JPH0978237A - Production of thin film and device therefor - Google Patents

Production of thin film and device therefor

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JPH0978237A
JPH0978237A JP23731995A JP23731995A JPH0978237A JP H0978237 A JPH0978237 A JP H0978237A JP 23731995 A JP23731995 A JP 23731995A JP 23731995 A JP23731995 A JP 23731995A JP H0978237 A JPH0978237 A JP H0978237A
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JP
Japan
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substrate
target
cathode
thin film
permanent magnet
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Application number
JP23731995A
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Japanese (ja)
Inventor
Shozo Yamashita
昌三 山下
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Nihon Dennetsu Co Ltd
Original Assignee
Nihon Dennetsu Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film producing method capable of obtaining an ultra-thin film faithful to design composed of plural atoms. SOLUTION: In a magnetron sputtering device in which an outer side permanent magnet 4b and an inside permanent magnet 4c are arranged on the back side of a cathode 3 with an electromagnet 4 for controlling in-between, an inside target 6a and an outside target 6b are sputtered to the cathode 3 in such a manner that energizing to inside and outside coils 12b and 12c is controlled, and targets are selectable, inside and outside releasing atom capture rings 7a and 7b are arranged, a bias electrode 15, a thermal conducting board 13 and a heating element 14 are arranged on the back side of a substrate 5, a cooling device 16 is arranged in the vicinity, and by the formed thin film, the bias potential and substrate temp. are controlled.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明が属する技術分野】本発明は、薄膜製造方法及び
その装置に関し、更に詳細には、生成する薄膜の特性を
高度に制御できるマグネトロンスパッタリング法を用い
た薄膜製造方法及びその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 thin film manufacturing method and an apparatus thereof, and more particularly to a thin film manufacturing method and an apparatus thereof using a magnetron sputtering method capable of highly controlling characteristics of a thin film to be produced. .

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体デバイスなど電子工学の進歩と共
にセラミックスなどの基板上に金属薄膜を形成する技術
として、真空蒸着法、めっき法、厚膜印刷法、溶射法、
金属箔エッチング法、スパッタリング法などが開発され
る至っており、良質の金属薄膜を得る方法としてスパッ
タリング法が極めて優れていること、特に膜の生成を制
御するためにはマグネトロンスパッタリング法が特に優
れていることは既に知られている。
2. Description of the Related Art As technology for forming a metal thin film on a substrate such as ceramics with the progress of electronics such as semiconductor devices, vacuum deposition, plating, thick film printing, thermal spraying,
The metal foil etching method and the sputtering method have been developed, and the sputtering method is extremely excellent as a method for obtaining a good-quality metal thin film. Particularly, the magnetron sputtering method is particularly excellent for controlling the film formation. This is already known.

【0003】マグネトロンスパッタリング法は、直流2
極スパッタ装置を発展させたものであり、真空室(スパ
ッタ室)内に、膜材料からなるターゲットを配置した陰
極と、薄膜形成用の基板を配置(通常は陽極に窓を開け
た中に配置)した陽極とを所定の間隔を開けて対峙さ
せ、アルゴンガスなどの放電ガスを導入してグロー放電
せると共に、永久磁石によって陰極面に略平行する磁界
を発生させて2次電子束縛領域を形成させ、前記放電ガ
スイオンで陰極であるターゲットに衝撃を与え、原子及
び2次電子をターゲットから放出させるものである。
The magnetron sputtering method uses direct current 2
This is an advanced version of the polar sputtering system, in which a cathode with a target made of film material and a substrate for thin film formation are placed in a vacuum chamber (sputtering chamber) (usually the window is opened in the anode. ) And the anode facing each other at a predetermined interval and introducing a discharge gas such as argon gas for glow discharge, and generating a magnetic field approximately parallel to the cathode surface by a permanent magnet to form a secondary electron binding region. Then, the target, which is the cathode, is bombarded with the discharge gas ions, and atoms and secondary electrons are emitted from the target.

【0004】前記2次電子束縛領域内に束縛されたイオ
ン、電子などは、放電ガス分子との衝突確率が増大する
ためイオン発生量が増加(いわゆるマグネトロン放電)
し、スパッタ原子(ターゲットから放出された原子)の
生成が促進され、薄膜形成速度、薄膜形成面積をより大
きくすることができる。前記のように陰極面に略平行す
る磁界は、陰極の中央部に永久磁石の一極(通常N極)
を配置し、ターゲットの外側を囲み、前記と反対極の円
筒状永久磁石を配置することにより得ることができる。
Ions, electrons, and the like bound in the secondary electron bound region increase the probability of collision with discharge gas molecules, so that the amount of generated ions increases (so-called magnetron discharge).
However, the generation of sputtered atoms (atoms emitted from the target) is promoted, and the thin film formation rate and the thin film formation area can be increased. As described above, the magnetic field substantially parallel to the cathode surface has one pole (usually N pole) of the permanent magnet at the center of the cathode.
Is arranged to surround the outside of the target, and a cylindrical permanent magnet having the opposite pole to the above is arranged.

【0005】ところで、マグネトロンスパッタリング法
によって2種以上の金属を層状に生成させた金属薄膜
や、合金薄膜を製造する手段として、土屋及び深海は、
コイルによって電界方向と略平行な磁界を陰極近傍に発
生させることにより、ターゲットの浸食領域を制御させ
る方法を発明した。前記電界方向と略平行な磁界を陰極
近傍に発生させる手段として、特公昭61−54112
号公報に記載された方法は、陰極の外周を取り巻くコイ
ルを配置し、通電を制御するようにしたものであり、特
公平4−49516号公報に記載された方法は、同心円
状に配置した前記永久磁石の間に、円筒端面に磁極を発
生させる制御用電磁石を配置したものである。このよう
に形成することにより、前記制御用電磁石の円筒の外側
ターゲット領域と内側ターゲット領域とに浸食領域を限
定させる制御が可能となる。以下これら公報に開示され
た方法を3極マグネトロンスパッタリング法と呼ぶ。
By the way, as a means for producing a metal thin film or an alloy thin film in which two or more kinds of metals are formed in layers by the magnetron sputtering method, Tsuchiya and Deep Sea are
The inventor has invented a method of controlling the erosion region of the target by generating a magnetic field in the vicinity of the cathode, which is substantially parallel to the electric field direction, by the coil. As a means for generating a magnetic field in the vicinity of the cathode, which is substantially parallel to the direction of the electric field, Japanese Patent Publication No.
The method described in Japanese Patent Publication No. 4-49516 has a coil surrounding the outer periphery of the cathode, and the energization is controlled. The method described in Japanese Patent Publication No. 4-49516 discloses that the coils are arranged concentrically. A control electromagnet that generates a magnetic pole on the end surface of the cylinder is arranged between the permanent magnets. By forming in this way, it becomes possible to perform control to limit the erosion region to the outer target region and the inner target region of the cylinder of the control electromagnet. Hereinafter, the method disclosed in these publications will be referred to as a triode magnetron sputtering method.

【0006】前記3極マグネトロンスパッタリング法
は、元素又は元素構成の異なるターゲットを、それぞれ
前記内側・外側領域に同心円状に配置し、前記コイル又
は電磁石の励起電流を制御することで、生成する薄膜の
特性を変化させることができるようになった。
In the three-pole magnetron sputtering method, targets having different elements or elemental constitutions are concentrically arranged in the inner and outer regions, respectively, and the excitation current of the coil or electromagnet is controlled to produce a thin film. You can now change the characteristics.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで、ニッケルク
ロム合金の真空蒸着膜と3極マグネトロンスパッタリン
グ法によるニッケルクロム合金膜とでは、抵抗率(μΩ
−cm)及び温度係数T.C.R.(ppm/℃)の値に差が
ある。しかしながら、更に高い抵抗率の金属薄膜を3極
マグネトロンスパッタリング法により製造しようとする
には、更に改良をする必要が認められた。
By the way, the resistivity (μΩ is different between the vacuum-deposited nickel-chromium alloy film and the nickel-chromium alloy film formed by the three-pole magnetron sputtering method.
-Cm) and temperature coefficient TCR (ppm / ° C). However, in order to produce a metal thin film having a higher resistivity by the three-pole magnetron sputtering method, further improvement was recognized.

【0008】即ち、スパッタ原子の放出角分布は余弦則
に従うので、スパッタ原子は四方八方に飛散する。した
がって3極マグネトロンスパッタリング法に適用する前
記内側・外側ターゲットをそれぞれ異なる元素構成によ
り形成した場合に、前記飛散したスパッタ原子によるタ
ーゲットの相互汚染が起こり、設計どおりの膜特性が得
られないという問題や、絶縁シール材が被膜されて絶縁
が破壊され、装置が短絡するという問題があることが分
かった。
That is, since the emission angle distribution of sputtered atoms follows the cosine law, sputtered atoms scatter in all directions. Therefore, when the inner and outer targets applied to the three-pole magnetron sputtering method are formed with different elemental configurations, the target is cross-contaminated by the scattered sputtered atoms and the film characteristics as designed cannot be obtained. It was found that there was a problem that the insulation sealing material was coated and the insulation was destroyed, resulting in a short circuit of the device.

