CN103103489B - 磁控溅射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁控溅射装置，该磁控溅射装置配置有磁铁单元，该磁铁单元能够沿着安装靶的阴极的背面侧往复移动，该磁控溅射装置的特征在于：所述磁铁单元具有：内侧磁铁，由永磁铁构成，将一个极性的磁极面朝向所述阴极侧；外侧磁铁，以包围所述内侧磁铁的方式排列，将与所述内侧磁铁相反的极性的磁极面朝向所述阴极侧；以及板状磁轭，由强磁体材料构成，位于所述内侧磁铁以及所述外侧磁铁的与所述阴极相反的一侧，将所述内侧磁铁和所述外侧磁铁的磁极连接，所述磁轭具有与其它部分相比厚度形成得薄的部分，该形成得薄的部分是配置在沿着所述磁铁单元的移动方向的长度方向上的所述外侧磁铁和所述内侧磁铁之间的部分。

Description

磁控溅射装置

本申请是申请号为201110072752.5、申请日为2011年3月25日、发明名称为“磁控溅射装置以及溅射方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及磁控溅射装置。

背景技术

作为在太阳能电池用基板、半导体晶片等上形成薄膜的方法，有溅射法。特别是，在安装有靶的阴极的背面侧配置了磁铁的磁控溅射装置，膜形成的稳定性优良，并且靶的大型化容易，因而被广泛使用。为了提高生产性能，尝试了使靶的侵蚀深度尽可能均匀来增加能够由一张靶生产的基板张数。另外，为了提高基板上的膜厚分布均匀性，还将侵蚀深度形状控制为所期望的形状。

这样，控制靶的侵蚀深度形状与控制靶表面侧的放电空间的等离子体密度分布几乎相同。等离子体密度分布主要由放电空间的电场和磁场来决定，特别是，受到配置在靶背面侧的磁铁在靶表面侧的放电空间产生的磁场形状很大影响。因此，为了控制侵蚀深度形状，大多情况下设法改进磁铁形状、或者使磁铁旋转或往复运动。

在磁控溅射中，作为通常的磁铁结构，具有如图8A-8C所示的结构。图8A是磁铁结构的主视图，图8B是图8A的磁铁结构的A-A截面图，图8C是图8A的B-B截面图。如图8A所示，例如，在S极成为表面的方向上，永磁铁（下面称作内侧磁铁）11配置在磁轭14上的某个区域。而且，以包围内侧磁铁11的方式在相反极性的N极成为表面的方向上配置有永磁铁（下面称作外侧磁铁）12。内侧磁铁11以及外侧磁铁12配置在通常的强磁体的磁轭14上。下面，将内侧磁铁11、外侧磁铁12、磁轭14合在一起称作磁铁单元10。

大多情况下，内侧磁铁11和外侧磁铁12通过粘接剂固定于磁轭14。因此，为了容易操作，磁轭14使用平面板状的磁轭。由于内侧磁铁11和外侧磁铁12在吸附的方向上产生力，所以为了将它们牢牢地固定，在磁轭中还需要一定程度的强度。

另外，磁轭14具有与没有它时的磁铁相比磁场强度提高的作用。因此，为了避免磁饱和，磁轭14通常使用高磁导率程度的厚度的磁轭。在大型溅射装置中，多数情况下使用被溅射的面为矩形的矩形靶，在这种情况下，作为磁铁单元使用如图8A那样的矩形磁铁单元。针对一个矩形靶，排列一个或者多个这样的磁铁单元10来进行磁控溅射。作为使用了这样的磁铁单元10的大型溅射装置，例如有日本特开2001-140069号公报中所公开的装置。

然而，以往的磁铁单元10具有以下问题。即，作为容易地变更靶表面侧的磁场形状、磁场强度的方法，有在磁铁单元10的内侧磁铁11和外侧磁铁12的靶侧表面粘贴强磁体的薄板（下面称作磁体板）的方法。通过由磁体板将内侧磁铁11和外侧磁铁12的N极和S极在磁路上短路，能够降低从粘贴了磁体板的区域的N极和S极产生的磁场强度。磁体板减薄到磁饱和的程度，穿过磁体板，而在靶表面侧形成一定程度的磁场。因此，能够通过改变粘贴的磁体板的位置和厚度来控制磁铁单元10整体的磁场强度。

然而，大多情况下，磁铁单元10通常与靶侧的结构物靠近地设置。具体地说，有时在靶与磁铁单元10之间存在腔壁等。为了尽可能加强靶表面侧的磁场强度，需要减小磁铁单元10与靶之间的距离，大多情况下，磁铁单元10相对于腔壁等以几毫米左右的间隙设置。

因此，为了将所述的磁体板粘贴在磁铁单元10表面，需要将磁铁单元10向靶的相反侧大幅移动，而在磁铁单元10的表面侧形成空间。在最近的例如基板大小超过1m那样的大型溅射装置中，磁铁单元10也大，重量也大，因此导致用于将磁铁单元10向靶侧大幅移动的机构变得大型且复杂，存在装置制造成本变高的问题。

发明内容

本发明提供一种技术，通过不用将磁铁单元从靶侧大幅移动而从磁铁单元的背面侧变更磁轭厚度，能够变更靶表面侧的磁场形状、磁场强度，能够降低装置的制造成本。

与本发明的一个方面有关的磁控溅射装置，其特征在于，具备：

阴极，将靶的安装面作为表面侧；以及

磁铁单元，配置在所述阴极的背面侧，

其中，

（a）所述磁铁单元具有：

由永磁铁构成的内侧磁铁，将一个极性的磁极面朝向所述阴极侧；

由永磁铁构成的外侧磁铁，以包围所述内侧磁铁的方式矩形状地排列，将与所述内侧磁铁相反的极性的磁极面朝向所述阴极侧；

非磁体，将所述内侧磁铁和所述外侧磁铁固定；以及

由强磁体材料构成的磁轭，位于朝向所述阴极的所述内侧磁铁以及所述外侧磁铁的磁极面的相反侧，将所述内侧磁铁和所述外侧磁铁的磁极连接，

（b）所述磁轭具有板状的形状，被与所述矩形状地排列的外侧磁铁的长度方向正交的面分割为多个，且被分割的各个磁轭能够更换，

（c）所述磁铁单元能够在相对于所述阴极的背面平行的方向上移动。

另外，与本发明的其它方面有关的溅射方法是使用磁控溅射装置的溅射方法，其特征在于，具有：

膜形成工序，使用所述的磁控溅射装置来形成膜；

评价工序，评价由所述膜形成工序形成的膜厚；以及

变更工序，根据所述评价工序的评价结果来变更所述磁控溅射装置的所述磁轭的厚度。

根据本发明，通过不用将磁铁单元从靶侧大幅移动而从磁铁单元的背面侧变更磁轭厚度，能够容易地变更靶表面侧的磁场形状、磁场强度，能够降低装置的制造成本。

本发明的其它特征以及优点可以通过参照附图的以下说明来明确。

附图说明

图1示出与本发明的一个实施方式有关的磁控溅射装置的概要图。

图2A示出与本发明有关的磁铁单元的主视图。

图2B示出与本发明有关的磁铁单元的A-A截面图。

图2C示出与本发明有关的磁铁单元的B-B截面图。

图2D示出在图2A中没有磁轭的状态。

图3是用于在与本发明有关的磁铁单元中说明其磁场分析的图。

图4是示出与本发明有关的磁铁单元的磁场分析的结果的图。

图5是说明用于在与本发明有关的磁铁单元中使尖端部磁场强度弱于中央部的方法的图。

图6是说明用于在与本发明有关的磁铁单元中使尖端部磁场强度强于中央部的方法的图。

图7A、图7B是与本发明的一个实施方式有关的磁铁单元中使用了磁体时的概要图。

图8A是说明以往的磁铁单元的主视图。

图8B是图8A的A-A截面图。

图8C是图8A的B-B截面图。

具体实施方式

（第1实施方式）

下面，参照附图说明与本发明的第1实施方式有关的磁控溅射装置。图1中示出与本实施方式有关的磁控溅射装置的概要结构。腔1中的基板架5上放置有基板2。腔1通过未图示的排气泵排气成真空，通过未图示的气体配管供给工艺气体、例如Ar气体，从而形成规定的压力。

与基板2相对置地在上方配置有靶3。阴极4能够将靶3安装在安装面，阴极4隔着绝缘物6设置在腔1中。

在本实施方式中，示出能够安装靶3的阴极4的背面侧暴露在大气中的例子。阴极4连接在未图示的DC电源上。在阴极4的背面侧，隔着几毫米间隙地设置有磁铁单元10。磁铁单元10能够通过未图示的移动机构在膜形成过程中不改变与阴极4之间的间隔地在平行于阴极4的方向上进行往复运动。

接着，参照图2A-D来说明与本实施方式有关的磁控溅射装置的磁铁单元10。图2A是磁铁单元10的主视图，示出从靶3侧看到的样子。在从靶3侧看时的跟前侧表面配置有内侧磁铁11，所述内侧磁铁11是磁化成表示S极的细长矩形形状的永磁铁。在从靶3侧看时的跟前侧表面以包围内侧磁铁11的方式配置有外侧磁铁12，所述外侧磁铁12是磁化成表示N极的永磁铁。

