CN1188816A - 磁控溅射方法 - Google Patents
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Abstract
磁体以负极与正极交错放置的方式安置且允许磁体在垂直于磁体长度方向的方向上往复运动。地屏蔽和屏蔽阳极设为地电势,腔体底部也设为地电势。靶固定于衬板上。在屏蔽阳极的外侧相应地安置了喷气管。在屏蔽阳极和靶之间安置了与地屏蔽11和靶绝缘的附属电极。阴极磁体按形成两个闭合的溅射消蚀区域环的方式安置。磁体在垂直于阴极长度方向的方向上往复运动。
Description
本发明涉及一种磁控溅射方法，可用来在衬底上形成薄膜，更具体地说，涉及一磁控溅射方法，能够形成均匀的薄膜并增加靶的使用效率。
本发明也涉及一磁控方法，可用来形成具有低电阻率的透明导电薄膜ITO(铟锡氧化物)。
图4是常规平面型磁控溅射装置例子的剖面图。如图中所示，平面型磁控溅射装置包含带有出气孔的腔体100。腔体100具有闸阀101，阴极103，衬底加热器104，作为里面的主要组件。衬底102面对着阴极103放置。
阴极103包含衬板105，磁体106，靶107，屏蔽阳极108，和导气管109。靶107上加上由溅射电源提供的负电压，其阳极通过衬板105接地。磁体106有三行，以展开方向垂直图纸面的方式排列。
在上面提到的溅射装置中，等离子体的产生范围取决于屏蔽阳极108和其它接地电极(例如，腔体100，固定衬底102的衬底固定元件)和阴极103之间的综合电压。
图4中所示的溅射装置有靶利用率低的问题，因为磁体106固定排列，导致靶的消蚀区域即靶107表面介于磁体106中行与行之间的区域很窄。也存在的一个问题是形成薄膜的质量退化，因为等离子体以较大的扩展状态产生，致使到达衬底102的离子体积增加。
本发明的目的是克服现有工艺中的问题。本发明的目标是提供允许更大的靶的消蚀面积的磁控溅射方法，同时不会显著地改变常规磁控溅射装置的结构和尺寸。本发明的另一个目标是提供一种磁控溅射方法，它允许提高质量，比如电阻率，同时延长靶寿命和形成均匀薄膜。
本发明中的磁控溅射方法包含以下步骤：放置溅射靶于平行管状的长方体(rectangular praUelopiped)阴极的表面上，阴极切割磁体产生的磁场；给处于减压气体中的靶加上负电压以产生等离子体，使靶受到产生的等离子体的溅射；在垂直于阴极长边的方向上传送衬底，其中，阴极中的磁体排列成使溅射消蚀区域形成两个闭合环路，在垂直于阴极长边的方向上来回移动磁体。
根据本发明，磁体来回移动的速度Vm和衬底传送速度Ve的关系优选设定为Vm/Vc≤0.1，Vm/Vc＝从3至17中的一个奇数，或者Vm/Vc≥19。
根据本发明，优选地进一步包含以下步骤，安置地屏蔽，它被电学接地以稳定形成在上述靶表面的上述等离子体，安置方式是在上述靶表面上方有开口且在上述靶表面和地屏幕之间形成预定的空间，在平行于上述阴极的长边方向安排与地屏幕绝缘的杆状或管状阳极，且在该阳极上加正电压。
这种情况下，阳极上所加正电压优选地为介于20V和40V之间。磁体往复运动的优选范围是磁体的位置从不位于所述附属电极的正下方。
根据本发明，在上述衬底上形成薄膜是用ITO烧结体作为上述靶，设定气体中氧气的组分在0.1％到1.0％之间的范围内以便形成ITO薄膜。
进一步，使用ITO靶为靶材料形成薄膜；安排五个或更多的磁场产生装置在垂直于该ITO靶的长度方向上往复运动；安排屏蔽阳极围绕ITO靶且有一开口以允许ITO气化粒子从该靶到达上述衬底；在屏蔽阳极和靶之间的空间中安置与地屏蔽绝缘的附属电极；在该附属电极上加正偏压以便形成ITO透明导电薄膜。
在本发明的磁控溅射方法中，磁场的产生装置包含五个磁体，以使消蚀沟由2个(普通)增加到4个。让磁场产生装置在垂直于靶的方向往复运动，使靶的利用率得到显著提高。溅射电压由于加在安置于屏蔽阳极和靶之间的附属电极上的正偏压而减小，从而避免无序放电，并形成具有更低的电阻率的ITO薄膜。
