JP2006336083A - Multi-stage cathode electrode mechanism - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、真空中にて２種類以上の金属薄膜形成を連続して行うスパッタリング装置及び、機構に関するものである。 The present invention relates to a sputtering apparatus and a mechanism for continuously forming two or more kinds of metal thin films in a vacuum.
従来、同一真空槽にて２種類の膜を連続して薄膜形成を行うスパッタ装置は、特開平6-57412記載のように、材料発生源となるターゲット材の種類に応じた分のカソード電極を含んだターゲットユニットを２式配置・構成していた。 Conventionally, a sputtering apparatus that continuously forms two types of films in the same vacuum chamber has a cathode electrode corresponding to the type of target material serving as a material generation source, as described in JP-A-6-57412. Two sets of target units were arranged and configured.
又、特開平6-168879記載のように、イオンビームスパッタ方式によりターゲット材を２種類別々に配置・構成して、薄膜形成する事が一般的であった。 Further, as described in JP-A-6-68879, it has been common to form a thin film by arranging and configuring two types of target materials separately by an ion beam sputtering method.
この場合、ターゲットユニット取り付け構成上、平面もしくは、対向に配置する事が一般的であり、新たにターゲットユニットを取り付ける際は、事前に真空槽自体に配置スペースを確保した構成にしていた。 In this case, it is general that the target unit is mounted in a plane or opposed to each other, and when a new target unit is mounted, a space is secured in advance in the vacuum chamber itself.
従来、２種類の金属合金成膜を行う場合は、合金のターゲット材を使用してスパッタリング成膜を行うか、もしくは、１元１種類のターゲット材に材料ガスを加えたリアクティブスパッタにより薄膜形成を行う事が一般的であった。 Conventionally, when two types of metal alloy films are formed, sputtering film formation is performed using an alloy target material, or a thin film is formed by reactive sputtering in which a material gas is added to one type of target material. It was common to do.
その為、膜特性上で組成を変更したい場合は、新たな組成比のターゲット材を製作・使用して異なる組成比の薄膜形成を行う事が一般的であった為、ターゲットユニット製作費用のアップと検討期間が長期化する問題点があった。 Therefore, when it is desired to change the composition in terms of film characteristics, it is common to produce and use a target material with a new composition ratio to form a thin film with a different composition ratio. There was a problem that the examination period was prolonged.
従来、同一真空槽内に異なる２種類のターゲット材を配置構成する場合に１つのターゲット材をスパッタリングしている際は、シャッターや防着箱により、放電によって発生した材料が、他のターゲット材へ付着してコンタミの影響を起こさない様な構造にする事が一般的であった。 Conventionally, when two different types of target materials are arranged and configured in the same vacuum chamber, when one target material is sputtered, the material generated by the discharge is transferred to another target material by a shutter or an adhesion prevention box. It was common to make the structure so that it does not adhere and cause contamination.
更に、特開2001-288563記載の成膜装置のように円筒状（もしくは、ホロカソード）ターゲット材を使用して、尚且つ、カソード電極及び、ターゲット材は固定にて成膜する様、配置・構成されて使用する事が一般的であった。 Further, as in the film forming apparatus described in JP-A-2001-288563, a cylindrical (or holocathode) target material is used, and the cathode electrode and the target material are formed in a fixed manner. It was common to be used.
従来、円板状ターゲット材を使用したスパッタリング装置において異なる２種類の材料を用いた成膜を行う上で、特に比較的蒸気圧温度が低い材料を組み合わせた合金薄膜を形成する際は、蒸気圧特性の差により形成した膜の組成比が変化しない様に、放電時に発生したプラズマイオン（２次電子、アルゴンイオン）の影響によるプラズマダメージ（基板温度上昇）を低減する対策として膜を形成する際に、基板へのダメージが少ないＴ−Ｓ間距離まで離すかもしくは、基板冷却を配置して基板の温度上昇による膜質変化を抑制する為の機構を配置・構成する事が一般的であった。 Conventionally, when forming a film using two different types of materials in a sputtering apparatus using a disk-shaped target material, particularly when forming an alloy thin film combining materials having a relatively low vapor pressure temperature, the vapor pressure When forming a film as a measure to reduce plasma damage (substrate temperature rise) due to the influence of plasma ions (secondary electrons, argon ions) generated during discharge so that the composition ratio of the formed film does not change due to the difference in characteristics In addition, it has been common to dispose to a distance between TS with little damage to the substrate, or to arrange and configure a mechanism for suppressing the film quality change due to the temperature rise of the substrate by arranging the substrate cooling.
