KR100993590B1 - 유성 마그네트론 - Google Patents

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KR100993590B1
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일영 라차드 홍
제임스 에이치. 츄성
마이클 앤드류 밀러
다니엘 씨. 루벤
페이준 딩
니르말야 마이티
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

작은 불균형 자석 어셈블리(60)는 타겟 중심 축(72) 둘레의 궤도 회전 및 타겟 중심 축 둘레를 회전하는 또 다른 축 둘레의 유성 회전을 포함하는 플라즈마 스퍼터링되는 타겟(90)의 후방 둘레에서 바람직하게 역행하는 유성 또는 에피사이클릭 경로(92)로 스캐닝된다. 자석 어셈블리는 타겟 중심을 통과할 수 있으며, 이로써 전체 타겟 커버리지를 가능하게 한다. 기어식 유성 메커니즘은 회전하는 구동 플레이트(74), 고정된 중심 기어(62), 및 타겟과 면하는 구동 플레이트의 측부 상에서 외팔보식 자석 어셈블리(84)를 지지하는 구동 플레이트 내에서 회전가능하게 지지된 유동 기어(76)와 종동 기어(74)를 포함한다. 벨트(342)와 도르레(344,346)는 기어 대신에 사용될 수 있다. 침식 프로파일은 회전 주기에 대한 회전속도를 변화시키거나 타겟 전력을 조절함으로써 제어될 수 있다. 제 2 유성 단계(302,304,306)가 추가되거나 순환하지 않는 기어(310)가 사용될 수 있다. 챔버의 옆에 및 받침대(122) 아래에 위치한 보조 전자석 코일(254,258)은 포커싱 자기장을 형성할 수 있다.

Description

유성 마그네트론{PLANETARY MAGNETRON}
본 출원은 2003년 1월 22일자 출원된 가출원 제60/441,866호의 우선권을 주장하며, 2002년 5월 21일자 출원된 제10/152,494호의 부분 계속 출원이며, 상기 출원 명세서들은 본 명세서에 모두 참조로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 재료(material)의 스퍼터링(sputtering)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 플라즈마 스퍼터링을 향상시키기 위해 자기장을 생성하는 마그네트론(magnetron)의 스캐닝 운동(scanning motion)에 관한 것이다.
물리 기상 증착(PVD)으로 대안적으로 불리는, 스퍼터링은 반도체 집적 회로의 제작에 있어서 특히 전기 상호접속부를 형성하기 위한 금속층들 및 이와 관련된 재료들을 증착하는데 일반적으로 사용된다. 다소 오래된 집적 회로 기술은 수평 상호접속부 및 비교적 크지 않은 종횡비를 갖는 비아를 통한 금속화 레벨(metallization level) 간의 수직 상호접속부에 알루미늄을 사용한다. 이러한 어플리케이션들은 스퍼터링에 의해 용이하게 달성될 수 있는 빠른 증착 속도와 높은 균일성을 요구한다. 빠른 증착 속도는 예컨대 아르곤 같은 작용 가스가 플라즈마로 여기되는 마그네트론 플라즈마 스퍼터링에 의해 부분적으로 달성되었다. 양전하 아르곤 이온들은 음으로 바이어싱된 금속 타켓으로 끌려가고 타켓으로부터 금속 원자들을 몰아내기에(스퍼터링하기에) 충분한 에너지로 타겟을 가격하며, 이 때 금속 원자들은 타겟과 마주하여 위치한 웨이퍼(원형 기판)를 코팅한다. 스퍼터링 속도는 타겟의 전면에 평행한 자기장을 형성하도록 타겟의 후방에 자석 어셈블리를 위치시킴으로써 향상되었다. 자기장은 전자들을 가둬두고(trap) 이로써 플라즈마 밀도를 증가시켜 스퍼터링 속도를 높인다. 상업용 제조에서 가장 일반적으로 사용되는 마그네트론 타입은 밀집하여 이격된 극들을 갖는 일련의 말편자 또는 이와 유사한 자석들을 사용한다. 자석들은 밀집한 신장-모양의(kidney-shaped) 경로로 배치된다. 비록 이러한 마그네트론은 전체 면적, 즉, 외부 극의 외주에 의해 둘러싸인 면적이 매우 크더라도, 자기장은 두 개의 극들 사이의 비교적 작은 면적으로만 연장한다. 요구된 증착 균일성을 달성하기 위하여, 신장-모양의 마그네트론이 타겟의 중심을 회전한다.
더욱 개선된 집적 회로 기술은 스퍼터링에 대한 다소 상이하고 더욱 어려운 요구조건에 부응한 것이며, 스퍼터링에 있어서 중요시 된 것이 수평 상호접속부들의 증착에서부터 수직 비아들의 증착으로 바뀌었다. 개선된 집적 회로들의 고도한 복잡성은 최소 피처 크기와 피처들 간의 이격을 감소시킴으로써 상당 부분이 달성되었다. 많은 수의 소자들로 인해 유발된 복잡한 배선은 종종 레벨 간(inter-level) 유전체로 불리는 중간 유전층을 관통하여 연장하는 비아들을 이용하여 다수의 배선 레벨들을 상호접속시킴으로써 달성되었다. 도 1에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 통상적으로 실리콘 디옥사이드 또는 관련 실리케이트 유리로 형성된 하부 유전층(10)은 이의 표면에 도전성 피처(12)를 포함한다. 상부 유전층(14)은 하부 유전층 위에 증착된다. 비아 홀(16)은 도전성 피처 위에 놓인 상부 유전층(14)을 관통하여 에칭된다. 비아 홀(16)의 폭은 0.13㎛ 및 그 이하까지 요구되고 있다. 0.10㎛ 및 심지어 0.07㎛의 최소 피처 크기들도 개발 중에 있다. 그러나, 층간 유전층(14)의 두께는 혼선(cross talk)을 최소화하고 유전층 방전을 방지하기 위해 최소 두께가 대략 0.7 내지 1.0㎛로 제한될 수 있다. 그 결과, 비아 홀(16)들은 5:1 및 그 이상의 종횡비를 가질 수 있다. 스퍼터링은 기본적으로 높은 종횡비의 홀 내부로 도달하기에 적합하지 않은 일반적인 등방성 탄도(ballistic) 처리이다. 만약 종래 스퍼터링이 홀(16)을 금속으로 채우는데 사용된다면, 스퍼터링은 우선적으로 홀(16)의 상부 모퉁이들을 코팅하고 바닥이 채워지기 전에 홀을 폐쇄시킬 것이다.
더욱이, 이러한 작은 피처 크기에서는 금속과 유전체 부분들 간의 확산이 최소화되어야 한다. 그래서, 비아 홀(16) 뿐만 아니라 상부 유전층(14)의 평탄한 상부를 얇은 배리어 층(20)으로 미리 코팅하여 현저한 원자 확산을 방지하는 표준 실시(standard practice)가 개발되었다. 여러 배리어 재료들 및 화합물들이 제시되었지만, 알루미늄 금속 배선을 위한 일반적인 배리어는 Ti/TiN 이중층이고 구리 금속 배선을 위한 일반적인 배리어는 Ta/TaN이다. 이러한 목절을 달성하기 위하여, 배리어층(20)은 현저히 그리고 매우 균일하게 비아 홀(16)의 측부들을 코팅해야 하고 또한 바닥도 통상적으로 코팅해야 한다. 즉, 스퍼터링은 본래 측벽 커버리지(sidewall coverage)에 적합하지 않다.
최근에 구리 배선용 기술을 개발하기 위한 많은 연구들이 이루어졌다. 구리는 낮은 전도율과 감소된 전자 이동의 장점을 제공한다. 더구나, 구리는 전기화학 도금(ECP)을 이용하여 심지어 높은 종횡비의 홀에도 용이하게 증착될 수 있다. 그러나, 전기화학적으로 도금된 구리는 두꺼운 구리층(32)이 ECP에 의해 증착되기 전에 도 2에 도시된 것처럼 구리 시드층(30)이 유전층(14)의 상부 및 비아 홀(16)의 측벽과 하부 위로 코팅될 것을 필요로 한다. 구리 시드층(30)은 우수한 하부 및 측벽 커버리지를 필요로 한다. 구리 스퍼터링은 경제성(economy)과 우수한 막 품질로 인해 어려운 형상들에서도 선호된다.
두꺼운 ECP 구리층(32)은 이중 다마신이라 불리는 공정에서 통상적으로 수직 전기적 상호접속부 또는 비아로서 및 수평 상호접속부로서 기능하며, 이중 다마신 공정에서 트렌치는 유전층(14)의 상부에 형성되어 유전층(14)의 바닥부에 있는 다수의 비아들과 상호접속한다. 트렌치와 유전층(14)의 상부 위에서 연장하는 두꺼운 ECP 구리층(32)의 일부는 화학 기계적 연마(CMP)에 의해 제거된다. 구리 시드와 배리어 어플리케이션 모두에 대해 도시된 바와 같이, 스퍼터링은 두꺼운 도전층을 증착하는데는 거의 사용되지 않고 라이너 어플리케이션(liner application)이라 불리는 양호하지 않은 형상들에 얇은 층을 증착하는데 많이 사용된다.
배리어 층(20)과 구리 시드층(30) 모두는 종래 스퍼터링에 의해 증착될 때 도 3의 단면도에 도시된 스퍼터된 층(36)에 의해 예시된 동일한 타입의 불균일한 증착을 형성하는 경향이 있다. 유전층(14)의 상부 위의 블랭킷(blanket) 또는 필드부(38)는 측벽 부분(40)과 하부 부분(42)에 비해 비교적 두껍다. 높은 종횡비 홀(16)의 측벽 부분은 통상적으로 블랭킷 부분(38)에 비해 가장 낮은 커버리지를 나타내고 더구나 홀(16)의 바닥으로의 전기도금 전류 경로를 제공하기 위한 임계 레벨 이상으로 유지되어야 하는 최소 두께(44)로 인해 종종 어려움을 겪는다. 더욱이, 돌출부(46)는 홀(16)의 상부에서 입구 구멍(48)을 작게 형성하는 경향이 있다. 일반적으로 전기 도금은 높은 종횡비 홀(16)에 구리를 채울 때 유효하지만, 거의 등각(conformal)을 이루는 경향이 있어 홀(16)의 바닥을 완전히 채우기 전에 입구 구멍(48)이 폐쇄될 수 있다. 이로 인한 구리 내의 공극은 소자의 성능과 신뢰도에 심각한 영향을 미친다. 또한 지나치게 얇은 측벽 영역(44)은 구리 내 공극이 포함되게 한다. 더욱이, 측벽 비대칭은 최소화되어야 하는데, 이는 이하에서 설명될 것이다.
배리어 및 구리 시드층의 유효한 스퍼터링은 배리어 금속 또는 구리의 이온화된 스퍼터 금속 원자들의 비율(fraction)을 많게 하고 웨이퍼를 지지하는 받침대 전극을 RF 바이어싱함으로써 달성될 수 있다. RF 바이어스는 웨이퍼에 음의 DC 바이어스를 형성하고, 금속 이온들을 웨이퍼쪽으로 가속시킨다. 높은 진행 속도는 금속 이온들이 높은 종횡비의 홀에 깊숙히 침투할 수 있게 한다. 더구나, 높은-에너지 이온들은 노출된 돌출부(46)의 일부 재료를 에칭하는 경향이 있다.
스퍼터 작용 가스(sputter working gas)의 고밀도 플라즈마는 금속 이온화 비율을 증가시킨다. 추가의 RF 전력을 챔버에 유도 결합시킴으로써 고밀도 플라즈마를 얻기 위한 여러 제안들이 이루어졌다. 그러나, 유도 결합된 반응기들은 높은 아르곤 압력을 필요로하는 경향이 있고, 이는 고온 동작을 유발하고 웨이퍼로 가속되는 높은 에너지의 아르곤 이온에 의한 손상을 발생시킬 수 있다. 또한 금속 이온화 비율은 DC 타겟 전력을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 그러나, 개발중인 300mm 웨이퍼 기술 및 200mm 웨이퍼 기술에서도, 이러한 접근법은 필요한 전력 공급에 매우 높은 비용이 들게 한다. 또한, 타겟 온도를 제어하기 어려워지고 타겟을 냉각시키기 위한 추가의 전력을 필요로 한다.
종종 자체-이온화된 플라즈마(SIP) 스퍼터링으로 불리는 또 다른 바람직한 방법은 본 명세서에 전체가 참조로써 포함되는 푸(Fu)의 미국 특허 6,183,614에 개시되어 있으며, 이는 배리어 또는 시드 스퍼터링에 특히 유용하며, 오직 매우 얇은 층들만이 예컨대 150nm 미만의 필드 두께로 증착되고, 홀 내에 매우 얇은 측벽 두께를 형성한다. SIP 스퍼터링은 종래 저렴한 마그네트론 스퍼터 반응기 챔버의 종래 평면 타겟을 이용하여 구현될 수 있다. 대조적으로, 유도 결합 반응기는 새로운 구조의 비싼 유도성 코일을 필요로 하고, 중공 캐소드(hollow cathod) 또는 둥근 천장의 타겟 반응기들은 복잡한 모양의 비싼 타겟들을 사용한다. SIP 스퍼터링은 고밀도 플라즈마 영역을 타겟의 비교적 작은 영역 위에 밀집시키는 작지만 강한 마그네트론을 기반으로 한다. 그 결과, 대략 20 내지 40kW의 다소 크지 않은 전력 공급이 마그네트론 아래에 놓인 타겟의 일부에 매우 유효한 전력 밀도를 형성하는데 사용될 수 있다. 고밀도 플라즈마는 대략 20% 또는 그 이상으로 산정되는 금속 이온들의 높은 이온화 비율을 형성한다. 금속 이온들은 깊은 홀의 측부 코팅을 촉진시키기 위하여 받침대 전극을 RF 바이어싱 함으로써 웨이퍼로 끌려간다.
SIP 스퍼터링에 있어서, 금속 이온 밀도는 금속 이온들의 상당한 비율이 바이어싱된 타겟을 향해 거꾸로 끌려가 타겟을 다시 스퍼터링하도록 충분히 높게 상승될 수 있으며, 이로 인해 자체-이온화된 플라즈마로 불린다. 그 결과, 일단 플라즈마가 점화되면, 챔버 내의 아르곤 압력은 5 밀리토르 또는 그 미만, 종종 0.5 밀리토르 미만까지 감소될 수 있다. 압력 감소는 금속 이온들이 웨이퍼로 이동하는 도중에 산란될 가능성을 감소시킬 뿐만 아니라 웨이퍼를 가열시키는 아르곤을 감소시킨다. 금속 이온과 아르곤의 충돌은 금속 원자를 중성화시키기 쉽다. 구리 스퍼터링의 경우에, 정상적인(right) 환경하에서 아르곤은 자체-지지 스퍼터링(SSS:self-sustained sputtering)으로 불리는 공정에서 완전히 제거될 수 있다.
또한 SIP 스퍼터링은 반대 극성의 외부 극으로 둘러싸인 하나의 수직 자기 극성의 내부 극을 포함하는 불균형 마그네트론으로부터 장점을 갖는다. 외부 극의 전체 자기 세기 또는 강도, 즉 외부 극의 영역 위로 통합된 자속은 실질적으로 예컨대 적어도 1.5 배 및 바람직하게는 2 배 이상 만큼, 내부 극의 자속보다 크다. 마그네트론의 폐쇄된 모양은 타겟에 인접한 고밀도 플라즈마의 전자 손실을 감소시킨다. 불균형 자기장은 강한 외부 극에서 웨이퍼로 향하는 멀리 돌출하는 자기력선을 형성한다. 돌출하는 자기력선은 더 넓게 플라즈마를 지원하고 금속 이온들을 웨이퍼로 유도시킨다.
SIP 스퍼터링에서 적절한 레벨의 스퍼터링 불균형과 전체 타겟 침식은 타겟의 중심 둘레로 작은 마그네트론을 회전시키고 타겟의 외부가 우월하도록(favor) 마그네트론을 형성함으로써 이루어진다. 일 실시예에서, 불균형 마그네트론의 외부 극은 내부에 내부 극이 배치된 삼각형의 내부 구멍을 갖는 일반적인 삼각형 모양을 갖는다. 가장 예리한 모퉁이에 대한 꼭지점 각은 통상적으로 대략 20 내지 35°이고, 삼각형 극의 예리한 꼭지점은 회전의 중심 위에 놓이거나 인접한다. 삼각형 극의 베이스는 외주에 인접하고 타겟 원주가 뒤따르도록 굴곡될 수 있다.
