JPH01119667A - Sputtered film-forming apparatus - Google Patents
Sputtered film-forming apparatusInfo
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- JPH01119667A JPH01119667A JP62275704A JP27570487A JPH01119667A JP H01119667 A JPH01119667 A JP H01119667A JP 62275704 A JP62275704 A JP 62275704A JP 27570487 A JP27570487 A JP 27570487A JP H01119667 A JPH01119667 A JP H01119667A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は薄膜の製造装置に係り、特にスパッタリング現
象を利用して薄膜を形成するスパッタ膜形成装置に関す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a thin film manufacturing apparatus, and particularly to a sputtered film forming apparatus that forms a thin film using a sputtering phenomenon.
従来のスパッタ装置においては、Ａｒ等の不活プラズマ
中のイオンが電界によって加速されてターゲット上現象
することによってスパッタリング、が行われる。直流あ
るいは交流を印加するだけの゛スパッタリング方式にお
いては、投入電力の大部分は電子あるいはイオンのエネ
ルギーとなり、これらはターゲット以外の部分で熱とな
って消失してしまうので、スパッタリング効率が低い。In a conventional sputtering apparatus, sputtering is performed by ions in an inert plasma such as Ar being accelerated by an electric field and occurring on a target. In sputtering methods that only apply direct current or alternating current, most of the input power becomes electron or ion energy, which is lost as heat in areas other than the target, resulting in low sputtering efficiency.
スパッタリング効率を高めて、高速の膜堆積速度を得る
ために、ターゲットの裏面に永久磁石を設置し、磁石の
発生する磁場によって電子にサイクロトロン運動をさせ
てターゲット近傍に閉じ込め、これによってイオン密度
を高める、いわゆるマグネトロンスパッタリング法が存
在する。マグネトロンスパッタリング法においては、イ
オンおよび電子をターゲットの近傍に閉じ込めて高密度
化するので、スパッタリング効率が高められ、高速の膜
堆積速度が得られるとともに、形成した膜の純度が高く
なり、超電尋特性や磁化特性等膜性能が向上するという
効果を有している。さらに、電子およびイオンのエネル
ギーが散逸する割合が少ないの板金）第１６１頁の図５
．１１に示されている。In order to increase sputtering efficiency and obtain a high film deposition rate, a permanent magnet is installed on the back side of the target, and the magnetic field generated by the magnet causes electrons to undergo cyclotron movement and confine them near the target, thereby increasing ion density. There is a so-called magnetron sputtering method. In the magnetron sputtering method, ions and electrons are confined near the target and densified, so sputtering efficiency is increased, a high film deposition rate is obtained, and the purity of the formed film is high. This has the effect of improving film performance such as characteristics and magnetization properties. Furthermore, the rate at which the energy of electrons and ions is dissipated is low (Fig. 5 on page 161)
．． 11.
しかしながら、マグネトロンスパッタ法を用いて超電導
膜や磁性薄膜を製造しようとする場合、製膜特性や膜特
性の再現性に関して以下のような。However, when trying to manufacture a superconducting film or a magnetic thin film using the magnetron sputtering method, the following problems occur regarding the reproducibility of film forming characteristics and film characteristics.
問題点を有する。すなわち、スパッタリング装置の使用
回数が重なるに従ってターゲツト材が摩耗し、ターゲッ
ト表面が後退して行く。マグネトロンスパッタ法の場合
、とくに電子およびイオンの収束した部分でスパッタリ
ングが進行するので。There are problems. That is, as the sputtering apparatus is used more times, the target material wears out and the target surface recedes. In the case of magnetron sputtering, sputtering progresses particularly in areas where electrons and ions are focused.