従来、光学素子用薄膜形成において、成膜時の膜質へのダメージを配慮しなくてはいけない為、蒸着もしくは、別の成膜の手段を用いて薄膜形成をする事が一般的であった。その為、成膜時の条件として、Ｔ−Ｓ間距離、基板サイズ、２週類の成膜材料選択に対して制限があった。 Conventionally, in forming a thin film for an optical element, damage to the film quality at the time of film formation must be taken into account, so that it is common to form a thin film by vapor deposition or another film forming means. For this reason, there are limitations on the selection of film forming materials such as the distance between TS, the substrate size, and the two weeks as conditions during film formation.
又、異なる２種類のターゲット材を用いてスパッタリングを行う際、各種のターゲット材個別にターゲットユニットの配置を行ない、構成に応じたプラズマ発生用電源系統及び、ターゲット材冷却機構のユーティリティを用意する事が一般的であった。その結果、装置の計装（ユーティリティ）費用が増大してしまった。
文献１では、２種類のターゲット材を使用したＤＣスパッタ装置では、使用する数だけカソード電極を含めたターゲットユニットを配置する為、装置本体のチャンバー部大きくなるか又は、２室以上の真空槽必要となる為、装置が大型化してしまった。 In Document 1, in a DC sputtering apparatus using two types of target materials, the target unit including the cathode electrode is arranged in the number to be used, so the chamber portion of the apparatus main body becomes larger or two or more vacuum chambers are necessary. As a result, the size of the device has increased.
又、文献２では、イオンビームスパッタ方式では、ターゲット材料分の２つ以上のイオン発生源が必要となり、装置費用が高額になるというコストの問題が発生していた。
Further, in
又、膜特性上で組成を変更したい場合は、新たな組成比のターゲット材を製作・使用して異なる組成比の薄膜形成を行う事が一般的である為、プロセス条件によりターゲットユニット製作費用のアップと製作期間（納期）延長による検討期間が長期化する問題点があった。 When it is desired to change the composition in terms of film characteristics, it is common to produce and use a target material with a new composition ratio to form a thin film with a different composition ratio. There was a problem that the examination period was prolonged due to the increase in production time and delivery time.
又、成膜条件により２種類のターゲット材が、同一真空槽に配置されている場合は、成膜条件によっては、真空槽内のシャッター及び、防着板表面に飛散・付着した材料が叩かれる事で成膜中の基板表面もしくは、ターゲット材表面へ付着する事で、基板上に成膜した膜質へ影響をもたらす問題があった。 In addition, when two types of target materials are arranged in the same vacuum chamber depending on the film forming conditions, depending on the film forming conditions, the shutters in the vacuum chamber and the material scattered and adhered to the surface of the deposition prevention plate are hit. As a result, there is a problem of affecting the quality of the film formed on the substrate by adhering to the surface of the substrate during film formation or the surface of the target material.
又、平板状のターゲット材を使用したスパッタリング装置において、異なる２種類の材料を用いた場合、相互にプラズマによるダメージ（基板温度上昇）の影響から膜を形成する際に、比較的蒸気圧温度が低い材料を組み合わせた合金のスパッタリング成膜において、蒸気圧特性の差により形成した膜の組成比が変化する事で期待した膜組成・特性が得られない事が問題となっていた。 In addition, in a sputtering apparatus using a flat target material, when two different types of materials are used, the vapor pressure temperature is relatively high when forming a film due to the influence of plasma damage (increase in substrate temperature). In sputtering deposition of alloys combining low materials, there has been a problem that the expected film composition / characteristics cannot be obtained due to changes in the composition ratio of the film formed due to the difference in vapor pressure characteristics.
その結果、Ｔ−Ｓ間距離が離すなどの対策等により膜厚レートが遅くなり、成膜タクトへ大きな影響があった。 As a result, the film thickness rate was slowed by measures such as increasing the distance between T and S, which had a great influence on the film formation tact.
又、蒸着による成膜では膜厚分布の関係から、Ｔ−Ｓ間距離を離す必要がある為、装置が一定方向において大型化する問題点があった。 Further, in the film formation by vapor deposition, since the distance between TS needs to be separated from the relationship of the film thickness distribution, there is a problem that the apparatus becomes large in a certain direction.
