CN100569995C - 用于平面磁控管的磁体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于平面磁控管的磁体装置，其中第一磁极包围第二磁极。这种磁体装置在纵向方向朝向靶线性运动一定数值的距离，且随后在相反方向向回移动相同数值的距离。在一个实施例中，产生附加的垂直运动。所述磁体装置被设计成北极与南极交替布置或互锁，且产生波浪形轨道。这样就能够从整个靶表面持续地溅射。

Description

用于平面磁控管的磁体装置
技术领域
[0001]本发明涉及磁体装置，尤其涉及用于平面磁控管(planarmagnetron)的磁体装置。
背景技术
[0002]在溅射系统中，等离子体是在真空下的溅射腔内产生的。所产生的等离子体被认为是一种准中性多粒子系统(quasi-neutralmany-particle system)，其形式上是自由电子和离子以及可能的中性粒子即原子、分子或基团的气态混合物。所述等离子体的正离子受到阴极的负电势吸引，该阴极的特点或作用在于它即是所谓的靶。正离子撞击到这一靶上，并撞出许多细小粒子，这些粒子随后沉积到衬底上。撞出这些粒子被称为“溅射”。等离子体包含离子化气体，在非反应性溅射情况下，该气体例如可以是惰性气体如氩气。在反应性溅射情况下，举例来说，使用的只是氧气或是氧气与惰性气体结合使用。
[0003]溅射工艺或处理所需的离子是通过气体原子与辉光放电中的电子相撞产生的，且其借助于电场而被加速到形成阴极的靶中。
[0003.1]在传统的DC和HF溅射中，仅极少数被发射出去溅射靶的次级电子或二次电子对溅射气体原子的离子化有贡献。
[0004]为改善溅射效果，利用了接近靶的磁体。它们的磁场将等离子体保持在靶处。通过磁场与电场的相互作用，等离子体中的载荷子基本不再平行于电场运动，而是与电场形成直角，从而导致回旋状(cycloid)电子轨迹。由于电子的偏转半径因电子的低质量而远小于离子的偏转半径，电子聚集于靶表面前方。因此，溅射气体原子通过与电子相撞而被离子化的概率就高得多。作为电子ExB漂移(电子循着被称为轨道的轨迹)、且等离子体集中于靶表面前方的结果，电子就不再直接飞向衬底。因此就减少了对衬底的加热。
[0005]更重得多的离子则落到靶上，靶具有负电极或阴极及溅射效应。因此，离子化大部分发生在磁场矢量平行于靶表面的位置。等离子体在此位置处最为密集，结果就是靶在此点受到最强烈的侵蚀或损耗。辉光放电等离子体实际上被磁场所封闭，且电子轨迹因电子围绕作为轴线的磁力线旋转这一事实而延伸，从而增大了气体原子与电子相撞的速率。
[0006]为涂覆或镀较大区域，一般使用平面磁控管。然而这些平面磁控管的靶利用率较低，例如为40％或更低。
[0007]因此，最近已经更多地采用旋转圆柱形磁控管(cylindermagnetron)，这种磁控管取得了90％及更高的靶利用率。
[0008]圆柱形磁控管(有时也称为管式阴极)以及平面磁控管特有的缺点是靶的不规则损耗。管式阴极较少溅射到边缘，事实上在边缘处可能发生重复涂覆。在平面磁控管中形成所谓轨道，即因磁控管中磁体的布置而导致的侵蚀所造成的沟槽。这些侵蚀沟槽是因离子化的气体粒子相撞而直接产生的。这些粒子以不规则方式撞击供作负电极或阴极并用于溅射的靶。等离子体轨迹由磁场(磁场与电子轨迹相关)或轨道决定，尤其限制了平面磁控管的靶利用率；当靶在一给定点受到充分侵蚀的时候，即便在其它点尚有足够材料，该靶也就不再能被利用了。不过，即使圆柱形磁控管在静止时拥有等离子体轨道，该轨道对应于磁体的结构，在旋转的靶上也不会形成沟槽状凹陷。
[0009]除了管状轨道侵蚀外，带有直轨道的矩形平面磁控管额外地有所谓交角效应(cross corner effect)的特点，该效应也限制了靶的利用率。交角就是矩形磁控管的对角线两端相对的角。如果在磁控管阴极的末端区内的磁场不同于中心区内的磁场，例如前者比后者弱，则在该末端区内的电子漂移就比中部更快，即电子快速到达交角区域。这导致电子聚积在这一区域，从而导致更密集的离子化且随后导致靶侵蚀增大。(参看Q.H.Fan，L.Q.Zhou and J.J.Gracio，Across-cornereffect in a rectangular sputtering magnetron，J.Phys.D：Appl.Phy.36(2003)，244-251)。
