JP4682371B2 - Single power source sputtering apparatus comprising an anode with magnetic field control - Google Patents

Single power source sputtering apparatus comprising an anode with magnetic field control Download PDF

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Description

本発明は、スパッタリング装置に関する。詳しくは、単一電源で駆動されるスパッタリング装置に関する。さらに詳しくは、低周波単一駆動電源によって高エネルギー荷電粒子を発生させることを可能とするスパッタリング装置に関する。さらにまた、真空装置内に配置される陽極を特有な構造に設計し、低周波電源によって駆動して高エネルギー荷電粒子の発生を可能とするスパッタリング装置に関する。具体的に述べると、陽極設計は、真空容器や成膜用基体から切り離して独立させるとともに陽極面から陰極に至る荷電粒子の通路(経路)を除きシールドし、シールドされた陽極面近傍に該経路を直交して横切る方向、すなわち陽極面に平行な方向に磁場を与える磁場形成手段を付設したスパッタリング装置に関する。   The present invention relates to a sputtering apparatus. Specifically, the present invention relates to a sputtering apparatus driven by a single power source. More particularly, the present invention relates to a sputtering apparatus that can generate high-energy charged particles with a low-frequency single drive power source. Furthermore, the present invention relates to a sputtering apparatus in which an anode disposed in a vacuum apparatus is designed to have a unique structure and driven by a low frequency power source to generate high energy charged particles. More specifically, the anode design is separated from the vacuum vessel and the substrate for film formation, and is shielded except for the path (path) of charged particles from the anode surface to the cathode, and the path is in the vicinity of the shielded anode surface. It is related with the sputtering device which attached the magnetic field formation means which gives a magnetic field to the direction which crosses orthogonally orthogonally, ie, the direction parallel to an anode surface.

さらにまた本発明は、成膜とは別系統に独立した電源と電極が必要であった後述する従来のバイアススパッタリング方式に比し、これと同等あるいはそれ以上の効果を電源の付加無しに実現することを可能とするスパッタリング装置に関し、特に各種材料の薄膜を基板上にスパッタリング成膜する場合の形成温度の低減や薄膜の密着性の改善、密度の向上等を図ることができる新規かつきわめて優れたスパッタリング装置に関する。   Furthermore, the present invention realizes an effect equivalent to or higher than that of the conventional bias sputtering method, which will be described later, which requires an independent power source and electrode separate from the film formation, without adding a power source. In particular, a new and extremely excellent sputtering apparatus that can reduce the forming temperature, improve the adhesion of the thin film, increase the density, etc. when thin films of various materials are formed on the substrate by sputtering. The present invention relates to a sputtering apparatus.

本発明を説明するに当たり、使用する特有な用語を以下のとおり定義する。
すなわち、本発明において荷電粒子とは、プラズマ化することによって発生する電子、イオン等の真空容器内を移動できる電荷媒体を指す。また放電電流とはプラズマ化した真空容器内を荷電粒子の動きとして流れる電流のことをいい、陽極とは放電電流が流れ出す電極のことを指し、陰極とは放電電流が流れ込む電極を指す。
In describing the present invention, specific terms used are defined as follows.
That is, in the present invention, a charged particle refers to a charge medium that can move in a vacuum vessel such as electrons and ions generated by being turned into plasma. The discharge current refers to a current that flows as a movement of charged particles in a vacuumized vacuum vessel. The anode refers to the electrode from which the discharge current flows, and the cathode refers to the electrode into which the discharge current flows.

さらに本発明において陽極面、陰極面とはそれぞれ陽極、陰極の表面であり、かつ絶縁体やシールド等で遮蔽されたりしておらず、放電電流の流れ出しおよび流れ込みに対して有効に働く表面のことを言う。また同様に荷電粒子の陽極から陰極にいたる有効な経路とは放電電流の担い手である荷電粒子が絶縁体等によって妨げられることなく、実際に荷電粒子が移動し、それに沿って放電電流が陽極から流れ出し、陰極に至るまでに、運ばれる経路のことを指し、スパッタリング装置内に3次元的な線分(曲線)として多数存在する。さらに、荷電粒子の陽極から陰極にいたる有効な経路中の最強磁場強度とは多数ある荷電粒子の陽極から陰極にいたる有効な経路のうちの1つに着目し、その陰極から陽極に至る経路を垂直に横切る磁場強度の最大値と定義する。   Further, in the present invention, the anode surface and the cathode surface are surfaces of the anode and the cathode, respectively, and are surfaces that are not shielded by an insulator or a shield, and that work effectively against discharge current flow-in and flow-in. Say. Similarly, the effective path from the anode to the cathode of the charged particles is that the charged particles, which are the carriers of the discharge current, are not obstructed by an insulator or the like, and the charged particles actually move along the discharge current. This refers to the path that is carried from the flow out to the cathode, and there are many three-dimensional line segments (curves) in the sputtering apparatus. Further, the strongest magnetic field strength in the effective path from the anode of the charged particle to the cathode focuses on one of the many effective paths from the anode to the cathode of the charged particle, and the path from the cathode to the anode It is defined as the maximum value of the magnetic field strength that crosses vertically.

さらにまた、本発明においてバランス型、あるいはアンバランス型の磁場配置とは、通常マグネトロン方式において広く用いられているスパッタリング方式の陰極面において、陰極面近傍にプラズマを局在させるために用いる磁場の構成方法の名称を指すものである。バランス型の磁場配置とは通常複数の永久磁石を用い、これら磁石のN極から発する磁束がほぼ全て、磁石のS極に収束するように各磁石の強度を調整し、この閉じた磁束によりターゲット表面近傍に強くプラズマを局在させるための磁場配置のことを言う。これに対し、アンバランス型とはN極から発する磁束のすべてがS極には戻らず、一部の磁束が空間に開放されるような磁束の分布を示すように、磁石強度を調整した場合を言う。アンバランス型磁場配置の場合、ターゲット表面近傍へのプラズマの局在はバランス型に比して弱くなり、装置空間内に比較的広がったプラズマを得る必要がある場合に用いられる(“ HYPERLINK "http://www.kobelco.co.jp/p109/pvd/ubms.htm" http://www.kobelco.co.jp/p109/pvd/ubms.htm”を参照のこと)。   Furthermore, in the present invention, the balanced or unbalanced magnetic field arrangement is the configuration of the magnetic field used to localize the plasma in the vicinity of the cathode surface on the cathode surface of the sputtering method that is usually widely used in the magnetron method. It refers to the name of the method. The balanced magnetic field arrangement usually uses a plurality of permanent magnets, and adjusts the strength of each magnet so that almost all the magnetic flux generated from the north pole of these magnets converges on the south pole of the magnet. This means a magnetic field arrangement for strongly localizing plasma near the surface. On the other hand, in the case of the unbalanced type, when the magnet strength is adjusted so that all of the magnetic flux generated from the N pole does not return to the S pole, and the magnetic flux distribution is such that a part of the magnetic flux is released to the space. Say. In the case of an unbalanced magnetic field configuration, the localization of plasma near the target surface is weaker than that of the balanced type, and is used when it is necessary to obtain a plasma that is relatively spread in the device space (“HYPERLINK” http http://www.kobelco.co.jp/p109/pvd/ubms.htm "http://www.kobelco.co.jp/p109/pvd/ubms.htm").

いわゆるスパッタリング技術は、今日のエレクトロニクス産業の隆盛を支える基盤技術であるところの薄膜の形成(スパッタリング成膜、デポジション)や薄膜へのパターン形成(パターニング、エッチング)や表面改質等に広く用いられている重要技術の一つである。その沿革は古く、現在までにさまざまな改良、提案がなされ、今日では以下に述べるようにさまざまな方式のものが存在し、それぞれ各種技術分野において広く採用されている。   So-called sputtering technology is widely used for thin film formation (sputtering deposition, deposition), pattern formation (patterning, etching), surface modification, etc., which are fundamental technologies that support the rise of today's electronics industry. Is one of the important technologies. The history is old, and various improvements and proposals have been made so far. Today, there are various methods as described below, and they are widely used in various technical fields.

従来技術その1; 現在スパッタリング成膜技術において最も広く用いられている陽極設計の一つに真空容器の導体壁面そのものを陽極として用いる方式がある。つまり独立した電極としての陽極を設けず、陰極と真空容器の導体壁面との間に各種周波数、波形(直流、交流、高周波等)の電力を投入して放電を発生せしめる方式である。この構成を図1に基づいて示し、説明する。先ず、真空容器の導体内部壁面(1)が陽極面として働き、ここから陰極面に放電電流が流れ出す。陽極として働く真空容器の導体壁面と絶縁体(3)等で絶縁された陰極(2)とが設置され、その陰極面は装置内部空間の適切な位置に配置される。この際、絶縁体(3)やシールド(4)を用いて陰極面として働く領域を規定することが一般的に行われている。   Prior Art No. 1; One of the most widely used anode designs in the current sputtering deposition technique is the method of using the conductor wall surface of the vacuum vessel as the anode. In other words, an anode as an independent electrode is not provided, and electric power of various frequencies and waveforms (direct current, alternating current, high frequency, etc.) is input between the cathode and the conductor wall surface of the vacuum vessel to generate a discharge. This configuration is shown and described with reference to FIG. First, the conductor inner wall surface (1) of the vacuum vessel functions as an anode surface, and a discharge current flows from here to the cathode surface. A conductor wall surface of a vacuum vessel serving as an anode and a cathode (2) insulated by an insulator (3) or the like are installed, and the cathode surface is disposed at an appropriate position in the internal space of the apparatus. At this time, it is a common practice to define a region serving as a cathode surface using an insulator (3) and a shield (4).

最も広く用いられているマグネトロン方式のスパッタリング方式においては、陰極面近傍にプラズマを局在させるために磁束線(8)を配置する。この磁束線の配置方法にはバランス型、あるいはアンバランス型といったバリエーションが存在する。スパッタリング成膜による薄膜形成においては通常陰極面を原料とし、アルゴン等のスパッタリングガス雰囲気において陰極(2)と陽極(1)の間に各種周波数、波形(直流、交流、高周波等)の電力を投入することによってプラズマを発生せしめる。プラズマ中の各種イオン等が陰極面から運動量交換によってターゲットから原料成分をスパッタリングして気化させ、この気化した原料が陽極である装置壁、あるいはそれと同電位に保たれた基体ホルダー等に保持された基体(6)表面に堆積することで薄膜の形成された基体を得る。   In the most widely used magnetron type sputtering method, magnetic flux lines (8) are arranged in order to localize plasma in the vicinity of the cathode surface. There are variations such as a balanced type or an unbalanced type in the method of arranging the magnetic flux lines. In thin film formation by sputtering, the cathode surface is usually used as raw material, and various frequencies and waveforms (direct current, alternating current, high frequency, etc.) are applied between the cathode (2) and the anode (1) in a sputtering gas atmosphere such as argon. By doing so, plasma is generated. Various ions in the plasma are vaporized by sputtering the raw material components from the target by exchanging momentum from the cathode surface, and this vaporized raw material is held on the device wall that is the anode or a substrate holder that is kept at the same potential. A substrate on which a thin film is formed is obtained by depositing on the surface of the substrate (6).