請求項１の目的を達成するため、本機構では真空雰囲気にてスパッタ成膜を行う為に必要な真空槽、前記、真空槽内の圧力をモニターする圧力計、真空槽内を真空排気するための排気ポンプ、プラズマを発生する為に必要なカソード電極とアノード電極、プラズマ発生用のガスを供給するガス供給ユニット、ターゲット及び、カソードを冷却する為の冷却水ユニット、膜形成の為に必要な円筒状金属ターゲット材、基板（基体）を固定する為の基板ホルダーユニット、カソード電極をスムージングする為の駆動制御ユニットで構成された円筒状ターゲットスパッタリング装置において、各電極部（アノード・カソード）が移動し、プラズマの発生領域を可変する構成及び、手段を有する事を特徴とする。 In order to achieve the object of claim 1, in this mechanism, a vacuum chamber necessary for performing sputtering film formation in a vacuum atmosphere, the pressure gauge for monitoring the pressure in the vacuum chamber, and evacuating the vacuum chamber Exhaust pump, cathode and anode electrodes necessary for generating plasma, gas supply unit supplying gas for generating plasma, target, cooling water unit for cooling cathode, necessary for film formation Each electrode part (anode / cathode) moves in a cylindrical target sputtering system consisting of a cylindrical metal target material, a substrate holder unit for fixing the substrate (base), and a drive control unit for smoothing the cathode electrode. And a configuration and means for varying the plasma generation region.
請求項２の目的を達成するため、本機構では、カソード電極部及び、アノード電極部に上下動を行う機構を配置して２種類ターゲット材の成膜可能な手段を有する事を特徴とする。
In order to achieve the object of
請求項３の目的を達成するため、本機構では、円板状のアノード電極及び、合い対する位置へ円筒状のターゲット材の淵を被うようにアノード電極と同電位のガード電極を配置して更に、各カソード及び、アノード電極部へ切り換えて高圧印加を可能とした電源ユニットにより成膜可能な手段を有する事を特徴とする。
In order to achieve the object of
この際のプラズマ発生用給電系統は、真空槽外にて給電箇所の切り換えを行う構成になっている。 The plasma generation power supply system at this time is configured to switch the power supply location outside the vacuum chamber.
以上説明したように、１）本出願に係わる発明によれば、真空雰囲気において金属薄膜を形成するスパッタリング装置において、円筒状ターゲットにてカソード電極の移動可能な機構により、２種類の薄膜を交互に成膜可能になり、従来形成した膜に対するプラズマダメージによる膜質低下に対してその行為を低減し、良好な膜を得る事が可能となった。 As described above, 1) According to the invention relating to the present application, in a sputtering apparatus for forming a metal thin film in a vacuum atmosphere, two types of thin films are alternately formed by a mechanism in which a cathode electrode can be moved by a cylindrical target. It became possible to form a film, and it was possible to obtain a good film by reducing the action of film deterioration due to plasma damage to a conventionally formed film.
又、従来の平板式ターゲットを使用したスパッタ装置に比べてチャンバー容積を小型化を実現（６０％削減）出来る事で、チャンバーの製作費用を１／２に削減し、更に、真空排気にかかる排気時間を半分にする事で、プロセスタクトを大幅に短縮できた。 In addition, the chamber volume can be reduced (60% reduction) compared to the conventional sputtering target using a flat plate target, reducing the manufacturing cost of the chamber by half and exhausting the vacuum exhaust. By halving the time, the process tact could be greatly reduced.
２）本出願に係る発明によれば、合金材料比較的高価なターゲット材料を使用する際に従来は金属塊からカソードの形状に合わせて切削加工を行う為、材料費その物が増大し尚且つサイズ的に大きい場合は、材料費に合わせて納期も大幅に必要となり、開発検討計画に対して多大な影響をもたらしていたが、本発明により必要最小限の材料にてターゲットの製作・加工が可能となり、材料コストを従来コストと比較して１／１０に、加工製作期間を従来の1ヶ月から１０日間へ大幅な期間の短縮が可能となった事で、開発検討の効率化が図れた。 2) According to the invention according to the present application, when a relatively expensive target material is used, cutting is conventionally performed in accordance with the shape of the cathode from a metal lump, so that the material cost increases. If the size is large, the delivery time is also required in accordance with the material cost, which has had a great influence on the development study plan, but the present invention enables the production and processing of the target with the minimum necessary material. As a result, the material cost has been reduced to 1/10 compared to the conventional cost, and the processing and production period has been significantly shortened from the previous month to 10 days. .
