JP2005526916A - 小型遊星マグネトロン - Google Patents

Abstract

不均衡小型磁石アセンブリ（６０）は、ターゲットの中心軸（７２）の周りの軌道回転とターゲットの中心軸の周りに回転する他の軸の周りの遊星回転とを含むプラズマスパッタされるターゲット（９０）の裏面の周りの、好ましくは逆方向遊星又は外転円路（９２）に走査される。磁石アセンブリはターゲット中心を通過することができるので、完全なターゲットカバレージが可能である。連動遊星機構は、ターゲットに面する駆動板の側面上に片持ち梁取り付け磁石アセンブリ（８４）を支持する駆動板内に回転可能に支持された回転する駆動板（７４）、固定センタギア（６２）、アイドラギア（７６）、従動ギア（７４）を含むことができる。ギアをベルト（３４２）と滑車（３４４、３４６）に置き換えることができる。エロージョンプロファイルは、回転サイクルによって回転速度を変えることにより又はターゲット電力を変調することにより制御することができる。第２遊星ステージ（３０２、３０４、３０６）を加えることができ、非円形ギア（３１０）を用いることもできる。チャンバの側面でペデスタル（１２２）の下に位置する補助的電磁気コイル（２５４、２５８）は集束磁界を生成することができる。

Description

関連出願

本出願は、２００３年１月２２日出願の仮出願第６０/４４１,８６６号からの恩典を主張し、２００２年５月２１日出願の出願第１０/１５２,４９４号の一部継続であり、この双方の開示内容は本明細書に全体で援用されている。

発明の分野

本発明は、一般的には、物質のスパッタリングに関する。特に、本発明は、プラズマスパッタリングを向上させるために磁界を作り出すマグネトロンの走査運動に関する。

スパッタリング、又は物理的気相堆積（ＰＶＤ）と呼ばれるものは、特に電気的相互接続を形成する金属や関連物質の層を堆積するための半導体集積回路の製造に一般に用いられている。多少古い集積回路技術には、比較的適度なアスペクト比を持ったバイアによって金属化レベル間の水平相互接続部や垂直接続部にアルミニウムが用いられている。そのような適用には、スパッタリングを用いて容易に達成し得る速い堆積速度と高い均一性が必要である。速い堆積速度は、例えば、アルゴンのワーキングガスがプラズマに励起されるマグネトロンプラズマスパッタリングによって一部達成されてきた。正荷電のアルゴンイオンは、負にバイアスされた金属ターゲットに引き付けられ、ターゲットから金属原子を取り除く（スパッタ）ために十分なエネルギーをぶつけ、次にターゲットと反対の位置にあるウエハ（円基板）を被覆する。スパッタ速度は、ターゲットの前面に平行な磁界を作り出すターゲットの裏面に磁石アセンブリを配置することによって高められる。磁界は電子をトラップし、それによりプラズマ密度、つまりスパッタ速度を上げる。商業的製造におけるマグネトロンで最も普及しているタイプは、Ｕ字型又は磁極が密接に隔置された同様の磁石を用いる。磁石は、密閉した腎臓形（kidney-shaped）の経路に配置される。そのようなマグネトロンの全面積、即ち、外極の外周によって囲まれた面積はかなり大きく、磁界は二つの磁極の間の比較的小さな面積にだけ広がる。堆積に必要とされる均一性を達成するために、腎臓形マグネトロンがターゲットの中心を回転する。

進歩した集積回路技術にはスパッタ時に多少異なる困難な要求がなされ、スパッタで重要視されることが水平な相互接続部を堆積することから縦のバイアを堆積することに変わってきている。進歩した集積回路の高度な複雑さは、最小の特徴部サイズと特徴部間の間隔を減少させることによって大部分が達成されてきた。多くのデバイスから生じる複雑な配線は、しばしば中間レベル誘電体と呼ばれる介在誘電層から広がるバイアによって複数の配線レベルを相互接続することにより成し遂げられている。図１に概略的に示されているように、二酸化ケイ素又は関連のケイ酸ガラスから形成される下部誘電層１０は、その表面に導電性特徴部１２を含んでいる。上部誘電層１４は、その上に堆積される。バイアホール１６は、導電性特徴部の上にある上部誘電層１４を通ってエッチングされる。バイアホール１６の幅は、０.１３：ｍ以下に押し進められている。０.１０：ｍ、更に０.０７：ｍの最小特徴部サイズが開発されている。しかしながら、中間誘電層１４の厚さは、クロストークを最小限にし、誘電放電を防止するために約０.７〜約１.０：ｍの最小であるように束縛されてしまう。結果として、バイアホール１６のアスペクト比は、５：１以上になってしまう。スパッタリングは、基本的には高アスペクト比ホール内に到達するために不適当なほぼ等方性の衝撃プロセスである。従来のスパッタリングがホール１６を金属で充填するために用いられる場合には、スパッタリングはホール１６の上部角を優先的に被覆し、底面が充填される前に閉じやすい。

更に、そのような小さい特徴部サイズにおいては、金属と誘電部の間の拡散が最小限でなければならない。従って、標準的実施は、バイアホール１６と、それを通る著しい原子拡散を防止する薄いバリヤ層２０をもつ上部誘電層１４の平坦な上面をプレコートするために開発された。他のバリヤ物質や組合わせが提案されているが、アルミニウム金属化の典型的なバリヤは、Ｔｉ/ＴｉＮ二重層であり、銅金属化の典型的なバリヤは、Ｔａ/ＴａＮである。その目的を達成するために、バリヤ層２０はバイアホール１６の側面に著しくかなり均一に被覆しなければならず、通常は底面も被覆する。更にまた、スパッタリングは、本来は側壁カバレージに適用されない。

多くの研究は、最近、銅金属化の技術を開発することに費やされている。銅は、低い導電性とエレクトロマイグレーションの低下という利点を与える。更に、銅は、高アスペクトホールへさえも電気化学めっき（ＥＣＰ）によって容易に堆積させることができる。しかしながら、電気化学的にめっきされた銅は、厚い銅層３２がＥＣＰによって堆積される前に、図２に示されるように銅シード層３０が誘電層１４の上面と、バイアホール１６の側壁と底面に被覆されることを必要とする。銅シード層３０は、良好な底面と側壁のカバレージを必要とする。銅スパッタリングは、その経済性と良好な膜質のためにこれら困難な形にさえ好ましい。

厚いＥＣＰ銅層３２は、典型的にはデュアルダマシンと呼ばれるプロセスにおいて、垂直な電気相互接続部又はバイアとして、水平な相互接続部として作用し、トレンチが誘電層１４の底面部における複数のバイアにと相互接続する誘電層１４の上部に形成される。誘電層１４のトレンチと上面に広がる厚いＥＣＰ銅層３２の一部は、化学機械的研磨（ＣＭＰ）によって取り除かれる。銅シードとバリヤの双方の適用に示されるように、スパッタリングは、厚い導電層を堆積するためにはあまり用いられず、ライナ適用と呼ばれる不都合な形で薄い層を堆積するためにより用いられている。

従来のスパッタリングによって堆積されるとき、バリヤ層２０と銅シード層３０の双方は、図３の断面図に示されるスパッタされた層３６によって型別される同様のタイプの均一でない堆積を受ける傾向がある。誘電層１４の上面のブランケット又は電界部分３８は、側壁部４０と底面部４２と比べて比較的厚い。高アスペクト比のホール１６における側壁部は、典型的には、ブランケット部３８に相対してカバレージが最も低く、更にホール１６の底面に電気めっきした電流路を与えるために臨界レベルより上に維持される必要がある最小の厚さ４４を受ける。更に、突出部４６は、エントランスアパーチャ４８が縮小したホール１６の上面に形成される傾向がある。電気めっきは、一般的には、高アスペクト比ホール１６へ銅を充填するのに効果的であるが、ホール１６の底面を完全に充填する前にエントランスアパーチャが閉じてもよいようにほぼコンホーマルである傾向がある。銅の中に得られたボイドは、得られたデバイスの性能と信頼性に厳しい影響を与える。更に側壁のひずみは、後で述べられるように最小になる必要がある。

バリヤと銅のシード層の効果的なスパッタリングは、バリヤ金属にしても銅にしても高割合の電離したスパッタ金属原子を保証することにより、また、ウエハを支持するペデスタル電極にＲＦバイアスすることにより達成され得ることが認識されてきた。ＲＦバイアスは、ウエハ上に負のＤＣバイアスを作り、ウエハに向かって金属原子を加速させる。高い前進速度は、高アスペクト比ホールへ深く金属イオンを貫通させることを促進させる。更に高エネルギーイオンは、露出した突出部４６からある物質をエッチングする傾向がある。

スパッタワーキングガスの高密度プラズマは、金属電離割合を増加させる。チャンバへＲＦ電力を更に誘導結合することにより高密度プラズマを達成するためにいくつかの示唆がなされた。しかしながら、誘導結合リアクタは、高いアルゴン圧を必要とする傾向があり、結果として高温動作が生じ、活発なアルゴンイオンから起こりうる損傷がウエハに加速される。金属電離割合は、ＤＣターゲット電力を増加することにより上げることもできる。しかしながら、開発されている３００ｍｍウエハ技術の場合、２００ｍｍウエハでさえ、この方法は必要とされる電源がかなり費用のかかる原因となる。また、ターゲット温度を制御することは困難になり、ターゲット冷却用電力が更に必要となる。

本明細書に全体で援用されているＦｕの米国特許第６,１８３,６１４号に記載されているしばしば自己電離プラズマ（ＳIＰ）スパッタリングと呼ばれる他の好ましい研究は、例えば、１５０ｎｍ以下の電界厚さの非常に薄い層だけが堆積されるバリヤ又はシードスパッタリングに特に用いられ、結果としてホール内に非常に薄い側壁厚さが生じる。ＳIＰスパッタリングは、一般的に従来の安価なマグネトロンスパッタラアクタチャンバに従来の平坦なターゲットを備えることができる。対照的に、誘導結合リアクタは、費用のかかる新しい設計の誘導コイルを必要とし、中空カソード又はアーチ型ターゲットリアクタは費用のかかる複合的な形をしたターゲットを用いる。ＳIＰスパッタリングは、小型であるがターゲットの比較的小さな面積に高密度プラズマ領域に集中させる強力なマグネトロンに基づく。結果として、約２０〜４０ｋＷの幾分適度な電源が、マグネトロンの下にあるターゲットの部分に非常に効果的な電力密度を作り出すために用いることができる。高密度プラズマは、約２０％以上と推定される金属イオンの高電離割合を生じる。金属イオンは、深いホールの側面の被覆を促進させるためにペデスタル電極のＲＦバイアスによりウエハに引き付けられる。

ＳIＰスパッタリングにおいて、金属イオン密度は、金属イオンのかなりの割合がターゲットを再スパッタするためにバイアスされたターゲットに逆に引き付けられる、つまり、自己電離プラズマを十分な高さに上げることができる。結果として、一旦プラズマが点火すると、チャンバ内のアルゴン圧は、０.５ミリＴorr以下、しばしば５ミリＴorr未満まで低下させることができる。圧力の低下は、ウエハに対してその方法で金属イオンの散乱の確率を下げ、ウエハを加熱するアルゴンを減少させる。金属イオンとアルゴンの衝突は、金属原子を中和させるらしい。銅スパッタリングの場合には、正しい状況の下で、アルゴンは、自己維持スパッタリング（ＳＳＳ）と呼ばれるプロセスで完全に取り除くことができる。

ＳIＰスパッタリングは、逆極性の外極によって囲まれた一垂直磁極性の内極を含んでいる不均衡なマグネトロンから利益を得る。外極の全磁力又は強度は、即ち、外極の領域上に統合された磁束は、例えば、少なくとも１.５倍、好ましくは２倍以上だけ内極よりもかなり大きい。マグネトロンの密閉形は、ターゲットに燐接した高密度のプラズマにおける電子損失を小さくする。不均衡な磁界は、ウエハに向かってより強い外極から離れて示されている磁界ラインに生成する。示されている領域ラインは、より広範囲なプラズマを支持するとともにウエハへ金属イオンを誘導する。