図1に示した最も単純な構成のスパッタリング方式は極めて広く用いられているが、装置壁を陽極として用いるに際し安全のため陽極の電位をアース電位(電位の基準点、ゼロエレクトロンボルトのエネルギーに対応)とする必要があり、その結果基体の電位もアース電位に保持されることになる。薄膜を形成する粒子が基体表面に入射するエネルギーはプラズマの電位と基体の電位の差に支配され、得られる薄膜の密度、硬度、付着力、凹凸、等の機械的特性のみならず、電気特性、光学特性にも大きく影響するため非常に重要である。特に高密度、高硬度、高付着力、高平滑性を実現するためには、成膜中の基体表面へ高いエネルギー(10〜100エレクトロンボルト程度のエネルギー)を持つ粒子を入射させ、そのエネルギーを基体表面に与えることが極めて有効であることが広く知られている。   The sputtering method with the simplest configuration shown in FIG. 1 is very widely used. However, when using the device wall as an anode, the anode potential corresponds to the ground potential (potential reference point, zero electron volt energy) for safety. As a result, the potential of the substrate is also held at the ground potential. The energy at which the particles forming the thin film are incident on the substrate surface is governed by the difference between the plasma potential and the substrate potential, and not only the mechanical properties such as density, hardness, adhesion, unevenness, etc. of the resulting thin film, but also electrical properties. This is very important because it greatly affects the optical characteristics. In particular, in order to realize high density, high hardness, high adhesion, and high smoothness, particles having high energy (energy of about 10 to 100 electron volts) are made incident on the substrate surface during film formation, and the energy is reduced. It is widely known that application to the surface of a substrate is extremely effective.

図1に示したマグネトロンスパッタリング装置においては基体の電位がアース電位に固定されてしまい、かつプラズマの電位は通常のスパッタリング方式で用いられるプラズマにおいてはプラス数エレクトロンボルト程度に成膜条件から定まってしまい自由に変更することが出来ないため、粒子の持つエネルギーレベルはプラス数エレクトロンボルト−ゼロエレクトロンボルト=数エレクトロンボルトレベルとなり、高密度、高硬度、高付着力、高平滑性を実現するために人為的に基体表面に入射する各種粒子のエネルギーを10エレクトロンボルト程度以上に高くすることがほぼ不可能であった。   In the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 1, the potential of the substrate is fixed to the ground potential, and the plasma potential is determined from the film forming conditions to about plus a few electron volts in the plasma used in the normal sputtering method. Since it cannot be changed freely, the energy level of the particles is plus a few electron volts-zero electron volts = several electron volts, and it is artificial to achieve high density, high hardness, high adhesion, and high smoothness. In particular, it has been almost impossible to increase the energy of various particles incident on the substrate surface to about 10 electron volts or more.

従来技術2; 上記従来技術1に対し、基体表面に入射する粒子のエネルギーを高くし、もって高密度、高硬度、高付着力、高平滑性を実現するために基体を設置する電極を陽極とは別に設け、これに独立の電源によってバイアスと呼ばれる電圧を印加することを特徴とするバイアススパッタリング方式と称されるスパッタリング技術がある。   Prior Art 2; Compared to the above prior art 1, the energy of particles incident on the surface of the substrate is increased, and the electrode on which the substrate is placed is used as the anode in order to realize high density, high hardness, high adhesion, and high smoothness. In addition, there is a sputtering technique called a bias sputtering method, in which a voltage called a bias is applied thereto by an independent power source.

代表的なバイアススパッタリング装置の概略を図2に示す。陽極(1)、陰極(2)、絶縁体(3)、シールド(4)、磁束線(8)の関係は図1と同一の配置をとる。異なるのは基体(6)が陽極である装置壁面ではなく、絶縁体(3)を介して真空装置内に設置されたバイアス用独立電極(7)上に設置されていることである。このためバイアス電極(7)の電位をバイアス印加用電源(図示外)にて変化させることにより、プラズマ電位はプラス数エレクトロンボルト程度に固定させるが、基体電位を独立にアース電位よりも低い電位(たとえばマイナス10エレクトロンボルト)に設定することが可能であるため粒子のエネルギーレベルは、数エレクトロンボルト−マイナス10エレクトロンボルト=10数エレクトロンボルトと原料が基体表面に入射する際のエネルギーを高くすることが可能になり、その結果得られる薄膜の高密度、高硬度、高付着力、高平滑性を実現することができる。   An outline of a typical bias sputtering apparatus is shown in FIG. The relationship between the anode (1), the cathode (2), the insulator (3), the shield (4), and the magnetic flux lines (8) is the same as that shown in FIG. The difference is that the substrate (6) is not an apparatus wall surface which is an anode, but is disposed on the independent bias electrode (7) disposed in the vacuum apparatus via an insulator (3). Therefore, by changing the potential of the bias electrode (7) with a bias application power source (not shown), the plasma potential is fixed to about plus a few electron volts, but the substrate potential is independently lower than the ground potential ( For example, the energy level of the particles can be set to several electron volts-minus 10 electron volts = ten several electron volts, and the energy when the raw material enters the substrate surface can be increased. As a result, high density, high hardness, high adhesion, and high smoothness of the thin film obtained can be realized.

しかしながらこの方式においてはバイアス用に電源を追加する必要があり装置が複雑かつ高価になることが欠点のひとつとして挙げられる。これらスパッタリング方式において用いられる電源は、負荷であるところのプラズマが非線形極まる挙動が本質であるために通常の安定化電源とは比べ物にならないくらい高度な回路設計や何重もの保護回路が施された高価なパルス電源等が必要とされる。このためこのような複雑な電源回路を要した複数の電源を用いることはスパッタリング成膜装置の価格に直結し、価格を著しく押し上げてしまうことになる。   However, in this method, it is necessary to add a power source for bias, and one of the drawbacks is that the device becomes complicated and expensive. The power supply used in these sputtering systems is subjected to advanced circuit design and multiple protection circuits that are incomparable to ordinary stabilized power supplies because the behavior of the plasma that is the load is non-linear is essential. An expensive pulse power supply or the like is required. For this reason, the use of a plurality of power supplies that require such a complicated power supply circuit is directly linked to the price of the sputtering film forming apparatus, which significantly increases the price.

また、スパッタリング用(陽極−陰極間に成膜用のプラズマ放電のための電位を印加する)およびバイアス用(陽極−バイアス電極間にバイアス用の電位を印加する)の電源はプラズマを介してお互いに干渉するため薄膜の高密度、高硬度、高付着力、高平滑性を低プロセス温度で実現し、バイアス電位を下げ(マイナス側に大きくする:マイナス20ボルト、マイナス30ボルト・・・)、放電が不安定になりやすく、その結果スパッタリング成膜が不安定になりやすく、膜質の劣化や再現性に問題を引き起こし、最悪放電が維持できないと言った事態が発生したり、不安定な放電の結果上記2電源の故障頻度が高くなることといった問題があることも指摘されている。   In addition, power sources for sputtering (applying a potential for plasma discharge for film formation between the anode and the cathode) and for bias (applying a potential for biasing between the anode and the bias electrode) are mutually connected via plasma. To achieve high density, high hardness, high adhesion, and smoothness of the thin film at a low process temperature, lowering the bias potential (increasing to the minus side: minus 20 volts, minus 30 volts, etc.) Discharge is likely to be unstable, resulting in unstable sputtering film formation, causing problems in film quality degradation and reproducibility, and the worst discharge cannot be maintained. As a result, it has been pointed out that there is a problem that the failure frequency of the two power sources is increased.

従来技術3;バイポーラパルススパッタリング方式
前項で記したバイアススパッタリング方式は薄膜の高密度、高硬度、高付着力、高平滑性を低プロセス温度で実現することを目的としていた。これに対して成膜の高速化、長時間安定化を目指して開発されたスパッタリング方式にバイポーラスパッタリング方式がある。絶縁物薄膜の高速安定成膜をスパッタリング法で実現する際の大きな障害は、陽極の表面に形成される絶縁体薄膜である。陽極表面上に形成される絶縁膜は陽極からの電流の流れ出しを阻害するため、成膜のためのプラズマへの電力投入を阻害し、その結果放電の維持が困難となり、スパッタリングによる薄膜の形成を停止してしまう。そのためスパッタリング装置を設計するにおいては、長時間の安定な放電を維持するために陽極を薄膜形成を受けにくい位置に配置する等の工夫がされてきたが、長時間わたる操作には限界があり、十分とはいえなかった。
Prior Art 3: Bipolar Pulse Sputtering Method The bias sputtering method described in the previous section was aimed at realizing high density, high hardness, high adhesion and high smoothness of a thin film at a low process temperature. On the other hand, a bipolar sputtering method is a sputtering method developed with the aim of speeding up film formation and stabilizing for a long time. A major obstacle in realizing high-speed stable film formation of an insulator thin film by a sputtering method is an insulator thin film formed on the surface of the anode. Since the insulating film formed on the anode surface inhibits the flow of current from the anode, it inhibits the application of power to the plasma for film formation, and as a result, it becomes difficult to maintain the discharge. It will stop. Therefore, in designing a sputtering apparatus, in order to maintain a stable discharge for a long time, contrivances such as placing the anode at a position where it is difficult to receive thin film formation have been made, but there is a limit to the operation over a long time, It was not enough.

これに対し、バイポーラスパッタリング方式においては陰極面が常にスパッタリング現象にためエッチングを受けるため絶縁体が形成されず、常に清浄に保たれることに着目して、電極の極性を交互に入れ替えながら、つまりある瞬間陽極であった電極が、次の瞬間には陰極として働き、また陽極に戻るという繰り返しを成膜中に実施する方法が提案され、絶縁体薄膜形成の際の長時間安定な放電の維持に有効であることが示された。これがバイポーラスパッタリングと称される方式であり、1〜数100kHzの交流の電位を2つの電極に与えること、およびこれら2電極はプラズマ局在を促進するためのバランス型、もしくはアンバランス型の磁束線の配置を持っていることが特徴である。   On the other hand, in the bipolar sputtering method, focusing on the fact that the insulator is not formed because the cathode surface is always subjected to etching because of the sputtering phenomenon, and is always kept clean. A method was proposed in which the electrode that was the anode at one moment worked as a cathode at the next moment and returned to the anode during the film formation, and a stable discharge was maintained for a long time during the formation of the insulator thin film. It was shown to be effective. This is a method called bipolar sputtering, in which an alternating potential of 1 to several 100 kHz is applied to two electrodes, and these two electrodes are balanced or unbalanced magnetic flux lines for promoting plasma localization. It is the feature that has the arrangement of.

図3にバイポーラスパッタリング方式の概念図を示す。通常のスパッタリング装置に用いる陰極と同様の設計の電極(9)(陰極/陽極)を用意し、絶縁体(3)、シールド(4)、磁束線(8)からなる組を2組配置し、各々の電極表面には形成する薄膜材料の原料となるターゲット物質を保持している。この2電極間に1〜数100kHzの交流の電位を交流電源(図示外)によって与えることによって、上記のように2つの組の電極(9)表面の原料はそれぞれ極性を交互に入れ替えながら動作する。すなわち、陰極として作動している間はスパッタリング現象のためにエッチングを受けて清浄化されると同時に原料を気化させる。陽極として動作している間はプラズマへの電力投入を担い、その間は絶縁体の形成は進むものの、次の瞬間には陰極に切り替わって清浄化させるため絶縁体薄膜形成時の長時間の放電維持が可能となる。   FIG. 3 shows a conceptual diagram of the bipolar sputtering method. Prepare an electrode (9) (cathode / anode) having the same design as the cathode used in a normal sputtering apparatus, and arrange two sets of the insulator (3), shield (4), and magnetic flux lines (8), Each electrode surface holds a target substance which is a raw material for the thin film material to be formed. By applying an AC potential of 1 to several 100 kHz between the two electrodes by an AC power source (not shown), the raw materials on the surfaces of the two sets of electrodes (9) operate as described above while alternately switching the polarities. . That is, while operating as a cathode, the raw material is vaporized at the same time as being cleaned by etching due to the sputtering phenomenon. While acting as the anode, it takes charge of power to the plasma, and during that time, the formation of the insulator progresses, but at the next moment it switches to the cathode and cleans it so that it maintains a long discharge when forming the insulator thin film Is possible.

このようにバイポーラスパッタリング方式は絶縁体薄膜を長時間にわたってスパッタリング操作し、あるいは安定かつ高速に成膜するために開発された技術であるが、原料が基体表面に入射する際のエネルギーを高くする効果も併せ持っており、形成温度の低減や薄膜の密着性の改善、密度の向上等にも有効であることが報告され、かつ実際のプロセスにおいてもこのような目的で使用され、所定の効果を納めることができたとの報告がなされている(例えば 非特許文献1)。   As described above, the bipolar sputtering method is a technique developed for sputtering an insulating thin film over a long period of time or stably and rapidly forming a film. However, the effect of increasing the energy when the raw material is incident on the substrate surface. It has also been reported to be effective in reducing the formation temperature, improving the adhesion of thin films, and increasing the density, etc., and is also used for such purposes in actual processes to achieve the prescribed effect. It has been reported that it was possible (for example, Non-Patent Document 1).

バイポーラスパッタリング方式の電源は、極性が1〜数100kHzの周期で入れ替わるパルス、矩形波等の各種波形の交流電源を1台のみ用いているため前記バイアススパッタリング方式におけるように電源の干渉問題は発生しない。しかしながら、この極性が1〜数100kHzの周期で入れ替わるパルス、矩形波等の各種波形の交流電源は、通常用いる電源よりも著しく高価であるためバイアススパッタリング方式よりも装置価格は概して高価となることが最大の欠点であるといえる。   The power supply of the bipolar sputtering system uses only one AC power supply of various waveforms such as a pulse and a rectangular wave whose polarity is switched at a cycle of 1 to several hundred kHz, so that the power source interference problem does not occur as in the bias sputtering system. . However, the AC power supply having various waveforms such as pulses and rectangular waves whose polarity is switched at a cycle of 1 to several hundred kHz is significantly more expensive than the power supply used normally, and therefore the apparatus price is generally more expensive than the bias sputtering method. This is the biggest drawback.

また、本来この方式が開発された経緯は、形成温度の低減や薄膜の平滑性、密着性の改善、密度の向上にあったものではなく、長時間にわたる安定成膜操作を意図したものであった。このため、この方式によって基体表面に原料粒子を入射する際、入射エネルギーを高いレベルにしようとする狙いに対しては限界があり、せいぜい10エレクトロンボルト程度にすぎず、十分なレベル達しているとは言えず、成膜操作において期待されている形成温度の低減や薄膜の平滑性、密着性の改善、密度の向上といった品質上の作用効果は、バイアススパッタリング方式に比して決して優れているとは言えなかった。最近の研究によると、この方式によって形成温度の低減や薄膜の平滑性、密着性の改善、密度の向上等を図ることが出来ない原因や、その原因を克服して可能とする試みも発表されているが(例えば、非特許文献1参照)、十分に解明され、有効な手段に至ったとはいえない状況である。
P.Frach,K.Goedicke,C.GottfriendandH.Bartzsch,Surf.Coat.Technol.142(2001)628−634
In addition, the reason why this method was originally developed was not intended to reduce the forming temperature, improve the smoothness of the thin film, improve the adhesion, and increase the density, but intended for a stable film forming operation over a long period of time. It was. For this reason, when the raw material particles are incident on the surface of the substrate by this method, there is a limit to the aim of setting the incident energy to a high level, which is only about 10 electron volts at most and has reached a sufficient level. However, quality effects such as reduction of the forming temperature expected in the film forming operation, smoothness of the thin film, improvement of adhesion, and improvement of density are absolutely superior to the bias sputtering method. I could not say. According to recent research, it was announced that this method could not reduce the formation temperature, improve the smoothness of the thin film, improve the adhesion, increase the density, etc., and attempts to overcome this cause. However, for example, refer to Non-Patent Document 1, it is a situation that has not been fully elucidated and has reached an effective means.
P. Frach, K.M. Goedicke, C.I. GotfriendandH. Bartzsch, Surf. Coat. Technol. 142 (2001) 628-634

従来技術は、前示したとおりであり、そのいずれも技術的に、またコストにおいて問題のあるものであった。特に、従来技術2のバイアススパッタリング、および従来技術3のバイポーラスパッタリング方式は、いずれも粒子の高エネルギー化を狙いとし、薄膜の高密度、高硬度、高付着力、高平滑性を低プロセス温度で達成することが求められる成膜プロセスに広く用いられている。しかしながら切削工具の長寿命化のための硬質皮膜を形成する場合やプラスチック基体等の耐熱性の低い基体上へ低プロセス温度でスパッタリング法によって結晶化した薄膜形成を試みる場合等の極めて高い粒子エネルギーが必要な場合
には粒子のエネルギーをさらに上げる必要があり、バイアススパッタリング、バイポーラスッパタリングともに十分とは言えなかった。
The prior art is as described above, and all of them are technically and costly. In particular, both the bias sputtering of the conventional technique 2 and the bipolar sputtering method of the conventional technique 3 aim at increasing the energy of the particles, and the high density, high hardness, high adhesion, and high smoothness of the thin film at a low process temperature. Widely used in film formation processes that are required to be achieved. However, extremely high particle energies such as when forming a hard coating for prolonging the life of cutting tools or when trying to form a thin film crystallized by sputtering at a low process temperature on a substrate with low heat resistance such as a plastic substrate. When necessary, it is necessary to further increase the energy of the particles, and neither bias sputtering nor bipolar sputtering was sufficient.

また、バイアススパッタリング方式、バイポーラスパッタリング方式は、ともに複数の、極めて高価なスパッタリング用電源設計を必要としていることから、その装置価格は高くならざるを得ず、これを安く設計することが困難であった。このようなことから、単一の電源方式でしかも高エネルギー粒子が得られるスパッタリング方式が開発されることが経済的、技術的背景として存在し、その開発が求められていた。さらに、バイアススパッタリング方式においては、プラズマを媒体とした複数台の電源間の干渉が生じ、スパッタリング操作、特に品質の高い均一性が求められる成膜操作に支障をきたし、放電異常を引き起こすことによって運転停止や電源故障といった不都合を引き起こす。これらの問題は、解決が急がれる課題のひとつであり、これを達成するためにも単一の電源で有効に粒子の高エネルギー化を実現し、解決することが求められている。   In addition, since both the bias sputtering method and the bipolar sputtering method require a plurality of extremely expensive power supply designs for sputtering, the cost of the apparatus has to be high, and it is difficult to design it inexpensively. It was. For this reason, the development of a sputtering method capable of obtaining high energy particles with a single power source method exists as an economic and technical background, and the development thereof has been demanded. Furthermore, in the bias sputtering method, interference occurs between multiple power sources using plasma as a medium, which hinders sputtering operations, particularly film forming operations that require high quality uniformity, and causes abnormal discharge. It causes inconveniences such as stoppage and power failure. These problems are one of the issues that are urgently solved, and in order to achieve this, it is required to effectively realize high energy particles and solve them with a single power source.

本発明は、以上の事情を考慮してなされたものであり、従来のバイアススパッタリング方式やバイポーラスパッタリング方式と比較して原料が基体表面に入射する際のエネルギーを高くすることにより薄膜形成温度の低減や薄膜の密着性の改善、薄膜の密度の向上等を実現でき、かつ単一の比較的安価な電源のみで安定して駆動されることで装置価格を低廉に抑えかつ安定な放電が可能なスパッタリング装置を提供しようというものである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and the thin film formation temperature is reduced by increasing the energy when the raw material is incident on the substrate surface as compared with the conventional bias sputtering method and bipolar sputtering method. Can improve the adhesion of thin film and thin film, increase the density of thin film, etc., and can be driven stably with only a single relatively inexpensive power source to keep the device price low and enable stable discharge A sputtering apparatus is to be provided.

また、スパッタするターゲット成分粒子を基体表面に入射させる際のエネルギーを、より高くする必要のある場合には、本発明とバイアススパッタリング方式とを組み合わせて実施することにより、従来到達不可能であったエネルギー領域まで基体表面に入射する粒子のエネルギーを上昇させることを可能とするスパッタリング法方法を提供しようというものである。   In addition, when it is necessary to increase the energy when the target component particles to be sputtered are incident on the substrate surface, it has been impossible to achieve in the past by combining the present invention and the bias sputtering method. It is an object of the present invention to provide a sputtering method that makes it possible to increase the energy of particles incident on a substrate surface up to the energy region.

