CN112739848A - 磁控管溅射装置用磁铁单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在基板上形成规定的薄膜时，可在其整个面上得到更为均匀的薄膜厚度分布的磁控管溅射装置用磁铁单元。以靶(3)受溅射的溅射面侧为下，配置在靶上方的磁控管溅射装置用磁铁单元(4)具有：磁轭(41)，其与靶相对配置，由磁性材料制成；以及多个磁铁(42)，其设置在磁轭的下表面上；在位于靶中心和其周边缘部之间的靶的下方空间中局部作用漏磁场，所述漏磁场中通过磁场的垂直分量为零的位置的线两端相连状闭合，所述磁铁单元绕靶中心被旋转驱动，在磁轭的规定位置上形成有凹槽(41a)，其在以靶中心为中心的虚拟圆周上沿周向延伸，且从磁轭的上表面向下方凹陷或贯通，设置可相对于该凹槽自由嵌合脱离的辅助磁轭(44)。

Description

磁控管溅射装置用磁铁单元

技术领域

本发明涉及一种磁控管溅射装置用磁铁单元。

背景技术

例如，在半导体器件的制造工序中，为了在半导体晶片等待处理基板的表面上批量生产性良好地形成规定的薄膜，有时会使用磁控管溅射装置。在磁控管溅射装置中，以靶受溅射的面作为溅射面，以靶的溅射面侧为下，磁铁单元配置在靶的上方。作为磁铁单元，为了大致均匀地侵蚀靶实现高使用寿命化等，通常已知的装置例如会具有：磁轭，其与靶相对配置，由磁性材料制成；以及多个磁铁，其设置在该磁轭的下表面上；所述装置在位于靶中心和其周缘部之间的靶的下方空间中局部作用漏磁场，所述漏磁场中通过磁场的垂直分量为零的位置的线两端相连状闭合，所述装置绕靶中心被旋转驱动。

而且，当靶的材料、真空室内的压力等溅射条件不同时，溅射粒子的飞散分布会改变，这导致例如有时基板外周部的周方向的薄膜厚度分布会改变。像这样在周方向的薄膜厚度分布改变了时对其进行调整的方法例如在专利文献1中已知。在该方法中，将相对于靶使磁场局部作用的区域从起点开始在同一轨道上移动到返回该起点为止设置为一个周期，将一个周期中磁铁单元的轨道划分为多个区，将这些多个区中的至少一个区作为以规定的基准速度移动的基准区，对基准区以外的每个区，基于薄膜厚度分布而决定旋转速度(在基准速度上的增速量或减速量)。

然而，在上述以往例子中，例如在调整基板外周部的周方向的薄膜厚度分布时，存在比其更靠内侧的基板内周部上(特别是靠近基板中央的区域)其周方向的薄膜厚度分布局部恶化、基板面内的薄膜厚度分布反而会恶化的情况。

现有技术文献

专利文献

【专利文献1】日本专利公开2016-011445号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

鉴于以上内容，本发明的技术问题是提供一种在基板上形成规定的薄膜时，可在其整个面上得到更为均匀的薄膜厚度分布的磁控管溅射装置用磁铁单元。

为解决上述技术问题，本发明的磁控管溅射装置用磁铁单元，以靶受溅射的面作为溅射面，以靶的溅射面侧为下，所述磁铁单元配置在靶的上方；所述磁铁单元的特征在于，具有：磁轭，其与靶相对配置，由磁性材料制成；以及多个磁铁，其设置在该磁轭的下表面上；在位于靶中心和其周缘部之间的靶的下方空间中局部作用漏磁场，所述漏磁场中通过磁场的垂直分量为零的位置的线两端相连状闭合，所述磁铁单元绕靶中心被旋转驱动，在磁轭的规定位置上形成有凹槽，其在虚拟圆周上沿周方向延伸，且从磁轭的上表面向下方凹陷或贯通，设置可相对于该凹槽自由嵌合脱离的辅助磁轭。

