CN103403219A - 等离子体处理用磁控管电极 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种异常放电少、且能够长时间稳定地放电的等离子体处理用磁控管电极。将第二电极配置在比第一电极的外侧磁极的内侧端部更靠外侧的位置、或仅配置在磁通量密度低的部分。

Description

等离子体处理用磁控管电极

技术领域

本发明涉及等离子体处理用磁控管电极。

背景技术

作为真空薄膜成膜法，有蒸镀法、溅镀法、CVD法等各种成膜方法，根据要求膜特性和生产率的兼顾等而选择最优的成膜方法。其中，在合金系材料的成膜、或存在欲大面积地形成均质膜的要求的情况下等，通常多使用溅镀法。与其他成膜方法相比，溅镀法存在难以提高成膜速度、生产率低这一很大的缺点，但可通过磁控管溅镀法等等离子体高密度化技术的确立等来谋求提高成膜速度。

在非专利文献1中简单地解说了磁控管放电的结构。简而言之，是通过磁流环捕获电子从而使等离子体高密度化的技术。由于高密度等离子体促进溅镀，所以将该技术应用于溅镀电极的磁控管溅镀法能够提高成膜速度。

非专利文献1：菅井秀郎等著，「プラズマエレクトロニクス」(《等离子电子学》)，Ohmsha，Ltd出版，平成12年8月发行p99～101

发明内容

如背景技术所述，磁控管溅镀技术是提高成膜速度的关键技术，但在实际的装置运用中存在各种课题。其中，电弧放电等异常放电有可能导致灰尘的产生从而使工件产生质量上的缺点，因此实施各种措施谋求抑制异常放电地运用磁控管溅镀技术。在用于抑制异常放电的研究实验中，发明人得知，在磁控管等离子体电极的磁路中，当在磁场较强的部分存在成为阳极电位的部件时，该部件易引起异常放电。本发明的目的在于确立能够抑制该异常放电的结构，提供一种异常放电少的稳定的磁控管电极。

为了实现上述目的，本发明的方案1提供一种等离子体处理用磁控管电极，至少包括：第一电极，其具有放电面；磁铁，其在上述第一电极的放电面侧构成磁控管用磁路；以及第二电极，其相对于上述第一电极电绝缘，以使得能够在第二电极与上述第一电极之间提供电位差，上述第二电极以相对于上述第一电极在与放电面垂直的方向上具有间隙地覆盖上述第一电极的放电面的方式配置，上述第二电极的内侧端部位于比上述磁路的外侧磁极的内侧端面更靠外侧、且比上述第一电极的外侧端面更靠内侧的位置。

另外，本发明的优选方案提供一种等离子体处理用磁控管电极，在使得在上述第二电极的与上述第一电极相对一侧的表面、相对于上述第二电极为垂直的方向的磁通量密度不超过20毫特斯拉的位置配置上述第二电极。

另外，本发明的其他方案提供一种离子体处理用磁控管电极，至少包括：第一电极，其具有放电面；磁铁，其在上述第一电极的放电面侧构成磁控管用磁路；以及第二电极，其相对于上述第一电极电绝缘，以使得能够在第二电极与上述第一电极之间提供电位差，在使得在上述第二电极的与上述第一电极相对一侧的表面、相对于上述第二电极为垂直的方向的磁通量密度不超过20毫特斯拉的位置配置上述第二电极；并且，上述第二电极的内侧端部位于比上述第一电极的外侧端面更靠内侧的位置。

另外，本发明的优选方案提供一种等离子体处理用磁控管电极，在上述磁路的外侧磁极的内侧端面配置有辅助磁铁。

另外，本发明的优选方案提供一种等离子体处理用磁控管电极，构成为从上述第一电极和上述第二电极的间隙向上述第一电极的放电面附近的放电空间放出气体。

另外，本发明的优选方案提供一种离子体处理用磁控管电极，以如下方式构成：以相对于上述第一电极空出间隔并包围上述第一电极的放电面以外的部分的方式配置绝缘体，在与上述第一电极的放电面为相反侧的上述绝缘体部件上设置腔室，向上述腔室导入气体，将与上述腔室连接的、上述第一电极和上述绝缘体之间的间隙作为气体流路，从上述第一电极和上述第二电极之间的间隙向上述第一电极的放电面附近的放电空间放出上述气体。

