JPS639584B2 - - Google Patents

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JPS639584B2
JPS639584B2 JP15509783A JP15509783A JPS639584B2 JP S639584 B2 JPS639584 B2 JP S639584B2 JP 15509783 A JP15509783 A JP 15509783A JP 15509783 A JP15509783 A JP 15509783A JP S639584 B2 JPS639584 B2 JP S639584B2
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JP
Japan
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plasma
target
deposition apparatus
plasma deposition
sputtering
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JP15509783A
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Japanese (ja)
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Toshiro Ono
Seitaro Matsuo
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 (技術分野) 本発明は、半導体集積回路などの電子デバイス
の製造にあたり試料基板上に各種材料の薄膜を形
成するためのプラズマ付着装置に関するものであ
り、特にプラズマを利用して金属や金属化合物の
薄膜を低温で高品質に形成するためのプラズマ付
着装置に関するものである。
Detailed Description of the Invention (Technical Field) The present invention relates to a plasma deposition apparatus for forming thin films of various materials on a sample substrate in the manufacture of electronic devices such as semiconductor integrated circuits, and in particular to a plasma deposition apparatus that uses plasma. The present invention relates to a plasma deposition apparatus for forming high-quality thin films of metals and metal compounds at low temperatures.

(従来技術) 従来、プラズマを利用した膜形成装置として
は、大きく分けて、スパツタ装置とプラズマ
CVD装置がある。前者は主として金属膜または
金属化合物膜などを対象とし、後者は主として
SiO2、Si3N4、Siなどのシリコン系材料の薄膜形
成を対象としている。
(Prior art) Conventionally, film forming equipment using plasma can be broadly divided into sputtering equipment and plasma
There is a CVD device. The former mainly targets metal films or metal compound films, and the latter mainly targets metal films or metal compound films.
It targets thin film formation of silicon-based materials such as SiO 2 , Si 3 N 4 , and Si.

原料供給法からみれば、前者は固体材料をター
ゲツトとして、イオンで衝撃し、固体表面から放
出されるスパツタ原子を膜形成すべき基板に付着
堆積させて膜形成する。後者は原料のガスの形で
供給し、例えばSiH4やN2またはO2などのガスを
プラズマを利用して分解、反応させ、Si3N4
SiO2膜などを基板上に形成する。
From a raw material supply method, the former targets a solid material and bombards it with ions, causing spatter atoms emitted from the solid surface to adhere and deposit on the substrate on which the film is to be formed, thereby forming a film. The latter is supplied in the form of a raw material gas. For example, gases such as SiH 4 , N 2 or O 2 are decomposed and reacted using plasma to produce Si 3 N 4 and
A film such as SiO 2 is formed on the substrate.

従来の高周波放電プラズマを利用したプラズマ
CVD法では、試料基板を250℃〜400℃に加熱す
る必要があり、しかも形成されたSi3N4膜などの
膜質も緻密性などの点で不十分であつた。
Plasma using conventional high-frequency discharge plasma
In the CVD method, it is necessary to heat the sample substrate to 250°C to 400°C, and the quality of the formed Si 3 N 4 film is also insufficient in terms of density.

これに対して、マイクロ波を用いて電子サイク
ロトロン共鳴条件によりプラズマを生成し、発散
磁界を用いて試料台上にプラズマを引出して適度
のエネルギーでイオン衝撃を引起すようにした
ECRプラズマ付着法は特願昭55−57877号(特開
昭56−155535号公報)およびこれに対応する米国
特許出願第257616号に提案されているが、これに
よれば、基板加熱なしの低温で高温CVD法に匹
敵する緻密かつ高品質のSi3N4などのシリコン系
の膜を形成することができる。
In contrast, plasma was generated using microwaves under electron cyclotron resonance conditions, and a divergent magnetic field was used to draw the plasma onto the sample stage, causing ion bombardment with moderate energy.
The ECR plasma deposition method is proposed in Japanese Patent Application No. 55-57877 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 56-155535) and the corresponding U.S. Patent Application No. 257616, which describes a low-temperature deposition method without substrate heating. With this method, it is possible to form silicon-based films such as Si 3 N 4 that are dense and of high quality comparable to high-temperature CVD methods.

しかしながら、金属や金属化合物の膜形成の場
合には、シリコン系の場合のSiH4などのような
適当なガスがなく、ガスの形で供給できるものは
弗化物、塩化物、臭化物のようなハロゲン化物に
限られている。これらハロゲン化物を供給するに
は加熱や特殊な導入系を必要とするうえ、プラズ
マによる分解が困難または不安定であり、従つて
良質の膜を得るのが困難であるという欠点があつ
た。
However, in the case of film formation of metals and metal compounds, there is no suitable gas such as SiH 4 for silicon-based materials, and the only gases that can be supplied in gas form are halogens such as fluoride, chloride, and bromide. Limited to compounds. In order to supply these halides, heating and a special introduction system are required, and decomposition by plasma is difficult or unstable, making it difficult to obtain a good quality film.

また、従来のスパツタ法では、試料基板に入射
する原子について膜形成反応を促進させるための
イオン化およびイオンエネルギの制御がなされて
おらず、低温で付着性のよい良質な膜が得られな
いという欠点があつた。
In addition, in the conventional sputtering method, the ionization and ion energy of atoms incident on the sample substrate are not controlled to promote the film-forming reaction, and a high-quality film with good adhesion cannot be obtained at low temperatures. It was hot.

(目的) 本発明は、以上の状況に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、スパツタ法の原料供給法の容
易さと、ECRプラズマ付着法の膜形成特性の特
長とを両立させ、かつ両者の欠点を解決して、金
属や金属化合物などについて極めて広範囲の材料
の薄膜を低温で安定に、かつ良質に形成すること
のできるプラズマ付着装置を提供することにあ
る。
(Purpose) The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to achieve both the ease of supplying raw materials by the sputtering method and the film forming characteristics of the ECR plasma deposition method, and to achieve both. It is an object of the present invention to provide a plasma deposition apparatus that can solve the above drawbacks and form thin films of an extremely wide range of materials such as metals and metal compounds stably at low temperatures and with good quality.

本発明の他の目的は、形成される膜の性質を広
範囲に制御できるプラズマ付着装置を提供するこ
とにある。
Another object of the present invention is to provide a plasma deposition apparatus that allows for extensive control over the properties of the films formed.

本発明の更に他の目的は、付着の効率が高いプ
ラズマ付着装置を提供することにある。
Still another object of the present invention is to provide a plasma deposition apparatus with high deposition efficiency.

本発明の更に他の目的は、保守が容易であり、
膜形成の歩留りの向上したプラズマ付着装置を提
供することにある。
Yet another object of the invention is easy maintenance;
An object of the present invention is to provide a plasma deposition apparatus with improved film formation yield.

本発明の更に他の目的は、ターゲツト電流の増
加および付着速度の向上を図つたプラズマ付着装
置を提供することにある。
Still another object of the present invention is to provide a plasma deposition apparatus that increases target current and increases deposition rate.

本発明の更に他の目的は、種々の材料のターゲ
ツトを容易に用いることができるようにしたプラ
ズマ付着装置を提供することにある。
Still another object of the present invention is to provide a plasma deposition apparatus that allows for easy use of targets of a variety of materials.

(発明の構成) かかる目的を達成するために、本発明プラズマ
付着装置は、ガスを導入してプラズマを発生させ
るプラズマ生成室と、膜形成すべき試料基板を配
置するための試料台を有し、その試料基板上に薄
膜を付着して堆積させる試料室と、プラズマ生成
室と試料室との間に配置されたプラズマ引出し窓
と、スパツタリング材料により円筒形状に形成さ
れ、プラズマ引出し窓と試料台との間にプラズマ
流を取り囲むように配置されたターゲツトと、こ
のターゲツトをスパツタするためのイオンをプラ
ズマ生成室で発生したプラズマによるプラズマ流
の一部から引出してターゲツトに入射させる第1
手段と、プラズマ流をプラズマ引出し窓を介して
試料室に導くと共にスパツタされた原子を試料基
板まで輸送する第2手段とを具え、かかるイオン
によりターゲツトをスパツタして、そのスパツタ
原子をプラズマ流に取り込んで試料基板まで輸送
してその試料基板に入射させ、当該試料基板上に
スパツタリング材料の薄膜またはかかるスパツタ
リング材料の元素を含む化合物や合金の薄膜を形
成するように構成する。
(Structure of the Invention) In order to achieve the above object, the plasma deposition apparatus of the present invention includes a plasma generation chamber for introducing gas to generate plasma, and a sample stage for placing a sample substrate on which a film is to be formed. , a sample chamber in which a thin film is attached and deposited on the sample substrate, a plasma extraction window placed between the plasma generation chamber and the sample chamber, and a plasma extraction window and a sample stage formed into a cylindrical shape by sputtering material. a first target which is arranged to surround the plasma flow between the first target and the second target, and a first target which extracts ions for sputtering the target from a part of the plasma flow generated by the plasma generated in the plasma generation chamber and injects them into the target.
and second means for directing the plasma stream through the plasma extraction window into the sample chamber and transporting the sputtered atoms to the sample substrate, sputtering the target with such ions and transferring the sputtered atoms into the plasma stream. The sputtering material is taken in, transported to a sample substrate, and made incident on the sample substrate to form a thin film of a sputtering material or a thin film of a compound or alloy containing the elements of the sputtering material on the sample substrate.