采用本发明，当将辅助磁轭嵌合到磁轭上形成的凹槽中，或者使辅助磁轭从该凹槽脱离时，在形成了凹槽的区域上磁场强度局部增加或减少。因此，如上述以往例子所述，在由于调整基板外周部的周方向的薄膜厚度分布，比其更靠内侧的基板内周部的薄膜厚度局部变薄了这样的情况下，如果将辅助磁轭嵌合到基板内周部上形成的凹槽中的话，则磁场强度增加从而可增加该区域内的溅射率。从而，可再度调整薄膜厚度改变了的地方上的薄膜厚度，在其整个面上得到更为均匀的薄膜厚度分布。此外，考虑溅射条件、漏磁场的强度和其分布而适当设置凹槽的形成位置。

在本发明中，优选设置所述辅助磁轭比所述凹槽的周长短，具有使该辅助磁轭沿所述虚拟圆周移动的第一驱动装置。由此，可使辅助磁轭移动并嵌合到凹槽的规定部分中。再有，在本发明中，优选具有第二驱动装置，其使所述辅助磁轭相对于所述凹槽在接近远离方向上移动。

附图说明

图1是说明使用了本发明的实施方式涉及的磁控管溅射装置用磁铁单元的溅射装置的结构的示意图。

图2是沿图1的II-II线的剖视图。

图3是说明使用了本发明的变形例涉及的磁控管溅射装置用磁铁单元的溅射装置的结构的示意图。

图4是沿图3的IV-IV线的剖视图。

图5是示出本发明的变形例涉及的磁铁单元的关键部位的剖视图。

图6是示出本发明的变形例涉及的磁铁单元的关键部位的剖视图。

具体实施方式

以下参照附图，说明适用本发明的实施方式涉及的磁控管溅射装置用磁铁单元的溅射装置的结构。以下表示“上”“下”等方向的用语以图1为基准。

参照图1，SM是溅射装置，溅射装置SM具有真空室1，其可通过旋转泵和涡轮分子泵等真空排气装置P抽真空到规定的压力。在真空室1的侧壁上连接有插设了质量流量控制器10的气管11，可从未图示的气源以规定的流量向真空室1内导入溅射气体。溅射气体中不但包括氩气等稀有气体，在进行反应性溅射时还包括含氧气体等反应性气体。

在真空室1的底部，间隔绝缘体I₁配置有台架2。台架2具有省略图示的公知的静电卡盘，通过从卡盘电源向静电卡盘的电极上施加卡盘电压，可将基板W以其成膜面在上地吸附保持在台架2上。

在真空室1的上壁上开设的开口处配置有阴极单元C。阴极单元C具有：靶3，其配置为面向真空室1内，外形比基板W的外形大一圈；以及本实施方式涉及的磁铁单元4，其配置在该靶3的上方。靶3以靶中心位于通过基板W的中心在上下方向上延伸的中心线上的方式，与台架2进而与基板W相对配置。

作为靶3，根据要在基板W表面上形成的薄膜的组成适当选择，可由Cu、Ti、Co、Ni、Al、W或Ta的单体金属、或者从它们中选出的两种以上的合金、或者氧化铝、氧化镁等绝缘物材质的制品构成。并且，靶3在经铟和锡等粘接材料接合到在成膜时对靶3进行冷却的铜材质的背板31上的状态下，经绝缘板I₂安装到真空室1的上壁上。靶3上连接来自作为溅射电源E的具有公知结构的直流电源或交流电源的输出，溅射时施加带有负电位的直流电力或交流电力(例如高频电力)。

也参照图2，作为磁铁单元4，其具有：磁轭41，其与靶3相对配置，由磁性材料制成；以及多个磁铁42，其设置在该磁轭41的下表面上；且在位于靶中心3c和其周缘部3e之间的靶3的下方空间中局部作用漏磁场，其中通过磁场的垂直分量为零的位置的线L0以两端相连状闭合。在磁轭41的上表面上连接旋转轴43，通过用电机5使该旋转轴43旋转，可绕靶中心旋转驱动磁轭41和磁铁42。