비록 회전하는 삼각형 마그네트론이 평면 또는 블랭킷 증착에 대해 적절한 균일성을 제공하지만, 높은 종횡비 홀의 얇은 라이너 층을 위한 균일성은 도 3을 참조하여 부분적으로 설명한 것처럼 복잡한 조건이다. 측벽 커버리지는 비교적 높아야 하며, 큰 웨이퍼에 대해 균일해야 한다. 더구나, 하나의 측벽에서의 측벽 커버리지는 마주하는 측벽에서의 측벽 커버리지와 크게 다르지 않아야 한다. 즉, 측벽 커버리지는 웨이퍼의 모든 지점에서 대칭이어야 한다. 중성 스퍼터 입자들로 인해, 증착 균일성과 측벽 대칭은 웨이퍼의 에지 부근에서 달성하기 어려운데, 그 이유는 에지가 타겟의 내부측으로부터 주로 발생하는 일반적인 등방성 중성 자속에 우세하게 노출되기 때문이다. 불균형 삼각형 마그네트론으로부터의 돌출 자기장은 방사형 방향으로 매우 불균일하고, 이러한 불균일성은 원주 스캐닝에 의해서만 보상될 수 없다. 삼각형 구조는 그 자체가 불균일 및 깊은 홀 코팅의 많은 요소들을 최적화하는데 있어서 비교적 적은 독립 구조 파라미터들로 제한된다. 여러 타입의 보조 자석(auxiliary magnet)들이 삼각형 마그네트론의 고유 불균일 자기장을 보상하도록 제안되었지만, 이러한 구조는 그 자체로 결함을 나타낸다. 원형 마그네트론에서도 방사형 방향으로 변하는 자기장을 형성한다.
원주형으로 스캐닝된 마그네트론은 방사형 방향으로 불균일한 침식을 갖는 또 다른 문제점을 분명히 나타낸다. 이러한 문제점은 마그네트론이 종래 신장-모양의 마그네트론과 같이 비교적 큰 크기를 갖는 경우에도 발생한다. 탄탈륨과 같 은 스퍼터링 재료의 타겟 층을 가지며 인터페이스(56)를 따라 비싸지 않고 훨씬 다루기 쉬운 상이한 재료로 이루어진 후방 플레이트에 결합된 마그네트론에 있어서, 삼각형 SIP 마그네트론에 대한 초기 평면형 타겟 표면(54) 아래의 통상적인 침식 패턴(52)은 도 4에 도시되어 있다. 특유한 환형 여물통(trough)-모양의 침식 경로가 전개된다. SIP 스퍼터링에서 선호되는 작은 마크네트론의 원주형 스캐닝만을 이용하여 타겟 중심을 많이 활용하는 것은 어렵다. 비록 불균일한 침식이 큰 신장-모양의 마그네트론을 이용하여 감소되지만, 불균일한 침식은 여전히 현저한 정도까지 발생한다. 타겟의 수명은 후방 플레이트의 제 1 노출부에 의해 결정된다. 추가의 스퍼터링은 후방 플레이트의 원치않는 재료에 의해 웨이퍼를 오염시켜 타겟을 폐기시키거나 적어도 새로운 타겟 층으로 다시 닦아야 한다. 불균일한 침식은 예시된 예에서 대략 38%의 불량한 전체 타겟 활용을 발생시킨다. 알루미늄 또는 구리 스퍼터링에 통상적인 것처럼 일체형 타겟이 별개의 후방 플레이트 없이 사용되는 경우, 고려 사항이 다소 다르지만 침식 트랙으로부터 유발되는 불량한 타겟 활용은 여전히 문제이다. 과도한 비용과 타겟 재배치시 시간 지연을 방지하기 위해 더욱 균일한 스퍼터링을 달성하는 것이 매우 바람직하다.
SIP 스퍼터링에 있어서, 마그네트론의 구조는 세 개의 주요 논점에 직접 영향을 미친다: (1) 웨이퍼를 가로지르는 얇은 층의 균일한 두께 및 특히 대칭적인 측벽 커버리지; (2) 균일한 타겟 침식; 및 (3) 스퍼터링된 원자들의 이온화 비율. 세 개의 요소 모두에 대해 마그네트론 구조를 최적화시키는 것은 어렵다. 이들 논점중 일부의 최적화를 분리시키는 것이 바람직하다.
마그네트론 스퍼터링은 자기장의 모양과 세기에 대한 조건을 바꿈으로써 다양한 어플리케이션에 사용되고 있다. 이러한 변형은 상업적인 문제를 발생시킨다. 만족스러운 스퍼터링 반응기가 대부분의 이들 어플리케이션을 위해 설계되었지만, 반응기와 반응기의 마그네트론은 종종 현저히 다른 구조를 갖는다. 반응기와 마그네트론의 상이한 타입의 수가 증가하는 것은 이렇게 많은 상이한 타입의 반응기들을 설계, 분배 및 유지에 있어서 경제적으로 및 재고 관리에 부담이 된다. 따라서, 구조를 약간 바꾸거나 동작 파라미터를 조금 바꾸어 동일한 구조가 전혀 상이한 어플리케이션에 사용될 수 있도록 스퍼터 반응기 및 반응기의 마그네트론을 위한 범용적인 구조를 얻는 것이 바람직하다.
통상적으로 타겟 중심 둘레의 1차 회전 및 1차 회전의 암 단부 둘레의 2차 회전으로 이루어진 에피사이클릭(epicyclic) 패턴으로, 원형 타겟에 대하여 원주형 및 방사형 방향으로 마그네트론을 스캐닝하는 다양한 제안들이 이루어졌다. 예컨대, 프리맨(Freeman) 등의 미국 특허 4,714,536과 토머(Tomer) 등의 미국 특허 5,126,029를 참조하라. 프리맨 구조가 더 실용적으로 보이지만, 타겟 중심 부근에 또는 그 위에 마그네트론을 회전시킬 수 없다는 결함을 가지며, 과도하게 진동하는 경향이 있다. 토머의 구조는 중심을 스캐닝할 수 있지만, 고정된 내부 톱니 모양의 원주 기어가 큰 영향을 미치지 않는다. 토머의 구조는 큰 마그네트론에 의해 형성된 불균일한 침식 트랙을 매끄럽게 한다.
유성 마그네트론은 스퍼터 증착의 균일성을 증가시키고, 타겟 활용을 더욱 완전하게 하며, 플라즈마 밀도를 증가시키기 위해 플라즈마 스퍼터 반응기에 사용될 수 있다. 마그네트론은 예컨대 작은 원형 구조에 의해 높은 플라즈마 밀도를 위해 최적화될 수 있으며, 유성 운동은 균일한 막 두께 및 완전한 타겟 활용을 위해 최적화될 수 있다.
유성 메커니즘은 타겟보다 훨씬 작은 자석 어셈블리를 포함하는 마그네트론이 유성(planetary) 또는 에피사이클릭(epicyclic) 운동을 실행할 수 있게 하는데, 자석 어셈블리가 궤도 운동으로서 타겟의 중심 둘레를 회전하고 또한 타겟 중심 둘레를 회전하는 축 둘레를 유성 회전으로 회전한다. 메커니즘은 바람직하게 자석 어셈블리가 타겟의 중심 위를 스캐닝할 수 있게 한다. 이러한 운동은 바람직하게 유성 회전이 궤도 회전에 반대인 역행하는 유성 운동이지만, 순행하는 유성 운동도 대부분 동일한 결과를 제공한다.
일 실시예에서, 기어 비율 또는 다른 맞물림 비율에 의해 측정된 1.03 내지 6의 회전 비율이 바람직하지만, 정수값은 회피되어야 한다. 약 1.2 내지 약 1.66의 회전 비율과 약 2.5 내지 4.97의 회전 비율은 타겟 주변에서보다는 타겟 중심에서 매우 큰 속도를 제공한다. 바람직하게, 맞물림 비율은 매우 적은 수의 로브(lobe)를 형성하고 이로 인해 타겟 활용이 불량해지는 정수값에 너무 가깝지 않아야 한다. 기어 비율은 약분되지 않는, 즉 공통 분모를 갖지 않는 고정된 종동(follower) 기어의 톱니의 수에 기초한다. 일반적으로 이용가능한 기어로서, 이러한 조건은 두 개의 기어 중 하나의 톱니가 홀수이고 다른 기어의 톱니가 짝수이거나 두 개의 기어가 두 개의 상이한 홀수 톱니를 가짐으로써 종종 만족된다.
유성 메커니즘은 타겟의 중심 축 주위에 배치된 내부 기어, 상기 축을 따라 연장하고 구동 플레이트를 회전시키는 회전 구동 샤프트, 상기 구동 플레이트 상에 지지되고 내부 기어와 맞물리는 유동(idler) 기어, 및 구동 플레이트 상에서 지지되고 유동 기어와 맞물리는 종동 기어를 구비하는 기어식 메커니즘을 포함할 수 있다. 구동 플레이트와 타겟 사이에 위치한 하부 플레이트는 종동 기어의 샤프트에 고정되고 샤프트와 함께 회전한다. 자석 어셈블리는 타겟의 후방에 인접한 하부 플레이트의 일 단부로부터 의존하며 역행하는 유성 운동을 실행한다. 기어식 유성 메커니즘의 다른 특징은 벨트식 유성 메커니즘에 적용될 수 있다.
내부 기어는 고정될 수 있으며, 이 경우 종동 기어와 고정된 내부 기어 사이의 기어 비율은 종동 기어와 부착된 자석 어셈블리 및 구동 플레이트 사이의 회전 비율, 즉 유성 및 궤도 회전 속도(rate)의 비율을 결정한다. 타겟 중심과 타겟 주변에서의 자석 어셈블리 속도의 비율은 기어 비율에 의해 결정되고 추가로 타겟 중심부터 종동 기어까지 및 종동 기어로부터 자석 어셈블리까지의 회전 암들의 비율에 의해 결정된다.
바람직하게, 제 1 평형추는 종동 기어와 마주하는 구동 플레이트의 단부 상에서 지지되고, 제 2 평형추는 자석 어셈블리와 마주하는 하부 플레이트의 단부 상에서 지지된다.
내부 기어는 선택적으로 제 2 회전 샤프트에 의해 회전될 수 있다.
타겟 침식의 프로파일은 유성 메커니즘의 회전 속도를 조절하거나, 회전 위치 특히, 타겟 상의 자석 어셈블리의 방사상 위치의 함수로서 타겟 전력을 조절함으로써 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 마그네트론이 타겟 중심 부근에 있을 때 회전 속도가 증가되거나 타겟 전력이 감소된다. 자석 어셈블리 상에 부분적으로 배치된 위치 센서는 회전 또는 전력 조절을 자석 어셈블리의 방사상 위치와 동조시키는데 사용될 수 있다.
유성 메커니즘은 최적화된 스퍼터링 패턴을 위해 선택된 세 개의 암 길이와 두 개의 기어 비율을 갖는 두 개의 유성 단계(stage)를 포함할 수 있다. 선택적으로 기어식 유성 메커니즘은 구동 플레이트 상에서 회전하는 종동 기어와 맞물리는 내부로 돌출한 톱니를 갖는 고정된 외부 기어에 의해 구현될 수 있다. 유동 기어는 필요하지 않다.
그 대신에 유성 메커니즘은 중심 축 부근의 캡스턴(capstan), 축을 따라 연장하고 구동 플레이트를 회전시키는 회전 구동 샤프트, 구동 플레이트 상에서 지지되는 종동 도르래 및 캡스턴과 종동 도르레 둘레를 감은 벨트를 구비하는 벨트식 메커니즘을 포함할 수 있다. 구동 플레이트 아래에 위치한 하부 플레이트와 부착된 마그네트론은 종동 도르레의 샤프트에 고정되고 종동 도르래와 함께 회전한다. 캡스턴은 별개의 구동 샤프트에 의해 고정되거나 회전할 수 있다.
바람직하게, 타겟 면적의 10%보다 크지 않게 스캐닝되는 작은 자석 어셈블리는 반대 극성의 강한 외부 극에 의해 둘러싸인 중심 타겟 축을 따라 하나의 극성의 약한 내부 극을 갖는 불균형 마그네트론일 수 있다. 두 개의 극의 통합된 자속 비율은 바람직하게 적어도 1.5이고 바람직하게 적어도 2이다. 깊은 홀 충전에 있어서, 자속 비율은 3 또는 5 또는 그 이상까지도 증가될 수 있다. 별도의 자속은 밀 집한 원통형 자석의 다수의 가로열에 의해 또는 다수의 활-모양의 세그먼트로 형성된 자석 고리띠(annulus)에 의해 제공될 수 있다. 작은 자석 어셈블리는 선택적으로 소정의 갭만큼 분리된 동일한 세기의 내부 및 외부의 반대된 밴드-모양 극을 갖는 균형 마그네트론일 수 있다. 이 경우에도, 자석 어셈블리는 원형으로 대칭이거나 또 다른 모양일 수 있다.
불균형 마그네트론에 있어서, 동일축의 보조 전자석이 사용될 수 있는데, 보조 전자석은 바람직하게 강한 외부 마그네트론 극에 의해 형성된 자기장에 평행하게 (비평행이 아닌) 자신의 보어(bore) 내에 자기장을 형성하도록 전력이 제공되어, 기판으로 돌출하는 자기장을 형성한다. 동일축의 전자석은 타겟과 기판 사이의 처리 공간 주위에 또는 기판의 후방에 위치할 수 있다. 후방 전자석의 보어는 기판의 직경보다 작을 수 있다. 만약 두 개의 전자석 모두가 사용된다면, 옆에 있는 전자석은 적어도 1.5의 비율 또는 바람직하게는 2의 비율로 후방의 전자석 보다 크다.
도 1과 2는 본 발명의 스퍼터링 장치가 적용될 수 있는 집적 회로 비아 구조물의 단면도이다.
도 3은 통상적인 타입의 스퍼터 증착의 불균일을 도시하는 비아 구조물의 단면도이다.
도 4는 스퍼터링 타겟의 방사형 침식 패턴을 나타낸 것이다.
도 5는 기어식 유성 마그네트론의 등각도이다.
도 6은 도 5의 유성 마그네트론의 평면도이다.
도 7과 8은 유성 운동 상태에서 자석 어셈블리의 경로를 나타낸 것이다.
도 9는 도 5와 6의 유성 마그네트론을 포함하는 스퍼터 반응기의 단면도이다.
도 10은 도 9의 스퍼터 반응기에 사용된 마그네트론 어셈블리의 단면도이다.
도 11은 불균형 원형 대칭 자석 어셈블리의 단면도이다.
도 12는 도 11에서 선 12-12를 따라 절취한 자석 어셈블리의 저면도이다.
도 13은 불균형 원형 마그네트론에 의해 형성된 자기장 분포의 개략도이다.
도 14와 15는 두 개의 선택적인 원형 대칭 자석 어셈블리의 저면도이다.
도 16은 세 개 타입의 마그네트론에 의해 형성된 전기적 특성을 나타낸 것이다.
도 17은 일 단계 유성 운동에 대한 시간 함수로서 계산된 방사상 위치를 나타낸 것이다.
도 18은 일 단계 유성 운동에 대한 시간 함수로서 계산된 속도의 제곱을 나타낸 것이다.
도 19는 시간 함수로서 계산된 유성 방사상 위치와 원하는 위치를 도 17에 기초하여 나타낸 것이다.
도 20은 일 단계 유성 운동과 두 개 비율의 암 길이에 대한 반경 대 계산된 방사상 속도의 제곱을 나타낸 것이다.
도 21은 도 20의 방사상 속도의 제곱에 대한 역함수를 나타낸 것이다.
도 22는 유성 마그네트론과 동일축의 보조 코일을 포함하는 스퍼터 반응기의 개략적인 측면도이다.
도 23은 도 22의 스퍼터 반응기에서 형성된 자기장의 개략도이다.
도 24는 회전 주파수의 변조를 포함하는 유성 마그네트론 어셈블리의 개략적인 측면도이다.
