JPH10158830A - Film forming method by sputtering - Google Patents
Film forming method by sputteringInfo
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- JPH10158830A JPH10158830A JP31506896A JP31506896A JPH10158830A JP H10158830 A JPH10158830 A JP H10158830A JP 31506896 A JP31506896 A JP 31506896A JP 31506896 A JP31506896 A JP 31506896A JP H10158830 A JPH10158830 A JP H10158830A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、成膜効率を格段に
向上させることができるスパッタリング成膜方法に関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sputtering film forming method capable of significantly improving the film forming efficiency.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光学薄膜や導電性薄膜などの各種の薄膜
を形成する際にスパッタリングが行われる。スパッタリ
ングでは、グロー放電で生成された陽イオンを電気的さ
らには磁気的に加速してターゲット材料に衝突させ、こ
れにより叩き出された原子を基板に被着させることによ
って成膜が行われる。グロー放電のために真空槽内には
アルゴンガスなどの不活性ガスが導入されるが、化学反
応性スパッタリングを行う際にはさらに酸素ガス，窒素
ガスなどの反応ガスの導入も行われる。スパッタリング
で形成した薄膜は、抵抗加熱方式や電子線加熱方式に代
表される真空蒸着法で形成した薄膜と比較して、成膜に
時間がかかるという難点はあるものの、膜構造が緻密で
物理，化学的に安定したものが得られ、また基板への付
着力の強い薄膜が得られるという利点がある。2. Description of the Related Art Sputtering is performed when forming various thin films such as an optical thin film and a conductive thin film. In sputtering, cations generated by glow discharge are electrically or magnetically accelerated to collide with a target material, and the atoms struck out thereby are deposited on a substrate to form a film. An inert gas such as an argon gas is introduced into the vacuum chamber for glow discharge, but a reactive gas such as an oxygen gas or a nitrogen gas is also introduced when performing the chemically reactive sputtering. Although the thin film formed by sputtering has the disadvantage that it takes more time to form the film than the thin film formed by a vacuum deposition method typified by a resistance heating method or an electron beam heating method, the film structure is dense and physical, There is an advantage that a chemically stable product can be obtained and a thin film having a strong adhesive force to a substrate can be obtained.
【０００３】化学反応性スパッタリングの成膜効率を向
上させるために、例えば特開平８−１７６８１３号公報
記載の手法では、放電ガスとして導入するアルゴンガス
と反応ガスとして導入する酸素ガスとの分布密度を基板
とターゲット材料との間で異ならせ、特にターゲット材
料近傍では酸素ガスの密度が低くなるように制御してい
る。これにより、ターゲット材料そのものの表面が酸化
反応してしまうことを防ぎつつも、ターゲット材料から
叩き出された原子については十分な酸化反応を行わせる
ことができるようになり、反応性スパッタリングの効率
を大きく高めることが可能となる。[0003] In order to improve the film forming efficiency of the chemically reactive sputtering, for example, in the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-176713, the distribution density of an argon gas introduced as a discharge gas and an oxygen gas introduced as a reaction gas is reduced. The difference is made between the substrate and the target material, and in particular, the density of the oxygen gas is controlled to be low near the target material. As a result, while preventing the surface of the target material itself from being oxidized, atoms struck out of the target material can be sufficiently oxidized, thereby increasing the efficiency of reactive sputtering. It becomes possible to greatly increase.
【０００４】さらに上記装置の場合、ターゲット材料そ
のものの酸化が抑制されていることから、ターゲット材
料の発熱もあまり問題にはならない。そして、逆にこの
ターゲット材料からの輻射熱を利用して基板の加熱を行
うこともまた特徴の１つになっており、強固な薄膜を形
成する上で有利となっている。Further, in the case of the above-mentioned apparatus, since the oxidation of the target material itself is suppressed, heat generation of the target material does not cause much problem. Conversely, heating the substrate using the radiant heat from the target material is also one of the features, which is advantageous in forming a strong thin film.
【０００５】上記装置を含め、従来のスパッタリング装
置においては、基本的にターゲット材料と基板との間に
グロー放電を発生させるために、両者間には例えば１〜
１０ｋＷ程度の高電力が供給される。入力電力をＷI 、
放電開始後にターゲット材料と基板との間に生じる出力
電力をＷO とすると、電極構造やターゲット材料の種
類、さらには放電ガスや反応ガスの導入量によって放電
条件が決まり、一般には図１（Ａ）に示すように、出力
電力ＷO は入力電力ＷI の増加に伴って線形あるいは非
線形に単調増加する。In a conventional sputtering apparatus including the above-described apparatus, basically, a glow discharge is generated between a target material and a substrate.
A high power of about 10 kW is supplied. The input power is W I ,
Assuming that the output power generated between the target material and the substrate after the start of the discharge is W O , the discharge conditions are determined by the electrode structure, the type of the target material, and the amounts of the discharge gas and the reactant gas introduced. ), The output power W O monotonically increases linearly or non-linearly as the input power W I increases.
【０００６】また、図１（Ｂ）に示すように、スパッタ
リング成膜時における放電ガスの導入量を増やしてゆく
と、電極構造やターゲット材料、入力電力などの初期条
件によって傾きに差はでるものの、入力電力を一定に保
った状態でも出力電力ＷO がほぼ直線的に増加してゆく
ことが知られている。これは、放電ガスの密度が高くな
ることによって放電抵抗が小さくなり、放電電流が増加
することに起因していると考えられ、従来ではこれらの
放電特性に基づいて入力電圧ＷI の設定を行っている。Further, as shown in FIG. 1B, when the amount of discharge gas introduced during sputtering film formation is increased, the inclination varies depending on the initial conditions such as the electrode structure, the target material, and the input power. It is known that the output power W O increases almost linearly even when the input power is kept constant. This is considered to be due to the fact that the discharge resistance is reduced by the increase in the density of the discharge gas, and the discharge current is increased.Conventionally, the input voltage W I is set based on these discharge characteristics. ing.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】前述のように、化学反
応性スパッタリングでは放電ガスの他に酸素ガスや窒素
ガスなどの反応ガスが導入されるが、放電条件はまた放
電ガスと反応ガスとの混合比によっても変動することが
知られており、一般には反応ガスの混合比を増やすと放
電させにくくなる（放電電流減少）傾向を示す。従来で
は放電ガスの導入量に対して反応ガスの導入量を数パー
セント程度に抑えているのが普通で、こうした条件のも
とで入力電力ＷI の設定及び放電ガス及び反応ガスのト
ータルの導入量を決め、図１（Ａ），（Ｂ）に示す単調
増加の特性範囲内でスパッタリング成膜を行っているの
が実情である。As described above, in the chemical reactive sputtering, a reactive gas such as an oxygen gas or a nitrogen gas is introduced in addition to the discharge gas. It is known that the ratio fluctuates depending on the mixing ratio. Generally, when the mixing ratio of the reaction gas is increased, the discharge becomes difficult (discharge current decreases). In conventional normally that thereby suppressing the amount of introduction of the reaction gas in a few percent with respect to the introduced amount of the discharge gas, the introduction of total set and discharge gas and the reactive gas input power W I under these conditions In fact, the amount is determined and the sputtering film formation is performed within the monotonically increasing characteristic range shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B).
