CN101283114A - 磁控溅射装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种磁控溅射装置，通过提高靶上的瞬时的腐蚀密度，使成膜速度提高，并且使腐蚀区域时间性移动，防止靶的局部性损耗，使靶实现均匀损耗，从而延长靶的使用寿命。在柱状旋转轴(2)的周围设置多个板磁体(3)，通过使柱状旋转轴(2)旋转，在靶(1)上形成高密度的腐蚀区域，使成膜速度提高，同时随着柱状旋转轴(2)旋转，腐蚀区域产生运动，使靶(1)均匀消耗。
Description
技术区域
本发明涉及用于对液晶显示基板和半导体基板等被处理体施加规定的表面处理的处理装置，即磁控溅射装置。
背景技术
在液晶显示元件和IC等半导体元件的制造中，在其基板上形成金属或绝缘物等的薄膜的成膜工序是必不可少的。在这些工序中，采用的是通过溅射装置进行成膜的方法，即，将成膜用的原材料作为靶，通过直流高压或高频电力使氩气等等离子体化，通过该等离子体化气体将靶活性化，使其熔解、飞散，被覆在被处理基板上。
在溅射成膜法中，为了使成膜速度高速化，通过磁控溅射装置进行成膜的方法成为主流，即，通过在靶的背面设置磁体，使磁力线平行通过靶的表面，将等离子体封闭在靶表面上，从而获得高密度的等离子体。
图10是表示对采用现有技术的磁控溅射装置的要部构成进行说明的图，101表示靶；102表示形成薄膜的基板；103表示多个磁体；104表示磁力线；105表示靶101熔解剥离的区域，即腐蚀区域。
如图10所示，在靶101的背面上设置磁体103，使各个磁体103的N极和S极朝向规定的方向，向靶101和基板102之间，施加高频电力(RF电力)106或直流高压电力107，在靶101上激发等离子体。
另一方面，在设置在靶101背面的多个磁体103中，从相邻的N极朝向S极产生磁力线104。在靶表面上，在垂直磁场(与靶表面垂直的磁力线成分)为零的位置上，在局部水平磁场(与靶表面平行的磁力线成分)变为最大。在水平磁场成分多的区域内，电子被补充到靶表面附近，可以形成高密度的等离子体，因此以该位置为中心，可以形成腐蚀区域105。
与其他区域相比，腐蚀区域105被暴露在高密度的等离子体中，因此靶101的消耗变得剧烈。连续进行成膜时，该区域中的靶变无时，必须对整个靶进行更换。结果使靶101的利用效率变差，再者，关于与靶对向设置的被处理基板102的薄膜的膜厚，也因为与腐蚀区域105对向的位置的膜厚变厚，而存在整个被处理基板的膜厚均匀性劣化的问题。
因此，原先提出了一种方案，即，将棒磁体作为产生磁场的磁体，通过使该棒磁体移动或者旋转，使腐蚀区域时间性移动，以时间平均计，实质上消除靶的局部性消耗，再使被处理基板的膜厚均匀性得到提高的方法(参考特许文献1～3)。
在这些方法中，或者棒磁体的N极和S极在其直径向的对向表面上，具有与其长度方向平行的同磁极的各种排列，或者在其直径向的对向表面上，具有与其长度方向相关的螺旋状的同磁极的各种排列。再者，为了腐蚀区域在靶内形成封闭回路，在移动或旋转的棒磁体的周围设置固定的棒磁体。该固定的棒磁体的N极和S极在其直径向的对向表面上，具有与其长度方向平行的同磁极的各种排列。
特许文献1：特开平5-148642号公报
特许文献2：特开2000-309867号公报
特许文献3：特许第3566327号公报
然而，在上述现有的方法中，为了提高对被处理基板进行成膜的速度，瞬时提高腐蚀密度，即提高腐蚀区域在整个靶区域中的比例，此时需要增加棒磁体的强度，并使小型化的棒磁体相互靠近。但是，采用这样的构成时，会出现在磁体之间的斥力或引力的作用下，磁体和固定的棒产生扭曲，或者对抗该力使移动和旋转变的困难的问题。
另外，随着与固定在周边的棒磁体相邻的旋转磁体的旋转，无论如何都会产生旋转磁体和固定在周边的棒磁体的磁极变为相同的位相，此时会出现不能形成封闭的腐蚀的问题。
发明内容
本发明正是鉴于上述现有的问题而设计的，其目的之一在于，提供一种提高在靶上的瞬时的腐蚀密度，使成膜速度得以提高的磁控溅射装置。
再者，本发明的另外的目的在于，提供一种通过使腐蚀区域时间性移动，防止靶的局部性磨损，实现均匀消耗，而延长靶寿命的磁控溅射装置。
为了达成上述目的，本发明提供一种磁控溅射装置，其具有被成膜基板和与被成膜基板相对设置的靶、以及被设置在与靶的被处理基板相反侧的磁体，通过该磁体，在靶表面形成磁场，由此将等离子体封闭在靶表面，其特征在于，所述磁体包括：在柱状旋转轴上设有多个板磁体而成的旋转磁体群、和与靶面平行地设置在旋转磁体群的周边且在与靶面垂直的方向上磁化的固定外周板磁体，通过使所述旋转磁体群与所述柱状旋转轴一起旋转，以所述靶表面的磁场图案与时间一起动作的方式构成。
这里，所述磁控溅射装置，其特征在于，所述旋转磁体群以在所述柱状旋转轴的轴向上相邻的板磁体彼此具有相互不同的磁极的方式，并且以在与所述柱状旋转轴的轴向垂直的面的外周上具有相邻板磁体成为相互不同的磁极的部分的方式，在所述柱状旋转轴的外周设置多个板磁体而构成，所述固定外周板磁体在靶侧形成有N极或S极的任一种磁极。
另外，所述磁控溅射装置，其特征在于，所述旋转磁体群是通过在所述柱状旋转轴上螺旋状地设置板磁体而形成多个螺旋，并且在所述柱状旋转轴的轴向上相邻的螺旋彼此在所述柱状旋转轴的径向外侧形成有作为相互不同的磁极的N极和S极的螺旋状板磁体群，所述固定外周板磁体从靶侧观看，形成包围所述旋转磁体群的构造，并且在靶侧形成有N极或S极的磁极。
