JP2004244687A

JP2004244687A - Sputtering system

Info

Publication number: JP2004244687A
Application number: JP2003036754A
Authority: JP
Inventors: Mitsutaka Ibe; 光隆井邉
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-09-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sputtering system where the problems, e.g., that a coarse film is deposited on the vertical face of a base material since target atoms are less prone to be deposited on the vertical face of the base material because of the shallowness of the collision angle of the target atoms, and the number of ion particles collided against the vertical face is small as well are solved, and the deposition of a dense, smooth film is possible even as for the region in which the collision angle of the target atoms flying from the target is shallow such as the vertical face to the target. <P>SOLUTION: In the sputtering system, the lines of magnetic force are elongated to the circumferences of a base material 2 using electromagnets 9 to increase the magnetic force in the circumferences of the base material 2. Then, electrons 13 in the vicinity of the base material 2 are captured by the lines of magnetic force reaching the vicinity of the base material 2, and, in accordance with the increase of the ionization effect in the vicinity of the base material 2, the number of ion particles 7 collided against the base material 2 increases. Thus, the number of the ion particles 7 to be collided increases even to the vertical face 2a, so that the film densifying effect of target atoms heaped on the vertical face 2a can be increased. As a result, the shortage in the collosion force of the target atoms in the vertical face 2a can be covered, and a dense, smooth film can be deposited even on the vertical face 2a. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターゲットからターゲット原子を飛ばし、そのターゲット原子を基材の表面に堆積させて皮膜を生成するスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタリング装置の炉内にアルゴン等の放電用ガス（スパッタリングガス）を注入し、炉内に配置した電極に電圧を印加するとプラズマ（グロー放電）が起こる。この時、プラズマ中のイオン粒子が陰極のターゲットに衝突してターゲット原子をはじき出す。スパッタリング装置は、はじき出されたターゲット原子を基材の表面に衝突させて、基材の表面に皮膜を生成する装置である。
【０００３】
このようなスパッタリング装置では、ターゲットに磁場を与えるマグネトロンスパッタリング法を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このマグネトロンスパッタリング法は、図１（ａ）に示されるように、金属、非金属、セラミック等にて製造されたターゲットＪ１の裏面（基材Ｊ２とは反対側の面）に永久磁石Ｊ３を配置して、ターゲットＪ１の前面（基材Ｊ２側の面）に磁場を作成するものである。このようにターゲットＪ１の前面に磁場を生じさせることで、プラズマ中のイオン粒子Ｊ４をターゲットＪ１の近傍に集め、ターゲットＪ１の近傍のイオン粒子Ｊ４の数を増加させることでターゲット原子がはじき出されるスパッタ率を増加させるものである。
