CN101815806B - 成膜装置及成膜方法 - Google Patents

Abstract

一种改善膜厚均匀性的成膜装置和成膜方法。旋转机构(24，26，27，29，31，MT)将带溅射面的靶(32)保持在与基板(S)表面倾斜的状态。所述旋转机构可绕轴线旋转地支撑靶(32)，该轴线沿溅射面法线延伸。对由旋转机构支撑的所述靶(32)溅射以在基板(S)表面形成薄膜。在成膜时，旋转机构保持靶(32)的旋转角度。

Description

成膜装置及成膜方法

技术领域

本发明涉及一种成膜装置及成膜方法。

技术背景

一种利用巨磁阻(GMR)效应和隧穿磁阻(TMR)效应的磁性装置，包括一个包含大约6-15层的人造渐变多层薄膜制成的磁阻元件。所述磁阻元件包含一个固定自发磁化方向的固定层；一个在自发磁化方向中旋转的自由层；和一个位于固定层和自由层之间的非磁性层。

磁阻元件的电阻值在很大程度上决定着磁性装置的输出特性，而电阻值又会根据非磁性层、自由层、固定层等各自的厚度不同而变化。比如，使用MgO(氧化镁)作为非磁性层时，即使氧化镁层0.1nm细微变化也会引起电阻值大于或等于50％的变化(非专利文献1)。因此，在使用GMR元件或TMR元件的磁性装置中，每层的厚度必须要高度精确以保证该磁性装置有稳定的输出特性。

溅射装置被广泛作为用于人造晶格多层膜各层的成膜装置。溅射装置对溅射靶(下文中简称为靶)进行溅射，并将从靶上散布出的溅射颗粒沉积到基板上。为改进薄膜厚度的均匀性，有些溅射装置使靶面相对于基板表面倾斜，并将靶围绕基板旋转，或者将靶相对基板摆动(比如，专利文献1和2)。在这些情况下，从靶上散布出的溅射颗粒从不同角度冲击基板。由此这些溅射颗粒能更均匀地沉积于整个基板表面。

在进行溅射时，薄膜的厚度均匀性的变化很大程度上决定于基板上方等离子体放电区域的放电状态或等离子密度。而基板上方等离子体放电区域的放电状态或等离子密度又由靶面上每个点相对于基板的位置决定。比如溅射颗粒相对于基板的溅射轨道、溅射颗粒的密度的变化由靶的周向耦合角度决定。

在单片薄膜成型过程中，靶的旋转和摆动是通过将带有高厚度均匀性的耦合角与带有低厚度均匀性的耦合角组合来进行的，这样使基板之间的膜厚度变得均匀。因而，在单片薄膜成型过程中，有可能会制成厚度均匀性比较差的薄膜。有效改善膜厚均匀性是困难的问题。

非专利文献1：Nature Mater.3(2004)868

专利文献1：日本特开No.2004-339547

专利文献2：日本特开No.2006-111927

发明内容

本发明提供一种成膜装置和成膜方法以改进膜厚均匀性。

本发明的第一个方面是一种成膜装置。所述成膜装置对靶进行溅射从而在基板表面形成薄膜，所述靶包括相对于所述基板表面倾斜的溅射面。所述成膜装置包括旋转机构，所述旋转机构可绕轴线旋转地保持住所述靶，所述轴线沿所述溅射面的法线延伸，并且所述旋转机构在形成薄膜时保持所述靶的旋转角度。

本发明的第二个方面是一种成膜方法。所述成膜方法对靶溅射从而在基板表面形成薄膜，所述靶包括相对于所述基板表面倾斜的溅射面。所述方法包括通过旋转机构使所述靶绕轴线旋转，所述轴线沿所述溅射面的法线延伸，并且在利用所述旋转机构将所述靶的旋转角度保持为恒定值时，对靶进行溅射。

本发明的第三个方面是一种成膜方法。所述成膜方法对靶溅射从而在基板表面形成薄膜，所述靶包括相对于所述基板表面倾斜的溅射面。所述方法包括试溅射过程，该过程包括通过驱动旋转机构改变所述靶的旋转角度，所述驱动机构使所述靶绕轴线旋转，所述轴线沿所述溅射面的法线延伸；在多个不同旋转角度处分别溅射靶，形成多个不同的薄膜；并且根据所述多个薄膜的膜厚均匀性，确定所述旋转角的目标值。所述方法还包括主溅射过程，该过程包括驱动旋转机构将所述靶的所述旋转角度设为所述目标值；并且在将所述靶的旋转角度保持在所述目标值时，对所述靶进行溅射，从而在所述基板表面形成所述薄膜。

