TWI576455B - 磁控管源及製造方法 - Google Patents

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Description

磁控管源及製造方法
本發明係有關包括一具有濺鍍面及背面之靶材之磁控管源。
濺鍍沉積係藉由從“靶材”將材料濺鍍至“基板”(例如，矽晶圓)上來沉積薄膜之物理氣相沉積(PVD)法。使該靶材暴露至以充電粒子(離子進行之轟擊，以從該靶材之表面轟出材料之原子及分子。磁控濺鍍源使用強的電磁場在該靶材之附近，以陷捕靠近該表面之電子。通常藉由在該靶材後面(亦即，沿著該靶材之背面)所配置之永久磁鐵(更罕見的是螺線管)來產生該磁場，以這樣的方式，在該靶材之表面(稱為濺鍍表面)上方建立一磁性隧道(magnetic tunnel)。該等電子因該電磁場而被迫沿著螺旋路徑行進且在靠近該靶材表面處比其它地方經歷更多的與氣體中性粒子的游離碰撞(ionizing collisions)。此在該磁控濺鍍源之操作期間導致強電漿之封閉迴路。該濺鍍氣體係惰性的(通常是氬)。因這些碰撞所產生之過量氬離子導致較高濺鍍及沉積速率。
該等濺鍍粒子絕大部份電中性，且因而不受該磁陷阱之影響。藉該磁場隧道將電子之撞擊集中在該靶材之某些區域導致選定侵蝕之區域(所謂的環形軌跡“(race track)”)。為了控制該侵蝕及允許均勻沉積結果，常常建立該磁鐵系統相對於及沿著該靶材之相對運動。旋轉磁鐵系統或該磁鐵系統之部分的線性運動在該技藝中係常見的。
大部分的可調整磁鐵設計係根據橫向磁鐵運動(US 5,188,717、US 6,821,397 B1)。
鐵磁性材料比非磁性材料更難實現可調整磁鐵之設計。主要困難度為：
1.　必須將許多永久磁鐵用於該設計，以對該靶材進行飽和轟擊；此需要許多的空間。
2.　該侵蝕軌跡必須提供完全面侵蝕；不接受特別是在該靶材中心之再沉積區域。
3.　“實際”侵蝕喜歡該靶材之局部飽和所提供之磁性“捷徑(shortcuts)”。特別是，如果在靶材後面所設置之磁鐵不夠強，則常常不顧在該侵蝕軌跡設計中之繞道。
4.　該磁鐵運動需要強的馬力及無摩擦軸承。
在US 5,399,253中，提出旋轉磁鐵翻轉或樞接，以在不同固定磁鐵設計中達成完全面侵蝕及高度靶材利用。
(像在US 2006/0065525A1中)以垂直磁鐵運動提供橫向磁鐵運動之替代方案，然而，在此需要一專屬濺鍍源設計。
本發明之一目的在於至少補救例如上面所概述之一些習知技藝缺點。
此可藉由一包括一具有濺鍍面及背面之靶材的磁控管源來完成。沿著該背面，提供永久磁鐵之磁鐵配置，包括：外磁鐵配置，其沿著一外幾何框形或環形軌跡之主要部分配置，且具有一面對該背面之型態的磁極；及一內磁鐵配置，其沿著該外幾何框形或環形軌跡內之一內幾何框形或環形軌跡的主要部分配置，且具有面對該靶材之背面的其它型態磁極。該外及內幾何軌跡界定一中間空間。該外及內磁鐵配置沿著該濺鍍面產生一沿著由該內及外幾何框形或環形軌跡所界定之環路的隧道狀磁控管磁場。該磁鐵配置可以驅動方式沿著及相對於該靶材背面移動。
該磁鐵配置因而包括至少一狹長永久磁鐵配置，其沿著一配置成平行於、沿著且遠離該背面之軸線延伸及與該中間空間對齊。該狹長配置係以可控制驅動方式以它的軸線為中心樞轉或旋轉及包括沿著且相對於該所提及軸線放射狀地配置之永久磁鐵偶極。
在依據本發明之磁控管源的一實施例(其可以與本發明之任何實施例結合，除非有所矛盾)中，該磁鐵配置係以驅動方式，以一垂直於該背面之軸線為中心旋轉。
在依據本發明之磁控管源的一實施例(其可以與本發明之任何實施例結合，除非有所矛盾)中，該狹長配置係沿著該軸線之圓柱形及沿著該軸線以永久磁鐵較佳地實現該等偶極。
在依據本發明之磁控管源的一實施例(其可以與本發明之任何實施例結合，除非有所矛盾)中，該等偶極沿著該軸線互相對齊。