このため本発明者等において鋭意研究の結果、前述のように議論の対象であったバイポーラスパッタリング方式における入射粒子の高エネルギー化が陽極として働く電極近傍の磁界の効果であることを見出した。スパッタリング装置において陰極は、薄膜形成の元となる材料を保持し、その表面近傍にプラズマを発生させてスパッタリング現象により原料を気化させるという最も重要な役割を担っている。このためスパッタリング装置を構成する各要素の中でも、陰極に関しては広く研究が実施されている。中でも陰極面近傍により濃くプラズマを局在させるための陰極近傍の磁場配置や制御法、設計法に関しては極めて広く研究されており、特許出願については枚挙するに暇がない。   For this reason, as a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that increasing the energy of incident particles in the bipolar sputtering method, which was the subject of discussion as described above, is the effect of the magnetic field in the vicinity of the electrode serving as the anode. In the sputtering apparatus, the cathode plays the most important role of holding the material from which the thin film is formed, generating plasma in the vicinity of the surface, and vaporizing the raw material by the sputtering phenomenon. For this reason, research is widely conducted on the cathode among the elements constituting the sputtering apparatus. In particular, the magnetic field arrangement, control method, and design method in the vicinity of the cathode for localizing the plasma more densely in the vicinity of the cathode surface have been extensively studied, and there is no time to enumerate patent applications.

これに対して陽極面は、原料気化もなく、敢えて陽極面近傍に磁場を用いてプラズマを制御する必要性は希薄であり、要するに陰極の補助程度、放電維持のための電流の流れ出しに支障がなければよいという程度の考え方が基本的であった。このため陽極の磁場設計に関する研究は陰極のそれと比較して極めて少なく、充実しているとは言えなかった。
本発明者等においては鋭意研究の結果、従来成膜条件等から自ずと決定され、従来は、自由に変化させることが不可能であったプラズマ電位を、成膜条件はこれまでと同様にして、プラズマ電位を上昇させることが可能であることを見出した。
On the other hand, the anode surface does not vaporize the raw material, and it is rarely necessary to control the plasma by using a magnetic field near the anode surface. The basic idea was that there would be no need. For this reason, research on the magnetic field design of the anode is extremely small compared to that of the cathode, and it cannot be said that it is fulfilling.
As a result of diligent research in the present inventors, it was naturally determined from the conventional film formation conditions, etc., and conventionally, the plasma potential that could not be freely changed, the film formation conditions were the same as before, It has been found that the plasma potential can be increased.

その実現手段を包括的に述べると、荷電粒子の陽極から陰極にいたるすべての有効な経路に対して各経路中の最強磁場強度を少なくとも特定の値以上に設定すること、すなわち、10ガウス以上となるようにスパッタリング装置全体の磁場設計を施すこと、ということができる。適正に磁場設計がなされた場合、荷電粒子の陽極から陰極にいたるすべての有効な経路に対して各経路中の最強磁場強度が5ガウス程度でもプラズマ電位上昇の効果は認められるが、薄膜を低プロセス温度で高密度、高硬度、高付着力、高平滑性を達成するのには基体への入射粒子のエネルギーを10エレクトロンボルト程度まで上昇させることが必要であるが、そのためには荷電粒子の陽極から陰極にいたるすべての有効な経路に対して各経路中の最強磁場強度を10ガウス以上が必要で、とりわけ30ガウス〜10000ガウスの範囲に設定することが好ましい。   In general, the means for realizing it is to set the strongest magnetic field strength in each path to at least a specific value for all effective paths from the anode to the cathode of the charged particles, that is, 10 gauss or more. It can be said that the magnetic field design of the entire sputtering apparatus is performed. When the magnetic field design is properly performed, the effect of increasing the plasma potential is recognized even if the strongest magnetic field strength in each path is about 5 gauss for all effective paths from the anode to the cathode of the charged particles, but the thin film is reduced. In order to achieve high density, high hardness, high adhesion, and high smoothness at the process temperature, it is necessary to increase the energy of the incident particles to the substrate to about 10 electron volts. For all effective paths from the anode to the cathode, the strongest magnetic field strength in each path needs to be 10 gauss or more, and it is particularly preferable to set it in the range of 30 gauss to 10000 gauss.

スパッタリング成膜は、磁場設計を総じて10ガウス以上、好ましくは30ガウス〜10000ガウスの範囲に設定することであれば基本的に安定な実施可能な条件であるといえるが、実際には様々な因子が作用することから、各成膜材料、成膜速度、成膜条件やその安定性、得られる薄膜の膜質等と照らし合わせつつ最適な磁場強度を選定することがより有効であることはいうまでもない。このなかでも30〜5000ガウスの範囲が最適な場合が多く、一応の目安となる。このような効果を実現するための磁場設計に関しては荷電粒子の陽極から陰極に至るすべての有効な経路に対して各経路中の最強磁場強度が10ガウス以上となるようにスパッタリング装置全体の磁場設計を施すという条件を満たせば良く、必ずしも陽極あるいはその近傍の磁場設計を上記条件を満たすように施す必要はない。   Sputtering film formation is basically a stable and feasible condition if the magnetic field design is generally set to 10 gauss or more, preferably 30 gauss to 10000 gauss. Therefore, it is more effective to select the optimum magnetic field strength by comparing each film forming material, film forming speed, film forming condition and its stability, film quality of the obtained thin film, etc. Nor. Of these, the range of 30 to 5000 gauss is often optimal, and is a temporary measure. Regarding the magnetic field design for realizing such an effect, the magnetic field design of the entire sputtering apparatus is such that the strongest magnetic field strength in each path is 10 gauss or more for all effective paths from the anode to the cathode of the charged particles. However, it is not always necessary to design the magnetic field of the anode or its vicinity so as to satisfy the above condition.

しかしながら陰極近傍は既に成膜プラズマ局在させるためのさまざまな磁場設計が施されていることが一般的であり、陰極近傍に新たに本発明の条件を満たす磁場設計を、既存の成膜プラズマ局在を局在させるためのさまざまな磁場設計を乱すことなく施すことは事実上不可能である。   However, in general, various magnetic field designs for localizing the deposition plasma have already been performed in the vicinity of the cathode, and a new magnetic field design that satisfies the conditions of the present invention is newly established in the vicinity of the cathode. It is virtually impossible to apply various magnetic field designs to localize the presence without disturbing it.

また、陰極およびその近傍、あるいは陽極およびその近傍を除くスパッタリング装置内の空間に磁場設計を施すことにより本発明を実現することを試みようとしても、このスパッタリング装置内の空間は当然であるが陰極面から放出された原料粒子が基体表面へ移動して薄膜を形成する際の原料の経路の役割を果たす必要があるため、磁場を発生させる磁石等の配置には原料粒子の基体への到達を妨げないことという大きな制約を伴い困難である。   Further, even if an attempt is made to realize the present invention by applying a magnetic field design to the cathode and the vicinity thereof, or the space in the sputtering apparatus excluding the anode and the vicinity thereof, the space in the sputtering apparatus is naturally the cathode. Since the raw material particles released from the surface must move to the surface of the substrate to form a thin film, it is necessary for the raw material particles to reach the substrate for the arrangement of magnets for generating a magnetic field. It is difficult with the major limitation of not obstructing.

このため比較的広い空間に磁場を配置する必要が出てくるため、現実的な磁場発生手段であるところの磁石の磁場強度が不足する可能性が高い。さらにはこの空間においては荷電粒子の陽極から陰極にいたる有効な経路が複雑に入り組みやすいため、すべての有効な経路に対して各経路中の最強磁場強度を10ガウス以上に保つための磁場設計そのものも容易ではない。   For this reason, since it becomes necessary to arrange a magnetic field in a relatively wide space, there is a high possibility that the magnetic field strength of a magnet, which is a practical magnetic field generating means, will be insufficient. Furthermore, in this space, the effective path from the anode to the cathode of the charged particles is easy to be complicated, so the magnetic field design for keeping the strongest magnetic field strength in each path to 10 gauss or more for all effective paths. It is not easy.

これに対して当該磁場設計を陽極面近傍、より具体的には陽極面直上のスパッタ装置内の空間に施すことが最も現実的かつ有効な手段となる。この方法を図4に基づいて説明する。陰極(2)やその磁場(8)設計に関しては通常のスパッタリング方式と同様の構成を使用できる。陽極(1)に関しては装置壁面ではなく独立な電極を装置壁面とは絶縁体(3)で絶縁して設置する。また陽極面直上には磁石(5)により陽極面にほぼ平行となるようにほぼ均一な磁束線(8)を陽極面に平行な方向の磁場強度が10ガウス以上になるように配置する。この磁場強度は磁石の強度や磁石間の距離等で制御できるため、これを用いて各種の応用毎に最適化することが可能である。   On the other hand, it is the most practical and effective means to apply the magnetic field design in the vicinity of the anode surface, more specifically, in the space in the sputtering apparatus immediately above the anode surface. This method will be described with reference to FIG. With respect to the design of the cathode (2) and its magnetic field (8), the same configuration as that of a normal sputtering method can be used. For the anode (1), an independent electrode, not the device wall surface, is installed insulated from the device wall surface by an insulator (3). Further, a substantially uniform magnetic flux line (8) is arranged immediately above the anode surface so as to be substantially parallel to the anode surface by the magnet (5) so that the magnetic field strength in the direction parallel to the anode surface is 10 gauss or more. Since the magnetic field strength can be controlled by the strength of the magnet, the distance between the magnets, and the like, it can be optimized for each application using this.

これは2個の永久磁石のN極とS極を向かい合わせに配置することによって容易に実現される。またこの方法の長所は容易に実現でき設計がきわめて容易であることのみならず、陽極面に平行な磁場強度を非常に均一に形成できることも長所としてあげられる。また荷電粒子の陽極から陰極にいたるすべての有効な経路が上記磁場を発生させた領域を通過するように、シールド(4)等を用いて当該磁場領域を通過せずに陽極面に至る経路が発生しないように遮蔽を行う。   This is easily realized by arranging the N pole and S pole of two permanent magnets facing each other. The advantages of this method are not only that it can be easily realized and the design is very easy, but also that the magnetic field strength parallel to the anode surface can be formed very uniformly. Further, there is a path to the anode surface without passing through the magnetic field region using the shield (4) or the like so that all effective paths from the anode to the cathode of the charged particles pass through the region where the magnetic field is generated. Shield to prevent it from occurring.

