CN1181218C - 磁性管溅射装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种磁控管溅射装置，它在同一中心轴(1)的周围配设多块直径不同的环状平板靶(2、3)；在各靶(2、3)中，沿其内周缘部位置的表侧和里侧分别配设具有相同极性的磁铁(21、22、23、24)，沿其外周缘部位置的表侧和里侧分别配置具有相同极性的磁铁(23、24、25、26)，并配设成使内周侧与外周侧极性相反。具有不产生靶局部侵蚀的效果。

Description

磁控管溅射装置

本发明涉及在同一中心轴周围设置直径不同的多个环形平板靶的磁控管溅射装置。

作为使薄膜堆积于基片上的技术，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：通过放电等在靶附近产生等离子体，并由该等离子体的离子撞击靶，使粒子溅射，而且让溅射粒子附着在基片上。

参照图8至图10说明现有技术的磁控管溅射装置的一个例子。图8中示出了使用以往采用的环状平板靶的磁控管溅射装置的阴极部。41是中心轴，阴极部分相对于该中心轴制成旋转对称的形状。42是环状平板靶，43是配置在靶里面的磁铁，44是由磁铁43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，使基片与靶表面相对，并导入溅射气体后，如果由辉光放电用的高压电源向靶42提供电力，则产生磁力线闭合的溅射用高密度等离子体。如果该等离子体中的离子碰撞靶42的表面，则靶42的原子被溅射，附在基片的与靶相对的表面上，形成薄膜。这时等离子体密度在区域45中变高。靶42被该等离子体侵蚀，在等离子体密度高的区域45附近，靶42的侵蚀速度加快，尤其在区域45的磁力线方向的端部46附近，靶42的侵蚀局部加速。

图9在含有中心轴41的剖面内，示出靶42在使用至其利用极限时的侵蚀形状。但，省略相对于中心轴41对称的部分。图9中，47是溅射前靶42的形状，48是已溅射部分，49是没有被溅射的剩余部分。如图9所见，F点附近被显著侵蚀，产生V字状的侵蚀面。产生该形状的侵蚀时，靶42的体积利用效率(即，靶用至其利用极限时的被溅射体积占溅射前靶的体积的比例)为约20％，而且20％中只有10％左右附在基片上，因而存在昂贵的靶42不能充分利用的问题。又，侵蚀生成该形状时，产生成膜速度和膜厚均匀性随时间变化这一技术上的问题。

因此，为解决这些问题，提供了如特开平5-209266号公报及特开平5-179440号公报中所记载的技术方案。特开平5-209266号公报中所记载的磁控管溅射用阴极，与示于图8的以往例子同样，在靶的里侧配置磁铁，同时，在靶的外周及内周配置强磁性体，形成磁通越过靶表面加以延伸的结构，因而等离子体密度较正常，靶的侵蚀也较正常。图10中示出这种构成的靶在利用极限时的侵蚀情况。与图9同样，47是溅射前的靶的形状，48是已溅射部分，49是未被溅射的剩余部分。根据图10，显然比图9的情况下侵蚀进行得较均匀。但是，在G点附近，侵蚀速度加快。又，此时靶的体积利用效率为约40％，其中仅约10％附在基片上。

在靶42的背面配置磁铁43的以往的方法中，形成如图9所示V字状的侵蚀面，因而靶42的厚度局部变薄，该厚度达到预定值以下时，成为靶42的利用极限，超出此极限，靶42就不能利用。但是，在靶42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42的问题。又，如果侵蚀在局部加速进行，溅射粒子的分布随时间变化，存在的问题是：即使在侵蚀的初始阶段，基片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。且，为了得到膜厚的均匀性，必须使基片与靶的距离在70mm以上，由此存在由靶飞散出去的粒子仅10％左右附在基片上这一问题。

又，即使在上述特开平5-209266号公报中记载的技术中，也如图10所示那样，在G点附近产生局部的侵蚀，存在靶的利用效率低、粒子附在基片上的概率低、产生膜厚均匀性和成膜速度等随时间变化等问题。

对于上述现有技术例子中的膜厚随时间变化，参照图11加以说明。图11是用累计电功率表示在内径为40mm、外径为120mm的基片上形成的膜厚分布随时间的变化。纵轴是设基片的内周缘膜厚为1时的相对膜厚，横轴表示自中心点起的距离。由图可见，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。

本发明有鉴于以往的问题，其目的在于提供一种不发生局部侵蚀的磁控管溅射装置。

根据本发明的一个方面，本发明的磁控管溅射装置，在同一中心轴周围配设多个直径不同的环状平板靶；在各靶中，在沿其内周缘部位置的表侧和里侧分别配设具有相同极性的磁铁，在沿外周缘部位置的表侧和里侧分别配设具有相同极性的磁铁，并配设成使内周侧和外周侧磁铁极性相反。

根据本发明的另一方面，在同一中心轴周围配设多个直径不同的环状平板靶的磁控管溅射装置中，在沿第1平板靶的内周缘位置的表侧和里侧分别配设具有相同极性的磁铁，同时，在沿该第1平板靶的外周缘位置的表侧和里侧分别配设具有相同极性的磁铁，而且使沿第1平板靶的内周配设的磁铁与沿外周配设的磁铁的极性隔该第1靶为相反关系；在第2平板靶中同样，沿其内周缘位置的表侧和里侧分别配设具有相同极性的磁铁，同时，沿该第2平板靶的外周缘位置的表侧和里侧分别配设具有相同极性的磁铁，而且使沿第2平板靶的内周配设的磁铁与沿外周配设的磁铁的极性隔第2靶为相反关系；第3靶及其它靶也同样构成。

最好，用公共磁铁构成沿内侧平板靶的外周缘配设的磁铁和沿外侧平板靶的内周缘配设的磁铁，而且调整各磁铁的强度使在靶的表面上，磁场方向与靶面平行的点在靶的半径方向存在2个以上。

根据本发明，在同一中心轴周围配设直径不同的多个环状平板靶，在各靶中，沿其内周缘部位置的表侧和里侧分别配设具有相同极性的磁铁、沿外周缘部位置的表侧和里侧分别配设具有相同极性的磁铁，而且内周侧和外周侧磁铁配设成极性相反。由此，在径向并列的多个环状靶面上，能分别形成具有近似于平行且几乎均匀强度的磁场。图2中示出了用计算机摸拟确认的靶剖面附近的磁力线分布。如图2所示，在各靶面上，形成近似平行于各靶面的磁场，磁场强度(即磁力线的间隔)也没有大的偏差。

这样，通过在靶的整个面上形成平行于靶面的磁场，各靶的侵蚀均匀地进行。即，靶的侵蚀速度取决于等离子体的密度，但形成的磁场平行于靶面，因而等离子体密度均匀分布，侵蚀均匀地进行。又，磁控管溅射具有如下特征：通过离子的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，粒子磁撞靶的机会增大。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，碰撞靶的机会就越多。通常电场垂直于靶面形成，通过平行于靶面形成磁场，则磁场与使离子运动的电场垂直，离子速度矢量与磁场矢量的矢量积为最大且均匀，离子的旋转周期变短且均匀，靶的侵蚀有效地而且均匀地进行。

这样，通过靶的侵蚀均匀地进行，能使基片上形成的薄膜的膜厚均匀，同时其随时间变化也小。即，粒子溅射方向取决于靶表面的方向，如果由于侵蚀，靶面与基片面形成的角度随时间变化，则在基片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，与基片面平行地配置，因而在基片面上形成的薄膜的膜厚大体是一定的，随着侵蚀进行，靶表面成为曲面，在基片面上形成的薄膜的膜厚变得不均匀。因而，如上述那样，即使靶的侵蚀加重，也具有与侵蚀前靶面的平行面近似的侵蚀面，所以在基片上形成的薄膜的膜厚保持均匀。

又，如果存在局部侵蚀加速的地方，靶在该侵蚀加速部分的膜厚为预定值以下时，靶不能再利用，但通过靶均匀侵蚀，能提高靶的利用效率，降低运行成本。

又，由于在同一中心轴周围配设多个直径不同的环状平板靶，通过投入各不相同的电功率，即使缩小靶与基片间的距离，也能使膜厚均匀性良好，让自靶飞散的粒子有效地附在基片上，同时能确保膜厚的均匀性。