これによって、基材Ｊ２の表面に被着するターゲット原子の堆積速度が増すことから、高い成膜速度を得ることができる。
なお、窒素や酸素といった反応性ガスを同時に炉内に導入することで、化合物の皮膜を生成することが可能である。
【０００４】
また、マグネトロンスパッタリング法は、低温での成膜が可能なものであり、その皮膜表面の状態は非常に平滑であるといった特徴を持つ。
ここで、スパッタリングされたターゲット原子は、スパッタリングの原理上、ターゲット原子のほとんどが中性粒子である。このため、反応性ガスとともに基材Ｊ２上に堆積したターゲット原子の反応性は低いものとなり、疎な皮膜が基材Ｊ２の表面に生成されることになる。そこで、基材Ｊ２に負の電圧を印加して、プラズマによって生じたイオン粒子Ｊ４を皮膜に衝突させ、皮膜の緻密化を図るといった手法が一般的に用いられている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２２０６６０公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
マグネトロンスパッタリング法では、上述したようにターゲット原子の大部分が中性子であるため、ターゲット原子の飛行角度を制御することは物理的に困難である。
ターゲットＪ１と対向する基材Ｊ２の表面への成膜については、ターゲットＪ１から飛行するターゲット原子の衝突力が十分あり、また基材Ｊ２に印加した負電圧によって皮膜に衝突するイオン粒子Ｊ４の衝突力も十分あることから、緻密な目的の皮膜を生成し易い。
しかし、ターゲットＪ１に対する垂直面Ｊ５への成膜となると、ターゲットＪ１から飛行してくるターゲット原子の衝突角度が浅くなるため、ターゲット原子が基材Ｊ２へ被着しにくく、また衝突力も減少してしまうことから、垂直面Ｊ５に堆積するターゲット原子の数が少なく、且つ垂直面Ｊ５に衝突するイオン粒子Ｊ４の数も少ないことから、垂直面Ｊ５には粗雑な皮膜が生成されてしまうといった問題が生じる。
【０００７】
なお、上記現象に対しては、ターゲットＪ１からはじき出されるターゲット原子がイオン化しているイオンプレーティング法を用いれば改善できる。これは、イオン化しているターゲット原子の飛行角度を基材Ｊ２に印加した負電圧で制御できるためである。
しかし、イオンプレーティング法を用いたスパッタリング装置は、成膜温度が高温になるため、低温成膜が求められる基材には適用できない。
また、イオンプレーティング法で形成される皮膜表面の平滑性は、マグネトロンスパッタリング法に比較して劣ってしまうため、皮膜表面平滑性が求められる場合にも適用できない。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ターゲットに対して垂直面など、ターゲットから飛行してくるターゲット原子の衝突角度が浅い部位であっても緻密で平滑な皮膜の生成が可能なスパッタリング装置の提供にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の手段〕
請求項１のスパッタリング装置は、プラズマ中のイオン粒子を基材へ衝突させるために、基材に電圧を印加するバイアス電源と、ターゲットから基材へ向けて磁力を与える電磁石とを備えるものである。
このように、ターゲットから基材へ向けて磁力を与える電磁石を用いることにより、基材の周辺の磁力を増すことができる。これによって、基材の周辺におけるイオン粒子の数が増し、基材に衝突するイオン粒子の数が増加する。この結果、ターゲットと対向する基材の表面はもちろん、ターゲット原子の衝突角度が浅い部位（例えば、ターゲットに対する垂直面）に衝突するイオン粒子が増加し、ターゲット原子の衝突角度が浅い部位に堆積したターゲット原子（皮膜）に対してイオン衝突効果を高めることができる。これによって、垂直面に衝突するターゲット原子の衝突力不足を補うことができ、垂直面に緻密で平滑な皮膜を生成できる。
即ち、スパッタリング装置の特徴である低温成膜性および皮膜表面平滑性を保持したまま、ターゲットから飛行してくるターゲット原子の衝突角度が浅い部位（例えば、ターゲットに対する垂直面）であっても緻密で平滑な皮膜を生成できる。
【００１０】
また、電磁石を用いて炉内の磁力を高めることにより、炉内全体のプラズマ密度（イオン粒子の数）が増加するため、その高いプラズマ密度の空間を通過するターゲット原子のイオン化率が向上する。この結果、イオン化したターゲット原子がバイアス電源によって基材に吸着される率が高まり、ターゲット原子が基材に被着する率が高まる。即ち、従来に比較して皮膜の反応性を高める効果も得られる。
【００１１】
〔請求項２の手段〕
請求項２のスパッタリング装置は、ターゲットの基材側の面に磁場を作成する永久磁石の周囲に電磁石を配置し、永久磁石を電磁鉄心としても利用するものである。
このように設けることにより、永久磁石が搭載された既存のスパッタリング装置に本発明を適用できるとともに、あらかじめ搭載された永久磁石が発生する磁力も無駄なく利用できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、実施例および変形例を用いて説明する。