【０００８】しかしながら、上記のような通常の放電特
性のもとでスパッタリングを行っても、その成膜効率と
しては、物理的膜厚で２０〜３０オングストローム／se
c が限度になっている。図１（Ａ）に示すように、通常
の放電特性では入力電力ＷIの増加により出力電力ＷO
（放電電流）を増加させることはできるが、これは単に
熱エネルギーに変換されるだけで、必ずしも成膜効率の
向上にはつながらない。同様に、ガス導入量を増やして
高い出力電力ＷO を得ることもできるが、これのみでは
成膜効率を高めることはできない。[0008] However, even if sputtering is performed under the above-described ordinary discharge characteristics, the film forming efficiency remains at a physical film thickness of 20 to 30 angstroms / sec.
c is at the limit. As shown in FIG. 1A, in a normal discharge characteristic, the output power W O is increased due to an increase in the input power W I.
Although (discharge current) can be increased, this is simply converted into thermal energy, and does not necessarily lead to an improvement in film formation efficiency. Similarly, a high output power W O can be obtained by increasing the gas introduction amount, but this alone cannot increase the film formation efficiency.
【０００９】本発明は上記背景のもとでなされたもの
で、独特の放電条件のもとで成膜を行うことによって、
従来と比較して格段に効率的な成膜を行うことができる
スパッタリング成膜方法を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above background, and by performing film formation under unique discharge conditions,
It is an object of the present invention to provide a sputtering film forming method capable of forming a film much more efficiently than in the past.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するにあたり、化学反応性スパッタリングの放電特性に
特異点があることを見出し、この特異点を経た後の高速
スパッタリング状態で成膜を行うことによって、きわめ
て高い効率での成膜を可能としたものである。高速スパ
ッタリング状態を得るために、本発明方法ではこれまで
のスパッタリング成膜方法と比較して大量の反応ガスを
導入した状態でスパッタリングを行うことが特徴であ
り、従来では放電ガスと反応ガスとの導入圧力比が高々
１：０．１５程度であったのに対し、本発明では１：
０．８〜１：１．５程度、好ましくは１：１〜１：１．
２にして成膜を行う。In order to achieve the above object, the present invention has found that there is a singular point in the discharge characteristics of chemically reactive sputtering, and performs film formation in a high-speed sputtering state after passing through this singular point. As a result, a film can be formed with extremely high efficiency. In order to obtain a high-speed sputtering state, the method of the present invention is characterized in that sputtering is performed in a state in which a large amount of a reaction gas is introduced as compared with the conventional sputtering film forming method, and conventionally, the sputtering of a discharge gas and a reaction gas is performed. In contrast to the introduction pressure ratio of at most about 1: 0.15, the present invention has a ratio of 1: 0.15.
0.8 to 1: 1.5, preferably 1: 1 to 1: 1.
2 to form a film.
【００１１】反応ガスの導入量を増やすことに伴って出
力電圧（放電電圧）が低下してゆく。そして、この出力
電圧がターゲット材料や電極構造あるいは反応ガスの種
類に応じた所定レベルまで降下した後、反応ガスの導入
量を減らしてゆくと、出力電圧が急激な増大傾向を示す
とともに出力電力が低下傾向を示すようになる。この放
電領域が高速スパッタリング状態を生じさせ、きわめて
高い効率のもとでスパッタリング成膜を行うことができ
るようになる。The output voltage (discharge voltage) decreases as the amount of reactant gas introduced increases. Then, after the output voltage drops to a predetermined level according to the target material, the electrode structure, or the type of the reaction gas, when the introduction amount of the reaction gas is reduced, the output voltage shows a sharp increasing tendency and the output power increases. It starts to show a downward trend. This discharge region generates a high-speed sputtering state, and a sputtering film can be formed with extremely high efficiency.
【００１２】高速スパッタリング状態になる放電領域
は、例えば図２に斜線を施した領域として表される。同
図（Ａ）に示す入力電力ＷI −出力電力ＷO 特性におい
ては、入力電力ＷI の増加に対して出力電力ＷO の変化
が不定になる放電領域が存在する。通常の放電特性に従
う限りではこの放電領域への移行はできないが、上述の
ように通常の放電を開始してこれを維持しながら反応ガ
スの導入量を大幅に増量した後、再び反応ガスの導入量
を減らしてゆくことによって、この特殊な放電領域に移
行させることが可能となる。The discharge region in the high-speed sputtering state is represented, for example, as a hatched region in FIG. In the input power W I -output power W O characteristic shown in FIG. 7A, there is a discharge region where the change in the output power W O becomes indefinite with the increase in the input power W I. As long as the normal discharge characteristics are followed, the transition to this discharge region cannot be performed. However, as described above, after the normal discharge is started and the amount of the reaction gas introduced is greatly increased while maintaining the discharge, the reaction gas is again introduced. By reducing the amount, it is possible to shift to this special discharge region.
【００１３】通常の放電領域から上記の高速スパッタリ
ング領域への移行は多少のヒステリシスは認められるも
のの可逆的である。また、予め導入ガス圧の条件及び入
・出力電力の設定を行った後に放電を開始させても上記
の高速スパッタリング状態での成膜を行うことが可能で
ある。この高速スパッタリング領域内では、導入ガスを
構成している放電ガスと反応ガスとの混合比及びトータ
ルの導入量に依存して出力電力ＷO が決まる。また、同
図（Ｂ）に示すガス導入量−出力電力ＷO 特性において
は、入力電力ＷI 一定のもとでもガス導入量に依存して
出力電力ＷO が変化する領域が存在する。The transition from the normal discharge region to the high-speed sputtering region is reversible, although some hysteresis is observed. Further, even if the discharge is started after the conditions of the introduced gas pressure and the input / output power are set in advance, it is possible to form the film in the high-speed sputtering state. In this high-speed sputtering region, the output power W O is determined depending on the mixing ratio of the discharge gas and the reaction gas constituting the introduced gas and the total introduced amount. Further, in the gas introduction amount-output power W O characteristic shown in FIG. 7B, there is a region where the output power W O changes depending on the gas introduction amount even when the input power W I is constant.
【００１４】２極グロー放電を利用したスパッタリング
成膜において、上述のような特殊な放電領域についての
文献はこれまで見当たらないが、この放電領域では高効
率でスパッタリング成膜を行うことができる他に、スパ
ッタリングに伴う発熱を非常に低く押さえることができ
る。したがって、成膜工程の後には冷却期間をおかずに
即座に基板を大気中に取り出すことができるようにな
り、工程時間の短縮にも大きな利点を有する。In the sputtering film formation utilizing the bipolar glow discharge, there is no literature on the special discharge region as described above, but in this discharge region, the sputtering film can be formed with high efficiency. In addition, the heat generated by sputtering can be kept very low. Therefore, the substrate can be immediately taken out into the atmosphere without a cooling period after the film forming step, which has a great advantage in shortening the process time.
【００１５】[0015]
【発明の実施の形態】図３に本発明方法を効果的に実施
することができるスパッタリング装置の外観を示す。真
空槽２は、円筒形状をしたベルジャー本体３と、その上
面及び底面をそれぞれ気密に覆う蓋４，ベースプレート
５からなり、この真空槽２の内部空間でスパッタリング
成膜が行われる。ベルジャー本体３及び蓋４は、適宜の
昇降旋回機構６によってベースプレート５に対して昇降
自在であり、また蓋４は垂直な軸の回りに旋回すること
ができるようになっている。これらは、真空槽２内のタ
ーゲット材料あるいは基板を交換する際、さらには点検
整備などの作業時に適宜に移動される。なお、これらの
作業のためにベルジャー本体３に開閉式のドアを設ける
ことも可能である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 3 shows an external view of a sputtering apparatus which can effectively carry out the method of the present invention. The vacuum chamber 2 includes a cylindrical bell jar body 3, a lid 4 and a base plate 5 that cover the top and bottom surfaces of the bell jar 3 in an airtight manner, and a sputtering film is formed in the internal space of the vacuum chamber 2. The bell jar main body 3 and the lid 4 can be raised and lowered with respect to the base plate 5 by an appropriate lifting and lowering rotation mechanism 6, and the lid 4 can be rotated about a vertical axis. These are appropriately moved at the time of exchanging the target material or the substrate in the vacuum chamber 2 and at the time of work such as inspection and maintenance. In addition, it is also possible to provide an openable door in the bell jar main body 3 for these operations.
