CN1978698A - 磁控管溅射电极与应用磁控管溅射电极的溅射装置 - Google Patents

磁控管溅射电极与应用磁控管溅射电极的溅射装置 Download PDF

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Abstract

本发明的内容为：磁控管溅射电极可以使磁铁组装件的磁铁之间产生的管状磁束的轮廓调节变得简单易行。在支撑板上安装中央磁铁和周边磁铁，构成在靶前方形成管状磁束的磁铁组装件。对包含中央磁铁和周边磁铁的支撑板相对两侧进行分割，分割后的中央部分与一块基础板固定在起，分割下来的分割部分借助可使其相对中间部分作前后、左右以及上下方向移动的位置变更装置安装在的基础板上。

Description

磁控管溅射电极与应用磁控管溅射电极的溅射装置
技术领域
本发明提供一种应用溅射方式在处理基板上形成特定薄膜的磁控管溅射电极以及应用磁控管溅射电极的溅射装置。
背景技术
应用磁控管溅射方式的溅射装置，指的是在靶的后方(溅射面的背侧)，在特定形状的支撑板上设置具有极性交替变化的复数磁铁的磁铁组装件，由于所述磁铁组装件的作用在靶的前方(溅射面)形成管状的磁束，通过捕捉在靶的前方电离的电子及溅射产生的次级电子，提高靶前方的电子密度，加大所述电子与真空室内引入的稀有气体分子之间的撞击比率，进而提高了等离子体的密度。因此，所述装置具有提高成膜速度等优点，对在处理基板上形成特定的薄膜十分有利。
但是，利用所述溅射装置成膜时，例如因放电在等离子体中产生电子漂移，等离子体本体在靶的前方会产生偏移现象。结果，靶得不到全范围的侵蚀处理，而且，还容易出现处理基板面上膜的厚度分布不均的问题。
针对上述问题，存在通过在靶与磁铁组装件之间的特定点放置磁性元件(磁分流器)，调整磁铁组装件的磁铁之间产生的管状磁束的轮廓，使在靶前生成的等离子体均匀化的解决方法(例如专利文献1)。
【专利文献1】特开平9-20979号公报(例如，权利要求的记载)
但是，上述方法存在一个问题，即因为靶与磁铁组装件之间的固定位置放置磁性元件，一旦根据在处理基板上成膜时膜厚度等的需要而必须再次调整磁束的轮廓时，也就不得不再次调整磁性元件的放置位置。上述情况下，必须把溅射室放回到大气中取出靶，或者从溅射电极上取下磁铁组装件，否则无法作业。因此产生了调整作业复杂繁琐的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供丁一种使得磁铁组装件之间产生的管状磁束的轮廓调整变得简单易行的磁控管溅射电极以及应用磁控管溅射电极的溅射装置。
为解决上述问题，根据权利要求1记载的磁控管溅射电极，具有靶及设置在靶后方的磁铁组装件，所述磁铁组装件包括在支撑板上安装的中央磁铁和周边磁铁，在靶前方形成管状磁束，其特征为：将包含所述中央磁铁和周边磁铁的支撑板相对两侧进行分割，分割后的中央部分固定在基础板上，同时，将分割部分借助位置变更装置安装在基础板上，所述位置变更装置可相对于中间部分作前后方向，左右方向以及上下方向自由移动。
应用上述位置变更方法，若使两侧的分割部分相对于中间部分移动，则磁铁组装件的磁铁之间生成的管状磁束轮廓发生变化，所述轮廓可适当调节。这样，由于上述位置变更装置设置在靶后方的支撑板的里侧，所以，即便不拆下靶或包括基础板在内的支撑板，也可以调节管状磁束的轮廓，使调节作业大为简化。并且，通常磁铁组装件设置在溅射室的外侧，所以不必将溅射室放回到大气中，根据情况，成膜作业中也可进行磁束轮廊的调节
对前述磁铁组装件的分割，可在靶相对设置的处理基板的外端部下方进行。