〔実施例〕
まず、既存のスパッタリング装置の概略を図２を参照して説明する。
本実施例に示す既存のスパッタリング装置は、図２（ａ）の概略図に示されるものであり、真空引き可能な炉１の略中心部分に基材２が取付可能な治具３が配置されており、その治具３の周囲には１つあるいは複数（この実施例では複数の例を示す）のターゲット４が取付可能に設けられている。
【００１３】
炉１の内壁に取り付けられるターゲット４には、図２（ｂ）の概略図に示されるように、スパッタ電源５が接続されており、ターゲット４に低電圧、高電流の高周波信号を与えて炉１内にプラズマ（グロー放電）を発生させるように設けられている。
治具３に取り付けられる基材２には、図２（ｂ）の概略図に示されるように、基材２に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源６が接続されており、プラズマ中の正のイオン粒子７を基材２へ衝突させるように設けられている。
【００１４】
マグネトロンスパッタリング法を適用した既存のスパッタリング装置には、図２（ｂ）の概略図に示されるように、ターゲット４の裏面（基材２とは反対側の面）に、ターゲット４の前面（基材２側の面）に磁場を作成する永久磁石８が配置されている。永久磁石８の具体的な配置例を説明する。永久磁石８は、ターゲット４の裏面の略中央に配置されてターゲット４の前面側へＳ極の磁力線を放出する弱磁石８ａと、ターゲット４の裏面の周囲に配置されてターゲット４の前面側へＮ極の磁力線を放出する強磁石８ｂとから構成される。
【００１５】
既存のスパッタリング装置（図２参照）に本発明を適用したスパッタリング装置には、図１（ｂ）に示されるように、ターゲット４から基材２へ向けて磁力を与え、基材２の周辺まで磁力線を届かせるための電磁石９が搭載されている。
この電磁石９は、ターゲット４の前面の磁力を強めるように搭載すれば良く、特に磁力の指定はない。代表的な電磁石９の搭載例を、図３（ａ）、（ｂ）に示す。
【００１６】
図３（ａ）、（ｂ）の搭載例は、既存のスパッタリング装置に搭載されていた永久磁石８の周囲に電磁石９を配置したものであり、既存の永久磁石８を電磁鉄心としても利用するものである。なお、電磁石９には、電磁石９を通電して電磁石９に起磁力を生じさせるための励磁電源１０が接続されている。
ここで、電磁石９の通電値は、ターゲット４の裏面の外周部に配置された強磁石８ｂからターゲット４の前面側へ放出されるＮ極の磁力線が基材２の周囲に及ぶように設定される。その際、電磁石９に印加する電流値および電圧値については、装置の大きさ、ターゲット４の大きさ、ターゲット４から基材２までの距離を考慮して設定されるものである。
【００１７】
基材２の表面に皮膜１１を成膜する工程を説明する。
（１）スパッタリング装置の炉１内に１つあるいは複数のターゲット４を取り付ける。なお、複数のターゲット４を取り付ける場合は、全てのターゲット４の種類が同じであっても良いし、異なった材質のターゲット４を取り付けても良い。
（２）中心の治具３に基材２を取り付け、治具３ごと回転させる。なお、基材２は以下の工程中に不具合が生じない固体（具体的な例を挙げると、１８０℃以上に加熱されると焼きなましが生じる不具合のある鋼材：一例としてＳＵＪ２等）である。
（３）通常の成膜工程である真空引き→余熱（例えば１００℃）→基材２の表面エッチングを実施する。なお、エッチングに用いるガスは、一例として通常の成膜工程に用いるＡｒガス等を用いる。
【００１８】
（４）炉１内に放電用ガス（例えばＡｒガス等）を導入し、炉１内の圧力を０．１〜１００Ｐａとする。代表的な例としては１Ｐａ程度が望ましい。
（５）スパッタ電源５によってターゲット４に低電圧、高電流の高周波信号を印加して、炉１内においてプラズマ（グロー放電）を発生させるとともに、バイアス電源６によって基材２に負のバイアス電圧を印加し、さらに励磁電源１０によって電磁石９を通電して電磁石９に起磁力を生じさせる。この工程によって、基材２の表面に皮膜１１が生成される。
【００１９】
この基材２の表面に皮膜１１が生成される過程を説明する。
プラズマによって生じた正のイオン粒子７（キャリアガス：例えばＡｒ^＋）がターゲット４にぶつかり、ターゲット４からターゲット原子１２が炉１内にはじき出される。はじき出されたターゲット原子１２が基材２にぶつかり、基材２上にターゲット原子１２（場合によっては、反応ガスの原子等）が堆積する。
一方、基材２には、負の電圧が印加されており、プラズマによって生じた正のイオン粒子７が基材２上に堆積したターゲット原子１２に衝突し、基材２の表面に緻密で平滑な皮膜１１が生成される。
【００２０】
ここで、ターゲット４から飛行してくるターゲット原子１２の衝突角度が浅い部位（例えば、ターゲット４に対する垂直面：以下、垂直面２ａと称す）では、ターゲット原子１２の衝突角度が浅くなるため、従来技術の項でも説明したように、ターゲット原子１２が基材２へ被着しにくく、また衝突力も減少してしまうことから、垂直面２ａに堆積するターゲット原子１２の数が少ない。そして、従来技術では、垂直面２ａに衝突するイオン粒子７の数も少ないことから、垂直面２ａには粗雑な皮膜１１が生成されてしまうといった不具合があった。
