JPH0621352B2 - Sputtering device - Google Patents

Sputtering device

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JPH0621352B2
JPH0621352B2 JP60290577A JP29057785A JPH0621352B2 JP H0621352 B2 JPH0621352 B2 JP H0621352B2 JP 60290577 A JP60290577 A JP 60290577A JP 29057785 A JP29057785 A JP 29057785A JP H0621352 B2 JPH0621352 B2 JP H0621352B2
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target
magnetic field
substrate
microwave
plasma
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裕 斉藤
秀造 佐野
康道 鈴木
進 相内
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体素子等の薄膜形成工程において用いられ
るスパッタリング装置にかかわり、特に高集積化素子等
の微細な溝や穴を有する素子上への成膜および膜質の向
上に好適なスパッタリング装置に関する。
Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a sputtering apparatus used in a thin film forming process for a semiconductor device or the like, and particularly to a device having fine grooves and holes such as a highly integrated device. The present invention relates to a sputtering apparatus suitable for improving a film and film quality.

〔発明の背景〕[Background of the Invention]

スパッタ成膜は、陰極上に置かれたターゲット材料に、
所定値(スパッタリングのしきい値)以上のエネルギを
有するイオンを衝突させ、これにより放出されるターゲ
ット材料の構成原子または粒子が半導体基板上に付着堆
積して薄膜を形成することにより行われる。
Sputter deposition is a target material placed on the cathode,
This is performed by causing ions having an energy of a predetermined value (threshold value of sputtering) or more to collide with each other, and the constituent atoms or particles of the target material emitted by the collision are deposited and deposited on the semiconductor substrate to form a thin film.

スパッタ成膜を行う装置としては、特公昭53−19319 号
公報に記載されたものがある。この装置によれば、陰極
のターゲット材料面の裏側に磁気装置の一対の磁極を設
け、前記陰極面に沿って前記磁気装置によって生ぜしめ
られる弧状の磁力線を形成する。そして、陰極に電圧を
印加して発生させたプラズマの荷電粒子を前記磁力線に
よりサイクロトロン運動させて拘束することにより、2
極スパッタリング装置に比較して高密度プラズマを生ぜ
しめ、高い成膜速度と10-3Torr台の低い成膜圧力が得ら
れるようになっている。
An apparatus for performing sputter film formation is disclosed in Japanese Patent Publication No. 53-19319. According to this apparatus, a pair of magnetic poles of a magnetic device is provided on the back side of the target material surface of the cathode, and arc-shaped magnetic force lines generated by the magnetic device are formed along the cathode surface. Then, the charged particles of the plasma generated by applying a voltage to the cathode are cyclotron-moved by the magnetic lines of force to restrain the charged particles.
Compared with the polar sputtering system, it produces high-density plasma, and it is possible to obtain a high deposition rate and a low deposition pressure of the order of 10 -3 Torr.

しかしながら、この方法では、基板上に付着堆積して形
成する薄膜の膜厚分布を均一にする目的からターゲット
と基板との距離は60mmから70mm程度離しておくため、イ
オンの衝突によりターゲットから放出された原子または
粒子は、雰囲気ガス(一般的にはAr等の不活性ガス)分
子と5回から6回程度衝突して基板上へ到達する。その
ため、基板上に付着堆積した膜中には雰囲気ガスが混入
し、膜質を悪いものにしていた。また、ターゲットから
放出された原子または粒子の基板への入射角度(基板法
線と入射原子・入射粒子の入射方向となす角度)も雰囲
気ガス分子との衝突により大きな角度となり、微細な溝
等が基板の下地にあると、入射粒子はこれら溝の入口角
部へ付着堆積し(一般にオーバハングと呼ばれる)、溝
幅が微細(実験によれば1.0μm以下)になると、溝入
口角部への付着のために、溝内部が入射粒子で完全に埋
まる前に入口部の両角部に付着堆積した膜が互いに接合
し、溝内部に空洞が生ずるといった問題があった。
However, in this method, the distance between the target and the substrate is set to about 60 mm to 70 mm for the purpose of making the film thickness distribution of the thin film formed by depositing and depositing on the substrate uniform. The atoms or particles collide with atmospheric gas (generally an inert gas such as Ar) molecules 5 to 6 times and reach the substrate. Therefore, the atmosphere gas is mixed in the film deposited and deposited on the substrate, which deteriorates the film quality. Further, the angle of incidence of atoms or particles emitted from the target on the substrate (the angle between the substrate normal and the incident direction of the incident atoms / particles) becomes large due to the collision with the atmospheric gas molecules, resulting in the formation of fine grooves. When it is on the base of the substrate, incident particles are deposited and deposited on the entrance corners of these grooves (generally called overhang), and when the groove width is very small (1.0 μm or less according to experiments), it is adhered to the groove entrance corners. Therefore, there is a problem that the films deposited and deposited on both corners of the entrance portion are bonded to each other before the inside of the groove is completely filled with incident particles, and a cavity is generated inside the groove.

