專利名稱：磁控管源及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于包括一具有濺鍍面及背面的靶材的磁控管源。
背景技術(shù)：
濺鍍沉積是藉由從“靶材”將材料濺鍍至“基板”(例如，硅晶圓)上來沉積薄膜的物理氣相沉積(PVD)法。使該靶材暴露至以充電粒子(離子)進(jìn)行的轟擊，以從該靶材的表面轟出材料的原子及分子。磁控濺鍍?cè)词褂脧?qiáng)的電磁場(chǎng)在該靶材的附近，以陷捕靠近該表面的電子。通常藉由在該靶材后面(亦即，沿著該靶材的背面)所配置的永久磁鐵(更罕見的是螺線管)來產(chǎn)生該磁場(chǎng)，以這樣的方式，在該祀材的表面(稱為派鍍表面)上方建立一磁性隧道(magnetic tunnel)。這些電子因該電磁場(chǎng)而被迫沿著螺旋路徑行進(jìn)且在靠近該革巴材表面處比其它地方經(jīng)歷更多的與氣體中性粒子的游離碰撞(ioni zing collisions)。這在該磁控濺鍍?cè)吹牟僮髌陂g導(dǎo)致強(qiáng)電漿的封閉回路。該濺鍍氣體是惰性的(通常是氬)。因這些碰撞所產(chǎn)生的過量氬離子導(dǎo)致較高濺鍍及沉積速率。這些濺鍍粒子絕大部份電中性，且因而不受該磁陷阱的影響。藉該磁場(chǎng)隧道將電子的撞擊集中在該靶材的某些區(qū)域?qū)е逻x定侵蝕的區(qū)域(所謂的環(huán)形軌跡“ (racetrack) ”)。為了控制該侵蝕及允許均勻沉積結(jié)果，常常建立該磁鐵系統(tǒng)相對(duì)于及沿著該靶材的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)磁鐵系統(tǒng)或該磁鐵系統(tǒng)的部分的線性運(yùn)動(dòng)在該領(lǐng)域中是常見的。大部分的可調(diào)整磁鐵設(shè)計(jì)是根據(jù)橫向磁鐵運(yùn)動(dòng)(US 5，188，717、US6，821，397B1)。鐵磁性材料比非磁性材料更難實(shí)現(xiàn)可調(diào)整磁鐵的設(shè)計(jì)。主要困難度為I.必須將許多永久磁鐵用于該設(shè)計(jì)，以對(duì)該靶材進(jìn)行飽和轟擊；這需要許多的空間。2.該侵蝕軌跡必須提供完全面侵蝕；不接受特別是在該靶材中心的再沉積區(qū)域。3. “實(shí)際”侵蝕喜歡該靶材的局部飽和所提供的磁性“快捷方式(shortcuts) ”。特別是，如果在靶材后面所設(shè)置的磁鐵不夠強(qiáng)，則常常不顧在該侵蝕軌跡設(shè)計(jì)中的繞道。4.該磁鐵運(yùn)動(dòng)需要強(qiáng)的馬力及無摩擦軸承。在US 5，399，253中，提出旋轉(zhuǎn)磁鐵翻轉(zhuǎn)或樞接，以在不同固定磁鐵設(shè)計(jì)中達(dá)成完全面侵蝕及高度靶材利用。(像在us 2006/0065525A1中)以垂直磁鐵運(yùn)動(dòng)提供橫向磁鐵運(yùn)動(dòng)的替代方案，然而，在此需要一專屬濺鍍?cè)丛O(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的在于至少補(bǔ)救例如上面所概述的一些現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)。這可藉由一包括一具有濺鍍面及背面的靶材的磁控管源來完成。沿著該背面，提供永久磁鐵的磁鐵配置，包括外磁鐵配置，其沿著一外幾何框形或環(huán)形軌跡的主要部分配置，且具有一面對(duì)該背面的型態(tài)的磁極；及一內(nèi)磁鐵配置，其沿著該外幾何框形或環(huán)形軌跡內(nèi)的一內(nèi)幾何框形或環(huán)形軌跡的主要部分配置，且具有面對(duì)該靶材的背面的其它型態(tài)磁極。