本発明では、上述のターゲツトをプラズマ引出
し窓の近傍であつて、しかもプラズマ流に接触す
るように配置するのが好適である。
In the present invention, it is preferable that the above-mentioned target be placed near the plasma extraction window and in contact with the plasma flow.

ここで、円筒形状ターゲツトのスパツタされる
面がプラズマ流の一部と交差するようにするのが
好適である。
Here, it is preferred that the surface of the cylindrical target to be sputtered intersects a part of the plasma stream.

ここで、プラズマ生成室では、マイクロ波によ
る電子サイクロトロン共鳴放電によりプラズマを
生成するのが好適である。
Here, in the plasma generation chamber, it is preferable to generate plasma by electron cyclotron resonance discharge using microwaves.

本発明では、上述した第1手段を、ターゲツト
が負になるように接続されたスパツタ電源を有す
るものとすることができる。
In the present invention, the first means described above may include a sputter power supply connected so that the target becomes negative.

また、本発明の好適例では、上述した第2手段
は、プラズマ生成室から試料室に向けて磁界強度
が適当な勾配で弱くなる発散磁界の磁界分布をも
つ磁気コイルを有する。
Further, in a preferred embodiment of the present invention, the second means described above includes a magnetic coil having a magnetic field distribution of a diverging magnetic field in which the magnetic field strength weakens with an appropriate gradient from the plasma generation chamber to the sample chamber.

ここで、ターゲツトのうち、プラズマ流に面し
ていない部分をシールド電極によつて覆うのが好
適である。
Here, it is preferable to cover the portion of the target that does not face the plasma flow with a shield electrode.

さらに、このシールド電極を冷却し、それによ
り輻射熱伝導によつてターゲツトを冷却するのが
好適である。
Furthermore, it is preferred to cool the shield electrode, thereby cooling the target by radiative heat conduction.

さらにまた、円筒形状ターゲツトを、複数種類
のターゲツト材料からなる円筒を同心状に多重し
て構成したり、あるいは複数種類のターゲツト材
料からなるほぼ同一径の円筒をプラズマ流の流れ
の方向に重ね合わせて構成することができる。
Furthermore, a cylindrical target can be constructed by concentrically stacking cylinders made of multiple types of target materials, or by stacking cylinders with approximately the same diameter made of multiple types of target materials in the direction of the plasma flow. It can be configured as follows.

あるいはまた、円筒形状ターゲツトを電気的に
独立した複数個のターゲツト部分より形成し、こ
れらターゲツト部分の各々を独立に個別のスパツ
タ電源に接続し、以て各ターゲツト部分のスパツ
タリングを独立して制御できるようにしてもよ
い。
Alternatively, the cylindrical target can be formed from a plurality of electrically independent target sections, each of which can be independently connected to a separate sputtering power supply, thereby allowing independent control of sputtering for each target section. You can do it like this.

また、上述した試料台をプラズマ生成室とは電
気的に絶縁するのが好適である。
Further, it is preferable to electrically insulate the above-mentioned sample stage from the plasma generation chamber.

さらにまた、プラズマ生成室にのみ第1ガス導
入系を設け、あるいはプラズマ生成室には第1ガ
ス導入系を設けると共に試料室には第2ガス導入
系を設けるようにしてもよい。
Furthermore, the first gas introduction system may be provided only in the plasma generation chamber, or the first gas introduction system may be provided in the plasma generation chamber and the second gas introduction system may be provided in the sample chamber.

(実施例) 以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。
(Example) The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第1図は本発明の一実施例を示し、ここに1は
プラズマ生成室、2は試料室である。3はマイク
ロ波導入窓であり、この実施例では石英ガラス板
で形成するものとする。矩形導波管4よりマイク
ロ波導入窓3を介してプラズマ生成室1へ導かれ
るマイクロ波のマイクロ波源(図示省略)として
は、例えば、周波数2.45GHzのマグネトロンを用
いることができる。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, where 1 is a plasma generation chamber and 2 is a sample chamber. 3 is a microwave introduction window, which in this embodiment is made of a quartz glass plate. As a microwave source (not shown) of the microwaves guided from the rectangular waveguide 4 to the plasma generation chamber 1 via the microwave introduction window 3, a magnetron with a frequency of 2.45 GHz, for example, can be used.

プラズマ生成室1において、マイクロ波導入窓
3と対向する他端にはプラズマ引出し窓5を設
け、この窓5を介して、生成されたプラズマから
プラズマ流6を引出して、試料基板7を載置した
試料台8上に導く。試料室2は排気系9に接続さ
れている。この排気系9は、例えば排気容量調整
バルブ、液体窒素トラツプ、排気能力2400/
secの油拡散ポンプおよび排気能力500/minの
油回転ポンプ(いずれも図示省略)により構成で
きる。
In the plasma generation chamber 1, a plasma extraction window 5 is provided at the other end facing the microwave introduction window 3, and a plasma flow 6 is extracted from the generated plasma through this window 5, and a sample substrate 7 is placed thereon. the sample table 8. The sample chamber 2 is connected to an exhaust system 9. This exhaust system 9 includes, for example, an exhaust capacity adjustment valve, a liquid nitrogen trap, and an exhaust capacity of 2400/2.
It can be configured with a sec oil diffusion pump and an oil rotary pump with a pumping capacity of 500/min (both not shown).

プラズマ生成室1は、マイクロ波の電界強度を
高め、マイクロ波放電の効率を高めるように、マ
イクロ波空胴共振器の条件にするのが好都合であ
る。そこで、かかる一例として、円形空胴共振モ
ードTE112を採用し、プラズマ生成室1を内のり
寸法で、直径15cm、高さ15cmの円筒形状とした。
計算上では、かかる条件を満たすのは、直径15cm
に対して高さ約14cmとなるが、プラズマ生成後の
左回り円偏波の波長の変化を考慮して上述のよう
に高さ15cmを採用した。なお、サイクロトロン運
動電子と直接結合する右回り円偏波の波長はプラ
ズマ生成により十分波長が短くなり、プラズマ生
成後は厳密な高さ寸法の規定を必要としない。プ
ラズマ引出し窓5は一例として直径6cm程度の円
形窓とすることができる。
It is convenient for the plasma generation chamber 1 to be placed under the conditions of a microwave cavity resonator so as to increase the microwave electric field strength and the efficiency of microwave discharge. Therefore, as one such example, a circular cavity resonance mode TE 112 was adopted, and the plasma generation chamber 1 was made into a cylindrical shape with inner dimensions of 15 cm in diameter and 15 cm in height.
According to calculations, a diameter of 15cm satisfies this condition.
The height is approximately 14 cm, but considering the change in the wavelength of left-handed circularly polarized waves after plasma generation, a height of 15 cm was adopted as mentioned above. Note that the wavelength of the right-handed circularly polarized wave that directly couples with the cyclotron motion electrons becomes sufficiently short due to plasma generation, and after plasma generation, there is no need to strictly define the height dimension. The plasma extraction window 5 can be, for example, a circular window with a diameter of about 6 cm.

プラズマ生成室1の外周には磁気コイル10を
周設し、これによつて発生する磁界の強度を、マ
イクロ波による電子サイクロトロン共鳴(ECR)
の条件がプラズマ生成室1の内部の少なくとも一
部で成立するように定めるものとする。11は磁
気シールドである。周波数2.45GHzのマイクロ波
に対しては、この条件は磁束密度875Gであるた
め、磁気コイル10はこれ以上の最大磁速密度を
発生し得るように構成する。また、磁気コイル1
0によつて発生する磁界は、プラズマ生成室1に
おける電子サイクロトロン共鳴に供するだけでな
く、その磁界が試料室2にも及ぶように構成して
あり、試料室2内の磁界の強度はプラズマ引出し
窓5から試料台8に向けてさらに適当な勾配で減
少する発散磁界の形成にも供され、それによりプ
ラズマ生成室1から試料台8へのプラズマ流6の
引出しにも用いるものとする。
A magnetic coil 10 is installed around the outer periphery of the plasma generation chamber 1, and the strength of the magnetic field generated by this is controlled by electron cyclotron resonance (ECR) using microwaves.
It is assumed that the following conditions are established in at least a portion of the interior of the plasma generation chamber 1. 11 is a magnetic shield. For microwaves with a frequency of 2.45 GHz, this condition is a magnetic flux density of 875 G, so the magnetic coil 10 is configured to generate a maximum magnetic velocity density higher than this. Also, magnetic coil 1
The magnetic field generated by 0 is not only used for electron cyclotron resonance in the plasma generation chamber 1, but also extends to the sample chamber 2, and the strength of the magnetic field in the sample chamber 2 is equal to It is also used to form a diverging magnetic field that decreases at an appropriate gradient from the window 5 toward the sample stage 8, and thereby to draw out the plasma flow 6 from the plasma generation chamber 1 to the sample stage 8.