[0010]已有一种磁控溅射系统，在该系统中，第一极性的双重T形磁体被第二极性的矩形框架磁体所包围(美国专利5 458 759)。该系统利用磁体的布置来实现尽可能均匀的靶损耗。
[0011]另一种方法也是建立在这样的假设上：磁体的布置导致靶的侵蚀(欧洲专利DE 197 01 575 A1)。在实施中，该方法提出在垂直于阴极的长度方向或称纵向方向的方向上设置衬底，同时将阴极的磁体布置成使其构成溅射侵蚀表面区域的两条封闭环线，并且能垂直于阴极的长度方向运动。
[0012]此外有一种溅射系统，其中磁体是以弯曲形式布置的(欧洲专利DE 0 105 407，图5)。这样以弯曲电子轨迹的形式，来产生预定的等离子体溅射区，从而确保相对恒定的靶损耗。借助于这种溅射系统，靶与磁体系统之间无相对运动产生。因此，在各弯曲环线间可能产生重复涂覆，而大于衬底的靶不会被充分溅射。
[0013]另一种现有的磁控溅射阴极的特点在于一种带有中心棒的内部磁南极，从该中心棒上，以规则的间隔，成直角，有舌形部件向外伸出(欧洲专利DE 0 242 826 B1＝美国专利US 4 826 584)。其中外部的磁北极有一矩形框架，该框架有舌形部件从纵向或长度方向侧面以直角向内伸出，框架的舌形部件是这样设置的：它们各自被置于磁南极的两个舌形部件之间。这导致一弯曲形磁场，且因此而有弯曲形侵蚀区。南极的舌形部件均彼此平行。同样，借助于这种溅射阴极，在靶与磁性系统之间没有相对运动。
[0014]还有一种用于溅射系统的磁体装置，其中一磁性北极框架包围一线形南极，参见日本专利摘要(Patent Abstracts of Japan，Vol.013，no.169(C-587)& JP 63317671 A，图8)。在上述北极和南极之间，还有其它北极和南极在线形南极的右侧和左侧(但不连接到这个线形南极)。
[0015]此外，有一种用于溅射系统的磁体装置，其中一大致为环形的北极包围一线形南极，并且其中南极的端部具有伸至北极的臂(美国专利US 5 182 003)。然而这些臂相对于彼此并不偏移。
[0016]最后，有一种用于溅射系统的磁体装置，其中第一椭圆形磁极包围第二线形磁极(美国专利US 5 026 471)。这两个磁极均有从磁极伸出的臂。
发明内容
[0017]本发明的基本任务是，通过适当控制侵蚀沟槽并尽可能地保持靶避免重复沉积，来优化利用大型靶。
[0018]根据本发明的一个实施例，此问题是通过采用一种用于平面磁控管的磁体装置来解决的，该磁体装置包括第一磁极，第一磁极被设计成一矩形框架；所述磁体装置还包括第二磁极，该第二磁极被设计成一线形棒，且其中该线形棒在其纵轴上有多个垂直臂，其特征在于，两个所述臂(9、10)各自位于所述棒(2)的端部，并被设置成相对于所述棒(2)的纵轴构成约60°角度(α)。根据本发明的另一实施例，上述问题是通过采用另一种用于平面磁控管的磁体装置来解决的，该磁体装置包括第一磁极和第二磁极，其中第一磁极包围第二磁极，且第二磁极有第一组臂(31至35)和第二组臂(36至40)，第一组臂(31至35)是以第一方向定向的，第二组臂(36至40)是以与第一方向相反的方向定向的，其特征在于第一组臂(31至35)的纵轴相对于第二组臂(36至40)的纵轴偏移，以使第一组的一臂(例如34)的纵轴位于第二组的两臂(例如38、39)的纵轴之间。
[0019]因此本发明涉及一种用于平面磁控管的磁体装置，在该装置中，第一磁极包围第二磁极。该磁体装置在长度方向朝靶移动一特定值，并随后在相反方向上移动相同值。在一个实施例中，还采用了附加的垂直运动。所述磁体装置被设计成北极和南极互锁，以形成波浪形轨道。因此，能够实现整个靶表面上的均匀溅射。