【0009】また、生成する薄膜の結晶構造に留意しな
がらスパッタリングする場合、依存因子であるスパッタ
速度及び基板温度をそれぞされ独立して制御する必要の
あることが認められた。即ちスパッタ速度は、ターゲッ
トへの放電電圧又は入力電力に依存するので、独立して
制御することができる。これに対し、基板温度は、ター
ゲットからの熱放射や、高速2次電子放射により上昇す
る。この熱放射量及び高速2次電子放射量は、入力電力
に比例するため、基板に放熱又は冷却手段を取り付けな
いかぎり、例えば200℃以下の低温域での基板温度制
御を独立して行うことはできないという問題がある。
Further, it has been found that when sputtering is performed while paying attention to the crystal structure of the thin film to be formed, it is necessary to independently control the sputtering rate and the substrate temperature, which are dependent factors. That is, the sputter rate depends on the discharge voltage or input power to the target and can be controlled independently. On the other hand, the substrate temperature rises due to heat radiation from the target and fast secondary electron radiation. Since the amount of heat radiation and the amount of fast secondary electron radiation are proportional to the input power, it is not possible to independently control the substrate temperature in a low temperature range of, for example, 200 ° C. or lower, unless heat radiation or cooling means is attached to the substrate. There is a problem that you cannot do it.

【0010】また、基板加熱を必要とする場合には発熱
体を設置するが、従来の発熱体としては、セラミック
ス中に発熱体を埋め込み焼成したもの、マイカのよう
な絶縁材と金属箔や金属線などの発熱体を挟んだもの、
シーズ発熱体を使用したもの、シリコーンラバーの
ような耐熱樹脂中に導電材を混入し、シート状に加工し
たものなどがある。但し、機械的強度、寿命、電気絶縁
性、高温使用などの観点からのシーズ発熱体が多く使
用されているが、均一に効率よく加熱するためには、シ
ーズ発熱体の配置パターンを工夫する必要があることが
分かった。
A heating element is installed when the substrate needs to be heated. Conventional heating elements include a heating element embedded in ceramics and fired, an insulating material such as mica and a metal foil or metal. Those that sandwich a heating element such as a wire,
Examples include those that use a sheath heating element and those that are processed into a sheet by mixing a conductive material in a heat-resistant resin such as silicone rubber. However, many seeds heating elements are used from the viewpoint of mechanical strength, life, electrical insulation, high temperature use, etc., but in order to heat them uniformly and efficiently, it is necessary to devise the arrangement pattern of the seeds heating elements. I found out that

【0011】一方、スパッタリング法によって形成した
薄膜(以下スパッタ薄膜という)を高密度に積層するに
は、スパッタ原子が基板上で表面拡散させ、膜の隙間や
孔を埋めればよい。従来からその表面拡散を起こさせる
手段として、1)イオン照射、いわゆるバイアス・スパ
ッタ、2)基板加熱が知られている。1)のバイアス・
スパッタは、陽極に対して絶縁した状態、即ち電気的に
浮かせた状態とした基板に電位を掛け、基板表面に達し
たスパッタ電子にエネルギーを与える手段であるが、絶
縁や基板加熱の熱伝導を考慮した設計が必要であり、ま
たバイアス電位が高すぎると、アルゴンガスなどのスパ
ッタガスが生成する薄膜中に捕捉されたり、格子欠陥を
もたらしたりし、終には生成薄膜が再スパッタされ膜破
壊が生じるという問題があることが分かった。また2)
の基板加熱の問題は前記したとおりである。
On the other hand, in order to stack a thin film formed by the sputtering method (hereinafter referred to as a sputtered thin film) at a high density, sputtered atoms may be surface-diffused on the substrate to fill the gaps or holes in the film. Conventionally, 1) ion irradiation, so-called bias sputtering, and 2) substrate heating are known as means for causing the surface diffusion. Bias of 1)
Sputtering is a means of applying a potential to a substrate that is insulated from the anode, that is, in an electrically floating state, to give energy to the sputtered electrons that have reached the surface of the substrate. It is necessary to take the design into consideration, and if the bias potential is too high, it will be trapped in the thin film generated by sputter gas such as argon gas or cause lattice defects, and finally the generated thin film will be re-sputtered and destroyed. It turns out that there is a problem that occurs. See also 2)
The problem of heating the substrate is as described above.

【0012】本発明は、以上の問題に着目してなされた
ものであり、前記内側ターゲットと外側ターゲット間の
相互汚染、及びスパッタ装置内の絶縁面に金属薄膜が生
成し、絶縁破壊が起こることを防止した薄膜製造方法及
びその装置を提供することを第1の解決課題としてい
る。本発明の第2の解決課題は、設計どおりの金属薄膜
を生成させるため、基板の温度制御を適正にするための
加熱及び冷却手段を適用したスパッタリングによる薄膜
製造方法及びその装置を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above problems. Mutual contamination between the inner target and the outer target, and formation of a metal thin film on the insulating surface in the sputtering apparatus, resulting in dielectric breakdown. A first problem to be solved is to provide a thin film manufacturing method and an apparatus for preventing the above problems. A second problem to be solved by the present invention is to provide a thin film manufacturing method by sputtering and an apparatus thereof for applying a heating and cooling means for proper temperature control of a substrate in order to generate a metal thin film as designed. is there.

【0013】更に本発明の第3の解決課題は、高密度積
層膜を生成させるための基板加熱手段及びバイアス電位
供給方法を有するスパッタリングによる薄膜製造方法及
びその装置を提供することにある。更に本発明の第4の
解決課題は、クロム−ニッケル合金薄膜を製造する方法
を提供することにある。
A third object of the present invention is to provide a thin film production method by sputtering having a substrate heating means and a bias potential supply method for producing a high density laminated film, and an apparatus therefor. A fourth problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a chromium-nickel alloy thin film.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】以上の第1の解決課題を
達成するための本発明の薄膜製造方法は、一対の陽極と
陰極とを所定の間隔を開けて配置し、陰極の裏側に、陰
極上に配置するターゲットを囲む円筒状の外側永久磁石
と、その中央部に、前記と反対極の中側永久磁石を配置
し、前記二つの永久磁石の間に、円筒状鉄心と、この鉄
心の周方向にコイルを巻いた制御用電磁石を配置し、前
記中側永久磁石と円筒状鉄心との間の陰極上に内側ター
ゲットを配置し、また外側永久磁石と円筒状鉄心との間
の陰極上に外側ターゲットを配置し、前記コイルの通電
を制御することよりスパッタするターゲットを選択可能
にしたマグネトロンスパッタリング法において、前記内
側・外側の両ターゲットの間及び外側ターゲットの外周
に、ターゲット表面から陽極側に延び出した絶縁体から
なる放出原子捕捉リングを配置し、低い放出角で放出さ
れるスパッタ原子及び低い角度で陰極側に入射するスパ
ッタ原子を捕捉するようにしたものである。
The thin film manufacturing method of the present invention for achieving the above-mentioned first solution is to dispose a pair of an anode and a cathode at a predetermined interval and to arrange them on the back side of the cathode. A cylindrical outer permanent magnet surrounding the target to be placed on the cathode, and a middle permanent magnet of the opposite pole is placed in the center of the outer permanent magnet, and a cylindrical iron core and the iron core are placed between the two permanent magnets. A control electromagnet having a coil wound in the circumferential direction is arranged, an inner target is arranged on the cathode between the inner permanent magnet and the cylindrical iron core, and a cathode between the outer permanent magnet and the cylindrical iron core. In the magnetron sputtering method, in which an outer target is arranged on the outer target and the target to be sputtered can be selected by controlling the energization of the coil, a target surface is provided between the inner target and the outer target and on the outer periphery of the outer target. The release atomic capture ring made of an insulator which extends out to the anode side disposed from, is obtained so as to capture the sputtered atoms incident on the cathode side by a sputtering atoms and low angle emitted at a low emission angle.

【0015】陽極及び陰極は、従来から使用されている
もの、例えば、ステンレスを使用することができる。前
記リング状の放出原子捕捉リングの材質には特に限定は
ないが、例えばアルミナや雲母系の切削加工が可能なセ
ラミックスを使用することが好ましい。また放出原子捕
捉リングの高さは、実際に則して決定すればよいが、目
安として、内側・外側ターゲットの浸食領域の最外側と
基板、例えば基板中央、又は対角線位置を結ぶ線上に、
放出原子捕捉リングの上端が配置されるような高さとす
ることができる。但し、本発明はこれに限定されない。
The anode and cathode may be those conventionally used, for example, stainless steel. The material for the ring-shaped emitted atom trapping ring is not particularly limited, but it is preferable to use, for example, alumina or mica-based ceramics capable of cutting. Further, the height of the emitted atom trapping ring may be determined according to actual practice, but as a guideline, the outermost of the erosion region of the inner / outer target and the substrate, for example, on the line connecting the substrate center or the diagonal position,
The height may be such that the upper end of the emission atom trap ring is located. However, the present invention is not limited to this.

