JPH0544027A - Microwave plasma producer - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体プロセス技術や
表面処理技術において薄膜の形成に用いるスパッタリン
グ装置に用いられるマイクロ波プラズマ発生装置に関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microwave plasma generator used in a sputtering apparatus used for forming a thin film in semiconductor process technology and surface treatment technology.
【０００２】[0002]
【従来の技術】スパッタリング装置は、表面に薄膜を形
成しようとする試料と薄膜の材料となるターゲットとを
真空状態に保った放電室内に収容して電圧を印加し、放
電室内で放電により発生させたガスイオンを電場で加速
してターゲットに衝突させ、ターゲットから放出された
ターゲット原子を試料表面に堆積させるというものであ
る。ターゲットに衝突させるガスイオンは、放電室内に
アルゴンガス等の希ガスを供給し、放電室内でグロー放
電等を起こすことによって発生させる。2. Description of the Related Art A sputtering apparatus accommodates a sample, on which a thin film is to be formed on a surface thereof, and a target, which is a material of the thin film, in a discharge chamber which is kept in a vacuum state, applies a voltage, and generates a discharge in the discharge chamber. The gas ions are accelerated by an electric field to collide with the target, and the target atoms emitted from the target are deposited on the sample surface. The gas ions that collide with the target are generated by supplying a rare gas such as argon gas into the discharge chamber and causing glow discharge or the like in the discharge chamber.
【０００３】近年、薄膜形成能率に勝れたスパッタリン
グ装置として、直交電磁界により発生した高密度プラズ
マをターゲットに衝突させる構造のものがある。これ
は、マグネトロンスパッタリング装置等と呼ばれ、ター
ゲットの近傍に、印加される電界と直交する方向に磁界
が発生するような形で永久磁石が配置されており、前記
希ガスから発生するプラズマを電磁界の作用で高密度化
させることができる。このマグネトロンスパッタリング
装置は、比較的低いガス圧、あるいは低い印加電圧で、
しかも、薄膜の堆積速度を高くすることができるとされ
ている。In recent years, as a sputtering apparatus which excels in thin film forming efficiency, there is a sputtering apparatus having a structure in which high density plasma generated by an orthogonal electromagnetic field collides with a target. This is called a magnetron sputtering device, etc., in which a permanent magnet is arranged in the vicinity of the target so that a magnetic field is generated in the direction orthogonal to the applied electric field, and the plasma generated from the rare gas is electromagnetically generated. It is possible to increase the density by the action of the field. This magnetron sputtering device, with a relatively low gas pressure or low applied voltage,
Moreover, it is said that the deposition rate of the thin film can be increased.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】スパッタリング装置に
おいて、前記放電室に供給する希ガスの量すなわちガス
圧は、スパッタリング形成される薄膜の特質に大きな影
響を与える。In the sputtering apparatus, the amount of rare gas supplied to the discharge chamber, that is, the gas pressure has a great influence on the characteristics of the thin film formed by sputtering.
【０００５】まず、上記ガス圧が高いほど、放電室内で
発生するガスイオンの量が増え、ターゲットに衝突する
イオンの量も増えるので、試料表面へのターゲット材料
の堆積速度すなわち薄膜の形成能率が高くなる。First, as the gas pressure is higher, the amount of gas ions generated in the discharge chamber is increased and the amount of ions colliding with the target is also increased. Therefore, the deposition rate of the target material on the sample surface, that is, the thin film formation efficiency is increased. Get higher
【０００６】しかし、ガス圧が高いと、薄膜中に混入す
る不純物が増えるという欠点がある。これは、放電室内
に存在する希ガスが多いと、試料の表面に堆積する薄膜
中に希ガスが不純物として混入してしまうためである。However, when the gas pressure is high, there is a drawback that impurities mixed in the thin film increase. This is because if a large amount of rare gas exists in the discharge chamber, the rare gas will be mixed as impurities in the thin film deposited on the surface of the sample.
