JPH04124265A - Sputtering device and production of film - Google Patents

Sputtering device and production of film

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JPH04124265A
JPH04124265A JP24007590A JP24007590A JPH04124265A JP H04124265 A JPH04124265 A JP H04124265A JP 24007590 A JP24007590 A JP 24007590A JP 24007590 A JP24007590 A JP 24007590A JP H04124265 A JPH04124265 A JP H04124265A
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JP
Japan
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gas
bias voltage
self
target
film
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Application number
JP24007590A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuo Hirata
和男 平田
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Canon Anelva Corp
Original Assignee
Anelva Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To reduce the absolute value of the self-bias voltage of the cathode and to prevent the resputtering of a film on a substrate by negative ions emitted from the cathode by arranging magnets generating a strong magnetic field near a target electrode and using halogen-contg. gas as part of gas to be introduced. CONSTITUTION:When magnets are arranged near a target in a vacuum vessel and a thin oxide film is produced on a substrate by high-frequency sputtering of the target, halogen-contg. gas, preferably bromine or fluorine-contg. gas is used as part of gas to be introduced into the vessel. The absolute value of the self-bias voltage of the cathode can be reduced by negative halogen ions and the self-bias voltage of the cathode can be controlled by controlling the flow rate of the halogen-contg. gas. Magnets generating a strong magnetic field on the surface of the magnet are preferably arranged so that a component of the magnetic field parallel to the surface of the target becomes >=400G at a position at which a component of the magnetic field perpendicular to the surface of the target becomes zero.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、ターゲットの近傍に磁石を配置して高周波
スパッタリングを行うスパッタリング装置に関し、また
、この装置を利用して酸化物薄膜を作製する膜作製方法
に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a sputtering device that performs high-frequency sputtering by placing a magnet near a target, and also relates to a sputtering device that performs high-frequency sputtering by disposing a magnet near a target, and also relates to a sputtering device that performs high-frequency sputtering by placing a magnet near a target, and also relates to a sputtering device that uses this device to produce an oxide thin film. Regarding the manufacturing method.

[従来の技術] 近年、スパッタリング現象を利用して薄膜を作製し、そ
の薄膜の基礎物性を測定したり、薄膜を加工してデバイ
ス等に応用する基礎研究や実用化技術の開発をしたりす
ることが活発に行われている。
[Conventional technology] In recent years, thin films have been created using sputtering phenomena, the basic physical properties of the thin films have been measured, and basic research and practical technology have been developed to process thin films and apply them to devices, etc. Things are actively happening.

スパッタリング現象は、ターゲットに高エネルギーイオ
ンを入射させることにより、ターゲットからスパッタ粒
子(中性粒子)を発生させ、基体上にスパッタ粒子を堆
積させる現象である。
The sputtering phenomenon is a phenomenon in which sputter particles (neutral particles) are generated from the target by injecting high-energy ions into the target, and the sputter particles are deposited on a substrate.

最近脚光を浴びている酸化物超電導体薄膜やITO薄膜
(透明導電膜)等もこのスパッタリンク現象を利用して
作製されている。しかし、これらの薄膜を作製する際に
酸化物ターゲットをスパッタリングすると、次のような
現象が起こることが報告されている。
Oxide superconductor thin films and ITO thin films (transparent conductive films), which have recently been in the spotlight, are also produced using this sputter link phenomenon. However, it has been reported that when sputtering an oxide target when producing these thin films, the following phenomenon occurs.

(1)ターゲットに高エネルギーイオンを入射して、タ
ーゲットから放出される2次イオンを分析すると、酸素
の負イオンが主ピークとして検出される(第50回応用
物理学会学術講演会 講演予稿集 28a−PB−17
,1989)。
(1) When high-energy ions are injected into a target and the secondary ions emitted from the target are analyzed, negative oxygen ions are detected as the main peak (50th Japan Society of Applied Physics Conference Proceedings 28a) -PB-17
, 1989).

(2)ターゲットから放出された負イオンは、ターゲッ
ト上のシース電界により基体方向に加速される。この負
イオンはターゲットのセルフバイアス電圧による加速エ
ネルギーとほぼ同等なエネルギーを持つ(第37回応用
物理学関係連合講演会 講演予稿集 29a−V−9,
1990)。
(2) Negative ions emitted from the target are accelerated toward the substrate by the sheath electric field on the target. This negative ion has almost the same energy as the acceleration energy due to the self-bias voltage of the target (37th Applied Physics Conference Proceedings 29a-V-9,
1990).

(3)カソードシース電界により加速された高エネルギ
ー負イオンは基体表面を衝撃し、基体表面に付着してい
るスパッタ粒子(膜)を再スパツタリングする現象を起
こす(第37回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集
 29a−■8、1990)。
(3) High-energy negative ions accelerated by the cathode sheath electric field impact the substrate surface, causing a phenomenon in which the sputtered particles (film) attached to the substrate surface are re-sputtered (37th Applied Physics Union Lecture Conference Proceedings 29a-■8, 1990).

酸化物超電導体薄膜においては、この再スパツタリング
現象により、その組成がターゲットの組成と一致しなく
なり、その超電導特性が著しく劣化する。また、ITO
薄膜においても同様な原因により、その導電性が著しく
劣化する。
Due to this re-sputtering phenomenon, the composition of the oxide superconductor thin film no longer matches that of the target, and its superconducting properties are significantly degraded. Also, ITO
The conductivity of thin films also deteriorates significantly due to similar reasons.

