CN1120601A - 磁控管溅射装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种采用环状靶的磁控管溅射装置，在具有环状平板靶2的磁控管溅射装置中，在沿所述靶2的内周缘部位置的所述靶的表侧和里侧分别配置具有相同极性的磁铁33、31；在沿所述靶的外周缘部位置的所述靶的表侧和里侧分别配置具有相同极性的磁铁34、32；沿所述靶的内周配置的所述磁铁与沿所述靶外周配置的所述磁铁之间定为隔靶具有相反的极性关系；本发明具有靶利用效率高，膜厚分布随时间变化小的优点。

Description

磁控管溅射装置

本发明涉及具有环状平板靶的磁控管溅射装置。

作为使薄膜堆积于基板的技术，现采用磁控管溅射技术。磁控管溅射技术可以低温高速溅射，正成为目前采用溅射技术的成膜装置的主流。磁控管溅射技术用如下方法形成薄膜：通过放电等使靶附近产生等离子体，使该等离子体的离子撞击靶从而使粒子溅射，让溅射粒子附着在基板上。

采用图9、图10和图11说明现有技术的例子。

图9是使用以往采用的环状平板靶的磁控管溅射装置的阴极部分的剖面图。1是中心轴，阴极部分制成相对该轴为旋转对称的形状。2是环状平板靶，3是配置在靶里面的磁铁，4是由磁铁2形成的磁场。把具有上述构成的阴极部配置在真空处理室内，使基板与靶表面相对，溅射气体导入后，如果由辉光放电用的高压电流向靶2提供电力，则产生磁力线闭合的、溅射用的高密度等离子体。该等离子体中的离子如果碰撞靶表面，则靶的原子被溅射，附在基板与靶相对的表面上，形成薄膜。这时等离子体(密度)在5的区域内变高。靶2被该等离子体侵蚀，在等离子体密度高的5的区域附近，靶的侵蚀速度加速，在6的附近，靶的侵蚀速度局部加速。

图10在含有中心轴1的剖面内，示出上述构成中所采用的靶用至其利用极限时的侵蚀形状。但，省略相对于中心轴对称的部分。图10中，9是溅射前的靶的形状，10是已溅射部分，11是没有被溅射的剩余部分。如图10所见，D点附近被显著侵蚀，产生V字状的侵蚀面。该形状的侵蚀产生时，存在靶的体积利用效率(即，靶用至其利用极限时的被溅射的体积占溅射前靶的体积(也包含内周的内侧体积)的比例)为20％左右，不能充分利用昂贵的靶的问题。又，该形状的侵蚀产生时，带来成膜速度和膜厚分布随时间变化，在技术上一直是个问题。

因此，为了解决这些问题，提出了如特开平5-209266号及特开平5-179440号公报中所记载的技术。特开平5-209266号公报中所记载的磁控管溅射用阴极，与图9所示以往例子同样地，在靶的里侧配置磁铁，同时，在靶的外周与内周配置强磁性体，形成磁通越过靶表面加以延伸的结构，因而等离子体密度分布较正常，靶的侵蚀状态也较正常。图11是表示特开平5-209266号公报中所记载的磁控管溅射用阴极中所采用的靶在利用极限时侵蚀的情况的剖面图。与图10同样，9是溅射前的靶的形状，10是被溅射部分，11是没被溅射的剩余部分。图11和图10的情况进行比较，则显然图11中侵蚀进行得更为均匀。但是，E点附近局部的侵蚀速度加快。又，此时靶的包括其内周的内侧体积的体积利用效率为约40％。

以往在靶的里面配置磁铁的方法中，形成如图10那样的V字形的侵蚀。如果按该形状进行侵蚀，靶的厚度局部变薄，该处厚度达到预定值以下时，成为靶的利用极限，超出此极限，靶就不能用。但，靶中还存在大量可形成薄膜的材料，因而存在不能充分利用高价靶的问题。且，如果侵蚀局部加速进行，溅射粒子分布随时间变化，附着在基板上的比例变化，存在的问题是：即使在侵蚀的初始阶段基板上生成的膜的膜厚是均匀的，在侵蚀的终了阶段膜厚也会变得不均匀。

即使用为解决该问题的上述特开平5-209266号公报所记载的技术，如图11所示，也在E点附近发生局部的侵蚀，存在靶的利用效率下降，附着在基板上的薄膜的膜厚不均匀的问题。

图8是用累计电力表示在内径为40mm、外径为120mm的基板上所生成的膜厚分布随时间的变化。纵轴是把基板的内周缘的膜厚设定为1时的相对的膜厚。横轴表示自中心点起的距离。由该图可见，在以往的例子中，存在膜厚的分布随时间大幅度变化的问题。