[0020]用本发明取得的益处包括能够实现只有单个侵蚀沟槽形成的大且平的靶的溅射扫描，而使得其表面的50％以上为侵蚀沟槽所覆盖。通过靶与磁体系统之间的相对运动，产生均匀的侵蚀分布。通过相反磁极元件的略微互锁，溅射也发生于靶的中部。
[0021]如果恰当应用本发明，甚至能够实现只有一个轨道或侵蚀轨迹形成的大而宽的靶的溅射扫描。因为所述磁体装置的两极在中间略微互锁，所以能够仅用一种线性运动，实现高靶利用率和事实上对自由靶表面的完全重复溅射扫描。在实施本方案时，北极和南极是彼此相对设置的，从而实现了靶上的弯曲形轨道。两个相对弯曲部分彼此如此接近，这使得在进行靶长度方向上的线性运动的时候，靶表面即被均匀地溅射。提升高度为弯曲间隔的正负一半。
附图说明
[0022]本发明实施例的例子显示于附图中，并随后做更详细的描述。附图中：
图1是平面磁控管中的第一磁体装置的部分示意图；
图2是平面磁控管中的第二磁体装置的部分示意图；
图3是平面磁控管中的第三磁体装置的部分示意图；
图4是磁体装置与靶以及衬底的示意图。
具体实施方式
[0023]图1显示一根据本发明的第一磁体结构1的部分示意图，借助该结构能够持续地利用靶。然而在这样工作时，需要在两个不同方向上的运动：一方面，此磁体系统必须沿靶的长度方向移动，另一方面，还需要沿靶宽度方向的附加运动，以便不产生重复涂覆。图1所示磁体结构1在右侧以相反的镜像延续(图中未示)。磁体结构的磁性南极包括横向的棒2，棒2上的臂3到8被设置成彼此平行，且垂直于棒2。
[0024]在棒2的一端，设置磁性南极的两个附加臂9、10，臂9、10的纵轴被设置成相对于相交棒2的纵轴成一定角度α。此角度α约为60°。在棒2的未示于图中的右端也有臂，这些臂斜向(diagonally)延伸并对应于臂9和臂10，不过它们不是向左延伸，而是向右延伸。在右端的这些臂被设置成镜像对称于臂9和臂10。
[0025]磁体结构1的北极被设置成围绕南极，类似于一框架，其中上框架区段11和下框架区段12以及左侧横向框架区段13可从图中看到。而与框架区段13对应的右侧横向框架区段未示于图中。在左侧框架区段13的中部设置臂16，该臂与棒2的左端相对。相应地，在右侧也设置一臂，该臂对应于臂16。
[0026]在棒2的臂9与臂3、臂3与臂4、臂4与臂5、臂10与臂6、臂6与臂7、臂7与臂8两两之间，设置有舌形部件21至23、14以及24至26、15，这些舌形部件垂直于框架区段11或12，并且是向内侧定向的。
[0027]磁体结构1的北极和南极在后面用磁轭板17、18连接。线20表示出在靶的后面产生的侵蚀轨迹，靶的后面未示于图1中。
[0028]在静止时，即当磁体结构1与靶未相对于彼此移动时，侵蚀轨迹或轨道20形成一个单个弯曲部分。为优化利用靶，必须使磁轭17、18沿靶的长度方向移动，而用磁体结构1确定弯曲部分。此外，还要求沿靶宽度方向移动，以在靶的中部不产生重复溅射扫描。
[0029]磁体9、10和16的布置用于消除或减少交角效应。在轨道的一较长直区段之后，便可能在随后的曲线之后产生交角效应。在单独一个直轨道上不会产生交角效应。这种效应仅发生于靶的相对两侧处，在上述位置处电子在曲线之后穿过直区段(请参看欧洲专利公开号DE 197 01 575 A1中的图7B)。此处所描述的本发明没有包含延长直区段的轨道，本发明的轨道总是弯曲的。若省略磁体臂16，且与其它磁体平行地设置磁体9和10，则所述轨道沿着靶宽度便是简单的直线形，且可能会有交角效应。
[0030]图2显示第二磁体结构30，借助该结构仅需沿靶长度一个方向的运动，而不需要沿靶宽度方向的运动。在这样工作时，所产生的磁体结构30的运动沿靶的长度方向是线性的。在靶的一端产生返回运动。
[0031]磁体结构30的磁极之一，例如南极，具有等距的上臂31至35以及等距的下臂36至40。下臂36～40的纵轴平行于上臂31～35的纵轴，不过它们在横向上偏移，因此它们可穿过一标志点，该点标志的是上臂31～35的纵轴之间的中部。
