TWI617686B - Rotary cathode unit for magnetron sputtering device - Google Patents

Abstract

為了提供可遍及靶Tg的母線方向全長均等地使靶受到濺蝕之磁控濺鍍裝置用之旋轉式陰極單元(RC)。

在圓筒狀的靶內設置磁鐵單元(Mu)，磁鐵單元(Mu)是以使通過磁場的垂直成分為零的位置之線沿著靶的母線延伸而封閉成跑道狀的方式產生從靶表面洩漏的磁場，磁鐵單元(Mu)構成為分成：在靶的母線方向兩端分別形成跑道的角隅部之第1部分(5a)、在比第1部分更靠靶的母線方向內側分別配置成與第1部分鄰接之第2部分(5b)、位於第2部分彼此之間的第3部分(5c)。以相對於靶表面可接近或離開的方式使第1部分~第3部分獨立地進退之移動手段(6)，係收納於靶的內部空間。

Description

磁控濺鍍裝置用之旋轉式陰極單元

本發明是關於用於磁控濺鍍裝置之旋轉式陰極單元。

關於這種旋轉式陰極單元，例如專利文獻1是已知的。在該習知例係具備有：在真空室內與基板對置之圓筒狀的靶、配置於靶的內部空間之磁鐵單元、在靶的內部空間讓冷媒循環之冷媒循環手段、以及將靶進行旋轉驅動之驅動手段。作為磁鐵單元，是在長度與靶之母線長度相同的磁性材料製的磁軛的單面設置：配置成沿著靶的母線延伸之中央磁鐵、以沿著該中央磁鐵延伸的方式配置於中央磁鐵的兩側之周邊磁鐵、及以將中央磁鐵的兩端分別包圍的方式將周邊磁鐵彼此間架橋之角隅磁鐵。而且，將中央磁鐵和周邊磁鐵及角隅磁鐵之基板側的極性改變，以使在靶和基板之間通過磁場的垂直成分為零的位置之線沿著靶的母線延伸而封閉成跑道狀的方式，產生從靶表面洩漏的磁場。此外，在靶的內部空間設有：以相對於靶可一體地接近或離開的方式使磁鐵單元進退之移動手段。

在此，利用上述旋轉式陰極單元一邊使靶旋轉一邊將該靶進行濺鍍的情況，沿著跑道狀的線會產生電漿，電漿中的電子會按照中央磁鐵和周邊磁鐵及角隅磁鐵之靶側的極性，而進行順時針旋轉或逆時針旋轉。這時，在跑道的角隅部，容易發生局部的電子密度增高。在此情況，關於沿著靶的母線將靶濺鍍時的濺蝕，分別與角隅部相對向之靶的兩端部之濺蝕量會變得比其中央部更多，而發生靶的使用效率顯著降低的問題。

作為解決上述問題的方法，可考慮將靶和磁鐵單元之間的間隔改變而使從靶表面洩漏之磁場強度改變，像上述習知例那樣僅相對於靶使磁鐵單元一體地進退，並無法抑制在靶的兩端部之局部濺蝕。另一方面也能考慮，在會發生靶的局部濺蝕之磁鐵單元的角隅部，例如改變磁鐵種類、磁鐵配置而使從靶表面洩漏的磁場強度局部減弱。然而業已明白，若如此般將磁場強度減弱，雖可抑制在靶的端部之局部濺蝕，但在比端部更靠母線方向內側之靶的部分，其濺蝕量會發生變化。

[專利文獻1]日本特開2012-132039號公報

本發明是有鑑於以上問題點，其課題是為了提供一種磁控濺鍍裝置用之旋轉式陰極單元，遍及靶的母線方向全長可均等地使靶受到濺蝕而獲得良好的使用效 率。

為了解決上述課題，本發明的磁控濺鍍裝置用之旋轉式陰極單元，係具備圓筒狀的靶、磁鐵單元、冷媒循環手段以及驅動手段，該磁鐵單元，是以使通過磁場的垂直成分為零的位置之線沿著靶的母線延伸而封閉成跑道狀的方式產生從靶表面洩漏的磁場；該冷媒循環手段，是在靶的內部空間讓冷媒循環；該驅動手段，是將靶進行旋轉驅動；在靶的內部空間插入磁鐵盒，並在成為大氣狀態的磁鐵盒內配置磁鐵單元，磁鐵單元構成為分成第1部分、第2部分及第3部分，該第1部分，是在靶的母線方向兩端分別形成跑道的角隅部；該第2部分，是在比各第1部分更靠靶的母線方向內側分別配置成與第1部分鄰接；該第3部分，是位於第2部分彼此之間；在磁鐵盒內收容有移動手段，該移動手段，是以相對於靶表面可接近或離開的方式使各第1部分及各第2部分獨立地移動。