この再スパツタリング現象は、負イオンがカッドシース
の電界により高エネルギーを与えられることに起因する
ので、再スパツタリング現象を防止するには、カソード
シースの電界を小さくすればよい。すなわち、高周波ス
パッタリングにおいて、カソードのセルフバイアス電圧
の絶対値を小さくすればよい。このセルフバイアス電圧
の値は次の条件に依存している。
This re-sputtering phenomenon is caused by negative ions being given high energy by the electric field of the cathode sheath, so in order to prevent the re-sputtering phenomenon, the electric field of the cathode sheath can be reduced. That is, in high-frequency sputtering, the absolute value of the cathode self-bias voltage may be reduced. The value of this self-bias voltage depends on the following conditions.

(a)カソードのセルフバイアス電圧は、カソードに印
加する高周波電力に依存する。つまり、電力が大きくな
れば、セルフバイアス電圧の絶対値も大きくなる。第6
図にセルフバイアス電圧と印加電力の関係を示す。
(a) The self-bias voltage of the cathode depends on the high frequency power applied to the cathode. In other words, as the power increases, the absolute value of the self-bias voltage also increases. 6th
The figure shows the relationship between self-bias voltage and applied power.

(b)カソードのセルフバイアス電圧は、真空容器内の
圧力に依存する。つまり、圧力が高くなれば、セルフバ
イアス電圧の絶対値は小さくなる。
(b) The self-bias voltage of the cathode depends on the pressure inside the vacuum vessel. In other words, as the pressure increases, the absolute value of the self-bias voltage decreases.

第7図にセルフバイアス電圧と圧力の関係を示す。FIG. 7 shows the relationship between self-bias voltage and pressure.

(C)カソードのセルフバイアス電圧は、印加する高周
波電力の周波数に依存する。つまり、周波数が高くなれ
ば、セルフバイアス電圧の絶対値は小さくなる(参考文
献コTHE 5ECOND l5TECWORKSI(
OP ON 5IjPERCOND[1CTIVIY、
 MAY28−30゜1990、9.21)。
(C) The self-bias voltage of the cathode depends on the frequency of the applied high-frequency power. In other words, the higher the frequency, the smaller the absolute value of the self-bias voltage (References: THE 5ECOND 15TECWORKSI)
OP ON 5IjPERCOND[1CTIVY,
MAY28-30゜1990, 9.21).

したがって、カソードに印加する電力や、真空容器内の
圧力、印加電力の周波数を制御すれば、セルフバイアス
電圧を制御できることになる。
Therefore, by controlling the power applied to the cathode, the pressure inside the vacuum container, and the frequency of the applied power, the self-bias voltage can be controlled.

[発明が解決しようとする課題] しかし、これらの条件を制御するには次のような問題が
ある。
[Problems to be Solved by the Invention] However, there are the following problems in controlling these conditions.

上述の(a)の電力制御には次のような問題がある。電
力を低くするとセルフバイアス電圧の絶対値は小さくな
る傾向にあるが、セルフバイアス電圧の絶対値を100
v以下にするには、印加電力を30W以下にしなければ
ならない。しかし、こうすると膜堆積速度が小さくなっ
てしまう。また、電力を0〜30Wの範囲内で変化させ
た場合は、セルフバイアス電圧が急激に変化してしまい
、実用的には、精密にセルフバイアス電圧を制御するこ
とはできない。
The above power control (a) has the following problems. The absolute value of self-bias voltage tends to decrease when the power is lowered, but if the absolute value of self-bias voltage is reduced to 100
In order to make the applied power less than 30W, the applied power must be less than 30W. However, this reduces the film deposition rate. Further, when the power is changed within the range of 0 to 30 W, the self-bias voltage changes rapidly, and it is practically impossible to precisely control the self-bias voltage.

上述の(b)の圧力制御には次のような問題がある。ガ
ス圧力を高くするとセルフバイアス電圧の絶対値は低く
なる傾向にあるが、セルフバイアス電圧の絶対値を10
0V以下にするには、圧力を500mTorr以上にし
なければならない。しかし、こうするとスパッタ粒子と
ガス粒子とが衝突して散乱を起こし、膜厚分布や膜組成
分布の面内の変動が大きくなる。したがって、有効な膜
の面積は小さくなってしまう。また、」二連の(a)の
場合と同様に極端に膜堆積速度が小さくなる傾向があり
、実用的でない。
The above pressure control (b) has the following problems. As the gas pressure increases, the absolute value of the self-bias voltage tends to decrease, but if the absolute value of the self-bias voltage is reduced by 10
In order to reduce the pressure to 0V or less, the pressure must be 500mTorr or more. However, in this case, sputtered particles and gas particles collide and cause scattering, resulting in large in-plane variations in film thickness distribution and film composition distribution. Therefore, the effective membrane area becomes small. Furthermore, as in the case of "double series (a)", the film deposition rate tends to be extremely low, making it impractical.

上述の(c)の周波数制御には次のような問題がある。The above frequency control (c) has the following problems.

周波数を13.56MHzから100MHzに上昇させ
るとセルフバイアス電圧の絶対値は小さくなる傾向があ
る。しかし、」二連の(C)で引用した文献に示されて
いるように、周波数を100MH2に」1昇させたとし
てもセルフバイアス電圧の絶対値は100V以下にはな
らない。また、この文献から明らかなように、確かに膜
組成の均一性は良好となるが、ターゲット組成と膜組成
とが一致していない。これは、セルフバイアス電圧の絶
対値が100■と高いために組成変動を起こしているか
らである。さらに、周波数を変化させるためには、発振
器や、電源、インピーダンス整合器を変更する必要があ
り、非常に費用がかかる。また、周波数を高くすること
により浮遊容量の影響を受け、インピーダンスマツチン
クの調整等に非常に手間がかかる。
When the frequency is increased from 13.56 MHz to 100 MHz, the absolute value of the self-bias voltage tends to decrease. However, as shown in the literature cited in "double (C)", even if the frequency is increased by 1 to 100 MH2, the absolute value of the self-bias voltage will not become less than 100 V. Further, as is clear from this document, although the uniformity of the film composition is certainly good, the target composition and the film composition do not match. This is because the absolute value of the self-bias voltage is as high as 100 cm, causing compositional fluctuations. Furthermore, changing the frequency requires changing the oscillator, power supply, and impedance matching device, which is very expensive. Furthermore, as the frequency is increased, stray capacitance is affected, and it takes a lot of effort to adjust the impedance matching.

