CN102859639A - 磁控管源及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁控管源包括一具有溅镀面及背面的靶材(39)。以驱动方式沿着该靶材(39)的背面移动一磁铁配置(30、32、19a、19b)。在该磁铁配置的一外环路(30)与一内环路(32)之间产生一隧道状磁控管磁场。在该整体配置的外及内环路(30、32)之间的中间空间中提供该磁铁配置的狭长可枢转或可旋转永久磁铁配置(19a、19b)。

Description

磁控管源及制造方法
技术领域
本发明是关于包括一具有溅镀面及背面的靶材的磁控管源。
背景技术
溅镀沉积是藉由从“靶材”将材料溅镀至“基板”(例如，硅晶圆)上来沉积薄膜的物理气相沉积(PVD)法。使该靶材暴露至以充电粒子(离子)进行的轰击，以从该靶材的表面轰出材料的原子及分子。磁控溅镀源使用强的电磁场在该靶材的附近，以陷捕靠近该表面的电子。通常藉由在该靶材后面(亦即，沿着该靶材的背面)所配置的永久磁铁(更罕见的是螺线管)来产生该磁场，以这样的方式，在该靶材的表面(称为溅镀表面)上方建立一磁性隧道(magnetic tunnel)。这些电子因该电磁场而被迫沿着螺旋路径行进且在靠近该靶材表面处比其它地方经历更多的与气体中性粒子的游离碰撞(ionizing collisions)。这在该磁控溅镀源的操作期间导致强电浆的封闭回路。该溅镀气体是惰性的(通常是氩)。因这些碰撞所产生的过量氩离子导致较高溅镀及沉积速率。
这些溅镀粒子绝大部份电中性，且因而不受该磁陷阱的影响。藉该磁场隧道将电子的撞击集中在该靶材的某些区域导致选定侵蚀的区域(所谓的环形轨迹“(race track)”)。为了控制该侵蚀及允许均匀沉积结果，常常建立该磁铁系统相对于及沿着该靶材的相对运动。旋转磁铁系统或该磁铁系统的部分的线性运动在该领域中是常见的。
大部分的可调整磁铁设计是根据横向磁铁运动(US 5,188,717、US6,821,397B1)。
铁磁性材料比非磁性材料更难实现可调整磁铁的设计。主要困难度为：
1.必须将许多永久磁铁用于该设计，以对该靶材进行饱和轰击；这需要许多的空间。
2.该侵蚀轨迹必须提供完全面侵蚀；不接受特别是在该靶材中心的再沉积区域。
3.“实际”侵蚀喜欢该靶材的局部饱和所提供的磁性“快捷方式(shortcuts)”。特别是，如果在靶材后面所设置的磁铁不够强，则常常不顾在该侵蚀轨迹设计中的绕道。
4.该磁铁运动需要强的马力及无摩擦轴承。
在US 5,399,253中，提出旋转磁铁翻转或枢接，以在不同固定磁铁设计中达成完全面侵蚀及高度靶材利用。(像在US 2006/0065525A1中)以垂直磁铁运动提供横向磁铁运动的替代方案，然而，在此需要一专属溅镀源设计。
发明内容
本发明的一目的在于至少补救例如上面所概述的一些现有技术缺点。
这可藉由一包括一具有溅镀面及背面的靶材的磁控管源来完成。沿着该背面，提供永久磁铁的磁铁配置，包括：外磁铁配置，其沿着一外几何框形或环形轨迹的主要部分配置，且具有一面对该背面的型态的磁极；及一内磁铁配置，其沿着该外几何框形或环形轨迹内的一内几何框形或环形轨迹的主要部分配置，且具有面对该靶材的背面的其它型态磁极。该外及内几何轨迹界定一中间空间。该外及内磁铁配置沿着该溅镀面产生一沿着由该内及外几何框形或环形轨迹所界定的环路的隧道状磁控管磁场。该磁铁配置可以驱动方式沿着及相对于该靶材背面移动。
该磁铁配置因而包括至少一狭长永久磁铁配置，其沿着一配置成平行于、沿着且远离该背面的轴线延伸及与该中间空间对齐。该狭长配置是以可控制驱动方式以它的轴线为中心枢转或旋转及包括沿着且相对于该所提及轴线放射状地配置的永久磁铁偶极。
