CN1072734C

CN1072734C - 溅射装置

Info

Publication number: CN1072734C
Application number: CN95109206A
Authority: CN
Inventors: 山西齐; 青仓勇; 横山政秀; 滝泽贵博
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-07-20
Filing date: 1995-07-20
Publication date: 2001-10-10
Anticipated expiration: 2015-07-20
Also published as: CN1119552A; US5626727A; KR960005802A; JPH0835064A; KR100212087B1

Abstract

本发明揭示一种采用矩形靶进行溅射，在基板上形成薄膜的溅射装置，其特征在于：沿靶的两侧缘，在各侧缘配置多个磁铁，这些磁铁的极性确定为相邻的磁铁为相反关系，同时，隔靶相对的磁铁间的极性确定为相反关系；配置至少两个以上的靶使其靶面与所述基板面形成30°以上、60°以下的角度。该装置用具有多个矩形靶的溅射电极，提高形成于大型基板上的薄膜的膜厚及膜质的均匀性，进而具有高的靶利用效率。

Description

溅射装置

本发明涉及由小型溅射电极在大型基板上形成薄膜的磁控管溅射方式的溅射装置。

溅射法与真空蒸镀法相比，是高融点材料和化合物薄膜更容易形成的薄膜形成技术，在半导体和电子元件等的工业领域中，目前正得到广泛普及。尤其，把永久磁铁和电磁铁用作磁回路而在靶附近形成磁场的磁控管溅射法解决了其薄膜形成速度与真空蒸镀法相比慢10多倍的溅射法的缺点，有可能使溅射法的薄膜形成大批量生产。

下面，参照图9和图10，说明以往的磁控管溅射电极。图9(a)是以往具有矩形平板靶的磁控管溅射电极的平面图，图9(b)是图9(a)的A-A’向剖面图，图10是靶的斜视图。1是矩形平板靶，由铟等软钎剂粘结在垫板2上，并经真空密封用的O型环3设置在电极基座4上。在所述靶1的里侧配置磁控管放电用磁回路5，通过该磁回路形成闭合磁力线6。配置磁回路5使磁力线6的一部分平行于上述靶表面。由此，如图10所示，在上述靶1的表面形成螺旋管形闭合管道状的磁场7。

参照图10及图11对上述构成的磁控管溅射电极说明其动作原理。图11是设置上述溅射电极的溅射装置的略图。

图11是，溅射电极12通常经绝缘材料10设置在真空室9中。为了进行薄膜形成，利用真空泵13对真空室9的内部抽真空直至成为10^-7乇的高真空，然后，通过流量调整器15导入Ar(氩)等放电气体14，保持真空室内为10^-3～10^-2乇程度的压力。在该环境下，如果由直流或交流的溅射用电源11把负电压或高频电压施加至安装了靶1的溅射电极12，则在图10的靶1附近，电场与磁回路5的螺旋管形管道状磁场7的周围发生磁控管放电，等离子化的离子碰撞靶1，靶1被激发溅射。溅射的粒子堆积在基板架17上所放置的基板18上，形成薄膜。

但是，在以往的磁控管溅射电极中，在与靶面平行通过的磁力线最强的部分，等离子体密度高，因而在图10的区域8，溅射快速进行，而在其余区域，已溅射的粒子往往还会再附着，靶的侵蚀进行得不均匀。因此，为了确保与靶相对设置的基板上形成的薄膜的膜厚均匀性，需要充分调整靶的大小、磁回路或靶与基板的距离。一般，为了确保薄膜膜厚的均匀，靶的一边必须约为基板的2倍。