再者，所述磁控溅射装置，其特征在于，所述旋转磁体群通过在所述柱状旋转轴的外周环状地设置板磁体且在所述柱状旋转轴的轴向上设置多个该环而构成，并且以在所述柱状旋转轴的轴向上相邻的环彼此具有相互不同的磁极的方式，并且以随着所述柱状旋转轴的径向角度变化各环中的板磁体在所述柱状旋转轴的轴向上的位置发生变化的方式构成，所述固定外周板磁体从靶侧观看，形成包围所述旋转磁体群的构造，并且在靶侧形成有N极或S极的磁极。
优选所述柱状旋转轴的至少一部分为常磁性体。
也可以在与所述固定外周板磁体的所述靶相反侧的面上，与所述固定外周板磁体邻接设置固定外周常磁性体。
也可以设置使从所述固定外周板磁体朝向所述靶外侧的磁通比从所述固定外周板磁体朝向所述靶内侧的磁通弱的机构。
优选所述机构包括常磁性体构件，该常磁性体被设为在所述固定外周板磁体的表面中从所述靶侧观看，连续覆盖外侧的侧面和所述靶侧的面的一部分。
另外，在上述机构中，以在所述固定外周板磁体的表面中所述靶侧的表面向所述靶的内侧突出的方式构成所述固定外周板磁体。
所述磁控溅射装置，其特征在于，所述磁控溅射装置还具备以覆盖所述靶的端部的方式与所述靶隔离且相对于所述螺旋状板磁体群设于相反侧并被电接地的遮蔽构件，所述遮蔽构件在与所述柱状旋转轴的轴向相同的方向上延伸，构成使所述靶相对于所述被处理基板开口的狭缝，将该狭缝的宽度及长度设定为，在以一定频率使所述板磁体群旋转时的、形成在靶表面的磁场中与靶面平行的成分的磁场强度的时间平均分布中，在最大值的75％以上的区域从被处理基板观看开口的宽度及长度。
另外，所述磁控溅射装置，其特征在于，所述磁控溅射装置还具备以覆盖所述靶的端部的方式与所述靶隔离且相对于所述螺旋状板磁体群设于相反侧并被电接地的遮蔽构件，所述遮蔽构件在与所述柱状旋转轴的轴向相同的方向上延伸，并构成在其间使所述靶相对于所述被处理基板开口的狭缝，将该狭缝的宽度及长度设定为，在固定被处理基板且以一定频率使所述板磁体群旋转时，在所述靶的端部不被遮蔽的情况下，遮蔽在单位时间在被处理基板进行成膜的最大膜厚的80％以下的区域。
所述磁控溅射装置，其特征在于，所述固定外周常磁性体的一部分连续构成壁面，形成使所述柱状旋转轴及板状磁体群覆盖所述靶侧以外的部分的构造，并被延长到与所述柱状旋转轴邻接的部分为止，经磁性流体与所述柱状旋转轴的磁性体部分邻接，在所述旋转磁体群和所述固定外周板磁体之间形成有磁阻低的磁回路。
优选所述旋转磁体群，将板磁体环状地粘贴在所述柱状旋转轴上形成多个环状板磁体群，是在柱状旋转轴的轴向上相邻的所述环状板磁体群彼此在所述柱状旋转轴的径向外侧形成有作为相互不同的磁极的N极和S极的环状板磁体群，随着所述柱状旋转轴的径向角度的变化各环状板磁体群的轴向的位置连续地以相同的变位量发生变化。
所述磁控溅射装置，其特征在于，所述环状板磁体群被形成为：在所述柱状旋转轴的径向角度发生180度变化时，在邻接的环状板磁体的轴向位置上发生变化，并且在发生180度变化时，返回到原来的轴向位置，所述固定外周板磁体从靶侧观看形成包围所述旋转磁体群的构造，且在所述靶侧形成有N极或S极的磁极。
优选所述柱状旋转轴的至少一部分为常磁性体。
优选在与所述固定外周板磁体的所述靶相反侧的面上，与所述固定外周板磁体邻接而设置固定外周常磁性体。
此外，所述固定外周常磁性体的一部分连续构成壁面，形成使所述柱状旋转轴及板状磁体群覆盖所述靶侧以外的部分的构造，并被延长到与所述柱状旋转轴邻接的部分为止，经磁性流体与所述柱状旋转轴的磁性体部分邻接，在所述旋转磁体群和所述固定外周板磁体之间形成有磁阻低的磁回路。
优选所述环状板磁体群被形成为：在所述柱状旋转轴的径向角度发生180度变化时，在邻接的环状板磁体的轴向位置上发生变化，并且在发生180度变化时，返回到原来的轴向位置，所述固定外周板磁体设置有：从所述靶侧观看与所述旋转磁体群的一侧邻接，在所述靶表面侧形成N极或S极的磁极而设置的第一个板磁体；从靶侧观看形成包围所述环状旋转磁体群和所述第一个板磁体的构造，且在所述靶侧具有与所述第一个板磁体相反的磁极的板磁体。
所述环状板磁体群也可以被形成为：在所述柱状旋转轴的径向角度发生180度变化时，在邻接的环状板磁体的轴向位置上发生变化，并且在发生180度变化时，返回到原来的轴向位置，所述固定外周板磁体从靶侧观看形成包围所述旋转磁体群的构造，且在所述靶侧形成有N极或S极的磁极。
优选所述柱状旋转轴的至少一部分为常磁性体。
另外，在与所述固定外周板磁体的所述靶相反侧的面上与所述固定外周板磁体邻接而设置固定外周常磁性体。
优选所述固定外周常磁性体的一部分连续构成壁面，形成使所述柱状旋转轴及板状磁体群覆盖所述靶侧以外的部分的构造，并被延长到与所述柱状旋转轴邻接的部分为止，经磁性流体与所述柱状旋转轴的磁性体部分邻接，在所述旋转磁体群和所述固定外周板磁体之间形成有磁阻低的磁回路。
也可以具有所述旋转磁体群和所述固定外周板磁体，在与靶表面垂直的方向上可动的构成。
也可以具有所述柱状旋转轴和粘贴在柱状旋转轴上的所述旋转磁体群以及所述固定外周板磁体，被设置在靶和粘贴有靶的背板以及从背板周围起连续设置的壁面所包围的空间内，所述空间可以进行减压的构成。
也可以具有在与所述柱状旋转轴的轴向相交的方向上使所述被处理基板相对移动的机构。
也可以在所述柱状旋转轴的轴向上平行设置多个上述磁控溅射装置，在与所述柱状旋转轴的轴向相交的方向上，设置使所述被处理基板相对移动的机构。
根据本发明，可以获得一种溅射方法，其特征在于，采用上述的磁控溅射装置，使所述柱状旋转轴旋转的同时，向被处理基板成膜所述靶的材料。
再者，根据本发明，可以获得一种电子装置(半导体装置或平板显示器装置、其他的电子装置)的制造方法，其特征在于，包含采用上述的溅射方法，对被处理基板进行溅射成膜的工序。
根据本发明，不仅可以提高成膜速度，而且可以防止靶的局部性损耗，实现均匀消耗，从而使提高靶的寿命成为可能。
