DE69031743T2

DE69031743T2 - Magnetronsputteranlage

Info

Publication number: DE69031743T2
Application number: DE1990631743
Authority: DE
Inventors: Yoji Arita
Original assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Current assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Priority date: 1989-01-30
Filing date: 1990-01-30
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2010-01-31
Also published as: DE69031743D1; EP0645798A1; JPH0774439B2; EP0645798B1; CA2008934C; EP0381437A2; DE69027344D1; CA2202801A1; SG50498A1; EP0381437A3; EP0381437B1; CA2008934A1; DE69027344T2; JPH02277772A

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetronzerstäubungsanlage, insbesondere eine Magnetronzerstäubungsanlage, die in der Lage ist, mühelos Plasma in einem stabilen Zustand auch dann zu halten, wenn es sich um ein Groß-Magnetron handelt oder dann, wenn ein Target aus einem ferromagnetischen Material zerstäubt wird. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Magnetronzerstäubungsanlage, in der eine lokale Erosion des Targets verhindert und damit die Lebensdauer des Targets verlängert wird, wobei eine Änderung der Zerstäubungsgeschwindigkeit während des Betriebs in einem extrem geringen Ausmaß erfolgen kann.
Eine herkömmliche Magnetronzerstäubungsvorrichtung soll unter Bezugnahme auf Fig. 13 erläutert werden. Fig. 13(a) ist eine perspektivische Ansicht einer derartigen Magnetronzerstäubungsvorrichtung, und Fig. 13(b) ist eine Querschnittsansicht der Magnetronzerstäubungsvorrichtung bei Betrachtung entlang der Linie PA - PB in Fig. 13(a). Wie in Fig. 13 zu sehen ist, bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Target aus einem nicht-magnetischen oder einem ferromagnetischen Material. Auf der Rückseite des Targets 1 befinden sich ein innerer Magnetpol 2 und ein äußerer Magnetpol 3, welcher den inneren Magnetpol 2 umschließt und eine zu dem inneren Magnetpol 2 entgegengesetzte Polarität besitzt. Ihre Bodenbereiche sind über ein magnetisches Joch 4 verbunden, welches in üblicher Weise aus einem magnetischen Material wie Stahl oder dergleichen besteht.
Die Zerstäubungsvorrichtung mit dem oben geschilderten Aufbau ist in einem Vakuumbehälter aufgenommen. Befindet sich die Magnetronzerstäubungsvorrichtung in Betrieb, ist der Behälter mit Argongas geringen Drucks gefüllt, und zwischen das Target und ein (nicht dargestelltes) Substrat, beispielsweise eine Scheibe, ist eine Spannung gelegt, damit das Argongas ionisiert wird und aus der Target-Oberfläche Elektronen abgegeben werden. Die Argon-Ionen bombardieren das Target, damit die Target-Substanz gebildet und auf einer Oberfläche des Substrats eine dünne Schicht erzeugt wird. Das von den beiden Magnetpolen 2 und 3 gebildete Magnetfeld kann die Elektronen wirksam einfangen und die lonisierung des Argongases fördern und somit die Effizienz beim Zerstäubungsvorgang steigern.
Bei den herkömmlichen Magnetronzerstäubungsvorrichtungen mit dem oben beschriebenen Aufbau wird davon ausgegangen, daß die um die Oberfläche des Targets 1 herum eingefangenen Elektronen von dem Magnetfeld eingeschlossen werden, welches in der Form eines halbkreisförmigen Doms gebildet wird, wie dies in Fig. 13(a) durch Pfeile angedeutet ist, wobei sich die Elektronen entlang dem domförmigen Magnetfeldverlauf bewegen. Somit hängt das Auftreten von Erosion an der Oberfläche des Targets 1 von der Verteilung des Magnetfelds oberhalb der Oberseite des Targets 1 ab, in anderen Worten, von der Verteilung der horizontalen Komponente und der vertikalen Komponente des Magnetfelds in Bezug auf die Target-Oberfläche. Der Begriff "vertikal" bezieht sich hier auf eine Richtung etwa senkrecht zu der Ebene des Targets, und der Begriff "horizontal" bezieht sich auf eine Richtung etwa parallel zu der Ebene des Targets.
Fig. 15 zeigt eine Querschnittansicht eines typischen Erosionsmusters des Targets 1 in der Zone zwischen PA - PB in Fig. 13(a), wenn ein ferromagnetisches Material wie z. B. Eisen oder Kobalt als Target benutzt wird. Aus der Zeichnung ist verständlich, daß sich die Erosion lokal ausformt und die Lebensdauer des Targets 1 beträchtlich verkürzt wird.
Es wurden zahlreiche Lösungen dieses Problems vorgeschlagen. Eine der Lösungen besteht darin, eine große Anzahl von Nuten auf dem Target 1 vorzusehen, die in dessen Längsrichtung verlaufen, um dadurch die Horizontalkomponente des Magnetfelds über einer Gesamtfläche des Targets 1 auszubilden ("GT Target": Journal of Nippon Kinzoku Gakkai, Vol 1, No. 25, Seite562, 1986). Allerdings hat diese Methode den Nachteil, daß die Ausbildung einer großen Anzahl von Längsnuten im Target 1 arbeitsaufwendig ist.