도 25는 타겟 전력의 조절을 포함하는 유성 마그네트론 어셈블리의 개략적인 측면도이다.
도 26은 이 단계 유성 스캐닝 마그네트론의 평면도이다.
도 27은 도 26의 스캐닝 마그네트론의 정면도이다.
도 28은 편심(eccentric) 기어를 포함하는 스캐닝 마그네트론 어셈블리의 부분을 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 29는 오프셋 유동 기어를 갖는 스캐닝 마그네트론 어셈블리의 부분을 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 30은 또 다른 타입의 기어식 유성 메커니즘의 평면도이다.
도 31은 벨트식 유성 마그네트론 어셈블리의 개략적인 평면도이다.
도 32는 좁은 갭을 갖는 균일한 원형 자석 어셈블리의 저면도이다.
본 발명의 이론적인 일 실시예는 유성 메커니즘, 예를 들어 일 단계 유성 기어 시스템을 기반으로 함으로써, 작은 원형 대칭형 마그네트론이 스퍼터링 타겟을 완전히 커버할 수 있도록 한다. 유성 메커니즘은 그 자신의 극 축을 중심으로 유성 회전을 수행하는 동시에, 태양 궤도를 도는 행성의 표면상의 어떤 지점의 유성 운동과 유사한 유성 운동을 형성한다. 선택적으로, 태양 궤도를 도는 동시에 행성의 궤도를 도는 위성의 운동처럼 보일 수 있다. 이러한 실시예의 마그네트론에서, 위성의 궤도 축은 유성의 궤도 축으로부터 평행하게 변위되고, 상기 궤도는 상기 궤도 축에 대해 원형이다. 마그네트론의 자석 어셈블리는 유성 축으로부터 변위되고 회전하며, 상기 유성 축은 상기 궤도 축에 대해 궤도를 돌거나 회전함으로써, 제 2 유성 암의 단부에서 고정된 마그네트론에 대한 복합 궤적을 형성할 수 있다. 역행 유성 운동에서, 유성 회전 방향은 궤도 회전 방향과 반대이다.
도 5의 등각도에 도시된 기어의 일 실시예에서, 마그네트론 어셈블리(60)는 2개의 장착 플레이트들(66, 68)을 통해 마그네트론 하우징의 상부 벽(미도시)에 부착되는 고정 원형 장착부(64)에 고정된 고정 기어(62)를 포함한다. 모터 구동 샤프트(70)는 고정 기어(62)와 함께 중앙의 챔버 축(72)을 따라 동축이고, 그 아래에서 부착된 메인 캐리어 또는 구동 플레이트(74)를 지지하도록 고정 기어(62)를 자유롭게 관통함으로써, 고정 기어(62)의 중심에 대해 회전할 수 있고 유성 구동기로서 작용할 수 있다. 중심 또는 유동 기어(76)는 구동 플레이트(74)상에 자유롭게 회전가능하게 지지되지만, 그 톱니는 고정 기어(62)의 톱니와 맞물린다. 이와 유사하게, 회전 또는 종동 기어(78)는 구동 플레이트(74) 상에 자유롭게 회전가능하게 지지되고, 그 톱니는 유동 기어(76)의 톱니와 맞물린다. 결과적으로, 도 6의 상면도에서도 도시된 것처럼, 모터 구동 샤프트(70)가 회전하여 구동 플레이트(74)를 구동함에 따라, 이이들 기어(76)과 종동 기어(78)는 중심 축(72)에 대해, 예를 들어 반시계 방향으로 회전하고, 유동 기어(76)는 그 자신의 축에 대해 반시계 방향으로 회전한다. 동시에, 종동 기어(78)는 반대(시계) 방향으로 그 자신의 축에 대해 회전한다.
종동 기어(78)는 구동 플레이트(74) 아래에 위치되는 하부 플레이트(80)에 고정 지지됨으로써, 하부 플레이트(80)는 종동 기어(78)와 함께 회전한다. 정지된 외팔보식 설계 때문에, 하부 플레이트(80)는 중심 축(72)을 통해 회전할 수 있다. 자석 어셈블리(84)는 하부 플레이트(80)의 일 단부 아래에서 지지되고, 자석 평형추(86)는 하부 플레이트(80)의 타단부 아래에서 지지된다. 다른 평형추(88)는 구동 플레이트(74)의 타단부에 부착된다. 비록 암 길이들이 암의 회전 중심에서 외부 지지 포인트들로 측정되지만, 구동 플레이트(74)와 하부 플레이트(80)는 암으로서 선택적으로 지칭된다. 평형추들(86, 88)은 원형 대칭 형상의 일체형 몸체들로서 구현되는 것이 가장 바람직하다. 이러한 기어 장치는 구동 플레이트(74)를 따라 연장되는 길이(A1)의 회전의 1차 암, 및 하부 플레이트(80)를 통해 연장되는 길이(A2)의 회전의 2차 암과 함께, 자석 어셈블리(84)가 에피사이클릭 또는 유성 운동을 수행하도록 한다. 도 6을 참조하면, 유성 메커니즘은 중심 축(72)에 대해 원형으로 대칭인 훨씬 더 넓은 타겟(90)의 실질적으로 사용가능한 전체 표면에 비해 상대적으로 작은 자석 어셈블리(84)를 스위핑(sweep)한다.
이중 평형추는 회전 어셈블리의 저면에 기계적인 지지체가 없음에도 불구하 고 복합 운동으로 마그네트론의 진동을 최소화한다. 바람직하게는, 자석 어셈블리(84) 및 그 평형추(86)는 동일한 질량을 갖고 종동 기어(78)의 중심에 대해 동일한 회전 암들을 갖는다. 유사하게, 1차 평형추(88)는 동일한 질량을 갖고, 중심 축(72)에 대해 평형한 전체 어셈블리와 동일한 회전 암을 갖는다. 균형이 맞는 질량과 관성 모멘트는 서로 90% 이내, 바람직하게는 95% 이내에 있어야 한다.
도 6의 평면도에 도시된 것처럼, 유성 운동은 중심 축(72)에 대해 구동 플레이트(74)의 반시계방향 회전을 포함한다. 구동 플레이트(74)에 의해 수행되는 유동 및 종동 기어들(76, 78)은 또한 중심 축(72)에 대해 회전하고, 그 자신의 축들에 대해 부가적으로 회전하며, 유동 기어(76)는 반시계방향으로 부가적으로 회전하고, 종동 기어(80)는 시계방향으로 부가적으로 회전한다. 종동 기어(78)에 고정된 하부 플레이트(80)상에 적재되는 자석 어셈블리(84)는 중심 축(72)에 대해 반시계방향 궤도 회전으로 회전하고, 부가적으로 종동 기어(78)의 축에 대해 시계방향 유성 회전을 수행한다. 자석 어셈블리의 2개의 대향되는 회전 방향들은 역행 유성 운동이라 불린다. 종동 기어(78)의 회전 속도는 고정 및 종동 기어들(62, 78) 사이의 기어 비율(RG)에 따른 구동 샤프트(70)의 회전 속도에 직접적으로 관련된다. 간략히 도시된 기어 유성 시스템에 대해, 기어 비율(G)은 종동 및 고정 기어들(78, 72)의 직경 비와 동일하다:
Figure 112004054183290-pct00001
기어 비율은 보다 기본적으로 기어 톱니의 개수 비율에 의해 결정된다:
Figure 112004054183290-pct00002
상기 두 방정식들은 각각 원둘레를 따라 공간적으로 동일하게 분리된 2개의 기어들(72, 78)의 톱니의 통상적인 상황들과 동일하다. 이러한 방정식들은 기어 비(G)의 부호를 고려하지 않고, 즉 기어 장치가 순방향 또는 역방향 운동을 형성하는지를 고려하지 않는다. 하나 이상의 유동 기어들은 고정 및 종동 기어들(72, 78) 사이에 삽입될 수 있다. 각각의 유동 기어가 동일한 개수의 톱니를 갖는 2개의 인접 기어들과 맞물리면, 기어 비율은 영향을 받지 않는다. 그러나, 유동 기어가 서로 다른 직경들의 2개의 동축 기어 부분들을 포함하면, 이러한 비율은 전체 기어 비율에 영향을 줄 것이다. 더욱 복잡한 기어 장치들에 대한 기어 비율들을 계산하는 방법은 공지되어 있다.
유성 기어 시스템은 서로 다른 동작 결과들을 달성하기 위해 가변될 수 있다. 그러나, 예를 들어, 유성 운동이 역행하고 종동 및 고정 기어들 사이의 기어 비율이 정수가 아닌 0.66 내지 4의 비율로서, 마그네트론의 2개의 암들이 대략 동일한 길이들을 가질 때 원형 대칭 마그네트론 경우에 있어서 우세한 결과들이 달성될 수 있다는 것이 발견된다. 타겟 반경의 약 절반과 각각 거의 동일한 암 길이들로 인해, 원형 마그네트론이 타겟(90)의 둘레로부터 그 중심 및 중심(72)의 상부로 스위핑할 수 있기 때문에, 전체 타겟을 커버할 수 있다. 2 이상의 기어 비율은 도 7에 도시된 밀착 경로(92)를 형성하고, 상기 도 7에서 마름모꼴 기호는 시간 간격들이 동일하고 자석 어셈블리(84)의 중심을 나타낸다. 이러한 경로(92)는 1:3.15의 기어 비율, 1차 암의 0.8인 유성 암, 및 종동 기어의 역회전, 즉 역행하는 유성 운동에 대해 계산된다.
경로(92)가 적당한 크기의 자석 어셈블리(84)의 중심에 있다고 가정되기 때문에, 자석 어셈블리의 자기 부분들은 타겟 중심(72) 근처 또는 가능하면 상부에 있을 수 있다. 도 5 및 도 6의 자석 어셈블리의 완전한 평형을 통해 중심 지지체 포스트를 제거할 수 있고, 프리만(Freeman) 구조에서 타겟 중심의 오버 스캐닝을 방지할 수 있다. 일반적으로, 본 발명에서 구동 플레이트의 단일 회전에 대해 약 3개인 로브(lobe)들의 개수는 순방향 또는 역방향 유성 운동에 대한 기어 비율과 대략적으로 동일하다. 그러나, 기어 비율이 정수 값이 아니면, 패턴은 도시된 상대적으로 짧은 주기들 동안에는 겹쳐지지(replicate) 않는다. 대신, 로브들은 타겟(90)을 더욱 균일하게 커버하도록 전진한다.
기어 비율이 단위(unity)에 상대적으로 근접하면, 역행 운동의 경로는 오프셋 중심에 대해 일반적으로 원형이지만, 원형 패턴은 비-단위(non-unity) 값들에 대해 전진한다. 한편, 순방향 운동의 해당 경로는 중심에서 제로에 근접하는 속도를 갖는 심장형(cardioid)이다.
구동 샤프트의 단일 회전에 대한 경로(92)는 도 7에 도시되고, 60rpm의 샤프트 회전 동안 약 1s를 나타낸다. 도 8에 도시된 경로(90)는 6s 이상으로 연장된다. 약 10s 스캐닝은 타겟의 전체 커버리지를 제공하고 전체 커버리지 주기를 나타낸다는 것을 알 수 있다. 스퍼터링 시간은 이상적으로 전체 커버리지 주기이어야 하지만, 도시된 경우의 10s, 또는 일련의 완전한 스캐닝들 사이의 불-균일한 오버랩을 피하기 위해 그 정수배로서, 거의 정수 기어 비율을 갖는 역행하는 유성 운동에 대한 스퍼터링 패턴은 거의 다수배의 방위각(azimuthal) 대칭성을 가지기 때문에, 현저하게 큰 행정(throw) 길이에 대한 방위각 불-균일성은 통상적으로 큰 문제가 아니다. 이하에서 전개되는 방정식들로부터, 세차(precession)가 없기 때문에 원치 않는 정수값들을 갖는 1 내지 6, 바람직하게는 1.5 내지 5 범위로 바람직한 속도 차이들이 달성될 수 있다. 순방향 유성 운동은 서로 다른 형상의 경로를 갖고 일반적으로 고정된 좌표들에 대해 속도가 더 크게 가변되는, 거의 동일한 침식 패턴을 형성한다.
막 증착 균일성은 궤적(92) 자체가 대략적으로 반복되는 시간 주기 및 타겟의 침식을 감소시킴으로써 개선된다. 침식 비-균일성은 궤적(92)에서 로브들의 개수 및 오버랩을 최대화함으로써 개선된다. 이것은 고정 및 종동 기어들(62, 78)에서 톱니의 개수들(N1, N2)을 일치되지 않게, 즉 공통 인자들을 포함하지 않도록 충분하게 함으로써 용이하게 달성될 수 있다. 예를 들어, 25:22의 기어 비율은 24:22의 기어 비율보다 우수하다. 테스트가 수행되는 기어 비율들의 하나의 세트는 25:22=1.59의 기어 비율로서, 결과적으로 22s의 반복 주기를 갖는다. 많은 유용한 실제적인 기어 비율들은 16 내지 80의 톱니 개수를 갖고, 이러한 요구사항은 짝수 및 홀수개의 톱니 또는 2개의 상이한 홀수개의 톱니를 발생시킨다.
궤적(92)의 로브들이 너무 좁지 않고 너무 인접하여 이격되지 않는다면 짧고 가변하는 스퍼터링 주기들에 대해 균일성이 개선될 수도 있다. 이러한 조건은 기어 비율(G)이 정수가 아니고 정수에 근접하지도 않을 경우 충족되는 것으로서, 예를 들어, 3.1 내지 3.9 또는 3.2 내지 3.8과 같이, G가 적어도 0.1 단위, 바람직하게는 적어도 0.2 단위의 임의의 정수로 달라지는 경우 충족된다. 그러나, 현저하게 큰 개수의 기어 톱니를 위해 바람직한 비일치 기어 비율들 때문에, 예를 들어 3-1/2, 3-1/3, 및 3-2/3 등과 같이, 정확히 절반의 정수 값들, 3 또는 2/3의 정수 값들은 피해야 한다.
평형추들과 고정 지지체 구조물이 없는, 도 9에 개략적으로 도시된 마그네트론(60)은 중심 축(72) 주위에 배치되는 챔버 몸체(102)를 갖는 극히 통상적인 플라즈마 스퍼터링 반응기(100)에서 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 샤프트(70)에 연결된 모터(104)는 약 100rpm과 같은 일정한 회전 속도로 중심 축(72)에 대해 유성 마그네트론(60)을 회전시킨다.
금속 타겟(90)은 환형 절연체(108)를 통해 챔버 몸체(102)에 밀봉되는 어댑터(110)에 진공 밀봉되고, 타겟과 웨이퍼 사이의 간격 조절을 용이하게 할 수 있도록 한다. 진공 펌프(112)는 펌핑 포트(114)를 통해 챔버(102)의 내부를 펌핑한다. 가스 소스(116)는 질량 흐름 제어기(118)를 통해 아르곤과 같은 스퍼터링 작용 가스를 챔버(102)로 제공한다. 예를 들어, 금속 질화물의 반응성 스퍼터링을 원한다면, 질소와 같은 반응성 가스도 공급된다.
웨이퍼(120)는 타겟(90)과 반대 방향으로 받침대 전극(122)상에 지지된다. 웨이퍼 클램프 링(124)은 받침대(122)에 웨이퍼(120)를 고정하거나 받침대 둘레를 보호하는데 사용될 수 있다. 현대화된 반응기들은 받침대(122)의 웨이퍼(120)로의 정전기 척들을 사용한다. 어댑터(110)상에 지지되는 전기적으로 접지된 밀봉부(126)는 스퍼터링 증착으로부터 챔버 벽들과 받침대의 측면들을 보호하고, 플라즈마 방전시 애노드로서 작용한다. 작용 가스는 갭(128)을 통해 클램프 링(124)과 밀봉부(126) 사이의 메인 처리 영역에 들어온다. 다른 밀봉부 구성들은 1차 밀봉부(126) 내부의 전기적으로 플로팅된 밀봉부, 및 처리 영역으로 가스 흐름을 촉진하기 위해 2차 밀봉부에 의해 보호되는 1차 밀봉부(126)의 부분들을 통과하는 천공들을 포함할 수 있다.
