用於截頭圓錐形濺射靶的高靶利用率磁性裝置的製作方法
2023-04-26 08:34:06 2
專利名稱：用於截頭圓錐形濺射靶的高靶利用率磁性裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁控管濺射，尤其涉及便於高效利用濺射靶的磁控管磁體設計。
背景技術：
磁控管濺射、或磁力增強濺射涉及使用在真空室內提供在基片上形成汽相沉積的塗層材料的濺射靶。濺射過程中，濺射靶被供以負電位，在輝光放電系統中作為陰極。在磁控管濺射中，磁體產生在濺射靶表面上方的閉環磁力隧道(magnetic tunnel)形式的磁場。磁力隧道將電子限制在靶表面附近。所述的電子限制能夠形成對於給定的處理壓力有顯著降低的點火和熄滅電壓、對於給定的陰極電壓有顯著降低的點火和熄滅壓力的等離子體。
常規的磁力隧道將熱電子和二次電子限制在靶表面附近。熱電子與二次電子的區別在於它們的來源不同，來源賦予電子不同的特性。熱電子通過原子或離子與其它電子的電離碰撞產生。熱電子比二次電子數目更多，但能量更低。二次電子是在靶被離子撞擊時從靶中發射的。
由於在橫截面內平行於未侵蝕靶表面的磁場的分量作用，隧道促使二次電子沿磁力隧道的長度進入半圓形軌道。垂直於未侵蝕靶表面的磁場分量促使平行於隧道軸線移動的二次電子在橫截面內朝隧道的磁中心線橫向運動，磁中心線是靶表面上垂直於未侵蝕靶表面的磁場為零的線。另一方面，熱電子在隧道的橫截面內前後移動，且沿磁力線形成螺旋型軌道。由於其垂直於磁力線的低遷移性，熱電子被限制在陰極區域。通過在磁力隧道的邊緣處會聚磁力線產生的磁鏡使熱電子保持從一端到另一端反射，同時垂直於磁力線的熱電子的低遷移性使它們保持在繞磁力線的螺旋軌道內運動。磁鏡效應在磁力隧道邊緣是最強的，且在隧道的磁中心線上方消失，所以熱電子在隧道的磁中心線處居中的一維勢並內水平移動。
磁控管濺射的電子約束性在增強靶表面附近的等離子密度是有效的，且使磁力增強的濺射比常規的二極濺射更實用。然而，常規的磁力隧道是低靶利用率的原因，因為隧道的磁中心線附近的電子集中導致等離子體密度類似地集中，致使在這一區域侵蝕率最高。而且，隨著靶的侵蝕，在中心線附近區域的靶表面侵蝕進入更強的磁場，這加速了侵蝕的集中。此外，集中的侵蝕產生了V形輪廓，使二次電子從相對的壁變化到侵蝕槽的中心，更進一步地使等離子體在此集中。通常，均勻厚度的靶的利用率約25％。由於增加消耗的靶數目和未使用的靶材料量以及更換靶所需要的機器停工期，較差的靶利用率削弱了薄膜沉積的經濟性。靶的未侵蝕區域趨於在磁力隧道的邊緣附近出現。這種區域的存在，它們易於積聚剝落後進入處理室內、對基片產生顆粒汙染的再次沉積材料。
已經使用具有相對於靶旋轉而控制侵蝕形貌的非對稱形狀的磁力隧道。這樣的轉動在改進基片上的薄膜均勻性、實現更高的靶利用率和侵蝕靶上的如果磁力隧道是靜態的則將不被侵蝕的點方面是有用的。這些轉動裝置僅對於圓形平面靶適宜。對於矩形和環形靶，僅靜態的磁力裝置就已經可行了。
對於具有位於靶中心的其它系統部件的截頭圓錐形靶和其它環形靶，現有技術的磁控管裝置沒有實現高靶利用率。雖然磁力增強的濺射已經使濺射成為沉積薄膜的一種實用且經濟可行的技術，但在靜態的磁力裝置的情況下尚沒有實現其全部經濟潛力。
因此，需要提供一種利用截頭圓錐和其它環形靶實現高靶利用率的磁體設計。
本發明概述本發明的一個目的是在磁控管濺射設備中提高截頭圓錐靶的利用率和實現全斷面侵蝕。本發明的一個特定目的是提高環形靶的利用率，而不限制在用於其它硬體比如ICP源的靶中心開口內的體積的可用性。
根據本發明的原理，濺射設備包括截頭圓錐或類似環形的靶，且設有磁控管磁體組件，隨著靶的侵蝕，該磁體組件使靶的侵蝕從靶環面的中心向內、外區域移動。該磁體組件位於靶後，在靶上產生包圍靶中心處開口的、環形靶表面上環形隧道形狀的等離子體約束磁場。靶的壁形成截頭圓錐體，例如與中心開口的平面傾斜約35°。