ターゲットが均一にエツチングされるのではなく、部分
的にターゲット表面が削り取られて行く、このような部
分におけるターゲット表面の後退速度はとくに速い、一
般的な目安として、数百ｎｍの膜厚の薄膜を形成する場
合、１００回の膜形成によってターゲツト材の後退は約
１＋ｕ＋である。The target surface is not etched uniformly, but the target surface is partially scraped off.The rate of regression of the target surface in such areas is particularly fast.As a general guideline, a thin film with a thickness of several hundred nanometers When forming a film, the retreat of the target material is approximately 1+u+ after 100 film formations.
一方、ターゲット裏面に永久磁石を設置した場合、磁場
の強さは磁石からの距離に依存するので、ターゲット表
面の磁場強度はスパッタリング回数ｒ＝ｍｕｏ／ｅＢ
る、永久磁石は通常水冷容器中に設置されるが、ベロー
ズ機構あるいは０リングシールによって密封された状態
で永久磁石を移動することが可能である。永久磁石の移
動機構は手動あるいはモータ駆動による自動方式も可能
である。On the other hand, when a permanent magnet is installed on the back side of the target, the strength of the magnetic field depends on the distance from the magnet, so the magnetic field strength on the target surface is the number of sputtering r = muo/eB.Permanent magnets are usually installed in a water-cooled container. However, it is possible to move the permanent magnet in a sealed manner by a bellows mechanism or an O-ring seal. The permanent magnet moving mechanism can be operated manually or automatically by motor drive.
（２） ターゲットをターゲットの面と垂直方向に移
動可能な構造にする。ターゲットは真空と冷却水の流れ
る部分を仕切る真空壁としての役割も果しているが、ベ
ローズ機構あるいはＯリングシールによってターゲット
支持台およびターゲツト材を移動することが可能である
。(2) Create a structure in which the target can be moved in a direction perpendicular to the surface of the target. The target also serves as a vacuum wall that separates the vacuum from the cooling water flow area, but the target support and target material can be moved using a bellows mechanism or an O-ring seal.
（３）磁界を発生する磁石を電磁石とする。電磁石を用
いれば必要に応じて任意の磁界を発生することができる
。したがってターゲット表面に一定の磁界が印加される
ことを可能にする。(3) The magnet that generates the magnetic field is an electromagnet. By using an electromagnet, any magnetic field can be generated as needed. It thus allows a constant magnetic field to be applied to the target surface.
前記スパッタリング装置の構造はスパッタリングおよび
スパッタリング膜の再現性に関して以下の作用を有する
。マグネトロンスパッタ法においては、スパッタリング
はターゲツト面全体で均一に進行するわけではない。磁
界の集中する部分でスパッタリングが選択的に進行する
。したがって、スパッタリング回数の進行に従ってター
ゲツト面能なわけではない、むしろ一定電流で放電を行
ったときのターゲットとグラウンド間のコンダクタンス
が等しくなることが必要である。このとき、放電電流密
度とスパッタリング粒子の平均的なエネルギーが一定と
なる。前記スパッタリング装置の構造を用い、磁界の強
さを調節することにより。The structure of the sputtering apparatus has the following effects regarding sputtering and the reproducibility of sputtered films. In magnetron sputtering, sputtering does not proceed uniformly over the entire target surface. Sputtering proceeds selectively in areas where the magnetic field is concentrated. Therefore, the conductance between the target and ground does not necessarily change as the number of sputtering cycles increases; rather, it is necessary that the conductance between the target and ground become equal when discharge is performed with a constant current. At this time, the discharge current density and the average energy of the sputtered particles become constant. By using the structure of the sputtering device and adjusting the strength of the magnetic field.
スパッタリング動作において常にこのような条件を実現
することが可能である。It is always possible to realize such conditions in sputtering operations.