電子サイクロトロン共鳴により高エネルギー状
態となつた円運動電子の磁気モーメントと発散磁
界の磁界勾配との間の相互作用により、電子は磁
力線に沿つて試料台8の方向に円運動をしつつ加
速される。しかし、試料台8の表面とプラズマ生
成室1とは電気的に絶縁して構成しているので、
試料台8が負の電位を発生し、プラズマ流中に、
電子を減速させ、イオンを加速する電界を発生
し、試料台8上に同数の電子とイオンが到達する
ような条件が保たれる。すなわち、この発散磁界
構成により、電子のエネルギーがイオンの試料台
8への入射エネルギーに変換され、適度のイオン
衝撃によつて効率のよい付着と膜形成反応を生じ
る。この場合のイオンエネルギーは5〜30eV程
度であり、マイクロ波パワーやガス圧などによつ
てその値を制御することができる。従つて、広範
囲の材料の薄膜に対して膜質を自由に制御でき
る。
Due to the interaction between the magnetic moment of the circularly moving electrons, which have become in a high-energy state due to electron cyclotron resonance, and the magnetic field gradient of the divergent magnetic field, the electrons are accelerated while making circular motions in the direction of the sample stage 8 along the magnetic field lines. . However, since the surface of the sample stage 8 and the plasma generation chamber 1 are configured to be electrically insulated,
The sample stage 8 generates a negative potential, and in the plasma flow,
An electric field is generated that decelerates electrons and accelerates ions, and conditions are maintained such that the same number of electrons and ions reach the sample stage 8. That is, with this divergent magnetic field configuration, the energy of electrons is converted into the energy of ions incident on the sample stage 8, and efficient adhesion and film-forming reactions occur due to appropriate ion bombardment. The ion energy in this case is about 5 to 30 eV, and its value can be controlled by microwave power, gas pressure, etc. Therefore, the film quality can be freely controlled for thin films made of a wide range of materials.

ガス導入系としては、プラズマ生成室1にAr、
N2、O2、H2などのプラズマ生成用ガスを導く第
1ガス導入系12と、試料室2にSiH4、N2、O2
などの原料ガスを導入する第2ガス導入系13と
の2系統を有する。なお、この第2ガス導入系1
3は形成すべき薄膜によつては設けなくともよい
場合がある。また、プラズマ生成室1の壁部には
給水口14から冷却水を流し、その冷却水を排水
口15から排出することによりプラズマ生成室1
を冷却する。また、同様にして、試料台8および
磁気コイル10も冷却できるようになつている。
As a gas introduction system, Ar is introduced into the plasma generation chamber 1.
A first gas introduction system 12 that introduces plasma generation gas such as N 2 , O 2 , H 2 , etc. and a sample chamber 2 containing SiH 4 , N 2 , O 2
It has two systems including a second gas introduction system 13 that introduces raw material gas such as. Note that this second gas introduction system 1
3 may not be necessary depending on the thin film to be formed. In addition, cooling water is allowed to flow through the wall of the plasma generation chamber 1 from the water supply port 14, and the cooling water is discharged from the drain port 15.
to cool down. Further, the sample stage 8 and the magnetic coil 10 can also be cooled in the same manner.

以上の構成は、上述した特願昭55−57877号に
開示されているプラズマ付着装置とほぼ同様の構
成とすることができる。
The above structure can be substantially the same as the plasma deposition apparatus disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application No. 57877/1983.

さらに、試料室2において、プラズマ引出し窓
5に近接してプラズマ流6を取り囲む形状でプラ
ズマ流6に接触するように、Al、Mo、Nbなど
のスパツタリング材料による直円筒形状のスパツ
タリングターゲツト41を配置する。ここで、タ
ーゲツト41はリング状ターゲツトホルダ42に
取付け、ターゲツト41のプラズマ流6に面して
いない部分を接地電位のシールド電極43によつ
て間隙5〜10mmをもつて覆い、それにより、ター
ゲツト41のスパーク放電等の異常放電あるいは
不要なイオンの入射を防止する。
Further, in the sample chamber 2, a right cylindrical sputtering target 41 made of a sputtering material such as Al, Mo, or Nb is placed in the vicinity of the plasma extraction window 5 so as to surround the plasma flow 6 and come into contact with the plasma flow 6. Place. Here, the target 41 is attached to a ring-shaped target holder 42, and the part of the target 41 that does not face the plasma flow 6 is covered with a shield electrode 43 at ground potential with a gap of 5 to 10 mm. prevent abnormal discharge such as spark discharge or the incidence of unnecessary ions.

シールド電極43の外側表面には冷却管44を
配置し、この冷却管44に給水口45から冷却水
を供給し、排水口46から排水する。これによ
り、シールド電極43を冷却し、以て、スパツタ
リングターゲツト41を輻射熱伝導により冷却す
る。これにより、膜形成の安定化を図ることがで
きる。
A cooling pipe 44 is disposed on the outer surface of the shield electrode 43, and cooling water is supplied to the cooling pipe 44 from a water supply port 45 and drained from a drain port 46. Thereby, the shield electrode 43 is cooled, and the sputtering target 41 is thereby cooled by radiant heat conduction. Thereby, film formation can be stabilized.

真空中の輻射熱伝導はステフアン−ボルツマン
の法則により理論的にもとめることができ、絶対
温度の4乗に比例する。これによれば、温度200
℃以上では充分な熱伝達が可能となり、スパツタ
リングターゲツト41を効果的に冷却することが
できる。本実施例では、円筒状ターゲツト41の
面が試料基板7の面と垂直に構成しているため、
ターゲツト41の面から放射される熱は試料基板
7へ殆ど影響しない。したがつて、本構成におい
てはターゲツト41自身が変形、変質しない温度
に冷却されれば良く、輻射熱伝導による冷却で充
分な効果がえられる。また、ターゲツト41自身
に冷却機構を設ける必要がないために、ターゲツ
ト構造の簡便化のために非常に効果的である。
Radiant heat conduction in a vacuum can be theoretically determined by the Stephan-Boltzmann law, and is proportional to the fourth power of absolute temperature. According to this, the temperature is 200
℃ or above, sufficient heat transfer becomes possible, and the sputtering target 41 can be effectively cooled. In this embodiment, since the surface of the cylindrical target 41 is perpendicular to the surface of the sample substrate 7,
The heat radiated from the surface of the target 41 has almost no effect on the sample substrate 7. Therefore, in this configuration, it is only necessary to cool the target 41 itself to a temperature at which it does not deform or change in quality, and a sufficient effect can be obtained by cooling by radiant heat conduction. Furthermore, since there is no need to provide a cooling mechanism for the target 41 itself, this is very effective in simplifying the target structure.

また、膜形成の面からみれば、ターゲツト41
の面で負イオンが生成され、ターゲツト電圧のエ
ネルギでターゲツト面に対して垂直に飛び出す場
合があり、従来のスパツタ法では試料表面の損傷
の原因となつていたが、本発明では、このような
高エネルギ粒子は再びターゲツト面に入射し、試
料面に達しない。このため、試料表面の損傷が生
ぜず、膜形成に最適なエネルギの粒子のみが試料
面に到達する。
Also, from the point of view of film formation, the target 41
Negative ions are generated on the surface of the target and may be ejected perpendicularly to the target surface due to the energy of the target voltage, causing damage to the sample surface in the conventional sputtering method. The high-energy particles are incident on the target surface again and do not reach the sample surface. Therefore, no damage to the sample surface occurs, and only particles with optimal energy for film formation reach the sample surface.

再び、第1図において、スパツタリングターゲ
ツト41はホルダ42を経てさらにスパツタ用電
源19に接続する。この電源19は、例えば、最
大電圧1000V、最大電流1Aの容量の直流電源と
する。スパツタ用電源19としては高周波スパツ
タ装置と同様の考えで高周波電源を用いることも
できる。
Again, in FIG. 1, the sputtering target 41 is further connected to the sputtering power source 19 via the holder 42. This power supply 19 is, for example, a DC power supply with a maximum voltage of 1000V and a maximum current of 1A. As the sputtering power source 19, a high frequency power source can also be used in the same way as the high frequency sputtering device.

スパツタリングターゲツト41が負になるよう
に電源19を接続して、例えば、第1ガス導入系
12からアルゴン(Ar)ガスを導入してプラズ
マを生成した場合、第7図に示すように、プラズ
マ流6中のアルゴンイオンAr+が、スパツタリン
グターゲツト41の負電位(−100〜−1000V)
によつて加速されてターゲツト41の表面に入
射・衝撃し、スパツタリングターゲツト41を構
成する金属Mの原子がスパツタされてプラズマ流
6中に飛び出す。かかるプラズマ流6中でこのス
パツタ原子は電子との衝突によりイオン化されて
M+となり、先に説明したように、プラズマ流6
中に発散磁界により誘起されている電界により、
そのイオンM+は試料台8の方向に輸送され、そ
れと共に膜形成反応を促進させる適度のエネルギ
ーと方向性を与えられて試料基板7に入射して付
着し、堆積して金属Mの膜が形成される。
When the power source 19 is connected so that the sputtering target 41 becomes negative, and argon (Ar) gas is introduced from the first gas introduction system 12 to generate plasma, as shown in FIG. The argon ions Ar + in the plasma flow 6 cause the sputtering target 41 to have a negative potential (-100 to -1000V).
The atom of the metal M constituting the sputtering target 41 is sputtered and ejected into the plasma stream 6. In the plasma flow 6, these spatter atoms are ionized by collision with electrons.
M + , and as explained earlier, the plasma flow 6
Due to the electric field induced by the divergent magnetic field in the
The ions M + are transported in the direction of the sample stage 8, and are given appropriate energy and directionality to promote the film-forming reaction, enter and adhere to the sample substrate 7, and are deposited to form a film of metal M. It is formed.