【0016】前記放出原子捕捉リングの表面には、スパ
ッタリング操作が終わると、スパッタ原子が薄膜状に付
着する。前記放出原子捕捉リングは絶縁性を保持しなけ
ればならないので、付着薄膜が金属など導電性物質の場
合には、焼成などの高温酸化処理を施したり、酸化処理
で絶縁が不十分な場合にはサンドペーパーなどによる機
械的除去方法を用いることができる。したがって放出原
子捕捉リングを繰り返し使用が可能である。
When the sputtering operation is completed, the sputtered atoms adhere to the surface of the emission atom trap ring in a thin film form. Since the emitted atom trapping ring must maintain the insulating property, when the attached thin film is a conductive substance such as a metal, high temperature oxidation treatment such as firing is performed, or when the insulation is insufficient due to the oxidation treatment. A mechanical removal method such as sandpaper can be used. Therefore, the emission atom trapping ring can be repeatedly used.

【0017】前記第4の解決課題を達成するための本発
明のクロム−ニッケル合金薄膜を製造する方法は、前記
内側及び外側ターゲットを、それぞれクロム及びニッケ
ルによって作製し、200℃以下の基板温度で、前記内
側及び外側のとターゲットをスパッタする時間を時間的
秩序を与えて制御するようものである。前記第2の解決
課題を達成するための薄膜製造装置は、シーズヒーター
を互いに平行させて配置した発熱体を、熱伝導板を介し
て前記基板の裏面に配置したものである。前記発熱体
は、複数のシーズ発熱体を並列配置して形成することも
できるが、1本のシーズ発熱体を基板の外側で折り返し
て形成することができる。前記発熱体は、基板に入射す
るスパッタ原子の拡散エネルギーの制御に役立てること
ができる。
In the method for producing a chromium-nickel alloy thin film of the present invention for achieving the fourth problem, the inner and outer targets are made of chromium and nickel, respectively, and the substrate temperature is 200 ° C. or lower. The time for sputtering the target on the inner side and the target on the outer side are controlled by giving temporal order. In the thin film manufacturing apparatus for achieving the second problem to be solved, a heating element in which sheathed heaters are arranged in parallel with each other is arranged on the back surface of the substrate via a heat conduction plate. The heating element can be formed by arranging a plurality of sheath heating elements in parallel, but can also be formed by folding one sheath heating element outside the substrate. The heating element can be useful for controlling the diffusion energy of sputtered atoms incident on the substrate.

【0018】前記熱伝導板は熱の良導体を用いること以
外に特に限定はないが、例えば窒化アルミニウムなど熱
伝導性のよいセラミックス絶縁材を用いることができ
る。前記第3の解決課題を達成するための薄膜製造装置
は、前記基板と前記熱伝導板との間に電極板を配置し、
この電極板に接続した導線からバイアス電位を与えるこ
とにより、基板上に入射したスパッタ原子に拡散エネル
ギーを与え、高密度膜を形成させることができる。前記
バイアス電位用電極板の材質には特に限定はないが、例
えば白金などのを使用することができる。
The heat conducting plate is not particularly limited except that it uses a conductor of good heat, but a ceramic insulating material such as aluminum nitride having good heat conductivity can be used. A thin film manufacturing apparatus for achieving the third problem is to dispose an electrode plate between the substrate and the heat conductive plate,
By applying a bias potential from a conductive wire connected to this electrode plate, diffusion energy can be applied to the sputtered atoms incident on the substrate to form a high density film. The material of the electrode plate for bias potential is not particularly limited, but platinum or the like can be used.

【0019】また、本発明は、前記基板を冷却する冷却
装置を冷却用流体を通す冷却管によって形成し、基板近
傍に配置し、基板温度を制御するようにして実施するこ
とができる。前記冷却管は、前記シーズヒーターと交互
に配置するなどとすることもできる。本発明は、ターゲ
ットに近い高さを飛ぶスパッタ原子を捕捉することによ
りターゲットの相互汚染及び絶縁部の短絡事故を防止
し、設計どおりの組成のスパッタ原子を基板に付着さ
せ、同時に基板に衝突したスパッタ原子のエネルギーを
基板の加熱手段、電位制御手段、陽極の冷却手段を制御
することにより、密度、表面状態などを制御した薄膜を
基板上に生成させることができる。
Further, the present invention can be implemented by forming the cooling device for cooling the substrate by a cooling pipe through which a cooling fluid is passed, arranging the cooling device near the substrate, and controlling the substrate temperature. The cooling pipes may be arranged alternately with the sheath heaters. The present invention prevents mutual contamination of the target and short circuit accident of the insulating portion by capturing sputtered atoms flying at a height close to the target, deposits sputtered atoms having the composition as designed on the substrate, and simultaneously collides with the substrate. By controlling the energy of the sputtered atoms by controlling the heating means of the substrate, the potential control means, and the cooling means of the anode, a thin film whose density, surface state and the like are controlled can be formed on the substrate.

【0020】基板上の膜生成域を限定するため、特定部
分に窓を開口させたシャッターを使用することがてき
る。使用するシャッターの材質としては、特に限定はな
いが、例えばステンレススティール(SUS) などを使用す
ることができる。本発明に使用しうる基板は、従来と同
様のものを使用することができる。通常使用される基板
は、膜生成の目的により一定しないが、抵抗体などを製
造する場合には、窒化アルミニウムのようなセラミック
ス、ポリイミドなどの耐熱性樹脂などの高熱伝導性の電
気絶縁体の使用することができ、また金属表面に絶縁層
を形成する場合には金属を基板として使用すればよい。
To limit the film formation area on the substrate, it is possible to use a shutter having a window opened in a specific portion. The material of the shutter used is not particularly limited, but, for example, stainless steel (SUS) or the like can be used. The substrate that can be used in the present invention may be the same as the conventional one. The substrate that is usually used is not constant depending on the purpose of film formation, but when manufacturing a resistor, etc., use a high thermal conductivity electrical insulator such as ceramics such as aluminum nitride or heat resistant resin such as polyimide. In addition, the metal may be used as the substrate when the insulating layer is formed on the surface of the metal.

【0021】本発明方法によって得られた薄膜は、例え
ば超小型ヒーター用発熱体、抵抗器、サーミスタ、熱電
対などの熱敏感性薄膜、その他歪み、光、湿度などを感
知する材料を薄膜としたセンサー、磁気ヘッド、磁気デ
ィスクなどの磁性体、電磁波シールド材、感熱記録紙用
の印字用サーマルヘッドなどに使用することができる。
The thin film obtained by the method of the present invention is, for example, a heat-sensitive thin film such as a heating element for a micro heater, a resistor, a thermistor, or a thermocouple, or a thin film made of a material that senses strain, light, humidity or the like. It can be used as a sensor, a magnetic head, a magnetic material such as a magnetic disk, an electromagnetic wave shielding material, a printing thermal head for thermal recording paper, and the like.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】図1〜5によって、本発明を実施
する際に使用する3極マグネトロンスパッタ装置の1実
施形態を説明する。図1に示す3極マグネトロンスパッ
タ装置は、スパッタ室1を形成する真空容器蓋1aに、
吊り下げ状に取り付けた基板ホルダーユニット2aと、
真空容器箱部1b内に配置した陰極3と、磁界発生部4
aとからなり、陰極3の上に内側ターゲット6a、外側
ターゲット6b及び内側放出原子捕捉リング7a及び外
側放出原子捕捉リング7b(以下放出原子捕捉リングを
総称するときは単に7で表す)を載置し、真空容器中間
部1cに、真空排気口8及びスパッタガス導入口9を取
り付けたものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of a three-pole magnetron sputtering apparatus used when carrying out the present invention will be described with reference to FIGS. The three-pole magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 1 has a vacuum container lid 1a forming a sputtering chamber 1,
A substrate holder unit 2a attached in a suspended form,
The cathode 3 arranged in the vacuum container box 1b and the magnetic field generator 4
and an inner target 6a, an outer target 6b, an inner emission atom trap ring 7a, and an outer emission atom trap ring 7b (hereinafter, the emission atom trap ring is simply referred to as 7) on the cathode 3. Then, the vacuum exhaust port 8 and the sputter gas introduction port 9 are attached to the intermediate portion 1c of the vacuum container.