実施例１゜
以下、本発明の実施例を以下に示す、第１［！ｌに示す
ごとく、スパッタリング装置は真空排気可能であり、主
要な構成部品は永久磁石を含むスパッタリングターゲッ
ト１．シャッター２および基板ホルダ３から成る。スパ
ッタリングターゲット１は平行平板型であり、電子の収
束する領域；あるいはスパッタリングが選択的に進行す
る領域はいわゆるレーストラック状である０本実施例の
特徴は以下の通りである。すなわちスパッタリンゲタロ
ンスパッタ装置においては永久磁石はターゲット裏板あ
るいは水冷部のホル′ダに固定されている。Example 1゜The following is an example of the present invention. As shown in Figure 1, the sputtering apparatus can be evacuated, and the main components are a sputtering target 1.1 containing a permanent magnet. It consists of a shutter 2 and a substrate holder 3. The sputtering target 1 is of a parallel plate type, and the region where electrons converge or the region where sputtering selectively progresses has a so-called racetrack shape.The features of this embodiment are as follows. That is, in a sputtering Talon sputtering apparatus, a permanent magnet is fixed to a target back plate or a holder in a water cooling section.
本装置においては永久磁石１０を移動可能でターゲット
裏板９とは固定されていないホルダ１１に固定する。永
久磁石１０を固定するホルダ１１は絶縁部１２を介し、
永久磁石ｌＯとターゲットは電気的に絶縁されている。In this device, a permanent magnet 10 is movable and fixed to a holder 11 that is not fixed to the target back plate 9. The holder 11 that fixes the permanent magnet 10 has an insulating part 12 in between,
The permanent magnet lO and the target are electrically insulated.
永久磁石ｌＯは冷却水容器内に設置され、かつ容器の密
封が保たれるために、永久磁石１０のターゲットに対し
て垂直方向への移動はベローズ１３を介して行う、垂直
方向移動の駆動は歯車１６を介してモータ１７によって
行う、マグネトロンスパッタリング装置において１以上
の永久磁石構造を構成することにより、永久磁石のター
ゲットに対する垂直方向への移動およびターゲット表面
における磁界の強度を調節することが可能になる。以下
に本マグネトロンスパッタリング装置を用いた製膜の実
施例について述べる。The permanent magnet 10 is installed in the cooling water container, and since the container is kept sealed, the movement of the permanent magnet 10 in the vertical direction with respect to the target is performed via the bellows 13. By configuring one or more permanent magnet structures in a magnetron sputtering device, carried out by a motor 17 via a gear 16, it is possible to adjust the movement of the permanent magnet in the direction perpendicular to the target and the strength of the magnetic field at the target surface. Become. Examples of film formation using this magnetron sputtering apparatus will be described below.
上記マグネトロンスパッタリング装置を用いて超電導Ｎ
ｂ膜の作製を行った。新たなＮｂターゲｎ ｍ ／ ｓ
であった。この条件で約３００回の製膜を行なってター
ゲツト面が４１１■深さ程摩耗したとき、永久磁石の位
置を一定にし、Ａｒガス圧力０．２ Ｐ ａ、放電流８
Ａの条件下では、放電電圧３９０ｖ、基板への堆積速度
３．６ｎｍ／ｓに低下した。一方永久磁石の高さを調節
し、Ａｒガス圧力０．２ Ｐ ａ、放電電流８Ａで放電
電圧４４０Ｖとなる条件でＮｂ膜の堆積を行った。Ｎｂ
膜厚の測定から堆積速度を算出した結果によれば、±０
．２ｎｍ／ｓの精度で初期状態における堆積速度すなわ
ち４ 、８ ｎ ｍ ／ ｓと一致した。永久磁石の高
さを調節し、同一の放電条件で形成した膜厚２００ｎｍ
のＮｂ膜に関し、Ｎｂターゲット使用の初期に形成した
Ｎｂ膜と、約３００回の製膜を経た後に形成したＮｂ膜
とでは、超電導臨界温度および膜構造等に関して全く差
異を生じなかった。Superconducting N using the above magnetron sputtering equipment
b. A film was prepared. New Nb target nm/s
Met. After approximately 300 depositions under these conditions, when the target surface was worn down to a depth of 411 mm, the permanent magnet position was kept constant, the Ar gas pressure was 0.2 Pa, and the discharge current was 8.