又、ターゲット材とカソード電極の配置・固定を行う際、従来は十分な接触（電気的導通・冷却）を重視する為、ターゲット材をカソード電極表面へボンディング材等により固定していた為、ターゲット材の製作やメンテナンスに費用及び、作業期間に多くを費やしていたが、本発明の効果によりターゲット材のボンディングレスを可能とした事で、メンテナンス時の作業時間を大幅に短縮できた。 In addition, when placing and fixing the target material and the cathode electrode, the target material is conventionally fixed to the cathode electrode surface with a bonding material or the like in order to emphasize sufficient contact (electrical conduction and cooling). Although the production and maintenance of the materials were expensive and the work period was large, the effect of the present invention made it possible to eliminate the bonding of the target material, thereby greatly reducing the work time during the maintenance.
ちなみに、接触性については冷却については１００（℃）以下、電気的導通は２０（Ω）以下を実現した。 By the way, as for the contact property, 100 (° C.) or less for cooling and 20 (Ω) or less for electrical conduction were realized.
（実施例１）
［図１］は、本発明の特徴をもっともよく表す図面で有り、同図において１は真空槽１、２は基板（ワーク）、３はアース接地の円板状アノード電極１、４は真空槽内を排気する排気バルブ、５は排気配管、６は基板側のガード電極１、７はカソード電極１、８は不活性ガス（Ar）を導入するガス導入バルブ、９はカソード電極２、１０はカソード電極２用固定支柱、１１はカソード電極２スムージング用直動モータ１、１２はカソード電極用２絶縁ギヤボックス、１３はカソード電極へ電圧を印加する為のＤＣ電源制御ユニット、１４は成膜材料の円筒状金属ターゲット材１、１５は１４記載の材質と異なる成膜材料の円筒状金属ターゲット材２、１６はカソード電極冷却水、１７は電圧供給用高圧ケーブルである。
Example 1
[FIG. 1] is a drawing that best represents the features of the present invention. In FIG. 1, 1 is a
図１において、基板を基板ホルダーに載せ、円筒状ターゲットの開口部に対して基板を水平方向で配置し、真空ポンプを用いて真空槽内を十分に真空排気を行う。この時、真空槽内の到達真空度は、圧力モニターにて7.5×10^-6(Pa)以下になるまで真空排気を行う。 In FIG. 1, a substrate is placed on a substrate holder, the substrate is disposed horizontally with respect to the opening of the cylindrical target, and the inside of the vacuum chamber is sufficiently evacuated using a vacuum pump. At this time, evacuation is performed until the ultimate vacuum in the vacuum chamber is 7.5 × 10 ^ -6 (Pa) or less by a pressure monitor.
次に真空槽内の圧力が、0.6〜2(Pa)になるように真空槽内へアルゴンガスを供給しながら、メイン排気バルブを徐々に閉めていく。この時、カソード電極１及び、カソード電極２は冷却水により冷却されている。
Next, the main exhaust valve is gradually closed while supplying argon gas into the vacuum chamber so that the pressure in the vacuum chamber becomes 0.6 to 2 (Pa). At this time, the cathode electrode 1 and the
真空槽内の条件に整ったら、電圧供給用高圧ケーブルをカソード電極１及び、金属ターゲット材１へ切り換え接続を行ない、プラズマ発生用ＤＣ電源制御ユニットの出力メインスイッチをＯＮして、カソード電極１に電圧を印加してプラズマ（グロー放電）を発生させる。この時のターゲット開口部から基板までのＴ−Ｓ間距離は20〜50（mm）、ＤＣ投入Powerは100 Ｗ、Ａｒガス流量は100 sccmにて確認。 When the conditions in the vacuum chamber are satisfied, the high voltage cable for voltage supply is switched to the cathode electrode 1 and the metal target material 1 and connected, the output main switch of the DC power supply control unit for plasma generation is turned on, and the cathode electrode 1 is connected. A voltage is applied to generate plasma (glow discharge). At this time, the distance between the TS from the target opening to the substrate is 20 to 50 (mm), the DC input power is 100 W, and the Ar gas flow rate is 100 sccm.
