CN1143690A - 溅射成膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明溅射成膜装置，包括位于具有供气、排气功能的真空容器内的平板状矩形基板和分割配置在相互电气绝缘地位于平面内的三块以上矩形电极板上的靶，以及配置使与各靶相对应，在各靶表面上产生规定磁力线的磁铁，从而提供了能以面对面静止方式向大面积矩形基板上稳定、高速、均匀成膜的溅射成膜装置。

Description

溅射成膜装置

本发明涉及溅射成膜装置，尤其涉及能高速且均匀地向大面积矩形基板上形成薄膜的溅射成膜装置。

作为广泛用于半导体装置、光盘、液晶、电子部件制造等的溅射成膜装置，能把由靶材料构成的薄膜在基板上稳定成膜。对该溅射成膜装置的基本要求是能以高速稳定和低成本地在基板整个面上均匀地成膜。

近年来，作为上述溅射成膜装置的成膜方式，除了有使基板相对靶移动进行成膜的基板移动式，又有在使基板与靶保持面对面相对静止状态进行成膜的面对面静止方式。此种面对面静止方式具有使成膜速度提高，粉尘降低以及装置成本降低等优点。

对于溅射现象，由于从靶上溅射的原子具有某种放射角度分布，在面对面静止方式场合，必须根据成为成膜对象的基板形状和尺寸，使靶形状、磁铁构造以及其大小等达到最佳化，以满足上述要求。

由于以硅片为代表的半导体装置用基板和光盘用基板使用圆形基板，在面对面静止方式的溅射成膜装置中使用圆板状靶。在此场合，为了使在基板上成膜的薄膜具有均匀的膜厚，通过在圆形靶上生成环状靶侵蚀部(以下称刻蚀)，确保在圆形基板整个面上的膜厚均匀性。

由于通过用靶面上电子的漂移运动形成等离子体局部分布而生成刻蚀，因此，通过把具有环状磁场分布的固定磁铁配置在靶下部能形成此环状刻蚀。由于此场合的电子在环内漂移的同时被俘获，从而发生高密度等离子体、溅射射出大量原子，实现高速成膜。

在以显示器为代表的矩型基板上成膜场合，通过把为使在矩形靶上发生直线状刻蚀的固定磁铁配置在靶下部能确保在矩形基板上的膜厚分布。

然而，在仅使产生上述直线状刻蚀的场合，由于用电子漂移不能将等离子体封住，因而不能实现高速成膜。因此，一般通过将磁铁构成能用半圆状刻蚀把平行的两条直线状刻蚀的两端部连接起来的构造，能和环状靶一样地俘获电子，因而能发生高密度等离子体，实现高速成膜。

此外，在此上述靶面积更大的矩形基板上进行成膜场合，也可以把大面积矩形基板安装在可相对靶移动的基板支承部上，使此基板支承部一面移动一面进行连续成膜，据此可进行所需的成膜。此外，对于使此基板移动，存在使基板支承部相对靶面平行移动的所谓托盘式和以绕垂直于靶面的轴方向的旋转半径旋转的所谓转盘式。

然而，基于这样的基板移动方式的成膜，存在由于同时也在基板支承部的局部分上成膜，从而使剥离此膜时的粉尘增加以及因在真空中的机构构件的增加而使设备成本增加等缺点。

因此，近年来，也开始和圆形基板一样，实行以使矩形基板相对于靶处于面对面静止状态的成膜方式进行向大面积基板的成膜。

以下，参照附图对传统的以面对面静止方式向大面积矩形基板上的成膜方法进行说明。

后述图7为表示传统的以面对面静止方式向大面积矩形基板的溅射成膜装置基本结构的剖切立体图。

图7中，11为靶，12为在靶11的背面上可平行于靶面移动的磁铁，13为大面积玻璃基板，14为向靶上提供电力的直流电源、虚线15表示用磁铁12在靶11上产生的磁力线，16表示从靶11上溅射出的靶材料原子。

现对由上述构成的以面对面静止方式向大面积矩形基板溅射成膜装置的动作进行说明。

所谓溅射方法就是在已将氩等惰性气体导入真空室(未图示)内的状态，通过用电源14向包含靶11的电极部(阴极)提供电力，使导入气体离子化，用气体离子把靶11上的靶材料弹压出，在基板13上形成由靶11材料组成的薄膜的方法。

在图7中，在此原理的基础上，将磁铁(永久磁铁)12配置在靶11的背面上，用在靶材料11的表面上发生如虚线15所示的磁力线，把成为产生等离子体主要原因的电子(未图示)封闭在由磁力线15包围的部分内。其结果，由于能把磁力线15的平行于靶11的成分为零的部分作为中心，局部地发生等离子体，用众多的气体离子使靶11溅射的结果，使溅射原子16的量增大，成膜速度提高。此结果，在已溅射过的靶11上产生作为局部侵蚀部的刻蚀。

