JPH11323544A - Sputtering device - Google Patents

Sputtering device

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JPH11323544A
JPH11323544A JP10146573A JP14657398A JPH11323544A JP H11323544 A JPH11323544 A JP H11323544A JP 10146573 A JP10146573 A JP 10146573A JP 14657398 A JP14657398 A JP 14657398A JP H11323544 A JPH11323544 A JP H11323544A
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substrate
plasma chamber
chamber container
plasma
porous electrode
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Akinori Ebe
明憲 江部
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Nissin Electric Co Ltd
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Nissin Electric Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the crystallinity of a thin film to be formed on the substrate by controlling the energy of ions to be made incident on a substrate in the process of film formation and the quantity thereof to be made incident. SOLUTION: A plasma chamber vessel 24 is made adjacent and communicated to a film forming chamber vessel 22 via an interposed insulator 28. The inside of the film forming chamber vessel 22 is provided with a substrate holder 8 holding a substrate 10, and the inside of the plasma chamber vessel 24 is provided with a high frequency electrode 12 and a target 14. A porous electrode 30 having a potential same as that of the plasma chamber vessel 24 provided so as to partition both chambers 22 and 24. The space between the high frequency electrode 12 and the plasma chamber vessel 24 is fed with high frequency electric power from a high frequency power source 16 for generating plasma 20. The plasma chamber vessel 24 and the porous electrode 30 are applied with DC voltage VD of straight polarity from a DC power source 32. In this way, the target 14 is sputtered by ions in the plasma 20, the sputtering particles 36 are made incident to deposit on the substrate 10 through the porous electrode 30, by which a thin film can be formed, and moreover, ions 38 are pulled out from the plasma 20 through the porous electrode 30 and can be made incident on the substrate 10.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、プラズマ中のイ
オンによってターゲットをスパッタして基板上に薄膜を
形成するスパッタ装置に関し、より具体的には、成膜中
に基板に入射するイオンのエネルギーや入射量の制御を
可能にして、基板上に形成する薄膜の結晶性向上を可能
にする手段に関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a sputtering apparatus for forming a thin film on a substrate by sputtering a target with ions in plasma. More specifically, the present invention relates to the energy of ions entering the substrate during film formation. The present invention relates to means for controlling the amount of incident light and improving the crystallinity of a thin film formed on a substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】この種のスパッタ装置の従来例を図10
に示す。図示しない真空排気装置によって真空に排気さ
れる成膜室容器2内に、基板10を保持する基板ホルダ
8と、ターゲット14を保持した高周波電極12とが、
相対向するように配置されている。この成膜室容器2内
には、ガス導入管4を経由してガス6が導入される。こ
のガス6は、通常はArガス等の不活性ガスである。成
膜室容器2および基板ホルダ8は、電気的に接地されて
いる。高周波電極12には、高周波電源16から整合回
路18を経由して、例えば13.56MHzの周波数の
高周波電力が供給される。
2. Description of the Related Art A conventional example of this type of sputtering apparatus is shown in FIG.
Shown in A substrate holder 8 that holds a substrate 10 and a high-frequency electrode 12 that holds a target 14 are placed in a film forming chamber container 2 that is evacuated by a vacuum exhaust device (not shown).
They are arranged to face each other. A gas 6 is introduced into the film forming chamber container 2 via a gas introduction pipe 4. This gas 6 is usually an inert gas such as Ar gas. The film forming chamber container 2 and the substrate holder 8 are electrically grounded. The high-frequency electrode 12 is supplied with high-frequency power having a frequency of, for example, 13.56 MHz from a high-frequency power supply 16 via a matching circuit 18.

【0003】上記ガス6の導入および高周波電力の供給
によって、高周波電極12と基板ホルダ8との間で高周
波放電が生じてこの高周波放電によってガス6が電離さ
れてプラズマ20が生成される。このプラズマ20中の
イオンがターゲット14をスパッタし、ターゲット14
から飛び出したスパッタ粒子が基板10に入射堆積し
て、基板10上に薄膜が形成される。
[0006] The introduction of the gas 6 and the supply of the high-frequency power generate a high-frequency discharge between the high-frequency electrode 12 and the substrate holder 8. The high-frequency discharge ionizes the gas 6 to generate a plasma 20. The ions in the plasma 20 sputter the target 14 and the target 14
The sputtered particles sputtered from the substrate are incident and deposited on the substrate 10 to form a thin film on the substrate 10.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記スパッ
タ装置においては、成膜中は基板10の表面がプラズマ
20に曝されるため、プラズマ20中から当該プラズマ
20の電位(プラズマポテンシャル)等によって加速さ
れたイオンが、基板10に、成膜中常に、従って多量に
入射する。しかもこのプラズマ20から基板10に入射
するイオンは、通常は数十eV〜100eV程度のエネ
ルギー幅を持っており、エネルギーの不揃いなイオンが
基板10に入射する。このような過多なイオン入射や、
エネルギーの不揃いなイオン入射によって、基板10上
の薄膜の結晶成長が妨げられたり、膜にダメージ(欠
陥)が発生するので、結晶性の良好な薄膜を形成するこ
とが困難である。
However, in the above sputtering apparatus, since the surface of the substrate 10 is exposed to the plasma 20 during the film formation, the surface of the substrate 10 is accelerated from the plasma 20 by the potential (plasma potential) of the plasma 20 or the like. The deposited ions are always incident on the substrate 10 during the film formation, and therefore, in a large amount. In addition, ions that enter the substrate 10 from the plasma 20 usually have an energy width of about several tens of eV to 100 eV, and ions with unequal energy enter the substrate 10. Such excessive ion injection,
Irradiation of ions having irregular energies hinders crystal growth of the thin film on the substrate 10 or causes damage (defect) to the film, so that it is difficult to form a thin film having good crystallinity.