〔発明の目的〕[Object of the Invention]

本発明の目的は、高真空の雰囲気下でプラズマを安定し
て発生させ、10-4〜10-5Torrでもターゲット上を高密度
プラズマ化し、成膜速度を低下させることなく、基板上
に付着堆積する膜中に雰囲気ガスを取り込むことなく、
かつ微細な溝を下地にもつ基板の溝内部に空洞を作るこ
となく成膜が行えるスパッタリング装置を提供すること
にある。
The object of the present invention is to stably generate plasma in a high vacuum atmosphere, to form a high-density plasma on the target even at 10 -4 to 10 -5 Torr, and to deposit it on the substrate without lowering the deposition rate. Without introducing atmospheric gas into the deposited film,
Another object of the present invention is to provide a sputtering apparatus capable of forming a film without forming a cavity inside a groove of a substrate having a fine groove as a base.

〔発明の概要〕[Outline of Invention]

本発明は、プラズマ発生はマイクロ波と静磁界とを組み
合わせた放電を利用して高真空雰囲気下で安定したプラ
ズマ発生を行わせるとともに、このプラズマを上記プラ
ズマ発生用磁気装置によりターゲット上に閉じ込め、高
真空下でもターゲット上を高密度プラズマ化することを
骨子とする。
In the present invention, plasma generation is performed by utilizing discharge combining microwave and static magnetic field to perform stable plasma generation in a high vacuum atmosphere, and the plasma is confined on a target by the plasma generation magnetic device. The main idea is to make high-density plasma on the target even under high vacuum.

すなわち、本発明では、プラズマ発生部には静磁界の磁
力線と平行にマイクロ波を導入し、この静磁界の強度を
電子サイクロトロン共鳴条件(マイクロ波周波数2.45GH
zでは磁場強度875ガウス)以上として、10-4から10-5To
rr台の高真空雰囲気下で安定したプラズマの発生を可能
とし、ここで発生したプラズマは、プラズマ発生に利用
した磁気装置によりターゲット上に輸送し閉じ込めるこ
とによって、プラズマ輸送距離を最短とし輸送中の拡散
によるプラズマ損失をなくしてターゲット上を高密度プ
ラズマとする。そして、上記高真空雰囲気でスパッタリ
ング成膜を行い、ターゲットから放出された粒子の平均
自由行程を従来法と比較して1〜2桁大きくすることに
よって、これら粒子が雰囲気ガスと衝突することなく基
板上に付着堆積するスパッタリングを可能とする構成と
したものである。
That is, in the present invention, microwaves are introduced into the plasma generation section in parallel with the magnetic field lines of the static magnetic field, and the intensity of the static magnetic field is adjusted to the electron cyclotron resonance condition (microwave frequency 2.45GH).
At z, the magnetic field strength is 875 Gauss) and above, and 10 -4 to 10 -5 To
It enables stable plasma generation in a high vacuum environment of rr level, and the generated plasma is transported and confined on the target by the magnetic device used for plasma generation to minimize the plasma transportation distance and High density plasma is created on the target by eliminating plasma loss due to diffusion. Then, the sputtering film formation is performed in the high vacuum atmosphere described above, and the mean free path of the particles emitted from the target is increased by one to two orders of magnitude as compared with the conventional method, so that these particles do not collide with the atmospheric gas. The structure is such that sputtering that adheres and deposits on the surface is possible.