該外及內(nèi)幾何軌跡界定一中間空間。該外及內(nèi)磁鐵配置沿著該濺鍍面產(chǎn)生一沿著由該內(nèi)及外幾何框形或環(huán)形軌跡所界定的環(huán)路的隧道狀磁控管磁場(chǎng)。該磁鐵配置可以驅(qū)動(dòng)方式沿著及相對(duì)于該靶材背面移動(dòng)。該磁鐵配置因而包括至少一狹長(zhǎng)永久磁鐵配置，其沿著一配置成平行于、沿著且遠(yuǎn)離該背面的軸線延伸及與該中間空間對(duì)齊。該狹長(zhǎng)配置是以可控制驅(qū)動(dòng)方式以它的軸線為中心樞轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)及包括沿著且相對(duì)于該所提及軸線放射狀地配置的永久磁鐵偶極。在依據(jù)本發(fā)明的磁控管源的一實(shí)施例(其可以與本發(fā)明的任何實(shí)施例結(jié)合，除非有所矛盾)中，該磁鐵配置是以驅(qū)動(dòng)方式，以一垂直于該背面的軸線為中心旋轉(zhuǎn)。在依據(jù)本發(fā)明的磁控管源的一實(shí)施例(其可以與本發(fā)明的任何實(shí)施例結(jié)合，除非有所矛盾)中，該狹長(zhǎng)配置是沿著該軸線的圓柱形及沿著該軸線以永久磁鐵較佳地實(shí)現(xiàn)該等偶極。在依據(jù)本發(fā)明的磁控管源的一實(shí)施例(其可以與本發(fā)明的任何實(shí)施例結(jié)合，除非 有所矛盾)中，這些偶極沿著該軸線互相對(duì)齊。在依據(jù)本發(fā)明的磁控管源的一實(shí)施例(其可以與本發(fā)明的任何實(shí)施例結(jié)合，除非有所矛盾)中，該磁控管源包括一個(gè)以上的狹長(zhǎng)永久磁鐵，其可互相控制地樞轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)。在依據(jù)本發(fā)明的磁控管源的一實(shí)施例(其可以與本發(fā)明的任何實(shí)施例結(jié)合，除非有所矛盾)中，該中間空間是對(duì)稱于一垂直于或沿著該背面的對(duì)稱軸及將該等狹長(zhǎng)配置設(shè)置成與對(duì)稱于該對(duì)稱軸的該中間空間對(duì)齊。在依據(jù)本發(fā)明的磁控管源的一實(shí)施例(其可以與本發(fā)明的任何實(shí)施例結(jié)合，除非有所矛盾)中，藉一磁分路構(gòu)件使遠(yuǎn)離及背向該背面的該內(nèi)及外磁鐵配置的磁極橫跨中間空間互連，該狹長(zhǎng)配置是位于該分路構(gòu)件與該背面之間。在依據(jù)本發(fā)明的磁控管源的一實(shí)施例(其可以與本發(fā)明的任何實(shí)施例結(jié)合，除非有所矛盾)中，該靶材是一圓盤，該外磁鐵配置具有一朝向該圓盤的中心的輪幅延伸部(spoke extension),該外及內(nèi)磁鐵配置因而產(chǎn)生一也橫跨該中心且跨接于該中心上方的磁控管磁場(chǎng)。在依據(jù)本發(fā)明的磁控管源的一實(shí)施例(其可以與本發(fā)明的任何實(shí)施例結(jié)合，除非有所矛盾)中，該靶材是由鐵磁性材料所制成。藉由一種制造一涂布有一包括一材料的層的基板的方法達(dá)成上述目的。此種方法包括以下步驟在一電場(chǎng)中朝著一具有所提及材料的靶材的濺鍍面產(chǎn)生一封閉環(huán)路磁控管磁場(chǎng)；以及沿著該濺鍍面移動(dòng)該磁控管磁場(chǎng)，藉此使所提及材料濺離該靶材及以一包括該提及材料的涂布材料濺鍍一遠(yuǎn)離且面對(duì)該濺鍍面的基板。