これによって荷電粒子の陽極(1)から陰極(2)にいたるすべての有効な経路は上記の均一な磁場領域を通過することになるため、各経路中の最強磁場強度は自動的に磁石の配置から決定された所望の値以上であることが保証され、本発明の条件を満たすことができる。さらに発展的な手段として開度を調節可能なシャッター(10)をシールド(4)に接するように配置することで陽極の有効面積を制限することが可能であり、この陽極の面積の制限は上記磁石の強度や磁石間の距離の調節で得られるものと類似の効果が得られる。基体(6)は図4のように装置壁面に設置することでアース電位としても、本発明の効果は十分に得られるが、さらに強い効果を要求される用途においては基体(6)をバイアススパッタリング時に用いた電極(図2のバイアス電極(7))上に配置してバイアス電位を印加することも可能である。   As a result, all effective paths from the anode (1) to the cathode (2) of the charged particles pass through the uniform magnetic field region. Therefore, the strongest magnetic field strength in each path is automatically set to the magnet arrangement. It is guaranteed that the value is equal to or greater than the desired value determined from the above, and the conditions of the present invention can be satisfied. Further, as an advanced means, it is possible to limit the effective area of the anode by arranging the shutter (10) whose opening degree can be adjusted so as to be in contact with the shield (4). An effect similar to that obtained by adjusting the strength of the magnet and the distance between the magnets can be obtained. Even if the substrate (6) is installed on the apparatus wall surface as shown in FIG. 4 to obtain the ground potential, the effect of the present invention can be sufficiently obtained. However, the substrate (6) is bias-sputtered in applications that require a stronger effect. It is also possible to apply a bias potential by disposing it on the electrode used sometimes (bias electrode (7) in FIG. 2).

本発明の目的ないし目的に対応した効果は、上記磁場設計を施すのみでも達成することができるが、本発明者等はさらには鋭意研究した結果、上記磁場設計と直流放電を組み合わせて用いることが最も薄膜の高密度、高硬度、高付着力、高平滑性を低プロセス温度で実現するための基体への入射粒子の高エネルギー化に有効であることを見出した。具体的な手法を図4に基づいて説明する。まず、スパッタリング装置にスパッタリング用陰極(2)に対して通常のスパッタリング用直流電源(図示外)の負極を接続し、上記磁場設計を施した陽極(1)に対しては同スパッタリング用直流電源(図示外)の正極を接続し、これらの間に直流電圧を印加することによってスパッタリング用プラズマを発生させ、成膜を実施する。   The effect corresponding to the object or the object of the present invention can be achieved only by applying the magnetic field design. However, as a result of further earnest research, the inventors have used the magnetic field design and DC discharge in combination. It has been found that it is effective for increasing the energy of the incident particles on the substrate in order to realize the highest density, high hardness, high adhesion and smoothness of the thin film at a low process temperature. A specific method will be described with reference to FIG. First, a negative electrode of a normal sputtering DC power supply (not shown) is connected to the sputtering cathode (2) in the sputtering apparatus, and the sputtering DC power supply (not shown) is applied to the anode (1) subjected to the magnetic field design. A positive electrode (not shown) is connected, and a direct current voltage is applied between them to generate a plasma for sputtering to form a film.

スパッタリング用直流電源の代わりに各種スパッタリング用交流(低周波〜高周波)電源を用いても薄膜の高密度、高硬度、高付着力、高平滑性を低プロセス温度で実現するための基体への入射粒子の高エネルギー化は実現されるが、直流電源を用いた場合が最も入射粒子の高エネルギー化が顕著である。交流電源の場合、低周波から高周波へと周波数が上昇するにつれ、入射粒子の高エネルギー化の効果は徐々に低下する。すなわち最も単純で安価な直流電源と上記磁場構成を組み合わせることが最も有効であるため入射粒子の高エネルギー化という観点からも、装置の価格抑制の観点からも直流電源と上記磁場設計を組み合わせることが好ましい。   Inclusion on the substrate to achieve high density, high hardness, high adhesion, and smoothness of the thin film at low process temperature even when various sputtering AC (low to high frequency) power supplies are used instead of sputtering DC power supplies Although the increase in energy of the particles can be realized, the increase in energy of the incident particles is most remarkable when a DC power source is used. In the case of an AC power source, as the frequency increases from a low frequency to a high frequency, the effect of increasing the energy of the incident particles gradually decreases. In other words, it is most effective to combine the magnetic field configuration with the simplest and cheapest DC power source, so it is possible to combine the DC power source with the magnetic field design from the viewpoint of increasing the energy of the incident particles and also from the viewpoint of reducing the price of the device preferable.

以上述べたことから、本発明の構成は、以下(1)から(9)に記載したとおりである。
(1) 荷電粒子の陽極から陰極にいたる有効な経路に対して各経路中の最強磁場強度が10ガウス以上となるようにスパッタリング装置全体の磁場設計を施したことを特徴とするスパッタリング装置。
(2) 陽極面にほぼ平行に磁束を配置する機構を陽極表面あるいはその近傍に取り付け、荷電粒子の有効な各経路に垂直方向の磁場を10ガウス以上、好ましくは30から10000ガウスの範囲に設定することを特徴とした請求項1記載のスパッタリング装置。
(3) 陽極近傍に開度調節可能なシャッターを設置し、その開度を調節することにより基体への入射粒子のエネルギーを調節することを特徴とする請求項1記載のスパッタリング装置。
(4) スパッタリング成膜を実施する基体にバイアス電位を印加することで、さらに基体への入射粒子のエネルギーを高めることを特徴とした請求項1ないし3記載のスパッタリング装置。
(5) 陽極として用いる電極には、通常スパッタリング陰極に施されている磁場配置と同様の磁場配置が陽極にも施されていることを特徴とする、請求項1ないし4記載のスパッタリング装置。
(6) 該磁場配置がバランス型磁場配置である請求項5記載のスパッタリング装置。
(7) 該磁場配置が非バランス型磁場配置である請求項5記載のスパッタリング装置。 (8) 陽極および陰極の間に0ヘルツ(直流)から1000ヘルツの間の低周波電圧を印加することで放電を生ぜしめることを特徴とする請求項1ないし5記載のスパッタリン
グ装置。
(9) 陽極および陰極の間に直流の電圧を印加することで放電を生ぜしめることを特徴とする請求項6記載のスパッタリング装置。
As described above, the configuration of the present invention is as described in (1) to (9) below.
(1) A sputtering apparatus in which the magnetic field design of the entire sputtering apparatus is performed so that the strongest magnetic field intensity in each path is 10 gauss or more with respect to an effective path from the anode to the cathode of charged particles.
(2) A mechanism for arranging magnetic flux substantially parallel to the anode surface is attached to or near the anode surface, and a vertical magnetic field is set to 10 gauss or more, preferably in the range of 30 to 10000 gauss in each effective path of charged particles. The sputtering apparatus according to claim 1, wherein:
(3) The sputtering apparatus according to claim 1, wherein a shutter capable of adjusting an opening is installed in the vicinity of the anode, and the energy of incident particles on the substrate is adjusted by adjusting the opening.
(4) The sputtering apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the energy of incident particles on the substrate is further increased by applying a bias potential to the substrate on which the sputtering film formation is performed.
(5) The sputtering apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the electrode used as the anode is provided with a magnetic field arrangement similar to the magnetic field arrangement usually applied to the sputtering cathode.
(6) The sputtering apparatus according to claim 5, wherein the magnetic field arrangement is a balanced magnetic field arrangement.
(7) The sputtering apparatus according to claim 5, wherein the magnetic field arrangement is an unbalanced magnetic field arrangement. (8) The sputtering apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein discharge is generated by applying a low-frequency voltage between 0 hertz (direct current) and 1000 hertz between the anode and the cathode.
(9) The sputtering apparatus according to claim 6, wherein a discharge is generated by applying a DC voltage between the anode and the cathode.

本発明は、上記構成によって従来のバイアススパッタリング方式のようにスパッタリング成膜用電源以外にも異なる独立したバイアス印加用電源を用いることもなく、スパッタリング成膜用電源単独でバイアススパッタリング方式と同等あるいはそれ以上の高密度、高硬度、高付着力、高平滑性を低プロセス温度で実現することが可能とするものである。その意義は大きい。また、複数の電源ないしはそのための関連制御機構を必要としていたこれまでの機器による場合に比し、コストが低減でき、その意義も大きい。さらにバイアススパッタリング方式の最大の弱点とされてきたプラズマを介した、スパッタリング成膜用およびバイアス印加用の両電源の干渉に伴うプラズマ放電の不安定化の発生原因を根絶することを可能にしたもので、特筆に価する。   The present invention does not use an independent power supply for bias application other than the sputtering film forming power supply as in the conventional bias sputtering system with the above configuration, and the sputtering film forming power supply alone is equivalent to or equivalent to the bias sputtering system. The above high density, high hardness, high adhesion, and high smoothness can be realized at a low process temperature. The significance is great. In addition, the cost can be reduced and the significance is great as compared with the case of a conventional device that requires a plurality of power supplies or related control mechanisms therefor. In addition, it is possible to eradicate the cause of instability of plasma discharge due to interference of both power sources for sputtering film formation and bias application via plasma, which has been regarded as the weakest point of bias sputtering method. And deserves special mention.

電源の干渉は、プラズマの不安定化や異常放電による放電停止の原因となり、当然スパッタリング成膜を不安定化し、得られる薄膜の膜質の劣化や再現性に問題を引き起こす。さらにバイアススパッタリング方式におけるこのプラズマを制御する両電源の干渉はスパッタリング用成膜電源のみを単独で使用している場合と比較した場合、異常放電に起因する電源の故障頻度が著しく高くなることからも経済的、時間的損失が発生することがさらに欠点として指摘されているが、本発明はこれらバイアススパッタリング方式において2電源の干渉から発生する上記諸問題を原理的に根絶する効果を有している。   The interference of the power source causes the plasma to become unstable and the discharge to stop due to abnormal discharge, naturally destabilizes the sputtering film formation, and causes problems in the quality and reproducibility of the thin film obtained. Furthermore, the interference between the two power sources that control this plasma in the bias sputtering method is because the failure frequency of the power source due to abnormal discharge becomes significantly higher when compared with the case where only the film forming power source for sputtering is used alone. Although it has been pointed out as a further disadvantage that economic and time loss occurs, the present invention has an effect of eradicating the above-mentioned problems arising from interference between two power sources in principle in these bias sputtering methods. .

