JPH01212758A - Thin film forming device and microwave introducing method - Google Patents

Thin film forming device and microwave introducing method

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JPH01212758A
JPH01212758A JP3534988A JP3534988A JPH01212758A JP H01212758 A JPH01212758 A JP H01212758A JP 3534988 A JP3534988 A JP 3534988A JP 3534988 A JP3534988 A JP 3534988A JP H01212758 A JPH01212758 A JP H01212758A
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plasma
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plasma generation
magnetic flux
microwave
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Shigeto Matsuoka
茂登 松岡
Kenichi Ono
小野 堅一
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Abstract

PURPOSE:To form a high-quality thin film on a low-temp. substrate at a high speed with high efficiency by connecting a microwave vacuum waveguide to a high magnetic flux density part of a plasma-forming chamber provided with a magnetic field diverting toward a substrate holder and executing sputtering. CONSTITUTION:The microwaves from the vacuum waveguide 10 are introduced into the plasma-forming chamber 11 as a cavity resonator to resonate the microwaves and gas is introduced from a gas introducing port 11A into the chamber to form the plasma. Two pieces of asymmetric electromagnets 8, 8 are disposed on the outside circumference of such plasma-forming chamber 11 to generate the magnetic field diverging toward a substrate holder 14 of a sample chamber 9 coupled thereto. The other end part of the above-mentioned vacuum waveguide 10 having an introducing window 6 at one end is connected to the plasma-forming chamber 11 in the part where the magnetic flux density is higher than the resonance magnetic flux density of the microwaves. The high-density plasma 3 is thereby generated in the gas of the low pressure and is introduced into the sample chamber 9. A cylindrical target 12 provided in the inlet part is sputtered at this time to efficiently and continuously form the high-quality thin film on the substrate 2 on the substrate holder 14.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野1 本発明は、基板上に各種材料の薄膜を形成するための装
置に関するものであり、特に高密度プラズマによるスパ
ッタリングを利用して各種薄膜を高速度、高効率で連続
して長時間安定に形成するための新規な薄膜形成装置に
関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field 1] The present invention relates to an apparatus for forming thin films of various materials on a substrate. The present invention relates to a novel thin film forming apparatus for forming thin films continuously and stably for a long period of time with high speed and efficiency.

[従来の技術] 従来から、プラズマ中で薄膜形成要素としてのターゲッ
トをスパッタして膜を形成するいわゆるスパッタ装置は
、各種材料の薄膜形成に各方面で広く用いられている。
[Prior Art] Conventionally, so-called sputtering apparatuses that form films by sputtering a target as a thin film forming element in plasma have been widely used in various fields for forming thin films of various materials.

中でも第10図に示すようなターゲット1と基板2とを
向かい合わせた通常の2極(rf、dC)スパッタ装置
がもっとも一般的である。この装置はターゲット1と薄
膜を付着させる基板2を有する真空槽4および図示を省
略したガス導入系および排気系からなり、真空槽4の内
部にプラズマを発生させるものである。
Among these, the most common is a normal two-pole (RF, dC) sputtering apparatus in which a target 1 and a substrate 2 face each other as shown in FIG. This apparatus consists of a vacuum chamber 4 having a target 1 and a substrate 2 to which a thin film is attached, a gas introduction system and an exhaust system (not shown), and generates plasma inside the vacuum chamber 4.

[発明か解決しようとする課題] 従来のスパッタ装置て膜堆積速度を高めようとすると、
必然的にプラズマを高密度に保つ必要かあるが、第1O
図に代表されるスパッタ装置では、プラズマを高密度に
するほどターケラト印加電圧も急檄に上昇し、そのため
に基板は高エネルギー粒子の入射、あるいはプラズマ中
の高速電子入射の衝草により急激に加熱され、形成され
る膜の結晶自体も損傷を受ける。このため、高速スパッ
タ堆積は特定の耐熱基板や、膜材料および、膜組成にし
か適用することができない。
[Problem to be solved by the invention] When trying to increase the film deposition rate using conventional sputtering equipment,
Although it is necessary to maintain the plasma at high density, the first O
In the sputtering equipment shown in the figure, the higher the plasma density, the more rapidly the applied voltage rises, and the substrate is therefore rapidly heated by the impact of high-energy particles or high-speed electrons in the plasma. The resulting film crystal itself is also damaged. For this reason, high-speed sputter deposition can only be applied to specific heat-resistant substrates, film materials, and film compositions.

また従来のスパッタ装置による膜形成においては、いず
れもプラズマ中のガスや粒子のイオン化が十分でなく、
スパッタされた膜堆積要素としての中性粒子はそのほと
んどが中性粒子のままで基板に入射するため、反応性の
点から言えば活性が十分でない。そのため一部の酸化物
や熱非平衡物質を得るには500〜800℃程度の高い
基板温度を必要としていた。しかもプラズマに投入され
た電力のほとんどが熱エネルギーとして消費されてしま
い、投入電力にしめるプラズマ形成(主部)に用いられ
る電力の割合が低く、電力効率が低いという欠点があっ
た。
Furthermore, in film formation using conventional sputtering equipment, gas and particles in the plasma are not sufficiently ionized.
Since most of the sputtered neutral particles as film deposition elements enter the substrate as neutral particles, their activity is insufficient from the viewpoint of reactivity. Therefore, in order to obtain some oxides and thermal nonequilibrium substances, a high substrate temperature of about 500 to 800° C. is required. Moreover, most of the power input to the plasma is consumed as thermal energy, and the ratio of power used for plasma formation (main part) to the input power is low, resulting in low power efficiency.

