JP2796765B2 - Thin film forming equipment - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、電子サイクロトロン共
鳴（ＥＣＲ）により生成したプラズマを発散形磁界によ
り引き出し、この引き出されたプラズマを利用して薄膜
を形成する薄膜形成装置において、原料供給を固体ター
ゲットのスパッタで行うことにより高速で薄膜を形成す
るＥＣＲスパッタ装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film forming apparatus for extracting a plasma generated by electron cyclotron resonance (ECR) by a divergent magnetic field and forming a thin film using the extracted plasma. The present invention relates to an ECR sputtering apparatus for forming a thin film at a high speed by performing sputtering using a target.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来のブレーナ型スパッタ装置で薄膜を
形成する場合、形成中の薄膜は高エネルギー粒子の照射
を受けるために大きな損傷を被る。このため基板をター
ゲットの側面に置くなど、高エネルギー粒子の影響を直
接受けないような工夫がなされていた。しかし、このよ
うな方法には、薄膜の堆積速度が極端に遅くなる欠点が
あった。2. Description of the Related Art When a thin film is formed by a conventional Brahner-type sputtering apparatus, the thin film being formed suffers significant damage due to irradiation with high energy particles. For this reason, various measures have been taken such as placing the substrate on the side of the target so as not to be directly affected by the high-energy particles. However, such a method has a disadvantage that the deposition rate of the thin film becomes extremely slow.
【０００３】上記の通常のスパッタ法に対して、１０-2
〜１０-1Ｐａの低ガス圧中でスパッタするＥＣＲスパッ
タ法では、プラズマ中のイオンのエネルギーが２０〜３
０ｅＶと低エネルギーであるため、プラズマ照射による
薄膜の損傷が極めて小さく、高品質薄膜を形成できる特
徴がある。また、ＥＣＲプラズマは通常のスパッタにお
いて生成したプラズマと比較して高活性であるため、反
応スパッタでは薄膜形成を促進する効果がある。これら
のことから、近年、ＥＣＲスパッタ法による薄膜形成が
盛んに行われるようになった。[0003] In contrast to the ordinary sputtering method described above, 10 -2
In the ECR sputtering method in which sputtering is performed at a low gas pressure of 10 to 10 -1 Pa, the energy of ions in the plasma is 20 to 3
Since the energy is as low as 0 eV, damage to the thin film due to plasma irradiation is extremely small, and a high quality thin film can be formed. In addition, since ECR plasma has higher activity than plasma generated in normal sputtering, reactive sputtering has an effect of promoting thin film formation. For these reasons, in recent years, thin film formation by the ECR sputtering method has been actively performed.
【０００４】基本的なＥＣＲスパッタ装置は、図１の断
面図に示すように、プラズマ生成部（マイクロ波導波管
１，マイクロ波導入窓２，電磁石３，円筒形のプラズマ
生成室４等）、円筒形のターゲット電極７及び成膜室９
などから構成されている。このような装置を用いて、薄
膜形成は次のようにして行う。プラズマ生成室４にプラ
ズマ用ガス及びマイクロ波を導入して、１０-2〜１０-1
Ｐａの低ガス圧中でＥＣＲプラズマを生成し、これを電
磁石３で発生した発散形磁界によりプラズマ引き出し窓
５からプラズマ生成室４の外の成膜室９に引き出す。こ
のプラズマ流中のイオンの一部を利用して、ＥＣＲプラ
ズマ流１０を囲むように配置されたターゲット電極７に
ある円筒形ターゲットをスパッタする。スパッタされた
粒子及びＥＣＲプラズマは成膜室９の中に設置した基板
１１上に供給され、薄膜を形成する。As shown in the sectional view of FIG. 1, a basic ECR sputtering apparatus includes a plasma generation unit (microwave waveguide 1, microwave introduction window 2, electromagnet 3, cylindrical plasma generation chamber 4, etc.), Cylindrical target electrode 7 and film forming chamber 9
It is composed of Using such an apparatus, a thin film is formed as follows. A plasma gas and microwaves are introduced into the plasma generation chamber 4 and 10 −2 to 10 −1
ECR plasma is generated under a low gas pressure of Pa, and the ECR plasma is extracted from the plasma extraction window 5 to the film formation chamber 9 outside the plasma generation chamber 4 by the divergent magnetic field generated by the electromagnet 3. Utilizing a part of the ions in the plasma flow, a cylindrical target on the target electrode 7 arranged so as to surround the ECR plasma flow 10 is sputtered. The sputtered particles and the ECR plasma are supplied onto a substrate 11 installed in a film forming chamber 9 to form a thin film.