在依據本發明之磁控管源的一實施例(其可以與本發明之任何實施例結合，除非有所矛盾)中，該磁控管源包括一個以上之狹長永久磁鐵，其可互相控制地樞轉或旋轉。
在依據本發明之磁控管源的一實施例(其可以與本發明之任何實施例結合，除非有所矛盾)中，該中間空間係對稱於一垂直於或沿著該背面之對稱軸及將該等狹長配置設置成與對稱於該對稱軸之該中間空間對齊。
在依據本發明之磁控管源的一實施例(其可以與本發明之任何實施例結合，除非有所矛盾)中，藉一磁分路構件使遠離及背向該背面之該內及外磁鐵配置的磁極橫跨中間空間互連，該狹長配置係位於該分路構件與該背面間。
在依據本發明之磁控管源的一實施例(其可以與本發明之任何實施例結合，除非有所矛盾)中，該靶材係一圓盤，該外磁鐵配置具有一朝向該圓盤之中心的輪幅延伸部(spoke extension)，該外及內磁鐵配置因而產生一亦橫跨該中心且跨接於該中心上方之磁控管磁場。
在依據本發明之磁控管源的一實施例(其可以與本發明之任何實施例結合，除非有所矛盾)中，該靶材係由鐵磁性材料所製成。
藉由一種製造一塗佈有一包括一材料之層的基板之方法達成上述目的。此種方法包括以下步驟：在一電場中朝著一具有所提及材料之靶材的濺鍍面產生一封閉環路磁控管磁場；以及沿著該濺鍍面移動該磁控管磁場，藉此使所提及材料濺離該靶材及以一包括該提及材料之塗佈材料濺鍍一遠離且面對該濺鍍面之基板。再者及此外，藉至少一狹長磁鐵配置，執行該磁控管磁場相對於該濺鍍面之局部擺動，該至少一狹長磁鐵配置沿著一軸線延伸且可以驅動方式以該軸線為中心樞轉或旋轉以及沿著且相對於該軸線具有放射狀延伸磁偶極以及在該等偶極之磁場作用在該磁控管磁場上之區域中以該軸線平行於、沿著且遠離該靶材之背面方式來安裝。該磁控管磁場沿著該背面移動的同時，一起移入該狹長磁鐵配置，以及執行該狹長磁鐵配置之樞轉或旋轉，以便在該基板上達成該塗層之期望厚度剖面。
在依據本發明之方法的一變型中，所提及材料係鐵磁性材料。
現在應該藉助於圖式來進一步舉例說明本發明。
以下舉例圖示說明上述困難點。第1圖所示之設計使用2組移動磁鐵1，其以個別轉向點(turning points)3為中心移動一角度，以增加在該等磁鐵之外區域中的侵蝕軌跡5的長度。該總磁鐵配置提供一配置成用以界定一外幾何環形軌跡9之外磁鐵配置7及一配置成用以界定一內幾何環形軌跡13之內磁鐵配置11。以N及S來分別提及指向靶材15之磁極型態
針對一既定濺鍍源設置，以有限元素分析模擬在一具有2.4特斯拉飽和通量之3mm靶材15上方的依據第1圖之磁控管源的磁場。於第2圖中顯示xy-平面上之橫向場強度。場強度中之一些變化可看得見，但是該場之橫向運動相當小。因此，第2圖之右側圖與第1圖之右側圖所示之移動磁鐵1的位置一致(磁鐵離開)，第2圖之左側圖與第1圖之左側圖一致(磁鐵進入)。亦模擬及測量侵蝕及沉積剖面，在第3圖中繪製模擬及實驗之結果。上面所示之範例證明，甚至在外侵蝕軌跡上之32mm的延伸實際對均勻度沒有影響。測量之均勻度變化甚至小於模擬之均勻度變化。橫向磁鐵運動對於鐵磁性材料沒有可行解決方式。除此之外，該橫向磁鐵運動使該等總磁鐵配置1、7、11以第1圖所示之中心17為中心的旋轉失去平衡。
但是，事實上需要可調整磁鐵，以便在一磁控濺鍍設置中，微調該靶材侵蝕剖面及沉積剖面。對於鐵磁性材料，在已達(磁)飽和後，磁控濺鍍依賴在該靶材上方之殘餘場通量。在此磁鐵運動需要高的力量。