Under conditions A, the discharge voltage was 390 V and the deposition rate on the substrate was reduced to 3.6 nm/s. On the other hand, the height of the permanent magnet was adjusted, and the Nb film was deposited under conditions such as an Ar gas pressure of 0.2 Pa, a discharge current of 8 A, and a discharge voltage of 440 V. Nb
According to the results of calculating the deposition rate from film thickness measurements, ±0
．． The deposition rate in the initial state, that is, 4,8 nm/s, was matched with an accuracy of 2 nm/s. A film with a thickness of 200 nm was formed under the same discharge conditions by adjusting the height of the permanent magnet.
Regarding the Nb film, there was no difference at all in terms of superconducting critical temperature, film structure, etc. between the Nb film formed at the beginning of using the Nb target and the Nb film formed after about 300 times of film formation.
すなわち両者共に超電導臨界温度は９にであり平均的な
結晶粒径は５０ｎｍであった。That is, in both cases, the superconducting critical temperature was 9, and the average crystal grain size was 50 nm.
上記マグネトロンスパッタリング装置を用いて放電電流
を３Ａとした。このとき放電電圧は３９０ｖであった。The discharge current was set to 3A using the above magnetron sputtering device. At this time, the discharge voltage was 390v.
膜厚測定から算出したＮｂＮ膜の堆積速度は１．０ｎｍ
／ｓであり、膜厚３００ｎｍのＮｂＮ膜の超電導臨界温
度は１５．５にであった。約３００回の製膜を経てター
ゲツト面が４ｍ■深さ程摩耗したとき、永久磁石の位置
一定、ＡｒとＮ２ガスの全圧０．５ Ｐ ａ、Ｎ２分圧
０．０８Ｐａ、放ｆ！！電流３Ａの条件下では放電電圧
３５０ｖ、基板への堆積速度０．８ｎ ｍ ／ ｓに低
下した。超電導臨界温度は１２．５Ｋに低下した。一方
永久磁石の高さを調節し、ＡｒとＮ２の全圧を０．５Ｐ
ａ、Ｎｓ＋分圧を０．０８ Ｐ ａ、放電電流３Ａでか
つ放電電圧３９０ｖとなる条件でＮｂＮ膜の堆積を行っ
た。The deposition rate of the NbN film calculated from the film thickness measurement is 1.0 nm.
/s, and the superconducting critical temperature of a 300 nm thick NbN film was 15.5. When the target surface was worn down to a depth of 4 m after approximately 300 film depositions, the permanent magnet position remained constant, the total pressure of Ar and N2 gas was 0.5 Pa, the partial pressure of N2 was 0.08 Pa, and the radiation f! ! Under the conditions of a current of 3 A, the discharge voltage was 350 V and the deposition rate on the substrate was reduced to 0.8 nm/s. The superconducting critical temperature decreased to 12.5K. On the other hand, adjust the height of the permanent magnet to reduce the total pressure of Ar and N2 to 0.5P.
The NbN film was deposited under the following conditions: a, Ns+ partial pressure of 0.08 Pa, discharge current of 3 A, and discharge voltage of 390 V.
ＮｂＮ膜厚の測定から堆積速度を算出した結果によれば
、±０．１ｎｍ／ｓの精度で初期状態における堆積速度
、すなわち１．０ｎｍ／ｓと一致した。ＮｂＮ膜の超電
導臨界温度は１５．５にであり、ターゲットの初期に使
用したＮｂＮ膜の超電導臨界温度と一致した。According to the results of calculating the deposition rate from the measurement of the NbN film thickness, it matched the deposition rate in the initial state, ie, 1.0 nm/s, with an accuracy of ±0.1 nm/s. The superconducting critical temperature of the NbN film was 15.5, which coincided with the superconducting critical temperature of the NbN film used in the initial stage of the target.