さらに本発明の優れた点は、本発明の設計によるスパッタリングとバイアススパッタリング方式とを組み合わせることで従来法では到達することが不可能であった高エネルギー領域に基体への粒子の入射エネルギーを設定可能であることである。バイアススパッタリング方式において、基体への粒子の入射エネルギーの上昇はバイアス電源による印加電圧をマイナス側に大きくすることにより実現される。ところがより高い基体への粒子の入射エネルギーを目指してバイアス電源による印加電圧をマイナス側に増加させると、前述の電源の干渉による異常放電が顕著になり、放電の維持すらままならなくなり、成膜は不可能となる。この現象がバイアス方式による基体への粒子の入射エネルギーの上限を支配している。ところが前述したように、本発明の設計を施したスパッタリング装置にバイアス電極およびバイアス電源を付加する事により、その効果は相乗的に優れた効果が奏せられ、基体への粒子の入射エネルギーをより高く上昇させることができる。これによって、スパッタリングの適用範囲を広げることができ、各種技術分野の発展に大いに寄与することが期待される。   Furthermore, the superior point of the present invention is that the incident energy of the particles to the substrate can be set in a high energy region that could not be reached by the conventional method by combining the sputtering by the design of the present invention and the bias sputtering method. That is. In the bias sputtering method, the increase in the incident energy of particles on the substrate is realized by increasing the voltage applied by the bias power source to the negative side. However, if the voltage applied by the bias power supply is increased to the negative side with the aim of increasing the incident energy of the particles on the substrate, the abnormal discharge due to the interference of the power supply described above becomes remarkable, and even the maintenance of the discharge does not remain, and the film formation is not good. It becomes possible. This phenomenon dominates the upper limit of the incident energy of particles on the substrate by the bias method. However, as described above, by adding a bias electrode and a bias power source to the sputtering apparatus designed according to the present invention, the effect is synergistically excellent, and the incident energy of particles to the substrate is further increased. Can be raised higher. Thereby, the application range of sputtering can be expanded, and it is expected to greatly contribute to the development of various technical fields.

またバイポーラスパッタリング方式と比較した場合、このバイポーラスパッタリング方式で必須となってくる極性が1〜数100kHzの周期で入れ替わるパルス、矩形波等の各種波形の交流電源は、通常用いる電源よりも著しく高価であるため、本発明の適用により、スパッタリング成膜用の電源としては最も単純かつ安価な種類である直流電源を1台のみ使用する本発明の適用による装置価格抑制効果は著しいものがある。また後述する実施例においても示す様に、バイポーラスパッタリング方式を適用した場合の基体への粒子の入射エネルギーの上昇効果は本発明の適用(バイアス印加なし、基体電位アース)の場合と比較しても劣り、高密度、高硬度、高付着力、高平滑性を低プロセス温度で実現する能力においては、本発明はバイポーラスパッタリング方式を超えることは実験的に確かめられ、きわめて優れていることは明らかである。   Compared with the bipolar sputtering method, AC power sources of various waveforms such as pulses and rectangular waves whose polarities that are essential in this bipolar sputtering method are switched with a period of 1 to several hundreds kHz are significantly more expensive than power sources that are usually used. Therefore, by applying the present invention, the effect of suppressing the apparatus price by applying the present invention in which only one DC power source, which is the simplest and cheapest type, is used as the power source for sputtering film formation is remarkable. Further, as will be shown in the examples described later, the effect of increasing the incident energy of particles to the substrate when the bipolar sputtering method is applied is also compared with the case of applying the present invention (no bias application, substrate potential grounding). In terms of the ability to achieve inferior, high density, high hardness, high adhesion, and high smoothness at low process temperatures, the present invention has been experimentally confirmed to exceed the bipolar sputtering method, and is clearly superior. is there.

発明の作用;
本発明において設定した磁場設計によって付与される陽極面にほぼ平行な磁束(磁場)
は、ローレンツ力によりプラズマ中の各種荷電粒子の磁束への巻きつき運動を誘起し、荷電粒子を捕捉する方向の力、すなわち荷電粒子の動きを妨げる力を及ぼす作用がある。荷電粒子の動きはすなわち電流であり、荷電粒子の動きを妨げる力はすなわち抵抗(インピーダンス)として作用する。
Effect of the invention;
Magnetic flux substantially parallel to the anode surface provided by the magnetic field design set in the present invention (magnetic field)
Has a function of inducing a winding motion of various charged particles in the plasma around the magnetic flux by the Lorentz force, and exerting a force in the direction of capturing the charged particles, that is, a force that hinders the movement of the charged particles. The movement of the charged particles is an electric current, and the force that prevents the movement of the charged particles acts as a resistance (impedance).

このように陽極面にほぼ平行な磁束は、陽極から流れ出ようとするプラズマ電流に対してインピーダンスの増加として作用し、プラズマの電位を押し上げる作用がある。プラズマの電位が押し上げられることにより、アース電位からプラズマ電位までの電位差が大きくなり、基体をアース電位に保った通常の場合では基体表面に入射する粒子のエネルギー(基体の電位=電位アース電位からプラズマ電位までの電位差と正の相関を持つ)が大きくなる。   In this way, the magnetic flux substantially parallel to the anode surface acts as an increase in impedance to the plasma current about to flow out of the anode, and has the effect of pushing up the plasma potential. When the potential of the plasma is pushed up, the potential difference from the ground potential to the plasma potential increases, and in a normal case where the substrate is kept at the ground potential, the energy of particles incident on the surface of the substrate (substrate potential = potential ground potential to plasma The potential difference up to the potential has a positive correlation).

本発明において、陽極近傍のシールドは、荷電粒子の有効な経路が磁場設計を施した領域を通過することを補助するために、荷電粒子の移動経路を制限する作用がある。また本発明における陽極近傍に開度調節可能なシャッターとは陽極の有効面積を調節する作用があり、その結果として上記のインピーダンスを調節する作用がある。インピーダンス調節は上記と同様の原理でプラズマの電位の調節ひいては基体表面に入射する粒子のエネルギーの調節を可能にする。   In the present invention, the shield in the vicinity of the anode has an effect of restricting the moving path of the charged particles in order to assist the effective path of the charged particles to pass through the region where the magnetic field design is performed. In addition, the shutter having an adjustable opening in the vicinity of the anode in the present invention has an effect of adjusting the effective area of the anode, and as a result, has an effect of adjusting the impedance. Impedance adjustment makes it possible to adjust the potential of the plasma and thus the energy of particles incident on the surface of the substrate on the same principle as described above.

本発明においてバイアス電極は、絶縁体により一般的にアース電位とされる装置壁面と電気的に切り離されることにより、バイアス電極上に配置された基体の電位をアース電位と異なる電位に設定することを可能にする作用がある。バイアス印加用電源により電圧を、バイアス電極の電位すなわちこの場合は基体の電位をアース電位(ゼロ電位)より低く(マイナス側)設定することにより、プラズマ電位から基体電位(この場合はマイナス)までの電位差を、基体をアース電位に保った場合よりも大きくする。   In the present invention, the bias electrode is electrically disconnected from the wall surface of the apparatus, which is generally set to the ground potential by an insulator, so that the potential of the substrate disposed on the bias electrode is set to a potential different from the ground potential. There is an action that makes it possible. By setting the voltage by the power supply for bias application, the potential of the bias electrode, that is, the potential of the substrate in this case lower than the ground potential (zero potential) (minus side), the plasma potential to the substrate potential (minus in this case) The potential difference is made larger than when the substrate is kept at ground potential.

本発明においてスパッタリング用電源の周波数(直流を使うか、交流を使うか、交流でも低周波か高周波か)の設定とその作用について記載する。
陰極、陽極間に交流の電圧を印加してプラズマを発生せしめた場合、荷電粒子の挙動は十分高い周波数の交流電圧の印加において各荷電粒子はほぼその場(スパッタリング装置内の空間内の各々の粒子の位置)において振動するだけである。この場合陽極から陰極にいたる経路中に磁場により誘起されたインピーダンスの高い領域があったとしても、この領域から離れたところで振動している荷電粒子はこのインピーデンスの影響を受けず、結果としてのプラズマ電位の上昇が得られない。
In the present invention, the setting of the frequency of the power source for sputtering (using direct current, alternating current, whether alternating current is low frequency or high frequency) and its operation will be described.
When plasma is generated by applying an alternating voltage between the cathode and the anode, the behavior of the charged particles is almost the same as that of each charged particle in the space in the sputtering apparatus. It only vibrates at the particle position. In this case, even if there is a region with high impedance induced by the magnetic field in the path from the anode to the cathode, the charged particles oscillating away from this region are not affected by this impedance, and as a result The plasma potential cannot be increased.

ところが周波数が下がるにつれて荷電粒子の振動の振幅は増大し、インピーダンスの高い領域を通過する荷電粒子数はそれにつれて増大し、この現象は直流の電圧で放電を維持した場合に最も顕著になる。すなわち低い周波数を使えば使うほど、磁場への巻きつき効果から派生するインピーダンス上昇の効果が大きくなり、その結果としてプラズマの電位が押し上げられることにより、基体表面に入射する粒子のエネルギーが大きくなる。要約すると、低い周波数特に直流の放電を実施することはプラズマのインピーダンスを媒介としての基体表面に入射する粒子のエネルギーの上昇を促進する作用がある。また、この作用を用いて周波数の選択により基体表面に入射する粒子のエネルギーの調節を実施することも可能である。   However, the amplitude of the charged particle oscillation increases as the frequency decreases, and the number of charged particles passing through the high-impedance region increases accordingly. This phenomenon becomes most noticeable when the discharge is maintained at a DC voltage. In other words, the lower the frequency used, the greater the effect of increasing the impedance derived from the effect of winding on the magnetic field. As a result, the potential of the plasma is pushed up, and the energy of particles incident on the substrate surface increases. In summary, performing a low frequency, particularly direct current discharge, has the effect of promoting an increase in the energy of particles incident on the substrate surface mediated by the plasma impedance. It is also possible to adjust the energy of particles incident on the substrate surface by selecting the frequency using this action.

本発明の実施の形態を以下図面4ないし8及び実施例に基づいて説明する。ただしこれはあくまでも本発明を説明するための一つの態様を示すものであり、本発明を限定する趣旨ではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS. 4 to 8 and examples. However, this is merely an example for explaining the present invention, and is not intended to limit the present invention.