DC 전력 공급기(130)는 접지된 밀봉부(126)에 대해 타겟(90)을 음으로 바이어스시키고, 아르곤 작용 가스가 플라즈마로 방출되도록 한다. 양전하 아르곤 이온들은 타겟(90)으로부터 금속을 스퍼터링하기에 충분한 에너지로 타겟(90)에 부착되고, 스퍼터링된 금속은 웨이퍼(120)의 표면상에 증착되어 코팅된다. 바람직하게는, 깊은 홀 충전을 위해, RF 전력 공급기(132)는 고대역 필터로서 작용하는 용량성 커플링 회로(134)를 통해 받침대 전극(162)에 연결되어, 웨이퍼(120)상에 음의 DC 셀프 바이어스를 생성한다. 셀프 바이어스는 높은 종횡비 홀들에 보다 용이하게 진입하도록 직교 궤적들로 웨이퍼(160)를 향해 양의 금속 이온들을 가속시키는데 효과적이다. 셀프 바이어스는 또한 이온들에 높은 에너지를 전달하고, 웨이퍼(120)의 스퍼터링 증착 및 스퍼터링 에칭을 구별하도록 제어될 수 있다. 제어기(136)는 원하는 스퍼터링 조건들에 따라 진공 펌프(112), 아르곤 질량 흐름 제어기(118), 및 전력 공급기들(130, 132)을 제어한다.
마그네트론(60)은 원형 자석 어셈블리(84)의 전이 위치 하부에 놓이는 타겟(90)의 면에 평행한 자기장 성분을 생성하고, 이에 따라 타겟(90)의 인접 부분에서 높은 스퍼터링 속도와 높은 금속 이온화 부분을 형성하는 고밀도 플라즈마의 작은 영역(138)을 생성할 수 있다. 불균형 자석 어셈블리(84)는 또한 타겟(90)에서 웨이퍼(120)를 향해 돌출되고 금속 이온들을 웨이퍼(120)로 유도하는 자기장 성분들을 생성한다. 원형 대칭 자석 어셈블리(84)는 평행하고 돌출된 자기장 성분들을 위해 원형의 대칭성 자기장 분포를 생성한다.
자석 어셈블리(84)는 타겟(90)의 중심과 일치하는 중심 축(72)에 대해 유성 운동을 수행한다. 또한, 도 5 및 도 6을 참조로, 구동 샤프트(70)는 중심 축(72)에 대해 궤도 운동하는 캐리어 또는 구동 플레이트(74)를 회전 구동시키도록 중심 축(72)을 따라 연장되어 중심 축(72)에 대해 회전한다. 고정 기어(62)와 맞물리는(그 지지체 구조는 도 6에 도시되지 않음) 유동 기어(76), 및 유동 기어(76)와 맞물리는 종동 기어(78)는 그 각각의 축들에 대해 회전하도록 궤도를 도는 구동 플레이트(74)상에 회전가능하게 지지된다. 일측상에서 자석 어셈블리(84)를 지지하는 하부 플레이트(80)는 종동 기어 축에 대해 종동 기어(78)에 의해 회전된다.
따라서, 자석 어셈블리(84)는 타겟 둘레 뿐만 아니라 타겟(90)의 중심 근처에서 임의로 또는 그 상부에서 스위핑할 수 있는 자석 크기 및 암 길이들의 적절한 선택에 의해 설계될 수 있는 유성 운동을 수행한다. 전체 커버리지는 구동 샤프트(70)로부터 2개의 플레이트들(74, 80)을 외팔보식으로 형성함으로써 달성된다. 도 5의 2개의 평형추들(86, 88)은 과도한 진동 없이 편심 및 외팔보식 운동을 가능하게 한다. 그러나, 자석 어셈블리(84)의 자기적으로 강한 부분들은 통상 과도한 중심 침식을 형성하기 때문에 중심 축(72)을 관통하지 않는 것이 바람직하다. 그럼에도 불구하고, 자석 어셈블리(84)의 기계적인 부분들은 타겟 중심(72)을 관통할 필요가 있을 수 있고, 통상 원하는 그레이징(grazing) 궤적은 타겟을 향하는 그 측면상에 회전 마그네트론에 대한 큰 기계적 지지를 방해한다.
마그네트론 어셈블리(150)의 보다 상세한 단면도는 도 10에 도시된다. 타겟(90)은 타겟 후면 플레이트(154)에 부착되어 스퍼터링되는 재료의 타겟 층(152)을 포함한다. DC 마그네트론 스퍼터링에서, 타겟 재료는 전기적으로 바이어스될 수 있도록 통상 금속성이다. 상부 커버(156)는 관형 절연체(158)를 통해 타겟 후면 플레이트(154)에 고정되고, 수냉식 마그네트론이 회전하는 캐비티(160)를 둘러싸고 밀봉한다. 절연체(158)는 타겟(90)이 전기적으로 바이어스되도록 하고, 상부 커버(156)와 이에 부착된 마그네트론 엘리먼트들이 안전상의 이유로 접지된다.
타겟(90)과 대향하는 마그네트론(150)의 측면상에서, 하부 링(162)과 장착 플랜지(164)가 상부 커버(156)의 대향 측면들에 고정되고, 중심 보어(168)과 함께 회전가능한 구동 샤프트(166)가 이들을 관통한다. 볼-베어링 슬리브(170)는 장착 플랜지(164)에 고정된 컵 하우징(172) 내부의 구동 샤프트(166)를 회전가능하게 지지한다. 구동 벨(drive bell)(174)은 리테이너 너트들(176) 사이의 구동 샤프트(168)에 고정되고, 구동 샤프트(166)를 회전시키기 위해 미도시된 기어들과 모터에 의해 회전된다. 회전 유니온(178)은 구동 샤프트(166)의 상부 상에 회전가능하게 고정되어, 냉각수 또는 다른 유체가 워터 호스(180)를 통해 샤프트 보어(168)로 흘 러서, 캐비티(160)로 흐르도록 한다. 미도시된 워터 출구는 상부 커버(160)를 관통하여 냉각수가 순환할 수 있도록 한다. 구동 샤프트(168)와 장착 플랜지(164) 사이의 회전 리테이너 링(182)은 캐비티(160)내에서 냉각수를 밀봉한다.
미도시된 스크류들은 고정 기어(62)를 하부 링(162)에 부착시킴으로써, 상부 커버(156)에 부착될 수 있다. 클램프 링(184)은 구동 샤프트(168)의 저면에 클램핑되고 구동 샤프트(74)에 고정된다. 메인 평형추(88)는 구동 플레이트(74)의 제 1 단부상에 지지된다. 유동 기어(76)는 구동 플레이트(74)의 제 2 단부에 회전가능하게 지지되는 유동 샤프트(186)에 고정된다. 교차하는 톱니의 각 세트들은 고정 및 유동 기어들(62, 76)과 함께 맞물린다. 유사하게, 종동 기어(78)는 구동 플레이트(74)의 제 2 단부상에서 더 멀리 회전가능하게 지지되는 종동 샤프트(188)에 고정되고, 교차하는 톱니는 유동 및 종동 기어들(76, 78)과 함께 맞물린다. 하부 플레이트(80)는 구동 플레이트(74) 아래의 종동 샤프트(188)의 단부에 고정되고, 종동 기어(78)의 유성 운동으로 회전한다.
자석 어셈블리(84)는 도 11의 단면도 및 도 12의 저면도에서 보다 명확하게 도시된 것처럼, 원형으로 대칭적일 수 있다. 바람직하게는, 스캐닝되는 타겟 면적의 10% 이하, 더욱 바람직하게는 5% 미만의 총 면적을 갖는다. 2% 미만의 면적 비율을 갖는 자석 어셈블리는 유성 마그네트론에서 현저하게 양호한 균일성을 입증했다. 다른 외팔보식 고려사항들이 있을 수 있지만, 원형 자석 어셈블리는 주어진 크기와 형태의 자기 재료에 대한 자기장 세기를 최대화한다.
원통형 축들을 따라 제 1 자기 극성의 많은 원통형 외부 자석들(192)은 자기 중심 축(194)에 대해 원형 패턴으로 배치된다. 이들은 예를 들어, 자기적 연성 스테인레스 강으로 이루어지고, 중심 지지 포인트에서 유성 하부 플레이트(80)의 저면에 교대로 고정되는, 원형 자기 요크(magnetic yoke)(196)에 의해 지지된다. 외부 자석들(192)의 저면의 개방 단부들은 환형 자기 극 피스(198)에 의해 커버되고 자기적으로 결합된다. 자기적 반대 극성의 원통형 내부 자석(200)은 외부 자석들(192)의 원형 어레이의 중심에 위치되고, 자기 요크(196)에 의해 지지되며, 또한 내부 자석(200)을 외부 자석들(192)에 자기적으로 결합시킨다. 내부 자석(200)의 하부 단부는 필수적이진 않지만 원형 극 피스(202)에 의해 커버되는 것이 바람직하다. 자석들은 자기 요크(196)와 극 피스들(198, 202)에서 홀들에 의해 캡쳐되는 단부 팁들을 갖는 스테인레스 강으로 통상 캡슐화된다. 미도시된 스크류들은 삽입된 자석들(198, 200)과 함께 극 피스들(198, 202)을 요크(196)에 고정시킨다. 결합된 외부 자석들(192)의 총 자기 세기는 적어도 1.5 배수만큼, 바람직하게는 2배 이상만큼 내부 자석(200)의 총 자기 세기보다 더 크므로, 자석 어셈블리(84)가 불균형하게 된다. 동일한 자기 재료가 모든 자석들에 사용되면, 표면 면적에 대해 적분된 자속으로서 총 자기 세기는 외부 자석들(202) 또는 내부 자석(200)의 총 횡단면적에 비례한다. 내부 자석(200)은 공통 중심 극 피스(202)와 함께 다수의 원통형 자석들로 세분화될 수 있다. 이러한 구성은 더 낮은 패킹 요소 때문에 적은 자기 세기를 제공하지만, 이러한 손실은 불균형화된 마그네트론의 더 약한 내부 극에 대해 치명적이지 않다.
자석 어셈블리(84)의 폭은 전체 타겟 커버리지를 결정하는데 고려되어야 한 다. 전체 커버리지를 위한 하나의 조건은,
Figure 112004054183290-pct00003
이고,
양호하지만 측정가능하지 않은 반경은 이하에서 기술되는 토로이드(toroidal) 자기 성분의 반경이긴 하지만, 여기서 DM은 중심(194)에 대한 자석 어셈블리(84)의 외부 자기 부분들의 직경, 즉 외부 극 피스(198)들의 둘러싸는 직경이다. 그러나, 실험에 의해 확인된 유한 마그네트론 직경들의 실제적인 모델링의 일반적인 결과는 타겟 중심이 오버 스퍼터링되는 것이다. 따라서, 전체적으로 균일한 타겟 침식을 위해, 마그네트론의 에지는 타겟 중심을 거의 스쳐 지나가지 않아야 한다. 즉,
Figure 112004054183290-pct00004
이어야 한다.
더욱이, 균일한 막 증착은 균일한 타겟 침식 보다 더 중요할 수 있다. 예를 들어, 구리 또는 알루미늄의 금속화 스퍼터링의 경우에서, 타겟의 가장 중심을 필수적으로 스퍼터링하지 않아도 가끔 균일한 막 증착이 최적화될 수 있다. 이러한 상황에서, 스퍼터링되는 구리는 타겟 중심에서 웰 재증착(well redeposit)될 수 있어서, 부정적인 침식을 초래한다. 그러나, 재증착된 구리는 비교적 안정적이기 때문에, 일반적으로 재증착이 문제로 생각되지 않는다. 그러나, 그 질화물들의 반응성 스퍼터링과 연계하여 특히 배리어 층들로 사용되는 Ta, Ti, 및 W과 같은 내화 금속들의 경우, 재증착은 매우 작은 문제를 나타낸다. 재증착된 내화 금속 또는 내화 질화물은 높은 내부 스트레스를 나타내고, 재증착된 층이 매우 두꺼워 지는 경우 얇 은 조각으로 벗겨진다(flake off). 따라서, 내화 금속들의 스퍼터링을 위해, 타겟은 네트 재증착을 방지하기에 충분한 정도로 전체 타겟 면적에 대해 스퍼터링함으로써 청결하게 유지되어야 한다. 즉, 타겟이 그 중심 근처에서 오버 스퍼터링된다 할지라도, 마그네트론은 타겟 중심에 비교적 근접해야 한다.
원형 불균형 자석 어셈블리는 몇가지 장점들이 높은 종횡비 비의 홀들로 균일하게 스퍼터링되기 위한 몇가지 장점들을 제공한다. 도 13에 개념적으로 도시된 것처럼, 불균형화된 원형 자석 어셈블리는 다른 극성의 더 강한 외부 극(208)으로 둘러싸이는 하나의 자기 극성의 내부 극(206)을 포함하고, 상기 극들은 일반적으로 중심 축(194)에 대해 원형 대칭적이다. 원형 자석 어셈블리는 또한 축(194)에 대해 대칭적인 자기장 분포를 형성한다. 자기장 분포는 외부 극(208)에서 내부 극(206)로 부드러운 경로를 따르는 반구형 성분들(210)을 포함한다. 극들(206, 208)의 면들은 이들간의 최소 사이즈의 갭(212)으로 타겟(90)의 후방에 근접하게 배치된다. 결과적으로, 몇몇의 반구형 성분들(210)은 일반적으로 타겟(90)의 전면에 평행하게 연장된다. 평행한 자기장은 전자들을 가둬두고, 타겟에 인접한 플라즈마의 밀도를 크게 증가시킨다. 반구형 성분들(210)은 자기적 중심 축(194)에 대해 대칭적이고, 플라즈마 전자들을 가둬두기 위해 폐쇄된 루프를 형성하므로, 전자 손실을 감소시킬 수 있다. 도 5 및 도 6의 마그네트론의 이중-평형 설계는 지터(jitter) 및 진동을 감소시키고, 이에 따라 유성 회전이 평형하지 않은 프리만(Freeman) 구조와 대조적으로 갭(212)이 감소되도록 한다.
또한, 자기장 분포는 스퍼터링 코팅되는 웨이퍼를 향한 타겟(90)에서 떨어진 더 강한 외부 극(208)로부터 돌출되는 성분들(214)을 포함한다. 더 강한 외부 극(208)로부터 나오는 돌출 성분들(214)은 외부 극(208)의 후방 또는 후방 요크(196)로 돌아가기 이전에 웨이퍼에 근접함에 따라 자석 어셈블리의 중심 라인(194)을 향해 휜다. 마그네트론 불균형으로부터 발생하는 돌출 성분들(214)은 플라즈마를 연장시키고 이온화된 금속 원자들을 웨이퍼로 유도한다. 원형 자석 어셈블리에서, 돌출 성분들(214)은 또한 원형으로 대칭적이고, 특히 전체 유성 운동이 고려된 이후 웨이퍼의 내부 또는 외부 부분들을 지지(favor)하지 않는다. 더욱이, 원형 기하학적 형상은 자석들의 불균형이 최대화되도록 하므로, 플라즈마 밀도를 증가시키는 반구형 성분들(210)을 감소시키지 않고 돌출 성분들을 증가시킬 수 있다. 또한, 전자 손실은 원형 구성체에서 감소된다. 마지막으로, 불균형화된 마그네트론은 자기장 분포에서 로컬 최대치(218) 뿐만 아니라 널(216)을 생성한다. 널(216)은 매우 높은 밀도로 전자들을 가둬둔다. 중성 스퍼터링된 금속 원자는 극히 이온화된 널(216)을 관통할 때, 전자들과 충돌하여 이온화되는 경향이 있으므로, 금속 이온화 부분을 증가시킬 수 있다.