把使磁铁12静止位于基板13的中心点上的靶11背面上状态、膜形成时在基板13上形成的膜厚分布的模拟结果表示在图8上。

在后述图8中，X轴、Y轴上距离表示离开基板13中心点的基板面内位置，Z轴表示该位置的相对膜厚。

如图8所示，通过使磁铁12形成的磁场分布最佳化，能使沿图8的Y轴方向的膜厚分布均匀化。但是，对于沿X轴方向的膜厚分布，随着离开磁铁12的中心部(X＝0)，膜厚显著减薄。

为了得到沿整个基板13面的均匀膜厚分布，考虑采用增大磁铁12的尺寸而使沿X轴的均匀区域扩大的方法。但是，由于在提高磁铁12的保持力上有一定限度，存在当使N极和S极的间隔扩大时，使在靶11的表面上产生的磁力线15变弱，等离子体的封入效果丧失的倾向。

因此，如图7所示，在传统例中，是使磁铁12相对基板13沿X轴方向一面滑动一面进行成膜。其结果能以使图8所示的使磁铁12静止时的膜厚分布沿X轴方向的时间积分后的膜厚分布进行成膜，能使整个基板13面上的膜厚分布均匀化。

但是，在上述传统方法中，对于沿基板13上的Y轴方向的膜厚分布而言，稳定性将由磁铁12的特性决定，然而，由于使磁铁12滑动的速度分布控制沿X轴方向依次有较大变动，故难以稳定成膜。

此外，若使磁铁12仅以一定速度滑动在基板13上进行成膜时能进行较稳定的成膜，然而，需要有能使磁铁12在基板13的两端部上移动仅相当于磁铁12的沿X轴方向的宽度部分，因而存在必然使靶11和真空室等装置尺寸变大的缺点。

此外，和使磁铁12静止时在基板13上的成膜速度相比，由于因进行滑动而产生成膜速度下降，为提高成膜速度，需要提供更多的电力，为此，需具备能产生很大功率的电源14。

此外，在靶11为金属的场合能通过使用直流电源14进行放电而产生等离子体，然而在使用氧化物等绝缘材料场合，如用直流电源14不会放电。在此场合一般使用RF等高频电源取代直流电源14，在电源14和靶11间设置为进行阻抗匹配的匹配电路使放电成为可能。但是，存在由于放电中使磁铁12滑动，以及产生靶11表面状态和刻蚀形状的变动而使匹配状态不稳定、成膜速度变动的问题。

此外，还存在为了实现具有均匀成膜速度的成膜，需要有约三倍于基板13面积的整体的靶11，从而使真空室的体积大型化，成膜材料成本提高，以及在靶11的寿命期内进行靶交换时的维护作业费用太大的问题。

因此，本发明目的正是为解决上述问题，提供具备电极和靶结构，能以面对面静止方式把包含绝缘物的多种材料薄膜在大面积矩形基板上高速、均匀、稳定且低成本进行成膜的溅射成膜装置。

为达到上述目的的本发明的以面对面静止方式向大面积矩形基板进行溅射成膜的溅射成膜装置，把靶分割配置在相互电气绝缘地位于平面内的三块以上的矩形电极板上，同时配置使与各靶相对应，在各靶表面上产生规定磁力线的磁铁。此外，通过配置在各靶背面上的磁铁，形成用直线状和圆弧状组合构成闭合环状刻蚀区域的同时，且使刻蚀区的直线状部分间的间隔和各矩形电极间的节距落在基板和靶表面间距离的90％-110％的范围内。此外，通过把直线状磁铁配置在各矩形电极和靶两侧而不是配置在各靶的背面上，能在靶面上不形成局部的电子密度分布。

在本发明溅射成膜装置中，通过由配置成相互电气绝缘的矩形分割的靶而形成的阴极构造，且配置使与各靶相对应、在各靶表面上发生规定磁力线的磁铁，能不使磁铁滑动、而在大面积基板的整个面上进行具有均匀膜厚的成膜，其结果在使X轴方向的膜厚分布稳定性提高，同时能从多个刻蚀部进行溅射，从而能很少使成膜速度下降。此外，即使在使用高频电源进行放电时，由于能使各靶分别独立且稳定形成阻抗匹配，故也能用绝缘性的靶材料进行稳定成膜。