【0023】陰極3は、図2に示すとおり円板状をな
し、下側に外周永久磁石4b及び中側永久磁石4c及び
制御用電磁石4の位置決め用凹部10a,10b,10cを形
成し、内部に陰極冷却管3aを穿設し、上面に内側ター
ゲット6a、内側放出原子捕捉リング7a、外側ターゲ
ット6b、外側放出原子捕捉リング7bを載置した。な
お、図2に示す符号3bは、絶縁体からなる遮蔽部材11
(図1)の位置決め用段部であり、10aはパッキングで
ある。
The cathode 3 has a disk shape as shown in FIG. 2, and has outer peripheral permanent magnets 4b, middle permanent magnets 4c, and positioning recesses 10a, 10b, 10c for the control electromagnets 4 formed on the lower side thereof. A cathode cooling tube 3a was perforated on the inner surface of the substrate, and an inner target 6a, an inner emitted atom capturing ring 7a, an outer target 6b and an outer emitted atom capturing ring 7b were placed on the upper surface. Reference numeral 3b shown in FIG. 2 is a shield member 11 made of an insulator.
(FIG. 1) is a step for positioning, and 10a is a packing.

【0024】基板ホルダーユニット2aは、陽極2と、
ケーシング2bと、保持具2cとからなり、陽極2は、
中央部に薄膜形成用の基板5(図3)を陰極3側に露出
させる開口を有する円板状をなし、保持具を兼務する冷
却管2c内に、この冷却管2cの外壁を通じて陽極2に
正電位を与えるようにしている。なお、ケーシング2b
及び冷却管2cは、基板ホルダーユニット2a各部の熱
変形及び使用するパッキング(図示せず)の熱劣化など
を防止するため壁面を2重に形成し、内部に水などの冷
却媒体を流通させている。
The substrate holder unit 2a includes an anode 2 and
It consists of a casing 2b and a holder 2c, and the anode 2 is
A disk-shaped substrate having an opening for exposing the thin film forming substrate 5 (FIG. 3) to the cathode 3 side is formed in the center part, and inside the cooling pipe 2c also serving as a holder, the anode 2 is provided through the outer wall of the cooling pipe 2c. A positive potential is applied. The casing 2b
The cooling pipe 2c has a double wall surface to prevent thermal deformation of each part of the substrate holder unit 2a and thermal deterioration of a packing (not shown) to be used, and a cooling medium such as water is circulated inside the wall. There is.

【0025】前記磁界発生部4aは、陰極3の下側に配
置されており、陰極3側をS極とし、円筒状に形成した
の外周永久磁石4bと、その中央部に配置し、且つ陰極
3側をN極とした棒状の中側永久磁石4cと、その間に
配置した制御用電磁石4とを磁性体板4dの上に同心円
状に配置したものである。前記制御用電磁石4は、軟鉄
製円筒体からなる磁心12aの周囲の内側に、捲回数36
00の内側コイル12bを配置し、外側に、前記と反対方
向に捲回数1700巻いた外側コイル12cとによって形
成したものである。
The magnetic field generating portion 4a is arranged below the cathode 3, the cathode 3 side is the S pole, the outer peripheral permanent magnet 4b is formed in a cylindrical shape, and the central portion thereof, and A rod-shaped middle permanent magnet 4c having an N pole on the third side and a control electromagnet 4 arranged between them are arranged concentrically on a magnetic plate 4d. The control electromagnet 4 has a number of windings of 36 when it is wound inside the magnetic core 12a made of a soft iron cylinder.
No. 00 inner coil 12b is arranged, and is formed on the outer side by an outer coil 12c having 1700 turns in the opposite direction.

【0026】陽極2には、基板5を取り付ける開口を設
け、この部分に基板5(図3)を嵌入した熱伝導板13を
配置し、その裏側(図の上側)に発熱体14(図4)を取
り付けている。なお本実施の形態に示した熱伝導板13
は、熱伝導性のよい窒化アルミニウムによって形成し
た。熱伝導板13は、図3に示すとおり、下方に向けて凹
部13aを形成し、この中に、白金からなるバイアス電極
板15及び基板5を嵌合するように形成した。バイアス電
極板15には、絶縁用円筒碍子15a(1個のみ図示)によ
り周囲から絶縁した導線15bを取り付け、所定のバイア
ス電位を基板5に与えるようにした。なお図3に示す符
号5aは、薄膜を形成する面(コーティング面)であ
る。
The anode 2 is provided with an opening for mounting the substrate 5, the heat conducting plate 13 in which the substrate 5 (FIG. 3) is fitted is arranged in this portion, and the heating element 14 (FIG. 4) is provided on the back side (upper side in the figure). ) Is attached. The heat conducting plate 13 shown in this embodiment is
Was formed of aluminum nitride, which has good thermal conductivity. As shown in FIG. 3, the heat conducting plate 13 was formed with a recess 13a facing downward, and a bias electrode plate 15 made of platinum and the substrate 5 were fitted therein. A conductive wire 15b insulated from the surroundings by an insulating cylindrical insulator 15a (only one is shown) is attached to the bias electrode plate 15 so that a predetermined bias potential is applied to the substrate 5. Reference numeral 5a shown in FIG. 3 is a surface (coating surface) on which a thin film is formed.

【0027】発熱体14は、図4に示すとおり、シーズヒ
ーター14aを基板(図4には図示せず)の外側で折返
し、所定の間隔で平行に配置し、直線部の両側を支持板
14bで支持するようにしたものである。前記陽極2、熱
伝導板13、発熱体14及び冷却装置16を基板ホルダーユニ
ット2aに組付けた様子を図5に示す。陽極2の裏面に
配置した前記冷却装置16(図1,5)は、銅やSUS316L
などの耐蝕性金属パイプを、図5に示すように陽極2の
裏面に蛇行させるなど、可及的に接触面積を増やすよう
に配置し、系外に配置した電磁バルブ及び排水ポンプ
(共に図示せず)によって冷却水量を制御するようにし
たものである。
As shown in FIG. 4, the heating element 14 has a sheath heater 14a folded back on the outside of a substrate (not shown in FIG. 4) and arranged in parallel at a predetermined interval, and both sides of a straight line portion are supported by support plates.
It is designed to be supported by 14b. FIG. 5 shows a state in which the anode 2, the heat conduction plate 13, the heating element 14 and the cooling device 16 are assembled to the substrate holder unit 2a. The cooling device 16 (FIGS. 1 and 5) arranged on the back surface of the anode 2 is made of copper or SUS316L.
An electromagnetic valve and a drainage pump (both shown in the figure) are arranged outside the system by arranging a corrosion-resistant metal pipe such as, for example, meandering on the back surface of the anode 2 to increase the contact area as much as possible. The amount of cooling water is controlled by (No.).

【0028】なお、前記冷却装置16を構成する冷却管
を、シーズヒーター14aと交互に配置し、熱伝導板13を
介して基板5の裏面に配置することもできる。以上のよ
うに、発熱体14及び冷却装置16によって、基板5の熱勾
配をなくして温度を制御し、入射するスパッタ原子のエ
ネルギーを制御することにより、設計どおりの薄膜を基
板5上に形成させることができる。
The cooling pipes constituting the cooling device 16 may be arranged alternately with the sheath heaters 14a and arranged on the back surface of the substrate 5 via the heat conduction plate 13. As described above, the heating element 14 and the cooling device 16 eliminate the thermal gradient of the substrate 5 to control the temperature and control the energy of incident sputter atoms, thereby forming a thin film as designed on the substrate 5. be able to.

【0029】シャッター17は、図1,5に示すとおり、
貫通穴からなる窓17aを開口し、スパッタ室1の外に延
び出した操作杆17bに軸支したものである。スパッタガ
スは、従来の陰極スパッタリング法と同様にアルゴンガ
スAr を使用した。次に磁界の制御について説明する。
制御用電磁石4に励起電流を流さない状態では、図6に
示すように、陰極3に略平行する半円弧状磁場Bが発生
し、中側永久磁石4cのN極と外周永久磁石4bのS極
との中間部にドーナツ状の2次電子束縛領域Rが形成さ
れる。
The shutter 17 is, as shown in FIGS.
A window 17a consisting of a through hole is opened and is pivotally supported on an operating rod 17b extending out of the sputtering chamber 1. As the sputtering gas, argon gas Ar was used as in the conventional cathode sputtering method. Next, the control of the magnetic field will be described.
As shown in FIG. 6, a semi-circular arc-shaped magnetic field B that is substantially parallel to the cathode 3 is generated in a state in which an excitation current is not applied to the control electromagnet 4, and the N pole of the middle permanent magnet 4c and the S of the outer circumference permanent magnet 4b are S. A donut-shaped secondary electron binding region R is formed in the middle of the pole.