【０００７】したがって、従来のスパッタリング装置で
は、薄膜の形成能率の向上と薄膜の純度向上は全く相反
する要求であった。前記したマグネトロンスパッタリン
グ装置は、通常のスパッタリング装置に比べれば薄膜の
形成能率が高いが、さらに薄膜の形成能率を高め、か
つ、薄膜の純度を高めることができる装置が要望されて
いた。Therefore, in the conventional sputtering apparatus, the improvement of the thin film forming efficiency and the improvement of the purity of the thin film are completely contradictory requirements. The magnetron sputtering apparatus described above has a higher thin film forming efficiency than a normal sputtering apparatus, but there has been a demand for an apparatus capable of further increasing the thin film forming efficiency and the thin film purity.
【０００８】そこで、この発明の課題は、薄膜の形成能
率と純度の何れをも良好に維持することができ、品質性
能に優れた薄膜を能率良く形成することのできるスパッ
タリング装置に用いられるマイクロ波プラズマ発生装置
を提供することにある。[0008] Therefore, an object of the present invention is to use a microwave for a sputtering apparatus capable of efficiently maintaining both the formation efficiency and the purity of a thin film and efficiently forming a thin film excellent in quality performance. It is to provide a plasma generator.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するこの
発明は、マイクロ波発振器と、一端に前記マイクロ波発
振器が設けられた空洞供振器と、前記空洞供振器の前記
マイクロ波発振器が設けられた側とは逆の端に設けら
れ、終端が開口のドアノブ型である同軸管と、前記同軸
管の中心導体は空洞供振器の内部の途中まで、電界の方
向と平行に挿入されており、前記同軸管の途中に配され
たマイクロ波が通過し真空封じができるガラス板と、ド
アノブ部とガス導入口と排気口が取り付けられた真空槽
と、前記中心導体に埋め込まれた同心円状にＮ極とＳ極
が交互にある永久磁石とを備え、前記中心導体の平坦部
の表面にマグネトロン放電用の円形磁気トンネルが複数
個ある。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above problems, the present invention provides a microwave oscillator, a cavity oscillator having the microwave oscillator at one end, and the microwave oscillator of the cavity oscillator. The coaxial tube provided at the end opposite to the provided side and having a doorknob-shaped end with an opening, and the center conductor of the coaxial tube are inserted halfway inside the cavity vibrator in parallel with the direction of the electric field. The glass plate disposed in the middle of the coaxial tube through which a microwave can pass and can be vacuum-sealed, a vacuum chamber to which a door knob, a gas inlet and an exhaust port are attached, and a concentric circle embedded in the central conductor. A permanent magnet having alternating N and S poles, and a plurality of circular magnetic tunnels for magnetron discharge are provided on the surface of the flat portion of the central conductor.
【００１０】[0010]
【作用】本発明のマイクロ波プラズマ発生装置によれ
ば、ドアノブ型の同軸管を伝搬してきたマイクロ波が、
ドアノブの開口に放射される。このとき、中心導体に埋
め込まれた同心円型の永久磁石により、ある一定のガス
圧になるとマグネトロン放電が起こる。マイクロ波は中
心導体の終端に周囲から放射されるために、大口径の開
放端に均一なプラズマを生成させるためには、複数の同
心円の磁気回路が中心導体に埋め込まれている必要があ
る。このようにして生成されたプラズマをもちいて、中
心導体の終端のターゲットに負の電位を印加してやれ
ば、スパッタリングが起こる。According to the microwave plasma generator of the present invention, the microwave propagating through the doorknob type coaxial tube is
It is emitted to the opening of the doorknob. At this time, the concentric permanent magnets embedded in the central conductor cause magnetron discharge at a certain gas pressure. Since microwaves are radiated from the periphery to the end of the center conductor, it is necessary that a plurality of concentric magnetic circuits be embedded in the center conductor in order to generate uniform plasma at the large-diameter open end. Sputtering occurs when a negative potential is applied to the target at the end of the center conductor using the plasma thus generated.