在依据本发明的磁控管源的一实施例(其可以与本发明的任何实施例结合，除非有所矛盾)中，该磁铁配置是以驱动方式，以一垂直于该背面的轴线为中心旋转。
在依据本发明的磁控管源的一实施例(其可以与本发明的任何实施例结合，除非有所矛盾)中，该狭长配置是沿着该轴线的圆柱形及沿着该轴线以永久磁铁较佳地实现该等偶极。
在依据本发明的磁控管源的一实施例(其可以与本发明的任何实施例结合，除非有所矛盾)中，这些偶极沿着该轴线互相对齐。
在依据本发明的磁控管源的一实施例(其可以与本发明的任何实施例结合，除非有所矛盾)中，该磁控管源包括一个以上的狭长永久磁铁，其可互相控制地枢转或旋转。
在依据本发明的磁控管源的一实施例(其可以与本发明的任何实施例结合，除非有所矛盾)中，该中间空间是对称于一垂直于或沿着该背面的对称轴及将该等狭长配置设置成与对称于该对称轴的该中间空间对齐。
在依据本发明的磁控管源的一实施例(其可以与本发明的任何实施例结合，除非有所矛盾)中，藉一磁分路构件使远离及背向该背面的该内及外磁铁配置的磁极横跨中间空间互连，该狭长配置是位于该分路构件与该背面之间。
在依据本发明的磁控管源的一实施例(其可以与本发明的任何实施例结合，除非有所矛盾)中，该靶材是一圆盘，该外磁铁配置具有一朝向该圆盘的中心的轮幅延伸部(spoke extension)，该外及内磁铁配置因而产生一也横跨该中心且跨接于该中心上方的磁控管磁场。
在依据本发明的磁控管源的一实施例(其可以与本发明的任何实施例结合，除非有所矛盾)中，该靶材是由铁磁性材料所制成。
藉由一种制造一涂布有一包括一材料的层的基板的方法达成上述目的。此种方法包括以下步骤：在一电场中朝着一具有所提及材料的靶材的溅镀面产生一封闭环路磁控管磁场；以及沿着该溅镀面移动该磁控管磁场，藉此使所提及材料溅离该靶材及以一包括该提及材料的涂布材料溅镀一远离且面对该溅镀面的基板。再者及此外，藉由至少一狭长磁铁配置，执行该磁控管磁场相对于该溅镀面的局部摆动，该至少一狭长磁铁配置沿着一轴线延伸且可以驱动方式以该轴线为中心枢转或旋转以及沿着且相对于该轴线具有放射状延伸磁偶极以及在这些偶极的磁场作用在该磁控管磁场上的区域中以该轴线平行于、沿着且远离该靶材的背面方式来安装。该磁控管磁场沿着该背面移动的同时，一起移入该狭长磁铁配置，以及执行该狭长磁铁配置的枢转或旋转，以便在该基板上达成该涂层的期望厚度剖面。
在依据本发明的方法的一变型中，所提及材料是铁磁性材料。
现在应该藉助于图来进一步举例说明本发明。
附图说明
图1在一底视图中示意显示依据现有技术方法的一具有一磁铁配置的磁控管源，其包括一固定磁铁配置及相对于其移动的调整磁铁
图2是以有限元素分析仿真所产生在侧面xy-平面(Bxy)中的磁场强度；
图3是依据图1及2的方法所产生的模拟及测量厚度剖面；
图4是在一立体图中，依据本发明的一实施例所应用的一具有永久磁铁的旋转圆柱。
图5是在依据本发明的一磁控管源的外及内磁铁配置间的中间空间中的图4的旋转圆柱，且在该中间空间上方具有支承板跨接及磁分路；
图6是如图2及依据本发明的磁控管源的一实施例所应用的有效耦接旋转圆柱；
图7在一示意底视图中显示依据本发明的一磁控管源；
图8是在依据本发明的一磁控管源的外及内磁铁配置间的两个有效耦接永久磁铁圆柱的定位顺序，且具有一支承板作为磁分路及具有2的角速比；
图9是在图7及8的磁控管源中圆柱位置“两出”及“两进”及“一进/一出”的计算侵蚀剖面；以及
图10是图7、8及9的圆柱“两出”及“两进”及“一进/一出”的沉积剖面。
具体实施方式
