JPH02101161A - Sputtering device - Google Patents

Sputtering device

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JPH02101161A
JPH02101161A JP25390088A JP25390088A JPH02101161A JP H02101161 A JPH02101161 A JP H02101161A JP 25390088 A JP25390088 A JP 25390088A JP 25390088 A JP25390088 A JP 25390088A JP H02101161 A JPH02101161 A JP H02101161A
Authority
JP
Japan
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sputtering
target
insulator
substrate
film
Prior art date
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Pending
Application number
JP25390088A
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Japanese (ja)
Inventor
Junji Nakada
純司 中田
Hideaki Takeuchi
英明 竹内
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Fujifilm Holdings Corp
Original Assignee
Fuji Photo Film Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH02101161A publication Critical patent/JPH02101161A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To form a good-quality insulator film at a high film forming rate by providing a fast neutron beam source into a sputtering chamber of a magnetron sputtering device and removing the unnecessary deposits of a target surface by irradiation of the fast neutrons. CONSTITUTION:The insulator consisting of the oxide or nitride of a target metal 14 is deposited on the surface of the target 14 and the thin film on the surface of the substrate 13 is contaminated by the melt formed by the abnormal discharge arising from the breakage of the insulator at the time of supplying an active reaction gas such as O2 or N2 from a gas inlet 25 into the magnetron sputtering device disposed with permanent magnets 15, 16 on the rear surface of the metallic target 14 and forming the thin film consisting of the oxide or nitride of the target metal 14 by sputtering on the surface of the substrate 13. A fast neutron beam source 22 is provided in order to prevent such contamination and after the deposit is irradiated with the fast neutron beam generated by this source and is thereby decomposed away; thereafter, the target is subjected to a sputtering treatment, by which the film of the insulator consisting of the good-quality metal oxide, metal nitride, etc., is formed at a high speed on the substrate 13.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、基板に絶縁物等の薄膜を形成するスパッタリ
ング装置に関し、更に詳述すれば、マグネトロン放電の
安定性と薄膜欠陥の低減が図れるマグネトロン型のスパ
ッタリング装置に関する。
[Detailed Description of the Invention] (Industrial Application Field) The present invention relates to a sputtering device for forming a thin film of an insulating material or the like on a substrate, and more specifically, it is capable of stabilizing magnetron discharge and reducing thin film defects. The present invention relates to a magnetron type sputtering device.

(従来技術) 従来より、スパッタリング装置は、低圧雰囲気下に配置
した電極間に例えばAr等の不活性ガスによるグロー放
電を発生せしめ、放電空間!て形成されるプラズマ中の
正イオン(Ar=)を加速してターゲット陰極表面に衝
突させ、これによって飛び出したターゲット物質(スパ
ッタリング粒子)を陽極上に置いた基板面上に堆積させ
て薄膜を形成するものとして、広く工業手向に利用され
ている。 また、成膜速度を速めるために、陰極と陽極
間の電界に直交する磁界を発生し該磁界の作用を利用し
てスパッタ放電するマグネトロン型のスパッタリング装
置が広く用いられている。
(Prior Art) Conventionally, sputtering equipment generates a glow discharge between electrodes arranged in a low-pressure atmosphere using an inert gas such as Ar, and creates a discharge space! The positive ions (Ar=) in the plasma formed by the process are accelerated and collided with the surface of the target cathode, and the ejected target material (sputtered particles) is deposited on the surface of the substrate placed on the anode to form a thin film. It is widely used in industrial applications. Furthermore, in order to increase the film formation rate, a magnetron type sputtering apparatus is widely used which generates a magnetic field perpendicular to the electric field between the cathode and the anode and uses the effect of the magnetic field to discharge sputtering.

上述のマグネトロンスパックの基本的原理を第3図を用
いて説明する。
The basic principle of the above-mentioned magnetron pack will be explained using FIG.

このマグネトロンスパッタは、ターゲット1の表面に平
行な磁力線2を形成するために例えば永久磁石3.4が
組み込まれており、磁界と電極間に形成される電界Eと
がターゲット中央部で直交している。
This magnetron sputtering incorporates, for example, a permanent magnet 3.4 in order to form lines of magnetic force 2 parallel to the surface of the target 1, and the magnetic field and the electric field E formed between the electrodes are perpendicular to each other at the center of the target. There is.