その後、所定の成膜が終了した事を確認して、出力メインスイッチをＯＦＦして、電圧供給用高圧ケーブルをカソード電極２及び、ターゲット材２へ切り換え接続を行ない、その後カソード電極２及び、ターゲット材２を上方向へ移動し、更に、円板状のアノード電極部を同様に上方向へ移動させて、ＤＣ電源制御ユニットの出力メインスイッチをＯＮして、成膜を開始する。
Thereafter, after confirming that the predetermined film formation has been completed, the output main switch is turned OFF, and the voltage supply high-voltage cable is switched to the
（実施例２）
図２は、２種類のターゲットを配置し、１組のカソード電極とアノード電極のみを移動して薄膜を形成する構成を表した図であり、１８は移動式カソード電極３、１９は円筒状金属ターゲット材３、２０はターゲット材３と異なる種類の円筒状金属ターゲット材４、２１は基板側ガード電極２、２２は移動式円板状アノード電極２、２３は真空槽２、２４は基板２、２５はカソード電極３スムージング用直動モータ２、２６はカソード電極３用絶縁ギヤボックス、２７は円板状アノード電極２スムージング用直動モータ４、２８は円板状アノード電極移動用ギヤボックスである。
(Example 2)
FIG. 2 is a diagram showing a configuration in which two types of targets are arranged and only one set of cathode electrode and anode electrode is moved to form a thin film, 18 is a
図２において、ターゲット３及び、ターゲット４は固定されている状態において、カソード電極をターゲット３への接触位置まで移動・固定し、合わせて円板状アノード電極をターゲット３の近傍へ移動・配置を行なった後、真空槽内を実施例１の成膜条件と同条件にて成膜を行なう。
In FIG. 2, in a state where the
ターゲット１にて成膜が終了したら、ＤＣ電源の出力スイッチをＯＦＦして、カソード電極をターゲット３からターゲット４の固定接触位置まで移動し、合わせて円板状アノード電極を移動して固定する。そして再度、ターゲット４の材料にて成膜を行なえる。
When the film formation on the target 1 is completed, the output switch of the DC power supply is turned off, the cathode electrode is moved from the
（実施例３）
図３に表した様に、実施例２の機構を用いて、カソード電極を２種類のターゲット材に同時にプラズマ電位が同時に印加出来るよう配置固定を行なう事で、１式のカソード電極及び、アノード電極の組み合わせより合金の薄膜形成が実現可能となる。その際、アノード電極位置を任意に可変する事により、形成したい合金の組成比を変える事が可能である。
(Example 3)
As shown in FIG. 3, by using the mechanism of the second embodiment, the cathode electrode is arranged and fixed so that the plasma potential can be simultaneously applied to two types of target materials. It is possible to form an alloy thin film by combining the above. At that time, the composition ratio of the alloy to be formed can be changed by arbitrarily changing the position of the anode electrode.
１ 真空槽１
２ 基板（ワーク）１
３ 移動式アノード電極1
４ 真空排気用メイン排気バルブ
５ 排気配管
６ 基板側ガード電極１
７ カソード電極1
８ ガス供給バルブ
９ カソード電極２
１０ カソード電極２固定支柱
１１ カソード電極２スムージング用直動モータ１
１２ カソード電極２用絶縁ギヤボックス
１３ ＤＣ電源制御ユニット
１４ 円筒状金属ターゲット材１
１５ 円筒状金属ターゲット材２
１６ カソード電極冷却水
１７ 電圧供給用高圧ケーブル
１８ カソード電極３
１９ 円筒状金属ターゲット材３
２０ 円筒状金属ターゲット材４
２１ 基板側ガード電極２
２２ 移動式円板状アノード電極２
２３ 真空槽２
２４ 基板２
２５ カソード電極３スムージング用直動モータ３
２６ カソード電極３用絶縁ギヤボックス
２７ 移動式円板状アノード電極２スムージング用直動モータ４
２８ 円板状アノード電極２移動用ギヤボックス
1 Vacuum chamber 1
2 Substrate (work) 1
3 Mobile anode 1
4 Main exhaust valve for
7 Cathode electrode 1
8
10
12 Insulated gearbox for
15 Cylindrical
16 Cathode
19
20
21 Board
22 Moving disk-shaped
23
24
25
26 Insulated gear box for
28 Gearbox for moving disk-shaped
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005163851A JP2006336083A (en) | 2005-06-03 | 2005-06-03 | Multi-stage cathode electrode mechanism |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2005163851A JP2006336083A (en) | 2005-06-03 | 2005-06-03 | Multi-stage cathode electrode mechanism |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2006336083A true JP2006336083A (en) | 2006-12-14 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115233165A (en) * | 2022-02-21 | 2022-10-25 | 松山湖材料实验室 | Method and device for preparing combined film |
-
2005
- 2005-06-03 JP JP2005163851A patent/JP2006336083A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115233165A (en) * | 2022-02-21 | 2022-10-25 | 松山湖材料实验室 | Method and device for preparing combined film |
| CN115233165B (en) * | 2022-02-21 | 2023-11-28 | 松山湖材料实验室 | Method and device for preparing combined film |
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