【００１１】この結果、マイクロ波によるマグネトロン
放電が起こり、低ガス圧でも安定に放電が維持でき、高
密度なプラズマが大面積に生成できる。As a result, a magnetron discharge by microwaves occurs, the discharge can be stably maintained even at a low gas pressure, and high-density plasma can be generated in a large area.
【００１２】[0012]
【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面にもどづ
いて説明する。図１において、マグネトロン１１より発
振されたたとえば２.４５ＧＨｚの マイクロ波は方形空
洞供振器１２へ導かれる。空洞供振器１２の一端には可
動短絡板１３があり、同軸管１４にマイクロ波を導くこ
とができる。同軸管１４は円筒の外部導体１４ｂと、そ
の中心軸と同心の円柱の中心導体１４ａとからなってい
る。中心導体１４ａは方形空洞供振器１２の内部に、電
界の方向と平行にマイクロ波の波長λ（例えばλ＝１
２.４cm)の四分の一だけ挿入されており、先端は Ｔ字型
になっており空洞供振器１２の側面に突き出ている。同
軸管の途中からは、例えば、４５度の勾配管になってお
り、所望の大きさのプラズマ１５が開放端キャビティ１
６に得られる径の同軸管１４′につなぎ合わされてい
る。中心導体１４ａ′の平坦部１７には、リング状の永
久磁石１８が埋め込まれており、永久磁石１８は例えば
３個の永久磁石１８ａ，１８ｂ，１８ｃが同心軸に配置
されている。また、永久磁石１８の上にはターゲット１
９がかぶせてある。ターゲット１９は中心導体１４ａ′
とはテフロン板２０で電気的に絶縁されている。永久磁
石１８とターゲット１９が水冷できるように中心導体１
４ａ波中空になっており、水冷パイプ２１によって水が
流れるようになっている。この水冷パイプ２１に電位を
印加することにより、ターゲット１９の電位を変化させ
ることができる。中心導体１４ａと外部導体１４ｂとの
間には真空封じができるガラス板２２が勾配部の根元に
取付けられている。外部導体１４ｂ′の周囲にはフラン
ジ２３が設置されており、真空チャンバー２４に取付け
られている。チャンバー２４にはガス導入口２５と排気
口２６が付けてある。同軸管１４′の開放端の真上には
チャンバー２４に基板ホルダー２７が設置されている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In Figure 1, microwave oscillated for example 2.45 GHz z from the magnetron 11 is guided to the rectangular cavity subjected exciter 12. A movable short-circuit plate 13 is provided at one end of the cavity vibration damper 12, and microwaves can be guided to the coaxial waveguide 14. The coaxial tube 14 is composed of a cylindrical outer conductor 14b and a cylindrical central conductor 14a concentric with the central axis thereof. The central conductor 14a is provided inside the rectangular cavity vibration exciter 12 in parallel with the direction of the electric field.
It is inserted only in a quarter of a 2.4 cm length, and the tip is T-shaped and protrudes to the side surface of the cavity vibrator 12. From the middle of the coaxial tube, for example, a 45-degree gradient tube is formed, and the plasma 15 having a desired size allows the open end cavity 1
6 is connected to a coaxial tube 14 'having the diameter obtained in FIG. A ring-shaped permanent magnet 18 is embedded in the flat portion 17 of the central conductor 14a ', and the permanent magnet 18 has, for example, three permanent magnets 18a, 18b, 18c arranged concentrically. In addition, the target 1 is placed on the permanent magnet 18.
It is covered with 9. The target 19 is the central conductor 14a '
Are electrically insulated from each other by a Teflon plate 20. The center conductor 1 so that the permanent magnet 18 and the target 19 can be water-cooled.
4a wave is hollow, and water is allowed to flow through the water cooling pipe 21. By applying a potential to the water cooling pipe 21, the potential of the target 19 can be changed. A glass plate 22 that can be vacuum-sealed is attached between the center conductor 14a and the outer conductor 14b at the base of the slope. A flange 23 is provided around the outer conductor 14b 'and is attached to the vacuum chamber 24. The chamber 24 is provided with a gas introduction port 25 and an exhaust port 26. A substrate holder 27 is installed in the chamber 24 directly above the open end of the coaxial tube 14 '.