【０００５】このようなＥＣＲスパッタ装置において、
薄膜の形成速度を上げるために、ターゲット電極７をマ
グネトロン型及び電界ミラー型にした装置〔応用物理５
８巻８号ｐ．１２１７（１９８９）〕などが開発され
た。これらの装置では、いずれもターゲットの表面での
プラズマ密度を高くしてスパッタ速度を上げ、薄膜の形
成速度を速くしていた。[0005] In such an ECR sputtering apparatus,
In order to increase the thin film formation speed, a device in which the target electrode 7 is a magnetron type and an electric field mirror type [Applied Physics 5
Vol. 8, No. 8, p. 1217 (1989)]. In each of these apparatuses, the plasma density on the surface of the target was increased to increase the sputtering rate, and the thin film formation rate was increased.
【０００６】マグネトロン型ＥＣＲスパッタ装置におけ
るターゲット電極には、従来、軟鉄を設けた構造の電極
（特開昭６０−１１４５１８号）及びターゲットの外周
に永久磁石を設けた構造の電極（特開平２−２６７２６
４号）が用いられていた。Conventionally, as a target electrode in a magnetron type ECR sputtering apparatus, an electrode having a structure in which soft iron is provided (JP-A-60-114518) and an electrode having a structure in which a permanent magnet is provided on the outer periphery of the target (Japanese Patent Laid-Open Publication No. 26726
No. 4) was used.
【０００７】軟鉄を設けた筒形ターゲット電極７の一部
断面図を図２に示す。この図で１３はバッキングプレー
ト、１４は軟鉄、１５はターゲット、１６は電磁石３が
発生する発散形磁界の磁力線、１７は軟鉄１４を設けた
ことにより発生する局所磁界の磁力線である。局所磁界
の磁力線１７は、軟鉄１４が設けられている位置で一度
ターゲット１５の内部に入り、次にターゲット１５のプ
ラズマ引き出し窓５側の端部で表面から出て、再びター
ゲット１５の成膜室９側の端部でターゲット１５の内部
に戻る。磁力線１７がターゲット１５の表面に平行であ
るときには、発散形磁界の磁力線１６の向きと平行にな
るため、マグネトロン放電を起こすのに十分な磁界強度
が得られる。このため、プラズマ流１０がターゲット１
５の表面に供給されるとマグネトロン放電が起こり、薄
膜の形成速度が速くなる。しかし、ターゲット１５の両
端部において、発散形磁界の軸方向に対して垂直方向の
磁界強度が不十分であるため、２次電子の閉じ込め効果
が悪く、マグネトロン放電が起こるガスの圧力範囲が１
×１０-1Ｐａよりも高く、ＥＣＲプラズマを利用する効
果が減少する。FIG. 2 is a partial sectional view of a cylindrical target electrode 7 provided with soft iron. In this figure, 13 is a backing plate, 14 is soft iron, 15 is a target, 16 is a magnetic field line of a divergent magnetic field generated by the electromagnet 3, and 17 is a magnetic field line of a local magnetic field generated by providing the soft iron 14. The magnetic field lines 17 of the local magnetic field once enter the inside of the target 15 at the position where the soft iron 14 is provided, and then exit the surface at the end of the target 15 on the side of the plasma extraction window 5, and again form the deposition chamber of the target 15. It returns to the inside of the target 15 at the end on the 9th side. When the magnetic field lines 17 are parallel to the surface of the target 15, the magnetic field lines 17 are parallel to the direction of the magnetic field lines 16 of the divergent magnetic field, so that a magnetic field intensity sufficient to cause magnetron discharge is obtained. For this reason, the plasma flow 10
When supplied to the surface of No. 5, magnetron discharge occurs, and the formation speed of the thin film is increased. However, at both ends of the target 15, the magnetic field strength in the direction perpendicular to the axial direction of the divergent magnetic field is insufficient, so that the effect of confining secondary electrons is poor and the pressure range of gas in which magnetron discharge occurs is 1
It is higher than × 10 -1 Pa, and the effect of using the ECR plasma is reduced.
【０００８】そこで、低ガス圧中でマグネトロン放電を
起こすために、図３の断面図に示すような、円筒形ター
ゲット１５の外周に永久磁石１８を設けた構成のターゲ
ット電極７が開発された。この電極では、ターゲット１
５の表面における磁力線１８ａの向きが発散形磁界の磁
力線の向きと逆方向であり、ターゲット１５の両端部に
おける垂直方向の磁界強度を強くしている。その結果、
電子の閉じ込めが向上し、１０-2Ｐａ台の低ガス圧中で
マグネトロン放電が実現した。Therefore, in order to generate a magnetron discharge under a low gas pressure, a target electrode 7 having a configuration in which a permanent magnet 18 is provided on the outer periphery of a cylindrical target 15 as shown in a sectional view of FIG. 3 has been developed. In this electrode, target 1
The direction of the magnetic field lines 18 a on the surface of the target 5 is opposite to the direction of the magnetic field lines of the divergent magnetic field, and the magnetic field strength in the vertical direction at both ends of the target 15 is increased. as a result,
Electron confinement was improved, and a magnetron discharge was realized in a low gas pressure of the order of 10 -2 Pa.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかし、永久磁石１８
が発生する磁界の影響により基板面における発散形磁界
は狭くなり、基板上に供給されるＥＣＲプラズマは中心
部に限られ、周辺部ではほとんど供給されない欠点があ
った。その上、ターゲット１５の表面における発散形磁
界軸方向の磁界の強度分布が悪く、ターゲット１５の中
心部だけが強くスパッタされことになる。このため、タ
ーゲット１５の利用効率が低く最大でも３０％程度であ
るという欠点もあった。However, the permanent magnet 18
The divergent magnetic field on the substrate surface becomes narrow due to the influence of the magnetic field generated by E. As a result, the ECR plasma supplied on the substrate is limited to the central portion, and is hardly supplied at the peripheral portion. In addition, the intensity distribution of the magnetic field in the direction of the divergent magnetic field axis on the surface of the target 15 is poor, and only the central portion of the target 15 is strongly sputtered. For this reason, there is also a drawback that the utilization efficiency of the target 15 is low and is at most about 30%.
