CN102453882A - 用于溅射装置的磁路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于磁控溅射装置的磁路，其在靶表面上方产生高磁场强度的弧形磁力线并且具有提高的抗退磁性。该磁路包括：内部磁体；外部磁体，其具有与内部磁体的磁化方向相反的磁化方向且围绕内部磁体；水平磁化磁体，其设置在内部磁体和外部磁体之间，并且在垂直于内部磁体和外部磁体的磁化方向的方向上并且在从内部磁体到外部磁体的方向上或者从外部磁体到内部磁体的方向上被磁化；以及磁轭，其设置成磁通穿过位于内部磁体和外部磁体之间的磁轭，其中水平磁化磁体的磁矫顽力在接近靶侧的区域处比在磁体的内部中心处大。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于形成半导体装置的配线层、制造硬盘记录介质等的磁控溅射装置，并且涉及一种用于磁控溅射装置的磁路，该磁路将磁场施加到靶上。
背景技术
磁控溅射装置广泛用于电气或电子元件的材料的膜沉积技术中。在这种磁控溅射装置中，靶材料或靶101面向基板110设置，该基板设置在真空室中，并且磁路50设置在靶的背侧以便在靶表面上方或附近提供由弧形磁力线52代表的弧形磁场，如图6所示。在溅射过程中，在惰性气体气氛下在基板110和靶101之间施加高压以电离电子。电离后的电子与惰性气体碰撞，产生等离子气体。等离子中的阳离子攻击靶以便粒子从靶上射出并沉积到相对的基板上。这便使膜沉积在基板上。通常，如图6所示，通过磁路50的以下设置可以在靶表面上方获得弧形磁力线52：具有垂直于靶表面的磁化方向的内部磁体53设置在内部，具有与内部磁体53的磁化方向相反的磁化方向的外部磁体55设置内部磁体53的外侧。而且，内部磁体53和外部磁体55固定到磁轭59上以形成磁路。磁轭59允许磁通穿过内部磁体和外部磁体之间(磁通的回流)，因而提高了磁路的效率并且增大了表面磁场的强度。在图中，白色实心箭头表示磁化方向。
近年来，以越来越高的密度制造半导体装置，因此需要配线的进一步小型化。在这种情况下，需要进一步提高溅射装置的膜沉积性能。应对这种需要的一种方法是通过增加靶和其上将要沉积膜的基板之间的距离来提高从该靶射出的粒子的指向性。所射出的指向性增强的粒子可以以一接近直角的角度靠近基板从而即使在基板的微槽上也能够充分地进行膜沉积。为了增加所射出的粒子的指向性，必须降低所射出的粒子之间或者所射出的粒子和其他漂浮粒子之间的碰撞频率。因此，必须降低溅射装置中的环境压力。但是，降低后的环境压力会导致等离子密度的下降，并因而会使放电不稳定。为了防止等离子密度降低并且为了增加等离子密度，可以增加靶表面上方的磁场强度。而且，由于靶表面的磁场强度增大，所以可以增加靶厚度，因而延长了靶的使用寿命。
据报道，可以通过使用具有高剩余磁化强度的磁体形成内部磁体和外部磁体并且通过在内部磁体和外部磁体之间设置水平磁化磁体来产生磁路，水平磁化磁体具有相对于内部磁体和外部磁体的磁化方向垂直的磁化方向，并且由具有高磁矫顽力的磁体(例如参见JP2000-219965A)形成。因此与没有水平磁化磁体的磁路相比，所设置的磁路能够显著增加弧形磁力线的强度。而且，由于具有高磁矫顽力的磁体用于水平磁化磁体中，所以即使来自内部磁体和外部磁体的反向磁场作用于水平磁化磁体上，退磁也不会发生。