〔発明の実施例〕Example of Invention

以下、本発明の一実施例を第1図および第2図により説
明する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2.

第1図は、該実施例のスパッタリング装置のスパッタ成
膜部の構造を示す縦断面図である。同図において、ター
ゲット1と基板2とは平面対向しており、該ターゲット
1は裏面にバッキングプレート3を介して陰極4に密接
して設置され、該陰極4は絶縁物5を介してフランジ6
に設置され、該フランジ6は真空槽7に設置されてい
る。前記ターゲット1、バッキングプレート3および陰
極4の周囲には、絶縁リング8を介してアースシールド
9が真空槽7内に設置されている。ここでターゲット1
の中央部10は空洞となっており、この部分にプラズマ発
生室11が設置されており、該プラズマ発生室11の外周に
は導波管12が、プラズマ発生室11を保持するようにフラ
ンジ6に設置してある。前記導波管12にはフランジ13に
より別の導波管14が取り付けられ、該導波管14の他端に
はマイクロ波発生源15が設置されている。さらに前記プ
ラズマ発生室11の外周でかつ導波管12の外周には磁気装
置16が設置され、該磁気装置16の外周とマイクロ波発生
源15側にはヨーク17が設置されている。
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing the structure of a sputter film forming unit of the sputtering apparatus of this embodiment. In the figure, the target 1 and the substrate 2 are opposed to each other in a plane, and the target 1 is installed on the back surface in close contact with the cathode 4 via the backing plate 3, and the cathode 4 is provided with the flange 6 via the insulator 5.
The flange 6 is installed in the vacuum chamber 7. A ground shield 9 is installed in the vacuum chamber 7 around the target 1, the backing plate 3 and the cathode 4 via an insulating ring 8. Target 1 here
The central portion 10 is hollow and a plasma generating chamber 11 is installed in this portion. A waveguide 12 is provided on the outer periphery of the plasma generating chamber 11 so as to hold the plasma generating chamber 11. It is installed in. Another waveguide 14 is attached to the waveguide 12 by a flange 13, and a microwave generation source 15 is installed at the other end of the waveguide 14. Further, a magnetic device 16 is installed on the outer circumference of the plasma generation chamber 11 and on the outer circumference of the waveguide 12, and a yoke 17 is installed on the outer circumference of the magnetic device 16 and the microwave generation source 15 side.

また基板2は基板ホルダ18上に載置され、該基板ホルダ
18は軸19により真空槽7の真空を保持しうる状態で設置
されている。さらに陰極4には電源20が接続されてい
る。
The substrate 2 is placed on the substrate holder 18, and the substrate holder
The shaft 18 is installed by a shaft 19 so that the vacuum of the vacuum chamber 7 can be maintained. Further, a power source 20 is connected to the cathode 4.

第2図に示すように、第1図の構成における磁気装置16
は、磁力線21がヨーク17の端部22から出てプラズマ発生
室11へ入り、プラズマ発生室11の軸と同一方向となり、
ここからターゲット1上へ拡がってゆき、ターゲット1
の外周部でターゲット1を通過してヨーク17の他端23へ
入り込むように構成しておく。ここで、スパッタ成膜室
24は、雰囲気ガス(例えばアルゴンガスなどの不活性ガ
ス)の所定の真空状態(10-4から10-5Torr)にしてお
く。
As shown in FIG. 2, the magnetic device 16 in the configuration of FIG.
Means that the magnetic field lines 21 come out from the end 22 of the yoke 17 and enter the plasma generation chamber 11, and are in the same direction as the axis of the plasma generation chamber 11,
Target 1 spreads from here and spreads over target 1.
It is configured so that it passes through the target 1 at the outer peripheral portion of and enters the other end 23 of the yoke 17. Where sputter deposition chamber
24 is kept in a predetermined vacuum state (10 −4 to 10 −5 Torr) of an atmosphere gas (for example, an inert gas such as argon gas).