【0005】そこでこの発明は、成膜中に基板に入射す
るイオンのエネルギーや入射量の制御を可能にして、基
板上に形成する薄膜の結晶性向上を可能にすることを主
たる目的とする。
Accordingly, it is a main object of the present invention to enable control of the energy and amount of ions incident on a substrate during film formation, thereby improving the crystallinity of a thin film formed on the substrate.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】この発明に係るスパッタ
装置の一つは、真空に排気されるものであって接地電位
の成膜室容器と、この成膜室容器に絶縁物を介在させて
隣接かつ連通していてガスが導入されるプラズマ室容器
と、このプラズマ室容器内に当該プラズマ室容器から電
気的に絶縁して設けられた高周波電極と、前記プラズマ
室容器内に設けられたターゲットと、前記プラズマ室容
器と成膜室容器との間を仕切るように設けられていてプ
ラズマ室容器と同電位の多孔電極と、この多孔電極に対
向するように前記成膜室容器内に設けられていて基板を
保持するものであって接地電位の基板ホルダと、前記高
周波電極とプラズマ室容器およびそれと同電位の多孔電
極との間に高周波電力を供給して、プラズマ室容器内に
おいて高周波放電を生じさせて前記ガスを電離させてプ
ラズマを生成する高周波電源と、前記プラズマ室容器お
よびそれと同電位の多孔電極に正極性の直流電圧を印加
する直流電源とを備えることを特徴としている(請求項
1)。
According to one aspect of the present invention, there is provided a sputtering apparatus which is evacuated to a vacuum and has a film forming chamber container at a ground potential and an insulator interposed between the film forming chamber container and an insulating material. An adjacent and communicating plasma chamber vessel into which gas is introduced, a high-frequency electrode provided in the plasma chamber vessel electrically insulated from the plasma chamber vessel, and a target provided in the plasma chamber vessel A porous electrode provided to partition between the plasma chamber container and the film forming chamber container and having the same potential as the plasma chamber container, and provided in the film forming chamber container so as to face the porous electrode. And a substrate holder having a ground potential, and supplying high-frequency power between the high-frequency electrode and the plasma chamber container and the porous electrode having the same potential as the high-frequency electrode, thereby causing a high-frequency discharge in the plasma chamber container. A high-frequency power supply for generating the plasma by ionizing the gas to generate plasma, and a DC power supply for applying a positive DC voltage to the plasma chamber container and the porous electrode having the same potential as the plasma chamber container (claim). 1).

【0007】上記構成によれば、プラズマ室容器内で生
成したプラズマを、プラズマ室容器と成膜室容器との間
を仕切る多孔電極によってプラズマ室容器内に実質的に
閉じ込めることができるので、成膜室容器内の基板が上
記プラズマに曝されるのを防止することができる。これ
によって、従来例で問題となっていた、エネルギーの不
揃いな多量のイオンが基板に入射するのを抑制すること
ができる。
[0007] According to the above configuration, the plasma generated in the plasma chamber container can be substantially confined in the plasma chamber container by the porous electrode separating the plasma chamber container and the film forming chamber container. The substrate in the film chamber container can be prevented from being exposed to the plasma. As a result, it is possible to prevent a large amount of ions having irregular energy from being incident on the substrate, which is a problem in the conventional example.

【0008】一方、プラズマ室容器内で生成したプラズ
マ中のイオンによって、プラズマ室容器内に設けたター
ゲットがスパッタされる。ターゲットから叩き出された
スパッタ粒子は、殆どが中性粒子であるので、叩き出さ
れたときの勢いでもって、多孔電極の孔を通過して成膜
室容器内の基板に入射堆積して薄膜を形成する。
On the other hand, a target provided in the plasma chamber container is sputtered by ions in the plasma generated in the plasma chamber container. Since most of the sputtered particles sputtered from the target are neutral particles, the sputtered particles pass through the holes of the porous electrode and are incident on the substrate in the container of the film formation chamber, depositing and forming a thin film with the momentum at the time of spouting. To form

【0009】また、プラズマ室容器および多孔電極に直
流電源から正極性の直流電圧を印加することによって、
プラズマ室容器内の電位は接地電位の基板ホルダに対し
て正電位になるため、プラズマ室容器内のプラズマから
多孔電極を通してイオン(正イオン)が引き出されて、
基板ホルダ上の基板に照射される。このときの基板に向
けてのイオンの加速エネルギーは、プラズマ室容器およ
び多孔電極に直流電源から印加した電圧によって実質的
に決まる。
Further, by applying a positive DC voltage from a DC power supply to the plasma chamber container and the porous electrode,
Since the potential in the plasma chamber becomes positive with respect to the ground potential substrate holder, ions (positive ions) are extracted from the plasma in the plasma chamber through the porous electrode,
Irradiates the substrate on the substrate holder. At this time, the acceleration energy of the ions toward the substrate is substantially determined by the voltage applied from the DC power supply to the plasma chamber container and the porous electrode.

【0010】従って、基板に入射するイオンのエネルギ
ーは、上記直流電圧の大きさによって簡単に制御するこ
とができる。しかも、基板に入射するイオンのエネルギ
ーは、実質的に上記直流電圧の大きさで決まるので、エ
ネルギーの揃ったイオンを基板に入射させることができ
る。
Therefore, the energy of ions incident on the substrate can be easily controlled by the magnitude of the DC voltage. In addition, since the energy of ions incident on the substrate is substantially determined by the magnitude of the DC voltage, ions with uniform energy can be incident on the substrate.

【0011】また、基板に入射するイオンの量は、プラ
ズマ室容器内で生成するプラズマ密度を制御する以外
に、上記直流電圧の大きさによっても制御することがで
きる。これは、多孔電極を通して引き出されるイオンの
量は、当該多孔電極に印加する上記直流電圧の大きさの
3/2乗に比例するからである。
The amount of ions incident on the substrate can be controlled not only by controlling the plasma density generated in the plasma chamber container but also by the magnitude of the DC voltage. This is because the amount of ions extracted through the porous electrode is proportional to the 3/2 power of the DC voltage applied to the porous electrode.

【0012】このようにして、基板に入射するイオンの
エネルギーを揃えると共に、当該イオンのエネルギーお
よび基板への入射量の制御が可能になり、これによっ
て、基板上に形成される薄膜の結晶化を促進して、薄膜
の結晶性を向上させることが可能になる。
In this way, the energy of the ions incident on the substrate can be made uniform, and the energy of the ions and the incident amount on the substrate can be controlled, whereby the crystallization of the thin film formed on the substrate can be achieved. By accelerating, it becomes possible to improve the crystallinity of the thin film.