如果比磁体的磁矫顽力大的反向磁场作用于磁体，该磁体将会被退磁。为了防止在其使用过程中退磁，使用磁矫顽力比作用于磁体的反向磁场大的磁体。但是，通常地，当烧结NdFeB磁体的磁矫顽力变大时，烧结NdFeB磁体的剩余磁化强度变低，反之亦然。因此，使用具有过高磁矫顽力的磁体可能会导致所要产生的磁场的强度降低。
近年来，报导过一些通过将Dy(镝)或Tb(铽)从烧结磁体的表面扩散到其内部来提高磁矫顽力同时不降低剩余磁化强度的技术(例如参见WO2006/043348的国际公开文本，以及Machida K.、Kawasaki T.、Suzuki S.、Itoh M.、和Horikawa T.的″Improvement ofGrain Boundaries and Magnetic Properties of Nd-Fe-B SinteredMagnets(日文)″，Abstracts of Spring Meeting，p202，2004，JapanSociety of Powder and Powder Metallurgy)。由于这些技术可以在晶界有效地集中Dy或Tb，因此可以在几乎不降低剩余磁化强度的同时增大磁矫顽力。
发明内容
如果将Dy或Tb从磁体表面进行扩散的这种处理应用到尺寸不紧凑的磁体上，则在磁体内部不会增加磁矫顽力，并且磁矫顽力将会从内部向表面逐渐增加，因而需要在使用中加以注意(例如参见JP2010-135529A)。
考虑到上述内容，本发明的一个目的是提供一种用于磁控溅射装置的磁路，其产生了具有较高磁场强度的弧形磁力线，并且具有提高的抗退磁性。
为了实现上述目的，本发明人已经发现并且利用一个事实，即通过使用由经受将Dy或Tb从水平磁化磁体的面向靶的表面进行扩散的处理的磁体所形成的水平磁化磁体，可以增加由弧形磁力线代表的磁场强度同时防止水平磁化磁体的退磁，从而水平磁化磁体的靶侧区域的磁矫顽力的值变为大于水平磁化磁体中心处的磁矫顽力。特别地，本发明人已经设计出一种用于磁控溅射装置的磁路，包括：内部磁体，具有垂直于靶表面的磁化方向；外部磁体，围绕内部磁体设置并且具有与内部磁体相反的磁化方向；以及水平磁化磁体，设置在内部磁体和外部磁体之间，具有与内部磁体和外部磁体的磁化方向垂直的磁化方向，其中水平磁化磁体由经受将Dy或Tb从水平磁化磁体的面向靶的表面进行扩散的处理的磁体形成，从而水平磁化磁体的靶侧区域的磁矫顽力的值变为大于水平磁化磁体内部中心处的磁矫顽力的值。
根据本发明的一个方面，由于在用于磁控溅射装置的磁路中使用由永久磁体形成的水平磁化磁体，该水平磁化磁体具有高剩余磁化强度，并且其靶侧区域的磁矫顽力高于内部中心的磁矫顽力，所以该磁路可以产生磁场强度高于传统磁路的弧形磁力线。因而，可以在低压下获得较高的等离子密度，提高靶粒子的指向性。因此，可以提供一种溅射装置，其能使膜沉积到微细配线结构。而且，由于弧形磁力线的增强会在靶表面上方获得足够的磁场强度，所以可以增加靶的厚度，并因而延长靶的使用寿命。而且，由于水平磁化磁体的一个表面被处理以增加其磁矫顽力，所以不需要对磁体所有表面进行扩散处理。通过将多个水平磁化磁体组装并且通过仅对其一个表面以一种操作进行处理以将Dy或Tb从该表面进行扩散，可以大量生产磁矫顽力被提高的水平磁化磁体，并且改善了具有附加简单工艺的溅射装置的膜沉积性能。
附图说明
图1A和1B各自是根据本发明的包含水平磁化磁体的用于磁控溅射装置的磁路的透视图；
