DE69133275T2

DE69133275T2 - Sputtervorrichtung mit rotierender Magnetanordnung, deren Geometrie ein vorgegebenes Targetabtragsprofil erzeugt

Info

Publication number: DE69133275T2
Application number: DE1991633275
Authority: DE
Inventors: Palo Alto Anderson Robert L; John C Menlo Park Helmer
Original assignee: Varian Semiconductor Equipment Associates Inc
Current assignee: Varian Semiconductor Equipment Associates Inc
Priority date: 1990-01-26
Filing date: 1991-01-24
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2011-01-25
Also published as: DE69133275D1; EP0439361A2; JP3111417B2; EP0439361A3; EP0439361B1; JPH04212412A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Sputtervorrichtung und insbesondere eine Sputtervorrichtung mit einer drehbaren Anordnung von Magneten, die in einer Geometrie angeordnet sind, die ein ausgewähltes Erosionsprofil bereitstellt.
Planare Magnetrons wurden lange von der Halbleiterbearbeitungsindustrie in Sputtervorrichtungen verwendet, um Siliziumwafer mit verschiedenen Materialien, beispielsweise Aluminium, während der Fertigung von integrierten Schaltungen zu beschichten.
Eine Sputtervorrichtung mit einem stationären planaren Magnetron ist typischerweise eine Sputtervorrichtung mit hoher Rate, die eine enorme Verbesserung gegenüber Vorrichtungen auf der Basis von Diodensputter- oder Verdampfungsverfahren darstellt. Eine Sputtervorrichtung mit einem stationären planaren Magnetron weist jedoch praktische Mängel auf, von welchen der schwerwiegendste darin besteht, dass die Plasmaentladung eine schmale Nut im Target erodiert. Diese lokalisierte Erosion erzeugt eine ungleichmäßige Verteilung von gesputterten Atomen, was zu einer Abscheidung auf dem Halbleiterwafer mit einer ungleichmäßigen Stufenüberdeckung führt.
Zahlreiche Versuche, von denen einige teilweise erfolgreich sind, wurden durchgeführt, um eine solche Quelle zu modifizieren, um die Targeterosion zu erweitern und die Verteilung der gesputterten Atome gleichmäßiger zu machen. Das US-Patent Nr. 4 444 643 beschreibt beispielsweise eine Sputtervorrichtung, die eine mechanisch gedrehte Permanentmagnetanordnung umfasst. Die Drehung der Permanentmagnetanordnung verursacht eine Erosion über einen breiteren Bereich des Targets.
Weitere Versuche wurden durchgeführt, um die Erosion unter Verwendung von ausgedehnten Magnetfeldern über eine größere Oberfläche auszubreiten. Die für eine solche Methode erforderlichen Magnete sind groß und kompliziert und es ist schwierig sicherzustellen, dass die Eigenschaften des Magnetrons sich nicht ändern, wenn das Target wegerodiert. Das resultierende Erosionsmuster ist somit schwierig vorherzusagen.
Spezielle Anordnungen der Magnete wurden zum Erzeugen einer gleichmäßigeren Erosion auch vorgeschlagen. Eine solche Anordnung ist in der Europäischen Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 211 412 mit dem Titel Magnetron Sputtering Apparatus and its Magnetic Source, veröffentlicht am 25. Februar 1987, beschrieben. Eine weitere solche Anordnung ist in der Japanischen Patentanmeldung Veröffentlichung (Kokai) Nr. 62-211 375 mit dem Titel Sputtering Apparatus, veröffentlicht am 11. März 1986, beschrieben. Wie in dieser Offenbarung erörtert ist, zeigt unsere Arbeit, dass keine dieser vorgeschlagenen Anordnungen eine gleichmäßige Erosion erzeugt.
JP-A-57-192262 offenbart eine Magnetronsputtervorrichtung mit einem Target mit einer gewölbten Stirnfläche.
EP-A-0399710 offenbart eine Magnetronsputtervorrichtung mit einem drehbaren Magneten. Mindestens ein Teil der Mittellinie des Magneten liegt auf einer Kurve, die durch
definiert ist, wobei ε(u) ein vorausgewähltes Erosionsprofil ist. Wenn er stationär ist, erzeugt der Magnet ein lokalisiertes Magnetfeld mit ungefähr konstanter Breite. Im Betrieb, wenn der Magnet gedreht wird, erzeugt er das vorausgewählte Erosionsprofil in dem Target. Das vorausgewählte Erosionsprofil kann konstant sein.
Eine Magnetronsputtervorrichtung wird wie in Anspruch 1 definiert bereitgestellt.
Die Targetfläche in dem Magnetron ist gewölbt, d. h. konkav oder konvex.
Im Allgemeinen kann das bestimmte Integral von Anspruch 1 unter Verwendung der numerischen Integration ausgewertet werden.
In dem wichtigen Spezialfall, in dem das vorausgewählte Erosionsprofil konstant ist, reduziert sich die obige Gleichung zu
Die Mittellinie des Magnetmittels kann durch Verwendung von Symmetrie als geschlossene Kurve konstruiert werden. In einem Ausführungsbeispiel wird ein erstes Segment der Mittellinie durch eine der obigen Gleichungen über das Intervall θ₀ ≤ θ ≤ θ₀ + π definiert und die geschlossene Mittellinie wird durch Symmetrie konstruiert. Wenn ein Magnet mit im Wesentlichen konstanter Breite und Stärke so konfiguriert ist und um die z-Achse gedreht wird, ist das Erosionsprofil im Target, das durch die Sputtervorrichtung erzeugt wird, das vorausgewählte Erosionsprofil.
Wenn ein beträchtlicher Teil der Mittellinie des Magnetmittels durch eine der obigen Gleichungen definiert wird, kann durch Verbinden der Endpunkte des beträchtlichen Teils durch eine oder mehrere Kurven, die die obigen Gleichungen nicht erfüllen, eine geschlossene Mittellinie konstruiert werden, aber dann weicht das erzeugte Erosionsprofil etwas vom vorausgewählten Profil ab.