そこで、この発明の目的は、上に挙げた方法以外の方法
によってセルフバイアス電圧を小さくすることのできる
スパッタリング装置を提供することと、この装置を利用
した膜作製方法を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a sputtering apparatus that can reduce the self-bias voltage by a method other than the above-mentioned method, and to provide a film manufacturing method using this apparatus.

[課題を解決するための手段] 第1の発明のスパッタリング装置は、ターゲットの近傍
に磁石を配置した高周波スパッタリング装置において、 導入ガスの一部としてハロゲン系のガスを導入するガス
導入部を有することを特徴としている。
[Means for Solving the Problems] A sputtering apparatus of the first invention is a high-frequency sputtering apparatus in which a magnet is arranged near a target, and has a gas introduction part that introduces a halogen-based gas as part of the introduced gas. It is characterized by

第2の発明のスパッタリング装置は、第1の発明の特徴
に加えて、ターゲット表面において、タゲット表面に垂
直な磁界成分がゼロになる位置でのターゲット表面に平
行な磁界成分が400ガウス以上であることを特徴とし
ている。
In addition to the features of the first invention, the sputtering apparatus of the second invention has a magnetic field component parallel to the target surface of 400 Gauss or more at a position where the magnetic field component perpendicular to the target surface becomes zero. It is characterized by

第3の発明のスパッタリング装置は、第2の発明の特徴
に加えて、被処理基体を保持する基体ホルダーに負電圧
を印加する基体バイアス機構を有することを特徴として
いる。
In addition to the features of the second invention, the sputtering apparatus of the third invention is characterized by having a substrate bias mechanism that applies a negative voltage to a substrate holder that holds a substrate to be processed.

第4の発明の膜作製方法は、ターゲットの近傍に磁石を
配置して、前記ターゲットを高周波スパッタリングする
ことによって被処理基体上に酸化物薄膜を作製する膜作
製方法において、導入ガスの一部としてハロゲン系ガス
を真空容器内に導入することを特徴としている。
A film manufacturing method according to a fourth aspect of the invention is a film manufacturing method in which a magnet is placed near a target and an oxide thin film is created on a substrate to be processed by high frequency sputtering of the target. It is characterized by introducing a halogen gas into a vacuum container.

第5の発明の膜作製方法は、第4の発明におけるハロゲ
ン系ガスとして臭素系ガスまたはフッ素系ガスを利用す
ることを特徴としている。
The film manufacturing method of the fifth invention is characterized in that a bromine gas or a fluorine gas is used as the halogen gas in the fourth invention.

第6の発明の膜作製方法は、第4の発明におけるハロゲ
ン系ガスの流量を制御することによってカソードのセル
フバイアス電圧を制御することを特徴としている。
The film manufacturing method of the sixth invention is characterized in that the self-bias voltage of the cathode is controlled by controlling the flow rate of the halogen-based gas according to the fourth invention.

第7の発明の膜作製方法は、第4の発明の特徴に加えて
、ターゲット表面において、ターゲット表面に垂直な磁
界成分がゼロになる位置でのターゲット表面に平行な磁
界成分が400ガウス以上であることを特徴としている
In addition to the feature of the fourth invention, the film fabrication method of the seventh invention provides a method in which the magnetic field component parallel to the target surface at a position where the magnetic field component perpendicular to the target surface becomes zero is 400 Gauss or more. It is characterized by certain things.

第8の発明の膜作製方法は、第7の発明の特徴に加えて
、被処理基体を保持する基体ホルダーに負電圧を印加す
ることを特徴としている。
In addition to the features of the seventh invention, the film manufacturing method of the eighth invention is characterized in that a negative voltage is applied to a substrate holder that holds a substrate to be processed.

第9の発明の膜作製方法は、第8の発明において、カソ
ードのセルフバイアス電圧よりも絶対値の小さい負電圧
を前記基体ホルダーに印加することを特徴としている。
A film manufacturing method according to a ninth invention is characterized in that, in the eighth invention, a negative voltage having an absolute value smaller than the self-bias voltage of the cathode is applied to the substrate holder.

[作用] 導入ガスの一部にハロゲン系のガスを利用すると、プラ
ズマ中にハロゲンの負イオン(例えばBr−1F−)を
生じる。この負イオンは、カソードのセルフバイアス電
圧の絶対値を低下させるように作用する。ハロゲン系の
ガスの流量を制御すると、プラスマ中のハロゲンの負イ
オンの量を制御できるので、カソードのセルフバイアス
電圧を精密に制御できる。セルフバイアス電圧を精密に
制御できると、膜堆積速度を精密に制御することができ
る。
[Function] When a halogen-based gas is used as part of the introduced gas, negative ions of halogen (for example, Br-1F-) are generated in the plasma. These negative ions act to reduce the absolute value of the self-bias voltage of the cathode. By controlling the flow rate of the halogen-based gas, the amount of negative halogen ions in the plasma can be controlled, so the self-bias voltage of the cathode can be precisely controlled. If the self-bias voltage can be precisely controlled, the film deposition rate can be precisely controlled.