但是，对应要在处理基板上成膜的组分而制作的靶，有时需要将应用在磁铁组装件上的中央磁铁与周边磁铁的磁场强度进行变更。上述场合，将前述磁铁组装件的分割数目按照使用的中央磁铁与周边磁铁的磁场强度进行相应变更即可。例如应用磁场强度较强的中央磁铁与周边磁铁时，如增加分割数目就可对磁束的轮廓进行微调。
另外，可在前述磁铁组装件上设置相对于靶可进行水平自由移动的驱动装置。
此外，按照权利要求5所述的溅射装置，其特征为：将权利要求1至4的任何一项所记载的磁控管溅射电极以特定的间隔复数配置，设置对各靶交替施加负电压、接地电压或正电压中任何一种电压的直流或交流电源。
应用上述方法，将靶相互邻近设置，磁铁组装件之间的间隔变小，特别是相邻的周边磁铁间产生磁场干涉，磁场平衡虽然被打破，但是通过调节在每个磁控管溅射电极上的磁束的轮廓，使各靶前方产生的等离子体实现均一化。因此，即便对面积较大的基板进行成膜作业，也可以使膜的厚度分布以及反应性溅射时成膜质量分布保持高度均匀。
综上所述，使用本发明的磁控管溅射电极的有益效果为：可以使对磁铁组装件之间产生的管状磁束的调节作业变得简单易行。
附图说明
图1为本发明溅射装置的原理示意图。
图2为磁铁组装件分割的剖面示意图。
图3为磁铁组装件分割的剖面示意图。
图4为图2所示磁铁组装件的部分放大剖面示意图。
图5为磁铁组装件变形例的示意图。
图6为本发明的溅射装置的变形例的原理示意图。
图7(a)应用本发明进行ITO膜成膜时的膜厚分布说明示意图。(b)应用本发明进行ITO膜成膜时的电阻值的分布说明示意图。
图8(a)应用现有技术的磁铁组装件进行ITO膜成膜时的膜厚分布说明示意图。(b)应用现有技术的磁铁组装件进行ITO膜成膜时电阻值的分布说明示意图。
符号说明：
1   磁控管溅射电极溅射装置
41  靶
5   阴极组装件
51  支撑板
52  中央磁铁
53  周边磁铁
54  基础板
55  衬垫
B   螺栓
C   磁铁组装件
E  侵蚀区域
S  处理基板
W  垫片
参照图1，1为根据第1实施例的磁控管溅射电极方式的溅射装置(以下称为溅射装置)。溅射装置1是串联式装置，拥有通过干燥泵，涡轮分子泵等真空排气装置来保持真空度的溅射室11。在溅射室11上部设有基板运送装置2。基板运送装置2具有为公共所知的构造，例如包括装有处理基板S的载体21，通过驱动装置的间歇性驱动，可以将处理基板S向后述磁控管溅射电极对面位置依次搬运。
并且，溅射室11设有气体导入装置3。气体导入装置3通过设有流量控制辊31的气管32与气体源33相连通，可向溅射室11导入一定流量的Ar等电镀气体或反应性电镀时应用的O2，H2O，H2，N2等反应气体。在溅射室11的下侧，配置有磁控管溅射电极C。
磁控管溅射电极C包括在处理基板S对面设置的呈长方形(从上面看为长方形)的靶41。靶41根据Al，Ti，Mo或ITO等将在处理基板S上成膜的薄膜的成分，按公知的方法制作而成。靶41在溅射中，以铟或锡等粘结材料与起冷却作用的衬板42结合，通过绝缘板43安装在磁控管溅射电极C的框架44上。另外，为使靶41周围的等离子体能够保持稳定，在靶41周围设置有接地屏蔽(图上未标出)。这样，通过图中为标出的O环等真空密封手段，只将靶41及接地密封放置在溅射室11中。
此外，磁控管溅射电极C中，在靶41的后方装备有磁铁组装件5。磁铁组装件5拥有与靶41相平行的支撑板51。支撑板51为比靶41的宽度要窄，并沿靶41的长度方向上两侧延伸出来的长方形状的平板。支撑板51以可增强磁铁吸引力的磁性材料制成。在支撑板51上设置行沿靶41的长度方向上的棒状中央磁铁52，沿支撑板51的外周设置的周边磁铁53。此时，中央磁铁52的同磁化换算体积应等于周边磁铁53的同磁化换算体积之和。(周边磁铁∶中心磁铁∶周边磁铁＝1∶2∶1)