Wir haben herausgefünden, daß eine Stelle, an der sich Erosion hauptsächlich entwickelt, ziemlich genau der Stelle entspricht, an der die Polarität der Vertikalkomponente des Magnetfelds sich ändert, und weniger die Intensitätsverteilung der Horizontalkomponente des Feldes, nämlich der Stelle, an der der Wert der Vertikalkomponente sehr klein ist. Es wird davon ausgegangen, daß dies auf dem Umstand beruht, daß gemäß Fig. 13(a) sich die Elektronen in einem Zyklus entlang dem domähnlichen Magnetfeld über der Oberfläche des Targets 1 bewegen, während sie gleichzeitig eine periodische Bewegung in Richtung des Gradienten in dem vertikalen Magnetfeld ausführen. Die Anzahl von für die Ionisierung von Argongas-Atomen verfügbaren Elektronen steigt dort an, wo die Vertikalkomponente des Magnetfeldes klein wird. Wird als Target ein ferromagnetisches Material verwendet, so wird, wenn eine Erosion des Targets 1 stattfindet, das magnetische Streufeld größer, wie dies in Fig. 15 dargestellt ist, und der Gradient des vertikalen Magnetfelds wird an der Stelle der auftretenden Erosion größer, womit die Stärke des horizontalen Magnetfeldes zunimmt und dadurch die lokale Erosion zusätzlich beschleunigt. Wenn es schwierig ist, die Stärke des Magnetfeldes auf dem Target im Fall konventioneller Groß-Magnetronzerstäubungsvorrichtungen und Zerstäubungsvorrichtungen mit ferromagnetischem Target sicherzustellen, so gibt es zahlreiche Gelegenheiten, bei denen ein Elektromagnet für den inneren und den äußeren Magnetpol verwendet wird. Allerdings ergibt sich durch den Elektromagneten in diesen Fällen der Nachteil, daß seine Betriebskosten hoch sind und die Verstärkung der Elektrizität mit Wärmeerzeugung einhergeht, so daß der Einsatz eines Elektromagneten nicht bei jeder Vorrichtung ohne weiteres in Frage kommt.
Aus dem oben genannten Grund sind Permanentmagneten erwünscht, und da sich der Induktionsfluß im allgemeinen von dem inneren Magnetpol zu dem äußeren Magnetpol über das Target ausbreitet, hat die magnetische Flußdichte um den äußeren Magnetpol 3 herum die Neigung, sich im Vergleich zu derjenigen um den inneren Magnetpol herum zu verringern. Damit ist es erforderlich, daß die magnetische Flußdichte des äußeren Magnetpols 3 größer gemacht wird, damit das Plasma auf dem Target stabil gehalten wird. Anzumerken ist, daß der äußere Magnetpol zum Steigern der magnetischen Flußdichte den gesamten Außenumfang des Magnetrons in halbkreisförmiger Gestalt umfaßt, wie dies in Fig. 13(a) dargestellt ist, oder daß er ein Abschnitt des äußeren Magnetpols 3 für ein Magnetron rechteckiger Form gemäß Fig. 14 ist, bei dem sich der Induktionsfluß in radialer Form von dem inneren Magnetpol 2 zu dem äußeren Magnetpol 3 hin ausbreitet. Wenn das weichmagnetische Material oder der Permanentmagnet zwischen dem inneren und dem äußeren Magnetpol verwendet wird, um die Verteilung des Magnetfeldes über dem Target zu steuern, wie es bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist, so ist diese Technologie deshalb besonders bezeichnend, weil die Stärke des Magnetfeldes über dem Target verringert wird. In jedem Fall ist es erforderlich, daß die magnetische Flußdichte jiber dem inneren und dem äußeren Magnetpol auf ein ausreichend hohes Maß gesteigert wird, damit das Plasma auf der Oberseite des Targets stabil gehalten werden kann. Besteht das Target aus einem ferromagnetischen Material, so wird die Methode des Anbringens eines Magneten an einer äußeren Seitenfläche des äußeren Magnetpols 3 bedeutsam, um das hohe Magnetfeld über der Oberseite des Targets zu halten, weil der Induktionsfluß über der Oberseite des Targets abnimmt. Bei Magnetronen, wie sie in den US-Patenten 4 162 954 und 4 265 729 offenbart sind, sind zur Verbesserung der Verteilung der Erosion des Targets, ähnlich wie bei der vorliegenden Erfindung, Magnete derart angeordnet, daß eine Zentralisierung des Induktionsflusses um den inneren Magnetpol herum verhindert wird, um dadurch die magnetischen Kraftlinien möglichst parallel zur Targetoberfläche über dem Target zu machen; die Vertikalkomponente des Magnetfelds wird um den inneren Magnetpol herum nicht groß gemacht. Derartige Magnetrone haben den Nachteil, daß das Plasma wahrscheinlich instabil wird und, wenn das Target aus ferromagnetischem Stoff besteht, das magnetische Streufeld über der Targetoberfläche so klein wird, daß überhaupt kein Plasma in Erscheinung tritt.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Magnetronzerstäubungsanlage gemäß Anspruch 1.
Die Erfindung ermöglicht es, eine Magnetronzerstäubungsanlage aufzubauen, die Plasma auf dem Target in stabiler Weise zu halten vermag, die eine lokale Erosion des Targets verhindert, die die Lebensdauer des Targets deutlich verlängern kann, und die das Target mit einer stabilen Zerstäubungsgeschwindigkeit im Betrieb zu zerstäuben vermag, insbesondere dann, wenn als Target ferromagnetisches Material verwendet wird.
Bei bevorzugten Ausführungsformen enthält jeder Magnetpol eine Magnetisierung, die vorherrschend in vertikaler Richtung orientiert ist, oder ein weichmagnetisches Material. Die Vorrichtung enthält außerdem: einen ersten Permanentmagneten mit einer Magnetisierung vorherrschend in horizontaler Richtung, angeordnet zwischen dem inneren und äußeren Magnetpol; und einen zweiten Permanentmagneten mit einer Magnetisierung vorherrschend in einer Richtung entgegen der Magnetisierungsrichtung des ersten Permanentmagneten, angeordnet auf der Außenseite des äußeren Magnetpols. Der Aufmerksamkeit des Lesers wird die europäische Patentanmeldung EP-A-0 381 437 empfohlen, bezüglich der die vorliegende Anmeldung eine Ausscheidungsanmeldung darstellt, und die eine solche Anlage allgemeiner beschreibt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen in größerer Einzelheit erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittansicht, die Teile einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage veranschaulicht;
Fig. 2(a) und 2(b) grafische Darstellungen der Verteilungen der Horizontal- und Vertikalkomponenten des Magnetfelds über dem Target bei einem ersten Beispiel der erfindungsgemäßen Anlage, wobei das Target aus einem ferromagnetischen Material besteht;
Fig. 3 eine Querschnittansicht, die ein Erosionsmuster des Targets bei dem ersten Beispiel der erfindungsgemäßen Anlage verdeutlicht;
Fig. 4(a) und 4(b) grafische Darstellungen der Verteilungen der Horizontal- und Vertikalkomponenten des Magnetfeldes über dem Target bei einem zweiten Beispiel der erfindungsgemäßen Anlage, wobei das Target aus einem ferromagnetischen Material besteht;
Fig. 5 eine Querschnittansicht, die ein Erosionsmuster des Targets bei dem zweiten Beispiel der erfindungsgemäßen Anlage verdeutlicht;
Fig. 6(a) und 6(b) grafische Darstellungen der Verteilungen der Horizontal- und Vertikalkomponenten des Magnetfelds über dem Target bei einem dritten Beispiel der erfindungsgemäßen Anlage, wobei das Target aus einem nichtmagnetischen Material besteht;
Fig. 7 eine Querschnittansicht eines Erosionsmusters des Targets bei dem dritten Beispiel der erfindungsgemäßen Anlage;
Fig. 8(a) und 8(b) grafische Darstellungen der Verteilungen der Horizontal- und Vertikalkomponenten des Magnetfelds über dem Target bei einem vierten Beispiel der erfindungsgemäßen Anlage, wobei das Target aus einem nichtmagnetischen Material besteht;
Fig. 9 eine Querschnittansicht, die ein Erosionsmuster des Targets bei dem vierten Beispiel der erfindungsgemäßen Anlage verdeutlicht;
Fig. 10(a) und 10(b) grafische Darstellungen der Verteilungen der Horizontal- bzw. Vertikalkomponenten des Magnetfelds über dem Target bei einem fünften Beispiel einer erfindungsgemäßen Anlage, wobei das Target ein nicht-magnetisches Material ist;
Fig. 11 eine Querschnittansicht, die ein Erosionsmuster des Targets bei dem fünften Beispiel der erfindungsgemäßen Anlage verdeutlicht;
Fig. 12 eine Querschnittansicht eines Teils eines alternativen Beispiels der Anlage gemäß der Erfindung, bei der ein durch Schlitze unterteilter, weichmagnetischer Körper zwischen einem inneren und einem äußeren Magnetpol auf der Rückseite des Targets eines konventionellen Magnetrons gelagert ist;
Fig. 13(a) und 13(b) eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Rund-Magnetrons bzw. eine Querschnittansicht dieses Magnetrons, betrachtet entlang der Linie PA - PB in Fig. 13(a);
Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines konventionellen Rechteck- Magnetrons;
Fig. 15 eine Querschnittansicht eines typischen Erosionsmusters, welches sich bildet, wenn ein ferromagnetisches Target unter Verwendung eines konventionellen Magnetrons zerstäubt wird;
Fig. 16(a) und 16(b) grafische Darstellungen der Verteilungen der Horizontal- bzw. Vertikalkomponenten des Magnetfelds über dem Target eines konventionellen Magnetrons, wobei das Target aus ferromagnetischem Materil besteht;
Fig. 17 eine Querschnittansicht eines Erosionsmusters, welches sich in einem konventionellen Magnetron bei einem Target aus ferromagnetischem Material ausbildet;
Fig. 18(a) und 18(b) grafische Darstellungen der Verteilungen der Horizontal- bzw. Vertikalkomponente des Magnetfelds über dem Target bei einem konventionellen Magnetron mit einem Target aus nicht-magnetischem Material; und
Fig. 19 eine Querschnittansicht, die ein in einem konventionellen Magnetron mit einem Target aus nichtmagnetischem Material ausgebildetes Erosionsmuster veranschaulicht.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der weichmagnetische Körper 8 in der dem äußeren Magnetpol zugewandten Richtung mit Hilfe des Magnetfeldes magnetisiert, welches von dem inneren Magnetpol 2 und dem äußeren Magnetpol 3 gebildet wird. Die Magnetisierung wirkt über der Oberseite des Targets 11 in der Weise, daß der Absolutwert des horizontalen Magnetfeldes und der Gradient des vertikalen Magnetfeldes im Mittelbereich der beiden Magnetpole 12 und 13 verringert sind.
Andererseits ist der Einfluß des weichmagnetischen Körpers 8 auf das Magnetfeld derart gering, daß der Gradient des vertikalen Magnetfelds um den oberen Abschnitt der zwei magnetischen Pole 12 und 13 herum erhöht ist. Die in dem weichniagnetischen Körper 8 ausgebildeten Schlitze dienen zum Regulieren der Intensität der Magnetisierung, wenn der weichmagnetische Körper 8 mit Hilfe des von den zwei Magnetpolen erzeugten Magnetfeldes magnetisiert wird. Genauer gesagt, es wird davon ausgegangen, daß die Anordnung der Schlitze bewirkt, daß der Induktionsfluß aus ihren Positionen herausspringt, und daß das Magnetfeld in der entgegengesetzten Richtung an den die Abschnitte bildenden Bereichen erzeugt wird, um dadurch die Stärke der Magnetisierung des weichmagnetischen Körpers zu regulieren. Eine genaue Steuerung der Verteilung des Magnetfeldes über der Oberseite des Targets läßt sich dadurch realisieren, daß man die Breite der Schlitze des weichmagnetischen Körpers 8 in entsprechender Weise einstellt und die Stärke der Magnetisierung in jedem Abschnitt des weichmagnetischen Körpers 8 steuert.
Insbesondere dann, wenn ein ferromagnetischer Körper als Target verwendet wird, ist die Justierung der Schlitzbreite wichtig. In einem konventionellen Magnetron unter Verwendung ferromagnetischen Materials als Target wird, wenn sich an dem Target Erosion entwickelt, der magnetische Fluß veranlaßt, aus dem Target selbst herauszuspringen, wie dies in Fig. 22 gezeigt ist, so daß das Magnetfeld an der Stelle erhöht wird, an der sich die Erosion entwickelt, während dieses verstärkte Magnetfeld das Magnetfeld schwächt, welches von den beiden Magnetpolen auf seinen beiden Seiten erzeugt wird. Folglich wird das Plasma an der Stelle, an der sich die Erosion einstellt, lokalisiert, und es kommt kein Plasma an deren beiden Seiten zustande. Als Konsequenz schreitet die Erosion mit zunehmender Geschwindigkeit voran. Wenn das aus einem ferromagnetischen Material bestehende Target sich entwickelt, wird das Magnetfeld unter der Rückseite des Targets ebenso wie auf dessen Oberseite verstärkt. Der weichmagnetische Körper 8, der in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung eingesetzt wird, hat die Funktion, das Magnetfeld über dem Target daran zu hindern, als Ergebnis einer Steigerung der Magnetisierung des weichmagnetischen Körpers durch das verstärkte Magnetfeld zuzunehmen. Damit der weichmagnetische Körper 8 seine Funktion gut erfüllen kann, ist es notwendig, die magnetischen Kennwerte des weichmagnetischen Körpers - in anderen Worten, die Anzahl der Abschnitte des weichmagnetischen Körpers oder die Breite der darauf befindlichen Schlitze - nach Maßgabe der magnetischen Kennwerte des Targets oder der Target-Dicke zu optimieren. Zwischen den Abschnitten des weichmagnetischen Körpers 8 gibt es Lücken, und die Lücken haben die Wirkung, die magnetischen Kennwerte des weichmagnetischen Körpers einzustellen.
Bei aus nichtmagnetischen Stoffen zusammengesetzten Targets besteht kein Einfluß der Ausbildung von Erosion auf die Verteilung des Magnetfeldes. Eine geeignete Einstellung der Schlitzbreiten ermöglicht eine genaue Verteilung des Magnetfelds über dem Target. Diese Einstellung hat den Vorteil, daß sie relativ einfach ist. Es sei angemerkt, daß die Schlitze nicht notwendigerweise vollständig getrennt sind, sie können teilweise miteinander verbunden sein. In beiden Fällen gibt es keinen signifikanten Unterschied in der Wirkungsweise. Die Dicke, die Länge und die magnetischen Kennwerte jedes Abschnitts des weichmagnetischen Körpers sind nicht notwendigerweise einander gleich, sie können je nach Bedarf variiert werden.
Fig. 12 zeigt ein Beispiel, bei dem der durch die Schlitze unterteilte weichmagnetische Körper bei dem konventionellen Magnetron gemäß Fig. 13 Anwendung findet. In diesem Fall ist anzumerken, daß der innere und der äußere Magnetpol 2 und 3 eine ausreichende Menge magnetischen Flusses erzeugen sollten, und daß, wenn die vorliegende Erfindung auf das Magnetron eines derartigen konventionellen Typs, wie er oben beschrieben wurde, angewendet wird, der Magnet sich vorzugsweise aus einem Seltenerdmetall zusammensetzt, beispielsweise SmCo, NdFeB oder dergleichen, oder ein Elektromagnet sein sollte.
Nunmehr auf Fig. 1 Bezug nehmend, erkennt man, daß der magnetische Körper 8 aus Stahl oder dergleichen auf der Rückseite des Targets an einer Stelle zwischen den zwei Magnetpolen angeordnet ist. Sein Querschnitt ist im wesentlichen der gleiche, wie er entlang der Linie PA - PB in Fig. 13 vorliegt. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, bezeichnen die Bezugszeichen 12 und 13 einen inneren und einen äußeren Magnetpol, jeweils bestehend aus weichmagnetischem Material. Ein Permanentmagnet 16 mit einer horizontalen Magnetisierung J ist zwischen den zwei Magnetpolen gelagert, und ein Permanentmagnet 17 mit einer Magnetisierung J', die der Magnetisierung J entgegengesetzt ist, ist an der Außenfläche des äußeren Magnetpols angesetzt. Es ist hier anzumerken, daß die Magnetisierung möglicherweise etwas von ihrer horizontalen Richtung abweicht, solange ihre Haupt-Magnetisierungskomponente im wesentlichen horizontal verläuft und derjenigen der anderen Magnetisierung gemäß Fig. 1 entgegengesetzt ist. Der innere und der äußere Magnetpol 12 und 13 können aus einem Permanentmagneten mit Magnetisierung in vertikaler Richtung bestehen, allerdings schwankt das Energieprodukt eines solchen Permanentmagneten, so daß ein magnetisches Material wie z.B. Stahl deshalb bevorzugt ist, weil es eine genaue Verteilung des Magnetfeldes liefert. Insbesondere dann, wenn der äußere Magnetpol 13 eine Gleichförmigkeit der magnetischen Flußdichte um seinen Außenumfang herum erforderlich macht, ist der Einsatz von weichmagnetischem Material notwendig. Fig. 1 zeigt den weichmagnetischen Körper 8, der sich in dem Magnetfeld befindet und durch Schlitze mit geringer Breite von etwa 0,01 mm bis 3 mm, vorzugsweise etwa 0,10 mm bis 0,5 mm in vier Abschnitte unterteilt ist. Die Dicke des weichmagnetischen Körpers 8 reicht üblicherweise von etwa 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise von etwa 4 mm bis 8 mm. Der weichmagnetische Körper ist an einer Trägerplatte 9 aus nicht-magnetischem Material fixiert. In der Zeichnung bezeichnet Bezugszeichen 14 eine Basisplatte aus nichtmagnetischem Material, Bezugszeichen 15 steht ffir eine Halteplatte, an der das Target angesetzt ist. Bei dem ersten Beispiel nach Fig. 1 wird ein Target aus ferromagnetischem Material wie z.B. FeCo mit einem Durchmesser von 20,3 cm (8 Zoll) und einer Dicke von 2,5 mm verwendet.
Fig. 2(a) und 2(b) zeigen die Verteilungsmuster der jeweiligen horizontalen und vertikalen Magnetfelder 2 mm oberhalb der Targetoberfläche vor dem Beginn des Zerstäubungsvorgangs, wenn das Target aus ferromagnetischem Material bei der erfindungsgemäßen Anlage eingesetzt wird. Fig. 3 zeigt ein Erosionsmuster des Targets nach dem Zerstäubungsvorgang. Fig. 16(a) und 16(b) zeigen die gleichen Verteilungsmuster, und Fig. 17 zeigt ein Erosionsmuster unter den gleichen Bedingungen, wenn das gleiche Target Anwendung findet bei einem konventionellen Magnetron, wie dies in Fig. 19 gezeigt ist. Wie aus den Fig. 16(a) und 16(b) sowie 17 ersichtlich ist, findet die Erosion bei dem konventionellen Magnetron lokal statt und entwickelt sich mit zunehmen der Geschwindigkeit. Außerdem wurde festgestellt, daß die Zone, wo Plasma eingeschlossen ist, bei fortschreitender Erosion schmaler wird und dadurch die Zerstäubungsgeschwindigkeit sich im Zuge der Zeit schnell verringert. Bei der erfindungsgemäßen Magnetronzerstäubungsanlage hingegen findet Erosion in einer breiten Zone statt, und der weichmagnetische Körper 8 kompensiert die Verteilung des Magnetfeldes über das Target, wenn sich die Erosion entwickelt, um dadurch eine periodische Änderung in der Zerstäubungsgeschwindigkeit extrem klein zu halten. Bei dem Beispiel nach den Fig. 2(a), 2(b) und 3 wird der Gradient des Magnetfeldes um den äußeren Magnetpol herum derart eingestellt, daß er etwa 350 Gauss/cm (1 Gauss = 10&supmin;&sup4; T) beträgt und sein Gradient im Mittelbereich zwischen den beiden Magnetpolen etwa 20 Gauss/cm beträgt. Weiterhin wird er so eingestellt, daß die Polarität des vertikalen Magnetfeldes sich an einem Abschnitt ändert, wo der Gradient des vertikalen Magnetfelds klein ist - in diesem Fall an einer Stelle sehr nahe der Stelle, die den kleinsten Wert des M-förmigen horizontalen Magnetfeldes zeigt. Bei der Verteilung des vertikalen Magnetfeldes gemäß Fig. 3(b) wird das Magnetfeld so eingestellt, daß es um die Außenseite des inneren Magnetpols herum am größten und im Mittelbereich des inneren Magnetpols kleiner ist. In diesem Fall liegt, wenn ein oberer Bereich des inneren Magnetpols ein Abschnitt ist, der kein Plasma erzeugt, die Verteilung des Magnetfelds in diesem. Abschnitt außerhalb der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel wird die Target-Lebensdauer um mehr als das Fünffache auf annähernd 55 kWh gegenüber 10 kWh im Vergleich zu dem herkömmlichen Magnetron nach Fig. 13 verlängert, wenn man die Eingangsleistung als Bezugsgröße nimmt.
Fig. 4(a), 4(b) und 5 zeigen ein zweites Beispiel unter Angabe der Verteilungen des Magnetfeldes bzw. des Erosionsmusters, wobei die Breite jedes Schlitzes des weichmagnetischen Körpers 8 verringert ist, damit der Gradient des vertikalen Magnetfelds an einem Abschnitt, wo der Gradient des vertikalen Magnetfelds zwischen den zwei Magnetpolen klein ist, praktisch Null wird. In diesem Fall hat das Erosionsmuster eine W-förmige Gestalt, und die Lebensdauer des Targets beträgt etwa 30 kWh. Dies deshalb, weil die Erosion des Targets sich mit einer etwas größeren Geschwindigkeit an dem Abschnitt entwickelt, an dem ein Anstieg des Gradienten des vertikalen Magnetfelds steil und die Wirkung der Kompensation des Magnetfelds durch den weichmagnetischen Körper 8 in diesem Bereich nicht so bedeutend ist. Außerdem wird davon ausgegangen, daß dies auf dem Umstand beruht, daß das Plasma eingeschlossen wird durch eine Teilschleife des magnetischen Flusses, der von der Targetoberfläche ausgeht, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Deshalb ist es insbesondere dann, wenn das Target aus einem ferromagnetischen Material besteht, erforderlich, daß der Gradient des vertikalen Magnetfelds nach Maßgabe der magnetischen Kennwerte des Targets optimiert ist. Die Ergebnisse eines Versuchs unter Verwendung eines ferromagnetischen Materials als Target, insbesondere eines Materials hoher Permeabilität, haben gezeigt, daß man ein besseres Resultat dann erzielen kann, wenn der Gradient des vertikalen Magnetfelds auf einen geeignet kleinen Wert eingestellt wird, verglichen damit, daß der Gradient des vertikalen Magnetfelds auf Null eingestellt wird. Es sei angemerkt, daß sehr gute Ergebnisse dann nicht erzielbar sind, wenn die Stelle, an der sich die Polarität des vertikalen Magnetfelds ändert, auf den Abschnitt eingestellt wird, wo der Gradient des vertikalen Magnetfelds groß ist, wobei weiterhin dann, wenn die Stelle, an der sich die Polarität des vertikalen Magnetfelds ändert, auf eine Position sehr nahe bei der Stelle eingestellt wird, die den kleinsten Wert des M-förmigen horizontalen Magnetfelds aufweist, die längste Target-Lebensdauer erzielt werden kann und sich die Zerstäubungsgeschwindigkeit während des Betriebs am langsamsten ändert.
Bei dem dritten Beispiel, wie es in den Fig. 6(a), 6(b) und 7 gezeigt ist, wird das Target aus einem nicht-magnetischen Ta-Material mit einem Durchmesser von 20,3 cm (8 Zoll) und einer Dicke von 6 mm verwendet. Fig. 6(a), 6(b) und 7 zeigen die Verteilungen der horizontalen und vertikalen Magnetfelder 2 mm oberhalb der Targetoberfläche vor Beginn des Zerstäubungsvorgangs, bzw. ein Erosionsmuster des Targets im Anschluß an den Zerstäubungsvorgang.
Fig. 18(a), 18(b) und 19 zeigen die jeweiligen Verteilungen der horizontalen und vertikalen Magnetfelder 2 mm oberhalb der Targetoberfläche vor dem Beginn des Zerstäubungsvorgangs bzw. ein Erosionsmuster des Targets im Anschluß an die Zerstäubung, wobei das gleiche Target wie im dritten Beispiel für ein konventionelles Magnetron verwendet wird, wie es in Fig. 13 gezeigt ist. Wie aus den Fig. 18(a), 18(b) und 19 ersichtlich ist, erfolgt Erosion auf dem aus nicht-magnetischem Material bestehenden Target lokal, wenn dieses Target in dem konventionellen Magnetron eingesetzt wird, wenngleich in nicht so starkem Ausmaß wie bei einem Target aus ferromagnetischem Stoff. In diesem Fall beträgt die Nutzbarkeit des Targets etwa 25 %.
Bei dem Beispiel nach Fig. 6 besteht der weichmagnetische Körper 8 aus drei Abschnitten und reicht über etwa 50 % des Abstands zwischen seinen beiden Magnetpolen. Wie in den Fig. 6(a) und 6(b) zu sehen ist, ist der Gradient der vertikalen Komponente des Magnetfelds im Mittelabschnitt zwischen den beiden Magnetpolen auf Null eingestellt, während der Gradient der horizontalen Komponente des Magnetfelds auf einen konstanten Wert eingestellt ist. In diesem Fall erfolgt Erosion in stärkerem Maße im Mittelabschnitt zwischen den Magnetpolen, obschon sich ein Erosionsgebiet ausbreitet, wie dies in Fig. 7 ersichtlich ist. Bei diesem Beispiel hat das Erosionsmuster eine lockere U-Form, die Nutzbarkeit des Targets beträgt 41 %.
Bei dem vierten Beispiel besteht der weichmagnetische Körper 8 aus fünf Abschnitten, und die Länge des magnetischen Körpers 8 trägt zu etwa 80 % der Entfernung zwischen den beiden Magnetpolen bei. Es wurde unter Verwendung des Targets ein Versuch durchgeführt, bei dem der Gradient des vertikalen Magnetfelds auf Null im Mittelbereich zwischen den zwei Magnetpolen eingestellt wurde, während die horizontale Komponente des Magnetfelds eine M-förmige Konfiguration dazwischen besaß, wie dies in den Fig. 8(a) und 8(b) zu sehen ist, allerdings mit der Maßgabe, daß der Maximalwert der horizontalen Komponente im Mittelbereich auf etwa 50 % eingestellt wurde. Für diesen Fall wurde gemäß Fig. 9 herausgefünden, daß sich Erosion in einer extrem breiten Zone einstellt und die Nutzbarkeit des Targets bei 52 % liegt. Es sei hier angemerkt, daß sich die Erosion in einem etwas stärkeren Ausmaß an einer Stelle in der Nähe des äußeren Magnetpols entwickelt, wo der Gradient des vertikalen Magnetfelds stark zunimmt.
Bei diesem fünften Beispiel ist die Verteilung des Magnetfelds so eingestellt, daß der Gradient des vertikalen Magnetfelds in jenem Bereich allmählich ansteigen kann. In diesem Fall ist die Breite des Schlitzes zwischen zwei äußeren Abschnitten des weichmagnetischen Körpers 8, wie im vierten Beispiel dargestellt, etwas von 0,2 mm auf 0,3 mm ausgedehnt. Die Verteilungen des Magnetfelds und eines Erosions musters sind flir diesen Fall in den Fig. 10(a) und 10(b) bzw. Fig. 11 dargestellt. Hierbei steigt die Nutzbarkeit auf 66 % an.
Obschon diese Versuchsergebnisse theoretisch nicht klar erklärt werden können, wird davon ausgegangen, daß dann, wenn das Plasma in dem domähnlichen Magnetfeld eingegrenzt wird, das Magnetfeld etwa parallel zur Targetoberfläche um einen Mittelabschnitt zwischen den zwei Magnetpolen herum hergestellt werden kann, so daß das Plasma von den beiden Seiten aufgrund eines stärkeren magnetischen Drucks um die zwei Magnetpole herum, bedingt durch eine stärkere magnetische Flußdichte in der Nähe der Magnetpole, in Richtung auf den Mittelbereich gestoßen wird und dadurch die Elektronenkonzentration im Mittelbereich zwischen den beiden Magnetpolen verdichtet. Um eine extrem breite Erosionszone zu realisieren, wird also davon ausgegangen, daß die magnetische Flußdichte um den Mittelbereich herum zwischen den Magnetpolen etwas geringer ist und damit ermöglicht, daß die Elektronen in gewissem Ausmaß von dem Mittelbereich abweichen.