さらに従来のスパッタ装置では、1O−3Torr以下
の低カス圧では放電が安定に形成できず、不純物がそれ
だけ多く膜中にとりこまれるという欠点かあった。
Further, in conventional sputtering equipment, a discharge cannot be stably formed at a low gas pressure of 1 O -3 Torr or less, and a large amount of impurities are incorporated into the film.

以上のような従来のスパッタ装置の欠点を解消するため
第11図に示す装置が提案された(特開昭60−501
67号公報参照)。この装置はマイクロ波導彼管7およ
びマイクロ波導入窓6を通じてプラズマ生成室11内に
マイクロ波を導入し、かつ電磁石8によってプラズマ生
成室ll内に磁界を形成し、磁界中でのマイクロ波放電
によって生成されたプラズマ3によって円筒状ターゲッ
ト12をスパッタして基板2上に薄膜を形成するもので
ある。この装置は以下のような薄膜形成装置として優れ
た特徴を有している。すなわち、 (1)膜や基板の損傷や急激な温度上昇がなく高速で膜
形成ができる。
In order to eliminate the above-mentioned drawbacks of the conventional sputtering apparatus, the apparatus shown in FIG.
(See Publication No. 67). This device introduces microwaves into a plasma generation chamber 11 through a microwave guide tube 7 and a microwave introduction window 6, forms a magnetic field inside the plasma generation chamber 11 with an electromagnet 8, and generates microwave discharge in the magnetic field. A thin film is formed on the substrate 2 by sputtering the cylindrical target 12 using the generated plasma 3. This device has the following excellent features as a thin film forming device. That is, (1) Film formation can be performed at high speed without damaging the film or substrate or causing rapid temperature rise.

(2)粒子のエネルギーが広い範囲にわたって制御でき
る。
(2) Particle energy can be controlled over a wide range.

(3)粒子のエネルギーの分散が少ない。(3) Particle energy dispersion is small.

(4)プラズマのイオン化率が高く活性である。(4) The plasma has a high ionization rate and is active.

(5)低ガス圧放電か可能である。(5) Low gas pressure discharge is possible.

しかしながら、この薄膜形成装置では金属等の導電性膜
を形成した場合、マイクロ波導入窓上にも膜が付着し導
通してしまうため、マイクロ波か反射され長時間連続し
てプラズマを生成することはできなかった。
However, in this thin film forming apparatus, when a conductive film such as metal is formed, the film also adheres to the microwave introduction window and becomes conductive, so the microwave is reflected and plasma is generated continuously for a long time. I couldn't.

本発明は、上述した従来の欠点を解決し、低い圧力のガ
ス中て高密度プラズマを発生させ、そのプラズマを用い
てスパッタを行い、試料基板を低温に保ったままで、高
品質の薄膜を高速度、高効率に連続して形成できる薄膜
形成装置およびプラズマ生成装置に効率よくマイクロ波
を導入する方法を提供することを目的とする。
The present invention solves the above-mentioned conventional drawbacks, generates high-density plasma in a low-pressure gas, performs sputtering using the plasma, and sputters high-quality thin films while keeping the sample substrate at a low temperature. It is an object of the present invention to provide a method for efficiently introducing microwaves into a thin film forming apparatus and a plasma generating apparatus that can continuously form thin films with high speed and efficiency.

[課題を解決するための手段] このような目的を達成するために、本発明薄I摸形成装
置は導入されるマイクロ波が共振する空洞共振器を形成
し、ガスを導入してプラズマを発生するプラズマ生成室
と、プラズマ生成室に結合され、内部に基板ホルダーを
有する試料室と、プラズマ生成室の外周に設けられ、プ
ラズマ生成室の側面と平行でかつ基板ホルダーに向って
拡散する6n界を発生するための非対称な2個の磁界発
生手段と、一端部にマイクロ波導入窓を有し、他端部か
、マイクロ波の共振磁束密度より高い磁束密度の部分に
おいてプラズマ生成室に結合される真空導波管と、プラ
ズマ生成室の内壁もしくは試料室のプラズマ生成室との
境界近傍に設けられた円筒状のターゲットとを具えたこ
とを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve such an object, the thin I model forming apparatus of the present invention forms a cavity resonator in which the introduced microwave resonates, and generates plasma by introducing gas. a plasma generation chamber that is connected to the plasma generation chamber and has a substrate holder inside; and a 6n field that is provided around the outer periphery of the plasma generation chamber and that is parallel to the side surface of the plasma generation chamber and diffuses toward the substrate holder. It has two asymmetrical magnetic field generation means for generating a microwave, a microwave introduction window at one end, and is coupled to the plasma generation chamber at the other end or at a part of the magnetic flux density higher than the resonant magnetic flux density of the microwave. A cylindrical target is provided on the inner wall of the plasma generation chamber or near the boundary between the sample chamber and the plasma generation chamber.