【００２１】
上記従来の不具合に対し、本実施例では、図１（ｂ）に示すように、電磁石９を用いて基材２の周辺まで磁力線を延ばして基材２の周辺の磁力を増加させている。すると、基材２の近傍に及んだ磁力線によって基材２の近傍の電子１３が捕捉され、基材２の近傍における電離効果の増加に伴って基材２に衝突するイオン粒子７の数が従来技術より増加する。
その結果、垂直面２ａに対しても、衝突するイオン粒子７の数が増加し、垂直面２ａに堆積したターゲット原子１２の皮膜緻密化効果が高められる。これによって、垂直面２ａにおけるターゲット原子１２の衝突力不足を補うことが可能になり、垂直面２ａに緻密で平滑な皮膜１１を生成できる。
【００２２】
なお、基材２の表面に生成する皮膜１１の種類には特に制限はなく、任意の材質のターゲット４を用いたり、酸素や窒素等の反応性ガス、放電用ガス等を適宜選択して用いることにより、生成する皮膜１１を選択可能なものである。
また、基材２の種類や目的等に応じては、密着力向上や応力緩和を目的に中間層を基材２の表面に成膜しても良い。もちろん、中間層は成膜しなくても良いし、中間層を１層のみとしても良いし、中間層を２層以上生成しても良い。
【００２３】
ここで、従来技術のスパッタリング装置と、本実施例のスパッタリング装置を用い、基材２として鉄系金属を用い、その基材２の垂直面２ａ（ターゲット４に対して垂直な面）にＣｒＮ皮膜１１を生成した場合における皮膜硬さ、スクラッチ試験、圧痕試験の結果を表１に示す。
なお、下の表１では、従来技術のスパッタリング装置を従来スパッタリング法と称し、本実施例のスパッタリング装置を新規スパッタリング法と称す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
上記の表１に示すように、皮膜硬さは、従来技術では膜のビッカース硬さが１４５０ＨＶであったのに対し、本実施例では膜のビッカース硬さを１８７０ＨＶと大幅に高めることができた。
また、スクラッチ試験においては、従来技術では皮膜１１の密着力が５０Ｎであったのに対し、本実施例では皮膜１１の密着力を８０Ｎ以上と大幅に高めることができた。
さらに、ロックウェルＣ硬さ試験機を用いた圧痕試験（荷重１４７０Ｎ）においては、従来技術では皮膜崩壊が発生したのに対し、本実施例では剥離の発生はなかった。
【００２６】
〔実施例の効果〕
本発明を適用したスパッタリング装置は、電磁石９を用いて基材２の周辺まで磁力線を延ばして、基材２に衝突するイオン粒子７の数を増加させたことにより、垂直面２ａなどターゲット原子１２の衝突角度が浅い部位であっても、ターゲット原子１２の皮膜緻密化効果を高めることができるため、垂直面２ａに衝突するターゲット原子１２の衝突力不足を補うことができ、ターゲット原子１２の衝突角度が浅い部位（垂直面２ａ等）に緻密で平滑な皮膜１１を生成できる。
即ち、本発明を適用したスパッタリング装置は、スパッタリング法の特徴である低温成膜性、皮膜表面平滑性を保持したまま、ターゲット４に対して垂直な面など、ターゲット原子１２の衝突角度が浅い部位へも緻密で平滑な皮膜１１を生成できる。
【００２７】
また、電磁石９を用いて炉１内の磁力を高めたことにより、炉１内におけるプラズマ密度（イオン粒子７の数）が増加するため、その高いプラズマ密度の空間を通過するターゲット原子１２のイオン化率が向上する。この結果、イオン化したターゲット原子１２がバイアス電源によって負の電圧が印加された基材２に吸着される率が高まり、ターゲット原子１２が基材２に被着する率が高まる。即ち、従来に比較して皮膜１１の反応性を高める効果も得られる。
【００２８】
さらに、この実施例では、既存のスパッタリング装置に電磁石９を搭載する手法を採用しているため、本発明が適用されるスパッタリング装置のコストを抑えることができる。言い換えれば、既存のスパッタリング装置に電磁石９を搭載するという比較的容易な手法によって、従来にはない高い効果を得ることができる。また、既存のスパッタリング装置に搭載された永久磁石８が発生する磁力も無駄なく利用でき、電磁石９の負荷を下げることができる。
【００２９】
〔変形例〕
上記の実施例では、永久磁石８とともに電磁石９を搭載する例を示したが、永久磁石８を廃止して、電磁石９だけを搭載するようにしても良い。
上記の実施例では、ターゲット４に高周波を印加し、基材２に負の電圧を印加する例を示したが、ターゲット４や基材２に印加する電力については、直流、高周波、パルスなど、特に制限はない。
【図面の簡単な説明】
【図１】スパッタリング装置の要部概略図である。
【図２】スパッタリング装置の概略図である。
【図３】電磁石の配置状態を示す概略図である。
【符号の説明】
１炉
２基材
４ターゲット
６バイアス電源
７イオン粒子
８永久磁石
９電磁石
１１皮膜
１２ターゲット原子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a sputtering apparatus that flies target atoms from a target and deposits the target atoms on the surface of a base material to form a film.