依據本發明，當呈跑道狀產生之電漿中的電子密度在其角隅部局部地增高而使靶的兩端部之濺蝕量變多的情況，藉由收納於靶的內部空間之移動手段，相對於靶使兩第1部分朝離開方向移動，藉此將從靶表面洩漏的磁場強度減弱，而能抑制在靶的兩端部發生之局部濺蝕。而且，因為將角隅部的磁場強度減弱，而使比靶的兩端部分別位於更靠母線方向內側之靶的部分之濺蝕量改變時，藉由移動手段而相對於靶使兩第2部分朝接近方向或離開 方向移動，藉此改變該部分的磁場強度，而能調整靶的濺蝕量。結果，可遍及靶的母線方向全長將靶均等地濺蝕，而使靶的使用效率變良好。

本發明較佳為，進一步具備：以相對於靶表面可接近或離開的方式使前述磁鐵單元的第3部分獨立地進退之移動手段。如此，可按照靶種類、靶厚度讓從靶表面洩漏的磁場強度追隨而變化，此外，當靶的濺蝕進展時，也能讓從靶表面洩漏的磁場強度以成為恆定的方式變化，結果，在將本發明的旋轉式陰極單元運用於磁控濺鍍裝置時，可再現性良好地在基板表面形成既定的薄膜。

1‧‧‧驅動塊

2‧‧‧支承塊

3a‧‧‧馬達

3b‧‧‧滑輪

3c‧‧‧皮帶

5a‧‧‧磁鐵單元的第1部分

5b‧‧‧磁鐵單元的第2部分

5c‧‧‧磁鐵單元的第3部分

6‧‧‧移動手段

21‧‧‧從動軸

41‧‧‧底筒

42‧‧‧靶材

43‧‧‧磁鐵盒

44‧‧‧上框體

45‧‧‧下框體

46‧‧‧隔板

47‧‧‧冷媒循環通路之去路(冷媒循環手段)

48‧‧‧冷媒循環通路之返路(冷媒循環手段)

51a、51b、51c‧‧‧磁軛

52a、52b、52c‧‧‧中央磁鐵

61‧‧‧馬達

63‧‧‧曲柄機構

63a‧‧‧曲柄銷

Cp‧‧‧夾具

Ch‧‧‧冷卻單元(冷媒循環手段)

Mu‧‧‧磁鐵單元

Ml‧‧‧通過磁場的垂直成分為零的位置之線

Mc‧‧‧跑道的角隅部

RC‧‧‧磁控濺鍍裝置用之旋轉式陰極單元

Tg‧‧‧圓筒狀的靶

W‧‧‧基板

圖1係用來說明本發明的實施形態之旋轉式陰極單元的構造之前視圖，將其一部分用剖面表示。

圖2係說明驅動塊的構造之剖面圖。

圖3係說明磁鐵單元之立體圖。

圖4係沿著圖1的IV-IV線之剖面圖，(a)顯示讓磁鐵單元接近靶的狀態，(b)顯示讓磁鐵單元從靶離開的狀態。

圖5係說明讓磁鐵單元移動的移動手段之放大剖面圖。

以下，參照圖式來說明本發明的磁控濺鍍裝置用之旋轉式陰極單元之實施形態。在以下的說明，是以圖1所示的旋轉式陰極單元的姿勢為基準，而使用表示「上」、「下」、「右」、「左」方向的用語。

參照圖1及圖2，RC是本實施形態的旋轉式陰極單元。旋轉式陰極單元RC係包含圓筒狀的靶Tg、驅動塊1以及支承塊2；該靶Tg，是在圖外的真空室內設置成與作為成膜對象物的基板W隔著絕緣物而在上下方向對置；該驅動塊1，是透過夾具Cp連結在靶Tg的右端；該支承塊2，是透過夾具Cp連結在靶Tg的左端。在支承塊20，設有藉由圖示省略的軸承予以支承之從動軸21，藉此將靶Tg的一端支承成可旋轉自如。