【００１０】本発明は、上記のマグネトロン型ＥＣＲス
パッタ装置の欠点を解決し、高品質薄膜を効率よく形成
することができるＥＣＲスパッタによる薄膜形成装置を
提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above-mentioned drawbacks of the magnetron type ECR sputtering apparatus and to provide a thin film forming apparatus by ECR sputtering capable of efficiently forming a high quality thin film.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の薄膜形成装置は、電磁石で発生した磁界の
中にプラズマ生成室を備え、該プラズマ生成室にプラズ
マ用ガス及びマイクロ波が導入されて電子サイクロトン
共鳴（ＥＣＲ）により該プラズマ生成室内にプラズマが
生成され、前記電磁石で発生した発散形磁界により、前
記プラズマ生成室のプラズマ引出し窓から前記プラズマ
を成膜室に引き出し、この引き出されたプラズマ流を囲
むように同軸状に配置されたターゲット電極のターゲッ
トをスパッタすることにより、前記成膜室中に設置した
基板上に薄膜を形成するＥＣＲスパッタによる薄膜形成
装置において、前記ターゲット電極が、前記ターゲット
と前記プラズマ引き出し窓の間では前記発散形磁界の軸
方向磁界と逆方向の所定の磁界を発生し、前記ターゲッ
トの表面では発散形磁界の軸方向磁界と同一方向の磁界
を発生し、前記ターゲットの前記プラズマ引き出し窓側
及び該ターゲットの前記成膜室側の両端部で発散形磁界
の軸方向に対して垂直方向の磁界を発生するための永久
磁石を前記ターゲットと前記プラズマ引き出し窓の間及
び前記ターゲットの外周に配置した構造であることを特
徴とする構成を有している。以下本発明装置の構成及び
機能について具体的に説明する。In order to achieve this object, a thin film forming apparatus according to the present invention includes a plasma generation chamber in a magnetic field generated by an electromagnet, and the plasma generation chamber includes a plasma gas and a microwave. Is introduced, a plasma is generated in the plasma generation chamber by electron cyclotron resonance (ECR), and the plasma is drawn out from a plasma extraction window of the plasma generation chamber into a film formation chamber by a divergent magnetic field generated by the electromagnet. In a thin film forming apparatus by ECR sputtering, a target of a target electrode arranged coaxially so as to surround the extracted plasma flow is sputtered to form a thin film on a substrate installed in the film forming chamber. The target electrode has a direction opposite to the axial magnetic field of the divergent magnetic field between the target and the plasma extraction window. A predetermined magnetic field is generated, and a magnetic field in the same direction as the axial magnetic field of the divergent magnetic field is generated on the surface of the target. The divergent magnetic field is generated at both ends of the target on the plasma extraction window side and the target on the film forming chamber side. A permanent magnet for generating a magnetic field in a direction perpendicular to the axial direction of the magnetic field is arranged between the target and the plasma extraction window and on the outer periphery of the target. . Hereinafter, the configuration and function of the device of the present invention will be specifically described.