因此，为了解决这些问题，一直广泛进行使小型溅射电极对大型基板形成薄膜成为可能的努力。

作为一例，如图12所示，使多个平板磁控管溅射电极相对于基板18倾斜的方法在确保大型基板膜厚均匀方面也是有效的。

又，也设计出一种溅射电极，该电极将图13所示的平板的内周靶与具有倾斜角的外周靶相组合，能独立地控制两种靶进行溅射。在该装置内，具有内周靶19和外周靶20两种靶，由内周电磁铁线圈21和外周电磁铁线圈22在靶附近形成磁场。通过磁铁用电源23分别独立地控制流过这两个线圈的电流，由此使加至内周靶19和外周靶20的磁场最佳，再通过溅射用电源11能独立地控制输往各靶的溅射电力，因而能确保大型基板18上的膜厚均匀性。

但是，在图12和图13构成的溅射装置中，靶的侵蚀是不均匀的。图14是靶剖面所示图12构成的溅射装置的靶侵蚀状态，斜线部分是已侵蚀区域。图14(a)是侵蚀的初始阶段，图14(b)是靶即将不能再使用前的状态。如图所示，靶的侵蚀不均匀，随位置而有很大差异。由此，尽管在靶中尚未被溅射的部分不少，且多数其厚度足够，但因靶的一部分局部厚度变薄，靶变得无法使用，存在昂贵的靶的利用效率低的问题。

又，如图14所示，侵蚀形状不构成相似形，因此溅射粒子相对于基板的入射角变化大。由此，因为在初始阶段和终了阶段，靶附近的磁场及施加至电极的电力是相同的，所以存在基板上形成的薄膜的膜厚均匀程度受到很大影响的问题。

又，具有示于图13构成的装置的靶的侵蚀情况示于图15。与上述相同，斜线部分是已侵蚀的区域，图15(a)是侵蚀初始阶段，图15(b)是靶即将不能使用前的状态。

在具有示于图13的构成的装置中，靶侵蚀情况在初始阶段和终了阶段也显著不同，通过由磁铁用电源23调整流过线圈的电流能调整磁场，因而能保持膜厚的均匀性。但，存在该磁场调整要求微妙且复杂的控制的问题。

又，即使能确保相对于靶随时间变化的膜厚的均匀性，在化合物溅射和反应性溅射中，存在产生基板内和批量之间膜组成和构造等薄膜物理性质不均匀的问题。

本发明为解决上述问题，其目的在于提供一种用备有矩形平板靶的小型溅射电极，提高在大型基板上形成的薄膜的膜厚和膜质的均匀性，进而具有高的靶利用效率的溅射装置。

本发明为了达到上述目的，在采用多个矩形靶进行溅射，以在基板上形成薄膜的溅射装置中，沿各靶的两侧缘，各侧缘配置多个磁铁，这些磁铁的极性确定为相邻磁铁的极性相反，同时，隔靶相对的磁铁间的极性确定为相反关系；配置至少二个以上的靶使其靶面与所述基板面构成30°以上、60°以下的角度。

又，由配置在靶两侧缘的磁铁产生的磁通中，位于靶两侧缘部磁通的方向最好分别构成使发往靶的离子导向靶的中央部。

又，最好构成得使由配置在靶两侧缘的磁铁产生的磁通中，在相对连接靶的两侧缘的中心点的中心线为对称的位置上，磁通的方向相反。

再者，其构成最好使由配置在靶两侧缘的磁铁产生的磁通分别在平行靶侧缘的中心线上，其极性变化三次以上。

又，最好其构成是多个靶中至少一个靶配置成其靶面与基板面平行。

采用图8说明本发明的作用。

如果相对于矩形平板靶1，如图所示那样配置磁铁24，就形成图中所示的磁场25。如果离子如图所示向靶1入射，由于通过磁场25离子受到与靶面平行且平行于靶侧缘的力26，则离子描绘出27那样的轨迹撞击至靶。虽然实际上作螺旋运动，但在靶侧有负极，存在磁铁产生的磁通25，所以全局上如27那样运动。在中心线30附近，磁通密度比磁铁24附近小，这是由于磁通在靶的上方扩展的原因，离子撞击靶之前所受到的来自磁通的力26在29方向上为一定。由于等离子体离子作随机运动，离子不限于从靶1的垂直上方侵入靶，但通过磁场25受到一定的力26，所以在29方向上等离子体的分布变成均匀。然而，由于力26的方向在靶面内大致一定，在图中的28的方向上等离子体聚集，趋近28的方向侵蚀速度变大，在相反的方向，侵蚀速度变小。