In einem Ausführungsbeispiel zum Erzeugen eines konstanten Erosionsprofils umfasst das Magnetmittel eine Vielzahl von Magneten mit denselben Abmessungen und derselben Stärke, die mit ihren Mitten entlang der durch die letztere der obigen Gleichungen definierten Kurve angeordnet sind. Das Magnetfeld wird durch die Verwendung von Ankern aus Magnetmaterial, die mit der Rotationsfläche konform sind und die die Magnete halten und die magnetische Kontur des Magnetmittels formen, gleichmäßig gemacht.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun Ausführungsbeispiele als Beispiel mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:
1 zeigt eine teilweise schematische voraussichtliche [perspektivische] Ansicht einer Sputtervorrichtung des Standes der Technik, die ein stationäres planares Magnetron umfasst;
2A zeigt eine vereinfachte Ansicht einer Sputtervorrichtung des Standes der Technik mit einer Drehmagnetanordnung;
2B zeigt das Erosionsprofil, das von der Quelle von 2A erzeugt wird;
3A zeigt den Erosionsbereich am Target, der von einer stationären, kreisförmigen, ringförmigen Magnetanordnung erzeugt wird;
3B zeigt das angenommene stationäre Erosionsprofil, das von der Magnetanordnung in 3A erzeugt wird, wenn die Anordnung stationär ist;
3C zeigt das Erosionsprofil, das durch die Drehung der in 3A gezeigten Magnetanordnung erzeugt wird;
4 stellt eine geometrische Konstruktion für einen Erosionsbereich mit ungleichmäßiger Breite W dar, der die Gleichung
erfüllt, wobei K eine Konstante ist;
5 zeigt das Wegelement mit konstanter Breite und die zugehörigen Größen zum Herleiten der Gleichung der Mittellinie des Weges;
6A zeigt eine Kurve der Lösung von Gleichung (13);
6B zeigt eine Kurve in geschlossener Schleife, die aus der in 6A gezeigten Kurve durch Spiegeln eines Teils der in 6A gezeigten Kurve an der Achse erzeugt wird;
6C ist eine erweiterte Version von 6B, die einen Weg mit konstanter Breite zeigt, der um den oberen und den unteren Teil der Kurve in geschlossener Schleife zentriert ist, abgesehen von relativ kleinen Bereichen bei θ = 0 und θ = π, in denen die Breite nicht konstant ist;
7A und 7B zeigen alternative Ausführungsbeispiele mit mehreren Keulen, die den Ort der Mittellinie der Magnete angeben;
8A zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8B zeigt das Erosionsprofil, das vom Ausführungsbeispiel von 8A erzeugt wird;
9 zeigt das Magnetfeld für das Ausführungsbeispiel von 8;
10A zeigt eine kreisförmige Magnetanordnung, die für Wirbelstrommessungen verwendet wird;
10B zeigt den Effekt von Wirbelströmen während der Drehung des Magneten von 10A an den durch die Buchstaben A–H angegebenen Orten;
11A zeigt eine kreisförmige Magnetanordnung;
11B zeigt den Effekt der Wirbelströme aufgrund der Drehung der Magnetanordnung von 11A als Funktion der Orte A-C, wie in 11A angegeben;
12A–E zeigen alternative Ausführungsbeispiele für die Mittellinie des Magnetmittels der vorliegenden Erfindung entsprechend vorausgewählten Erosionsprofilen;
13 zeigt das gemessene Erosionsprofil für das Ausführungsbeispiel von 8 im Vergleich zum vorhergesagten Profil;
14A zeigt eine Magnetstruktur, die gemäß den Lehren der Europäischen Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 211412 konstruiert ist;
14B zeigt das berechnete Erosionsprofil für die Magnetstruktur von 14A;
15A vergleicht die für eine gleichmäßige Erosion von der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 62-211 375 vorgeschlagene Gleichung mit der hierin gelehrten Gleichung für eine gleichmäßige Erosion;
15B vergleicht die Erosionsprofile, die den in 15A gezeigten zwei Kurven zugeordnet sind;
16 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer konkaven Targetfläche;
17A zeigt eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht der Oberfläche und der Magnetanordnung von 16;
17B zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 17A;
18 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer konvexen Kathodenfläche; und
19 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem die Kathodenfläche nicht streng konkav ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine teilweise schematische perspektivische Ansicht einer Sputtervorrichtung 1 des Standes der Technik, die ein stationäres planares Magnetron 2 umfasst. Das Magnetron 2 umfasst eine Anode 4, die mit dem Erdpotential verbunden ist, und eine Kathode (Target) 6, die mit einer negativen Hochspannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden ist. Das Target 6 liegt in Form eines Rings vor, der anfänglich (d. h. bevor das Sputtern stattfindet) eine planare obere Oberfläche 6a aufweist. Eine Vielzahl von Permanentmagneten 8, die in 1B gezeigt sind, sind in einem kreisförmigen Muster unterhalb des Targets 6 angeordnet. Ein Inertgas mit niedrigem Druck, beispielsweise Argon mit 0,67 Pa (0,005 Torr), wird in die Vakuumkammer 5, die das Magnetron 2 enthält, durch den Gaseinlasskanal 3 eingeleitet. Die Vakuumkammer 5 ist mit einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) zum Auspumpen der Kammer vor der Einleitung des Inertgases verbunden.
Ein Wafer w wird durch ein geeignetes Waferhaltemittel 7, das an der Kammer 5 befestigt ist, so gehalten, dass die zu beschichtende planare Oberfläche des Wafers der planaren Oberfläche 6a des Targets 6 ausgesetzt ist und zu dieser parallel ist.
Im Betrieb begrenzen die Magnetfeldlinien, die durch Pfeile B angegeben sind, die Entladung auf den ringförmigen Bereich 12, wo energiereiche Ionen in der Entladung das Target 6 durch Entfernen von Aluminiumatomen bombardieren und erodieren, von welchen einige die planare Oberfläche des Wafers w beschichten. Die energiereichen Ionen in der Entladung erodieren eine ringförmige Nut 3 im Target 6 und, wie vorstehend erörtert, erzeugt diese lokalisierte Erosion eine ungleichmäßige Verteilung von gesputterten Atomen.
2A zeigt eine vereinfachte Ansicht einer Versamag^TM-Sputterquelle 14 des Standes der Technik, die von Varian Associates, Inc., dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung, kommerziell vertrieben wird. Es ist selbstverständlich, dass die Quelle 14 in einer Vakuumkammer (nicht dargestellt) enthalten ist und dass ein Inertgas in die Kammer eingeleitet wird, wie in Verbindung mit 1 erläutert.
Die Quelle 14 umfasst einen Motor 16, der eine Welle 23 um eine Achse 20 dreht, wie durch den Pfeil A angegeben. Eine Magnetträgerwelle 19 erstreckt sich senkrecht von der Welle 23 und trägt eine Magnetanordnung 21, die an dieser befestigt ist. Somit ist die Mittelachse 24 der Magnetanordnung 21 von der Achse 20 um einen Abstand R verschoben.
Die Magnetanordnung 21 umfasst eine Magnetanordnung ähnlich der in 1B gezeigten, wobei die Permanentmagnete in einem Kreis angeordnet sind, so dass eine kreisförmige, ringförmige Entladung 15, die durch die Magnetlinien B begrenzt ist, im Betrieb erzeugt wird.
Das Target (Kathode) 17 ist scheibenförmig und ist mit einer negativen Hochspannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden. Eine Plasmaabschirmung 22, die an der Vakuumkammer (nicht dargestellt) befestigt ist, ist elektrisch geerdet und dient als Anode. Das Target 17 ist an die Aufspannplatte 18 geklebt. Die Aufspannplatte 18, die am Gehäuse 26 befestigt ist, trägt das Target 17. Das Gehäuse 26 bildet zusammen mit der Aufspannplatte 18 eine wasserdichte Kammer 28 zum Halten eines Wasserbades zum Kühlen des Targets.
Der Wafer w wird von einem Waferträger (nicht dargestellt) getragen, der an der Vakuumkammer befestigt ist, so dass die zu beschichtende obere Oberfläche w_a des Wafers w unter und parallel zu dem Target 17 liegt.
Im Betrieb dreht der Motor 16 die Welle 23, so dass die gesamte Magnetanordnung 21 um die Achse 20 gedreht wird. Das im Target 17 durch diese Drehung erzeugte Erosionsmuster ist komplexer als eine einfache Nut. 2B, die auf 2A vertikal ausgerichtet ist, zeigt einen teilweisen Querschnitt (wobei der vertikale Maßstab der Deutlichkeit halber vergrößert ist) des Targets 17, welcher das Tiefenprofil der Erosion im Target 17 zeigt, das durch Drehen der Magnetanordnung 21 um die Achse 20 mit einer konstanten Geschwindigkeit eine große Anzahl von Malen erzeugt wird. Die Strich-Punkt-Linie 27 zeigt den Weg der Achse 24. Die Entladung 15 ist in 2B in ihrer Anfangsposition gezeigt. Die Entladung 15 dreht sich natürlich mit der Achse 24 um die Achse 20. Wie in 2B zu sehen ist, ist die Erosion des Targets 17 ungleichmäßig, wenn die kreisförmige, ringförmige Entladung 15 gedreht wird.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel betrifft eine Magnetanordnung, gegen welche die Magnetanordnung 21 in der in 2A gezeigten Struktur ausgetauscht werden kann und die im Betrieb, wenn sie um die Achse 20 gedreht wird, ein im voraus festgelegtes Erosionsprofil im Target 17 erzeugt. Von besonderem Interesse ist der Fall, in dem das Erosionsprofil so ausgewählt wird, dass es eine konstante Tiefe aufweist.
Die theoretische Basis des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann durch zunächst Betrachten, warum das in 2B gezeigte Erosionsprofil ungleichmäßig ist, besser verstanden werden. Die in 2A gezeigte Magnetanordnung 21 weist Magnete 8 auf, die kreisförmig angeordnet sind, wie in 1B gezeigt, so dass für analytische Zwecke angenommen werden kann, dass die resultierende kreisförmige Entladung 15 (in 2A gezeigt) eine gleichmäßig Intensität im Entladungsbereich 30 benachbart zum Target 17 aufweist (die tatsächliche Verteilung der Intensität ist ungefähr gaußartig).
Wenn die Magnetanordnung 21 für instruktive Zwecke stationär gehalten werden würde, kann angenommen werden, dass das Erosionsprofil im Target 17 die in 3B gezeigte Form aufweist, die auf 3A ausgerichtet ist. Das heißt, die Erosionstiefe ist über die Breite des Rings 30 konstant. Die tatsächliche Tiefe der Erosion würde natürlich von der Intensität der Entladung und der Länge der Zeit, in der die Entladung über dem Target aufrechterhalten wurde, abhängen.
Wenn die Magnetanordnung um die Drehachse 20 (die Achse 20 ist zur Ebene des Papiers in 3A senkrecht) mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gedreht wird, ist die Menge (Tiefe) der Erosion an einem Punkt r auf der Erosionsfläche des Targets 17, der sich in einem Abstand von R linearen Einheiten von der Mitte des Targets befindet, welche durch jede einzelne vollständige Drehung des Entladungsbereichs 30 über dem Target 17 verursacht wird, welcher mit E(R) angegeben ist, direkt proportional zur Gesamtlänge der Bogensegmente im Bereich 30, die sich am Punkt r vorbei drehen, d. h. zur Gesamtlänge der Bogensegmente in einem Abstand R von der Drehachse. In 3A dreht sich ein einzelnes Bogensegment Arc(R₁) während jeder Umdrehung am Punkt r₁ vorbei. Zwei Bogensegmente Arc₁(R₂) und Arc₂(R₂) drehen sich während jeder Umdrehung am Punkt r₂ vorbei. Ein einzelnes Bogensegment Arc(R₃) dreht sich am Punkt r₃ vorbei. Die Gesamtlänge der Bogensegmente in einem Abstand R vom Ursprung ist mit ΣL(Arc(R)) bezeichnet. Somit ist E(R) zu ΣL(Arc(R)) direkt proportional.
Da andererseits die Zeit, die es dauert, bis sich ein Bogen mit Einheitslänge an einem Punkt vorbeidreht, der sich in einem Abstand R von der Drehachse befindet, sich umgekehrt mit R ändert, folgt, dass die Erosion E(R) zu R umgekehrt proportional ist.
Somit gilt
wobei k die Proportionalitätskonstante ist, die von der Intensität der Entladung und anderen Faktoren abhängt.
In 3C ist die Form der Erosion aufgrund der Drehung der Magnetanordnung 21 in 3B durch Messen der Bogenlängen und unter Verwendung von Gleichung 1, in der wir k = 1 angenommen haben, aufgetragen. Die in 3B gezeigten einzelnen Bogenlängen wurden mit einem biegsamen Lineal gemessen, um 3C zu erzeugen.
Das vorhergesagte mittlere Erosionsmuster von 3C liegt trotz der für das stationäre Erosionsmuster von 3B verwendeten Näherung nahe dem gemessenen. Je schmäler das stationäre Erosionsmuster ist, desto besser ist die Näherung und desto weniger hängt das durch die Drehung erhaltene Ergebnis von der exakten Form des stationären Erosionsprofils ab.
Wir nehmen an, dass die Gleichung (1) in einer ersten Näherung gültig ist, ob die Summierung über die Bogenlängen für eine einzige Umdrehung durchgeführt wird oder ob die Summierung über Bogenlängen für N Umdrehungen durchgeführt wird. Mit anderen Worten, die Erosionstiefe für N Umdrehungen ist gegeben durch
wobei die Summierung über die Bogenlängen für N Umdrehungen durchgeführt wird, und
wobei die Summierung über die Bogenlängen für eine einzelne Umdrehung durchgeführt wird.
Angesichts dieses Überlagerungsprinzips sind zwei Erosionsprofile äquivalent, wenn eines ein skalares Vielfaches des anderen ist.
Wenn die Konstante k, die unter anderem von der Intensität der Entladung abhängt, beispielsweise um einen Faktor von 2 erhöht wird, kann in einer ersten Näherung dieselbe Gesamttiefe der Erosion durch Verringern der Anzahl von Umdrehungen um einen Faktor von 2 erhalten werden.
Die Annahme, dass in einer ersten Näherung die Formel (1) gültig ist, ob die Summierung über 1 oder mehrere Umdrehungen durchgeführt wird, wurde durch Erosionsmuster untermauert, die experimentell beobachtet wurden (siehe Erosionsmodell der Gartek-Sputterquelle, Joseph Co und John Helmer, Varian Research Center Report, September 1985), die nahe dem in 3C gezeigten vorhergesagten Erosionsmuster liegen.
Man kann die Formel (1) verwenden, um zu versuchen, geometrisch einen geschlossenen Weg für die Entladung 15 zu konstruieren, welcher zu einer gleichmäßigen (konstanter Durchschnitt) Erosion führt, wenn der Weg gedreht wird. Eine solche Konstruktion ist in 4 dargestellt. In 4 ist das Drehzentrum mit 0 bezeichnet. Die Konstruktion wird folgendermaßen ausgeführt. Das Intervall von 0 bis 360° wird in gleiche Winkelschritte (22,5° in 4) unterteilt.
Ein erster Radius R₁ mit der Länge 1 wird gezeichnet, der sich vom Ursprung entlang der 0°-Linie nach rechts erstreckt. Arc(R₁) erstreckt sich von der –22½°-Linie zur +22½°-Linie und L (Arc(R₁))/R₁ = π/4. Im Allgemeinen gilt R_i+1 = R_i + ½, für i = 1, ..., 8. Arc(R₂) weist zwei Segmente Arc₁(R₂) zwischen 22½° und 45° und Arc₂(R₂) zwischen –22½° und –45° jeweils mit gleicher Bogenlänge auf. ΣL(Arc(R₂))/R₂ = π/4. Ebenso erstreckt sich Arc₁(R₃) von der 45°-Linie zur 67½°-Linie und Arc₂(R₃) erstreckt sich zwischen der –45°-Linie und der –67½°-Linie und L(Arc₁(R₃)) = L(Arc₂(R₃)). ΣL(Arc(R₃))/R₃ = π/4 . Wenn alle der Bögen in dieser Weise gezeichnet wurden, wird eine erste glatte Kurve C₁ gezeichnet, die einen Satz von Bogenendpunkten verbindet, und eine zweite glatte Kurve C₂ wird gezeichnet, die den anderen Satz von Bogenendpunkten verbindet, wie in 4 gezeigt. Diese Konstruktion weist den Nachteil auf, dass die Breite des Bereichs zwischen der Kurve C₁ und der Kurve C₂ nicht konstant ist.
Derzeit ist bezüglich des Erosionsprofils für eine Magnetfeldgestalt mit variierender Stärke und Breite wenig bekannt, obwohl ein vielversprechendes Modell von Gu et al, Axial Distribution of Optical Emission in a Planar Magnetron Discharge, J. Vac Sci Technol. A, 6 (5), S. 2960, Sept./Okt. (1988), vorgeschlagen wurde. Somit übernehmen wir eine andere Methode, bei der die Breite der Kontur des Magneten konstant ist. Dies erleichtert die Konstruktion einer Magnetronmagnetstruktur mit einem gleichmäßigen Magnetfeld entlang des Erosionsweges und einer Vorhersagbarkeit der Erosion.
Um eine gleichmäßige Erosion zu erzeugen, gehen wir folglich analytisch vor, um einen Erosionsweg zu finden, der
erfüllt, wobei K eine willkürliche Konstante ist, und die zusätzliche Eigenschaft aufweist, dass die Breite des Weges eine Konstante w ist.
5 zeigt ein Element P eines Weges mit einer Mittellinie, deren Gleichung in Polarkoordinaten durch R = R(θ) dargestellt ist. Es wird angenommen, dass die Breite w des Weges konstant ist. α soll der spitze Winkel zwischen der Kurve R = R(θ) und dem Bogensegment Arc(R) am Punkt (θ, R(θ)) sein. Das Bogensegment Arc(R) erstreckt sich von der Außenkante des Wegsegments P zur Innenkante des Wegsegments.
Wir nehmen an E(R) = kL/R = K (3)wobei L = L(Arc(R)) und k, K Konstanten sind. Somit gilt L/R = k1, (4)wobei k₁ = K/k.
Wir sehen aus 5, dass tan α ≈ tan α' ≈ w/d
Diese Näherung verbessert sich für eine kleine Wegbreite w. Wir setzen
Andererseits haben wir aus 5 auch
Unter der Annahme, dass die Kurve R = R(θ) am Punkt (θ, R(θ)) differenzierbar ist, haben wir
Aus den Gleichungen (5) und (6) haben wir
durch Einsetzen von L = k₁R aus Gleichung (4) haben wir
Wir definieren R0 = w/k1 (9)
R₀ ist der Minimalwert des Radius R, da
In der Praxis kann R₀ der Konstruktionsbequemlichkeit willkürlich gewählt werden, da k₁ willkürlich ist.
Wir definieren nun r = R/R0 (10)so dass dr = dR/R0 (11)
Dann wird Gleichung (8) zu
eine Differentialgleichung, die die bekannte Lösung
aufweist, wobei C die Integrationskonstante ist.
Die Prüfung der Gleichung (12) zeigt, dass für positives r nur eine reale Lösung besteht, wenn r ≥ 1, das heißt, nur wenn R ≥ R₀. Wenn wir C = 0 wählen, dann gilt θ = 0, wenn r = 1, d. h. wenn R = R₀. So dass für diese Wahl von C der Minimalwert von R, R₀ vorkommt, wenn θ = 0.
6A zeigt eine Kurve der Beziehung zwischen θ und r = R/R₀, die durch Gleichung (12) definiert ist, in welcher C = 0 ist, d. h. durch
Es ist wichtig zu beachten, dass die Mittellinie des Weges spiralförmig nach außen verläuft und es daher unmöglich ist, einen Weg in geschlossener Schleife mit konstanter Breite w zu konstruieren, der die Gleichung (3) erfüllt E(R) = kL/R =Keine Konstante, und die an allen Punkten differenzierbar ist.
Indem von der Symmetrie Gebrauch gemacht wird und die Bedingung der Differenzierbarkeit an einer endlichen Anzahl von Punkten gelockert wird (was auch den Weg mit ungleichmäßiger Breite in einer kleinen Umgebung solcher Punkte wiedergibt), können wir jedoch einen Weg in geschlossener Schleife konstruieren, der in der Praxis eine gleichmäßige Erosion ergibt, wenn Magnete mit gleicher Länge und Breite mit ihren Mitten auf der Linie angeordnet sind, die die Mitte des Weges festlegt, um einen Erosionsweg mit gleichmäßiger Breite zu erzeugen (außer an den Punkten der Nicht-Differenzierbarkeit). Die maximale Erosion findet dort statt, wo die Tangenten (nicht dargestellt) zu den Magnetfeldlinien (in 1 und 9 dargestellt) zur Oberfläche des Targets parallel sind. Dies ist als Mittellinie des Magnetmittels festgelegt. Diese Mittellinie fällt mit der durch Gleichung (14) definierten Kurve zusammen. Die obere Hälfte A der in 6B gezeigten Kurve ist beispielsweise durch die Gleichung (14) definiert, wobei θ₀ ≤ θ ≤ π. Die untere Hälfte B der Kurve wird durch Spiegeln der oberen Hälfte an der Polarachse erhalten. Man beachte, dass die resultierende geschlossene Kurve an den zwei Punkten (0,1) und (π, r(π)) nicht differenzierbar ist.