【００１６】真空槽２の横断面を概略的に示す図４にお
いて、べースプレート５のほぼ中央には排気孔５ａが形
成されている。油拡散ポンプや分子ターボポンプ，スク
ロール型ドライ真空ポンプなどの適宜の真空排気装置７
により排気孔５ａを通して排気が行われ、真空槽２の内
部を１０-6Torr以下の高真空にすることができる。In FIG. 4 schematically showing a cross section of the vacuum chamber 2, an exhaust hole 5 a is formed substantially at the center of the base plate 5. Appropriate evacuation device 7 such as oil diffusion pump, molecular turbo pump, scroll dry vacuum pump, etc.
Is exhausted through the exhaust hole 5a, and the inside of the vacuum chamber 2 can be made a high vacuum of 10 -6 Torr or less.
【００１７】図４に示すように、真空槽２の内部にはド
ラム状の基板ホルダ８が設けられている。基板ホルダ８
は、その底面側がベースプレート５によって回転自在に
支持されており、スパッタリングを行うときに適宜に回
転させることができる。基板ホルダ８は導電性を有し、
ベルジャー本体３及び蓋４、さらにベースプレート５に
対して電気的に絶縁されており、スパッタリングを行う
ときには陽電極として用いられる。この基板ホルダ８に
は平板状のホルダプレート９が軸着され、このホルダプ
レート９に薄膜の被着対象となるガラスレンズ，プラス
チックレンズあるいは平板ガラスなどの基板１０が保持
される。なお、ホルダプレート９を交換することによっ
て、様々な形状，サイズの基板に対してもこのスパッタ
リング装置を用いることが可能となる。As shown in FIG. 4, a drum-shaped substrate holder 8 is provided inside the vacuum chamber 2. Substrate holder 8
Is rotatably supported on the bottom side by the base plate 5, and can be appropriately rotated when performing sputtering. The substrate holder 8 has conductivity,
It is electrically insulated from the bell jar body 3, the lid 4, and the base plate 5, and is used as a positive electrode when performing sputtering. A flat holder plate 9 is axially mounted on the substrate holder 8, and a substrate 10 such as a glass lens, a plastic lens, or a flat glass to which a thin film is to be applied is held on the holder plate 9. By replacing the holder plate 9, the sputtering apparatus can be used for substrates having various shapes and sizes.
【００１８】基板ホルダ８には、ホルダプレート９の装
着位置に対応して開口窓８ａが形成され、各々のホルダ
プレート９の軸着部にはゼネバ機構などの回転装置が組
み付けられており、ホルダプレート９の各々を垂直軸の
回りに回転させることができる。したがって、ホルダプ
レート単位で、基板１０の表裏いずれの面でも、後述す
るターゲットブロック側に向けることができるようにな
る。Opening windows 8a are formed in the substrate holder 8 corresponding to the mounting positions of the holder plates 9, and a rotation device such as a Geneva mechanism is mounted on the shaft attachment portion of each holder plate 9. Each of the plates 9 can be rotated about a vertical axis. Therefore, on each of the front and back surfaces of the substrate 10, the holder plate can be directed to the target block side described later.
【００１９】真空槽２の内部は放射状に配置した遮蔽板
１２で６つのエリアに区画されており、各々のエリアご
とにターゲットブロック１５が設置され、さらにターゲ
ットブロック１５の各々を取り囲むように導電性を有す
る回転式のシャッタ１６が設けられている。ターゲット
ブロック１５は陰電極となって基板ホルダ８との間で放
電を発生させるが、シャッタ１６がターゲットブロック
１５と基板ホルダ８との間に移動しているときには成膜
は行われず、ターゲットブロック１５と基板ホルダ８と
の間から退避して真空槽２の中心側に移動したときに成
膜が行われる。遮蔽板１２は、ターゲットブロック１５
が他からの飛散粒子で汚染されることを防ぐと同時にス
パッタリング時の成膜分布を補正する機能を有し、遮蔽
板１２にはさらに必要に応じて補正板を取り付けること
ができる。The interior of the vacuum chamber 2 is divided into six areas by shielding plates 12 arranged radially, and a target block 15 is provided for each of the areas, and a conductive block is formed so as to surround each of the target blocks 15. Is provided. The target block 15 functions as a negative electrode to generate a discharge between the substrate holder 8. However, when the shutter 16 is moved between the target block 15 and the substrate holder 8, no film is formed, and The film is formed when the substrate is withdrawn from the space between the substrate holder 8 and moved to the center of the vacuum chamber 2. The shielding plate 12 includes a target block 15
Has a function of preventing contamination by scattered particles from other sources and at the same time correcting a film formation distribution at the time of sputtering. Further, a correction plate can be attached to the shielding plate 12 as necessary.
【００２０】図３に示すように、蓋４にはガス供給パイ
プ１７，１８が接続され、その一方から放電ガスが、他
方から反応ガスが真空槽２の中に導入される。図４に示
すように、放電ガスの供給口１７ａはターゲットブロッ
ク１５の近傍に、そして反応ガスの供給口１８ａは基板
ホルダ８の近傍に位置している。これにより、スパッタ
リング成膜中に、ターゲット材料近傍では放電ガスの分
布密度を高く、基板１０の近傍では反応ガスの分布密度
を高くすることができる。As shown in FIG. 3, gas supply pipes 17 and 18 are connected to the lid 4, and discharge gas is introduced into the vacuum chamber 2 from one side and reaction gas is introduced into the vacuum chamber 2 from the other side. As shown in FIG. 4, the discharge gas supply port 17a is located near the target block 15, and the reaction gas supply port 18a is located near the substrate holder 8. This makes it possible to increase the distribution density of the discharge gas near the target material and increase the distribution density of the reaction gas near the substrate 10 during the sputtering film formation.
【００２１】図５及び図６にターゲットブロック１５の
概略を示す。ターゲットブロック１５は、導電性を有す
るステンレス製パイプからなるターゲットホルダ２０
と、基板ホルダ８と対面する側に切欠２１ａを有する絶
縁性のカバープレート２１とを備えており、ターゲット
材料２４は切欠２１ａに嵌め込まれる。ターゲット材料
２４の固定は、切欠２１ａへの嵌合による固定の他、タ
ーゲットホルダ２０にインジウムシールで固定してもよ
い。なお、カバープレート２１を省略して円筒形状をし
たターゲット材料２４をターゲットホルダ２０の全周に
被せるように固定してもよい。また、図示の例ではター
ゲットホルダ２０を円筒形状にしてあるがこれを多角形
の角筒形状にしてもよく、ターゲット材料２４の表面を
平板状にしてもよい。FIGS. 5 and 6 show the outline of the target block 15. FIG. The target block 15 is a target holder 20 made of a conductive stainless steel pipe.