图2A是根据本发明的其上设有靶的磁路的截面示意图，图2B是示出该磁路所包含的水平磁化磁体的高度位置和磁矫顽力之间的关系的图；
图3是示出内部磁体和外部磁体所产生的磁场的回流4作为反向磁场主要作用于水平磁化磁体的区域的截面示意图；
图4是示出在执行整体处理时水平磁化磁体的高度位置和磁矫顽力之间的关系的图；
图5是示出有效地实行单一表面扩散处理的程序的示意图；以及
图6是示出使用传统磁控溅射装置的溅射方法的截面示意图。
具体实施方式
下文，参考附图详细描述本发明的用于溅射装置的磁路。相同的附图标记表示以相同方式执行功能的部件。注意，本发明不限于以下描述的实施方式。
图1示出了根据本发明的磁路的实施例。根据本发明的用于溅射装置的磁路1包括：内部磁体3，具有铅垂的磁化方向；外部磁体5，设置在内部磁体3周围并且具有与内部磁体的磁化方向相反(反平行)的磁化方向；以及水平磁化磁体7，配置在内部磁体3和外部磁体5之间，具有与内部磁体和外部磁体的磁化方向垂直的磁化方向。而且，使用粘合剂等将这些磁体固定到磁轭9上。如图2A所示，由该磁路产生的磁场在靶11的表面上方形成弧形磁力线2。在靶侧处由水平磁化磁体7所产生的磁场的方向与由内部磁体3和外部磁体5所产生的磁场的方向相同，因此表面磁场的强度与没有水平磁化磁体的情况相比较大。注意，每个磁体的磁化方向可以是与图2A相反的图形。也即，可以进行设置使得内部磁体3具有向下的磁化方向(箭头指向磁轭)，外部磁体5具有向上的磁化方向，水平磁化磁体7具有指向该磁路的外周侧的磁化方向。在这种情况下，弧形磁力线2会从外周侧指向中心。
关于水平磁化磁体的磁矫顽力分布，如图2B所示，在靶侧区域处的磁矫顽力大于内部中心处的磁矫顽力。参考图3描述了具有这种磁矫顽力分布的磁体对于用于溅射装置的磁路是有效的。在磁路1中，其中如图3所示该磁路1在内部磁体3和外部磁体5之间设有水平磁化磁体7，由内部磁体和外部磁体产生的磁通的回流也作用于水平磁化磁体7的内部。该磁通的内部流作为具有与水平磁化磁体的磁化方向相反的方向的磁场作用于水平磁化磁体的靶侧区域6。由于这种反向磁场所作用的区域易于退磁，所以必须增加其磁矫顽力。为了防止这种退磁，传统磁路采用没有进行Dy或Tb的扩散处理的磁体，也即一种具有高磁矫顽力和低剩余磁化强度的磁体。相比之下，在本发明中，已经从面向靶的表面经受扩散处理的磁体被用作水平磁化磁体7。因此，即使在水平磁化磁体7的靶侧区域也可以保持高磁矫顽力而没有剩余磁化强度的降低，并且弧形磁力线的强度比传统磁路增加更多。在经受扩散处理的磁体中，如前所述，可以增加磁矫顽力同时保持高剩余磁化强度。当该磁体用作用于溅射装置的磁路的水平磁化磁体时，可以比传统磁路多增加在靶表面上方的弧形磁力线的强度。这能够在低压下获得较大的等离子密度，因此可以增强从靶射出的粒子的指向性。因而，可以提供一种能使膜沉积到微细配线结构的溅射装置。而且，由于弧形磁力线的强度增加，所以即使靶厚度增加也可以在靶表面获得足够的磁场强度。可以增加靶厚度并且延长靶的使用寿命。
在WO2006/043348A1中描述了涂膜方法或者溅射方法中将Dy或Tb从磁体的表面向内部扩散的方法，并且有时可以将其称为“利用晶界扩散合金方法的表面处理”。在该方法中，优选地，在真空或者惰性气体下，在小于或等于烧结磁体的烧结温度的温度下，对存在于烧结磁体表面上的烧结磁体或粉末进行热处理。该粉末包括由从包括Y和Sc的稀土元素中选出的一种或多种元素的氧化物、氟化物和酰基氟化物组成的组中选出的一个或多个。该烧结磁体优选为具有R1-Fe-B组合物的烧结磁体，其中R1表示从包括Y和Sc的稀土元素中选出的一种或多种元素。
但是，通过扩散处理可以增大磁矫顽力的区域是有限制的。因此，如果尺寸过大的水平磁化磁体经受扩散处理，则在整个水平磁化磁体中可能不能实现磁矫顽力的有利增加。
根据JP2010-135529A，通过扩散处理增加磁矫顽力可以达到从处理过的磁体的表面深至大约6mm的深度。在图3中所示的在水平磁化磁体中反向磁场所作用的区域是从靶侧表面到该磁体在与面向靶的表面垂直的方向上的尺寸(即磁体高度)的大约1/2的深度，并且特别强的反向磁场所作用的区域是从靶侧表面到磁体高度的大约1/5的深度。因此，当磁体的高度远大于30mm时，反向磁场的区域会远大于具有高达约6mm的深度的区域，在该区域中可以获得通过扩散处理而增加磁矫顽力的效果。因此，反向磁场区域不能被通过扩散处理所增加的磁矫顽力全部覆盖。而且，当磁体太小时，该磁路所产生的弧形磁力线自身的强度会变小。因此，优选使用一种具有约5到30mm的高度并且已经经受扩散处理的磁体作为水平磁化磁体。
正如目前所述的，通过使用包含作为水平磁化磁体的经受Dy或Tb的扩散处理的磁体的磁路，可以改善磁控溅射装置的膜沉积性能。
根据本发明的用于溅射装置的磁路被构造成由上述的内部磁体、外部磁体和水平磁化磁体组合而成，其中水平磁化磁体的磁矫顽力的值被构造成是不均匀的并且在接近靶的区域处的比在磁体内部中心处的大。这样的磁路包括用于将这些磁体固定到其上的磁轭。这些磁体可以使用粘合剂等固定到磁轭上。这种用于溅射装置的磁路示例在图2A中。图1中示例出该磁路的轮廓。图2A是图1中示出的磁路的截面图。由图1的磁路包括的每个内部磁体、外部磁体和水平磁化磁体不限于单体磁体，而是可以包括被分割成多片的磁体。该磁体作为整体可以是如图1A所示的圆形或者如图1B所示的矩形。圆形磁路可以与圆形靶一起使用并且用于例如在Si片上沉积膜。矩形磁路可与矩形靶一起使用并且用于例如液晶面板的制造工艺中。如图2A所示，该磁体的横截面形状可以是矩形，每个磁体可以与另一个磁体相邻设置。内部磁体的磁化方向是从磁路到靶的方向或其反方向，外部磁体的磁化方向与内部磁体的磁化方向相差180度。水平磁化磁体的磁化方向垂直于内部磁体和外部磁体的磁化方向，并且是在内部磁体和外部磁体所产生的靶表面上方的磁场强度增加的方向。例如，它是从内部磁体到外部磁体的方向，或者从外部磁体到内部磁体的方向。结果，通过该磁路在靶表面上方的空间中形成强弧形磁力线2。因此，通过将该磁路结合到该溅射装置中可以提供一种具有改善性能的磁控溅射装置。
所使用的每个磁体优选为永久磁体，尤其优选为烧结NdFeB稀土磁体。与其他磁体相比，烧结稀土磁体具有显著提高的剩余磁化强度和磁矫顽力。而且，由于烧结NdFeB稀土磁体与烧结SmCo稀土磁体相比具有更低的成本以及更高的剩余磁化强度，所以它对于高性能溅射装置而言是优选的磁体材料。而且，上述扩散处理是对于烧结NdFeB稀土磁体特别有效的处理。
在本发明中，如上所述，水平磁化磁体的靶侧区域处的磁矫顽力大于其内部中心处的磁矫顽力的磁体可以通过使用涂膜方法或溅射方法将Dy或Tb从磁体表面扩散到其内部来形成。由于通过扩散处理仅在水平磁化磁体的靶侧区域增加磁矫顽力就足够了，所以可以仅对磁体的一个表面实行扩散处理工艺。例如，通过对除了将要被处理的表面以外的表面进行遮蔽来实行扩散处理。但是，与全表面整体处理相比，在涂膜方法或溅射方法中仅对磁体的一个表面进行处理由于额外工艺例如遮蔽处理的引入而导致成本增加和/或降低生产率时，可以采用整体处理来代替单一表面处理。在这种情况下，在经历过整体处理的磁体中，尽管磁矫顽力在所有表面上都增加了，但是不会对溅射装置产生不利影响，并且也不存在靶侧表面上方的磁矫顽力增加所带来的问题。在这种情况下水平磁化磁体的磁矫顽力的状态如图4所示。
可选择地，可以采用一种进行单一表面处理的方法，通过设计该工艺，该单一表面处理与整体处理相比提高了生产率并降低了成本。通过在大磁体块30的两个表面32上形成包含Dy或Tb的涂层34，之后对磁体块30进行热处理(退火)，作为扩散处理，如图5所示，并且在扩散处理之后将该磁体切割成具有最终形状的片，可以一次性使大量的磁体经受扩散处理，因而提高了生产率，降低了成本。
由于通过扩散处理磁矫顽力的增加可以期望从表面到约6mm的深度，因此磁矫顽力增加了的区域对于过大的水平磁化磁体而言变得不足。当内部磁体和外部磁体所产生的磁通如图3所示那样循环时，磁通的这种回流作为反向磁场在水平磁化磁体的靶侧区域中作用于水平磁化磁体的磁化方向。在水平磁化磁体中反向磁场所作用的区域从靶侧表面到约1/2磁体高度的深度，并且特别强的反向磁场所作用的区域从该表面到约1/5磁体高度的深度。当例如磁体高度是30mm时，强反向磁场作用深至6mm的深度，该深度是高度的1/5。因而，由于作为扩散处理的结果在深至约6mm的区域中磁矫顽力增大了，所以扩散处理对这种反向磁场是有效的。另一方面，如果磁体高度远大于30mm，则由于磁矫顽力增大的区域相对于反向磁场的区域的尺寸太小，所以即使执行扩散处理也不能防止磁体退磁。当磁体高度小于12mm时，作为扩散处理的结果，在磁体内部中心处的磁矫顽力轻微增大，而且也在靶侧区域增大。在磁体内部中心处的这种增大不会对溅射装置产生不利影响。因此，本发明也能对磁体高度不超过12mm的磁体进行有效的工作。但是，由于该磁体过小的尺寸会导致磁场强度降低并且膜沉积性能变差，所以磁体高度优选不小于5mm。
包含上述磁路的磁控溅射装置也可以包括在本发明中。
实施例
下文，通过实施例详细描述本发明的具体实施方式。但是，不应该解释为本发明的内容限于这些实施方式。
实施例1
作为内部磁体，提供一种圆柱形磁体，其尺寸为直径40mm以及高度30mm，在高度方向上被磁化，由具有1.42T剩余磁化强度和900kA/m磁矫顽力的烧结NdFeB磁体形成。作为外部磁体，提供十二个具有相同磁性能的同心弧形磁体，其尺寸为外径120mm、内径80mm、圆弧角30度以及高度30mm，在高度方向上被磁化。作为水平磁化磁体，提供十二个具有相同磁性的同心弧形磁体，其尺寸为外径80mm、内径40mm、圆弧角30度以及高度30mm，在朝向圆弧中心的方向上被磁化。仅水平磁化磁体经受了扩散处理。扩散处理如此进行：粒状氟化镝与乙醇混和，并且除了一个同心弧表面以外的其余表面都被遮蔽的水平磁化磁体浸入到该混合物中，随后在Ar气下以900℃热处理一小时。通过测量扩散处理表面侧的磁矫顽力和该磁体内部中心处的磁矫顽力所得到的结果分别为1300kA/m和900kA/m。因此，扩散处理表面侧的磁矫顽力增大了400kA/m。
这些磁体通过粘合剂固定到磁轭上，该磁轭的直径120mm，高度为10mm，由SS400制成。首先，将内部磁体粘贴到该磁轭中心；然后将十二个同心弧形的水平磁化磁体以环形设置并粘贴在内部磁体周围；然后将十二个外部磁体以环形设置在十二个水平磁化磁体周围以粘贴到磁轭上。水平磁化磁体如此设置以便扩散处理表面面向靶侧。每个磁体的磁化方向与图2所示的相同。
为了评估得到的磁路，测量靶侧的磁场。位于距离磁体表面在上方10mm处的磁场的水平分量的最大值为0.489T。
比较例1
接下来，作为比较例1，提供一种磁路，除了水平磁化磁体之外具有与实施例1相同的构造，其中使用具有与实施例1的水平磁化磁体相同的形状和磁化方向并且具有1.35T的剩余磁化强度和1300kA/m的磁矫顽力的磁体作为水平磁化磁体，没有进行扩散处理。在与实施例1相同的条件下，测量构成的磁路的磁体表面磁场。磁场的水平分量的最大值为0.474T。
与实施例1相比，磁场强度下降大约3％。考虑到该下降的原因可能是，尽管水平磁化磁体的磁矫顽力为1300kA/m，其是足够大的值以至于不会被退磁，但是剩余磁化强度比实施例1低了0.07T，从而降低了表面磁场的强度。比较例1模拟了用于溅射装置的传统磁路。
比较例2
提供一种磁路，除了水平磁化磁体之外具有与实施例1相同的构造，其中使用具有与实施例1的水平磁化磁体相同的磁性能(1.42T的剩余磁化强度和900kA/m的磁矫顽力)、相同尺寸和相同磁化方向的磁体作为水平磁化磁体，没有进行扩散处理。在与实施例1相同的条件下，测量构成的磁路的磁体表面磁场，磁场的水平分量的最大值为0.420T。
磁场明显下降的原因考虑到可能是，水平磁化磁体的磁矫顽力低，由于水平磁化磁体的靶侧区域中的反向磁场所导致出现的退磁。
从上述实施例1和比较例1和2看出，很显然，通过使用水平磁化磁体，其中作为扩散处理的结果在靶侧区域的磁矫顽力大于其内部中心处的磁矫顽力，可以实现一种用于溅射装置的磁路，该磁路与没有进行扩散处理的传统磁路相比具有更高的表面磁场强度。
Claims (4)
1.一种用于磁控溅射装置的磁路，其中上述磁路设置在靶的背侧并且产生在上述靶的表面上方绘制弧形磁力线的漏磁场，上述磁路包括：
内部磁体；
外部磁体，其具有与上述内部磁体的磁化方向相反的磁化方向且围绕上述内部磁体；
水平磁化磁体，其设置在上述内部磁体和上述外部磁体之间，并且在垂直于上述内部磁体和上述外部磁体的磁化方向的方向上且在从上述内部磁体到上述外部磁体的方向上或者从上述外部磁体到上述内部磁体的方向上被磁化；以及
磁轭，其设置成隔着介于上述磁轭与靶之间的磁体而面向靶，使得磁通穿过位于上述内部磁体和上述外部磁体之间的上述磁轭，
其中上述水平磁化磁体的磁矫顽力的值在上述水平磁化磁体的接近靶侧的区域处比在上述水平磁化磁体的内部中心处大。
2.根据权利要求1所述的磁路，其中，
每个磁体包括NdFeB稀土磁体；并且
上述水平磁化磁体中的Dy或Tb的浓度在上述水平磁化磁体的靶侧区域处比在上述水平磁化磁体的内部中心处大。
3.根据权利要求1或2所述的磁路，其中，
上述水平磁化磁体在垂直于上述水平磁化磁体的面向靶的表面的方向上的尺寸是5mm至30mm。
4.一种磁控溅射装置，包括根据权利要求1至3中任一项所述的磁路。
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