JP4251713B2 - Sputtering equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパッタ装置に係り、特に、半導体装置や液晶表示装置などの製造において薄膜の成膜に用いられるマグネトロンスパッタ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
薄膜は、従来より、半導体装置や液晶表示装置等の種々の分野に用いられており、スパッタリング装置や蒸着装置等の薄膜形成装置によって、金属薄膜や磁性薄膜等の多種の薄膜が成膜されている。
それらのうち、マグネトロンスパッタ装置は、低温で高速に薄膜を成膜できるため、広く用いられている。
【0003】
従来のマグネトロンスパッタ装置の一例を図5(a)の符号101に示す。このマグネトロンスパッタ装置101は、真空槽102と、基板ホルダ103と、ターゲット104と、アノード電極105と、マスフロコントローラ106と、真空排気装置107と、バッキングプレート108と、絶縁碍子109と、マグネット110と、防着板114とを有している。
【0004】
真空槽102の内部底面には、基板ホルダ103が配置されている。基板ホルダ103の周囲には防着板114が配置されている。
また、基板ホルダ103の上方にはターゲット104が配置され、ターゲット104の表面は基板ホルダ103の上面と対向するようにされている。
【0005】
ターゲット104の裏面は、導電体からなるバッキングプレート108の表面に固定され、バッキングプレート108は、絶縁碍子109を介して真空槽102の上部に取り付けられている。
【0006】
バッキングプレート108の裏面には、マグネット110が配置されている。図5(b)に、マグネット、バッキングプレート、ターゲット及びアノード電極105の拡大断面図を示す。
【0007】
マグネット110は、円柱状の磁石110aと円筒状の磁石110bとを有しており、円筒状の磁石110bは、円柱状の磁石110aの周囲を取り囲むように配置されている。
リング状のアノード電極105の表面125は、ターゲット104の表面124よりも基板ホルダ103側に突き出している。
【0008】
真空槽102の外部には、電源111と、冷却水導入装置112と、冷却水排出装置113と、排気装置107とが設けられている。このうち冷却水導入装置112と、冷却水排出装置113とは、それぞれ通水管を介してバッキングプレート108に接続され、バッキングプレート108内に冷却水を通水して、バッキングプレート108を冷却できるようにされている。
【0009】
電源111の一端はバッキングプレート108に接続され、他端は接地されており、アノード電極105及び防着板114は接地されているので、電源111を起動すると、バッキングプレート108とアノード電極105及び防着板114との間に、直流電圧を印加することができるようにされている。
【0010】
排気装置107はターボ分子ポンプ107aとロータリポンプ107bとを有しており、ターボ分子ポンプ107aは真空槽102に接続され、ロータリポンプ107bはターボ分子ポンプ107aに接続されており、ターボ分子ポンプ107aやロータリポンプ107bを起動すると、真空槽102内を真空排気することができるようにされている。
【0011】
上述のマグネトロンスパッタ装置101で、基板表面に薄膜を成膜するには、まず、予め排気装置107で真空槽102内を到達真空度まで真空排気し、その後マスフローコントローラ106を通してスパッタガスを導入し、0.1Pa程度の圧力にし、その状態を維持しつつ真空槽102内に図示しない基板を搬入し、基板ホルダ103に保持させ、基板の表面がターゲット104と対向するように配置し、バッキングプレート108に冷却水を通水して、バッキングプレート108が過熱されないようにしておく。
【0012】
次いで、電源111を起動して、アノード電極105とバッキングプレート108との間に直流電圧を印加する。バッキングプレート108は導電体からなるため、ターゲット104とアノード電極105との間に電圧が印加され、この間でグロー放電が生じ、高密度のプラズマが生じ、ターゲット104がスパッタリングされる。スパッタリングされたターゲット材料は基板表面に到達して、基板表面にはターゲット材料からなる薄膜が成膜される。
【0013】
上記のマグネトロンスパッタ装置101では、放電によって生じた電子は、マグネット110で生成される磁界により、ターゲット104の表面近傍で、電子が加速されながら回転運動をすることにより、プラズマの電離効率が良くなり、成膜速度が上昇する。
【0014】
しかしながら上述のマグネトロンスパッタ装置101では、真空槽102内の圧力が低圧のときに、アノード電極105とバッキングプレート108との間に直流電圧を印加すると、ターゲット104の電位が所定値よりも上昇してしまうため、グロー放電が安定せず、アーク放電が生じやすくなってしまっていた。アーク放電が生じてしまうと、異常なスパッタリングがなされてしまうので、基板表面に成膜される薄膜の膜質が悪くなってしまう。
【0015】