另外，本发明的其他方案提供一种磁控管溅镀电极，是使用上述的等离子体处理用磁控管电极的溅镀电极，上述第一电极至少具有靶材和背板，上述背板通过冷却水而被冷却，上述靶材通过与上述背板接触而被冷却，上述靶材和上述背板能够装拆地组装。

另外，本发明的优选方案提供一种成膜方法，是使用配置在真空槽内的溅镀电极在基材上形成薄膜的成膜方法，使用上述的磁控管溅镀电极作为上述溅镀电极。

根据本发明，能够实现异常放电少、且能够长时间稳定地放电的等离子体处理用磁控管电极。由此，提供对伴随异常放电的灰尘的产生、灰尘附着于工件成为质量缺陷的风险进行抑制的等离子体处理方法及成膜方法、成膜装置。

附图说明

图1是本发明的DC磁控管溅镀用电极的概略剖视图。

图2是从放电面侧观察图1所示的DC磁控管溅镀用电极而得到的概略俯视图。

图3a是本发明的其他方式、即未设置阴极箱的构造的例子的概略剖视图。

图3b是本发明的其他方式、即不使用辅助磁铁的构造的例子的概略剖视图。

图3c是本发明的其他方式、即其他类型的磁路的一例的概略结构图。

具体实施方式

以下，以将本发明的最优实施方式的例子适用于DC磁控管溅镀用电极的情况为例，边参照附图边进行说明。

图1是本发明的DC磁控管溅镀用电极的概略剖视图。另外，图2是从放电面侧观察图1所示的DC磁控管溅镀用电极而得到的概略俯视图。

采用以下结构：以覆盖阴极箱101的开口部的方式设置背板103，在背板103上设有靶材102。在阴极箱101的宽度方向中央部，主磁铁105以使靠靶材102的一侧为S极的朝向沿阴极箱的长度方向串联设置，辅助磁铁106设置成以沿阴极箱101的内壁并在辅助磁铁106与主磁铁105之间设有间隙的状态包围主磁铁105并使靠靶材102的一侧为N极，通过使冷却水在通水路径108中流动，经由主磁铁105、辅助磁铁106及背板103来冷却靶材102。该结构具有以下优点：兼顾用于防止磁铁的热退磁的冷却构造和用于靶材冷却的冷却构造的优点，以及由于能够获得大的冷却面积从而冷却性能优异的优点。此外，关于磁铁的极性，只要背板103的厚度方向与磁铁的磁化方向相同，并且主磁铁105的靠靶材侧的极性与辅助磁铁106的靠靶材侧的极性不同即可，不限定于例示的配置方法。另外，主磁铁105的放电面侧的面为内侧磁极112。形成如下结构：在阴极箱101的外侧设有隔着未图示的间隔件而具有间隙地固定的绝缘块107，在绝缘块107的顶端配置有阳极104。成为如下的装置：在真空腔室内，通过在适当的气压下在阳极104和阴极箱101之间施加电压，由此在靶材102的放电面侧构成磁控管用磁路，即，产生通过磁控管效应而高密度化的等离子体从而高效率地进行溅镀。在此，在图1及图2所示的结构的电极中，阴极箱101、靶材102、背板103电连接，因此全部都处于相同的阴极电位，它们相当于权利要求中的“第一电极”。另外，阳极104相当于“第二电极”。

在图1所示的剖视图中，磁控管用的磁路由主磁铁105和辅助磁铁106构成，阴极箱101可以是磁性材料也可以是非磁性材料。若由磁性材料构成阴极箱101而使其成为轭铁，则能够封闭磁路，从而能够有效地增强靶材102上的磁通量。在该情况下，外侧磁极111是将阴极箱101的外壁的放电面侧的面与辅助磁铁106的放电面侧的面加起来而成的面。作为阴极箱101的材质，例如除铁、镍等磁性金属以外，还优选使用碳钢或铁素体系或马氏体系的不锈钢等，特别是，铁素体系或马氏体系不锈钢更优选作为具有耐腐蚀性的磁性材料。图3a中示出未设置阴极箱101的构造的例子的概略剖视图。也考虑像这样通过轭铁109封闭与靶材102相反一面侧的磁通量而构成。在该情况下，可以不设置阴极箱101，即使在设置阴极箱101的情况下也不要求其为磁性体，能够通过非磁性材料制作阴极箱101。在该情况下，外侧磁极111为辅助磁铁106的放电面侧的面。