附图说明

图1是溅射装置的剖视图；

图2是阴极内部的剖视图；和

图3A是靶角和膜厚均匀性数据关系表示图；和

图3B是靶角和膜厚度分布数据关系表示图。

具体实施方式

靶制造过程中的轧制工序会对靶内部的残存应力或张力、晶向、晶粒直径等物理性能产生影响。因此，靶平面具有各向异性。本发明的发明人发现由于靶的这种各向异性会引起放电状态和等离子密度的变化，薄膜厚度分布会根据靶的耦合角度呈现周期性。

根据本发明的一个实施例提出的一种成膜装置将会参考附图进行说明。图1是一个剖视图，示意显示了作为成膜装置的溅射装置10。图2是阴极20的剖视图。

[成膜装置]

参看图1，溅射装置10包括一个真空罐(下文简称为腔体11)，其与一用作真空泵或类似设备的排气系统PU相连。一个从外部被送入的基板S装载到腔体11的内部区域(下文简称为成膜区域11S)中。所述基板S可以是例如盘状硅基板、玻璃基板或者AlTiC基板。

所述腔体11与一提供溅射气体的供气系统12相连接，且溅射气体以一个预设流速提供。所述溅射气体可以是Ar，Kr，Xe或者类似气体。进一步，所述溅射气体还包括氮气、一氧化碳等。

成膜区域11S中设有一个保持基板的基板托架13。所述基板托架13将装载到腔体11中的基板定位并固定于预设位置。所述基板托架与一位于腔体11下方的托架马达MH的驱动轴相连。所述基板托架从托架马达MH处获得动力驱动基板S围绕基板中心旋转。在本实施例中，包括基板中心的垂直线被标记为中心轴线C。

在成膜区域11S中有多块屏蔽板14，以盖住基板托架13的外周表面和腔体11的内壁。所述屏蔽板14防止溅射颗粒堆积在基板托架13的外周表面和腔体11的内壁上。

在成膜区域11S中设有盖在基板托架13上侧的穹顶形遮挡板15。所述遮挡板15为将成膜区域11S分隔成上部和下部的板。在遮挡板15上有一个圆孔(下文简称为开口15A)延伸穿过成膜区域11S的上部和下部之间的遮挡板15。所述遮挡板15与设置于腔体11上方的遮挡马达MS的驱动轴相连。所述遮挡板从遮挡马达MS处得到驱动力并围绕中心轴线C旋转。因此，所述遮挡板将开口15A绕中心轴线C旋转。

在腔体11的上部设有多个阴极20。所述阴极20包含一圆柱形壳体21，其延伸于与中心轴线C相交的方向上。每个壳体21有一与腔体11相连的内部区域(下文简称为旋转空间21S)，且其与成膜区域11S相通。

在本实施例中，每个壳体21的中心线，即图1中非中心轴线C的单点划线，称为阴极轴线A1。阴极轴线A1和中心轴线C形成的角度即是倾斜入射角。

每个壳体21中包括一个转轴22，其沿阴极轴线A1延伸。每个转轴22的下端与一磁性电路23相连。每个转轴22与磁性电路马达(图中未显示)的驱动轴连接，接收从磁性电路马达传递来的驱动力使磁性电路23围绕阴极轴线A1旋转。每个磁性电路23在相应阴极20之下形成磁控磁场并接收转轴22传来的驱动力使磁控磁场围绕阴极轴线A1旋转。

参看图2，在旋转区域21S中转轴22的外表面上设置并可旋转地支撑有一个圆柱形管(下文简称为内管24)。所述内管24的上端沿转轴22的径向向外延伸出凸缘25。一个绕阴极轴线A1旋转的圆柱齿轮(下文简称为从动齿轮26)与凸缘25上部连接。一个与从动齿轮26配合的主动齿轮27位于从动齿轮26的外侧(在图2中是左边)。

所述主动齿轮27，与一靶马达MT的驱动轴连接，接收靶马达MT的驱动力从而使从动齿轮26围绕阴极轴线A1旋转。当内管接收到来自从动齿轮26和主动齿轮27的靶马达MT的驱动力后围绕阴极轴线A1旋转。

所述靶马达MT，例如，是一个步进电机或者伺服电机，按照预定旋转角驱动其转轴正转或者反转。进一步，所述靶马达与一马达驱动单元DM(参看图1)相连。所述马达驱动单元DM产生驱动信号(比如脉冲信号)并将该驱动信号传送到靶马达MT，使靶马达MT的驱动轴旋转预定的旋转角度。为响应马达驱动单元DM传来的驱动信号，靶马达MT使驱动轴旋转预定的旋转角度并保持该旋转角度。当内管24接收到靶马达MT传来的驱动力后，内管24围绕阴极轴线A1旋转了预定旋转角度旋转后，就处于旋转后的位置上。

在本实施例中，当靶马达MT位于初始位置时，从阴极轴线A1轴向所见到的内管24位置视为基准位置。进一步，内管24相对于基准位置的旋转量(旋转角度)被称为靶角θ(0＜θ≤360°)，即是旋转角度。

在位于内管24上部的转轴22外围安有一滑环28，所述滑环与一外部电源GE(参看图1)相连。所述滑环28包括一个输出端28a，其穿过凸缘25并穿过旋转区域21S。所述外部电源GE产生预定DC电或者高频电来初始化放电并将电力传至滑环28。滑环28接收外部电源GE传来的电力并传至输出端28a。

在外壳21的内侧旋转支撑有一圆柱形管(下文简称为外管29)，该圆柱形管与旋转区域21S内的内管24的外侧相连接。所述外管29通过内管24、从动齿轮26、主动齿轮27连接到靶马达MT的驱动轴。当外管29接收到靶马达MT传来的驱动力后，围绕阴极轴线A1旋转了内管24的旋转量，即靶角θ，然后外管29处于旋转后的位置。

所述外管29的下端通过密封件29a连接到衬板31。所述衬板31一般是盘状，其中心位于阴极轴线A1上，并设置成盖住磁性电路23的下部。所述衬板31在磁性电路23的反面将中心位于阴极轴线A1上的、大致呈盘状的靶32保持住。衬板31与滑环28的输出端28a相连，通过输出端28a接收电力并将电力传送至靶32。

在本实施例中，靶32暴露在成膜区域11S内部的表面作为溅射面。

一磁密封33位于外管29和外壳21之间。所述磁密封33将旋转区域21S中外管29和外壳21之间的空间与外界空气隔绝。所述外壳21通过磁密封33可转动地支撑外管29，并将旋转区域21S中与成膜区域11S相通的部分与外界空气隔绝。

所述靶32通过衬板31、外管29、内管24、从动齿轮26、以及主动齿轮27与靶马达MT的驱动轴相连。当靶32接收到靶马达传来的驱动力后，靶32围绕阴极轴线A1旋转了内管24的旋转量，即靶角θ，然后靶处于旋转后的位置。

在基板S上形成薄膜时，溅射装置10驱动靶马达MT并将靶角θ设定为预定角度(下文简称为目标值)。然后，溅射装置10将基板S设定在基板托架13上并让基板S围绕中心轴线C旋转。所述溅射装置10驱动排气系统PU和供气系统12在成膜区域11S内提供溅射气体并将成膜区域11S内的压力调节到预定值。进一步。所述溅射装置驱动遮挡马达MS使遮挡板15枢转，从而遮挡板15上的开口15A面向靶32。因此，溅射装置10驱动磁性电路23在靶32表面形成磁控磁场，驱动外部电源GE为靶32提供预定电力。

这样对位于靶角θ的靶32进行溅射，并根据该靶角θ形成膜厚分布。在这种情况下，不管靶32的初始状态如何，溅射装置10选择靶角θ，并且从基板S上的每个点的角度来看是选择了溅射面上每个点的相对位置。比如，从基板S上的每个点的角度来看，溅射装置10选择靶角θ从而选择靶32的各向异性的方向。因此，由于从基板S上每个点的角度来看，可以选择靶32的相对位置，比如靶32各向异性的方向等，，溅射装置10改进了基板S上薄膜厚度的均匀性。

在本实施例中，旋转机构由靶马达MT、主动齿轮27、从动齿轮26、内管24、外管29和底板31构成。

[成膜过程]

以下讨论使用溅射装置10的成膜过程。首先，讨论膜厚分布的周期性与靶角θ之间的关系。此处使用一圆形且扁平的钽(下文简称Ta)靶。图3A表示通过在以下列出的条件下进行成膜，相对于每一靶角θ所获得的Ta膜的膜厚均匀性。相对于每一靶角θ的Ta膜的膜厚分布在图3B中显示。

在图3A中，假设在基板S平面上Ta膜的电阻率是一个常数，根据Ta膜的薄膜电阻测量值计算出Ta膜的厚度均匀性。进一步，在图3B中，厚的部分用深阴影表示，薄的部分用浅阴影表示。

[成膜条件]

基板S：直径8英寸的硅基板

靶直径：152nm

入射角：22°

溅射气体：Ar

溅射压强：2.4×10^-2Pa

直流电源：2.44W/cm²

如图3所示，当靶角θ是0°，，膜厚均匀性大约是0.3％。进一步，当靶角θ从0°增加到120°，，膜厚均匀性增至大约1.7％。在此期间，关于膜厚分布，随靶角θ缓慢增加，基板S中心部分的相对膜厚也随之增加。

当靶角θ是180°，，膜厚均匀性大约是0.4％。进一步，当靶角θ从180°增加到300°，膜厚均匀性增至大约4.3％。此趋势与从0°增加到120°时相同。在此期间，关于膜厚分布，随靶角θ缓慢增加，基板S中心部分的相对膜厚也随之增加。此趋势与从0°增加到120°时相同。

更具体地，靶角θ从0°增加到180°的膜厚分布的趋势与靶角θ从180°增加到360°时几乎一样。进一步，膜厚均匀性和膜厚分布相对于靶角θ在180°周期循环中均有相同趋势(周期性)。

由于在靶32的制作过程中的轧制之类的工序，靶32的残留应力、施加到靶32上的张力、晶向、晶粒直径等在靶面32上并不是均一的，呈现各向异性。当使用这样的靶32进行溅射时，等离子放电区域中的放电状态或者离子密度在基板S的中心部分和外围部分是不同。因而，在基板S上所形成薄膜的厚度分布会根据基板S上每个点与靶32上每个点之间的相互位置(即靶角θ)的不同而不同。因此，薄膜的膜厚分布显示出与靶32各向异性的方向一致的周期性。

在使用溅射装置10的成膜过程中，有一个试溅射步骤，从而在基板S上成膜之前(即在实施主溅射过程之前)确定靶角θ的目标值。

更具体地，溅射装置10首先驱动靶马达MT将靶角设定在预定角度(下文简称试溅射角度)的靶角θ，0＜θ≤360°。然后，基于这个试溅射角度在基板S上成膜，并测量基于该试溅射角度的膜厚分布。溅射装置10测量出在0＜θ≤360°的范围中不同试溅射角度的膜厚分布，在膜厚均匀性略小于或者等于预设值时的试溅射角度即被确定为目标值。

举例来说，溅射装置10驱动靶马达MT将试溅射角度设为0°，，在试溅射角度下在测试溅射基板S上进行成膜，然后测量0°时的膜厚分布。然后，溅射装置10按照以下顺序依次设定试溅射角度：60°、120°、180°、240°和360°，测量每个试溅射角度时的膜厚分布，在基于膜厚度分布周期性的基础上，将获得预定膜厚均匀性或略小于预定膜厚均匀性时的试溅射角度设为目标值。在图3A中，目标值是在0°到60°的范围中或者180°到240°的范围中。

此处允许在得到一个膜厚分布范围内来确定目标值，该膜厚分布范围内可以对应多个试溅射角度。进一步，除了改进膜厚均匀性，也改善了关于基板S平面中薄的部分的位置以及厚的部分的位置的再现性。

在通过试溅射确定目标值以后，所述溅射装置10驱动靶马达MT，把靶角θ设置为目标值，然后进行主溅射。

更具体地，所述溅射装置10将基板S设在基板托架13上，基板S围绕中心轴线C枢转，并驱动排气系统PU和供气系统12为成膜区域11S提供溅射气体。进一步，所述溅射装置10驱动遮挡马达MS枢转遮挡板15，以使遮挡板15上的开口15A能面向靶32。所述溅射装置10然后驱动磁性电路23在靶32的表面形成磁控磁场，并驱动外部电源GE为靶32提供预定电力。