第2図に示すように、プラズマ流6の上流側は
強磁界であり、下流側は弱磁界であるので、かか
る磁界による磁界勾配とターゲツト41面の負電
位との相互作用によつて、電子eは、ターゲツト
面からの2次電子も含めて、プラズマ流6とター
ゲツト41の面との間に捕捉され、プラズマ流の
ターゲツト表面近傍のプラズマ密度が増加する。
その結果、異常放電を防止できるとともにイオン
化効率を向上させることができる。
As shown in FIG. 2, there is a strong magnetic field on the upstream side of the plasma flow 6 and a weak magnetic field on the downstream side, so the interaction between the magnetic field gradient due to the magnetic field and the negative potential of the target 41 surface causes electrons to e, including secondary electrons from the target surface, are trapped between the plasma stream 6 and the surface of the target 41, increasing the plasma density near the target surface of the plasma stream.
As a result, abnormal discharge can be prevented and ionization efficiency can be improved.

次に、本発明プラズマ付着装置の特性の具体例
について述べる。第1ガス導入系12にArガス
を導入してプラズマを生成する場合、プラズマ生
成室1のガス圧が1×10-5Torr〜10-2Torr以上
というきわめて広範囲のガス圧領域において安定
に放電を行うことができた。特に最適なガス圧領
域は、1×10-4Torr〜1×10-2Torrであつた。
Next, specific examples of the characteristics of the plasma deposition apparatus of the present invention will be described. When plasma is generated by introducing Ar gas into the first gas introduction system 12, stable discharge occurs in an extremely wide gas pressure range where the gas pressure in the plasma generation chamber 1 is 1×10 -5 Torr to 10 -2 Torr or higher. I was able to do this. A particularly optimal gas pressure range was 1×10 −4 Torr to 1×10 −2 Torr.

スパツタリング用ターゲツト41をAlで形成
し、マイクロ波パワーを100W、スパツタ用電源
19の電圧を500Vとしたとき、ターゲツト41
に400mAのイオン電流が流れた。このとき、ス
パツタリング用ターゲツト41にアルゴンイオン
衝撃によるスパツタリング反応を生じてプラズマ
流全体が深い青色を呈し、Al原子が均一にスパ
ツタされる状態が観察された。
When the sputtering target 41 is made of Al, the microwave power is 100W, and the voltage of the sputtering power source 19 is 500V, the target 41
An ionic current of 400 mA was applied to the At this time, a sputtering reaction occurred on the sputtering target 41 due to argon ion bombardment, and the entire plasma flow took on a deep blue color, and it was observed that Al atoms were sputtered uniformly.

本発明によれば、第2図に示したように、スパ
ツタされたM原子がプラズマ流6中でイオン化さ
れてM+となり、プラズマ流6と一体となつて試
料台8上に輸送されて薄膜を形成するので、プラ
ズマ流6が試料台8を照射する領域、この例では
15cmφの領域に限定されて膜が形成され、従つて
効率のよい膜形成が可能である。また、この領域
では均一性のよい膜形成が可能であり、中央10cm
φの領域では±5%以下の均一性が得られた。
According to the present invention, as shown in FIG. 2, the sputtered M atoms are ionized in the plasma stream 6 to become M + , and are transported onto the sample stage 8 together with the plasma stream 6 to form a thin film. , so the area where the plasma flow 6 irradiates the sample stage 8, in this example,
The film is formed only in an area of 15 cmφ, and therefore, efficient film formation is possible. In addition, it is possible to form a film with good uniformity in this area, and the center 10cm
In the region of φ, uniformity of ±5% or less was obtained.

更にまた、付着するイオンおよびプラズマ流中
の他のイオンがすでに述べたように適度のエネル
ギを持つているから、付着性よく良質な膜形成が
可能である。常温でAl膜を形成したにも拘らず、
きわめて付着性よく1μmの厚さの膜を鏡面状態
で形成することができた。また、テフロンのよう
な付着性のきわめて低い材料を基板として用いて
も、その上にきわめて付着性よく膜を形成するこ
とができた。
Furthermore, since the attached ions and other ions in the plasma flow have appropriate energy as described above, it is possible to form a film of good quality with good adhesion. Despite forming an Al film at room temperature,
It was possible to form a mirror-like film with extremely good adhesion and a thickness of 1 μm. Furthermore, even when a material with extremely low adhesion, such as Teflon, was used as a substrate, a film could be formed on it with extremely good adhesion.

第1ガス導入系12からArとO2の混合ガス
(もしくはO2ガスのみ)を導入し、あるいは第1
ガス導入系12からArおよび第2ガス導入系1
3からO2を導入してスパツタリング用ターゲツ
トAlと組合せることによつて、Al2O3膜を低温で
緻密かつ高品質に形成することができる。また、
O2の代わりにN2を導入することにより、AlN膜、
さらにスパツタリング用ターゲツト16の材料と
して、Mo、W、Ta、Nbなど各種の金属、その
他の材料を用いることによつてこれらの材料の
膜、さらにはそれらの酸化膜あるいは窒化膜を形
成することができる。また、例えば、第2ガス導
入系13からSiH4ガスを導入することによつて
Siと金属の合金やMoSi2、WSi2などのシリサイ
ド膜を形成することができる。すなわち、本発明
では、第1ガス導入系12および第2ガス導入系
13からの導入ガスの選択、スパツタリング用タ
ーゲツト材質の選択およびこれらの組合せによつ
て、金属膜、化合物膜、合金膜などきわめて広範
囲の材料の薄膜を低温できわめて高品質に形成で
きる。
A mixed gas of Ar and O 2 (or only O 2 gas) is introduced from the first gas introduction system 12, or
Ar and second gas introduction system 1 from gas introduction system 12
By introducing O 2 from No. 3 and combining it with the sputtering target Al, a dense and high quality Al 2 O 3 film can be formed at low temperature. Also,
By introducing N2 instead of O2 , AlN film,
Furthermore, by using various metals such as Mo, W, Ta, Nb, and other materials as the material for the sputtering target 16, it is possible to form films of these materials, or even oxide or nitride films of these materials. can. For example, by introducing SiH 4 gas from the second gas introduction system 13,
It is possible to form alloys of Si and metals and silicide films such as MoSi 2 and WSi 2 . That is, in the present invention, by selecting the gases to be introduced from the first gas introduction system 12 and the second gas introduction system 13, selecting the target material for sputtering, and combining these, it is possible to produce very different types of films such as metal films, compound films, and alloy films. Thin films of a wide range of materials can be formed at low temperatures and with extremely high quality.

なお、ターゲツト41の形状および構造につい
ては、上例に示したように帯状金属材料を円筒形
状に加工したものの他に、円筒形状の基体の内周
面上に帯状ターゲツト材料を付着させた構造な
ど、用途に応じて種々の大きさおよび形状とすれ
ばよいことは当然である。
Regarding the shape and structure of the target 41, in addition to the one obtained by processing a band-shaped metal material into a cylindrical shape as shown in the above example, there are other structures such as a structure in which a band-shaped target material is attached to the inner peripheral surface of a cylindrical base. Of course, it may be of various sizes and shapes depending on the application.

上述した実施例においては、ターゲツト電極4
1とシールド電極43は円筒形状に形成されてい
るが、必ずしも切れ目のない円筒形状に形成する
必要はなく、プラズマ流6に面して1個所または
複数個所に分割して円筒形状をなすように配置し
てもよい。
In the embodiment described above, the target electrode 4
1 and the shield electrode 43 are formed in a cylindrical shape, but they do not necessarily have to be formed in a continuous cylindrical shape, but may be divided into one or more parts facing the plasma flow 6 to form a cylindrical shape. May be placed.

第1図示の本発明プラズマ付着装置におけるス
パツタリングターゲツト部分の具体例を第3図に
示す。ここで、シールド電極43は上部シールド
電極43A、下部シールド電極43Bおよび外周
シールド電極43Cより成り外周シールド電極4
3Cのフランジ部43Dをねじ47により試料室
2の上壁2Aに固着する。シールド電極43は接
地電位とするので、ねじ47により試料室に直接
固定できる。上部および下部シールド電極43A
および43Bは、中空のつば付き円板の構造とし
て、その双方あるいは下部シールド電極43Bの
みをねじ48により着脱自在とする。更に、シー
ルド電極43Bには例えばMACOR(マコール)
(コーニング グラス ワークス社の商品名)な
どの加工用セラミツクによるリング状絶縁スペー
サ49を取り付け、このスペーサ49により、タ
ーゲツトホルダ42に取付けたターゲツト41を
支持する。
A specific example of the sputtering target portion in the plasma deposition apparatus of the present invention shown in FIG. 1 is shown in FIG. Here, the shield electrode 43 consists of an upper shield electrode 43A, a lower shield electrode 43B, and an outer shield electrode 43C.
The flange portion 43D of 3C is fixed to the upper wall 2A of the sample chamber 2 with screws 47. Since the shield electrode 43 is at ground potential, it can be directly fixed to the sample chamber with screws 47. Upper and lower shield electrodes 43A
and 43B have a structure of a hollow flange disk, and both of them or only the lower shield electrode 43B can be attached and detached using screws 48. Furthermore, for example, MACOR is used for the shield electrode 43B.
A ring-shaped insulating spacer 49 made of processing ceramic such as (trade name of Corning Glass Works) is attached, and the target 41 attached to the target holder 42 is supported by this spacer 49.