另外，存在通过将阴极箱作为轭铁而构成磁路，即使不使用辅助磁铁106，磁控管也成立的情况，能够削减部件数量从而降低成本。图3b是未使用辅助磁铁106的构造的例子的概略剖视图。在该情况下，外侧磁极111为阴极箱101的外壁的放电面侧的面。

主磁铁105例如优选使用钐钴磁铁、钕磁铁、铁氧体磁铁等永久磁铁。要求主磁铁105具有大的残留磁通量密度的情况较多，在这样的情况下，优选使用廉价的钕磁铁，但由于其磁铁性能的温度依赖性强，所以在热环境严酷的情况下，虽然高价但优选使用钐钴磁铁。

辅助磁铁106也相同地优选使用钐钴磁铁、钕磁铁、铁氧体磁铁等永久磁铁。但是，阴极箱101成为轭铁那样的情况下的辅助磁铁106的功能为在一定程度上吸收从主磁铁放出的磁通量，以使其不会过度从背后绕过，因此多为无需那么大的残留磁通量密度的情况。因此，虽然残留磁通量密度小，但因廉价而优选使用磁铁性能的温度依赖性比较小的铁氧体磁铁。

图3c示出其他类型的磁路的一例的概略结构图。以上叙述的结构中任一种都是在与靶材102的放电面相反一侧设置磁铁而在靶材102的放电面侧构成磁路的例子，但如图3c所示，也能够在靶材102的放电面侧设置磁铁而构成磁路。关于该情况下的磁铁的极性，只要是相对的面彼此为相互排斥的方向即可，不限定于例示的配置方法。

靶材102根据形成的膜的要求特性而适当选定材料。在金属材料的情况下，靶材102和背板103一起与阴极箱101电连接而成为相同电位。

背板103具有如下功能：将靶材102受到的等离子体热、焦耳热、溅镀热释放到在通水路径108中流动的冷却水中的热交换功能；以及与阴极箱101电连接而成为与其相同的电位的功能。为此，优选使用热传导率和导电率大的铜或铝、或者铜或铝的合金。但是，由于在与冷却水或不同种金属接触的状态下有电流流动，所以背板103是发生腐蚀的可能性高的部件，因此优选使用铜合金。另外，背板103同时具有成为阴极箱101的盖这一功能，通过进行组装而形成通水路径107。通过在通水路径107中通入冷却水来直接冷却大面积的背板103，因此冷却性能优异。通过将靶材102载置于背板103的与通水路径107相反一侧的面上并使其与背板103接触，靶材102的热量经由背板103而向冷却水散热。此时，靶材102可以接合于背板103上，但在该情况下，在使用完靶材时要连背板一起更换，因此优选能够装拆地组装靶材和背板，以使得能够只更换靶材。另外，若形成如下结构，则无需在更换靶材时排出阴极箱101内的冷却水，从而能够高效率地更换靶材，因此更为优选，即：形成将用于将背板103安装于阴极箱101上的紧固部件、和用于使靶材102与背板103接触的紧固部件分开的构造，以使得即使将靶材102从背板103上取下，背板103和阴极箱101也能够维持组装状态的结构。

绝缘块107具有使阳极104相对于阴极箱101电绝缘的功能、以及在绝缘块107和阴极箱101之间形成间隙的功能。该间隙作为用于放电的气体流路发挥功能，能够从阳极104和靶材102之间沿宽度方向均匀地向放电空间供给气体。作为其他方法，有通过气体喷嘴从放电空间附近直接供给的方法，但由于气体喷嘴的形状而比较容易产生供气不均。与此相对，根据本发明的方法，能够减少气体的供气不均，因此优选。另外，通过在气体流路中设置腔室，能够进一步降低供气不均，更加优选。作为绝缘块107的材质，只要是绝缘体则哪种材料都可以，但由于陶瓷等高价、较重且很脆而易于破碎，因此以聚氯乙烯或尼龙这样的所谓通用树脂为代表，优选使用超高分子量聚乙烯或聚缩醛这样的通用的工程塑料等各种树脂。其中，比较耐热的聚酰亚胺和聚苯硫醚、聚醚醚铜、聚四氟乙烯等被称为超级工程塑料的材料作为在等离子体等热源附近使用的材料而更加优选。