And an insulating cover plate 21 having a notch 21a on the side facing the substrate holder 8, and the target material 24 is fitted into the notch 21a. The target material 24 may be fixed to the target holder 20 with an indium seal, instead of being fixed to the notch 21a by fitting. Note that the cover plate 21 may be omitted and the target material 24 having a cylindrical shape may be fixed so as to cover the entire periphery of the target holder 20. Although the target holder 20 has a cylindrical shape in the illustrated example, the target holder 20 may have a polygonal rectangular tube shape, or the surface of the target material 24 may have a flat plate shape.
【００２２】ターゲットホルダ２０の上下面は密封され
ており、その内部には磁石ブロック２５が設けられてい
る。磁石ブロック２５は、鉄製の支持プレート２６に円
柱形状をした小型の磁石２７ａ，２７ｂを配列して固着
したもので、中央に縦一列に並べられた磁石２７ａは外
側にＮ極を向け、その回りの四辺を取り囲むように並べ
られた磁石２７ｂは外側にＳ極を向けている。これらの
磁石は図６に破線で示すような磁力線を発生させる。The upper and lower surfaces of the target holder 20 are sealed, and a magnet block 25 is provided therein. The magnet block 25 is formed by arranging and fixing small columnar magnets 27a and 27b on an iron support plate 26. The magnets 27a arranged in a vertical line at the center face the N pole outward and around the magnet 27a. The magnets 27b arranged so as to surround the four sides have the south pole facing outward. These magnets generate lines of magnetic force as shown by broken lines in FIG.
【００２３】磁石ブロック２５は、支持プレート２６に
固定されたロッド２８を介してターゲットホルダ２０内
で上下動させることができる。これにより、磁力線分布
が平均化される。さらに、ターゲットホルダ２０の上下
面には送水用のパイプ２９ａ，２９ｂが接続されてお
り、ターゲットホルダ２０内には冷却水が通される。こ
れにより、スパッタリング中におけるターゲットホルダ
２０の発熱を抑えることができる。The magnet block 25 can be moved up and down in the target holder 20 via a rod 28 fixed to a support plate 26. Thereby, the magnetic field line distribution is averaged. Further, water supply pipes 29 a and 29 b are connected to the upper and lower surfaces of the target holder 20, and cooling water is passed through the target holder 20. Thereby, heat generation of the target holder 20 during sputtering can be suppressed.
【００２４】図７は磁石ブロックの他の構成例を示す。
支持プレート２６に複数の磁石ユニット３０が配列さ
れ、それぞれの磁石ユニット３０は、中央の板状磁石３
０ａとこれを取り囲む角筒状磁石３０ｂとからなる。板
状磁石３０ａは外側にＮ極を向け、角筒状磁石３０ｂは
外側にＳ極を向けている。この磁石ブロックは、前述し
た磁石ブロック２５よりも磁力線本数を増やすことがで
き、ロッド２８によりターゲットホルダ２０内で上下動
させて用いた場合、より効率的にターゲット材料２４を
利用することができる。なお、図５に示す小型の磁石２
７ａ，２７ｂを板状磁石３０ａ，角筒状磁石３０ｂの形
態に配列して用いてもよい。FIG. 7 shows another example of the configuration of the magnet block.
A plurality of magnet units 30 are arranged on the support plate 26, and each magnet unit 30
0a and a rectangular cylindrical magnet 30b surrounding the same. The plate-shaped magnet 30a has an N pole facing outward, and the rectangular tubular magnet 30b has an S pole facing outward. This magnet block can increase the number of lines of magnetic force as compared with the above-described magnet block 25. When the magnet block is moved up and down in the target holder 20 by the rod 28, the target material 24 can be used more efficiently. The small magnet 2 shown in FIG.
7a and 27b may be arranged and used in the form of a plate-shaped magnet 30a and a rectangular cylindrical magnet 30b.
【００２５】図８（Ａ），（Ｂ）は、スパッタリングを
行った後のターゲット材料２４の横断面を表し、同図
（Ａ）が図５の磁石ブロック２５を用いた場合、同図
（Ｂ）が用いた場合を示す。同図（Ｂ）の方がターゲッ
ト材料２４を効率的に使用できることが分かる。FIGS. 8A and 8B show cross sections of the target material 24 after sputtering. FIG. 8A shows the case where the magnet block 25 shown in FIG. 5 is used. ) Shows the case where it was used. It can be seen that the target material 24 can be used more efficiently in FIG.
【００２６】上記のスパッタリング装置を用いて成膜を
行うにあたっては、まず昇降旋回機構６を作動させてベ
ルジャー本体３及び蓋４を開放し、各々のターゲットホ
ルダ２０にターゲット材料２４を装着する。また、基板
ホルダ８に取り付けられたホルダプレート９にレンズや
平板ガラスなどの基板１０を保持させ、その一方の面を
ターゲットブロック１５側に向ける。なお、６個のター
ゲットホルダ２０には同種のターゲット材料２４を装着
してもよいが、多層膜を成膜する際には、ターゲットホ
ルダ２０ごとに異種のターゲット材料２４を装着すれば
よい。In forming a film by using the above-described sputtering apparatus, first, the elevating / lowering rotating mechanism 6 is operated to open the bell jar main body 3 and the lid 4, and the target material 24 is mounted on each target holder 20. Further, a substrate 10 such as a lens or a flat glass is held on a holder plate 9 attached to the substrate holder 8, and one surface thereof is directed toward the target block 15. The same type of target material 24 may be mounted on the six target holders 20. However, when forming a multilayer film, different target materials 24 may be mounted on each target holder 20.
【００２７】ベルジャー本体３及び蓋４を閉じ、真空排
気装置７を作動させて真空引きを開始する。真空槽２を
１０-6Torrオーダーの高真空にした後、放電ガスと反応
ガスとを所定の混合比、例えば５：１程度の比率で導入
し、真空槽２内を１×１０-3〜１．４×１０-3Torrのガ
ス圧に保つ。ガス供給パイプ１７，１８には調整用のバ
ルブが組み込まれており、これらを制御することによっ
て、放電ガスと反応ガスとの混合比及び真空槽２内のガ
ス圧を適宜に調節することができる。The bell jar body 3 and the lid 4 are closed, and the evacuation device 7 is operated to start evacuation. After the vacuum chamber 2 to a high vacuum of 10 -6 Torr order mixing the discharge gas and the reactive gas a predetermined ratio, for example, 5: was introduced at about one ratio, the vacuum chamber 2 1 × 10 -3 ~ Maintain a gas pressure of 1.4 × 10 −3 Torr. Valves for adjustment are incorporated in the gas supply pipes 17 and 18, and by controlling these, the mixing ratio between the discharge gas and the reaction gas and the gas pressure in the vacuum chamber 2 can be appropriately adjusted. .
【００２８】ターゲットホルダ２０に冷却水を通し、シ
ャッタ１６が全て閉じられていることを確認した後、基
板ホルダ８（陽極）とターゲットホルダ２０（陰極）と
の間に例えば３ｋＷの直流電力を供給する。これにより
導電性のシャッタ１６を通して放電が開始され、基板ホ
ルダ８とターゲットブロック１５との間には放電ガスの
プラズマが生成される。このとき、実際に基板ホルダ８
とターゲットブロック１５との間に生じる放電電圧（出
力電圧）をＶO 、放電電流（出力電流）をＩOとする
と、出力電力ＷO は入力電力に対応した一定値となって
「ＷO ＝ＶO ×Ｉ O 」が成立する。そして通常は、この
条件下で磁石ブロック２５を上下動させ、また基板ホル
ダ８を１０R.P.M.程度で回転させてからシャッタ１６を
開いてスパッタリング成膜が開始される。Cooling water is passed through the target holder 20 to
After confirming that shutter 16 is all closed,
Plate holder 8 (anode) and target holder 20 (cathode)
During this time, for example, a 3 kW DC power is supplied. This
Discharge starts through the conductive shutter 16 and the substrate
Between the solder 8 and the target block 15.