[0002]
[Prior art]
When a discharge gas (sputtering gas) such as argon is injected into the furnace of the sputtering apparatus and a voltage is applied to the electrodes arranged in the furnace, plasma (glow discharge) occurs. At this time, the ion particles in the plasma collide with the cathode target and repel target atoms. The sputtering device is a device that collides the ejected target atoms with the surface of the base material to generate a film on the surface of the base material.
[0003]
As such a sputtering apparatus, one using a magnetron sputtering method for applying a magnetic field to a target is known (for example, see Patent Document 1).
In this magnetron sputtering method, as shown in FIG. 1A, a permanent magnet J3 is arranged on the back surface (surface opposite to the base material J2) of a target J1 made of metal, non-metal, ceramic, or the like. Then, a magnetic field is created on the front surface of the target J1 (the surface on the base material J2 side). By generating a magnetic field in front of the target J1, the ion particles J4 in the plasma are collected near the target J1, and the number of the ion particles J4 near the target J1 is increased to sputter the target atoms. Increase the rate.
As a result, the deposition rate of target atoms deposited on the surface of the substrate J2 is increased, so that a high deposition rate can be obtained.
Note that a compound film can be formed by simultaneously introducing a reactive gas such as nitrogen or oxygen into the furnace.
[0004]
Further, the magnetron sputtering method is capable of forming a film at a low temperature, and is characterized in that the state of the film surface is very smooth.
Here, most of the sputtered target atoms are neutral particles on the principle of sputtering. For this reason, the reactivity of the target atoms deposited on the substrate J2 together with the reactive gas becomes low, and a sparse film is formed on the surface of the substrate J2. Therefore, a method of applying a negative voltage to the base material J2 to cause the ion particles J4 generated by the plasma to collide with the film and to densify the film is generally used.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-220660
[Problems to be solved by the invention]
In the magnetron sputtering method, since most of the target atoms are neutrons as described above, it is physically difficult to control the flight angle of the target atoms.
Regarding the film formation on the surface of the substrate J2 facing the target J1, the collision force of the target atoms flying from the target J1 is sufficient, and the collision of the ion particles J4 colliding with the film by the negative voltage applied to the substrate J2. Since it has enough power, it is easy to form a dense target film.
However, when the film is formed on the vertical plane J5 with respect to the target J1, the collision angle of the target atoms flying from the target J1 becomes shallow, so that the target atoms hardly adhere to the base material J2 and the collision force decreases. As a result, the number of target atoms deposited on the vertical surface J5 is small, and the number of ion particles J4 colliding with the vertical surface J5 is also small. Therefore, there is a problem that a rough film is formed on the vertical surface J5. Occurs.
[0007]
The above phenomenon can be improved by using an ion plating method in which target atoms repelled from the target J1 are ionized. This is because the flight angle of the ionized target atoms can be controlled by the negative voltage applied to the substrate J2.
However, a sputtering apparatus using the ion plating method cannot be applied to a substrate requiring low-temperature film formation because the film formation temperature is high.
Further, the smoothness of the surface of the film formed by the ion plating method is inferior to that of the magnetron sputtering method, so that it cannot be applied to the case where the film surface smoothness is required.
[0008]
[Object of the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a dense and smooth film even at a portion where the collision angle of target atoms flying from the target is shallow, such as a vertical surface with respect to the target. It is an object of the present invention to provide a sputtering apparatus capable of generating GaN.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
[Means of claim 1]
The sputtering apparatus according to the first aspect includes a bias power supply that applies a voltage to the base material and an electromagnet that applies a magnetic force from the target to the base material so that the ion particles in the plasma collide with the base material. .