て、スパッタリングターゲットの構造を第３図番示す通
りとする。本装置においては永久磁石を【定し、ターゲ
ツト材８およびターゲット裏板９（上下方向に移動可能
な構造とした。すなわち水？容器とターゲット裏板との
間にベローズ１３をづ在させた。ベローズの伸縮度は側
面に設けた歯Ｊモータ機構１６，１７によって調節した
。これａよりターゲットのスパッタ面とマグネット間の
ｌ離が一定になるようにした６以上のマグネトロ；スパ
ッタリング構造を構成することにより、夕・ゲット表面
における磁界の強度を調節すること：可能ならしめた。The structure of the sputtering target is as shown in Figure 3. In this device, a permanent magnet was used, and the target material 8 and the target back plate 9 were constructed to be movable in the vertical direction. That is, a bellows 13 was placed between the water container and the target back plate. The degree of expansion and contraction of the bellows was adjusted by toothed J motor mechanisms 16 and 17 provided on the side.This constitutes a sputtering structure with 6 or more magnetrons that maintains a constant l distance between the sputtering surface of the target and the magnet. This made it possible to adjust the strength of the magnetic field at the surface of the target.
かくのごときマグネトロンスパッタ装置を用いて超電導
Ｎｂ膜の作製を行った４結果は上記実施例１と同様であ
り、Ｎｂ膜ツタ−ット使用の初期に形成したＮｂ膜と、
約３００１の製膜を経た後に形成したＮｂ膜とでは、超
電ｊ臨界温度および膜構造等に関して全く差異を生なか
った。超電導ＮｂＮ膜に関しても同様の効。The results of fabricating a superconducting Nb film using such a magnetron sputtering device are the same as in Example 1 above, and the Nb film formed at the beginning of the use of the Nb film,
There was no difference at all in terms of superelectric j critical temperature, film structure, etc. with the Nb film formed after about 3001 films. Similar effects apply to superconducting NbN films.
が得られた。was gotten.
実施例３゜
・； −
４ｉ！
撃・１１゜
ヒ
令・−
な た電磁石のコイルに流す電流値を調節することに
狂、 よってターゲット表面における磁界の強度を一
定・こ とした。このようなマグネトロンスパッタ装
置を市 用いて超電導Ｎｂ膜の作製を行った。結果は
実施ン 例１と同様であり、Ｎｂ膜ターゲット使用の
初期−に形成したＮｂ膜と、約３００回の製膜を経た後
が に形成したＮｂ膜とでは、超電導臨界温度および
べ 膜構造に関して全く差異を生じなかった。超電導
ＮｂＮ膜に関しても同様の効果が得られた。Example 3゜; - 4i! I was confused about adjusting the current value flowing through the electromagnet's coil, so I decided to keep the strength of the magnetic field at the target surface constant. A superconducting Nb film was fabricated using such a magnetron sputtering system. The results are the same as in Example 1, and the superconducting critical temperature and film structure are different between the Nb film formed at the beginning of using the Nb film target and the Nb film formed after about 300 times of film formation. There was no difference at all. Similar effects were obtained with the superconducting NbN film.
ゲ 〔発明の効果〕
回 以上の実施例において述べたごとく、本スパッ
暉 クツ形成装置を用いて薄膜の製造を行うことによ
じ リ、以下のの効果を得ることができる。[Effects of the Invention] As described in the above embodiments, the following effects can be obtained by manufacturing a thin film using the present sputtering shoe forming apparatus.
果 スパッタリングターゲツト材の繰返し使用によ
る消耗にかかわらず、同一の条件で再現性良く膜の堆積
を行うことができる。上記再現性は膜堆積速度、膜厚は
もとより、膜特性すなわち膜の結晶構造１組成、ｇ組識
等の再現性、さらには超電導膜であれば臨界温度、臨界
磁界、臨界電流密度等の超電導的な性質の再現性をも含
む、半導体薄膜。As a result, films can be deposited under the same conditions with good reproducibility, regardless of wear and tear caused by repeated use of the sputtering target material. The above reproducibility includes not only the film deposition rate and film thickness, but also the reproducibility of film properties, such as the film's crystal structure, composition, and g-structure. Semiconductor thin films, including reproducibility of physical properties.