以上述べたような事情により、従来の装置では、せいぜい10-1Pa以下の圧力でしか安定した放電を生じさせることができなかったが、さらに低圧の条件でマグネトロンスパッタを行いたいという要求は強い。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、低圧でも安定した放電を発生させることが可能な、マグネトロンスパッタ装置を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、前記真空槽内に配置された基板ホルダと、表面が前記基板ホルダの表面と対向するように配置されたターゲットと、前記ターゲットと所定間隔をおいて、前記ターゲットを取り囲むように前記ターゲットの周囲に配置された筒状のアノード電極とを有し、前記基板ホルダに基板を保持した状態で、前記ターゲットと前記アノード電極との間に電圧を印加すると、前記ターゲット材料がスパッタされて前記基板を処理することができるように構成されたスパッタ装置であって、 前記アノード電極は、前記ターゲットの表面位置から前記基板ホルダの方向に突出された突部と、前記ターゲットの表面位置から前記基板ホルダと反対方向に位置する側部とを有し、前記突部は、前記ターゲット表面近傍位置から前記突部の先端方向へ向かうに従い、内径が徐々に大きくなるように構成された接続部を有し、前記接続部の断面の曲率半径は、前記ターゲットの直径の1/30以上になるようにされたことを特徴とする。
請求項記載の発明は、請求項1記載のスパッタ装置であって、前記所定間隔は、1.5mm以上2.5mm以下の範囲であることを特徴とする。
請求項記載の発明は、請求項1又は請求項2のいずれか1項記載のスパッタ装置であって、前記ターゲットの裏面に配置された円柱状の磁石と、円筒状の磁石とをさらに有し、前記円筒状の磁石は、その中心軸線が前記円柱状の磁石の中心軸線と一致するように、前記円柱状の磁石の周囲に配置され、前記円柱状の磁石及び前記円筒状の磁石が、その中心軸線と異なる軸を中心に回転可能に構成されたことを特徴とする。
【0018】
一般のマグネトロンスパッタ装置では、ターゲットとアノード電極との間に高電圧を印加してマグネトロン放電を発生させると、高密度プラズマがターゲット表面近傍に形成される。従来のマグネトロンスパッタ装置では、筒状のアノード電極の表面がターゲットの表面よりも突出しており、アノード電極の内壁と高密度プラズマが近づき、アノード電極に電子が流れ易くなり、プラズマの密度が低くなってしまうので、低圧力(〜10-2Pa)でマグネトロン放電を維持させることは不可能であった。
【0019】
本発明のスパッタ装置によれば、アノード電極は、リング状の側部と、筒状の突部とを有し、突部はターゲットの表面より突出しているもののその内径は、ターゲットの表面近傍から所定距離の範囲内では、徐々に大きくなるようにされているので、ターゲット表面で生成される高密度プラズマからアノード電極に電子が流れにくくなる。これにより、低圧力においても、ターゲット表面において高密度プラズマが生成され、安定した放電が可能になる。
【0020】
なお、本発明において、アノード電極をリング状とし、ターゲットの表面が、基板ホルダの表面と、アノード電極の表面との間に配置されるようにしてもよい。このように構成することにより、アノード電極の表面はターゲットの表面より突き出さないので、高密度プラズマからアノードに電子が流れにくくなるので、上述した理由と同様に高密度プラズマを低圧力下においても生成可能となる。
【0021】
さらに、磁石は、円柱状の磁石と、円筒状の磁石とを有し、円筒状の磁石は、その中心軸線が円柱状の磁石の中心軸線と一致するように、円柱状の磁石の周囲に配置され、円柱状の磁石及び円筒状の磁石が、その中心軸線と異なる軸を中心として回転可能に構成してもよい。
【0022】
このように構成することにより、磁石によって生成される磁界は、水平面内で回転するので、ターゲット表面のあらゆる部分からスパッタ材料をスパッタリングさせることができ、従来に比してエロージョンを均一にすることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1(a)の符号1に、本発明の蒸着装置を示す。蒸着装置1は、真空槽2と、基板ホルダ3と、ターゲット4と、アノード電極5と、マスフロコントローラ6と、真空排気装置7と、バッキングプレート8と、絶縁碍子9と、マグネット10と、防着板14とを有している。
【0024】
真空槽2の内部底面には、基板ホルダ3が配置されている。基板ホルダ3の周囲には、基板ホルダ3を取り囲むように防着板14が配置されている。
基板ホルダ3の上方には板状のターゲット4が配置され、ターゲット4の表面は基板ホルダ3の上面と対向するようにされている。ターゲット4の周囲には、図1(b)にその断面図を示すようなアノード電極5が、ターゲット4と所定距離をおいて配置されている。ここではターゲット4の直径を50mmとし、アノード電極5とターゲット4との距離を1.5mmとしている。
【0025】
ターゲット4の裏面はバッキングプレート8の表面に固定され、バッキングプレート8は、絶縁碍子9を介して真空槽2の上部に取り付けられている。バッキングプレート8の裏面には、マグネット10が配置されている。
【0026】
マグネット10は、図2(a)の拡大断面図に示すように、円柱状の磁石10aと円筒状の磁石10bとを有しており、円筒状の磁石10bは、円柱状の磁石10aの周囲を取り囲むように配置されている。
【0027】
また、アノード電極5は、リング状の側部5aと筒状の突部5bとを有しており、側部5aはリング状に形成されている。突部5bの外壁面は円筒状にされ、突部5bと側部5aとの界面25は、ターゲット4の表面24と略同一平面上になるようにされている。
【0028】
突部5bは、図2(b)にその断面を示すような接続部51と、先端部52とを有している。接続部51の内壁面の断面は、図2(b)に示すように、曲率半径ΔRが一定になるような曲線になっており、接続部51の内径は、基板ホルダ3側に向かうに従い、徐々に大きくなるようにされている。ここでは、接続部51の断面の曲率半径ΔRを、2mmとしている。他方、先端部52は、接続部51から基板ホルダ3側に向けて設けられており、内壁の断面は略直線状にされている。