本発明マイクロ波導入方法はガスを導入してプラズマを
生成するためのプラズマ生成室に、プラズマ生成室の側
面に平行でかつ非対称な磁界を形成し、磁束密度分布が
マイクロ波の共振密度より高い部分においてプラズマ生
成室にマイクロ波を導入することを特徴とする。
The microwave introduction method of the present invention forms an asymmetrical magnetic field parallel to the side surface of the plasma generation chamber in a plasma generation chamber for introducing gas to generate plasma, so that the magnetic flux density distribution is higher than the resonance density of the microwave. Part of the plasma generation chamber is characterized by introducing microwaves into the plasma generation chamber.

[作 用] 本発明は、高い活性度の高密度プラズマを発生させ、そ
のプラズマを用いたスパッタを行い、試粗基板を低温に
保ったままで、生成膜材料の導電性がその膜形成の障害
とならず、高品質の薄膜を高速度、高効率に連続して形
成できるものである。すなわち本発明は、磁場中で電子
サイクロトロン共[@(ECR)  によりプラズマを
生成および加熱し、その高密度プラズマを利用したスパ
ッタを行い、数eVから数十eVの低エネルギーイオン
の引出しと、高い電子温度による高活性なプラズマの生
成を両立させる。しかも、真空導波管を1束方向に対し
て直交するようにプラズマ生成室に接合するため、その
真空導波管へのプラズマの加速が抑制され、真空導波管
の使用を可能であり、その結果マイクロ波導入窓への導
電性材料膜の付着によるマイクロ波の反射が無視でき、
金属等の導電性材料膜をも連続して長時間安定に形成す
ることを可能とする。さらに磁界発生手段として、例え
ば非対称な2個のソレノイドコイルを用いて真空導波管
とプラズマ生成室との結合部分の磁束を高くすることに
より、注入マイクロ波の反射を少なくし、効率的なプラ
ズマ生成を可能とする。
[Function] The present invention generates high-density plasma with high activity, performs sputtering using the plasma, and maintains the test substrate at a low temperature so that the conductivity of the film material becomes an obstacle to film formation. Therefore, high-quality thin films can be continuously formed at high speed and with high efficiency. That is, the present invention generates and heats plasma using an electron cyclotron (ECR) in a magnetic field, performs sputtering using the high-density plasma, and extracts low-energy ions of several eV to several tens of eV, and Achieve both generation of highly active plasma using electron temperature. Moreover, since the vacuum waveguide is joined to the plasma generation chamber orthogonally to the direction of one bundle, the acceleration of the plasma toward the vacuum waveguide is suppressed, making it possible to use the vacuum waveguide. As a result, the reflection of microwaves due to the adhesion of the conductive material film to the microwave introduction window can be ignored.
It is also possible to continuously and stably form a film of a conductive material such as metal for a long period of time. Furthermore, by increasing the magnetic flux at the coupling part between the vacuum waveguide and the plasma generation chamber using, for example, two asymmetrical solenoid coils as a magnetic field generating means, reflection of the injected microwaves can be reduced and efficient plasma generation can be achieved. enable generation.

[実施例] 以下、図面にもとづき実施例について説明する。[Example] Examples will be described below based on the drawings.

第1図は本発明の薄膜形成装置の実施例の断面図である
。プラズマ生成室11には真空導波管10が結合され、
マイクロ波導入窓6を通して順にマイクロ波導波管7、
さらに図示しない整合器、マイクロ波電力計、アイソレ
ータ等のマイクロ波導入機構に接続されたマイクロ波源
からマイクロ波が供給される。本実施例ではプラズマ生
成室ll内に設置されたターゲットから直接見えない部
分に配置されたマイクロ波導入窓6には石英ガラス板を
用いている。マイクロ波源としては、たとえば2.45
GHzのマグネトロンを用いている。
FIG. 1 is a sectional view of an embodiment of the thin film forming apparatus of the present invention. A vacuum waveguide 10 is coupled to the plasma generation chamber 11,
Through the microwave introduction window 6, the microwave waveguide 7,
Further, microwaves are supplied from a microwave source connected to a microwave introducing mechanism such as a matching box, a microwave power meter, and an isolator (not shown). In this embodiment, a quartz glass plate is used for the microwave introduction window 6, which is arranged in a part that cannot be directly seen from the target installed in the plasma generation chamber 11. As a microwave source, for example, 2.45
It uses a GHz magnetron.