附图说明
图1是表示本发明的磁控溅射装置的剖面图。
图2是表示柱状旋转轴、多个磁体群、板磁体以及常磁性体的鸟瞰图和从靶一侧的剖视图。
图3是表示腐蚀区域的图。
图4是表示本发明的第8实施方式中的往返移动型成膜装置的图。
图5是表示水平磁场强度的柱状旋转轴材料的比导磁率依存性的图。
图6表示(1)没有形成磁回路、(2)在固定外周板磁体之下设置常磁性体(比导磁率100)、(3)在固定外周板磁体之下的常磁性体和柱状旋转轴之间形成磁回路的各种情况下的规格化水平磁场强度的图。
图7是表示旋转板磁体中，仅是柱状旋转轴的径向外侧的磁极为S极，即和固定外周磁体的靶一侧的磁极相同的磁体，将其轴向的长度缩短后的情况下的腐蚀图案的图。
图8是表示本发明的第3实施方式中的磁体配置的图。
图9是表示本发明的第4实施方式中的磁体配置的图。
图10是表示现有的磁控溅射装置的图。
图11是表示本发明的第5实施方式中的磁体配置的图。
图12是表示水平磁场强度的磁体间隔依存性的图。
图13是表示水平磁场强度的固定外周磁体宽度依存性的图。
图14是表示水平磁场强度的从固定外周磁体的靶一侧的面起的垂直方向距离依存性的图。
图15是表示本发明的第6实施方式中的磁体配置的图。
图16是表示螺旋状板磁体和固定外周磁体的图。
图17是表示模拟靶表面的等离子体照片的图。
图18是表示模拟长时间放电后的靶的消耗状态照片的图。
图19是表示本发明的第7实施方式中的磁体配置的图。
图20是表示与靶表面相对，在距离30mm的位置上设置硅基板时的、与柱状旋转轴的轴垂直的方向上的成膜率分布的图。
图21是表示靶表面的水平磁场分布的等高线图。
图22是表示天线MOS电容器的成品率的天线比依存性的图。
图23是表示天线MOS电容器的成品率的图。
图24是表示通过朗缪尔测量仪测得的等离子体的电子温度、电子密度、等离子体电位的压力依存性的图。
图25是表示本发明的第9实施方式中的磁体配置的图。
图26是表示本发明的第9的另一个实施方式中的磁体配置的图。
符号说明
1 靶
2 柱状旋转轴
3 螺旋状板磁体群
4 固定外周板磁体
5 外周长磁性体
6 背板(backing plate)
7 壳体
8 通道
9 绝缘材
10 被处理基板
11 处理室内空间
12 馈线
13 罩子
14 外壁
15 常磁性体
16 接地板(ground plate)
具体实施方式
以下，参考附图对本发明进行说明。
(第1实施方式)
参考附图，对本发明的第1实施方式进行详细说明。
图1是表示对本发明的磁控旋转溅射装置的第1实施方式的构成进行说明的剖面图。
在图1中，1表示靶；2表示柱状旋转轴；3表示螺旋状配置在旋转轴2的表面上的多个螺旋状板磁体群；4表示配置在外周的固定外周板磁体；5表示与靶相反一侧对向，配置在固定外周板磁体4上的外周长磁性体；6表示粘接有靶1的背板；15表示形成用所述靶一侧以外的部分覆盖柱状旋转轴2及螺旋状板磁体群3的构造的常磁性体；8表示冷媒流经的通道；9表示绝缘材；10表示被处理基板11表示处理室内空间；12表示馈线；13表示与处理室电气连接的罩子；14表示形成处理室的外壁；16表示连接在外壁14上的接地板；17表示具有优异耐等离子腐蚀性的绝缘材。
在馈线12上连接有DC电源18、RF电源19以及匹配器20。通过该DC电源18及RF电源19，经匹配器20，再经过馈线12及壳体，将等离子体激发电力供给到背板6及靶1，可以在靶表面上激发出等离子体。仅用DC电源或仅用RF电源也能激发出等离子体，但考虑到膜质控制性和成膜速度控制性，优选施加两种电源。另外，RF电源的频率可以在通常的数百kHz到数百MHz之间进行选择，但从等离子体的高密度低电子温度化这一点来看，优选为高频。在本实施方式中采用的是100MHz。接地板16是针对RF电力的接地板，有该接地板的话，即使在电浮游状态下，被处理基板也可以高效低激发出等离子体。常磁性体15具有屏蔽磁体产生的磁场，以及减少因靶附近产生的干扰引起的磁场变动的效果。
为了对磁体部分进行更详细地说明，图2表示柱状旋转轴2、多个磁体群3、板磁体4、常磁性体5的鸟瞰图和从靶1及背板6一侧窥视状态下的俯视图。
作为柱状旋转轴2的材质，可以采用一般的不锈钢等，但优选用磁致电阻低的常磁性体，例如Ni-Fe类高导磁率合金等构成柱状旋转轴2的一部分或者全部。在本实施方式中，由Ni-Fe类高导磁率合金构成柱状旋转轴2。可以通过未图示的齿轮单元及电机使柱状旋转轴2产生旋转。
柱状旋转轴2的截面呈正八角形，将其一边的长度设为30mm。在各个面上安装有多个菱形的板磁体3。该柱状旋转轴2具有在外周上安装有磁体的构造，也容易使直径变粗，该构造对于施加到磁体上的磁力产生的弯曲具有强影响。为了使板磁体3稳定地产生强磁场，优选采用剩余磁通密度、保磁力、能积高的磁体，例如优选采用剩余磁通密度为1.1T左右的Sm-Co类烧结磁体，以及剩余磁通密度为1.3T左右的Nd-Fe-B类烧结磁体等。在本实施方式中，使用的是Nd-Fe-B类烧结磁体。板磁体3在其板面的垂直方向上受到磁化，螺旋状地粘贴在柱状旋转轴2上，形成多个螺旋，在柱状旋转轴的轴向上，相邻的螺旋在所述柱状旋转轴的径向外侧上形成有相异的磁极，即N极和S极。
从靶2一侧看，固定外周板磁体4形成包围上述旋转磁体群的构造，靶2的一侧受到磁化，成为S极。将固定外周板磁体4的宽度设为12mm，厚度设为10mm。因为与板磁体3相同的理由，固定外周板磁体4也采用Nd-Fe-B类烧结磁体。
其次，参考图3对本实施方式中的腐蚀形成进行详细说明。