スパッタリングの均一性と完全なターゲットエロージョンの適度なレベルは、ＳIＰスパッタリングにおいて、ターゲットの中心に小型マグネトロンを回転させ、マグネトロンを成形してターゲットの外の部分を援助することにより達成される。一実施形態においては、不均衡なマグネトロンの外極は、一般的に内極を配置させる三角形の内部アパーチャもつ三角形の形となっている。最も鋭い角の頂短角は典型的に約２０〜３５^oであり、三角形の磁極の鋭い頂端が重なるか、回転の中心に接近する。三角形の磁極の底は、外周に近づき、ターゲットの周囲に従って曲げることができる。

回転している三角形マグネトロンは、平坦又はブランケット堆積に関して合理的で適切な均一性を与えるが、高アスペクト比のホールにおける薄いライナ層の均一性は、図３について一部述べたように、複雑に要求される。側壁カバレージは、比較的高いことを必要とし、それは大きなウエハを均一にする必要がある。更に、一側壁上の側壁カバレージは、反対の側壁上の側壁カバレージとほとんど異なってはならない。即ち、側壁カバレージは、ウエハ上の全てのポイントで対称でなければならない。中性スパッタ粒子のために、堆積均一性や側壁対称性は、エッジがターゲットの内部側面から主として生じるほぼ等方性の中性フラックスに優先的に晒されるので、ウエハのエッジ近くで達成するのは困難である。不均衡な三角形のマグネトロンから示されている磁界は、半径方向に非常に不均一であり、その不均一性は、周辺の走査だけで相殺されることはできない。それ自体による三角形の設計は、均一性や深いホールコーティングの多くの要因を最適化する際に比較的少数の独立した設計パラメータによって束縛される。様々なタイプの補助磁石が、三角形マグネトロンの固有の不均一な磁界を相殺するために提案されているが、これらの設計はそれら自体の欠陥を負っている。円形のマグネトロンでさえ、その半径方向に変化している磁界を与える。

周囲が走査されたマグネトロンは、半径方向に不均一なエロージョンにより他の問題が現れる。この問題は、従来の腎臓型マグネトロンのようなマグネトロンがむしろ大きなサイズを持つときでさえ生じる。三角形ＳIＰマグネトロンのため、最初の平坦なターゲット表面５４の下の典型的なエロージョンパターン５２は、費用がかからず容易に加工される異なる物質の裏板に対する界面５６に沿って結合されるタンタルのようなスパッタリング物質のターゲット層を持ったマグネトロンに関して図４に示されている。谷の形をした特有の環状エロージョン軌道が生じる。ＳIＰスパッタリングを援助する小型マグネトロンの周囲の走査だけでターゲット中心の高利用を達成することは困難である。不均一エロージョンは大きな腎臓型マグネトロンの使用で減少されるが、まだかなりの程度生じる。ターゲットの寿命は、裏板が最初に晒されることより決定される。更にスパッタリングは、裏板の望まない物質でウエハを汚染し、ターゲットは、捨てられるか又は新しいターゲット層を少なくとも再研磨されなければならない。不均一エロージョンは、ターゲット利用全体が不十分で、示した実施例では約３８％である。アルミニウム又は銅スパッタリングが典型的であるように、欠くことのできないターゲットが異なる裏板を含まずに用いられる場合、考察が多少異なるが、エロージョントラックから生じる不十分なターゲット利用はまだ問題である。ターゲットを交換する際の過度の費用とダウンタイムを避けるためにより均一なスパッタリングを達成することが非常に望ましい。

ＳIＰスパッタリングに関して、マグネトロンの設計は、次の３つの重要な課題に直接影響する。（１）ウエハを横切る薄層、特に対称な側壁カバレージの均一な厚さ；（２）均一なターゲットエロージョン；（３）スパッタ原子の電離割合。３つ全ての要因のためにマグネトロン設計を最適化することは困難である。これら課題の一部の最適化を緩和させることが望ましい。

マグネトロンスパッタリングは、形および磁界の強度に関して異なる要求をもつ様々な適用に用いられている。この多様性が商業的な問題を引き起こす。十分なスパッタリングリアクタがこれら適用の大半に設計されているが、しばしばリアクタとそれらのマグネトロンの設計が著しく異なっている。リアクタとマグネトロンの異なるタイプの増加数は、そのように多くの異なるタイプのリアクタを設計し、区分し、維持することに経済性や在庫ペナルティが課される。従って、設計における多少の変化又は変化した作動パラメータにより同様の設計が異なる適用に用いることができるスパッタリアクタとそのマグネトロンの普遍的な設計を得ることが望ましい。

円ターゲットについて円周方向と半径方向双方において、典型的にはターゲット中心の主回転と主回転のアームの端についての副回転の外転円パターンにおいて、マグネトロンを走査するために様々に示唆されてきた。例えば、Ｆreemanらの米国特許第４,７１４,５３６号、Ｔomerらの米国特許第５,１２６,０２９号を参照のこと。Ｆreeman設計は、より実用的見えるが、ターゲット中心近く又はその上でマグネトロンを回転させることが不可能なことを受け、過度の振動の傾向がある。Ｔomer設計は中心走査が可能であるが、内部に歯のある静止円周ギアは使いにくい。Ｔomer設計は、大きいマグネトロンによって生じる不均一なエロージョントラックを平滑にすることに向けられている。

発明の概要

遊星マグネトロンは、スパッタ堆積の均一性の増加、より完全なターゲットの利用、プラズマ密度の増加のためにプラズマスパッタリアクタに用いることができる。マグネトロンは、例えば、小型円形設計により高プラズマ密度のために最適化することができ、遊星運動は、均一な膜厚や完全なターゲット利用のために最適化することができる。

遊星機構は、好ましくはターゲットよりはるかに小さな磁石アセンブリを含むマグネトロンを、磁石アセンブリが軌道運動においてターゲットの中心の周りに回転し、更にターゲット中心の周りに回転している軸の周りに遊星回転で回転する遊星又は外転円運動を実行させる。機構は、好ましくは、磁石アセンブリをターゲットの中心上を走査させることができる。運動は、好ましくは、遊星回転が軌道回転の反対である逆方向遊星運動であるが、前方遊星運動は多くの同様の結果を与える。

一実施形態においては、ギア比又は他の係合比率により測定された１.０３〜６の回転比が好ましいが、整数は避けるべきである。約１.２〜１.６６と約２.５〜４.９７の回転比がターゲット周辺よりターゲット中心で著しく大きな速度を与える。好ましくは、係合比率は、整数に近づけすぎるべきではなく、ごく少数のローブを与えるので、ターゲット利用が不十分である。ギア比は、好ましくは、相応である、即ち、共通の特徴を持たない固定ギアと従動ギアにおける歯の数に基づくことが好ましい。共通して利用可能なギアの場合、この要求は、１つのギアにおける奇数の歯数とそれ以外のギアにおける偶数の歯数又は２つのギアの２つの異なる奇数の歯数によってしばしば満たされる。

遊星機構は、ターゲットの中心軸の回りに配置された内部ギア、軸に沿って伸び駆動板を回転させる回転駆動シャフト、駆動板上に支持され内部ギアと係合するアイドラギア、駆動板上に支持され内部ギアと係合する従動ギアを含んだ連動機構を含むことができる。駆動板とターゲットの間に配置される底板は、従動ギアのシャフトに固定され、それと回転させる。磁石アセンブリは、ターゲットの裏に隣接した底板の片端にぶら下がっており、逆方向遊星運動を実行する。結合した遊星機構の他の特徴は、ベルトの付いた遊星機構に適用することができる。

従動ギアと固定内部ギアの間のギア比が、従動ギアと付属の磁石アセンブリと駆動板との間の回転比、即ち、遊星回転数と軌道回転数の比を決定させる場合、内部ギアは固定することができる。ターゲットの中心とターゲット周辺での磁石アセンブリ速度の比は、ギア比によって決定され、ターゲット中心から従動ギアまでと後述ギアから磁石アセンブリまでの回転アームの比によって更に決定される。

好ましくは、第一カウンタウェイトは従動ギアに対向する駆動板の端の上で支持され、第二カウンタウェイトは磁石アセンブリに対向する底板の端の上に支持される。

内部ギアは、或いは、第二回転シャフトによって回転することができる。

ターゲットエロージョンのプロファイルは、遊星機構の回転周波数を変えることにより又は特にターゲット上の磁石アセンブリの半径方向位置の回転位置の関数としてターゲット電力を変えることによって制御することができる。一実施形態においては、マグネトロンがターゲット中心近くにあるとき、回転数が増加するか、ターゲット電力が減少する。磁石アセンブリ上に部分的に配置された位置センサは、磁石アセンブリの半径方向位置と回転又は電力変調を同時に行うために用いることができる。

遊星機構は、２つの遊星ステージを含むことができ、３つのアーム長と２つのギア比が最適化スパッタリングパターンのために選択される。連動した遊星機構は、或いは、駆動板上で回転させる従動ギアを係合させる内部に突き出した歯に従って固定された外部ギアで実行することができる。アイドラギアは必要とされない。

遊星機構は、代わりに、中心軸の周りのキャプスタン、軸に沿って伸び駆動板を回転させる回転駆動シャフト、駆動板上の従動滑車支持体、キャプスタンと従動滑車の周りに巻きついたベルトを含んだベルトの付いた機構を含んでいる。底板と駆動板の下に位置する付属マグネトロンは、従動滑車のシャフトに固定され、それと共に回転する。キャプスタンは、独立駆動シャフトによって固定されるか回転されるかのどちらかでもよい。

好ましくは走査されているターゲットのエリアの１０％より大きくはない小型磁石アセンブリは、逆極性のより強力な外極によって囲まれた中央のターゲット軸に沿ってそれとは反対の極性の弱い内極を持った不均衡なマグネトロンであってもよい。二つの磁極の統合された磁束の比は、好ましくは少なくとも１.５、好ましくは少なくとも２である。深いホールを充填している間、磁束比率は、好都合に更に３又は５以上に増加される。余分の磁束が、多数の弧形の区分からおそらく形成された、最密の円筒磁石による多数の列、又は環形磁石によって与えることができる。小型磁石アセンブリは、或いは、ギャップによって分けられた等しい強度の内部と外部の向かいあったバンド型の磁極を持った均衡のとれたマグネトロンであってもよい。いずれの場合においても、磁石アセンブリは円形対称であっても他の形であってもよい。

不均衡なマグネトロンの場合、より強い外部のマグネトロン磁極によって作られた磁界と平行な（反平行ではない）それらの穴に磁界を作るために付加的な同軸の電磁石を用いることができ、好ましく出力される、よって、基板に突き出した磁界がもたらされる。同軸の電磁石は、ターゲットと基板の間の処理空間の周りか、又は基板の裏面に置くことができる。後部電磁石の穴は、基板の直径よりも小さくてもよい。両電磁石が用いられる場合、片方は、好ましくは少なくとも１.５、更に好ましくは２である比率の後部電磁石よりも大きい。

好適実施形態の詳細な説明

本発明の主な一実施形態は、遊星機構によるものであり、例えば、小型円形対称マグネトロンがスパッタリングターゲットを完全に被覆することができるように、一段階遊星ギアシステムを用いている。遊星機構は、太陽の周囲を回る惑星の表面上の点に類似した遊星運動を生じ、同時にそれ自体の極軸に対して遊星回転を実行している。この実施形態におけるマグネトロンにおいて、衛星の軌道軸は、衛星の軌道軸から置き換えられたもの以外に平行であり、軌道は軌道軸について円形である。マグネトロンの磁石アセンブリは置き換えられ、遊星軸を回転し、遊星軸は軌道軸の周囲を回るか又は回転し、それにより、次の遊星アームの端で固定されたマグネトロンの複雑な軌道を作る。逆方向遊星運動において、遊星回転の方向は、軌道回転の方向と反対側になる。

図５の正射投影図に示される連動した一実施形態においては、マグネトロンアセンブリ６０は、二つの取り付け板６６、６８を通って収容している図示されていないマグネトロンの上壁に結合した静止円形取り付け部６４に固定された固定ギア６２を含んでいる。モータ駆動シャフト７０は、固定ギア６２と共に中央チャンバ軸７２に沿って同軸であり、それの下で結合したメインキャリア又は駆動板７４を支持するために固定ギア６２を自由に通過させ、それにより、固定ギア６２の中心７２の周りを回転し、遊星ドライバーとして作用する。中心又はアイドラギア７６は、駆動板７４上で自由に回転可能に支持されるが、その歯は固定ギア６２の歯と係合している。回転している又は従動ギア７８は、同様に駆動板７４上で自由に回転可能に支持され、その歯は、アイドラギア７６の歯と係合している。結果として、図６の平面図に示されるように、モータ駆動シャフト６０が回転し、駆動板７４を駆動させるので、アイドラギア７６と従動ギア７８は、例えば左回りの方向に、中心軸７２の周りに連動回転し、アイドラギア７６は、その軸自体の周りを左回りの方向に回転している。同様に、従動ギア７８は、その反対（右回り）の方向にその軸自体の周りに回転している。