さてマイクロ波発生源15からマイクロ波を発振すると、
マイクロ波は導波管14により導かれ、導波管12へ送ら
れ、さらにプラズマ発生室11を通過する。このとき磁気
装置16により作られる静磁界によって、該マイクロ波は
プラズマ発生室11内の10-4から10-5Torr台の雰囲気ガス
を電離し、プラズマ状態にする。このプラズマは、磁力
線21に沿ってターゲット1上へ輸送され、ターゲット1
の表面上にプラズマを発生する。
Now, when oscillating the microwave from the microwave generation source 15,
The microwave is guided by the waveguide 14, sent to the waveguide 12, and further passes through the plasma generation chamber 11. At this time, due to the static magnetic field generated by the magnetic device 16, the microwave ionizes the atmosphere gas in the plasma generation chamber 11 in the order of 10 −4 to 10 −5 Torr and brings it into a plasma state. This plasma is transported onto the target 1 along the magnetic field lines 21, and the target 1
A plasma is generated on the surface of the.

ここで、プラズマ発生室11内のプラズマについて述べる
と、そこでは静磁界を有しかつ磁力線21がマイクロ波の
進行方向に沿う方向であり、また磁場強度が電子サイク
ロトロン共鳴条件(マイクロ波周波数2.45GHzで磁場強
度875ガウス)以上の磁場強度とすることにより、10-4
から10-5Torr台の高真空雰囲気でも安定してプラズマを
発生させることができる。
Here, describing the plasma in the plasma generation chamber 11, there is a static magnetic field and the magnetic field lines 21 are in the direction along the traveling direction of the microwave, and the magnetic field strength is the electron cyclotron resonance condition (microwave frequency 2.45 GHz). At a magnetic field strength of 875 gauss) and a magnetic field strength of 10 -4
Therefore, plasma can be stably generated even in a high vacuum atmosphere of the order of 10 -5 Torr.

またターゲット1表面上の磁力線25が、ターゲット1表
面の広範囲においてほぼ平行であるため、陰極4に印加
された電圧により生ずるターゲット1表面上の電界によ
って、プラズマ中の荷電粒子は磁力線25に沿ってサイク
ロトロン運動しながらターゲット1の円周方向にドリフ
トし、ターゲット1表面に閉じ込められるため、ターゲ
ット1表面のプラズマを高密度化する。
Further, since the magnetic force lines 25 on the surface of the target 1 are almost parallel to each other in a wide range of the surface of the target 1, the electric field on the surface of the target 1 generated by the voltage applied to the cathode 4 causes the charged particles in the plasma to move along the magnetic force lines 25. The plasma on the surface of the target 1 is densified because it drifts in the circumferential direction of the target 1 while being cyclotron-moved and is confined on the surface of the target 1.

さらに前記陰極4に電源20による電力を印加することで
ターゲット1表面に発生する負の電場は、前記ターゲッ
ト1表面上のプラズマ中のイオンを加速し、これをター
ゲット1表面に衝突させる。この衝突によりターゲット
1表面からはじき出された原子または粒子が基板2の表
面上に付着堆積し、薄膜を形成する。
Further, a negative electric field generated on the surface of the target 1 by applying power from the power source 20 to the cathode 4 accelerates the ions in the plasma on the surface of the target 1 and causes them to collide with the surface of the target 1. Atoms or particles that are ejected from the surface of the target 1 due to this collision adhere and deposit on the surface of the substrate 2 to form a thin film.

上述の成膜において、ターゲット1表面からはじき出さ
れた原子または粒子が基板2の表面に到達するまでの間
に雰囲気ガス分子と衝突するかどうかは、分子の平均自
由行程によりわかる。平均自由行程λは、分子の直径、
温度および雰囲気圧力により定まり、次式で表わされ
る。
In the above film formation, whether the atoms or particles ejected from the surface of the target 1 collide with atmospheric gas molecules before reaching the surface of the substrate 2 can be known from the mean free path of the molecules. The mean free path λ is the diameter of the molecule,
It is determined by temperature and atmospheric pressure, and is expressed by the following equation.