根据本发明，在靶的两侧缘配置的多个磁铁配置成沿着靶的两侧缘且配置在各侧缘的磁铁的极性定为相邻的磁铁相反，同时，隔靶相对的磁铁间的极性确定为相反关系，因而图8所示的磁通25的方向在整个靶面上含有正反两个方向。从而，作用于朝向靶1的等离子体中的离子的、来自磁场的力也不再是同方向，上述离子相对于靶面大致均匀分布，带来溅射作用。由此，侵蚀速度在靶面上大致均匀，靶面的侵蚀面变为近似与溅射前的表面平行的面，从而消除了在基板上形成的膜的膜厚不均匀性的问题。

又，由于其构成通过位于靶两端缘部的磁通，把朝向靶的离子导至靶的中央部分，由此能谋求等离子体的充分有效利用，提高靶上的等离子体密度，提高靶的侵蚀速度。

又，通过构成得使由配置在靶的两侧缘部的磁铁产生的磁通相对于分别连接靶两侧缘中点的中心线为对称的位置上，磁通方向相反，因而使靶的上述中心线两侧侵蚀成相同状态。

再者，在与靶的侧缘平行的中心线上，通过构成得磁通的方向变化3次以上，能提高侵蚀的均匀性。

在靶面与基板面平行的场合，在基板上形成的膜厚在靶的中心附近变厚。当想用一块小的靶形成大基板的薄膜时，该中心附近与周边部分的膜厚之差显著地显现出来。又，如果把一块小的靶向基板面倾斜设置，则在基板面上形成的膜厚在靠近靶面处也变厚，离靶面远的地方变薄。采用多块倾斜的靶使膜厚薄的地方变厚。由此，使整个基板面，膜厚趋平。即，用倾斜配置多个小型靶，就能做到即使用小型靶也能在大型基板上以均匀膜厚形成薄膜。但，以往例子所示的靶的侵蚀状态不一致，随着时间变化，不均匀性变得显著，设置多个靶的效果变得不那么大。这里通过采用多个本发明的上述靶，即使对大型基板，也能使膜厚和膜质更为均匀，不需要复杂的磁场控制。

又，当在大型矩形基板上形成薄膜时，基板的边缘部的膜厚的不均匀性变得显著。仅配置倾斜的靶使基板边缘部的膜厚变得均匀时，基板中央部分的膜厚变薄。由此，为了形成基板中央部分的薄膜，采用与基板平行配置的靶，为了形成基板边缘部的薄膜，采用与基板成角度配置的靶，能提高膜厚的均匀性。

以下参照附图叙述本发明的实施例。

图1(a)是本发明第1实施例的溅射电极的平面图。

图1(b)是图1(a)的A-A’向剖面图

图2是设置上述实施例中溅射电极的溅射装置的略图。

图3(a)是构成上述实施例的溅射电极的一个单元的平面图。

图3(b)是图3(a)的A-A’向剖面图。

图4是图3的溅射电极单元的靶上的表面磁场分布图。

图5(a)是图3的溅射电极单元的靶的侵蚀初始阶段的剖面图。

图5(b)是图3的溅射电极单元的靶的侵蚀终止阶段的剖面图。

图6(a)是本发明第2实施例的溅射电极的平面图。

图6(b)是图6(a)的正面图。

图7是设置本发明第2实施例的溅射电极的溅射装置略图。

图8是表示离子受磁场产生的力的原理图。

图9(a)是以往磁控管溅射电极的平面图。

图9(b)是图9(a)A-A’向剖面图。

图10是以往的磁控管溅射电极的斜视图。

图11是设置以往的磁控管溅射电极的溅射装置的略图。

图12是备有相对于基板具有倾角的平板靶的磁控管溅射装置的略图。

图13是具有内周靶和外周靶的磁控管溅射装置的略图。

图14(a)是图12所述的靶的侵蚀初始阶段的剖面图。

图14(b)是图12所述的靶侵蚀终止阶段的剖面图。

图15(a)是图13的靶的侵蚀初始阶段的剖面图。

图15(b)是图13的靶的侵蚀终止阶段的剖面图。

图中，1是靶，18是基板，24是磁铁，25是磁场。

下面，参照图1、图2、图3、图4及图5说明本发明的第1实施例。

图1(a)是本实施例的溅射电极的平面图，图1(b)是其A-A’向剖面图。1是矩形平板靶，2是垫板，24是用于产生磁场的磁回路，24a是左侧磁回路，24b是右侧磁回路。

图2表示采用示于图1的电极的溅射装置。在本实施例中，如图1所示，配置四个电极单元31。它们各自相对于基板18倾斜成45°角，并经绝缘材料10设置在真空室9中，溅射用电源11连接至全部单元31。且，在图2中，与以往例子相同的部分以相同符号表示，省略其说明。

本实施例由四个溅射电极单元31构成，在以下的说明中，首先参照图3、图4及图5说明只附有一个单元的情况，即使附有其它三个单元，情况也相同。

图3(a)是构成本实施例的溅射电极的一个单元的平面图，图3(b)是其A-A’向剖面图。

磁铁24沿靶1表面的侧缘在左右2处与该靶1的长轴平行配置。左侧磁回路24a及位于相对位置的右侧磁回路24b每侧设置8个永久磁铁小片24，其构成使相邻的永久磁铁24的极性相反，其配置使磁通25在左右之间由N极通向S极。通过该磁通25，等离子体的离子受力26在该方向移动。

图3(a)的B-B’上，与靶长轴方向成直角且平行靶表面的磁力线产生的磁场强度示于图4。磁通密度的符号定义为：磁通由图3的上述左侧磁回路24a(N极)通向右侧磁回路24b(S极)时为正；相反，磁力线从右侧(N极)通向左侧(S极)时为负。又，离靶中心的距离设定为：靶中心线为零，B侧为正，B’侧为负。

本实施例的电极设置用四个上述构成的电极单元31组成的电极且如图2所示，使电极单元31与基板18成45°角。本实施例的具有溅射电极单元31的溅射装置与以往的磁控管溅射装置同样，其动作方式没有任何变化，故省略说明。

在本实施例中，在进行溅射时，如果首先着眼于1个单元，通过把图3(a)的磁铁24与靶1的长轴平行地配置在靶表面的前方侧面的左右二处，在上述靶表面整个区域通过水平的且垂直于长轴的磁通25。而且在靶表面上，调整磁铁24使由配置在靶1两侧缘的磁铁产生的磁通25，在对于线A-A’为对称位置上为相反方向，即相对于靶1的中心点为点对称，由此，等离子体相对于线A-A’为上下对称，不会偏向一方。图5是表示图3的B-B’剖面上靶的侵蚀状态，图5(a)为侵蚀初始阶段，图5(b)为侵蚀终止阶段。这样，显然即使进行侵蚀，侵蚀以与侵蚀前的靶面大致平行的平面状进行。即，上述靶产生全面的、大致均匀的侵蚀，在靶的初期和终期，侵蚀面形状没有大幅度变化，几乎不产生膜厚分布随时间变化、膜组成和构造之类的薄膜物理性质的不均匀性。

且，如图2所示，设置四个上述溅射电极单元31且使靶1表面相对基板18倾斜成45°，因此，在小型溅射装置中，能确保大型基板的膜厚均匀性。再者，通过使基板座17自转，基板面内的膜厚及膜质均匀性进一步提高。

