CN102097270A - 用于磁控管溅射电极的磁铁组以及溅射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于磁控管溅射电极的磁铁组以及溅射装置，其不必更换磁铁组即可简单地改变靶的腐蚀区域，使靶的使用效率高。在溅射室内以彼此相对设置的靶朝向基板的方向为上，所述磁铁组设置在靶的下侧，在靶的上方形成隧道形的磁力线，所述述磁铁组包括：沿靶长度方向呈线状设置的中央磁铁，以及由中央磁铁两侧平行延伸的直线部和分别连接各直线部两端的拐弯部构成的无端头形状的周边磁铁，用以改变靶一侧的极性，还具有通过相对移动前述中央磁铁和周边磁铁的直线部，即可改变中央磁铁及周边磁铁彼此间隔的变更装置。

Description

用于磁控管溅射电极的磁铁组以及溅射装置

技术领域

本发明涉及用于磁控管溅射电极的磁铁组以及溅射装置。 

背景技术

多年来，磁控管方式的溅射(下文称之为溅射)装置具有磁控管溅射电极，该磁控管溅射电极包括：靶，其设置在与准备处理的基板相对的位置上；磁铁组，以该靶与基板相对的一侧为上，其设置在靶的下侧，在该靶上方形成隧道形的磁力线。 

当通过给靶外加负直流电压或交流电压溅蚀靶时，通过用上述磁力线捕获靶前方电离的电子以及因溅射产生的次级电子可提高靶上方的电子密度，通过提高这些电子与导入真空室内的稀有气体分子的碰撞率来提高等离子密度。若采用上述溅射装置，因其具有不必使处理基板的温度明显上升就可提高成膜速度的优点，因而近年来在大面积平板显示器的制造工序中被广泛用于制备透明导电膜等处。 

从专利文献1中可知，当使用前视时基本呈矩形的靶时，对于磁铁组，在与靶平行设置的前视时基本呈矩形的支持板(支架)上，设置了沿其长度方向呈线状的中央磁铁和由中央磁铁两侧平行延伸的直线部以及分别连接各直线部两端的拐弯部构成的无端头形状的周边磁铁，用以改变靶一侧的极性。组装磁铁组时，通常用粘合剂把中央磁铁及周边磁铁固定到支持板表面。此外，使用该磁铁组时，在磁场的垂直成分为0位置的下方，靶首先被腐蚀。因此，设定为支持板的宽度小于靶的宽度，溅射期间使磁铁组在沿靶的宽度方向(垂直于靶长度方向的方向)上的两点间以规定速度往返运动。 

此处参照图4加以说明，在靶41的宽度方向上，将因与两束磁力线M1、M2之间的关系，靶41中腐蚀量严重部分彼此间的间隔设为腐蚀间距EP。并在图4中，将磁铁组处于用实线标示的位置时设为起点，使磁铁组5从该起点向靶41的另一侧(图4中用双点虚线标示的位置)移动。这时，若设定为使磁铁组5的行程MS(移动量)在靶41的中央腐蚀区域ER1、ER2彼此靠近(即图4中左侧的腐蚀区域EP1在以规定的行程移动之后靠近起点位置右侧的腐蚀区域EP2)或者彼此局部重叠，就可在宽度方向上的最小行程内高效且基本均匀地腐蚀靶41(参照图4(a))。然而，腐蚀间距EP可根据靶的种类及厚度或溅射时成膜室的真空压及溅射气体的分压等溅射条件而改变。 

例如，当以根据磁铁组的设计值通过模拟等设定的腐蚀间距EP(下文称之为“设定 腐蚀间距”)为基础设定行程MS之后，实际溅蚀靶时，此时的实际腐蚀间距EP往往大于设定的腐蚀间距。在此情况下，例如即使磁铁组5前进运动，图4中左侧的腐蚀区域EP1并不向起点位置上右侧的腐蚀区域EP2靠近，此外返回时也一样，在靶41宽度方向上的中央产生了非腐蚀区域(参照图4(b))。 

另外，若使实际的腐蚀间距EP小于设定的腐蚀间距，在使磁铁组5往返运动时，由于在靶41宽度方向上的中央EP1、EP2重叠的区域增多，因而在该区域内产生局部腐蚀(参照图4(c))。如上所述，当设定的行程和腐蚀间距EP间的关系发生变化时，产生了靶41的使用率下降的问题。此外，非腐蚀区域一旦变多，就意味着溅射成膜的累计时间延长，很容易诱发异常放电。 

