CN1978697A

CN1978697A - 具有增加的使用寿命的磁控管源

Info

Publication number: CN1978697A
Application number: CNA2006101366612A
Authority: CN
Inventors: 郭信生
Original assignee: YASHENG TECHNOLOGY Co
Current assignee: YASHENG TECHNOLOGY Co
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2007-06-13
Also published as: US20070108041A1

Abstract

一种用于在真空淀积系统中的溅射靶附近产生磁场的磁控管源，包括顺序设置的第一磁极性的第一组单个磁体和顺序设置的与第一磁极性相反的第二磁极性的第二组单个磁体。第一组磁体和第二组磁体如此地配置，使得可以在第一组磁体和第二组磁体之间的区域中、在溅射靶的溅射表面附近俘获电子。

Description

具有增加的使用寿命的磁控管源

相关申请的交叉引用

本申请涉及于2005年7月20日由Guo等提交的、题为“单工艺室淀积系统(Sigle-process-chamber deposition system)”的共同转让的美国专利申请11/185,241，以及于2005年8月26日由Guo等提交的、题为“真空处理和传递系统(Vacuum processing and transfersystem)”的美国专利申请11/212,142，其内容通过参考而引入本文。

技术领域

本申请涉及一种在真空环境中在衬底上淀积材料的设备。

背景技术

物理汽相淀积(PVD)是一种从靶来溅射材料并将溅射的材料淀积在衬底上的工艺。溅射靶和衬底位于可以填充有诸如氩气、氮气或氧气的低压气体的真空容器中。在物理汽相淀积(PVD)中使用磁控管，以通过在磁场中俘获有能量的电子并因此增加电子的路径长度来减少工作的真空压力和偏置电压。增长的电子路径提高了在真空室中将气体原子离子化的几率，并因而提高了等离子体密度。典型地，磁控管设置在溅射靶之后。

磁控管可以包括一片或多片磁体，每个磁体包括两个相反的磁极。在真空室内，可以通过在磁体的两个相反磁极之间的磁场来俘获电子，并在靶表面附近形成等离子体气体。对电子的吸引力和与靶表面平行的磁场的切线分量成比例。磁场的切线分量在磁体的两极之间的中点附近达到其最大值。由此，在磁体的相反两极之间的中部区域的附近，较多的电子被俘获并形成了较高密度的等离子体。因而，在磁体的相反两极之间的中部区域溅射去除较多的靶材料，导致靶材料从溅射靶的不均匀去除。

图1示出了圆形磁控管(虽然磁控管也可以是其它形状)110在靶100中的侵蚀图案。在靶100的上表面上方发生溅射。磁控管110设置在靶100的背表面之后。磁控管110包括相反极性的两个磁极：在中心的圆形磁极120和在靶100边缘附近的圆形磁极130。磁场线115为所示的弧形，跨在两个磁极120和130之间。在重复的溅射操作之后，靶材料的不均匀去除在两个磁极之间形成了侵蚀槽140。

即使当在靶中还剩有大量的靶材料时，不均匀的侵蚀也会引起靶的不可用。缩短的靶寿命带来了材料浪费和较高的维持成本。为了处理不均匀侵蚀的问题，一些磁控管的设计利用磁轨迹的形状来优化侵蚀剖面。因为这些设计仍然容易遗留下靶表面上没有磁轨迹的大的区域，所以通过这些设计的改进受到了限制。因而，需要进一步减少PVD系统的溅射靶中的侵蚀不均匀性。

发明内容

本系统的实施可以包括以下的一个或多个方面。一方面，本发明涉及一种用于在真空淀积系统中、在溅射靶附近产生磁场的磁控管源，包括顺序设置的第一磁极性的第一组单个磁体和顺序设置的与第一磁极性相反的第二磁极性的第二组单个磁体。第一组磁体和第二组磁体如此地配置，使得可以在第一组磁体和第二组磁体之间的区域中、在溅射靶的溅射表面附近俘获电子。

另一方面，本发明涉及一种用于在真空淀积系统中溅射靶的溅射表面附近产生磁场的方法，包括将顺序设置的第一磁极性的第一组单个磁体设置在与溅射靶的溅射表面相对的溅射靶表面附近，将顺序设置的与第一磁极性相反的第二磁极性的第二组单个磁体设置在与溅射靶的溅射表面相对的溅射靶表面附近，在第一组磁体和第二组磁体之间的区域中、在溅射靶的溅射表面附近俘获电子，以及从溅射靶溅射靶材料。

实施例可以包括以下的一个或多个优点。所公开的磁控管源改进了靶材料的利用，特别是静态磁控管。所公开的磁控管源可以通过提高侵蚀图案的均匀性而延长溅射靶的使用寿命，这样降低了用于靶材料的成本。对于在淀积期间相对于溅射靶为静态的磁控管源而言，使用寿命的增加特别重要。

另一方面，所公开的磁控管源提供了重新设置溅射源的电子路径或针对不同靶的灵活性。磁控管设计可以通过在整个靶表面的上方设置单个磁体来优化，使得可以通过改变对应的单个磁体来调整靶表面任何一点上的侵蚀。单个磁体的再次分布可以使得从靶去除材料变得均匀，并还可以根据不同材料来优化溅射图案。改进了溅射的均匀性和效率。还降低了设备的成本，其中在现有技术的系统中需要不同的靶。

又一方面，所公开的磁控管提高了离子化的效率并增加了等离子体密度。这可以减少工作压力并降低工作电压，产生较好的等离子体稳定性、较高的淀积效率以及在等离子体中成弧的较少机会。

在附图和以下的描述中，阐明了一个或多个实施例的细节。通过说明书和附图以及权利要求书，本发明的其它特征、目的和优势将变得显而易见。

附图说明

图1图示了在典型的现有技术的磁控管源中的侵蚀轨迹。

图2A示出了根据本发明的磁控管源的布局。

图2B是图2A中磁控管源的透视图。

图2C示出了图2A中所示的磁控管源的电子的路径。

图3A图示了包括附连到图2A的磁体的铁磁磁盘的磁控管源300。

图3A图示了可以附连到图2A的磁体的铁磁磁盘。

图3B是包括附连到图2A的磁体的图3A的铁磁磁盘的磁控管源300的透视图。

图4A图示了根据本发明另一实施例的矩形磁控管源中的单个磁体的布局。

图4B是图4A的矩形磁控管源的透视图。

具体实施方式

图2A示出了根据本发明的磁控管源200的布局。磁控管源200包括多个单个磁体210A、210B和220A、220B、220C。磁体210A、210B和磁体220A、220B、220C具有相反的极性。例如，磁体210A、210B可以是南极，而磁体220A、220B、220C可以是北极。磁体210A、210B和220A、220B、220C可以采用圆盘或多边形板的形式。

与到磁体220A、220B、220C的距离相比，磁体210A、210B典型地以更近的彼此间距离顺序地设置成组。类似地，与到磁体210的距离相比，磁体220A、220B、220C典型地以更近的彼此间距离设置成组。在图2A中所示的示例中，磁体210A、210B分布成环210A和通向中心的相近地横向设置的分支210B。磁体220A、220B、220C形成了通过线性排列的磁体220C而桥接的外部环220A和内部环220B。图2B示出了磁控管源200的透视图。

磁体210A、210B和磁体220A、220B、220C在每个组中的位置足够接近，以形成连续的路径，沿着该路径磁场的切向分量达到其最大值。这样，在两组单个磁体之间的区域中俘获了更多的电子。图2C图示了磁控管源200中的电子的路径250。沿着由相反极性的磁体210A、210B和磁体220A、220B、220C形成的势垒之间的磁场的轨迹，产生了电子路径250。电子可以从靶表面来回撞击(bounce)并沿着路径250穿行，直到它们损失了它们大多数的动能。所示路径250形成了闭环，以允许电子沿着路径250连续地移动。避免了磁轨迹或电子路径250中的突然结束，从而防止了电子或等离子体的损失。

本发明的磁控管源200的优势在于，单个磁体的数目、单个磁体之间的间距、单个磁体分布的环的数目、单个磁体的尺寸以及在两个极性的磁体组之间的间距都可以容易地进行优化，以最大化靶的利用，提高淀积均匀性并提高等离子体的可靠性。如图2A中所示，磁体210A和220B可以在线的末端包括较大的磁体，以在涉及较大开口区域的末端区域增强磁场力。另外，通过改变附近的对应磁体，可以调整在靶的任何一点的磁场强度以及由此所产生的侵蚀深度。这显著地提高了磁控管设计中的灵活性。

此外，还可以针对不同类型的靶材料在磁控管源200中优化上述的各种参数，以适应溅射产量、溅射的材料在达到衬底前与气体原子的散射、以及溅射角度分布中的不同。例如，当改变溅射靶的材料时，可以使用同一磁控管源200来重新设置单个磁体，这样可以显著地降低设备的开发成本。

为了优化侵蚀深度并最大化靶的使用，可以如此分布单个磁体210A、210B和220A、220B、220C，使得形成长的电子路径250并覆盖尽可能多的靶表面。可以在磁体210A、210B和220A、220B、220C的分布中包括更多的环。能够更为均匀地溅射较大的靶表面区域，特别对于静态磁控管而言这是高度期望的。另外，还可以降低工作的真空压力和偏置电压。此外，可以沿着电子路径250略微改变磁场轨迹的宽度，这样可以进一步地使侵蚀图案均匀，并利用靶表面之上的所有的可用区域。

在另一实施例中，可以将铁磁材料附连到一组相同极性的磁体，以减少磁场的变化。图3A示出两片连续的铁磁盘310和320，将它们成形以分别覆盖磁体210A、210B和磁体220A、220B、220C。图3B是磁控管源300的透视图，该磁控管源300包括分别附连到单个磁体210A、210B和单个磁体220A、220B、220C的铁磁盘310和320。铁磁材料的例子可以包括400系列的不锈钢，Mu金属等。