A plasma is generated. At this time, the substrate holder 8 is actually
Discharge voltage (output)
Force voltage) to VO, The discharge current (output current) is IOTo be
And the output power WOIs a constant value corresponding to the input power
"WO= VO× I OIs established. And usually this
The magnet block 25 is moved up and down under the
After rotating the shutter 8 at about 10 RPM, the shutter 16
Open to start sputtering film formation.
【００２９】しかし、本発明方法では未だスパッタリン
グを開始せず、供給パイプ１８のバルブ調整を行って、
反応ガスの導入量を増やして放電ガスと反応ガスとの混
合比を変更する。これに伴い、真空槽２内のガス圧は少
しずつ増し、出力電圧ＶO は徐々に低下してゆく。放電
ガスと反応ガスの導入圧力比を１：０．８〜１：１．５
程度、好ましくは１：１〜１：１．２程度にし、真空槽
２内のガス圧が０．８×１０-3〜２．３×１０-3Torr程
度に達した後に反応ガスの導入量を徐々に減らしてゆ
く。However, in the method of the present invention, the sputtering of the supply pipe 18 has not been started yet, and the valve of the supply pipe 18 has been adjusted.
The mixing ratio of the discharge gas and the reaction gas is changed by increasing the amount of the reaction gas introduced. Accordingly, the gas pressure in the vacuum chamber 2 gradually increases, and the output voltage V O gradually decreases. The introduction pressure ratio between the discharge gas and the reaction gas is 1: 0.8 to 1: 1.5
After the gas pressure in the vacuum chamber 2 reaches about 0.8 × 10 −3 to 2.3 × 10 −3 Torr. Is gradually reduced.
【００３０】これにより、出力電圧ＶO は急激な増大傾
向を示し、また、出力電力ＷO は入力電力を一定に維持
しておいても低下傾向を示す。この出力電力の低下分を
ＷSで表すと、「ＷO ＝ＶO ×ＩO −ＷS 」となって通
常の放電特性とは異なった挙動を示し、同時に出力電流
ＩO も低下する。このときの「ＶO ×ＩO 」が放電の実
効電力に相当しており、電力低下分ＷS は自己放電電力
とも言うべきもので、放電によってプラズマ化されてい
る放電ガスの活性化に寄与していると考えられる。As a result, the output voltage V O tends to increase sharply, and the output power W O tends to decrease even if the input power is kept constant. When the amount of decrease in the output power is represented by W S , “W O = V O × I O −W S ” is obtained, which behaves differently from normal discharge characteristics, and at the same time, the output current I O also decreases. At this time, “V O × I O ” corresponds to the effective power of the discharge, and the power reduction W S is also called the self-discharge power, and contributes to the activation of the discharge gas that is turned into plasma by the discharge. it seems to do.
【００３１】この特殊な放電状態に移行させた後、シャ
ッタ１６を開放してスパッタリング成膜を開始する。も
ちろん、このときには基板ホルダ８を回転させる。ま
た、磁石ブロック２５は静止状態にしておいてもよい
が、ターゲット材料２４を効率的に使用するには上下動
させるのがよい。放電ガスは供給口１７ａからターゲッ
ト材料２４の近傍に供給されるから、ターゲト材料２４
の近傍にはプラズマ状態になった放電ガスが豊富に分布
している。ターゲットホルダ２０は陰極となっているか
ら、放電ガスが電離して生じる陽イオンは勢いよくター
ゲット材料２４の表面に衝突する。After shifting to this special discharge state, the shutter 16 is opened to start sputtering film formation. Of course, at this time, the substrate holder 8 is rotated. The magnet block 25 may be kept stationary, but it is preferable to move the magnet block 25 up and down in order to use the target material 24 efficiently. Since the discharge gas is supplied from the supply port 17a to the vicinity of the target material 24, the target material 24
, The discharge gas in a plasma state is abundantly distributed. Since the target holder 20 is a cathode, cations generated by ionization of the discharge gas vigorously collide with the surface of the target material 24.
【００３２】これによりターゲット材料２４の表面から
その原子が叩き出され、これが基板１０の表面に被着し
て薄膜の形成が行われるようになる。ターゲットホルダ
２０内の磁石ブロック２５は電界と直交する向きに磁界
を生じさせているため、放電とともに基板ホルダ８から
飛び出してくる電子に螺旋運動を生じさせ、その平均自
由工程を大きくする。As a result, the atoms are bombarded from the surface of the target material 24 and adhere to the surface of the substrate 10 to form a thin film. Since the magnet block 25 in the target holder 20 generates a magnetic field in a direction orthogonal to the electric field, a spiral motion is generated in the electrons jumping out of the substrate holder 8 along with the discharge, thereby increasing the mean free path.
【００３３】これにより放電ガス分子との衝突の確率が
大きくなり、放電ガスの電離が促進される。また、磁石
ブロック２５の上下動により、ターゲット材料表面には
放電ガスのプラズマが平均的に分布するようになり、そ
こで発生した陽イオンも平均的にターゲット材料２４の
表面に衝突して効率的なスパッタリングを行うことがで
きる。As a result, the probability of collision with the discharge gas molecules increases, and ionization of the discharge gas is promoted. In addition, due to the vertical movement of the magnet block 25, the plasma of the discharge gas is distributed on the surface of the target material on average, and the cations generated there also averagely collide with the surface of the target material 24, thereby increasing the efficiency. Sputtering can be performed.
【００３４】ターゲットホルダ２０の全てに同種のター
ゲット材料２４を装着しているときには、シャッタ１６
の全てを開放し、基板ホルダ８を回転させながら全ての
ターゲットブロック１５を利用して成膜が行われる。こ
のように、基板ホルダ８を回転させながら成膜を行う
と、基板１０には様々な方向からスパッタリングが行わ
れ、ターゲットブロック１５との相対位置は無関係にな
り、方向性のない均一な膜厚で成膜を行うことができ
る。When the same type of target material 24 is mounted on all of the target holders 20, the shutter 16
Are formed, and the film formation is performed using all the target blocks 15 while rotating the substrate holder 8. As described above, when film formation is performed while rotating the substrate holder 8, sputtering is performed on the substrate 10 from various directions, and the relative position with respect to the target block 15 becomes irrelevant. To form a film.
【００３５】また、ターゲットホルダ２０のいくつかに
は別の種類のターゲット材料２４が装着されているとき
には、基板１０に形成する薄膜の層構造に応じ、適宜の
シャッタ１６を選択的に開放，閉止して成膜を行う。基
板１０の片側への成膜を終えた後には、ホルダプレート
９を１８０°回転させ、他方の面をターゲットブロック
１５側に向ける。これにより、真空槽２の排気を一回行
うだけで、基板１０の両面に薄膜を被着させることが可
能となる。When another type of target material 24 is mounted on some of the target holders 20, an appropriate shutter 16 is selectively opened and closed in accordance with the layer structure of the thin film formed on the substrate 10. To form a film. After the film formation on one side of the substrate 10 is completed, the holder plate 9 is rotated by 180 ° and the other surface is directed to the target block 15 side. Thus, it is possible to deposit a thin film on both surfaces of the substrate 10 by evacuating the vacuum chamber 2 only once.