如上所述，在各靶41的前方，各形成相应的闭路管状磁束，通过捕捉在靶41的前方电离的电子及溅射所产生的次级电子，提高在靶41的前方的电子密度和等离子体的密度。
然后，基板运送装置2将处理基板S搬送到靶41的对面位置，气体导入装置3导入所需气体。借助接在靶41上的溅射电源6在靶41上施加负直流电或高频电压，在处理基板S及靶41上形成垂直电场，在靶41的前方产生等离子体靶41被溅射，从而在处理基板S上成膜。
此时，在磁铁组装件5上，设置有图上未显示的驱动装置，利用此驱动装置，使靶41在水平方向上的两个位置之间平行且等速地往复运动，使靶41可得到全面而均等地侵蚀领域。
在此，结合附图2到4进行说明，构成上述磁铁组装件5在靶41前方产生等离子体时，等离子体中的电子沿兹场轨道作时针运动。当到达靶41的长度方向的两侧时，由于电场的作用方向发生改变，此时，由于惯性的作用，在靶41的左侧会向上跳出，另一边，靶41的右侧会向下方跳出(因此，移动磁铁组装件5溅射靶41时，侵蚀领域E会在靶41左侧向上，在靶41右侧会向下局部地延伸)。
此时，为了不让等离子体发生在靶41之外，考虑电子的跳出有必要将磁铁组装件5的移动量减小，这样非侵蚀范围将扩大，而且，为提高靶41的利用效率，有必要将靶的边缘也进行均等的侵蚀。
在此，本实施例将包括中央磁铁52与周边磁铁53的支撑板51沿相互对面的两侧，即沿支撑板51长向两侧进行分割，分割成支撑板51，中央磁铁52与周边磁铁53的各一部分构成一个中央部分5a，和两个分割部分5b，5c。分割位置例如，当与载体21配套的处理基板S被搬送到靶41的对面位置时，设置在处理基板S的长度方向的两外端部的下方。
中央部分5a固定在基础板54上。此时，基础板54可由非磁性材料制成，并沿长度方向形成突出的断面形状，中央部分5a与54a的突出部分一致，结合并固定。在从基础板54的中央向两侧均等延伸的54b上，形成在基础板54长度方向及与此长度方向呈交叉方向延伸的长孔54c(见图3及图4)。
在长孔54c上，插有外嵌垫圈W的螺栓轴，此螺栓轴的前端拧入构成分割部分5b，5c的支撑板51里侧的螺孔(图中未显示)中。并且，构成分割部分5b，5c的支撑板51里侧与延出部分54b之间，设置有非磁性材料制成的带有使螺栓轴可贯通开口(图上未显示)的衬垫55。衬垫55在螺孔中拧入螺栓B时，可起到使延出部分54b到支撑板51的背面保持一定高度的作用。
如上所述，在螺栓B，延出部分54b上形成的长孔54c及衬垫55构成位置变更装置，借助上述位置变更装置，相对于中央部分5a，进而相对于靶41，可使分割部分5b，5c保持前后，左右及上下方向移动。通过移动分割部分5b及5c，可使中央磁铁52，周边磁铁53相互间的管状磁束的轮廓发生变化，即可适当调节所述轮廓。
具体来说，先把螺栓B拧松，只是使螺栓B沿长孔54c移动，分割部分5b，5c相对于中央部分5a作前后即左右方向(沿磁铁组装件5长度方向图3的左右方向)位置发生变化；或者，只改变衬垫55的高度，相对中央部分5a的上下位置发生变化。如此，因为改变位置的装置位于靶41的后方设置的支撑板51的里侧，即使不拆下包含靶41或基础板54在内的支撑板51，也可调节管状磁束的轮廓，调节作业得到简化。并且，由于设置在溅射室11的外侧，不用将溅射室11先放回到大气中，根据需要，可在成膜进行中调节磁束的轮廓。
如此，即使因等离子体的惯性运动而使侵蚀范围E发生局部延伸，通过在前后方向上移动分割部分5b，5c，可将侵蚀范围沿磁铁组装件5长度方向上扩展到靶41的边缘。结果，磁铁组装件5的移动量可加大，进而提高靶的利用效率，同时，也可使处理基板面上的膜的厚度分布基本一致。
而且，本实施例对由螺栓B，延出部分54b上形成的长孔54c及衬垫55构成位置变更装置进行了说明，但不只限于上述方法，相对中央部分5a，前后，左右及上下移动分割部分5b，5c的位置如能得到同样效果则不拘泥于此。