【００１２】本発明のマグネトロン型ＥＣＲスパッタ装
置は、図１に示した基本的なＥＣＲスパッタ装置と同様
に、ＥＣＲプラズマ発生部（１，２，３，４），筒形
（例えば円筒形）ターゲット電極７及び成膜室９から構
成されている。プラズマ生成室４におけるＥＣＲプラズ
マの発生及び発散形磁界によるプラズマの引き出しは前
記の基本的装置の場合と同様に行われる。ターゲット電
極７は、プラズマ引き出し窓５に隣接して、プラズマ流
を囲むように同軸状に配置される。このターゲット電極
７には後述のようにターゲットとプラズマ引き出し窓の
間及びターゲットの外周に永久磁石が配置されるため、
ターゲットとプラズマ引き出し窓の間で発散形磁界の軸
方向磁界と逆方向の磁界を発生し、ターゲットの表面で
発散形磁界の軸方向磁界と同一方向の磁界を発生し、タ
ーゲットのプラズマ引き出し窓側及びターゲットの成膜
室側の両端部で発散形磁界の軸方向に対して垂直方向の
磁界を発生する。A magnetron type ECR sputtering apparatus according to the present invention has an ECR plasma generating section (1, 2, 3, 4) and a cylindrical (for example, cylindrical) target similarly to the basic ECR sputtering apparatus shown in FIG. It comprises an electrode 7 and a film forming chamber 9. The generation of the ECR plasma in the plasma generation chamber 4 and the extraction of the plasma by the divergent magnetic field are performed in the same manner as in the case of the above-described basic device. The target electrode 7 is coaxially arranged adjacent to the plasma extraction window 5 so as to surround the plasma flow. Since permanent magnets are arranged on the target electrode 7 between the target and the plasma extraction window and on the outer periphery of the target as described later,
A magnetic field opposite to the axial magnetic field of the divergent magnetic field is generated between the target and the plasma extraction window, and a magnetic field in the same direction as the axial magnetic field of the divergent magnetic field is generated on the surface of the target. A magnetic field perpendicular to the axial direction of the divergent magnetic field is generated at both ends of the target on the film forming chamber side.
【００１３】このようにして発生した局所磁界では磁力
線がターゲットの両端部で強く集中するため、発散形磁
界の軸方向に垂直な方向の磁界強度が１００Ｇ以上の強
さになる。このため電子の閉じ込め効果が高く、５×１
０-2Ｐａまでの低ガス圧で安定にマグネトロン放電が起
こり、効率よくスパッタすることができる。上記の各局
所磁界はターゲット近傍に集中して、基板面における発
散形磁界の狭小化に及ぼす影響が小さいので、ＥＣＲプ
ラズマの基板への供給を損なわずに薄膜形成を行うこと
ができる効果がある。さらに、上記のターゲット表面に
おける発散形磁界の軸方向の磁界強度の均一性が向上す
るので、ターゲットの全面にわたってスパッタされ、タ
ーゲットの利用効率が向上する効果がある。In the local magnetic field generated in this manner, since the magnetic field lines are strongly concentrated at both ends of the target, the magnetic field intensity in the direction perpendicular to the axial direction of the divergent magnetic field becomes 100 G or more. Therefore, the effect of confining electrons is high and 5 × 1
Magnetron discharge occurs stably at a low gas pressure of 0 -2 Pa, and sputtering can be performed efficiently. Each of the above local magnetic fields concentrates near the target, and has a small effect on narrowing of the divergent magnetic field on the substrate surface. Therefore, there is an effect that a thin film can be formed without impairing the supply of the ECR plasma to the substrate. . Furthermore, since the uniformity of the magnetic field intensity of the divergent magnetic field on the target surface in the axial direction is improved, the target is sputtered over the entire surface, and the use efficiency of the target is improved.
【００１４】上記のような局所磁界を発生するために、
ターゲットとプラズマ引き出し窓との間に配置される円
筒形永久磁石の数及びターゲットの外周に配置される円
筒形永久磁石の数は特に限定されない。ターゲットの利
用効率の向上のためには、ターゲットの外周に配置され
る永久磁石は複数個配置することが好ましい。To generate a local magnetic field as described above,
The number of cylindrical permanent magnets disposed between the target and the plasma extraction window and the number of cylindrical permanent magnets disposed on the outer periphery of the target are not particularly limited. In order to improve the use efficiency of the target, it is preferable to arrange a plurality of permanent magnets arranged on the outer periphery of the target.
【００１５】[0015]
【実施例】図４は、本発明の実施例である円筒形マグネ
トロン型ターゲット電極の断面図である。ここで、１３
は銅製のバッキングプレート、１５はターゲット、１６
は発散形磁界の磁力線、１９及び２０はそれぞれプラズ
マ引き出し窓５側のターゲットシールド板及び成膜室側
のターゲットシールド板、２１は円筒形の第１の永久磁
石、２２は円筒形の第２の永久磁石、２３は円筒形の第
３の永久磁石、２４，２５及び２６は３個の永久磁石を
設けたことにより発生した局所磁界の磁力線である。FIG. 4 is a sectional view of a cylindrical magnetron-type target electrode according to an embodiment of the present invention. Where 13
Is a copper backing plate, 15 is a target, 16
Is a magnetic field line of a divergent magnetic field, 19 and 20 are a target shield plate on the plasma extraction window 5 side and a target shield plate on the film formation chamber side respectively, 21 is a first cylindrical permanent magnet, and 22 is a second cylindrical permanent magnet. Permanent magnets, 23 are cylindrical third permanent magnets, and 24, 25, and 26 are lines of magnetic force of a local magnetic field generated by providing three permanent magnets.