图1是根据本发明的磁控溅射装置例子的剖视图；
图2是根据本发明的磁控溅射装置中阴极周围部分的例子的剖视图；
图3是为解释根据本发明附属电极怎样充电的剖视图；
图4是常规平面型磁控溅射装置例子的剖视图；
图5a是根据本发明的靶的消蚀区域的剖视图；
图5b是磁体的安置的示意图；
图5c是表示磁体的位置与靶的消蚀区域之间的相互关系的示意图；
图6是薄膜厚度差别比例与Vm/Vc之间的关系图；
图7A，7B和7C是说明产生的磁力线状态；
图8a和8b是表示靶的消蚀的剖视图；
图9a至9e是各层的图，每层表示形成一层溅射薄膜后的状态；
图10是溅射装置主要部分的剖视图，带有尺寸a，b，c和d；
图11是附属电极的优选实施方案的透视图；
图12是根据本发明的磁控溅射装置形成的ITO薄膜的电阻率与氧组分的依赖关系图；和
图13是靶的消蚀的剖视图。
在下文，将在图示的基础上说明本发明。图1是使用本发明方法的磁控溅射装置例子的剖面图。如图所示，溅射装置包含腔体6，其中装有闸阀1，阴极3，衬底加热器4，作为里面的主要组件。数字2表示衬底。
图2是溅射装置中阴极部分的放大图。磁体5从垂直于图面的延伸方向排列成行。在这个实施方案中，也如图5b所示，5个长条形磁体5排列在基底50上，延伸方向互相平行。从图2中左起第一，第三和第五磁体5按负极在上侧放置，从图2左起的第二和第四磁体5接正极在上侧放置。基底50可以沿垂直于磁体5的长度方向的方向，即图的横向D1、D2往复运动。地屏蔽11和屏蔽阳极8，还有腔体6的底部6b设为地电势。靶10被固定在衬板12上。屏蔽阳极8的外侧分别安置了气体喷管7。
屏蔽阳极8和靶10之间安置了附属电极9，它们与地屏蔽11和靶10绝缘。
虽然附属电极9可以有任意形状，但优选的附属电极的形成形状是电极内部有一空腔，允许空腔和外部交流，因为这种形状能有效地保持表面不脏，如图11所示。
图3是一剖视图，说明如何在阴极上加电压。靶10通过衬板12由溅射电源14加上负电压-Vc。附属电极9由附属电源13加上正电压+Va。值得注意的是磁体5可以是永磁体或电磁体。屏蔽阳极8和地屏蔽11由绝缘材料15与衬板12之间电隔离。
图5a示出经溅射装置溅射一定时间后的靶10的表面。图5b表示磁体5相对于靶10的排列，图5c表示消蚀区域“E”和磁体之间的位置关系。
图6表示薄膜厚度变化比例即在衬底表面上形成薄膜的厚度不均匀性的测量值，磁体5沿图1，2中的横向方向D1，D2按速度Vm往复运动，衬底2沿图1，2中向左的方向按速度Vc＝0.5m/min传送，磁极5的往复运动距离设为50mm。比例表示为最大厚度dmax和最小厚度dmin之差除以最大厚度dmax，即(dmax-dmin)/dmax。如图6所示，很清楚地看到厚度的不规则度在Vm/Vc被设为以下(1)，(2)或(3)时很小(小于0.1)。
(1)Vm/Vc≤0.1，更优选地，Vm/Vc≤0.05
(2)Vm/Vc＝3，5，7，9，11，13，15，17或
(3)Vm/Vc≥19
图9a至9e是表示当Vm/Vc＝2，3，4，5，6时分别形成薄膜层的标准状态(层状状态)的剖视图。层“A”是在磁体运动方向与衬底运动方向一样时形成的。层“B”是在磁体运动方向与衬底运动方向相反时形成的。
当Vm/Vc＝1时薄膜形成叠层的方式如下。
当磁体运动方向与衬底一致(方向D2)时，磁体相对于衬底静止。所以，如果我们假设汽化点不存在范围，溅射点正位于汽化点以上，溅射点的厚度一定是无穷大，所以此点上厚度差/厚度＝∞/∞→1。实际上，汽化点有一个范围，所以溅射点的厚度是有限的。无论如何，厚度差变得非常大，即接近1。
当Vm/Vc＝2时薄膜形成叠层的方式如下。