本發明之基本概念為狹長永久磁鐵配置，特別是具有朝圓柱之徑向定向的永久磁鐵21之圓柱19的使用，亦即，沿著圓柱19來界定相對於第4圖所示圓柱的軸線A成放射狀定向之磁偶極D。這些圓柱係安裝在用以建立磁控濺鍍用之磁控管磁場的永久磁鐵之總成27中。該整體設置27、19、23通常是一具有平盤幾何之旋轉磁控管設置的一部分，其中沿著相對於該靶材表面之垂直偶極軸，將北極及南極安裝在一用以導引或引導磁通量及固定第5圖所示永久磁鐵的鐵磁性材料支承板23上。以適當軸承安裝該圓柱19，以抵消只可沿著該靶材之背面移動作為該總磁鐵配置之一部分的該等可調整及固定永久磁鐵組27間之強大力量。使用一旋轉驅動器，以該圓柱軸線A為中心旋轉該圓柱。藉由如此做，可以180℃旋轉交換北極及南極，或可使用中間位置(90°)提高或衰減該固定永久磁鐵組所產生之磁控管磁場。必須使用至少一圓柱19，兩個或更多圓柱19是可能的。兩個圓柱19可個別驅動或如第6圖示意顯示，以一驅動器25耦接成一個系統，以減少驅動複雜度。該圓柱旋轉之位置感測係可作為初始化之選擇及可藉由一位於該支承板中之磁鐵感測器來實現。
第7圖顯示以軸線37為中心，相對於靶材39旋轉且具有一外磁鐵配置30、一內磁鐵配置32及兩個可調整磁鐵圓柱19a及19b之磁控管設計。以34相較於36來顯示環形軌跡(侵蝕軌跡)之變化。
因此，第7圖顯示一在一旋轉磁控管上具有2個圓柱之可能設計。左圖顯示該窄的侵蝕圖案34，其中翻轉兩個圓柱以使南極向上，以及在右圖中，將北極翻轉向上，而提供該最外侵蝕軌跡36。
在第8圖之順序中描述兩個耦接圓柱19a及19b情況，其中相較於右側圓柱以雙倍角速度旋轉左側圓柱。可以第6圖所示之驅動器25實現此設計，其中連接兩個圓柱之驅動軸經由螺紋驅動這些圓柱，且它們之間具有其2倍之間距。在第8圖中，繪製該左側圓柱19a之全旋轉及該右側圓柱19b之半旋轉，該順序可持續至所有可能8個組合。須知，特別是當使僅以軸線37為中心旋轉之第7圖的固定磁鐵配置30及32之磁場衰減時，一些位置可能無用，以致於在該靶材39中之飽和可能太低。在第9圖中繪製3個最重要圓柱位置“兩出”及“兩進“及“一進/一出”之計算侵蝕剖面。因此，“兩進”位置與第8圖之具有圓柱位置Pin的兩個圓柱一致，而“兩出”位置與第8圖之具有位置Pout的兩個圓柱一致。在第8圖中以該等圓柱之兩個位置Pinout表示位置該位置“一進/一出”。
可清楚看到，該等可調整磁鐵19對該侵蝕剖面具有巨大的影響。第10圖中的對應沉積剖面顯示60mm之靶材基板距離。可清楚看到，相較於第1至3圖之習知技藝範例所述的小於%1，在均勻度方面達成約15%或±7%之變化的卓越範圍。
因此，提出一磁控濺鍍源，其包括一靶材及一磁鐵系統，該磁鐵系統係配置在該靶材後面，以致於磁控管磁場在該靶材之濺鍍面上方成為有效的。該磁鐵系統呈現固定磁鐵及作為可調整磁鐵之放射狀磁化圓柱，其實質在一平面上配置成平行於該靶材平面，以致於在一個別磁控濺鍍源之操作期間，藉由該磁場來侷限一封閉電漿環路。可旋轉或樞轉該等圓柱之磁鐵偶極方位及因而修改或局部擺動該電漿環路之形狀。於一較佳實施例中，在磁控濺鍍期間，於該靶材背面後面，在一實質平行於該靶材背面之平面上旋轉該磁鐵配置。在另一較佳實施例中，使用磁性材料作為靶材材料。
1．．．移動磁鐵
3．．．旋轉點
5．．．侵蝕軌跡
7．．．外磁鐵配置
9．．．外幾何環形軌跡
11．．．內磁鐵配置
13．．．內幾何環形軌跡
15．．．靶材
17．．．中心
19．．．圓柱
19a．．．可調整磁鐵圓柱
19b．．．可調整磁鐵圓柱
21．．．永久磁鐵
23．．．支承板
25．．．驅動器
27．．．永久磁鐵之總成
30．．．外磁鐵配置
32．．．內磁鐵配置
34．．．環形軌跡(侵蝕軌跡)
36．．．環形軌跡(侵蝕軌跡)
37．．．軸線
39．．．靶材
A．．．軸線
D．．．磁偶極
第1圖在一底視圖中示意顯示依據習知技藝方法之一具有一磁鐵配置之磁控管源，其包括一固定磁鐵配置及相對於其移動之調整磁鐵
第2圖係以有限元素分析模擬所產生在側面xy-平面(Bxy)中之磁場強度；
第3圖係依據第1及2圖之方法所產生之模擬及測量厚度剖面；
第4圖係在一立體圖中，依據本發明之一實施例所應用之一具有永久磁鐵的旋轉圓柱。
第5圖係在依據本發明之一磁控管源的外及內磁鐵配置間的中間空間中的第4圖之旋轉圓柱，且在該中間空間上方具有支承板跨接及磁分路；