このため、電子が磁石により形成された磁界と電界の作
用によりサイクロイド運動してスパッタガスのイオン化
を促進し、ターゲット表面に対してほぼ平行となってい
る磁界領域にて円環状に放電が集中してクーゲットをリ
ング状に浸食する。この結果、ターゲットは磁界のない
ときに比べて顕著にスパックされて成膜速度を向上させ
ることができる。
For this reason, the electrons move in a cycloid due to the action of the magnetic field and electric field formed by the magnet, promoting ionization of the sputtering gas, and the discharge is concentrated in an annular shape in the magnetic field region that is almost parallel to the target surface. The couget is eroded into a ring shape. As a result, the target is spattered more significantly than when there is no magnetic field, and the film formation rate can be improved.

一方、スパッタリング技術として、不活性ガスに他の0
2.N2等の活性な反応ガスを混合することにより、タ
ーゲット材料と反応ガスとの化合物薄膜を形成する反応
性スパッタリング法がある。この場合、ターゲット材料
として通常金属を用い、化合物薄膜として絶縁膜や光学
膜を形成する場合が多い。
On the other hand, as sputtering technology, inert gas is
2. There is a reactive sputtering method in which a compound thin film of a target material and a reactive gas is formed by mixing an active reactive gas such as N2. In this case, a metal is usually used as the target material, and an insulating film or an optical film is often formed as a compound thin film.

一般に、ターゲットが金属である場合、ターゲット電源
として直流(DC)、高周波(RF)の両方が利用され
る。
Generally, when the target is metal, both direct current (DC) and radio frequency (RF) are used as target power sources.

(発明が解決しようとする課題) しかしながら、化合物薄膜が絶縁物である場合、前記マ
グネトロン型のスパッタリング装置においては、RFス
パッタがより多く利用されている。これは、DCCスパ
ッタより反応性スパッタリングを長時間行うと、異常放
電が発生して欠陥薄膜が形成され易いことによる。
(Problems to be Solved by the Invention) However, when the compound thin film is an insulator, RF sputtering is more often used in the magnetron type sputtering apparatus. This is because when reactive sputtering is performed for a longer time than DCC sputtering, abnormal discharge occurs and defective thin films are more likely to be formed.

すなわち、第3図からも判るように、磁力線2がターゲ
ツト面から垂直に出している両磁極に接近し社部分では
電子のザイクロイド運動が好都合に行われないことから
ターゲット)浸食が進まず、長時間スパッタし−5いる
と反対にターゲット表面に反応生成物が堆積する。この
堆積物は反応ガスが02 、 N2の場合、酸化物や窒
化物等の絶縁物であり、ターゲット表面のこの部分によ
ってスパッタ収量が低下するだけでなく、最も大きな問
題はこの絶縁物の部分だけが高抵抗領域となり、次第に
帯電して絶縁破壊を起こし、異常放電に達する。そして
この際、ターゲット表面の堆積物が溶融して不純物を放
出することにより、該不純物が基板面に付着するため、
欠陥薄膜が形成されてしまう。
In other words, as can be seen from Fig. 3, the magnetic field lines 2 approach the two magnetic poles extending perpendicularly from the target surface, and the zykroid motion of electrons does not occur favorably in the area where the target surface erodes. On the other hand, if sputtering is performed for a period of -5 hours, reaction products will be deposited on the target surface. When the reactant gas is 02 or N2, this deposit is an insulator such as oxide or nitride, and not only does this part of the target surface reduce the sputtering yield, but the biggest problem is that this part of the insulator is the only part of the problem. becomes a high-resistance region, and gradually becomes charged, causing dielectric breakdown and reaching abnormal discharge. At this time, the deposits on the target surface melt and release impurities, which adhere to the substrate surface.
A defective thin film is formed.