【0030】次いで、制御用電磁石4の陰極3側をS極
に励起すると、図7の(A)に示すように電界Eと同方
向の磁界が発生し、陰極3に略平行するリング状磁場B
は内側ターゲット6a上に発生し、ドーナツ状の2次電
子束縛領域Rが中央部N極と制御用電磁石4との間に発
生する。また、制御用電磁石4に流す励起電流を切替
え、その極性をN極にすると、図7の(B)に示すよう
に電界Eと逆方向の磁界が働き、陰極3に略平行するリ
ング状磁場Bは外側ターゲット6b上に発生し、ドーナ
ツ状の2次電子束縛領域Rが制御用電磁石4と外周部S
極との間に発生する。
Then, when the cathode 3 side of the control electromagnet 4 is excited to the S pole, a magnetic field in the same direction as the electric field E is generated as shown in FIG. 7A, and a ring-shaped magnetic field substantially parallel to the cathode 3 is generated. B
Is generated on the inner target 6a, and a donut-shaped secondary electron binding region R is generated between the central north pole and the control electromagnet 4. Further, when the excitation current flowing in the control electromagnet 4 is switched and the polarity thereof is changed to the N pole, a magnetic field in the direction opposite to the electric field E works as shown in FIG. B is generated on the outer target 6b, and the donut-shaped secondary electron binding region R is the electromagnet 4 for control and the outer peripheral portion S.
It occurs between the poles.

【0031】したがって、内側ターゲット6a又は外側
ターゲット6bから放出される2次電子は、前記2次電
子束縛領域Rに閉じ込められ、アルゴンなどのスパッタ
ガスとの衝突確率を増加させ、高密度のプラズマを形成
させることがてき、2次電子が拘束された領域に対応し
たターゲットが特にスパッタされる浸食領域V(図7の
ハッチング部分)が形成される。
Therefore, the secondary electrons emitted from the inner target 6a or the outer target 6b are confined in the secondary electron binding region R, the collision probability with the sputter gas such as argon is increased, and high density plasma is generated. An erosion region V (hatched portion in FIG. 7) is formed in which the target corresponding to the region where the secondary electrons are restrained is particularly sputtered.

【0032】以上説明のとおり制御用電磁石4の励起電
流の大きさ及び方向を制御することにより、スパッタ領
域を内側ターゲット6aと外側ターゲット6bとのいず
れかに制御することが可能になる。例えば、制御用電磁
石4の励起電流を図8に示すように周期的に変化させた
り、一定割合で周期を変更することにより、基板5に付
着する元素に時間的秩序を与えることができる。
By controlling the magnitude and direction of the excitation current of the control electromagnet 4 as described above, it becomes possible to control the sputtering region to either the inner target 6a or the outer target 6b. For example, by periodically changing the excitation current of the control electromagnet 4 as shown in FIG. 8 or changing the cycle at a constant rate, it is possible to give temporal order to the elements attached to the substrate 5.

【0033】次に図9のA、Bによって、放出原子捕捉
リング7の作用を説明する。図9のA、Bのいずれも内
側ターゲット6aの構成原子をMで表し、また外側ター
ゲット6bの構成原子をNとし、それぞれ別々にスパッ
タしたものを示している。図9においてターゲット6か
ら放出されたスパッタ原子M,Nは四方八方に飛散する
ので、基板5に向かうスパッタ原子M,N(aで表示)
の外に、それぞれ別のターゲット6に向かい(bで表
示)相互汚染を起こしたり、遮蔽部材11など電気的にシ
ールした部分に向かい(cで表示)スパッタ原子が導電
性のものであれば短絡によるスパッタ操作の中断などの
事故が発生するおそれがある。
Next, the operation of the emission atom trap ring 7 will be described with reference to FIGS. 9A and 9B, the constituent atoms of the inner target 6a are represented by M, and the constituent atoms of the outer target 6b are designated as N, which are each sputtered separately. In FIG. 9, sputtered atoms M and N emitted from the target 6 scatter in all directions, so sputtered atoms M and N toward the substrate 5 (indicated by a)
To another target 6 (indicated by b) to cause cross-contamination, or toward an electrically sealed portion such as the shielding member 11 (indicated by c), if the sputtered atoms are conductive, a short circuit occurs. There is a risk of accidents such as interruption of the sputtering operation due to.

【0034】これに対し図9のBに示すように内側放出
原子捕捉リング7a及び外側放出原子捕捉リング7bを
設けた場合には、前記b,cで表示されたスパッタ原子
M,Nは、内外放出原子捕捉リング7a,7bに付着
し、汚染や短絡事故を防止することができる。したがっ
て、放出原子捕捉リング7の高さを適当な値に設定すれ
ば設計どおりの薄膜を、基板上に作成させることができ
る。
On the other hand, when the inner emission atom trapping ring 7a and the outer emission atom trapping ring 7b are provided as shown in FIG. 9B, the sputtered atoms M and N indicated by b and c are inside and outside. It is possible to prevent contamination and short circuit accidents by attaching to the emitted atom trapping rings 7a and 7b. Therefore, if the height of the emission atom trap ring 7 is set to an appropriate value, a thin film as designed can be formed on the substrate.

【0035】以上説明した本発明方法の各制御手段を用
い、スパッタ時間を制御することにより、生成する膜の
組成の制御、異なる単原子膜を順次積層する制御、超格
子膜、多層膜形成、積層方向に対して成分組成を変化さ
せる傾斜膜生成などを精密に制御することができる。次
にシャッター17の操作について図10により説明する。
By controlling the sputtering time by using each control means of the method of the present invention described above, the composition of the film to be formed is controlled, the control of sequentially laminating different monoatomic films, the superlattice film, the formation of the multilayer film, It is possible to precisely control the generation of a graded film that changes the component composition with respect to the stacking direction. Next, the operation of the shutter 17 will be described with reference to FIG.

【0036】図10の(A)の左側の図に示すシャッター
17は、基板5の中央部をマスクする2個の窓17aを開口
したものである。なお(A)の右の図に示す符号Sは、
基板5に到達するスパッタ原子の入射方向を示している
シャッター17を基板5の前面に配置してスパッタした結
果は、(B)の実線網掛け部分aに示すパターンの膜を
生成させることができる。
The shutter shown on the left side of FIG.
Reference numeral 17 is a window in which two windows 17a for masking the central portion of the substrate 5 are opened. The symbol S shown on the right side of (A) is
As a result of sputtering by arranging a shutter 17 showing the incident direction of sputtered atoms reaching the substrate 5 on the front surface of the substrate 5, it is possible to form a film having a pattern indicated by a solid line hatched portion a in (B). .

【0037】次に図10の(C)に示すように基板5の中
央部に窓17cを開口したシャッター17を使用することに
より、(D)に示す点線網掛け部分bに示すパターンの
膜を生成させることができる。したがって、例えば内側
ターゲット6aをクロムCrで、また外側ターゲット6
bをNi で作り、発熱体14の通電、バイアス電極15の電
位及び冷却装置16に通じる水量などを制御することによ
り、例えば図10の(D)の右下に示すグラフのように場
所により組成の異なるCr-Ni 合金膜を基板上に作製さ
せることができる。
Next, as shown in FIG. 10C, by using a shutter 17 having a window 17c opened in the central portion of the substrate 5, a film having a pattern shown in a dotted line shaded portion b in FIG. Can be generated. Therefore, for example, the inner target 6a is made of chromium Cr, and the outer target 6 is
b is made of Ni, and by controlling the energization of the heating element 14, the potential of the bias electrode 15, the amount of water flowing to the cooling device 16, etc., for example, the composition depending on the location as shown in the lower right graph of FIG. Different Cr—Ni alloy films can be formed on the substrate.

【0038】[0038]

【実施例】図11に示す実施例1の薄膜18は、次の要領で
製膜した。 基板5:使用材料:ガラス基板(コーニング#7079) 10mm×10mm、厚さ0.5mm 内側ターゲット:Cr 、外側ターゲット:Ni スパッタガス:下地層及びコーティング層:アルゴンガス(10mTorr) 絶縁層:アルゴンガス:酸素(又は窒素)ガス ガス組成:(アルゴン:窒素=90:10) 圧力:10mTorr 放電電流:外側ターゲット(ニッケル)の場合100mA 内側ターゲット(クロム)の場合90mA 基板温度:常温から200℃ バイアス電位:─100V〜10V 以上の条件の下に、制御用電磁石4を制御して内側ター
ゲット6aをスパッタすると共に、発熱体14及びバイア
ス電極15によるエネルギー照射を行い、クロムの表面拡
散性を利用することにより、図11の(A)に示すような
表面がÅ単位の凹凸を有する10〜100Åの下地層18
aを形成した。
EXAMPLE The thin film 18 of Example 1 shown in FIG. 11 was formed by the following procedure. Substrate 5: Material used: Glass substrate (Corning # 7079) 10 mm × 10 mm, thickness 0.5 mm Inner target: Cr, Outer target: Ni Sputter gas: Underlayer and coating layer: Argon gas (10 mTorr) Insulating layer: Argon gas : Oxygen (or nitrogen) gas Gas composition: (Argon: Nitrogen = 90:10) Pressure: 10 mTorr Discharge current: 100 mA for outer target (nickel) 90 mA for inner target (chromium) Substrate temperature: room temperature to 200 ° C Bias potential : -100V to 10V Under the above conditions, the control electromagnet 4 is controlled to sputter the inner target 6a, and energy is irradiated by the heating element 14 and the bias electrode 15 to utilize the surface diffusivity of chromium. As a result, the surface as shown in FIG. 11 (A) has irregularities of Å unit. 0~100Å of the underlying layer 18
a was formed.