【００３６】成膜工程の後には、放電を停止させた後、
真空槽２内を徐々に大気圧に戻す。本発明の成膜方法で
は、スパッタリング中に基板１０はほとんど加熱される
ことがなく、２〜３°Ｃ程度の温度上昇があるだけであ
る。したがって、成膜後には即座に基板１０を取り出す
ことができるようになる。After the film formation process, after stopping the discharge,
The inside of the vacuum chamber 2 is gradually returned to the atmospheric pressure. In the film forming method of the present invention, the substrate 10 is hardly heated during sputtering, and only has a temperature rise of about 2 to 3 ° C. Therefore, the substrate 10 can be taken out immediately after the film formation.
【００３７】従来のスパッタリングでは「ＷO ＝ＶO ×
ＩO 」の関係が成立する範囲、すなわち入力電力Ｗ1 に
対応して決まる出力電力ＷO が、出力電圧ＶO と出力電
流Ｉ O との積で表される範囲内で成膜が行われるのに対
し、本発明によるスパッタリングでは上記関係式が成立
しない条件下で成膜を行うようにしたことが大きな特徴
となっている。以下、本発明の独特な放電条件のもとで
の成膜について、具体的な実施例をもとに説明する。In conventional sputtering, "WO= VO×
IO, The input power W1To
Output power W determined correspondinglyOIs the output voltage VOAnd output power
Style I OIs formed within the range expressed by the product of
However, in the sputtering according to the present invention, the above relational expression is satisfied.
A major feature is that the film is formed under conditions that do not
It has become. Hereinafter, under the unique discharge conditions of the present invention.
Will be described with reference to specific examples.
【００３８】ターゲット材料２４として金属タンタル
（Ｔａ）を用い、放電ガスとしてアルゴンガス、反応ガ
スとして酸素ガスを使用して、ガラス製の基板１０の表
面に酸化タンタル（Ｔａ2 Ｏ5 ）の薄膜を成膜する。タ
ーゲットホルダ２０は、その外径が５０ｍｍ、内径が４
０ｍｍ、長さが２８０ｍｍであり、ターゲットホルダ２
０の各々に円筒形状のターゲット材料２４を固定し、カ
バープレート２１は省略した。基板１０には平板状のガ
ラスプレートを用い、直径が３００ｍｍの基板ホルダ８
を１０Ｒ．Ｐ．Ｍで回転させながらスパッタリングを行
った。ターゲット材料２４の表面と基板１０の表面とが
正対したときの間隔は７０ｍｍである。Using a metal tantalum (Ta) as the target material 24, an argon gas as a discharge gas and an oxygen gas as a reaction gas, a thin film of tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) is formed on the surface of the glass substrate 10. Form a film. The target holder 20 has an outer diameter of 50 mm and an inner diameter of 4 mm.
0 mm, length 280 mm, target holder 2
0, a cylindrical target material 24 was fixed, and the cover plate 21 was omitted. A flat glass plate is used for the substrate 10 and a substrate holder 8 having a diameter of 300 mm.
10R. P. Sputtering was performed while rotating at M. The distance between the surface of the target material 24 and the surface of the substrate 10 is 70 mm.
【００３９】磁石ブロック２５は、３２ｍｍ×２４０ｍ
ｍの支持プレート２６の表面に、直径が６ｍｍ、長さ１
０ｍｍ、１個当たりの磁束密度が３５００ガウスの磁石
２７ａ，２７ｂを並べて構成され、中央の磁石２７ａの
配列長は２１０ｍｍである。ターゲット材料２４の表面
での磁束分布を磁束ビュワーで測定したところ、横軸に
ターゲット材料２４の水平方向寸法をとったとき、その
相対強度は図９に示すとおりで、中央の磁石２７ａの配
列方向に関して左右対称である。最も強磁界となる部分
の間隔は２４ｍｍ、相対強度が３０パーセントとなる部
分の幅は５ｍｍで、その垂直方向の長さは２２５ｍｍで
ある。The magnet block 25 is 32 mm × 240 m
m on a surface of the support plate 26, a diameter of 6 mm and a length of 1 mm.
The magnets 27a and 27b having a magnetic flux density of 3500 gauss are arranged side by side at 0 mm, and the arrangement length of the central magnet 27a is 210 mm. When the magnetic flux distribution on the surface of the target material 24 was measured with a magnetic flux viewer, when the horizontal dimension of the target material 24 was taken on the horizontal axis, the relative strength was as shown in FIG. Is symmetric with respect to. The interval between the portions having the strongest magnetic field is 24 mm, the width of the portion having the relative intensity of 30% is 5 mm, and the length in the vertical direction is 225 mm.
【００４０】真空槽２を密閉して排気を行い、まず１０
-6Torrオーダーの高真空にした。その後、アルゴンガス
を５cc／min の割合で導入し、真空度が０．７×１０-3
〜６×１０-3Torrで安定した時点で入力電力ＷI を３ｋ
Ｗ一定に維持して放電を開始した。このときの出力電力
ＷO は２．９ｋＷで、出力電圧ＶO は６００Ｖ、出力電
流ＩO は約５Ａであり、通常の放電条件で放電が行われ
ていることが分かる。このときの出力電力ＷO ，出力電
圧ＶO は、図１０における点ａ，点ｄに対応している。
そして従来のスパッタリングでは、この状態からアルゴ
ンガス１に対して酸素ガスを０．１５以内のガス圧の範
囲で導入し、トータルの真空度が１×１０-2〜１×１０
-3Torrオーダーになった時点で成膜が行われる。The vacuum chamber 2 is sealed and evacuated.
A high vacuum of -6 Torr order was set. Thereafter, argon gas was introduced at a rate of 5 cc / min, and the degree of vacuum was 0.7 × 10 −3.
3k input power W I in a stable point by to 6 × 10 -3 Torr
The discharge was started while maintaining the W constant. At this time, the output power W O is 2.9 kW, the output voltage V O is 600 V, and the output current I O is about 5 A, indicating that the discharge is being performed under normal discharge conditions. The output power W O and output voltage V O at this time correspond to points a and d in FIG.
In the conventional sputtering, oxygen gas is introduced from this state within a gas pressure range of 0.15 or less with respect to argon gas 1, and the total degree of vacuum is 1 × 10 −2 to 1 × 10 2.
The film is formed at the time of the order of -3 Torr.
【００４１】しかしながら、本発明では上記のようにし
て放電を開始した後、アルゴンガスに対する酸素ガスの
混合比を大幅に増やし、アルゴンガス１に対し、酸素ガ
スを０．８〜１．５の範囲、好ましくは１．０〜１．２
の範囲に設定して導入する。この結果、出力電圧ＶO は
図１０に示すように点ｄから点ｅへと低下してゆく。こ
のとき、出力電流は増大傾向となるため出力電力ＷO は
ほぼ一定のまま点ｂに達する。さらに酸素ガスを導入す
ると、それぞれ点ｂ→点ｂ’、点ｅ→点ｅ’へと移行す
る。However, in the present invention, after the discharge is started as described above, the mixing ratio of oxygen gas to argon gas is greatly increased, and oxygen gas is added to argon gas in the range of 0.8 to 1.5. , Preferably 1.0 to 1.2
Introduce by setting within the range. As a result, the output voltage V O decreases from the point d to the point e as shown in FIG. At this time, since the output current tends to increase, the output power W O reaches the point b while remaining substantially constant. When oxygen gas is further introduced, points b → b ′ and points e → e ′ respectively.