従って、反応性スパッタリングでは、通常、ターゲット
材料が絶縁的であってもスパッタリング可能なRFスパ
ッタが利用されている訳であるが、しかし、RFスパッ
タにおいても前記不要堆積物の形成が全くないわけでは
なく、又、RFスパッタはDCスパッタに較べて成膜速
度が遅いと云う欠点があった。
Therefore, in reactive sputtering, RF sputtering is usually used, which allows sputtering even if the target material is insulating.However, even in RF sputtering, the formation of unnecessary deposits does not occur at all. Furthermore, RF sputtering has the disadvantage that the film formation rate is slower than DC sputtering.

本発明の目的は、上記事情に鑑みなされたものであり、
反応性スパッタリングにおいて絶縁物の堆積が原因で生
じる異常放電を阻止し、かつ速い成膜速度で良質の薄膜
が形成できるスパッタリング装置を提供することにある
The purpose of the present invention was made in view of the above circumstances, and
It is an object of the present invention to provide a sputtering apparatus that can prevent abnormal discharge caused by deposition of an insulator in reactive sputtering and can form a high-quality thin film at a high film formation rate.

(課題を解決するための手段) すわわち、本発明の上記目的は、基板とターゲットとの
電極間に形成される電界に対して直交する磁界をターゲ
ット表面に形成する磁界発生手段を備えたマグネトロン
型のスパッタリング装置であって、前記ターゲット表面
に高速中性子を照射する高速中性粒子ビーム源を有し、
前記高速中性粒子により前記ターゲット表面に形成され
る不要堆積物を除去するように構成されたことを特徴と
するスパッタリング装置により達成される。
(Means for Solving the Problems) In other words, the above object of the present invention is to provide a magnetic field generating means for forming a magnetic field on the target surface that is perpendicular to the electric field formed between the electrodes of the substrate and the target. A magnetron-type sputtering device, comprising a fast neutral particle beam source that irradiates the target surface with fast neutrons,
This is achieved by a sputtering apparatus characterized in that it is configured to remove unnecessary deposits formed on the target surface by the high-speed neutral particles.

(実施態様) 以下、本発明のスパッタリング装置の一実施態様を図面
に基づいて詳細に説明する。
(Embodiment) Hereinafter, one embodiment of the sputtering apparatus of the present invention will be described in detail based on the drawings.

第1図は、本実施態様のマグネトロン型のスパッタリン
グ装置における要部を示す概略図であS0図において、
マグネトロン型のスパッタリング装置(以下、単にスパ
ッタリング装置と称する)は、ガス導入口25および排
気口26を有するスパッタ室10内に、互−1に対向し
た陽極11.陰極12が一対設けられている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the main parts of the magnetron type sputtering apparatus of this embodiment, and in the S0 diagram,
A magnetron type sputtering apparatus (hereinafter simply referred to as a sputtering apparatus) has anodes 11 . A pair of cathodes 12 are provided.

前記画極11,12は、回転可能に構成された基板ホル
ダ1.3 a上には被スパツタリング部材である基板1
3が、陰極12の表面にはターゲット14がそれぞれ配
置されている。
The picture poles 11 and 12 are arranged on a rotatable substrate holder 1.3a.
3, targets 14 are arranged on the surface of the cathode 12, respectively.

前記陰極12は、第3図に示した従来のものと同様に構
成することができ1、前記ターゲット14の表面に平行
な磁力線2を形成する永久磁石I5,16が、ターゲッ
ト裏面側に位置した支持台17上に配置されている。ま
た、前記陰極、12は、周面がシールド部材18により
遮蔽され、且つ絶縁体19により容器と電気的に絶縁さ
れて前記ターゲラ)14はスパッタ用直流電源20と接
続されスパッタパワーが加えられている。
The cathode 12 can be constructed in the same manner as the conventional one shown in FIG. It is arranged on a support stand 17. Further, the cathode 12 has a peripheral surface shielded by a shield member 18 and is electrically insulated from the container by an insulator 19, and the target electrode 14 is connected to a sputtering DC power source 20 to apply sputtering power. There is.

尚、従来装置と同様、必要に応じて移動調整可能なンヤ
ッタ21が電極間に配置されており、また、前記スパン
タ室10.前記陽極11ちよび前記/−ルド部材18は
共に接地されている。
Note that, like the conventional device, a spunter chamber 10. The anode 11 and the lead member 18 are both grounded.

