CN1100151A - 溅射电极 - Google Patents

Abstract

一种具有矩形平板靶(1)并配置磁铁(18)使磁力 线(16)相对靶(1)表面平行通过的溅射电极，通过配 置能使磁力线(16)方向作180度变更的构件(17)， 在溅射中重复翻转磁路(15)的极性，使磁场与电场产 生的电子螺旋运动(19)不只限于一个方向，从而能抵 消等离子的不均匀性，提高所形成薄膜在衬底面内、 分批操作间的膜厚及膜质的均匀性，提高靶的利用 率，并能进行快速且有效的强磁体靶的溅射。

Description

本发明涉及旨在提高溅射法所形成的薄膜的衬底内面膜厚与膜质的均匀性以及提高溅射靶的利用率，并具有矩形平板靶的溅射电极。

溅射法比真空蒸镀法，易形成高融点材料、化合物的薄膜，然而存在薄膜形成速度慢的问题。磁控管溅射法就是解决该缺点，使溅射法的薄膜形成实现批量生产的方法，现已广泛普及至半导体、电子元件等领域。

具有矩形平板靶的磁控管溅射电极是如今广泛使用的溅射装置所装溅射电极中的一种，这些溅射装置有一边使装有多块衬底的圆筒形衬底支架旋转，一边进行薄膜形成的转盘式溅射装置，还有使装有多块衬底、大面积衬底的平板支架相对靶平行移动，进行薄膜形成的大型移动式溅射装置等。

以下参见图5-图7说明以往的具有矩形平板靶的磁控管溅射电极。图5是以往的具有矩形平板靶的磁控管溅射电极的俯视图，图6是图5A-A′向剖面图，图7是图5例的斜视图。1为矩形平板靶，用铟等软纤剂焊接在封装板2上，再通过真空密封用O环3设置在电极本体4上。在靶1的背面，磁控管放电用磁路5形成闭合磁力线6，并至少使部分磁力线6在靶1表面上平行。结果如图7所示，在靶1表面上形成环型闭合隧道状磁场7。

现参见图7和图9，对上述结构的具有矩形平板靶1的磁控管溅射电极说明其工作原理。图9是设有上述溅射电极的溅射装置的概要图。

溅射电极24通常通过绝缘材料22置于真空箱21内，并连接直流或交流电源23。为进行薄膜形成，首先要用真空泵25将真空箱21抽气至高真空（约10^-7托）。

接着通过流量调节器27引入氩等放电气体26，靠电导阀28的调整使箱内压力保持在10^-3-10^-2托。这时，若在装有矩形平板靶1的溅射电极24。5的环型隧道状磁场7的周围引起磁控管放电，靶1被溅射，溅射粒子堆积在设在衬底支架29上的衬底30上，形成薄膜。

但是，上述具有矩形平板靶的磁控管溅射电极，由于与靶1成平行通过的磁力线最强部分上等离子密度增高，会在靶1上出现被溅射区域（图7中的8，以下称侵蚀区域）和溅射粒子再次附上区域，靶1的侵蚀就会进展不均匀。因此，要确保与靶1对置的衬底上形成的薄膜的膜厚均匀性，必须仔细调整靶1的尺寸，磁路以及靶1与衬底之间的距离。一般，为确保薄膜膜厚均匀性，需让靶的一边尺寸约为衬底的2倍。

还有，一旦进行溅射，靶1的侵蚀区域8的范围和形状就会变化，因此膜厚分布如图8所示，也发生（a）至（c）的变化，出现随侵蚀发展而衬底边缘膜厚变薄的倾向。

再有，靶1上的部分侵蚀区域8，在合金的溅射、反应性溅射中也会使衬底面内、分批操作之间的膜组成、结构等产生薄膜物性的不均匀性。

此外，靶1的利用率较差，一般为20-30%，又因靶1为铁、钴等强磁性材料情况下，不能充分获得至靶1表面的泄漏磁通，有时溅射变得困难。

因此，现今人们正广泛致力于靶侵蚀区域8的全面均匀化。

作为其中一例，是将磁路置于靶1表面的前面，设有使靶1整个面上获得相对靶1平行的磁力线的矩形平板溅射电极。图10是该矩形平板溅射电极的俯视图，图11是图10中A-A′向剖面图。另外，与上述以往例磁控管溅射电极为同一构件处加注相同标号，省去其说明。

通过在靶1的表面前方的一侧配置N极磁铁351，另一侧配置S极磁铁352，构成在靶1表面的整个区域上平行磁力线36大致均匀通过的磁路，能在靶1整个面上进行侵蚀。图12示出了图10B-B′方向上，相对靶1长轴方向成垂直且与靶1表面平行的磁力线的磁场强度一例。对磁通密度的符号，定义磁力线在图10中由左侧磁路351（N极）通往右侧磁路352（S极）时为正，反之由右侧（N极）通往左侧（S极）时为负。另外，离开靶1中心的距离，以靶1中心线为零，相对图纸的上方为正，而下方为负。

然而，上述结构，磁力线36的方向在上述靶1的整个面上为同一方向，磁场和电场产生的电子螺旋运动仅限于一个方向39，愈朝该方向（相对图纸下方）运动，上述电子与原子、分子的冲撞愈多，等离子密度愈高。结果如图13所示，存在膜厚分布斜率很陡的缺点。