【００４２】酸素ガスの導入により真空度が１×１０-3
〜２．３×１０-3Torrとなり、出力電圧ＶO が点ｅ（５
００Ｖ）に達した時点で、酸素ガスの導入量を減らして
ゆく。すると、出力電圧ＶO が点ｅから点ｆ（６００
Ｖ），点ｇ（８００Ｖ）へと急激に増大する。この間、
出力電力ＷO は点ｂ（２．９ｋＷ）から点ｃ（１．５ｋ
Ｗ）へと非線形に下降する。この出力電圧ＶO あるいは
出力電力ＷO の変化を確認した後、トータルの真空度を
２×１０-3〜８×１０-4Torr程度に保ってスパッタリン
グを行う。The degree of vacuum is 1 × 10 -3 by introducing oxygen gas.
２2.3 × 10 −3 Torr, and the output voltage V O reaches the point e (5
00V), the amount of oxygen gas introduced is reduced. Then, the output voltage V O changes from the point e to the point f (600
V) and the point g (800 V). During this time,
The output power W O changes from the point b (2.9 kW) to the point c (1.5 k
Nonlinearly descends to W). After confirming the change in the output voltage V O or the output power W O , sputtering is performed while maintaining the total degree of vacuum at about 2 × 10 −3 to 8 × 10 −4 Torr.
【００４３】このとき、入力電力ＷI が３ｋＷ一定であ
っても、出力電力ＷO は酸素ガスの導入量に応じて１．
５ｋＷまで低下し、通常の放電条件と比較して１ｋＷ以
上の電力降下となる。この降下分の電力がサイクロトロ
ン現象としてアルゴンガスのプラズマ活性化に寄与して
いると考えられ、きわめて効率の高いスパッタリングを
行うことができることが確認された。そして、その成膜
の効率は、３００〜６００オングストローム／sec にも
及び、従来のスパッタリングと比べて格段に高い成膜効
率が得られた。At this time, even if the input power W I is constant at 3 kW, the output power W O is 1.
The power drops to 5 kW, resulting in a power drop of 1 kW or more compared to normal discharge conditions. It is considered that the power of this drop contributes to plasma activation of argon gas as a cyclotron phenomenon, and it was confirmed that sputtering with extremely high efficiency can be performed. The efficiency of the film formation was as high as 300 to 600 angstroms / sec, and much higher film formation efficiency was obtained as compared with the conventional sputtering.
【００４４】上記のように、きわめて高い効率でスパッ
タリング成膜を行うことができる高速スパッタリング領
域は、図１０に斜線を施した領域Ｓに相当している。す
なわち、上述した実験条件のもとでは、アルゴンガスに
対する酸素ガスの導入圧力比が１：０．８〜１．５、ト
ータルの真空度が２×１０-3〜８×１０-4Torr程度、そ
して入力電力３ｋＷに対して出力電圧ＶO が６００〜７
２０Ｖ、出力電力ＷOが２．９〜１．５ｋＷの範囲であ
る。As described above, the high-speed sputtering region in which sputtering film formation can be performed with extremely high efficiency corresponds to the region S hatched in FIG. That is, under the above experimental conditions, the introduction pressure ratio of oxygen gas to argon gas is 1: 0.8 to 1.5, the total degree of vacuum is about 2 × 10 −3 to 8 × 10 −4 Torr, The output voltage V O is 600 to 7 with respect to the input power of 3 kW.
20V and the output power W O is in the range of 2.9 to 1.5 kW.
【００４５】さらに実験を行ったところ、多少のヒステ
リシス現象を示すものの、上記領域Ｓへは酸素ガスの導
入量制御により可逆的に移行させることができることが
確認された。また、通常の放電条件で放電を行わずに、
最初から上述した領域Ｓを満たす放電条件を整えてから
放電を開始しても、同様の高速スパッタリング領域での
成膜が可能である。なお、入力電力ＷI ，出力電圧
ＶO ，出力電力ＷO の値は、スパッタリング成膜に用い
るターゲット材料の種類やサイズ、また電極構造に応じ
て調節されることになるが、これにより様々なスパッタ
リング装置においても上記領域Ｓでの高速スパッタリン
グを実施することができる。Further experiments have confirmed that, although a slight hysteresis phenomenon is exhibited, the region S can be reversibly transferred to the region S by controlling the introduction amount of oxygen gas. Also, without discharging under normal discharge conditions,
Even if the discharge is started after the discharge conditions satisfying the above-described region S are prepared from the beginning, it is possible to form a film in the same high-speed sputtering region. The values of the input power W I , the output voltage V O , and the output power W O are adjusted according to the type and size of the target material used for sputtering film formation and the electrode structure. High-speed sputtering in the region S can also be performed in a sputtering apparatus.
【００４６】以上のスパッタリング成膜による基板温度
の上昇は２〜３°Ｃ程度で、ほとんど加熱されることは
ない。したがって、基板１０としてプラスチックが対象
となる場合でも、不都合なく成膜を行うことができ、成
膜後には特に冷却を行うことなく、即座に大気中に取り
出すことが可能となる。また、膜強度も通常のスパッタ
リングで得た薄膜と変わることがない。なお、ターゲッ
ト材料２４に金属チタンを用い、同様にアルゴンガスと
酸素ガスとを導入して酸化チタン（ＴｉＯ2 ）の成膜も
行ったが、やはり従来と比較して１０倍以上の効率で成
膜が可能であることが確認された。The temperature rise of the substrate due to the above sputtering film formation is about 2 to 3 ° C., and the substrate is hardly heated. Therefore, even when plastic is used as the substrate 10, film formation can be performed without any inconvenience, and after film formation, it can be immediately taken out to the atmosphere without cooling. Further, the film strength is not different from a thin film obtained by ordinary sputtering. It should be noted that titanium oxide (TiO 2 ) was formed by using a metal titanium as the target material 24 and introducing an argon gas and an oxygen gas in the same manner. It was confirmed that a film was possible.
【００４７】以上、図示したスパッタリング装置を用い
た本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は
反応ガスの導入量を調整できる機能を有していれば、他
の構造のスパッタリング装置でも同様に実施することが
できる。すなわち本発明は、特に反応ガスの導入量を大
幅に増量することによって、従来のスパッタリング条件
から外れた特異な高速スパッタリング領域を利用して高
効率で成膜を行うものである。したがって、例えばター
ゲットブロックを１個にし、これに対向して基板１０を
固定配置させた単純な形態のスパッタリング装置でも本
発明を適用することができる。また、図示したスパッタ
リング装置の場合、ターゲットブロック１５に磁石ブロ
ック２５を組み込み、さらには磁石ブロック２５を移動
させてターゲット材料を損失なく使用するようにしてあ
るが、本発明は磁石ブロックを固定したまま実施した
り、また磁石ブロックを省略しても実施が可能である。Although the embodiment of the present invention using the illustrated sputtering apparatus has been described above, the present invention can be applied to a sputtering apparatus having another structure as long as the apparatus has a function of adjusting the amount of introduced reactive gas. Can be implemented. That is, in the present invention, a film is formed with high efficiency by utilizing a unique high-speed sputtering region deviating from the conventional sputtering conditions, particularly by greatly increasing the amount of the reaction gas introduced. Therefore, for example, the present invention can be applied to a simple type of sputtering apparatus in which one target block is provided, and the substrate 10 is fixedly arranged to face the target block. In the case of the illustrated sputtering apparatus, the magnet block 25 is incorporated in the target block 15 and the magnet block 25 is moved to use the target material without loss. The present invention can be implemented even if the magnet block is omitted or the magnet block is omitted.
【００４８】[0048]
【発明の効果】以上に述べてきたように、本発明は化学
反応性スパッタリングを行うに際し、反応ガスの導入量
を大幅に増量することによって、入力電力に対して出力
電力を大きく降下させ、この降下分によって放電ガスの
プラズマを活性化させた状態で成膜を行うようにしたも
ので、これにより従来のスパッタリング成膜と比較して
格段に高い効率で成膜を行うことが可能となる。したが
って、成膜時間を大幅に短縮することが可能となり、し
かも本発明のスパッタリングでは基板温度の上昇もきわ
めてわずかなものであるため、成膜後には特に冷却工程
を行うことなく取り出すことができる。本発明を実施す
る上では、通常の放電条件のもとで放電を開始させてか
ら高速スパッタリング領域での放電に移行させてもせよ
いが、予め高速スパッタリング領域での放電に必要なガ
ス圧条件，入力電力条件などを設定しておけば、放電開
始とともに高速スパッタリング領域で成膜を行うことも
可能であり、したがって本発明方法は自動制御のもとで
も実施可能である。As described above, the present invention greatly reduces the output power with respect to the input power by greatly increasing the amount of the reactive gas introduced when performing the chemically reactive sputtering. The film is formed in a state in which the plasma of the discharge gas is activated by the drop, so that the film can be formed with much higher efficiency as compared with the conventional sputtering film formation. Therefore, it is possible to greatly reduce the film formation time, and since the sputtering of the present invention raises the substrate temperature very little, it is possible to take out the film after the film formation without particularly performing a cooling step. In practicing the present invention, the discharge may be started under normal discharge conditions and then may be shifted to the discharge in the high-speed sputtering region. If input power conditions and the like are set, film formation can be performed in the high-speed sputtering region at the same time as the start of discharge. Therefore, the method of the present invention can be performed under automatic control.
【図１】一般的なスパッタリングにおける放電特性を示
すグラフである。FIG. 1 is a graph showing discharge characteristics in general sputtering.
【図２】本発明の高速スパッタリング領域を概念的に示
すグラフである。FIG. 2 is a graph conceptually showing a high-speed sputtering region of the present invention.
【図３】スパッタリング装置の外観図である。FIG. 3 is an external view of a sputtering apparatus.
【図４】スパッタリング装置の要部を示す概略断面図で
ある。FIG. 4 is a schematic sectional view showing a main part of the sputtering apparatus.
【図５】ターゲットブロックの概略を示す部分破断外観
図である。FIG. 5 is a partially broken external view schematically showing a target block.
【図６】ターゲットブロックの要部を示す概略断面図で
ある。FIG. 6 is a schematic sectional view showing a main part of a target block.
【図７】ターゲットブロックに用いる磁石ブロックの他
の例を示す斜視図である。FIG. 7 is a perspective view showing another example of the magnet block used for the target block.
【図８】ターゲット材料の使用後における断面図であ
る。FIG. 8 is a cross-sectional view after using a target material.
【図９】磁石ブロックによる磁束分布を示すグラフであ
る。FIG. 9 is a graph showing a magnetic flux distribution by a magnet block.
【図１０】本発明によるスパッタリング工程の推移を示
すグラフである。FIG. 10 is a graph showing transition of a sputtering process according to the present invention.
２ 真空槽 ３ ベルジャー本体 ８ 基板ホルダ ９ ホルダプレート １０ 基板 １２ 遮蔽板 １５ ターゲットブロック １６ シャッタ ２０ ターゲットホルダ ２４ ターゲット材料 ２５ 磁石ブロック 2 vacuum chamber 3 bell jar body 8 substrate holder 9 holder plate 10 substrate 12 shielding plate 15 target block 16 shutter 20 target holder 24 target material 25 magnet block
Claims (4)
してターゲット材料と基板との間で放電を行い、この放
電によりターゲット材料から飛散した原子を反応ガスと
化合させて基板に被着するスパッタリング成膜方法にお
いて、 放電ガスと反応ガスとの導入圧力比を１：Ｘとしたと
き、０．８≦Ｘ≦１．５の条件下の放電により成膜を行
うことを特徴とするスパッタリング成膜方法。A discharge is performed between a target material and a substrate by introducing a discharge gas and a reaction gas into a vacuum chamber, and atoms scattered from the target material are combined with the reaction gas by the discharge to cover the substrate. In the sputtering film forming method, the film is formed by discharging under a condition of 0.8 ≦ X ≦ 1.5 when an introduction pressure ratio of a discharge gas and a reaction gas is 1: X. Sputtering film formation method.
度を、２×１０-3〜８×１０-4Torrに保って成膜を行う
ことを特徴とする請求項１記載のスパッタリング成膜方
法。2. The sputtering film formation according to claim 1, wherein the film formation is performed while maintaining the total vacuum degree of the discharge gas and the reaction gas at 2 × 10 −3 to 8 × 10 −4 Torr. Method.
してターゲット材料と基板との間で放電を行い、この放
電によりターゲット材料から飛散した原子を反応ガスと
化合させて基板に被着するスパッタリング成膜方法にお
いて、 入力電力をほぼ一定に維持して放電を行い、放電ガスと
反応ガスとの導入圧力比を１：Ｘとしたとき、０．８≦
Ｘ≦１．５の範囲まで反応ガスの導入量を増やして出力
電圧を一定レベルまで降下させた後、反応ガスの導入量
を減らしていったときに、出力電圧が急激に増大し、か
つ出力電力が降下することによって発生する高速スパッ
タリング領域で成膜を行うことを特徴とするスパッタリ
ング成膜方法。3. A discharge gas and a reaction gas are introduced into a vacuum chamber to cause a discharge between the target material and the substrate, and atoms scattered from the target material by the discharge are combined with the reaction gas to cover the substrate. In the sputtering film forming method, discharge is performed while the input power is kept substantially constant, and when the introduction pressure ratio between the discharge gas and the reaction gas is 1: X, 0.8 ≦
After the reaction gas introduction amount is increased to a range of X ≦ 1.5 and the output voltage is decreased to a certain level, when the reaction gas introduction amount is reduced, the output voltage rapidly increases and the output voltage increases. A sputtering film forming method, wherein a film is formed in a high-speed sputtering region generated by a decrease in power.
してターゲット材料と基板との間で放電を行い、この放
電によりターゲット材料から飛散した原子を反応ガスと
化合させて基板に被着するスパッタリング成膜方法にお
いて、 放電ガスと反応ガスとの導入圧力比を１：Ｘとしたと
き、０．８≦Ｘ≦１．５の範囲まで反応ガスの導入量を
増やすことによって、前記ターゲット材料と基板との間
に供給される入力電力に対し、放電によって生じる出力
電力が非線形に降下する高速スパッタリング領域に移行
させ、この高速スパッタリング領域で成膜を行うことを
特徴とするスパッタリング成膜方法。4. A discharge gas and a reaction gas are introduced into a vacuum chamber to cause a discharge between the target material and the substrate, and the atoms scattered from the target material by the discharge are combined with the reaction gas to cover the substrate. In the sputtering film forming method, when the introduction pressure ratio between the discharge gas and the reaction gas is set to 1: X, the amount of the reaction gas introduced is increased to the range of 0.8 ≦ X ≦ 1.5. A sputtering film forming method characterized in that an input power supplied between a material and a substrate is transferred to a high-speed sputtering region in which output power generated by discharging drops nonlinearly, and a film is formed in the high-speed sputtering region. .
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