当磁体运动速度大于衬底运动速度且磁体运动方向与衬底运动方向相同时，磁体经过衬底。所以，当磁体按与衬底运动方向相反方向运动时，在衬底的一部分又形成了一层。
当Vm/Vc＝3，5，7时薄膜形成叠层的方式如下。
当磁体以与衬底运动方向一致的方向运动时形成的层A的一端与下层A的一端相匹配，所以薄膜厚度是均匀的。但是，在分层情形中的端头有细微的凹陷或凸起。
根据本发明，磁体5应安置成等于或大于5的奇数行，因为当磁体安置成3行时厚度差变得非常大。
如上所述，当磁体被安置成3行，即单一消蚀情形时厚度差比例很差的原因象是如下。
当磁体如图7A所示来安置时，电子按靶上的箭头方向运动，所以等离子体在如图7B所示的靶表面区域形成且附在表面上。这种情形下，在角上有两个等离子体相对较密的Hp区域，由圆圈标出。当地屏蔽安置在靶上且磁体沿平行该图的箭头a方向运动时，Hp区域接近地屏蔽，所以衬底右半边的膜厚于其它地方。另一方面，当磁体按箭头b的方向运动时，左边Hp区域接近地屏蔽，所以衬底左半边的薄膜厚于其它地方。这样，靶厚度在长度方向是平衡的。但是，使薄膜平衡是困难的。大的往复运动距离可提高靶的使用效率但使平衡更困难。那就是，同时提高薄膜厚度的均匀性和靶的使用效率是困难的。
另一方面，在安置5行或更多行磁体，形成两个消蚀其中有两个闭合环消蚀区域的情况下，如图7C所示其中有4个等离子体相对较密的Hp区域，但是，通过往复运动磁体，Hp区域中只有两个其等离子体靠近地屏蔽。所以，在靶长度方向的薄膜厚度的均匀性因子减半，从而在防止薄膜在靶长度方向上厚度不均匀的同时减小了薄膜在传送方向上的厚度差异。(实施号1至8)
每个实验进行的条件是溅射0.04Pa，O20.5％，Ar99.5％于衬底上，衬底传送速度为Vc＝0.5m/min，使用图1和图2所示装置(实验号1-6)或有3行磁体的装置(实验号7和8)，使用ITO(In2O390％，SnO210％)作为靶。另外的实验条件并结果如表1所示。
图8a和8b表示实验号2中溅射116小时后的靶的剖面图。图13表示实验号7(带3行磁体)溅射后靶的剖面图。这些剖面图中，靶厚度方向的比例是宽度方向比例的4倍。图8a中的剖面图是沿图5a中的线VIII-VIII取出。
靶的效率用图8b中所示的S1和S2(其中S1和S2用图8a中同一部分示出)按以下表达式表示。
ε＝S2/(S1+S2)100(％)
即，靶的效率是定义为靶消耗量除以靶初始量的百分值。(实验号9至15)
实验在与实验号2相同的条件下进行，只是阳极电压，阴极电压，功率，和形成膜的厚度按表2设定。
实验结果在表2中示出。(实验No.16)
与实验No.2相同的方式溅射形成ITO薄膜，只是阴极电压设为300V，阳极电压设为30V，气体中氧的浓度在0％至1.3％之间范围内变化。如上所述形成的ITO薄膜的电阻率测量结果在图12中示出。(实验No.17)
与实验No.16相同的方式溅射形成ITO薄膜，只是阴极电压设为300，阳极电压设为0V。如上所述形成的ITO薄膜的电阻率测量结果在图12中示出。
参考图12，可以知道氧浓度设定在0.1％和1.0％之间的范围内能减小电阻率。
当电压设为30V时，电阻率整体上向低氧浓度端移动。所以，该情形具有减少氧消耗的优点。
作为不同实验的结果，关于图10中所示尺寸a，b，c和d有以下发现。
(1)优选地|(a-b)/(a+b)|＜0.5，更优选的|(a-b)/(a+b)|＜0.1。
如果离开这个范围，效果会减弱从而导致电弧放电。
(2)优选的C≥0，C＜0增加了电弧放电的发生几率。
(3)优选的0.5＜〔d/(c+d)〕，更优选的0.6＜〔d/(c+d)〕＜0.8。
如果离开这个范围，电弧放电的发生几率增加，比率(形成薄膜的厚度)减小。
如上所述，根据本发明的磁控溅射方法，其消蚀沟的数目较大，磁体能沿垂直于沟的长度的方向往复运动，因此扩展了靶的消蚀区域。这就使靶子有更长的寿命。