As described above, by using the electromagnet that applies a magnetic force from the target toward the base material, the magnetic force around the base material can be increased. As a result, the number of ion particles around the substrate increases, and the number of ion particles colliding with the substrate increases. As a result, the number of ion particles colliding not only with the surface of the base material facing the target but also with a portion where the collision angle of the target atoms is shallow (for example, a vertical surface with respect to the target) increases, and the ion particles are deposited on the portion where the collision angle of the target atoms is small. The effect of ion collision with target atoms (films) can be enhanced. This makes it possible to compensate for the insufficient collision force of the target atoms colliding with the vertical plane, and to produce a dense and smooth film on the vertical plane.
That is, while maintaining the low-temperature film-forming property and the film surface smoothness, which are the characteristics of the sputtering apparatus, even at a part where the collision angle of target atoms flying from the target is shallow (for example, a vertical plane with respect to the target), it is dense. A smooth film can be formed.
[0010]
In addition, by increasing the magnetic force in the furnace using the electromagnet, the plasma density (the number of ion particles) in the entire furnace increases, so that the ionization rate of target atoms passing through the space having the high plasma density improves. As a result, the rate at which the ionized target atoms are adsorbed on the substrate by the bias power supply increases, and the rate at which the target atoms adhere to the substrate increases. That is, an effect of increasing the reactivity of the film can be obtained as compared with the related art.
[0011]
[Means of Claim 2]
According to a second aspect of the present invention, an electromagnet is disposed around a permanent magnet for creating a magnetic field on the surface of the target on the base material side, and the permanent magnet is also used as an electromagnetic core.
With this arrangement, the present invention can be applied to an existing sputtering apparatus on which a permanent magnet is mounted, and the magnetic force generated by the previously mounted permanent magnet can be used without waste.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described using examples and modifications.
〔Example〕
First, an outline of an existing sputtering apparatus will be described with reference to FIG.
The existing sputtering apparatus shown in this embodiment is shown in the schematic diagram of FIG. 2A, and a jig 3 to which a base material 2 can be attached is arranged at a substantially central portion of a furnace 1 capable of evacuating. Around the jig 3, one or a plurality of targets 4 (in this embodiment, a plurality of examples are shown) are provided so as to be attachable.
[0013]
As shown in the schematic diagram of FIG. 2B, a sputtering power supply 5 is connected to the target 4 attached to the inner wall of the furnace 1, and a low-voltage, high-current, high-frequency signal is given to the target 4. 1 is provided so as to generate plasma (glow discharge).
As shown in the schematic diagram of FIG. 2B, a bias power source 6 for applying a negative bias voltage to the substrate 2 is connected to the substrate 2 attached to the jig 3, and the positive power in the plasma is Are provided so as to collide with the base material 2.
[0014]
As shown in the schematic diagram of FIG. 2B, an existing sputtering apparatus to which the magnetron sputtering method is applied includes a front surface of the target 4 (a surface opposite to the base material 2) and a front surface of the target 4 (base). A permanent magnet 8 for creating a magnetic field is disposed on the surface of the material 2). A specific arrangement example of the permanent magnet 8 will be described. The permanent magnet 8 is disposed substantially at the center of the rear surface of the target 4 and emits the magnetic field line of the S pole to the front side of the target 4. The weak magnet 8 a is disposed around the rear surface of the target 4 and moves toward the front side of the target 4. And a strong magnet 8b that emits N-pole magnetic lines of force.
[0015]
As shown in FIG. 1B, a sputtering apparatus in which the present invention is applied to an existing sputtering apparatus (see FIG. 2) applies a magnetic force from the target 4 to the substrate 2 and extends to the periphery of the substrate 2. An electromagnet 9 for transmitting the lines of magnetic force is mounted.
The electromagnet 9 may be mounted so as to increase the magnetic force on the front surface of the target 4, and there is no particular designation of the magnetic force. 3A and 3B show typical mounting examples of the electromagnet 9.
[0016]
3 (a) and 3 (b) show an example in which an electromagnet 9 is arranged around a permanent magnet 8 mounted on an existing sputtering apparatus, and the existing permanent magnet 8 is also used as an electromagnetic core. Things. The electromagnet 9 is connected to an excitation power supply 10 for energizing the electromagnet 9 to generate a magnetomotive force in the electromagnet 9.