ターゲット表面に磁界を形成してプラスマ密度を高める
、いわゆるマグネトロンスパッタリングにおいては、磁
界がターゲット表面に平行になる位置、すなわちターゲ
ラ)・表面に垂直な磁界成分(以下、Bvという。)が
ゼロになる位置で、プラズマ密度が高くなる。そして、
このBvがゼロになる位置での、ターゲット表面に平行
な磁界成分(以下、Bhという。)が大きければ大きい
ほどプラスマ密度が高くなり、それに伴ってカッドのセ
ルフバイアス電圧の絶対値が小さくなる。
In so-called magnetron sputtering, which increases the plasma density by forming a magnetic field on the target surface, the position where the magnetic field is parallel to the target surface (i.e. target area) and the magnetic field component perpendicular to the surface (hereinafter referred to as Bv) become zero. The plasma density increases at certain positions. and,
The larger the magnetic field component parallel to the target surface (hereinafter referred to as Bh) at the position where Bv becomes zero, the higher the plasma density becomes, and the absolute value of the quad self-bias voltage becomes smaller accordingly.

好ましくはセルフバイアス電圧の絶対値が100V以下
になるようにする。この発明では、Bhが400ガウス
以上となるようにしている。このような大きな磁界を得
るには希土類磁石を利用するとよい。なお、マグネトロ
ンスパッタリング用の通常の磁石では、Bhは250ガ
ウス程度である。
Preferably, the absolute value of the self-bias voltage is 100V or less. In this invention, Bh is set to be 400 Gauss or more. To obtain such a large magnetic field, it is recommended to use rare earth magnets. Note that in a normal magnet for magnetron sputtering, Bh is about 250 Gauss.

以上のように、ハロゲン系のガスを利用したり、大きな
磁界を利用したりすることによって、カソードのセルフ
バイアス電圧の絶対値を小さくすることかできる。その
結果、ターケラI・から放出される負イオンの加速エネ
ルギーを小さくすることができて、この負イオンによる
基体への衝撃を緩和することができる。
As described above, the absolute value of the cathode self-bias voltage can be reduced by using a halogen-based gas or by using a large magnetic field. As a result, the acceleration energy of negative ions emitted from Turkella I can be reduced, and the impact of these negative ions on the substrate can be alleviated.

さらに、基体ホルダーの側でも上述の負イオン衝撃を緩
和するための工夫をすることができる。
Further, it is possible to take measures to alleviate the above-mentioned negative ion impact on the substrate holder side as well.

すなわち、基体ホルダーに負電圧を印加することによっ
て負イオン衝撃を緩和することができる。
That is, negative ion impact can be alleviated by applying a negative voltage to the substrate holder.

基体ホルダーに印加する負電圧は、カソードのセルフバ
イアス電圧よりも絶対値が小さくなるようにしている。
The negative voltage applied to the substrate holder is set to have a smaller absolute value than the self-bias voltage of the cathode.

[実施例] 次に、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。[Example] Next, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図は、この発明のスパッタリング装置の一実施例の
正面断面図である。真空容器1は矢印6方向に設置しで
ある主排気系で排気できて]0−7T orr以下の圧
力に保つことができる。真空容器1には、薄膜を作製す
るために必要なガスを供給するためのガス導入系29を
設け、バルブ23.24.25を介して真空容器1の中
へガスを導入できるようにしている。例えば、矢印10
方向からArガス、矢印11方向から02ガス、矢印1
2方向からBr2ガスを導入し、これらを混合して真空
容器1の中へ導入する。真空容器]内の圧力は、ガス導
入系29のマスフローメータ(図示せず)と、矢印6方
向に設置しである主排気系とを調節することにより、適
切な値に設定できる。
FIG. 1 is a front sectional view of an embodiment of a sputtering apparatus of the present invention. The vacuum vessel 1 can be evacuated by a main exhaust system installed in the direction of arrow 6 and can be maintained at a pressure of 0-7 Torr or less. The vacuum container 1 is provided with a gas introduction system 29 for supplying the gas necessary for producing a thin film, so that the gas can be introduced into the vacuum container 1 via valves 23, 24, and 25. . For example, arrow 10
Ar gas from direction, 02 gas from arrow 11 direction, arrow 1
Br2 gas is introduced from two directions, mixed and introduced into the vacuum vessel 1. The pressure inside the vacuum vessel can be set to an appropriate value by adjusting the mass flow meter (not shown) of the gas introduction system 29 and the main exhaust system installed in the direction of arrow 6.

真空容器1内には、基体14を保持してこれを800℃
まで加熱することができる基体ホルダー13を設置して
いる。加熱方式は、温調計19とサイリスタユニット1
8と基体ホルダー13の表面に取り付1プた熱電対26
とによりランプヒータ15を制御する方式である。
A substrate 14 is held in the vacuum container 1 and heated to 800°C.
A substrate holder 13 that can be heated to Heating method is temperature controller 19 and thyristor unit 1
8 and a thermocouple 26 attached to the surface of the substrate holder 13.
In this method, the lamp heater 15 is controlled by the following.

基体ホルダー13は絶縁石17によって真空容器1に対
して電気的に絶縁されている。基体ホルダー13はリー
ド線16によって真空容器1の外にあるバイアス電源2
0に接続されている。このバイアス電源20はバイポー
ラ方式の電源で、正の電圧と負の電圧のいずれかを選択
して基体ホルダー13に印加できる。基体ホルダー13
にバイアス電圧を印加することにより、ターゲットから
基体に入射する負イオンのエネルギーを制御することが
できる。
The substrate holder 13 is electrically insulated from the vacuum vessel 1 by an insulating stone 17. The substrate holder 13 is connected to a bias power source 2 outside the vacuum container 1 by a lead wire 16.
Connected to 0. The bias power supply 20 is a bipolar power supply, and can select either a positive voltage or a negative voltage to apply to the substrate holder 13. Substrate holder 13
By applying a bias voltage to the target, the energy of negative ions that enter the substrate from the target can be controlled.