従動ギア７８は、駆動板７４の下に位置する底板８０を固定し支持するので、底板８０が従動ギア７８と共に上記のように回転する。掛けられ、片持ち梁取り付け設計のために、底板８０は中心軸７２によって回転することができる。磁石アセンブリ８４は、底板８０の一端の下で支持され、磁石カウンタウェイト８６は、底板８０のもう一端の下に支持されている。他のカウンタウェイト８８は、駆動板７４のもう一端に取り付けられている。或いは、駆動板７４と底板８０はアームと呼ばれるが、アーム長は、アームの回転中心から外部の支持点で測定されている。カウンタウェイト８６、８８は、円形対称形の不可欠な胴部として最良に備えられている。このギア配置は、磁石アセンブリ８４を駆動板７４に沿って伸びた長さＡ₁の回転の第一アームと底板８０より伸びた長さＡ₂の回転の第二のアームにより外転円又は遊星運動を実行させる。図６を参照すると、遊星機構は、本質的にはかなり大型のターゲット９０の使用可能な表面全体上で比較的小型な磁石アセンブリ８４を動かし、中心軸７２について円形対称である。

二重に平衡を取ることは、回転しているアセンブリの底面での機械的な支持体がないにもかかわらずその複雑な運動におけるマグネトロンの振動を最小化させる。好ましくは、磁石アセンブリ８４とカウンタバランス８６は、質量が同じであり、従動ギア７８の中心について回転アームは同じである。同様に、主要なカウンタバランス８８は、質量が同じであり、アセンブリ全体の均衡を取るものとして中心軸７２について回転アームは同じである。均衡の取れた質量と慣性モーメントは、相互に９０％、好ましくは９５％以内でなければならない。

図６の平面図に最良に示されるように遊星運動は、中心軸７２の周りに駆動板７４の左回りの回転を含んでいる。駆動板７４によって運ばれたアイドラギア従動ギア７６、７８は、中心軸７２の周りをそれと共に回転するが、それら自体の軸の周りを付加的に回転し、アイドラギア７６は左回りに、従動ギア８０は右回りに更に回転する。従動ギア７８に固定された底板８０上に運ばれた磁石アセンブリ８４は、更に中心軸７２に対して左回りの軌道回転で回転し、更に、従動ギア７８の軸の周りを右回りに遊星回転を実行する。磁石アセンブリの二つの反対の回転方向は逆方向遊星運動と呼ばれる。従動ギア７８の回転比は、固定および従動ギア６２、７８の間のギア比ＲＧに従って、駆動シャフト７０の回転比に直接関わる。単純に示された連動遊星システムに関して、ギア比Ｇは、従動および固定ギア７８、７２の半径の比に等しい。

しかし、ギア比はギアの歯数の比によって更に基本的に決定される。

２つの式は、それぞれの円周に沿って等しく空間的に分けられた２つのギア７２、７８の歯の通例の状況において等しい。これらの式は、ギア比Ｇの符合、即ち、ギア配置が前方向か又は逆方向運動を生じるかを考慮しない。１つ以上のアイドラギアは、固定ギアと従動ギア７２、７８の間にはさまれてもよい。それぞれのアイドラギアが同じ数の歯を持った２つの隣接したギアと係合している場合には、ギア比Ｇは影響されない。しかしながら、アイドラギアが異なる半径の二つの同軸ギア部分を含む場合には、この比は全体のギア比に影響する。それはより複雑なギア配置のためにギア比を計算するための方法としてよく知られている。

遊星ギアシステムは、異なる作動結果を達成するために変化させることができる。しかしながら、例えば、遊星運動が逆方向であり、従動ギアと固定ギアの間のギア比が整数ではない０.６６〜４の間の比である、マグネトロンの２つのアームがおよそ等しい長さであるときの円形対称マグネトロンを持つ場合において優れた結果を得ることができることが分かった。それぞれがターゲット半径の約１/２のほぼ等しいアーム長は、ターゲット９０の周囲からその中心まで、また、中心７２上に円形マグネトロンが動くことを可能にし、それによって十分なターゲットカバレージを可能にする。２より大きいギア比は、菱形が等しい時間間隔をマークし、磁石アセンブリ８４の中心である、図７に示されたきっちりとした軌道を作る。この軌道９２は、１：３.１５のギア比、主要アームの０.８である遊星アーム、従動ギアの逆回転、即ち、逆方向遊星運動が計算される。

軌道９２は、磁石アセンブリの磁気部がターゲット中心７２に近い又はおそらく超えることができるように適度なサイズの磁石アセンブリ８４の中心であると想定される。図５と図６の磁石アセンブリが完全に釣り合っていることは、中心支持ポストの除去を可能にし、Ｆreeman設計において過度のターゲット中心の走査を防止する。ここでは駆動板の単一回転のため約３つである、ローブの数は、一般的には、前方向又は逆方向遊星運動のどちらかでギア比にほぼ等しい。しかしながら、ギア比が整数値でない場合には、そのパターンは示される比較的短い間隔では再現されない。その代わりに、そのローブは前進してターゲット９０をより均一に被覆する。

ギア比が一致に比較的近づく場合には、逆方向運動における軌道は、一般的にずれた中心の周りに一ほぼ円形であるが、円形パターンは非単一値のために前進する。一方、前方向運動で対応する軌道は、中心で速度が０に近いカージオイドである。

軌道９２は、駆動シャフトの単一回転に関して図７に示され、６０ｒｐｍのシャフト回転として約１ｓが示されている。図８で示される軌道９０は、６ｓを超える。約１０ｓの走査は、ターゲットの完全なカバレージを与え、完全なカバレージ期間を示すことがわかる。理論上のスパッタ時間は、示された場合において、又は連続する完全走査の間で不均一な重複を避けるために欠くことのできない多様の場合において１０ｓであることが完全なカバレージ期間でなければならないが、実際には、合理的に長い照射距離に関して方位角の不均一性が典型的に重要な問題とはならないように、ほぼ整数のギア比を持った逆方向遊星運動に関するスパッタパターンは、多重の方位に対称性を持つ。下記で発見された式から、有利な速度差が１〜６の範囲、好ましくは１.５〜５の範囲内で得ることができることが明らかであり、整数値は前進の不足のために嫌われている。前方向遊星回転は、異なる形をした軌道で、一般的には固定された座標に相対する速度の変化の大きいほぼ同じエロージョンパターンを作る。

膜堆積の均一性は、軌道９２それ自体が、ほぼ一様にターゲットのエロージョンを繰り返している間の時間を減少させることにより改善される。エロージョンの不均一性は、軌道９２におけるローブの数と重複を最大にすることによって改善される。このことは、固定ギアと従動ギア６２、７８における歯数Ｎ₁とＮ₂が不相応である、即ち、共通因子を含まないことを保証することにより容易に達成されることができる。例えば、２５：２２のギア比は、２４：２２のギア比より優れている。試験に実施されたギア比の一セットのギア比は、３５：２２＝１.５９である。１６と８０の間の歯数を持った多くの有用で実用的なギア比にとって、この要求は、偶数の歯数と奇数の歯数、又は異なる二つの奇数が生じる。

均一性により、軌道９２のローブが狭すぎず緊密に間隔を開け過ぎない場合には、短く変化できるスパッタ時間が改善される。この条件は、ギア比Ｇが整数でないだけでなく、整数に近いものでない場合には、Ｇが少なくとも０.１、好ましくは０.２だけ、例えば、３.１〜３.９又は３.２〜３.８任意の整数と異なる場合には満たされる。しかしながら、１/３、又は２/３の整数といった正確な半分の整数値、即ち、例えば３〜１/２、３〜１/３、３〜２/３等も、ギアの歯のかなり大きな数のため不相応なギア比が望ましいので避けなければならない。

カウンタウェイトや固定支持構造を含まない図９に概略的に示されたマグネトロン６０は、中心軸７２の周りに配置されたチャンバ本体１０２を従来のものとはかなり異なったプラズマスパッタリアクタ１００に用いることができる。この実施形態においては、シャフト７０と接続されたモータ１０４は、一定の回転速度、例えば、１００ｒｐｍで中心軸７２の周りに遊星マグネトロン６０を回転させる。

金属ターゲット９０は、環状絶縁装置１０８を通ってアダプタ１１０へ真空密閉され、チャンバ本体１０２を密閉し、ターゲットとウエハの間の空間を容易に調節することができる。真空ポンプ１１２は、ポンピングポート１１４を通ってチャンバ１０２の内部の真空を引く。ガス源１１６は、アルゴンのようなスパッタ処理ガスをチャンバ１０２へマスフローコントローラ１１８を通って供給する。反応性スパッタリングが、例えば、金属窒化物が望まれる場合には、窒素のような反応性ガスも供給される。

ウエハ１２０は、ターゲット９０と向かい側のペデスタル電極１２２上で支持される。ウエハクランプリング１２４は、ウエハ１２０をペデスタル１２２に固定するために又はペデスタル周辺に保護するために用いることができる。最新のリアクタは、ペデスタル１２２に対するウエハ１２０に静電チャックを用いる。アダプタ１１０上に支持された電気的接地シールド１２６は、スパッタ堆積からチャンバ壁とペデスタルの側面を保護し、プラズマ放電における負極として作用する。ワーキングガスは、クランプリング１２４とシールド１２６の間のギャップ１２８を通って主な処理領域に入る。他のシールド構造は、第一シールド１２６の内側の電気的に浮動する第二シールドと、処理領域内のガス流量を促進させるために第二シールドによって保護された第一シールド１２６の一部を通る貫通孔を含むことができる。

ＤＣ電源１３０は、接地シールド１２６に関してターゲット９０を負バイアス印加し、アルゴンワーキングガスにプラズマへの放電を引き起こさせる。正荷電アルゴンイオンは、ターゲット９０から金属をスパッタするために十分なエネルギーでターゲット９０に引き付けられ、スパッタされた金属は、ウエハ１２０の表面上に堆積し、それを被覆する。好ましくはホールを深く充填するために、ＲＦ電源１３２が、ハイパスフィルターとして作用する容量結合回路１３４を通じてペデスタル電極１６２に接続され、ウエハ１２０上に負のＤＣセルフバイアスを作る。セルフバイアスは、より容易に高アスペクトホールに入る垂直軌道でウエハ１６０に向かって加速する正金属イオンに効果的である。セルフバイアスは、また、高エネルギーをイオンに与え、ウエハ１２０のスパッタ堆積とスパッタエッチングを区別するために制御することができる。コントローラ１３６は、希望のスパッタ条件に従って真空ポンプ１１２、アルゴンマスフローコントローラ１１８、電源１３０、１３２を制御する。

マグネトロン６０は、円形磁石アセンブリ８４の通過位置の下にあるターゲット９０の表面に平行な磁界成分を作り、それにより、ターゲット９０の隣接部と高い金属電離部分において高スパッタリング速度を生じる高密度プラズマの小領域１３８を作る。不均衡な磁石アセンブリ８４も、ウエハ１２０に向かってターゲット９０から張り出し、金属イオンをウエハ１２０に誘導する磁界成分を作る。円形対称磁石アセンブリ８４は、電界の平行に張り出す成分であるために円形対称磁界分布を作る。

磁石アセンブリ８４は、ターゲット９０の中心と一致した中心軸７２の周りに遊星運動を行う。図５と図６を参照すると、駆動シャフト７０は、中心軸７２に沿って伸び、その周りに回転させて中心軸７２の周りの軌道運動でキャリア又は駆動板７４を回転して駆動させる。固定ギア６２と係合したアイドラギア７６（支持体構造は図６に示されていない）と、アイドラギア７６と係合している従動ギア７８は、軌道運動している駆動板７４上で回転できるように支持されてそれぞれの軸に対して回転する。片側の磁石アセンブリ８４を支持する底板８０は、従動ギア軸の周りに従動ギア７８によって回転する。