【0029】
真空槽2の外部には、電源11と、冷却水導入装置12と、冷却水排出装置13と排気装置7とが配置されている。このうち、冷却水導入装置12と冷却水排出装置13とは、それぞれ通水管を介してバッキングプレート8に接続されており、バッキングプレート8内に冷却水を通水して、バッキングプレート8を冷却できるようにされている。
【0030】
電源11の一端はバッキングプレート8に接続され、他端は接地されており、アノード電極5及び防着板14は接地されているので、電源11を起動すると、バッキングプレート8とアノード電極5及び防着板14との間に、直流電圧を印加することができるように構成されている。
【0031】
排気装置7はターボ分子ポンプ7aとロータリポンプ7bとを有しており、ターボ分子ポンプ7aは真空槽2に接続され、ロータリポンプ7bはターボ分子ポンプ7aに接続されており、ターボ分子ポンプ7aやロータリポンプ7bを起動すると、真空槽2内を真空排気することができるようにされている。
【0032】
上述のマグネトロンスパッタ装置1で、基板表面に薄膜を成膜するには、まず、予め排気装置7で真空槽2内を10-6Pa程度まで真空排気し、真空状態を維持した状態で真空槽2内に基板を搬入し、基板ホルダ3に保持させ、基板の表面がターゲット4と対向するように配置し、バッキングプレート8に冷却水を通水して、バッキングプレート8が過熱されないようにしておく。
【0033】
次いで、プロセスガスを導入して、真空槽2内の圧力を10-2Pa程度で制御しておき、電源11を起動して、アノード電極5とバッキングプレート8との間に直流電圧を印加する。すると、アノード電極5とターゲット4との間に電圧が印加されてグロー放電が生じ、高密度のプラズマが生じてターゲット4がスパッタリングされる。スパッタリングされたターゲット材料は、ターゲット4の裏面に配置されたマグネット10によって形成される磁場により、運動方向と垂直な力を受け、螺旋運動をしながら基板表面に到達し、基板表面に薄膜が成膜される。放電によって生じた電子は、マグネット10で生成される磁界により、ターゲット4の表面近傍で、電子が加速されながら回転運動をすることにより、プラズマの電離効率が良くなる。
【0034】
本実施形態のマグネトロンスパッタ装置1によれば、突部5bはターゲットの表面より突出しているものの、突部5bには接続部51が設けられており、接続部51の内壁面の断面は、側部5a近傍では図2(b)に示すように、曲率半径ΔRが一定になるような曲線を描き、ターゲット表面で生成される高密度プラズマから電子がアノード電極に流れにくくしているため、低圧力下においても高密度プラズマが生成でき、安定した放電を維持させることができる。
【0035】
以上説明したように、本実施形態のマグネトロンスパッタ装置1では、従来に比して低圧条件下でも、高密度プラズマが安定するため、安定したマグネトロン放電を維持させることができる。
【0036】
本発明の発明者等は、本発明の効果を確認するため、従来のマグネトロンスパッタ装置101と、上述した構成のマグネトロンスパッタ装置1とを用いて、それぞれについて真空槽内の圧力を低くした状態で、アノード電極とバッキングプレートとの間に印加する電圧(以下で放電電圧と称する)を可変にして、放電状態を調べた。
【0037】
その結果を図3(a)の曲線(A)、(B)に示す。曲線(A)は従来のマグネトロンスパッタ装置101による実験結果を示し、曲線(B)は、上述のマグネトロンスパッタ装置1による実験結果を示している。
【0038】
曲線(A)より、従来のマグネトロンスパッタ装置101では、圧力を低くした場合には0.1Pa程度までしか安定した放電を発生させることができなかったことがわかる。これに対し、本実施形態のマグネトロンスパッタ装置1では、曲線(B)に示すように、0.05Paまで圧力を低くしても、安定した放電を発生させることができることがわかる。
【0039】
図3(b)の曲線(C)、(D)は、放電時にターゲットに流れる電流(以下カソード電流と称する。)と、放電電圧との関係を示す。曲線(C)は従来のマグネトロンスパッタ装置101の実験結果を示し、曲線(D)は本実施形態のマグネトロンスパッタ装置1による実験結果を示している。
曲線(C)と曲線(D)とを比較すると、同じ放電電圧では曲線(D)の方がカソード電流が大きく、安定した放電を得ることができることがわかる。
【0040】
以上述べたように、本実施形態のマグネトロンスパッタ装置1では、従来に比して低い圧力である、約10-2Pa程度まで安定した放電を得ることができることが確認できた。
【0041】
なお、本発明は図1(a)に示すようなマグネトロンスパッタ装置1に限られるものではなく、図4(a)に示すように、リング状に形成されたアノード電極15を有し、その表面35がターゲット4の表面24よりも突き出さないような構成にしてもよい。
【0042】
このように構成することにより、アノード電極15の表面35はターゲット4の表面より突き出さないので、アノード電極の内壁に電子が流れにくくなり、ターゲット4の表面に形成される高密度プラズマを安定に維持でき、低圧下でも安定したマグネトロン放電を維持させることができる。
【0043】
また、図4(b)に示すように、磁石20の中心軸線40を、ターゲット4の中心軸線30と異なるように配置し、ターゲット4の中心軸線30を中心にして、水平面内で磁石20を回転させるような構成にしても良い。このように構成することにより、磁石20が生成する磁界が水平面内で回転し、ターゲット表面から均一にスパッタ材料をスパッタリングさせることができ、エロージョンを均一にすることができる。