基体ホルダー13に対向する位置にはターゲットシール
ド2を設置し、このターゲットシールド2の内側に絶縁
リング8(フッ素樹脂製)を介してターゲット3とカソ
ードボディ30を設置している。このカソードボディ3
0には冷却水(矢印9a、、9b)を流して冷却してい
る。また、カソードボディ30にはインピーダンス整合
器21、高周波電源22が接続している。この高周波電
源22によりカソードボディ30に電力を供給している
A target shield 2 is installed at a position facing the substrate holder 13, and a target 3 and a cathode body 30 are installed inside the target shield 2 via an insulating ring 8 (made of fluororesin). This cathode body 3
0 is cooled by flowing cooling water (arrows 9a, 9b). Further, an impedance matching device 21 and a high frequency power source 22 are connected to the cathode body 30. This high frequency power supply 22 supplies power to the cathode body 30.

カソードボディ30の中には希土類磁石で構成した円筒
形の高磁界磁石7を収納している。第2図は高磁界磁石
7の正面断面図である。この高磁界磁石7は磁界4を発
生し、ターゲット3の表面において、ターゲソ)・3の
表面に垂直な磁界成分Bvがゼロになる位置で、ターゲ
ソ)・3の表面に平行な磁界成分Bhか1200ガウス
となる磁界強度を持っている。
The cathode body 30 houses a cylindrical high-field magnet 7 made of a rare earth magnet. FIG. 2 is a front cross-sectional view of the high-field magnet 7. This high-field magnet 7 generates a magnetic field 4, and at a position on the surface of the target 3 where the magnetic field component Bv perpendicular to the surface of the target 3 becomes zero, the magnetic field component Bh parallel to the surface of the target 3 becomes zero. It has a magnetic field strength of 1200 Gauss.

第1図に戻って、カソードボディ30にはロバスフィル
タ27を介して電圧計28を接続している。カソードボ
ディ30に高周波電力を印加すると、真空容器1内で放
電が生じたときにカッドボディ30にセルフバイアス電
圧が誘起される。
Returning to FIG. 1, a voltmeter 28 is connected to the cathode body 30 via a robust filter 27. When high frequency power is applied to the cathode body 30, a self-bias voltage is induced in the cathode body 30 when a discharge occurs within the vacuum vessel 1.

このセルフバイアス電圧Vsを電圧計28によってモニ
ターする。
This self-bias voltage Vs is monitored by a voltmeter 28.

高周波電力=150W、圧力=25mTorrのときの
、Bv=0の位置での磁界成分Bhとセルフバイアス電
圧Vsとの関係を第3図に示す。
FIG. 3 shows the relationship between the magnetic field component Bh and the self-bias voltage Vs at the position of Bv=0 when the high frequency power is 150 W and the pressure is 25 mTorr.

Bh=Oすなわち磁石がない場合は、Vs−−933V
である。磁界成分Bhを大きくすると、セルフバイアス
電圧Vsの絶対値は急激に減少する。
Bh=O, that is, when there is no magnet, Vs--933V
It is. When the magnetic field component Bh is increased, the absolute value of the self-bias voltage Vs rapidly decreases.

B h、 = 1200ガウスのときは、Vs=−70
Vとなる。このように磁界成分Bhを大きくすることに
よりセルフバイアス電圧Vsの絶対値を低下させること
ができる。ただし、高磁界磁石7は永久磁石であるため
、いったん磁石を設置してしまうと磁石によってセルフ
バイアス電圧Vsを制御することはできない。すなわち
、磁石の選択によって大まかには磁石強度を設定できる
が、精密にBhを制御するには別の工夫か必要となる。
When B h, = 1200 Gauss, Vs = -70
It becomes V. By increasing the magnetic field component Bh in this way, the absolute value of the self-bias voltage Vs can be reduced. However, since the high-field magnet 7 is a permanent magnet, once the magnet is installed, the self-bias voltage Vs cannot be controlled by the magnet. That is, although the magnet strength can be roughly set by selecting the magnet, other measures are required to precisely control Bh.

そこで、この実施例においては、ハロゲン系のガスの導
入によってセルフバイアス電圧Vsの精密な制御を行っ
ている。この実施例では、ガス導入系29において、臭
素ガス(Br2)をマスフロメーター(図示せず)とバ
ルブ25を介して真空容器1内に導入している。このと
きのセルフバイアス電圧Vsと、Br2ガスの分圧比r
B r2/(Ar+02十Br2)」との関係を第4図
に示す。Br2ガスの分圧比を増加させることによリセ
ルツバイアスミ圧Vsの絶対値を低下させることかでき
る。したがって、高周波電力と真空容器内の圧力を一定
にしておいて、Br2ガスの分圧比を調節することによ
り、セルフバイアス電圧Vsを精密に制御することがで
きる。
Therefore, in this embodiment, the self-bias voltage Vs is precisely controlled by introducing a halogen-based gas. In this embodiment, bromine gas (Br2) is introduced into the vacuum vessel 1 through a mass flow meter (not shown) and a valve 25 in a gas introduction system 29. At this time, the self-bias voltage Vs and the partial pressure ratio r of Br2 gas
Br2/(Ar+02+Br2)" is shown in FIG. By increasing the partial pressure ratio of the Br2 gas, the absolute value of the Lissertz-Biasmi pressure Vs can be lowered. Therefore, by keeping the high frequency power and the pressure in the vacuum container constant and adjusting the partial pressure ratio of the Br2 gas, the self-bias voltage Vs can be precisely controlled.