従って、磁石アセンブリ８４は、ターゲット周辺同様にターゲット９０の中心７２を超えて、又は任意に近くで動くことができるアーム長や磁石サイズの適切な選択によって設計することができる遊星動作を実行する。完全なカバレージは、駆動シャフト７０から二つの板７４、８０に片持ち梁を取り付けることによって得られる。図５の２つのカウンタウェイト８６、８８は、不適当な振動をさせずにこの偏心片持ち梁取り付け運動を可能にする。しかしながら、典型的に過度の中心エロージョンを生み出すので、磁石アセンブリ８４の磁気的に強力な部分が中心軸７２を通過しないことが普通は望ましい。それにもかかわらず、磁石アセンブリ８４の機械的部分は、ターゲット中心７２を通過しなくてもよく、典型的には望まれる、かすめて通る軌道さえ、ターゲットに面する側面上に回転式マグネトロンの十分な機械的な支持体が除外されている。

マグネトロンアセンブリ１５０のより詳細な断面図は、図１０に示されている。ターゲット９０は、ターゲット裏板１５４に結合したスパッタすべき物質のターゲット層１５２を含んでいる。ＤＣマグネトロンスパッタリングにおいては、ターゲット物質は、典型的には金属性であるので、電気的にバイアス印加される。最上部カバー１５６は、管状絶縁装置１５８を通ってターゲット裏板１５４に固定され、空洞１６０を囲み、密封し、水冷却マグネトロンが回転している。絶縁装置１５８は、ターゲット９０を電気的にバイアスさせることができ、最上部カバー１５６とそれに結合したマグネトロン要素が安全のために接地されたままになっている。

ターゲット９０の対向するマグネトロン１５０側に、底部リング１６２と取り付けフランジ１６４が最上部カバー１５６の対向面に固定され、中央の穴１６８をもつ回転可能な駆動シャフト１６６がそれらを通過する。玉軸受スリーブ１７０は、取り付けフランジ１６４に固定されたカップハウジング１７２の内部で駆動シャフト１６６を回転可能に支持している。駆動ベル１７４は、リテーナナット１７６の間に駆動シャフト１６８を固定させ、駆動シャフト１６６を回転させるための示されていないギアとモータによって回転する。ロータリユニオン１７８は、冷却水又は他の液体を水路１８０とそこから空洞１６０へ通るシャフト穴１６８へ流すことを可能にするために駆動シャフト１６６の上面で支持可能に固定される。示されていない水の出口は、冷却水の再循環を可能にするために上カバー１６０を貫通する。駆動シャフト１６８と取り付けフランジ１６４の間の回転リテーナリング１８２は、空洞１６０内の冷却水を密閉する。

示されていないねじは、固定ギア６２を底部リング１６２、従って最上部カバー１５６に結合する。クランプリング１８４は、駆動シャフト１６８の底面に留められ、駆動板７４に固定される。メインカウンタウェイト８８は、駆動板７４の第一端上に支持されている。アイドラギア７６は、駆動板７４の第二端に回転可能に支持されているアルドルシャフト１８６に固定されている。係合している歯のそれぞれのセットは、固定ギアとアイドラギア６２、７６と一緒に係合している。同様に、従動ギア７８は、駆動板７４の第二端上で回転可能に支持された一層外側の従動シャフト１８８に固定され、係合している歯はアイドラギアと従動ギア７６、７８に一緒に係合している。底板８０は、駆動板７４の下の従動シャフト１８８の端に固定され、従動ギア７８の遊星運動で回転する。

図１１の側面と図１２の底面からの断面図でよりはっきりと示されるように、磁石アセンブリ８４は円形対称であってもよい。その全面積は、走査されるターゲットの面積の好ましくは１０％以下、更に好ましくは５％未満である。面積比が２％未満の磁石アセンブリは、遊星マグネトロンにおいてかなり良好な均一性を示した。他の相殺する理由があってもよいが、円形磁石アセンブリは磁性材料の一定のサイズとタイプの磁界強度を最大にする。

円筒軸に沿った最初の磁極性の多くの円筒の外部磁石１９２は、磁気中心軸１９４の周りに円形パターンで配置される。それらは、例えば、磁気的に柔軟なステンレス鋼の円形磁気ヨーク１９６によって支持され、中央の支持点で遊星底板８０の底面に固定される。底部の、外部磁石１９２の自由端は、環状磁極部分１９８によって被覆され、磁気的に結合している。反対側の磁極の円筒状内部磁石２００は、外部磁石１９２の円形配列の中心に配置され、磁気ヨーク１９６によって支持され、内部磁石２００を外部磁石１９２と磁気的に結合する。内部磁石２００の底端部は、好ましくは円形磁極部分２０２によって必ずしも覆われない。磁石は、典型的には、磁気ヨーク１９６と磁極部分１９８、２０２におけるホールによって捕捉されるエンドチップを持ったステンレス鋼パッケージにおいて典型的に封入されている。示されていないねじは、磁極部分１９８、２０２をそれらの間に挟んだ磁石１９８、２００と共にヨーク１９６に固定する。結合した外部磁石１９２の全磁力は、少なくとも１.５、好ましくは２を超える倍率で内部磁石２００よりも大きく、結果として磁石アセンブリ８４は不均衡になる。同じ磁性材料が全て磁石に用いられる場合には、表面積上に統合された磁束である全磁力は、外部磁石２０２又は内部磁石２００の全断面積に比例する。内部磁石２００が共通の中心磁極部分２０２を持った複数の管状磁石へ細分することができることは理解される。この配置はより低いパッキング率のために磁力が小さくなるが、この損失は不均衡なマグネトロンのより弱い内極にそれほど重要でない。

磁石アセンブリ８４の幅は、完全なターゲットカバレージを決定することを考慮すべきである。完全なカバレージの一つの条件は

ここで、Ｄ_Mは、中心１９４の周りの磁石アセンブリ８４の外部磁石部分の直径、即ち、外極部分１９８を取り囲んだ半径であるが、良好であるが定量的でない半径は、後述される環状磁気成分である。しかしながら、実験によって確認した一定のマグネトロン直径の現実的なモデリングの一般的な結果は、ターゲット中心が過剰にスパッタされることである。従って、完全で均一なターゲットエロージョンのために、マグネトロンのエッジは、ターゲット中心をかろうじて触れるべきである。即ち、

更に、均一な膜堆積は、均一なターゲットエロージョンより重要であるらしい。例えば、銅、アルミニウムのメタライゼーションスパッタリングの場合、均一な膜堆積は、本質的にはターゲットのちょうど中心をスパッタしないことによってしばしば最適化される。この状況において、スパッタされた銅は、負のエロージョンを生じるターゲット中心で十分に再堆積することができる。しかしながら、再堆積された銅はそれぞれ安定であるので、再堆積は一般的に問題として考えられない。しかしながら、特有の窒化物の反応性スパッタリングと組み合わせてバリヤ層に用いられるＴa、Ｔi、Ｗのような高融点金属の場合、再堆積は重大なパーティクル問題が存在する。再堆積された高融点金属又は高融点窒化物は高い内部応力を示し、再堆積された層がかなり厚い場合には、剥離しやすい。従って、高融点金属のスパッタリングの場合、ターゲットは、正味の再堆積を防止するのに十分な程度まで全体のターゲット面積上のスパッタリングによって清浄に保たれなければならない。即ち、ターゲットが中心近くで過度にスパッタされても、マグネトロンは比較的ターゲット中心に近づけなければならない。

不均衡な円形磁石アセンブリは、高アスペクト比のホールへ均一なスパッタリングにいくつかの利点を与える。図１３に概略的に示されているように、不均衡円形磁石アセンブリは、他の磁極のより強い外極２０８によって囲まれたもう一方の磁極の内極２０６を含み、双方中心軸１９４の周りにほぼ円形対称である。円形磁石アセンブリは、軸１９４の周りに対称的な磁界分布を作る。磁界分布は、外極２０８から内極２０６までの平滑な経路に続いて、半環状成分２１０を含んでいる。磁極２０６、２０８の表面は、それらの間のサイズを最小限にするギャップ２１２でターゲット９０の裏面に密接にして配置される。結果として、半環状成分２１０の一部は、ターゲット９０の前面にほぼ平行に伸びる。平行な磁界は、電子をトラップし、ターゲットに隣接したプラズマの密度を非常に増加させる。半環状成分２１０は、磁石中心軸１９４の周りに対称であり、プラズマ電子をトラップするために閉鎖ループを形成するので電子損失が減少する。図５と図６のマグネトロンの二重カウンタバランス設計は、ジッタと振動を減少させ、それによってギャップ２１２を遊星回転が平衡していないＦreeman設計と対照的に減少させることができる。

磁界分布は、スパッタ被覆されているウエハに向かってターゲット９０からより強い外極２０８から突き出ている成分２１４を更に含んでいる。より強力な外極２０８から生じた突出成分２１４は、外極２０８又はバックヨーク１９６の裏面に戻る前に、ウエハに接近するので、磁石アセンブリの中心ライン１９４に向かって曲がっている。マグネトロン不均衡から生じる突出成分２１４は、プラズマを伸ばすと同時に電離した金属原子をウエハに誘導する。円形磁石アセンブリにおいては、突出成分２１４も円形対称であり、特に完全な遊星運動が考慮された後に、ウエハの内部又は外部のどちらも援助しない。更に円形の形は、磁石の不均衡を最大化させることを可能にする。従って、プラズマ密度を増加させる半環状成分２１０を減少させることなく突出成分を増加させることができる。電子損失も、円形配置では減少する。最後に、不均衡なマグネトロンは、磁界分布内にヌル２１６と局所極大２１８を生じる。ヌル（null）２１６は、非常に高密度まで電子をトラップする。中性のスパッタ金属原子が高度に電離されたヌル２１６を通過するとき、それらは電子と衝突し且つ電離する傾向がある。従って金属電離割合が増加する。

様々な変形が、図１１、図１２のマグネトロン１００に利用できる。管状中心磁石２００は、複数のより小型な磁石、好ましくは総計３、４、又は７で置き換えることができ、最近では接近して詰められた配置の六角形になっている。特別な効果のために、管状中心磁石２００は、環状磁極部分を持った管状内部磁石で置き換えることができる。外部磁石１９２は、図１４の断面図に示されるように、単一の環状磁極部分１９８で被覆された磁石２２０、２２２の２つの環状列で置き換えることができる。好ましくは、外部磁石２２０は、わずかに大きなサイズを有するので、複数の列が密接して詰めることができる。或いは、図１５の断面図に示されるように、外部磁石２１２は、軸１９４に沿って、方位角方向に沿った断面がほぼ矩形の単一方向に磁化された環状バンドの弧型磁石２２４で置き換えられる。好ましくは、磁石２２４は製造を容易にするために２つ以上の番号を付けている。いずれの配置も、外部磁極の磁気密度を増加させので、マグネトロンの不均衡を増加させることができる。従って、ターゲットの表面に隣接した重要な半環状成分を犠牲にすることなく突出した磁界を増加させる。増加した突出磁気成分は、深い穴を充填することと他のスパッタリング効果を極めて促進させる。また、増加した外極の密度は、ヌルの位置を妥協することなくより小さなマグネトロンを可能にする。従って、外部磁気強度と内部磁気強度の比は、有利には３より大きく、５より大きくさえ増加する。

上述の実施形態は、図１０の上面カバー１８６について固定された最も深い部分にあるギア６２を含むが、中心軸７２の周りの最も深い部分にあるギア６２の付加的な回転は、上カバー１８６に相対して回転させ、残りの設計にほとんど影響せずに駆動板７４について更に回転させる。この実施形態は、中心軸７２の周りに２つの同軸回転、又は最も深い部分にあるギア６２と、付属の回転シールと回転駆動と連動した係合で第二オフセット駆動シャフトを必要とする際に機械的な設計を複雑にするが、独立した回転により、更に機械的な部分を変える必要がなく動作制御の可撓性が追加される。例えば、わずかに変化した条件下で図８について述べた整数の完全カバレージサイクルの間、比較的薄いバリヤ層又はシード層を堆積することができるリアクタを与えることは望ましいことである。最も深い部分にあるギア６２を支持する可変速シャフトは、固定ターゲット９０に関連した図８のパターンを異なるスパッタの間、整数倍で循環させることができる。即ち、単一マグネトロンアセンブリは、異なるバリヤ/ライナ適用で用いられるように最適化することができる。更に、同様のマグネトロンアセンブリは、長時間堆積を必要とするより厚いブランケット堆積に用いるために最適化することができる。従って、異種の適用に普遍的なマグネトロンの使用が可能である。