【0013】上記直流電源の代わりに、プラズマ室容器
および多孔電極に正極性のパルス電圧を印加するパルス
電源を設けても良い(請求項2)。そのようにすれば、
イオンが基板に間欠的に照射されるので、パルス電圧の
パルス幅や周波数等を制御することによって、イオンの
エネルギーを変えることなく、即ちイオンのエネルギー
とは独立して、イオンの照射量を制御することが可能に
なる。これによって、イオンに対する制御性がより向上
するので、基板上に形成する薄膜の結晶性向上がより容
易になる。
Instead of the DC power supply, a pulse power supply for applying a positive pulse voltage to the plasma chamber container and the porous electrode may be provided. If you do that,
Since the substrate is intermittently irradiated with ions, the amount of ion irradiation can be controlled without changing the ion energy by controlling the pulse width and frequency of the pulse voltage, that is, independently of the ion energy. It becomes possible to do. As a result, the controllability of ions is further improved, and the crystallinity of a thin film formed on the substrate is more easily improved.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】図1は、この発明に係るスパッタ
装置の一例を示す断面図である。図10の従来例と同一
または相当する部分には同一符号を付し、以下において
は当該従来例との相違点を主に説明する。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a sputtering apparatus according to the present invention. Parts that are the same as or correspond to those in the conventional example of FIG.

【0015】このスパッタ装置は、図示しない真空排気
装置によって真空(例えば10-5〜10-6Torr程
度)に排気される成膜室容器22を備えている。この成
膜室容器22は、この例では上面に開口部23を有して
いる。この成膜室容器22は、電気的に接地されてお
り、接地電位にある。
The sputtering apparatus includes a film forming chamber container 22 which is evacuated to a vacuum (for example, about 10 -5 to 10 -6 Torr) by a vacuum exhaust device (not shown). The film forming chamber container 22 has an opening 23 on the upper surface in this example. The film forming chamber container 22 is electrically grounded and is at a ground potential.

【0016】成膜室容器22内には、その上記開口部2
3に向けて、即ち後述する多孔電極30に対向するよう
に、基板10を上面に保持する基板ホルダ8が設けられ
ている。この基板ホルダ8は、導体から成り、かつ電気
的に接地されていて、接地電位にある。
The opening 2 is provided in the film forming chamber container 22.
3, a substrate holder 8 for holding the substrate 10 on the upper surface is provided so as to face a porous electrode 30 described later. The substrate holder 8 is made of a conductor, is electrically grounded, and is at ground potential.

【0017】成膜室容器22の上記開口部23には、環
状の絶縁物28を介在させて、プラズマ室容器24が隣
接されている。このプラズマ室容器24は、この例では
円筒状をしていて、その下面に開口部25を有してお
り、この開口部25および上記開口部23を通して成膜
室容器22に連通している。このプラズマ室容器24内
に、ガス導入管26を通して、プラズマ20生成用のガ
ス6が導入される。このガス6は、例えばAr、Kr、
Xe、He等の不活性ガスである。ガス6は、プラズマ
室容器24内の圧力が例えば10-2〜10-3Torr程
度になるように導入される。
A plasma chamber container 24 is adjacent to the opening 23 of the film forming chamber container 22 with an annular insulator 28 interposed therebetween. The plasma chamber container 24 has a cylindrical shape in this example, and has an opening 25 on the lower surface thereof, and communicates with the film forming chamber container 22 through the opening 25 and the opening 23. The gas 6 for generating the plasma 20 is introduced into the plasma chamber container 24 through the gas introduction pipe 26. This gas 6 is, for example, Ar, Kr,
It is an inert gas such as Xe or He. The gas 6 is introduced such that the pressure inside the plasma chamber container 24 becomes, for example, about 10 −2 to 10 −3 Torr.

【0018】プラズマ室容器24内に、当該プラズマ室
容器24から電気的に絶縁して、高周波電極12が設け
られている。40は絶縁物である。この高周波電極12
は、この例では板状、より具体的には円板状をしてお
り、プラズマ室容器24内の天井近くに配置されてい
る。この高周波電極12の下面部に、この例では板状、
より具体的には円板状のターゲット14が取り付けられ
ている。
A high-frequency electrode 12 is provided in the plasma chamber container 24 so as to be electrically insulated from the plasma chamber container 24. 40 is an insulator. This high-frequency electrode 12
Has a plate shape in this example, more specifically, a disk shape, and is arranged near the ceiling in the plasma chamber container 24. In this example, on the lower surface of the high-frequency electrode 12,
More specifically, a disk-shaped target 14 is attached.

【0019】プラズマ室容器24の開口部25付近に
は、プラズマ室容器24と成膜室容器22との間を仕切
るように、多数の孔(小孔)を有する多孔電極30が設
けられている。この多孔電極30は、プラズマ室容器2
4に電気的に接続されていてプラズマ室容器24と同電
位にある。この多孔電極30は、多数の孔を有する板状
の電極でも良いし、多数の孔を有する網状のメッシュ電
極でも良い。メッシュ電極の方が、開口率を上げやすい
ので好ましい。
A porous electrode 30 having a large number of holes (small holes) is provided near the opening 25 of the plasma chamber container 24 so as to partition between the plasma chamber container 24 and the film forming chamber container 22. . This porous electrode 30 is
4 and is at the same potential as the plasma chamber container 24. The porous electrode 30 may be a plate-like electrode having a large number of holes, or a mesh-like mesh electrode having a large number of holes. The mesh electrode is preferable because the aperture ratio is easily increased.

【0020】高周波電極12とプラズマ室容器24およ
びそれと同電位の多孔電極30との間に、整合回路18
を介して高周波電源16が接続されており、この高周波
電源16から高周波電極12とプラズマ室容器24およ
び多孔電極30との間に、例えば13.56MHzの周
波数の高周波電力が供給される。これによって、プラズ
マ室容器24内において高周波放電を生じさせて、ガス
6を電離させてプラズマ20を生成することができる。
この高周波放電は、上記のようなガス圧では、主として
高周波電極12と多孔電極30との間で生じる。
A matching circuit 18 is provided between the high-frequency electrode 12 and the plasma chamber container 24 and the porous electrode 30 having the same potential.
A high-frequency power supply 16 is connected to the high-frequency power supply 16 to supply high-frequency power having a frequency of, for example, 13.56 MHz between the high-frequency electrode 12 and the plasma chamber container 24 and the porous electrode 30. As a result, a high-frequency discharge can be generated in the plasma chamber container 24 to ionize the gas 6 and generate the plasma 20.
This high-frequency discharge mainly occurs between the high-frequency electrode 12 and the porous electrode 30 at the above gas pressure.

【0021】更に、プラズマ室容器24およびそれと同
電位の多孔電極30とアース(接地電位部)との間に、
前者を正極側にしてこの例では直流電源32が接続され
ており、この直流電源32からプラズマ室容器24およ
び多孔電極30に正極性の直流電圧VD を印加すること
ができる。この直流電圧VD の大きさは、例えば100
V〜2000V程度である。
Further, between the plasma chamber container 24 and the porous electrode 30 having the same potential as the plasma chamber container 24 and the ground (ground potential portion),
The former in the positive electrode side in this example is connected to a DC power source 32 may apply a DC voltage V D of the positive polarity from the DC power source 32 to the plasma chamber container 24 and porous electrode 30. The magnitude of this DC voltage V D is, for example, 100
V to about 2000V.

【0022】このスパッタ装置によれば、プラズマ室容
器24内で生成したプラズマ20を、プラズマ室容器2
4と成膜室容器22との間を仕切る多孔電極30によっ
てプラズマ室容器24内に実質的に閉じ込めることがで
きる。これは、多孔電極30の近傍にイオンシースが形
成され、その電位でプラズマ20中のイオンがプラズマ
室容器24内側に押し戻され、結果的にプラズマ20が
閉じ込められるからである。このプラズマ閉じ込めによ
って、成膜室容器22内の基板10がプラズマ20に曝
されるのを防止することができる。これによって、従来
例で問題となっていた、エネルギーの不揃いな多量のイ
オンが基板10に入射するのを抑制することができる。
According to this sputtering apparatus, the plasma 20 generated in the plasma chamber container 24 is
The porous electrode 30 partitioning between the chamber 4 and the film forming chamber 22 can be substantially confined in the plasma chamber 24. This is because an ion sheath is formed in the vicinity of the porous electrode 30 and ions in the plasma 20 are pushed back to the inside of the plasma chamber container 24 at that potential, thereby confining the plasma 20. By this plasma confinement, exposure of the substrate 10 in the film forming chamber container 22 to the plasma 20 can be prevented. Thereby, it is possible to suppress a large amount of ions having uneven energy, which has been a problem in the conventional example, from being incident on the substrate 10.

【0023】一方、プラズマ室容器24内で生成したプ
ラズマ20中のイオンによって、プラズマ室容器24内
に設けたターゲット14がスパッタされる。ターゲット
14から叩き出されたスパッタ粒子36は、殆どが中性
粒子であるので、叩き出されたときの勢いでもって、多
孔電極30の孔を通過して成膜室容器22内の基板10
に入射し堆積して薄膜を形成する。
On the other hand, the target 14 provided in the plasma chamber 24 is sputtered by ions in the plasma 20 generated in the plasma chamber 24. Most of the sputtered particles 36 struck out of the target 14 are neutral particles.
To form a thin film.

【0024】また、プラズマ室容器24および多孔電極
30に直流電源32から正極性の直流電圧VD を印加す
ることによって、プラズマ室容器24内の電位は接地電
位の基板ホルダ8に対して正電位になるため、プラズマ
室容器24内のプラズマ20から多孔電極30を通して
正イオン38が引き出されて、基板ホルダ8上の基板1
0に照射される。このときの基板10に向けてのイオン
38の加速エネルギーは、プラズマ室容器24および多
孔電極30に直流電源32から印加した直流電圧VD
よって実質的に決まる。つまり、プラズマ室容器24お
よび多孔電極30に対してプラズマ20が前述したプラ
ズマポテンシャルを持つとしても、それはプラズマ室容
器24内という一つの空間内においての話であり、当該
空間から多孔電極30を通してイオン38を引き出した
場合、当該イオン38が基板10に対して持つ加速エネ
ルギーは、上記プラズマポテンシャルには殆ど影響され
ず、多孔電極30と基板ホルダ8との間に印加された加
速電圧、即ち上記直流電圧VD に支配され、これによっ
て実質的に決まる。直流電圧VD の大きさが大きくなる
ほどこの傾向は強まる。
Further, by applying a positive DC voltage V D from the DC power supply 32 to the plasma chamber container 24 and the porous electrode 30, the potential in the plasma chamber container 24 becomes positive with respect to the substrate holder 8 of the ground potential. Therefore, positive ions 38 are extracted from the plasma 20 in the plasma chamber container 24 through the porous electrode 30, and the substrate 1 on the substrate holder 8 is extracted.
It is irradiated to 0. The acceleration energy of the ions 38 toward the substrate 10 at this time is substantially determined by the DC voltage V D applied from the DC power supply 32 to the plasma chamber container 24 and the porous electrode 30. In other words, even if the plasma 20 has the above-described plasma potential with respect to the plasma chamber container 24 and the porous electrode 30, it is a matter within one space of the plasma chamber container 24, When the ions 38 are extracted, the acceleration energy of the ions 38 with respect to the substrate 10 is hardly affected by the plasma potential, and the acceleration voltage applied between the porous electrode 30 and the substrate holder 8, that is, the direct current It is dominated by the voltage V D, thereby substantially determined. This tendency as the size of the DC voltage V D becomes larger stronger.

【0025】従って、基板10に入射するイオン38の
エネルギーは、上記直流電圧VD の大きさによって簡単
に制御することができる。しかも、基板10に入射する
イオン38のエネルギーは、実質的に上記直流電圧VD
の大きさで決まるので、エネルギーの揃ったイオン38
を基板10に入射させることができる。
[0025] Thus, the energy of the ions 38 incident on the substrate 10 can be easily controlled by the magnitude of the DC voltage V D. Moreover, the energy of the ions 38 incident on the substrate 10 is substantially equal to the DC voltage V D.
Is determined by the size of the ion 38
Can be incident on the substrate 10.

【0026】また、基板10に入射するイオン38の量
は、投入高周波電力を制御する等してプラズマ室容器2
4内で生成するプラズマ20の密度を制御する以外に、
上記直流電圧VD の大きさによっても制御することがで
きる。これは、多孔電極30を通して引き出されるイオ
ン38の量は、当該多孔電極30に印加する上記直流電
圧VD の大きさの3/2乗に比例するからである。
The amount of the ions 38 incident on the substrate 10 is controlled by controlling the applied high frequency power or the like.
In addition to controlling the density of the plasma 20 generated in 4,
It can also be controlled by the magnitude of the DC voltage V D. This is the amount of ions 38 to be drawn through the porous electrode 30 is proportional to 3/2 square of the magnitude of the DC voltage V D applied to the porous electrode 30.

【0027】このようにして、基板10に入射するイオ
ン38のエネルギーを揃えると共に、当該イオン38の
エネルギーおよび基板10への入射量の制御が可能にな
り、これによって基板10上に形成される薄膜の結晶化
を促進することが可能になる。結晶化が促進されるの
は、照射イオンのエネルギーを基板10上に堆積した膜
に与えることができるからである。その結果、基板10
上に形成する薄膜の結晶性を向上させることが可能にな
る。
In this manner, the energy of the ions 38 incident on the substrate 10 can be made uniform, and the energy of the ions 38 and the incident amount on the substrate 10 can be controlled, whereby the thin film formed on the substrate 10 can be controlled. Can promote crystallization. The crystallization is promoted because the energy of irradiation ions can be given to the film deposited on the substrate 10. As a result, the substrate 10
It becomes possible to improve the crystallinity of the thin film formed thereon.

【0028】上記直流電源32の代わりに、例えば図2
に示す例のように、プラズマ室容器24およびそれと同
電位の多孔電極30に正極性のパルス電圧VP を印加す
るパルス電源34を設けても良い。このパルス電圧VP
の周波数は、プラズマ20中のイオンが追従できる範囲
内にするのが好ましい。具体的には1MHz以下にする
のが好ましい。当該周波数の下限は、特にないが、前述
した直流電圧印加との差異を出すために、5Hz以上に
するのが好ましい。即ち、パルス電圧VP の周波数は、
5Hz〜1MHzの範囲内が好ましく、その内でも10
Hz〜1kHz程度の範囲内がより好ましい。このよう
な範囲内において、パルス電圧VP の周波数やパルス幅
(換言すればデューティ比)、更には波高値を、目的に
応じて選定すれば良い。
Instead of the DC power supply 32, for example, FIG.
As in the example shown in, it may be a pulsed power supply 34 for applying a positive pulse voltage V P to the porous electrode 30 of the plasma chamber container 24 and therewith the same potential is provided. This pulse voltage V P
Is preferably in a range where ions in the plasma 20 can follow. Specifically, the frequency is preferably 1 MHz or less. The lower limit of the frequency is not particularly limited, but is preferably set to 5 Hz or more in order to obtain a difference from the DC voltage application described above. In other words, the frequency of the pulse voltage V P is,
The frequency is preferably in the range of 5 Hz to 1 MHz.
More preferably, it is in the range of about Hz to 1 kHz. Within this range, the frequency and pulse width of the pulse voltage V P (in other words, the duty ratio), and further the peak value, may be selected according to the purpose.

【0029】このようなパルス電源34を設けて多孔電
極30等にパルス電圧VP を印加すれば、プラズマ20
から多孔電極30を通してイオン38が間欠的に引き出
され、当該イオン38が基板10に間欠的に照射される
ので、パルス電圧VP のパルス幅や周波数等を制御する
ことによって、イオン38のエネルギーを変えることな
く、即ちイオン38のエネルギーとは独立して、イオン
38の基板10に対する照射量を制御することが可能に
なる。勿論、前記直流電源32の場合と同様に、パルス
電圧VP の波高値制御によるイオン38のエネルギー制
御も可能である。これによって、イオン38に対する制
御性がより向上するので、基板10上に形成する薄膜の
結晶性向上がより容易になる。
[0029] By applying the pulse voltage V P to the porous electrode 30 or the like of such a pulse power source 34 is provided, the plasma 20
Ion 38 through the porous electrode 30 is intermittently withdrawn, since the ions 38 is intermittently irradiated on the substrate 10, by controlling the pulse width of the pulse voltage V P and the frequency or the like, the energy of the ions 38 It is possible to control the amount of irradiation of the substrate 10 with the ions 38 without changing, that is, independently of the energy of the ions 38. Of course, as in the case of the DC power source 32, it is also possible energy control of ions 38 by peak value control of the pulse voltage V P. Thereby, the controllability of the ions 38 is further improved, and the crystallinity of the thin film formed on the substrate 10 is more easily improved.

【0030】しかも、イオン38を基板10に間欠的に
照射することによって、イオン照射に伴う基板10のチ
ャージアップ(正帯電)を抑制する効果も奏する。これ
は、イオン照射が中断している期間(サイクル)中に、
基板表面の正電荷を逃がしたり中和したりすることが可
能になるからである。特に、多孔電極30の下流側付近
には、多孔電極30の孔を通り抜けた電子が過剰に存在
する電子過剰領域が形成されているので、この領域に基
板10を近づけて配置しておけば、イオン照射の中断サ
イクル中に、この電子過剰領域から電子を、基板表面の
正電荷によって基板10に引き込んで中和させることが
可能になるので、基板10のチャージアップをより効果
的に抑制することが可能になる。
In addition, by intermittently irradiating the substrate 10 with the ions 38, the effect of suppressing the charge-up (positive charging) of the substrate 10 due to the ion irradiation is also exerted. This is because during the period (cycle) when ion irradiation is interrupted,
This is because the positive charges on the substrate surface can be released or neutralized. In particular, near the downstream side of the porous electrode 30, an electron-excess region in which electrons passing through the holes of the porous electrode 30 are excessively formed is formed. If the substrate 10 is arranged close to this region, During the cycle of interrupting the ion irradiation, electrons from this electron-excess region can be attracted to the substrate 10 by the positive charges on the substrate surface and neutralized, so that the charge-up of the substrate 10 can be more effectively suppressed. Becomes possible.

【0031】基板10のチャージアップを抑制すること
によって、基板10に入射するイオン38を押し戻す
(即ちイオン38のエネルギーを低下させる)作用を抑
えることができるので、基板10に目的どおりのエネル
ギーでイオン38を入射させることが可能になる。ま
た、基板10の表面において放電が生じて基板10やそ
の表面の薄膜に損傷を与えることを防止することも可能
になる。特に、基板10が絶縁物の場合や、基板10上
に絶縁性の薄膜を形成する場合は、基板10の表面がチ
ャージアップしやすいので、イオン38を上記のように
して間欠的に入射させる効果は著しい。
By suppressing the charge-up of the substrate 10, the action of pushing back the ions 38 incident on the substrate 10 (ie, reducing the energy of the ions 38) can be suppressed. 38 can be made incident. Further, it is possible to prevent the occurrence of discharge on the surface of the substrate 10 and damage to the substrate 10 and the thin film on the surface thereof. In particular, when the substrate 10 is an insulator or when an insulating thin film is formed on the substrate 10, the surface of the substrate 10 is likely to be charged up, so that the ion 38 is intermittently incident as described above. Is remarkable.

【0032】前述した直流電源32とパルス電源34と
を直列に接続する等して、直流電圧にパルス電圧を重畳
させた電圧をプラズマ室容器24および多孔電極30に
印加するようにしても良い。そのようにすれば、イオン
38に対する制御性がより向上する。
A voltage obtained by superimposing a pulse voltage on a DC voltage may be applied to the plasma chamber container 24 and the porous electrode 30 by, for example, connecting the DC power supply 32 and the pulse power supply 34 in series. By doing so, the controllability of the ions 38 is further improved.

【0033】なお、高周波電極12は、例えば図3に示
す例のように、多孔電極30側の下面が開いた筒状(例
えば円筒状または角筒状)をしていても良い。その場
合、前記ガス6は、例えばこの例のようにガス導入管2
6をこの高周波電極12内にまで挿入する等して、高周
波電極12の内側に直接導入するのが好ましい。その場
合のプラズマ室容器24と高周波電極12との間の電気
絶縁は、例えばガス導入管26を絶縁物で構成すること
等によって確保すれば良い(後述する図4の例の場合も
同様)。この構造の場合も、前述したようなガス圧で
は、主として高周波電極12の内面と多孔電極30との
間で高周波放電が生じて高周波電極12内にプラズマ2
0が生成される。このように高周波電極12を筒状にす
れば、その内面に多数の、あるいは大面積のターゲット
14を取り付けることができるので、多量のスパッタ粒
子を発生させることが可能になり、高速成膜が可能にな
る。
The high-frequency electrode 12 may have a cylindrical shape (for example, a cylindrical shape or a rectangular cylindrical shape) having an open lower surface on the side of the porous electrode 30, as shown in FIG. In this case, the gas 6 is supplied to the gas introduction pipe 2 as in this example, for example.
It is preferable that the wire 6 is directly introduced into the high-frequency electrode 12 by inserting it into the high-frequency electrode 12. In this case, electrical insulation between the plasma chamber container 24 and the high-frequency electrode 12 may be ensured by, for example, forming the gas introduction tube 26 from an insulator (the same applies to the example of FIG. 4 described later). Also in this structure, at the gas pressure as described above, a high-frequency discharge occurs mainly between the inner surface of the high-frequency electrode 12 and the porous electrode 30, and the plasma 2
0 is generated. If the high-frequency electrode 12 is formed into a cylindrical shape in this manner, a large number or a large area of the targets 14 can be attached to the inner surface thereof, so that a large amount of sputtered particles can be generated, and high-speed film formation can be performed. become.

【0034】また、例えば図4に示す例のように、高周
波電極12の背面に複数の磁石42を配置して、高周波
電極12の内側に、電界と磁界とが直交する領域を形成
して、いわゆるマグネトロン放電を生じさせるようにし
ても良い。そのようにすれば、より効率良く高密度のプ
ラズマ20を生成することができるので、ターゲット1
4に対するスパッタ効率がより向上し、成膜速度をより
高めることが可能になる。この場合の各磁石42は、熱
による減磁を防止するために、水冷にするのが好まし
い。
Further, as shown in FIG. 4, for example, a plurality of magnets 42 are arranged on the back surface of the high-frequency electrode 12, and a region where the electric field and the magnetic field are orthogonal to each other is formed inside the high-frequency electrode 12. A so-called magnetron discharge may be generated. By doing so, the high-density plasma 20 can be generated more efficiently.
4 can be further improved, and the film forming speed can be further increased. In this case, each magnet 42 is preferably water-cooled to prevent demagnetization due to heat.

【0035】[0035]

【実施例】図1および図2に示した装置を用いて、基板
10上にシリコン薄膜を150nmの厚さに形成した。
その場合、ターゲット14にはシリコンターゲットを用
い、基板10はガラス基板とし、当該ガラス基板を40
0℃に加熱しながら、ガス6としてArガスを5mTo
rrまで導入し、高周波電源16から13.56MHz
の高周波電力を供給して、プラズマ20を発生させた。
投入高周波電力は100Wとした。多孔電極30には、
直径1mmのワイヤを5mmの間隔で網状にしたメッシ
ュ電極を用いた。
EXAMPLE A silicon thin film having a thickness of 150 nm was formed on a substrate 10 using the apparatus shown in FIGS.
In this case, a silicon target is used as the target 14, the substrate 10 is a glass substrate, and the glass substrate is 40
While heating to 0 ° C., Ar gas was used as the gas 6 for 5 mTo.
rr up to 13.56 MHz from high frequency power supply 16
Was supplied to generate the plasma 20.
The input high frequency power was 100 W. In the porous electrode 30,
A mesh electrode in which a wire having a diameter of 1 mm was meshed at intervals of 5 mm was used.

【0036】比較のために、図5に示すように、直流電
源もパルス電源も設けずに、プラズマ室容器24および
多孔電極30を接地した装置を用いて、上記と同様の条
件でガラス基板上にシリコン薄膜を150nmの厚さに
形成した。
For comparison, as shown in FIG. 5, a DC power supply and a pulse power supply were not provided, and a plasma chamber container 24 and a porous electrode 30 were grounded using a device grounded under the same conditions as above. Then, a silicon thin film was formed to a thickness of 150 nm.

【0037】上記のようにして形成したシリコン薄膜の
結晶状態をラマン分光によって測定した。それによって
得られたラマンスペクトルを図6〜図9にそれぞれ示
す。
The crystal state of the silicon thin film formed as described above was measured by Raman spectroscopy. The Raman spectra obtained thereby are shown in FIGS.

【0038】図6は、図5に示した装置を用いて、プラ
ズマ室容器24および多孔電極30を接地した場合のラ
マンスペクトルであり、ラマンシフト480cm-1付近
がやや高いなだらかなスペクトルが得られている。これ
は、シリコン薄膜がアモルファス状であることを示して
いる。
FIG. 6 shows a Raman spectrum when the plasma chamber container 24 and the porous electrode 30 are grounded using the apparatus shown in FIG. 5, and a slightly higher gentle spectrum near the Raman shift of 480 cm -1 is obtained. ing. This indicates that the silicon thin film is amorphous.

【0039】図7は、図1に示した装置を用いて、プラ
ズマ室容器24および多孔電極30に+200Vの直流
電圧VD を印加した場合のラマンスペクトルであり、ラ
マンシフト520cm-1を中心にピークが出現してお
り、これはシリコン薄膜が多結晶シリコン(p−Si)
化していることを示している。即ち、直流電圧印加によ
って、シリコン薄膜の結晶性が促進されていることが分
かる。
FIG. 7 shows a Raman spectrum when a DC voltage V D of +200 V is applied to the plasma chamber container 24 and the porous electrode 30 using the apparatus shown in FIG. 1, with a Raman shift of 520 cm −1 as the center. A peak appears, which indicates that the silicon thin film is made of polycrystalline silicon (p-Si).
It shows that it is becoming. That is, it can be seen that the application of the DC voltage promotes the crystallinity of the silicon thin film.

【0040】図8は、図1に示した装置を用いて、プラ
ズマ室容器24および多孔電極30に+300Vの直流
電圧VD を印加した場合のラマンスペクトルであり、図
6の結果に近くなって、シリコン薄膜がアモルファス化
している。これは、上記図7および後述する図9の結果
と比較すると、大きなエネルギーのイオンが基板に入射
過多になったからであると考えられる。
FIG. 8 is a Raman spectrum when a DC voltage V D of +300 V is applied to the plasma chamber container 24 and the porous electrode 30 using the apparatus shown in FIG. 1, and is close to the result of FIG. In addition, the silicon thin film has become amorphous. This is presumably because, compared with the results shown in FIG. 7 and FIG. 9 described later, ions having a large energy were excessively incident on the substrate.

【0041】図9は、図2に示した装置を用いて、プラ
ズマ室容器24および多孔電極30に+300Vのパル
ス電圧VP を印加した場合のラマンスペクトルであり、
ラマンシフト520cm-1を中心に大きなピークが出現
しており、シリコン薄膜の結晶性がより促進されている
ことが分かる。これは、基板にイオンをパルス状に入射
させることによって、連続入射の場合(図8)よりも、
イオンの輸送比(イオン/スパッタ粒子の比)がシリコ
ンの結晶化により適したものになったからであると考え
られる。
[0041] Figure 9 is a Raman spectrum when using the apparatus shown in FIG. 2, the pulse voltage was applied V P of the plasma chamber container 24 and porous electrode 30 + 300 V,
A large peak appears around the Raman shift of 520 cm −1 , indicating that the crystallinity of the silicon thin film is further promoted. This is due to the fact that the ions are made to impinge on the substrate in a pulsed manner, compared to the case of continuous incidence (FIG. 8).
This is probably because the ion transport ratio (the ratio of ion / sputtered particles) became more suitable for silicon crystallization.

【0042】[0042]

【発明の効果】この発明は、上記のとおり構成されてい
るので、次のような効果を奏する。
Since the present invention is configured as described above, it has the following effects.

【0043】請求項1記載の発明によれば、プラズマ室
容器内にプラズマを閉じ込めることができるので、成膜
室容器内の基板がプラズマに曝されるのを防止すること
ができる。しかも、基板には、前記直流電圧によって多
孔電極を通して一定のエネルギーで引き出したイオンを
入射させることができる。その結果、基板に入射するイ
オンのエネルギーを揃えると共に、当該イオンのエネル
ギーおよび基板への入射量の制御が可能になり、これに
よって、基板上に形成される薄膜の結晶化を促進して、
薄膜の結晶性を向上させることが可能になる。
According to the first aspect of the present invention, since plasma can be confined in the plasma chamber container, exposure of the substrate in the film forming chamber container to the plasma can be prevented. In addition, ions extracted with constant energy through the porous electrode by the DC voltage can be incident on the substrate. As a result, the energy of the ions incident on the substrate can be made uniform, and the energy of the ions and the incident amount on the substrate can be controlled, thereby promoting the crystallization of the thin film formed on the substrate,
It is possible to improve the crystallinity of the thin film.

【0044】請求項2記載の発明によれば、請求項1記
載の発明と同様の効果に加えて更に次のような効果を奏
する。即ち、パルス電源を設けてプラズマ室容器および
多孔電極にパルス電圧を印加することによって、イオン
が基板に間欠的に照射されるので、パルス電圧のパルス
幅や周波数等を制御することによって、イオンのエネル
ギーとは独立して、イオンの照射量を制御することが可
能になる。これによって、イオンに対する制御性がより
向上するので、基板上に形成する薄膜の結晶性向上がよ
り容易になる。
According to the second aspect of the invention, in addition to the same effects as those of the first aspect, the following effects are further obtained. That is, by providing a pulse power source and applying a pulse voltage to the plasma chamber container and the porous electrode, the substrate is irradiated with ions intermittently. It becomes possible to control the irradiation amount of ions independently of energy. As a result, the controllability of ions is further improved, and the crystallinity of a thin film formed on the substrate is more easily improved.

【0045】しかも、イオンを基板に間欠的に照射する
ことによって、イオン照射に伴う基板のチャージアップ
を抑制することが可能になり、それによって、基板に目
的どおりのエネルギーでイオンを入射させることが可能
になる。また、基板の表面において放電が生じて基板や
その表面の薄膜に損傷を与えることを防止することも可
能になる。
In addition, by intermittently irradiating the substrate with ions, it is possible to suppress charge-up of the substrate due to ion irradiation, thereby allowing ions to be incident on the substrate with desired energy. Will be possible. Further, it is possible to prevent a discharge from occurring on the surface of the substrate and damaging the substrate and the thin film on the surface.

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

【図1】この発明に係るスパッタ装置の一例を示す断面
図である。
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a sputtering apparatus according to the present invention.

【図2】この発明に係るスパッタ装置の他の例を示す断
面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing another example of the sputtering apparatus according to the present invention.

【図3】プラズマ室容器周りの他の例を示す断面図であ
る。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example around the plasma chamber container.

【図4】プラズマ室容器周りの更に他の例を示す断面図
である。
FIG. 4 is a sectional view showing still another example around the plasma chamber container.

【図5】直流電源もパルス電源も設けずに、プラズマ室
容器を接地した比較例を示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a comparative example in which neither a DC power supply nor a pulse power supply is provided, and the plasma chamber container is grounded.

【図6】図5に示す装置を用いて、プラズマ室容器およ
び多孔電極を接地した状態でガラス基板上にシリコン薄
膜を形成したときの当該シリコン薄膜のラマンスペクト
ルの測定結果の一例を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing an example of a measurement result of a Raman spectrum of a silicon thin film when a silicon thin film is formed on a glass substrate in a state where the plasma chamber container and the porous electrode are grounded using the apparatus shown in FIG. is there.

【図7】図1に示す装置を用いて、プラズマ室容器およ
び多孔電極に+200Vの直流電圧を印加した状態でガ
ラス基板上にシリコン薄膜を形成したときの当該シリコ
ン薄膜のラマンスペクトルの測定結果の一例を示す図で
ある。
FIG. 7 shows the results of measurement of Raman spectra of a silicon thin film when a silicon thin film is formed on a glass substrate in a state where a DC voltage of +200 V is applied to the plasma chamber container and the porous electrode using the apparatus shown in FIG. It is a figure showing an example.

【図8】図1に示す装置を用いて、プラズマ室容器およ
び多孔電極に+300Vの直流電圧を印加した状態でガ
ラス基板上にシリコン薄膜を形成したときの当該シリコ
ン薄膜のラマンスペクトルの測定結果の一例を示す図で
ある。
FIG. 8 shows a result of measurement of a Raman spectrum of a silicon thin film when a silicon thin film is formed on a glass substrate in a state where a DC voltage of +300 V is applied to the plasma chamber container and the porous electrode using the apparatus shown in FIG. It is a figure showing an example.

【図9】図2に示す装置を用いて、プラズマ室容器およ
び多孔電極に+300Vのパルス電圧を印加した状態で
ガラス基板上にシリコン薄膜を形成したときの当該シリ
コン薄膜のラマンスペクトルの測定結果の一例を示す図
である。
FIG. 9 shows a result of measurement of a Raman spectrum of a silicon thin film when a silicon thin film is formed on a glass substrate in a state where a pulse voltage of +300 V is applied to the plasma chamber container and the porous electrode using the apparatus shown in FIG. It is a figure showing an example.

【図10】従来のスパッタ装置の一例を示す断面図であ
る。
FIG. 10 is a sectional view showing an example of a conventional sputtering apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

6 ガス 8 基板ホルダ 10 基板 12 高周波電極 14 ターゲット 16 高周波電源 20 プラズマ 22 成膜室容器 24 プラズマ室容器 28 絶縁物 30 多孔電極 32 直流電源 34 パルス電源 6 Gas 8 Substrate holder 10 Substrate 12 High frequency electrode 14 Target 16 High frequency power supply 20 Plasma 22 Deposition chamber container 24 Plasma chamber container 28 Insulator 30 Porous electrode 32 DC power supply 34 Pulse power supply

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 プラズマ中のイオンによってターゲット
をスパッタして基板上に薄膜を形成するスパッタ装置に
おいて、真空に排気されるものであって接地電位の成膜
室容器と、この成膜室容器に絶縁物を介在させて隣接か
つ連通していてガスが導入されるプラズマ室容器と、こ
のプラズマ室容器内に当該プラズマ室容器から電気的に
絶縁して設けられた高周波電極と、前記プラズマ室容器
内に設けられたターゲットと、前記プラズマ室容器と成
膜室容器との間を仕切るように設けられていてプラズマ
室容器と同電位の多孔電極と、この多孔電極に対向する
ように前記成膜室容器内に設けられていて基板を保持す
るものであって接地電位の基板ホルダと、前記高周波電
極とプラズマ室容器およびそれと同電位の多孔電極との
間に高周波電力を供給して、プラズマ室容器内において
高周波放電を生じさせて前記ガスを電離させてプラズマ
を生成する高周波電源と、前記プラズマ室容器およびそ
れと同電位の多孔電極に正極性の直流電圧を印加する直
流電源とを備えることを特徴とするスパッタ装置。
In a sputtering apparatus for forming a thin film on a substrate by sputtering a target with ions in plasma, a film forming chamber container which is evacuated and has a ground potential, A plasma chamber container adjacent to and in communication with an insulator and into which gas is introduced, a high-frequency electrode provided in the plasma chamber container so as to be electrically insulated from the plasma chamber container, and the plasma chamber container And a porous electrode provided to partition between the plasma chamber container and the film forming chamber container and having the same electric potential as the plasma chamber container, and the film forming film facing the porous electrode. A high frequency power is provided between the high frequency electrode, the plasma chamber container and the porous electrode having the same potential as the substrate holder, which is provided in the chamber and holds the substrate and has a ground potential. A high-frequency power supply for generating high-frequency discharge in the plasma chamber vessel to ionize the gas to generate plasma, and a direct-current power supply for applying a positive direct-current voltage to the plasma chamber vessel and the porous electrode having the same potential as the high-frequency power supply. A sputter device comprising a power supply.
【請求項2】 前記直流電源の代わりに、前記プラズマ
室容器およびそれと同電位の多孔電極に正極性のパルス
電圧を印加するパルス電源を備える請求項1記載のスパ
ッタ装置。
2. The sputtering apparatus according to claim 1, further comprising a pulse power supply for applying a positive pulse voltage to the plasma chamber container and a porous electrode having the same potential as the plasma chamber container, instead of the DC power supply.
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