解决上述问题的方法可考虑变更磁铁组5的行程，但由于在实际的溅射装置中，磁铁组周围还安装有许多其它构件，要想大幅度变更行程必然影响到其它构件，因而很难办到。而且，当使磁铁组移动到靶宽度方向边缘之类的情况下，反而容易诱发异常放电。另一方面，可考虑变更腐蚀间距，但正如上述现有技术中所示，中央磁铁52和两侧的周边磁铁的直线部53a间的间隔是固定的，这就需要更换磁铁组本身，溅射装置设置之后再进行此种变更操作显然是非常麻烦的事情。

专利文献1：特开2005-----354765号公报 

发明内容

鉴于上述问题，本发明的问题是提供一种磁控管溅射电极用的磁铁组以及溅射装置，其不必更换磁铁组即可简单地变更靶的腐蚀区域，使靶的使用效率高。 

为了解决上述问题，本发明的用于磁控管溅射电极的磁铁组，在溅射室内以彼此相对设置的靶朝向基板的方向为上，该磁铁组设置在靶的下侧，在靶的上方形成隧道形的磁力线，其特征在于前述磁铁组包括：沿靶长度方向呈线状设置的中央磁铁，以及由中央磁铁两侧平行延伸的直线部和分别连接各直线部两端的拐弯部构成的无端头形状的周边磁铁，用以改变靶一侧的极性；还具有通过相对移动前述中央磁铁和周边磁铁的直线部，即可改变中央磁铁及周边磁铁的相互间隔的变更装置。 

若采用本发明，由于还具有可灵活自如地变更中央磁铁和周边磁铁的直线部相互间隔的变更装置，因而与需要更换磁铁组本身的现有技术相比，可用更简单的操作改变腐蚀间距。其结果是：若将此技术用于采用溅射成膜时为了提高靶的使用效率而使磁铁组在靶宽度方向上往返运动的装置，可根据靶的种类及溅射条件，通过使腐蚀间距和行程 的关系最佳化，即可实现在靶宽度方向上大体均匀腐蚀该靶的构成。 

在本发明中，可采用以下结构：前述拐弯部由长度相同或不同的多块磁铁片组合而成，可根据中央磁铁和周边磁铁的直线部之间的间隔，通过更换磁铁片维持前述周边磁铁的无端头形状。 

此外，在变更上述间隔时，最好采用下述结构：使中央磁铁及周边磁铁的直线部彼此间的间隔在其长度方向上呈均匀状态，在把前述中央磁铁设置在固定座上的同时，把周边磁铁的直线部设置在可动座上，前述变更装置包括可使可动座相对于固定座相对移动的调整螺钉，以及引导该调整螺钉的导向部；在变更中央磁铁和周边磁铁的相互间隔后，设置了固定可动座的固定装置。 

此外，为了解决上述问题，本发明的溅射装置，其特征在于设置有：磁控管溅射电极，其具有权利要求1～3中任一项所述的电极用磁铁组；溅射室，其可保持真空状态；气体导入装置，其可将规定气体导入该溅射室内；溅射电源，其可给靶提供电力。 

附图说明

图1是说明本发明的溅射装置的示意图。 

图2(a)、(b)是以基准位置显示磁铁组的平面图及B-B剖面图。 

图3(a)、(b)是变更间隔的说明图。 

图4(a)～(c)是说明边使磁铁组往返运动边溅蚀靶情况下，腐蚀间隔和行程关系发生变化时的靶宽度方向上的腐蚀状况的剖面图。 

具体实施方式

下面参照附图说明具有本发明的磁控管溅射电极C的溅射装置SM。作为准备处理的基板S，使用制作平板显示器时使用的顶视时为矩形的玻璃基板，在其表面形成铝等规定薄膜时的情况。 

如图1所示，溅射装置SM，例如是联机式的装置，具有可用回转泵、涡轮分子泵等真空排气装置(未图示)保持规定的真空度的溅射室1。在溅射室1的上部空间内设有基板传送装置2。基板传送装置2具有公知的结构，例如具有可安装基板S的载物架21，通过间歇性驱动驱动装置，即可把基板S依次传送到与后述的靶相对的位置上。 