如上所述，在柱状旋转轴2上螺旋状地配置多个板磁体3时，从靶一侧观察板磁体3，近似于板磁体3的S极包围板磁体的N极的周围。图3(a)为其概念图。在这样的构成下，从板磁体3的N极产生的磁力线以周围的S极为终端。结果，在与板磁体面具有一定距离的靶面上，可以形成多个封闭的腐蚀区域301。再者，通过使柱状旋转轴2旋转，使多个腐蚀区域301随之一起运动。在图3(a)中，腐蚀区域301向着箭头所指方向运动。此外，在旋转磁体群3的端部上，从端部的一侧起，依次产生腐蚀区域301，在另一侧的端部依次消失。
图3(b)表示本实施方式的实际构造产生的距离固定外周板磁体4的表面21mm的靶表面的腐蚀区域301，可知形成有多个腐蚀区域301。同时，腐蚀区域301的水平磁场，即与靶面平行的磁场强度为310高斯，可知获得了能够封闭等离子体的足够的强度。
这里参考图12及图13，对腐蚀区域301的水平磁场强度分布进行说明。图12表示固定板磁体群3的磁体的柱状旋转轴2的轴向长度，改变相邻螺旋之间的间隔(磁体间隔)时的、靶面的腐蚀区域301的水平磁场强度。表示旋转轴向和与旋转轴向垂直的旋转方向。着眼于旋转轴向时，可知磁体间隔为20mm左右，最大磁场强度为310高斯左右。磁体间隔短时，磁体间产生的磁力线不会泄漏过来，不能获得大的磁场强度，另外距离过远时，磁力线会产生空间性扩散，因此可知在某值下具有最佳值。
另外，由图13可知，使固定外周板磁体4的宽度发生变化，根本不会对旋转轴向的水平磁场强度产生影响，仅可以对旋转方向的水平磁场强度进行调节。由此可知，通过调节板磁体群3以及固定外周板磁体4的尺寸和间隔，即使在腐蚀区域301的任何一个位置上，都可以获得相等的水平磁场。
其次，图14表示从固定外周板磁体4的靶一侧的面起，到靶面为止的垂直方向距离和水平磁场强度的关系。通过该曲线图可知，通过使靶面靠近固定外周板磁体4，可以获得更强的磁场。
此外，在本实施方式中，将柱状旋转轴2的截面设为正八角形，在各个面上贴有板磁体，但为了获得更平滑的螺旋形状，也可以将其截面设为具有更多数量的正多角形，并贴上更细小的板磁体，或者为了使形成螺旋的相邻的板磁体靠近，而将板磁体的截面设为非长方形的在旋转轴径向上外侧的边大的梯形。
其次，参考图5对将柱状旋转轴2变为常磁性体的效果进行说明。
图5表示腐蚀区域301的水平磁场强度的、柱状旋转轴2的比导磁率依存性。比导磁率为1的情况下为规格化。由图5可知随着柱状旋转轴2的比导磁率的上升，水平磁场强度也随之增加，特别是比导磁率为100以上时，磁场强度可以增加60％左右。这是因为能够降低形成螺旋的板磁体的柱状旋转轴一侧的磁致电阻，使磁力线高效地产生在靶一侧。由此，激发等离子体时的封闭效果得到提高，等离子体的电子温度下降，不仅可以降低对被处理基板造成的损害，而且通过提高等离子体密度使提高成膜速度成为可能。
再者，如图6所示，与没有设置固定外周常磁性体的情况相比，设置固定外周常磁性体的水平磁场强度增加大约10％，再者，将固定外周常磁性体的一部分延长到与柱状旋转轴2相邻的部分为止，经磁性流体使其与柱状旋转轴2的磁性体部分相邻，在旋转磁体群和固定外周常磁性体之间形成低磁致电阻的磁回路的情况下，可知水平磁场强度增加大约30％，成膜性能得到提高。
(第2实施方式)
参考以下的附图，对本发明的第2实施方式进行详细说明。此外，对于与所述实施方式重复的部分，为了方便省略其说明。
图7是表示本实施方式中的旋转磁体的配置的图，与第1实施方式相比，旋转瓷体中，仅将柱状旋转轴2的径向外侧的磁极为S极，即与固定外周常磁性体的靶一侧的磁极相等的磁体的轴向上的长度调短。由此，相对于柱状旋转轴上的板磁体的S极，由柱状旋转轴2的N极磁体产生的磁力线，终止于固定磁体S极一侧的比例变高，因此如图所示，可知腐蚀区域701相互连接。如此，由于腐蚀区域701同时连接，电子通过漂移在腐蚀区域701中自由移动。结果，在各个腐蚀区域701中不会出现等离子体密度不均的情况，使均匀性良好的成膜成为可能。还有，如此连接腐蚀区域701彼此能够实现降低S极磁体的残留磁通密度，和调节旋转板磁体之间的距离。
(第3实施方式)
参考以下的附图，对本发明的第3实施方式进行详细说明。此外，对于与所述实施方式重复的部分，为了方便省略其说明。
图8(a)是表示柱状旋转轴2及安装在柱状旋转轴2上的板磁体，以及固定外周常磁性体的配置的图。安装在柱状旋转轴2上的板磁体群3，将板磁体环状粘贴，形成多个环状板磁体群，柱状旋转轴2的轴向上相邻的环状板磁体群，在柱状旋转轴2的径向外侧上，形成相异的磁极，即N极和S极。在这样的构成下，随着柱状旋转轴2的径向角发生变化，各环状板磁体群的轴向的位置产生连续性变化。优选该变化的程度更加平稳。
图8(b)是表示将柱状旋转轴2的表面与粘贴的板磁体同时展开的图。从该图可知，环状板磁体群被形成为：当柱状旋转轴的径向角发生180度变化时，在相邻的环状板磁体的轴向位置上发生变化，再发生180度变化时，返回到原先的轴向位置。
另外，如图8(a)所示，从所述靶表面来看，固定外周板磁体与旋转磁体群的一侧相邻，在所述靶表面一侧形成N极的磁极，形成包围环状旋转磁体群和第1个板磁体的构造，且靶表面一侧上设有具有与所述第1个板磁体相反的S极的磁极的板磁体。
根据本构造，腐蚀区域801形成单一的一个回路(loop)，在腐蚀区域游动的漂移电子的作用下，可以在腐蚀区域内形成均匀的等离子体。另外，通过使柱状旋转轴2旋转，使图中双点划线802所示的柱状旋转部的环状板磁体群和由其周围的固定磁体形成的波状的腐蚀区域与旋转一起在轴向上进行往复运动。由此，可以防止靶的局部性损耗，再者，因为腐蚀区域801变为波形，腐蚀区域在靶面积中所占的比例增加，可以提高成膜速度。
(第4实施方式)
参考以下的附图，对本发明的第4实施方式进行详细说明。此外，对于与所述实施方式重复的部分，为了方便省略其说明。