如圖2所示般，驅動塊1係具備殼體11，在殼體11的右內壁豎設朝左右方向延伸之剖面圓形的內筒體12。在固定於殼體11之內筒體12的周圍，配置有與該內筒體12呈同心之剖面圓形的外筒體13。在外筒體13的內周面，設置朝徑向凹陷之環狀的凹部13a，透過該凹部13a來設置用於將內筒體12和外筒體13導通之電刷14。外筒體13，係藉由透過複數個軸承15a而插入殼體11內之支承構件16支承成可旋轉自如。又，在圖2中，15b表示油封。

在外筒體13的外周面，在與設置於馬達3a的驅動軸的滑輪3b之間繞掛皮帶3c。此外，在外筒體13的左端，液密地安裝導電性的凸緣17，透過該凸緣17藉 由夾具Cp與靶Tg的底筒41連結。藉此，若驅動馬達3a而將外筒體13旋轉驅動時，能與該外筒體13一體地將靶Tg以既定的旋轉數進行旋轉驅動。在此情況，馬達3a、皮帶3c及外筒體13是構成本實施形態的驅動手段。此外，內筒體12是透過電刷14而與外筒體13導通，該外筒體13是透過凸緣17而與底筒41導通、進而與靶材42導通(亦即，內筒體12和靶材42成為同一電位)。

在殼體11設有導電性的配管18，該配管18係在內部設有去路18a和返路18b且一端貫穿殼體11而延伸到內筒體12，去路18a是與內筒體12的內部空間12a連通，返路18b是與內筒體12和外筒體13之間的空間13b連通。配管18的另一端，是與具有公知構造之作為冷媒循環手段的冷卻單元Ch連接。此外，在配管18連接著來自圖外的濺鍍電源之輸出纜線19。如此，一邊藉由馬達3a將外筒體13旋轉驅動而將靶Tg進行旋轉驅動，一邊從濺鍍電源透過輸出纜線19而對靶Tg供應例如帶負電位的既定電力。

靶Tg係包含：圓筒狀的底筒41、及透過銦、錫等的接合材(未圖示)接合於底筒41之圓筒狀的靶材42。作為靶材42，可按照欲成膜於基板W上的膜組成而使用由金屬、金屬化合物當中適宜選擇者。在底筒41內，插入遍及靶材42的母線方向大致全長而延伸之薄壁的磁鐵盒43。而且，如圖3所示般，在磁鐵盒43內組裝有磁鐵單元Mu，該磁鐵單元Mu，是以使在靶Tg和基板 W之間通過磁場的垂直成分為零的位置之線Ml沿著靶Tg的母線延伸而封閉成跑道狀的方式，產生從靶Tg表面洩漏的磁場。

在此，當一邊使靶Tg旋轉一邊將靶材42進行濺鍍的情況，會沿著跑道狀的線Ml而產生電漿，電漿中的電子會進行順時針旋轉或逆時針旋轉，在角隅部Mc容易發生局部的電子密度增高。因此，磁鐵單元Mu必須構成為，避免在與角隅部Mc對置之靶材42的兩端發生局部濺蝕，且遍及靶Tg的母線方向全長能均等地使靶Tg受到濺蝕。

在本實施形態，磁鐵單元Mu構成為分成：在靶Tg的母線方向兩端分別形成角隅部Mc之第1部分5a、在比第1部分5a更靠靶Tg的母線方向內側分別配置成與第1部分5a鄰接之既定長度的第2部分5b、位於第2部分5b彼此之間的第3部分5c。在形成靶Tg的內部空間之磁鐵盒43內收納有移動手段6，該移動手段6是以相對於靶Tg表面可接近或離開的方式使第1部分5a、第2部分5b及第3部分5c獨立地移動。以下，進一步參照圖4、圖5來具體說明磁鐵盒43的內部構造。

如圖4所示般，在磁鐵盒43內插嵌有：在上下方向透過O型環S1而接合之上框體44和下框體45。上框體44和下框體45是藉由隔板46隔絕，在位於隔板46的上方之上框體44的內部空間44a，設置磁鐵單元Mu。此外，在位於隔板46的下方之下框體45的內部空 間45a，配置5個移動手段6，移動手段6係以相對於靶Tg表面可接近或離開的方式使第1部分5a、第2部分5b及第3部分5c獨立地移動。在下框體45的外周側，以沿著靶Tg之母線方向延伸的方式設有：在其與磁鐵盒43之間將冷媒循環時的去路47，該去路47的右端是與內筒體的內部空間12a連通。