此外，通过在各靶内面上配置磁铁，且具有用直线状和圆弧状组合构成的闭合环状刻蚀，能因各靶上电子被俘获使等离子体密度提高、而使成膜速度提高。并且通过使该刻蚀的直线状间的间隔和各矩形靶电极间的节距落在基板和靶表面间距离的90％-110％的范围内，能使相对基板面积的全部分割电极的面积达到最小，从而能使真空室体积小型化。

由于在向大面积基板上进行成膜场合，能通过使用多块分割靶进行均匀成膜，因能使进行靶交换时靶重量减轻，从而使维护性能提高，相应降低靶的制造成本。

此外，通过形成将直线状磁铁不是配置在靶背面而是配置在靶和电极两侧的电极构造，从而能在靶面上不形成局部电子密度分布的最佳磁铁结构，能使靶上刻蚀区域扩大。其结果能达到提高靶的利用率和寿命，降低成膜成本。

对附图的简单说明。

图1为截断表示本发明实施例1的溅膜成膜装置基本组成的立体图，

图2为模拟表示用图1所示装置在基板上成膜的膜厚分布结果的图，

图3为详细表示实施例1的靶上动作状态的剖面图，

图4为用模式表示在实施例1的靶表面上形成侵蚀区域的俯视图，

图5为表示在实施例1的各靶表面上形成侵蚀区域的配置图，

图6为截断表示本发明实施例2的溅射成膜装置基本组成的立体图，

图7为截断表示传统溅射成膜装置基本组成的立体图，

图8为模拟表示在传统的溅射成膜装置中，使磁铁体在基板中心位置上静止时，在基板上形成膜时的膜厚分布结果的图。

(实施例1)

以下，对本发明实施例1进行说明。

图1为截断表示本实施例以相对静止方式大面积基板进行溅射成膜装置基本组成的立体图，图2模拟表示用图1所示的成膜装置在基板上形成膜时的膜厚分布结果。

在图1中，1a、1b、1c为分割成3部分的长方形靶，2a、2b、2c为分别设置在各靶1a、1b、1c背面上的固定磁铁块，3为长方形大面积基板，4a、4b、4c为向包含各靶1a、1b、1c的电极提供电力的可变电源，虚线5表示用磁铁块2a在靶1a上发生的磁力线，此外，用磁铁块2b、2c也产生同样的磁力线。6表示从靶1a、1b、1c上溅射的靶材料原子。

以下，对上述组成的溅射成膜装置的动作进行说明。

图1中，将氩导入真空室(未图示)内。在反应性溅射成膜场合，在氩内加入反应用气体进行使用。通过控制排气能力和气体流量，在使气体压力成为一定的状态，用电源4a、4b、4c向包含靶1a、1b、1c的各电极部提供电力，使导入气体分子等离子化。

图3为图1的靶1a上的详细剖面图。这时，使发生的等离子体7因电子被磁铁2a的磁力线5俘获而局部地分布在靶1a上的、且由磁力线5包围。在靶1b和1c上也形成和图3一样的等离子的局部分布。

此时，由于靶1a-1c的表面因电源4a-4c而成为负电位，使等离体中具有正电荷的氩离子以大的能量向靶1a-1c直线撞击，将靶原子6弹出。因此，越是局部等离子密度高、有较多氩离子存在的处所，就越有较多靶材料原子6被溅射，其结果如图3所示，在靶1a-1c上产生局部材料被侵蚀的侵蚀部8。使从侵蚀部8溅射的靶材料原子6附着在被设置在相对包含靶1a-1c的平面位置上的平面基板3上，而形成薄膜。

本实施例中，由磁力线5和靶1a-1c围成的部分(以下称“磁场通道”)因磁铁2a、2b、2c具有和靶1a、1b、1c的长方形的形状相同的外形，而沿长边部的纵向(以下称X方向)发生两根直线状态磁场通道，以及沿两端部的横向(以下称Y方向)发生由圆弧和直线组成的U形磁场通道。

通过如图1所示配置磁铁2a、2b、2c的使这些磁力线分布在两端相连连续，构成环状封闭的磁场通道。被这样分布的磁力线俘获的电子由于和来源于靶1a、1b、1c的电场的相互作用而产生的劳伦兹力沿磁场通道进行漂移运动。因此该磁场通道无终端，由于形成被俘获的电子长时间的持续漂移运动，而自然发生等离子体，从而能沿磁场通道产生高密度等离子体。图4是模式表示在图1的靶1a表面上形成的侵蚀区域8的俯视图。

如图4所示，由于在各靶1a、1b、1c上发生由直线状和U字状组合成的成为磁场通道内形状的环状闭合侵蚀区8，能实现用上述高密度等离子体同时使众多靶原子6在基板3上高速成膜。