并且，有时基板外周部的周方向的薄膜厚度分布会改变，这种情况下，如果像上述以往例子那样对磁铁单元进行加减速从而调整基板外周部的周方向的薄膜厚度分布的话，则有时在基板内周部上其周方向的薄膜厚度分布会局部恶化，基板面内的薄膜厚度分布反而会恶化。

因此，在本实施方式中，在磁轭41的规定位置上形成有凹槽41a，其在以靶中心3c为中心的虚拟圆周LC上沿周方向延伸，并从磁轭41的上表面向下方凹陷。考虑溅射条件、漏磁场的强度和其分布而适当设置凹槽41a的形成位置。并且，设置了辅助磁轭44，其相对于这样形成的凹槽41a可自由嵌合脱离。辅助磁轭44设置得比凹槽41a的周长短。辅助磁轭44的上表面上连接棒状部件45的下端，齿轮46与设置在该棒状部件45的上端的凸缘部45a相咬合设置，用作为第一驱动装置的电机6旋转齿轮46，从而可使辅助磁轭44沿虚拟圆周LC移动，再有，在成膜过程中，可使辅助磁轭44与磁轭41同步围绕靶中心旋转。再有，凸缘部45a上连接作为第二驱动装置的气缸7的活塞杆，可使辅助磁轭44相对于凹槽41a在接近远离方向(上下方向)上移动。采用这样的结构，例如使辅助磁轭44从凹槽41a脱离，在使脱离的辅助磁轭44旋转后，通过将辅助磁轭44嵌合到凹槽41a中，可使辅助磁轭44配置到凹槽41a的所需的位置。

再有，在旋转轴43和棒状部件45上分别外插旋转板47a、47b，在这些旋转板47a、47b上分别安装朝径向外侧突出的突片48a、48b。并且，与突片48a、48b对应地分别设置光学式传感器49a、49b，在光学式传感器49a、49b检测到突片48a、48b时，可判断为磁铁单元4位于起点位置。这种情况下，使起点位置和基板W的缺口(ノッチ)的位置相关联取得之后提到的薄膜厚度分布的相关信息。

上述溅射装置SM具有控制装置8，其包括公知的微型计算机、定序器等，统一控制溅射电源E的运转、质量流量控制器10的运转、电机5、6的运转、气缸7的运转、真空排气装置P的运转等。

控制装置8包括信息取得部81和速度决定部82。信息取得部81例如构成为可与薄膜厚度计通信，所述薄膜厚度计设置在图外的用于对溅射装置SM装载/卸载基板W的EFEM(设备前端模块(Equipment Front End Module))上，可取得以该薄膜厚度计测量到的基板面内的薄膜厚度分布的相关信息。速度决定部82基于取得信息决定在磁铁单元4的基准速度上的增速量和减速量，驱动电机5、6以所决定的速度使磁铁单元4的磁轭41和辅助磁轭44同步旋转。

此外，作为薄膜厚度计，可使用具有公知结构的装置，例如在采用较厚的薄膜厚度形成电阻值低的金属膜时，可使用涡电流式的薄膜厚度计，再有，在采用较薄的薄膜厚度形成绝缘膜时，可使用光谱椭偏仪。作为其它的薄膜厚度计，可使用激光位移计。下面使用上述溅射装置SM，以在基板W表面上形成铝膜的情况为例，说明本发明的成膜方法的实施方式。

首先，用真空排气装置P将真空室1内抽真空到规定的压力(例如1×10^-5Pa)，用图外的运输机器人将基板W运输到真空室1内，将基板W传递到台架2上，给台架2的卡板的电极施加电压，吸附保持基板W。接着，用质量流量控制器10以规定流量(例如12sccm)导入作为溅射气体的氩气(此时的压力是0.1Pa)，从溅射电源E向铝材质的靶3例如施加30kW的直流电力，以此在真空室1内形成等离子体气氛。此时，预先使辅助磁轭44从凹槽41a脱离。并且，从光学式传感器49a检测出突片48a的起点位置开始，使磁铁单元4以规定的基准速度(例如40rpm)绕靶中心至少旋转一个周期(转一圈)。由此，靶3受到溅射，从靶3飞散出的溅射粒子附着、堆积在基板W表面上形成铝膜。将已成膜的基板W运出真空室1，通过用图外的薄膜厚度计测量基板W面内多个地方的铝膜的薄膜厚度，得到基板面内的薄膜厚度分布的相关信息。将得到的信息发送给控制装置8的信息取得部81，信息取得部81取得该信息(信息取得工序)。