本例では、ターゲツト41を直円筒とするの
で、その構造が簡単となり、帯状のターゲツト材
料をホルダ42に沿つて円筒形状に配置すればよ
く、従つて、各種材料に対して容易にかつ安価に
ターゲツトを構成できる。具体例においては、リ
ング状ホルダ42の厚さを5mm、内径を84mmと
し、円筒形状ターゲツト41の厚さを2mmにでき
る。このようにターゲツト41を薄肉にできるの
で、種々の帯状材料を用いて容易に円筒に形成す
ることができ、しかもターゲツトの交換も容易に
なる。
In this example, since the target 41 is a right cylinder, its structure is simple, and it is only necessary to arrange a strip-shaped target material in a cylindrical shape along the holder 42. Therefore, it can be easily and inexpensively applied to various materials. You can configure targets. In a specific example, the ring-shaped holder 42 has a thickness of 5 mm and an inner diameter of 84 mm, and the cylindrical target 41 has a thickness of 2 mm. Since the target 41 can be made thin in this way, it can be easily formed into a cylindrical shape using various strip-shaped materials, and the target can be easily replaced.

ホルダ42には支持筒50を突設し、その内部
には、一端がターゲツト41の裏面と接触し、他
端には電源19から電力を給電するピン51の受
容孔をあけた電極52を固着する。ピン51は絶
縁管53に固着し、この絶縁管53を支持筒50
に嵌合可能とする。絶縁管53には更に別の絶縁
管54を固着し、この絶縁管54の内部にピン5
1の端部と電源19からの給電線55との接続部
を収容する。以上により、ピン51を電極52に
着脱自在となして、電源19からの電力をターゲ
ツト4に供給する。
A support cylinder 50 is provided protruding from the holder 42, and an electrode 52 is fixed inside the support cylinder 50, one end of which contacts the back surface of the target 41, and the other end of which has a receiving hole for a pin 51 that supplies power from the power source 19. do. The pin 51 is fixed to the insulating tube 53, and the insulating tube 53 is attached to the support tube 50.
It is possible to fit into the Another insulating tube 54 is fixed to the insulating tube 53, and a pin 5 is installed inside this insulating tube 54.
1 and the connection part between the power supply line 55 from the power source 19 is accommodated. As described above, the pin 51 is made detachable from the electrode 52, and power from the power source 19 is supplied to the target 4.

さらにまた、外周シールド電極43Cに冷却管
44を配置してスパツタリングターゲツト41を
輻射熱伝導により冷却するとともに、ターゲツト
の熱による試料基板及び試料室内部の温度上昇を
防止する構造として、膜形成の安定化をはかるこ
とができる。このような構成では、プラズマ室1
で生成され発散磁界の効果で輸送されたプラズマ
流中イオン56は、効率良くプラズマシース57
に流入するため、ターゲツト電流の増加、付着速
度の向上をはかることができる。また、ターゲツ
ト面の負電位と磁界勾配の作用によつて、プラズ
マ生成室1とスパツタリングターゲツト41との
間に電子が捕捉され、異常放電の防止とともに、
イオン化効率の向上をはかることができる。
Furthermore, a cooling pipe 44 is disposed on the outer circumferential shield electrode 43C to cool the sputtering target 41 by radiant heat conduction, and also to prevent the temperature of the sample substrate and the inside of the sample chamber from rising due to the heat of the target. Stabilization can be achieved. In such a configuration, the plasma chamber 1
The ions 56 in the plasma flow generated by the plasma sheath 57 and transported by the effect of the divergent magnetic field are efficiently transferred to the plasma sheath 57.
The target current can be increased and the deposition speed can be improved. Further, due to the negative potential on the target surface and the effect of the magnetic field gradient, electrons are captured between the plasma generation chamber 1 and the sputtering target 41, preventing abnormal discharge and
Ionization efficiency can be improved.

第4図は第3図のさらに詳細例を示すもので、
帯状の円筒化ターゲツトの装着例を第3図のC−
C′部分の断面において示している。ここで、41
Aは内側円筒化ターゲツト、41Bは外側円筒化
ターゲツト、42は支持リングであり、Dはター
ゲツト41Aの継目、Eはターゲツト41Bの継
目である。帯状ターゲツト材を円筒化して使用す
る場合、その継目が完全に密着していないと下
部、この場合支持リング42が露出することにな
るので、円筒化ターゲツトと支持リングが異種の
材料で構成されているときには、膜中に異種の元
素が混入し、所望の純度の薄膜が得られない。一
般的に、この種の対策として継目部分を熔接によ
り接合することがとられる。しかし、材料によつ
ては熔接そのものが不可能であつたり、熔接でき
たとしても熔接部分への不純物の混入があつた
り、とくに薄板の場合には熔接部分の盛り上がり
が円筒化ターゲツトの精密な装着を難しくしてい
た。本発明では帯状ターゲツトを円筒化したもの
を2個重ねてもちいることによつて、簡便に、容
易にターゲツトの装着を可能とした。円筒化ター
ゲツトは所望の直径に成形するだけで、継目部分
は熔接などの接合を必要とせず、第4図に示すよ
うに、継目Dと継目Eが重ならないように装着す
ればよい。このとき、円筒化ターゲツトが外に開
こうとする力のもとで装着すれば円筒化ターゲツ
トの固定ができる。さらにスパツタリング時には
円筒化ターゲツトの熱応力によつて、強固に固定
される。
Figure 4 shows a more detailed example of Figure 3.
An example of mounting a belt-shaped cylindrical target is shown in Fig. 3 C-
It is shown in the cross section of part C'. Here, 41
A is an inner cylindrical target, 41B is an outer cylindrical target, 42 is a support ring, D is a seam of target 41A, and E is a seam of target 41B. When using a belt-shaped target material in a cylindrical form, if the joints are not completely sealed, the lower part, in this case the support ring 42, will be exposed. When such elements are present, different elements are mixed into the film, making it impossible to obtain a thin film of desired purity. Generally, as a countermeasure of this type, joining the joint portions by welding is taken. However, depending on the material, welding itself may not be possible, or even if welding is possible, impurities may be mixed into the welded part, and especially in the case of thin plates, the bulge in the welded part may make it difficult to precisely attach the cylindrical target. It was making it difficult. In the present invention, by using two cylindrical strip targets stacked one on top of the other, it is possible to simply and easily attach the target. The cylindrical target is simply molded to a desired diameter, and the joints do not require welding or other joining, and can be installed so that joints D and E do not overlap, as shown in FIG. At this time, the cylindrical target can be fixed if the cylindrical target is mounted under a force that causes it to open outward. Furthermore, during sputtering, the cylindrical target is firmly fixed by thermal stress.

第5図は本発明の効果を示すもので、マイクロ
波電力とターゲツト電流との関係を表している。
ガスはAr(8×10-2Pa)、ターゲツト電圧は500V
とした。ターゲツト電流はターゲツト面積100cm2
当たりの値である。曲線Aは本発明における円筒
状ターゲツトの代りに本願人の先の提案に係る特
願昭57−156843号において開示した円錘円筒状タ
ーゲツトを用いた場合であり、曲線Bは第1図示
の本発明による直円筒状ターゲツトの場合であ
る。曲線Bにおいては、上述したようにイオンの
流入効果や電子の捕捉効果によつて、曲線Aの3
倍以上のターゲツト電流が得られている。また、
このような大電流(大電力)をターゲツトに与え
ても、ターゲツトの冷却効果によつて、長時間に
わたつて安定して動作させることが可能であつ
た。
FIG. 5 shows the effect of the present invention, and shows the relationship between microwave power and target current.
Gas is Ar (8×10 -2 Pa), target voltage is 500V
And so. Target current is target area 100cm 2
It's a hit. Curve A is the case when the conical cylindrical target disclosed in Japanese Patent Application No. 156843/1988, which was previously proposed by the applicant, is used instead of the cylindrical target in the present invention, and curve B is the case when the conical cylindrical target disclosed in the patent application No. 156843, which was previously proposed by the applicant, is used. This is the case for a right cylindrical target according to the invention. In curve B, as mentioned above, due to the ion influx effect and the electron trapping effect, 3 of curve A
More than double the target current was obtained. Also,
Even when such a large current (large power) was applied to the target, it was possible to operate stably for a long time due to the cooling effect of the target.

第6図は本発明のスパツタリングターゲツトに
おけるターゲツト電圧とターゲツト電流との関係
を示す図である。ガスはAr(8×10-2Pa)とし
た。ターゲツト電流はターゲツト電圧50Vまでは
急激に上昇し、それ以上ではほぼ一定値となる。
また、このターゲツト電流はマイクロ波電力によ
つて制御することができる。したがつて、種々の
材料のターゲツトに対して、各々、最適なターゲ
ツト電流およびターゲツト電圧を、自由に、かつ
制御性良く与えることができる。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between target voltage and target current in the sputtering target of the present invention. The gas was Ar (8×10 -2 Pa). The target current increases rapidly up to a target voltage of 50V, and remains at a nearly constant value above that point.
Also, this target current can be controlled by microwave power. Therefore, the optimum target current and voltage can be applied freely and with good controllability to targets made of various materials.

