゴンの量も増加し、前述の高エネルギーのスパッタ粒子とと もに、高エネルギーの反跳アルゴンの衝撃効果を利用した膜の作製が可能になることがわかる。
【0012】
以上のことから、ターゲットで起きているスパッタ現象の概要を図4で説明する。スパッタ現象を引き起こすスパッタガスのイオンをターゲット上部20から当てると、ターゲット上部では低エネルギーのスパッタ粒子21が、ターゲット横の傾斜した部分では、高エネルギーのスパッタ粒子22が放出される。一方、スパッタ現象を引き起こすために加速したイオン20の一部がターゲットで反射し、比較的高いエネルギーをもつ反跳原子23となって、基板に到達している。従って、基板をターゲットに対する傾斜を変化させることで、それら粒子の衝撃効果を制御できることになる。
【0013】
この傾向を高真空で動作するイオンビームスパッタ法を用いて上記の条件を再現し、基板の角度依存性を調べた。その結果、ターゲット面からの傾斜が大きくなるにしたがって、スパッタ膜の膜質が大きく変化した。その変化は高エネルギーのスパッタ粒子によって形成された膜質の変化と同じ変化を示した。そしてその変化は、ターゲットに平行な位置に対して、20度からその効果が出始め、40〜50度で大きな変化があることが確かめられた。膜堆積速度に関しては75度以上傾斜させると著しく減少するので、傾斜効果としては、膜堆積速度の関係から、20度から75度程度の範囲で有効であることがわかった。
【0014】
以下、この構造のスパッタ装置がどのように作用するかを説明する。本発明のスパッタ装置は、通常のスパッタ装置と異なり、ターゲット表面が基板に対して平行でなく、傾斜して設置される。上記作用により、通常のスパッタ粒子のエネルギーに対して、数倍大きなエネルギーを持ったスパッタ粒子を利用した膜堆積が可能になる。また、単位当たりのスパッタ粒子に対するスパッタガスの反跳原子の数も数倍多くなることから、それらによる強い衝撃効果も得られる。
【0015】
このことは、反応性スパッタを考えた場合、スパッタ粒子と反応さえるために導入した反応性ガスの基板衝撃の数も多くなることから、より強い反応性スパッタが行えることを示している。その反応性ガスの反跳原子は、真空装置内のガスの室温に近いエネルギーとは、大きく異なり、数十〜100eVの高エネルギーを持っており、通常の物質の反応エネルギーに比べ大きく、化学反応が進みやすい。従って、良好な反応性スパッタを行うことができる。
【0016】
具体的に、反応性スパッタとなる元素を考えた場合、酸化物、窒化物などがあげられる。この場合の、反応性のガスとして、酸素、窒素及び、それらの元素を含むアンモニアなどの気体があるが、いずれも、アルゴンなどのスパッタガスより軽い場合が多いので、必然的にスパッタガスより、ターゲットで反射する反応性ガスの反跳原子の数が多くなり、基板での反応が起こる機会が増し、優れた反応性スパッタを行うことができる。
【0017】
従来のマグネトロンスパッタ装置は、陰極に掛ける電圧と電流特性は、導入ガス圧で決まっているため、スパッタ粒子のエネルギーの制御は困難である。しかしながら、本構成の高真空で動作は、その電圧変化の範囲も大きく、かつ、傾斜角度を変化させることで、スパッタ粒子のエネルギーを制御することができ、幅広い膜質のコントロールが可能である。例えば、余り高エネルギーの粒子では、希望の膜質が得られない場合や基板衝撃による残留応力が大きすぎるといった場合には、傾斜角度を平行に近づけることで、その効果を小さくすることが可能である。
【0018】
また、ターゲット材料によってスパッタ粒子の角度依存性がほぼ正則分布、あるいはスパッタ条件によっては、中央部が凹んだアンダー正則分布を示すことが知られているので、膜堆積速度が最大になるように制御することも可能である。また、ターゲットを2枚を一組として対象に配置することは、基板の方向にいかないスパッタ粒子の多くは他のターゲットに付着し、そこで、再スパッタされ、薄膜を形成すべき基板へ向けてスパッタ粒子が放出され膜が形成されることになる。そのため基板に到達するまでこの作用が繰り返され、効率的にターゲットを利用した膜を形成することができる。