【0044】
さらに、上述の実施形態では、接続部51の内壁断面の曲率半径ΔRを2mmとしているが、本発明の発明者等は、曲率半径ΔRが、ターゲットの直径の1/30以上とすることにより、上記実施形態と同様に、低圧条件下で安定した放電が得られることを確かめた。
【0045】
また、上記実施形態では、図2(b)に示すアノード電極とターゲットとの間の距離d11を、1.5mmとしたが、本発明の発明者等は、1.5mm以上2.5mm以下の範囲であればよいことを確認した。
【0046】
【発明の効果】
低圧条件で、安定したマグネトロン放電を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a):本発明の一実施形態のマグネトロンスパッタ装置を説明する断面図
(b):本発明の一実施形態のアノード電極を説明する断面図
【図2】(a):本発明の一実施形態の要部を説明する断面図
(b):本発明の一実施形態の接続部を説明する断面図
【図3】(a):本発明の一実施形態のマグネトロンスパッタ装置と、従来のマグネトロンスパッタ装置とのそれぞれについて、真空槽内の圧力と、放電電圧との関係を示すグラフ
(b):本発明の一実施形態のマグネトロンスパッタ装置と、従来のマグネトロンスパッタ装置とのそれぞれについて、カソード電流と、放電電圧との関係を示すグラフ
【図4】(a):本発明の他の実施形態のマグネトロンスパッタ装置を説明する断面図
(b):本発明のその他の実施形態におけるマグネトロンスパッタ装置を説明する断面図
【図5】(a):従来のマグネトロンスパッタ装置を説明する断面図
(b):従来のマグネトロンスパッタ装置の要部を説明する断面図
【符号の説明】
1……マグネトロンスパッタ装置 2……真空槽 3……基板ホルダ 5……アノード電極 5a……側部 5b……突部 10……マグネット(磁石) 51……接続部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sputtering apparatus, and more particularly to a magnetron sputtering apparatus used for forming a thin film in the manufacture of a semiconductor device, a liquid crystal display device or the like.
[0002]
[Prior art]
Thin films are conventionally used in various fields such as semiconductor devices and liquid crystal display devices, and various thin films such as metal thin films and magnetic thin films are formed by thin film forming apparatuses such as sputtering apparatuses and vapor deposition apparatuses. Yes.
Among them, the magnetron sputtering apparatus is widely used because it can form a thin film at a low temperature and at a high speed.
[0003]
An example of a conventional magnetron sputtering apparatus is indicated by reference numeral 101 in FIG. The magnetron sputtering apparatus 101 includes a vacuum chamber 102, a substrate holder 103, a target 104, an anode electrode 105, a mass flow controller 106, a vacuum exhaust device 107, a backing plate 108, an insulator 109, and a magnet 110. And an adhesion preventing plate 114.
[0004]
A substrate holder 103 is disposed on the inner bottom surface of the vacuum chamber 102. A deposition preventing plate 114 is disposed around the substrate holder 103.
A target 104 is disposed above the substrate holder 103, and the surface of the target 104 is opposed to the upper surface of the substrate holder 103.
[0005]
The back surface of the target 104 is fixed to the surface of a backing plate 108 made of a conductor, and the backing plate 108 is attached to the upper portion of the vacuum chamber 102 via an insulator 109.