【００１３】このような構造において、マグネトロン１
１より発振された２.４５ＧＨｚ のマイクロ波は、たと
えば１０９mm×５４.５mmの方形空洞供振器１２を伝搬
して、可動短絡板１３の位置を変化させてインピーダン
スを変化させることにより、たとえば内径２４mm、外径
５４mmの同軸管１４に導入され、ガラス板１９を通過し
て、たとえば径１５０mmの開放端２９に放射される。こ
のときガス導入口２５からアルゴンガス等を導入して、
チャンバー２４内のガス圧力を２×１０-2Ｔｏｒｒにす
ると放電が開始される。また、可動短絡板１３の位置を
適当に変化させて、マイクロ波の反射波が最小になるよ
うにする。このとき、中心導体１４ａ′の永久磁石１８
のターゲット１９に向いている面の磁極を１８ａはＳ
極、１８ｂはＮ極、１８ｃはＳ極とする。この磁場配位
により、ターゲット１９の表面近傍にターゲット１９面
と平行な磁場（たとえば、５００Ｇ）が発生し、ターゲ
ット１９面上に２本の円形磁気トンネルができる。ま
た、マイクロ波による電界は、同軸管キャビティのモー
ドでは、ターゲット１９と直交する。すなわち、ターゲ
ット１９上で電界と磁界は直交し、放電領域でできる電
子を磁気トンネルに捕らえ込んでマグネトロン放電が起
こり、１０-4Ｔｏｒｒ台でも高密度の酸素プラズマを生
成することができる。そして、ターゲット１９に、たと
えば、−２００Ｖを印加するとプラズマ１５中のイオン
がターゲット１９に衝突する。このとき、マイクロ波は
プラズマの周囲から放射されているために、外側の磁気
トンネルでエネルギーを消費され易いが、内側の磁気ト
ンネルでも、マイクロ波の漏れのために、マグネトロン
放電を維持するに十分なだけ吸収される。このため、タ
ーゲット１９上に二重のマグネトロン放電が生成され
る。In such a structure, the magnetron 1
Microwave oscillated 2.45 GHz z than 1, for example propagates a square cavity subjected exciter 12 of 109 mm × 54.5 mm
Then, by changing the position of the movable short-circuit plate 13 to change the impedance, the movable short-circuit plate 13 is introduced into the coaxial tube 14 having an inner diameter of 24 mm and an outer diameter of 54 mm, passes through the glass plate 19, and has an open end 29 having a diameter of, for example, 150 mm. Is emitted to. At this time, argon gas or the like is introduced from the gas inlet 25,
When the gas pressure in the chamber 24 is set to 2 × 10 -2 Torr, electric discharge is started. Moreover, the position of the movable short-circuit plate 13 is appropriately changed to minimize the reflected wave of the microwave. At this time, the permanent magnet 18 of the central conductor 14a '
18a of the magnetic pole on the surface facing the target 19 of S
The pole, 18b is an N pole, and 18c is an S pole. By this magnetic field orientation, a magnetic field (for example, 500 G) parallel to the target 19 surface is generated near the surface of the target 19, and two circular magnetic tunnels are formed on the target 19 surface. The electric field generated by the microwave is orthogonal to the target 19 in the coaxial tube cavity mode. That is, the electric field and the magnetic field are orthogonal to each other on the target 19, and the electrons formed in the discharge region are trapped in the magnetic tunnel to cause the magnetron discharge, so that a high density oxygen plasma can be generated even on the order of 10 −4 Torr. Then, for example, when −200 V is applied to the target 19, the ions in the plasma 15 collide with the target 19. At this time, since microwaves are radiated from the surroundings of plasma, energy is likely to be consumed in the outer magnetic tunnel, but even in the inner magnetic tunnel, due to microwave leakage, sufficient energy is maintained to maintain the magnetron discharge. It is absorbed as much as possible. Therefore, a double magnetron discharge is generated on the target 19.