再者及此外，藉由至少一狹長(zhǎng)磁鐵配置，執(zhí)行該磁控管磁場(chǎng)相對(duì)于該濺鍍面的局部擺動(dòng)，該至少一狹長(zhǎng)磁鐵配置沿著一軸線延伸且可以驅(qū)動(dòng)方式以該軸線為中心樞轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)以及沿著且相對(duì)于該軸線具有放射狀延伸磁偶極以及在這些偶極的磁場(chǎng)作用在該磁控管磁場(chǎng)上的區(qū)域中以該軸線平行于、沿著且遠(yuǎn)離該靶材的背面方式來安裝。該磁控管磁場(chǎng)沿著該背面移動(dòng)的同時(shí)，一起移入該狹長(zhǎng)磁鐵配置，以及執(zhí)行該狹長(zhǎng)磁鐵配置的樞轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)，以便在該基板上達(dá)成該涂層的期望厚度首U面。在依據(jù)本發(fā)明的方法的一變型中，所提及材料是鐵磁性材料。現(xiàn)在應(yīng)該藉助于圖來進(jìn)一步舉例說明本發(fā)明。


圖I在一底視圖中示意顯示依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方法的一具有一磁鐵配置的磁控管源，其包括一固定磁鐵配置及相對(duì)于其移動(dòng)的調(diào)整磁鐵圖2是以有限元素分析仿真所產(chǎn)生在側(cè)面xy_平面(Bxy)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度；圖3是依據(jù)圖I及2的方法所產(chǎn)生的模擬及測(cè)量厚度剖面；圖4是在一立體圖中，依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例所應(yīng)用的一具有永久磁鐵的旋轉(zhuǎn)圓柱。圖5是在依據(jù)本發(fā)明的一磁控管源的外及內(nèi)磁鐵配置間的中間空間中的圖4的旋轉(zhuǎn)圓柱，且在該中間空間上方具有支承板跨接及磁分路；圖6是如圖2及依據(jù)本發(fā)明的磁控管源的一實(shí)施例所應(yīng)用的有效耦接旋轉(zhuǎn)圓柱；
圖7在一示意底視圖中顯示依據(jù)本發(fā)明的一磁控管源；圖8是在依據(jù)本發(fā)明的一磁控管源的外及內(nèi)磁鐵配置間的兩個(gè)有效耦接永久磁鐵圓柱的定位順序，且具有一支承板作為磁分路及具有2的角速比；圖9是在圖7及8的磁控管源中圓柱位置“兩出”及“兩進(jìn)”及“一進(jìn)/ 一出”的計(jì)算侵蝕剖面；以及圖10是圖7、8及9的圓柱“兩出”及“兩進(jìn)”及“一進(jìn)/ 一出”的沉積剖面。
具體實(shí)施例方式以下舉例圖示說明上述困難點(diǎn)。圖I所示的設(shè)計(jì)使用2組移動(dòng)磁鐵1，其以個(gè)別轉(zhuǎn)向點(diǎn)(turning points) 3為中心移動(dòng)一角度，以增加在這些磁鐵之外區(qū)域中的侵蝕軌跡5的長(zhǎng)度。該總磁鐵配置提供一配置成用以界定一外幾何環(huán)形軌跡9的外磁鐵配置7及一配置成用以界定一內(nèi)幾何環(huán)形軌跡13的內(nèi)磁鐵配置11。以N及S來分別提及指向靶材15的磁極型態(tài)。針對(duì)一既定濺鍍?cè)丛O(shè)置，以有限元素分析仿真在一具有2. 4特斯拉飽和通量的3mm靶材15上方的依據(jù)圖I的磁控管源的磁場(chǎng)。于圖2中顯示xy_平面上的橫向場(chǎng)強(qiáng)度。場(chǎng)強(qiáng)度中的一些變化可看得見，但是該場(chǎng)的橫向運(yùn)動(dòng)相當(dāng)小。