另一方面，磁鐵盒43是形成為具有長軸朝上下方向之橢圓狀的剖面，當將磁鐵盒43插設於底筒41內時，在磁鐵盒43和底筒41的內周面之間，以位於去路47之徑向外側的方式形成有返路48，該返路48是與內筒體12和外筒體13之間的空間13b連通。藉此形成冷媒循環通路，其是從冷卻單元Ch經由配管18的去路18a、內筒體12的內部空間12a而到達磁鐵盒43的去路47，在支承塊2側的端部回到磁鐵盒43的返路48，從該返路48到達空間13b，再從配管18的返路18b返回冷卻單元Ch，在濺鍍中，可藉由與冷媒間的熱交換而將靶材42冷卻。

各移動手段6具有相同的構造，如圖5所示般，係具備馬達61、及連接於馬達61的驅動軸62之曲柄機構63。在曲柄機構63的曲柄銷63a套設曲柄臂63b，曲柄臂63b是貫穿形成於隔板46既定位置之圖示省略的透孔而朝上方延伸，曲柄臂63b的上端是連結於後述磁軛51a，51b，51c的下面。如此，若將馬達61進行旋轉驅動，磁鐵單元Mu可在往靶Tg側接近之接近位置 (參照圖4(a))、和從靶Tg離開之離開位置(參照圖4(b))之間進退自如地移動。此外，在位於曲柄臂63b附近之隔板46上，設有往上方突出的導銷64，導銷64的前端部插入設置於後述磁軛51a，51b，51c的既定位置上之導孔。

磁鐵單元Mu之第1部分5a、第2部分5b及第3部分5c，是在上框體44內沿著靶Tg的母線無間隙地緊密排列。第1部分5a、第2部分5b及第3部分5c，係具備不同長度之同一剖面形狀的磁軛51a，51b，51c，當將各磁軛51a，51b，51c沿著靶Tg的母線無間隙地緊密排列時，成為具有與靶Tg的母線長度相同的長度(參照圖3)。各磁軛51a，51b，51c是由磁性材料製的板狀構件所構成，該板狀構件係具備：與基板W的平行的頂面510、以及分別從頂面510朝向下方傾斜的傾斜面511。在第1部分5a之磁軛51a的頂面510，以從母線方向內端延伸的方式配置有中央磁鐵52a；在兩傾斜面511，分別配置有與中央磁鐵52a大致相同長度的周邊磁鐵53a。而且，在磁軛51a的頂面510母線方向外端，以包圍中央磁鐵52a之端部的方式配置有：用於將周邊磁鐵53a彼此之間架橋之角隅磁鐵54。

此外，在第2部分5b、第3部分5c之各磁軛51b，51c的頂面510，是遍及全長而配置中央磁鐵52b，52c；且在兩傾斜面511，是遍及全長而分別配置周邊磁鐵53b，53c。在此情況，作為中央磁鐵52a，52b、52c、 周邊磁鐵53a，53b，53c及角隅磁鐵54，是使用相同磁化的釹磁鐵，例如可利用一體成形之剖面大致四角形的棒狀者，也能將長方體的磁性片排列而構成。此外，因為磁鐵盒43內可成為大氣狀態，能夠使用公知的接著劑貼合於各磁軛51a，51b，51c。又在第1部分5a，亦可將磁鐵種類改變成與其他部分不同，而使從靶Tg表面洩漏的磁場強度成為不同。

第1部分5a之母線方向的長度D1設定成，對應於成為跑道狀的線Ml的角隅部Mc之起點的位置(亦即，在跑道狀的線從直線往曲線變化的位置)；第2部分5b的長度D2，則是按照將靶Tg以既定條件進行濺鍍時在基板面內的膜厚分布而適宜地設定。而且，第3部分5c的長度D3，則是考慮靶Tg的母線長度而適宜地設定。又在對應於靶Tg的母線長度而改變磁鐵單元Mu長度的情況，可維持第1部分5a、第2部分5b的長度D1，D2而改變第3部分5c的長度D3來進行調整。