第１図はマグネトロンスパッタリング装置の全体の概略
を示す図、第２Ｉ！ｌは本発明の実施例１にかかるスパ
ッタリングターゲットの構造を示す図、第３図は本発明
の実施例２にかかるスパッタリングターゲットの構造を
示す図、第４図は本発明の実施例３にかかるスパッタリ
ングターゲットの構造を示す図である。Fig. 1 is a diagram showing the overall outline of the magnetron sputtering apparatus, Fig. 2 I! 1 is a diagram showing the structure of a sputtering target according to Example 1 of the present invention, FIG. 3 is a diagram showing the structure of a sputtering target according to Example 2 of the present invention, and FIG. 4 is a diagram showing the structure of a sputtering target according to Example 3 of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing the structure of a sputtering target.
１・・・スパッタリングターゲット、２・・・シャッタ
、３・・・基板ホルダ、４・・・ガス導入管、５・・・
バルブ。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Sputtering target, 2... Shutter, 3... Substrate holder, 4... Gas introduction pipe, 5...
valve.
６・・・真空排気系、７・・・電源、８・・・ターゲツ
ト材、９・・・銅製裏板、１０・・・永久磁石、１１・
・・磁石ホルダ、１２・・・絶縁板、１３・・・ベロー
ズ、１４・・・水導入パイプ、１５・・・真空容器壁、
１６・・・歯車、１７・・・モータ、１８・・・電磁石
、１９・・・電磁石電源。6... Vacuum exhaust system, 7... Power supply, 8... Target material, 9... Copper back plate, 10... Permanent magnet, 11...
... Magnet holder, 12 ... Insulating plate, 13 ... Bellows, 14 ... Water introduction pipe, 15 ... Vacuum container wall,
16...Gear, 17...Motor, 18...Electromagnet, 19...Electromagnet power supply.
Claims (4)
で電子を閉じ込めるためにターゲット裏面に設けられた
磁石から成るスパッタリング装置において、上記ターゲ
ット表面の磁場強度を一定にする手段を設けたことを特
徴とするスパッタ膜形成装置。1. A sputtering film forming apparatus comprising a sputtering target and a magnet provided on the back surface of the target for confining electrons on the sputtering target, characterized in that a means for making the magnetic field strength on the surface of the target constant is provided.
段は前記ターゲットを移動し、このターゲットと前記磁
石との間の距離を一定にする手段であることを特徴とす
るスパッタ膜形成装置。2. 2. The sputtered film forming apparatus according to claim 1, wherein the means for making the constant distance is a means for moving the target to make the distance between the target and the magnet constant.
段は前記磁石を移動し、この磁石と前記ターゲットとの
間の距離を一定にする手段であることを特徴とするスパ
ッタ膜形成装置。3. 2. The sputtered film forming apparatus according to claim 1, wherein the means for making the constant distance is a means for moving the magnet to make the distance between the magnet and the target constant.
段として、前記磁石を電磁石で構成し、この電磁石の励
磁電流を制御することを特徴とするスパッタ膜形成装置
。4. 2. The sputtered film forming apparatus according to claim 1, wherein the magnet is an electromagnet, and the excitation current of the electromagnet is controlled as the means for making the constant constant.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62275704A JPH01119667A (en) | 1987-11-02 | 1987-11-02 | Sputtered film-forming apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62275704A JPH01119667A (en) | 1987-11-02 | 1987-11-02 | Sputtered film-forming apparatus |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01119667A true JPH01119667A (en) | 1989-05-11 |
Family
ID=17559202
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62275704A Pending JPH01119667A (en) | 1987-11-02 | 1987-11-02 | Sputtered film-forming apparatus |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01119667A (en) |
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