【0019】
ここで、基板をなるべく大きく取る場合、ターゲット低角から発する高エネルギー成分以外に、ターゲットに垂直な低エネルギー成分も多く基板上に達することになる。そこで、エネルギーの均一性を高めるために、ターゲットと基板の間にある厚みをもった板を格子状に配し、その中をある角度範囲内のスパッタ粒子やガスの反跳原子が通過できるようにしたコリメータを設置し、低エネルギーの粒子を遮断することによって、それら粒子のエネルギーの均一化をはかり、最適なエネルギーを持ったスパッタ粒子や反跳ガスを利用した膜堆積も可能である。このスパッタ粒子のエネルギーの角度依存性の現象を膜堆積に利用するためには、スパッタ粒子がガス衝突を起こさない高真空での放電は不可欠であるがそれを、以下の構成にて実施する。
【0020】
ターゲットの横に磁石を配し、ターゲット表面に強い磁界を形成する。また、スパッタ現象で発生する2次電子などがターゲット表面以外に行かないように、ターゲットの横に金属板を配し、それを電気的に浮かせて電子反射機能をもたせる。また、2枚を一組としたターゲット間での電子の移動を円滑に行うために、ターゲット内部を中心とした放射状の磁界分布の形成と、ターゲット端から少し離れた位置に導電性の金属板を配し、それを電気的に浮かせて電子反射機能をもたせ、対となるターゲット間で電子軌道がループ状になるようにし、ガスの電離に必要な電子をターゲット上に封じ込める。
【0021】
これら構成により、高真空での動作のみならず、ターゲットのエロージョンに関して、次の特徴を持つ。通常のマグネトロンスパッタでは、ターゲット下部に磁石を置く構造上、磁石の上部ではターゲットに平行な磁界成分がない。そのため、その部分のプラズマ密度が少なく、スパッタ効率が悪くなるために、ターゲットのエロージョンが表面で均一にならない。本構成では、構造上その部分がターゲット上になく、ターゲット全面に水平成分が存在し、かつ、磁石の部分が磁界発生と浮動電位を利用した電子反射機能を有しているために、ターゲット表面で均一なプラズマ密度を形成できる。その結果、ターゲットのエロージョンが均一になるため、ターゲット利用効率に優れる。
【0022】
2枚1組の対となるターゲットを用いることで、ターゲット垂直方向へ放出される低エネルギースパッタ粒子の一部を、対となるターゲットによって遮断するように配置することが可能で、それらの位置を最適に設定することで、高エネルギーのスパッタ粒子のみを膜堆積に使用することが可能である。さらに、本発明の構成は、長方形ターゲットを用いるため、理論的には、横方向に延ばすことができ、大面積の膜作製が可能である。
【0023】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図1は1実施例の概略断面図であり、図2は、上から見たターゲット、磁石、浮動電位金属板と電子軌道の概略図である。図3は、それを斜めに装置を見たものである。図8は、スパッタ粒子及びガスの反跳原子に関してエネルギーの均一化をはかるための、コリメータ部分の概略図である。この装置は、スパッタを行うためのターゲット部分を記述したものであり、この部分を真空排気装置により所定の真空度に維持し、プラズマを形成するためのガスを所定量導入する。
【0024】
ターゲット1、2を対象に配し、高エネルギーのスパッタ粒子及びガスの反跳原子を基板上に向けるために、それらのターゲットをターゲットホルダの回転軸11を中心として回転し、基板に対してターゲット面が傾斜した状態に設置する。基板3は、基板ホルダ4に取り付ける。マグネトロンモードでのスパッタを可能にするため、ターゲット1、2の横に磁極の異なる磁石5、6を配し、ターゲット表面に水平な磁界17、18を得る。磁界は同一ターゲットホルダ7でループさせる。ターゲットの横に磁石5、6の間に電気的に浮かせた金属板7を配置し、または、導電性の磁石5、6を電気的に絶縁し、電気的に浮かせた状態にする。ターゲット1、2には、スパッタ電圧として負の電圧がかかるため、絶縁シート10で、ターゲットホルダー8と絶縁する。スパッタに伴う温度上昇を抑えるために、ターゲット1、2は背面から水冷パイプ9を通して水冷する。