第6圖係如第2圖及依據本發明之磁控管源的一實施例所應用之有效耦接旋轉圓柱；
第7圖在一示意底視圖中顯示依據本發明之一磁控管源；
第8圖係在依據本發明之一磁控管源的外及內磁鐵配置間的兩個有效耦接永久磁鐵圓柱之定位順序，且具有一支承板作為磁分路及具有2的角速比；
第9圖係在第7及8圖之磁控管源中圓柱位置“兩出”及“兩進”及“一進/一出”的計算侵蝕剖面；以及
第10圖係第7、8及9圖之圓柱“兩出”及“兩進”及“一進/一出”的沉積剖面。
19a．．．可調整磁鐵圓柱
19b．．．可調整磁鐵圓柱
30．．．外磁鐵配置
32．．．內磁鐵配置
34．．．環形軌跡(侵蝕軌跡)
36．．．環形軌跡(侵蝕軌跡)
37．．．軸線
39．．．靶材

Claims (11)

  1. 一種磁控管源，包括一具有濺鍍面及背面之靶材，永久磁鐵之磁鐵配置沿著該背面，該磁鐵配置包括外磁鐵配置：其沿著一外幾何框形或環形軌跡之主要部分配置，且具有一面對該背面之型態的磁極；及內磁鐵配置，其沿著該外幾何框形或環形軌跡內之一內幾何框形或環形軌跡的主要部分配置，且具有面對該背面之其它型態磁極，該外及內幾何軌跡界定一中間空間，該外及內磁鐵配置沿著該濺鍍面產生一沿著由該內及外幾何軌跡所界定之環路的隧道狀磁控管磁場，該磁鐵配置可以驅動方式沿著及相對於該靶材之背面移動，特徵在於：該磁鐵配置包括至少一狹長永久磁鐵配置，其沿著一平行於、沿著且遠離該背面之軸線延伸及與該中間空間對齊，該狹長配置係以可控制驅動方式以該軸線為中心樞轉或旋轉及包括沿著且相對於該軸線放射狀地配置之永久磁鐵偶極。
  2. 如申請專利範圍第1項之磁控管源，其中該磁鐵配置係以驅動方式以一垂直於該背面之軸線為中心旋轉。
  3. 如申請專利範圍第1項之磁控管源，其中該狹長配置係沿著該軸線之圓柱形及沿著該軸線以永久磁鐵實現該等偶極。
  4. 如申請專利範圍第1項之磁控管源，其中該等偶極沿著該軸線互相對齊。
  5. 如申請專利範圍第1項之磁控管源，包括一個以上之該狹長永久磁鐵，其可互相控制地樞轉或旋轉。
  6. 如申請專利範圍第5項之磁控管源，其中該中間空間係對稱於一垂直於或沿著該背面之對稱軸及將該等狹長配置設置成與對稱於該對稱軸之該中間空間對齊。
  7. 如申請專利範圍第1項之磁控管源，其中藉由一磁分路構件使該外及內磁鐵配置之遠離及背向該背面的磁極橫跨中間空間互連，該狹長配置係位於該分路構件與該背面間。
  8. 如申請專利範圍第1項之磁控管源，其中該靶材係圓形，該外磁鐵配置具有一朝向該圓形靶材之中心的輪幅延伸部(spoke extension)，該外及內磁鐵配置因而產生該磁場亦橫跨該中心且跨接於該中心上方。
  9. 如申請專利範圍第1項之磁控管源，其中該靶材係由鐵磁性材料所製成。
  10. 一種製造一塗佈有一包括一材料之層的基板之方法，包括下面步驟：在一電場中朝著一具有該材料之靶材的濺鍍面產生一封閉環路磁控管磁場；以及沿著該濺鍍面移動該磁控管磁場，藉此使該材料濺離該靶材，及以一包括該材料之塗佈材料濺鍍一遠離且面對該濺鍍面之基板，特徵在於：藉由至少一狹長磁鐵配置，使該磁場相對於該濺鍍面額外局部地擺動，該至少一狹長磁鐵配置沿著一軸線延伸且可以驅動方式以該軸線為中心樞轉或 旋轉，以及沿著且相對於該軸線具有放射狀延伸磁偶極以及在該等偶極之磁場作用在該磁控管磁場上之區域中以該軸線平行於且沿著該靶材之背面方式來安裝，在沿著該背面移動該磁控管磁場的同時，一起移入該狹長磁鐵配置，以及可控制地樞轉或旋轉該狹長磁鐵配置，以便在該基板上達成該塗層之期望厚度剖面。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該材料係鐵磁性材料。
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