以下举例图示说明上述困难点。图1所示的设计使用2组移动磁铁1，其以个别转向点(turning points)3为中心移动一角度，以增加在这些磁铁之外区域中的侵蚀轨迹5的长度。该总磁铁配置提供一配置成用以界定一外几何环形轨迹9的外磁铁配置7及一配置成用以界定一内几何环形轨迹13的内磁铁配置11。以N及S来分别提及指向靶材15的磁极型态。
针对一既定溅镀源设置，以有限元素分析仿真在一具有2.4特斯拉饱和通量的3mm靶材15上方的依据图1的磁控管源的磁场。于图2中显示xy-平面上的横向场强度。场强度中的一些变化可看得见，但是该场的横向运动相当小。因此，图2的右侧图与图1的右侧图所示的移动磁铁1的位置一致(磁铁离开)，图2的左侧图与图1的左侧图一致(磁铁进入)。也模拟及测量侵蚀及沉积剖面，在图3中绘制模拟及实验的结果。上面所示的范例证明，甚至在外侵蚀轨迹上的32mm的延伸实际对均匀度没有影响。测量的均匀度变化甚至小于模拟的均匀度变化。横向磁铁运动对于铁磁性材料没有可行解决方式。除此之外，该横向磁铁运动使所述总磁铁配置1、7、11以图1所示的中心17为中心的旋转失去平衡。
但是，事实上需要可调整磁铁，以便在一磁控溅镀设置中，微调该靶材侵蚀剖面及沉积剖面。对于铁磁性材料，在已达(磁)饱和后，磁控溅镀依赖在该靶材上方的残余场通量。在此磁铁运动需要高的力量。
本发明的基本概念为狭长永久磁铁配置，特别是具有朝圆柱的径向定向的永久磁铁21的圆柱19的使用，亦即，沿着圆柱19来界定相对于图4所示圆柱的轴线A成放射状定向的磁偶极D。这些圆柱是安装在用以建立磁控溅镀用的磁控管磁场的永久磁铁的总成27中。该整体设置27、19、23通常是一具有平盘几何的旋转磁控管设置的一部分，其中沿着相对于该靶材表面的垂直偶极轴，将北极及南极安装在一用以导引或引导磁通量及固定图5所示永久磁铁的铁磁性材料支承板23上。以适当轴承安装该圆柱19，以抵消只可沿着该靶材的背面移动作为该总磁铁配置的一部分的所述可调整及固定永久磁铁组27间的强大力量。使用一旋转驱动器，以该圆柱轴线A为中心旋转该圆柱。藉由如此做，可以180℃旋转交换北极及南极，或可使用中间位置(90°)提高或衰减该固定永久磁铁组所产生的磁控管磁场。必须使用至少一圆柱19，两个或更多圆柱19是可能的。两个圆柱19可个别驱动或如图6示意显示，以一驱动器25耦接成一个系统，以减少驱动复杂度。该圆柱旋转的位置感测是可作为初始化的选择及可藉由一位于该支承板中的磁铁传感器来实现。
图7显示以轴线37为中心，相对于靶材39旋转且具有一外磁铁配置30、一内磁铁配置32及两个可调整磁铁圆柱19a及19b的磁控管设计。以34相较于36来显示环形轨迹(侵蚀轨迹)的变化。
因此，图7显示一在一旋转磁控管上具有2个圆柱的可能设计。左图显示该窄的侵蚀图案34，其中翻转两个圆柱以使南极向上，以及在右图中，将北极翻转向上，而提供该最外侵蚀轨迹36。
在图8的顺序中描述两个耦接圆柱19a及19b情况，其中相较于右侧圆柱以双倍角速度旋转左侧圆柱。可以图6所示的驱动器25实现此设计，其中连接两个圆柱的驱动轴经由螺纹驱动这些圆柱，且它们之间具有其2倍的间距。在图8中，绘制该左侧圆柱19a的全旋转及该右侧圆柱19b的半旋转，该顺序可持续至所有可能8个组合。须知，特别是当使仅以轴线37为中心旋转的图7的固定磁铁配置30及32的磁场衰减时，一些位置可能无用，以致于在该靶材39中的饱和可能太低。在图9中绘制3个最重要圆柱位置“两出”及“两进”及“一进/一出”的计算侵蚀剖面。因此，“两进”位置与图8的具有圆柱位置Pin的两个圆柱一致，而“两出”位置与图8的具有位置Pout的两个圆柱一致。在图8中以所述圆柱的两个位置Pinout表示位置该位置“一进/一出”。
可清楚看到，该等可调整磁铁19对该侵蚀剖面具有巨大的影响。图10中的对应沉积剖面显示60mm的靶材基板距离。可清楚看到，相较于第1至3图的现有技术范例所述的小于％1，在均匀度方面达成约15％或±7％的变化的卓越范围。
因此，提出一磁控溅镀源，其包括一靶材及一磁铁系统，该磁铁系统是配置在该靶材后面，以致于磁控管磁场在该靶材的溅镀面上方成为有效的。该磁铁系统呈现固定磁铁及作为可调整磁铁的放射状磁化圆柱，其实质在一平面上配置成平行于该靶材平面，以致于在一个别磁控溅镀源的操作期间，藉由该磁场来局限一封闭电浆环路。可旋转或枢转所述圆柱的磁铁偶极方位及因而修改或局部摆动该电浆环路的形状。于一较佳实施例中，在磁控溅镀期间，于该靶材背面后面，在一实质平行于该靶材背面的平面上旋转该磁铁配置。在另一较佳实施例中，使用磁性材料作为靶材材料。

Claims (11)

1.一种磁控管源，包括一具有溅镀面及背面的靶材，永久磁铁的磁铁配置沿着该背面，该磁铁配置包括外磁铁配置：其沿着一外几何框形或环形轨迹的主要部分配置，且具有一面对该背面的型态的磁极；及内磁铁配置，其沿着该外几何框形或环形轨迹内的一内几何框形或环形轨迹的主要部分配置，且具有面对该背面的其它型态磁极，该外及内几何轨迹界定一中间空间，该外及内磁铁配置沿着该溅镀面产生一沿着由该内及外几何轨迹所界定的环路的隧道状磁控管磁场，该磁铁配置可以驱动方式沿着及相对于该靶材的背面移动，其特征在于：该磁铁配置包括至少一狭长永久磁铁配置，其沿着一平行于、沿着且远离该背面的轴线延伸及与该中间空间对齐，该狭长配置是以可控制驱动方式以该轴线为中心枢转或旋转及包括沿着且相对于该轴线放射状地配置的永久磁铁偶极。
2.如权利要求1的磁控管源，其中该磁铁配置是以驱动方式以一垂直于该背面的轴线为中心旋转。
3.如权利要求1或2的磁控管源，其中该狭长配置是沿着该轴线的圆柱形及沿着该轴线以永久磁铁较佳地实现所述偶极。
4.如权利要求1至3中任一项的磁控管源，其中所述偶极沿着该轴线互相对齐。
5.如权利要求1至4中任一项的磁控管源，包括一个以上的该狭长永久磁铁，其可互相控制地枢转或旋转。
6.如权利要求5的磁控管源，其中该中间空间是对称于一垂直于或沿着该背面的对称轴及将所述狭长配置设置成与对称于该对称轴的该中间空间对齐。
7.如权利要求1至6中任一项的磁控管源，其中藉由一磁分路构件使该外及内磁铁配置的远离及背向该背面的磁极横跨中间空间互连，该狭长配置是位于该分路构件与该背面之间。
8.如权利要求1至7中任一项的磁控管源，其中该靶材是圆形，该外磁铁配置具有一朝向该圆形靶材的中心的轮幅延伸部(spokeextension)，该外及内磁铁配置因而产生该磁场也横跨该中心且跨接于该中心上方。
9.如权利要求1至8中任一项的磁控管源，其中该靶材是由铁磁性材料所制成。
10.一种制造一涂布有一包括一材料的层的基板的方法，包括下面步骤：在一电场中朝着一具有该材料的靶材的溅镀面产生一封闭环路磁控管磁场；以及沿着该溅镀面移动该磁控管磁场，藉此使该材料溅离该靶材，及以一包括该材料的涂布材料溅镀一远离且面对该溅镀面的基板，其特征在于：藉由至少一狭长磁铁配置，使该磁场相对于该溅镀面额外局部地摆动，该至少一狭长磁铁配置沿着一轴线延伸且可以驱动方式以该轴线为中心枢转或旋转，以及沿着且相对于该轴线具有放射状延伸磁偶极以及在所述偶极的磁场作用在该磁控管磁场上的区域中以该轴线平行于且沿着该靶材的背面方式来安装，在沿着该背面移动该磁控管磁场的同时，一起移入该狭长磁铁配置，以及可控制地枢转或旋转该狭长磁铁配置，以便在该基板上达成该涂层的期望厚度剖面。
11.如权利要求10的方法，其中该材料是铁磁性材料。
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