【００１６】ここで、ターゲット１５は１００ｍｍφ×
１１０ｍｍφ×５０ｍｍの円筒であり、前記のプラズマ
流を囲むように同軸状に配置した。プラズマ引き出し窓
５側のターゲットシールド板１９の端と成膜室側のター
ゲットシールド板２０の端との間の距離、即ちスパッタ
されるターゲット部分の長さは４０ｍｍとした。各永久
磁石２１，２２，２３は長方形の永久磁石を張り合わせ
て製造した。発散形磁界の軸方向は、プラズマ引き出し
窓５から成膜室に向かうように調節した。Here, the target 15 is 100 mmφ ×
It was a cylinder of 110 mmφ × 50 mm, which was arranged coaxially so as to surround the plasma flow. The distance between the end of the target shield plate 19 on the plasma extraction window 5 side and the end of the target shield plate 20 on the film formation chamber side, that is, the length of the target portion to be sputtered was 40 mm. Each of the permanent magnets 21, 22, and 23 was manufactured by laminating rectangular permanent magnets. The axial direction of the divergent magnetic field was adjusted so as to extend from the plasma extraction window 5 to the film formation chamber.
【００１７】第１の永久磁石２１は、ターゲット１５と
プラズマ引き出し窓５の間で、ターゲット１５に対して
同軸状に配置した。この磁石のＮ極−Ｓ極の方向は発散
形磁界の軸方向と平行にするとともに、Ｓ極をプラズマ
引き出し窓５側に向けた。第２の永久磁石２２はターゲ
ット１５のプラズマ引き出し窓５側の外周に同軸状に配
置し、Ｎ極−Ｓ極の方向をターゲット１５の表面に対し
て垂直にするとともに、Ｎ極をターゲット１５側に向け
た。第３の永久磁石２３は第２の永久磁石２２の位置よ
りも成膜室９側に配置し、Ｎ極−Ｓ極の方向をターゲッ
ト１５の表面に対して垂直にするとともに、Ｓ極をター
ゲット１５側に向けた。The first permanent magnet 21 is arranged coaxially with the target 15 between the target 15 and the plasma extraction window 5. The direction of the N pole-S pole of this magnet was parallel to the axial direction of the divergent magnetic field, and the S pole was directed toward the plasma extraction window 5. The second permanent magnet 22 is coaxially arranged on the outer periphery of the target 15 on the side of the plasma extraction window 5, the direction of the N pole-S pole is perpendicular to the surface of the target 15, and Turned to. The third permanent magnet 23 is disposed closer to the film forming chamber 9 than the position of the second permanent magnet 22, the direction of the N-pole and the S-pole is perpendicular to the surface of the target 15, and the S-pole is Turned to the 15 side.
【００１８】このような３個の永久磁石の配置により、
磁力線２４で示すように、ターゲット１５の表面からプ
ラズマ引き出し窓５側に延長した表面において、発散形
磁界の軸方向と逆向きの磁界が発生し、磁力線２５で示
すように、ターゲット１５の表面では発散形磁界の軸方
向と同じ方向の磁界が発生し、ターゲットシールド板１
９のプラズマ引き出し窓側の端部及びターゲットシール
ド板２０の成膜室側の端部において発散形磁界の軸方向
に垂直の方向の磁界を発生させた。With the arrangement of the three permanent magnets,
As shown by the magnetic field lines 24, a magnetic field in a direction opposite to the axial direction of the divergent magnetic field is generated on the surface extending from the surface of the target 15 to the plasma extraction window 5 side, and as shown by the magnetic field lines 25, A magnetic field in the same direction as the axial direction of the divergent magnetic field is generated, and the target shield plate 1
A magnetic field in the direction perpendicular to the axial direction of the divergent magnetic field was generated at the end of the plasma extraction window 9 and the end of the target shield plate 20 on the deposition chamber side.
【００１９】上記の各局所磁界の強度は、それぞれター
ゲット１５の表面上の発散形磁界の軸方向と同じ方向で
は７７０Ｇ、各ターゲットシールド板１９，２０の端に
おける発散形磁界の軸方向と同じ方向ではゼロに近く、
各ターゲット用シールド板１９，２０の端におけるター
ゲット１５の表面に垂直な方向では１３０Ｇ以上であっ
た。このように、本発明の磁界はターゲットシールド板
１９，２０の両端部、即ちターゲット１５の両端部に相
当する部分に集中することを確認した。The intensity of each local magnetic field is 770 G in the same direction as the axial direction of the divergent magnetic field on the surface of the target 15, and the same direction as the axial direction of the divergent magnetic field at the end of each of the target shield plates 19 and 20. So close to zero,
It was 130 G or more in the direction perpendicular to the surface of the target 15 at the end of each of the target shield plates 19 and 20. As described above, it was confirmed that the magnetic field of the present invention was concentrated on both ends of the target shield plates 19 and 20, that is, portions corresponding to both ends of the target 15.