在另一实施例中，在真空淀积期间，磁控管源200和300可以相对于溅射靶保持静态，或者可安装在可以相对于溅射靶旋转的旋转盘上。可以关于旋转参数来优化单个磁体的分布，以进一步减少靶中的不均匀侵蚀。

本发明的磁控管源可以以除圆形以外的形状来形成，如矩形、多边形或不规则的形状。图4A和图4B示出了成矩形的磁控管源400的顶视图和透视图。磁控管源400包括具有矩形(例如，正方形)外部边界的两组单个磁体410和420。分布磁体410和420，以将其顺序设置成水平行和竖直列，在两个相反极性的组之间形成了闭环的磁轨迹。类似于前面的描述，可以优化在单个磁体410和420之间的数目、尺寸、磁场强度和间距，来最小化侵蚀图案。

在另一实施例中，在靶的寿命期间，可以在不同配置之间移动单个磁体的分布，以进一步均匀靶中剩余的不均匀侵蚀部分。例如，磁轨迹可以在先前配置中用来设置磁体的区域的上方以新的配置移动。因而，可以获得在靶上溅射过少的区域中的材料溅射。

Claims

1.一种用于在真空淀积系统中的溅射靶附近产生磁场的磁控管源，包括：

顺序设置的第一磁极性的第一组单个磁体；以及

顺序设置的与所述第一磁极性相反的第二磁极性的第二组单个磁体；其中所述第一组磁体和所述第二组磁体如此地配置，使得可以在所述第一组磁体和所述第二组磁体之间的区域中、在所述溅射靶的溅射表面附近俘获电子。

2.如权利要求1的磁控管源，其中所述第一组磁体和所述第二组磁体设置成邻近于与所述溅射表面相对的所述溅射靶的表面。

3.如权利要求1的磁控管源，其中所述第一组磁体或所述第二组磁体包括不同大小或不同磁场强度的磁体。

4.如权利要求1的磁控管源，其中所述第一组磁体包括沿着至少圆的一部分分布的磁体序列。

5.如权利要求1的磁控管源，其中与所述第一组中的平均尺寸或平均磁场强度相比，在所述第一组中的单个磁体的序列末端的磁体包括较大尺寸或较高磁场强度。

6.如权利要求1的磁控管源，其中在第一组中的所述磁体之间的平均距离小于在所述第一组中的磁体和所述第二组中的磁体之间的平均距离。

7.如权利要求1的磁控管源，其中在所述第一组磁体和所述第二组磁体之间的区域形成用于所述俘获的电子的闭环路径。

8.如权利要求7的磁控管源，其中用于所述俘获的电子的所述闭环路径基本上达到所述靶的整个溅射表面。

9.如权利要求1的磁控管源，其中当从所述溅射靶溅射靶材料时，所述第一组磁体相对于所述溅射靶为静态。

10.如权利要求1的磁控管源，其中当从所述溅射靶溅射靶材料时，可以相对于所述溅射靶通过传输装置来移动所述第一组磁体和所述第二组磁体。

11.如权利要求1的磁控管源，其中所述第一组磁体和所述第二组磁体包括基本上为圆形的外部边界或基本上为矩形的外部边界。

12.如权利要求1的磁控管源，进一步包括铁磁材料，其被配置成附连到所述第一组和/或所述第二组中的多个磁体的末端。

13.如权利要求12的磁控管源，其中所述铁磁材料包括一个或多个的铁磁不锈钢和Mu金属。

14.一种用于在真空淀积系统中的溅射靶的溅射表面附近产生磁场的方法，包括：

将顺序设置的第一磁极性的第一组单个磁体设置在与所述溅射靶的溅射表面相对的所述溅射靶的表面附近；

将顺序设置的与所述第一磁极性相反的第二磁极性的第二组单个磁体设置在所述与所述溅射靶的溅射表面相对的所述溅射靶的表面附近；

在所述第一组磁体和所述第二组磁体之间的区域中、在所述溅射靶的溅射表面附近俘获电子；以及

从所述溅射靶溅射靶材料。

15.如权利要求14的方法，其中顺序设置的所述第一组磁体或顺序设置的所述第二组磁体包括不同大小、不同形状或不同磁场强度的磁体。

16.如权利要求14的方法，进一步包括：

沿着至少圆的一部分、在所述第一组磁体中顺序地设置多个磁体。

17.如权利要求14的方法，进一步包括：

将末端磁体设置在所述第一组中的单个磁体的序列的末端，其中与所述第一组中的磁体的平均尺寸或平均磁场强度相比，所述末端磁体包括较大尺寸或较高磁场强度。

18.如权利要求14的方法，其中在第一组中的所述磁体之间的平均距离小于在所述第一组中的磁体和所述第二组中的磁体之间的平均距离。

19.如权利要求14的方法，进一步包括：

在所述第一组磁体和所述第二组磁体之间的区域中形成用于所述俘获的电子的闭环路径。

20.如权利要求14的方法，进一步包括：

将铁磁材料附连到所述第一组中的多个磁体的末端。