本発明のマグネトロンの動作は、図１６のグラフによって説明することができ、ターゲットに加えられるＤＣ電力量の関数として、プラズマリアクタスパッタにそれぞれのターゲット電圧を用いる場合、異なる３つのマグネトロンについてプロットしたので、ある意味では電力の関数としてプラズマインピーダンスをプロットしている。比較的低密度のプラズマと金属原子に関してかなり低い電離割合を作る従来のマグネトロンは、ピーク２３４に上昇してから任意の有用な電力範囲上で０に向かって単調に下降していく、電圧と電力特性曲線２３０を示す。ターゲットの中心からエッジまで伸びるためにかなり大きくなる必要のある周辺を走査した三角形ＳIＰマグネトロンは、中程度の密度プラズマやおそらく２０％での適度な電離割合を与える。その特性曲線２３６も、転移点２３８を通るまではピーク２３４から単調に下降する。転移点２３８を超えると、ターゲット電圧は上昇し始める。転移点２３８より上昇すると、金属イオンの密度が増加することによると考えられる。転移点２３８より高い動作は高金属電離割合を生じるように望まれ、高アスペクト比のホールへのスパッタリングを促進させる。

例えば、図１１と図１２の構造を持つ、本発明の遊星運動に用いうる非常に小さなマグネトロンは、ＳIＰマグネトロンの特性曲線に類似した特性曲線２４０を示す。しかしながら、転移点２４２は本質的により低い電力で生じる。このことは、なお高い金属電離割合を生じることを意味している。より低い転移点２４２は、かなり減少した電力量で希望の様式での動作も可能にする。

マグネトロン６０は、図９に示されるスパッタリアクタ１００の一般的なタイプを用いて、高アスペクト比のホールへ金属を被覆するために用いてきたが、照射距離は、特にターゲット９０と３００ｍｍウエハ１２０の間の４００ｍｍより長い。遊星マグネトロンの第一アーム長は１１７.５ｍｍ、第二アーム長は５３.３ｍｍ、磁石の直径は１１７ｍｍであった。固定ギアの歯数は３５であり、従動ギアの歯数は２２であった。６００Ｗ〜９００Ｗの間のバイアス電力で性能が優れていることが見られた。図３を参照すると、従来の又はＳIＰマグネトロンでさえ最も大きな改善は、突出部４６における著しい減少である。この改善は、アスペクト比がより高いホールへスパッタリングすることを可能にする。更に、最小限の側壁厚さ４２は、１２４ｎｍの場の厚さの場合、５ｎｍより増加し、より均一になる。底面部４２の厚さは、少なくとも４０ｎｍに増加している。これらの効果は、より小型磁石アセンブリで達成し得るより高いプラズマ密度から全て得られると考えられる。更に、ウエハ周囲近くの側壁カバレージの非対称性が減少したので、より高い電離割合が示された。より高いバイアス電力は、更に突出部を減少させたが、側壁部分は薄すぎた。

遊星運動の軌道は、ターゲット中心に原点を持った複雑な平面での複雑な位置ｒとして容易に計算される。遊星運動を実行する対象物の位置ｘは、下記によって示される。

ここで、一般論の損失はほとんどないが、Ａ₁とＡ₂は、第一、第二モーメントアームの長さを表わす正の実数、Ｔ₁は毎秒ラジアンで表される駆動板の回転速度、Ｔ₂は固定座標による従動ギアの回転速度である。ギア比Ｇ又は他との係合比率として表すことができる遊星運動の場合、２つの回転速度は下記で関係する。

前方向遊星運動の場合、ギア比Ｇは正であり、逆方向遊星運動については負である。アーム長の比は下記で表される。

位置が下記として表されてもよいからである。

複雑な速度νは、位置ｘの時間による導関数である。

実数に戻すために、速度の大きさの平方、即ち、速さの平方が下記で示される。

余弦項がプラス又はマイナス１であるとき、最大および最小速度が生じる。どちらかがサインとＧの大きさに左右される。最大速度と最小速度の議論に興味深いものであるが、それは直接ターゲットエロージョンを直接処理しない。

均一なターゲットスパッタリングのための真の要求は、経路に沿った接線方向の速度より中心軸に関連したラジアル速度に基づいている。等しいカバレージの場合、（無限に小さい）マグネトロンが半径ｒの幅である環状バンドに費やす時間）ｔは、ｒに比例している。環状バンドに平行の方位角速度は、均一なスパッタリングに直接的な関係はない。結果として、望まれるラジアル速度は下記で示される。

微分方程式は、単純な積分によって解かれ、結果として下記が得られる。

と

最後の式は下記と等価である。

これらの式は、明らかに定数とサインだとみなしていない。

複雑な代数学に戻ると、遊星運動のために時間変数の半径の平方は、下記式で示される。

この式も余弦法則から導くことができる。この関数は、Ａ₁＞Ａ₂の場合に図１７でプロットされる。Ａ₁＜Ａ₂の場合、同じ依存が見られるが、縦軸上で異なる順序が逆にされる。面白いことに、周波数を変化させることを除いて同様の依存性は、正か負、即ち、逆方向遊星運動か前方向遊星運動かのどちらかのギア比Ｇの任意値が得られる。それにもかかわらず、整数値は、処理パターンを保証するために避けられる必要がある。

時間の導関数は、

この量は、図１８でプロットされ、負の値は点線で示されている。また、その波形は周波数と振幅を除いてＧに依存しない。関数は０付近で変化するが、その大きさだけがカバレージ効果に重要であることは留意される。プロットは、最大値１に標準化され、その大きさの平均は、２/Ｂである。上記の微分方程式の解を示したので、図１８にプロットされた数は、軌道上の均一なカバレージのために一定でなければならない。この数は明らかに、時間又は半径に一定でないが、我々は平均値からの変化の程度とそれが重要であるかを確立する必要がある。

第一に、上記の誘導が、実際にマグネトロンが円形マグネトロンの物理的な外部の直径より典型的に多少多いか又は少なく、不均衡の程度とマグネトロンのサイズに依存する直径Ｄより効果的に伸びる場合に、上記の誘導は点サイズのマグネトロンに基づく。結果として、図１７のプロットは不鮮明でなければならない。例えば、最小半径Ａ₁−Ａ₂で、マグネトロンの一部だけがその側に伸びるので、マグネトロンは中心ｒ＝０に密接して実際に伸びるが結果は減少した。同様に、最大半径Ａ₁＋Ａ₂で、マグネトロンは減少した結果とともに更に外側に伸びる。

次に、一定値からのラジアル速度の偏差は、たいていの軌道上でそれほど大きくはない。その影響を数値化するために、半径位置の平方の時間依存性が、Ａ₁＝Ａ₂の場合に図１９にプロットされる。上記の微分方程式から導かれる理想的な時間依存性は、のこぎり状の波形によってプロットされる。これは、マグネトロンが中心近くと周囲近くの両方で多すぎる時間を費やしていることを示している。同じ結論が、図１８のプロットからも導かれることができる。

エロージョンパターンに関連した誤差のよりよい測定は、半径ｒに関してｄｒ²/ｄｔを表す。同等でないアーム長を含んだ誘導は、ｔをＧＴ₁ｔに標準化すること、ｒを下記に標準化し、

下記の無次元のパラメータを用いて単純化される。

これは等しいアーム長に一致する。そのとき２つの半径の式は、下記のように表される。

及び

それらを合わせると下記式を得る。

ｔがＢで変えられる場合、根の前のマイナスの記号は消える。この時間の導関数は、アーム長の３つの比率の標準化半径の関数として図２０にプロットされる。実際に、同じプロットがその比率の逆に生じる。ターゲットエロージョンプロファイルの考察のためのより直接な関数は、図２１にプロットされるように時間の導関数の逆である。有限のマグネトロン直径が含まれる時、内部と最も外側の点での特異性が取り除かれる。それにもかかわらず、ターゲットの最も内側と最も外側の部分は過度にエロージョンしている。他の一つの結論は、非単一性のアーム比Ａ₁/Ａ₂が、最も内側のポイントでその特異性の程度を減少させるということである。これらのために、好ましい実施形態は、非単一性アーム比と近くをかすめて通る適度に大きいマグネトロンを用いるがターゲット中心軸を触れない。

補助的同軸磁石は、不均衡なマグネトロンによって作られた突出磁界を高めることにより性能を更に改善することができる。図２２の概略断面図で示されるように、リアクタ２５０は、拡張したアダプタ２５２とチャンバ側壁１０２の効果的な形成部分を含んでいる。アダプタ２５２は、ターゲット９０とウエハ１２０の間の照射域を容易に変えるために用いられる。電磁気コイル２５４は、中心軸７０と同軸にアダプタの外部の周りを包んでいる。ＤＣ電源２５６は、不均衡な遊星ルーフマグネトロン６０のより強力な外極２０８からチャンバ内に張り出した磁界と平行にし強化するチャンバ内のほぼ垂直磁界を生じるようにコイル２５４によって制御された電流量を与える。

結果として、図２３に概略的に示されるように、張り出した磁界２１４は、外極１９２の裏面に戻る前に、ウエハ１２０に向かってチャンバへ更に伸びる。その効果は、ウエハペデスタル１２２の裏に置かれ、マグネトロンの外極２０８から張り出した磁界と平行にそれを高めるほぼ垂直な磁界を作るために他のＤＣ電源２６０によって出力される他の同軸電磁気コイル２５８によって高められる。下部電磁気コイル２５８は、上部電磁気コイル２５４より半径サイズが小さく、ウエハの裏からマグネトロンの外極２０８に戻る前に、ウエハ１２０に向かって張り出した磁界に集中する働きをする。側面電磁気コイル２５４の内径はウエハ１２０の直径より十分に大きいが、底面電磁気コイル２５４の内径が典型的にはわずかに小さい。内径は、その側面が関連した電磁気コイルによって完全に取り囲まれている。コイル２５４、２５８は、張り出した磁界２１４を遊星ルーフマグネトロン６０からウエハ１２０に拡大させるので、金属イオンをウエハ１２０まで誘導させる。図２３に示された磁界は完全ではない。例えば、図はそれらを作り出しているコイル２５４、２５８をよりしっかりと取り囲んでいるソレノイド領域を示していない。好ましくは、二つのコイル２５４、２５８の内径の比率は、集中効果を達成するために少なくとも１.５、更に好ましくは少なくとも２.０である。

図２２に示される側面同軸コイル２５４は、ターゲット９０とペデスタル１２２との間の処理空間の上半分にだけ伸びている。他のコイル形状が可能である。例えば、長い側面コイルは、ターゲット９０からウエハに伸びているより均一な磁界を与える。そのような領域は、プラズマ１３８から生じた電子フラックス、従って、電子に随伴するイオンフラックスを平行にする。ほぼ同様の効果が、チャンバ側壁に沿って軸上に配置された複数の側面コイルを用いることによって達成し得る。均一な領域の組み合わせと電子フラックス、従って、イオンフラックスを集中させるための収束された領域を作り出すためのより小さな裏面コイル２５８は、従来の走査電子顕微鏡の電子光学に用いられている。

電磁気コイル２５４、２５８は、既に不均衡なルーフ磁石アセンブリ８４の効果的な不均衡さを増大させるために用いることができる。同様に、均衡な又はほぼ均衡なルーフ磁石アセンブリ８４を用いつつ不均衡なマグネトロンをもたらすために用いることができ、それにより、ルーフマグネトロン６０を平行にし、誘導領域を与える負荷から解放し、ルーフマグネトロン６０の設計の自由度を可能にする。

上記理論は、マグネトロン直径と局所マグネトロン磁界分布を説明していないが、それにもかかわらずギア比とアーム長の比の調整が完全なターゲットカバレージを増加する際の用途を制限していることを示している。性能改善の一方法は、マグネトロンがその周囲とターゲット中心の間で動いているので、遊星機構の回転速度を変えることによって時間の基準を効果的に変化させることである。対照的に、従来の遊星マグネトロンは、一定の回転速度でターゲットの中心の周りに駆動板を回転させる。