λ=2.331×10-26T/Pδ2 ここで、Tは分子温度(゜K)、Pは圧力(Torr)、δは
分子直径(m)である。アルゴンガスでは、15℃、760T
orrで平均自由行程λ=6.66×10-8mであり、雰囲気圧
力を1×10-4Torrとすると、λ=5.06×10-1m、すなわ
ちアルゴンガスでは衝突なしに約500mm移動することが
わかる。
λ = 2.331 × 10 −26 T / Pδ 2 where T is the molecular temperature (° K), P is the pressure (Torr), and δ is the molecular diameter (m). 15 ° C, 760T with argon gas
The mean free path at orr is λ = 6.66 × 10 -8 m, and assuming that the atmospheric pressure is 1 × 10 -4 Torr, λ = 5.06 × 10 -1 m, that is, with argon gas, it can move about 500 mm without collision. Recognize.

一方、ターゲット1表面からはじき出された粒子が雰囲
気ガスと衝突することなく移動しうる距離は、ターゲッ
ト1の材質すなわちターゲット1を構成する分子の直径
により異なるが、雰囲気圧力1×10-4Torrでは100mm程
度はあると考えられる。
On the other hand, the distance that the particles repelled from the surface of the target 1 can move without colliding with the atmospheric gas depends on the material of the target 1, that is, the diameter of the molecules constituting the target 1, but at an atmospheric pressure of 1 × 10 −4 Torr. It is thought that there is about 100 mm.

従って本実施例によれば、ターゲットからはじき出され
た粒子は、ほとんどが雰囲気ガス分子と衝突することな
しに基板に到達するため、基板へのスパッタ粒子の入射
角度(基板法線と粒子入射方向とのなす角度)も小さな
角度となり、基板上の微細な溝についても溝内へのスパ
ッタ粒子の入り込みがよくなる。また、基板表面に付着
堆積した薄膜中への雰囲気ガス分子の取り込みも少なく
なる。
Therefore, according to the present embodiment, most of the particles repelled from the target reach the substrate without colliding with the atmospheric gas molecules, so the incident angle of the sputtered particles on the substrate (the substrate normal and the particle incident direction The angle formed by is also small, so that sputtered particles can be easily introduced into the grooves even in the case of fine grooves on the substrate. Further, the incorporation of atmospheric gas molecules into the thin film adhered and deposited on the substrate surface is reduced.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、マイクロ波と磁場とを組み合わせてプ
ラズマを発生させ、これを短い距離にてターゲット表面
に輸送するとともにプラズマ発生用磁場によって荷電粒
子を閉じ込めるため、10-4から10-5Torrの台の雰囲気圧
力で安定して高密度のプラズマが発生できるので、ター
ゲットからはじき出される粒子が雰囲気ガス分子と衝突
することなしに基板上に付着堆積し、基板へのスパッタ
粒子の入射角度が小さく、溝部を有する基板への成膜性
能が向上するとともに、基板上に付着堆積した薄膜中へ
の雰囲気ガスの取り込みが少なく膜質が向上するという
効果が得られる。
According to the present invention, a plasma is generated by combining a microwave and a magnetic field, and this is transported to the target surface at a short distance, and charged particles are confined by the magnetic field for plasma generation. Therefore, 10 −4 to 10 −5 Torr Since a high-density plasma can be generated stably under the atmospheric pressure of the table, particles ejected from the target are deposited and deposited on the substrate without colliding with atmospheric gas molecules, and the angle of incidence of sputtered particles on the substrate is small. As a result, it is possible to improve the film forming performance on the substrate having the groove portion and to improve the film quality by reducing the incorporation of the atmospheric gas into the thin film adhered and deposited on the substrate.