图9(a)是表示柱状旋转轴2及安装在柱状旋转轴2上的板磁体，以及固定外周板磁体的配置的图。安装在柱状旋转轴2上的板磁体群3，将板磁体环状粘贴，形成多个环状板磁体群，柱状旋转轴2的轴向上相邻的环状板磁体群，在柱状旋转轴2的径向外侧上，形成相异的磁极，即N极和S极。随着柱状旋转轴2的径向角发生变化，各环状板磁体群的轴向的位置产生连续性变化。
图9(b)是表示将柱状旋转轴的表面与粘贴的板磁体同时展开的图。从该图可知，环状板磁体群被形成为：当柱状旋转轴2的径向角发生180度变化时，在相邻的环状板磁体的轴向位置上发生变化，再发生180度变化时，返回到原先的轴向位置。从靶表面来看，固定外周板磁体形成包围旋转磁体群的构造，且在靶表面一侧上形成有S极的磁极。
根据本构造，各腐蚀区域901随着旋转磁体的旋转，同时在轴向上进行往返运动，使靶均匀消耗。另外，与螺旋状的配置不同，在旋转磁体端部，不会出现腐蚀区域901生成及消失，因此等离子体阻抗的变动变小，使电力的稳定供给成为可能。另外，当然也可以与第2实施方式类似，将环状板磁体群的一侧的磁极设为S极磁体的轴向宽度小于N极磁体，或者通过调整磁体间隔，使腐蚀区域相互接触，从而实现等离子体的均匀化。
(第5实施方式)
参考以下的附图，对本发明的第5实施方式进行详细说明。此外，对于与所述实施方式重复的部分，为了方便省略其说明。
图11是表示对本发明的磁控旋转溅射装置的第5实施方式的构成进行说明的截面图。
在图11中，3表示螺旋状配置在柱状旋转轴2的表面上的多个螺旋状板磁体群；4表示配置在外周的固定外周板磁体；5表示与靶相反一侧对向设置在固定外周板磁体4上的外周常磁性体；15表示形成用所述靶一侧以外的部分覆盖柱状旋转轴2及螺旋状板磁体群3的构造的常磁性体；18表示DC电源；19表示RF电源；20表示匹配器；21表示从背板周围起连续设置的壁面；22表示用壁面20和背板包围的空间；23表示密封环。
由于设有密封环23，因此可以通过未图示的排气泵对空间22进行减压。使柱状旋转轴2旋转的齿轮单元及电机，即使设置在减压空间内，由于设有轴封，因此也可以从大气一侧进行驱动。通过本构造，可以减少处理室内和空间22之间的压力差，并可以使背板116变薄。即，可以增加靶111的厚度，减少靶的更换频率，从而提高生产性。
靶产生消耗时，靶表面会接近磁体。从图14可知，靠近磁体时磁场强度升高，等离子体密度上升，成膜率也得到提高。在本实施方式中，柱状旋转轴2、固定外周板磁体4、螺旋状板磁体群3、外周常磁性体5、常磁性体15，可以通过未图示的线性滑轨，在与靶表面垂直的方向上同时运动(图中粗线的部分)。因此，对应靶的消耗，靶与背板之间仅隔开消耗部分的距离，可以在均匀消耗的靶表面上时常形成相同的磁场强度。因此，即使靶消耗，也可以实现与初期相同的成膜速度，使经常性稳定成膜成为可能。
(第6实施方式)
参考以下的附图，对本发明的第6实施方式进行详细说明。此外，对于与所述实施方式重复的部分，为了方便省略其说明。本实施方式对图1所示构造中的问题进行了改良。即，本发明的发明人员发现，采用图1所示的构造时，源自固定外周磁体4的磁通，不仅流出到靶1的内侧部分，而且以大致相等的强度流出到靶的外侧，在靶的外侧也产生等离子体，这些等离子体不仅无助于溅射却消耗多余的能量，而且还会对靶外的构件造成腐蚀。为了防止这些问题，在图15所示的实施方式中，在固定外周磁体的形状和对其进行覆盖的固定外周常磁性体的构成进行了研究。
以下，参考图15对本发明的第6实施方式进行说明，如图16所示，采用外径74mm、内径58mm，即壁厚为8mm的Ni-Fe类高导磁率合金的柱状中空旋转轴1502，形成厚度为12mm的螺旋状板磁体1503，使该螺旋状板磁体1503嵌入到其外周2mm。此外，图16还表示有固定外周磁体1504。螺旋部分的轴向长度为307mm。通过将柱状中空旋转轴1502制成中空构造，可以实现轻量化。另外，如图15所示，将固定外周磁体1504设为梯形构造，靶1501一侧长11mm，于靶相反一侧长8mm，高15mm。再者，固定外周磁体1504的、与靶1501相反一侧的面，和从靶一侧看位外侧的侧面，在从靶一侧的面的外侧起到7.3mm内侧的区域内，与所述固定外周磁体1504相邻，设置连续的固定外周常磁性体1505。由此，可以抑制源自固定外周磁体1504的磁通到达靶的外侧，仅能在靶面1501上高效形成水平磁场，仅能在靶面上高效激发等离子体。此时的靶表面的等离子体的时间变化的照片如图17所示。等离子体激发条件为每分钟导入1000cc的氩气，投入800W的13.56MHz的RF电力。以1Hz使柱状旋转轴旋转。由图7左侧的照片(表示自上向下的时间变化的状况)可知，从旋转轴的左端可以稳定地生成等离子体回路(plasma loop)1701(erosion loop)，与旋转同时移动，从图17右侧的照片(表示自上而下时间性变化的状态)可知，从旋转轴的右端起稳定地消失。另外，图18表示长时间放电后的靶的消耗状态的照片。从该图可知，靶表面并非局部性消耗，而是均匀地消耗。另外，图24表示用朗缪尔测量仪测得的电子温度、电子密度、等离子体电位的压力依存性。是氩气的等离子体，RF电源为800W，在距离靶表面40mm的位置进行了测量。表示不施加DC电源时和施加400W时的结果。从该图可知，特别是压力为20mTorr左右以上的话，电子温度变为2eV以下，可以生成电子温度非常低的等离子体。照射到处于电浮游状态的被处理基板上的离子的照射能量，为kTe/2×ln(0.43×mi/me)。这里k表示波耳兹曼常数、Te表示电子温度，mi表示等离子体离子的质量，me表示电子的质量。在氩气的情况下，电子温度为1.9eV以下的话，离子照射能量变为10eV以下，可以尽可能地抑制成膜初期时对底层基板造成的损伤。因此，成膜初期优选在高压区域开始进行成膜。