図２４の断面図に示されるマグネトロンアセンブリ２５０においては、マグネトロン１６０を回転させているモータ１０４は、出力シャフト２７２が一つ以上のギア２７４、２７６によって駆動ベル１７４に結合されている。モータ１０４は、慣用的にブラシのいらないＡＣモータである。この実施形態においては、それは可変周波数ＡＣソース２７８によって駆動される。駆動シャフト２７２、従って、遊星マグネトロン１６０も、例えば、磁石アセンブリ８４がターゲット９０の中心７２により近いときにより速くなる他のものより、半径走査のある期間でより速く回転するように、周波数変調器２８０がＡＣ源２７８の周波数を制御する。即ち、回転速度は中心軸７２に向かったり、離れたりする二次アーム８０の各回転の間変えられる。パルスステッパモータの使用は、磁石アセンブリ８４の回転を中心として回転速度を制御するためにパルス割合を変えることができるので、配置を簡単にしている。回転速度も、ターゲット周辺近くで増加させるが、これは中心近くと同じくらい重要であるように思えない。より長く走査されるターゲット９０のどちらかの一部も同様に、磁石アセンブリ８４のサイズとターゲット中心と周辺からのオフセットに依存する。

ほとんどのギア比において、磁石アセンブリ８４の半径方向位置は、駆動シャフト１６６又はその駆動ベル１７４の回転位置によって直接確かめることはできない。従って、変調は遊星機構の第二アーム８０の運動と同調しなければならない。変調が各旋回運動の１パーセントの小さな割合だけ非同調でも、第二の遊星アームの迅速な回転がそのうち完全に非同調になる。同調は、最も外部の位置で磁石アセンブリ８４の後方又は側面における最上部カバー１５６に位置する位置センサ２８２に従って明確に制御される。センサ２８２は、第二アーム８０又は磁石アセンブリ８４の外部の部分に接続された信号エミッタ２８４が遊星路の外部周辺近くにあるときに、センサー２８２が検出する。センサーは、光学的なもの、磁気的なもの、又は密接に配置される信号エミッタ２８４を感知することのできる他の設計であってもよい。例えば、センサ２８２は、レーザー又は光源、対応した光学検知器を含むことができる。この場合には信号エミッタ２８４は、断続的な反射パターンとなってもよく、光学検出器に接続された電気的フィルタがセンサが変調器２８０に送る単一同調パルスに変換する、適切に定められた期間の一連の光学パルスを生じる。２つの位置センサは、有利には、電子が予め引き金となり、検出誤差を減少させるために用いることができる。示された位置センサは、ターゲットの一つのセクタをつきとめ、他の区域における半径方向位置を検出しないことが留意される。しかしながら、旋回運動ごとの非同調が比較的小さい場合には、その結果として生じる時々の位置検知で十分である。

エロージョンプロファイルを作る第二の方法は、ターゲットに加えられる電力を調整することである。ターゲット電力は、典型的にはたいてい市販のスパッタリアクタにおけるＤＣであるが、いくつかの適用ではＡＣ又はＲＦであってもよい。図２５の概略断面図に示されるマグネトロンアセンブリ２９０においては、ターゲット９０に電力供給するＤＣ電源１３０は、位置センサー２８２によって第二遊星アーム８０の回転に同調されるように電力変調器２９２によって電力を変調させる。実際の変調は、ターゲット電圧又は電流によってもよいが、典型的にはターゲットバイアスは、電力に従って指定される。電力変調器２９２は、例えば、ターゲット中心やその近くにあまりエロージョンされるべきでないターゲット９０の部分の上に磁石アセンブリ８４がある場合により少ない電力を供給させる。加えられる電力が少ないほど、下にあるターゲットがスパッタされなくなる。重要な変調は、ターゲットスパッタリング速度に影響をするだけでなく、スパッタされる原子の電離割合にも影響する。電力が多いほど、電離割合は高くなる。

図２４の周波数変調が図２５の電力変調とを同時に行うことができることは当然のことである。明白にすべきであるように、周波数と電力変調器２８０、２９２は、図９のコントローラ１３６へ組み込むことができる。

半径方向エロージョンパターンを制御する他の方法は、遊星運動の他の段階を加えることである。図２６の平面図と図２７の正面図で示されるように、二段階マグネトロン３００は、回転している一段階従動ギア７８に固定した第二アーム上に回転可能に取り付けられている二段階従動ギア３０２を含み、第一アーム７４に固定された二段階固定ギア３０４と係合している。第三アーム３０６は、回転している二段階従動ギア３０２に固定される。磁石アセンブリ８４は、第三アーム３０６の一端に固定され、他のカウンタウェイト３０８はそのもう一端に固定される。この実施形態においては、アイドラギアは二つの従動ギア７８、３０２との間に挟まれることはないので、第三アーム３０６は第二アーム８０に関して前方向遊星運動、第一アーム７４に関して逆方向運動を実行する。全体の効果は、地球を周り、太陽を周る、惑星を周る回転している月、それ自体太陽を周り或いは月を周る衛星の表面上の点で生じる類似の軌道を与える２段階遊星回転機構である。追加の段階は、エロージョンプロファイルを更に制御する。

２段階運動の複雑な位置は下記式で示される。

位相係数Ｎは、他の複雑な量Ａ₁とＡ₃の間の位相差を表示し、ギア比のうちの一つが単一性又は小整数である場合に必要とされるものである。座標軸が任意に選ばれ、縮退又はほぼ縮退した条件を除き、ある時点で２つのアームが並ぶので、２つの遊星アームのためだけの類似した位相差は必要とされない。

我々の前述の誘導に従い、回転速度は、下記式によって関係する。

及び

ここで、ギア比Ｇ１、Ｇ２は単一段階のためのギアに関係する。そのとき時間依存性位置は、下記式として示され、

半径方向位置の平方が下記式で示される。

そのような多くの可変要素は、エロージョンパターンを平滑にするために軌道を最適化する際の可撓性が大きい。

偏心のギアを持った単一段階遊星マグネトロンは、２段階マグネトロンの場合の上記と多少類似した効果を達成する。例えば、図２８の平面図に示されるように、楕円形のアイドラギア３１０は、固定ギア６２と従動ギア７８の間に置かれる。楕円形ギア３１０は、ギア３１０の中心３０４からずれた駆動シャフト３１２の周りに偏心的に回転可能である。楕円形ギア３１０の歯は、その周囲に沿って均等に配置される。アーム３１６は、不規則な形をした駆動板３２０でピボット３１８を中心に回転する。駆動シャフト７０は、シャフト軸７２の周りに駆動板３２０を回転させる。伸張か圧縮のどちらかで動作することができるスプリング３２２、又は駆動板３２０の一端に固定される他の強制手段は、楕円形ギア３１０が楕円形ギア３１０の回転の全ての点で２つのギア６２、７８と係合したままになるような方向にアーム３１６を押し付ける。楕円形ギア８０の位置に依存して、瞬間のギア比は、第二アーム８０の回転比がメインの駆動シャフト７０の一定の回転速度と一様に変わるように変化する。記載された配置は、不規則な２つのタイプ、ギアの非循環性、ギアの中心からギアシャフトのオフセットを与える。これらの一方は、単独で希望の結果を与えるだろう。好ましくは卵形である他の非円形のものが可能である。他のギア６２、７８の一つは、アイドラギア３１０よりむしろ不規則又は非円形なものにできた。

３つのギアのラインから逸れた配置は、従来の円形ギアのためにさえ均衡のとれた空間を保存することができる。図２９の平面図で示されるように、円形アイドラギア７６の中心３２６は、固定ギアと従動ギア６２、７８の中心７２、３２８に接続しているラインからずれているので、後者の二つのギアは直接係合しないが、共に密接に配置されてもよい。同様に、ラインから逸れた配置は、逆方向運動がそこで望まれる場合、図２６の２段階遊星機構の２段階に好都合に適用され得るが、中間のアイドラギアの比較的短い第二アーム８０に利用できるスペースはほとんどない。

図２９は、ライン又はラインから逸れて配置されるかのアイドラギア７６が、中心軸３０６に沿って配置された共通のシャフトに固定されているが直径が異なる２つのギア部分を含むことができる。１つのギア部分は、固定ギア６２と係合し、その他のものは、従動ギア７８と係合している。アイドラギア７６上の二つの同軸ギア部分のギア比は、全体のギア比Ｇに含まれる必要がある。

前述の全ての遊星機構は、中心に固定されたアイドラギアとマグネトロンアームに結合しているギアを組み込んでいる。連動した遊星機構の他のタイプが可能である。一つの代替案は、外部の固定ギアを用いることである。図３０の平面図に示される一段階連動遊星機構３３０においては、駆動板７４は、モータ駆動シャフト７０によって支えられ回転される。それと中心軸７２との間の他のギアを持たないその端で従動ギア７８を回転可能に支持する。代わりに、従動ギア７８は、内部にギア歯を持った外部の固定ギア３３２と係合している。磁石アセンブリ８４、底面板８０、カウンタバランス８６、主要なカウンタバランス８８は、固定された外部ギア３１２の下を通ることができ、磁石アセンブリ８４は、中心軸７２を通過することができる。固定された外部ギア３３２のための支持機構は、示されていないがターゲット９０の周辺上に拡張する。示された遊星機構は、とても単純な機構を持った希望の逆方向遊星運動を提供する。この機構は、本発明の磁石アセンブリ８４が非常に小さく、その設計が中心の周りに振動しているＴomerの大きなマグネトロンよりむしろマグネット部分を中心軸７２を通過させることができる点でＴomer遊星機構とは異なる。示された遊星機構は、アイドラギアを含んでいない。しかしながら、それらの一つ以上は含むことができる。それらはより小さな値のギア比をもたらすことを援助する。

図３１の平面図に示されるように、ベルトと滑車機構３４０を持った希望の遊星運動を達成することも可能であり、ギアの歯よりも異なる輪がベルトによって係合されている。ベルト３４２は、静止した又は固定されたキャプスタン３４４の周りを包んでいる。駆動板は、従動滑車３４６が回転可能なシャフト３４８によって駆動板７２上に回転可能に支持される従動滑車３４６を回転可能に支持している。底板８０は、従動滑車３４６のシャフト３４８を固定されているので、従動滑車３４６と回転し、底板８０の端に結合したマグネトロン８６が遊星運動を実行する。連動遊星機構のギア比に類似した従動滑車３４６と駆動板７４の回転速度の比は、静止キャプスタン３４４と従動滑車３４６の直径の比によって決定される。遊星運動は、アイドラギアを使用せずに逆方向である。ベルトは、滑車ベルト、隆起したベルト、金属ベルト、鎖、鎖ベルト、ケーブル、バンド、又は、他の可撓性構造を含むように説明され、少なくとも一方が回転可能で両方と係合している２つのほぼ円形部材の回りを包んでいる。連動しベルトも付いた実施形態は、ギアホイール又はシャフト上の歯、又は滑車ホイール又はシャフトの周りを包んだベルトによって相互に回転可能に係合している円形部材の共通要素を共有する。連動しベルトの付いた両方の実施形態を含む回転比のためのより一般的な概念は、最も内部の円形部材と従動円形部材との間の係合比である。望むのであれば、キャプスタン３４４は、マグネトロン軌道と完全なカバレージ期間の動的な制御可能にするように第二同軸駆動シャフトに接続することができる。

遊星機構は、その機構がマグネトロンの希望の遊星運動を達成する限り、記載された連動しベルトが付いた実施形態に限定されない。更に、楕円形路のような更に複雑な遊星運動も可能である。