Here, the energization value of the electromagnet 9 is set such that the magnetic field line of the N pole emitted from the strong magnet 8 b disposed on the outer peripheral portion of the back surface of the target 4 toward the front surface side of the target 4 extends around the base material 2. You. At this time, the current value and the voltage value applied to the electromagnet 9 are set in consideration of the size of the device, the size of the target 4, and the distance from the target 4 to the substrate 2.
[0017]
The step of forming the film 11 on the surface of the substrate 2 will be described.
(1) One or more targets 4 are mounted in the furnace 1 of the sputtering apparatus. When a plurality of targets 4 are attached, the types of all targets 4 may be the same, or targets 4 of different materials may be attached.
(2) The substrate 2 is attached to the jig 3 at the center, and the whole jig 3 is rotated. The base material 2 is a solid that does not cause any trouble during the following steps (specifically, a steel material having a problem that annealing occurs when heated to 180 ° C. or more: SUJ2 or the like as an example).
(3) Vacuum evacuation → remaining heat (for example, 100 ° C.) → surface etching of the substrate 2 which is a normal film forming process is performed. Note that, for example, an Ar gas or the like used in a normal film forming process is used as a gas used for etching.
[0018]
(4) A discharge gas (for example, Ar gas or the like) is introduced into the furnace 1 and the pressure inside the furnace 1 is set to 0.1 to 100 Pa. A typical example is desirably about 1 Pa.
(5) A low-voltage, high-current high-frequency signal is applied to the target 4 by the sputtering power supply 5 to generate plasma (glow discharge) in the furnace 1, and a negative bias voltage is applied to the substrate 2 by the bias power supply 6. The electromagnet 9 is energized by the excitation power supply 10 to generate a magnetomotive force. By this step, the film 11 is generated on the surface of the base material 2.
[0019]
The process of forming the film 11 on the surface of the substrate 2 will be described.
Positive ion particles 7 (carrier gas: for example, Ar ⁺ ) generated by the plasma strike the target 4, and target atoms 12 are ejected from the target 4 into the furnace 1. The ejected target atoms 12 collide with the substrate 2, and the target atoms 12 (in some cases, atoms of a reactive gas or the like) are deposited on the substrate 2.
On the other hand, a negative voltage is applied to the substrate 2, and the positive ion particles 7 generated by the plasma collide with the target atoms 12 deposited on the substrate 2, and the surface of the substrate 2 is dense and smooth. A film 11 is generated.
[0020]
Here, in a region where the collision angle of the target atoms 12 flying from the target 4 is shallow (for example, a vertical plane with respect to the target 4; hereinafter, referred to as a vertical plane 2a), the collision angle of the target atoms 12 is small. As described in the technical section, the number of target atoms 12 deposited on the vertical surface 2a is small because the target atoms 12 hardly adhere to the base material 2 and the collision force is reduced. In the prior art, since the number of ion particles 7 colliding with the vertical surface 2a is small, there is a problem that a rough film 11 is generated on the vertical surface 2a.
[0021]
In the present embodiment, as shown in FIG. 1B, the magnetic force is extended to the periphery of the substrate 2 by using the electromagnet 9 to increase the magnetic force around the substrate 2, as shown in FIG. Then, the electrons 13 near the base material 2 are captured by the magnetic field lines reaching the vicinity of the base material 2, and the number of ion particles 7 colliding with the base material 2 with the increase of the ionization effect near the base material 2 is reduced. More than conventional technology.
As a result, the number of colliding ion particles 7 also increases with respect to the vertical surface 2a, and the effect of densifying the target atoms 12 deposited on the vertical surface 2a is enhanced. This makes it possible to compensate for the insufficient collision force of the target atoms 12 on the vertical surface 2a, and to generate a dense and smooth film 11 on the vertical surface 2a.
[0022]
The type of the film 11 formed on the surface of the substrate 2 is not particularly limited, and a target 4 of an arbitrary material is used, or a reactive gas such as oxygen or nitrogen, a gas for discharge, or the like is appropriately selected and used. Thus, the film 11 to be generated can be selected.
Further, an intermediate layer may be formed on the surface of the substrate 2 for the purpose of improving adhesion and relaxing stress depending on the type and purpose of the substrate 2. Of course, the intermediate layer may not be formed, the intermediate layer may be formed as only one layer, or two or more intermediate layers may be formed.