【0025】
ターゲット1、2に負の電圧(数百〜数千V程度)を印可し、放電を起こす。その状態では、ターゲット表面のシース12の部分では、主に電界によって、電子はシースの上のプラズマ13へ押し返されるが、プラスマ内部では磁石5、6によって形成された水平磁界によって磁界と垂直な方向へサイクロトロン運動16を起こす。しかし、磁界の乱れや、プラズマ内部の電界によって、電子の運動はすべてが軌道16の運動をするとは限らないので、ターゲットの横に磁石5、6の間に電気的に浮かせた金属板7を配置し、または、磁石5、6を電気的に浮かせて、プラズマとの平衡電位を形成させる。その電位は、プラズマの電位より、負の陰極電位に近いので、プラズマ中の電子から見れば、負の電位になる。そこで、電子の反射が起こることで電子は消滅しにくくなり、高真空でもプラズマ内の電子は軌道16上をループを描きながら回転することになる。
【0026】
一方、電子軌道が急激に変化するターゲット端部の領域19においては、磁石6の長さを磁石5の長さより短くし、磁界分布を電子軌道が円弧を描くよう磁界方向を18から17のように変化させる。それと、ターゲット両端で電子の反射機能を持たせるために、電気的に浮かせた金属板14、15を配し、磁界によるローレンツ力で回転しきれなかった電子をその負の浮動電位で対のターゲット上へ反射して導く。その結果、ターゲット上で発生した電子は他の部分に逃げることなく軌道16上を回転し、その軌道上に存在するガスと効率的に衝突電離し、高真空でもプラズマが形成される。そのプラズマ中の正イオンがターゲットを衝撃し、スパッタ粒子が発生する。そして、傾斜した方向へ高エネルギースパッタ粒子23とガスの反跳原子24が基板3に到達し膜を形成する。対のターゲットに飛来したスパッタ粒子は、そこで再スパッタされ、その一部が基板に到達する。
【0027】
この構成では2枚の長方形状ターゲットを使用するが、基板がターゲットに近い場合、その構造上、ターゲット低角から発する高エネルギー成分以外に、ターゲットに垂直方向の低エネルギー成分も多く基板上に達する。そこで、なるべく均一なエネルギーでの膜堆積を行うために、基板に対し垂直なスパッタ粒子のみ到達できるように、ターゲットと基板の間にある厚みをもった板を格子状27に配し、その中の空洞部28をある角度の範囲内のスパッタ粒子や反跳アルゴンだけが通過できるようにしたコリメータ26を配し、ターゲットに垂直方向の低エネルギー成分22を遮断する構造にする。これにより、ターゲットから基板に到達するスパッタ粒子とガスの反跳原子に関してエネルギーの均一化をはかり、最適なエネルギーを持ったスパッタ粒子23やガスの反跳原子24のみで膜堆積を行うことが可能になる。なお、コリメータの厚みや間隔は、ターゲットと基板の位置関係から、ターゲットに垂直な成分22を遮断するように、幾何学的に決定する。
【0028】
本発明においては、プラズマ中の電子の軌道は直進のみの領域20と、対となるターゲットへ遷移する領域19とに分かれているため、理論的に直進領域20を伸ばすことができ、生産ラインに適した大面積の膜の作製が可能である。更に、この装置を周期的に繰り返して、大面積に膜の作製を行うことも可能である。
【0029】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように動作するので、以下に記載されるような効果を奏する。スパッタガスをプラズマでイオン化してターゲットに垂直に衝撃する通常のプラズマスパッタ法により、高真空での動作とターゲットの傾斜により、スパッタ粒子は高エネルギーの状態になる。一方、ガスの反跳原子は、スパッタ粒子の正則分布より緩やかな分布をもつため、傾斜した場所のスパッタ粒子とガスの反跳原子の比率を示す到達比は、通常のスパッタで使用されるターゲットと平行な場合に比べて著しく大きく、そのエネルギーは数十eVと非常に高くなる。従って、ターゲットを傾斜させることで、高エネルギーのスパッタ粒子及びガスの反跳原子による衝撃の両方の効果が利用でき、緻密な膜構造および密着性に優れた膜の作製が可能になる。