溅射室1内设有气体导入装置3。气体导入装置3通过中间设有流量计31的气体管道32与气源33连通，能以一定流量把氩气等稀有气体构成的溅射气体及反应性溅射时 使用的反应气体导入溅射室1内。对于反应气体可根据准备在基板S表面上成膜的薄膜成分加以选择，可使用含氧、氮、碳、氢的气体、臭氧、水或过氧化氢或者上述的混合气体等。在溅射室1的下侧设置了磁控管溅射电极C。 

磁控管溅射电极C具有以面对溅射室1的形态设置的大致呈长方体(顶视时为矩形)的靶41和磁铁组5。下文中把靶41朝向基板S的方向称之“上”，把基板S朝向靶41的方向称为“下”加以说明。此外，把靶宽度方向作为X方向加以说明。 

靶41可根据准备在基板S上成膜的铝合金、Mo及ITO等薄膜成分，用公知方法分别制作，对于靶41上面的溅蚀面411的面积可设定为大于基板S的外形尺寸。此外，靶41的下面用铟及锡等焊接材料焊接着溅射期间冷却靶41的垫板42。并在垫板42上焊接了靶41的状态下，通过绝缘板43安装在框架44上。把靶41设置到溅射室1内后，可在靶41的溅射面411周围安装接地的具有阳极功能的屏蔽件45。此外，靶41上连接着具有公知结构的溅射电源E的输出端，可外加负的直流电压或高频电压。 

正如图2(a)和(b)所示，磁铁组5设置有支持板(支架)51，其与靶41的溅蚀面411平行设置，由具有放大磁铁吸力的磁性材料制成，大体呈椭圆形的平板结构。支持板51上设有中央磁铁52，其设置在朝支持板51的长度方向延伸的中心线上，以及周边磁铁53，其以围绕中央磁铁52的形态，沿支持板51的上面外缘环形(无端头形状)设置，用以改变靶一侧的极性。周边磁铁53由在中央磁铁52两侧平行延伸的直线部53a以及在各直线部53a两端分别以拱门形状连接各直线部53a两端的拐弯部53b构成。 

此处，设计为中央磁铁52换算为同磁化时的体积和周边磁铁53换算为同磁化时的体积之和(周边磁铁∶中心磁铁∶周边磁铁＝1∶2∶1，参照图1)。这样即可在靶41上方形成均匀的隧道形磁力线M1、M2(参照图1)。中央磁铁52及周边磁铁53是公知的钕磁铁，这些中央磁铁52及周边磁铁53例如可用具有规定体积的多块磁铁片MP、MP1排列而成。在此情况下，构成周边磁铁53的拐弯部53b的磁铁片之中，至少垂直于宽度方向的磁铁片MP1通过用省略了图示的螺钉等固定安装在支持板51上，使之可以简单装卸。 

支持板51的宽度小于靶41的宽度，支持板51上附设了移动装置6(参照图1)。移动装置6可使用直动式传动装置等公知设备。并设定为溅射期间磁铁组5可在X方向上的同一平面内以规定速度及固定的行程MS往返运动。此处，正如前文所述，如果腐蚀间距EP和行程MS的关系最佳，即可在其宽度方向上大致均匀地腐蚀靶41，但是腐蚀间距EP会因靶种类及靶厚度以及溅射时成膜室的真空压及溅射气体的分压等溅射条件 而改变。 

为此，在本实施方式的磁铁组5中，把中央磁铁52设置在位于支持板51的中心线上、且在整个支持板51的全长上由具有规定高度的突条构成的固定座51a上的同时，把周边磁铁的两个直线部53b设置在承载于支持板51上的、与中央磁铁52的长度大体一致的可动座54上。此外，在固定座51a及可动座54上设置中央磁铁52及周边磁铁53时，可将固定座51a及可动座54的高度设定为中央磁铁52和周边磁铁53的上面处于与靶41的溅射面大体平行的同一平面上，同时，周边磁铁53的拐弯部53b的磁铁片MP、MP1也应使用高度一致的。并且，磁铁组5还设置有通过使可动座54相对于固定座51a相对移动，可变更中央磁铁52和周边磁铁53的直线部53a之间的间隔的变更装置。 