本発明の特長とするところは、前記ターゲット14の斜
め上方に高速中性粒子ビーム源22が配置されているこ
とである。そして、前記高速中性粒子ビーム源22は、
タープ7)表面を成膜工程開始以前に高速中性粒子のビ
ーム(C)により前記タープ7)14の表面をビーム照
射するプレ・スパッタを行い、スパッタ工程中における
不必要なアーク放電の発生を抑えるように設けられてい
る。
A feature of the present invention is that a high-speed neutral particle beam source 22 is disposed obliquely above the target 14. The high speed neutral particle beam source 22 is
Before the start of the film forming process, pre-sputtering is performed to irradiate the surface of the tarp 7) 14 with a beam (C) of high-speed neutral particles to prevent unnecessary arc discharge during the sputtering process. It is designed to suppress it.

なお、前記高速中性粒子ビーム源22の位置は特に限定
するものではなく、スパッタリンク工程に支障のない所
であることは勿論のこと、ビーム照射効率の良い位置、
すなわちビーム入射角がなるべく大きくならない位置が
望ましい。
Note that the position of the high-speed neutral particle beam source 22 is not particularly limited, and may be any location that does not interfere with the sputter linking process, as well as a location where beam irradiation efficiency is high.
In other words, a position where the beam incidence angle does not become as large as possible is desirable.

前記高速中性粒子ビーム源22が発生する高速中性子は
、前記スパック室10内に注入された例えば酸素や窒素
などの反応ガスによって前記ターゲット14表面の一部
に形成される絶縁物を除去することができる。そして、
前記高速中性粒子ビーム源22の作動は、例えばスバツ
タ工程のインターバル間において行い、除去した絶縁物
(不純物)を前記スパッタ室10の排気とともに該スパ
ッタ室外に出すことができる。
The fast neutrons generated by the fast neutral particle beam source 22 remove an insulator formed on a part of the surface of the target 14 by a reactive gas such as oxygen or nitrogen injected into the spuck chamber 10. Can be done. and,
The operation of the high speed neutral particle beam source 22 is performed, for example, between intervals of the sputtering process, and the removed insulator (impurity) can be discharged to the outside of the sputtering chamber along with the exhaust of the sputtering chamber 10.

尚、高速中性粒子の生成方法は種々あるが、−船釣に、
前記高速中性粒子ビーム源22に設けられたイオン発生
部30内にビーム用ガス導入口31から不活性ガスを導
入し、ビーム源電源29により、前記イオン発生部30
で生成した価電イオンを加速し引き出したのち、ニュー
トラライザ27から発生した電子により中性化してアパ
ーチャ27から放出する方法を用いることができる。
There are various ways to generate high-speed neutral particles.
An inert gas is introduced into the ion generating section 30 provided in the high speed neutral particle beam source 22 from the beam gas inlet 31, and the beam source power supply 29 causes the ion generating section 30 to be
A method may be used in which the valence ions generated are accelerated and extracted, neutralized by electrons generated from the neutralizer 27, and then released from the aperture 27.

このように本発明のスパッタリング装置は、前記高速中
性粒子ビーム源22によって発生した高速中性粒子ビー
ムが前記ターゲット14の表面、特に前記磁力線2が垂
直に放射する部分に照射されることにより、この部分に
堆積する絶縁物を分解し除去クリーニングして高抵抗領
域をなくし、その後のスパッタ成膜過程において安定し
た放電を行わせることができる。ここで、前記ターゲッ
ト14に照射される高速粒子ビームが中性粒子であるこ
とが重要である。すなわち、通常のイオンビームでは、
ターゲット表面の絶縁物を逆に帯電させることになり、
上述の効果は期待できないが、高速中性子によって、上
述の反応性スパッタリングにおける前記基板13上の絶
縁物薄膜の成膜を抑えることが出来、特にDCスパッタ
リングにおける異常放電による薄膜の欠陥が阻止でき、
迅速かつ高品質の成膜が可能である。
In this way, the sputtering apparatus of the present invention has a method in which the high-speed neutral particle beam generated by the high-speed neutral particle beam source 22 is irradiated onto the surface of the target 14, particularly the portion where the magnetic lines of force 2 radiate perpendicularly. The insulator deposited in this area is decomposed and removed and cleaned to eliminate the high resistance region, allowing stable discharge to occur in the subsequent sputtering film formation process. Here, it is important that the high-speed particle beam irradiated onto the target 14 is a neutral particle. In other words, in a normal ion beam,
This will reversely charge the insulator on the target surface.
Although the above-mentioned effects cannot be expected, fast neutrons can suppress the formation of an insulating thin film on the substrate 13 in the above-mentioned reactive sputtering, and in particular can prevent defects in the thin film due to abnormal discharge in DC sputtering.
Rapid and high-quality film formation is possible.