【００２０】上記の実施例の特性例として、ターゲット
１５として絶縁性の円筒形Ｓｉターゲットを用い、プラ
ズマ生成室にＡｒガス及び４００Ｗのマイクロ波電力を
導入してＥＣＲプラズマを生成するとともに、ターゲッ
ト電極７に５００Ｗの高周波電力を投入してスパッタを
行ったときの、高周波電力のｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ
電圧（Ｖｐｐ）とＡｒガス圧の関係を図５に示す。この
図から、４×１０-2Ｐａ以上のガス圧中でのＶｐｐは約
５００Ｖで一定であり、それよりも低ガス圧で急に高く
なることがわかる。この結果から、４×１０-2Ｐａ以上
のガス圧でマグネトロン放電が起きることを確認した。As an example of the characteristics of the above embodiment, an ECR plasma is generated by using an insulating cylindrical Si target as the target 15 and introducing an Ar gas and a microwave power of 400 W into a plasma generation chamber. 7, peak-to-peak of high-frequency power when 500 W of high-frequency power is supplied to perform sputtering.
FIG. 5 shows the relationship between the voltage (Vpp) and the Ar gas pressure. From this figure, it can be seen that Vpp in a gas pressure of 4 × 10 −2 Pa or more is constant at about 500 V, and rapidly increases at a lower gas pressure. From this result, it was confirmed that magnetron discharge occurs at a gas pressure of 4 × 10 −2 Pa or more.
【００２１】次に、上記のスパッタ条件の中でＡｒガス
圧を０．０６Ｐａとし、高周波電力を変えた場合のＶｐ
ｐと高周波電力の関係を図６の黒丸印で示す。この図に
は、参考例として、ターゲット電極に永久磁石を配置し
ない場合についても白丸印で記載してある。この図から
本発明の装置では、マグネトロン放電を起こすことによ
り、高周波電力が低く、高周波電力が大きくなっても高
周波電圧の上昇割合が少ないことがわかる。このこと
は、投入した高周波電力が大きくなるとともに高周波電
流が増加することを表しており、高周波電力の大部分が
スパッタに有効に用いられていることを示している。一
方、基板の位置に負のバイアス電圧を印加して、基板直
上でのイオン電流を測定したところ、本発明のターゲッ
ト電極を用いた場合のイオン電流は、永久磁石を配置し
ていないターゲット電極を用いたときのイオン電流より
も１０％程度減少するだけであった。このことから、広
い面積のＥＣＲプラズマが基板に供給されることを確認
した。以上の結果から本発明の装置により、基板へのＥ
ＣＲプラズマの供給を大きく損なわずに、効率よくスパ
ッタできることを確認した。Next, under the above sputtering conditions, the Ar gas pressure was set to 0.06 Pa and the Vp when the high frequency power was changed.
The relationship between p and the high-frequency power is shown by black circles in FIG. In this figure, as a reference example, the case where no permanent magnet is arranged on the target electrode is also indicated by white circles. From this figure, it can be seen that in the apparatus of the present invention, the high-frequency power is low due to the occurrence of the magnetron discharge, and the increase rate of the high-frequency voltage is small even when the high-frequency power increases. This indicates that the supplied high-frequency power increases and the high-frequency current increases, indicating that most of the high-frequency power is effectively used for sputtering. On the other hand, when a negative bias voltage was applied to the position of the substrate and the ion current was measured directly above the substrate, the ion current when the target electrode of the present invention was used was the same as the target electrode without a permanent magnet. It only decreased about 10% from the ion current when used. From this, it was confirmed that a large area of ECR plasma was supplied to the substrate. From the above results, the apparatus according to the present invention allows E
It was confirmed that sputtering could be performed efficiently without significantly impairing the supply of CR plasma.
【００２２】次に、上記実施例の装置により、Ｚｎター
ゲットを用い、Ｏ2 とＡｒの混合ガス中の反応スパッタ
によりガラス基板上にＺｎＯ薄膜を形成した。数１０回
薄膜を形成した後のターゲットにおける発散形磁界の軸
方向と平行な方向のエロージョンの断面図を図７に示
す。この図では、ターゲットの上下左右の４箇所につい
て測定した結果を示してある。この図からターゲットは
全面にわたってスパッタされていることがわかる。ター
ゲットの利用効率は約６０％であり、図３で示した従来
のマグネトロン型電極における利用効率（最大約３０
％）よりも高いことを確認した。Next, a ZnO thin film was formed on a glass substrate by reactive sputtering in a mixed gas of O 2 and Ar using a Zn target using the apparatus of the above embodiment. FIG. 7 shows a cross-sectional view of erosion in a direction parallel to the axial direction of the divergent magnetic field in the target after forming the thin film several tens of times. This figure shows the results of measurement at four locations, up, down, left, and right of the target. From this figure, it can be seen that the target is sputtered over the entire surface. The utilization efficiency of the target is about 60%, and the utilization efficiency of the conventional magnetron type electrode shown in FIG.
%).