プラズマ生成室11および真空導波管10はプラズマ生
成による温度上昇を防止するために、水冷される。プラ
ズマ生成室11には試料室9が結合されている。ガス導
入口11Aからプラズマ生成室11にガスを導入でき、
また図示を省略した排気系にょフてプラズマ生成室11
および試料室9を高真空に排気できる。試料室9に他の
ガス導入口を設けてもよい。試料室9内には後述する磁
石8による磁束方向に基板2を支持する基板ホルダー1
4を設け、基板2の上にはプラズマ3を遮断することが
できるように図示しないシャッタを配置している。基板
ホルダー14には基板2を加熱するためのヒータを内蔵
するとよい。さらに基板2には直流あるいは交流の電圧
を印加して、膜形成中の基板バイアスや基板のスパッタ
クリーニングを行うことができるように構成するのが望
ましい。
The plasma generation chamber 11 and the vacuum waveguide 10 are water-cooled to prevent temperature rise due to plasma generation. A sample chamber 9 is coupled to the plasma generation chamber 11 . Gas can be introduced into the plasma generation chamber 11 from the gas introduction port 11A,
Also, the exhaust system and plasma generation chamber 11 (not shown)
And the sample chamber 9 can be evacuated to high vacuum. Other gas inlets may be provided in the sample chamber 9. Inside the sample chamber 9, there is a substrate holder 1 that supports the substrate 2 in the direction of magnetic flux generated by a magnet 8, which will be described later.
4, and a shutter (not shown) is arranged above the substrate 2 so as to be able to shut off the plasma 3. It is preferable that the substrate holder 14 has a built-in heater for heating the substrate 2. Furthermore, it is preferable to apply a DC or AC voltage to the substrate 2 to bias the substrate during film formation and to perform sputter cleaning of the substrate.

プラズマ生成室11は、マイクロ波空胴共振器の条件と
して、−例として、円形空胴共振モードTE113を採
用し、内のりで直径20cm高さ20cmの円筒形状を
用いてマイクロ波の電界強度を高め、マイクロ波放電の
効率を高めるようにした。プラズマ生成室11の下端、
即ち、基板部へ通じる面には、10cm径の穴がおいて
おり、その面はマイクロ波に対する反射面ともなり、プ
ラズマ生成室11は空胴共振器として作用している。
The plasma generation chamber 11 adopts a circular cavity resonance mode TE113 as a condition for the microwave cavity resonator, and uses a cylindrical shape with a diameter of 20 cm and a height of 20 cm on the inside to increase the electric field strength of the microwave. , to increase the efficiency of microwave discharge. the lower end of the plasma generation chamber 11;
That is, a hole with a diameter of 10 cm is provided on the surface leading to the substrate portion, and this surface also serves as a reflection surface for microwaves, and the plasma generation chamber 11 acts as a cavity resonator.

プラズマ生成室11の外周両端には、非対称な2個のソ
レノイド、あるいは少なくとも2個以上のソレノイドの
組合せからなる磁石8を設け、これによってプラズマ生
成室内に磁界を発生する。その際、マイクロ波による電
子サイクロトロン共鳴(ECR)の条件がプラズマ生成
室11の内部で成立するように決定する。例えば周波数
2.45GHzのマイクロ波に対しては、ECRの条件
は磁束密度875Gであるため、磁石8はその磁束密度
875Gがプラズマ生成室11の内部で実現されるよう
に設計する。
Magnets 8 consisting of two asymmetric solenoids or a combination of at least two solenoids are provided at both ends of the outer periphery of the plasma generation chamber 11, thereby generating a magnetic field within the plasma generation chamber. At that time, the conditions for electron cyclotron resonance (ECR) using microwaves are determined to be established inside the plasma generation chamber 11. For example, for microwaves with a frequency of 2.45 GHz, the ECR condition is a magnetic flux density of 875 G, so the magnet 8 is designed so that the magnetic flux density of 875 G is realized inside the plasma generation chamber 11.

プラズマ生成室11の内部側面あるいはプラズマ生成室
11の出口で試料室9内にはプラズマ3を囲むように円
筒状のターゲット12が設置されている。
A cylindrical target 12 is installed in the sample chamber 9 on the inner side surface of the plasma generation chamber 11 or at the exit of the plasma generation chamber 11 so as to surround the plasma 3 .

第2図に示すように、ターゲット12は水冷可能な金属
製支持体12Aに取りはずし可能に固定され、支持体1
2Aを介して電源13から負の電圧が印加される。
As shown in FIG. 2, the target 12 is removably fixed to a water-coolable metal support 12A.
A negative voltage is applied from the power supply 13 via 2A.

真空導波管10は?iff、磁石の非対称部分から挿入
され、プラズマ生成室に結合される。しかもその結合部
分の磁束密度はECR条件の磁束密度より大きくなるよ
うに決定する。これは第3図に示した磁束密度に対する
磁束と垂直に導入したマイクロ波の反射率の変化から明
らかなように、マイクロ波がECR条件付近で強く反射
され、マイクロ波の導入効率が落ちるのを防ぐためであ
る。またこの場合、プラズマ生成室の試料室側出口と対
面する而に対して、プラズマ生成室内の磁場分布が拡散
磁場勾配にならないように磁場分布を設定した方がプラ
ズマの基板方向への加速がより効果的になされる。
What about vacuum waveguide 10? iff, inserted from the asymmetric part of the magnet and coupled to the plasma generation chamber. Moreover, the magnetic flux density of the coupling portion is determined to be larger than the magnetic flux density of the ECR condition. As is clear from the change in the reflectance of microwaves introduced perpendicular to the magnetic flux with respect to the magnetic flux density shown in Figure 3, the microwaves are strongly reflected near the ECR condition and the microwave introduction efficiency decreases. This is to prevent it. In addition, in this case, it is better to set the magnetic field distribution so that the magnetic field distribution inside the plasma generation chamber does not become a diffuse magnetic field gradient compared to the sample chamber side exit of the plasma generation chamber, which will accelerate the plasma toward the substrate. done effectively.