(第7实施方式)
参考以下的附图，对本发明的第7实施方式进行详细说明。此外，对于与所述实施方式重复的部分，为了方便省略其说明。如图19所示，在本实施例中，在靶1501的、所述螺旋状板磁体群1503的相反一侧，即设有被处理基板的一侧的面上，与螺旋状板磁体群的轴向相同的方向相对延伸、开口的、被电接地的构件1901，覆盖靶1501的端部，且与靶1501隔离，与处理室壁1902连接，形成在靶1501上开口的狭缝1903。即，通过接地板1901形成狭缝。狭缝1903的宽度1904以及长度被设为：固定被处理基板，且以一定频率使螺旋状板磁体群旋转时，没有狭缝的情况下，遮蔽单位时间内可以对被处理基板进行成膜的最大膜后的80％以下的区域。在本实施例中，靶材质为纯铝。参考图20进行更详细地说明。图20表示在相对于靶表面，距离30mm的位置上设置硅基板时的、与柱状旋转轴的轴垂直的方向的成膜率分布。表示所述狭缝宽度1904为114mm和60mm时的情况，用中央的最大成膜率进行规格化。在距离靶表面26mm的位置上，用厚度2mm的不锈钢板形成接地板1901，该接地板1901形成狭缝1903。因为靶宽度为102mm，狭缝宽度为114mm的情况下，实质上飞散的靶颗粒不会被狭缝板遮断，可以到达硅基板进行成膜。另一方面，狭缝宽度为60mm的情况下，对最大成膜率的80％以下部分进行遮蔽。另外，图21表示靶表面的水平磁场分布的等高线图。此为存在柱状旋转轴的位相的场合，实质上对所有的位相取时间平均时，最大平均水平磁场强度为392G，通过将狭缝宽度设为60mm，从被成膜基板来看，变为对最大平均水平磁场强度的75％，即295G以下的区域进行遮蔽。通过将狭缝宽度设为60mm，对被处理基板进行成膜时，在被等离子体照射的同时，迅速地对成膜铝原子而形成金属膜，可以防止被处理基板带电。如此，可以避免充电损伤。参考图22和图23进行更详细的说明。图22表示在搭载有使天线比在10到100万之间变化的天线MOS电容器(氧化膜厚4nm)的200mm直径晶圆上，形成铝膜时的成品率的天线比依存性。天线比是指MOS电容器的门电极(天线电极)的面积与门面积之比，天线电极越大，会集中更多的等离子体电荷，因此向门绝缘膜上施加过剩的电场，导致泄漏电流增加或引起绝缘破坏。硅基板被设在距离靶表面30mm的位置上，在狭缝的长度方向和垂直方向上，以每秒1cm的速度，使基板在晶圆的全部区域通过狭缝开口部的下方，进行1次往返运动。通过1次往返，变为在晶圆的全部区域，2次通过狭缝开口部。成膜条件为：压力80mTorr、RF功率1000W、DC功率1000W。如图可知，当狭缝宽度为114mm的情况下，天线比从10万起开始产生充电损伤，成品率劣化，与此相反，通过将狭缝宽度设为60mm，到天线比为100万为止，没有出现充电损伤。接着，图23表示对天线比为1万，天线形状变为梳形的天线MOS进行同样的成膜，对成品率进行调查的结果。在梳子的线幅为0.2um、0.4um时，使线幅：空间的比率变化为1∶1、1∶2、1∶3。即使是梳形天线，在狭缝宽度为114mm的情况下，在所有的条件下，都会产生充电损伤(Charge updamage)，成品率在80％左右，与此相对，狭缝宽度为60mm的情况下，根本没有出现充电损伤。
(第8实施方式)
参考以下的附图，对本发明的第8实施方式进行详细说明。此外，对于与所述实施方式重复的部分，为了方便省略其说明。如图4所示，本发明的旋转磁控溅射装置，特别适用于用作往返移动型成膜装置。
在图4中，401表示处理室；402表示门阀；403表示被处理基板；404表示第7实施方式中所示的旋转磁控等离子体激发部。但，在第7实施例中，螺旋部分的轴向长度为307mm，但在本实施例中，该长度为2.7m。将等离子体激发电力的频率设为13.56MHz。从等离子体的高密度化、低电子温度化的观点来看，优选采用高频，例如100MHz左右，但等离子体激发部为2.7m左右，另一方面，100MHz的波长为3m。这样当激发部与波长变为同等程度时，激发出定在波，有可能导致等离子体的不均。如果频率为13.56MHz的话，波长为22.1m，因此与波长相比，等离子激发部的长度足够短，不会因为定在波的影响使等离子体变得不均。在本实施方式中，使用4根旋转磁控等离子体激发部404。由此，可以实质性提高成膜率。激发部的数量并不限定于4根。被处理基板403为2.2mm×2.5mm的玻璃基板，在本实施例中，将纵方向设置为2.5m，基板相对于旋转磁控等离子体激发部的柱状旋转部，向垂直方向往返运动，使在被处理基板上进行实质性均匀的成膜成为可能。为了进行均匀成膜，也可以将被处理基板403设为不进行往返运动，而通过一个方向，也可以采用使旋转磁控等离子体激发部404移动的方法。在本实施例中，通过使被处理基板往返运动，连续性地将基板的一部分暴露在由旋转磁控等离子体激发部激发的等离子体区域中，使均匀成膜成为可能。通过将旋转磁控的旋转速度设为一个旋转的时间快于基板的通过时间，可以使不对瞬时的腐蚀图案造成影响的均匀成膜成为可能。典型的基板通过速度为60秒/张，旋转磁控的旋转速度为10Hz。此外，在本实施例中，使被处理基板往返运动，但也可以采用使1根或者多根旋转磁控等离子体激发部仅通过一次而进行成膜的通过成膜型装置。
(第9实施方式)