图5表示在图1的各靶1a、1b、1c表面上形成的侵蚀区的配置。

图5中，9a、9b、9c表示在各靶1a、1b、1c上发生的侵蚀区8的中心线，通过半径为r的圆弧和直线侵蚀区的组合构成。

如图1和图5所示，最好使在各靶1a、1b、1c上发生的两根直线状侵蚀间距离A(以下称节距A)和各靶1a、1b、1c间的节距B(以下称节距B)落在大面积基板3和各靶1a、1b、1c表面间距离(以下称距离TS)的90％-110％的范围内。

由于从各靶1a、1b、1c溅射的靶材料原子6相对靶1a、1b、1c表面，以自垂直方向到cosθ角度的放射分布向基板3放射，使在基板3上的膜厚分布因距离TS而发生较大变化。由于如本实施例那样，使从多条直线状侵蚀区放射的靶原子6在侵蚀的直线方向内(Y方向)，通过使磁力线5的磁场强度为一定、能以均匀量的靶原子6放射，从而能使此Y轴方向的基板上的膜厚分布的均匀性达到±10％以下的程度。但是，如图1所示，由于从多条侵蚀区放射的靶原子6重合到达基板3上，因图5的侵蚀区的节距A和节距B的配置，使X轴方向的靶原子6的放射分布在基板3上的膜厚分布产生较大变化。

在本实施例中，通过按照基板3的尺寸和必要的膜厚精度使节距A、节距B及距离TS达到最佳化，以及使X轴方向的基板尺寸为距离TS的三倍以下，能使均匀性达到±10％以下的程度。

此外，在对较大尺寸基板进行均匀成膜场合，通过使靶的分割数(以下称为n)增加，通过使X轴方向的基板尺寸达到距离TS的(2n-3)倍程度，能容易使膜厚均匀性达到±10％以下的程度。

由于当按照使节距A和节距B不到距离TS的90％配置侵蚀区进行成膜时，使基板3上的成膜均匀范围变窄，难于向大面积基板上进行均匀成膜。此外，由于在使节距A和节距B超过距离TS的110％场合，使在节距间的靶原子6的放射分布重合减少，使膜厚变薄，从而使膜厚均匀性降低。

把在图1所示基本组成中的距离TS和靶1a、1b、1c的尺寸，以及磁铁2a、2b、2c的结构达到最佳化，使图5的各侵蚀区域的节距A和节距B落在距离TS的90％-110％的范围内的场合，使在靶1b的中心点位置具有中心的基板3处于静止状态形成膜时的基板3上膜厚分布的模拟结果表示在图2上。

图2中，X轴、Y轴上距离表示从基板3的中心起的基板面内的位置，Z轴表示在该位置的相对膜厚。如图2所示，不仅是基板上的Y轴方向，即使对于X轴方向的膜厚分布，也能使整个大面积基板3的膜厚均匀性达到±5％左右。由此时的靶1a、1b、1c的尺寸和节距B组成的分割电极的全体面积达到约为基板面积的两倍以下。

使本实施例的分割靶1a、1b、1c相互间电气绝缘，能用可变电源4a、4b、4c对各靶1a、1b、1c进行独立电力控制。据此，通过控制可变电源4a、4b、4c能使在X轴方向和在与基板中心相比的基板端部产生的膜厚变薄趋势得到抑制，也能使大面积基板3的全体膜厚均匀性达到±3％左右。此时，通过使电源4b提供的电力达到100％，使电源4a、4c分别提供的电力达到110％左右，能使膜厚均匀性达到上述程度。

此外，通过不仅是铝等金属，也可利用绝缘材料作为靶1a、1b、1c的材料，以及使用RF电源(高频电源)作为电源4a、4b、4c进行成膜，能达到稳定均匀成膜。在此场合，能在具有各靶1a、1b、1c的每个电极上安装匹配器，此外，通过在电源4a、4b、4c和匹配器向设置相位移相器等控制单元，也能控制成膜速度。

(实施例2)

以下参照附图对本发明第2实施例进行说明。

图6为截断表示以面对面静止方式向大面积基板进行溅射的本实施例成膜装置基本组成的立体图。

图6中，1a、1b、1c为分割成三块的靶，2d、2e、2f、2g为分别设置在各靶1a、1b、1c两侧的直线状固定磁铁，3为大面积基板，虚线5表示用磁铁2d和2e在靶1a上发生的磁力线，在磁铁2e和2f间以及在磁铁2f和2g间也发生同样的磁力线。6表示从靶1a-1c上溅射出的各靶材料的原子。