スパッタリングによる膜堆積速度はセルフバイアス電圧
に依存するので、セルフバイアス電圧を精密に制御でき
るようになると、これによって膜堆積速度を精密に制御
することができる。特に、マルチカソードスパッタリン
グによって超格子薄膜を数オングストロームずつ積層し
ていくような場合には、膜堆積速度を精密に制御する必
要があり、セルフバイアス電圧の精密制御はこのような
場合に有効である。
The film deposition rate by sputtering depends on the self-bias voltage, so if the self-bias voltage can be precisely controlled, the film deposition rate can be precisely controlled. In particular, when superlattice thin films are deposited several angstroms at a time by multi-cathode sputtering, it is necessary to precisely control the film deposition rate, and precise control of the self-bias voltage is effective in such cases. .

第4図から明らかなように、Br2ガスの分圧比が大き
くなるほどセルフバイアス電圧の絶対値は低下するが、
Br2ガスは腐食性が強いので、あまり分圧比を太き(
するとガス導入系やチャンバ内が腐食によって汚染され
る恐れがある。したがって、Br2ガスの分圧比は0.
1程度に抑えるのが好ましい。
As is clear from Fig. 4, as the partial pressure ratio of Br2 gas increases, the absolute value of the self-bias voltage decreases;
Br2 gas is highly corrosive, so do not increase the partial pressure ratio too much (
This may cause the gas introduction system and the inside of the chamber to be contaminated by corrosion. Therefore, the partial pressure ratio of Br2 gas is 0.
It is preferable to suppress it to about 1.

セルフバイアス電圧の絶対値を小さくすることは基体へ
の負イオン衝撃を緩和する上で重要であるが、セルフバ
イアス電圧の絶対値を小さくし過ぎると膜堆積速度が小
さくなり過ぎて実用的でない。そこで、セルフバイアス
電圧の絶対値は50V以下にならないようにするのが好
ましい。
Although it is important to reduce the absolute value of the self-bias voltage in order to alleviate negative ion impact on the substrate, if the absolute value of the self-bias voltage is made too small, the film deposition rate becomes too low to be practical. Therefore, it is preferable that the absolute value of the self-bias voltage is not less than 50V.

次に、このスパッタリング装置を用いて酸化物薄膜を作
製する方法について説明する。
Next, a method for producing an oxide thin film using this sputtering apparatus will be explained.

ターゲットから負イオンが発生する物質の一例として、
酸化物超電導体Y、Ba2Cug O,がある。そこで
、ターゲット3として、直径4インチのYIBa2 C
u30.焼結体ターゲットを用いる。第1図のガス導入
系29において、バルブ23.24とマス70メータ(
図示せず)を介して、矢印10方向からArガスを、矢
印11方向から02ガスを供給し、これらを混合して真
空容器1の中へ導入する。このときのArガスと02ガ
スとの混合比は1対1である。真空容器1内の圧力は2
5mTorrにする。ターゲット3と基体ホルダー13
との間隔は25mmである。ターゲット3の近傍には高
磁界磁石7により高磁界が形成されている。すなわち、
ターゲット表面において、磁界成分Bvがゼロになる位
置で、磁界成分Bhが1200ガウスとなっている。タ
ーゲット3には、高周波電源22から13.56MHz
の周波数で150Wの高周波電力を印加し、インピーダ
ンス整合器2]により、反射波がOW(ゼロワット)に
なるように調整している。このとき、フィルター27を
介して電圧計28によってモニターしたセルフバイアス
電圧Vsは一70Vであった。
As an example of a substance that generates negative ions from the target,
There are oxide superconductors Y and Ba2CugO. Therefore, as target 3, YIBa2C with a diameter of 4 inches was used.
u30. A sintered target is used. In the gas introduction system 29 in Fig. 1, the valves 23, 24 and the mass 70 meter (
(not shown), Ar gas is supplied from the direction of arrow 10 and 02 gas is supplied from the direction of arrow 11, and these are mixed and introduced into the vacuum vessel 1. The mixing ratio of Ar gas and 02 gas at this time is 1:1. The pressure inside vacuum container 1 is 2
Set it to 5 mTorr. Target 3 and substrate holder 13
The distance between them is 25 mm. A high magnetic field is generated near the target 3 by a high magnetic field magnet 7 . That is,
On the target surface, the magnetic field component Bh is 1200 Gauss at the position where the magnetic field component Bv becomes zero. For target 3, 13.56MHz from high frequency power supply 22
A high frequency power of 150 W is applied at a frequency of 150 W, and the reflected wave is adjusted to OW (zero watt) using an impedance matching device 2]. At this time, the self-bias voltage Vs monitored by the voltmeter 28 through the filter 27 was -70V.

セルフバイアス電圧Vsをさらに下げるために、矢印1
2方向からマスフロメーター(図示せず)を介して真空
容器1内にBr2ガスを導入した。
To further lower the self-bias voltage Vs, use arrow 1.
Br2 gas was introduced into the vacuum container 1 from two directions via a mass flow meter (not shown).

そして、真空容器内の圧力が25mTorrになるよう
にArガス、0□ガス、Br2ガスの各流量を調整し、
Br2ガスの分圧比rB r2 / (A r+02 
+ B r 2 ) Jが0.1になるようにした。
Then, adjust the flow rates of Ar gas, 0□ gas, and Br2 gas so that the pressure inside the vacuum container becomes 25 mTorr,
Partial pressure ratio of Br2 gas rB r2 / (A r+02
+ B r 2 ) J was set to 0.1.

このときのセルフバイアス電圧Vsは一50Vとなった
The self-bias voltage Vs at this time was -50V.

as−grown状態で超電導特性を得るために、基体
14を600〜700℃に加熱した状態で、上記の条件
で薄膜を堆積させた。基体14にはMgO(100)を
用いて、C軸配向の膜を得た。そして、この膜が再現性
よく得られることを確認した後、基体バイアス電圧の影
響を調べた。
In order to obtain superconducting properties in an as-grown state, a thin film was deposited under the above conditions while the substrate 14 was heated to 600 to 700°C. MgO (100) was used for the substrate 14 to obtain a C-axis oriented film. After confirming that this film could be obtained with good reproducibility, the influence of the substrate bias voltage was investigated.