【００２３】発散形磁界の軸方向磁界を図４における方
向と逆にした場合には、各永久磁石のＮ極−Ｓ極の方向
をすべて逆にすることにより、上記と同様の局所磁界分
布が得られた。ターゲット電極に配置される永久磁石の
数及びＮ極−Ｓ極の方向は図４に示された組合せに限定
されるものではなく、幾つかの組合せにより、上記と同
様の局所磁界を発生することが可能である。When the axial magnetic field of the divergent magnetic field is reversed from the direction in FIG. 4, the local magnetic field distribution similar to the above can be obtained by reversing the directions of the N pole and S pole of each permanent magnet. Obtained. The number of permanent magnets arranged on the target electrode and the directions of the north pole and the south pole are not limited to the combinations shown in FIG. 4, but a local magnetic field similar to the above may be generated by some combinations. Is possible.
【００２４】[0024]
【発明の効果】以上説明したように、本発明のＥＣＲス
パッタ装置では、１０-2Ｐａの低ガス圧中で安定にマグ
ネトロン放電が起こり、発生したＥＣＲプラズマの多く
が基板に供給されるので、高品質薄膜を高速で形成する
ことが可能であり、さらに、スパッタはターゲットの全
面で起こるのでターゲットの利用効率が高い効果があ
る。As described above, in the ECR sputtering apparatus of the present invention, magnetron discharge occurs stably in a low gas pressure of 10 -2 Pa, and most of the generated ECR plasma is supplied to the substrate. A high-quality thin film can be formed at a high speed, and since the sputtering occurs on the entire surface of the target, the use efficiency of the target is high.
【図１】基本的なＥＣＲスパッタ装置の断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a basic ECR sputtering apparatus.
【図２】図１におけるＥＣＲスパッタ装置の円筒形ター
ゲット電極において、軟鉄を設けた構成の、従来のマグ
ネトロン型ターゲット電極の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventional magnetron-type target electrode having a configuration in which soft iron is provided in the cylindrical target electrode of the ECR sputtering apparatus in FIG.
【図３】図１におけるＥＣＲスパッタ装置の円筒形ター
ゲット電極において、ターゲットの外周に永久磁石を設
けた構成の、従来のマグネトロン型ターゲット電極の断
面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional magnetron target electrode having a configuration in which a permanent magnet is provided on the outer periphery of a target in the cylindrical target electrode of the ECR sputtering apparatus in FIG.
【図４】本発明の実施例であるＥＣＲスパッタ装置にお
ける円筒形のマグネトロン型ターゲット電極の断面図で
ある。FIG. 4 is a sectional view of a cylindrical magnetron type target electrode in the ECR sputtering apparatus according to the embodiment of the present invention.
【図５】本発明のＥＣＲスパッタ装置において、絶縁性
のＳｉターゲットを用い、Ａｒガス及び４００Ｗのマイ
クロ波電力を導入してＥＣＲプラズマを生成し、５００
Ｗの高周波電力をターゲットに投入した場合の、高周波
電力のｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ電圧（Ｖｐｐ）とガス
圧の関係を示した特性図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of an ECR sputtering apparatus according to the present invention, using an insulating Si target, introducing Ar gas and microwave power of 400 W to generate ECR plasma, and
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a relationship between a peak-to-peak voltage (Vpp) of high-frequency power and a gas pressure when high-frequency power of W is supplied to a target.
【図６】本発明のＥＣＲスパッタ装置において、絶縁性
のＳｉターゲットを用い、Ａｒガス圧を０．０６Ｐａと
し、４００Ｗのマイクロ波電力を導入してＥＣＲプラズ
マを生成した場合の、Ｖｐｐと高周波電力の関係を示す
特性図（黒丸印）、及びこれと同じスパッタ条件でター
ゲット電極の中に永久磁石が無い場合の参考図（白丸
印）である。FIG. 6 shows Vpp and high-frequency power when ECR plasma is generated by using an insulating Si target, setting an Ar gas pressure to 0.06 Pa, and introducing microwave power of 400 W in the ECR sputtering apparatus of the present invention. (Black circle) and a reference diagram (white circle) when there is no permanent magnet in the target electrode under the same sputtering conditions.
【図７】本発明のＥＣＲスパッタ装置において、Ｚｎタ
ーゲットを用い、Ｏ2 とＡｒの混合ガス中で反応スパッ
タを行い、数１０回薄膜を形成した後の、発散形磁界の
軸方向の、ターゲットのエロージョンを示す図である。FIG. 7 is a view illustrating a target in the axial direction of a divergent magnetic field after performing a reactive sputtering in a mixed gas of O 2 and Ar by using a Zn target and forming a thin film several tens of times in the ECR sputtering apparatus of the present invention. FIG.