【0030】
さらに、ターゲット傾斜効果を効果的に実現するための長方形のターゲットを、対で2枚使用する構造のため、原理的にターゲットの長さを延長することが容易なため、ラインの生産設備に適しており、大面積な膜作製が可能である。本発明の装置では、ターゲット表面に強い水平磁界と浮動電位による電子の封じ込めにより、通常のマグネトロンスパッタの動作電圧の1mTorrより、1桁低い0.1mTorr以下での放電が可能になる。通常のスパッタ装置では、放電特性は電圧を変化させても、電流の値はほぼ一定の値になるため。任意の電圧を選ぶことはできない。しかしながら、高真空での放電が可能な本装置の場合は、従来のものより高いスパッタ電圧で放電させることができ、より高いエネルギーのスパッタ粒子及びガスの反跳原子を生成することが可能になる。また、この領域の真空度では、スパッタ粒子の平均自由行程も数mにも及び、通常のスパッタ装置の数十cmに比べ遥かに大きく、高エネルギー粒子が途中衝突することなく、直接基板に到達することができる。実際に、膜作製を実施する場合、ターゲットと基板の間は、数十cmになることが多く、1m近い平均自由行程がないと、それらの高エネルギーのスパッタ粒子を膜堆積に利用することは困難である。
【0031】
高真空で動作するということは、ターゲット近傍での導入ガスの電離効率が良いと言うことであり、単位投入電力に対する膜堆積速度は、当然高くなり、エネルギー効率も上がる。それに、ターゲット近傍のプラズマ密度、温度も高くなり、反応性に富んだ粒子も多く、容易に直流電源を用いた反応性スパッタを行うことも可能である。ターゲット材料の種類によっては、その分布は正則分布から、つぶれたアンダー正則分布を示すものもある。膜質より膜堆積速度を優先させたい場合は、20〜30度傾斜させて、それを上げることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 傾斜ターゲット型マグネトロンスパッタ装置の断面図である。
【図2】 傾斜ターゲット型マグネトロンスパッタ装置の上から見た図である。
【図3】 傾斜ターゲット型マグネトロンスパッタ装置の鳥瞰図である。
【図4】 スパッタ現象の概略図である。
【図5】 スパッタ粒子のエネルギー角度分布図である。
【図6】 反跳アルゴンのエネルギー角度分布図である。
【図7】 単位スパッタ粒子当たりの反跳アルゴンの数(到達比)の角度分布図である。
【図8】 ターゲットと基板の間に入れるコリメータを上から見た概略図である。
【符号の説明】
1、2 ターゲット
3 基板
4 基板ホルダ
5 磁石
6 磁石
7 金属板
8 ターゲットホルダ
9 水冷パイプ
10 絶縁シート
11 ターゲットホルダの回転軸
12 プラズマシース
13 プラズマ
14、15 金属板
16 電子軌道
17 ターゲット端上の磁界の方向
18 ターゲット上の磁界の方向
19 対のターゲット間の電子遷移領域
20 ターゲット中央領域
21 スパッタ現象を起こすためのイオン
22 低エネルギースパッタ粒子
23 高エネルギースパッタ粒子
24 ガスの反跳原子
25 入射角度
26 コリメータ
27 コリメータを構成する板
28 コリメータによってつくられた空洞部[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a thin film forming apparatus used for the manufacture of various semiconductor devices, the formation of corrosion resistance on machine parts and the like, the formation of wear-resistant films, and the formation of decorative films such as crafts and building materials.
[0002]
[Prior art]
Sputtering has the major feature that it can produce evaporated atoms directly from solids, and bipolar sputtering and magnetron sputtering are mainly used as sputtering methods. Especially, as sputtering equipment with high film deposition rate , electric and magnetic fields are used. Magnetron sputtering with a high combined plasma density has been widely implemented. However, there is a big difference in the quality of the film produced by the sputtering method. To obtain a dense and excellent adhesive film , use high-energy sputtered particles that operate at high vacuum, such as ion beam sputtering. A sputtering method capable of depositing a film is effective, but the method is expensive due to the complexity of the apparatus and the film deposition rate.
[0003]
The target used for sputtering can be made of various materials, but it is known that the deposition rate of the film is low and it takes a long time to produce the film, particularly when an insulating target is used. Yes. If the input power is increased to increase the sputtering rate, there is a risk that the target itself will break due to thermal expansion and heat conduction of the insulating target. As a technology to solve this, reactive sputtering has been devised, which uses a metal material with excellent thermal conductivity for the target, introduces a gas that reacts with the metal into a part of the introduced gas, and performs sputtering. In order to obtain a sufficient reaction, a large amount of gas is introduced, resulting in production conditions at a high gas pressure, resulting in a phenomenon in which sputtered particles collide with the gas in the apparatus , and the energy is reduced. not because excellent film dense adhesion obtained such a. The case, from the relationship of gas pressure, a reaction occurs at the target surface, the insulator on the surface of the conductive metal target is formed, there is a problem that Teyajiappu sputtering phenomenon can no longer occur. Therefore, until now, DC sputtering using a DC power source has been impossible, and RF sputtering using a high frequency power source has been used. However, to do film manufactured on a large area at high speed, than the hard RF sputtering impedance matching, who performed a simple DC sputtering is superior in cost.
[0004]
In the magnetron sputtering method currently widely used, a planar magnetron sputtering apparatus is used to increase the processing area, but since the magnet that generates the magnetic field is located at the rear of the target, there is little erosion in that part, and the target is used. ineffective. As a solution to this problem, improvements have been made to move the internal magnet so that the erosion is as uniform as possible. However, this is not an adequate solution.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In order to solve the above problems, in the present invention, so far as compared with sputtering, to achieve sputtering film can be produced having a dense structure using high-energy sputtering particles and recoil atoms of gas Another object of the present invention is to provide an apparatus characterized by high-speed film deposition .
[0006]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the present invention places the target symmetrically by them to a function to be inclined with respect to the substrate, and the generation mechanism of high energy sputter particles and recoil atoms of gas from the target In this state, a mechanism capable of operating at a high degree of vacuum necessary to reach the substrate is provided .
[0007]
Here, in order to use the recoil atoms of the sputtering gas is reflected by the sputtering particles and target states have high energy film deposition, reach the substrate without those generated by the target collide with the vacuum chamber inside of the gas It is necessary to discharge at high vacuum. This condition can be expressed by the fact that the mean free path of sputtered particles is longer than the distance between the substrate and the target. However, it has been difficult to realize this condition in the conventional magnetron sputtering apparatus. Therefore, in the present invention, by distributing a magnet next to the target, a strong electron magnetic electrically floating next to the containment and target by, by reflection of electrons utilizing the floating potential, required for the magnetron mode by ensure smooth electron orbit, characterized by allowing a uniform erosion of the target by operating a high-density and uniform plasma formation in a high vacuum.
