CN107250427A - 磁控管溅射装置用旋转式阴极单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在靶(Tg)的母线方向全长上均匀侵蚀靶的磁控管溅射装置用旋转式阴极单元(RC)。设置在圆筒状的靶内，产生从靶表面泄漏的磁场且通过磁场的垂直分量为零的位置的线沿靶的母线延伸并封闭成跑道形的磁铁单元(Mu)分为：在靶的母线方向两端分别形成跑道的拐角部的第一部分(5a)、从第一部分在靶的母线方向内向与第一部分分别相邻配置的第二部分(5b)、以及位于第二部分彼此之间的第三部分(5c)。使第一部分～第三部分独立并可相对于靶表面接近远离地进退的移动装置(6)收纳在靶的内部空间中。

Description

磁控管溅射装置用旋转式阴极单元

技术领域

本发明涉及一种使用磁控管溅射装置的旋转式阴极单元。

背景技术

这种旋转式阴极单元例如由专利文献1已知。该以往例的装置具有在真空室内与基板相对配置的圆筒状的靶、配置在靶的内部空间的磁铁单元、使冷媒在靶的内部空间循环的冷媒循环装置，以及旋转驱动靶的驱动装置。作为磁铁单元，使用的是设置有沿靶的母线延长配置在磁性材料制成的与靶的母线长度具有相同长度的轭的一面上的中央磁铁、沿该中央磁铁延长配置在中央磁铁两侧的周边磁铁，以及分别包住在中央磁铁两端并架设在周边磁铁彼此之间的拐角磁铁的磁铁单元。并且，改变中央磁铁和周边磁铁及拐角磁铁的基板侧的极性，在靶和基板之间产生从靶表面泄漏的磁场，且通过磁场的垂直分量为零的位置的线沿靶的母线延伸并封闭成跑道形。再有，在靶的内部空间中，设置可使磁铁单元相对于靶整体接近远离的移动装置。

此处，如果在使用上述旋转式阴极单元旋转靶的同时溅射该靶的话，则沿跑道形的线产生等离子体，沿此等离子中的电子根据中央磁铁和周边磁铁及拐角磁铁的基板侧的极性作顺时针旋转或逆时针旋转运动。此时，在跑道的拐角部电子密度容易局部升高。这种情况下，查看沿靶的母线进行溅射后的靶的侵蚀，发现存在与拐角部分别相对的靶两端部处的侵蚀量比其中央部多，靶的使用效率显著恶化的问题。

作为解决这样问题的方法，可想到改变靶和磁铁单元之间的间隔并改变从靶表面泄漏的磁场的强度，但如上述以往例那样，只是使磁铁单元相对于靶整体接近远离的话，无法抑制在靶两端部处的局部侵蚀。另一方面，可想到在发生靶局部侵蚀的磁铁单元的拐角部，例如改变磁铁种类或磁铁配置使从靶表面泄漏的磁场的强度局部减弱。但是，已知一旦像这样使强度局部减弱，虽然可抑制靶端部的局部侵蚀，但在位于由该端部向母线方向内向的靶的部分上侵蚀量发生变化。

现有技术文献

专利文献

【专利文献1】专利公开2012－132039号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

鉴于上述内容，本发明的课题是提供一种在靶的母线方向全长上均匀侵蚀靶的使用效率良好的磁控管溅射装置用旋转式阴极单元。

解决技术问题的手段

为解决上述课题，本发明的磁控管溅射装置用旋转式阴极单元，其具有圆筒状的靶、配置在该靶的内部空间并产生从靶表面泄漏的磁场且通过磁场的垂直分量为零的位置的线沿靶的母线延伸并封闭成跑道形的磁铁单元、使冷媒在靶的内部空间循环的冷媒循环装置、以及旋转驱动靶的驱动装置，所述磁控管溅射装置用旋转式阴极单元，其特征在于：磁铁单元分为在靶的母线方向两端分别形成跑道形的拐角部的第一部分、从第一部分在靶的母线方向内向分别与第一部分相邻配置的第二部分、以及位于第二部分彼此之间的第三部分，使第一部分及第二部分独立并可相对于靶表面接近远离地移动的移动装置收纳在靶的内部空间。

根据本发明，在跑道形上产生的等离子体中的电子密度在其拐角部局部升高，靶的两端部侵蚀量增加时，通过收纳在靶的内部空间的移动装置使两第一部分相对于靶向远离方向移动，由此可减弱从靶表面泄漏的磁场的强度，抑制在靶的两端部的局部侵蚀。并且，一旦由于减弱拐角部的磁场强度，导致在从靶的两端部分别位于母线方向内侧的靶的部分的侵蚀量改变，则通过移动装置使两第二部分相对于靶向接近方向或远离方向移动，以此使该部分的磁场强度改变，可调整靶的侵蚀量。结果是可沿靶的母线方向全长均匀地侵蚀靶，靶的使用效率良好。

在本发明中，优选还具有使所述磁铁单元的第三部分独立并可相对于靶表面接近远离地进退的移动装置。由此，可根据靶的种类或厚度使从靶表面泄漏的磁场的强度随之改变，再有，进行靶的侵蚀后，也可使从靶表面泄漏的磁场的强度变为固定，其结果是如果在磁控管溅射装置中使用本发明的旋转式阴极单元的话，就能可重复性良好地在基板表面形成规定的薄膜。

附图说明

图1是说明本发明实施方式的旋转式阴极单元结构的局部剖面主视图。

图2是说明驱动块构成的剖面图。

图3是说明磁铁单元的立体图。

图4是沿图1的IV－IV线的剖面图，(a)显示的是使磁铁单元接近靶的状态，(b)显示的是使磁铁单元离开靶的状态。

图5是说明移动磁铁单元的移动装置的放大剖面图。

具体实施方式

下面参照附图，说明本发明的磁控管溅射装置用旋转式阴极单元的实施方式。在下述内容中，以图1所示的旋转式阴极单元的姿态为基准，使用表示“上”、“下”、“左”、“右”方向的用语。

参照图1及图2，RC是本实施方式的旋转式阴极单元。旋转式阴极单元RC间隔绝缘材料设置在图外的真空室内与作为成膜对象的基板W在上下方向相对，具有圆筒状的靶Tg、经夹具Cp连接在靶Tg右端的驱动块1、以及经夹具Cp连接在靶Tg左端的支撑块2。在支撑块2上，设置有由省略图示的轴承支撑的从动轴21，支撑靶Tg的一端自由转动。

如图2所示，驱动块1具有壳体11，壳体11的右内壁上竖直设立有沿左右方向延伸的截面圆形的内筒体12。在固定在壳体11上的内筒体12周围，与该内筒体12同心配置有截面圆形的外筒体13。在外筒体13的内周面上设置有朝径向凹陷的环形的凹部13a，设置有通过该凹部13a导通内筒体12和外筒体13的电刷14。外筒体13通过多个轴承15a由插设在壳体11内的支撑部件16旋转自由地支撑。此外，图2中15b是油封。

外筒体13的外周面上在与电机3a的驱动轴上设置皮带轮3b之间卷绕有带3c。再有，在外筒体13左端上液密安装有法兰17，间隔该法兰17通过夹具Cp与靶Tg的衬底管41连接。由此，一旦驱动电机3a旋转驱动外筒体13，靶Tg就与该外筒体13一体地被以规定的转数旋转驱动。此时，电机3a、带3c及外筒体13构成本实施方式的驱动装置。再有，内筒体12经电刷14与外筒体13导通，该外筒体13经法兰17与衬底管41进而与靶材42导通(即内筒体12和靶材42是相同电位)。

在壳体11上设置有导电性的管道18，其内部分别设置有去路18a和回路18b，该管道18一端贯通壳体11延伸到内筒体12且去路18a与内筒体12的内部空间12a连通，回路18b与内筒体12和外筒体13之间的空间13b连通。管道18的另一端与具有公知结构的作为冷媒循环装置的制冷单元Ch相连。再有，管道18上连接有来自图外的溅射电源的输出电缆19。由此，在通过电机3a旋转驱动外筒体13旋转驱动靶Tg的同时，经来自溅射电源的输出电缆19可向靶Tg施加带有例如负电位的规定功率。

靶Tg具有圆筒状的衬底管41以及经铟或锡等粘接材料(未图示)与衬底管41接合的圆筒状的靶材42。作为靶材42，使用根据要在基板W上形成的膜的组成从金属或金属化合物中适当选择。衬底管41内插设有沿靶材42的母线方向大致全长延伸的薄壁的磁盒43。并且，如图3所示，在磁盒43内组装有产生从靶Tg表面泄漏的磁场且通过靶Tg和基板W之间磁场的垂直分量为零的位置的线Ml沿靶的母线延伸并封闭成跑道形的磁铁单元Mu。