遊星機構は、深い穴を充填するのに用いられる不均衡マグネトロンに特に用いられるが、ブランケットカバレージに用いられる均衡の取れたマグネトロン適用することができることも有利である。例えば、図３２の平面図で示される磁石アセンブリ３５０は、ギャップ３５４によって分けられ且つ等しい全磁気強度を生じる対向の磁極の２つの同心円形バンド型磁石磁極面３５２、３５６を含んでいる。下にある磁石は、円に配置されるＵ字型の磁石又は磁気ヨークによって磁気的に結合した一組の逆平行円筒状磁石であり得る。中心にくぼみのある大型マグネトロンのように不均衡であることは可能であるが、典型的には磁界強度は均衡が取れている。この同様の磁気構造は、典型的には、かなり大型のサイズの従来の腎臓形マグネトロンに用いられる。遊星走査は、かなり小型の円形均衡マグネトロンを用いて均一なスパッタリングとターゲットの完全使用を与える。更に、比較的高密度のプラズマが、速いスパッタリング速度のために常に望ましい。小面積マグネトロンは、比較的適度な電源を非常に有効な電力密度、つまり、小型走査マグネトロンに隣接したターゲット面積で高プラズマ密度を得ることができる。より小型の電源も、穏当な温度でターゲットを維持するために必要とされる冷却能力を低下させることは有利である。

遊星機構は、三角形のような非円形マグネトロンも駆動させることができ、その形は均一性や他の理由のために更に最適化されている。

任意の様々な設計の遊星機構は、例えば、均衡なものと不均衡なもの、高プラズマ密度と低プラズマ密度、厚いスパッタ堆積厚さと薄いスパッタ堆積厚さの磁石構成の幅広い範囲で用いることができるので、普遍的な遊星機構がスパッタリング適用の範囲に適用することができ、それにより経済的な走査設計と在庫部品を減少させることが可能になる。異なるギア又は滑車又は他の普遍的設計に対して異なる磁石アセンブリを用いた代用品の単純な代用は、カバレージパターン、速度変化、電離割合、突出磁気成分における変化を可能にする。

機構は、中心軸の周りに遊星運動を持つ走査マグネトロンについて説明してきたが、中心軸の半径方向と周辺の双方で走査が行われる他の機構も得ることができる。好ましくは、設計により、少なくとも磁石アセンブリの部分を中心軸上を通過させるように選択することができる機械的パラメータの選択が可能である。そのような機構は、磁石アセンブリのために半径方向に作用するアクチュエータと周辺で回転している駆動板を含んでいる。

遊星マグネトロン運動は、複雑な形、つまり費用のかかる中空カソード又は環状アーチ型ターゲットと対照的に比較的単純な平面ターゲットで高性能スパッタリングを可能にする。しかしながら、遊星マグネトロンは、必要とされる電力を減少させつつルーフスパッタリングの均一性を増加させるために、より複雑なターゲット、特に中空カソードターゲットにおいて有利に用いることができる。

従って、本発明は、均一なスパッタリングと高ターゲット利用を促進させる。非常に小型なマグネトロンの使用も可能にするので、スパッタリングの均一性とターゲット利用を犠牲にすることなく、比較的小型の電源により高プラズマ密度を与える。これらの特徴は全て、普遍的なマグネトロン設計で得ることができる。

本発明のスパッタリング装置を適用することができる集積回路バイア構造の断面図である。 本発明のスパッタリング装置を適用することができる集積回路バイア構造の断面図である。 スパッタ堆積の不均一性の典型的なタイプを示したバイア構造の断面図である。 スパッタリングターゲットの半径方向エロージョンパターンのプロットである。 連動遊星マグネトロンの正射投影図である。 図５の遊星マグネトロンの平面図である。 遊星マグネトロンの下にある磁石アセンブリの経路のプロットである。 遊星マグネトロンの下にある磁石アセンブリの経路のプロットである。 図５と図６の遊星マグネトロンを組み入れたスパッタリアクタの側断面図である。 図９のスパッタリアクタに用いられるマグネトロンアセンブリの側断面図である。 不均衡な円形対称磁石アセンブリの断面図である。 図の線１２-１２に沿って切った図１１の磁石アセンブリの底面図である。 不均衡な円形マグネトロンによって作られた磁界分布の概略図である。 代替的円形対称磁石アセンブリの断面底面図である。 代替的円形対称磁石アセンブリの断面底面図である。 マグネトロンの三つのタイプによって作られた電気特性をプロットしたグラフである。 一段階遊星運動について時間の関数として計算された半径方向位置のプロットである。 一段階遊星運動について時間の関数として計算された速度の平方である。 時間の関数として計算された遊星半径方向位置と希望の位置の図１７に基づいた概略プロットである。 一段階遊星運動とアーム長の２つの比について計算された半径方向速度の平方と半径のプロットである。 図２０の半径方向速度の平方の逆数のプロットである。 遊星マグネトロンと付加的同軸コイルを含むスパッタリアクタの概略側面図である。 図２２のスパッタリアクタにおいて作られた磁界の概略図である。 回転周波数の変調を含む遊星マグネトロンアセンブリの概略側面図である。 ターゲット電力の変調を含む遊星マグネトロンアセンブリの概略側面図である。 二段階遊星走査マグネトロンの平面図である。 図２６の走査マグネトロンの立面図である。 偏心ギアを含む走査マグネトロンアセンブリの一部の概略平面図である。 オフセットアイドラギアを持った走査マグネトロンアセンブリの一部の概略平面図である。 連動遊星機構の他のタイプの平面図である。 ベルトの付いた遊星マグネトロンアセンブリの概略平面図である。 均衡の取れた狭いギャップの円形磁石アセンブリの底面図である。

符号の説明

１０…誘電体層、１２…特徴部、１４…誘電体層、１６…バイアホール、２０…バリヤ層、３０…シード層、３２…銅層、３６…スパッタ層、３８…ブランケット部、４０…側壁部、４２…底部、４４…側壁領域、４６…オーバーハング部、４８…アパーチャ、６０…マグネトロンアセンブリ、６２…ギア、６４…静止円形取り付け部、６６…取り付け板、６８…取り付け板、７０…駆動シャフト、７２…チャンバの中心軸、７４…駆動板、７６…アイドラギア、７８…従動ギア、８０…底板、８４…磁石アセンブリ、８８…カウンタウェイト、９０…ターゲット、９２…軌道、１００…リアクタ、１０２…チャンバ本体、１０４…モータ、１０８…絶縁装置、１１４…ポンピング部分、１１６…ガス源、１１８…マスフローコントローラ、１２０…ウエハ、１２２…ペデスタル電極、１２４…クランプリング、１２６…シールド、１３０…電源、１３２…電源、１３６…コントローラ、１５２…ターゲット層、１５４…ターゲット裏板、１５６…上カバー、１５８…絶縁装置、１６０…空洞、１６２…底部リング、１６４…フランジ、１６６…駆動シャフト、１６８…駆動シャフト、１７０…ボール軸受スリーブ、１７２…ハウジング、１７８…回転ユニオン、１８０…水ホース、１８２…リテーナーリング、１８４…クランプリング、１８６…アイドラシャフト、１８８…従動シャフト、１９２…磁石、１９４…中心軸、１９６…磁気ヨーク、１９８…環状磁極部分、２００…磁石、２０６…内極、２０８…外極、２１０…半環状成分、２１２…ギャップ、２１４…成分、２１６…ヌル、２１８…局所極大、２２０…磁石、２２２…磁石、２２４…磁石、２３４…ピーク、２３８…転移点、２４２…転移点、２５２…アダプタ、２５０…リアクタ、２５４…コイル、２５６…電源、２５８…コイル、２７４…ギア、２７６…ギア、２７８…ＡＣ源、２８０…モジュレータ、２８２…センサ、２８４…エミッタ、２９０…磁石アセンブリ、２９２…モジュレータ、３０２…従動ギア、３０４…静止ギア、３０６…アーム、３０８…カウンタウェイト、３１０…楕円形ギア、３２０…駆動板、３２２…スプリング、３４２…ベルト、３４６…従動滑車。

Claims (63)