阳极104以在从放电面侧观察时覆盖背板103、或靶材102的外周的方式配置，中央部设有开口部，以使得不会妨碍溅镀粒子的飞溅，阳极104作为用于在阳极104与背板103、或靶材102之间施加电压的对置电极发挥功能。因此，靶材102和阳极104需要电绝缘，从而设置间隙而配置。关于以在从放电面侧观察时能够观察到靶材102的外周的程度在靶材102的更外侧配置阳极104的方法，由于在灰尘附着于阳极104和靶材102的间隙时会产生异常放电，因此不优选，优选的是，在与放电面垂直的方向上设置间隙。在该间隙过宽的情况下，会在阳极104的靶材102侧的面上捕获溅镀粒子而易于成为异常放电的原因，另外，在该间隙过窄的情况下，当万一灰尘进入时会成为异常放电的原因，因此根据发明人的实验的见解，从靶材102表面到阳极104的靶材102侧的面的间隙优选为1mm～7mm的范围。从电特性和材料特性的观点来看适当选定各种金属材料，但优选使用热传导率和导电率高的铜或铜合金。另外，由于受到等离子体热和焦耳热，因此优选设置冷却构造。

关于阳极104的开口部，考虑电力损耗、气体的整流效果和高效率地向放电空间供给气体的情况，显而易见的是以仅使靶材102的腐蚀区域开口的程度较窄地形成开口较好，但在本发明中，发明人得知，在磁控管等离子体电极的磁路中，当在磁场较强的部分存在阳极电位的部件时，该部件易引起异常放电。另外，得知在阳极104的开口边缘部位于比阴极外侧端面更靠外侧的位置的情况下，由于长时间放电而导致阴极侧面由于溅镀气体等的附着而被污染，易于引起异常放电。

作为抑制这些异常放电的对策，优选的是，使阳极开口边缘部位于比外侧磁极的内侧端面更靠外侧、且比阴极的外侧端面、即阴极箱101、背板102和靶材103的任一个的位于最外侧的面更靠内侧的位置，另外，更优选的是，使相对于阳极为垂直方向的磁通量密度不超过20毫特斯拉。另外，若使相对于阳极为垂直方向的磁通量密度不超过20毫特斯拉，则通过使阳极开口边缘部位于比阴极的外侧端面更靠内侧的位置，能够得到同等的异常放电抑制效果，因此优选。

实施例

实施例1

分别制作了改变本发明的磁控管溅镀电极中的、磁控管用磁路的结构及磁场强度的装置、和改变阳极开口宽度的装置，并实施了对异常放电的产生状况进行比较的实验，将其结果作为实施例，并将使用不是本发明的磁控管溅镀电极而进行相同实验得到的结果作为比较例进行介绍。