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

第1図は本発明の一実施例のスパッタリング装置の成膜
部の構造を示す縦断面図、第2図は第1図の成膜部での
磁力線を表わした縦断面図である。 1……ターゲット、2……基板、4……陰極、7……真
空槽、11……プラズマ発生室、12,14……導波管、15…
…マイクロ波発生源、16……磁気装置、17……ヨーク、
21,25……磁力線、24……スパッタ成膜室。
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing the structure of a film forming unit of a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a vertical cross-sectional view showing magnetic lines of force in the film forming unit of FIG. 1 ... Target, 2 ... Substrate, 4 ... Cathode, 7 ... Vacuum chamber, 11 ... Plasma generation chamber, 12, 14 ... Waveguide, 15 ...
… Microwave source, 16 …… Magnetic device, 17 …… Yoke,
21,25 ... Magnetic field lines, 24 ... Sputter deposition chamber.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相内 進 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−161774(JP,A) 特開 昭58−75839(JP,A) 特開 昭60−50167(JP,A) 特開 昭61−194174(JP,A) 実開 昭61−104074(JP,U) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Susumu Aiuchi 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Inside the Institute of Industrial Science, Hitachi, Ltd. (56) Reference JP-A-58-161774 (JP, A) JP-A-58-75839 (JP, A) JP-A-60-50167 (JP, A) JP-A-61-194174 (JP, A) Actually-opened Sho-61-104074 (JP, U)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】真空容器の内部に薄膜を形成する材料から
なるターゲットと、該ターゲットを支持する電極手段
と、該電極手段に前記真空容器の外部から電力を印加す
る電力印加手段と、前記ターゲットと所定の間隔を隔て
て対向する基板電極手段と、前記ターゲットの裏側にあ
って磁力線が前記ターゲットの表面近傍を弧状に覆う磁
場を発生させる磁場発生部とヨークとから構成される磁
場発生手段と、マイクロ波を前記ターゲットの中央部に
設けた開口部を通して前記真空容器内に供給するマイク
ロ波供給手段とを有し、前記電力印加手段により前記電
極手段に電力を印加すると共に、前記マイクロ波供給手
段からマイクロ波を前記ターゲットと前記基板電極手段
との間に供給して高密度のプラズマを発生させて前記磁
場発生手段で発生させた前記ターゲットの表面近傍を弧
状に覆う磁場により前記ターゲットの表面近傍に高密度
プラズマを閉じ込めることにより、前記ターゲットをス
パッタリングして前記基板電極手段の上に載置した基板
の表面に薄膜を形成することを特徴とするスパッタリン
グ装置。
1. A target made of a material for forming a thin film inside a vacuum container, electrode means for supporting the target, electric power applying means for applying electric power to the electrode means from outside the vacuum container, and the target. Substrate electrode means facing each other at a predetermined distance, and a magnetic field generating means composed of a yoke and a magnetic field generating section on the back side of the target for generating a magnetic field in which magnetic field lines cover the vicinity of the surface of the target in an arc shape. A microwave supply means for supplying microwaves into the vacuum container through an opening provided in the center of the target, and applying the power to the electrode means by the power applying means and supplying the microwaves. Microwaves are supplied from the means between the target and the substrate electrode means to generate high density plasma, which is generated by the magnetic field generating means. By confining high-density plasma near the surface of the target by a magnetic field that covers the surface of the target in an arc shape, the target is sputtered to form a thin film on the surface of the substrate placed on the substrate electrode means. A sputtering apparatus characterized by the above.
【請求項2】前記磁場の強度が、前記マイクロ波の周波
数に応じた電子サイクロトロン共鳴条件を満たす臨界磁
場強度以上であることを特徴とする特許請求の範囲第1
項記載のスパッタリング装置。
2. The strength of the magnetic field is equal to or higher than a critical magnetic field strength satisfying an electron cyclotron resonance condition corresponding to the frequency of the microwave.
The sputtering apparatus according to the item.
【請求項3】前記磁場発生手段の前記ヨークの一端が、
前記マイクロ波を前記真空容器内に供給する部分の近傍
に設置され、前記ヨークの他端が、前記ターゲットの外
周部に設置されることを特徴とする特許請求の範囲第1
項記載のスパッタリング装置。
3. One end of the yoke of the magnetic field generating means,
The invention is provided in the vicinity of a portion for supplying the microwave into the vacuum container, and the other end of the yoke is provided in an outer peripheral portion of the target.
The sputtering apparatus according to the item.
JP60290577A 1985-12-25 1985-12-25 Sputtering device Expired - Lifetime JPH0621352B2 (en)

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JPS62151561A JPS62151561A (en) 1987-07-06
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