[0031.1]在矩形块41至45以及矩形块46至50中，臂31至35或臂36至40的端部是向内定向的，矩形块41至45以及矩形块46至50被连接到连接元件51至59，所述连接元件形成块41至45与块46至50之间的连接。这些连接元件51至59被设置成相对于臂31至35以及臂36至40的纵轴成角度β。
[0032]因此，南极的所有部件都是磁性连接的。
[0033]其它磁极，例如磁体结构30的北极是由多个罩形子磁体构成的，每个子磁体包围南极的臂31至35或臂36至40的其中一臂。这些子磁体的特点在于各自有两个侧边61、62或侧边63、64或侧边65、66或侧边67、68或侧边69、70，这些侧边被设置成相对于臂31至35以及臂36至40的中心轴是倾斜的，侧边的上端通过块71至75而彼此连接，块71至75的纵轴是水平的。侧边61至70的下端同样由块125至130连接，块125至130具有垂直定向的纵轴。下部子磁体同样是对应于所述北极的上部子磁体来设置的。侧边80至88的端部邻接块90至94及块100至104。块90至94是垂直定向的，而块100至104是水平定向的。
[0034]在静止时，即在磁体结构30与靶之间没有相对运动时，所形成的轨道被设计成曲线105的形式，并形成两条重叠的类似于正弦曲线的波浪线。
[0035]图2不仅显示了北极和南极，还显示了靶表面上磁场的垂直分量的过零位置或零点。磁体结构30相对于靶运动的方向是以双向箭头111表示的。该箭头表明，这种运动仅发生在靶的纵向方向上，也就是说，一旦到达右端，即随后转向左边，依此类推。在这样工作时，行程长度是弯曲间隔的正负一半。在此情况下，弯曲间隔被认为是正弦形曲线105的两个峰值之间的间隔。双向箭头111的尺寸近似地对应于所述弯曲间隔。
[0035.1]关于y轴和x轴的信息是以毫米(mm)为单位提供的，本发明不限于这种单位。这些信息仅表明一种可实施磁体装置的空间尺寸。
[0036]作为磁体结构30(该结构对中心轴是不对称的)设计的一个结果，溅射还是在中心区域内进行的；然而重复涂覆发生于环线之间。仅仅是通过磁场沿靶长度方向的运动，在不重复溅射扫描靶边缘的条件下，产生对自由靶表面的重复溅射扫描。
[0037]采用磁体结构30，在靶的顶部和底部产生了重复溅射扫描区域。这种重复溅射扫描区域是不希望的并且是可以减少的，例如，通过平行四边形形式的靶可以减少这种重复溅射扫描区域。但其也可通过将所述弯曲部分设置成一定角度来减少。
[0038]磁体结构120示于图3，该磁体结构中的弯曲部分被设置成一定角度。由于磁体元件的数量及其基本结构与图2所示相同，这些磁体元件的表示法与图2相同。在本例中，臂31至40相对于垂直方向倾斜角度γ。这导致在彼此的顶部有两条正弦形波浪线，例如轨道121。通过使弯曲部分倾斜，就可能在靶的两端减少重复溅射扫描。
[0039]图3中的磁体结构120是以和图2中磁体结构30相同的方式，相对于靶运动的。
[0040]图4示意性地表示一种装置，该装置不但包括磁体结构1，还包括靶77及衬底78。该磁体结构与图1所示相同，这就是为什么单个磁体元件以相同表示法为其特征的原因。
[0041]靶77和衬底78被固定设置在一未示于图中的溅射腔内。然而，在靶77下方，具有磁轭17、18的磁体结构1可朝向箭头97、98运动。为此目的，设置承载板113，承载板连接到图中未示的驱动器，承载板的端部由轨道114、115引导，在该承载板113上设置滑座116，该滑座通过柱117来支承磁体结构1。因为滑座116能够朝向箭头98运动，所以磁体结构1能够根据需要而相对于靶77运动。
[0042]尽管在本发明实施例的以上示例中，因磁体是沿靶长度方向运动的，所以靶长于磁体结构。然而所述靶宽度小于磁体装置的宽度。靶的尺寸是由轨道的尺寸和形式及运动的形式决定的。

Claims (24)

1.用于平面磁控管的磁体装置，其中第一磁极被设计成一矩形框架；所述磁体装置包括第二磁极，该第二磁极被设计成一线形棒，且其中该线形棒在其纵轴上有多个垂直臂，其特征在于，两个臂(9、10)各自位于所述棒(2)的端部，并被设置成相对于所述棒(2)的纵轴成约60°角(α)。