これは、DCスパッタリングのみならずRFスパッタリ
ングにも同様なことがいえる。
This applies not only to DC sputtering but also to RF sputtering.

前記実施態様においては前記高速中性子ビーム源22を
一つ設けたが、本発明は一つに限るものではなく複数で
あっても良いことは勿論である。
Although one fast neutron beam source 22 is provided in the embodiment, the present invention is of course not limited to one, and may include a plurality of sources.

(発明の効果) 以上記載したように、本発明のスパッタリング装置は、
前記ターゲット表面に高速中性子を照射する高速中性粒
子ビーム源を有し、前記高速中性粒子により前記ターゲ
ット表面に形成される不要堆積物を除去するよに構成さ
れたので、スパッタリング以前にターゲット表面を高速
中性粒子ビームによりプレ・スパッタして好適にクリー
ニングすることができ、絶縁物の堆積が阻止されて異常
放電の発生が大幅に軽減される。その結果、特にDCス
パッタリングにおける反応性スパッタリンクを従来とは
比較にならない程良好に行うことができ、膜質の低下を
来すこともなく且つ成膜速度の改善が図れる。
(Effects of the Invention) As described above, the sputtering apparatus of the present invention has the following features:
The target surface has a fast neutral particle beam source that irradiates the target surface with fast neutrons, and is configured to remove unnecessary deposits formed on the target surface by the fast neutral particles, so that the target surface can be removed before sputtering. can be suitably cleaned by pre-sputtering with a high-speed neutral particle beam, preventing the deposition of insulators and greatly reducing the occurrence of abnormal discharge. As a result, reactive sputter linking, especially in DC sputtering, can be performed better than in the past, and the film formation rate can be improved without deteriorating film quality.

以下、本発明の効果を実施例により明確にすることがで
きる。
Hereinafter, the effects of the present invention can be made clearer by way of examples.

(実施例) 第1図に示したスパッタリング装置により、下記スパッ
ク条件の基づきスパッタリングを行った。
(Example) Sputtering was performed using the sputtering apparatus shown in FIG. 1 under the following sputtering conditions.

スパッタ条件 ターゲット  Ti  (チタン) (純度5N、厚さ3mm、 φ5′) 陰極      マグネトロンスパックカソード到達真
空度  5 X 10−7Torrスパツタガス Ar
  (純度 5N5)反応ガス   N2  (純度 
5N)スパッタガス圧 5 X 10−3Torr以下 基板−ターゲット距離 60mm DC電力   1.OKW 中性粒子ビーム源作動時圧力 5×10″′4TOrr以下 DC電力   1.0KIll 中性粒子源   口径 φ3″ イオン化ガス Ar 加速電圧   700〜1.OKW イオン電流相当 0、 3〜0. 7mA/cnJ 粒子源−基板距離 20mm このような条件において、はぼ同じ状態のターゲットを
複数用いて基板上にTi  Nの成分からなる光学膜が
成膜される以前に、それぞれ違った時間(0〜10分)
高速中性粒子ビームによりターゲット表面をプレ・スパ
ッタしてクリーニングし、その後、スパッタリングをそ
れぞれ30分間行い、アーク放電の頻度を観察した。
Sputtering conditions target Ti (titanium) (purity 5N, thickness 3mm, φ5') Cathode Magnetron spuck cathode vacuum level 5 X 10-7 Torr sputtering gas Ar
(Purity 5N5) Reaction gas N2 (Purity
5N) Sputtering gas pressure 5 x 10-3 Torr or less Substrate-target distance 60mm DC power 1. OKW Neutral particle beam source operating pressure 5×10'''4 TOrr or less DC power 1.0KIll Neutral particle source Diameter φ3'' Ionized gas Ar Acceleration voltage 700~1. OKW Ion current equivalent 0, 3~0. 7 mA/cnJ Particle source-substrate distance 20 mm Under these conditions, before an optical film made of TiN was formed on the substrate using multiple targets in almost the same state, each target was heated for a different time (0 ~10 minutes)
The target surface was pre-sputtered and cleaned with a high-speed neutral particle beam, and then sputtering was performed for 30 minutes each, and the frequency of arc discharge was observed.