すなわち、バイアス電源20によって基体14に負のバ
イアス電圧を印加し、バイアス電圧の値をいろいろに変
えて超電導体薄膜を作製した。その結果、バイアス電圧
vbが一10Vのときに最も良好な特性を有する膜を得
た。
That is, a negative bias voltage was applied to the substrate 14 by the bias power supply 20, and the value of the bias voltage was varied to produce superconductor thin films. As a result, a film having the best characteristics when the bias voltage vb was -10V was obtained.

第5図に基体上の膜の組成比分布を示す。(a)は実施
例の場合を、(b)は従来例の場合を示している。以下
に、実施例と従来例を比較して示す。
FIG. 5 shows the composition ratio distribution of the film on the substrate. (a) shows the case of the embodiment, and (b) shows the case of the conventional example. A comparison between the embodiment and the conventional example will be shown below.

(a)実施例 (1)組成比の変動が±5%以内の均一膜組成領域:直
径100mm以内 (2)膜の超電導臨界温度;90K (3)セルフバイアス電圧: −50V(b)従来例 (1)組成比の変動が±5%以内の均−膜組成領域二直
径45mm以内 (2)膜の超電導臨界温度=82K (3)セルフバイアス電圧−一1B2V実施例において
は高磁界磁石を利用することによりセルフバイアス電圧
を低下させ、さらに、Br2ガスの流量を制御すること
によりセルフバイアス電圧を精密に制御した。その結果
、実施例と従来例とを比較すると、実施例では膜組成が
改善され、特に、均一膜組成領域は従来例の4倍以上の
面積になった。また、膜中には、YSBa。
(a) Example (1) Uniform film composition region with variation in composition ratio within ±5%: diameter within 100 mm (2) Superconducting critical temperature of film: 90K (3) Self-bias voltage: -50V (b) Conventional example (1) Uniform film composition region with variation in composition ratio within ±5% and diameter within 45 mm (2) Superconducting critical temperature of film = 82K (3) Self-bias voltage - 1B2V In the example, a high field magnet is used By doing so, the self-bias voltage was lowered, and furthermore, by controlling the flow rate of Br2 gas, the self-bias voltage was precisely controlled. As a result, when comparing the example and the conventional example, the film composition was improved in the example, and in particular, the area of the uniform film composition area was more than four times that of the conventional example. Moreover, YSBa is contained in the film.

Cu10のほかにBrのピークが見られたが、Brが超
電導特性を劣化させることはない。なお、上述の従来例
は、標準磁石を利用し、Br2ガスを導入せずに、基体
バイアスも印加しない条件で膜作成を行ったものである
Although a peak of Br was observed in addition to Cu10, Br does not deteriorate the superconducting properties. In the conventional example described above, the film was formed using a standard magnet, without introducing Br2 gas, and without applying a body bias.

Brガスの他に以下に示す臭素系ガス、フッ素系ガスを
用いても、上記と同様な膜を得ることができる。すなわ
ち、Br系ガスとしては、BBr3、HBr、BrF3
 、BrF5、CBrF3 、C2Br2 F4 、C
H3Brを用いることができる。また、フッ素系ガスと
しては、NF3、BF3、SF4、SF6、CF4、H
F1CIF3、C2F6、C3F8、CH3Fを用いる
ことができる。
A film similar to the above can be obtained by using a bromine gas or a fluorine gas shown below in addition to Br gas. That is, as Br-based gas, BBr3, HBr, BrF3
, BrF5, CBrF3, C2Br2 F4, C
H3Br can be used. In addition, fluorine-based gases include NF3, BF3, SF4, SF6, CF4, H
F1CIF3, C2F6, C3F8, CH3F can be used.

なお、この実施例においてはターゲット材料として酸化
物超電導体を用いたが、ターゲットから負イオンが放出
されるようなその他の酸化物をターゲットに使う場合に
も、同様な効果が得られる。
Although an oxide superconductor was used as the target material in this embodiment, similar effects can be obtained when using other oxides as the target that emit negative ions from the target.

[発明の効果コ この発明によれば次のような効果が得られる。[Effects of invention According to this invention, the following effects can be obtained.

(1)ターゲット電極の近傍に高磁界磁石を設置するこ
とにより、カソードのセルフバイアス電圧の絶対値を小
さくできる。
(1) By installing a high-field magnet near the target electrode, the absolute value of the cathode self-bias voltage can be reduced.

(2)導入ガスの一部にハロゲン系ガスを使うことによ
り、カソードのセルフバイアス電圧の絶対値を小さくす
ることができる。さらに、このハロゲン系ガスの流量を
制御することによりカソードのセルフバイアス電圧を精
密に制御できる。
(2) By using a halogen-based gas as part of the introduced gas, the absolute value of the cathode self-bias voltage can be reduced. Furthermore, by controlling the flow rate of this halogen-based gas, the self-bias voltage of the cathode can be precisely controlled.

(3)以上のようにカソードのセルフバイアス電圧の絶
対値を小さくすることにより、カソードから放出された
負イオンによる基体上の膜の再スパッドリングを防止で
きる。
(3) By reducing the absolute value of the self-bias voltage of the cathode as described above, it is possible to prevent the film on the substrate from being re-spudded by negative ions emitted from the cathode.