如作为图2A的A-A截面图的图2B、作为图2A的B-B截面图的图2C所示，内侧磁铁11和外侧磁铁12之间用非磁体13来连接固定。非磁体13例如使用铝、非磁体的不锈钢等，通过粘接剂来将内侧磁铁11和外侧磁铁12固定。没有磁轭14的状态的截面在图2D中示出，内侧磁铁11和外侧磁铁12仅用非磁体13固定，不需要利用磁轭14固定。

磁轭14是由强磁体构成，例如是铁、SUS430等。如图2C所示，磁轭14将相对于靶3的相反侧的内侧磁铁11的磁极表面和外侧磁铁12的磁极表面连接，从而使磁路短路。这里的磁轭14仅用磁铁（内侧磁铁11和外侧磁铁12）的吸附力（磁力）来吸附，磁铁和磁轭14没有通过如粘接那样的方法进行固定。

如图2B所示，磁轭14具有板状的形状，在与矩形状地排列的外侧磁铁的长度方向（磁铁单元10的长度方向）正交的面上被分割为多个、且被分割的各个磁轭能够更换。

被分割为多个的磁轭的各个能够更换为不同厚度的磁轭。这里，在外侧磁铁的长度方向（磁铁单元10的长度方向）上被分割为8个，中央部的6个磁轭为相同厚度，两端部（尖端部）的2个配置有比中央部的6个磁轭的厚度薄的磁轭。此外，在本实施方式中，作为磁轭14的分割数，例示了8分割，但是本发明的精神不限于该例子。另外，分割为多个的磁轭的结构例不限于图1的情况，分割为多个的各个磁轭也能够由不同厚度的磁轭来构成。

在磁轭14厚的区域中，相对应的靶表面中的磁场强度变强，在磁轭14薄的区域中，相对应的靶表面中的磁场强度变弱。关于磁场强度和磁轭厚度的关系，在后面详细叙述。

磁轭14通过利用磁铁的磁力来吸附、具有分割为多个的结构，能够容易地取下被分割的各个磁轭14并进行更换。因而，能够容易地更换为厚度不同的磁轭14，由此容易控制靶表面中的磁场强度。

另外，虽然未图示，但是即使重叠薄的强磁体板来使用，被分割的各个磁轭14的效果也相同。在这种情况下，作用于薄的强磁体的磁轭14的磁力变小，能够更容易地一张一张地将薄的强磁体的磁轭14从磁铁单元10取下。

通常，在磁控溅射装置中，由于没有必要使结构物接近磁铁单元10的背面侧、即磁轭14侧，因此能够确保空间。因此，能够容易地人工实现磁轭的更换，由此能够变更靶表面的磁场强度。因而，没有必要如以往那样将磁铁单元相对于靶向相反方向大幅移动。

接着，说明磁轭14的厚度和靶表面中的磁场强度的关系。通过磁场分析软件ELF/MAGIC来计算如图3所示的磁铁单元10的靶表面中的磁场强度。

磁铁单元10的磁轭14的厚度在中央部附近设为10mm，使尖端部100mm区域的磁轭厚度a在0mm~10mm内变化。未图示的靶表面是离磁铁单元10的表面有40mm的位置，计算了磁通密度矢量几乎与靶（未图示）的表面成为平行的位置、即离磁铁单元前端有30mm内侧的位置的磁通密度的平行分量（标记20）。此外，内侧磁铁11和外侧磁铁12例如设为钕磁铁，磁轭14设为SUS430。

计算结果在图4中示出。随着尖端部磁轭厚度a变厚，靶表面中的磁通密度变大。尖端部磁轭厚度a为6mm以上时，靶表面中的磁通密度几乎不变化，这是由于尖端部的磁轭为6mm以上时没有磁饱和。

在靶表面中的磁场强度的控制中，磁轭厚度能够在0mm~6mm的范围内选取。此外，尖端部磁轭厚度a为0mm，是指如图5所示在该区域中不设置磁轭14。

在图5的例子中，作为用于使磁铁单元的尖端部磁场强度弱于中央部的方法，示出在磁铁单元10的尖端部的区域不设置磁轭14的例子。相反地，为了使中央部磁场强度弱于尖端部，只要如图6所示那样加厚尖端部的磁轭14、减薄中央部的磁轭14即可。

一般，在靶表面中与靶表面平行的方向的磁通密度大的区域侵蚀深度深，在磁通密度小的区域侵蚀深度浅。在本实施方式的磁铁单元中，加厚了磁轭厚度的区域的侵蚀深，减薄了磁轭厚度的区域的侵蚀浅。这样，通过部分地变更磁轭厚度，能够容易地得到所期望的侵蚀深度形状。

接着，说明使用了与本发明有关的磁控溅射装置的溅射方法。磁铁单元10的磁轭14设为如下结构：例如，中央部设为均匀的厚度，尖端部设为比中央部薄。在排气成真空的腔1的基板架5上设置了基板2之后，将例如Ar气体那样的工艺气体导入腔内，从而形成规定的压力（导入工序）。

磁铁单元10能够通过未图示的移动机构不改变与阴极4之间的间隔地在相对于阴极4平行的方向上进行往复运动。一边通过未图示的移动机构使磁铁单元10往复运动，一边将DC电源设为ON，向靶施加DC电力来实施溅射成膜。在一定时间后，将DC电力设为OFF来完成膜形成（膜形成工序）。

通过未图示的测量机构来测量堆积在基板2上的膜的厚度，根据测量机构的测量结果来确认是否得到了所期望的膜厚分布（评价工序）。在想要减薄膜厚分布差的基板3上某个区域的膜厚的情况下，通过将与要减薄膜厚的区域相对应的磁铁单元10的磁轭从厚的磁轭变更为薄的磁轭来降低磁场强度（变更工序）。

另一方面，在想要加厚基板3上某个区域的膜厚的情况下，通过将与要加厚膜厚的区域相对应的磁铁单元的磁轭从薄的磁轭更换为厚的磁轭来增强磁场强度（变更工序）。以该状态再次进行同样的膜形成，确认膜厚分布。通过反复几次这样的操作，得到所期望的膜厚分布。

（第2实施方式）

接着，说明本发明的第2实施方式。在图7A所示的磁铁单元10的内侧磁铁11和外侧磁铁12中，在与靶3相反侧的磁极上通过粘接剂等分别连接有由铁、SUS430等强磁体构成的磁体15。与内侧磁铁11和外侧磁铁12连接的磁体15经由磁轭14连接到磁路中。

磁轭14没有由粘接剂等来固定，而仅用磁体（内侧磁铁11、外侧磁铁12）的吸附力（磁力）来粘贴，因此能够取下。在内侧磁铁11和外侧磁铁12之间有非磁体13，磁体15和非磁体13是由粘接剂或螺栓等来固定的。

没有磁轭14时的磁铁单元10的结构在图7B中示出。磁体15和非磁体13被固定，因此即使没有磁轭14时也能够以该形状进行保持。在这种情况下，内侧磁铁11和外侧磁铁12作为磁路没有短路，成为与所述第1实施方式的没有磁轭14的情况（图2D）相同的磁场强度。

这样，由于经由首先将磁体和非磁体连接而组装、并在此基础上将内侧磁铁和外侧磁铁组装起来的工序，所以，与以往的一体的在磁轭上组装磁体的工序同样地，磁铁单元的组装容易。

由以上的实施方式所说明的结构、形状、大小以及配置关系，只不过是概要性地示出能够理解实施本发明的程度的内容。因而，本发明不限于说明过的实施方式，在不超出权利要求范围所示的技术思想范围的前提下，能够变更为各种方式。

Claims (2)

1.一种磁控溅射装置，其特征在于，具备：

阴极，将靶的安装面作为表面侧；

以及磁铁单元，配置在所述阴极的背面侧，

所述磁铁单元具有：

内侧磁铁，由永磁铁构成，将一个极性的磁极面朝向所述阴极侧；

外侧磁铁，由永磁铁构成，以包围所述内侧磁铁的方式矩形状地排列，将与所述内侧磁铁相反的极性的磁极面朝向所述阴极侧；

非磁体，固定所述内侧磁铁和所述外侧磁铁；以及

板状磁轭，由强磁体材料构成，位于所述内侧磁铁以及所述外侧磁铁的与所述阴极相反的一侧，将所述内侧磁铁和所述外侧磁铁的磁极连接，

所述磁铁单元能够沿着安装所述靶的所述阴极的背面侧不改变与所述阴极之间的间隔地在相对于所述阴极平行的方向上往复移动，

所述磁轭具有板状的形状，在与矩形状地排列的所述外侧磁铁的长边方向正交的面被分割为多个、并且被分割的所述磁轭的各个能够更换为不同的厚度的磁轭。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于：

在所述磁铁单元的长边方向以前端部的所述磁轭的厚度比中央部薄的方式分别配置被分割了的所述磁轭。