1. マグネトロンスパッタリアクタ内で用いられる中心軸の周りにほぼ対称のスパッタリングターゲットが前記中心軸の周りにほぼ対称的に配置されて用いられるように構成された振動マグネトロンであって、
   前記中心軸に沿った第一磁極性と第一全磁気強度を持つ内部磁極と、
   前記内部磁極に囲まれ且つ前記第一磁極性と反対の第二磁極性と前記第一磁気強度の少なくとも１５０％の第二全磁気強度をもつ外部磁極と、
   を含む磁石アセンブリと、
   前記中心軸の半径方向と円周の経路に前記磁石アセンブリを移動させるとともに前記中心軸を通って前記外部磁極を移動させる走査機構と、
   を含む、前記マグネトロン。
2. 前記走査機構が、前記中心軸の周りに少なくとも一段階遊星運動で前記磁石アセンブリの点を移動させる遊星走査機構である、請求項１記載のマグネトロン。
3. 前記遊星運動が二段階遊星運動である、請求項２記載のマグネトロン。
4. 前記遊星運動が逆方向遊星運動である、請求項２記載のマグネトロン。
5. マグネトロンスパッタリアクタ内で中心軸の周りにほぼ対称のスパッタリングターゲットと用いられるように構成された振動マグネトロンであって、
   前記中心軸に沿った第一磁極性と第一全磁気強度を持つ内部磁極と、
   前記内部磁極に囲まれ、前記第一磁極性と反対の第二磁極性を持つ外部磁極と、
   を含む磁石アセンブリと、
   前記中心軸の半径方向と円周の経路に前記磁石アセンブリを移動させるとともに前記中心軸を通って前記外部磁極を移動させ、前記中心軸の周りに配置された静止ギアと、前記静止ギアの半径方向に外側に少なくとも１つの回転可能なギアを支持する第一アームを含む複数の回転可能アームと、機構を駆動させ且つ前記静止ギアを通過する前記駆動シャフトに固定された駆動シャフトとを含み、前記磁石アセンブリを支持するアームが前記従動ギアのシャフトに結合している遊星走査機構と、
   を含む、前記マグネトロン。
6. 少なくとも１つの前記回転可能なギアが、前記第一アーム上に回転可能に取り付けられ且つ前記静止ギアと係合した従動ギアを含んでいる、請求項５記載のマグネトロン。
7. 少なくとも１つの前記回転可能なギアが前記静止ギアと従動ギアとの間で係合した少なくとも１つのアイドラギアを更に含んでいる、請求項６記載のマグネトロン。
8. 前記遊星走査機構が２つの遊星ステージと３つの前記アームを含んでいる、請求項５〜７のいずれか１項に記載のマグネトロン。
9. 前記駆動シャフトを駆動する可変速度モータと、
   前記中心軸から前記磁石アセンブリの半径方向の変位に従ってその速度を変える前記モータのコントローラと、
   を更に含む、請求項５〜８のいずれか１項に記載のマグネトロン。
10. 前記ターゲットに電力を印加するための可変電源と、
    前記中心軸から前記磁石アセンブリの半径方向の変位に従って前記電力のレベルを変える前記電力を供給するためのコントローラと、
    を更に含む、請求項５〜８のいずれか１項に記載のマグネトロン。
11. 前記第二磁気強度が前記第一磁気強度の少なくとも２００％である、請求項５〜１０のいずれか１項に記載のマグネトロン。
12. 前記磁石アセンブリを取り囲んでいる面積と前記磁石アセンブリによって走査された前記ターゲットの面積との間の面積比が１０％以下である、請求項５〜１１のいずれか１項に記載のマグネトロン。
13. 前記面積比が２％未満である、請求項１２記載のマグネトロン。
14. スパッタリングターゲットと用いられるように構成された回転するマグネトロンであって、
    平面に配置された複数の対向した磁極を持つ磁石アセンブリと、
    前記平面に垂直な中心軸に沿って伸び且つ前記中心軸を通って前記磁石アセンブリの前記磁気部分を通る経路で遊星運動を行う位置に前記磁石アセンブリを取り付けている第一シャフトによって少なくとも部分的に支持され回転させる遊星機構と
    を含む、前記マグネトロン。
15. 前記遊星機構が、前記磁石アセンブリを取り付け、従動軸の周りに回転可能で、前記従動軸について前記磁石アセンブリに対向の部材の一部に取り付けられたカウンタバランスを更に取り付け、前記従動軸の周りに回転で前記磁石アセンブリを相殺する部材を含む、請求項１４記載のマグネトロン。
16. 前記遊星運動が逆方向遊星運動である、請求項１４又は１５記載のマグネトロン。
17. 前記遊星運動が、軌道成分と前記軌道成分より対向の回転方向を持つ遊星成分とを含んでいる、請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のマグネトロン。
18. それぞれの軸の周りに前記遊星回転成分と前記軌道成分との間の回転速度比が１.０３〜５の範囲内にある、請求項１７記載のマグネトロン。
19. 前記回転速度比が整数でない、請求項１８記載のマグネトロン。
20. 前記遊星機構が
    前記中心軸の周りに配置された第一ギアと、
    前記第一シャフトに固定され、それによって回転する駆動部材と、
    前記駆動部材によって回転可能に支持され且つ前記固定ギアと係合しているアイドラギアと、
    前記駆動部材によって回転可能に支持され且つ前記アイドラギアと係合している従動ギアと、
    前記従動ギアと回転し且つ前記磁石アセンブリを支持する支持板と、
    を含む、請求項１４〜１９のいずれか１項に記載のマグネトロン。
21. 前記第一ギアが回転可能である、請求項２０記載のマグネトロン。
22. 前記第一ギアが固定されている、請求項２０記載のマグネトロン。
23. 前記第一ギアの第一ギアと第二ギアと前記従動ギアとの間のギア比が１.０３より大きく、整数でない、請求項２０〜２２のいずれか１項に記載のマグネトロン。
24. 前記ギア比が１.０３〜６の範囲にある、請求項２２記載のマグネトロン。
25. 前記アイドラギアと従動ギアが前記駆動部材の第一側面上に配置され、前記支持板が前記駆動部材の第二側面上に配置される、請求項２０〜２４のいずれか１項に記載のマグネトロン。
26. 前記駆動部材上の前記支持板の回転軸について前記駆動支持板の第二側面上に配置され且つ前記磁石アセンブリを相殺するカウンタバランスを更に含んでいる、請求項２０〜２５のいずれか１項に記載のマグネトロン。
27. 前記遊星機構が
    前記中心軸の周りに配置され且つ前記中心軸に面する内部表面上に歯を持つ第一ギアと、
    前記第一シャフトに固定され、それにより回転する駆動部材と、
    前記第一ギアと係合して回転可能に支持された従動ギアと、
    前記従動ギアと回転し且つ前記磁石アセンブリを支持する支持板と、
    を含む、請求項１４〜１９のいずれか１項に記載のマグネトロン。
28. 前記第一ギアが静止している、請求項２７記載のマグネトロン。
29. 前記駆動部材上の前記支持板の回転軸について前記磁石アセンブリに対向するその側面上の前記支持板上に配置されたカウンタバランスを更に含んでいる、請求項２７又は２８記載のマグネトロン。
30. 前記遊星機構が
    前記第一シャフト上に支持されたキャプスタンと、
    前記中心軸に沿って伸びる回転シャフトと、
    前記回転シャフトに固定された駆動部材と、
    前記駆動部材によって回転可能に支持された従動滑車と、
    前記キャプスタンと前記従動滑車の周りに巻かれ係合しているベルトと、
    前記従動滑車と回転し且つ前記磁石アセンブリを支持している支持板と、
    を含む、請求項１４〜１９のいずれか１項に記載のマグネトロン。
31. 前記キャプスタンと前記従動滑車の直径の比率が１.０３より大きく、整数でない、請求項３０記載のマグネトロン。
32. 前記磁石アセンブリが、前記中心軸に沿って伸びている第一磁極性の第一磁極と前記第一磁極を囲んでいる反対の第二磁極性の第二磁極とを含む、請求項１４〜３１のいずれか１項に記載のマグネトロン。
33. 前記第一磁極と第二磁極が、前記中心軸に平行なマグネトロン軸の周りにほぼ円形に対称である、請求項３２記載のマグネトロン。
34. マグネトロンスパッタリアクタ内で中心軸の周りにほぼ対称のスパッタリングターゲットと用いられるように構成された二段階遊星マグネトロンであって、
    前記中心軸の周りに配置された第一静止ギアと、
    前記第一静止ギアを通過する駆動シャフトと、
    前記駆動シャフトに付けられた第一アームと、
    第一軸に沿って伸び且つ前記第一静止ギアとギアで係合した第一ギアシャフトを通って前記第一アーム上に回転可能に支持された第一従動ギアと、
    前記第一アーム上に固定され且つ前記第一軸の周りに配置された第二静止ギアと、
    前記第一ギアシャフトに付けられた第二アームと、
    第二軸に沿って伸び且つ前記第二静止ギアとギアで係合した第二ギアシャフトを通って前記第一アーム上に回転可能に支持された第二従動ギアと、
    前記第二ギアシャフトに付けられた第三アームと、
    前記第三アームに付けられた磁石アセンブリと、
    を含む、前記マグネトロン。
35. 前記磁石アセンブリが、
    前記中心軸に沿った第一磁極と第一全磁気強度を持つ内部磁極と、
    前記内部磁極に囲まれ且つ前記第一磁極性と反対の第二磁極性と前記第一磁気強度の少なくとも２００％である第二全磁気強度を持った外部磁極と、
    を含む、請求項３４記載のマグネトロン。
36. 前記磁石アセンブリを取り囲んでいる面積と前記磁石アセンブリによって走査された前記ターゲットの面積との面積比が１０％以下である、請求項３４又は３５記載のマグネトロン。
37. 前記面積比が２％未満である、請求項３６記載のマグネトロン。
38. 前記第一従動ギアを支持している一端に対向する前記第一アームの一端に支持された第一カウンタウェイトと、
    前記第二従動ギアを支持している一端に対向する前記第二アームの一端に支持された第二カウンタウェイトと、
    前記磁石アセンブリを支持している一端に対向する前記第三アームの一端に支持された第三カウンタウェイトと、
    を更に含む、請求項３４〜３７のいずれか１項に記載のマグネトロン。
39. マグネトロンスパッタリアクタであって、
    中心軸の周りに配置されたターゲットと、
    前記ターゲットから物質でスパッタ被覆される前記ターゲットと反対側に基板を支持するためのペデスタルと、
    前記ペデスタルに対向する前記ターゲットの側面上に位置した遊星機構であって、
    前記中心軸の周りに配置された固定された第一ホイールと、
    前記中心軸の周りに回転し且つ前記第一ホイールと係合した第二ホイールを前記第一ホイールの外側の点で回転可能に支持する第一アームと、
    前記第二ホイールに固定された第二アームと、
    前記第二アームに固定された磁石アセンブリと、
    を含む、前記プロネタリ機構と、
    を含む、前記リアクタ。
40. 前記アームが前記磁石アセンブリが前記中心軸を通過するようなサイズを持つことができる、請求項３９記載のリアクタ。
41. 前記第一ホイールと第二ホイールが相互に直接又は間接に係合したギアである、請求項３９又は４０記載のリアクタ。
42. 前記磁石アセンブリが、前記中心軸に沿って第一磁極性の内極を含み、第一全磁気強度と前記第一磁極性に対向する第二磁極性の外極を持ち、前記第一全磁気強度の少なくとも２倍の第二全磁気強度を持ち、前記内極を取り囲み、それにより前記第二極の裏面に戻る前に前記第二極が前記ペデスタルに向かって伸びている突出磁界を生じる、請求項３９〜４１記載のリアクタ。
43. 前記中心軸と同軸の少なくとも１つの磁気コイルを更に含み、前記ペデスタルに向かって伸びている前記突出磁界に平行である内径の中に磁界を与える、請求項３９〜４２のいずれか１項に記載のリアクタ。
44. 少なくとも１つの前記磁気コイルが、ターゲットと前記ペデスタルとの間に軸方向に位置した第一磁気コイルと前記ターゲットに対向の前記ペデスタルの側面に位置した第二磁気コイルを含む、請求項４３記載のリアクタ。
45. 前記第一磁気コイルの第一内径の直径が前記第二磁気コイルの第二内径の直径より大きい、請求項４４記載のリアクタ。
46. 前記第二内径の前記直径が前記基板の直径より小さい、請求項４５記載のリアクタ。
47. マグネトロンスパッタリアクタであって、
    中心軸の周りに配置されたターゲットと、
    スパッタ堆積されるべき基板を支持するために前記ターゲットと反対側にあるペデスタルと、
    前記ペデスタルと対向の前記ターゲットの側面上に前記中心軸の周りに走査可能なマグネトロンであって、
    前記ターゲットと前記ペデスタルとの間の空間に前記中心軸に沿った第一方向に沿って第一磁界を与える第一磁極性の内極、前記内径を取り囲み、前記空間に前記第一方向に対向の第二方向に沿って第二磁界を与える前記第一磁極性に対向の第二磁極性の外極、を含む、前記マグネトロンと、
    前記空間の少なくとも部分的に半径方向に外側に前記中心軸の周りに配置され、第一直径の第一内径をもつ第一電磁コイルと、前記ターゲットと対向の前記ペデスタルの側面上に前記中心軸の周りに配置され且つ第二直径の第二内径が前記第一直径より小さい第一電磁コイルと、
    を含む、前記リアクタ。
48. 前記第二直径が前記基板の直径より小さい、請求項４７記載のリアクタ。
49. 前記第一直径と前記第二直径の比が少なくとも２.０である、請求項４７記載のリアクタ。
50. 前記第一電磁コイルを出力して前記第一内径の前記第二方向に沿って第三磁界を与える第一電源と、
    前記第二電磁コイルを出力して前記第二内径の前記第二方向に沿って第四磁界を与える第二電源と、
    を更に含む、請求項４７〜４９のいずれか１項に記載のリアクタ。
51. 前記外極の全磁気強度が前記内極より大きい、請求項４７〜５０のいずれか１項に記載のリアクタ。
52. 外転円路内で前記マグネトロンの磁石アセンブリを走査するための遊星機構を更に含む、請求項４７〜５１のいずれか１項に記載のリアクタ。
53. マグネトロンスパッタリアクタであって、
    中心軸の周りに配置されたターゲットと、
    前記ターゲットを電気的にバイアスする電源と、
    前記中心軸の周りに外転円運動を実行し、前記中心軸に沿って伸びる駆動シャフトに接続された第一アームと前記第一アームによって回転可能に支持された第二アームを含む遊星機構と、
    前記駆動シャフトを駆動させるモータと、
    前記第二アーム上に固定された磁石アセンブリと、
    前記中心軸について前記磁石アセンブリの半径方向の位置を検出する位置センサと、
    前記検出した半径方向位置に従って前記モータの回転速度の少なくとも１つと前記電源の電力レベルを変えるコントローラと、
    を含む、前記リアクタ。
54. 前記コントローラが前記検出した半径方向の位置に従って前記モータの前記回転速度を変える、請求項５３記載のリアクタ。
55. 前記コントローラが、前記検出した半径方向の位置に従って前記電力レベルを変える、請求項５３又は５４記載のリアクタ。
56. スパッタリング方法であって、前記外極が前記対称の中心軸と交差する経路に沿って前記第一磁極性に対向の第二磁極性の内極を取り囲んでいる前記対称の中心軸に沿って第一磁極性の外極を含んでいる磁石アセンブリを走査することを含んでいる対称の中心軸を持つマグネトロンスパッタ反応においてスパッタリングターゲットの裏面についてマグネトロンを走査するステップを含む、前記方法。
57. 前記外極の第一全磁気強度の磁気比率が前記内極の第二全磁気強度の少なくとも１５０％である、請求項５６記載の方法。
58. 前記比率が３より大きい、請求項５７記載の方法。
59. 前記走査ステップが、少なくとも一段階遊星運動で前記磁石アセンブリを走査する、請求項５６〜５８のいずれか１項に記載の方法。
60. スパッタリング方法であって、
    対称の中心軸を持つマグネトロンスパッタ反応においてスパッタリングターゲットに電力を印加するステップと、
    前記対称の中心軸から可変分離される経路に沿って前記第一磁極性に対向の第二磁極性の内極を取り囲んでいる前記対称の中心軸に沿って第一磁極の外極を含む磁石アセンブリを移動させる工程を含む前記スパッタリングターゲットの裏面の周りの経路にマグネトロンを走査させるステップと、
    前前記印加した電力と記マグネトロンが前記経路に沿って走査されつつ前記移動速度のレベルの少なくとも１つを前記分離の関数として変化させるステップと、
    を含む、前記方法。
61. 前記変化させるステップが、前記印加電力を変える、請求項６０記載の方法。
62. 前記変化させるステップが、前記速度を制御可能に且つ選択的に変化させる、請求項６０又は６１記載の方法。
63. 前記マグネトロンが移動しつつ前記分離を検出するステップを更に含んでいる、請求項６０〜６２のいずれか１項に記載の方法。

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