第4図に、第1図に示した本発明の実hN例におけるt
n東方向の磁場強度分布の例を示した。
FIG. 4 shows t in the actual hN example of the present invention shown in FIG.
An example of the magnetic field strength distribution in the n east direction is shown.

この場合、プラズマ生成室内の磁束密度分布を制御する
ために、プラズマ生成室の上面にヨークや永久磁石を配
置してもよい。第5A図および第5B図に、それぞれプ
ラズマ生成室上面にヨーク15を配置した実b16例と
プラズマ生成室内の磁束密度分布を示した。
In this case, a yoke or a permanent magnet may be placed on the upper surface of the plasma generation chamber in order to control the magnetic flux density distribution within the plasma generation chamber. FIGS. 5A and 5B respectively show 16 actual examples in which the yoke 15 is disposed on the upper surface of the plasma generation chamber and the magnetic flux density distribution inside the plasma generation chamber.

このヨークを配置することは、単に磁場勾配を制御する
だけでなく、必要な磁束密度を得るのにより少ない磁石
電流でよいという特徴も持っている。例えば、875G
の磁束密度を得るのに、通常+8Aの磁石の電流が必要
であったのに対して、ヨーク15を用いた場合には8.
5八で十分であった。
This yoke arrangement not only controls the magnetic field gradient, but also has the advantage that less magnet current is required to obtain the required magnetic flux density. For example, 875G
Normally, a magnet current of +8 A is required to obtain a magnetic flux density of 8.
58 was enough.

第6図に磁束5と平行な方向に真空導波管を接続した場
合のプラズマ生成状態の概要を、第7図に木発明の薄膜
形成装置におけるプラズマ生成状態の概要を示す。第1
図と同じ符号は同じ部分を示している。木発明によれば
、真空導波管へのプラズマの侵入が従来例に比較して著
しく少ない。
FIG. 6 shows an overview of the plasma generation state when the vacuum waveguide is connected in a direction parallel to the magnetic flux 5, and FIG. 7 shows an overview of the plasma generation state in the thin film forming apparatus of the invention. 1st
The same reference numerals as in the figure indicate the same parts. According to the invention, plasma intrusion into the vacuum waveguide is significantly less than in the conventional example.

ここで、プラズマを生成する際のパラメータは、プラズ
マ生成室のガス圧、マイクロ波のパワー、ターゲットへ
の投入電力、磁場の勾配、磁石の非対称度、および磁石
間の距離等である。たとえば2.456)Izの周波数
のマイクロ波に対しては、前述のように真空導波管がプ
ラズマ生成室に結合される部分の磁束密度が共]1.1
条件である875G以上で、またその共1B条件である
磁束密度875Gがプラズマ生成室内のいずれかの部分
で達成されていればよく、その基板方向にゆるやかに磁
束密度か低くなる発散磁場勾配か、基板までの間に磁界
の最小値が存在するミラー磁場勾配、あるいはその間に
磁界ゼロの点か存在するカスプ磁場勾配が達成されてい
る。
Here, the parameters for generating plasma include the gas pressure in the plasma generation chamber, the power of the microwave, the power input to the target, the gradient of the magnetic field, the asymmetry of the magnets, and the distance between the magnets. For example, for microwaves with a frequency of 2.456) Iz, the magnetic flux density at the part where the vacuum waveguide is coupled to the plasma generation chamber is equal to 1.1 as described above.
It is sufficient that the magnetic flux density of 875 G or more, which is the condition of 875 G or more, and the magnetic flux density of 875 G that is the 1B condition for both of them is achieved in any part of the plasma generation chamber, and the magnetic flux density is gradually lowered in the direction of the substrate. Mirror field gradients, where there is a field minimum down to the substrate, or cusp field gradients, where there is a point of zero field in between, have been achieved.

第i図および第9八図にそれぞれ本発明の他の実施例を
、第8B図および第9B図に各実施例における磁場の分
布を示す。磁場勾配の制御は第8A図の実施例に示した
ように、基板の周囲か試料室の外周に補助電磁石16を
設着して、そこに流す電流の値で制御することができる
。また、第9A図に示したように、磁場勾配制御用のヨ
ーク15を設置した場合も同様に補助電磁石16を用い
て磁場勾配の制御が可能である。
FIG. i and FIG. 98 show other embodiments of the present invention, and FIGS. 8B and 9B show the distribution of the magnetic field in each embodiment. As shown in the embodiment of FIG. 8A, the magnetic field gradient can be controlled by installing an auxiliary electromagnet 16 around the substrate or on the outer periphery of the sample chamber, and controlling it by the value of the current flowing there. Furthermore, as shown in FIG. 9A, even when a yoke 15 for magnetic field gradient control is installed, the magnetic field gradient can be similarly controlled using the auxiliary electromagnet 16.

生成された高密度プラズマに面した円筒状ターゲット1
2に負の電圧を印加させることにより、高密度プラズマ
中のイオンを円筒状ターゲット12に効率よく引き込み
スパッタをおこさせる。このときスパッタされたほとん
どが中性の粒子は基板方向にも飛散する。またイオンも
生成される。
Cylindrical target 1 facing the generated high-density plasma
By applying a negative voltage to 2, ions in the high-density plasma are efficiently drawn into the cylindrical target 12 to cause sputtering. At this time, most of the sputtered particles, which are mostly neutral, are also scattered toward the substrate. Ions are also generated.