这样在设定为目标值的靶角θ溅射靶32，并在基板S上具有与该目标值相一致的膜厚均匀性。

本实施例中所述溅射装置10有以下优点：

(1)在上述实施例中，所述靶马达MT利用主动齿轮27、从动齿轮26、外管29和衬板31使靶32围绕阴极轴线A1旋转，阴极轴线A1为沿溅射面的法线方向。进一步，在进行试溅射过程和主溅射过程中，靶马达32将靶32保持在靶角θ。

相应地，不管靶32的初始设定角度如何，从基板S的表面上每个点的角度来看，靶32的转动可以让溅射面上每一点的相对位置得到选择，并让所选择的相对位置得以保留。

更具体地，从基板S的表面上每个点的角度来看，溅射装置10可选择靶32各向异性的方向，并让所选择的各向异性方向得以保留。因此，由于可以选择靶32相对基板S的位置，溅射装置10改进了基板S上薄膜的厚度均匀性。

(2)在上述实施例中，在试溅射过程中，靶32分别在多个不同的试溅射角度处被溅射，而在每个靶32上形成不同的薄膜。进一步，在多个不同薄膜的厚度均匀性基础上确定靶角度θ的目标值。在溅射过程中，靶马达MT被驱动以使靶角度θ保持目标值。

因此，在试溅射过程中，靶32相对于基板S的各向异性方向已被选择和确定。在主溅射过程中，保持已确定的各向异性方向。因此，由于靶32相对基板S位置已被选择，溅射装置10改进了基板S上所成薄膜的厚度均匀性。

(3)在上述实施例中，在试溅射过程中，膜厚均匀性达到或者小于预定值的试溅射角度就被确定为目标值。因此，在主溅射过程中，能更进一步保证薄膜的厚度均匀性的改进。

(4)在上述实施例中，在试溅射过程中，基于膜厚分布的周期性，也就是靶32的各向异性方向来确定目标值。相应地，在主溅射过程中，减少了基板S平面上厚的部分的位置和薄的部分的位置中的变化。

上述实施例能做如下变型：

在上述实施例中，在试溅射过程中，成膜厚均匀性达到或者小于预定值的试溅射角度就被确定为目标值。然而，本发明并不限于这样一种方式。举例来说，在几个试溅射角度中，膜厚均匀性最低时的试溅射角度可以被确定为目标值。另外，基于膜厚分布的周期性，在膜厚均匀性最低时的溅射角度可以被确定为目标值。

在上述实施例中，靶32沿一个方向枢转(靶角θ从0°增加到360°)。然而，本发明并没有限于这样一种方式，而是可以采用使靶32在圆周方向上旋转的结构，也就是，靶角θ从0°增加到360°，或者从360°减少到0°。

在上述实施例中，在试溅射过程中，靶角θ从0°到360°中选择。然而，本发明并没有限于这样一种方式，在试溅射过程中，靶角θ可以从0°到180°范围内选择。把靶角θ的选择范围限制在0°到180°，可以使用一个更简单的结构来改进膜厚的均匀性。

Claims (2)

1.一种成膜方法，其对靶溅射从而在基板表面形成薄膜，所述靶包括相对于所述基板表面倾斜的溅射面，所述方法包括：

试溅射过程，包括：

通过驱动旋转机构改变所述靶的旋转角度，所述驱动机构使所述靶绕轴线旋转，所述轴线沿所述溅射面的法线延伸；

在多个不同旋转角度处分别溅射所述靶，形成多个不同的薄膜；并且

根据所述多个薄膜的膜厚均匀性，确定所述旋转角的恒定目标值；以及

主溅射过程，包括：

驱动所述旋转机构将所述靶的所述旋转角度设为所述恒定目标值；并且

在将所述靶的旋转角度保持在根据所述待溅射靶的各向  异性来设置的所述恒定目标值时，对所述靶进行溅射，直到完成用所述靶在所述基板表面形成所述薄膜，

其中将所述膜厚均匀性小于或者等于预设值的所述多个旋转角度中的一个确定为所述恒定目标值。

2.按照权利要求1所述的成膜方法，其中改变旋转角度包括：

在0°到180°范围内改变所述旋转角度。

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