本发明的目的是要解决这样的课题，提供一种提高具有矩形平板靶的溅射电极上形成的薄膜衬底面内、分批操作间的膜厚及膜质均匀性，提高靶利用率，同时能快速有效进行强磁体靶的溅射的溅射电极。

为实现上述目的，本发明的溅射电极在具有矩形平板靶、并配置磁铁使磁力线相对上述靶的表面平行通过的溅射电极上，装备用于翻转上述磁铁极性的构件，使水平通过上述靶表面的磁力线方向能变更180度。

上述结构具有用于翻转上述磁铁极性的构件，使平行通过矩形平板靶表面的磁力线方向能变更180度，因此，磁场与电场产生的电子螺旋运动不限于一个方向，能抵销等离子的不均匀性。其结构是能提高所形成薄膜的衬底面内、分批操作间的膜厚及膜质的均匀性。而且还能提高靶的利用率。还能高速有效地进行强磁体靶的溅射。

图1是本发明一实施例中具有矩形平板靶的溅射电极的俯视图;

图2是图1中A-A′向剖面图;

图3是图1例溅射电极的靶上的表面磁场分布图;

图4是图1例电极的膜厚分布图;

图5是以往的具有矩形平板靶的磁控管溅射电极的俯视图;

图6是图5中A-A′向剖面图;

图7是以往的具有矩形平板靶的磁控管溅射电极的斜视图;

图8是以往的磁控管溅射电极随靶侵蚀发展的膜厚分布图;

图9是设有溅射电极的溅射装置的概要图;

图10是以往的具有矩形平板靶的溅射电极（靶表面上磁场均匀）的俯视图;

图11是图10中A-A′向剖面图;

图12是以往的具有矩形平板靶的溅射电极（靶表面上磁场均匀）的靶上表面磁场分布图;

图13是以往的具有矩形平板靶的溅射电极（靶表面上磁场均匀）的膜厚分布图。

图中标号含义为以下所述。1：靶，5、15、35：磁路，6、16、36：磁力线方向，7：环型隧道状磁场，8：侵蚀区域，17：磁路转轴，18：永久磁铁，19、39：电子螺旋运动的方向，151、351：左侧磁路，152、352：右侧磁路。

以下参见附图说明本发明一实施例的溅射电极。

图1是本发明一实施例中的溅射电极的俯视图，图2是其A-A′向剖面图。以下说明中，与以往例相同构件处加注相同标号，省去其说明。

用来产生磁场的磁路15，相对靶1长轴平行配置在靶1表面的前方左右两侧（左侧磁路151、右侧磁路152）。左侧磁路151及与其对置的右侧磁路152用永久磁铁18构成，安排成磁力线16在左右之间从N极通往S极。而且左侧磁路151及与其对置的右侧磁路152上分别沿长轴方向装有磁路转轴17，能通过气缸等驱动方法（未图示）如箭号14所示作180度的往返运动。

上述结构的本实施例，其具有平板靶的溅射电极，与以往的磁控管溅射电极一样设置在溅射装置内。

本实施例溅射装置中进行溅射时，首先在初始状态下配置成左侧磁路151及与其对置的右侧磁路152产生的磁力线16，相对图纸由左通往右。此状态下，在图1的B-B′方向上，与靶长轴方向成垂直且与靶表面平行的磁力线的磁场强度为图3（a）所示。

当与以往例一样进行溅射时，磁场与电场产生的电子螺旋运动限于图纸下方，因此，愈向该下方运动，电子与原子、分子的冲撞愈多，等离子密度愈高。接着，经一定时间后，在保持溅射状态下，用气缸等，使磁路转轴17瞬时旋转180度，同时也使左右磁路同步旋转。于是，磁力线16相对图纸自右通往左，磁场和电场产生的电子螺旋运动变为相对图纸向上的方向，且等离子密度也在上方变高。此状态下的磁场强度如图3（b）所示，与（a）强度相同，符号相反。经过一定时间后，又翻转磁力线方向，以下重复上述工作，直至溅射结束。于是磁场与电场产生的电子螺旋运动不只限于一个方向，能抵销等离子的不均匀性，膜厚分布如图4所示能大幅度改善。

另外，本实施例中设磁力线强度为恒定，但也可以分割构成左右磁路的磁铁，使靶表面上的磁力线强度部分变化。

如上所述，本发明溅射电极在具有矩形平板靶、并配置磁铁使磁力线相对该靶的表面平行通过的溅射电极上，配置翻转上述磁铁极性的构件，以使平行通过靶表面的磁力线方向能变更180度，因此能提高所形成薄膜在衬底面内、分批操作间的膜厚及膜质的均匀性和提高靶的利用率，并能实现快速且有效的强磁体靶的溅射。

Claims (1)

1、一种溅射电极，具有矩形平板靶，并配置磁铁，使磁力线平行通过上述矩形平板靶表面，其特征是具有使上述磁铁极性翻转的构件，用来使平行通过上述矩形平板靶表面的磁力线的方向变更180度。

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