【0039】前記下地層は、その上に積層する膜に対し
て優れた錨効果を発揮させることができる。因みに従来
のスパッタ法では、下地層に100Å以上の膜厚までク
ロムをコートしなければならなかったが、本発明装置に
よってそれより薄い膜で基板との密着強度を向上させる
ことができた。次に発熱体14及びバイアス電極15による
エネルギー照射を行いながら、制御用電磁石4の励起条
件を交互に切り替え、所定の比率でクロムとニッケルと
を交互にスパッタリングすると、スパッタ原子が持つエ
ネルギーと、前記エネルギー照射との相乗作用により、
ニッケルとクロムとの基板5上での拡散・固溶化を促進
させることができる。このようにして、20Å径程度以
下の平均結晶粒子径からなる緻密なNi-Cr 合金薄膜か
らなる合金コーティング層18bを作製させることができ
る。この合金コーティング層18bは、下地層18aとも拡
散し、強固な薄膜が形成される。
The underlayer can exert an excellent anchoring effect on the film laminated thereon. By the way, in the conventional sputtering method, the underlying layer had to be coated with chromium to a film thickness of 100 Å or more, but the apparatus of the present invention could improve the adhesion strength to the substrate with a thinner film. Next, while irradiating the energy with the heating element 14 and the bias electrode 15, the excitation condition of the control electromagnet 4 is switched alternately, and chromium and nickel are alternately sputtered at a predetermined ratio. By synergistic action with energy irradiation,
It is possible to promote diffusion and solid solution of nickel and chromium on the substrate 5. In this way, the alloy coating layer 18b made of a dense Ni-Cr alloy thin film having an average crystal grain size of about 20 Å or less can be produced. The alloy coating layer 18b also diffuses with the base layer 18a to form a strong thin film.

【0040】なお、ニッケル−クロム合金薄膜が固溶体
組織を形成している際に、前記冷却装置16を併用して急
冷させることにより規則−不規則変態を起こさせ、Ni3
CrやNi2Cr などの規則格子構造を持つ薄膜を作成す
ることができた。次にスパッタガスとして、前記アルゴ
ンガスに酸素又は窒素を添加し、反応性スパッタリング
を行い、放出されたニッケルやクロムのスパッタ原子が
飛行中に窒化反応又は酸化反応され、膜生成が行われ、
図11の(B)に示す絶縁層18cを形成することができ
る。得られた膜は、抵抗率が3〜8×10-4Ωcm、抵
抗の温度係数が0.3〜0.8×10-4/Kの抵抗体が
得られた。
When the nickel-chromium alloy thin film forms a solid solution structure, the cooling device 16 is also used for rapid cooling to cause ordered-irregular transformation, and Ni 3
A thin film having a regular lattice structure such as Cr or Ni 2 Cr could be formed. Next, as a sputtering gas, oxygen or nitrogen is added to the argon gas, reactive sputtering is performed, and the sputtered atoms of nickel or chromium released are subjected to a nitriding reaction or an oxidation reaction in flight to form a film,
The insulating layer 18c shown in FIG. 11B can be formed. The obtained film was a resistor having a resistivity of 3 to 8 × 10 −4 Ωcm and a temperature coefficient of resistance of 0.3 to 0.8 × 10 −4 / K.

【0041】実施例2は、図12の(A)に示すように、
金属表面が平滑部19aと凹部19bとを有するような素地
を有する金属基板5b(例えばアルミニウム)の表面に
絶縁層を設ける薄膜作製の前処理について、3極マグネ
トロンスパッタ装置を使用して形成したものである。即
ち、前記金属基板5bを加熱し、アルゴンガスに窒素を
混入したスパッタガス中で金属基板5bを発熱体13(図
1)によって加熱し、表面に図12の(B)に示すような
厚みが略10Åの窒化処理層20dを作製した。この窒化
処理層は、金属基板に対する腐食性のない絶縁層であ
る。
In the second embodiment, as shown in FIG.
Pretreatment for forming a thin film in which an insulating layer is provided on the surface of a metal substrate 5b (for example, aluminum) having a base material having a smooth portion 19a and a concave portion 19b, which is formed by using a three-pole magnetron sputtering device Is. That is, the metal substrate 5b is heated, and the metal substrate 5b is heated by the heating element 13 (FIG. 1) in a sputtering gas in which nitrogen is mixed in argon gas, and the surface has a thickness as shown in FIG. 12 (B). A nitriding layer 20d having a thickness of about 10Å was produced. This nitriding layer is an insulating layer that is not corrosive to the metal substrate.

【0042】次いで、ターゲットにアルミニウムを使用
し、同様にスパッタすることにより、前記窒化処理層の
上に窒化アルミ層20eを形成した。図13に示す実施例3
は、は、内側ターゲット7aを成分x、yの2種類の元
素によって形成し、外側ターゲット7bはzの1種類の
みとし、内側ターゲット7aをスパッタする場合には、
成分x,yの固溶体を製膜するようにしたものである。
このように2種類以上の材料を複合させて合金、半導体
などの化合物が作製できる。
Next, aluminum was used as a target, and the aluminum nitride layer 20e was formed on the nitriding layer by the same sputtering. Example 3 shown in FIG.
Means that the inner target 7a is formed of two kinds of elements of components x and y, the outer target 7b is only one kind of z, and when the inner target 7a is sputtered,
The solid solution of the components x and y is formed into a film.
In this way, compounds such as alloys and semiconductors can be produced by combining two or more kinds of materials.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上説明したように本発明の薄膜製造方
法及びその装置は、3極マグネトロンスパッタリング法
により薄膜を製造する際に放出原子捕捉リングをターゲ
ットの周囲に設けるというきわめて簡単な手段により、
ターゲット相互の汚染、絶縁体の短絡事故を防止し、質
のよい薄膜を生成することができる。
As described above, the thin film manufacturing method and the apparatus thereof of the present invention have an extremely simple means of providing the emission atom trap ring around the target when the thin film is manufactured by the three-pole magnetron sputtering method.
It is possible to prevent contamination of the targets with each other and short circuit of the insulator, and to produce a high quality thin film.

【0044】また、前記汚染防止手段に、基板の加熱手
段及び冷却手段、バイアス電位印加手段を設けることに
より、高度な膜生成制御を行うことができ、従来の薄膜
製造手段では得られなかった抵抗膜を製造できるなど、
薄膜技術の適用範囲を広げることが可能になった。
Further, by providing a means for heating and cooling the substrate and a means for applying a bias potential to the contamination preventing means, a high degree of film formation control can be carried out, and a resistance which cannot be obtained by the conventional thin film manufacturing means. Can manufacture membranes,
It has become possible to broaden the application range of thin film technology.

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

【図1】本発明方法に使用するマグネトロンスパッタ装
置の一態様を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a magnetron sputtering apparatus used in the method of the present invention.

【図2】図1に示す装置の陰極部分を一部破断して示し
た斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing a cathode part of the device shown in FIG. 1 with a part thereof cut away.

【図3】図1に示す装置の基板部分の分解斜視図であ
る。
FIG. 3 is an exploded perspective view of a substrate portion of the device shown in FIG.

【図4】図1に示す装置の加熱体の斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a heating body of the apparatus shown in FIG.

【図5】図1に示す装置の陽極及び基板を保持する基板
ホルダーユニットを一部破断して示した斜視図である。
5 is a partially cutaway perspective view of a substrate holder unit for holding an anode and a substrate of the apparatus shown in FIG.

【図6】図1に示す装置の陰極部分の永久磁石による磁
力線分布及び2次電子束縛領域を示す断面図である。
6 is a cross-sectional view showing a distribution of magnetic lines of force and a secondary electron binding region due to a permanent magnet in a cathode portion of the device shown in FIG.

【図7】図7のAは、図1に示す装置の制御用電磁石の
陰極側をS極に制御したときの磁力線分布及び2次電子
束縛領域を示す断面図であり、Bは、制御用電磁石の陰
極側をN極に制御したときの磁力線分布及び2次電子束
縛領域を示す断面図である。
7A is a cross-sectional view showing a magnetic field line distribution and a secondary electron binding region when the cathode side of the control electromagnet of the device shown in FIG. 1 is controlled to be an S pole, and B is a control electron beam. It is sectional drawing which shows a magnetic force line distribution and secondary electron binding area | region when controlling the cathode side of the electromagnet to N pole.