接着，基于通过信息取得工序取得的薄膜厚度分布的相关信息，决定磁铁单元4的速度(速度决定工序)。在该速度决定工序中，对一个周期中磁铁单元4的轨道(圆周)在周方向上均等地进行划分(例如将360°的旋转运动划分成24个每个15°)，以划分出的各块作为区，并以上述起点位置作为基准区。并且，以该基准区内的速度作为基准速度，对基准区以外的各区，基于上述取得信息决定在基准速度上的增速量或减速量。此处，通过在薄膜厚度比基准区薄的区内，在基准速度上减速规定值，增加靶3受溅射的量(溅射率)，另一方面，在薄膜厚度比基准区厚的区内，在基准速度上增速规定值减少溅射率，来对基板外周部的周方向的薄膜厚度分布进行调整(薄膜厚度分布调整工序)。

接着，基于上述取得信息，在形成有凹槽41a的基板内周部上，使辅助磁轭44嵌合到薄膜厚度局部薄的部分，以此该部分的磁场强度增加使溅射率增加，从而可再度调整基板内周部上薄膜厚度变化了的地方上的薄膜厚度。

在上述再调整工序中再度调整了薄膜厚度后，将基板W运输到真空室1内吸附保持在台架2上，以决定的速度旋转驱动磁铁单元4的同时，以与上述相同的条件在基板W表面上形成铝膜(成膜工序)。此时，辅助磁轭44与磁轭41同步旋转。

根据上述内容，在通过信息取得工序取得的信息的基础上，在磁轭41上形成的凹槽41a中嵌合辅助磁轭44，或者使辅助磁轭44从该凹槽41a脱离时，在形成有凹槽41a的区域上磁场强度局部增加或减少。因此，在通过如上所述地调整基板外周部的周方向的薄膜厚度分布，使比其更靠内侧的基板内周部的薄膜厚度局部变薄这样的情况下，如果使辅助磁轭44嵌合在基板内周部上形成的凹槽41a中的话，则磁场强度可增加使该区域内的溅射率增加。从而可再度调整薄膜厚度变化了的地方上的薄膜厚度，在其整个面上得到更为均匀的薄膜厚度分布。

接着，使用上述溅射装置SM进行实验以确认本发明的效果。以Φ300mm的硅晶片作为基板W，以12sccm向真空室1内导入氩气(此时的压力是0.1Pa)，对铝材质的靶3施加30kW的直流电力形成等离子体气氛，使磁铁单元4以40rpm的等速旋转的同时对靶3进行溅射从而在基板W表面上形成了铝膜。此时，预先使辅助磁轭44从凹槽41a脱离。通过用薄膜厚度计测量基板W面内的多个地方的铝膜的薄膜厚度，得到了基板面内的薄膜厚度分布的相关信息。根据它，基板外周部(半径147mm的虚拟圆)的周方向的薄膜厚度的最大值是40.79nm，最小值是38.90nm，最大值和最小值的差(下称“区间”)是1.89nm，另一方面，基板内周部(半径98mm的虚拟圆)的周方向的薄膜厚度的最大值是40.65nm，最小值是39.10nm，区间是1.55nm。在基于基板外周部的薄膜厚度分布对24个区的每一个决定磁铁单元4的速度并调整了基板外周部的周方向的薄膜厚度分布时，虽然基板外周部的周方向的薄膜厚度的最大值是40.96nm，最小值是39.73nm，区间减小为1.23nm，但是基板内周部的周方向的薄膜厚度的最大值是42.56nm，最小值是39.73nm，区间恶化为2.83nm。因此，在基板内周部的薄膜厚度是最小值的部分的凹槽41a中嵌合辅助磁轭44，当再度调整了基板内周部的薄膜厚度分布时，最大值是40.02nm，最小值是39.66nm，区间缩小为0.36nm。如此，确认了即使在通过调整基板外周部的周方向的薄膜厚度分布，使基板内周部的薄膜厚度局部变薄了的情况下，如果使辅助磁轭44嵌合在基板内周部上形成的凹槽41a中的话，则磁场强度就增加而可使该区域内的溅射率增加，可再度调整薄膜厚度改变了的地方上的薄膜厚度。

以上说明了本发明的实施方式，但本发明并不限于此。在上述实施方式中，以使辅助磁轭44自动嵌合在凹槽41a中为例进行了说明，但也可手动嵌合。即便在这种情况下也可使辅助磁轭44与磁轭41同步旋转。

在上述实施方式中，虽然以从磁轭41的上表面向下方凹陷地形成了凹槽41a为例进行了说明，但如图3和图4所示，也可贯通磁轭41地形成凹槽41b。

虽然在上述实施方式中，以基于薄膜厚度决定磁铁单元4的速度的情况为例进行了说明，但也可基于与薄膜厚度相关的某个信息决定磁铁单元4的速度。例如，也可在向靶3施加固定的施加电力时，对每个区测量靶3上施加的靶电压，基于测量到的靶电压决定磁铁单元4的速度。此时，也可构成为取得与每个区对应的靶电压，求出包括基准区在内的全部区的靶电压的平均值(平均电压)，求出与各个区对应的靶电压相对于平均电压的比率。只要决定在基准速度上的增速量或减速量，使得在比率高的区中，磁铁单元4的速度变慢，并且，在求出的比率低的区中，磁铁单元4的速度变快即可。

再有，虽然在上述实施方式中，对靶3的平面视图为圆形，使磁铁单元4旋转移动的情况进行了说明，但在靶的平面视图为矩形，以沿靶的溅射面的方向作为X方向和Y方向，使磁铁单元在X方向和Y方向中的至少一个上平行移动的情况也可适用本发明。进而，如图5所示，也可在径向上设置多个(图5所示的例子中是两个)凹槽41a。由此可对每个设置了凹槽41a的地方再度调整薄膜厚度，因此可得到更为良好的薄膜厚度分布。

再有，虽然在上述实施方式中，以设置一个辅助磁轭44的情况为例进行了说明，但如图6所示，也可将辅助磁轭44分割成多个来设置，构造为多个辅助磁轭44可独立动作。由此，可使多个辅助磁轭44独立动作以适当调整磁场耦合，从而可得到更良好的薄膜厚度分布。

附图说明

3.靶，4.磁铁单元，41.磁轭，41a、41b.凹槽，42.磁铁，44.辅助磁轭。

Claims (3)

1.一种磁控管溅射装置用磁铁单元，以靶受溅射的面作为溅射面，以靶的溅射面侧为下，所述磁铁单元配置在靶上方；所述磁铁单元的特征在于：

具有：磁轭，其与靶相对配置，由磁性材料制成；以及多个磁铁，其设置在该磁轭的下表面上；在位于靶中心和其周缘部之间的靶的下方空间中局部作用漏磁场，所述漏磁场中通过磁场的垂直分量为零的位置的线两端相连状闭合，所述磁铁单元绕靶中心被旋转驱动；

在磁轭的规定位置上形成有凹槽，其在虚拟圆周上沿周向延伸，且从磁轭的上表面向下方凹陷或贯通，设置可相对于该凹槽自由嵌合脱离的辅助磁轭。

2.根据权利要求1所述的磁控管溅射装置用磁铁单元，其特征在于：

设置所述辅助磁轭比所述凹槽的周长短，具有使该辅助磁轭沿所述虚拟圆周移动的第一驱动装置。

3.根据权利要求1或2所述的磁控管溅射装置用磁铁单元，其特征在于：

具有第二驱动装置，其使所述辅助磁轭相对于所述凹槽在接近远离方向上移动。

Images