另外，本实施例对中央部分5a及中央部分5a两侧的分割部分5b，5c的三分方法进行了说明，其实分割数目并不限于此。例如，图5所示，也可将分割部分进一步分为两个50b，50c，由5个部分组成磁铁组装件50。在这种情况下，比如ITO用的靶，磁铁组装件50采用的中央磁铁52与边磁铁53如为磁场强度较高的磁铁，磁束的轮廓可进行微调节。
而且，本实施例对溅射室11设有1个磁控管溅射电极C进行了说明，但是对于大面积的处理基板S进行成膜时来说，如图6所示，溅射装置10的磁控管溅射电极C1，可由6个靶41a～41f与磁铁组装件50a～50f并列设置。
此时，靶41a～41f的未使用时的溅射面411，在与处理基板S平行的同一面上并列设置，各靶41a～41f相对的面412之间，没有设置板极，屏蔽等构件。各靶41a～41f的外形尺寸，设置为当各靶41a～41f并列设置时不大于处理基板S的尺寸。
在各靶41a～41f上，连接施加交流电压的交流电源61，62，63，在各靶41a～41f的后方，装备有由1个中央部分5a与2个分割部分5b，5c各自构成的磁铁组装件50a～50f。上述情况下，对于相互邻接的2个靶(例如41a，41b)连接有1个交流电源61，当在一方靶41a上施加负电压时，则在另一方的靶41b室施加接地电压或正电压。另外，也可使用直流电源代替交流电源61，62，63。
例如，在装有交流电源61，62，63的一方的靶41a，41c，41e上施加负电压，在另一方的靶41b，41d，41f上施加接地电压或正电压时，另一方的靶41b，41d，41f就发挥了板极的作用，各自与交流电源61，62，63中的一个相连接的靶(例如41a与41b)相互间产生等离子体，施加负电压的靶41a，41c，41e被溅射。而后，按照交流电源61，62，63的频率改变电位，使另一方的靶41b，41d，41f被溅射，各靶41a～41f就被交替依次溅射，处理基板S的表面就可全面成膜。
按照上述方法，不释放溅射颗粒的各靶41a～41f相互间没有必要设置板极，屏蔽等结构件，所以不释放溅射颗粒的范围可做得尽可能小，而且针对于各个磁铁组装件50a～50f，可利用位置变更装置相对中央部分5a在前后，左右以及上下的其中一个方向上移动分割部分5b与5c，可分别调整各靶41a～41f的前方生成的管状磁束的轮廓，不仅使各靶41a～41f的利用率得到提高，并且可使处理基板S上的成膜厚度比较均匀。
磁铁组装件50a～50f的支撑板51，可使用例如130mm×1460mm尺寸的装置在支撑板51上，在靶41a～41f长度方向上棒状的中央磁铁52，与撑板51的外周设置的周边磁铁53所构成的磁铁组装件50a～50b，作为位置变更手段，如果使分割部分5b，5c相对于中央部分5a在前后及左右方向上可作50mm以下，最佳为10～20mm范围的移动，并且，使分割部分5b，5c相对于中央部分5a在上下方向上可作20mm以下，最佳为0～15mm范围的移动，就可实现对于各靶41a～41f的前方生成的管状磁束轮廓的最佳调整。
另外，与上述实施例同样的，为了在各靶41a～41f的表面获得全面面均等的侵蚀区域，进一步提高各靶41a～41f的利用效率，利用气缸等驱动装置，使靶41a～41f在水平方向沿2个点(L点，R点)之间往复移动。前述情况下，在驱动装置D的驱动轴D1上，安装各磁铁组装件50a～50f，使磁铁组装件50a～50f可实现整体平行的往复移动。