在本发明的磁控溅射装置中，在与屏蔽阳极绝缘，放置于屏蔽阳极与靶之间的附属阳极上加正偏压，降低了溅射电压，所以形成的ITO薄膜具有低的电阻率。
因为溅射中放电是在附属阳极和靶之间，该装置还有效地防止了无序放电，无序放电在等离子体密度因增加消蚀而在靶中心增大时容易发生。
表1
C.E.＝比较例子，E＝优异，G＝好，B＝差
| C.E. | 实施方案 | C.E. | ||||||
| NO. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 磁体数目 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 3 | 3 |
| 阳极电压(V) | +30 | +30 | +30 | +30 | +30 | +30 | +30 | +30 |
| 阴极电压(V) | -300 | -300 | -300 | -300 | -300 | -300 | -300 | -300 |
| 功率(KW) | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 |
| Vm/Vc | 0 | 0.005 | 0.010 | 0.020 | 0.030 | 0.050 | 0 | 0.010 |
| 平均薄膜厚度(nm) | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 |
| 差值比(判断) | 0 | 0.010 | 0.020 | 0.039 | 0.058 | 0.095 | 0.00 | 0.50 |
| E | E | E | G | G | G | E | B | |
| 靶效率(％) | 15 | 38 | 38 | 38 | 38 | 38 | 13 | 35 |
| 等离子体电弧放电 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 |
| 附注 | Vm/Ve＝0降低了靶子利用效率 | 加在阳极上的功率有效地用于溅射 | Vm/Vc＝0降低了靶子利用效率 | 3行磁体增大了比例 | ||||
表1
E＝优异
| 实施方案 | C.E. | ||||||
| NO. | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 磁体数目 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 3 | 3 |
| 阳极电压(V) | +30 | +20 | +40 | +30 | 0 | 0 | +50 |
| 阴极电压(V) | -300 | -310 | -290 | -314 | -330 | -345 | -280 |
| 功率(KW) | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 6.0 | 5.5 | 6.0 | 5.5 |
| Vm/Vc | 0.005 | 0.005 | 0.005 | 0.005 | 0.005 | 0.005 | 0.005 |
| 平均薄膜厚度(nm) | 330 | 321 | 339 | 375 | 300 | 300 | 未形成 |
| 差值比(判断) | 0.010 | 0.010 | 0.010 | 0.010 | 0.010 | 0.010 | … |
| E | E | E | E | E | E | … | |
| 靶效率(％) | 38 | 38 | 38 | 38 | 30 | 30 | … |
| 等离子体电弧放电 | 无 | 无 | 无 | 无 | 小 | 大多 | 屏蔽与阳极之间有电弧放电 |