又，如果用公共的磁铁构成沿内侧平板靶的外周缘配设的磁铁和沿外侧平板靶的内周缘配设的磁铁，能减少磁铁，同时使用于配置磁铁的无感应区变小。

再者，若调整磁场强度，使磁场平行于靶面的点在半径方向有二个以上，则磁场的方向相对于靶面更为平行，能进一步提高效果。

下面，参照附图叙述本发明的实施例。

图1是本发明一个实施例的磁控管溅射装置的阴极部的剖面图。

图2是表示同一实施例的磁场分布的图。

图3是表示同一实施例的靶的利用极限的侵蚀面的剖面图。

图4是表示同一实施例的靶的侵蚀面随时间变化的图。

图5是表示同一实施例的靶的侵蚀深度随时间变化的图。

图6是表示同一实施例的基片成膜速度随时间变化的图。

图7是表示同一实施例的基片膜厚分布随时间变化的图。

图8是以往的磁控管溅射装置的阴极部的剖面图。

图9是表示以往一例靶利用极限侵蚀面的剖面图。

图10是表示以往其它例靶利用极限侵蚀面的剖面图。

图11是表示以往一例基片膜厚分布随时间变化的图。

图中，1是中心轴，2、3是靶，21是配置在内周里面的磁铁，22是配置在内周表面的磁铁，23是配置在中间周里面的磁铁，24是配置在中间周表面的磁铁，25是配置在外周里面的磁铁，26是配置在外周表面的磁铁。

下面，参照图1至图7，说明本发明一个实施例的磁控管溅射装置。

本实施例表示采用内径为36mm、外径为64mm、厚度为6mm及内径为110mm、外径为142mm、厚度为6mm的两个环状平板靶的磁控管溅射装置的例子。图1中示出本实施例的磁控管溅射装置的阴极部的剖面图。该阴极部相对于中心轴1为旋转对称形状，直径小的靶2设置在内周电极4和中间周电极5之间，直径大的靶3配设在中间周电极5和外周电极6之间。7是支持阴极部的轭铁，以强磁性体的SS41合金为材料，内径为198mm、厚为9mm、高为84mm的侧板一体地设置在厚度为15mm的底板的外周上，同时，在轴芯部设置直径为10mm、高为87.5mm的圆柱状的突起，在径向中间位置设置外径为104mm、内径为84mm、高为62mm的圆筒状突起。

在靶2、3的里面分别与里面构件8、10相接，通过在该构件与靶2、3的里面的间隙9、11中流过冷却水来冷却靶2、3。再者，冷却水的导入排出装置省略图示。

靶2及里面构件8通过绝缘物12、13与内周电极4和中间周电极5相绝缘，靶3及里面构件10，通过绝缘物14、15与中间周电极5和外周电极6相绝缘。进而，外周电极6由绝缘物16与真空室腔体20相绝缘。施加负电位至靶2、3的装置省略图示。

在内周电极4的内部，配置由剩磁通密度为12.1K高斯，矫顽力为11.6K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21、22，一块永久磁铁21位于靶2的里侧，另一块永久磁铁22位于靶2的表侧，它们的外周侧均为N极。

在中间周电极5的内部，配置由与内周电极4的磁铁21、22相同的材料构成的外径为104mm、内径为84mm、厚为5mm的一对环状永久磁铁23、24，一块永久磁铁23位于靶2、3的里侧，另一块永久磁铁24位于靶2、3的表侧，这些磁铁23、24经非磁性体17，其S极相对。

在外周电极6的内部，配置由与内周电极4的磁铁21、22相同的材料构成的、内径为176mm、厚为9mm、高为5mm的一对环状永久磁铁25、26，一块永久磁铁25位于靶3的里侧，另一块永久磁铁26位于靶3的表侧，其内周均为N极。

如上述那样，通过选定永久磁铁21至26的磁场强度、磁铁的环形、磁铁间的距离及轭铁的形状，可以构成成使在靶2、3的表面上，磁力线的方向与靶表面平行的点，在半径方向有两点。

图2在通过中心轴1的平面上画出图1实施例的磁铁配置的磁力线。但，磁力线相对于中心轴对称地形成，因而另一侧省略图示。在该图中，如果配置靶2、3使靶表面位于A-A′附近，则在B点和C点附近及D点和E点附近，存在磁力线平行于靶表面的点。