[0006]
A magnet 110 is disposed on the back surface of the backing plate 108. FIG. 5B shows an enlarged cross-sectional view of the magnet, the backing plate, the target, and the anode electrode 105.
[0007]
The magnet 110 includes a columnar magnet 110a and a cylindrical magnet 110b, and the cylindrical magnet 110b is disposed so as to surround the columnar magnet 110a.
The surface 125 of the ring-shaped anode electrode 105 protrudes closer to the substrate holder 103 than the surface 124 of the target 104.
[0008]
A power source 111, a cooling water introduction device 112, a cooling water discharge device 113, and an exhaust device 107 are provided outside the vacuum chamber 102. Among them, the cooling water introduction device 112 and the cooling water discharge device 113 are connected to the backing plate 108 through water pipes, respectively, so that the cooling water can be passed through the backing plate 108 to cool the backing plate 108. Has been.
[0009]
Since one end of the power source 111 is connected to the backing plate 108 and the other end is grounded, and the anode electrode 105 and the deposition preventing plate 114 are grounded, when the power source 111 is activated, the backing plate 108, the anode electrode 105 and the anti-proofing plate A DC voltage can be applied between the platen 114 and the platen 114.
[0010]
The exhaust device 107 includes a turbo molecular pump 107a and a rotary pump 107b. The turbo molecular pump 107a is connected to the vacuum chamber 102, and the rotary pump 107b is connected to the turbo molecular pump 107a. When the rotary pump 107b is started, the inside of the vacuum chamber 102 can be evacuated.
[0011]
In order to form a thin film on the substrate surface with the above-described magnetron sputtering apparatus 101, first, the inside of the vacuum chamber 102 is evacuated to the ultimate vacuum degree by the exhaust apparatus 107, and then the sputtering gas is introduced through the mass flow controller 106. A substrate (not shown) is carried into the vacuum chamber 102 while maintaining the state at a pressure of about 0.1 Pa, and is held by the substrate holder 103, arranged so that the surface of the substrate faces the target 104, and the backing plate 108. Cooling water is passed through to prevent the backing plate 108 from being overheated.
[0012]
Next, the power supply 111 is activated to apply a DC voltage between the anode electrode 105 and the backing plate 108. Since the backing plate 108 is made of a conductor, a voltage is applied between the target 104 and the anode electrode 105, a glow discharge is generated therebetween, high density plasma is generated, and the target 104 is sputtered. The sputtered target material reaches the substrate surface, and a thin film made of the target material is formed on the substrate surface.
[0013]
In the magnetron sputtering apparatus 101 described above, the ionization efficiency of the plasma is improved by causing the electrons generated by the discharge to rotate while the electrons are accelerated near the surface of the target 104 by the magnetic field generated by the magnet 110. The film formation rate increases.
[0014]
However, in the above-described magnetron sputtering apparatus 101, when a DC voltage is applied between the anode electrode 105 and the backing plate 108 when the pressure in the vacuum chamber 102 is low, the potential of the target 104 rises above a predetermined value. As a result, the glow discharge is not stable and arc discharge is likely to occur. When arc discharge occurs, abnormal sputtering is performed, so that the film quality of the thin film formed on the substrate surface is deteriorated.
[0015]
Due to the circumstances as described above, the conventional apparatus can generate a stable discharge only at a pressure of 10 −1 Pa or less, but there is a strong demand to perform magnetron sputtering under a lower pressure condition. .
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention was created to solve the above-described disadvantages of the prior art, and an object thereof is to provide a magnetron sputtering apparatus capable of generating a stable discharge even at a low pressure.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention described in claim 1 is a substrate holder disposed in the vacuum chamber, a target disposed such that a surface thereof faces the surface of the substrate holder, the target and a predetermined And a cylindrical anode electrode arranged around the target so as to surround the target, with the substrate held by the substrate holder, and between the target and the anode electrode A sputtering apparatus configured such that when a voltage is applied, the target material is sputtered to process the substrate, and the anode electrode protrudes from the surface position of the target toward the substrate holder. and the projection has, and a side portion located from the surface position of the target in the direction opposite to the substrate holder, the projections, the target table According terms vicinity toward the distal end direction of said projection, have a configured connection portions so the inner diameter is gradually increased, the radius of curvature of the cross section of the connecting portion is 1/30 or more of the diameter of the target It was made to become .
A second aspect of the present invention is the sputtering apparatus according to the first aspect, wherein the predetermined interval is in a range of 1.5 mm to 2.5 mm.
A third aspect of the present invention is the sputtering apparatus according to the first aspect of the present invention, further comprising a columnar magnet disposed on the back surface of the target and a cylindrical magnet. The cylindrical magnet is arranged around the columnar magnet so that a center axis thereof coincides with a center axis of the columnar magnet, and the columnar magnet and the cylindrical magnet are , And is configured to be rotatable around an axis different from the central axis.