因此，圖2的右側(cè)圖與圖I的右側(cè)圖所示的移動(dòng)磁鐵I的位置一致(磁鐵離開)，圖2的左側(cè)圖與圖I的左側(cè)圖一致(磁鐵進(jìn)入)。也模擬及測(cè)量侵蝕及沉積剖面，在圖3中繪制模擬及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。上面所示的范例證明，甚至在外侵蝕軌跡上的32mm的延伸實(shí)際對(duì)均勻度沒有影響。測(cè)量的均勻度變化甚至小于模擬的均勻度變化。橫向磁鐵運(yùn)動(dòng)對(duì)于鐵磁性材料沒有可行解決方式。除此之外，該橫向磁鐵運(yùn)動(dòng)使所述總磁鐵配置1、7、11以圖I所示的中心17為中心的旋轉(zhuǎn)失去平衡。但是，事實(shí)上需要可調(diào)整磁鐵，以便在一磁控濺鍍?cè)O(shè)置中，微調(diào)該靶材侵蝕剖面及沉積剖面。對(duì)于鐵磁性材料，在已達(dá)(磁)飽和后，磁控濺鍍依賴在該靶材上方的殘余場(chǎng)通量。在此磁鐵運(yùn)動(dòng)需要高的力量。本發(fā)明的基本概念為狹長(zhǎng)永久磁鐵配置，特別是具有朝圓柱的徑向定向的永久磁鐵21的圓柱19的使用，亦即，沿著圓柱19來界定相對(duì)于圖4所示圓柱的軸線A成放射狀定向的磁偶極D。這些圓柱是安裝在用以建立磁控濺鍍用的磁控管磁場(chǎng)的永久磁鐵的總成27中。該整體設(shè)置27、19、23通常是一具有平盤幾何的旋轉(zhuǎn)磁控管設(shè)置的一部分，其中沿著相對(duì)于該靶材表面的垂直偶極軸，將北極及南極安裝在一用以導(dǎo)引或引導(dǎo)磁通量及固定圖5所示永久磁鐵的鐵磁性材料支承板23上。以適當(dāng)軸承安裝該圓柱19，以抵消只可沿著該靶材的背面移動(dòng)作為該總磁鐵配置的一部分的所述可調(diào)整及固定永久磁鐵組27間的強(qiáng)大力量。使用一旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，以該圓柱軸線A為中心旋轉(zhuǎn)該圓柱。藉由如此做，可以180°C旋轉(zhuǎn)交換北極及南極，或可使用中間位置(90° )提高或衰減該固定永久磁鐵組所產(chǎn)生的磁控管磁場(chǎng)。必須使用至少一圓柱19,兩個(gè)或更多圓柱19是可能的。兩個(gè)圓柱19可個(gè)別驅(qū)動(dòng)或如圖6示意顯示，以一驅(qū)動(dòng)器25耦接成一個(gè)系統(tǒng)，以減少驅(qū)動(dòng)復(fù)雜度。該圓柱旋轉(zhuǎn)的位置感測(cè)是可作為初始化的選擇及可藉由一位于該支承板中的磁鐵傳感器來實(shí)現(xiàn)。圖7顯示以軸線37為中心，相對(duì)于靶材39旋轉(zhuǎn)且具有一外磁鐵配置30、一內(nèi)磁鐵配置32及兩個(gè)可調(diào)整磁鐵圓柱19a及19b的磁控管設(shè)計(jì)。以34相較于36來顯示環(huán)形軌跡(侵蝕軌跡)的變化。 因此，圖7顯示一在一旋轉(zhuǎn)磁控管上具有2個(gè)圓柱的可能設(shè)計(jì)。左圖顯示該窄的侵蝕圖案34，其中翻轉(zhuǎn)兩個(gè)圓柱以使南極向上，以及在右圖中，將北極翻轉(zhuǎn)向上，而提供該最外侵蝕軌跡36。在圖8的順序中描述兩個(gè)耦接圓柱19a及19b情況，其中相較于右側(cè)圓柱以雙倍角速度旋轉(zhuǎn)左側(cè)圓柱?？梢詧D6所示的驅(qū)動(dòng)器25實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)，其中連接兩個(gè)圓柱的驅(qū)動(dòng)軸經(jīng)由螺紋驅(qū)動(dòng)這些圓柱，且它們之間具有其2倍的間距。