より高い移動度を有する電子はプラズマ端で磁束方向に
漏れ出し、正イオンがプラズマ中に取り残されることに
なり、この荷電分離が必然的に電界を誘起する。この電
界がプラズマ中の正イオンを基板方向に加速する電界と
なる。実際には電子とイオンが独立に振舞うことはプラ
ズマの中性を破ることになり、不可能であり、基板表面
とプラズマの電位差が電子の平均エネルギーに匹敵した
ときに平衡し、この電界が、電子に対しては減速、イオ
ンに対しては加速電界として働き、両種の放出量がほぼ
同じになるいわゆる両極性拡散の形態をとる。この結果
、数eVから数十eVの比較的低いエネルギーを持った
イオンを引き出すことにより、ターゲット材料を原料と
する薄膜の形成ができる。
Electrons with higher mobility leak out in the direction of the magnetic flux at the plasma edge, leaving positive ions behind in the plasma, and this charge separation inevitably induces an electric field. This electric field becomes an electric field that accelerates positive ions in the plasma toward the substrate. In reality, it is impossible for electrons and ions to behave independently, as this would violate the neutrality of the plasma, and equilibrium occurs when the potential difference between the substrate surface and the plasma is equal to the average energy of the electrons, and this electric field becomes It acts as a decelerating electric field for electrons and an accelerating electric field for ions, and takes the form of so-called ambipolar diffusion in which the amount of emission of both species is approximately the same. As a result, by extracting ions with a relatively low energy of several eV to several tens of eV, a thin film can be formed using the target material as a raw material.

ここで上述の磁場勾配はそのイオンのエネルギーに直接
的に影響し、磁場勾配を制御することによりイオンエネ
ルギーの制御も容易にできるという特徴も持っ”Cいる
The above-mentioned magnetic field gradient directly affects the energy of the ions, and the ion energy can be easily controlled by controlling the magnetic field gradient.

このとき、ターゲット表面に適当に磁束が流れるように
、ターゲットの裏や上下方向に適当なヨークや永久磁石
を配置して、マグネトロン放電の形態をとって、より高
効率のスパッタも実現できる。
At this time, more efficient sputtering can be achieved by arranging appropriate yokes and permanent magnets on the back side of the target and in the vertical direction so that magnetic flux flows appropriately over the target surface, and by using magnetron discharge.

また、プラズマが活性であるため、1O−5Torr台
のより低いガス圧でも放電が安定に形成できるのみなら
ず、活性種が薄膜形成の重要な役割を演じる比較的高い
ガス圧中でも活性なプラズマの作用により低基板温度下
でも結晶性の良好な薄膜形成を実現している。
In addition, since the plasma is active, not only can a discharge be stably formed even at lower gas pressures on the order of 10-5 Torr, but active plasma can also be formed even at relatively high gas pressures, where active species play an important role in thin film formation. As a result, thin films with good crystallinity can be formed even at low substrate temperatures.

導電性材料膜を形成する場合、マイクロ波導入窓が曇る
と、長時間にわたってプラズマ生成ができない。そこで
、マイクロ波導入窓6が導電性材料膜の付着により曇ら
ないようにマイクロ波導入窓6をプラズマ生成室11か
ら離して設置して、真空導波管10を用いることがまず
考えられるが、真空導波管を単に磁束方向に接続した場
合には、その真空導波管lOの内部でECR条件の磁束
密度が満足され、そこでプラズマが発生するために、マ
イクロ波の電力がプラズマ生成室11中に有効に注入さ
れず、不均一なプラズマが生成されてしまう。
When forming a conductive material film, if the microwave introduction window becomes foggy, plasma cannot be generated for a long time. Therefore, the first idea is to install the microwave introduction window 6 away from the plasma generation chamber 11 and use the vacuum waveguide 10 to prevent the microwave introduction window 6 from becoming cloudy due to the adhesion of the conductive material film. When vacuum waveguides are simply connected in the magnetic flux direction, the magnetic flux density of the ECR condition is satisfied inside the vacuum waveguide lO, and plasma is generated there, so that the microwave power is transferred to the plasma generation chamber 11. The plasma is not effectively injected into the plasma, resulting in non-uniform plasma generation.

それと同時に、真空導波管10からマイクロ波導入方向
にも発散磁場が形成されているため、プラズマは基板方
向ばかりでなく、そのマイクロ波導入方向にも加速され
てしまう。これに対して、真空導波管lOが磁束に対し
て直交して接続されている場合には、プラズマが磁束に
直交する方向には加速されないので、プラズマはマイク
ロ波導入方向に加速されることはない。一方、プラズマ
生成室ll中に設置された円筒状ターゲット12からス
パッタされた粒子のうち、イオン化されない中性の粒子
は磁界や電界の影響をうけず、そのターゲットからほぼ
直進して飛来する。このため、マイクロ波導入窓6をタ
ーゲットから直接見えない位置に設置することによりマ
イクロ波導入窓6のスパッタ粒子による曇りも防止する
ことができる。このようにして、生成膜の導電性によら
ず、またその膜厚にもよらず、マイクロ波導入窓の曇り
のない、はとんどの材料の膜を連続して長時間安定に形
成することを可能としている。
At the same time, since a divergent magnetic field is formed from the vacuum waveguide 10 in the microwave introduction direction, the plasma is accelerated not only in the direction of the substrate but also in the microwave introduction direction. On the other hand, if the vacuum waveguide lO is connected perpendicular to the magnetic flux, the plasma will not be accelerated in the direction perpendicular to the magnetic flux, so the plasma will be accelerated in the microwave introduction direction. There isn't. On the other hand, among the particles sputtered from the cylindrical target 12 installed in the plasma generation chamber 11, neutral particles that are not ionized are not affected by the magnetic field or electric field and fly almost straight from the target. Therefore, by installing the microwave introduction window 6 in a position where it cannot be directly seen from the target, it is possible to prevent the microwave introduction window 6 from becoming cloudy due to sputtered particles. In this way, it is possible to continuously and stably form a film of any material for a long time without fogging the microwave introduction window, regardless of the conductivity of the formed film or its thickness. is possible.

次に、本発明装置を用いてl膜を形成した結果について
説明する。試料室9の真空度を5×10−’Torrま
で排気した後、Arガスを毎分5ccのフロー速度で導
入しプラズマ生成室内のガス圧を5 x 10−’To
rrとしてマイクロ波電力100〜500W、円筒状の
Anターゲット13に没入する電力を30〜600W、
発散磁場勾配中で膜を形成した。このとき試料台は加熱
しないで常温で膜形成をおこなった。この結果、5〜1
100n/minの堆積速度で長時間連続して安定に効
率よ<1111Mを堆積できた。
Next, the results of forming a film using the apparatus of the present invention will be explained. After evacuating the sample chamber 9 to a vacuum level of 5 x 10-' Torr, Ar gas was introduced at a flow rate of 5 cc/min to raise the gas pressure in the plasma generation chamber to 5 x 10-'Torr.
The microwave power is 100 to 500 W as rr, and the power immersed in the cylindrical An target 13 is 30 to 600 W.
Films were formed in a divergent magnetic field gradient. At this time, the film was formed at room temperature without heating the sample stage. As a result, 5 to 1
At a deposition rate of 100 n/min, <1111 M could be continuously and stably and efficiently deposited for a long period of time.

このときのイオンの平均エネルギーは5eVから30e
Vまで変化した。
The average energy of the ions at this time is 5eV to 30e
It changed to V.

本発明の薄膜形成装置は、へIl膜の形成のみならず、
はとんどすべての薄膜形成に用いることができ、また導
入するガスとしてほとんどの反応性ガスを用いることが
でき、それにより反応スバッタも実現できる。
The thin film forming apparatus of the present invention not only forms an Il film, but also
can be used for almost all thin film formations, and most reactive gases can be used as the introduced gases, thereby also realizing reactive sputtering.

以上の実施例ではECRに必要な磁場を電磁石によって
得ているが、これは種々の永久磁石を用いて、あるいは
それらを組み合わせて形成しても全く同様の効果をもつ
ことは明かである。
In the above embodiments, the magnetic field necessary for ECR is obtained by an electromagnet, but it is clear that the same effect can be obtained by using various permanent magnets or by combining them.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明は、電子サイクロトロン共
鳴により生成されたマイクロ波プラズマを利用したスパ
ッタを用いて、6n場勾配により基板方向にプラズマを
加速して低いガス圧中で高効率の低温膜形成を実現する
ものであり、膜の導電性や膜厚によらず連続して長時間
安定な膜形成を実現するものである。また粒子のエネル
ギーも数eV数十eVまでの広い範囲で自由に制御でき
、高活性なプラズマを用いているので、この装置を用い
て、損傷の少ない良質の膜を低基板温度で高速度、高安
定に連続形成することができる。
[Effects of the Invention] As explained above, the present invention utilizes sputtering using microwave plasma generated by electron cyclotron resonance, accelerates plasma toward the substrate using a 6n field gradient, and performs sputtering in a low gas pressure. It realizes highly efficient low-temperature film formation, and realizes continuous and stable film formation for a long time regardless of the conductivity or thickness of the film. In addition, the particle energy can be freely controlled over a wide range from several eV to several tens of eV, and highly active plasma is used, so this equipment can be used to produce high-quality films with little damage at high speed and at low substrate temperatures. Can be continuously formed with high stability.

また、真空導波管とプラズマ生成室との結合部分の磁束
密度を共振磁束密度より高くすることにより注入マイク
ロ波の反射を少なくし、効率的なプラズマ生成が可能で
ある。
In addition, by making the magnetic flux density at the coupling portion between the vacuum waveguide and the plasma generation chamber higher than the resonance magnetic flux density, reflection of the injected microwave can be reduced and efficient plasma generation can be achieved.

