JPH034620B2 - - Google Patents

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JPH034620B2
JPH034620B2 JP56099659A JP9965981A JPH034620B2 JP H034620 B2 JPH034620 B2 JP H034620B2 JP 56099659 A JP56099659 A JP 56099659A JP 9965981 A JP9965981 A JP 9965981A JP H034620 B2 JPH034620 B2 JP H034620B2
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Japan
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magnetic pole
target
pole body
plasma generation
film
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JP56099659A
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Hide Kobayashi
Katsuo Abe
Tsuneaki Kamei
Hideki Tateishi
Susumu Aiuchi
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は薄膜材料のスパツタ装置で使用するタ
ーゲツト平板の長寿命化と試料表面上の堆積膜厚
分布を制御することを図つたプレーナマグネトロ
ン方式のスパツタリングによる成膜方法及びその
装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides a film forming method using planar magnetron sputtering, which aims to extend the life of a target flat plate used in a thin film material sputtering device and to control the deposited film thickness distribution on the sample surface. This is related to the device.

スパツタリング技術は、低圧の雰囲気ガスをグ
ロー放電を起こしてイオン化(プラズマ状)し、
陰陽電極間に印加された高電圧により、そのプラ
ズマ状イオンが加速されて、陰極におかれたター
ゲツト材料の平板に衝突させられる。
Sputtering technology ionizes (plasma-like) low-pressure atmospheric gas by causing glow discharge.
A high voltage applied between the anode and cathode electrodes accelerates the plasma-like ions and causes them to collide with a plate of target material placed at the cathode.

衝突させられたイオンにより飛び出されたター
ゲツト材料の構成原子又は粒子は、陽極近傍に設
けられた基板上に付着堆積して、ターゲツト材料
の薄膜を形成する技術である。
This is a technique in which the constituent atoms or particles of the target material ejected by the collided ions are deposited on a substrate provided near the anode to form a thin film of the target material.

この場合、グロー放電によつて発生したイオン
を空間内に高密度に閉じ込め、これをターゲツト
材料平板上に有効に運び込むことが、堆積速度を
改善し、電子による基板の損傷を低減する上で重
要となつている。
In this case, it is important to confine the ions generated by the glow discharge in a space with a high density and carry them effectively onto the target material plate in order to improve the deposition rate and reduce damage to the substrate caused by electrons. It is becoming.

そのために前記のイオンをターゲツト材料平板
面上の空間領域に閉じ込め高密度化を図ることが
有効である。そして、磁界構成が検討されて来て
いる。
For this purpose, it is effective to confine the ions to a spatial region on the flat surface of the target material and increase the density. The magnetic field configuration has also been studied.

特にプレーナーマグネトロン方式スパツタリン
グ装置は、その堆積速度が従来の抵抗加熱型真空
蒸着装置に匹敵する程度になるに及び、近年薄膜
集積回路や半導体デバイス用の薄膜形成装置とし
て、その生産用成膜工程に多用されるに致つた。
In particular, planar magnetron sputtering equipment has come to have a deposition rate comparable to conventional resistance heating vacuum evaporation equipment, and has recently been used as a thin film forming equipment for thin film integrated circuits and semiconductor devices in the production process. It came to be used frequently.

第1図は良く知られた従来技術によるプレーナ
ーマグネトロン方式スパツタリング装置のターゲ
ツト材料平板近傍の構造を示す概念説明断面図で
ある。ターゲツト材料平板(以下ターゲツト平板
という)1の裏面にヨーク6により磁気結合され
たリング状磁極2と、そのリング状磁極2の中心
部に円柱状磁石3とが、磁気回路を構成して配置
されている。こられの磁極2,3によつてターゲ
ツト1の表面側(第1図1の下側)の空間に磁力
線の分布、換言すれば円環体(Torus)の高さ方
向に垂直な平面で半裁し、その半裁面がターゲツ
ト平板1の表面に平行におかれた半円環状磁界分
布、通称トンネル状磁界分布11が発生する。こ
のトンネル状磁界分布11によつて、その内部に
上記プラズマ状イオンが高濃度に閉じ込められる
(図示せず)。このプラズマ状イオンは、さらに陽
極10とターゲツト平板1の裏面に絶縁スペーサ
8を介して設置された陰極7間に印加された高電
圧により発生しているターゲツト平板1の表面に
ほぼ垂直な電界によつて加速され、ターゲツト平
板1表面に衝突し、その結果、ターゲツト1表面
から順次、その原子又は粒子がはじき出され、侵
食領域12が形成される。
FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view showing the structure of a planar magnetron type sputtering apparatus in the vicinity of a flat plate of target material according to the well-known prior art. A ring-shaped magnetic pole 2 magnetically coupled to the back surface of a target material flat plate (hereinafter referred to as target flat plate) 1 by a yoke 6, and a cylindrical magnet 3 at the center of the ring-shaped magnetic pole 2 are arranged to constitute a magnetic circuit. ing. These magnetic poles 2 and 3 create a distribution of magnetic lines of force in the space on the surface side of the target 1 (lower side of Fig. 1), in other words, the torus is divided in half on a plane perpendicular to the height direction. However, a semicircular magnetic field distribution, commonly called a tunnel-shaped magnetic field distribution 11, whose half-cut plane is parallel to the surface of the target flat plate 1 is generated. This tunnel-like magnetic field distribution 11 confines the plasma-like ions in a high concentration therein (not shown). These plasma ions are further exposed to an electric field almost perpendicular to the surface of the target flat plate 1 generated by a high voltage applied between the anode 10 and the cathode 7 installed on the back surface of the target flat plate 1 via an insulating spacer 8. As a result, the atoms or particles are accelerated and collide with the surface of the target flat plate 1, and as a result, the atoms or particles are sequentially ejected from the surface of the target 1, forming an eroded region 12.

なお、5は水冷機構である。この侵食領域12
は、以上の説明から推定されるように、スパツタ
リング工程の時間経過に伴つて侵食度が進むが、
この侵食は通常第1図に示す構成のターゲツト平
板構造体では、ターゲツト平板の特定の領域に限
定されて進行するために、実効的には侵食領域の
体積程度しか使用できないとされる。
Note that 5 is a water cooling mechanism. This erosion area 12
As estimated from the above explanation, the degree of erosion increases as time passes in the sputtering process, but
In the target flat plate structure shown in FIG. 1, this erosion usually progresses only in a specific area of the target flat plate, so that it is said that only the volume of the eroded area can be effectively used.

したがつて初期的には目的とする均一な膜厚分
布が得られても、さらに、かかる侵食領域の形成
によつて、はじき出されるターゲツト材料の原子
のはじき出される方向及び量が変化するために、
試料基板表面上の被堆積薄膜の膜厚分布が経時的
に変化し、許容される成膜膜厚分布のかたよりが
大となり、ターゲツト材料の板厚を消耗し切るこ
とによりむしろ、膜厚分布の経時劣化によりター
ゲツト材料の寿命が決定されてしまう欠点があ
る。
Therefore, even if the desired uniform film thickness distribution is initially obtained, the formation of such erosion regions changes the direction and amount of the atoms of the target material that are ejected.
The film thickness distribution of the thin film to be deposited on the surface of the sample substrate changes over time, and the variation in the allowable film thickness distribution becomes large. There is a drawback that the lifetime of the target material is determined by deterioration over time.

そのために、多数の試料基板に連続して成膜し
たいとか長時間のスパツタリング工程を実行した
い場合にその実行が不可能となり、これが従来の
スパツタリング工程の限界とされていたのであ
る。その後この欠点を除くために上記侵食領域1
2が広面積でターゲツト平板1表面上に発生する
ように磁界分布11を変化してやることが提案さ
れた(特開昭51−86083、特開昭53−7586)。
For this reason, when it is desired to continuously form films on a large number of sample substrates or to perform a long sputtering process, it becomes impossible to do so, and this has been considered a limitation of the conventional sputtering process. After that, in order to remove this defect, the erosion area 1 is
It has been proposed to change the magnetic field distribution 11 so that the magnetic field 2 is generated over a wide area on the surface of the target flat plate 1 (Japanese Patent Laid-Open Nos. 51-86083 and 1982-7586).