参考以下的附图，对本发明的第9实施方式进行详细说明。此外，对于与所述实施方式重复的部分，为了方便省略其说明。图25所示为本发明的旋转磁控溅射装置。柱状旋转轴、旋转磁体群以及固定外周板磁体与实施例7中的具有相同的尺寸、构造。被处理基板2502为直径200mm的半导体晶圆，被设置在台座之上，该台座与靶表面对向设置，可以进行旋转运动。使柱状旋转轴选装，在靶表面上，以时间平均生成均匀的等离子体的同时，通过使所述台座旋转，在晶圆2502上进行了成膜。狭缝开口部2501，当缩小晶圆中心附近的狭缝宽度时，可以在晶圆上进行更均匀的成膜。另外，如图26所示，将狭缝开口部2601设为长方形，通过将被处理基板2602的中心偏离所述狭缝开口部的中心，也可以实现成膜分布的均匀化。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但磁体尺寸、基板尺寸等并不限定于实施例。
产业上的应用可能性
本发明涉及的磁控溅射装置，不仅可以用于向半导体晶圆等形成绝缘膜或导电性膜，还可以适用于对平板显示器装置的玻璃等的基板形成各种被膜，也可以用于存贮装置和其它电子装置的制造中的溅射成膜。
Claims (28)
1.一种磁控溅射装置，其具有被成膜基板和与被成膜基板相对设置的靶、以及被设置在与靶的被处理基板相反侧的磁体，通过该磁体，在靶表面形成磁场，由此将等离子体封闭在靶表面，其特征在于，
所述磁体包括：在柱状旋转轴上设有多个板磁体而成的旋转磁体群、和与靶面平行地设置在旋转磁体群的周边且在与靶面垂直的方向上磁化的固定外周板磁体，
通过使所述旋转磁体群与所述柱状旋转轴一起旋转，以所述靶表面的磁场图案与时间一起动作的方式构成。
2.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述旋转磁体群以在所述柱状旋转轴的轴向上相邻的板磁体彼此具有相互不同的磁极的方式，并且以在与所述柱状旋转轴的轴向垂直的面的外周上具有相邻板磁体成为相互不同的磁极的部分的方式，在所述柱状旋转轴的外周设置多个板磁体而构成，
所述固定外周板磁体在靶侧形成有N极或S极的任一种磁极。
3.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述旋转磁体群是通过在所述柱状旋转轴上螺旋状地设置板磁体而形成多个螺旋，并且在所述柱状旋转轴的轴向上相邻的螺旋彼此在所述柱状旋转轴的径向外侧形成有作为相互不同的磁极的N极和S极的螺旋状板磁体群，
所述固定外周板磁体从靶侧观看，形成包围所述旋转磁体群的构造，并且在靶侧形成有N极或S极的磁极。
4.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述旋转磁体群通过在所述柱状旋转轴的外周环状地设置板磁体且在所述柱状旋转轴的轴向上设置多个该环而构成，并且以在所述柱状旋转轴的轴向上相邻的环彼此具有相互不同的磁极的方式，并且以随着所述柱状旋转轴的径向角度变化各环中的板磁体在所述柱状旋转轴的轴向上的位置发生变化的方式构成，
所述固定外周板磁体从靶侧观看，形成包围所述旋转磁体群的构造，并且在靶侧形成有N极或S极的磁极。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述柱状旋转轴的至少一部分为常磁性体。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，在所述固定外周板磁体的与所述靶相反侧的面上，与所述固定外周板磁体邻接而设有固定外周常磁性体。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，设有使从所述固定外周板磁体朝向所述靶外侧的磁通比从所述固定外周板磁体朝向所述靶内侧的磁通弱的机构。
8.根据权利要求7所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述机构包括常磁性体构件，该常磁性体被设为在所述固定外周板磁体的表面中从所述靶侧观看，连续覆盖外侧的侧面和所述靶侧的面的一部分。
9.根据权利要求7或8所述的磁控溅射装置，其特征在于，在上述机构中，以在所述固定外周板磁体的表面中所述靶侧的表面向所述靶的内侧突出的方式构成所述固定外周板磁体。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述磁控溅射装置还具备以覆盖所述靶的端部的方式与所述靶隔离且相对于所述螺旋状板磁体群设于相反侧并被电接地的遮蔽构件，所述遮蔽构件在与所述柱状旋转轴的轴向相同的方向上延伸，构成使所述靶相对于所述被处理基板开口的狭缝，将该狭缝的宽度及长度设定为，在以一定频率使所述板磁体群旋转时的、形成在靶表面的磁场中与靶面平行的成分的磁场强度的时间平均分布中，在最大值的75％以上的区域从被处理基板观看开口的宽度及长度。
11.根据权利要求1～9中任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述磁控溅射装置还具备以覆盖所述靶的端部的方式与所述靶隔离且相对于所述螺旋状板磁体群设于相反侧并被电接地的遮蔽构件，所述遮蔽构件在与所述柱状旋转轴的轴向相同的方向上延伸，并构成在其间使所述靶相对于所述被处理基板开口的狭缝，将该狭缝的宽度及长度设定为，在固定被处理基板且以一定频率使所述板磁体群旋转时，在所述靶的端部不被遮蔽的情况下，遮蔽在单位时间在被处理基板进行成膜的最大膜厚的80％以下的区域。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述固定外周常磁性体的一部分连续构成壁面，形成使所述柱状旋转轴及板状磁体群覆盖所述靶侧以外的部分的构造，并被延长到与所述柱状旋转轴邻接的部分为止，经磁性流体与所述柱状旋转轴的磁性体部分邻接，在所述旋转磁体群和所述固定外周板磁体之间形成有磁阻低的磁回路。
13.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述旋转磁体群，将板磁体环状地粘贴在所述柱状旋转轴上形成多个环状板磁体群，是在柱状旋转轴的轴向上相邻的所述环状板磁体群彼此在所述柱状旋转轴的径向外侧形成有作为相互不同的磁极的N极和S极的环状板磁体群，随着所述柱状旋转轴的径向角度的变化各环状板磁体群的轴向的位置连续地以相同的变位量发生变化。
14.根据权利要求13所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述环状板磁体群被形成为：在所述柱状旋转轴的径向角度发生180度变化时，在邻接的环状板磁体的轴向位置上发生变化，并且在发生180度变化时，返回到原来的轴向位置，所述固定外周板磁体从靶侧观看形成包围所述旋转磁体群的构造，且在所述靶侧形成有N极或S极的磁极。
15.根据权利要求13或14所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述柱状旋转轴的至少一部分为常磁性体。
16.根据权利要求13～15中任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，在与所述固定外周板磁体的所述靶相反侧的面上，与所述固定外周板磁体邻接而设有固定外周常磁性体。
17.根据权利要求13～16中任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述固定外周常磁性体的一部分连续构成壁面，形成使所述柱状旋转轴及板状磁体群覆盖所述靶侧以外的部分的构造，并被延长到与所述柱状旋转轴邻接的部分为止，经磁性流体与所述柱状旋转轴的磁性体部分邻接，在所述旋转磁体群和所述固定外周板磁体之间形成有磁阻低的磁回路。
18.根据权利要求13所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述环状板磁体群被形成为：在所述柱状旋转轴的径向角度发生180度变化时，在邻接的环状板磁体的轴向位置上发生变化，并且在发生180度变化时，返回到原来的轴向位置，
所述固定外周板磁体设置有：从所述靶侧观看与所述旋转磁体群的一侧邻接，在所述靶表面侧形成N极或S极的磁极而设置的第一个板磁体；从靶侧观看形成包围所述环状旋转磁体群和所述第一个板磁体的构造，且在所述靶侧具有与所述第一个板磁体相反的磁极的板磁体。
19.根据权利要求18所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述环状板磁体群被形成为：在所述柱状旋转轴的径向角度发生180度变化时，在邻接的环状板磁体的轴向位置上发生变化，并且在发生180度变化时，返回到原来的轴向位置，所述固定外周板磁体从靶侧观看形成包围所述旋转磁体群的构造，且在所述靶侧形成有N极或S极的磁极。
20.根据权利要求18或19所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述柱状旋转轴的至少一部分为常磁性体。
21.根据权利要求18～20中任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，在与所述固定外周板磁体的所述靶相反侧的面上，与所述固定外周板磁体邻接而设有固定外周常磁性体。
22.根据权利要求19～21中任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述固定外周常磁性体的一部分连续构成壁面，形成使所述柱状旋转轴及板状磁体群覆盖所述靶侧以外的部分的构造，并被延长到与所述柱状旋转轴邻接的部分为止，经磁性流体与所述柱状旋转轴的磁性体部分邻接，在所述旋转磁体群和所述固定外周板磁体之间形成有磁阻低的磁回路。
23.根据权利要求1～22中任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述旋转磁体群和所述固定外周板磁体，在与靶表面垂直的方向上可动。
24.根据权利要求1～23中任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述旋转磁体群和所述固定外周板磁体设置在被靶和粘贴有靶的背板以及从背板周边连续设置的壁面所包围的空间内，可以对所述空间进行减压。
25.据权利要求1～24中任一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，在与所述柱状旋转轴的轴向相交的方向上，具有使所述被处理基板相对移动的机构。
26.一种磁控溅射装置，其特征在于，在所述柱状旋转轴的轴向上平行地设置多个权利要求1～25中任一项所述的磁控溅射装置，在与所述柱状旋转轴的轴向相交的方向上，具有使所述被处理基板相对移动的机构。
27.一种溅射方法，其特征在于，采用权利要求1～26中任一项所述的磁控溅射装置，使所述柱状旋转轴旋转，同时在被处理基板上成膜所述靶的材料。
28.一种电子装置的制造方法，其特征在于，包括采用权利要求27所述的溅射方法在被处理基板上进行溅射成膜的工序。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120418 Termination date: 20181006 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |