CN1657646A - 带有磁电管和目标物的溅射设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带有磁电管和目标物的溅射设备，其中磁电管和目标物之间可以相对移动。磁电管包括磁体系统，它形成准矩形等离子管，该等离子管的两个长边之间距离为C。如果目标物和磁体系统的相对移动路程对应于距离C，则布置磁体系统使得等离子管的末端宽度小于或等于等离子管的直径。不过，如果相对移动的路程小于C，则布置磁体系统使得等离子管的末端宽度d小于或等于等离子管的直径的两倍。

Description

带有磁电管和目标物的溅射设备

本发明涉及磁体结构。

在溅射装置中，等离子体产生于溅射室里的真空中。等离子体的正离子被阴极的负电势所吸引，其提供了所谓的目标物。正离子撞击在该目标物上，撞出小粒子，并淀积于衬底之上。撞击出这些粒子，被称为“溅射”。该等离子体由气体组成，在非反应溅射的情况下，气体是惰性气体，例如氩气。在反应溅射中，例如，单独利用氧气，或将其与惰性气体一起使用。

为了改善溅射的效果，在目标物的附近使用了磁体，它的磁场将等离子体维持到目标物上。该磁场强迫等离子体中的电子进入特定轨道。这些电子在该轨道上电离中性的气体，例如氩气，并产生正离子。这些离子要比电子重得多，因此实际上根本没有受到影响。相反，它们落到作为负电极或阴极的目标物上，并且发生溅射。离子化主要发生于磁场矢量平行伸展到目标物表面的地方。这里的等离子体密度最高，因此这里的目标物被强烈侵蚀。在下面的讲述中，由磁场所决定的等离子体轨道也称为等离子管。

如果使用第一极性的条形磁体被第二极性的矩形磁体所包围的平面磁体系统，则矩形侵蚀将跟踪这些磁体之间的结果，其中矩形的角为圆形角。旋转圆柱形目标物也为人们所熟知，它在静止的磁体集合物周围旋转(DE 41 17 518 A1)。因此，矩形侵蚀轨迹到达了目标物周围的所有位置。在侵蚀矩形的窄边，目标物中形成了沉陷(depression)。该目标物被均匀地侵蚀，除了在等离子矩形的窄边产生了未预料之沉陷的那些位置。

进而人们知道，在磁体结构中，在静止目标物的情况下，侵蚀轨迹不形成矩形，而是六边形(WO 96/21750)。该六边形有两个大边组成，由位于左边和位于右边的三角形连接起来。除了邻接三角形，也可以提供抛物线或半椭圆形。通过磁体的相应部署可以得到改变的侵蚀轮廓。这里的磁体可以静止放置，而目标物围绕着它们旋转；但也可以是目标物静止而磁体旋转。

不过人们知道，在溅射设备中通过驱动方法，可将磁体结构平行移动到目标物的平坦表面上(US 5 873 989)。磁体结构的运行为来回往复移动，即，在目标物的末端它将调转其移动方向。该等离子体形成了等离子轨道，其形式为延长的椭圆。该椭圆的经度方向垂直延伸到移动方向。在该磁体结构的情况下，在靠近目标物的两端也形成了沉陷，它大于在目标物的其余区域处的侵蚀。为了更好地利用该目标物，经过一段时间之后磁体结构被旋转了90度，以便现在形成两个进一步的沉陷垂直于先前形成的沉陷。在这种线性分布的情况下，在目标物的边缘以与旋转结构相同的方式连续地生成凹进的轨迹。

本发明的目标是在线性溅射装置中的目标物的边缘处避免侵蚀沉陷，其中线性溅射装置的磁体与目标物相对移动。这一目标是通过本发明来实现的。

因此，本发明涉及带有磁电管和目标物的溅射设备，其中磁电管和目标物之间可以相对移动。磁电管包括磁体系统，它形成准矩形等离子管，该等离子管的两个长边之间距离为C。如果目标物和磁体系统的相对移动路程对应于距离C，则布置磁体系统使得等离子管的末端宽度小于或等于等离子管的直径。不过，如果相对移动的路程小于C，则布置磁体系统使得等离子管的末端宽度小于或等于等离子管的直径的两倍。

附图描述了本发明的实施例例子，下面将对附图作进一步详细讲述。在附图中，

图1为在目标物上移动的磁体系统的基本表示，

图2为图1中结构的剖面图，

图3为获得目标物的均匀侵蚀所使用的磁体系统，

图4为获得目标物的均匀侵蚀所使用的另一个磁体结构，

图5为使用根据图3或图4的磁体结构所获得的等离子管，

图6为包括三个中心磁体的另一个磁体系统，

图7为使用根据图6的磁体系统生成的等离子管。

图1描述了磁体系统1，它置于目标物2之上。目标物2由特定材料组成，该材料被溅射和淀积于图1中未示出的衬底之上。磁体系统1包括框形的外部磁体3和条形的内部磁体4。该框由两个长条形磁体5、6和两个短条形磁体7、8组成，并且该短条形磁体7、8垂直于长条形磁体5、6。视图中的长条形和短条形磁体5、6、7、8的那些边是，例如，S极，而视图中的内部磁体4的那个边为N极。在面朝目标物2的不明显一侧，磁极关系相反。在这一个不明显侧面上延伸的磁场被弯曲成抛物线的形式，并且从外部磁体3通过目标物2到达内部磁体4。通过这些磁场，电子发生偏转，使等离子管9得以形成，而等离子管中的带正电粒子，例如氩离子，通过电场被加速到目标物上。该等离子管9包括竖直区域16、17和水平区域18、19。对应于等离子管9，离子也从形式为等离子管的目标物2的非可见后侧撞击出粒子，即，在目标物中形成的沉陷为等离子管9的形状。如果磁体系统1在保持静止的目标物2上沿着箭头10移动，直到它到达正确(right)的位置，则基本上相同的材料侵蚀发生于目标物2的后侧，除了目标物2的外部边缘区域之外。在边缘区域，形成了沉陷或侵蚀沟道11、12。这种沉陷11、12的形成原因如下：在等离子管9的竖直和水平区域的相同宽度或厚度d，等离子体粒子撞击在由内部磁体4或区域18、19的长度所定义的中心区，撞击到目标物2的2d宽的条带上，不过，在等离子管9的上下曲率18、19附近，撞击到d×B的条带上，其中B为在曲率区域中的等离子管宽度，并且d为等离子管的直径。由于d×B＞d×2，目标物2的上下区域比中心区域更强烈地受到离子的轰炸。因此，形成了沉陷11、12，它们被称为侵蚀堑。

在右侧描述的磁体系统1’与左侧描述的磁体系统1相同。它只是处于由点划标号所表示的不同位置。线段A表示在目标物2上将磁体系统1移动到右边的距离。在许多情况下，所选择的距离A对应于距离C，例如，等离子体9的两个长形部件16、17之间的距离。

如果向右的移动对应于线段C，则移动磁场使得在移动的过程中，后方目标表面的每一个部件被等离子体覆盖一次。在大面积的目标物2的情况下，可以使用若干近邻处理的磁体系统1来实现这种结果。在线段C横贯之后，移动的方向一般是相反的。在这种情况下，目标物2上的侵蚀深度可以通过沿驱动轨道对侵蚀率进行积分而计算得到。作为近似值，也可以通过等离子管9的臂16、17的宽度d来估计侵蚀，等离子管9在目标物表面的某一点上移动。

在这种情况下，在等离子管的上下两端，如果B≤d，则沉陷或侵蚀沟道11、12不会发生，假定等离子体密度为常数。

在第二实施例1中，线段A作为磁体系统1的移动距离，大于臂16、17之间的距离C。磁体系统1的磁场移动使得在移动期间，目标物表面的每一个部件被等离子管9的两个垂直臂所覆盖。使用几个挨个放置的磁体系统1可以再次实现该结果。当到达目标物的外部边缘时，移动的方向将反过来。在这种情况下，侵蚀深度也可以通过沿驱动轨道对侵蚀率进行积分而计算得到。可以通过对等离子管的所有宽度d求和来近似估计侵蚀，等离子管9在目标物表面的某一点上移动。在等离子管9的上下两端18、19，只要等离子管9的下或上臂19、18的宽度B顶多对应于竖直臂中的等离子管的宽度d的两倍，也就是B≤2d，就不会产生侵蚀堑11、12，假定等离子体密度为常数。

图2中示出了通过根据图1的设备的截面I-I。这里很明显存在以抛物线形式穿透目标物2的磁场30、31。在目标物2下面放置有衬底20，它表面上涂敷有从目标物2中撞击出的粒子。在目标物2和衬底20之间的空间放置有等离子体，它的正离子被加速到(未示出的)负电极上，该负电极通常在磁体系统附近与目标物2形成一个单元，并且通过这种方式从目标物2撞击出粒子。

图2中所示的整个设备位于真空涂敷室29中。

图3示出了特别的磁体系统25，它包括两个竖直的长条形磁体32、33和四个较小的条形磁体34、35、36和37，其中两个条形磁体34、35或36、37在每一种情况下都形成屋脊类型，与长条形磁体32、33的端点相接。

内部磁体38在纵向上具有不同的直径，其中心部分具有较大的直径m，而外部具有较小的直径n、o。

图4描述了进一步的磁体系统26，它包括外部磁体，该外部磁体包括两个长条形磁体27、28，两个方形磁体40、41或42、43部署得与它们存在一定偏移，两个小条形磁体44、45或46、47部署得与它们不共线，以及两个小条形磁体48、49或50、51以垂直方式延伸至它们。

内部磁体是由条形磁体52形成的，该内部磁体在端点处包括阶梯部件53、54或55、56等具有较小直径的两个部分。

图5示出了等离子管57，它是通过根据图4的磁体系统的方式来获得的。

在图6中描述了进一步的磁体结构60，它包括三个内部磁体61、62、63，被外部磁体所包围。这些外部磁体包括两个外部长条形磁体64、65，两个部署于二者中间的短条形磁体66、67，三个端磁体68、69、70、71、72、73在每一种情况下都延伸至条形磁体64、65，两个薄条形磁体74、75倾斜延伸并且将条形磁体66的下端与端磁体68或69连接起来，以及两个薄条形磁体76、77倾斜延伸并且将条形磁体的上端与端磁体71或72连接起来。进而，端磁体69、70或72、73再经由薄条形磁体90、91或78、79与条形磁体67的端点相连接。

在图7中描述了三个等离子管80、81、82，这是在使用根据图6的磁体系统60的情况下得到的。

就线段B、d和C的测定而言，等离子体的宽度B不是被直接测定的。由于磁场测定了等离子体的限定范围，B和d因此只能经由磁场来定义。等离子体主要在场力线和磁场矢量平行延伸至目标表面的那些位置处发生燃烧(burn)。在这些位置处，垂直于目标物表面的该磁场矢量分量为零。可以通过测量目标物表面的场强来实验测定这些位置。因此使用在相对移动的方向上的目标物表面上的位置之间的距离，来定义在等离子管的两个区域16、17之间的距离C，在该位置上场矢量的垂直分量为零。等离子管9的直径d相应地被定义为在相对移动的方向上的目标物表面上的位置之间的距离，在该位置上磁场矢量与目标物表面形成20°的角。这对应于场力线以20°角相交于目标物表面的位置处。该位置位于目标物2的纵向的中心，因此大约为距离符号C在图1中的位置处。等离子管在窄边处的宽度B被定义为在相对移动的方向上的目标物表面上的位置之间的最大距离，在该位置上磁场矢量与目标物表面形成20°的角。在该连接中的最大距离大约表示位于图3中心处的双箭头。如果将其上下移动，则距离将变得更小。

因此，通过测量和/或计算，能够精确测定值B、d和C。

Claims (10)

1.一种带有磁电管和目标物的溅射设备，其中磁电管和目标物之间可以相对移动，并且磁电管包括磁体系统，磁体系统具有至少一个内部磁体和包围着它的至少一个外部磁体，并且其中磁体系统在内部磁体和外部磁体之间形成至少一个封闭的等离子管，该等离子管包括两个区域，它们之间的距离为C，该等离子管基本上垂直延伸到磁电管相对于衬底的移动方向，并且该等离子管具有直径d，其特征在于，在目标物(2)和磁体系统(1)之间的相对移动路程约等于C时，布置磁体系统(1)，使得等离子管(9)的末端宽度B满足条件B≤d。

2.一种带有磁电管和目标物的溅射设备，其中磁电管和目标物之间可以相对移动，并且磁电管包括磁体系统，磁体系统具有至少一个内部磁体和包围着它的至少一个外部磁体，并且其中磁体系统在内部磁体和外部磁体之间形成至少一个封闭的等离子管，该等离子管包括两个区域，它们之间的距离为C，该等离子管基本上垂直延伸到磁电管相对于衬底的移动方向，并且该等离子管具有直径d，其特征在于，在目标物(2)和磁体系统(1)之间的相对移动路程大于C时，布置磁体系统(1)，使得等离子管(9)的末端宽度B满足条件B≤2d。

3.如权利要求1或2所述的溅射设备，其特征在于，使用在相对移动的方向上的目标物(2)表面上的两个位置之间的距离，来定义该等离子管(9)的两个区域(16、17)之间的距离C，在该位置上垂直于目标物(2)表面的磁场矢量分量为零。

4.如权利要求1或2所述的溅射设备，其特征在于，等离子管(9)的直径d被定义为在相对移动的方向上的目标物(2)的纵向中心处和表面上的两个位置之间的距离，在该位置上场矢量与目标物(2)表面形成约20°的角。

5.如权利要求1或2所述的溅射设备，其特征在于，等离子管(9)的末端宽度B对应于在相对移动的方向上的目标物(2)表面上的位置之间的最大距离，在该位置上磁场矢量与目标物(2)表面形成约20°的角。

6.如权利要求1或2所述的溅射设备，其特征在于，相对移动为来回往复移动。

7.如权利要求1或2所述的溅射设备，其特征在于，外部磁体(25)包括两个平行长条形磁体(32、33)，它们的端点与两个短条形磁体(34、35；36、37)相接，形成屋脊形状。

8.如权利要求7所述的溅射设备，其特征在于，内部条形磁体在端点处的直径(n、o)比它在中心处的直径(m)小。

9.如权利要求1或2所述的溅射设备，其特征在于提供了三个内部磁体(61至63)和若干个外部磁体(64至75)，并且第一外部磁体(67)的区域同时形成了第二外部磁体的区域，并且第二外部磁体(66)的区域同时形成了第三外部磁体的区域。

10.如权利要求9所述的溅射设备，其特征在于，第一和第三外部磁体在每一种情况下均包括相互平行放置的两个条形磁体(64、66；65、67)，其中的一个条形磁体(66、67)比另一个条形磁体(64、65)短，并且两个条形磁体的末端通过L形状的磁体结构(70、91；73、79或68、74；71、76)的每个相互连接起来。

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