依據以上構造，當電漿中的電子密度在跑道狀的線Ml的角隅部Mc局部增高而使靶Tg的兩端部之濺蝕量變多的情況，藉由移動手段6相對於靶Tg使兩第1部分5a往離開方向移動，藉此將從靶Tg表面洩漏的磁場強度減弱而能抑制在靶Tg兩端部發生之局部濺蝕。而且，因為將角隅部Mc的磁場強度減弱而使比靶Tg的兩端部分別更靠母線方向內側之靶Tg的部分之濺蝕量變化時，藉由移動手段6相對於靶Tg使兩第2部分5b往接近 方向或離開方向移動，藉此改變該部分的磁場強度，而能夠調整靶Tg的濺蝕量。結果，可遍及靶Tg的母線方向全長將靶Tg均等地濺蝕，能使靶Tg的使用效率變良好，將本實施形態的靶Tg進行濺鍍而在基板成膜時，還能使基板面內的膜厚分布變得均一。而且，因為藉由移動手段6還能使第3部分5c也以相對於靶Tg表面接近或離開的方式進行進退，可按照靶種類、靶厚度讓從靶Tg表面洩漏的磁場強度追隨而變化，此外，可對應於靶Tg的濺蝕進展，讓從靶Tg表面洩漏的磁場強度以成為恆定的方式變化，結果，可再現性良好地在基板W表面形成既定的薄膜。

以上是針對本發明的實施形態作說明，但本發明並不限定於上述說明。在上述實施形態，雖是說明使第3部分5c可相對於靶Tg進退自如的例子，但這點是可以省略的；此外，作為移動手段6，雖是說明具備有馬達及曲柄機構的例子，也能能採用線性馬達等的其他致動器。在此情況，為了簡化裝置構造，較佳為可利用開迴路(open-loop)進行磁鐵單元Mu之各部分5a，5b，5c的定位。

Claims (5)

1. 一種磁控濺鍍裝置用之旋轉式陰極單元，係具備圓筒狀的靶、磁鐵單元、冷媒循環手段以及驅動手段，該磁鐵單元，是以使通過磁場的垂直成分為零的位置之線沿著靶的母線延伸而封閉成跑道狀的方式產生從靶表面洩漏的磁場；該冷媒循環手段，是在靶的內部空間讓冷媒循環；該驅動手段，是將靶進行旋轉驅動；其特徵在於，在前述靶的內部空間插入磁鐵盒，並在成為大氣狀態的該磁鐵盒內配置磁鐵單元，前述磁鐵單元構成為分成第1部分、第2部分及第3部分，該第1部分，是在前述靶的母線方向兩端分別形成跑道的角隅部；該第2部分，是在比各前述第1部分更靠前述靶的母線方向內側分別配置成與前述第1部分鄰接；該第3部分，是位於前述第2部分彼此之間；在前述磁鐵盒內收容有移動手段，該移動手段，是以相對於前述靶表面可接近或離開的方式使各前述第1部分及各前述第2部分獨立地進退。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺鍍裝置用之旋轉式陰極單元，其中，在前述磁鐵盒內進一步收容有：以相對於前述靶表面可接近或離開的方式使前述磁鐵單元的前述第3部分獨立地進退之移動手段。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之磁控濺鍍裝置用之旋轉式陰極單元，其中， 前述靶係具有：底筒、及接合於該底筒的外表面之靶材，在前述磁鐵盒的外表面和前述底筒的內周面之間，形成有前述冷媒循環手段的流體通路。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述之磁控濺鍍裝置用之旋轉式陰極單元，其中，前述移動手段係具備馬達、及連結於該馬達的驅動軸之曲柄機構，且是透過該曲柄機構之曲柄臂連結於前述磁鐵單元；藉由將前述馬達旋轉驅動，使前述磁鐵單元可相對於前述靶朝接近或離開的方向移動自如。
5. 如申請專利範圍第3項所述之磁控濺鍍裝置用之旋轉式陰極單元，其中，前述移動手段係具備馬達、及連結於該馬達的驅動軸之曲柄機構，且是透過該曲柄機構之曲柄臂連結於前述磁鐵單元；藉由將前述馬達旋轉驅動，使前述磁鐵單元可相對於前述靶朝接近或離開的方向移動自如。