变更装置包括：立设在支持板侧面51上的导向部51b在导向部51b的规定位置上形成的螺孔51c，以及直至一端与可动座54的外侧面抵接可灵活拆卸地拧在螺孔51c中的调整螺钉55。在支持板51的长度方向上隔规定间隔设有多个(三个左右)导向部51b，但也可在其整个长度方向上形成。此外，调整螺钉55的设置数量可根据可动座54的长度等适当设定。 

在支持板51的下面沿支持板51的长度方向隔规定间隔形成多个(三个左右)朝宽度方向延伸的横长的凹部51d(参照图2(b))。并在可动座54的下面与凹部51d的形成位置对应的位置上形成螺孔，利用插穿凹部51d的螺栓56即可把可动座54固定到支持板51上。凹部51d的设定数量可根据支持板51的长度等适当设定。 

下面针对本实施方式的磁铁组5在安装到溅射装置SM上的状态下，变更中央磁铁52和周边磁铁53的直线部53a的间隔的过程加以说明。在图2(b)所示的磁铁组5的基准位置(可动座54处于固定座51a和导向部51b的中间的位置)上，拧松螺栓56，解除可动座54在支持板51上的固定，即可移动可动座54。在该状态下把调整螺钉55分别拧进各螺孔51c中直到一端接触可动座54的外侧面。并在例如扩大中央磁铁52和周边磁铁53的直线部53a之间的间隔情况下，一使调整螺钉55朝一方旋转，可动座54即可与之同步地相对于固定座51a相对移动。 

这样即可移动直线部53a以扩大中央磁铁52和周边磁铁53的直线部53a之间的间隔。此时，各调整螺钉55依次或者同时朝同一个方向转动同样的旋转角度(或圈数)。其结果是，即使移动直线部53a，仍可在其整个长度上均匀保持与中央磁铁52的间隔。而直线部53a可在其外侧面与导向部51b抵接之前移动。另外，当缩小中央磁铁52和周边磁铁53的直线部53a之间间隔的情况下，可在首先取下拐弯部53b的磁铁片MP1中 的中央以外的部分后把调整螺钉55朝另一方向旋转即可用与上述相同的方式使直线部53a移动。 

接着，中央磁铁52和周边磁铁53的直线部53a之间的间隔一达到所需间隔，即停止调整螺钉55的旋转，在该状态下利用螺栓56把可动座54重新固定到支持板51上。在该状态下，拐弯部53b在其宽度方向上产生相当于使直线部53a向磁铁片531两侧移动量的间隙。在该间隙上，把长度相当于间隙的其它磁铁片MP2用螺钉固定安装到支持板51上，保持其无端头形状(参照图3(a))，结束磁铁组5的变更操作(参照图3(a))。而在缩小周边磁铁53的直线部53a间的间隔情况下，在把可动座54的内侧面与固定座51a抵接之前移动时，只要预先规定上述磁铁片MP1的长度，通过使周边磁铁53的磁铁片与未卸下的中央的磁铁片MP1抵接，维持无端头形态即可(参照图3(b))，此外，当产生间隙情况下，与上述相同，可安装长度与间隙对应的其他磁铁片。 

上述操作一结束，即把溅射室1抽真空到规定的真空度，利用基板传送装置2把基板S传送到与靶41相对的位置。并在通过气体导入装置3导入规定的溅射气体及反应气体之后，通过溅射电源E给靶41外加负的直流电压或高频电压。这样即可在基板S及靶41上形成垂直的电场，通过在靶41上方产生等离子，靶41被溅蚀，即可在基板S表面形成规定的薄膜。此时，通过用磁力线M1、M2捕获靶上方电离的电子以及溅射产生的次级电子即可提高靶前方的电子密度，通过提高这些电子和导入真空室1内的溅射气体的气体分子的碰撞概率，可提高靶41上方的等离子密度。 

若采用以上说明的本实施方式，由于不必从溅射装置SM上取下磁铁组5就可变更中央磁铁52及周边磁铁53的直线部53a之间的间隔，因而与需要更换磁铁组5本身的现有技术相比，可用简单操作改变腐蚀间距EP。其结果是可通过使腐蚀间距EP和行程MS间的关系最佳化，在其宽度方向上大体均匀地腐蚀靶。在此情况下，也可在溅射装置的结构允许的范围内变更行程MS。 