도 11 및 도 12의 마그네트론(100)에 대한 몇몇 변형예들을 이용가능하다. 원통형 중심 자석(200)은 바람직하게는 2, 4, 또는 7로 넘버링되는 다수의 더 작은 개수의 자석들로 대체될 수 있고, 그 마지막은 육각형 폐쇄 패킹된(packed) 장치이다. 특별한 효과를 위해, 원통형 중심 자석(200)은 환형 극 피스를 갖는 환형 내부 자석으로 대체될 수 있다. 외부 자석들(192)은 도 14의 단면도에 도시된 것처럼 단일의 환형 극 피스(198)로 커버되는 2개의 자석들(220, 222)의 환형 로우들로 대체될 수 있다. 다수의 가로열들이 근접하게 패킹될 수 있도록 외부 자석들(200)은 다소 더 큰 크기인 것이 바람직하다. 선택적으로, 도 15의 단면도에 도시된 것처럼, 외부 자석들(212)은 축(194)을 따라 단일 방향으로 자화되는 아크-형상의 자석들(224)의 환형 밴드로 대체되고, 일반적으로 방위각 방향을 따라 사각형 횡단면을 갖는다. 바람직하게는, 자석들(224)은 이들의 제조를 용이하게 하기 위해 2개 이상의 개수일 수 있다. 장치는 외부 자기 극의 자기 밀도를 증가시키기 때문에, 마그네트론의 불균형을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 타겟의 면에 인접한 중요한 반구형 성분을 희생함이 없이 돌출 자기장을 증가시킬 수 있다. 증가된 돌출 자기 성분들은 깊은 홀 충전과 다른 스퍼터링 효율성들을 크게 촉진시킨다. 또한, 외부 극의 증가된 밀도는 널의 지점을 손상시키지 않고 더 작은 마그네트론을 허용한다. 따라서, 내부 자기 밀도에 대한 외부 자기 밀도의 비율은 3 이상 또는 5 이상으로 증가되는 것이 바람직하다.
전술한 실시예는 도 10의 상부 커버(186)에 대해 고정된 가장 안쪽의 기어(62)를 포함하지만, 중심 축(72)에 대한 가장 안쪽의 기어(62)의 부가적인 회전은 상부 커버(186)에 비례하여 회전하도록 하고, 나머지 설계에 거의 영향을 주지 않으면서 구동 플레이트(74)에 대해 부가적인 회전을 제공하도록 한다. 이러한 실시예는 중심 축(72)에 대한 2개의 동축 회전들 또는 가장 안쪽의 기어(62) 및 부수적인 회전 밀봉부들과 회전 드라이브들과 기어 결합된 제 2 오프셋 구동 샤프트를 필요로 한다는 점에서 기계적 설계를 복잡하게 하지만, 부가적 독립적인 회전은 기계적 부품들을 바꿀 필요 없이 동작 제어의 부가적인 유동성을 제공한다. 예를 들 어, 다소 가변되는 조건들 하에서 도 8에 관해 논의된 정수의 전체-커버리지 사이클들 동안 비교적 얇은 배리어 또는 시드 층들을 증착할 수 있는 반응기를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 가장 안쪽의 기어(62)을 지지하는 가변 속도 샤프트는 고정된 타겟(90)에 대한 도 8의 패턴을 상이한 스퍼터링 주기들 동안 정수의 회수들로 순환될 수 있도록 한다. 즉, 단일 마그네트론 어셈블리는 서로 다른 배리어/라이너 어플리케이션들에 사용하기 위해 최적화될 수 있다. 또한, 동일한 마그네트론 어셈블리가 긴 증착 시간을 필요로 하는 더 얇은 블랭킷에 사용하기 위해 최적화될 수 있기 때문에, 상이한 어플리케이션들을 위한 범용 마그네트론을 가능하게 한다.
본 발명의 마그네트론의 동작은 도 16의 그래프를 참조로 설명될 수 있으며, 플라즈마 스퍼터링 반응기에 사용시 타겟에 인가된 DC 전력 량의 함수로서 각각의 타겟 전압을 3개의 상이한 마그네트론들에 대해 도시하고, 몇몇 경우에서 전력의 함수로서 플라즈마 임피던스를 도시한다. 금속 원자들에 대한 훨씬 더 낮은 이온화 부분과 비교적 더 낮은 플라즈마 밀도를 형성하는 종래의 마그네트론은 전력 대 전압의 특성 곡선(230)을 나타내고, 상기 특성 곡선은 피크(234)로 상승된 후 임의의 유용한 전력 범위에 대해 제로를 향해 단조롭게 다시 하강한다. 중심에서 타겟의 에지로 연장하기에 적당하게 클 필요가 있는, 원둘레로 스캐닝된 삼각형 SIP 마그네트론은 중간정도의 플라즈마 밀도와 대략 20%의 적절한 이온화 비율(fraction)을 형성한다. 그 특성 곡선(236)은 또한 전이 포인트(238)를 통과할 때까지만 피크(234)에서 단조롭게 하강한다. 전이 포인트(238) 상부에서, 타겟 전압은 상승하기 시작한다. 전이 포인트(238) 상부로의 상승은 금속 이온들의 증가된 밀도에 의해 발생되는 것으로 판단된다. 전이 포인트(238) 상부에서의 동작은 높은 종횡비-비 홀들로 스퍼터링을 촉진하는 높은 금속 이온화 부분을 형성하는데 바람직하다.
예를 들어, 본 발명의 유성 운동에 사용될 수 있는 도 11 및 도 12의 구조를 갖는 매우 작은 마그네트론은 SIP 마그네트론의 특성 곡선과 유사한 특성 곡선(240)을 나타낸다. 그러나, 전이 포인트(242)는 실질적으로 더 낮은 전력에서 발생한다. 이것은 아직 더 높은 금속 이온화 부분을 형성한다는 것을 나타낸다. 부가적으로, 더 낮은 전이 포인트(242)는 또한 실질적으로 감소된 양의 전력으로 원하는 영역에서의 동작을 허용한다.
마그네트론(60)은 도 9에 도시된 일반적인 형태의 스퍼터링 반응기(100)를 사용하지만 특히 도시된 타겟(90)과 300mm 웨이퍼(120) 사이에 400mm의 분리 보다 더 긴 쓰로우를 갖는, 높은 종횡비-비로 금속을 코팅하는데 사용된다. 유성 마그네트론의 제 1 암 길이는 117.5mm이고, 제 2 암 길이는 53.3mm이며, 자석 직경은 117mm이다. 고정 기어는 35개의 톱니를 갖고 종동 기어는 22개의 톱니를 갖는다. 600W 내지 900W의 바이어스 전력에서 성능이 우수한 것이 관찰되었다. 도 3을 참조하면, 종래의 마그네트론 또는 SIP 마그네트론에 비해 가장 큰 향상은 돌출부(46)들의 큰 감소이다. 이러한 향상은 더 높은 종횡비 비율을 갖는 홀들로 스퍼터링될 수 있게 한다. 추가로, 최소 측벽 두께(42)는 124nm 필드 두께에 대해 5nm 이상으로 증가되고, 보다 균일해진다. 하부 부분(42)의 두께는 또한 적어도 40nm로 증가된다. 이러한 효과들은 모두 더 작은 자석 어셈블리로 달성될 수 있는 더 높은 플라즈마 밀도들로부터 유도되는 것으로 판단된다. 또한, 웨이퍼 둘레 근처의 측벽 커버리지의 비대칭은 감소되고, 더 높은 이온화 부분을 나타낸다. 더 높은 바이어스 전력은 돌출부들을 추가로 감소시키지만, 측벽 부분들이 너무 얇게 된다.
유성 운동에 대한 궤적은 타겟 중심에서 그 원점을 갖는 복소 평면에서 복소 위치 r로서 용이하게 계산된다. 유성 운동을 수행하는 물체의 위치 x는,
Figure 112008034825194-pct00005
로 주어진다. 여기서, 일반성의 손실이 없이, A1 및 A2는 1차 및 2차 모멘트 암들의 길이들을 나타내는 양의 실수들이고, T1은 초당 레디언으로 나타낸 구동 플레이트의 회전 속도이며, T2는 고정된 좌표들을 참조로 종동 기어의 회전 속도이다. 기어 비율 G 또는 다른 결합 비율로서 표현될 수 있는 유성 운동에 대해, 2개의 회전 속도들이 다음과 같이 관계된다:
Figure 112004054183290-pct00006
순방향 유성 운동을 위해, 기어 비율은 G는 양인 반면, 역행 유성 운동을 위해 기어 비율은 음이다. 암 길이들의 비율은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112004054183290-pct00007
따라서, 위치는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112004054183290-pct00008
복합 속도 v는 위치 x의 시간 미분 함수로서 다음과 같다:
Figure 112004054183290-pct00009
실수 값들로서 리턴하기 위해, 속도 크기의 제곱, 즉 속도의 제곱은 다음과 같이 주어진다:
Figure 112004054183290-pct00010
최대 및 최소 속도들은 코사인 주기들이 플러스 또는 마이너스 주기일 때 발생한다. 이는 부호 및 G의 크기에 의존한다. 최대 및 최소 속도들의 논의는 흥미롭지만, 타겟 침식을 직접적으로 제공하지 않는다.
균일한 타겟 스퍼터링을 위한 실제적인 요구사항은 경로를 따르는 접선(tangential) 속도들이 아니라 중심 축에 대한 방사상 속도들을 기반으로 한다. 동일한 커버리지를 위해, (무한히 작은) 마그네트론이 폭 r의 반경 r의 환형 밴드에서 소비하는 시간 t는 r에 비례한다. 환형 밴드에 평행한 방위각 속도는 균일한 스퍼터링에 직접적으로 적합한 것은 아니다. 결과적으로, 원하는 방사상 속도는 다음으로 주어진다:
Figure 112004054183290-pct00011
차동 방정식은 간단한 적분으로 계산되고, 그 결과는
Figure 112004054183290-pct00012
이고,
Figure 112004054183290-pct00013
최종 방정식은
Figure 112004054183290-pct00014
이다. 이러한 방정식은 상수들과 부호들을 명확하게 고려하지 반영하지 않는다.
복소 대수로 돌아가서, 유성 운동을 위한 시간 변수 반경의 제곱은 다음으로 주어진다:
Figure 112004054183290-pct00015
이러한 방정식은 또한 코사인 법칙으로부터 유도될 수 있다. 이러한 함수는 A1 > A2인 경우에 대해 도 17에 도시된다. A1<A2에 대해, 동일한 의존성이 관찰되지만, 좌표 축상의 차이값은 반대이다. 흥미롭게도, 주기를 변화시키는 것을 제외하고, 양 또는 음인지, 즉 역방향 또는 순방향 유성 운동인지에 대한 동일한 의존성이 기어 비율 G의 임의의 값에 대해 달성된다. 그럼에도 불구하고, 정수 값들은 전진 패턴을 보장하기 위해 피해야 할 필요가 있다.
시간 미분 함수는,
Figure 112004054183290-pct00016
이다.
이러한 양(quantity)은 점선으로 도시된 음수 값들로서 도 18에 도시된다. 다시, 파형은 주기 및 진폭을 제외하고 G와 독립적이다. 상기 함수는 제로 주변에서 가변되지만, 그 크기만이 커버리지 효과들을 위해 중요하다는 점을 주의해야 한다. 그래프는 또한 최대값 1로 정규화되고, 그 평균 크기는 2/B이다. 차동 방정식에 대한 상기 해법으로 입증된 것처럼, 도 18에 도시된 양은 궤적에 대한 균일한 커버리지를 위해 일정해야 한다. 이러한 양은 시간 또는 반경에 대해 명확하게 일정하진 않지만, 그 양이 중요한지에 대해 평균값으로부터 가변도를 형성할 필요가 있다.
우선, 상기 미분 함수들은 마그네트론이 직경 D에 대해 효과적으로 연장될 때 포인트-크기의 마그네트론을 기반으로 하고, 이는 통상 원형 마그네트론의 물리적인 외부 직경 이상 또는 미만이다. 결과적으로, 도 17의 그래프는 스미어-아웃(smear out) 되어야 한다. 예를 들어, 마그네트론의 일부만이 측면상에서 연장되기 때문에 효과가 감소되긴 하지만, 최소 반경 A1-A2에서, 마그네트론은 중심 r=0에 더 근접하게 실제적으로 연장된다. 유사하게, 최대 반경 A1+A2에서, 마그네트론은 더 외향하게 효과를 감소시키면서 연장된다.
두번째로, 상수 값으로부터 방사상 속도의 미분함수는 그 전부가 대부분의 궤적에 비해 큰 것은 아니다. 상기 효과를 수량화하기 위해, 방사상 위치의 제곱 의 시간 의존성이 A1=A2인 경우에 대해 도 19에 도시된다. 상기한 차동 방정식으로부터 유도되는 실시간 의존성은 톱니 파형으로 도시된다. 이것은 마그네트론이 중심 근처 및 둘레 근처에서 너무 많은 시간을 소비한다는 것을 보여준다. 도 18의 그래프로부터 동일한 결론을 유도할 수 있다.
침식 패턴과 연관되는 에러의 측정값은 반경 r에 의해 dr2/dt로 표현된다. 동일하지 않은 암 길이들을 포함하는 미분함수는 t를 GT1t로 정규화하고 r을
Figure 112004054183290-pct00017
로 정규화함으로써 간략화될 수 있고, 동일한 암 길이들에 대한 단위로서 무차원 파라미터,
Figure 112004054183290-pct00018
를 이용하여 간략화될 수 있다. 그 다음, 2개의 방사형 방정식들은 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure 112004054183290-pct00019
및
Figure 112004054183290-pct00020
.
이들은 결합되어 다음 방정식을 형성한다:
Figure 112004054183290-pct00021
t가 B만큼 시프트되면 방사형의 전단에서 음의 부호가 사라진다. 이러한 시간 미 분함수는 3개 비율들의 암 길이들에 대한 정규화된 반경의 함수로서 도 20에 도시된다. 사실, 상기 비율들의 역수에 대해 동일한 그래프들을 형성된다. 타겟 침식 프로파일의 고려하는 보다 직접적인 함수는 도 21에 도시된 것처럼 시간 미분함수의 역함수이다. 내부 및 최외각 포인트들에서 특이성(singularity)들은 유한 마그네트론 직경이 포함될 때 연화(smooth out)된다. 그럼에도 불구하고, 타겟의 최내각 및 최외각 부분들은 과도하게 침식된다. 하나의 추가적인 결론은 비-단위(non-unity) 암 비율 A2/A1이 최내각 포인트에서 특이성 정도를 감소시킨다는 것이다. 이러한 이유들로 인해, 바람직한 실시예는 비-단위 암 비율을 사용하고, 스쳐 지나가지만 타겟 중심 축을 건드리지 않는 적당히 큰 마그네트론을 사용한다.
보조적인 동축 자석들은 불균형 마그네트론에 의해 형성되는 돌출 필드를 강화함으로써 성능을 추가로 개선시킬 수 있다. 도 22의 개념적 횡단면도에 도시된 것처럼, 반응기(250)는 연장되어 챔버 측벽(102)의 부분을 효과적으로 형성하는 어댑터(252)를 포함한다. 어댑터(252)는 타겟(90)과 웨이퍼(120) 사이의 쓰로우를 용이하게 가변시키는데 사용된다. 전자기 코일(254)은 중심 축(70)에 동축으로 어댑터(252)의 외부 주위로 감긴다. DC 전력 공급기(256)는 코일(254)을 통해 전류의 양을 제어함으로써, 챔버내에 일반적으로 수직인 자기장을 형성하고, 상기 자기장은 불균형 유성 루프 마그네트론(60)의 더 강한 외부 극(208)로부터 챔버로 돌출하는 자기장과 평행하게 강화된다.
결과적으로, 도 23에 개념적으로 도시된 것처럼, 돌출 필드(214)는 외부 극(192)의 후방으로 리턴되기 이전에 웨이퍼(120)를 향해 챔버로 연장된다. 이러한 효과는 웨이퍼 받침대(122)의 후방에 배치되어 다른 DC 전력 공급기(260)에 의해 전력공급되는 다른 동축 전자기 코일(258)에 의해 추가로 강화됨으로써, 마그네트론의 외부 극(208)로부터 돌출 자기장에 평행하고 돌출 자기장을 강화시키는 일반적으로 수직인 자기장을 생성할 수 있다. 더 낮은 전자기 코일(258)은 상부 전자기 코일(254) 보다 작은 반경 크기를 갖고, 웨이퍼의 후방으로부터 마그네트론의 외부 극(208)로 리턴되기 이전에, 돌출 자기장이 웨이퍼(120)를 향해 주사되도록 작용한다. 측면 전자기 코일(254)의 보어는 웨이퍼(120)의 직경보다 실질적으로 더 큰 반면에, 하부 전자기 코일(258)의 보어는 통상 다소 더 작다. 보어는 연동되는 전자기 코일로 완전히 둘러싸이는 그 측면들을 갖는다. 코일들(254, 258)은 돌출 자기장(214)이 유성 루프 마그네트론(60)에서 웨이퍼(120)로 연장되게 하므로, 금속 이온들을 항상 웨이퍼(120)로 유도한다. 도 23에 도시된 자기장들은 완전히 도시된 것이 아니다. 예를 들어, 상기 도면에는 이들을 형성하는 코일들(254, 258)을 보다 밀착해서 에워싸는 솔레노이드 필드들이 도시되지 않는다. 바람직하게는, 2개의 코일들(254, 258)의 보어들의 비율은 적어도 1.5이고, 보다 바람직하게는 포커싱 효과를 달성하기 위해 적어도 2.0이다.