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种不产生局部侵蚀的磁控管溅射装置。

本发明为了达到上述目的，在具有环状平板靶的磁控管溅射装置中，其特征在于，在沿所述靶的内周缘部位置的所述靶的表侧和里侧上分别配置具有相同极性的磁铁；在沿所述靶的外周缘部位置的所述靶的表侧和里侧上分别配置具有相同极性的磁铁，沿所述靶内周配置的所述磁铁与沿所述靶的外周配置的所述磁铁之间定为隔靶具有极性相反的关系。

又，最好调整各磁铁的强度使其构成为：在靶的表面，磁场方向平行于靶面的点，在靶的半径方向存在2个以上。

在溅射装置中，粒子溅射方向依存于靶面方向。因而，如果由于侵蚀使靶面和基板面形成的角度随时间变化，则基板面上形成的薄膜的膜厚也随时间变化。在侵蚀的初始阶段，靶是平面、相对于基板面平行配置，因而在基板面上形成的薄膜的膜厚大致是均匀的。但是，如果进行侵蚀，靶面成为曲面，在基板面上形成的薄膜的膜厚成为不均匀。因而，为了保持基板上形成的薄膜的膜厚均匀，即使进行靶的侵蚀，也必须保持侵蚀面接近于与侵蚀前的靶面相平行的平面。若进行这种方式的侵蚀，则靶溅射的情况初期与使用至利用极限时几乎不变，因而，即使进行侵蚀，膜厚分布随时间变化也不大。

又，如果存在局部侵蚀加速的部位，靶在该侵蚀加速部分的膜厚为预定值以下时，不能再用。因而，为了提高靶的利用率，有必要尽可能进行均匀的侵蚀。

磁控管溅射技术具有如下特征：通过由离子速度矢量和磁场矢量的矢量积而产生的电磁力，粒子作旋转运动，粒子碰撞靶的机会增大。离子碰撞靶的机会取决于离子的旋转周期，旋转周期越短，也即磁场强，离子运动速度越快，撞击靶的机会就越多。因而，最好让磁场与使离子运动的电场垂直，以便上述矢量积使侵蚀变成最大。通常，电场的形成垂直于靶面，因而希望磁场的形成平行于靶面。又，靶的侵蚀速度取决于等离子体密度，因而，为了尽可能使等离子体均匀分布，希望以均匀强度，且在靶的整个面上形成平行于靶面的磁场。

本发明的发明者，为了形成这种磁场，通过计算机模拟确认，在靶的表面和里面沿靶内周和外周配置磁铁，且使隔靶相对的磁铁极性相反，能形成相对靶面平行的、具有近似均匀强度的磁场。图2中示出了由计算机模拟的靶剖面附近的磁力线分布。如图所示，在靶表面上，形成近似平行于靶面的磁场，磁场强度(即磁力线的间隔)也没有大的偏差。因而，在该磁场中，等离子体均匀分布，且由于离子旋转周期均匀，靶的侵蚀均匀进行。

再者，如果调整磁铁强度使在半径方向具有两个以上磁场平行于靶面的点，则磁场方向相对于靶面更为平行，能提高本发明的效果。

下面，结合附图叙述本发明的实施例。

图1表示本发明的实施例。

图2表示图1实施例的磁场分布。

图3表示上述实施例的靶利用极限的侵蚀面。

图4是表示上述实施例的靶的侵蚀面随时间的变化的图。

图5是表示上述实施例的靶的侵蚀深度随时间变化的图。

图6是表示上述实施例的基板的成膜速度随时间变化的图。

图7是表示上述实施例的基板膜厚分布随时间变化的图。

图8是表示以往例子的基板膜厚分布随时间变化的图。

图9表示现有技术例子的构成。

图10表示现有技术例子的靶的利用极限的侵蚀面。

图11是表示现有技术例子的靶的利用极限的侵蚀面的图。

图中，1是中心轴，2是靶，31是配置在内周里侧的磁铁，32是配置在外周里侧的磁铁，33是配置在内周表侧的磁铁，34是配置在外周表侧的磁铁。

本发明实施例以采用内径为32mm、外径为152mm、厚度为6mm的环状靶的磁控管溅射装置为例，参照图1至图7说明如下。

首先，说明图1中本发明实施例的构成。

这里采用的阴极部件的构造相对于中心轴1为旋转对称，环状靶2被外周接地屏蔽罩12所包围，而环状靶包围环绕内周的内周接地屏蔽罩11。35是支持阴极部件的轭铁，它以强磁性体的SS41合金为材料，具有内径为180mm、厚为9mm、高度为90mm的侧板及厚为15mm的底板；还具有直径为10mm、自底板起的高度为87.5mm的圆柱状突起。

衬板21连接至靶2的背面，水在间隙22中流动，以此冷却靶2。图示省略水的导入排出装置。

靶2及衬板21通过绝缘物41、42与接地屏蔽罩11、12绝缘。施加负电位于靶上的施加手段在图中省略。

在内周接地屏蔽罩11的内部配置由剩磁通密度为12.1K高斯，剩磁为1.16K奥斯特的材料构成的、内径为10mm，厚为5mm，高为10mm的一对环状永久磁铁31、33。一个永久磁铁33位于靶2的表侧，另一永久磁铁31位于靶2的里侧，两者环状外周均为N极。在外周接地屏蔽罩12的外部配置由与内周侧的磁铁31，33相同的材料构成的、内径为162mm，厚为9mm，高为5mm的一对环状永久磁铁32、34，其中一个永久磁铁34位于靶2的表侧，另一永久磁铁32位于靶的里侧，两者环状的内周均为S极。

通过如上所述选定永久磁铁31、32、33、34的磁性强度、磁环形状、磁铁间的距离和轭铁的形状，能够构成得使在靶表面上沿半径方向存在2个磁力线方向平行于靶面的点。

图2是在通过中心轴1的平面上描画的图1实施例磁铁配置的磁力线。但，由于磁力线相对于中心轴对称形成，省略另一侧的图示。若配置靶使靶表面到图中A-A＇附近，则在B点和C点附近存在磁力线平行于靶表面的点。

上述构成的阴极部件在磁控管溅射装置内动作如下。

具有上述构成的阴极部件与以往例子同样地设置在真空处理室内，与内径40mm、外径120mm的基板中心轴一致，并以35mm的距离使靶表面和基板相对。溅射气体导入后，一旦由用于辉光放电的高压电源向靶2提供电力，就产生磁力线闭合的、溅射用的高密度等离子体。如果该等离子体中的离子撞击靶表面，则靶的原子被溅射，附着在基板的相对的表面上，形成薄膜。

图3用含中心轴1的剖面画出靶使用至其利用极限时的侵蚀形状。但，省略图示相对于中心轴为对称的部分。51是溅射前的靶的形状，52是已溅射部分，53是没被溅射的剩余部分。这时，包含靶内周侧体积的体积利用效率为57％，与以往的体积利用率40％相比，有大幅度的改善。

图4表示使用靶至其利用极限时的侵蚀形状随累计电力(即随时间)的变化。横轴是自中心轴的距离，纵轴是侵蚀深度，各曲线表示消耗各自的累计电力时的侵蚀面的情况。由图可见，自成膜初期至靶的利用极限止，靶被全面侵蚀，侵蚀形状几乎不变。由此显然，通过本实施例，可以稳定地成膜。又，由图可见，根据本实施例，由于不存在局部侵蚀加速进行的点，靶的利用效率得以提高。

图5表示侵蚀深度的最大值与累计电力的关系，即，侵蚀深度的最大值随时间变化的情况。由图可见，侵蚀的速度大体恒定，单位时间内由靶溅射的粒子个数几乎不随时间变化。

图6表示使用图1的靶至其利用极限时的成膜速度与累计电力的关系，即，成膜速度随时间变化的曲线。在该图中，评价基板中心点的成膜速度。由该图可知，成膜速度变化率为10％，与以往例子的变化率大致为20％相比，得到大幅度的改善。

图7以累计电力表示使用图1的靶至其利用极限时的膜厚分布随时间变化的情况。纵轴是设基板的内周缘的膜厚为1时的相对膜厚分布。由图可见，成膜情况在整个基板几乎不随时间变化。再者，自靶启用至用完，膜厚分布均匀，其波动在5％以内。又，与表示以往例子膜厚分布的图8相比，伴随靶侵蚀引起的膜厚分布不均匀问题得到大幅度改善，能稳定成膜。

根据上述发明，即使将靶用至其利用极限，也能在基板上生成稳定均匀的薄膜。又，能提高昂贵的靶的利用效率，减少浪费。

Claims (2)

1.一种磁控管溅射装置，其特征在于，在具有环形平板状靶的磁控管溅射装置中，在沿所述靶内周缘部位置的所述靶的表侧和里侧上分别配置具有相同极性的磁铁；在沿所述靶的外周缘部位置的所述靶的表侧和里侧上分别配置具有相同极性的磁铁；沿所述靶的内周配置的所述磁铁与沿所述靶外周配置的所述磁铁之间定为隔靶具有相反的极性关系。

2.如权利要求1所述的磁控管溅射装置，其特征在于，调整各磁铁的强度使在靶表面上，磁场方向平行于靶面的点，在靶的半径方向存在2个以上。

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