【図8】図1に示す装置の制御用電磁石の通電制御パタ
ーンの一例を示すグラフ図である。
8 is a graph showing an example of an energization control pattern of a control electromagnet of the apparatus shown in FIG.

【図9】図9のAは、従来の3曲マグネトロンスパッタ
装置のスパッタ原子の挙動説明図であり、Bは、図1に
示す装置に使用する放出原子捕捉リングの作用説明図で
ある。
9A is an explanatory view of the behavior of sputtered atoms in a conventional three-curve magnetron sputtering apparatus, and FIG. 9B is an explanatory view of the action of an emission atom trap ring used in the apparatus shown in FIG.

【図10】図1に示す装置のシャッターによる薄膜パター
ン付けの説明図であり、Aの左の図はシャッターに開け
た窓の下面図であり、右の図は基板との位置関係を示す
断面図であり、Bの左の図は基板に付着したスパッタ原
子のパターンを示し、右の図はその断面図であり、Cの
左側の図は、Bに示すパターン付けを行った基板に更に
別の薄膜パターン付けを行うシャッター下面図であり、
右の図は基板との位置関係を示す断面図であり、Dの右
の図は最終的に得られた基板上の膜のパターンを示し、
右の上の図はその断面図であり、その下の図は上の膜断
面のクロム成分の成分と位置との関係を示すグラフ図で
ある。
10 is an explanatory view of thin film patterning by the shutter of the device shown in FIG. 1, the left drawing of A is a bottom view of a window opened in the shutter, and the right drawing is a cross section showing a positional relationship with a substrate. In the figure, the left figure of B shows a pattern of sputtered atoms attached to the substrate, the right figure is a cross-sectional view thereof, and the figure of the left side of C is a further illustration of the patterned substrate shown in B. It is a bottom view of a shutter for performing thin film patterning of
The right figure is a cross-sectional view showing the positional relationship with the substrate, and the right figure of D shows the film pattern on the substrate finally obtained,
The upper drawing on the right is a cross-sectional view thereof, and the lower drawing thereof is a graph showing the relationship between the component of the chromium component and the position of the upper film cross section.

【図11】図1に示す装置を使用して得られた実施例1の
薄膜の断面構造を模型的に示す図であり、Aは下地層断
面図であり、Bはその上に拡散層を設けた断面図であ
り、Cは最外層に絶縁層を設けた膜全体断面図である。
11 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the thin film of Example 1 obtained by using the apparatus shown in FIG. 1, where A is a cross-sectional view of a base layer and B is a diffusion layer formed thereon. It is the cross-sectional view provided, C is a cross-sectional view of the entire film having an insulating layer as the outermost layer.

【図12】図1に示す装置を使用して得られた実施例2の
薄膜の断面構造を模型的に示す図であり、Aは金属基板
の表面部分の拡大断面図であり、表面を窒化処理した図
であり、Cはその上に窒化アルミニウム層(又は酸化ア
ルミニウム層)を形成した場合の断面図である。
12 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a thin film of Example 2 obtained by using the apparatus shown in FIG. 1, where A is an enlarged cross-sectional view of a surface portion of a metal substrate, and the surface is nitrided. It is the processed figure and C is a sectional view at the time of forming an aluminum nitride layer (or aluminum oxide layer) on it.

【図13】図1に示す装置に取り付けるターゲットを、前
記と別の形態によって実施した平面図である。
FIG. 13 is a plan view of a target attached to the apparatus shown in FIG. 1, which is implemented according to another mode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 スパッタ室 2 陽極 3 陰極 4 制御用電磁
石 4a 磁界発生部 4b 外周永久磁
石 4c 中側永久磁石 5 基板 5a コーティング面 5b 金属基板 6 ターゲット 6a 内側ターゲ
ット 6b 外側ターゲット 7 放出原子捕
捉リング 7a 内側放出原子捕捉リング 7b 外側放出原
子捕捉リング 8 真空排気口 9 スパッタガ
ス導入口 12a 磁心 12b 内側コイル 12c 外側コイル 13 熱伝導板 13a 凹部 14 発熱体 15 バイアス電極板 15a 円筒碍子 16 冷却装置 17 シャッター 17a 窓 17b 操作杆 17c 窓 18 薄膜 18a 下地層 18b 拡散層 18c 絶縁層 19a 平滑部 19b 凹部 B 磁場 E 電界 M スパッタ原
子 N スパッタ原子 R 2次電子束
縛領域 S 放射方向
1 Sputtering chamber 2 Anode 3 Cathode 4 Control electromagnet 4a Magnetic field generator 4b Peripheral permanent magnet 4c Middle permanent magnet 5 Substrate 5a Coating surface 5b Metal substrate 6 Target 6a Inner target 6b Outer target 7 Emitted atom trapping ring 7a Inner emitted atom trap Ring 7b Outer emission atom trapping ring 8 Vacuum exhaust port 9 Sputter gas inlet 12a Magnetic core 12b Inner coil 12c Outer coil 13 Heat conduction plate 13a Recess 14 Heat generator 15 Bias electrode plate 15a Cylindrical insulator 16 Cooling device 17 Shutter 17a Window 17b Operation rod 17c Window 18 Thin film 18a Underlayer 18b Diffusion layer 18c Insulating layer 19a Smooth part 19b Recess B B Magnetic field E Electric field M Sputtering atom N Sputtering atom R Secondary electron binding region S Radiation direction

─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成8年1月22日[Submission date] January 22, 1996

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】図面の簡単な説明[Correction target item name] Brief description of drawings

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

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

【図1】本発明方法に使用するマグネトロンスパッタ装
置の一態様を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a magnetron sputtering apparatus used in the method of the present invention.

【図2】図1に示す装置の陰極部分を一部破断して示し
た斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing a cathode part of the device shown in FIG. 1 with a part thereof cut away.

【図3】図1に示す装置の基板部分の分解斜視図であ
る。
FIG. 3 is an exploded perspective view of a substrate portion of the device shown in FIG.

【図4】図1に示す装置の加熱体の斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a heating body of the apparatus shown in FIG.

【図5】図1に示す装置の陽極及び基板を保持する基板
ホルダーユニットを一部破断して示した斜視図である。
5 is a partially cutaway perspective view of a substrate holder unit for holding an anode and a substrate of the apparatus shown in FIG.

【図6】図1に示す装置の陰極部分の永久磁石による磁
力線分布及び2次電子束縛領域を示す断面図である。
6 is a cross-sectional view showing a distribution of magnetic lines of force and a secondary electron binding region due to a permanent magnet in a cathode portion of the device shown in FIG.

【図7】図7のAは、図1に示す装置の制御用電磁石の
陰極側をS極に制御したときの磁力線分布及び2次電子
束縛領域を示す断面図であり、Bは、制御用電磁石の陰
極側をN極に制御したときの磁力線分布及び2次電子束
縛領域を示す断面図である。
7A is a cross-sectional view showing a magnetic field line distribution and a secondary electron binding region when the cathode side of the control electromagnet of the device shown in FIG. 1 is controlled to be an S pole, and B is a control electron beam. It is sectional drawing which shows a magnetic force line distribution and secondary electron binding area | region when controlling the cathode side of the electromagnet to N pole.

【図8】図1に示す装置の制御用電磁石の通電制御パタ
ーンの一例を示すグラフ図である。
8 is a graph showing an example of an energization control pattern of a control electromagnet of the apparatus shown in FIG.

【図9】図9のAは、従来の3曲マグネトロンスパッタ
層のスパッタ原子の挙動説明図であり、Bは、図1に示
す装置に使用する放出原子補足リングの作用説明図であ
る。
9A is an explanatory view of the behavior of sputtered atoms in a conventional three-curve magnetron sputtered layer, and FIG. 9B is an explanatory view of the action of an emission atom supplementing ring used in the device shown in FIG.

【図10】図1に示す装置のシャッターによる薄膜パタ
ーン付けの説明図であり、Aの左の図はシャッターに開
けた窓の下面図であり、右の図は基板との位置関係を示
す断面図であり、Bの左の図は基板に付着したスパッタ
原子のパターンを示し、右の図はその断面図であり、C
の左側の図は、Bに示すパターン付けを行った基板は更
に別の薄膜パターン付けを行うシャッター下面図であ
り、右の図は基板との位置関係を示す断面図であり、D
の右の図は最終的に得られた基板上の膜のパターンを示
し、右の上の図はその断面図であり、その下の図は上の
膜断面のクロム成分の成分と位置との関係を示すグラフ
図である。
10 is an explanatory view of thin film patterning by a shutter of the apparatus shown in FIG. 1, the left drawing of A is a bottom view of a window opened in the shutter, and the right drawing is a cross section showing a positional relationship with a substrate. In the figure, the left figure of B shows the pattern of sputtered atoms adhering to the substrate, the right figure is its sectional view, and C
The left side of the figure is a bottom view of the shutter on which the patterned substrate shown in B is subjected to another thin film patterning, and the right side is a sectional view showing the positional relationship with the substrate.
The figure on the right of shows the finally obtained film pattern on the substrate, the figure on the right is its cross-sectional view, and the figure below it shows the composition and position of the chromium component of the upper film cross-section. It is a graph which shows a relationship.