도 22에 도시된 측면 동축 코일(254)은 타겟(90)과 받침대(122) 사이의 처리 간격의 상부 절반에서만 연장된다. 다른 코일 구성들이 가능하다. 예를 들어, 긴 측면 코일은 타겟(90)에서 웨이퍼로 연장되는 보다 균일한 자기장을 제공한다. 이러한 자기장은 전자 플럭스를 평행하게 하므로, 그 결과 전자들을 따르는 이온 플 럭스를 평행하게 한다. 챔버 측벽을 따라 동축으로 배치되는 다수의 측면 코일들을 이용함으로서 거의 동일한 효과가 달성될 수 있다. 전자 플럭스와 이에 따른 이온 플럭스를 포커싱하는 수렴 필드를 형성하기 위한 균질한 필드와 더 작은 후방 코일(258)의 결합은 종래의 스캐닝 전자 현미경들의 전자 광학에 사용되어 왔다.
전자기 코일들(254, 258)은 이미 불균형화된 루프 자석 어셈블리(84)의 효과적인 불균형을 증가시키는데 사용될 수 있다. 유사하게, 상기 전자기 코일들은 불균형 마그네트론에 영향을 미치는데 사용될 수 있고, 균형 또는 거의 균형화된 루프 자석 어셈블리(84)를 이용함으로써, 필드들을 평행하게 하고 필드들을 유도하는 부담의 루프 마그네트론(60)을 자유롭게 할 수 있으며, 이에 따라 루프 마그네트론(60)의 설계를 보다 자유롭게 할 수 있다.
마그네트론 직경과 국부 자기장 분포를 고려하지 않았음에도 불구하고, 상기에서 나타낸 이론은 기어 비율과 암 길이 비율의 조정이 전체 타겟 커버리지를 증가시키는 활용도를 제한한다는 것을 입증한다. 효과적으로 성능을 향상시키는 한가지 방법은 타겟 둘레와 타겟 중심 사이에서 마그네트론이 운동할 때 유성 메커니즘의 회전 속도를 조정함으로써 시간 스케일을 변화시키는 것이다. 대조적으로, 보다 종래의 유성 마그네트론은 일정한 회전 속도에서 타겟의 중심에 대해 구동 플레이트를 회전시킨다.
도 24의 횡단면도에 도시된 마그네트론 어셈블리(250)에서, 마그네트론(160)을 회전시키는 모터(104)는 하나 이상의 기어들(274, 276)을 통해 구동 벨(174)에 결합되는 출력 샤프트(272)를 갖는다. 모터(104)는 통상 무브러시 AC 모터이다. 이러한 실시예에서, 상기 모터는 가변 주파수 AC 소스(278)에 의해 구동된다. 주파수 변조기(280)가 AC 소스(278)의 주파수를 제어함으로써, 구동 샤프트(272) 및 이에 따른 유성 마그네트론(160)이 방사형 스캐닝의 몇몇 주기 동안 더 빠르게 회전하고, 예를 들어 자석 어셈블리(84)가 타겟(90)의 중심(72)에 더 근접할 때 더욱 빠르게 회전한다. 즉, 회전 속도는 중심 축(72)을 향하고 중심 축(72)로부터 떨어지는 제 2 암(80)의 각 회전 동안 조정된다. 펄스화되는 스텝 모터의 사용으로 인해, 펄스 속도가 자석 어셈블리(84)의 회전에 대해 회전 속도를 제어하도록 가변될 수 있기 때문에 장치를 간소화할 수 있다. 회전 속도는 또한 타겟 둘레 근처에서 증가될 수 있지만, 중심 근처에서만큼 중요한 것 같지는 않는다. 타겟(90)의 부분들이 더 오래동안 스캐닝되는 것은 자석 어셈블리(84)의 크기 및 타겟 중심과 둘레로부터의 오프셋에 의해 좌우된다.
대부분의 기어 비율들에 의해, 자석 어셈블리(84)의 방사 지점은 구동 샤프트(166) 또는 그 구동 벨(174)의 회전 위치에 의해 직접적으로 확인할 수 없다. 따라서, 변조는 유성 메커니즘의 제 2 암(80)의 운동으로 동기화되어야 한다. 변조가 각 회전시 작은 부분의 %만큼 비동기화 될지라도, 제 2 유성 암의 급속한 회전은 전체적으로 바로 비동기화될 것이다. 동기화는 그 최외각 위치에서 자석 어셈블리(84)의 측면 또는 후방에서 상부 커버(156)상에 위치되는 위치 센서(282)에 따라 긍정적으로 제어된다. 센서(282)는 제 2 암(80) 또는 자석 어셈블리(84)의 외부에 연결되는 신호 에미터(284)가 유성 경로의 외부 둘레 근처에 있는 시기를 검출한다. 센서는 광학적 또는 자기적이거나, 밀접하게 이격된 신호 에미터(284)를 감지할 수 있는 다른 설계일 수 있다. 예를 들어, 센서(282)는 레이저 또는 광학 소스 및 해당 광 검출기를 포함할 수 있다. 이 경우 신호 에미터(284)는 결정된 주기의 일련의 광학 펄스들을 형성하는 주기적인 반사성 패턴일 수 있고, 광 검출기에 연결된 전기 필터는 센서가 변조기(280)에 전달하는 단일 동기화 펄스로 변환한다. 2개의 위치 센서들은 전자부품들을 미리 트리거링하고 검출 결함들을 감소시키는데 바람직하게 사용될 수 있다. 도시된 위치 센서는 타겟의 한 섹터에 국부화되고 다른 섹터들에서 방사 위치를 검출하지 않는다는 것을 유의한다. 그러나, 1회전당 비동기화가 비교적 작다면, 결과적으로 간헐적인 위치 감지로 충분하다.
침식 프로파일을 형성하는 제 2 방법은 타겟에 인가되는 전력을 변조하는 것이다. 타겟 전력은 몇몇 어플리케이션들에서 AC 또는 RF 일 수 있지만, 통상 대부분의 상업적 스퍼터링 반응기들에서 DC 이다. 도 25의 개념적 횡단면도에 도시된 마그네트론 어셈블리(290)에서, 타겟(90)에 전력을 공급하는 DC 전력 소스(130)는 위치 센서(282)에 의해 제 2 유성 암(80)의 회전에 동기화될 때 전력 변조기(292)에 의해 변조된 전력을 갖는다. 실제적인 조정은 타겟 전압 또는 전류에 의해 이루어질 수 있지만, 통상 타겟 바이어스는 전력에 따라 세분화된다. 전력 변조기(292)는 자석 어셈블리(84)가 예를 들어, 타겟 중심 및 그 근처에서 침식되지 않아야 하는 타겟(90)의 부분들 상부에 놓이는 경우 적은 전력이 공급되도록 한다. 인가되는 전력이 적을수록, 하부에 놓이는 타겟에 스퍼터링이 적어진다. 큰 변조는 타겟 스퍼터링 비율에 영향을 미칠 뿐만 아니라 스퍼터링되는 원자들의 이온화 부분에 영향을 미친다. 전력이 많을수록, 이온화 부분도 더 많아진다.
물론, 도 24의 주파수 변조는 도 25의 전력 변조와 결합될 수 있다. 명백한 것처럼, 주파수 및 전력 변조기들(280, 292)은 도 9의 제어기(136)에 포함될 수 있다.
방사형 침식 패턴을 제어하는 다른 방법은 유성 운동의 다른 단계를 부가하는 것이다. 도 26의 상면도 및 도 27에 도시된 것처럼, 2 단계 마그네트론(300)은 회전하는 제 1-단계 종동 기어(78)에 고정된 제 2 암(80)에 회전가능하게 장착되는 제 2-단계 종동 기어(302)를 포함하고, 제 1 암(74)에 고정된 제 2-단계 고정 기어(304)에 맞물린다. 제 3 암(306)은 회전하는 제 2-단계 종동 기어(302)에 고정된다. 자석 어셈블리(84)는 제 3 암(306)의 일 단부에 고정되고, 다른 평형추(308)는 그 타단부에 고정된다. 이러한 실시예에서, 유동 기어는 2개의 종동 기어들(78, 302) 사이에 삽입되어, 제 3 암(306)이 제 2 암(80)에 대해 순방향 유성 운동을 수행하고 제 1 암(74)에 대해 역방향 유성 운동을 수행한다. 전체적인 효과는, 그 자체가 태양의 궤도를 돌거나 선택적으로 달의 궤도를 도는 위성, 유성의 궤도를 도는 회전하는 달의 표면상의 어떤 지점에서 발생하는 것과 유사한 궤적을 제공하는, 2-단계 유성 회전 메커니즘이다. 여분의 스테이지는 침식 프로파일에 대한 제어를 추가로 제공한다.
2-단계 운동에 대한 복합 위치는 다음과 같이 주어진다:
Figure 112004054183290-pct00022
위상 인자 N은 복합 양들 A1 및 A3 사이의 위상차를 나타내고, 기어 비율들 중 하나가 단위 또는 더 작은 정수인 경우에 요구될 수 있다. 지정 상황들 또는 지정 상황들 근처에서를 제외하고, 좌표 축들이 시간상의 몇몇 지점에서 임의로 선택되기 때문에, 2개의 암들이 정리되고(line up) 단지 2개의 유성 암들에 대해 유사한 위상차는 필요하지 않는다.
이전의 미분함수에 따르면, 회전 속도들은 다음과 같이 관계된다:
Figure 112004054183290-pct00023
및
Figure 112004054183290-pct00024
.
여기서, 기어 비율 G1 및 G2는 일 단계에 대한 기어들과 관련된다. 그 다음, 시간-의존 위치는 다음과 같이 나타낸다:
Figure 112004054183290-pct00025
그리고, 방사상 위치의 제곱은 다음과 같이 나타낸다:
Figure 112004054183290-pct00026
이러한 많은 개수의 변수 인자들은 침식 패턴을 부드럽게 하도록 궤적들을 최적화함에 있어서 큰 유동성을 제공한다.
편심 기어를 갖는 일 단계 유성 마그네트론은 2 단계 마그네트론에 대해 전술한 것과 다소 유사한 효과를 달성한다. 예를 들어, 도 28의 평면도에 도시된 것처럼, 타원 형상의 유동 기어(310)는 고정 기어(62) 및 종동 기어(78) 사이에 삽입된다. 타원 기어(310)는 기어(310)의 중심(304)에서 상쇄되는 샤프트(312) 샤프트(312)에 대해 편심으로 회전가능하다. 타원 기어(310)의 톱니는 그 둘레를 따라 고르게 이격된다. 암(316)은 불규칙적인 형상의 구동 플레이트(320)에서 피봇(318)에 대해 스윙된다. 구동 샤프트(70)는 샤프트 축(72)에 대해 구동 플레이트(320)를 회전시킨다. 장력 또는 압축으로 동작할 수 있는 스프링(322), 또는 구동 플레이트(320)의 일 단부상에 고정되는 다른 포커싱 수단은 타원 기어(310)의 회전의 모든 포인트들에서 타원 기어(310)가 2개의 기어들(62, 78)과 맞물리도록 하는 방향으로 암(316)을 향하게 한다. 타원 기어(310)의 위치에 따라, 제 2 암(80)의 회전 속도가 메인 구동 샤프트(70)의 일정한 회전 속도로 가변되도록, 순간 기어 비율이 변한다. 전술한 장치는 2가지 형태의 편심, 즉 비-원형 기어와 상기 기어 중심으로부터 기어 샤프트의 오프셋을 제공한다. 이들중 하나는 그 자체로 원하는 효과를 제공한다. 다른 비-원형 형상들, 바람직하게는 타원체 형상들이 가능할 수 있다. 다른 기어들(62, 78) 중 하나는 유동 기어(310)와 달리 편심 또는 비-원형일 수 있다.
3개의 기어들로 이루어진 이러한 일렬이 아닌(out-of-line) 장치는 보다 종래의 원형 기어들을 위해 공간을 절약할 수 있다. 도 29의 평면도에 도시된 것처럼, 원형 유동 기어(76)의 중심(326)은 고정 및 종동 기어들(62, 78)의 중심들(72, 328)을 연결하는 라인으로부터 오프셋되어, 이후의 2개의 기어들이 직접적인 결합은 없이도 함께 인접하게 배치될 수 있다. 역방향 운동을 원한다면, 유사한 라인없는 장치가 도 26의 2-단계 유성 메커니즘의 제 2 단계에 바람직하게 적용될 수 있지만, 중간 유동 기어에 대해 비교적 짧은 제 2 암(80)상에는 거의 이용가능한 공간이 없다.
도 29는 일렬로 배치되거나 일렬이 아니게 배치된 유동 기어(76)가 중심 축(306)을 따라 배치되는 공통 샤프트에 고정되고 서로 다른 직경들을 갖는 2개의 기어 부분들을 포함할 수 있다는 것을 설명하는데 이용될 수 있다. 하나의 기어 부분은 고정 기어(62)와 맞물리고, 다른 기어 부분은 종동 기어(78)와 맞물린다. 유동 기어(76)상의 2개의 동축 기어 부분들의 기어 비율은 전체 기어 비율 G에 포함될 필요가 있다.
이전에 기술된 모든 유성 메커니즘들은 중앙의 고정된 유동 기어와 이를 마그네트론 암에 결합시키는 기어들을 포함한다. 다른 형태들의 기어 유성 메커니즘들이 가능할 수 있다. 하나의 대안은 외부의 고정 기어를 사용하는 것이다. 도 30의 상면도에 도시된 1-단계 기어 유성 메커니즘(330)에서, 구동 플레이트(74)는 고정되어 모터 구동 샤프트(70)에 의해 회전된다. 상기 구동 플레이트는 중심 축(72)과의 사이에 다른 기어들 없이 그 단부상에 종동 기어(74)를 회전가능하게 지지한다. 그 대신, 종동 기어(78)는 그 내부상에 기어 톱니를 갖는 외부 고정 기어(332)와 맞물린다. 자석 어셈블리(84), 그 하부 플레이트(80) 및 평형추(86)와 1차 평형추(88)는 고정된 외부 기어(312) 아래를 통과할 수 있고, 자석 어셈블리(84)는 중심 축(72)을 관통할 수 있다. 고정된 외부 기어(332)에 대한 지지 메커니즘은 도시되지 않지만 타겟(90)의 둘레에 대해 연장된다. 도시된 유성 메커니즘은 매우 간단한 메커니즘으로 원하는 역방향 유성 운동을 제공한다. 이러한 메커니즘은 현재의 자석 어셈블리(84)가 매우 작고, 자석 부분들이 중심에 대해 발진하는 토머(Tomer)의 큰 마그네트론과 달리 중심 축(72)을 관통할 수 있도록 설계된다는 점에서 토머(Tomer)의 유성 메커니즘과 상이하다. 도시된 유성 메커니즘은 유동 기어를 포함하지 않는다. 그러나, 이들 중 하나 이상이 포함될 수 있다. 유동 기어들은 기어 비율을 더 작은 값들이 되도록 한다.