【００１４】[0014]
【発明の効果】以上のように本発明は、終端が開口のド
アノブ型である同軸管の中心導体平坦部に埋め込まれた
同心円状にＮ極とＳ極が交互にある永久磁石とを備え、
中心導体の平坦部の表面にマグネトロン放電用の円形磁
気トンネルが複数個設けることにより、２×１０-4Ｔｏ
ｒｒでも６インチターゲットによるマグネトロンスパッ
タリングを行うことができる優れたマイクロ波プラズマ
発生装置を実現できるものである。As described above, according to the present invention, the permanent magnet having the concentric N and S poles embedded concentrically is embedded in the flat portion of the center conductor of the coaxial tube whose end is an opening.
By providing a plurality of circular magnetic tunnels for magnetron discharge on the surface of the flat portion of the central conductor, 2 × 10 −4 To
It is possible to realize an excellent microwave plasma generator capable of performing magnetron sputtering with a 6-inch target even with rr.
【図１】本発明の実施例におけるマイクロ波プラズマ発
生装置の断面図FIG. 1 is a sectional view of a microwave plasma generator according to an embodiment of the present invention.
１１ 導波管 １２ マグネトロン １３ チューナー １４ 同軸管 １５ プラズマ １６ 開放端キャビティ １７ 平坦部 １８ 永久磁石 １９ ターゲット ２０ テフロン板 ２１ 水冷パイプ ２２ ガラス板 ２３ フランジ ２４ 真空チャンバー ２５ ガス導入口 ２６ 排気口 ２７ 基板ホルダー ２８ 基板 11 Waveguide 12 Magnetron 13 Tuner 14 Coaxial Tube 15 Plasma 16 Open End Cavity 17 Flat Part 18 Permanent Magnet 19 Target 20 Teflon Plate 21 Water Cooling Pipe 22 Glass Plate 23 Flange 24 Vacuum Chamber 25 Gas Inlet 26 Exhaust 27 27 Substrate Holder 28 substrate
Claims (4)
ロ波発振器が設けられた空洞供振器と、前記空洞供振器
の前記マイクロ波発振器が設けられた側とは逆の端に設
けられ、終端が開口のドアノブ型である同軸管と、前記
同軸管の中心導体は空洞供振器の内部の途中まで、電界
の方向と平行に挿入されており、前記同軸管の途中に配
されたマイクロ波が通過し真空封じができるガラス板
と、ドアノブ部とガス導入口と排気口が取り付けられた
真空槽と、前記中心導体に埋め込まれた同心円状にＮ極
とＳ極が交互にある永久磁石とを備え、前記中心導体の
平坦部の表面にマグネトロン放電用の円形磁気トンネル
が複数個あるマイクロ波プラズマ発生装置。1. A microwave oscillator, a cavity oscillator having the microwave oscillator provided at one end, and an end opposite to the side of the cavity oscillator provided with the microwave oscillator, The coaxial tube whose end is an opening and the center conductor of the coaxial tube are inserted in parallel to the direction of the electric field up to the middle of the inside of the cavity vibrator, and the micro-tube arranged in the middle of the coaxial tube. A glass plate that allows waves to pass therethrough and can be vacuum-sealed, a vacuum chamber to which a door knob, a gas inlet and an exhaust port are attached, and a permanent magnet with concentric N and S poles embedded in the central conductor. And a plurality of circular magnetic tunnels for magnetron discharge on the surface of the flat portion of the central conductor.
１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。2. The microwave plasma generator according to claim 1, wherein the cavity vibrator has a movable short-circuit plate.
０度から６０度の間である請求項１記載のマイクロ波プ
ラズマ発生装置。3. The coaxial pipe has an opening angle of 3 at the base of the door knob.
The microwave plasma generator according to claim 1, wherein the microwave plasma generator is between 0 and 60 degrees.
1記載のマイクロ 波プラズマ発生装置。4. A microwave is 2.45 GHz z claim
1. The microwave plasma generator described in 1.
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Cited By (1)
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1992
- 1992-08-05 KR KR1019920014033A patent/KR930005114A/en not_active Application Discontinuation
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