[0018]
In a general magnetron sputtering apparatus, when a high voltage is applied between a target and an anode electrode to generate a magnetron discharge, high-density plasma is formed in the vicinity of the target surface. In the conventional magnetron sputtering apparatus, the surface of the cylindrical anode electrode protrudes from the surface of the target, the inner wall of the anode electrode approaches the high-density plasma, electrons flow easily to the anode electrode, and the plasma density decreases. Therefore, it was impossible to maintain the magnetron discharge at a low pressure (−10 −2 Pa).
[0019]
According to the sputtering apparatus of the present invention, the anode electrode has a ring-shaped side portion and a cylindrical protrusion, and the protrusion protrudes from the surface of the target, but its inner diameter is from the vicinity of the surface of the target. Within a predetermined distance range, it is gradually increased so that electrons hardly flow from the high-density plasma generated on the target surface to the anode electrode. Thereby, even at a low pressure, high-density plasma is generated on the target surface, and stable discharge is possible.
[0020]
In the present invention, the anode electrode may have a ring shape, and the surface of the target may be disposed between the surface of the substrate holder and the surface of the anode electrode. With this configuration, since the surface of the anode electrode does not protrude from the surface of the target, electrons do not flow easily from the high-density plasma to the anode. Can be generated.
[0021]
Furthermore, the magnet has a columnar magnet and a cylindrical magnet, and the cylindrical magnet is arranged around the columnar magnet so that the center axis thereof coincides with the center axis of the columnar magnet. The cylindrical magnet and the cylindrical magnet that are arranged may be configured to be rotatable around an axis different from the central axis thereof.
[0022]
With this configuration, since the magnetic field generated by the magnet rotates in a horizontal plane, the sputtered material can be sputtered from any part of the target surface, and the erosion can be made uniform compared to the conventional case. it can.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The vapor deposition apparatus of the present invention is indicated by reference numeral 1 in FIG. The vapor deposition apparatus 1 includes a vacuum chamber 2, a substrate holder 3, a target 4, an anode electrode 5, a mass flow controller 6, a vacuum exhaust device 7, a backing plate 8, an insulator 9, a magnet 10, And an adhesion preventing plate 14.
[0024]
A substrate holder 3 is disposed on the inner bottom surface of the vacuum chamber 2. An adhesion preventing plate 14 is disposed around the substrate holder 3 so as to surround the substrate holder 3.
A plate-like target 4 is disposed above the substrate holder 3, and the surface of the target 4 is opposed to the upper surface of the substrate holder 3. Around the target 4, an anode electrode 5 whose sectional view is shown in FIG. 1B is arranged at a predetermined distance from the target 4. Here, the diameter of the target 4 is 50 mm, and the distance between the anode electrode 5 and the target 4 is 1.5 mm.
[0025]
The back surface of the target 4 is fixed to the front surface of the backing plate 8, and the backing plate 8 is attached to the upper portion of the vacuum chamber 2 through an insulator 9. A magnet 10 is disposed on the back surface of the backing plate 8.
[0026]
As shown in the enlarged sectional view of FIG. 2A, the magnet 10 has a columnar magnet 10a and a cylindrical magnet 10b. The cylindrical magnet 10b is arranged around the columnar magnet 10a. Is arranged so as to surround.
[0027]
The anode electrode 5 has a ring-shaped side portion 5a and a cylindrical projection 5b, and the side portion 5a is formed in a ring shape. The outer wall surface of the protrusion 5 b is formed in a cylindrical shape, and the interface 25 between the protrusion 5 b and the side part 5 a is substantially flush with the surface 24 of the target 4.
[0028]
The protrusion 5b has a connection part 51 and a tip part 52 as shown in cross section in FIG. The cross section of the inner wall surface of the connecting portion 51 is a curve that makes the curvature radius ΔR constant as shown in FIG. 2B, and the inner diameter of the connecting portion 51 increases toward the substrate holder 3 side. It has been gradually increased. Here, the curvature radius ΔR of the cross section of the connecting portion 51 is 2 mm. On the other hand, the front end portion 52 is provided from the connection portion 51 toward the substrate holder 3 side, and the cross section of the inner wall is substantially linear.
[0029]
A power source 11, a cooling water introduction device 12, a cooling water discharge device 13 and an exhaust device 7 are arranged outside the vacuum chamber 2. Among them, the cooling water introduction device 12 and the cooling water discharge device 13 are connected to the backing plate 8 through water pipes, and cool the backing plate 8 by passing cooling water into the backing plate 8. It has been made possible.
[0030]
Since one end of the power supply 11 is connected to the backing plate 8 and the other end is grounded, and the anode electrode 5 and the adhesion preventing plate 14 are grounded, when the power supply 11 is activated, the backing plate 8, the anode electrode 5 and the anti-proofing plate are connected. A DC voltage can be applied between the platen 14 and the platen 14.