| 附注 | 加在阳极上的功率有效地用于溅射 | 因为无序放电而未形成 | |||||
Claims (9)
1.一种在衬底表面形成薄膜的磁控溅射方法，包含以下步骤：放置溅射靶于长方形平行管状阴极表面上，阴极上由磁体形成磁场；在该靶上加负电压，在减压气体中产生等离子体，以使该靶受到产生的等离子体溅射；在垂直于该阴极的长度方向的方向上传送该衬底，其中
该阴极的该磁体从这种方式排列：可形成两个闭合的溅射消蚀区域环，并在垂直于该阴极长度方向的方向上往复运动。
2.根据权利要求1的磁控溅射方法，其特征在于，该磁体的往复运动速度Vm与衬底传送速度Vc的关系设为Vm/Vc≤0.1。
3.根据权利要求1的磁控溅射方法，其特征在于，该磁体的往复运动速度Vm与衬底传送速度Vc的关系这样设定：Vm/Vc是从3到17之间的一个奇数。
4.根据权利要求1的磁控溅射方法，其特征在于，该磁体的往复运动速度Vm与衬底传送速度Vc的关系设定为Vm/Vc大于19。
5.根据权利要求1的磁控溅射方法，其特征在于，包含以下步骤：安置一地屏蔽，它电学接地以使在该靶表面形成的等离子体稳定，安置方式是在该靶表面上方有一开口，在该靶和地屏蔽之间形成预定的空间，在平行于该阴极长度方向的方向上安置与该地屏蔽绝缘的杆状或管状附属电极，且在该附属电极上加上正电压。
6.根据权利要求5的磁控溅射方法，其特征在于，该附属电极被加上20V至40V之间的正电压。
7.根据权利要求5的磁控溅射方法，其特征在于，该磁体往复运动的范围是使磁体位置从不到达该附属电极的正下方。
8.根据权利要求1的磁控溅射方法，其特征在于，使用一ITO烧结体作为该靶，并设定气体中氧的浓度在0.1％至1.0％之间的范围内以便形成ITO薄膜，在该衬底上形成薄膜。
9.根据权利要求1的磁控溅射方法还包含以下步骤：
使用ITO靶作为上述靶；
安置五个或多个磁场产生装置，在垂直于该ITO靶子的长度方向的方向上往复运动；
安置屏蔽阳极围绕该ITO靶且有一开口，以允许ITO汽化粒子从该靶到达上述衬底；
在屏蔽阳极和靶之间的空间中安置与上述地屏蔽绝缘的附属电极；和
在该附属电极上加正偏压以便形成ITO透明导电薄膜。
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| CN104114741A (zh) * | 2011-11-04 | 2014-10-22 | 因特瓦克公司 | 线性扫描溅射系统和方法 |
| US10106883B2 (en) | 2011-11-04 | 2018-10-23 | Intevac, Inc. | Sputtering system and method using direction-dependent scan speed or power |
| CN115461489A (zh) * | 2020-04-30 | 2022-12-09 | 东京毅力科创株式会社 | Pvd装置 |
| US12027645B2 (en) | 2018-10-31 | 2024-07-02 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Optoelectronic semiconductor chip and method for producing an optoelectronic semiconductor chip |
-
1997
- 1997-01-21 CN CN97102277A patent/CN1188816A/zh active Pending
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C01 | Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |