TW201425629A - 磁控管以及磁控濺射設備 - Google Patents

Abstract

提供一種包括磁控管的磁控濺射設備。所述磁控管包括支撐板以及磁體，所述磁體設置成從垂直於所述支撐板的表面的旋轉中心軸線朝向邊緣擴展的螺旋形狀。所述磁體被劃分為多個扇形區，且在相應的扇形區中以均等間隔形成弧，以及所述多個扇形區中的僅一者的中心位於所述旋轉中心軸線上，且中心位於所述旋轉中心軸線上的扇形的中心角小於180度。

Description

磁控管以及磁控濺射設備 【相關申請案的交叉參考】

本申請案根據35 U.S.C.§119主張2012年12月20日申請的第10-2012-0149638號韓國專利申請案的優先權以及從其得到的所有權益，所述韓國專利申請案的內容以全文引用的方式併入本文中。

本發明涉及磁控管以及包括磁控管的磁控濺射設備，且更明確地說，其涉及能夠透過修改設置於某回轉半徑和磁控濺射設備中的磁體的結構來提高使用標靶(target)的效率的磁控管。

一般來說，薄膜濺射沉積方法透過使用標靶材料來形成薄膜，而標靶材料是由於透過產生等離子體而獲得且與具有高能量的離子的碰撞而濺射開的，所述方法實際上一般應用於半導體裝置的技術。

取決於使用濺射沉積設備的目的，已以各種形式開發出 濺射沉積設備的結構。然而，仍在努力提高其產量。濺射沉積設備是用於透過使用電容性低溫等離子體來製造薄膜的設備，其中最佳地維持氣壓以允許良好地執行離子化，且正和負兩極被安裝在真空容器中，且直流(direct current，DC)或交流(alternating current，AC)電壓施加到兩端的電極以產生等離子體。

作為常識，存在於等離子體中的帶正電的離子被吸引到陰極，且相比之下，帶負電的離子沖向陽極。在此狀況下，由於較大且具有較高的電能，在與負標靶的表面碰撞的時刻，帶正電的離子可允許將標靶材料濺射開以沉積到面向所濺射的標靶材料的正基板上。

另一方面，存在於等離子體中的帶負電的離子沖向正基板而非標靶，進而使得薄膜難以沉積在正基板上，這被稱作再濺射現象。當將磁場施加到所產生的等離子體時，可將洛倫茲力(Lorentz force)施加到等離子體中的電子，且隨後可根據附接到用於濺射的標靶背後的磁體的配置而獲得所要的等離子體密度散佈。這被稱作磁控濺射。因此，磁控濺射可防止再濺射且可提高等離子體密度。

一般來說，磁控濺射是一種透過將電場和磁場施加到標靶而提高標靶周圍的離子化速率從而提高濺射速率的物理氣相沉積法，且一般由於所沉積的薄膜的優良控制、表面美感和高密度而使用。

當施加電場和磁場以將磁控管放電時，從標靶釋放的電 子會在由於所施加的電場和磁場以及所放電的電子的速度而盤旋並跳躍的同時連接到標靶的表面的某部分。離子化速率在電子局部集中的區域中會提高，進而提高濺射速率。因此，為了開發出高效率磁控管沉積源，有必要控制電池和磁場，且更明確地說，控制磁場較為重要。

舉例來說，在美國專利第6,228,236號(頒發給羅森斯坦等人)、美國專利第6,183,614號(頒發給付)、美國專利第4,995,958號(頒發給安德森等人)、日本專利早期公開案第hei 8-74051號、日本專利早期公開案第hei 9-310174號以及韓國專利公開申請案第10-1998-0065920號中揭露了如上所述的使用磁場的濺射技術。

作為一種形成磁場的方法，將具有正極和負極的磁體設置在使用磁性金屬製造的一個支撐基板上。極性在朝向標靶的方向上指定極性。相應的極性以某間隔成線性形狀而設置。當具有一個極磁體的設置完全環繞另一極磁體的設置的結構時，電子和離子被限制在鄰近於標靶的表面的區域中，且密度提高，進而提高濺射效率。而且，由於密集地蝕刻標靶是發生在以某間隔成線性形式而設置的正極與負極之間的中間部分中，所以為了提高使用標靶的效率且為了提供沉積膜的厚度的均勻性，有必要優化正極和負極的設置。

為了提高濺射效率，根據美國專利第6,228,236號中所揭露的濺射設備的磁控管的形狀，所述磁控管具有外部磁體非對稱地環繞內部磁體的結構。使用具有雙重結構(其中兩個圓形結構 彼此組合)的磁控管的濺射設備會提供對洛倫茲效應的相對良好的補償。然而，必須有過高的腔室壓力來維持等離子體，且由於較強的局部蝕刻而以一種方式在標靶中形成較深的非對稱谷，以致於蝕刻標靶的均勻性尚未達到理想的均勻性，且使用標靶的效率較低。

因此，有必要提供一種透過修改正極和負極的設置來提高使用標靶的效率同時會克服如上所述的侷限的新方法。

本發明提供一種磁控濺射設備，其能夠透過將待用於磁控管中的磁體設置在距標靶的中心小於180度的半徑內，且更優選地90度的半徑內，而延長作為用於濺射的材料的標靶的使用壽命。

根據示範性實施例，一種磁控管包括支撐板以及磁體，所述磁體設置成從垂直於所述支撐板的表面的旋轉中心軸線朝向邊緣擴展的螺旋形狀。所述磁體被劃分為多個扇形區，且在相應的扇形區內以均等間隔形成弧，且所述多個扇形區中的僅一者的中心位於所述旋轉中心軸線上，且中心位於所述旋轉中心軸線上的扇形的中心角小於180度。

根據另一示範性實施例，一種磁控管包括支撐板以及磁體，所述磁體設置成從垂直於所述支撐板的表面的旋轉中心軸線朝向邊緣擴展的螺旋形狀。所述磁體被劃分為中心角是90度的四 個扇形區，且在相應的扇形區內以均等間隔形成弧，且所述四個扇形區中的僅一者的中心位於所述旋轉中心軸線上。

所述支撐板可為磁性金屬板。

所述磁性金屬板可由馬氏體不銹鋼(Martensitic stainless steel)所形成。

所述磁體可按照一種方式設置，使得一對第一磁體和第二磁體交替地環繞旋轉中心軸線，且間隙可形成在第一磁體與第二磁體之間以將第一磁體和第二磁體彼此分離。

所述第一磁體可位於最外部分中。

所述第一磁體和所述第二磁體可為具有相同寬度的帶。

第一磁體的一端可設置在最外部分處，同時環繞第二磁體的最外端，其中間隙將第一磁體與第二磁體分離。

所述第一磁體可為正極且所述第二磁體可為負極。

所述旋轉中心軸線可位於所述第一磁體和所述第二磁體中的一者的內端上。

所述間隙可形成為具有螺旋環狀的閉合軌道。

所述軌道可經過自身四次或四次以上。

所述軌道可被劃分為多個扇形區，在相應的扇形區內以均等間隔形成弧，且所述多個扇形區中的僅一者的中心可位於所述旋轉中心軸線上。

所述相應的扇形區可具有不同的中心，且在相應的扇形區中以均等間隔形成弧的磁體可設置成切向地連接到鄰近的扇形 區中的磁體。

所述相應的扇形區可具有不同的中心，且在相應的扇形區中具有均等間隔的弧可為分別將所述中心作為其中心點的同心弧。

根據另一示範性實施例，一種磁控濺射設備包括在腔室中支撐基板的支撐單元，面向所述支撐單元而安裝的標靶單元，以及位於所述標靶單元後方且經配置以圍繞所述標靶單元的中心而旋轉的磁控管。所述磁控管包括如上所述的特徵。

所述標靶單元可包括將沉積材料提供給基板的標靶以及在所述標靶的後表面上設置的背板。

100‧‧‧腔室

110‧‧‧支撐單元

101‧‧‧基板

121‧‧‧標靶

122‧‧‧背板

130‧‧‧標靶單元

140‧‧‧電力供應源

150‧‧‧磁控管

151‧‧‧第一磁體

152‧‧‧第二磁體

153‧‧‧間隙

透過結合附圖進行的以下描述，可更詳細地理解示範性實施例。

圖1是說明根據示範性實施例的磁控濺射設備的視圖。

圖2是說明根據示範性實施例的磁控管的視圖。

圖3是說明圖2的磁控管的每一區域的中心點的視圖。

圖4是說明透過圖2的磁控管而提高的使用標靶的效率的視圖。

下文中，將參考附圖詳細地描述本發明的實施例。相同 的參考數位指相同的元件。

圖1是說明根據示範性實施例的磁控濺射設備的視圖。

參照圖1，所述設備包括在其中執行沉積技術的腔室100，在腔室100中支撐基板101的支撐單元110，安裝成與支撐單元110相對的標靶單元130，將電力供應到標靶單元130以在腔室100中產生等離子體的電力供應源140，以及位於標靶單元130的後方且經配置以圍繞標靶單元130的中心而旋轉的磁控管150。

所述標靶單元130包括透過濺射而提供將沉積在基板101的表面上的材料的標靶121以及背板122。標靶單元130設置成與基板101相對且平行。在此狀況下，背板122可由具有相對較高的導熱率的銅或其他適當材料形成，且可透過使用例如焊接等各種方法而附接到標靶121的頂表面。直流(DC)或交流(AC)電力透過電力供應源140而施加到背板122。包括背板122和標靶121的標靶單元130可充當設備的電極。

而且，根據所述設備，磁控管150位於標靶單元130上方以作為磁場產生單元，從而形成遍及標靶121的整個表面的閉環磁場。磁控管150包括設置成從垂直於與標靶單元130相對的平面的旋轉中心軸線朝向邊緣擴展開的螺旋形狀的磁體。

圖2是說明磁控管150的視圖。參照圖2，磁控管150包括支撐板以及磁體151和152，磁體151和152設置成從垂直於所述支撐板的表面的旋轉中心軸線朝向其邊緣擴展開的螺旋形狀。磁體151和152存在於支撐板的表面上，且被劃分為四個虛 擬扇形區，所述扇形區的中心角是90度。在所述扇形區中的每一者中，磁體151和152以均等間隔形成同心圓弧。四個扇形區中的僅一者的中心設置成位於旋轉中心軸線上。另一方面，在磁控管150的狀況下，螺旋形磁體151和152在中心位於旋轉中心軸線上的一個扇形區中形成至少五個軌道。

由於形成軌道的螺旋形磁體設置，在正極與負極之間的中間部分中密集地蝕刻標靶121。因此，在標靶21的表面上展示由此產生且具有軌道形狀的蝕刻谷。當具有軌道形狀的蝕刻谷的深度達到標靶121的深度時，則標靶121的使用壽命結束，且必須更換標靶121。

磁體151和磁體152變為整個閉合磁場，透過磁場中的洛倫茲力(Lorentz force)來抓取帶電粒子的效果會提高，並更提高等離子體中的離子或活性物質的密度，進而更提高蝕刻速率。

具有相互不同的極性的一對磁體151和152可包括第一磁體151和第二磁體152。所述第一磁體151可具有正極性且所述第二磁體152可具有負極性。在此狀況下，第一磁體151和第二磁體152的極性指定在第一磁體151和第二磁體152的前部處所示的極性，其朝向標靶單元130延伸。而且，所述第一磁體151和所述第二磁體152可形成為具有相同寬度的帶。

更詳細地說，根據示範性實施例，支撐板是由磁性金屬板形成。所述第一磁體151和所述第二磁體152經配置以將具有較小柱形狀(例如，圓柱形形狀)且具有相同極性的磁體元件進 行分組。在形成第一磁體151和第二磁體152的所分組的磁體元件上，定位著具有帶狀的將多個所分組的磁體元件彼此連接的第一磁性金屬板和第二磁性金屬板。也就是說，所述第一磁體151和所述第二磁體152與一個支撐板接觸且固定到所述支撐板。朝向標靶121延伸的第一磁體151的正極全部連接到具有螺旋形狀的第一磁性金屬板。朝向標靶121延伸的第二磁體152的負極全部連接到具有螺旋形狀的第二磁性金屬板。另一方面，支撐板以及將正極和負極彼此連接的第一磁性金屬板和第二磁性金屬板可透過使用馬氏體不銹鋼(Martensitic stainless steel)，例如是SUS420J1和SUS420J2來製造。馬氏體不銹鋼為有磁性的且含有鉻(12-14%)，鉬(0.2-1%)，鎳(少於2%)和碳(約0.1-1%)。

而且，如圖2所示的第一磁體151和第二磁體152交替地繞旋轉中心軸線回轉而設置，其中第一磁體151位於最外部分中，且第二磁體152位於其中。另一方面，第一磁體151的一端可設置在最外部分處，同時環繞第二磁體152的最外端，其中間隙153將第一磁體151和第二磁體152彼此分離。

所述間隙153可形成為具有螺旋環狀的閉合軌道。所述軌道被劃分為多個扇形區，且以一種方式在相應的扇形區中以均等間隔形成弧，使得所述多個扇形區中的僅一者的中心可位於所述旋轉中心軸線上，且可經過自身四次或四次以上，進而相對於旋轉中心軸線形成五個或五個以上多重軌道。所述軌道以螺旋環狀佈置，從而允許作為維持等離子體的有效方法來提供閉合漂移 電流環。

如上所述，設置於所述設備中的磁體151和152被劃分為四個虛擬扇形區，所述扇形區的中心角是90度。相應的扇形區具有不同的中心。在相應的扇形區中以均等間隔形成弧的磁體151和152設置成切向地連接到以均等間距位於鄰近的扇形區中的弧。另一方面，所述相應的扇形區具有不同的中心，且在相應的扇形區中具有均等間隔的弧形成同心弧，所述同心弧的中心點是相應區的中心點。

詳細而言，如圖3所示，磁控管150被劃分為具有扇形的第一區域到第四區域，所述區域的中心角是90度，其中所有區域中的正極與負極之間的間隔是均等的，磁體151和152設置成相應的扇形區中的弧，除了第一區域、第二區域、第三區域和第四區域可經設置以允許具有不同半徑的弧切向地彼此連接，當第一區域的中心點的座標是(0,0)時，磁體151和152可按照一種方式來設置，使得第二區域具有朝向第三區域相對於旋轉中心軸線移位距離‘a’的點作為座標為(a,0)的中心點且得以形成多個同心弧，第三區域具有向右相對於旋轉中心軸線移位距離‘a’且朝向第四區域移位元距離‘b’的點作為座標為(a,b)的中心點且得以形成多個同心弧，且第四區域具有相對於所述中心點向下移位距離‘b’的點作為座標為(0,b)的中心點得以形成且多個同心弧。在此狀況下，在第一到第四區域中以不同中心點形成的多個同心弧可相互連接，從而形成緩和切線。當透過使用上文所描述 的方法而劃分為具有90度的中心角的四個扇形區時，因為相應區域的鄰近部分可簡單地連接為切線，所以磁體151和152可設置成簡單配置，而不具有設置磁體所需的複雜設計過程。

然而，因為透過將磁體151和152設置在位於磁控管150的旋轉中心上的區域中，由於磁控管150的旋轉而會密集地蝕刻扇形區的中心，進而形成軌道狀蝕刻谷，所以由於中心位於旋轉中心上的扇形的中心角較小，所以可更提高使用標靶121的效率。然而，在此狀況下，難以提供沉積膜的厚度的均勻性。

在此狀況下，作為確定第一區域到第四區域的中心點的定位參數的‘a’和‘b’可透過考慮到對沉積的均勻性、腔室100內的環境以及磁控管150的旋轉的影響來改變自身的值而得到優化，其中‘a’+‘b’是軌道之間的間隔的迴圈。優選的是，‘a’和‘b’是在滿足‘a’+‘b’=42.8毫米的範圍內得以選擇，且磁體151和152設置在第二、第三和第四區域中。當‘a’=‘b’=21.4毫米時，第二區域、第三區域和第四區域可被等分。

而且，當應用四個以上區域時，可更減小中心成為磁控管150的旋轉中心的扇形的中心角。優選的是，可透過將扇形的中心角減小到60度以下來提高使用標靶121的效率。另一方面，當選擇具有某半徑的旋轉角時，必須連同使用標靶121的效率的提高一起考慮所沉積的膜的均勻性以及磁控管150的設計方面。

一般來說，用於沉積金屬層或各種類型的無機膜的濺射設備需要磁控管裝置來提高整個標靶區域中所產生的等離子體的 密度。磁控管裝置設置在標靶的後表面上。由磁控管產生的磁場允許圍繞標靶的前表面而產生的等離子體中的電子集中在鄰近於標靶表面的區域上，進而更提高等離子體的密度。由於上文所描述的效應，可更提高透過濺射來沉積材料的速率。

在此狀況下，根據設置磁控管的正極和負極的形狀來確定標靶的表面的蝕刻形狀，且使用標靶的效率得到提高，從而均勻地蝕刻標靶的整個表面。另一方面，從標靶蝕刻的標靶材料確定沉積在基板上的標靶材料的沉積厚度的均勻性。因此，磁控管的正極和負極的配置能夠透過均勻地蝕刻標靶材料而同時提供沉積在基板上的材料的厚度的均勻性以及最大化使用標靶的效率。

隨後，由正極和負極形成的磁體設置在磁控管中，同時被劃分為四個扇形區，所述扇形區的中心角是90度。四個扇形區中的僅一個扇形的中心將與磁控管的旋轉中心軸線一致。四個扇形區的相應磁體被設置成以均等間隔彼此分離，從而允許作為同心弧的相應扇形區的中心點允許所有弧切向地連接，進而提高使用標靶的效率且提供將沉積在基板上的膜的厚度的均勻性。

因此，在包括根據示範性實施例的磁控管的濺射設備中，磁體以90度範圍內的某半徑設置在透過另外安裝的電動機而旋轉的磁控管中，進而大幅減小標靶的蝕刻圖案的深度。270度範圍內的另一區域是用於形成閉合結構的螺旋連接部分，且擴大由270度範圍內的另一區域形成的蝕刻谷的寬度。濺射蝕刻圖案由於具有如上所述而佈置的磁體的磁控管的旋轉而彼此交叉，進而更 提高使用標靶的效率。

在根據示範性實施例的磁控管中，改變了設置磁體的配置以減少如圖4所示的標靶的局部蝕刻的深度的相當大的部分，進而提高使用標靶的效率。圖4中的(a)是說明透過包括佈置成具有180度範圍內的某半徑的同心弧(即，四個區域中的兩者)的磁體的磁控管來蝕刻標靶121的狀態的視圖。圖4中的(b)是說明透過包括佈置成具有90度範圍內的某半徑的同心弧(即，四個區域中的一者)的磁體的磁控管來蝕刻標靶121的狀態的視圖。參照圖4，可知曉，當使用根據示範性實施例的磁控管時，可顯著地提高使用設置在背板122上的標靶121的效率。

另一方面，具有等同于磁控管的旋轉中心的中心的弧區域的中心角沒有必要是90度，即，如上文所描述的示範性實施例中的四個區域中的一者。沒有必要將整體劃分為四個區域。同心弧處於磁控管的整個區域的一部分中。在其他狀況下，磁體未設置成同心弧。優選的是，根據另一實施例的磁控管包括支撐板以及磁體，所述磁體設置成從垂直於所述支撐板的表面的旋轉中心軸線朝向邊緣擴展的螺旋形狀。所述磁體被劃分為多個扇形區。所述磁體在相應的扇形區中以均等間距形成弧。所述多個扇形區中的僅一者的中心被允許位於旋轉中心軸線上。中心位於旋轉中心軸線上的扇形的中心角被允許小於180度。為了透過減小標靶蝕刻圖案的深度來更提高使用標靶的效率，更優選的是，第一區域中的扇形的中心角可小於60度。另一方面，可考慮到使用標靶 的效率的提高、提供所沉積膜的均勻性以及磁控管的設計方面，來確定具有以均等間隔分離的同心弧的第一區域的中心角。

根據一個或一個以上實施例，一種磁控濺射設備，其中磁體以距磁控管的旋轉中心軸線均等的間距佈置成同心弧，四個區域中的僅一者具有中心角是90度的扇形，進而透過均勻地蝕刻標靶材料而提供沉積在基板上的材料的厚度的均勻性，同時提高使用標靶的效率。

而且，透過提高使用標靶的效率，減少了高價的所使用標靶的量，進而降低了製造成本且延長了更換標靶的迴圈，從而延長了所述設備的操作時間的週期。因此，所述設備的生產力會提高。

雖然磁控管和磁控濺射設備已參考特定實施例予以描述，但不限於此。因此，本領域的具有通常知識者將容易理解，在不脫離由所附申請專利範圍界定的本發明的精神和範圍的情況下，可對本發明作出各種修改和改變。

150‧‧‧磁控管

151‧‧‧第一磁體

152‧‧‧第二磁體

153‧‧‧間隙

Claims (17)

1. 一種磁控管，包括：支撐板；以及磁體，設置成從垂直於所述支撐板的表面的旋轉中心軸線朝向邊緣擴展的螺旋形狀，其中所述磁體被劃分為多個扇形區，且在相應的扇形區內以均等間隔形成弧，以及其中所述多個扇形區中的僅一者的中心位於所述旋轉中心軸線上，且中心位於所述旋轉中心軸線上的所述扇形區的中心角小於180度。
2. 一種磁控管，包括：支撐板；以及磁體，設置成從垂直於所述支撐板的表面的旋轉中心軸線朝向邊緣擴展的螺旋形狀，其中所述磁體被劃分為中心角是90度的四個扇形區，且在相應的扇形區內以均等間隔形成弧，以及其中所述四個扇形區中的僅一者的中心位於所述旋轉中心軸線上。
3. 如申請專利範圍第1項及第2項任一請求項所述的磁控管，其中該支撐板是磁性金屬板。
4. 如申請專利範圍第3項所述的磁控管，其中該磁性金屬板由馬氏體不銹鋼(Martensitic stainless steel)所形成。
5. 如申請專利範圍第1項及第2項任一請求項所述的磁控管，其中以一種方式設置該磁體，使得一對具有不同極性的第一磁體和第二磁體交替地環繞所述旋轉中心軸線，且間隙形成在所述第一磁體與所述第二磁體之間以將所述第一磁體和所述第二磁體彼此分離。
6. 如申請專利範圍第5項所述的磁控管，其中所述第一磁體位於最外部分中。
7. 如申請專利範圍第5項所述的磁控管，其中所述第一磁體和所述第二磁體是具有相同寬度的帶。
8. 如申請專利範圍第5項所述的磁控管，其中所述第一磁體的一端設置在最外部分處，同時環繞所述第二磁體的最外端，其中所述間隙將所述第一磁體與所述第二磁體分離。
9. 如申請專利範圍第5項所述的磁控管，其中所述第一磁體是正極且所述第二磁體是負極。
10. 如申請專利範圍第5項所述的磁控管，其中所述旋轉中心軸線位於所述第一磁體和所述第二磁體中的一者的內端上。
11. 如申請專利範圍第5項所述的磁控管，其中所述間隙形成為具有螺旋環狀的閉合軌道。
12. 如申請專利範圍第11項所述的磁控管，其中所述軌道經過自身四次或四次以上。
13. 如申請專利範圍第11項所述的磁控管，其中所述軌道被劃分為多個扇形區，在所述相應的扇形區內以均等間隔形成弧， 且所述多個扇形區中的僅一者的中心位於所述旋轉中心軸線上。
14. 如申請專利範圍第1和2項中任一請求項所述的磁控管，其中相應的扇形形狀具有不同的中心，且在所述相應的扇形區內以均等間隔形成弧的磁體設置成切向地連接到鄰近的扇形區的所述磁體。
15. 如申請專利範圍第1和2中任一請求項所述的磁控管，其中所述相應的扇形形狀具有不同的中心，且在所述相應的扇形區內具有均等間隔的所述弧是分別將所述中心作為其中心點的同心弧。
16. 一種磁控濺射設備，包括：支撐單元，在腔室中支撐基板；標靶單元，面向所述支撐單元而安裝；以及磁控管，位於所述標靶單元後方且經配置以圍繞所述標靶單元的中心而旋轉，其中所述磁控管是如申請專利範圍第1和2中任一請求項所述的磁控管。
17. 如申請專利範圍第15所述的磁控濺射設備，其中所述標靶單元包括將沉積材料提供給所述基板的標靶以及在所述標靶的後表面上設置的背板。