(4)被処理基体に負のバイアス電圧をかけることによ
り、基体に入射する負イオンの入射エネルギーを制御す
ることができる。その結果、負イオンの入射エネルギー
を適当な値に低下させることができて、基体表面上での
スパッタ粒子と負イオンとの化学反応を促進させ、酸化
物膜の膜質や結晶構造を良好なものにてきる。
(4) By applying a negative bias voltage to the substrate to be processed, the incident energy of negative ions incident on the substrate can be controlled. As a result, the incident energy of negative ions can be lowered to an appropriate value, promoting the chemical reaction between sputtered particles and negative ions on the substrate surface, and improving the film quality and crystal structure of the oxide film. I'm coming.

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

第1図はこの発明のスパッタリング装置の一実施例の正
面断面図、 第2図は高磁界磁石の正面断面図、 第3図は磁界の強さとセルフバイアス電圧との関係を示
すグラフ、 第4図はセルフバイアス電圧と臭素′ガスの分圧比の関
係を示すグラフ、 第5図は基体上の膜の組成比分布を示すクラブ、第6図
はカソードのセルフバイアス電圧と印加電力の関係を示
すグラフ、 第7図はカソードのセルフバイアス電圧と真空容器内圧
力の関係を示すクラブである。 1・・・真空容器 3・・・ターゲット 7・・・高磁界磁石 13・・・基体ボルダ− 14・・・基体 20・・・基体バイアス電源 22・・・高周波電源 29・・・ガス導入系 30・・・カソードボディ
FIG. 1 is a front sectional view of an embodiment of the sputtering apparatus of the present invention, FIG. 2 is a front sectional view of a high magnetic field magnet, FIG. 3 is a graph showing the relationship between magnetic field strength and self-bias voltage, and FIG. The figure is a graph showing the relationship between the self-bias voltage and the partial pressure ratio of bromine' gas. Figure 5 is a graph showing the composition ratio distribution of the film on the substrate. Figure 6 is the graph showing the relationship between the self-bias voltage of the cathode and the applied power. The graph shown in Figure 7 is a graph showing the relationship between the self-bias voltage of the cathode and the pressure inside the vacuum chamber. 1... Vacuum vessel 3... Target 7... High magnetic field magnet 13... Base boulder 14... Base 20... Base bias power supply 22... High frequency power supply 29... Gas introduction system 30...Cathode body

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)ターゲットの近傍に磁石を配置した高周波スパッ
タリング装置において、 導入ガスの一部としてハロゲン系のガスを導入するガス
導入部を有することを特徴とするスパッタリング装置。
(1) A high-frequency sputtering apparatus in which a magnet is arranged near a target, the sputtering apparatus comprising a gas introduction part for introducing a halogen-based gas as part of the introduced gas.
(2)ターゲット表面において、ターゲット表面に垂直
な磁界成分がゼロになる位置でのターゲット表面に平行
な磁界成分が400ガウス以上であることを特徴とする
請求項1記載のスパッタリング装置。
(2) The sputtering apparatus according to claim 1, wherein the magnetic field component parallel to the target surface is 400 Gauss or more at a position on the target surface where the magnetic field component perpendicular to the target surface becomes zero.
(3)被処理基体を保持する基体ホルダーに負電圧を印
加する基体バイアス機構を有することを特徴とする請求
項2記載のスパッタリング装置。
(3) The sputtering apparatus according to claim 2, further comprising a substrate bias mechanism for applying a negative voltage to a substrate holder that holds a substrate to be processed.
(4)ターゲットの近傍に磁石を配置して、前記ターゲ
ットを高周波スパッタリングすることによって被処理基
体上に酸化物薄膜を作製する膜作製方法において、 導入ガスの一部としてハロゲン系ガスを真空容器内に導
入することを特徴とする膜作製方法。
(4) In a film production method in which a magnet is placed near a target and a thin oxide film is produced on a substrate to be processed by high-frequency sputtering of the target, a halogen-based gas is introduced into a vacuum vessel as part of the introduced gas. A method for producing a film characterized by introducing the method into the method.
(5)前記ハロゲン系ガスとして臭素系ガスまたはフッ
素系ガスを利用することを特徴とする請求項4記載の膜
作製方法。
(5) The film manufacturing method according to claim 4, wherein a bromine gas or a fluorine gas is used as the halogen gas.
(6)前記ハロゲン系ガスの流量を制御することによっ
てカソードのセルフバイアス電圧を制御することを特徴
とする請求項4記載の膜作製方法。
(6) The film manufacturing method according to claim 4, wherein the self-bias voltage of the cathode is controlled by controlling the flow rate of the halogen-based gas.
(7)ターゲット表面において、ターゲット表面に垂直
な磁界成分がゼロになる位置でのターゲット表面に平行
な磁界成分が400ガウス以上であることを特徴とする
請求項4記載の膜作製方法。
(7) The film manufacturing method according to claim 4, wherein the magnetic field component parallel to the target surface is 400 Gauss or more at a position on the target surface where the magnetic field component perpendicular to the target surface becomes zero.
(8)被処理基体を保持する基体ホルダーに負電圧を印
加することを特徴とする請求項7記載の膜作製方法。
(8) The method for producing a film according to claim 7, characterized in that a negative voltage is applied to a substrate holder that holds the substrate to be processed.
(9)カソードのセルフバイアス電圧よりも絶対値の小
さい負電圧を前記基体ホルダーに印加することを特徴と
する請求項8記載の膜作製方法。
(9) The film manufacturing method according to claim 8, characterized in that a negative voltage having an absolute value smaller than the self-bias voltage of the cathode is applied to the substrate holder.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO1998003988A3 (en) * 1996-07-24 1998-03-26 Univ Nanyang Cathode arc source and graphite target

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WO1998003988A3 (en) * 1996-07-24 1998-03-26 Univ Nanyang Cathode arc source and graphite target
US6761805B1 (en) 1996-07-24 2004-07-13 Filplas Vacuum Technology Pte. Ltd. Cathode arc source with magnetic field generating means positioned above and below the cathode

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