또한 도 31에 도시된 것처럼, 벨트 및 도르래(pulley) 메커니즘(340)을 통해 원하는 유성 운동을 달성할 수 있으며, 여기서는 기어 톱니를 통해서가 아니라 벨트에 의해 서로 다른 휠들이 결합된다. 벨트(342)는 고정 캡스턴(344) 주위에 감긴다. 구동 플레이트는 회전가능한 샤프트(348)를 통해 구동 플레이트(74) 상에 회전가능하게 지지되는 종동 도르래(346)를 회전가능하게 지지한다. 하부 플레이트(80)는 종동 도르래(346)의 샤프트(348)에 고정되어, 종동 도르래(346)와 함께 회전하고, 하부 플레이트(80)의 단부에 부착된 마그네트론(86)은 유성 운동을 수행한다. 기어 유성 메커니즘의 기어 비율과 유사한, 종동 도르래(346)와 구동 플레이트(74)의 회전 속도 비는 고정 캡스턴(344)과 종동 도르래(346)의 직경들의 비율에 의해 결정된다. 유성 운동은 유동 기어의 사용 없이 역행한다. 벨트는 도르래 벨트, 융기 벨트, 금속 벨트, 체인, 체인 벨트, 케이블, 밴드, 또는 회전가능하고 이들중 두개를 결합시키는 적어도 하나를 일반적으로 원형인 2개의 부재들에 감는 다른 플렉서블한 구조물을 포함하는 것으로 해석된다. 기어 및 벨트의 실시예들은 기어 휠 또는 샤프트상의 톱니를 통해 또는 도르래 휠 또는 샤프트에 감기는 벨트를 통해 서로 회전가능하게 결합되는 원형 부재들의 공통 기능들을 공유한다. 기어 및 벨트 실시예들을 포함하는 회전 속도들을 위한 보다 일반적인 개념은 가장 안쪽의 원형 부재와 종동 원형 부재 사이의 맞물림 비율이다. 원한다면, 캡스턴(344)가 제 2 동축 구동 샤프트에 연결되어, 마그네트론 궤적과 전체 커버리지 주기를 동적으로 제어할 수 있다.
유성 메커니즘은 이러한 메커니즘이 마그네트론의 원하는 유성 운동을 달성한다면 전술한 기어 및 벨트 실시예들에 한정되지 않는다. 추가로, 타원형 경로들과 같이, 보다 복잡한 유성 운동들이 가능할 수 있다.
유성 메커니즘이 깊은 홀 충전에 유용하고 불균형 마그네트론들에 특히 유용하지만, 블랭킷 커버리지에 보다 유용한 균형 마그네트론들에 바람직하게 적용될 수도 있다. 예를 들어, 도 32의 평면도에 도시된 자석 어셈블리(350)는 갭(354)으로 분리된 반대의 자기 극성들로서 동일한 전체 자기 세기들을 형성하는, 2개의 동심 원형 밴드-형상의 자기 극들의 면들(352, 356)을 포함한다. 하부에 놓이는 자석들은 원형으로 배치되는 말굽 자석들이거나, 자기 요크에 의해 자기적으로 결합되는 비-평행(anti-parallel) 원통형 자석들의 쌍들일 수 있다. 중공된 중심을 갖는 대형 마그네트론을 불균형하게 할 수 있지만, 통상 자기 세기들은 균형이 맞는다. 이와 동일한 자기 구조는 상당히 더 큰 크기의 종래의 신장-모양의 마그네트론들에 통상 사용된다. 유성 스캐닝은 훨씬 더 작은 원형 균형 마그네트론에 균일한 스퍼터링 및 타겟의 전체 사용을 제공한다. 더욱이, 비교적 고밀도 플라즈마가 빠른 스퍼터링 속도에 일반적으로 바람직하다. 작은-면적의 마그네트론은 적절한 전력 공급기가 고효율 전력 밀도를 형성하도록 하고, 및 이에 따라 스캐닝되는 작은 마그네트론에 인접한 타겟의 영역에서 높은 플라즈마 밀도 형성하도록 한다. 또한, 바람직하게는, 더 작은 전력 공급기가 적절한 온도에서 타겟을 유지하는데 필요한 냉기 용량을 감소시킨다.
유성 메커니즘은 또한 균일성과 다른 이유들로 그 형상들이 추가로 최적화되는, 삼각형 마그네트론과 같은 비-원형 마그네트론들을 구동할 수 있다.
임의의 다양한 설계의 유성 메커니즘이 광범위한 자석 구성들, 예를 들어 균형-대-불균형, 높은-대-낮은 플라즈마 밀도, 및 두꺼운-대-얇은 스퍼터링 증착 두께에 사용될 수 있기 때문에, 범용 유성 메커니즘이 스퍼터링 어플리케이션들에 적용될 수 있고, 이에 따라 경제적인 스캐닝 설계를 가능하게 하며 부품들의 재고를 감소시킬 수 있다. 서로 다른 기어들 또는 도르래들의 간단한 대체, 또는 범용 설계상의 서로 다른 자석 어셈블리의 대체를 통해, 커버리지 패턴들, 속도 변화들, 및 이온화 부분들 및 돌출 자기 성분들을 가변시킬 수 있다.
중심 축에 대해 유성 운동을 갖는 스캐닝 마그네트론을 참조로 상기 메커니즘이 설명되었지만, 스캐닝이 중심 축의 방사 및 원주형으로 수행되는 다른 메커니즘들이 달성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 설계는 기계적 파라미터들의 선택을 가능하게 하고, 자석 어셈블리의 적어도 일부분이 중심 축 위로 통과하도록 선택할 수 있다. 이러한 메커니즘들은 자석 어셈블리에 대해 방사형으로 작용하는 엑추에이터와 원둘레로 회전하는 구동 플레이트를 포함한다.
유성 마그네트론 운동은 복합적인 형상 및 이에 따른 고가의 중공-캐소드 또는 환형으로 둥근 천장을 갖는 타겟들과 대조적으로, 상대적으로 간단한 평면 타겟을 통한 고성능의 스퍼터링을 가능하게 한다. 그러나, 유성 마그네트론은 보다 복잡한 타겟들에 사용될 수 있으며, 특히 전력 요구사항들을 감소시키면서 루프 스퍼터링의 균일성을 증가시키기 위해 중공-캐소드 타겟들에 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 균일한 스퍼터링과 증가된 타겟 사용을 촉진시킨다. 또한 본 발명은 매우 작은 마그네트론들의 사용을 허용하므로, 스퍼터링 균일성 및 타겟 사용을 방해하지 않고 비교적 작은 전력 공급기들에 높은 플라즈마 밀도들을 제공할 수 있다. 이러한 모든 특징들은 범용 마그네트론 설계를 통해 달성될 수 있다.

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  5. 마그네트론 스퍼터 반응기에서 중심 축을 중심으로 대칭인 스퍼터링 타겟과 함께 사용되도록 구성된 요동 마그네트론으로서,
    상기 중심 축을 따라 제 1 자기 극성과 제 1 전체 자기 세기를 갖는 내부 자기 극, 및 상기 내부 자기 극을 둘러싸고 상기 제 1 자기 극성에 반대되는 제 2 자기 극성을 갖는 외부 자기 극을 포함하는 자석 어셈블리(magnet assembly); 및
    상기 중심 축의 방사형(radial) 및 원주형(circumferential) 경로로 상기 자석 어셈블리를 이동시키고 상기 중심 축을 통해 상기 외부 자기 극을 이동시키는 유성 스캐닝 메커니즘(planetary scanning mechanism) - 상기 유성 스캐닝 메커니즘은, 상기 중심 축을 중심으로 배치된 고정 기어(stationary gear), 상기 고정 기어의 방사방향으로 외부에 위치한 적어도 하나의 회전가능한 기어를 지지하는 제 1 암(arm)을 포함하는 2개 또는 3개의 회전가능한 암들, 및 유성 스캐닝 메커니즘을 구동시키기 위해 구동 샤프트에 고정되고 상기 고정 기어를 관통하는 구동 샤프트(drive shaft), 종동 기어(follower gear)의 샤프트에 결합된 상기 자석 어셈블리를 지지하는 암을 포함함 - 을 포함하는,
    요동 마그네트론.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 회전가능한 기어는 상기 제 1 암에 회전가능하게 장착되고 상기 고정 기어와 맞물리는 종동 기어를 포함하는,
    요동 마그네트론.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 회전가능한 기어는 상기 고정 기어와 상기 종동 기어 사이에서 맞물린 적어도 하나의 유동 기어(idler gear)를 부가적으로 포함하는,
    요동 마그네트론.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유성 스캐닝 메카니즘은 두 개의 유성 단계(planetary stage)들과 상기 암들 중 세 개를 포함하는, 요동 마그네트론.
  9. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 샤프트를 구동시키는 가변 속도 모터; 및
    상기 중심 축으로부터 상기 자석 어셈블리의 방사상 변위에 따라 상기 가변 속도 모터의 속도를 변화시키는 가변 속도 모터용 제어기를 더 포함하는,
    요동 마그네트론.
  10. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력을 상기 타겟에 공급하기 위한 가변 전력 공급기; 및
    상기 중심 축으로부터 상기 자석 어셈블리의 방사형 변위에 따라 상기 전력의 레벨을 변화시키는 상기 전력 공급기용 제어기를 더 포함하는,
    요동 마그네트론.
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 자기 세기는 상기 제 1 자기 세기의 적어도 200%인,
    요동 마그네트론.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석 어셈블리가 둘러싼 면적과 상기 자석 어셈블리에 의해 스캐닝된 상기 타겟의 면적 사이의 면적비는 10%보다 크지 않은,
    요동 마그네트론.
  13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 12 항에 있어서,
    상기 면적비는 2%보다 작은,
    요동 마그네트론.
  14. 스퍼터링 타겟과 함께 사용되도록 구성된 회전 마그네트론으로서,
    평면으로 배치된 다수의 반대되는 자기 극들을 갖는 자석 어셈블리; 및
    제 1 샤프트에 의해 적어도 부분적으로 지지되고 회전되는 유성 메커니즘 - 상기 제 1 샤프트는 상기 평면에 수직인 중심 축을 따라 연장하고, 상기 중심 축을 상기 자석 어셈블리의 자기 부분이 통과하는 경로로 유성 운동을 수행하기 위한 위치에 상기 자석 어셈블리를 장착시킴 - 을 포함하며,
    상기 유성 메카니즘은,
    (1) 상기 중심 축을 중심으로 배치되고, 방사형으로 외측부에 이빨을 구비하는 제 1 기어,
    (2) 상기 제 1 기어로부터 외부를 향해 방사형으로 놓여진 종동(follower) 축 주위로 회전 가능하고, 상기 제 1 기어의 이빨에 직접적으로 또는 간접적으로 맞물리는 종동 기어, 및
    (3) 상기 자석 어셈블리를 장착시키고, 상기 종동 기어에 맞물리는 부재를 포함하는,
    회전 마그네트론.
  15. 청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 14 항에 있어서,
    상기 부재는,
    상기 종동 축에 대해 상기 자석 어셈블리의 맞은 편에 상기 부재의 일부분에 장착된 평형추(counterbalance)를 더 장착시키고, 상기 종동 축을 중심으로 회전할 때 상기 자석 어셈블리를 평형 맞추는,
    회전 마그네트론.
  16. 삭제
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  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 유성 메커니즘은,
    상기 제 1 샤프트에 고정되고, 상기 제 1 샤프트에 의해 회전되는 구동 부재;
    상기 구동 부재에 의해 회전가능하게 지지되고, 상기 제 1 기어의 이빨에 맞물리는 유동 기어(idle gear) - 상기 종동 기어는, 상기 구동 부재에 의해 회전가능하게 지지되고, 상기 유동 기어와 맞물림 - ; 및
    상기 종동 기어와 함께 회전하고 상기 자석 어셈블리를 지지하는 지지 플레이트를 더 포함하는,
    회전 마그네트론.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 기어는 회전가능한,
    회전 마그네트론.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 기어는 고정된,
    회전 마그네트론.
  23. 청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 기어와 상기 종동 기어 사이의 기어 비율은 정수가 아닌,
    회전 마그네트론.
  24. 삭제
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 유동 기어와 상기 종동 기어는 상기 구동 부재의 제 1 면(side)에 배치되고, 상기 지지 플레이트는 상기 구동 부재의 제 2 면(side)에 배치되는,
    회전 마그네트론.
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  34. 마그네트론 스퍼터 반응기에서 중심 축을 중심으로 대칭인 스퍼터링 타겟과 함께 사용되도록 구성된 2-단계(two-stage) 유성 마그네트론으로서,
    상기 중심 축을 중심으로 배치된 제 1 고정 기어;
    상기 제 1 고정 기어를 관통하는 구동 샤프트;
    상기 구동 샤프트에 부착된 제 1 암;
    제 1 축을 따라 연장하는 제 1 기어 샤프트를 통해 상기 제 1 암 상에서 회전가능하게 지지되고 상기 제 1 고정 기어와 기어식으로 맞물린 제 1 종동 기어;
    상기 제 1 암에 고정되고 상기 제 1 축을 중심으로 배치된 제 2 고정 기어;
    상기 제 1 기어 샤프트에 부착된 제 2 암;
    제 2 축을 따라 연장하는 제 2 기어 샤프트를 통해 상기 제 1 암 상에서 회전가능하게 지지되고 상기 제 2 고정 기어와 기어식으로 맞물린 제 2 종동 기어;
    상기 제 2 기어 샤프트에 부착된 제 3 암; 및
    상기 제 3 암에 부착된 자석 어셈블리를 포함하는,
    2-단계 유성 마그네트론.
  35. 청구항 35은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 34 항에 있어서,
    상기 자석 어셈블리는,
    상기 중심 축을 따라 제 1 자기 극성과 제 1 전체 자기 세기를 갖는 내부 자기 극; 및
    상기 내부 자기 극을 둘러싸고 상기 제 1 자기 극성과 반대되는 제 2 자기 극성을 가지며 상기 제 1 자기 세기의 적어도 200%인 제 2 전체 자기 세기를 갖는 외부 자기 극을 포함하는,
    2-단계 유성 마그네트론.
  36. 청구항 36은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 34 항 또는 제 35 항에 있어서,
    상기 자석 어셈블리가 둘러싼 면적과 상기 자석 어셈블리에 의해 스캐닝된 상기 타겟의 면적 사이의 면적비는 10%보다 크지 않은,
    2-단계 유성 마그네트론.
  37. 청구항 37은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 36 항에 있어서,
    상기 면적비는 2%보다 작은,
    2-단계 유성 마그네트론.