在圖8中，繪制該左側(cè)圓柱19a的全旋轉(zhuǎn)及該右側(cè)圓柱1%的半旋轉(zhuǎn)，該順序可持續(xù)至所有可能8個(gè)組合。須知，特別是當(dāng)使僅以軸線37為中心旋轉(zhuǎn)的圖7的固定磁鐵配置30及32的磁場(chǎng)衰減時(shí)，一些位置可能無用，以致于在該靶材39中的飽和可能太低。在圖9中繪制3個(gè)最重要圓柱位置“兩出”及“兩進(jìn)”及“一進(jìn)/ 一出”的計(jì)算侵蝕剖面。因此，“兩進(jìn)”位置與圖8的具有圓柱位置Pin的兩個(gè)圓柱一致，而“兩出”位置與圖8的具有位置Pwt的兩個(gè)圓柱一致。在圖8中以所述圓柱的兩個(gè)位置Pimut表示位置該位置“一進(jìn)/ 一出”?？汕宄吹?，該等可調(diào)整磁鐵19對(duì)該侵蝕剖面具有巨大的影響。圖10中的對(duì)應(yīng)沉積剖面顯示60mm的靶材基板距離?？汕宄吹?，相較于第I至3圖的現(xiàn)有技術(shù)范例所述的小于％ I，在均勻度方面達(dá)成約15%或±7%的變化的卓越范圍。因此，提出一磁控濺鍍?cè)?，其包括一靶材及一磁鐵系統(tǒng)，該磁鐵系統(tǒng)是配置在該靶材后面，以致于磁控管磁場(chǎng)在該靶材的濺鍍面上方成為有效的。該磁鐵系統(tǒng)呈現(xiàn)固定磁鐵及作為可調(diào)整磁鐵的放射狀磁化圓柱，其實(shí)質(zhì)在一平面上配置成平行于該靶材平面，以致于在一個(gè)別磁控濺鍍?cè)吹牟僮髌陂g，藉由該磁場(chǎng)來局限一封閉電漿環(huán)路。可旋轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)所述圓柱的磁鐵偶極方位及因而修改或局部擺動(dòng)該電漿環(huán)路的形狀。于一較佳實(shí)施例中，在磁控濺鍍期間，于該靶材背面后面，在一實(shí)質(zhì)平行于該靶材背面的平面上旋轉(zhuǎn)該磁鐵配置。在另一較佳實(shí)施例中，使用磁性材料作為靶材材料。
權(quán)利要求
1.一種磁控管源，包括一具有濺鍍面及背面的靶材，永久磁鐵的磁鐵配置沿著該背面，該磁鐵配置包括外磁鐵配置其沿著一外幾何框形或環(huán)形軌跡的主要部分配置，且具有一面對(duì)該背面的型態(tài)的磁極；及內(nèi)磁鐵配置，其沿著該外幾何框形或環(huán)形軌跡內(nèi)的一內(nèi)幾何框形或環(huán)形軌跡的主要部分配置，且具有面對(duì)該背面的其它型態(tài)磁極，該外及內(nèi)幾何軌跡界定一中間空間，該外及內(nèi)磁鐵配置沿著該濺鍍面產(chǎn)生一沿著由該內(nèi)及外幾何軌跡所界定的環(huán)路的隧道狀磁控管磁場(chǎng)，該磁鐵配置可以驅(qū)動(dòng)方式沿著及相對(duì)于該靶材的背面移動(dòng)，其特征在于該磁鐵配置包括至少一狹長(zhǎng)永久磁鐵配置，其沿著一平行于、沿著且遠(yuǎn)離該背面的軸線延伸及與該中間空間對(duì)齊，該狹長(zhǎng)配置是以可控制驅(qū)動(dòng)方式以該軸線為中心樞轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)及包括沿著且相對(duì)于該軸線放射狀地配置的永久磁鐵偶極。
2.如權(quán)利要求I的磁控管源，其中該磁鐵配置是以驅(qū)動(dòng)方式以一垂直于該背面的軸線為中心旋轉(zhuǎn)。
3.如權(quán)利要求I或2的磁控管源，其中該狹長(zhǎng)配置是沿著該軸線的圓柱形及沿著該軸線以永久磁鐵較佳地實(shí)現(xiàn)所述偶極。
4.如權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)的磁控管源，其中所述偶極沿著該軸線互相對(duì)齊。