Einige Versuchsergebnisse haben gezeigt, daß dann, wenn der Gradient des vertikalen Magnetfelds auf annähernd Null eingestellt wird, es zahl reiche Möglichkeiten dafür gibt, daß sich eine Erosionsverteilung aus einem U-förmigen Zustand in einen nahezu flachen Zustand ändert, wenn die Verteilung der Stärke des horizontalen Magnetfeldes derart beschaffen ist, daß der maximale Wert sich in dem Mittelbereich zwischen den beiden Magnetpolen zwischen etwa 20 % und 75 % beläuft.
Es muß allerdings angemerkt werden, daß die Tendenz zu beobachten war, daß das Plasma dann instabil wurde, als der Minimalwert des M- förmigen horizontalen Magnetfeldes auf 70 Gauss oder weniger gesenkt wurde. Deshalb ist es erforderlich, daß der Minimalwert der horizontalen Komponente des Magnetfelds im mittleren Bereich zwischen den Magnetpolen 70 Gauss, vorzugsweise mehr als 150 Gauss beträgt. Aus dem in den Fig. 8 und 9 dargestellten Versuchsergebnissen ist ersichtlich, daß eine Anderung der Krümmung des Magnetfelds ebenfalls ein signifikanter Faktor ist, und es bevorzugt wird, wenn sich die Änderungen des Gradienten des Magnetfelds von einem schwachen in einen starken Zustand nicht scharf vollziehen.
Außerdem sei angemerkt, daß die Nutzungseffizienz des Targets nicht einfach dadurch auf ein sehr hohes Maß angehoben werden kann, daß man die Richtung des Magnetfelds über dem Target parallel zu der Targetoberfläche verlaufen läßt. Es ist also erforderlich, daß die Verteilung des Magnetfelds optimiert wird, indem man eine Erosionsverteilung des Targets beobachtet.
Bei der Einstellung der Breite des Schlitzes zwischen den Abschnitten des weichmagnetischen Körpers, wie sie oben beschrieben wurde, ergibt sich der Vorteil, daß die Schlitze vorab mit etwas größerer Breite angeordnet werden, und daß weicher Stahl oder dergleichen in Bandform in die Schlitze eingesetzt wird, da diese Methode es erübrigt, eine große Anzahl von Abschnitten des weichmagnetischen Körpers 8A vorzubereiten. Außerdem wird bevorzugt, daß eine geeignete Substanz mit einer kleinen Nicht-Permeabilität, wie z.B. Cu, Al oder rostfreiem Stahl, oder ein Permanentmagnet ohne Magnetisierung aber dennoch hoher Koerzitivkraft in den Schlitz eingesetzt wird, so daß der Schlitz nicht als Lücke stehenbleibt, um dadurch eine einfache Positionierung der Abschnitte des weichmagnetischen Körpers 8 zu erreichen.
Somit ist die erfindungsgemäße Magnetronzerstäubungsanlage auf der Rückseite des Targets zwischen dem inneren und dem äußeren Magnetpol mit einer Einrichtung zum Verringern einer Komponente des magnetischen Streufelds ausgestattet, vertikal zu dem Target, von dem inneren und dem äußeren Magnetpol über einer Fläche des Targets, die sich auf dem inneren Magnetpol und einem Magnetpol in der Nähe des äußeren Magnetpols an einem zentralen Bereich zwischen dem inneren und dem äußeren Magnetpol befindet, wobei dennoch dessen Vertikalkomponente in einem Bereich um die Magnetpole herum verstärkt wird, um die Intensitätsverteilung der Horizontalkomponente des Magnetfelds zwischen den Magnetpolen M-förmig zu machen. Die Schaffung einer solchen Einrichtung auf der Rückseite des Targets zwischen dem inneren und dem äußeren Magnetpol dient zum Vermeiden einer lokalen Erosion des Targets und zur Verlängerung der Target-Lebensdauer auf ein be trächtliches Maß. Falls das Target aus ferromagnetischem Material besteht, läßt sich eine Änderung der Zerstäubungsgeschwindigkeit mmimieren.
Außerdem ist gemäß obiger Beschreibung die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetronzerstäubungsanlage mit dem inneren Magnetpol in Form eines Permanentmagneten ausgestattet, der eine Magnetisierung in vertikaler Richtung aufweist, oder aus weichmagnetischem Material besteht, einem äußeren Magnetpol, bestehend aus einem ähnlichen Material und derart angeordnet, daß er den inneren Magnetpol umschließt, wobei ein Permanentmagnet mit einer Magnetisierung vorherrschend in horizontaler Richtung zwischen dem inneren und äußeren Magnetpol angeordnet ist, und ein Magnet mit einer Magnetisierung vorherrschend in einer Richtung entgegengesetzt der horizontalen Richtung des Permanentmagneten. Somit besitzt die erfindungsgemäße Anlage ein ausreichend großes Maß an magnetischem Fluß um den äußeren Magnetpol herum und ermöglicht damit das einfache Halten von Plasma in einem großdimensionierten Magnetron, oder dann, wenn das Target aus ferromagnetischem Material besteht; hierdurch wird die Zerstäubungsrate im Vergleich zu einem üblichen Magnetron beträchtlich gesteigert.

Claims

1. Magnetronzerstäubungsanlage, umfassend einen inneren Magnetpol (2/12), einen äußeren Magnetpol (3/13) mit einer Polarität, die derjenigen des inneren Magnetpols (2/12) entgegengesetzt ist, und so angeordnet, daß er den inneren Magnetpol (2/12) umgibt, und ein Target (1/11), welches zumindest oberhalb des inneren Magnetpols (2/12) angeordnet ist und sich von dort aus in Richtung des äußeren Magnetpols (3/13) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß

ein weichmagnetisches Material mit einer Magnetisierung parallel zu der Ebene des Targets und in einer Richtung entgegen dem Magnetfeld, welches von dem inneren und dem äußeren Magnetpol in dem weichmagnetischen Material erzeugt wird, und mit Unterteilung in mehrere diskrete Abschnitte (8/8A) durch eine Substanz geringer Breite und niedriger Permeabilität, oder durch Schlitze, auf einer Rückseite des Targets (1/11) zwischen dem inneren (2/12) und dem äußeren (3/13) Magnetpol angeordnet ist, das weichmagnetische Material außerdem in der Lage ist, in einer mittleren Zone zwischen dem inneren (2/12) und dem äußeren (3/13) Magnetpol den Gradienten der Komponente senkrecht zu der Ebene des Targets (1/11) des magnetischen Streufelds zu verringern, welches von dem inneren (2/12) und dem äußeren (3/13) Magnetpol erzeugt wird und aus der Oberfläche des Targets (1/11) hervortritt, und es in einem Bereich in der Nähe der Magnetpole (2/12, 3/13) zu erhöhen und zu veranlassen, daß die Intensitätsverteilung der Komponente parallel zur Ebene des Targets (1/11) des Magnetfelds zwischen den Magnetpolen eine M-förmige Verteilung mit Spitzen in Richtung der Magnetpole (2/12), (3/13) und einer Mulde dazwischen annimmt;

wobei die Anzahl der diskreten Abschnitte (8/8A) des weichmagnetischen Materials und die Breite der Substanz niedriger Permeabilität oder der Schlitze bestimmt sind nach Maßgabe der magnetischen Kennlinie und der Dicke des Targets.

2. Magnetzerstäubungsanlage nach Anspruch 1, bei der jeder der Magnetpole (12, 13) einen Permanentmagneten mit einer Magnetisierung vorherrschend in Richtung senkrecht zur Ebene des Targets aus weichmagnetischem Material aufweist und die Anlage außerdem enthält: einen ersten Permanentmagneten (16) mit einer Magnetisierung vorherrschend in der Richtung parallel zur Ebene des Targets in Richtung des magnetischen Felds, welches von dem inneren und dem äußeren Magnetpol in den Permanentmagneten erzeugt wird, angeordnet zwischen dem inneren (12) und dem äußeren (13) Magnetpol; und einen zweiten Permanentmagneten (17) mit einer Magnetisierung vorherrschend in eine Richtung entgegen der Magnetisierungsrichtung in dem ersten Permanentmagneten (16), angeordnet auf einer Außenseite des äußeren Magnetpols (13).

3. Magnetronzerstäubungsanlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Verteilung der Intensität der Komponente rechtwinklig zur Ebene des Targets des Magnetfelds M-förmiger Verteilung so angeordnet ist, daß ihr Minimumwert in dem mittleren Bereich zwischen den Magnetpolen (2/12, 3/13) zwischen 20% und 75% des Maximalwerts ausmacht.

4. Magnetronzerstäubungsanlage nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Änderung der Polarität der Komponente senkrecht zur Ebene des Targets des Magnetfelds an einer Stelle zwischen den Magnetpolen (2/12, 3/13) erfolgt, an der der Gradient der Komponente rechtwinklig zur Ebene des Targets klein ist.

5. Magnetronzerstäubungsanlage nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Änderung der Polarität der Komponente senkrecht zur Ebene des Targets des Magnetfelds an einer Stelle zwischen den Magnetpolen (2/12, 3/13) in der Nähe der Stelle des Minimalwerts der Komponente parallel zur Ebene des Targets in der Mulde der M-förmigen Verteilung stattfindet.

6. Magnetronzerstäubungsanlage nach Anspruch 5, bei der die Nähe definiert ist als die Ist-Position des Minimumwerts der Komponente parallel zur Ebene des Targets, plus und minus 10% der Distanz zwischen den Magnetpolen (2/12, 3/13).

7. Magnetronzerstäubungsanlage nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der ein weichmagnetisches Material in Form eines Bandes in den Schlitz (die Schlitze) eingefügt ist, um dadurch deren Breite zu justieren.

8. Magnetronzerstäubungsanlage nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der das Target aus ferromagnetischem Material besteht.