本実施例を示す図4において基体(6)はアース電位を有する装置壁面に設置されており、バイアス電極およびバイアス電源は一切使用していない。用いられた基体は、鏡面研磨を施したステンレス板(10mm角、0.5mm厚)からなり、陰極(2)は、陰極面が200mm×135mmの面積を持つチタン金属で構成され、その表面近傍にはスパッタリング方式において最も一般的とされるバランス型の磁場(8)が設定配置されている。陽極(1)は、通常のスパッタリング方式においては、図1に示されているように真空容器壁面を陽極とする方式が採用されているところ、本発明では基体(6)や真空容器とは切り離し、絶縁体を介して真空容器内に独立した形に設計した。   In FIG. 4 showing this embodiment, the substrate (6) is installed on the wall surface of the apparatus having a ground potential, and no bias electrode or bias power source is used. The substrate used was made of a mirror-polished stainless steel plate (10 mm square, 0.5 mm thickness), and the cathode (2) was made of titanium metal having a cathode surface area of 200 mm × 135 mm, in the vicinity of the surface. Has a balanced magnetic field (8) that is most commonly used in the sputtering method. In the normal sputtering method, the anode (1) employs a method in which the vacuum vessel wall surface is used as the anode as shown in FIG. 1. In the present invention, the anode (1) is separated from the substrate (6) and the vacuum vessel. Independently designed in a vacuum vessel through an insulator.

本実施例においては、陽極面の材料および面積は陰極面と同一の200mm×135mmの面積を持つチタン金属を用いたが、磁場の配置は陰極(2)で用いたスパッタリング陰極用にプラズマを陰極面近傍に局在させるためのバランス型磁場配置ではなく、2個の長さ200mmの棒状の永久磁石(5)のN極およびS極を向かい合わせに陽極面直上に配置することで陽極面直上に陽極面とほぼ平行に磁束線(8)を配置した。この場合の磁場の強度は磁束線(8)の中心の領域において、米国SYPRIS社製ハンディーガウスメータ5080番のプローブ面(ホール素子)に対して磁束線が垂直に通過するように測定して63ガウスであった。   In this embodiment, the anode surface material and area were the same as that of the cathode surface, but titanium metal having the same area of 200 mm × 135 mm was used. However, the magnetic field was placed on the cathode for the sputtering cathode used in the cathode (2). Rather than a balanced magnetic field arrangement for localizing in the vicinity of the surface, the N pole and S pole of two 200 mm long rod-shaped permanent magnets (5) are placed directly above the anode face so that they are directly above the anode face. The magnetic flux lines (8) were arranged substantially parallel to the anode surface. The intensity of the magnetic field in this case is 63 gauss when measured so that the magnetic flux line passes perpendicularly to the probe surface (Hall element) of Handy Gauss meter No. 5080 manufactured by SYPRIS in the center region of the magnetic flux line (8). Met.

またこの磁束線を配置した領域以外を荷電粒子が通過して陰極面から陽極面に至ることを防止するためシールド(4)を用いて荷電粒子の移動を制限した。図4においては磁石(5)やシールドは陽極に取り付けたかのごとく図示されているが、これはこれら構成部品を陽極に取り付けるよう限定するものではない。しかしながら設計・製作・取り扱い易さを考慮した場合、これらの部品は陽極と組み立て自在に一体化するほうが合理的であり、好ましい。   Further, in order to prevent the charged particles from passing through the region other than the region where the magnetic flux lines are arranged and from the cathode surface to the anode surface, the movement of the charged particles was restricted by using the shield (4). In FIG. 4, the magnet (5) and the shield are shown as if they were attached to the anode, but this is not limited to attaching these components to the anode. However, considering the ease of design, manufacture, and handling, it is more reasonable and preferable to integrate these parts so that they can be assembled with the anode.

駆動電源は、本実施例では直流スパッタリング電源を用い、その出力端子の正極を本実施例の陽極(1)に、負極を陰極(2)に接続し、印加電力が500ワットで一定となるように制御、調整した。スパッタリング装置内の雰囲気ガスはスパッタリングガスとして最も一般的なアルゴンガスを用い、その圧力は0.5パスカルで一定となるよう制御を行った。また基体への粒子の入射エネルギー測定のために、基体と隣接して質量・エネルギーの分析装置(英国ハイデン社製EQP300型、図示外)を設置して測定を行った。   The drive power supply is a DC sputtering power supply in this embodiment, the positive terminal of the output terminal is connected to the anode (1) of this embodiment, the negative electrode is connected to the cathode (2), and the applied power is constant at 500 watts. Controlled and adjusted. As the atmospheric gas in the sputtering apparatus, the most common argon gas was used as the sputtering gas, and the pressure was controlled to be constant at 0.5 Pascal. In addition, in order to measure the incident energy of particles on the substrate, a mass / energy analyzer (EQP300 manufactured by HEIDEN, UK, not shown) was installed adjacent to the substrate.

図6に本実施例を適用した場合の基体への粒子(アルゴンイオン)の入射エネルギーの測定結果を示す。この図によると、15エレクトロンボルト程度のエネルギーを持った粒子が最も多いが、特筆すべきは30エレクトロンボルト以上という、通常のスパッタリング方式においては絶対に到達不可能な高エネルギーの粒子がかなりの割合で存在し、基体表面へ入射していることがわかった。ちなみに、1エレクトロンボルトは温度に直すと1万度以上の温度差に対応することから、この測定結果から本発明が如何に優れたスパッタリング装置であるか当業者であれば容易に理解されるものと思量される。   FIG. 6 shows the measurement results of the incident energy of particles (argon ions) onto the substrate when this example is applied. According to this figure, the number of particles having an energy of about 15 electron volts is the largest, but it is worth mentioning that a large percentage of high-energy particles of 30 electron volts or more, which are absolutely unattainable in the usual sputtering method. And was incident on the substrate surface. Incidentally, since one electron volt corresponds to a temperature difference of 10,000 degrees or more when converted to a temperature, those skilled in the art can easily understand how excellent the present invention is from this measurement result. It is thought.

このように本発明は、バイアススパッタリング方式(図2に示したようにバイアス電極と同電位になるよう設置した基体に対してバイアス用電源を用いて負の電位を与えることで基体表面への粒子の入射エネルギーを上昇させる手法)において35ボルトの負電位をバイアス電極に印加した場合と同等の効果を、バイアス電極およびバイアス用電源を用いることなく、スパッタリング用電源1台のみによる安定な放電として実現できたもので、その意義はきわめて大である。   In this way, the present invention provides a bias sputtering method (by applying a negative potential to the substrate, which is set to the same potential as the bias electrode as shown in FIG. The effect equivalent to the case where a negative potential of 35 volts is applied to the bias electrode in the method of increasing the incident energy) is realized as a stable discharge with only one sputtering power source without using the bias electrode and the bias power source. It was made and its significance is extremely large.

さらに基体への入射粒子のエネルギーを上昇させたい場合は磁石の強度を上昇させる等により、調整が可能であることは前述のとおりである。また本発明の別な実施形態のひとつとして図5に示すように通常スパッタリング方式において陰極として用いられる磁場設計(バランス型、アンバランス型等)を陽極にも適用し、直流放電によるスパッタリングを実施することもできる。これは図4に示した2個の永久磁石(5)のN極およびS極を向かい合わせに陽極面直上に設置することで陽極面直上に陽極面とほぼ平行に磁束線(8)を配置する場合と比較して、陽極のほぼ中心付近で磁束の陽極面に垂直な成分が支配的になりロスが生じるため、図4の実施態様に比較して、若干入射粒子のエネルギー上昇の効果を得にくくはなるものの、磁場強度を上げる等の工夫を施すことによって十分薄膜の高密度、高硬度、高付着力、高平滑性を低プロセス温度で実現する効果を得ることができる。   Further, as described above, when it is desired to increase the energy of the incident particles to the substrate, the adjustment can be performed by increasing the strength of the magnet. As another embodiment of the present invention, as shown in FIG. 5, a magnetic field design (balanced type, unbalanced type, etc.) used as a cathode in a normal sputtering method is also applied to the anode, and sputtering by direct current discharge is performed. You can also This is because the N and S poles of the two permanent magnets (5) shown in FIG. 4 are placed directly above the anode surface, so that the magnetic flux lines (8) are placed almost parallel to the anode surface just above the anode surface. Compared with the case of FIG. 4, since the component perpendicular to the anode surface of the magnetic flux is dominant near the center of the anode and a loss occurs, the effect of increasing the energy of the incident particles is slightly compared with the embodiment of FIG. Although it is difficult to obtain, the effect of realizing sufficiently high density, high hardness, high adhesion, and high smoothness of the thin film at a low process temperature can be obtained by taking measures such as increasing the magnetic field strength.

比較例1;
本発明の効果を検証するために、通常のスパッタリング方式(図1)の構成をとった場合の基体への粒子(アルゴンイオン)の入射エネルギーと比較した。通常のスパッタリング方式の構成をとるには図4に示す本実施例態様からその特有な磁場設計を施した陽極全体すなわち陽極(1)およびその絶縁体(3)、シールド(4)、磁石(5)、磁束(8)をとりはずした構成と同一である。このため本比較例でも前期実施例から上記磁場設計を施した陽極を取り外し、直流スパッタリング電源の出力端子の正極を装置壁面に、負極を陰極(2)に接続し、電源の制御は印加電力が500ワットで一定となるような制御を行った。それ以外の構成は前記記載の実施例の場合と全く同一である。
Comparative Example 1;
In order to verify the effect of the present invention, it was compared with the incident energy of particles (argon ions) on the substrate in the case of adopting the structure of a normal sputtering method (FIG. 1). In order to adopt a normal sputtering system configuration, the entire anode, i.e., the anode (1) and its insulator (3), the shield (4), the magnet (5), which has been subjected to the specific magnetic field design from this embodiment shown in FIG. ), And the configuration is the same as that obtained by removing the magnetic flux (8). For this reason, also in this comparative example, the anode with the above magnetic field design was removed from the previous embodiment, the positive electrode of the output terminal of the DC sputtering power supply was connected to the apparatus wall surface, and the negative electrode was connected to the cathode (2). Control was made constant at 500 watts. The other configuration is exactly the same as that of the above-described embodiment.

この場合の基体への粒子(アルゴンイオン)の入射エネルギーの測定結果を図7に示す。基体への入射エネルギーは5エレクトロンボルト付近に最大値を持つエネルギー分布になり、10エレクトロンボルト以上のエネルギーを持つ粒子はほとんど観測されていないことがわかる。すなわち本比較例との比較により本発明の磁場制御を施した陽極の適用により、通常のスパッタリング方式では10エレクトロンボルト以下しか得られなかった粒子のエネルギーを最大35エレクトロンボルト程度まで引き上げることが可能になった。   FIG. 7 shows the measurement results of the incident energy of particles (argon ions) on the substrate in this case. It can be seen that the incident energy to the substrate has an energy distribution having a maximum value in the vicinity of 5 electron volts, and particles having an energy of 10 electron volts or more are hardly observed. In other words, by applying the anode with the magnetic field control of the present invention in comparison with this comparative example, it is possible to raise the energy of particles that could only be obtained at 10 electron volts or less in a normal sputtering method to a maximum of about 35 electron volts. became.

比較例2;バイポーラスパッタリング方式
図3に示したのはバイポーラスパッタリング方式の概念図である。これは発明を実現する手段の項でも説明したが、この手法の最大の特徴は2つの電極(9)が陰極・陽極の役割を1から100キロヘルツ程度の周期で交互に入れ替えながらスパッタリング成膜が進行することである。本比較例においては両電極共に電極面は200mm×135mmの面積を持つチタン金属で構成した。この2つの電極の陰極・陽極の役割を1から100キロヘルツ程度の周期で交互に入れ替えるために、1から100キロヘルツ程度の交流のスパッタリング電源(図示外)が用いられる。
Comparative Example 2; Bipolar Sputtering Method FIG. 3 is a conceptual diagram of the bipolar sputtering method. Although this was also explained in the section of means for realizing the invention, the greatest feature of this technique is that the two electrodes (9) perform sputtering film formation while the roles of the cathode and the anode are alternately switched at a cycle of about 1 to 100 kilohertz. It is to progress. In this comparative example, both electrodes are made of titanium metal having an area of 200 mm × 135 mm. In order to alternate the roles of the cathode and anode of the two electrodes with a period of about 1 to 100 kilohertz, an AC sputtering power supply (not shown) of about 1 to 100 kilohertz is used.

本比較例においては50キロヘルツの周期で極性が入れ替わる交流の矩形のパルス波を生成する電源を実効電力が500ワットになるよう調整して用いた。基体(6)はアース電位を有する装置壁面に設置されており、バイアス電極(7)およびバイアス電源(図示外)は一切使用していない。また基体としては鏡面研磨を施したステンレス板(10mm角、0.5mm厚)を用いた。スパッタリング装置内の雰囲気ガスはスパッタリングガスとして最も一般的なアルゴンガスを用い、その圧力は0.5パスカルで一定となるよう制御を行った。   In this comparative example, a power source that generates an alternating rectangular pulse wave whose polarity is switched at a period of 50 kHz is adjusted so that the effective power is 500 watts. The substrate (6) is installed on the wall surface of the apparatus having a ground potential, and the bias electrode (7) and the bias power source (not shown) are not used at all. Further, a stainless steel plate (10 mm square, 0.5 mm thickness) subjected to mirror polishing was used as the substrate. As the atmospheric gas in the sputtering apparatus, the most common argon gas was used as the sputtering gas, and the pressure was controlled to be constant at 0.5 Pascal.

また基体への粒子の入射エネルギー測定のために、基体と隣接して質量・エネルギーの分析装置(英国ハイデン社製EQP300型、図示外)を設置して測定を行った。これら電極および電源以外の構成は実施例および比較例1と統一した。この場合の基体への粒子(アルゴンイオン)の入射エネルギーの測定結果を図8に示す。基体への入射エネルギーは10エレクトロンボルト付近に最大値を持つエネルギー分布になり、20エレクトロンボルト以上のエネルギーを持つ粒子はほとんど観測されていないことがわかる。   In addition, in order to measure the incident energy of particles on the substrate, a mass / energy analyzer (EQP300 manufactured by HEIDEN, UK, not shown) was installed adjacent to the substrate. Configurations other than these electrodes and the power source were unified with those of the example and comparative example 1. FIG. 8 shows the measurement results of the incident energy of particles (argon ions) on the substrate in this case. It can be seen that the energy incident on the substrate has an energy distribution having a maximum value near 10 electron volts, and particles having an energy of 20 electron volts or more are hardly observed.

つまりバイポーラスパッタリング方式による基体への入射エネルギーは比較例1の通常の直流スパッタリング方式と比較すると上昇の効果は数エレクトロンボルト程度見られるものの、本発明を実施した場合の最大35エレクトロンボルトと比較すると明らかに高いエネルギーの粒子が少ないことが分かった。
以上の結果、実施例、比較例1、比較例2の3者を比較すると、本発明の磁場設計を施しただけの簡単な構成を講じ、これに安価な直流電源を組合せることによって、極めて大きな効果が奏せられた意義は明らかである。
In other words, the incident energy to the substrate by the bipolar sputtering method is higher than the normal DC sputtering method of Comparative Example 1 by about several electron volts, but it is clear when compared with the maximum 35 electron volts when the present invention is implemented. It was found that there are few high energy particles.
As a result of the above, when comparing the Example, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the simple configuration just by applying the magnetic field design of the present invention was taken, and by combining this with an inexpensive DC power source, The significance of the great effect is clear.

本発明は、これまでのいずれのスパッタリング方式でも得ることができなかった高いエネルギー領域に、基体への粒子の入射エネルギーをスパッタリング成膜用電源単独で上昇させること、安定して操作可能とすること、低コスト化することに成功したものであり、これまで困難であった高い入射エネルギーが求められるスパッタリング操作、極力低温での操作が求められるスパッタリング操作、あるいは高い品質の成膜操作が求められるスパッタリング操作等へ提供することが可能となり、エレクトロ技術分野はいうに及ばず、切削工具表面加工、耐熱性の低いプラスチック類への表面加工等各種技術分野に適用され、広く産業の発展に大いに寄与することが期待される。   In the present invention, it is possible to increase the incident energy of particles on a substrate to a high energy region that could not be obtained by any of the sputtering methods so far, and to enable stable operation by using a power source for sputtering film formation alone. Sputtering operations that have succeeded in reducing costs and have been required to achieve high incident energy, sputtering operations that require operation at as low a temperature as possible, or sputtering that require high-quality film forming operations. It can be provided for operation, etc., and it can be applied to various technical fields such as cutting tool surface processing, surface processing to plastics with low heat resistance, not to mention electro-technical field, and greatly contributes to industrial development widely. It is expected.

最も一般的なスパッタリング装置の概略図。Schematic of the most common sputtering apparatus. 基体にバイアス電圧を印加することで基体への粒子の入射エネルギーを上昇させるバイアススパッタリング装置の概略図。1 is a schematic view of a bias sputtering apparatus that increases the incident energy of particles to a substrate by applying a bias voltage to the substrate. 絶縁体薄膜のスパッタ成膜の長時間安定化を主目的として開発されたバイポーラ型スパッタリング装置の概略図。1 is a schematic view of a bipolar sputtering apparatus developed mainly for the long-term stabilization of sputter deposition of an insulator thin film. 永久磁石を用いて陽極面にほぼ平行な磁束を配置し、これを直流スパッタリング電源による放電と組み合わせた本発明の実施例。An embodiment of the present invention in which a magnetic flux substantially parallel to the anode surface is arranged using a permanent magnet, and this is combined with discharge by a DC sputtering power source. 陽極に陰極と同じバランス型の磁束を配置し、これを直流スパッタリング電源による放電と組み合わせた本発明の実施例。An embodiment of the present invention in which the same balance type magnetic flux as that of the cathode is disposed on the anode, and this is combined with discharge by a DC sputtering power source. 本発明の実施例を適用した場合の基体への粒子(アルゴンイオン)の入射エネルギーの測定結果(実測値)。The measurement result (actual value) of the incident energy of the particle | grains (argon ion) to a base | substrate at the time of applying the Example of this invention. 比較例1の通常の直流スパッタリング方式を適用した場合の基体への粒子(アルゴンイオン)の入射エネルギーの測定結果(実測値)。The measurement result (actual value) of the incident energy of the particle | grains (argon ion) to a base | substrate at the time of applying the normal direct current | flow sputtering system of the comparative example 1. FIG. 比較例2のバイポーラスパッタリング方式を適用した場合の基体への粒子(アルゴンイオン)の入射エネルギーの測定結果(実測値)。The measurement result (actual value) of the incident energy of the particle | grains (argon ion) to a base | substrate at the time of applying the bipolar sputtering system of the comparative example 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

(1):陽極
(2):陰極
(3):絶縁体
(4):シールド
(5):磁石
(6):基体
(7):バイアス電極
(8):磁束線
(9):陰極/陽極
(10):シャッター
(1): Anode (2): Cathode (3): Insulator (4): Shield (5): Magnet (6): Substrate (7): Bias electrode (8): Magnetic flux line (9): Cathode / Anode (10): Shutter

Claims (4)

陽極面にほぼ平行に磁束を配置する機構を陽極表面あるいはその近傍に取り付け、荷電粒子の陽極から陰極にいたる有効な経路に対して各経路中の最強磁場強度が10ガウス以上となるようにスパッタリング装置全体の磁場設計を施すとともに、陽極と陰極との間に直流の電圧を印加することで放電を生ぜしめるとともに、前記陽極の磁場配置がバランス型磁場配置または非バランス型磁場配置である、スパッタリング装置。 A mechanism for arranging magnetic flux substantially parallel to the anode surface is attached to or near the anode surface, and sputtering is performed so that the strongest magnetic field strength in each path is 10 Gauss or more with respect to an effective path from the anode to the cathode of the charged particles. Sputtering in which a magnetic field design of the entire apparatus is performed, and a discharge is generated by applying a DC voltage between the anode and the cathode, and the magnetic field arrangement of the anode is a balanced magnetic field arrangement or an unbalanced magnetic field arrangement apparatus. 前記荷電粒子の有効な各経路に垂直な方向の磁場を30ガウスから10000ガウスの範囲に設定する、請求項1記載のスパッタリング装置。   The sputtering apparatus according to claim 1, wherein a magnetic field in a direction perpendicular to each effective path of the charged particles is set in a range of 30 gauss to 10000 gauss. 陽極近傍に開度調節可能なシャッターを設置し、その開度を調節することにより基体への入射粒子のエネルギーを調節する、請求項1記載のスパッタリング装置。   The sputtering apparatus according to claim 1, wherein a shutter capable of adjusting an opening is installed in the vicinity of the anode, and the energy of incident particles on the substrate is adjusted by adjusting the opening. スパッタリング成膜を実施する基体にバイアス電位を印加することで、さらに基体への入射粒子のエネルギーを高めるようにした、請求項1から3の何れかに記載のスパッタリング装置。   4. The sputtering apparatus according to claim 1, wherein a bias potential is applied to the substrate on which the sputtering film formation is performed to further increase the energy of incident particles on the substrate.
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