以上构成的阴极部，在磁控管溅射装置内按下述方式动作。

上述构成的阴极部设置在真空处理室内，使该靶表面以35mm的距离与基片相对且两者中心轴一致。基片内径为40mm、外径为120mm。若溅射气体导入真空处理室后，由辉光放电用的高压电源对靶2、3供电，则产生磁力线闭合的溅射用高密度等离子体。该等离子体中的离子一旦碰撞靶2、3的表面，就使靶2、3的原子溅射，并附着在基片的与靶相对的表面上，形成薄膜。

图3在含中心轴1的剖面上画出靶2、3使用至其利用极限时的侵蚀形状。但，相对中心轴1的对称部分省略图示。31是溅射前的靶的形状，32是已溅射部分，33是未溅射的剩余部分。这时，靶的体积利用效率为58％，与以往的40％相比，得到大幅度的改善。

图4表示靶2、3使用至其利用极限时侵蚀形状随时间的变化，具体地表示为累积电功率引起的变化(图中，以方形、圆形、三角形、菱形标记的曲线分别表示累计电功率为27kwh、81kwh、135kwh及189kwh)。横轴是对中心轴的距离，纵轴是侵蚀的深度。各曲线表示消耗各自的累积电功率时的侵蚀面的情况。如图中所见，自成膜初期至靶的利用极限止，靶被全面地侵蚀，侵蚀形状几乎不变。又，如该图中所见，若根据本实施例，不存在局部侵蚀加速进行的地方，显然，靶的利用效率也得以提高。

图5表示侵蚀深度的最大值与累计电功率的关系，即，侵蚀深度的最大值随时间变化的情况。如图所见，侵蚀深度大致是一定的，单位时间内自靶溅射的粒子个数几乎不随时间变化。

图6表示靶2、3使用至其利用极限时成膜速度与累计电功率的关系，即成膜速度的随时间变化。在该图中，所见到的是基片的中心点的成膜速度。由图可知，成膜速度的变化率为5％，与以往的变化率为20％相比，得到大幅度的改善。

图7以累计电功率表示靶2、3使用至其利用极限时膜厚分布随时间变化(图中，方块、圆点及三角形所标示的曲线分别对应累计电功率为0kwh、90kwh及189kwh)。纵轴是设基片的内周缘的膜厚为1时的相对膜厚。如图所示，成膜的情况在整个基片上几乎不随时间变化。再者，膜厚分布自靶利用开始至终了止均匀分布(变化在2％以内)。若与表示以往例子的膜厚分布的图11相比，则显然随着靶的侵蚀而引起的膜厚分布的不均匀性的问题得到大幅度改善，能稳定地成膜。

根据本发明的磁控管溅射装置，由上述说明可知，通过在同一中心轴周围配置多个直径不同的环状平板靶和磁铁的预定布局，使在各靶的靶表面上分别形成具有近似平行且近似均匀强度的磁场，所以各靶上等离子体均匀分布，离子的旋转周期也变得均匀，各靶侵蚀均匀地进行。因此，即使使用至靶的利用极限，也能在基片上形成稳定的均匀薄膜，且提高昂贵的靶的利用效率，能谋求运行成本的低廉。

又，如果用公共磁铁构成沿内侧平板靶的外周缘配设的磁铁和沿外侧平板靶的内周缘配设的磁铁，则能使磁铁少且用于配置磁铁的无感应区变小。

又，若调整磁铁的强度使磁场平行于靶面的点在半径方向有2点以上，则磁场方向相对于靶面变得更为平行，因而能进一步提高效果。

Claims (2)

1.一种磁控管溅射装置，其特征在于，在同一中心轴周围设置多块直径不同的环状平板靶；各靶中，在沿其内周缘部位置的表侧和里侧分别配置具有相同极性的磁铁，在沿其外周缘部位置的表侧和里侧分别配置具有相同极性的磁铁，并配设成使内周侧与外周侧极性相反；调整各磁铁的强度使在各靶的表面上，磁场方向与靶面平行的点在靶的半径方向存在2个以上。

2.如权利要求1所述的磁控管溅射装置，其特征在于，用公共磁铁构成沿内侧平板靶的外周缘配设的磁铁及沿外侧平板靶的内周缘配设的磁铁。

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