此处，如果旋转靶Tg的同时溅射靶材42的话，则沿跑道形的线Ml产生等离子体，沿其等离子体中的电子做顺时针旋转或逆时针旋转运动，但在其拐角部Mc电子密度容易局部升高。因此，需要形成磁铁单元Mu使与拐角部Mc相对的靶材42的两端不被局部侵蚀且使靶Tg在靶Tg的母线方向全长上被均匀侵蚀。

在本实施方式中，磁铁单元Mu分为在靶Tg的母线方向两端分别形成拐角部Mc的第一部分5a、从第一部分5a在靶Tg的母线方向内向分别与第一部分5a相邻配置的规定长度的第二部分5b、以及位于第二部分5b彼此之间的第三部分5c，使第一部分5a、第二部分5b及第三部分5c独立并可相对于靶Tg表面接近远离地移动的移动装置6收纳在作为靶Tg的内部空间的磁盒43内。以下参照图4、图5对磁盒43的内部结构进行具体的说明。

如图4所示，磁盒43中插嵌有在上下方向通过O形环S1接合的上框体44和下框体45。上框体44和下框体45被隔板46隔开，在位于隔板46的上方的上框体44的内部空间44a内，设置有磁铁单元Mu。再有，在位于隔板46的下方的下框体45的内部空间45a内，配置有使第一部分5a、第二部分5b及第三部分5c独立并可相对于靶Tg表面接近远离地移动的五个移动装置6。在下框体45的外周侧，开设有冷媒在其与磁盒43之间循环时的去路47，沿靶Tg的母线方向延伸，该去路47的右端与内筒体的内部空间12a连通。

另一方面，磁盒43形成为具有长度在上下方向的长圆形截面，在将磁盒43插设在衬底管41内时，在磁盒43和衬底管41的内周面之间，形成有位于去路47的径向外向的回路48，该回路48与内筒体12和外筒体13之间的空间13b相连通。由此，形成从制冷单元Ch经管道18的去路18a再经内筒体12的内部空间12a到达磁盒43的去路47，在支撑块2侧的端部返回磁盒43的回路48从该回路48到达空间13b，从管道18的回路18b返回制冷单元Ch的冷媒循环通路，在溅射过程中，可通过与冷媒的热交换使靶材42冷却。

各移动装置6具有相同结构，如图5所示，具有电机61与电机61的驱动轴62连接的曲柄机构63。曲柄机构63的曲柄销63a上外插有贯通形成在隔板46的规定位置的省略图示的透孔向上方延伸的曲柄臂63b，曲柄臂63b的上端与以下所述的轭51a、51b、51c的下面相连接。由此，一旦旋转驱动电机61，则在磁铁单元Mu与靶Tg侧接近的接近位置和磁铁单元Mu从靶Tg远离的远离位置(参照图4(b))之间进退自由地移动。再有，在曲柄臂63b附近，隔板46上设置有向上突出的导引销64，其尖端插入到设置在以下所述的轭51a、51b、51c的规定位置的导引孔中。

磁铁单元Mu的第一部分5a、第二部分5b及第三部分5c沿靶Tg的母线无间隙地并列设置在上框体44内。第一部分5a、第二部分5b及第三部分5c具有长度不同截面形状相同的轭51a、51b、51c，在沿靶Tg的母线无间隙地并列设置各轭51a、51b、51c时，具有与靶Tg的母线长度相同长度(参照图3)。各轭51a、51b、51c具有形成了与基板W平行的顶面510和从顶面510分别向下方倾斜的倾斜面511的磁性材料制成的板状部件。在第一部分5a的轭51a的顶面510上配置有从母线方向内端延伸的中央磁铁52a，同时，在两倾斜面511上分别配置有与中央磁铁52a大致等长的周边磁铁53a。并且，在轭51a的顶面510母线方向外端配置有包住中央磁铁52a的端部架设在周边磁铁53a彼此之间的拐角磁铁54。

再有，在第二部分5b、第三部分5c的各轭51b、51c的顶面510上，在其全长上配置有中央磁铁52b、52c，并且，在两倾斜面511上，在其全长上配置有分别配置有周边磁铁53b、53c。此时，作为中央磁铁52a、52b、52c、周边磁铁53a、53b、53c及拐角磁铁54使用磁化强度相同的铷磁铁，例如可使用一体成型的截面呈大致四方形的棒状的铷磁铁，但也可并列设置长方体的磁片。再有，由于磁盒43内可呈大气状态，所以使用公知的粘合剂粘贴在各轭51a、51b、51c上。再有，也可使第一部分5a上的磁铁种类与其他部分不同，使靶Tg的表面泄漏的磁场的强度改变。

第一部分5a的母线方向的长度D1是对应作为跑道形的线Ml的拐角部Mc的起点的位置(即跑道形的线上从直线变曲线的位置)设定的，第二部分5b的长度D2是根据以规定条件溅射了靶Tg时的基板面内的薄膜厚度分布而适当设置的。并且，第三部分5c的长度D3是考虑靶Tg的母线长度而适当设置的。此外，在对应靶Tg的母线长度改变磁铁单元Mu的长度时，第一部分5a、第二部分5b的长度D1、D2保持不变，改变调整第三部分5c的长度D3。

以上，当等离子体中的电子密度在跑道Ml的拐角部Mc上局部升高，在靶Tg的两端部侵蚀量增加时，通过移动装置6使两第一部分5a相对于靶Tg向远离方向移动，以此可减弱从靶Tg表面泄漏的磁场的强度，抑制在靶Tg的两端部的局部侵蚀。并且，通过减弱拐角部Mc处的磁场强度，一旦在从靶Tg的两端部分别位于母线方向内侧的靶Tg的部分侵蚀量变化，则通过移动装置6使两第二部分5b相对于靶Tg向接近方向或远离方向移动，以此改变该部分的磁场强度，可调整靶Tg的侵蚀量。其结果是可在靶Tg的母线方向全长上均匀地侵蚀靶Tg，靶Tg的使用效率良好，也可使溅射本实施方式的靶Tg在基板上形成薄膜时的基板面内的薄膜厚度分布均匀，并且，通过移动装置6第三部分5c也可相对于靶Tg表面接近远离地进退，因此可根据靶的种类和厚度使从靶Tg表面泄漏的磁场的强度随之改变。再有，根据靶Tg的侵蚀进度，可将从靶Tg表面泄漏的磁场的强度变为固定，其结果是能可重复性良好地在基板W表面形成规定的薄膜。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不仅限于此，上述实施方式中以第三部分5c相对于靶Tg进退自如的实施方式为例进行了说明，但其也可省略，再有，作为移动装置6以使用具有电机和曲柄机构的实施方式为例进行了说明，但也可使用直线电机等其他的致动器。此时，为了简化装置结构，优选开环且磁铁单元Mu的各部分5a、5b、5c可定位的产品。

附图标记说明

RC…磁控管溅射装置用旋转式阴极单元、Tg…圆筒状的靶、Mu…磁铁单元、41…衬底管、42…靶材、43…磁盒、Ml…通过磁场的垂直分量为零的位置的线、Mc…跑道的拐角部、5a…磁铁单元的第一部分、5b…磁铁单元的第二部分、5c…磁铁单元的第三部分、6…移动装置、Ch…制冷单元(冷媒循环装置)、47…冷媒循环通路的去路(冷媒循环装置)、48…冷媒循环通路的回路(冷媒循环装置)。

Claims (2)

1.一种磁控管溅射装置用旋转式阴极单元，其具有圆筒状的靶、配置在该靶的内部空间并产生从靶表面泄漏的磁场且通过磁场的垂直分量为零的位置的线沿靶的母线延伸并封闭成跑道形的磁铁单元、使冷媒在靶的内部空间循环的冷媒循环装置、以及旋转驱动靶的驱动装置，所述磁控管溅射装置用旋转式阴极单元，其特征在于：

磁铁单元分为在靶的母线方向两端分别形成跑道的拐角部的第一部分、从第一部分在靶的母线方向内向分别与第一部分相邻配置的第二部分、以及位于第二部分彼此之间的第三部分，使第一部分及第二部分独立并可相对于靶表面接近远离地进退的移动装置收纳在靶的内部空间中。

2.根据权利要求1所述的磁控管溅射装置用旋转式阴极单元，其特征在于：还具有使所述磁铁单元的第三部分独立并可相对于靶表面接近远离地进退的移动装置。