Further, at the end of the target, in order to change smoothly to the target in a pair of electron trajectories, the magnetic field generated by the target inner side of the magnet shorter than the outer side of the magnet, the target end It is characterized in that electrons are reflected by a floating potential caused by the arranged metal plate, smooth movement of the electron trajectory between the targets, and operation in a high vacuum is possible.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The sputtering apparatus of the present invention was designed based on the result of detailed analysis of the sputtering phenomenon using Monte Carlo simulation. As an example, FIGS. 5 to 7 show analysis results on the energy and amount of sputtered particles and recoil argon generated when an iron target is irradiated with argon ions accelerated at 1200 V vertically. FIG. 4 shows the angles defined in this simulation. The
[0010]
FIG. 5 shows the angular distribution of the energy of the sputtered particles. The angle 90 degrees is located parallel to the substrate, the average energy of sputtered particles iron is about 3 0 eV, where angle 45 ° inclined 45 degrees, it was Tsu very high and 80 eV. On the other hand, the recoil argon which is a recoil atoms of the sputtering gas, as shown in FIG. 6, at an angle of 90 degrees, according to the average energy 55EV, at an angle 45 degrees location is inclined and 70 eV, the energy there has been a tendency ing moderately large. However, it did not significantly change flower as the energy of the sputtered particles. These results mean that there are high energy sputtered particles and gas recoil atoms in the direction inclined from the target surface, and the inclined direction is higher than the substrate position parallel to the conventional target surface. It shows that film deposition using energy state can be performed.
[0011]
Next, the angular dependence on the amount of each particle was examined . The distribution of sputtered particles showed a regular distribution, and recoil argon showed a gentler distribution. Figure 7, shows the arrival ratio representing the number of recoil argon for one of sputtered particles. At an angle of 90 degrees parallel to the target, the reach ratio is 0.02, but at a 45-degree tilted angle of 45 degrees, the value is 0.08, and at a further tilted angle of 20 degrees 0.3 that Tsu argon impact there more than 10 times of the position parallel to the normal target. In other words, thus increasing the inclination angle from the target, the amount of recoil argon high energy increases, monitor and the sputtered particles of high energy aforementioned film utilizing the shock effect of the recoil argon high energy It can be seen that the fabrication of
[0012]
From the above, the outline of the sputtering phenomenon occurring in the target will be described with reference to FIG. When exposed to ions of the sputtering gas to cause sputtering phenomenon from the target upper 20, the target upper sputtered
[0013]
The above conditions were reproduced using an ion beam sputtering method that operates in a high vacuum, and the angle dependence of the substrate was examined . As a result, the film quality of the sputtered film changed greatly as the inclination from the target surface increased . The change showed the same change as the change in film quality formed by high energy sputter particles. The change started to be effective at 20 degrees with respect to the position parallel to the target, and it was confirmed that there was a large change at 40 to 50 degrees. Because significantly reduced Tilting more than 75 degrees with respect to the film deposition rate, as the gradient effect, the relationship between the film deposition rate was found effective der Rukoto in the range of 20 degrees to about 75 degrees.
[0014]
Hereinafter, how the sputtering apparatus having this structure works will be described. Unlike a normal sputtering apparatus, the sputtering apparatus of the present invention is installed with the target surface not inclined in parallel to the substrate. By the above action, film deposition using sputtered particles having energy several times larger than the energy of normal sputtered particles becomes possible . Further, since the is several times the number of recoil atoms of the sputtering gas often for sputtering particles per unit, strong impact effect by their also obtained.
[0015]
This indicates that, when reactive sputtering is considered, the number of substrate impacts of the reactive gas introduced to react with the sputtered particles increases, so that stronger reactive sputtering can be performed. Recoil atoms of the reactive gas, the energy near room temperature of the gas in the vacuum device, greatly different, have a high energy of several tens ~100EV, larger than the reaction energy of the conventional materials, chemical reactions Is easy to proceed. Therefore, good reactive sputtering can be performed.
[0016]
Specifically, when an element that becomes reactive sputtering is considered, oxides, nitrides, and the like can be given. In this case, as reactive gases, there are gases such as oxygen, nitrogen, and ammonia containing those elements, but all of them are often lighter than a sputtering gas such as argon. the number of recoil atoms of the reactive gas is reflected by the target is increased, increasing the chance that reaction occurs at the substrate, it is possible to perform an excellent reactive sputtering.
[0017]
In the conventional magnetron sputtering apparatus, since the voltage applied to the cathode and the current characteristics are determined by the introduced gas pressure, it is difficult to control the energy of the sputtered particles. However, the operation in the high vacuum of this configuration has a large voltage change range, and by changing the tilt angle, the energy of the sputtered particles can be controlled, and a wide range of film quality can be controlled. For example, if the desired film quality cannot be obtained with too high energy particles, or if the residual stress due to the substrate impact is too large, the effect can be reduced by making the tilt angle close to parallel. .
[0018]
The angle dependence substantially regular distribution of the sputtered particles by the target material, or by the sputtering conditions, because they are known to exhibit under regular distribution recessed central portion, the control so that the film deposition rate is maximized It is also possible to do. Also, placing the subject targets two as a pair, many sputtered particles do not go in the direction of the substrate attached to the other target, where it is re-sputtered, toward the substrate to form a thin film Sputtered particles are released and a film is formed . Therefore, this action is repeated until the substrate is reached, and a film using the target can be formed efficiently.
[0019]
Here, if you take as large as possible to the substrate, in addition to the high energy components emanating from the target low angle, it will reach on the substrate many vertical low energy component to the target. Therefore, in order to enhance the uniformity of the energy, so that a plate having a certain thickness between the target and the substrate arranged in a lattice shape, recoil atoms sputtered particles and the gas in the angular range of the therein can pass By installing a collimator and blocking low-energy particles, the energy of those particles can be made uniform, and film deposition using sputtered particles or recoil gas with optimum energy is also possible. In order to use the angular dependence of the phenomenon of energy of the sputtered particles to film deposition, sputtered particles it is discharged at high vacuum that does not cause gas collision is essential, it is conducted in the following configuration.
[0020]
Arranged magnet next to the target to form a strong magnetic field on the target surface. Further, such secondary electrons generated by the sputtering phenomenon so as not to go other than the target surface, placed a metal plate next to the target, impart an electron reflection function to float it electrically. Further, in order to perform smooth movement of electrons between two was a set target, the formation of the radial magnetic field distribution around the internal target, a conductive metal plate to a position slightly apart from the target end And electrically floating it so that it has an electron reflection function so that the electron trajectory is looped between the pair of targets, and the electrons necessary for gas ionization are contained on the target.
[0021]
These configuration, not only the operation at high vacuum, for the erosion of the target, one lifting the following features. In a typical magnetron sputtering, the structure to place the magnets to the target lower, there is no magnetic field component parallel to the target at the top of the magnet. For this reason, the plasma density in the portion is small and the sputtering efficiency is deteriorated, so that the erosion of the target is not uniform on the surface. In this configuration, structural portions that are not on the target, there is a horizontal component on the target the entire surface, and, for part of the magnet has an electron-reflecting function using the floating potential and the magnetic field generator, the target surface A uniform plasma density can be formed. As a result, erosion of the target uniformly such order, excellent target utilization efficiency.
[0022]
By using a pair of two targets, it is possible to arrange a part of the low energy sputtered particles emitted in the target vertical direction so as to be blocked by the pair of targets. With optimal settings, only high energy sputtered particles can be used for film deposition . Furthermore, since the configuration of the present invention uses a rectangular target, it can theoretically be extended in the lateral direction, and a large-area film can be produced .
[0023]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of one embodiment, and FIG. 2 is a schematic view of a target, a magnet, a floating potential metal plate, and an electron orbit viewed from above. Figure 3 is a saw device it obliquely. 8, for measuring the uniformity of the energy with respect to recoil atoms sputtered particles and the gas is a schematic view of a collimator portion. This apparatus describes a target portion for performing sputtering. This portion is maintained at a predetermined degree of vacuum by an evacuation apparatus, and a predetermined amount of gas for forming plasma is introduced.
[0024]
Arrange
[0025]
A negative voltage (about several hundred to several thousand volts) is applied to the
[0026]
On the other hand, in the
[0027]
In this configuration, two rectangular targets are used. However , when the substrate is close to the target, due to the structure, in addition to the high energy component emitted from the target low angle, many low energy components perpendicular to the target reach the substrate. . Therefore, in order to deposit a film with as uniform energy as possible, a plate having a thickness between the target and the substrate is arranged in a
[0028]
In the present invention, since the electron trajectories in the plasma is divided into a
[0029]
【The invention's effect】
The present invention has an effect as described operations to Runode, below, as described above. By a normal plasma sputtering method in which a sputtering gas is ionized with plasma and bombarded perpendicularly to the target, the sputtered particles are in a high energy state due to the operation in a high vacuum and the inclination of the target . On the other hand, the target recoil atoms of the gas in order to have a gentle distribution than regular distribution of the sputtered particles, reach ratio indicating a ratio of the recoil atoms sputtered particles and gas inclined place, to be used in conventional sputtering considerably larger than in the case with parallel, the energy is several tens of eV and a very higher due. Therefore, by inclining the target, the effect of both the bombardment by high energy sputter particles and gas recoil atoms are available, it is possible to produce excellent film dense film structure and adhesion.
[0030]
Furthermore, a rectangular target to effectively achieve the target tilting effect, because of the structure used two in pairs, since it can easily be theoretically extend the length of the target, suitable for production facilities line and, it can have a large-area film formation. In the apparatus of the present invention, discharge is performed at 0.1 mTorr or lower, which is one digit lower than the normal magnetron sputtering operating voltage of 1 mTorr, by confining electrons by a strong horizontal magnetic field and floating potential on the target surface. So, under normal sputtering apparatus, even if the discharge characteristics by varying the voltage, the value of current is substantially a constant value. An arbitrary voltage cannot be selected. However, if the discharge is possible the device in a high vacuum, can be discharged at a higher sputtering voltage than conventional, to be capable of generating higher have sputtered particles and recoil atoms of the gas energy Become. In this region, the average free path of the sputtered particles is several meters, which is much larger than the tens of centimeters of a normal sputtering device, and the high energy particles reach the substrate directly without colliding in the middle. can do. Indeed, when carrying out the film production, between the target and the substrate, often becomes several tens cm, when it is not close to the mean free path 1 m, is to utilize the sputtered particles to their high energy film deposition Have difficulty.
[0031]
Operating in a high vacuum means that the ionization efficiency of the introduced gas in the vicinity of the target is good, and the film deposition rate per unit input power is naturally high and the energy efficiency is also increased. In addition, the plasma density and temperature in the vicinity of the target also increase, and there are many reactive particles. Reactive sputtering using a direct current power source can be easily performed. Depending on the type of target material , the distribution may be a regular distribution or a collapsed under-regular distribution. When it is desired to prioritize the film deposition rate over the film quality, it is possible to increase it by inclining 20 to 30 degrees.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an inclined target type magnetron sputtering apparatus.
FIG. 2 is a top view of a tilted target type magnetron sputtering apparatus.
FIG. 3 is a bird's-eye view of an inclined target type magnetron sputtering apparatus.
FIG. 4 is a schematic view of a sputtering phenomenon.
FIG. 5 is an energy angle distribution diagram of sputtered particles.
FIG. 6 is an energy angle distribution diagram of recoil argon.
FIG. 7 is an angle distribution diagram of the number of recoil argon (unit ratio) per unit sputtered particle.
FIG. 8 is a schematic view of a collimator placed between a target and a substrate as viewed from above.
[Explanation of symbols]
1,2
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