为确认上述效果进行了以下试验。使用铝制的靶41，用公知的方法制作成180mm×2650mm×厚度16mm的顶视时大致呈长方形形状，将其接合到垫板42上。此外，作为磁铁组的支持板51使用的是具有100mm×2640mm外形尺寸的板材，在各支持板51上设置了沿靶41的长度方向的棒状的中央磁铁52和沿支持板51外周的周边磁铁53。在此情况下，把中央磁铁52和周边磁铁53的直线部53a间的初始中心间隔设定为34mm。 

并且，作为基板S使用的是具有2200mm×2400mm外形尺寸的玻璃基板，此外，作为溅射条件，把已被真空排气的溅射室11内的压力保持在0.4Pa上，通过控制流量计31 将作为溅射气体的氩气导入溅射室11内。靶41和玻璃基板间的距离设为150mm，提供给靶41的直流电力(直流电压)设为75KW，在达到10000kWh前进行了溅射。使磁铁组5在X方向上以25mm/sec的速度且以40mm的行程往返运动。 

以上述条件在基板表面上一形成铝膜，即观察距靶长度方向的端部200mm处上靶41宽度方向的腐蚀量，结果发现在靶宽度方向中央产生了局部腐蚀，说明腐蚀不均匀。 

于是根据靶41宽度方向上的腐蚀形状计算出相对移动量(行程)，利用变更装置把中央磁铁52和周边磁铁53的直线部53a间的初始间隔变更为40mm，在其它与上述相同条件下进行了溅射，结果证明，靶的局部性腐蚀得以防止，可在整个面上大体均匀地腐蚀靶。 

上面就设置有本发明的实施方式的磁铁组5的磁控管溅射电极C的溅射装置SM加以了说明，但并不局限于上述方式。在上述实施方式中，是以中央磁铁设置在固定座上为例加以说明的，但也可以采用把中央磁铁也设置在可动座上，使中央磁铁及周边磁铁均可在X方向上移动的结构。此外，上述实施方式是以调整螺钉55的前端固定在可动座54的外侧面上为例加以说明的，但也可将调整螺钉55设定为可灵活拆卸。 

附图标记说明 

SM、溅射装置，C、磁控管溅射电极，1、溅射室，41、靶，5、磁铁组，51、支持板，51a、固定座(突条)，51b、导向部(变更装置)，52、中央磁铁，53、周边磁铁，53a、直线部，53b、拐弯部，MP、MP1、磁铁片，54、可动座，55、调整螺钉(变更装置)，56、固定用螺栓(固定装置)，6、移动装置，3、气体导入装置，E、溅射电源，S、基板，M1、M2、磁力线。 

Claims (4)

1.一种用于磁控管溅射电极的磁铁组，在溅射室内以彼此相对设置的靶朝向基板的方向为上，所述磁铁组设置在靶的下侧，在靶的上方形成隧道形的磁力线，其特征在于所述磁铁组包括：

沿靶长度方向呈线状设置的中央磁铁，以及由中央磁铁两侧平行延伸的直线部和分别连接各直线部两端的拐弯部构成的无端头形状的周边磁铁，用以改变靶一侧的极性；

变更装置，其通过相对移动前述中央磁铁和周边磁铁的直线部即可改变中央磁铁及周边磁铁的相互间隔。

2.根据权利要求1所述的磁控管溅射电极用的磁铁组，其特征在于采用以下构成：前述拐弯部由长度相同或不同的多块磁铁片组合而成，根据中央磁铁和周边磁铁的直线部之间的间隔，通过更换磁铁片维持前述周边磁铁的无端头形状。

3.根据权利要求1或2所述的磁控管溅射电极用的磁铁组，其特征在于：

把前述中央磁铁设置在前述固定座上的同时，把周边磁铁的直线部设置在可动座上；

前述变更装置包括使可动座相对于固定座相对移动的调整螺钉，以及引导该调整螺钉的导向部；

在变更中央磁铁和周边磁铁的相互间隔后，设置了固定可动座的固定装置。

4.一种溅射装置，其特征在于设置有：

磁控管溅射电极，其具有权利要求1～3中任一项所述的电极用磁铁组；

溅射室，其可保持真空状态；

气体导入装置，其可将规定气体导入该溅射室内；

溅射电源，其可给靶提供电力。

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