この技術の理論的背景ないし、技術的思想は特
開昭51−86083号公報の第2頁、右下の欄、第19
行目から第3頁、左上の欄、第2行目にある如
く、「最大のターゲツト侵食は、磁力線がターゲ
ツト板に平行になる上記の点、或は領域に揃い且
つこの領域の下に横たわつている領域において発
生する」にあるとされ、かくして特開昭51−
86183号公報においては、その特許請求の範囲第
1項に記載された文言にあるごとく、第1の磁界
手段に対して、前記の源に垂直な方向に補助的な
可変磁界を発生させ、補助的な可変磁界を変化さ
せてその台成磁力線が前記の源と平行になる位置
を連続的に移動させる第2の磁石手段を具備した
ものであるとし、具体的な技術として図面の第4
図に示す電磁石を弧立的に配置した実施例を開示
している。他方、特開昭53−7586号公報において
は、その技術は端的に述べれば、磁石手段そのも
のを機械的に移動するものである。
The theoretical background and technical idea of this technology are described in JP-A No. 51-86083, page 2, lower right column, 19th page.
As stated in the 2nd line of the 3rd page, top left column, ``The greatest target erosion occurs when the magnetic field lines align with and lie below the above point or area where the magnetic field lines are parallel to the target plate. It is said that "occurs in areas where
No. 86183, as stated in claim 1, generates an auxiliary variable magnetic field in the direction perpendicular to the source for the first magnetic field means, 4 of the drawings as a specific technique.
An embodiment in which the electromagnets shown in the figure are arranged in an upright manner is disclosed. On the other hand, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 53-7586, the technique is simply to mechanically move the magnet means itself.

しかるに、本願発明者らは上記の公知例中の技
術的思想に対しても、本願発明者の実験事実に照
らし合わせて再検討し、上記公知例に示された技
術的手段よりも一層その効果が改善され、さらに
新たに、堆積した薄膜の膜厚およびその分布をほ
ぼ任意に制御できる技術を実現することができ
た。
However, the inventors reconsidered the technical ideas in the above-mentioned known examples in light of the experimental facts of the inventors, and found that the effects are even more effective than the technical means shown in the above-mentioned known examples. In addition, we were able to realize a new technology that allows almost arbitrary control of the thickness and distribution of the deposited thin film.

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決す
べく、成膜する基板に対して均一な膜厚分布が得
られるように、容易に且つ実用的に制御できるよ
うにしたプレーナマグネトロン方式のスパツタリ
ングによる成膜方法及びその装置を提供すること
にある。
An object of the present invention is to solve the problems of the prior art described above, by using a planar magnetron sputtering method that can be easily and practically controlled so that a uniform film thickness distribution can be obtained on a substrate on which a film is to be deposited. An object of the present invention is to provide a film forming method and an apparatus thereof.

即ち、本発明は、上記目的を達成するために、
磁束線が一つの磁束源から発生した場合、その性
質として磁束同志は交鎖することがなく、磁束線
相互にmaxwell応力なる引力ないし斥力が作用
することに鑑み、ターゲツトの中心に設けられた
第1の磁極体と、その周囲に設られた環状の第2
の磁極体と、その周囲に設けられた第3の磁極体
とを配設し、これら磁極体の先端にターゲツトが
設置され、これら磁極体の後端は磁性材で形成さ
れた板状体に磁気的に接続され、上記ターゲツト
上にプリズマリングを閉じ込める環状のトンネル
状の主磁束を発生させて環状のプラズマ発生領域
を移動させるべく上記三つの磁極体に少なくとも
一つは電磁石からなる少なくとも二つの磁界発生
手段を備えたプレーナマグネトロン方式のスパツ
タリング電極を用いて、電磁石制御手段により電
磁石に流す周期的な電流波形の時間間隔を制御し
て大の環状のプラズマ発生領域における滞在時間
を小の環状のプラズマ発生領域における滞在時間
よりも長くし、環状のプラズマ発生領域を少なく
とも1回以上移動させて時間間隔に応じて得られ
るそれぞれの環状プラズマ発生領域における成膜
膜厚を合成して均一な成膜を行なうことを特徴す
るスパツタリングによる成膜方法である。また本
発明は、ターゲツトの中心に設けられた第1の磁
極体と、その周囲に設けられた環状の第2の磁極
体と、その周囲に設けられた第3の磁極体とを配
設し、これら磁極体の先端にターゲツトが設置さ
れ、これら磁極体の後端は磁性材で形成された板
状体に磁気的に接続され、上記ターゲツト上にプ
ラズマリングを閉じ込める環状のトンネル状の主
磁束を発生させて環状のプラズマ発生領域を移動
させるべく上記三つの磁極体に少なくとも一つは
電磁石からなる少なくとも二つの磁界発生手段を
備えたプレーナマグネトロン方式のスパツタリン
グ電極を設け、上記電磁石に流す周期的な電流波
形の時間間隔を制御して大の環状のプラズマ発生
領域における滞在時間を小の環状のプラズマ発生
領域における滞在時間よりも長くし、環状のプラ
ズマ発生領域を少なくとも1回以上移動させて時
間間隔に応じて得られるそれぞれの環状プラズマ
発生領域における成膜膜厚を合成して均一な成膜
を行なう電磁石制御手段を設けたことを特徴する
スパツタリングによる成膜装置である。また本発
明は、上記スパツタリングによる成膜装置の電磁
石制御手段において、デイジタル制御信号を発生
させるデイジタル制御信号発生手段と該デイジタ
ル制御信号発生手段によつて発生されたデイジタ
ル制御信号に基いて上記電磁石に印加する電流波
形の時間間隔を制御する電流増幅手段とを有する
ことを特徴とするスパツタリングによる成膜装置
である。
That is, in order to achieve the above object, the present invention has the following features:
When magnetic flux lines are generated from a single magnetic flux source, the magnetic fluxes do not intersect with each other, and an attractive or repulsive force called Maxwell stress acts on each other. 1 magnetic pole body and a ring-shaped second pole body installed around it.
A magnetic pole body and a third magnetic pole body provided around it are arranged, a target is installed at the tips of these magnetic pole bodies, and the rear ends of these magnetic pole bodies are attached to a plate-shaped body formed of a magnetic material. At least two magnetic pole bodies, at least one of which is an electromagnet, are connected magnetically to the three magnetic pole bodies in order to generate an annular tunnel-shaped main magnetic flux that confines the prism ring on the target and move the annular plasma generation region. Using a planar magnetron type sputtering electrode equipped with a magnetic field generating means, the time interval of the periodic current waveform applied to the electromagnet is controlled by the electromagnet control means, so that the residence time in the large annular plasma generation region is changed to the small annular plasma generation region. A uniform film is formed by making the residence time longer than the residence time in the plasma generation region, moving the annular plasma generation region at least once or more, and combining the film thicknesses obtained in each annular plasma generation region obtained according to the time interval. This is a film forming method using sputtering. Further, the present invention provides a first magnetic pole body provided at the center of the target, an annular second magnetic pole body provided around the first magnetic pole body, and a third magnetic pole body provided around the first magnetic pole body. , targets are installed at the tips of these magnetic pole bodies, and the rear ends of these magnetic pole bodies are magnetically connected to a plate-shaped body formed of a magnetic material, and an annular tunnel-shaped main magnetic flux confines the plasma ring above the target. A planar magnetron type sputtering electrode equipped with at least two magnetic field generating means, at least one of which is an electromagnet, is provided on each of the three magnetic pole bodies in order to generate and move an annular plasma generating region. The time interval of the current waveform is controlled to make the residence time in the large annular plasma generation region longer than the residence time in the small annular plasma generation region, and the annular plasma generation region is moved at least once to increase the time. This is a sputtering film forming apparatus characterized by being provided with an electromagnetic control means that synthesizes the film thicknesses of the respective annular plasma generation regions obtained according to the intervals and forms a uniform film. The present invention also provides an electromagnet control means for the sputtering film forming apparatus, including a digital control signal generating means for generating a digital control signal, and a digital control signal generating means for controlling the electromagnet based on the digital control signal generated by the digital control signal generating means. This is a film forming apparatus using sputtering, characterized by having current amplification means for controlling the time interval of the applied current waveform.

以下本発明を図に示す実施例にもとづいて具体
的に説明する。
The present invention will be specifically described below based on embodiments shown in the drawings.

第2図及び第3図は本発明に係わるスパツタ電
極構造体の電極部分の一実施例の概略断面を示し
たものである。該電極部分の主たる構成要素とし
ては、ターゲツト平板21(254mmφ、厚さ20mm
Al−2%S)、ターゲツト平板21を例えば適当
なろう付け手段で固定し、かつ、陰極となるバツ
キングプレート22(銅製)、該ターゲツト平板
21の第1の主面上の中空空間に所定の磁束分布
を発生させる手段である磁界発生用ヨーク23、
内側電磁石コイル24、外側電磁石コイル25、
中心磁極端26、内側磁極端27、外側磁極端2
8、陽極となるシールド30、及び絶縁スペーサ
31がある。
FIGS. 2 and 3 are schematic cross-sectional views of an embodiment of an electrode portion of a sputter electrode structure according to the present invention. The main component of the electrode part is a target flat plate 21 (254 mmφ, 20 mm thick).
A backing plate 22 (made of copper), which serves as a cathode, is placed in a predetermined hollow space on the first main surface of the target flat plate 21. a magnetic field generating yoke 23, which is a means for generating a magnetic flux distribution;
inner electromagnetic coil 24, outer electromagnetic coil 25,
Center pole tip 26, inner pole tip 27, outer pole tip 2
8, a shield 30 serving as an anode, and an insulating spacer 31.

第2図第3図に示す実施例ではターゲツト平板
21は円形であるが、これは本実施例で用いた成
膜対象となる基板が円形であるためで、矩形の基
板を用いる時には矩形のターゲツト平板を用意す
ることが適当であろう。すなわち本実施例で述べ
る円形の電極構造体電極部は、一実施例であり、
矩形等の電極部の形についても本発明から外れる
ものではない。
In the embodiment shown in FIG. 2 and FIG. 3, the target flat plate 21 is circular, but this is because the substrate on which the film is to be formed used in this embodiment is circular, and when a rectangular substrate is used, a rectangular target is used. It would be appropriate to prepare a flat plate. That is, the circular electrode structure electrode portion described in this example is one example,
The shape of the electrode portion, such as a rectangle, does not deviate from the scope of the present invention.

またパツキングプレート22の裏側に水等の冷
媒を通す流路32が形成され、この流路32に外
部から磁界発生用ヨーク23を介して上記冷媒を
供給・排出するパイプが設けられ、ターゲツト平
板21を冷却するようにしている。
Further, a flow path 32 for passing a coolant such as water is formed on the back side of the packing plate 22, and a pipe is provided in this flow path 32 for supplying and discharging the coolant from the outside via a magnetic field generating yoke 23. 21 to be cooled.

第4図は、本電極構造体の励磁用電源の概略構
成を示したものである。該励磁電源部の主たる構
成としては、内側電磁石コイル24、外側電磁石
コイル25、を全く別に制御するために、電流供
給回路が、2つ組み込まれている。該励磁電源
部・該内側および外側電磁石コイル24,25に
印加する電流を全く任意に、すなわち、時間的に
変化せぬ一定電流または、一定の周期をもつた矩
形波状、三角波状等の電流波形に設定することが
できるようにマイクロプロセツサ41と、メモリ
42を用いており、キーボード43、または適当
な外部記憶装置40(例えば磁気テープ、磁気デ
イスク)から、所定の電流波形に関する情報を与
え、マイクロプロセツサ41の出力をデジタル−
アナグロ信号変換器44a,44b(D−Aコン
バータ)に加え、これをさらに電流増幅器45
a,45bにて該内、外側電磁石コイル24,2
5を励磁できるだけの所定の強度にまで増幅す
る。
FIG. 4 shows a schematic configuration of the excitation power source for this electrode structure. The main configuration of the excitation power supply section includes two current supply circuits for controlling the inner electromagnetic coil 24 and the outer electromagnetic coil 25 completely separately. The current applied to the excitation power source and the inner and outer electromagnetic coils 24 and 25 can be applied completely arbitrarily, that is, a constant current that does not change over time, or a current waveform such as a rectangular waveform or a triangular waveform with a constant period. It uses a microprocessor 41 and a memory 42 so as to be able to set a predetermined current waveform, and provides information regarding a predetermined current waveform from a keyboard 43 or a suitable external storage device 40 (e.g. magnetic tape, magnetic disk). Digital output of microprocessor 41
In addition to analog signal converters 44a and 44b (D-A converters), a current amplifier 45
a, 45b, the inner and outer electromagnetic coils 24, 2
5 is amplified to a predetermined intensity sufficient to excite the magnet.

第4図の該励磁電源部は、制御対象としては、
該内、外側電磁石コイル24,25を扱うので、
定電流特性をもつ電源であり、また出力電流検出
部46a,46bにより、出力電流すなわち該各
電磁石電流値を検出し、これをD/A変換器44
a,44bが出力される所定の電流値と比較し、
補正を行うために、電流増幅器45a,45bに
情報を帰還する手段をもつている。すなわち電磁
石コイル24,25に一定の電流または一定の矩
形波電流が印加されるように構成されている。
The excitation power supply unit shown in FIG. 4 has the following objects to be controlled:
Since we are dealing with the inner and outer electromagnetic coils 24 and 25,
The power supply has constant current characteristics, and the output current detection units 46a and 46b detect the output current, that is, the current value of each electromagnet, and the output current is detected by the D/A converter 44.
a, 44b are compared with a predetermined current value output,
In order to perform correction, it has means for feeding back information to the current amplifiers 45a and 45b. That is, it is configured such that a constant current or a constant rectangular wave current is applied to the electromagnetic coils 24 and 25.

スパツタリングを行わせしめる放電々力を供給
するための高圧電源、すなわちスパツタ電源には
従来からよく知られているように、0〜800V程
度の出力電圧と0〜15A程度の出力電流をもつも
のを用いた。またよく知られているように、グロ
ー放電へ投入する電力を制御するために、この高
圧電源は定電流出力特性をもつものである。
As is well known, a high-voltage power supply for supplying the discharge force for sputtering, that is, a sputtering power supply, has an output voltage of about 0 to 800V and an output current of about 0 to 15A. there was. Furthermore, as is well known, this high voltage power supply has constant current output characteristics in order to control the power input to the glow discharge.

前述したとうり、ターゲツト平板上でスパツタ
リングの起る侵食領域はプラズマリングの発生す
る場所のほぼ直下に位置する。またプラズマリン
グの発生は、通常のプレーナーマグネトロンで用
いる1〜10mTorr内外のスパツタ圧力に於ては
ターゲツト平板の第1の主面上の中空々間のター
ゲツト平板の第1の主面から10〜20mm程度の距離
における磁界ベクトルがターゲツト平板の第1の
主面に平行となる領域に集束され、起る。
As mentioned above, the eroded region where sputtering occurs on the target plate is located almost directly below the location where the plasma ring is generated. In addition, the generation of plasma rings occurs within 10 to 20 mm from the first main surface of the target flat plate between the hollow spaces on the first main surface of the target flat plate under a sputtering pressure of 1 to 10 mTorr used in a normal planar magnetron. The magnetic field vectors at a distance of about 100 mm are focused in a region parallel to the first major surface of the target plate.

したがつて、ターゲツト平板上の侵食領域の発
生位置を知るには、ターゲツト平板の第1の主面
側の中空々間に於ける磁束分布を知ることが有力
な手段となる。
Therefore, in order to know the location where the erosion region occurs on the target flat plate, it is effective to know the magnetic flux distribution in the hollow space on the first main surface side of the target flat plate.

したがつて、本実施例によるスパツタ電極構造
体による成膜膜厚分布等の諸特性を求める実験を
行うまえに、ターゲツト平板21の第1の主面上
の中空空間29に於ける磁束分布を測定した。磁
束分布の測定には、ガウスメータを用いた。
Therefore, before conducting experiments to determine various characteristics such as the film thickness distribution of the sputtered electrode structure according to this embodiment, the magnetic flux distribution in the hollow space 29 on the first main surface of the target flat plate 21 should be evaluated. It was measured. A Gauss meter was used to measure the magnetic flux distribution.

第5図及び第6図は本実施例であるスパツタ電
極構造体のターゲツト平板21の第1の主面上の
磁束分布を擬似的に求めるために、第2図の本実
施例とほぼ同一の大きさのヨーク材を製作し、実
測した一例である。第2図の実施例と、この擬似
的に製作したヨークとのちがいは、第2図の内、
外側電磁石コイル24,25を埋め込んでいる溝
が浅いことである。第5図及び第6図の縦軸は、
該磁極端26,27,28上の高さ(mm)、横軸
は第2図に示したスパツタ電極構造体スパツタ電
極部の中心軸、すなわち該磁極端26の中心軸か
ら、外向き半径方向への距離(mm)である。第5
図及び第6図では、内側コイル24と外側コイル
25に流す電流の向きは、お互いに逆向きに流し
た。第5図では、内側電磁石コイル24と、外側
電磁石コイル25の起磁力は、それぞれ40:1と
なるようにした。第6図では、内側電磁石コイル
24と、外側電磁石コイル25の起磁力は1.5:
1となるようにした。
5 and 6 are almost the same as the present embodiment shown in FIG. This is an example of a yoke material manufactured and measured. The difference between the embodiment shown in Fig. 2 and this pseudo-manufactured yoke is as shown in Fig. 2.
The groove in which the outer electromagnetic coils 24 and 25 are embedded is shallow. The vertical axis of Figures 5 and 6 is
The height (mm) above the magnetic pole tips 26, 27, 28, the horizontal axis is the central axis of the sputter electrode part of the sputter electrode structure shown in FIG. The distance to (mm). Fifth
In the figures and FIG. 6, the directions of the currents flowing through the inner coil 24 and the outer coil 25 are opposite to each other. In FIG. 5, the magnetomotive forces of the inner electromagnetic coil 24 and the outer electromagnetic coil 25 are set to be 40:1, respectively. In FIG. 6, the magnetomotive force of the inner electromagnetic coil 24 and the outer electromagnetic coil 25 is 1.5:
I set it to 1.

前述したように、磁界ベクトルがターゲツト平
板21の第1の主面と平行となる領域にプズマリ
ングが発生するので、第5図及び第6図中、それ
ぞれ53,54で示された領域にプラズマリング
が発生する。
As mentioned above, since the plasma ring occurs in the region where the magnetic field vector is parallel to the first main surface of the target flat plate 21, the plasma ring is generated in the regions indicated by 53 and 54 in FIGS. 5 and 6, respectively. occurs.

したがつて、第5図及び第6図から明らかなよ
うに、該内、外側電磁石コイル24,25に付勢
する起磁力を変化させることにより、プラズマリ
ングの発生場所を移動させることができる。
Therefore, as is clear from FIGS. 5 and 6, by changing the magnetomotive force that energizes the inner and outer electromagnetic coils 24 and 25, the location where the plasma ring is generated can be moved.

第5図及び第6図に示した例では、該内側電磁
石コイル24の起磁力を一定とし、該外側電磁石
コイル25の起磁力を内側電磁石コイル24の起
磁力の1/40から1/1.5に変化させたが、逆に該外
側電磁石コイル25に与える起磁力を一定とし
て、該内側電磁石コイル24に与える起磁力を変
化させても、第5図及び第6図と同様に磁界ベク
トルが該ターゲツト平板21に対して平行となる
領域を移動させることができる。
In the example shown in FIGS. 5 and 6, the magnetomotive force of the inner electromagnetic coil 24 is constant, and the magnetomotive force of the outer electromagnetic coil 25 is reduced from 1/40 to 1/1.5 of the magnetomotive force of the inner electromagnetic coil 24. However, conversely, even if the magnetomotive force applied to the outer electromagnet coil 25 is kept constant and the magnetomotive force applied to the inner electromagnet coil 24 is changed, the magnetic field vector will not change to the target as in FIGS. 5 and 6. A region parallel to the flat plate 21 can be moved.

次に本実施例における成膜々厚分布特性につい
て述べる。第7図は、ターゲツト平板上に発生す
る円環状浸食領域の直径Dに対して、ターゲツト
平板の第1主面上から85mmの距離にターゲツト平
板の第1の主面と平行におかれた成膜対象基板2
0上の成膜々厚分布特性がいかに変化するかを、
計算で求めた例であり、本発明の第1の基本的な
技術思想を説明するものである。縦軸には、成膜
対象基板の中心での成膜膜厚を100%とした膜厚
を示し、横軸には、該成膜対象基板上、該成膜対
象基板中心からの外向き半径方向の距離(mm)を
示した。
Next, the thickness distribution characteristics of each film formed in this example will be described. Figure 7 shows a structure placed parallel to the first main surface of the target flat plate at a distance of 85 mm from the first main surface of the target flat plate, with respect to the diameter D of the annular erosion area generated on the target flat plate. Film target substrate 2
How the thickness distribution characteristics of the deposited film on 0 change,
This is an example obtained by calculation, and explains the first basic technical idea of the present invention. The vertical axis shows the film thickness with the film thickness at the center of the target substrate as 100%, and the horizontal axis shows the outward radius from the center of the target substrate on the target substrate. The distance in the direction (mm) is indicated.

第7図で明らかなように、該円環状の浸食領域
の直径Dが下であると、該成膜対象基板上、半径
100mm程度のところに成膜膜厚分布として肩をも
つ、云わば双峰の形をした成膜々厚分布特性を得
る。逆にD=〓125mm以下ではこの成膜々厚分布特
性上の肩は消失し、該成膜対象基板上の中心に山
をもつ、云わば単峰の成膜々厚分布特性を得る。
As is clear from FIG. 7, if the diameter D of the annular eroded region is downward, the radius
The thickness distribution characteristic of the deposited film has a shoulder at about 100 mm, which has a so-called bimodal shape. On the other hand, when D=125 mm or less, this shoulder in the film thickness distribution characteristic disappears, and a so-called unimodal film thickness distribution characteristic with a peak at the center on the substrate to be formed is obtained.

以上の論議は円環状浸食領域の直径Dについて
述べたが前にも述べたようにプラズマリングのほ
ぼ直下に、この浸食領域が発生することから、円
環状浸食領域の直径をそのままプラズマリングの
直径と考えて差しつかえない。したがつて、第5
図及び第6図に示した磁界分布特性の制御性によ
り、プラズマリングの直径を変化させ、第7図に
示した如き、様々な成膜々厚分布特性を任意に得
ることができると予想できる。
The above discussion was about the diameter D of the annular eroded region, but as mentioned earlier, this eroded region occurs almost directly under the plasma ring, so the diameter of the annular eroded region is the same as the diameter of the plasma ring. I can't help but think about it. Therefore, the fifth
With the controllability of the magnetic field distribution characteristics shown in Fig. 6 and Fig. 6, it is expected that by changing the diameter of the plasma ring, it will be possible to arbitrarily obtain various film thickness distribution characteristics as shown in Fig. 7. .

第8図に示した曲線61は例えば、第5図に示
した内側電磁石コイル24の電流と、外側電磁石
コイル25の電流をお互いに逆極性に通じ、かつ
電磁石の起磁力を、外側電磁石コイル25、内側
電磁石コイル24との比を1:40とした時に得ら
れると予想される成膜々厚分布特性の概念図であ
り、また第8図に示した曲線62は、例えば内側
電磁石コイル24と、外側電磁石コイル25との
起磁力の比を1.5:1としてプラズマリングの径
を小さくした時に得られる成膜々厚分布特性の概
念図である。
A curve 61 shown in FIG. 8, for example, allows the current in the inner electromagnetic coil 24 and the current in the outer electromagnetic coil 25 shown in FIG. , is a conceptual diagram of the film thickness distribution characteristics expected to be obtained when the ratio with the inner electromagnetic coil 24 is 1:40, and the curve 62 shown in FIG. , is a conceptual diagram of the film thickness distribution characteristics obtained when the diameter of the plasma ring is reduced by setting the ratio of magnetomotive force to the outer electromagnetic coil 25 to 1.5:1.

1つの成膜対象基板への成膜工程中に、該内、
外側電磁石の起磁力を変化させ、第8図に示す曲
線61,62の如き成膜々厚分布を与える操作を
適当に行えば、結局は該成膜対象基板上では、曲
線61と、曲線62が足し合わされた合成膜厚分
布として、第8図に示す曲線63の如き、該成膜
対象基板上の広い範囲にわたつて、均一な成膜々
厚を得るこをができる。
During the film formation process on one film formation target substrate,
If the magnetomotive force of the outer electromagnet is changed and an operation is performed to give the film thickness distribution as shown in curves 61 and 62 shown in FIG. A uniform film thickness can be obtained over a wide range on the substrate to be film-formed, as shown by a curve 63 shown in FIG.

第9図は、本実施例における成膜々厚分布特性
の一例を示したものであり、曲線71は外側電磁
石コイル25の起磁力を0として、内側電磁石コ
イル24により約200ガウス程度の磁界の強さを、
ターゲツト上で得られるようにした時のものであ
る。また曲71は内側電磁石コイル24と、外側
電磁石コイル25との起磁力の比を5:1とした
時の成膜々厚分布特性を示したものである。第9
図の曲線71,72は、ターゲツト平板21の第
1の主面から、成膜対象基板までの距離を80mm、
スパツタガスとしては純度99.999%のアルゴンガ
スを用い、スパツタガス圧力は5.4wTorrとした
条件で得たものである。
FIG. 9 shows an example of the film thickness distribution characteristic in this embodiment, and a curve 71 shows a magnetic field of about 200 Gauss generated by the inner electromagnetic coil 24, with the magnetomotive force of the outer electromagnetic coil 25 being 0. strength,
This is what happens when you make it available on the target. Further, song 71 shows the film thickness distribution characteristics when the ratio of the magnetomotive force between the inner electromagnetic coil 24 and the outer electromagnetic coil 25 is set to 5:1. 9th
Curves 71 and 72 in the figure indicate a distance of 80 mm from the first main surface of the target flat plate 21 to the substrate to be film-formed.
Argon gas with a purity of 99.999% was used as the sputter gas, and the sputter gas pressure was 5.4 wTorr.

第9図の縦軸には該成膜対象基板上での成膜速
さを、示したものであり、横軸は本実施例のスパ
ツタ電極構造体の電極部分の中心軸から半径方向
外向きにとつた、該成膜対象基板上の距離(mm)
である。
The vertical axis in FIG. 9 shows the film formation speed on the substrate to be film-formed, and the horizontal axis shows the direction radially outward from the central axis of the electrode portion of the sputter electrode structure of this example. Distance on the substrate to be filmed (mm)
It is.

第9図にて明らかなように、外側電磁石コイル
25に与える起磁力を増大させ相対的に、内側電
磁石コイル24に与える起磁力との差を小さくす
ることにより、プラズマリングの直径が小さくな
り、第8図中の曲線62に示した如き成膜々厚分
布特性が得られ、逆に外側電磁石コイル25に与
える起磁力を小とすることにより、プラズマリン
グの直径が大となり、第8図中の曲線61の如き
成膜々厚分布特性が得られる。
As is clear from FIG. 9, by increasing the magnetomotive force applied to the outer electromagnetic coil 25 and relatively reducing the difference between it and the magnetomotive force applied to the inner electromagnetic coil 24, the diameter of the plasma ring becomes smaller. A film thickness distribution characteristic as shown by the curve 62 in FIG. 8 can be obtained, and conversely, by reducing the magnetomotive force applied to the outer electromagnetic coil 25, the diameter of the plasma ring becomes large. A film thickness distribution characteristic as shown by the curve 61 is obtained.

第9図中の71,72の成膜々厚分布を得るた
めに外側電磁石コイル25の起磁力を変化させて
も、プラズマリングは移動するものの、グロー放
電の放電インピーダンス、すなわち「ターゲツト
に印加した電圧」÷「ターゲツトに流れる電流」に
は±5%以上の変化はなく、前述した如く、本実
施例にては定電流出力特性をもつスパツタ電源部
を使用しているため、結局ターゲツトに加えられ
たスパツタ電力は殆んど変化しない。
Although the plasma ring moves even if the magnetomotive force of the outer electromagnetic coil 25 is changed to obtain the film thickness distribution 71 and 72 in FIG. There is no change of more than ±5% in ``voltage'' ÷ ``current flowing to the target.'' As mentioned above, in this example, a sputter power supply with constant current output characteristics is used. The generated sputter power hardly changes.

このために一定のスパツタ電力を印加するとい
う本実施例の条件下では、プラズマリングの直径
を小としたときには、プラズマリングの面積、す
なわち該ターゲツト平板上の第1の主面にてスパ
ツタリングにより浸食をうける領域の面積は小さ
くなることから、ターゲツト平板21の第1の主
面上の単位面積あたりの電力は増加する。よく知
られているように、プレーナーマグネトロンスパ
ツタリングにおいては、ターゲツト平板上の浸食
領域に投入される単位面積あたりの電力に対し
て、成膜対象基板上における成膜速度がほぼ比例
する。したがつてプラズマリング径の小なる時に
は、該成膜対象基板中心領域に於ける成膜速度
は、プラズマリング径が大なるときに比し、第9
図に示されているように、大となつている。
For this purpose, under the conditions of this embodiment in which a constant sputtering power is applied, when the diameter of the plasma ring is made small, the area of the plasma ring, that is, the first main surface on the target flat plate, is eroded by sputtering. Since the area of the region receiving the irradiation becomes smaller, the power per unit area on the first main surface of the target flat plate 21 increases. As is well known, in planar magnetron sputtering, the deposition rate on the substrate to be deposited is approximately proportional to the power per unit area applied to the eroded region on the target flat plate. Therefore, when the plasma ring diameter is small, the deposition rate in the central region of the substrate to be deposited is 9 times faster than when the plasma ring diameter is large.
As shown in the figure, it is large.

第8図に示した単峰および双峰の成膜々厚分布
特性を合成し、広い面積にわたり、できるだけ均
一な成膜々厚分布を得るためには、1枚の成膜対
象基への成膜工程中にプラズマリング径を小とし
ている時間と、プラズマリング径を大としている
時間との比をうまくえらんでやる必要がある。上
記したプラズマリング径が小の時に中央での成膜
速度が、プラズマリング径が大の時に比し大であ
るという点から必然的に「プラズマリング径を小
としている時間」÷「プラズマリング径を大として
いる時間」という比を1以下にしてやらなけれ
ば、最適な膜厚分布特性を該対象基板上で得るこ
とはできない。
In order to synthesize the monomodal and bimodal film thickness distribution characteristics shown in Figure 8 and obtain a film thickness distribution as uniform as possible over a wide area, it is necessary to During the film process, it is necessary to carefully select the ratio between the time when the plasma ring diameter is made small and the time when the plasma ring diameter is made large. As mentioned above, when the plasma ring diameter is small, the film formation rate at the center is higher than when the plasma ring diameter is large. The optimum film thickness distribution characteristics cannot be obtained on the target substrate unless the ratio of "the time during which the film is increased" is set to 1 or less.

更にターゲツト平板上への単位面積あたりのス
バツタ電力の投入量に対し、その浸食をうける領
域での浸食量、すなわち該ターゲツト平板の厚さ
方向への浸食の進行は比例すると考えられるの
で、プラズマリング径が小の位置に対応したター
ゲツト平板上の領域での、浸食量と、プラズマリ
ング径が大の位置に対応した該ターゲツト平板上
の領域での浸食量とを一致させることが好まし
い。何故なら、この浸食量が不つりあいであれ
ば、いづれかの浸食領域での浸食深さが先にター
ゲツト平板の板厚に達し、ターゲツト平板の寿命
が両浸食領で均一に浸食が進行する場合に比べ、
ターゲツト平板の寿命が短いといえる。
Furthermore, it is thought that the amount of erosion in the area subject to erosion, that is, the progression of erosion in the thickness direction of the target plate, is proportional to the amount of sputtering power input per unit area onto the target plate. It is preferable that the amount of erosion in the area on the target plate corresponding to the position where the plasma ring diameter is small is equal to the amount of erosion in the area on the target plate corresponding to the position where the plasma ring diameter is large. This is because if the amount of erosion is unbalanced, the erosion depth in one of the eroded areas will reach the thickness of the target plate first, and the life of the target plate will be longer than 100% if the erosion progresses uniformly in both eroded areas. compared,
It can be said that the life of the target plate is short.

第10図は第9図の曲線71,72で示される
成膜々厚分布特性を実際に成膜を行い合成した代
表的な合成成膜々厚分布特性を示したものであ
る。±5%の膜厚偏差を許容し、最も広い面積に
わたつて均一な成膜々厚を得るように、第9図の
曲線71,72を計算上合成させ、その条件のな
かから、最もプラズマリング径の小なる時間が長
くなるものをえらび、成膜を行つた。第10図中
〇印は第9図に示された成膜々厚分布特性から、
計算により求めたプロツトであり、実線81は、
実際に成膜を行つた実測値であり、非常によい一
致を見せている。
FIG. 10 shows a typical composite film thickness distribution characteristic obtained by actually forming a film and synthesizing the film thickness distribution characteristics shown by curves 71 and 72 in FIG. 9. Curves 71 and 72 in Figure 9 are calculated and synthesized to allow a film thickness deviation of ±5% and obtain a uniform film thickness over the widest area. A film was formed by selecting a material that would take a long time for a small ring diameter. The circle mark in Fig. 10 is based on the thickness distribution characteristics of the deposited films shown in Fig. 9.
This is a plot obtained by calculation, and the solid line 81 is
These are actual measurements taken during actual film formation, and show very good agreement.

第10図中の曲線81の成膜条件は、第9図の
成膜々厚分布特性を求めたものと同一である。ま
た内、外側電磁石コイルの励磁条件は、内側電磁
石コイル24の起磁力は、MPU41からの指令
でD/A変換器44a、及び電流増幅器45aを
介して一定であり、外側電磁石コイルの起磁力は
MPU41からの指令でD/A変換器44b及び
電流増幅器45bを介して第11図に示す如き、
矩形波状のパルス電流によりプラズマリング径最
大の状態の時間T1を10秒間と、2000アンペアタ
ーンで且プラズマリング径最小の状態の時間T2
を2秒間としたサイクルを周期T0を12秒で、10
回繰り返えした。
The film forming conditions indicated by the curve 81 in FIG. 10 are the same as those for determining the film thickness distribution characteristics shown in FIG. 9. Furthermore, the excitation conditions for the inner and outer electromagnetic coils are such that the magnetomotive force of the inner electromagnetic coil 24 is constant via the D/A converter 44a and the current amplifier 45a according to a command from the MPU 41, and the magnetomotive force of the outer electromagnetic coil is
As shown in FIG. 11, the command from the MPU 41 causes
The time T 1 is 10 seconds when the plasma ring diameter is at its maximum due to the rectangular waveform pulse current, and the time T 2 is when the plasma ring diameter is the minimum at 2000 ampere turn.
is 2 seconds, the period T 0 is 12 seconds, and 10
I was able to repeat it several times.

なお、T1の時間は零電流でも負電流でもよい。 Note that the time T 1 may be zero current or negative current.

以上、実験結果も交えて述べたように均一な成
膜々厚分布を得るということと、ターゲツト平板
の寿命を短くしないという2つの観点から第7図
及び第8図について述べた成膜膜厚分布を合成す
るという本発明の基本的な第1の技術思想は、投
入スパツタ電力が一定という条件下では「プラズ
マリング径が小の時間」÷「プラズマリング径が大
の時間」という比が1未満となるように内、外側
電磁石電流のそれぞれの大きさを変化させるとこ
ろにあり、逆に上記した時間の比が1以下である
ような各電磁石の励磁法にターゲツト平板の利用
効率ないしは寿命を向上させながら、平担な成膜
膜厚分布を得ることのできる条件が存在している
のである。
As described above with the experimental results, the film thicknesses described in Figs. The first basic technical idea of the present invention, which is to synthesize distributions, is that under the condition that the input sputtering power is constant, the ratio of "time when the plasma ring diameter is small" ÷ "time when the plasma ring diameter is large" is 1. The purpose is to change the magnitude of each of the inner and outer electromagnet currents so that the ratio of the above times is less than 1, and conversely, the utilization efficiency or lifespan of the target plate is determined by the excitation method of each electromagnet such that the above-mentioned time ratio is less than 1. There are conditions under which it is possible to obtain a flat film thickness distribution while improving the film thickness distribution.

従来技術である固定磁場のプレーナマグネトロ
ン電極では、ターゲツト平板の局部的な浸食が進
行するに従い、急俊なターゲツト平板の断面で云
えば断面形状がV字となるが如き谷が形成され、
このV字谷形成の進行に伴つて、成膜々厚分布が
劣化してゆくことについては既に述べた。このこ
とをより具体的に説明すればターゲツト平板の消
耗時間が短い時には、よく知られたようにスパツ
タリングによりターゲツト平板材料の飛散の仕方
は余弦則に従つて第12図bに示すが如き分布
(曲線101)となつており、比較的広い立体角
の範囲にスパツタされた粒子は飛散される。
In the prior art planar magnetron electrode with a fixed magnetic field, as local erosion of the target plate progresses, a valley is formed in the cross section of the target plate with a steep V-shape.
It has already been mentioned that as the V-shaped valley formation progresses, the film thickness distribution deteriorates. To explain this more specifically, when the consumption time of the target flat plate is short, as is well known, the manner in which the target flat plate material is scattered by sputtering is distributed according to the cosine law as shown in Fig. 12b. The curve 101) shows that the particles sputtered over a relatively wide solid angle are scattered.

これに対し、前述したV字谷がターゲツト平板
に形成されてゆくと、第12図bに示した飛散方
向分布は第13図bに示す如く曲線111に示す
ようにその立体角をせばめてゆく。曲線101
と、曲線111に対応した成膜々厚分布の概略は
第12図a及び第13図aの曲線102,112
に示すが如く、でありV字谷の形成により、成
膜々厚分布は肩が立ち、成膜々厚分布が劣化す
る。
On the other hand, as the aforementioned V-shaped valley is formed on the target flat plate, the scattering direction distribution shown in FIG. 12b becomes narrower as shown by the curve 111 in FIG. 13b. . curve 101
The outline of the film thickness distribution corresponding to the curve 111 is shown by the curves 102 and 112 in FIGS. 12a and 13a.
As shown in FIG. 2, due to the formation of the V-shaped valley, the thickness distribution of the deposited films becomes uneven, and the thickness distribution of the deposited films deteriorates.

第14図は第2図及び第3図に示した内側およ
び外側電磁石コイルの起磁力を同一とした時の成
膜々厚分布の経時変化を示したものである。曲線
121はスパツタ電力6kw1定で、0時間使用後、
122は10時間、123は20時間、124は30時
間使用後の成膜々厚分布特性である。また曲線1
21,122,123,124での最大浸食深
さ、すなわちV字谷の底の深さはそれぞれ0、
2、4、6mmであつた。
FIG. 14 shows the change over time in the film thickness distribution when the magnetomotive forces of the inner and outer electromagnetic coils shown in FIGS. 2 and 3 are the same. Curve 121 is a constant power of 6kw1, and after 0 hours of use,
122 is the film thickness distribution characteristic after use for 10 hours, 123 is for 20 hours, and 124 is after 30 hours of use. Also curve 1
The maximum erosion depth at points 21, 122, 123, and 124, that is, the depth of the bottom of the V-shaped valley, is 0, respectively.
They were 2, 4, and 6 mm.

第14図から明らかなように最大浸食深さが6
mmに達するとφ150mmの基板に対して成膜々厚分
布特性は実用的と思われる±5%の範囲(図12曲
線123では+10%)をこえてしまう。
As is clear from Figure 14, the maximum erosion depth is 6.
mm, the film thickness distribution characteristic exceeds the practical range of ±5% (+10% in curve 123 in FIG. 12) for a substrate with a diameter of 150 mm.

第15図は本発明の第2の基本的思想と最も著
しい効果を示すものである。
FIG. 15 shows the second basic idea of the present invention and the most remarkable effect.

第15図は第10図に示した合成膜厚分布を得
る条件、すなわち、プラズマリング径を1:5の
割合で、小さくまたは大きくしながら成膜を続け
た時の成膜々厚分布特性の経時変化を示したもの
であり、第14図と同様、6kwのスパツタ電力を
一定とした。曲線131は0時間、132は20時
間、133は40時間、134は60時間ターゲツト
平板を消耗させた時の成膜々厚分布特性である。
Figure 15 shows the conditions for obtaining the composite film thickness distribution shown in Figure 10, that is, the thickness distribution characteristics of each film when film formation is continued while decreasing or increasing the plasma ring diameter at a ratio of 1:5. This shows the change over time, and as in Fig. 14, the sputtering power of 6 kW was kept constant. Curve 131 is the film thickness distribution characteristic when the target plate is consumed for 0 hours, curve 132 for 20 hours, curve 133 for 40 hours, and curve 134 for 60 hours.

第14図と第15図を比較して明らかなこと
は、プラズマリングの大きさを、周期的に変化さ
せることにより、ターゲツト平板の浸食領域を拡
大することをすれば、V字谷の形成がおそくな
る、またはV字谷の頂角の角度が大きなことによ
り、成膜々厚分布の経時変化が実用上殆んど問題
とならぬ程度にしか起らぬということである。
Comparing Figures 14 and 15, it is clear that if the eroded area of the target plate is expanded by periodically changing the size of the plasma ring, the V-shaped valley can be formed. This means that due to the delay or the large apex angle of the V-shaped valley, changes over time in the thickness distribution of the deposited films occur to an extent that is hardly a problem in practice.

以上のことは、第16図によつても確認するこ
とができる。第16図は第14図と第15図の条
件にて、30時間ターゲツトを消耗させた時のター
ゲツト平板21の浸食領域の断面形状を実測した
ものである。曲線141は第14図の条件、すな
わち、プラズマリングの大きさを一定とした場
合、また曲線142は第15図の条件、すなわ
ち、プラズマリングの大きさを周期的に変化させ
た場合のものである。曲線141のV字谷は曲線
142に比較して、その頂角がせまく、成膜々厚
分布特性上により大きな肩があらわれることが確
認できる。
The above can also be confirmed from FIG. 16. FIG. 16 shows the actual measurement of the cross-sectional shape of the eroded area of the target flat plate 21 when the target was exhausted for 30 hours under the conditions shown in FIGS. 14 and 15. Curve 141 corresponds to the condition shown in FIG. 14, that is, when the size of the plasma ring is constant, and curve 142 corresponds to the condition shown in FIG. 15, that is, when the size of the plasma ring is changed periodically. be. It can be confirmed that the V-shaped valley of the curve 141 has a narrower apex angle than the curve 142, and a larger shoulder appears in the film thickness distribution characteristic.

以上第2図に示した実施例についても述べてき
たが、第10図に示したようにφ150mm程度基板
を成膜対象として、してきた。しかし、本発明は
更に大面積の基板への成膜についても適用でき
る。第16図の曲線142からもわかるように、
φ150mm程度の大きさの基板に対しては浸食領域
の振り幅は大きくとらなくとも、十分な成膜々厚
分布特性を得ることができる。しかし、本発明に
かかるスパツタ電極により、より大面積の基板に
対する成膜を行う際には、ターゲツト平板21の
大きさも基板に合わせて、大きくしなければなら
ない。
The embodiment shown in FIG. 2 has been described above, but as shown in FIG. 10, the film was formed on a substrate of about 150 mm in diameter. However, the present invention can also be applied to film formation on a larger area substrate. As can be seen from the curve 142 in FIG.
For a substrate with a size of about 150 mm, sufficient thickness distribution characteristics can be obtained even if the amplitude of the erosion area is not large. However, when forming a film on a substrate with a larger area using the sputter electrode according to the present invention, the size of the target flat plate 21 must be increased to match the size of the substrate.

この場合には、以上に述べてきた単純な2位置
のみにプラズマリングの発生場所を制御する方法
では第16図の曲線142の如く浸食領域が連続
した形とはならない。すなわち第16図の曲線1
41の如き環状浸食領域がターゲツト平板21上
に2重に離れて形成されていることになり、ター
ゲツト平板21の材料利用効率が低下する。した
がつて、この2重にできた円環状の浸食領域の間
の領域に1重または多重の浸食領域を形成するこ
とにより、材料利用効率を向上をはかることがで
きる。この場合、MPU41からのデイジタル指
令信号によりD/A変換器44bでアナログ信号
に変換され、電流増幅器45bにより外側電磁石
コイル25に印加する電流波形の一例を第17図
に示す。第17図中に示すT1′の時間だけプラズ
マリングの直径は最大であり、次のT2″、T3′と
プラズマリングの径は小さくなり、再び、T2
間中位の大きさをとり、初期の状態に戻る。プラ
ズマリング径が中位となつている時間をT2′とす
ると、T2′=T2″+T2である。一定スパツタ電
力の条件下においては、前述したとうり、ターゲ
ツト平板21の浸食深さが、いづれのプラズマリ
ング径に対応した浸食領域でもそれぞれが同程度
となり、ターゲツト平板のできるだけ広い面積が
均一に消耗してゆくためには、 T1′>T2′>T3′ の条件が必要不可欠である。
In this case, the above-described simple method of controlling the generation location of the plasma ring to only two positions will not produce a continuous eroded area as shown by the curve 142 in FIG. 16. In other words, curve 1 in Figure 16
Since annular erosion areas such as 41 are formed on the target flat plate 21 in two separate locations, the material utilization efficiency of the target flat plate 21 is reduced. Therefore, by forming one or multiple eroded areas in the area between the double annular eroded areas, it is possible to improve the material utilization efficiency. In this case, an example of a current waveform that is converted into an analog signal by the D/A converter 44b in response to a digital command signal from the MPU 41 and applied to the outer electromagnetic coil 25 by the current amplifier 45b is shown in FIG. The diameter of the plasma ring is at its maximum at the time T 1 ′ shown in FIG .
It assumes an intermediate size and returns to its initial state. If T 2 ′ is the time during which the plasma ring diameter is at the medium diameter, then T 2 ′ = T 2 ″ + T 2 In order for the erosion area to be the same in the erosion area corresponding to each plasma ring diameter, and for the widest possible area of the target plate to be uniformly consumed, the condition T 1 ′>T 2 ′>T 3 ′ is satisfied. is essential.

第11図、第17図に示されいづれのプラズマ
リング径の制御方法においても、スパツタ電力が
一定という条件下に於ては、プラズマリング径が
より大である時の、そのプラズマリング径を維持
する時間を、そのプラズマリング径よりも小さな
プラズマリング径を維持する時間よりも、より長
く保つということが、ターゲツト平板をできるだ
け広い面積にわたり均一に消耗させ、かつ、成膜
対象基板上に均一な厚さの膜付けを行うというこ
とが本発明の基本的な技術的思想である。
In both of the plasma ring diameter control methods shown in FIGS. 11 and 17, under the condition that the sputtering power is constant, the plasma ring diameter is maintained when the plasma ring diameter is larger. Keeping the plasma ring diameter longer than the time it takes to maintain a plasma ring diameter smaller than the plasma ring diameter is important in order to uniformly wear out the target plate over as wide an area as possible and to maintain a uniform coating on the substrate to be deposited. The basic technical idea of the present invention is to apply a thick film.

プラズマリング径の大きさを変化させるために
は本発明に係わる第2図の実施例では、内側電磁
石コイルによる起磁力と外側電磁石コイルによる
起磁力の相対的強度を変化させればよいことは前
にも述べた。更に電磁石の励磁電源部の構成の容
易さについては、外側または内側電磁石のどちら
一方のコイルに印加する電流のみを変化させるだ
けで、プラズマリング径の大きさを変化させるの
が有利であり、第11図、第17図に示した制御
方法では、外側電磁石コイル25に印加する電流
値の制御を例にとり説明を行つた。
In the embodiment of FIG. 2 according to the present invention, in order to change the size of the plasma ring diameter, it is sufficient to change the relative strength of the magnetomotive force caused by the inner electromagnetic coil and the magnetomotive force caused by the outer electromagnetic coil. Also mentioned. Furthermore, regarding the ease of configuring the excitation power supply section of the electromagnet, it is advantageous to change the size of the plasma ring diameter by simply changing the current applied to the coil of either the outer or inner electromagnet. The control methods shown in FIGS. 11 and 17 have been explained by taking as an example the control of the current value applied to the outer electromagnetic coil 25.

本発明に係わる更に他の実施状態として第18
図に示す如く、中央磁極の一部ないし全体を一定
強度の磁束発生手段すなわち、第18図では永久
磁石2001に置きかえ、外側電磁石コイル25
に印加する電流のみを第11図ないし第17図の
如き波形のものとすれば、第2図の実施例と同様
にプラズマリング径の大きさの制御が可能であ
る。
Another embodiment of the present invention is the 18th embodiment.
As shown in the figure, a part or the whole of the central magnetic pole is replaced with a constant strength magnetic flux generating means, that is, a permanent magnet 2001 in FIG. 18, and an outer electromagnetic coil 25
If only the current applied to the plasma ring has a waveform as shown in FIGS. 11 to 17, it is possible to control the diameter of the plasma ring in the same manner as in the embodiment shown in FIG.

更に他の本発明に係わる実施例として、第19
図の如く、外側磁極を一定強度の磁束発生手段、
すなわち第19図では永久磁石2002に、その
一部または全体を置きかえ、内側電磁石コイル2
4に印加する電流のみを第11図ないしは第17
図の如き波形のものとすれば、第2図に示した実
施例と同様にプラズマリング径の大きさを制御す
ることが可能である。ただし、第19図の実施例
の場合には、内側電磁石コイル24に印加する電
流値を小とするとプラズマリング径は小となり、
また逆に内側電磁石コイル24に印加する電流値
を大とするとプラズマリング径は大となる。
As yet another embodiment of the present invention, the nineteenth
As shown in the figure, the outer magnetic pole is connected to a magnetic flux generating means with a constant strength,
That is, in FIG. 19, the permanent magnet 2002 is partially or completely replaced, and the inner electromagnetic coil 2 is replaced with the permanent magnet 2002.
11 to 17.
If the waveform shown in the figure is used, it is possible to control the diameter of the plasma ring in the same way as in the embodiment shown in FIG. However, in the case of the embodiment shown in FIG. 19, if the current value applied to the inner electromagnetic coil 24 is made small, the plasma ring diameter becomes small.
Conversely, if the current value applied to the inner electromagnet coil 24 is increased, the diameter of the plasma ring becomes larger.

したがつて、本発明の要点であるプラズマリン
グ径の大きさが大である時間を、プラズマリング
径の大きさが小である時間よりも長くするために
は、例えば、第17図を内側電磁石コイル24の
励磁電流波形とすれば、外側電磁石コイルの場合
とは逆にT1′<T2′<T3′の条件が必要不可欠であ
る。
Therefore, in order to make the time when the plasma ring diameter is large, which is the main point of the present invention, longer than the time when the plasma ring diameter is small, for example, the inner electromagnet shown in FIG. Regarding the excitation current waveform of the coil 24, the condition T 1 ′<T 2 ′<T 3 ′ is essential, contrary to the case of the outer electromagnetic coil.

以上述べた如く、本発明によれば、環状の2重
磁極構造のプレーナマグネトロン方式のスパツタ
リングにおいて電磁石制御手段により電磁石に流
す周期的な電流波形の時間間隔を制御するように
したので、所望の時間間隔で環状のプラズマ発生
領域を振らせることができ、その結果、容易に基
板に対して均一な堆積膜厚を得ることができて実
用化に供することができる効果を奏する。
As described above, according to the present invention, in planar magnetron sputtering with an annular double magnetic pole structure, the time interval of the periodic current waveform flowing through the electromagnet is controlled by the electromagnet control means. The annular plasma generation region can be made to oscillate at intervals, and as a result, a uniform deposited film thickness can be easily obtained on the substrate, which is advantageous for practical use.

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

第1図は従来のプレーナマグネトロンスパツタ
電極の概略断面図、第2図は本発明に係るプレー
ナマグネトロンスパツタ電極を示す断面図、第3
図は第2図の斜視図、第4図は第2図及び第3図
に示す電磁石を駆動する駆動装置の構成を示す
図、第5図及び第6図は本発明に係るスパツタ電
極上の磁場測定例を示す図、第7図は膜厚分布特
性の変化を計算によつて求めた例を示した図、第
8図は膜厚分布特性の合成を概念的に示した図、
第9図は本発明の実施例による膜厚分布特性を示
した図、第10図は第9図に示す膜厚分布を合成
した合成膜厚分布の一例を示した図、第11図は
第10図に示す合成膜厚分布を得るために、内側
電磁石コイルの起磁力を一定とし、外側電磁石コ
イルの起磁力を周期的に制御する場合の電流波形
を示した図、第12図及び第13図はターゲツト
の浸食の進行に伴う成膜膜厚分布特性の変化を説
明する概念図、第14図は第2図及び第3図に示
す内側及び外側電磁石コイルの起磁力を同一にし
たときの成膜膜厚分布特性の経時変化を示した
図、第15図は本発明のように内側電磁石コイル
の起磁力を一定にし、外側電磁石コイルに第11
図に示す周期的な電流波形を印加した場合の成膜
膜厚分布特性の経時変化を示した図、第16図は
本発明の実施例におけるターゲツト平板の消耗状
態を示す図、第17図はより大面積な成膜対象基
板に成膜を行うために外側電磁石コイルに印加す
る電流制御波形の一例を示した図、第18図は本
発明において、中央電極を永久磁石に置きかえた
実施例を示した図、第19図は本発明において外
側磁極を永久磁石に置きかえた実施例を示した図
である。 20……成膜対象基板、21……ターゲツト平
板、22……バツキングプレート、23……磁界
発生用ヨーク、24……内側電磁石コイル、25
……外側電磁石コイル、41……マイクロプロセ
ツサ、42……メモリ、43……キーボード、4
4a,44b……D/A変換器、45a,45b
……電流増幅器、46……検出部。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a conventional planar magnetron sputter electrode, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a planar magnetron sputter electrode according to the present invention, and FIG.
The figure is a perspective view of FIG. 2, FIG. 4 is a diagram showing the configuration of a drive device for driving the electromagnet shown in FIGS. 2 and 3, and FIGS. Figure 7 is a diagram showing an example of magnetic field measurement, Figure 7 is a diagram showing an example of calculation of changes in film thickness distribution characteristics, Figure 8 is a diagram conceptually showing synthesis of film thickness distribution characteristics,
FIG. 9 is a diagram showing film thickness distribution characteristics according to an embodiment of the present invention, FIG. 10 is a diagram showing an example of a composite film thickness distribution obtained by combining the film thickness distributions shown in FIG. 9, and FIG. Figures 12 and 13 show current waveforms when the magnetomotive force of the inner electromagnetic coil is kept constant and the magnetomotive force of the outer electromagnetic coil is periodically controlled in order to obtain the composite film thickness distribution shown in Fig. 10. The figure is a conceptual diagram explaining the change in the film thickness distribution characteristics as the target erosion progresses. Figure 14 is a conceptual diagram explaining the change in the film thickness distribution characteristics as the target erosion progresses. FIG. 15 is a diagram showing the change over time in the film thickness distribution characteristic of the deposited film. As in the present invention, the magnetomotive force of the inner electromagnetic coil is kept constant, and the outer electromagnetic coil is
Figure 16 is a diagram showing the state of wear of the target flat plate in an embodiment of the present invention, and Figure 17 is a diagram showing changes over time in the film thickness distribution characteristics when the periodic current waveform shown in the figure is applied. FIG. 18 is a diagram showing an example of the current control waveform applied to the outer electromagnetic coil in order to form a film on a larger-area film-forming target substrate. The figure shown in FIG. 19 is a diagram showing an embodiment in which the outer magnetic pole is replaced with a permanent magnet in the present invention. 20...Substrate to be film-formed, 21...Target flat plate, 22...Backing plate, 23...Yoke for magnetic field generation, 24...Inner electromagnetic coil, 25
...Outer electromagnetic coil, 41...Microprocessor, 42...Memory, 43...Keyboard, 4
4a, 44b...D/A converter, 45a, 45b
...Current amplifier, 46...Detection section.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 ターゲツトの中心に設けられた第1の磁極体
と、その周囲に設けられた環状の第2の磁極体
と、その周囲に設けられた第3の磁極体とを配設
し、これら磁極体の先端にターゲツトが設置さ
れ、これら磁極体の後端は磁性材で形成された板
状体に磁気的に接続され、上記ターゲツト上にプ
ラズマリングを閉じ込める環状のトンネル状の主
磁束を発生させて環状のプラズマ発生領域を移動
させるべく上記三つの磁極体に少なくとも一つは
電磁石からなる少なくとも二つの磁界発生手段を
備えたプレーナマグネトロン方式のスパツタリン
グ電極を用いて、電磁石制御手段により電磁石に
流す周期的な電流波形の時間間隔を制御して大の
環状のプラズマ発生領域における滞在時間を小の
環状のプラズマ発生領域における滞在時間よりも
長くし、環状のプラズマ発生領域を少なくとも1
回以上移動させて時間間隔に応じて得られるそれ
ぞれの環状プラズマ発生領域における成膜膜厚を
合成して均一な成膜を行なうことを特徴するスパ
ツタリングによる成膜方法。 2 ターゲツトの中心に設けられた第1の磁極体
と、その周囲に設けられた環状の第2の磁極体
と、その周囲に設けられた第3の磁極体とを配設
し、これら磁極体の先端にターゲツトが設置さ
れ、これら磁極体の後端は磁性材で形成された板
状体に磁気的に接続され、上記ターゲツト上にプ
ラズマリングを閉じ込める環状のトンネル状の主
磁束を発生させて環状のプラズマ発生領域を移動
させるべく上記三つの磁極体に少なくとも一つは
電磁石からなる少なくとも二つの磁界発生手段を
備えたプレーナマグネトロン方式のスパツタリン
グ電極を設け、上記電磁石に流す周期的な電流波
形の時間間隔を制御して大の環状のプラズマ発生
領域における滞在時間を小の環状のプラズマ発生
領域における滞在時間よりも長くし、環状のプラ
ズマ発生領域を少なくとも1回以上移動させて時
間間隔に応じて得られるそれぞれの環状プラズマ
発生領域における成膜膜厚を合成して均一な成膜
を行なう電磁石制御手段を設けたことを特徴する
スパツタリングによる成膜装置。 3 上記電磁石制御手段は、デイジタル制御信号
を発生させるデイジタル制御信号発生手段と該デ
イジタル制御信号発生手段によつて発生されたデ
イジタル制御信号に基いて上記電磁石に印加する
電流波形の時間間隔を制御する電流増幅手段とを
有することを特徴とする特許請求の範囲第2項記
載のスパツタリングによる成膜装置。 4 上記電磁石を第2磁極体と第3の磁極体との
間に設置したことを特徴とする特許請求の範囲第
2項記載のスパツタリングによる成膜装置。
[Claims] 1. A first magnetic pole body provided at the center of a target, an annular second magnetic pole body provided around the first magnetic pole body, and a third magnetic pole body provided around the first magnetic pole body. A target is installed at the tips of these magnetic pole bodies, and the rear ends of these magnetic pole bodies are magnetically connected to a plate-shaped body formed of a magnetic material. In order to generate a main magnetic flux and move an annular plasma generation region, a planar magnetron type sputtering electrode having at least two magnetic field generating means, at least one of which is an electromagnet, is provided on the three magnetic pole bodies, and an electromagnetic control means is used. By controlling the time interval of the periodic current waveform flowing through the electromagnet, the residence time in the large annular plasma generation region is made longer than the residence time in the small annular plasma generation region, and the annular plasma generation region is
A film forming method using sputtering, characterized in that a uniform film is formed by combining the film thicknesses obtained in each annular plasma generation area according to time intervals by moving the film more than once. 2 A first magnetic pole body provided at the center of the target, an annular second magnetic pole body provided around the first magnetic pole body, and a third magnetic pole body provided around the first magnetic pole body, and these magnetic pole bodies A target is installed at the tip of the magnetic pole body, and the rear ends of these magnetic pole bodies are magnetically connected to a plate-shaped body formed of a magnetic material, which generates an annular tunnel-shaped main magnetic flux that confines the plasma ring above the target. In order to move the annular plasma generation region, a planar magnetron type sputtering electrode equipped with at least two magnetic field generating means, at least one of which is an electromagnet, is provided on the three magnetic pole bodies, and the periodic current waveform flowing through the electromagnet is The time interval is controlled so that the stay time in the large annular plasma generation area is longer than the stay time in the small annular plasma generation area, and the annular plasma generation area is moved at least once or more according to the time interval. A film forming apparatus using sputtering, characterized in that an electromagnetic control means is provided for synthesizing the film thicknesses of the resulting annular plasma generation regions to form a uniform film. 3. The electromagnet control means controls a time interval of a current waveform applied to the electromagnet based on a digital control signal generation means for generating a digital control signal and a digital control signal generated by the digital control signal generation means. 3. A film forming apparatus by sputtering according to claim 2, further comprising current amplification means. 4. A film forming apparatus by sputtering according to claim 2, wherein the electromagnet is installed between the second magnetic pole body and the third magnetic pole body.
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