首先，在说明书中详细说明具体的构造，随后用一览表示出构造的不同和异常放电的产生状况的不同。

首先，说明与方案1相对应的、图3b的剖视图所示的电极。阴极箱利用铁素体系不锈钢SUS430制作。阴极箱凹部的内尺寸为：宽度82mm、长度272mm、深度20mm。外尺寸为：宽度108mm、长度298mm、高度24.5mm。即，一侧的外侧磁极的宽度为13mm。在阴极箱凹部中央，将长度40mm×宽度10mm×高度20mm且沿高度方向磁化的NeoMag公司制钕磁铁(Grade：N40)以使阴极箱开口部的方向为S极的方式沿长度方向排列配置而作为主磁铁，不使用辅助磁铁。该钕磁铁的表面磁通量密度为520毫特斯拉。以封堵阴极箱凹部的方式安装背板，实施O环密封。背板使用无氧铜C1020，且宽度108mm、长度298mm、厚度3mm。背板与阴极箱的固定使用埋头螺钉，将螺钉头嵌入背板中。形成在背板表面放置靶材、并通过靶材按压件将靶材向背板压靠的构造。靶材使用无氧铜C1020，且宽度82mm、长度290mm、厚度8mm。采用如下构造：靶材按压件使用奥氏体系不锈钢SUS304，使用两根宽度13mm、长度290mm、厚度8mm的靶材按压件，挂在靶材的长度的两边，并螺钉紧固在阴极箱上，由此将靶材压靠在背板上。由于螺钉头突出会导致电场集中，因此使用埋头螺钉并将其嵌入靶材按压件中。从靶材表面隔开4mm的间隙而设置阳极。阳极使用无氧铜C1020，且宽度158mm、长度348mm、厚度3mm。开口部以中心为基准且宽度98mm、长度289mm。即，阳极的内侧端部位于比外侧磁极的内侧端面靠外侧8mm的位置，且位于比阴极的外侧端面即外侧磁极的外侧端面靠内侧5mm的位置。

测定如上所述地构成的磁控管溅镀电极的阳极的内侧端部表面处的与阳极垂直的方向的磁通量密度。关于测定，使用KANETSU公司制高斯计(gauss meter)TM-201，使探头前端的测定部直接接触阳极的电极长度方向中央部(图2中用P表示的点)的开口部前端而进行测定。将通过以上的方法测定实施例1、2、3及比较例的结果与从阴极外侧磁极的内侧端部到阳极的内侧端部的距离一起在表1中示出。

接下来，说明放电试验条件。放电试验如下地实施：将磁控管溅镀电极设置于真空腔室内，并连接ENI公司制DC脉冲电源RPG-100。关于真空条件，首先进行抽真空直到达到2.0×10^-2Pa以下，然后使用调压阀调压至1.0Pa。电源的脉冲振荡条件为，频率250kHz、反转时间1.6μsec，输出功率为4kW。溅镀用气体使用氧气，流量为200sccm，溅镀用气体从电极的阳极和阴极之间流向靶材表面的放电空间。

将以上说明的放电条件作为通用条件，使用实施例1、2、3及比较例的构造的电极进行放电实验，将比较异常放电的产生状况的结果在表1中示出。异常放电的产生状况如下地分类表示：将产生等离子体消失的程度的异常放电这样的状况表示成×，将有时产生能够维持等离子体放电的程度的小电弧放电的程度的状况表示成○，将几乎不发生包括小电弧放电在内的异常放电的状况表示成◎。另外，从放电开始经过3小时后的异常放电产生状况也在该表中示出。

实施例2

改变实施例1的电极的磁路。具体而言，将在阴极箱的宽度方向中央配置的长度40mm、宽度10mm、高度20mm且沿高度方向磁化的钕磁铁替换为长度50mm、宽度10mm、高度10mm的NeoMag公司制钕磁铁(Grade：N35)，并将其以使磁化方向朝向高度方向且使阴极箱开口部的方向为S极的方式沿长度方向排列配置而作为主磁铁，不使用辅助磁铁。该钕磁铁的表面磁通量密度为390毫特斯拉。其他的电极结构与实施例1的结构相同，实验结果同样在表1中示出。另外，从放电开始经过3小时后的异常放电产生状况也在该表中示出。

实施例3

改变实施例1的电极的磁路，成为图1的剖视图所示的电极构造。具体而言，在阴极箱的宽度方向中央配置的主磁铁不变，在阴极箱外侧磁极内表面，将长度65mm、宽度4mm、高度19mm的相模化学金属公司制各向异性铁氧体磁铁以使阴极箱开口部的方向为N极的方式设置而作为辅助磁铁。该各向异性铁氧体磁铁的表面磁通量密度为140毫特斯拉。其他的电极结构与实施例1的结构相同，实验结果同样在表1中示出。另外，从放电开始经过3小时后的异常放电产生状况也在该表中示出。

比较例1

改变实施例1的电极的阳极开口部尺寸。具体而言，使阳极开口部以中心为基准且宽度80mm、长度271mm。即，比阴极外侧磁极的内侧端面靠内侧1mm，是超出本发明的权利要求书的范围的装置。其他的电极结构与实施例1的结构相同，实验结果同样地在表1中示出。此外，由于经常发生异常放电，所以未实施从放电开始经过3小时后的放电试验。