[0023]
Here, the sputtering device of the prior art and the sputtering device of the present embodiment are used, an iron-based metal is used as the substrate 2, and a CrN film is formed on the vertical surface 2 a (the surface perpendicular to the target 4) of the substrate 2. Table 1 shows the results of the film hardness, scratch test, and indentation test when No. 11 was formed.
In Table 1 below, the conventional sputtering apparatus is referred to as a conventional sputtering method, and the sputtering apparatus according to the present embodiment is referred to as a novel sputtering method.
[0024]
[Table 1]

[0025]
As shown in Table 1 above, the film hardness was significantly increased to 1870 HV in the present example, whereas the Vickers hardness of the film was 1450 HV in the prior art. .
In the scratch test, the adhesion of the coating 11 was 50 N in the conventional technique, whereas the adhesion of the coating 11 was significantly increased to 80 N or more in the present embodiment.
Further, in an indentation test (load 1470 N) using a Rockwell C hardness tester, film collapse occurred in the conventional technique, but no peeling occurred in the present example.
[0026]
[Effects of the embodiment]
The sputtering apparatus to which the present invention is applied uses the electromagnets 9 to extend the magnetic field lines to the periphery of the substrate 2 to increase the number of ion particles 7 colliding with the substrate 2, thereby increasing the number of target atoms 12 such as the vertical surface 2 a. Even if the collision angle of the target atoms 12 is shallow, the effect of densifying the film of the target atoms 12 can be enhanced, so that the insufficient collision force of the target atoms 12 colliding with the vertical surface 2a can be compensated, and the collision of the target atoms 12 can be compensated. A dense and smooth film 11 can be formed on a portion having a small angle (such as the vertical surface 2a).
That is, the sputtering apparatus to which the present invention is applied is a part where the collision angle of the target atoms 12 is shallow, such as a plane perpendicular to the target 4 while maintaining the low-temperature film-forming property and the film surface smoothness, which are characteristics of the sputtering method. The dense and smooth film 11 can be formed.
[0027]
In addition, since the magnetic force in the furnace 1 is increased by using the electromagnets 9, the plasma density (the number of ion particles 7) in the furnace 1 increases, so that the target atoms 12 passing through the space having the high plasma density are ionized. The rate is improved. As a result, the rate at which the ionized target atoms 12 are adsorbed to the substrate 2 to which a negative voltage is applied by the bias power supply increases, and the rate at which the target atoms 12 adhere to the substrate 2 increases. That is, an effect of increasing the reactivity of the film 11 can be obtained as compared with the related art.
[0028]
Further, in this embodiment, since a method of mounting the electromagnet 9 on an existing sputtering apparatus is employed, the cost of the sputtering apparatus to which the present invention is applied can be suppressed. In other words, a comparatively easy method of mounting the electromagnet 9 on an existing sputtering apparatus can provide an unprecedented high effect. Further, the magnetic force generated by the permanent magnet 8 mounted on the existing sputtering apparatus can be used without waste, and the load on the electromagnet 9 can be reduced.
[0029]
(Modification)
In the above embodiment, the example in which the electromagnet 9 is mounted together with the permanent magnet 8 is described. However, the permanent magnet 8 may be omitted and only the electromagnet 9 may be mounted.
In the above-described embodiment, an example in which a high frequency is applied to the target 4 and a negative voltage is applied to the substrate 2 has been described. However, for the power applied to the target 4 and the substrate 2, DC, high frequency, pulse, etc. There is no particular limitation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a main part of a sputtering apparatus.
FIG. 2 is a schematic diagram of a sputtering apparatus.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an arrangement state of electromagnets.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Furnace 2 Base material 4 Target 6 Bias power supply 7 Ion particles 8 Permanent magnet 9 Electromagnet 11 Film 12 Target atom

Claims

A discharge gas is injected into the furnace, a glow discharge is generated in the furnace, and ion particles in the plasma collide with a cathode target, whereby target atoms are repelled from the target, and the repelled target is ejected. In a sputtering apparatus in which atoms are deposited on a surface of a substrate installed in the furnace to generate a film on the surface of the substrate,
In order to cause ion particles in plasma to collide with the substrate, a bias power supply that applies a voltage to the substrate,
An electromagnet for applying a magnetic force from the target toward the substrate.

In the sputtering apparatus according to claim 1,
The sputtering apparatus, wherein the electromagnet is disposed around a permanent magnet that creates a magnetic field on the surface of the target on the substrate side, and the permanent magnet is also used as an electromagnetic core.