根据上述实施例，通过设置四个具有进行均匀侵蚀的靶的溅射电极单元且相对于基板设定最佳倾斜角度，可以在小型溅射装置中自溅射初期至终止形成具有稳定膜厚及膜质的薄膜。

又，在图3中，靶6一方端缘(图3的上侧端缘)附近的磁通指向图3的右方，自纸面前方接近靶的离子受到指向图3下侧的力。又，由于靶另一方的端缘(图3的下侧端缘)附近的磁通指向图3的左侧，自纸面前方接近靶的离子受到指向图3上侧的力。因而，靶面上的等离子体闭合，可以提高等离子体的密度，侵蚀速度增加，基板的成膜速度加快。

下面，参照附图说明本发明的第二实施例。

图6(a)是本实施例的溅射电极的平面图，图6(b)是其正面图。1是矩形平板靶，2是垫板，24是用于产生磁场的磁回路。本实施例是把与示于图3的单元31同样构成的三个单元32相组合，与实施例1同样，如图7所示，把它经绝缘材料10设置在真空室9中，溅射用电源11接至所有单元32。

在本实施例中，采用三个具有大致全面均匀地进行侵蚀的靶的溅射电极单元32，其中，两侧靶1,1相对于基板18倾斜45°角，中央靶1相对于基板18平行设置。本实施例中采用的基板是大型矩形板，不必如第1实施例那样使基板旋转。但，由于仅用倾斜的靶，基板边缘部的成膜速度快，基板中央部分的成膜速度慢，所以通过设置与基板平行的电极单元，谋求成膜速度的平稳。又，各电极单元32采用图3所示的构成，自各个电极单元32溅射的粒子的动作是一定的，因而在基板上形成的薄膜的膜厚和膜质自始至终是稳定的。

又，虽然在实施例中，构成磁回路的永久磁铁的数目取为每侧8个，但只要磁力线的强度相对靶的中心左右对称且该磁力线的方向相反，永久磁铁个数几个都可以。磁铁数越多，越能谋求侵蚀面的均匀性。又，磁回路除永久磁铁外也可以用电磁铁构成。

再者，在实施例中，单纯地把1个溅射用电源连接至多个溅射电极单元，也可以每个单元独立地连接溅射用电源或用一个溅射用电源控制输往各单元的电力比例加以溅射。

上述本发明，能使靶的侵蚀相同，能提高基板的薄膜的膜质和膜厚的均匀性。且能充分耗尽昂贵的靶，提高利用率。

又，通过至少设置两个以上相对于基板倾斜30度以上、60度以下的靶，不进行复杂控制，用上述靶，也能在大型基板中形成膜质和膜厚均匀的薄膜，而且与溅射装置的小型化、溅射材料的利用效率提高相联系，能达到溅射装置的成本降低及减少设置面积。

Claims

1．一种采用多个矩形靶进行溅射、在基板上形成薄膜的溅射装置，其特征在于，沿各靶的两侧缘，在各侧缘配置多个磁铁，确定这些磁铁的极性使相邻磁铁的极性相反，同时，确定隔靶相对的磁铁间的极性使之为相反关系；配置至少两个以上的靶使其靶面与所述基板面形成30°以上、60°下的角度。

2．如权利要求1所述的溅射装置，其特征在于，由配置在靶两侧缘的磁铁产生的磁通中，位于靶两侧缘部的磁通的方向分别设定成将朝向靶的离子导向靶的中央部。

3．如权利要求1或2所述的溅射装置，其特征在于，在由配置在靶的两侧缘的磁铁产生的磁通中，在相对于连接靶两侧缘中心点的中心线为对称的位置上，磁通的方向相反。

4．如权利要求1或2或3所述的溅射装置，其特征在于，由配置在靶两侧缘的磁铁产生的磁通在与靶的侧缘平行的中心线上其极性分别变化三次以上。

5．如权利要求1或2或3或4所述的溅射装置，其特征在于，多个靶中的至少一个靶配置成其靶面与基板面平行。