2.根据权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，所述第一磁极是矩形框架(11至13)，其具有多个臂(16、21至23、15、24至26)，所述臂是相对于所述第二磁极的棒(2)定向的。
3.根据权利要求2所述的磁体装置，其特征在于，所述框架(11至13)的两个臂(16)位于所述棒(2)的纵轴的假想延长线上，且与该棒(2)有一定距离。
4.根据权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，多个臂(3至8)是以直角设置在所述线形棒(2)的纵轴上的。
5.根据前述任一项权利要求所述的磁体装置，其特征在于，所述框架(11至13)的臂(21至23、15、24至26)的纵轴与所述棒(2)的臂(3至8)的纵轴是彼此平行的。
6.根据权利要求5所述的磁体装置，其特征在于，所述框架(11至13)的臂(21至23、15、24至26)与所述棒(2)的臂(3至8)相互交替或互锁。
7.用于平面磁控管的磁体装置，其中第一磁极包围第二磁极，且所述第二磁极有第一组臂(31至35)和第二组臂(36至40)，所述第一组臂(31至35)是以第一方向定向的，所述第二组臂(36至40)是以与所述第一方向相反的方向定向的，其特征在于，所述第一组臂(31至35)的纵轴相对于所述第二组臂(36至40)的纵轴偏移，以使所述第一组臂的一臂(34)的纵轴位于所述第二组臂的两臂(38、39)的纵轴之间。
8.根据权利要求7所述的磁体装置，其特征在于，所述第一组臂(31至35)是等距设置的。
9.根据权利要求7所述的磁体装置，其特征在于，所述第二组臂(36至40)是等距设置的。
10.根据权利要求7所述的磁体装置，其特征在于，所述第一组臂(31至35)与所述第二组臂(36至40)是通过斜向棒(51至59)连接的。
11.根据权利要求10所述的磁体装置，其特征在于，所述斜向棒(51至59)通过块(41至45、46至50)与所述臂(31至35、36至40)连接。
12.根据权利要求7所述的磁体装置，其特征在于，所述第一磁极具有第一组斜向臂(61至70)，该第一组斜向臂中每两个臂(63、64)构成一人字屋顶形元件，该人字屋顶形元件中的一臂(64)的一端与第一块(127)接触，而该臂(64)的另一端与第二块(72)接触。
13.根据权利要求12所述的磁体装置，其特征在于，所述第一块(127)的纵轴垂直于所述第二块(72)的纵轴。
14.根据权利要求12所述的磁体装置，其特征在于，所述第一磁极的一个人字屋顶形元件(65、66)包围所述第二磁极的一臂(33)。
15.根据权利要求12所述的磁体装置，其特征在于，所述人字屋顶形元件的两个斜向臂(65、66)是彼此镜像对称的。
16.根据权利要求12所述的磁体装置，其特征在于，所述人字屋顶形元件的两个斜向臂(65、66)相对于穿过块(128)的纵轴具有不同的倾斜角。
17.根据权利要求7所述的磁体装置，其特征在于，所述第二磁极的臂(31至35、36至40)相对于穿过所述第一磁极的块(128)的纵轴具有不同的倾斜角。
18.根据权利要求1或7之一所述的磁体装置，其特征在于，所述磁体装置是一溅射系统的磁控管的一部分。
19.根据权利要求18所述的磁体装置，其特征在于，所述靶(77)的位置与衬底(78)相对。
20.根据权利要求1或7之一所述的磁体装置，其特征在于，所述磁体装置可相对于靶(77)运动。
21.根据权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，所述磁体装置(1)可在x或y方向上相对于靶(77)运动。
22.根据权利要求21所述的磁体装置，其特征在于，所述磁体装置(1)可前后运动。
23.根据权利要求7所述的磁体装置，其特征在于，所述磁体装置(30)可在x方向上并且相对于靶(77)运动。
24.根据权利要求23所述的磁体装置，其特征在于，所述磁体装置(30)可前后运动。
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