[0031]
The exhaust device 7 includes a turbo molecular pump 7a and a rotary pump 7b. The turbo molecular pump 7a is connected to the vacuum chamber 2, and the rotary pump 7b is connected to the turbo molecular pump 7a. When the rotary pump 7b is activated, the vacuum chamber 2 can be evacuated.
[0032]
In order to form a thin film on the substrate surface with the magnetron sputtering apparatus 1 described above, first, the vacuum chamber 2 is first evacuated to about 10 −6 Pa by the exhaust device 7 and the vacuum chamber is maintained in a vacuum state. The substrate is loaded into the substrate 2 and held by the substrate holder 3, arranged so that the surface of the substrate faces the target 4, and cooling water is passed through the backing plate 8 so that the backing plate 8 is not overheated. deep.
[0033]
Next, a process gas is introduced, the pressure in the vacuum chamber 2 is controlled at about 10 −2 Pa, the power source 11 is activated, and a DC voltage is applied between the anode electrode 5 and the backing plate 8. . Then, a voltage is applied between the anode electrode 5 and the target 4 to cause glow discharge, and high-density plasma is generated to sputter the target 4. The sputtered target material receives a force perpendicular to the direction of motion by the magnetic field formed by the magnet 10 disposed on the back surface of the target 4, reaches the substrate surface while performing a spiral motion, and a thin film is formed on the substrate surface. Be filmed. Electrons generated by the discharge are rotated in the vicinity of the surface of the target 4 while the electrons are accelerated by the magnetic field generated by the magnet 10, thereby improving the ionization efficiency of the plasma.
[0034]
According to the magnetron sputtering apparatus 1 of the present embodiment, although the protrusion 5b protrudes from the surface of the target, the protrusion 5b is provided with the connecting portion 51, and the cross section of the inner wall surface of the connecting portion 51 is In the vicinity of the portion 5a, as shown in FIG. 2 (b), a curve with a constant curvature radius ΔR is drawn to make it difficult for electrons to flow from the high-density plasma generated on the target surface to the anode electrode. High-density plasma can be generated even under pressure, and stable discharge can be maintained.
[0035]
As described above, in the magnetron sputtering apparatus 1 of the present embodiment, since the high-density plasma is stabilized even under a low pressure condition as compared with the conventional case, a stable magnetron discharge can be maintained.
[0036]
In order to confirm the effect of the present invention, the inventors of the present invention use the conventional magnetron sputtering apparatus 101 and the magnetron sputtering apparatus 1 having the above-described configuration in a state where the pressure in the vacuum chamber is lowered. The voltage applied between the anode electrode and the backing plate (hereinafter referred to as the discharge voltage) was varied, and the discharge state was examined.
[0037]
The results are shown in curves (A) and (B) in FIG. A curve (A) shows an experimental result by the conventional magnetron sputtering apparatus 101, and a curve (B) shows an experimental result by the magnetron sputtering apparatus 1 described above.
[0038]
From the curve (A), it can be seen that the conventional magnetron sputtering apparatus 101 could generate a stable discharge only up to about 0.1 Pa when the pressure was lowered. On the other hand, in the magnetron sputtering apparatus 1 of the present embodiment, as shown by the curve (B), it can be seen that stable discharge can be generated even if the pressure is reduced to 0.05 Pa.
[0039]
Curves (C) and (D) in FIG. 3B show the relationship between the current flowing through the target during discharge (hereinafter referred to as the cathode current) and the discharge voltage. Curve (C) shows the experimental results of the conventional magnetron sputtering apparatus 101, and curve (D) shows the experimental results of the magnetron sputtering apparatus 1 of the present embodiment.
Comparing curve (C) and curve (D), it can be seen that curve (D) has a larger cathode current and a stable discharge can be obtained at the same discharge voltage.
[0040]
As described above, it has been confirmed that the magnetron sputtering apparatus 1 of the present embodiment can obtain a stable discharge up to about 10 −2 Pa, which is a lower pressure than the conventional one.
[0041]
The present invention is not limited to the magnetron sputtering apparatus 1 as shown in FIG. 1 (a), and has an anode electrode 15 formed in a ring shape as shown in FIG. You may make it the structure that 35 does not protrude from the surface 24 of the target 4. FIG.
[0042]
With this configuration, since the surface 35 of the anode electrode 15 does not protrude from the surface of the target 4, electrons do not flow easily on the inner wall of the anode electrode, and high-density plasma formed on the surface of the target 4 can be stabilized. The stable magnetron discharge can be maintained even under a low pressure.
[0043]
4B, the central axis 40 of the magnet 20 is arranged so as to be different from the central axis 30 of the target 4, and the magnet 20 is placed in a horizontal plane around the central axis 30 of the target 4. You may make it the structure which rotates. By comprising in this way, the magnetic field which the magnet 20 produces | generates rotates in a horizontal surface, a sputter | spatter material can be sputtered uniformly from the target surface, and erosion can be made uniform.
[0044]
Furthermore, in the above-described embodiment, the curvature radius ΔR of the inner wall cross section of the connection portion 51 is set to 2 mm, but the inventors of the present invention set the curvature radius ΔR to 1/30 or more of the diameter of the target, As in the above embodiment, it was confirmed that stable discharge was obtained under low pressure conditions.
[0045]
In the above embodiment, the distance d 11 between the anode electrode and the target shown in FIG. 2 (b), was a 1.5 mm, the inventors of the present invention, 1.5 mm or more 2.5mm or less It was confirmed that it was in the range of.
[0046]
【The invention's effect】
A stable magnetron discharge can be obtained under low pressure conditions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating a magnetron sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
(b): Cross-sectional view illustrating an anode electrode according to an embodiment of the present invention. [FIG. 2] (a): Cross-sectional view illustrating an essential part of an embodiment of the present invention.
(b): Cross-sectional view for explaining a connecting portion of an embodiment of the present invention. FIG. 3 (a): A vacuum chamber for each of a magnetron sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention and a conventional magnetron sputtering apparatus. Graph showing the relationship between internal pressure and discharge voltage
(b): A graph showing the relationship between the cathode current and the discharge voltage for each of the magnetron sputtering apparatus of one embodiment of the present invention and the conventional magnetron sputtering apparatus. FIG. 4 (a): Others of the present invention. Sectional drawing explaining the magnetron sputtering apparatus of embodiment of this
(b): Cross-sectional view illustrating a magnetron sputtering apparatus according to another embodiment of the present invention. FIG. 5 (a): Cross-sectional view illustrating a conventional magnetron sputtering apparatus.
(b): Cross-sectional view explaining the main part of a conventional magnetron sputtering apparatus
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magnetron sputtering device 2 ... Vacuum chamber 3 ... Substrate holder 5 ... Anode electrode 5a ... Side part 5b ... Projection 10 ... Magnet (magnet) 51 ... Connection part

Claims (3)

真空槽と、
前記真空槽内に配置された基板ホルダと、
表面が前記基板ホルダの表面と対向するように配置されたターゲットと、
前記ターゲットと所定間隔をおいて、前記ターゲットを取り囲むように前記ターゲットの周囲に配置された筒状のアノード電極とを有し、
前記基板ホルダに基板を保持した状態で、前記ターゲットと前記アノード電極との間に電圧を印加すると、前記ターゲット材料がスパッタされて前記基板を処理することができるように構成されたスパッタ装置であって、
前記アノード電極は、前記ターゲットの表面位置から前記基板ホルダの方向に突出された突部と、前記ターゲットの表面位置から前記基板ホルダと反対方向に位置する側部とを有し、
前記突部は、前記ターゲット表面近傍位置から前記突部の先端方向へ向かうに従い、内径が徐々に大きくなるように構成された接続部を有し、
前記接続部の断面の曲率半径は、前記ターゲットの直径の1/30以上になるようにされたことを特徴とするスパッタ装置。
A vacuum chamber;
A substrate holder disposed in the vacuum chamber;
A target arranged such that the surface faces the surface of the substrate holder;
A cylindrical anode electrode disposed around the target so as to surround the target at a predetermined interval from the target;
A sputtering apparatus configured to process the substrate by sputtering the target material when a voltage is applied between the target and the anode electrode while the substrate is held by the substrate holder. And
The anode electrode has a protrusion protruding in the direction of the substrate holder from the surface position of the target, and a side portion positioned in the direction opposite to the substrate holder from the surface position of the target,
The protrusion, in accordance with direction from the target surface position near the distal direction of the projection, have a configured connection portions so the inner diameter is gradually increased,
The sputtering apparatus according to claim 1, wherein a radius of curvature of a cross section of the connection portion is set to 1/30 or more of a diameter of the target .
前記所定間隔は、1.5mm以上2.5mm以下の範囲であることを特徴とする請求項1記載のスパッタ装置。The sputtering apparatus according to claim 1 , wherein the predetermined interval is in a range of 1.5 mm to 2.5 mm. 前記ターゲットの裏面に配置された円柱状の磁石と、円筒状の磁石とをさらに有し、
前記円筒状の磁石は、その中心軸線が前記円柱状の磁石の中心軸線と一致するように、前記円柱状の磁石の周囲に配置され、
前記円柱状の磁石及び前記円筒状の磁石が、その中心軸線と異なる軸を中心に回転可能に構成されたことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項記載のスパッタ装置。
A columnar magnet disposed on the back surface of the target, and a cylindrical magnet;
The cylindrical magnet is disposed around the columnar magnet so that a center axis thereof coincides with a center axis of the columnar magnet,
The sputtering apparatus according to claim 1, wherein the columnar magnet and the cylindrical magnet are configured to be rotatable about an axis different from a central axis thereof.
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