Alternative Wege in geschlossener Schleife (nicht dargestellt) können festgelegt werden, indem ein beliebiges 180°-Segment der durch Gleichung (14) definierten Kurve genommen wird, wobei θ₀ ≤ θ ≤ θ₀ + π und θ₀ > 0 ein willkürlicher Winkel ist, und dieses Segment an der Linie θ = θ₀ gespiegelt wird.
6C ist eine erweiterte Version von 6B, in der wir einen Weg P mit einem Segment P₁ mit konstanter Breite w, das um das meiste der oberen Kurve A zentriert ist, und einem Segment P₂, das um das meiste der unteren Kurve B zentriert ist, festgelegt haben. Man beachte, dass ein Weg mit konstanter Breite in kleinen Umgebungen N₁ und N₂ der Punkte mit Nicht-Differenzierbarkeit nicht festgelegt werden kann; wir schließen jedoch den Weg an diesen Punkten mit den in 6C gezeigten gestrichelten Linien. Wir haben überprüft, dass die Wirkung der nicht-konstanten Wegbreite in solchen kleinen Umgebungen dieser zwei diskreten Punkte vernachlässigbar ist.
7A und 7B zeigen alternative Ausführungsbeispiele mit mehreren Keulen für den Ort der Mittellinie der Magnete. Die Mittellinie C₂ im zweiten Quadranten von 7A ist durch die Gleichung (14) festgelegt, wobei π/2 ≤ θ ≤ π ist. Die Kurve C₂ wird an der Polarachse gespiegelt, um die Kurve C₃ zu erhalten. Die Kurven C₂ und C₃ werden an der π/2-Linie gespiegelt, um C₁ und C₄ zu erhalten.
In 7B ist die Mittellinie durch Gleichung (14) für 0 ≤ θ ≤ 270° und durch Gleichung (13) für den Abschnitt des Rückkehrweges zwischen B und C festgelegt. Die kurzen Abschnitte des Weges zwischen A und B und zwischen C und D wurden willkürlich gewählt, um einen geschlossenen Weg zu bilden.
Einige Vorteile eines Magneten mit mehreren Keulen gegenüber dem herzförmigen Magneten mit einzelner Keule sind:

a. Er muss nicht so schnell gedreht werden, um dieselbe Mittelung zu erhalten. Ein Magnet mit zwei Keulen muss nur 1/2 so schnell gedreht werden, ein Magnet mit drei Keulen 1/3 so schnell.
b. Der Magnet ist um das Rotationszentrum symmetrisch und ist mechanisch im Gleichgewicht.
c. Die zusätzlichen Keulen und zugehörigen Scheitelpunkte ergeben zusätzliche Freiheitsgrade, da sie, falls erwünscht, separat eingestellt werden können. Die Scheitelpunkte könnten beispielsweise separat eingestellt werden, um dem absoluten Zentrum des Targets eine Erosion zu verleihen.
d. Da die Länge der stationären Erosionsnut länger ist, ist die elektrische Impedanz der Quelle kleiner.

Die in 7B gezeigte Konstruktion ist insofern nützlich, als sie natürlicherweise ermöglicht, dass sich die Erosion näher zur Mitte der Quelle erstreckt als der Weg von 7A. Dieser Magnet weist das längste stationäre Erosionsprofil und daher die niedrigste Impedanz auf. Je größer der Durchmesser der Quelle ist, desto besser arbeitet diese Konstruktion. Für Quellen mit sehr großem Durchmesser kann es die Konstruktion der Wahl sein.
Wir haben eine Sputtervorrichtung auf der Basis der in 6B gezeigten Kurve unter Berücksichtigung der folgenden Konstruktionserwägungen konstruiert.

a. Der Magnet sollte leichtgewichtig und relativ leicht zu konstruieren sein.
b. Das Magnetfeld sollte gleichmäßig und schmal um den Umfang sein, so dass die mathematischen Vorhersagen gültig sind.
c. Die Konstruktion sollte derart sein, dass der gewünschten Kontur genau gefolgt werden kann.
d. Das Magnetfeld sollte hoch sein, um die Impedanz der Quelle niedrig zu halten.

8A zeigt eine Anordnung einer Magnetkonstruktion, die wir konstruiert haben und die diese Anforderungen erfüllt. Dieser Magnet kann für die Magnetanordnung 21 in 2A verwendet werden. Permanentmagnete M₁ bis M₁₄ sind zwischen Eisenankern 31, 33 eingefügt, die die Magnete in Position halten und zum gleichmäßigen Verteilen des Magnetfeldes entlang des Magneten und zum genauen Festlegen der Kontur des Magneten wirken. Die Anker können an einen Magnetträger punktgeschweißt werden. Alternativ kann das Magnetmittel ein einheitlicher Magnet mit der durch die Anker 31 und 33 festgelegten Kontur sein.
Die in 6B gezeigte Kurve A, B verläuft durch die Mitte von jedem Magneten und die Mittellinie C_i von jedem Magneten ist zur Kurve A, B senkrecht. Es ist zweckmäßig, dass die Dicke des Ankers ausreichend klein ist, so dass er biegsam genug ist, um in die erforderliche Kontur gebogen zu werden. Tests wurden durchgeführt, um die erforderliche Dicke für die Eisenanker zu ermitteln. Permanentmagnete wurden zwischen Ankern mit variierender Dicke angeordnet. Die verwendeten Magnete waren Samariumkobalt mit einem Energieprodukt von 18 MGO mit den Abmessungen 1,8 × 1,8 × 0,8 cm (3/4'' × 3/4'' × 0,32''). In den meisten Fällen wurden zwei Magnete verwendet, um jede Einheit zu bilden, so dass der Magnet 1,6 cm (0,64'') tief war. Der Abstand zwischen den Magneten wurde auch verändert. Aus diesen Tests wurde festgestellt, dass eine Dicke von 1,5 mm (1/16 Inch) ausreichend war (siehe nachstehende Tabelle 1).
TABELLE 1
Das Magnetfeld wurde mit einer Hallsonde gemessen und das resultierende Felddiagramm ist in 9 gegeben. Die Messungen wurden mit der im vorherigen Test verwendeten Magnetanordnung unter Verwendung von 1,5 mm (1/16'') dicken Ankern mit den Abständen zwischen den Magneten von 1 cm (0,4'') durchgeführt. Das maximale Feld an einem Punkt 1,27 cm (0,5'') oberhalb des Magneten, dem Abstand, der normalerweise für das Target und die Aufspannplatte erforderlich ist, ist über 0,05 T (500 Gauß). Dies ist ein stärkeres Feld als erforderlich. Mit stärkeren Magneten wäre dieses Feld noch höher, was uns ermöglicht, falls erwünscht, zu dickeren Targets überzugehen. Aus der Form der Feldlinien wird eine sehr schmale stationäre Erosionsnut vorhergesagt. Dies ist ein Vorteil für unsere Konstruktion, da sie ermöglicht, dass das stationäre Erosionsprofil gut definiert und vorhersagbar ist.
Es ist eine Besorgnis, dass Wirbelströme im Target und in der Aufspannplatte aufgrund der Bewegung des Magneten das Magnetfeld verschlechtern und sich nachteilig auf den Betrieb der Quelle auswirken. Diese Effekte wurden experimentell bestimmt. Zwei große Scheiben, eine aus Aluminium und eine aus Kupfer, jeweils 6 mm (0,25'') dick, wurden zusammengeschraubt, was das Target und die Aufspannplatte der Sputterquelle simulierte. Die Scheiben wurden an einer Drehmaschine montiert und mit veränderlichen Geschwindigkeiten gedreht. Die in 10A gezeigte Magnetanordnung wurde auf einer Seite montiert und eine Hallsonde auf der anderen. Messungen wurden an verschiedenen Stellen A–H des Magneten durchgeführt, wie in der Figur angegeben. Im normalen Betrieb in einer Versamag^TM-Quelle (2) wird der Magnet mit 57 U/min oder weniger gedreht. Bei diesen Frequenzen sind die Effekte der Wirbelströme klein, wie aus 10B zu sehen ist. Wie erwartet, hängt der Effekt der Wirbelströme vom Ort ab. Für einen gegebenen Ort A-C entlang der Kontur besteht der Effekt der Wirbelströme auch darin, die Feldlinien zu einer Seite zu verschieben, wie aus 11A und 11B zu sehen ist. Wieder unter 57 U/min scheint es, dass dieser Effekt auch ignoriert werden kann.
Die vorstehend gegebene Analyse und Konstruktion können in einer wichtigen Weise verallgemeinert werden. Sie können auf den Fall erweitert werden, in dem das Erosionsprofil nicht konstant ist.
Wiederum nehmen wir an, dass die Breite des stationären Entladungsweges eine Konstante w ist. Wenn wir E(R) ein vorausgewähltes, nicht-konstantes Erosionsprofil sein lassen, dann gilt wiederum
oder E(R) = kL/R (G-1)wobei L = L(Arc(R)).
Wie vorher haben wir aus 5
Unter Verwendung von Gleichung (G-1)
Wir definieren
wobei R₀ der minimale Radius ist und E(R₀) die Erosion bei R = R₀ ist.
Dann wird Gleichung (G-2) zu
Wir definieren den normierten Radius u = R/R₀ und die normierte Erosion ξ(u) = E(R)/E(R0)
wobei r die obere Integrationsgrenze ist oder
Es besteht im Wesentlichen keine Einschränkung für das vorausgewählte Erosionsprofil ξ(u), außer dass das bestimmte Integral
was unter anderem erfüllt ist, wenn ξ(u) stückweise stetig ist und ξ(u)u > 1 ist.
Gleichung (G-4) definiert die Beziehung zwischen θ und r und die in Gleichung (G-4) erforderliche Integration kann numerisch durchgeführt werden, um die Beziehung zwischen θ und r aufzutragen.
Wenn wir wie vorher vorgehen, können wir einen Weg in geschlossener Schleife unter Verwendung von Gleichung (G-4) oder (G-5) konstruieren, um die Mittellinie des Weges über ein ausgewähltes Winkelintervall zu definieren. Wenn (G-4) beispielsweise das Mittelliniensegment für 0 ≤ θ ≤ π definiert, können wir eine Mittellinie einer geschlossenen Kurve durch Spiegeln dieses Segments an der Polarachse konstruieren.
Für r ≥ π/2 haben wir eine zweckmäßige Näherung mit der Form
gefunden.
Die Form von C(r) wird durch die Tatsache vorgeschlagen, dass, wenn u²ξ²(u) >> 1 für u ≥ u₀, dann Gleichung (G-4) durch
ersetzt werden kann.
Andererseits haben wir aus (G-6) für r >> 1 θ = C(r)(r – π/2) (G-8) somit definieren wir C(r) durch
Für 1 ≤ r ≤ π/2 nehmen wir C(r) = 1 in (G-5), was die Gleichung für die gleichmäßige Erosion ergibt. Mit dieser Näherung können wir einen Weg konstruieren, der eine gleichmäßige Erosion für 1 ≤ r ≤ π/2 und eine willkürliche Erosion für r > π/2 ergibt.
Unter Verwendung der Gleichungen (G-6) und (G-9) haben wir die Kontur des Magneten berechnet, die erforderlich ist, um ein gegebenes Erosionsprofil für mehrere ausgewählte Erosionsprofile zu erzeugen. 12A–E zeigen die Ergebnisse dieser Berechnungen. Die Mittellinie (nicht dargestellt) jeder Kontur ist durch Gleichung (G-4) definiert und wird durch Gleichung (G-6) und (G-9) angenähert. Die Breite jeder Kontur ist konstant und vorzugsweise klein.
Spalte 1 von 12A–12E zeigt das vorausgewählte Erosionsprofil. Spalte 3 zeigt die berechnete Form des Magneten entsprechend dem vorausgewählten Erosionsprofil in Spalte 1. Gleichungen (G-6) und (G-9) wurden verwendet, um die Mittellinie des Magneten zu bestimmen. Der Anhang 1 gibt eine Liste des Computerprogramms, das zur Berechnung der Mittellinie entsprechend dem konstanten Erosionsprofil von 12A und entsprechend den abfallenden Erosionsprofilen von 12B und 12C geeignet ist.
Spalte 2 sieht eine graphische Simulation des Erosionsprofils vor, das durch das Verfahren erhalten wird, das zum Konstruieren von 3C verwendet wird, wie vorstehend erläutert. Die Übereinstimmung zwischen den Konstruktionserosionsprofilen (Spalte 1) und den durch die graphische Prüfung erhaltenen Profilen (Spalte 2) ist sehr gut. Die Magnetformen scheinen im ersten Lichte sehr ähnlich, aber eine sorgfältige Prüfung offenbart signifikante Unterschiede, die die verschiedenen Erosionen verursachen.
Die Fähigkeit, einen Magneten mit einem vorausgewählten Erosionsprofil zu konstruieren, ist signifikant, da sie uns ermöglicht, die Form der Erosion in einer vorhersagbaren und gesteuerten Weise zu verändern, um eine gesputterte Schicht mit ausgewählten Eigenschaften zu erzielen. Es sind schließlich die ausgewählten Eigenschaften und Qualität des gesputterten Schicht, die am wichtigsten sind. Ein nicht-optimales Erosionsprofil kann bevorzugt sein, wenn es zu einer gleichmäßigeren Schicht oder zu einer Schicht mit anderen ausgewählten Tiefeneigenschaften führt.
Die Fähigkeit, das Erosionsprofil zu steuern, ermöglicht uns, mit einer kleineren Targethöhe und kleineren Waferabständen zu arbeiten. Insbesondere ermöglicht das gleichmäßige Erosionsprofil, das von der Magnetanordnung in 8 erzeugt wird, eine enge Kopplung zwischen dem Wafer und dem Target. Dies verringert die Gasstreuung und erhöht die Sputterraten, was zu einem größeren Durchatz führt. Eine größere Targetnutzung ergibt sich auch, da weniger Seitenverluste der gesputterten Atome bestehen. Mit einer gleichmäßigen Erosion kann der Abstand zwischen dem Target und dem Magneten verändert werden (durch eine nicht dargestellte Vorrichtung), wenn das Target erodiert, wobei die elektrischen Eigenschaften der Quelle während der Lebensdauer des Targets konstant gehalten werden.
Die in 8 gezeigte Magnetanordnung wurde getestet, indem diese anstelle der Magnetanordnung 21 des Standes der Technik in der Sputterquelle 14, die in 2B gezeigt ist, verwendet wurde. Es wurde festgestellt, dass diese neue Quelle bei Drücken von nicht höher als 0,2 Millitorr arbeiten würde. Sie wurde auch bei Drücken zwischen 2 und 10 Millitorr getestet. Bei einem Strom von 5 Ampere und einem Druck von 5 Millitorr beträgt die statische Impedanz etwa 70 Ohm und die dynamische Impedanz beträgt etwa 15 Ohm.
13 zeigt das gemessene Erosionsprofil dieser neuen Quelle und vergleicht das Ergebnis mit dem vorhergesagten Profil unter Verwendung des Verfahrens der graphischen Simulation, das in Verbindung mit 3A und 3C erläutert wurde. Die Übereinstimmung zwischen der gemessenen und der vorhergesagten Erosion ist sehr gut.
Es ist instruktiv, die obigen Ausführungsbeispiele mit den Konstruktionen zu vergleichen, die in der Europäischen Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 211412 und in der Japanischen Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 62-2111 375, auf die vorher Bezug genommen wurde, vorgeschlagen wurden.
14A zeigt einen gemäß den Lehren der '412-Veröffentlichung konstruierten Magneten. 14B zeigt das berechnete Erosionsprofil für einen solchen Magneten. Man beachte, dass die Erosion bei kleinen Radien nicht gleichmäßig ist.
Die '375-Veröffentlichung behauptet, dass Magnete, die entlang einer herzartigen geschlossenen Kurve angeordnet sind, die durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird r = l – a + 2a|θ|π (A-1)eine gleichmäßige Erosion (aber ungleichmäßige Schichtdicke) ergibt. 15A vergleicht die Gleichung (A-1) von '375 mit der gleichsetzenden Gleichung (14), die wir für die gleichmäßige Erosion hergeleitet haben. Diese Kurven sind insofern signifikant unterschiedlich, als sie zu im Wesentlichen unterschiedlichen Erosionsmustern führen. 15B zeigt, dass das Erosionsprofil für die Gleichung (14), das flach ist, und das Gleichung (A-1) entsprechende Erosionsprofil nicht konstant ist und tatsächlich über denselben Bereich von R um ungefähr 48% variiert.
In den vorstehend gegebenen Konstruktionen war das Target planar. Die obigen Konstruktionen können jedoch auch auf den nicht-planaren Fall erweitert werden. 16 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der Magnetronsputtervorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels für ein konkaves Target.
Die Magnetronsputterquelle 44, die in 16 gezeigt ist, umfasst einen Motor 46, der die Welle 53 um die Achse 50 dreht, wie durch den Pfeil A angeben. Die Welle 53 trägt ein Magnetanordnungsgehäuse 51, das an dieser befestigt ist. Die Magnetanordnung 52 (17) ist im Gehäuse 51 enthalten.
Das Target (Kathode) 47 liegt in Form einer konkaven Scheibe (vom Wafer w aus betrachte) vor und ist mit einer negativen Hochspannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden. Die Plasmaabschirmung 52, die an der Vakuumkammer (nicht dargestellt) befestigt ist, ist elektrisch geerdet und dient als Anode. Das Target 47 ist an die Aufspannplatte 48 geklebt. Die Aufspannplatte 48, die am Gehäuse 56 befestigt ist, trägt das Target 47. Das Gehäuse 56 bildet zusammen mit der Aufspannplatte 48 eine wasserdichte Kammer 28 zum Halten eines Wasserbades zum Kühlen des Targets. Die Quelle 44 ist in einer Vakuumkammer (nicht dargestellt) mit einem Mittel zum Einleiten eines Inertgases verbunden, wie in Verbindung mit 1A erläutert. Der Wafer w wird von einem Waferträger (nicht dargestellt) getragen, der an der Vakuumkammer angebracht ist, so dass die zu beschichtende obere Oberfläche w_a des Wafers w unterhalb des Targets 47 liegt und die Mitte des Wafers w auf die Mitte des konkaven Targets ausgerichtet ist. Die Achse A ist zur Oberfläche des Wafers senkrecht.
Im Betrieb dreht der Motor 46 die Welle 53, so dass das Gehäuse 51 und die gesamte Magnetanordnung 52 um die Achse 50 gedreht wird, die in 17A als z-Achse bezeichnet ist.
17 zeigt eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht der in 16 gezeigten Quelle. In dieser Konstruktion weist die Magnetanordnung 52 eine konstante Breite W auf und ist mit der Rotationsfläche des Targets konform.
Wie in 16 und 17 gezeigt, sind die Polstücke (Anker) 61 und 62 in einem konstanten Abstand d hinter der Oberfläche des Targets 47 (entlang der Senkrechten zur Oberfläche gemessen) angeordnet und liegen in gleichen Abständen von der Mittellinie in der Richtung, in der die senkrechten Projektionen (d. h. senkrecht zur Oberfläche des Targets) 61' und 62' der Anker (siehe 17A) auf die konkave Oberfläche des Targets 47 in gleichen Abständen von der Mittellinie 63 auf der Oberfläche des Targets liegen, gemessen auf der Oberfläche des Targets in einer zur Mittellinie senkrechten Richtung.
Die Polstücke (Anker) 61 und 62 sind an der Trägerplatte 70 befestigt und die Trägerplatte 70 sowie die Anker 61 und 62 und die Magnete M dazwischen sind mit der Oberfläche des Targets 47 konform. Es wird angenommen, dass die Oberfläche des Targets 47 eine Rotationsfläche ist, die in der Form z = f(R) ausgedrückt werden kann, wobei f(R) > 0 für R > 0. 17B zeigt eine erweiterte Ansicht eines Bereichs 60 auf der Oberfläche des Targets 47, die zum Herleiten der Gleichung der Projektion der Mittellinie 63 auf die Oberfläche des Targets 47 nützlich ist.
Wie aus dem Dreieck ACD auf der Oberfläche 47 zu sehen ist, gilt tan α ≈ W/AD, wobei AD die Länge des Bogens von A bis D bezeichnet.
Wir setzen L = AC
Dann gilt
Wie aus dem Dreieck APB auf der Oberfläche 47 zu sehen ist, gilt andererseits tan α ≈ PB/RΔθ (C-2)
Da PB = ΔR/cosβ (β ist der Winkel der Oberfläche in der R-z-Ebene), gilt tan α ≈ ΔR/(cosβ)Δθ
Wenn die Grenze als Δθ → 0 genommen wird, haben wir tan α = dR/cosβdθ (C-3)
Unter Vergleichen der Gleichungen (C-1) und (C-3) setzen wir folglich
Für die Bedingung der gleichmäßigen Erosion (senkrecht zur Oberfläche 47 gemessen) erlegen wir die Bedingung L/R = C (C-6)auf, wobei C eine Konstante ist.
Wir definieren R0 = W/C (C-7) so dass R₀ der Minimalwert des Radius ist.
Mit Normierung wie vorher definieren wir r = R/R0 (C-8)so dass dr = dR/R0 (C-9)
Gleichung (C-5) wird dann zu
Nun gilt tan β = Δz/Δr und unter der Annahme, dass z eine differenzierbare Funktion von r ist, haben wir tan β = dz/zr
Unter Verwendung der Identität 1 + tan² β = sec² β in Gleichung (C-10) haben wir
wobei C eine Integrationskonstante ist.
Wir gehen wie vorher vor, um geschlossene Kurven auf der Oberfläche des Targets zu erzeugen, indem Abschnitte der durch Gleichung (C-11) definieren Kurve verwendet werden und von der Symmetrie Gebrauch gemacht wird.
Wir erzeugen beispielsweise eine geschlossene Mittellinie durch zuerst Auswählen eines Werts für C, beispielsweise C = 0, in Gleichung (C-11). Wir erzeugen dann die Hälfte der Mittellinie durch Einschränken von θ auf den Bereich von 0 ≤ θ ≤ π. Die andere Hälfte der Mittellinie wird dann durch Symmetrie erhalten.
Die maximale Erosion tritt dort auf, wo die Tangenten (nicht dargestellt) zu den Magnetfeldlinien zur Tangente zur Oberfläche parallel sind. Dies ist als Mittellinie des Magnetmittels definiert.
Unter Vorgehen wie vorher kann Gleichung (C-11) verallgemeinert werden, um die Mittelliniengleichung einer Magnetanordnung zum Erzeugen eines beliebigen gewünschten Erosionsprofils ξ(r) zu erhalten, wobei die Erosion senkrecht zur Targetfläche gemessen wird, indem auf der Oberfläche des Targets
erforderlich ist.
18 zeigt ein gekrümmtes Ausführungsbeispiel, in dem die Oberfläche des Targets konvex ist (vom Wafer w aus betrachtet). Dieses Ausführungsbeispiel wird in derselben Weise wie das Ausführungsbeispiel von 16 konstruiert, außer dass die Welle 63 länger ist als die Welle 53 und das Target 67 und die Aufspannplatte 68 konkave Rotationsflächen sind und das Magnetgehäuse 61 und die in diesem enthaltene Magnetanordnung (nicht dargestellt) mit dem Target 67 konform sind.
19 zeigt ein weiteres konkaves Ausführungsbeispiel, das darstellt, dass die konkave Oberfläche des Targets 77 nicht überall streng konkav sein muss.
Ein gewölbtes (konvexes oder konkaves) Target weist mehrere Vorteile gegenüber einem planaren oder flachen Target auf. Erstens kann die Qualität der Waferbeschichtung verbessert werden. Eine gleichmäßigere Waferüberdeckung ist mit einem gewölbten Target möglich, wenn angenommen wird, dass eine ungleichmäßige Erosion des Targets verwendet wird. Diese Verbesserung kann ausreichend groß sein, dass ein Wafer mit größerer Größe beschichtet werden kann, ohne den Durchmesser des Targets zu vergrößern. Mit einem gewölbten Target kann der Wafer weiter von dem Plasma weg angeordnet werden, wobei eine Beschädigung am Wafer vom Plasma verringert wird. Wenn man nicht-flache Gegenstände beschichtet, ergibt ein gekrümmtes Target, das der Form des Gegenstandes entspricht, auch eine gleichmäßigere Beschichtung. Durch Ausnutzen der Winkel der gesputterten Teilchen, insbesondere in größeren Radien, kann eine verbesserte Stufenüberdeckung ausgeführt werden. Eine größere Targetnutzung ist auch möglich, die zu einer verringerten Systemausfallzeit zum Austauschen des Targets führt.
Ein gewölbtes Target weist auch mechanische Vorteile auf, die für Targets mit großem Durchmesser besonders wichtig sein können. Ein gewölbtes Target weist eine enorme Steifigkeit im Vergleich zu einem flachen Target auf. Das Target muss das Gewicht aufgrund des Vakuums und des Wasserdrucks tragen. Diese zusätzliche Festigkeit ermöglicht, dass das Target vollständiger genutzt wird, da ermöglicht werden kann, dass es am Ende der Lebensdauer viel dünner ist. Gewöhnlich werden Targets verwendet, die an die Aufspannplatte geklebt sind. Ein ernsthaftes Problem bei dieser Konstruktion ist die Tendenz der Bindung zwischen dem Target und der Aufspannplatte, aufgrund der Targeterhitzung zu versagen. Mit einem gewölbten Target kann die Bindung so ausgelegt sein, dass das Target durch die Aufspannplatte mechanisch gefangen gehalten wird, so dass, wenn sich das Target aufheizt und ausdehnt, die Festigkeit der Bindung erhöht ist.

Claims

Magnetronsputtervorrichtung mit: einer Vakuumkammer, Mitteln zum Halten eines Targets mit einer gewölbten Stirnfläche in der Vakuumkammer, wobei die Stirnfläche eine Rotationsfläche ist, und drehbaren magnetischen Mitteln zur Erzeugung eines drehenden Magnetfeldes über der Stirnfläche des Targets, wobei das Magnetfeld eine Mittellinie aufweist, die in der Stirnfläche des Targets eine Kurve bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Mittel so konfiguriert ist, dass zumindest ein erster Teil der normierten Mittelinie des magnetischen Mittels durch eine Gleichung in Zylinderkoordinaten (r.2.θ) der Form
beschreibbar ist, wobei ξ(r) ein vorausgewähltes normiertes Erosionsprofil ist, das in dem Target während der Drehung der Magnetmittel um die z-Achse zu erzeugen ist, wobei z(r) die Rotationsfläche definiert, C eines vorausgewählte Konstante ist und θ einen ausgewählten Bereich aufweist.
Sputtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das vorausgewählte Erosionsprofil ξ(r) eine Konstante ist und der erste Teil durch eine Gleichung der Form
beschreibbar ist, wobei C eine ausgewählte Konstante ist.
Sputtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittellinie eine geschlossene Kurve bildet und jeder Teil der Kurve durch eine Gleichung der genannten Form für ein ausgewähltes C und einen gewählten Bereich von θ beschrieben wird.
Sputtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein zweiter Teil der Mittelinie symmetrisch bezüglich des ersten Teils ist.
Sputtervorrichtung nach Anspruch 1 mit einem ersten und einem zweiten Polstück, die jeweils auf dem Großteil des ersten Teils gleichförmig von dem ersten Teil beabstandet sind, um das von den magnetischen Mitteln erzeugte Magnetfeld gleichförmig entlang des ersten Teils zu verteilen.
Sputtervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Haltemittel flexibel sind.