第2図は、上記スパック工程中、高速中性粒子ビームに
よるプレ・スパッタによるクリーニング時間と、連続3
0分の反応性スパッタリング中に発生したアーク放電の
頻度の関係を示したものである。
Figure 2 shows the cleaning time by pre-sputtering using a high-speed neutral particle beam during the sppacking process, and the cleaning time for continuous 3
This figure shows the relationship between the frequency of arc discharge occurring during reactive sputtering for 0 minutes.

第2図から分かるように、高速中性粒子ビーム照射を5
〜6分以上行うことにより、その効果が現れ、アーク放
電の頻度は激減することがわかる。その結果、DCスパ
ッタリングでも異常放電がほとんど認められず、絶縁物
の反応性スパッタリングによる成膜の可能なことが確認
された。
As can be seen from Figure 2, high-speed neutral particle beam irradiation was
It can be seen that by carrying out the treatment for 6 minutes or more, the effect appears and the frequency of arc discharge is drastically reduced. As a result, almost no abnormal discharge was observed even with DC sputtering, and it was confirmed that it is possible to form a film by reactive sputtering of an insulator.

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

第1図は本発明の一実施態様によるスパッタリング装置
の概略構成図、第2図は実施例によるプレ・スパッタ時
間とアーク放電発生頻度の関係を示したグラフ、第3図
はマグネトロンスパッタの原理を説明する図である。 図中符号: ■、14:ターゲット、   2:磁力線、3、 4.15.16:永久磁石、 ニスバッタ室、   11,12:電極、:基板、  
   13a:基板ホルダ、:支持台、     18
;シールド部材、絶縁体、 スパッタ用直流電源、 シャッタ、 高速中性粒子ビーム源、 ガス導入口、   26:排気口 ニュートラライザ、 アパーチャ、  29:ビーム源電源、イオン発生部、 ビーム用ガス導入部。 −一ト へ誕奈参ml奪富枢
Fig. 1 is a schematic diagram of a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a graph showing the relationship between pre-sputtering time and arc discharge frequency according to the embodiment, and Fig. 3 is a graph showing the principle of magnetron sputtering. FIG. Symbols in the figure: ■, 14: Target, 2: Lines of magnetic force, 3, 4.15.16: Permanent magnet, Varnish batter chamber, 11, 12: Electrode, : Substrate,
13a: Substrate holder, : Support stand, 18
; Shield member, insulator, DC power supply for sputtering, shutter, high-speed neutral particle beam source, gas inlet, 26: Exhaust port neutralizer, aperture, 29: Beam source power supply, ion generator, gas inlet for beam. - Itto to Danna San ML Robo Tokushin

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 基板とターゲットとの電極間に形成される電界に対して
直交する磁界をターゲット表面に形成する磁界発生手段
を備えたマグネトロン型のスパッタリング装置であって
、前記ターゲット表面に高速中性子を照射する高速中性
粒子ビーム源を有し、前記高速中性粒子により前記ター
ゲット表面に形成される不要堆積物を除去するように構
成されたことを特徴とするスパッタリング装置。
A magnetron-type sputtering apparatus is equipped with a magnetic field generating means that generates a magnetic field on the target surface that is perpendicular to the electric field formed between the electrodes of the substrate and the target, and the sputtering apparatus is a high-speed sputtering apparatus that irradiates the target surface with fast neutrons. 1. A sputtering apparatus comprising a neutral particle beam source and configured to remove unnecessary deposits formed on the target surface by the high-speed neutral particles.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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