本発明のマイクロ波導入方法はスパッタ装置に限らず、
ターゲット機構を持たない装置、例えばCvIll装研
やエツチング装置等に対しても有効である。
The microwave introduction method of the present invention is not limited to sputtering equipment,
It is also effective for devices that do not have a target mechanism, such as CvIll polishing and etching devices.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の薄膜形成装置の実施例の断面図、 第2図は円筒状ターゲットの詳細断面図、第3図は磁束
密度に対する磁束に対して垂直に入射したマイクロ波の
反射率の変化を示す図、第4図は第1図に示された本発
明の薄膜形成装置の実施例における磁束方向の磁場強度
分布図、第5A図は本発明の他の実施例の断面図、第5
B図はその磁束密度分布図、 第6図は真空導波管が磁束方向に接続されている場合の
プラズマの生成状態概要図、 第7図は本発明の薄膜形成装置におけるプラズマの生成
状態図、 第8八図は本発明の他の実施例の断面図、第8B図はそ
の磁束密度分布図、 第9A図は本発明のさらに他の実施例の断面図、第9B
図はその磁束密度分布図、 第10図は2極スパツタ装置の構成図、第11図は従来
の薄膜形成装置の断面図である。 1・・・ターゲット、 2・・・基板、 3・・・プラズマ、 4・・・真空槽、 5・・・磁束、 6・・・マイクロ波導入窓、 7・・・マイクロ波導波管、 8・・・磁界発生用電磁石、 9・・・試料室、 lO・・・真空導波管、 11・・・プラズマ生成室、 12・・・円筒状ターゲット、 15・・・ヨーク、 16・・・補助電磁石。
Figure 1 is a cross-sectional view of an embodiment of the thin film forming apparatus of the present invention, Figure 2 is a detailed cross-sectional view of a cylindrical target, and Figure 3 is a graph showing the relationship between the reflectance of microwaves incident perpendicular to the magnetic flux and the magnetic flux density. 4 is a diagram showing the magnetic field strength distribution in the magnetic flux direction in the embodiment of the thin film forming apparatus of the present invention shown in FIG. 1, and FIG. 5A is a cross-sectional view of another embodiment of the present invention. 5
Figure B is a diagram of the magnetic flux density distribution, Figure 6 is a schematic diagram of the plasma generation state when the vacuum waveguide is connected in the magnetic flux direction, and Figure 7 is a diagram of the plasma generation state in the thin film forming apparatus of the present invention. , Fig. 88 is a sectional view of another embodiment of the present invention, Fig. 8B is a magnetic flux density distribution diagram thereof, Fig. 9A is a sectional view of still another embodiment of the invention, and Fig. 9B is a sectional view of another embodiment of the present invention.
The figure is a magnetic flux density distribution diagram, FIG. 10 is a configuration diagram of a two-pole sputtering device, and FIG. 11 is a sectional view of a conventional thin film forming device. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Target, 2... Substrate, 3... Plasma, 4... Vacuum chamber, 5... Magnetic flux, 6... Microwave introduction window, 7... Microwave waveguide, 8 ... Magnetic field generation electromagnet, 9... Sample chamber, 1O... Vacuum waveguide, 11... Plasma generation chamber, 12... Cylindrical target, 15... Yoke, 16... Auxiliary electromagnet.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)導入されるマイクロ波が共振する空洞共振器を形成
し、ガスを導入してプラズマを発生するプラズマ生成室
と、 該プラズマ生成室に結合され、内部に基板ホルダーを有
する試料室と、 前記プラズマ生成室の外周に設けられ、該プラズマ生成
室の側面と平行でかつ前記基板ホルダーに向って拡散す
る磁界を発生するための非対称な2個の磁界発生手段と
、 一端部にマイクロ波導入窓を有し、他端部が、マイクロ
波の共振磁束密度より高い磁束密度の部分において前記
プラズマ生成室に結合される真空導波管と、 前記プラズマ生成室の内壁もしくは前記試料室の該プラ
ズマ生成室との境界近傍に設けられた円筒状のターゲッ
トとを具えたことを特徴とする薄膜形成装置。 2)前記マイクロ波導入窓が前記ターゲットから見えな
い位置に設けられていることを特徴とする請求項1記載
の薄膜形成装置。 3)ガスを導入してプラズマを生成するためのプラズマ
生成室に、該プラズマ生成室の側面に平行でかつ非対称
な磁界を形成し、磁束密度分布がマイクロ波の共振密度
より高い部分において前記プラズマ生成室にマイクロ波
を導入することを特徴とするマイクロ波導入方法。
[Claims] 1) A plasma generation chamber that forms a cavity resonator in which the introduced microwave resonates and generates plasma by introducing gas, and a substrate holder that is coupled to the plasma generation chamber and has a substrate holder inside. a sample chamber having a sample chamber; two asymmetrical magnetic field generating means provided on the outer periphery of the plasma generation chamber for generating a magnetic field that is parallel to the side surface of the plasma generation chamber and diffused toward the substrate holder; a vacuum waveguide having a microwave introduction window at one end thereof, the other end of which is coupled to the plasma generation chamber at a portion having a magnetic flux density higher than the resonant magnetic flux density of the microwave; A thin film forming apparatus comprising: a cylindrical target provided near a boundary between a sample chamber and the plasma generation chamber. 2) The thin film forming apparatus according to claim 1, wherein the microwave introduction window is provided at a position that is not visible from the target. 3) A magnetic field parallel and asymmetrical to the side surface of the plasma generation chamber is formed in the plasma generation chamber for introducing gas to generate plasma, and the plasma is generated in a portion where the magnetic flux density distribution is higher than the microwave resonance density. A microwave introduction method characterized by introducing microwaves into a generation chamber.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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