１ マイクロ波導波管 ２ マイクロ波導入窓 ３ 電磁石 ４ プラズマ生成室 ５ 円筒形のプラズマ引き出し窓 ６ ガス導入口 ７ 円筒形のターゲット電極 ８ スパッタ用電源 ９ 成膜室 １０ プラズマ流 １１ 基板 １２ 成膜室へのガス導入口 １３ 円筒形のバッキングプレート １４ 円筒形の軟鉄 １５ 円筒形のターゲット １６ 発散形磁界の磁力線 １７ 軟鉄１４が発生する局所磁界の磁力線 １８ 永久磁石 １８ａ 永久磁石１８が発生する局所磁界 １９ プラズマ引き出し窓側のターゲットシールド板 ２０ 成膜室側のターゲットシールド板 ２１ 円筒形の第１の永久磁石 ２２ 円筒形の第２の永久磁石 ２３ 円筒形の第３の永久磁石 ２４，２５，２６ 第１の永久磁石２１、第２の永久磁
石２２及び第３の永久磁石２３が一組となって発生する
局所磁界の磁力線。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Microwave waveguide 2 Microwave introduction window 3 Electromagnet 4 Plasma generation chamber 5 Cylindrical plasma extraction window 6 Gas introduction port 7 Cylindrical target electrode 8 Sputtering power supply 9 Film formation chamber 10 Plasma flow 11 Substrate 12 Film formation chamber Gas inlet 13 cylindrical backing plate 14 cylindrical soft iron 15 cylindrical target 16 magnetic field line of divergent magnetic field 17 magnetic field line of local magnetic field generated by soft iron 18 permanent magnet 18a local magnetic field generated by permanent magnet 18 19 Target shield plate on the side of plasma draw-out window 20 Target shield plate on the side of the deposition chamber 21 First cylindrical permanent magnet 22 Second cylindrical permanent magnet 23 Third cylindrical permanent magnet 24, 25, 26 First Local magnetic field generated as a set of the permanent magnet 21, the second permanent magnet 22, and the third permanent magnet 23 Lines of magnetic force.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野 堅一 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 肥留川 洋一 東京都品川区西五反田１丁目11番８号 株式会社アフティ内 (72)発明者 五十嵐 賢 東京都品川区西五反田１丁目11番８号 株式会社アフティ内 (56)参考文献 特開 平２−267264（ＪＰ，Ａ) 特公 平６−91013（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C23C 14/34 - 14/35 H01L 21/203────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Kenichi Ono 1-1-6 Uchisaiwai-cho, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (72) Inventor Yoichi Hirukawa 1-11-8 Nishigotanda, Shinagawa-ku, Tokyo No. Afti Co., Ltd. (72) Inventor Ken Igarashi 1-11-8 Nishigotanda, Shinagawa-ku, Tokyo Afti Co., Ltd. (56) References JP-A-2-267264 (JP, A) JP 6-91013 (JP, B2) (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) C23C 14/34-14/35 H01L 21/203
Claims (1)
成室を備え、該プラズマ生成室にプラズマ用ガス及びマ
イクロ波が導入されて電子サイクロトン共鳴（ＥＣＲ）
により該プラズマ生成室内にプラズマが生成され、前記
電磁石で発生した発散形磁界により、前記プラズマ生成
室のプラズマ引出し窓から前記プラズマを成膜室に引き
出し、この引き出されたプラズマ流を囲むように同軸状
に配置されたターゲット電極のターゲットをスパッタす
ることにより、前記成膜室中に設置した基板上に薄膜を
形成するＥＣＲスパッタによる薄膜形成装置において、 前記ターゲット電極が、前記ターゲットと前記プラズマ
引き出し窓の間では前記発散形磁界の軸方向磁界と逆方
向の所定の磁界を発生し、前記ターゲットの表面では発
散形磁界の軸方向磁界と同一方向の磁界を発生し、前記
ターゲットの前記プラズマ引き出し窓側及び該ターゲッ
トの前記成膜室側の両端部で発散形磁界の軸方向に対し
て垂直方向の磁界を発生するための永久磁石を前記ター
ゲットと前記プラズマ引き出し窓の間及び前記ターゲッ
トの外周に配置した構造であることを特徴とする薄膜形
成装置。1. A plasma generation chamber is provided in a magnetic field generated by an electromagnet, and a plasma gas and microwaves are introduced into the plasma generation chamber to perform electron cyclotron resonance (ECR).
A plasma is generated in the plasma generation chamber, and the divergent magnetic field generated by the electromagnet draws the plasma into a film formation chamber from a plasma extraction window of the plasma generation chamber, and coaxially surrounds the extracted plasma flow. In a thin film forming apparatus by ECR sputtering for forming a thin film on a substrate placed in the film formation chamber by sputtering a target of a target electrode arranged in a shape, the target electrode is formed by the target and the plasma extraction window. A predetermined magnetic field in a direction opposite to the axial magnetic field of the divergent magnetic field is generated between the target and a magnetic field in the same direction as the axial magnetic field of the divergent magnetic field is generated on the surface of the target. And a magnetic field perpendicular to the axial direction of the divergent magnetic field at both ends of the target on the film forming chamber side. A thin film forming apparatus having a structure in which permanent magnets for generating a magnetic field are arranged between the target and the plasma extraction window and on the outer periphery of the target.
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