现对本实施例动作进行说明。

在图6中，当把氩(在反应性溅射场合，则在氩中混入反应用气体)导入真空室(未图示)内，在通过对排气能力和气体流量的控制使压力为一定的状态，和图1的场合一样当通过各电源(未图示)向包含靶1a、1b、1c的各电极部上提供电力就使导入的气体分子达到等离子体化。此时，由于发生的等离子体中电子因来自靶1a、1b、1c上磁铁2d-2g的平行于各靶面的磁力线5和来自靶1a、1b、1c的电场的相互作用的劳伦兹力，沿垂直于磁力线5和电场方向进行漂移运动。

此时，由于能通过使直线状的固定磁铁2d-2g的N、S极的极性反转使漂移方向反向，因此，通过将固定磁铁2d-2g内部构成分割磁铁使具有最佳极性分布，能阻止在靶1a、1b、1c上发生局部电子密度增大。

因此，通过使靶1a、1b、1c上的电子密度分布均匀化，能实现等离子体密度分布均匀化。

此时，由于用DC电源或RF电源使各靶1a、1b、1c的表面成为负电位，从而能使等离子体中具有正电荷的氩离子以较大动能对靶1a、1b、1c直线冲击，将靶原子6弹压出。其结果，由于使存在氩离子的等离子体密度达到均匀化，使各靶1a-1c的材料不被局部侵蚀，而在广范围内产生刻蚀，能使从刻蚀部溅射的靶原子6附着在被设置在面对包含各靶1a、1b、1c的平面的位置上的平面基板3上而形成薄膜。

在本实施例中，对于因磁力线5和各靶1a-1c的电子漂移方向，由于要在各靶1a、1b、1c的纵向两端部，不使电子从各靶区域向外侧流出，按照使电子在各靶中心的一方向漂移运动来决定直线状固定磁铁2d-2g的两端部分的极性。其结果，能使等离子体密度提高，同时使大量的靶原子6从靶的整个面在基板3上成膜，实现高速成膜。

此外，对于磁铁2e和2f，通过使分别位于其两侧的各靶(1a、1b和1b、1c)上发生的磁场方向反转也能仅用具有一对NS极性的直线状固定磁铁在两侧的靶上产生磁力线5。

由于如使用根据本实施例构造的溅射电极，即使与实施例1相比，使大面积基板3和各靶1a、1b、1c表面间距离(TS距离)变小，也容易确保在基板3上的膜厚均匀，能使附着在基板3以外的溅射原子6的量减少，而能进行高速成膜。此外，也能使各靶1a、1b、1c的利用率以及寿命提高。

本发明溅膜成膜装置由于能实现向大面积矩形基板进行稳定成膜，且能达到靶和真空室小型化，故能使装置成本、成膜材料成本降低，以及因高效的维护作业而能使运转率提高。

此外，通过用分别配置在各靶背面上的磁铁、具有用直线状和圆弧状组合构成的环状闭合的刻蚀区域，形成能同时从各靶进行溅射、能用低功率电源实现高速成膜，而使生产效率提高。而且，由于除DC放电以外，也能适应稳定的RF磁控管放电，因此不仅是金属靶，也可用绝缘材料靶进行成膜。

此外，若使刻蚀区域的直线状间的间隔以及各矩型电极间的节距落在基板和靶表面间距离的90％-110％的范围内，通过用适应大面积矩形基板尺寸的最佳靶尺寸和分割数进行成膜，能实现膜厚均匀性优良的成膜，可望提高材料利用率。

此外，通过不是在各靶的背面而是在靶和电极的两侧配置直线状磁铁，使在靶面上不形成局部的电子密度分布，也能使靶的利用率、寿命提高，实现降低生产运转成本和减少维护次数。

Claims (4)

1.溅射成膜装置，包括位于具有供气和排气功能的真空容器内、且被设置在基板支承部上的平板状矩形基板，和被设置在与所述基板面对面的平面内、且与电源相连的电极上的平面状的靶，在使所述基板处于相对靶面对面静止状态进行成膜，其特征在于，将所述靶分割配置在相互电气绝缘地位于平面内的三块以上的矩形电极板上，同时配置使与各靶相对应、在各靶表面上产生规定磁力线的磁铁。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在各靶的背面分别设置为在靶面上形成由直线状和圆弧状的组合构成的闭合环状电子漂移运动的磁铁。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，对于通过靶面上电子漂移运动产生的靶上侵蚀部的形状，使靶上直线间的间隔和各矩形电极板间的节距落在基板和靶表面间距离的90％-110％的范围内。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于将直线状磁铁配置在各矩形电极和靶的两侧。

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