【図11】図1に示す装置を使用して得られた実施例1
の薄膜の断面構造を模型的に示す図であり、Aは下地層
断面図であり、Bはその上に拡散層及び最外層に絶縁層
を設けた膜全体断面図である。
FIG. 11: Example 1 obtained using the apparatus shown in FIG.
2A is a model view showing the cross-sectional structure of the thin film, A is a cross-sectional view of the underlayer, and B is a cross-sectional view of the entire film on which a diffusion layer and an insulating layer are provided as the outermost layer.

【図12】図1に示す装置を使用して得られた実施例2
の薄膜の断面構造を模型的に示す図であり、Aは金属基
板の表面部分の拡大断面図であり、表面を窒化処理した
図であり、Cはその上に窒化アルミニウム層(又は酸化
アルミニウム層)を形成した場合の断面図である。
FIG. 12: Example 2 obtained using the apparatus shown in FIG.
3A is a diagram schematically showing the cross-sectional structure of the thin film of FIG. 1, A is an enlarged cross-sectional view of the surface portion of the metal substrate, and is a view of the surface being nitrided, and C is an aluminum nitride layer (or an aluminum oxide layer) thereon. 3] is a cross-sectional view in the case of forming ().

【図13】図1に示す装置に取り付けるターゲットを、
前記と別の形態によって実施した平面図である。
FIG. 13 shows a target attached to the apparatus shown in FIG.
It is a top view implemented by the form different from the above.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 // H01L 21/31 H01L 21/31 D ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location // H01L 21/31 H01L 21/31 D

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一対の陽極と陰極とを所定の間隔を開け
て配置し、陰極の裏側に、陰極上に配置するターゲット
を囲む円筒状の外側永久磁石と、その中央部に、前記と
反対極の中側永久磁石を配置し、前記二つの永久磁石の
間に、円筒状鉄心と、この鉄心の周方向にコイルを巻い
た制御用電磁石を配置し、前記中側永久磁石と円筒状鉄
心との間の陰極上に内側ターゲットを配置し、また外側
永久磁石と円筒状鉄心との間の陰極上に外側ターゲット
を配置し、前記コイルの通電を制御することよりスパッ
タするターゲットを選択可能にしたマグネトロンスパッ
タリング法において、前記内側・外側の両ターゲットの
間及び外側ターゲットの外周に、ターゲット表面から陽
極側に延び出した絶縁体からなる放出原子捕捉リングを
配置し、低い放出角で放出されるスパッタ原子及び低い
角度で陰極側に入射するスパッタ原子を捕捉するように
した薄膜製造方法。
1. A pair of an anode and a cathode are arranged with a predetermined space therebetween, a cylindrical outer permanent magnet surrounding a target arranged on the cathode on the back side of the cathode, and a central outer portion of the outer permanent magnet. A middle permanent magnet of the pole is arranged, a cylindrical iron core and a control electromagnet wound with a coil in the circumferential direction of the iron core are arranged between the two permanent magnets, and the middle permanent magnet and the cylindrical iron core are arranged. The inner target is placed on the cathode between and the outer target is placed on the cathode between the outer permanent magnet and the cylindrical iron core, and the target to be sputtered can be selected by controlling the energization of the coil. In the magnetron sputtering method described above, an emission atom trap ring made of an insulator extending from the target surface to the anode side is arranged between the inner and outer targets and on the outer periphery of the outer target, and a low emission angle is provided. A method for manufacturing a thin film, in which the sputtered atoms emitted in step 2 and the sputtered atoms incident on the cathode side at a low angle are captured.
【請求項2】 前記内側及び外側ターゲットを、それぞ
れクロム及びニッケルによって作製し、200℃の以下
基板温度で、前記内側及び外側のとターゲットをスパッ
タする時間を時間的秩序を与えて制御するようにした請
求項1記載の製造方法。
2. The inner and outer targets are made of chromium and nickel, respectively, and at a substrate temperature of 200 ° C. or less, the time for sputtering the inner and outer targets is controlled in a timely manner. The manufacturing method according to claim 1.
【請求項3】 一対の陽極と陰極とを所定の間隔を開け
て配置し、陰極の裏側に、陰極上に配置するターゲット
を囲む円筒状の外側永久磁石と、その中央部に、前記と
反対極の中側永久磁石を配置し、前記二つの永久磁石の
間に、円筒状鉄心と、この鉄心の周方向にコイルを巻い
た制御用電磁石を配置し、前記中側永久磁石と円筒状鉄
心との間の陰極上に内側ターゲットを配置し、また外側
永久磁石と円筒状鉄心との間の陰極上に外側ターゲット
を配置し、前記コイルの通電を制御することよりスパッ
タするターゲットを選択可能にしたマグネトロンスパッ
タリング装置において、前記内側・外側の両ターゲット
の間及び外側ターゲットの外周に、ターゲット表面から
陽極側に延び出した絶縁体からなる放出原子捕捉リング
を配置し、低い放出角で放出されるスパッタ原子及び低
い角度で陰極側に入射するスパッタ原子を捕捉するよう
にした薄膜製造装置。
3. A pair of an anode and a cathode are arranged with a predetermined gap therebetween, a cylindrical outer permanent magnet surrounding a target arranged on the cathode on the back side of the cathode, and a central outer portion of the outer permanent magnet, which is opposite to the above. A middle permanent magnet of the pole is arranged, a cylindrical iron core and a control electromagnet wound with a coil in the circumferential direction of the iron core are arranged between the two permanent magnets, and the middle permanent magnet and the cylindrical iron core are arranged. The inner target is placed on the cathode between and the outer target is placed on the cathode between the outer permanent magnet and the cylindrical iron core, and the target to be sputtered can be selected by controlling the energization of the coil. In the magnetron sputtering apparatus described above, the emission atom trapping ring made of an insulator extending from the target surface to the anode side is arranged between the inner and outer targets and on the outer periphery of the outer target to provide a low emission. A thin film manufacturing apparatus that captures sputtered atoms emitted at an angle and sputtered atoms that enter the cathode side at a low angle.
【請求項4】 前記放出原子捕捉リングを、セラミック
スによって形成した請求項3記載の薄膜製造装置。
4. The thin film manufacturing apparatus according to claim 3, wherein the emitted atom trapping ring is made of ceramics.
【請求項5】 シーズヒーター互いに平行させて配置し
た発熱体を、前記基板の裏側に配置し、前記発熱体と基
板との間に熱伝導板を介装し、基板に入射するスパッタ
原子のエネルギーを制御するようにした請求項3又は4
記載の薄膜製造装置。
5. A sheathed heater is provided with heating elements arranged in parallel with each other on the back side of the substrate, a heat conduction plate is interposed between the heating element and the substrate, and the energy of sputtered atoms incident on the substrate. 3. The method according to claim 3, wherein
The thin film manufacturing apparatus described.
【請求項6】 前記発熱体を、1本のシーズヒーターを
基板の外側で複数回折り返し、平行に配置したシーズヒ
ーターを形成した請求項5記載の薄膜製造装置。
6. The thin-film manufacturing apparatus according to claim 5, wherein a plurality of the sheath heaters are folded back on the outside of the substrate to form the sheath heaters in parallel with each other.
【請求項7】 基板と前記熱伝導板との間に電極板を配
置し、この電極板に接続した導線からバイアス電位を与
えることにより、基板に入射するスパッタ原子のエネル
ギーを制御するようにした請求項5又は6記載の薄膜製
造装置。
7. An electrode plate is arranged between the substrate and the heat conducting plate, and a bias potential is applied from a conductive wire connected to the electrode plate to control the energy of sputtered atoms incident on the substrate. The thin film manufacturing apparatus according to claim 5.
【請求項8】 前記基板を冷却する冷却装置を冷却用流
体を通す冷却管によって形成し、基板近傍に配置した請
求項3、4、5、6又は7記載の薄膜製造装置。
8. The thin film manufacturing apparatus according to claim 3, wherein the cooling device for cooling the substrate is formed by a cooling pipe through which a cooling fluid is passed and is arranged in the vicinity of the substrate.
【請求項9】 前記基板の少なくとも一部を覆う窓を有
するシャッターを、基板の前面に着脱自在に取り付け、
スパッタ原子が基板上に付着する領域を制御できるよう
にした請求項3、4、5、6、7又は8記載の薄膜製造
装置。
9. A shutter having a window covering at least a part of the substrate is detachably attached to the front surface of the substrate,
The thin film manufacturing apparatus according to claim 3, 4, 5, 6, 7, or 8, wherein a region where sputtered atoms adhere to the substrate can be controlled.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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