比较例2

改变实施例1的电极的阳极开口部尺寸。具体而言，使阳极开口部以中心为基准且宽度111mm、长度301mm。即，在比阴极外侧端面更靠外侧的位置配置阳极端面，是稍微超出本发明的权利要求书的范围的装置。其他的电极结构与实施例1的结构相同。

在通过该电极实施放电实验时，在放电初期，具有不逊色于实施例1的放电性能，但在从放电开始经过3小时后，阴极侧面被污染，在阴极侧面经常发生异常放电。这是在实施例1、实施例2、实施例3中未发现的现象。

表1

工业实用性

本发明例示DC磁控管溅镀电极并进行了详细说明，但不限于此，也能够用作RF溅镀电极或利用等离子体进行的表面改性处理用电极、等离子体CVD用电极，但其应用范围不限于此。

附图标记说明

101：阴极箱

102：靶材

103：背板

104：阳极

105：主磁铁

106：辅助磁铁

107：绝缘块

108：通水路径

109：轭铁

111：外侧磁极

112：内侧磁极

P：垂直磁通量密度测定点

Claims (8)

1.一种等离子体处理用磁控管电极，其特征在于，至少包括：第一电极，其具有放电面；磁铁，其在所述第一电极的放电面侧构成磁控管用磁路；以及第二电极，其相对于所述第一电极电绝缘，以使得能够在第二电极与所述第一电极之间提供电位差，所述第二电极以相对于所述第一电极在与放电面垂直的方向上具有间隙地覆盖所述第一电极的放电面的方式配置，所述第二电极的内侧端部位于比所述磁路的外侧磁极的内侧端面更靠外侧、且比所述第一电极的外侧端面更靠内侧的位置。

2.如权利要求1所述的等离子体处理用磁控管电极，其特征在于，在使得在所述第二电极的与所述第一电极相对一侧的表面、相对于所述第二电极为垂直的方向的磁通量密度不超过20毫特斯拉的位置配置所述第二电极。

3.一种离子体处理用磁控管电极，其特征在于，至少包括：第一电极，其具有放电面；磁铁，其在所述第一电极的放电面侧构成磁控管用磁路；以及第二电极，其相对于所述第一电极电绝缘，以使得能够在第二电极与所述第一电极之间提供电位差，在使得在所述第二电极的与所述第一电极相对一侧的表面、相对于所述第二电极为垂直的方向的磁通量密度不超过20毫特斯拉的位置配置所述第二电极；并且，所述第二电极的内侧端部位于比所述第一电极的外侧端面更靠内侧的位置。

4.如权利要求1～3中任一项所述的等离子体处理用磁控管电极，其特征在于，在所述磁路的外侧磁极的内侧端面配置有辅助磁铁。

5.如权利要求1～4中任一项所述的等离子体处理用磁控管电极，其特征在于，构成为从所述第一电极和所述第二电极的间隙向所述第一电极的放电面附近的放电空间放出气体。

6.如权利要求5所述的等离子体处理用磁控管电极，其特征在于，以如下方式构成：以相对于所述第一电极空出间隔并包围所述第一电极的放电面以外的部分的方式配置绝缘体，在与所述第一电极的放电面为相反侧的所述绝缘体部件上设置腔室，向所述腔室导入气体，将与所述腔室连接的、所述第一电极和所述绝缘体之间的间隙作为气体流路，从所述第一电极和所述第二电极之间的间隙向所述第一电极的放电面附近的放电空间放出所述气体。

7.一种磁控管溅镀电极，其特征在于，是使用权利要求1～6中任一项所述的等离子体处理用磁控管电极的溅镀电极，所述第一电极至少具有靶材和背板，所述背板通过冷却水而被冷却，所述靶材通过与所述背板接触而被冷却，所述靶材和所述背板能够装拆地组装。

8.一种成膜方法，其特征在于，是使用配置在真空槽内的溅镀电极在基材上形成薄膜的成膜方法，使用权利要求7所述的磁控管溅镀电极作为所述溅镀电极。

Images