第7図は本発明による膜付着の例であつて、タ
ーゲツト41としてTaを、ガスは第1ガス導入
系12よりAr、第2ガス導入系13よりO2を導
入し、Ta2O5膜を形成した場合について示してい
る。ArとO2の総流量は15c.c./min、ターゲツト
電力は3W/cm2であつた。基板7はSiであり、水
冷の試料台8に固定した。基板温度は約45℃であ
つた。付着速度はO2流量比が大きくなるととも
に小さくなる。これに対し、屈折率はO2流量比
0.25まではO2流量比とともに小さくなるが、これ
以上のO2流量比ではTa2O5膜固有の値に一定と
なる。高活性なECRプラズマを利用しているた
め200Å/minと高速な膜付着であつてもTaとO2
の反応が充分に進行し、膜固有の屈折率を有する
高品質な膜が付着性良く得られた。さらに、基板
7を加熱しない低温での膜形成にも拘わらず、緩
衝フツ酸(50%フツ酸:40%フツ化アンモニウム
=1:1、20℃)によるエツチング速度は約20
Å/minであり、約500℃の基板加熱を必要とす
る従来のスパツタ法や、熱酸化法で得られる膜と
比較して、同等以上に緻密な膜が形成された。ま
た、このTa2O5膜をMOSダイオードのゲート膜
に適用し比誘導率22を得るとともに、表面損傷な
どによる界面準位の発生が極めて少なく、表面電
荷の小さい良好なダイオード特性を確認した。
FIG. 7 shows an example of film deposition according to the present invention, in which Ta is used as the target 41, Ar gas is introduced from the first gas introduction system 12, and O 2 is introduced from the second gas introduction system 13 to form a Ta 2 O 5 film. The figure shows the case where . The total flow rate of Ar and O 2 was 15 c.c./min, and the target power was 3 W/cm 2 . The substrate 7 was made of Si and was fixed to a water-cooled sample stage 8. The substrate temperature was approximately 45°C. The deposition rate decreases as the O 2 flow rate ratio increases. In contrast, the refractive index is the O 2 flow rate ratio
Up to 0.25, it decreases as the O 2 flow rate ratio increases, but at higher O 2 flow rate ratios, it becomes constant at a value specific to the Ta 2 O 5 film. Because highly active ECR plasma is used, Ta and O 2 can be deposited at a high speed of 200 Å/min.
The reaction proceeded satisfactorily, and a high-quality film having a refractive index unique to the film was obtained with good adhesion. Furthermore, although the film is formed at a low temperature without heating the substrate 7, the etching rate with buffered hydrofluoric acid (50% hydrofluoric acid: 40% ammonium fluoride = 1:1, 20°C) is approximately 20%.
Å/min, and compared to films obtained by conventional sputtering methods or thermal oxidation methods, which require heating the substrate to approximately 500°C, a film was formed that was equivalent or more dense. Furthermore, by applying this Ta 2 O 5 film to the gate film of a MOS diode, we obtained a specific inductivity of 22, and confirmed good diode characteristics with very little generation of interface states due to surface damage and low surface charge.

以上のように、本発明の構造、配置のスパツタ
リングターゲツトを用いるスパツタ形ECRプラ
ズマ付着法では、種々の材料のスパツタリングタ
ーゲツトを簡便に用いることができ、これと高活
性なECRプラズマとの組合せによつて、低温で
高品質な薄膜を形成することができる。これまで
の説明ではターゲツト材料を1種類とし、ガスと
の組合せで薄膜を形成する場合について示してき
た。しかし、スパツタリングターゲツトの構成が
簡便であるため、複数のターゲツト材を用いて金
属化合物、合金の薄膜を形成することが容易に可
能となる。
As described above, in the sputter type ECR plasma deposition method using the sputtering target having the structure and arrangement of the present invention, sputtering targets made of various materials can be easily used. A high quality thin film can be formed at a low temperature by the combination of the following. In the explanation so far, a case has been described in which one type of target material is used and a thin film is formed in combination with a gas. However, since the structure of the sputtering target is simple, it becomes possible to easily form a thin film of a metal compound or alloy using a plurality of target materials.

このように複数のターゲツト材を用いる2例を
第8図および第9図に示す。
Two examples of using multiple target materials in this manner are shown in FIGS. 8 and 9.

第8図は2種のターゲツト材を用いる例を示
し、リング状ホルダ42の内側に外側円筒形状タ
ーゲツト61を取り付ける。この外側円筒形状タ
ーゲツト61の内側に、第1および第2内側円筒
形状ターゲツト62および63をプラズマ流の方
向に上下2段に積み重ねて取り付ける。外側円筒
形状ターゲツト61は、第1または第2内側円筒
形状ターゲツト62または63のいずれかと同一
材料で構成するのが好適である。スパツタ電圧は
スパツタ電源19よりターゲツト全体に印加され
る。薄膜中の2種類の材料の組成比は、第1およ
び第2内側円筒形状ターゲツト62および63の
幅XおよびYの比X/Yによつて自由に制御でき
る。
FIG. 8 shows an example in which two types of target materials are used, and an outer cylindrical target 61 is attached inside the ring-shaped holder 42. Inside this outer cylindrical target 61, first and second inner cylindrical targets 62 and 63 are stacked in two layers, upper and lower, in the direction of the plasma flow. Preferably, the outer cylindrical target 61 is constructed of the same material as either the first or second inner cylindrical target 62 or 63. A sputter voltage is applied to the entire target from a sputter power supply 19. The composition ratio of the two types of materials in the thin film can be freely controlled by the ratio X/Y of the widths X and Y of the first and second inner cylindrical targets 62 and 63.

第9図は2種のターゲツト材に独立にスパツタ
電圧を印加できるようにした例を示し、本例では
絶縁リング71により、2つのリング状ホルダ7
2と73とを電気的に絶縁した状態で結合し、各
ホルダ72および73の内側に第1の外側および
内側円筒形状ターゲツト74および75および第
2の外側および内側円筒形状ターゲツト76およ
び77をそれぞれ取り付ける。本例では、2個の
円筒形状ターゲツトが絶縁リング71を介してシ
ールド電極43内に配置されている。これら2個
のターゲツトに対して、スパツタ電源19として
の第1および第2スパツタ電源19Aおよび19
Bより個別に独立してスパツタ電圧を印加できる
ようにする。
FIG. 9 shows an example in which sputtering voltage can be applied independently to two types of target materials. In this example, two ring-shaped holders 7
2 and 73 are electrically insulated, and first outer and inner cylindrical targets 74 and 75 and second outer and inner cylindrical targets 76 and 77 are placed inside each holder 72 and 73, respectively. Attach. In this example, two cylindrical targets are placed within the shield electrode 43 with an insulating ring 71 interposed therebetween. For these two targets, first and second sputter power supplies 19A and 19 as sputter power supplies 19 are connected.
It is possible to apply sputter voltages individually and independently from B.

このように2種のターゲツト材を配置して薄膜
を形成する場合、スパツタ粒子はプラズマ流の中
心部分に飛翔し、プラズマ流の輸送効果により試
料台に輸送されるため、試料表面の平面内で極め
て均質な薄膜が形成される。さらに、単一材料か
らなるターゲツトを用いるため、混合ターゲツト
で問題になるスパツタ成分の時間変化に起因する
薄膜の厚さ方向の不均一さも生じない。また、ス
パツタ率の極端に異なる材料の薄膜を形成する場
合、スパツタ速度を微妙に制御する必要のある場
合などには非常に有効な手段となる。以上の説明
では、2種の材料のターゲツトを用いる場合につ
いて説明したが、同様に3種以上のターゲツトを
用いる場合にも有効であり、広範な材料からなる
薄膜の形成に容易に適用できる。
When a thin film is formed by arranging two types of target materials in this way, the spatter particles fly to the center of the plasma flow and are transported to the sample stage by the transport effect of the plasma flow, so that they are spread within the plane of the sample surface. A very homogeneous thin film is formed. Furthermore, since a target made of a single material is used, non-uniformity in the thickness direction of the thin film due to temporal changes in spatter components, which is a problem with mixed targets, does not occur. Furthermore, it is a very effective means when forming thin films of materials with extremely different sputtering rates or when it is necessary to delicately control the sputtering speed. In the above explanation, the case where targets of two types of materials are used has been described, but it is also effective when using three or more types of targets, and can be easily applied to the formation of thin films made of a wide variety of materials.