5.如權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)的磁控管源，包括一個(gè)以上的該狹長(zhǎng)永久磁鐵，其可互相控制地樞轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求5的磁控管源,其中該中間空間是對(duì)稱于一垂直于或沿著該背面的對(duì)稱軸及將所述狹長(zhǎng)配置設(shè)置成與對(duì)稱于該對(duì)稱軸的該中間空間對(duì)齊。
7.如權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)的磁控管源，其中藉由一磁分路構(gòu)件使該外及內(nèi)磁鐵配置的遠(yuǎn)離及背向該背面的磁極橫跨中間空間互連，該狹長(zhǎng)配置是位于該分路構(gòu)件與該背面之間。
8.如權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)的磁控管源，其中該靶材是圓形，該外磁鐵配置具有一朝向該圓形祀材的中心的輪幅延伸部(spoke extension),該外及內(nèi)磁鐵配置因而產(chǎn)生該磁場(chǎng)也橫跨該中心且跨接于該中心上方。
9.如權(quán)利要求I至8中任一項(xiàng)的磁控管源，其中該靶材是由鐵磁性材料所制成。
10.一種制造一涂布有一包括一材料的層的基板的方法，包括下面步驟在一電場(chǎng)中朝著一具有該材料的靶材的濺鍍面產(chǎn)生一封閉環(huán)路磁控管磁場(chǎng)；以及沿著該濺鍍面移動(dòng)該磁控管磁場(chǎng)，藉此使該材料濺離該靶材，及以一包括該材料的涂布材料濺鍍一遠(yuǎn)離且面對(duì)該濺鍍面的基板，其特征在于藉由至少一狹長(zhǎng)磁鐵配置，使該磁場(chǎng)相對(duì)于該濺鍍面額外局部地?cái)[動(dòng)，該至少一狹長(zhǎng)磁鐵配置沿著一軸線延伸且可以驅(qū)動(dòng)方式以該軸線為中心樞轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)，以及沿著且相對(duì)于該軸線具有放射狀延伸磁偶極以及在所述偶極的磁場(chǎng)作用在該磁控管磁場(chǎng)上的區(qū)域中以該軸線平行于且沿著該靶材的背面方式來安裝，在沿著該背面移動(dòng)該磁控管磁場(chǎng)的同時(shí)，一起移入該狹長(zhǎng)磁鐵配置，以及可控制地樞轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)該狹長(zhǎng)磁鐵配置，以便在該基板上達(dá)成該涂層的期望厚度剖面。
11.如權(quán)利要求10的方法，其中該材料是鐵磁性材料。
全文摘要
一種磁控管源包括一具有濺鍍面及背面的靶材(39)。以驅(qū)動(dòng)方式沿著該靶材(39)的背面移動(dòng)一磁鐵配置(30、32、19a、19b)。在該磁鐵配置的一外環(huán)路(30)與一內(nèi)環(huán)路(32)之間產(chǎn)生一隧道狀磁控管磁場(chǎng)。在該整體配置的外及內(nèi)環(huán)路(30、32)之間的中間空間中提供該磁鐵配置的狹長(zhǎng)可樞轉(zhuǎn)或可旋轉(zhuǎn)永久磁鐵配置(19a、19b)。
文檔編號(hào)H01J37/34GK102859639SQ201180009239
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2011年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者J·魏夏特 申請(qǐng)人:Oc歐瑞康巴爾斯公司