  38. 삭제
  39. 중심 축을 중심으로 배치된 타겟;
    스퍼터될 상기 타겟과 마주하고 상기 타겟으로부터의 재료로 코팅될 기판을 지지하기 위한 받침대; 및
    상기 받침대의 반대쪽 상기 타겟의 면 상에 위치한 유성 메커니즘을 포함하며,
    상기 유성 메커니즘은,
    상기 중심 축을 중심으로 배치된 고정된 제 1 휠,
    상기 중심 축을 중심으로 회전하고, 상기 제 1 휠과 맞물린 제 2 휠을 상기 제 1 휠의 외부의 한 지점에서 회전가능하게 지지하는 제 1 암,
    상기 제 2 휠에 고정된 제 2 암, 및
    상기 제 2 암에 고정된 자석 어셈블리를 포함하는,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 암들은 상기 자석 어셈블리가 상기 중심 축을 통과하는 크기들을 가질 수 있는,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  41. 제 39 항 또는 제 40 항에 있어서,
    상기 제 1 휠과 상기 제 2 휠은 서로 직접적으로 또는 간접적으로 맞물린 기어들인,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  42. 제 39 항 또는 제 40 항에 있어서,
    상기 자석 어셈블리는,
    상기 중심 축을 따라 제 1 자기 극성의 내부 극과 제 1 전체 자기 세기를 갖는 내부 극, 및
    상기 제 1 자기 극성에 반대인 제 2 자기 극성과 상기 제 1 전체 자기 세기에 적어도 두 배인 제 2 전체 자기 세기를 가지며, 상기 내부 극을 둘러싸는 외부극을 포함하며,
    상기 제 2 극은 상기 제 2 극의 뒤로 되돌아 오기 전에 상기 받침대를 향해 연장하는 돌출 자기장(projecting magnetic field)을 생성하는,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 중심 축과 동축이고, 상기 받침대를 향해 연장하는 상기 돌출 자기장에 평행한 자기장을 자신의 보어(bore) 내에 생성하는 적어도 하나의 자기 코일을 더 포함하는,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자기 코일은 상기 타겟과 상기 받침대 사이에 축방향으로 위치한 제 1 자기 코일 및 상기 받침대의 상기 타겟 반대쪽에 위치한 제 2 자기 코일을 포함하는,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 제 1 자기 코일의 제 1 보어는 상기 제 2 자기 코일의 제 2 보어의 직경보다 큰 직경을 갖는,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 제 2 보어의 직경은 상기 기판의 직경보다 작은,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  47. 중심 축을 중심으로 배치된 타겟;
    스퍼터 증착될 기판을 지지하기 위한, 상기 타겟과 마주하는 받침대;
    상기 타겟의 상기 받침대 맞은편에 상기 중심 축을 중심으로 스캐닝 가능한 마그네트론 - 상기 마그네트론은, 상기 타겟과 상기 받침대 사이의 공간에서 상기 중심 축을 따라 제 1 방향으로 제 1 자기장을 형성하는 제 1 자기 극성의 내부 극과, 상기 내부 극을 둘러싸고 상기 공간에서 상기 제 1 방향에 반대인 제 2 방향을 따라 제 2 자기장을 형성하는 외부 극을 포함함 - ;
    상기 중심 축을 중심으로 적어도 부분적으로 방사형으로 상기 공간의 외부에 배치되고, 제 1 직경인 제 1 보어를 갖는 제 1 전자기 코일; 및
    상기 받침대의 상기 타겟 반대쪽에 상기 중심 축을 중심으로 배치되고 상기 제 1 직경보다 작은 제 2 직경을 갖는 제 2 보어를 갖는 제 2 전자기 코일을 포함하는,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 제 2 직경은 상기 기판의 직경보다 작은,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  49. 제 47 항에 있어서,
    상기 제 2 직경에 대한 상기 제 1 직경의 비율은 적어도 2.0인,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  50. 제 47 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 보어에서 상기 제 2 방향을 따라 제 3 자기장을 생성하기 위해 상기 제 1 전자기 코일에 전력을 공급하는 제 1 전력 공급기; 및
    상기 제 2 보어에서 상기 제 2 방향을 따라 제 4 자기장을 생성하기 위해 상기 제 2 전자기 코일에 전력을 공급하는 제 2 전력 공급기를 더 포함하는,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  51. 삭제
  52. 제 47 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서,
    에피사이클릭(epicyclic) 경로로 상기 마그네트론의 자석 어셈블리를 스캐닝하기 위한 유성 메커니즘을 더 포함하는,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  53. 중심 축을 중심으로 배치된 타겟;
    상기 타겟을 전기적으로 바이어싱하는 전력 공급기;
    상기 중심 축을 중심으로 에피사이클릭 운동을 실행하고, 상기 중심 축을 따라 연장하는 구동 샤프트에 연결된 제 1 암 및 상기 제 1 암에 의해 회전가능하게 지지되는 제 2 암을 포함하는 유성 메커니즘;
    상기 구동 샤프트를 구동하는 모터;
    상기 제 2 암에 고정된 자석 어셈블리;
    상기 중심 축에 대한 상기 자석 어셈블리의 방사상 위치를 감지하는 위치 센서; 및
    감지된 상기 방사상 위치에 따라서 상기 모터의 회전 속도와 상기 전력 공급기의 전력 레벨 중 적어도 하나를 변화시키는 제어기를 포함하는,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 제어기는 감지된 상기 방사상 위치에 따라서 상기 모터의 회전 속도를 변화시키는,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  55. 제 53 항 또는 제 54 항에 있어서,
    상기 제어기는 감지된 상기 방사상 위치에 따라서 상기 전력 레벨을 변화시키는,
    마그네트론 스퍼터 반응기.
  56. 중심 대칭 축을 갖는 마그네트론 스퍼터 반응기에서 스퍼터링 타겟의 후방 둘레에 마그네트론을 스캐닝하는 단계를 포함하며,
    상기 마그네트론 스캐닝 단계는, 내부 극을 둘러싸고 상기 중심 대칭 축을 따라 제 1 자기 극성을 갖는 외부 극, 및 상기 외부 극이 상기 중심 대칭 축을 횡단하는 경로를 따라 상기 제 1 자기 극성과 반대인 제 2 자기 극성을 갖는 상기 내부 극을 포함하는 자석 어셈블리를 스캐닝하는 단계를 포함하는,
    스퍼터링 방법.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 외부 극의 제 1 전체 자기 세기의 자기 비율은 상기 내부 극의 제 2 전체 자기 세기의 적어도 150%인, 스퍼터링 방법.
  58. 제 57 항에 있어서,
    상기 비율은 3 보다 큰,
    스퍼터링 방법.
  59. 제 56 항 내지 제 58 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스캐닝 단계는 적어도 일-단계 유성 운동으로 상기 자석 어셈블리를 스캐닝하는,
    스퍼터링 방법.
  60. 중심 대칭 축을 갖는 마그네트론 스퍼터 반응기에서 스퍼터링 타겟에 전력을 인가하는 단계;
    상기 스퍼터링 타겟의 후방 둘레의 경로로 마그네트론을 스캐닝하는 단계 - 상기 마그네트론 스캐닝 단계는, 내부 극을 둘러싸고 상기 중심 대칭 축을 따라 제 1 자기 극성을 갖는 외부 극 및 상기 중심 대칭 축으로부터의 이격이 가변하는 경로를 따라 상기 제 1 자기 극성에 반대인 제 2 자기 극성을 갖는 상기 내부 극을 구비하는 자석 어셈블리를 이동시키는 단계를 포함함 - ; 및
    상기 마그네트론이 상기 경로를 따라 스캐닝되는 동안 공급된 상기 전력의 레벨과 상기 자석 어셈블리의 이동 속도 중 적어도 하나를 상기 이격의 함수에 따라 변화시키는 단계를 포함하는,
    스퍼터링 방법.
  61. 제 60 항에 있어서,
    상기 변화시키는 단계는 공급된 상기 전력을 변화시키는,
    스퍼터링 방법.
  62. 제 60 항에 있어서,
    상기 변화시키는 단계는 상기 이동 속도를 제어가능하게 그리고 선택적으로 변화시키는,
    스퍼터링 방법.
  63. 제 60 항 내지 제 62 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그네트론이 이동하는 동안 상기 이격을 감지하는 단계를 더 포함하는,
    스퍼터링 방법.
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Families Citing this family (53)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6306265B1 (en) * 1999-02-12 2001-10-23 Applied Materials, Inc. High-density plasma for ionized metal deposition capable of exciting a plasma wave
US8696875B2 (en) 1999-10-08 2014-04-15 Applied Materials, Inc. Self-ionized and inductively-coupled plasma for sputtering and resputtering
US10047430B2 (en) 1999-10-08 2018-08-14 Applied Materials, Inc. Self-ionized and inductively-coupled plasma for sputtering and resputtering
US6841050B2 (en) * 2002-05-21 2005-01-11 Applied Materials, Inc. Small planetary magnetron
US7504006B2 (en) * 2002-08-01 2009-03-17 Applied Materials, Inc. Self-ionized and capacitively-coupled plasma for sputtering and resputtering
WO2004104262A1 (ja) * 2003-05-26 2004-12-02 Shinmaywa Industries, Ltd. 成膜装置及び成膜方法
US9771648B2 (en) 2004-08-13 2017-09-26 Zond, Inc. Method of ionized physical vapor deposition sputter coating high aspect-ratio structures
US20050103620A1 (en) * 2003-11-19 2005-05-19 Zond, Inc. Plasma source with segmented magnetron cathode
JP4541014B2 (ja) 2004-01-13 2010-09-08 キヤノンアネルバ株式会社 プラズマ支援スパッタ成膜装置
US7018515B2 (en) * 2004-03-24 2006-03-28 Applied Materials, Inc. Selectable dual position magnetron
US7321140B2 (en) * 2005-03-11 2008-01-22 Applied Materials, Inc. Magnetron sputtered metallization of a nickel silicon alloy, especially useful as solder bump barrier
US20070051622A1 (en) * 2005-09-02 2007-03-08 Applied Materials, Inc. Simultaneous ion milling and sputter deposition
US8021527B2 (en) * 2005-09-14 2011-09-20 Applied Materials, Inc. Coaxial shafts for radial positioning of rotating magnetron
US9127362B2 (en) 2005-10-31 2015-09-08 Applied Materials, Inc. Process kit and target for substrate processing chamber
US8647484B2 (en) * 2005-11-25 2014-02-11 Applied Materials, Inc. Target for sputtering chamber
US20080296142A1 (en) * 2007-05-29 2008-12-04 Hien-Minh Huu Le Swinging magnets to improve target utilization
US8968536B2 (en) * 2007-06-18 2015-03-03 Applied Materials, Inc. Sputtering target having increased life and sputtering uniformity
US8691064B2 (en) * 2007-07-09 2014-04-08 Raytheon Canada Limited Sputter-enhanced evaporative deposition apparatus and method
US7901552B2 (en) 2007-10-05 2011-03-08 Applied Materials, Inc. Sputtering target with grooves and intersecting channels
US8114256B2 (en) * 2007-11-30 2012-02-14 Applied Materials, Inc. Control of arbitrary scan path of a rotating magnetron
WO2009072081A1 (en) * 2007-12-07 2009-06-11 Oc Oerlikon Balzers Ag A method of magnetron sputtering and a method for determining a power modulation compensation function for a power supply applied to a magnetron sputtering source
US8133360B2 (en) 2007-12-20 2012-03-13 Applied Materials, Inc. Prediction and compensation of erosion in a magnetron sputtering target
US9856558B2 (en) * 2008-03-14 2018-01-02 Applied Materials, Inc. Physical vapor deposition method with a source of isotropic ion velocity distribution at the wafer surface
US8137517B1 (en) 2009-02-10 2012-03-20 Wd Media, Inc. Dual position DC magnetron assembly
CN101994092B (zh) * 2009-08-28 2012-10-31 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 磁控管装置
US20110220494A1 (en) * 2010-03-11 2011-09-15 Peijun Ding Methods and apparatus for magnetron metallization for semiconductor fabrication
JP2012001761A (ja) * 2010-06-16 2012-01-05 Ulvac Japan Ltd 成膜装置及び成膜方法
US9109289B2 (en) 2011-06-27 2015-08-18 United Technologies Corporation Manipulator for coating application
CN102994966B (zh) * 2011-09-16 2015-02-25 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 扫描机构、磁控源和磁控溅射设备
US8685214B1 (en) 2011-09-30 2014-04-01 WD Media, LLC Magnetic shunting pads for optimizing target erosion in sputtering processes
CN103184420B (zh) * 2011-12-28 2014-12-17 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 用于驱动磁控管的扫描机构、磁控源和磁控溅射设备
US8674327B1 (en) 2012-05-10 2014-03-18 WD Media, LLC Systems and methods for uniformly implanting materials on substrates using directed magnetic fields
US9305754B2 (en) * 2012-07-06 2016-04-05 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Magnet module having epicyclic gearing system and method of use
DE102012107163A1 (de) * 2012-08-03 2014-05-15 INI Coatings Ltd. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mittels Hochenergieimpulsmagnetronsputtern
CN104746027A (zh) * 2013-12-29 2015-07-01 北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司 磁控组件和磁控溅射设备
JP6265534B2 (ja) * 2014-03-04 2018-01-24 株式会社アルバック スパッタリングカソード
KR102299128B1 (ko) * 2014-04-28 2021-09-08 스퍼터링 컴포넌츠 인코포레이티드 스퍼터링 장치
FR3041426B1 (fr) * 2015-09-18 2019-03-22 Continental Automotive France Procede de calibration automatique d'un capteur d'arbre a cames pour moteur de vehicule automobile
DE102015221211A1 (de) 2015-10-29 2015-12-24 Carl Zeiss Smt Gmbh Beschichtungsvorrichtung und beschichtungsverfahren
US10312065B2 (en) * 2016-07-20 2019-06-04 Applied Materials, Inc. Physical vapor deposition (PVD) plasma energy control per dynamic magnetron control
CN108950499B (zh) * 2017-05-18 2023-10-13 北京北方华创微电子装备有限公司 磁控管旋转结构、磁控管组件及反应腔室
US11189472B2 (en) * 2017-07-17 2021-11-30 Applied Materials, Inc. Cathode assembly having a dual position magnetron and centrally fed coolant
US10504705B2 (en) * 2017-09-15 2019-12-10 Applied Materials, Inc. Physical vapor deposition chamber with static magnet assembly and methods of sputtering
WO2019058163A2 (en) * 2017-09-20 2019-03-28 C4E Technology Gmbh METHOD AND DEVICE FOR REALIZING A DEPOSITION PROCESS ON THE EXTERNAL SIDE AND / OR THE INTERNAL SIDE OF A BODY
TWI773904B (zh) 2018-06-19 2022-08-11 美商應用材料股份有限公司 具有多陰極的沉積系統
CN111816537B (zh) * 2019-04-12 2023-06-16 北京北方华创微电子装备有限公司 磁控管驱动机构、工艺腔室和半导体处理设备
US11295938B2 (en) 2020-06-30 2022-04-05 Applied Materials, Inc. Multi-radius magnetron for physical vapor deposition (PVD) and methods of use thereof
JP2022013386A (ja) * 2020-07-03 2022-01-18 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 スパッタ装置およびスパッタ方法
CN111859569A (zh) * 2020-07-20 2020-10-30 兰州理工大学 一种基于齿面拓扑结构的非圆齿轮动态接触特性分析方法
US11846013B2 (en) 2020-07-31 2023-12-19 Applied Materials, Inc. Methods and apparatus for extended chamber for through silicon via deposition
KR102631073B1 (ko) * 2021-01-13 2024-01-30 에이피시스템 주식회사 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법
CN113187865B (zh) * 2021-05-24 2024-02-23 中国科学院合肥物质科学研究院 一种用于推进任务的惰轮惯性动力装置
CN114774872B (zh) * 2022-04-29 2023-09-08 北京北方华创微电子装备有限公司 磁控管装置及磁控溅射设备

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1030180A (ja) 1996-04-10 1998-02-03 Applied Materials Inc マグネトロンソース及びプラズマ処理システム

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3047113A1 (de) 1980-12-13 1982-07-29 Leybold-Heraeus GmbH, 5000 Köln Katodenanordnung und regelverfahren fuer katodenzerstaeubungsanlagen mit einem magnetsystem zur erhoehung der zerstaeubungsrate
US4444643A (en) 1982-09-03 1984-04-24 Gartek Systems, Inc. Planar magnetron sputtering device
US4714536A (en) 1985-08-26 1987-12-22 Varian Associates, Inc. Planar magnetron sputtering device with combined circumferential and radial movement of magnetic fields
US4853102A (en) * 1987-01-07 1989-08-01 Hitachi, Ltd. Sputtering process and an apparatus for carrying out the same
GB8909747D0 (en) 1989-04-27 1989-06-14 Ionic Coatings Limited Sputtering apparatus
US5126029A (en) 1990-12-27 1992-06-30 Intel Corporation Apparatus and method for achieving via step coverage symmetry
JPH051373A (ja) 1991-03-25 1993-01-08 Shin Meiwa Ind Co Ltd スパツタリング装置
US5188717A (en) 1991-09-12 1993-02-23 Novellus Systems, Inc. Sweeping method and magnet track apparatus for magnetron sputtering
JPH07226398A (ja) * 1994-02-10 1995-08-22 Fujitsu Ltd ターゲットのスパッタ方法およびクリーニング方法
JP3935231B2 (ja) 1996-09-18 2007-06-20 キヤノンアネルバ株式会社 スパッタリング装置
US6183614B1 (en) * 1999-02-12 2001-02-06 Applied Materials, Inc. Rotating sputter magnetron assembly
JP2000282234A (ja) * 1999-03-31 2000-10-10 Shibaura Mechatronics Corp スパッタリング装置
DE69937948D1 (de) 1999-06-21 2008-02-21 Bekaert Advanced Coatings N V Magnetron mit beweglicher Magnetanordnung zur Kompensation des Erosionsprofils

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1030180A (ja) 1996-04-10 1998-02-03 Applied Materials Inc マグネトロンソース及びプラズマ処理システム

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Publication number Publication date
EP1506565A1 (en) 2005-02-16
US6852202B2 (en) 2005-02-08
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