但是，在上述构成中，由于各磁铁组装件50a～50f使相互贴近设置，沿磁铁组装件50a～50f并列设置的方向上两侧，磁场的平衡有被破坏的危险。因此，将棒状的辅助磁铁7与设置在磁铁组装件50a，50f两端的周边磁铁53的极性分别调整一致，将支撑辅助磁铁7的支撑部件71安装在汽缸D的驱动轴D1上，使辅助磁铁7与磁铁组装件50a，50f可整体移动。这样磁铁组装件50a，50f两端的磁束密度增高磁场平衡得到改善，进而处理基板S面上的膜的厚度与反应性溅射的成膜质地都可得到较为均匀的分布。
具体实施方式
实施例1
本实施例为如图6所示的利用溅射装置10在处理基板S上进行ITO膜成膜。处理基板S为玻璃基板(1200mm×1000mm)，靶41a～41f为应用在In2O3上添加10％重量的SnO2，以公知的方法制作成230mm×1460mm外形尺寸并安装在衬板42上。而后，利用反应性溅射在玻璃基板S上进行了ITO膜成膜。
另外，作为各磁铁组装件50a～50f支撑的支撑板51，外形尺寸为130mm×1460mm，在各支撑板51上设置沿靶41a～41f的长度方向的棒状中央磁铁52与沿支撑板51外周方向的周边磁铁53后，在离靶41a～41f的长度方向边缘部约40mm的位置分别进行分割。而后，利用位置变更方法，使各磁铁组装件50a～50f的分割部50b～50c相对中央部分向外侧移动15mm。
作为溅射的条件，将进行了真空排气的溅射室11内的气压保持在0.67Pa，控制流量控制辊21向溅射室11内导入溅射气体氩(Ar流量200sccm)与反应气体H2O(H2O流量0.5sccm)。而后，将投入到靶41a～41f的电力功率设为60KW，溅射时间设为15秒。上述条件下玻璃基板S上的反应性溅射时的玻璃基板S面上的膜的厚度以及电阻值的分布如图7(a)及(b)所示。
(比较例1)
作为比较例，利用如图6所示的溅射装置10，磁铁组装件不进行分割。然后，采用的溅射条件与前述例1相同，同实施例1一样在玻璃基板S上进行反应性溅射ITO膜成膜。上述条件下玻璃基板S上的反应性溅射时的玻璃基板S面上的膜的厚度以及电阻值的分布如图8(a)及(b)所示。
参照图7及图8进行说明，比较例1沿玻璃基板的长度方向两侧的膜厚()与中央区域比较局部性的变薄，膜厚的分布超过了正负10％，膜厚分布的离散变大。另外，在沿玻璃基板长度方向两侧，板的电阻值也总是同样的与中央区域相比局部的变高，板的电阻值分布不好(正负24％)，即膜的质地不够均匀。
鉴于上述情况，实施例1中沿玻璃基板长度方向两侧的膜厚与中央区域的膜厚相比基本相同，处理基板面上的膜厚分布约保持在正负5％范围内，可以看出膜厚的分布的离散得到了改善。另外，板的电阻值分布约为正负17％，可以认为膜的质地的均匀性得到了改善。

Claims (5)

1.一种磁控管溅射电极，具有靶及设置在靶后方的磁铁组装件，所述磁铁组装件包括在支撑板上安装的中央磁铁和周边磁铁，在靶前方形成管状磁束，其特征为：将包含所述中央磁铁和周边磁铁的支撑板相对两侧进行分割，分割后的中央部分固定在基础板上，同时，将分割部分借助位置变更装置安装在基础板上，所述位置变更装置可相对于中间部分作前后方向，左右方向以及上下方向自由移动。
2.如权利要求1所述的磁控管溅射电极，其特征为：在位于靶对面安置的处理基板的外端部的下方进行所述磁铁组装件的分割。
3.如权利要求1或2所述的磁控管溅射电极，其特征为：所述磁铁组装件两侧的分割数目，根据使用中央磁铁和周边磁铁的磁场强度而改变。
4.如权利要求1至3任一所述的磁控管溅射电极，其特征为：所述磁铁组装件上设有可使前述磁束相对于靶作平行自由移动的驱动装置。
5.一种溅射装置，其特征为：按一定的间隔并列设置多个权利要求1至4任一所述的磁控管溅射电极，在各个靶上设置有交替施加负电压、接地电压或正电压之一的直流或交流电源。
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