(効果) 以上説明したように、本発明によれば、固体材
料を薄膜形成用原料としてスパツタリングにより
その原子を放出させ、そのスパツタ原子をプラズ
マ流によつてイオン化し、かつそのスパツタ原子
に付着反応に最適な運動エネルギを付与して膜形
成するようにしたので、種々のガスを導入するこ
とと組合せることにより、きわめて広範囲の材料
の膜を低温で高品質に形成できる。また、本発明
では、従来のスパツタ装置とは異なり、プラズマ
生成をマイクロ波による電子サイクロトロン共鳴
を用いてスパツタリングとは独立に行うことによ
つて、10-5Torr〜10-2Torr以上ときわめて広範
囲のガス圧で安定にスパツタリング反応を生じさ
せることができる。更にまた、本発明によれば、
スパツタ原子に付与する運動エネルギをマイクロ
波パワーで可変でき、各種の導入ガスのガス圧を
広範囲に定めることができ、しかも2つの導入系
からのガスの分圧を適当に定めることもでき、従
つて、形成される膜の性質を広範囲に制御でき
る。しかもまた、イオン化されたスパツタ原子お
よび分子がプラズマ流により方向性をもつて試料
基板上に運ばれるので、付着の効率が高まるだけ
でなく、試料室の他の部分への不必要な膜形成を
生じないので、ターゲツトの消耗が少く、装置内
部の汚れが少く、従つて、保守の容易さおよび歩
留りの向上にも役立つという利点がある。
(Effects) As explained above, according to the present invention, atoms of a solid material are emitted by sputtering using a solid material as a raw material for forming a thin film, the sputtered atoms are ionized by a plasma flow, and the sputtered atoms are attached to and react with. Since the film is formed by applying the optimum kinetic energy to the film, by combining this with the introduction of various gases, it is possible to form films of an extremely wide range of materials at low temperatures and with high quality. In addition, unlike conventional sputtering equipment, the present invention generates plasma independently of sputtering using electron cyclotron resonance using microwaves, thereby achieving an extremely wide range of 10 -5 Torr to 10 -2 Torr or more. The sputtering reaction can be stably generated at a gas pressure of . Furthermore, according to the present invention,
The kinetic energy imparted to the sputtering atoms can be varied by microwave power, the gas pressures of various introduced gases can be set over a wide range, and the partial pressures of the gases from the two introduction systems can also be set appropriately. Therefore, the properties of the formed film can be controlled over a wide range. Moreover, the ionized spatter atoms and molecules are directionally transported onto the sample substrate by the plasma flow, which not only increases the efficiency of deposition but also prevents unnecessary film formation on other parts of the sample chamber. Since this does not occur, there is an advantage that there is less wear on the target and less contamination inside the device, which also contributes to ease of maintenance and improvement of yield.

更にまた、本発明によれば、低いガス圧の下で
も高活性プラズマが得られるので、反応性ガスの
導入によつて酸化物や窒化物など各種化合物を高
速度で高品質に形成できる。また、プラズマ生成
条件と付着反応条件とを独立に制御できるので、
膜の物性を容易に制御できる。イオンエネルギは
5〜30eV程度の適度な大きさであるから、膜の
形成反応が促進され、膜の付着性もよく、しかも
半導体表面に与えるダメージは非常に小さい。低
温で膜を形成できるので、高分子材料やレジスト
の上にも各種材料の膜を形成できる。従つて、プ
ロセスの低温化を必要とする超LSI製造、GaAs、
InP等の熱に不安定な化合物半導体素子の製造に
有効であり、さらに各種材料のコーテイングなど
にも本発明を幅広く応用することができる。
Furthermore, according to the present invention, highly active plasma can be obtained even under low gas pressure, so various compounds such as oxides and nitrides can be formed at high speed and with high quality by introducing a reactive gas. In addition, since plasma generation conditions and adhesion reaction conditions can be controlled independently,
The physical properties of the membrane can be easily controlled. Since the ion energy is at an appropriate level of about 5 to 30 eV, the film formation reaction is promoted, the film has good adhesion, and damage to the semiconductor surface is extremely small. Since films can be formed at low temperatures, films of various materials can be formed on polymeric materials and resists. Therefore, ultra-LSI manufacturing, GaAs,
The present invention is effective in manufacturing thermally unstable compound semiconductor devices such as InP, and can also be widely applied to coating various materials.

さらにまた、スパツタリングターゲツトを直円
筒の形状としてその表面がプラズマ流と交差する
ようにするときには、プラズマ流中のイオンがタ
ーゲツト面に効率よく入射するのでターゲツト電
流が増加し、付着速度が向上する。それと共に、
電子がターゲツトの負電位と発散磁界との相互作
用によつて捕捉され、それによりイオン生成が促
進されると共に異常放電が防止される。また、直
円筒ターゲツトは構造が簡単なので、帯状ターゲ
ツト材を曲げて簡単に円筒に形成でき、種々の材
料のターゲツトを容易にかつ安価に用いることが
できる。そして、帯状ターゲツト材を複数用いる
ことにより、各種合金の薄膜を容易にかつ均質に
得ることができる。さらに加えて、この場合に
は、ターゲツト面は試料方向に垂直であるから、
水冷の容易なシールド電極を冷却することによつ
て、ターゲツトの冷却も行うことができ、従つ
て、ターゲツトに冷却管を取付ける必要がないか
ら、ターゲツトの交換が簡単である。
Furthermore, when the sputtering target is shaped like a right cylinder and its surface intersects with the plasma flow, the ions in the plasma flow are efficiently incident on the target surface, increasing the target current and improving the deposition rate. do. Along with that,
Electrons are captured by the interaction between the negative potential of the target and the divergent magnetic field, thereby promoting ion production and preventing abnormal discharge. Further, since the straight cylindrical target has a simple structure, the strip-shaped target material can be easily bent into a cylinder, and targets made of various materials can be used easily and at low cost. By using a plurality of strip target materials, thin films of various alloys can be easily and uniformly obtained. Additionally, in this case, since the target plane is perpendicular to the sample direction,
The target can also be cooled by cooling the shield electrode, which can be easily water-cooled.Therefore, since there is no need to attach a cooling pipe to the target, the target can be easily replaced.

さらにまた、以上の本発明実施例では金属Mを
供給するにあたり、Arなどの不活性ガスによる
スパツタリングを用いているが、ArなどにCl2
どのハロゲン系ガスを混合するか、あるいはハロ
ゲン系ガス単独で反応性スパツタリングによつて
金属Mを供給して、付着速度の向上をはかること
も可能である。スパツタリングによる金属Mの供
給方法からみれば、一般にArなどの不活性ガス
よりもハロゲン系ガスの方が揮発性のハロゲン化
物を生成する化学反応を伴うので、スパツタ速度
がはるかに大きく、従つて、金属Mの供給効率が
増大し、付着速度の向上を図ることができる。こ
の場合、プラズマ流中に飛び出した金属ハロゲン
化物はプラズマ流中の電子との衝突により分解、
イオン化されて、あたかもECRプラズマ付着法
(Appliation Serial No.257616特願昭55−57877
号参照)において金属ハロゲン化物のガスを導入
したと同じ機構で薄膜を形成することができる。
ただし、この場合、金属Mの固体ターゲツトを利
用し、反応性スパツタにより金属ハロゲン化物を
供給するため特殊なガス導入系を必要とせず、ま
た沸点の高い金属ハロゲン化物をも容易に供給で
きる利点がある。
Furthermore, in the above-described embodiments of the present invention, sputtering with an inert gas such as Ar is used to supply the metal M. It is also possible to supply the metal M solely by reactive sputtering to improve the deposition rate. From the perspective of the method of supplying metal M by sputtering, halogen-based gases generally involve a chemical reaction that produces volatile halides than inert gases such as Ar, so the sputtering speed is much higher, and therefore, The supply efficiency of the metal M is increased, and the deposition rate can be improved. In this case, the metal halide that has jumped out into the plasma stream is decomposed by collision with the electrons in the plasma stream.
Ionized, it looks like ECR plasma deposition method (Application Serial No. 257616 Patent Application 1987-57877)
A thin film can be formed using the same mechanism as that in which a metal halide gas is introduced in
However, in this case, a solid target of metal M is used and the metal halide is supplied by a reactive sputter, so a special gas introduction system is not required, and metal halides with high boiling points can also be easily supplied. be.

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

第1図は本発明の一実施例を示す断面図、第2
図は本発明によるプラズマ付着の原理の説明図、
第3図は第1図の本発明におけるターゲツトおよ
びシールド電極の構造の具体例を示す断面図、第
4図はそのターゲツトの詳細例を示す横断面図、
第5図は本発明におけるマイクロ波電力とターゲ
ツト電流との関係を示す特性曲線図、第6図は本
発明によるターゲツト電圧とターゲツト電流との
関係をマイクロ波電力をパラメータとして示す特
性曲線図、第7図は本発明によるTa2O5膜付着特
性を示す特性曲線図、第8図および第9図は本発
明のさらに他の2つの実施例を示す断面図であ
る。 1……プラズマ生成室、2……試料室、2A…
…上壁、3……マイクロ波導入窓、4……矩形導
波管、5……プラズマ引出し窓、6……プラズマ
流、7……試料基板、8……試料台、9……排気
系、10……磁気コイル、11……磁気シール
ド、12……第1ガス導入系、13……第2ガス
導入系、14……給水口、15……排水口、19
……スパツタ電源、19A……第1スパツタ電
源、19B……第2スパツタ電源、41……スパ
ツタリングターゲツト、42……ホルダ、43…
…シールド電極、43A……上部シールド電極、
43B……下部シールド電極、43C……外周シ
ールド電極、43D……フランジ部、44……冷
却管、45……給水口、46……排水口、47…
…ねじ、48……ねじ、49……スペーサ、50
……支持筒、51……ピン、52……電極、53
……絶縁管、54……絶縁管、55……給電線、
56……プラズマ流中イオン、57……プラズマ
シース、61……外側円筒形状ターゲツト、62
……第1内側円筒形状ターゲツト、63……第2
内側円筒形状ターゲツト、71……絶縁リング、
72……リング状ホルダ、73……リング状ホル
ダ、74……第1外側円筒形状ターゲツト、75
……第1内側円筒形状ターゲツト、76……第2
外側円筒形状ターゲツト、77……第2内側円筒
形状ターゲツト。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing one embodiment of the present invention, and FIG.
The figure is an explanatory diagram of the principle of plasma deposition according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a specific example of the structure of the target and shield electrode in the present invention shown in FIG. 1, and FIG. 4 is a cross-sectional view showing a detailed example of the target.
FIG. 5 is a characteristic curve diagram showing the relationship between microwave power and target current according to the present invention, and FIG. 6 is a characteristic curve diagram showing the relationship between target voltage and target current according to the present invention using microwave power as a parameter. FIG. 7 is a characteristic curve diagram showing Ta 2 O 5 film adhesion characteristics according to the present invention, and FIGS. 8 and 9 are cross-sectional views showing two further embodiments of the present invention. 1...Plasma generation chamber, 2...Sample chamber, 2A...
... Upper wall, 3 ... Microwave introduction window, 4 ... Rectangular waveguide, 5 ... Plasma extraction window, 6 ... Plasma flow, 7 ... Sample substrate, 8 ... Sample stage, 9 ... Exhaust system , 10... Magnetic coil, 11... Magnetic shield, 12... First gas introduction system, 13... Second gas introduction system, 14... Water supply port, 15... Drain port, 19
...Sputtering power supply, 19A...First sputtering power supply, 19B...Second sputtering power supply, 41...Sputtering target, 42...Holder, 43...
...shield electrode, 43A...upper shield electrode,
43B... Lower shield electrode, 43C... Outer shield electrode, 43D... Flange portion, 44... Cooling pipe, 45... Water supply port, 46... Drain port, 47...
...Screw, 48...Screw, 49...Spacer, 50
... Support cylinder, 51 ... Pin, 52 ... Electrode, 53
...Insulated tube, 54...Insulated tube, 55...Power line,
56... Ions in plasma flow, 57... Plasma sheath, 61... Outer cylindrical target, 62
...first inner cylindrical target, 63...second
Inner cylindrical target, 71...insulation ring,
72...Ring-shaped holder, 73...Ring-shaped holder, 74...First outer cylindrical target, 75
...first inner cylindrical target, 76...second
Outer cylindrical target, 77... second inner cylindrical target.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 ガスを導入してプラズマを発生させるプラズ
マ生成室と、 膜形成すべき試料基板を配置するための試料台
を配置した試料室と、 前記プラズマ生成室と前記試料室との間に配置
されたプラズマ引出し窓と、 スパツタリング材料で円筒形状に形成され、前
記プラズマ引出し窓と前記試料台との間に、前記
プラズマ流を取り囲むように配置されたターゲツ
トと、 該ターゲツトをスパツタするためのイオンを、
前記プラズマ生成窓で発生したプラズマによるプ
ラズマ流の一部から引出して前記ターゲツトに入
射させる第1手段と、 前記プラズマ流を前記プラズマ引出し窓を介し
て前記試料室に導くと共にスパツタされた原子を
前記試料基板まで輸送する第2手段とを具えたこ
とを特徴とするプラズマ付着装置。 2 特許請求の範囲第1項記載のプラズマ付着装
置において、前記ターゲツトを前記プラズマ引出
し窓の近傍であつて、しかも前記プラズマ流に接
触するように配設したことを特徴とするプラズマ
付着装置。 3 特許請求の範囲第1項記載のプラズマ付着装
置において、前記円筒形状ターゲツトのスパツタ
される面が前記プラズマ流の一部と交差するよう
にしたことを特徴とするプラズマ付着装置。 4 特許請求の範囲第1項ないし第3項のいずれ
かの項に記載のプラズマ付着装置において、前記
プラズマ生成室はマイクロ波による電子サイクロ
トロン共鳴放電を用いて前記プラズマを生成する
ように構成したことを特徴とするプラズマ付着装
置。 5 特許請求の範囲第1項ないし第4項のいずれ
かの項に記載のプラズマ付着装置において、前記
第1手段は、前記ターゲツトが負になるように接
続されたスパツタ電源を有することを特徴とする
プラズマ付着装置。 6 特許請求の範囲第1項ないし第5項のいずれ
かの項に記載のプラズマ付着装置において、前記
第2手段は、前記プラズマ生成室から前記試料室
に向けて磁界強度が適当な勾配で弱くなる発散磁
界の磁界分布をもつ磁気コイルを有することを特
徴とするプラズマ付着装置。 7 特許請求の範囲第1項ないし第6項のいずれ
かの項に記載のプラズマ付着装置において、前記
ターゲツトのうち前記プラズマ流に面していない
部分をシールド電極によつて覆つたことを特徴と
するプラズマ付着装置。 8 特許請求の範囲第7項記載のプラズマ付着装
置において、前記シールド電極を冷却するように
したことを特徴とするプラズマ付着装置。 9 特許請求の範囲第1項ないし第3項のいずれ
かの項に記載のプラズマ付着装置において、前記
円筒形状ターゲツトを、複数種類のターゲツト材
料からなる円筒を同心円状に多重して構成したこ
とを特徴とするプラズマ付着装置。 10 特許請求の範囲第1項、第2項、第3項ま
たは第9項に記載のプラズマ付着装置において、
前記円筒形状ターゲツトを、複数種類のターゲツ
ト材料からなるほぼ同一径の円筒を前記プラズマ
流の流れの方向に重ね合わせて構成したことを特
徴とするプラズマ付着装置。 11 特許請求の範囲第1項、第2項、第3項、
第9項または第10項のいずれかの項に記載のプ
ラズマ付着装置において、前記ターゲツトを複数
個のターゲツト部分より形成し、該ターゲツト部
分の各々を独立に個別のスパツタ電源に接続し
て、前記ターゲツト部分の各々のスパツタリング
を独立して制御できるようにしたことを特徴とす
るプラズマ付着装置。 12 特許請求の範囲第1項ないし第11項のい
ずれかの項に記載のプラズ付着装置において、前
記試料台を前記プラズマ生成室と電気的に絶縁し
たことを特徴とするプラズマ付着装置。 13 特許請求の範囲第1項ないし第12項のい
ずれかの項に記載のプラズマ付着装置において、
前記プラズマ生成室には第1ガス導入系を設けた
ことを特徴とするプラズマ付着装置。 14 特許請求の範囲第13項記載のプラズマ付
着装置において、前記試料室には第2ガス導入系
を設けたことを特徴とするプラズマ付着装置。
[Scope of Claims] 1. A plasma generation chamber in which a gas is introduced to generate plasma; a sample chamber in which a sample stage is arranged for placing a sample substrate on which a film is to be formed; the plasma generation chamber and the sample chamber; a plasma extraction window disposed between the two; a target made of a sputtering material into a cylindrical shape and disposed between the plasma extraction window and the sample stage so as to surround the plasma flow; ions for
a first means for extracting a part of the plasma flow caused by the plasma generated in the plasma generation window and causing it to enter the target; A plasma deposition apparatus comprising: a second means for transporting to a sample substrate. 2. The plasma deposition apparatus according to claim 1, wherein the target is disposed near the plasma extraction window and in contact with the plasma flow. 3. A plasma deposition apparatus according to claim 1, wherein a surface of the cylindrical target to be sputtered intersects a part of the plasma flow. 4. In the plasma deposition apparatus according to any one of claims 1 to 3, the plasma generation chamber is configured to generate the plasma using electron cyclotron resonance discharge using microwaves. A plasma deposition device characterized by: 5. In the plasma deposition apparatus according to any one of claims 1 to 4, the first means includes a sputter power source connected so that the target becomes negative. Plasma deposition equipment. 6. In the plasma deposition apparatus according to any one of claims 1 to 5, the second means has a weak magnetic field strength with an appropriate gradient from the plasma generation chamber to the sample chamber. 1. A plasma deposition apparatus characterized by having a magnetic coil having a magnetic field distribution of a diverging magnetic field. 7. The plasma deposition apparatus according to any one of claims 1 to 6, characterized in that a portion of the target that does not face the plasma flow is covered with a shield electrode. Plasma deposition equipment. 8. The plasma deposition apparatus according to claim 7, wherein the shield electrode is cooled. 9. In the plasma deposition apparatus according to any one of claims 1 to 3, the cylindrical target is configured by concentrically stacking cylinders made of a plurality of types of target materials. Characteristic plasma deposition equipment. 10. In the plasma deposition apparatus according to claim 1, 2, 3, or 9,
A plasma deposition apparatus characterized in that the cylindrical target is constructed by stacking cylinders of substantially the same diameter made of a plurality of types of target materials in the flow direction of the plasma flow. 11 Claims 1, 2, 3,
In the plasma deposition apparatus according to either paragraph 9 or 10, the target is formed from a plurality of target portions, each of the target portions being independently connected to a separate sputtering power supply, A plasma deposition apparatus characterized in that sputtering of each target portion can be independently controlled. 12. A plasma deposition apparatus according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the sample stage is electrically insulated from the plasma generation chamber. 13. In the plasma deposition apparatus according to any one of claims 1 to 12,
A plasma deposition apparatus characterized in that the plasma generation chamber is provided with a first gas introduction system. 14. The plasma deposition apparatus according to claim 13, wherein the sample chamber is provided with a second gas introduction system.
JP15509783A 1982-09-10 1983-08-26 Plasma sticking device Granted JPS6050167A (en)

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