在本發明的一實施例中，三個永磁體環產生三個磁力隧道。三個隧道的相對作用產生了平行於靶表面的磁力線作用。對於薄靶，以及當到達厚靶壽命中間某點時，內部磁力隧道和外部磁力隧道與主中間磁力隧道互相作用而產生平行於未侵蝕靶的表面的合成磁力線。採用這樣的厚靶，在靶的壽命早期主中間隧道佔優勢，沿靶的中心線侵蝕環形靶的平均半徑，而在靶的壽命後期內部和外部隧道佔優勢，侵蝕靶環面的內、外邊緣附近的區域，且從靶中心線向內和向外擴展侵蝕槽，好象磁力線在靶的整個壽命過程中保持與未侵蝕表面平行。
在優選實施例中，濺射設備是一種電離物理汽相沉積設備，包括真空處理室、在處理室內用於支撐待處理基片的基片支架、具有中心開口的環形磁控管濺射陰極組件和在中心開口內的絕緣窗口後面的感應耦合等離子源。該磁控管陰極組件包括截頭圓錐形濺射靶，該靶具有面對基片支架的內部錐形濺射面，其中靶的外邊緣比內邊緣更接近基片支架。截頭圓錐形磁體組件位於濺射靶後面且與之平行。磁體組件的構造能產生具有橫跨濺射面的主要部分且跨在濺射面中心線上的磁力線的主磁力隧道、具有在靶內邊緣和中心線之間延伸的磁力線的內部磁力隧道、具有主要在靶的外邊緣和中心線之間延伸的磁力線的外部磁力隧道。這三個隧道的磁場以趨於產生與靶表面相對平行的磁力線的方式互相作用。對於更厚的靶，這種合成磁力線在靶壽命的早期在靶中心線上趨於成為弧形，在靶壽命中間變得更平且逐漸成為兩個隧道的形狀，一個在靶中心線內側，一個在靶中心線外側。這樣，在靶壽命的開始靶的侵蝕在中心線處以較大的速率進行，在靶壽命的後期將發生朝向靶的內、外邊緣的補償侵蝕，從而在靶的整個壽命上靶的利用率是均勻的。
磁場的相對強度是這樣的，即被磁通所限制的等離子體成一定形狀，從而當靶未侵蝕時在中心線處比在其內、外區域處產生更大的靶侵蝕率，隨著靶的侵蝕，該侵蝕率連續逐漸變化為在中心線處比在其內、外區域有更小的靶侵蝕率。這種作用對厚靶作用更大。在靶壽命的某點處，磁力線平行於靶侵蝕之前的靶表面。對於非常薄的靶來說，這種磁力線形狀可以在靶的整個壽命中存在。對於薄以及厚靶，磁力線的扁平形狀或磁力線的逐漸扁平過程是產生三個磁力隧道的磁體環相對作用的結果。
優選的是，磁體環的結構和強度是針對特定靶優化的。例如，靶非常薄時，主隧道和內、外隧道的相對作用這樣調節，即使合成的磁力線平行於靶表面。對於厚靶，主隧道和內、外隧道的相對作用這樣調節，即使合成的磁力線在靶表面形成隧道，類似於普通的磁性裝置在靶壽命開始所成的隧道，但隨著靶的侵蝕，磁力線的形狀變得扁平，以致於不能收縮等離子體。隨著靶的進一步侵蝕，當靶表面退回到這些隧道中時內、外隧道暴露於等離子體，導致在環形圓錐靶的內、外邊緣附近產生更高的等離子密度。
截頭圓錐形磁體組件優選的是包括第一極性的內磁極和第二極性的外磁極，它們產生由內、外磁極之間延伸的第一磁場形成的第一磁力隧道。該磁體組件最好還包括第二極性的內-中磁極和第一極性的外-中磁極，在靶的中心線上產生與第一磁場相對的相反磁場，使得隨著濺射表面侵蝕進入靶內，第一和相反磁場的合成強度在中心線上減小。優選的是，內磁極和內-中磁極產生內部磁力隧道，該內部磁力隧道由內部和內-中磁極之間延伸的在環形內部區域上、主磁力隧道之下的磁力線形成，而外磁極和外-中磁極產生外部磁力隧道，該外部磁力隧道由外磁極和外-中磁極之間延伸的在環形外部區域上、主磁力隧道之下的磁力線形成。
優選的磁體組件是由一組最好是三個環形的磁環形式的永磁體製成，在錐形濺射靶的後面且與之平行沿一錐體排列。磁環最好由成截頭圓錐形狀排列的單個的方磁體構成，它們的極軸垂直於環的圓周延伸。這三個環包括內部、外部和中間磁環。內部和中間環的磁體的極軸平行於錐體而外環磁體的極軸垂直於錐體。導磁材料製成的磁軛位於所述錐體後面且將內、外磁環磁性地互連。
本發明提高了截頭圓錐形靶的利用率，從以前的約25％提高到50-60％的範圍內。錐形靶侵蝕保持在靶濺射表面的整個面積上，從而避免了濺射室顆粒汙染的產生。
從下面的詳細描述中，本發明的這些和其它目的及優點將更加明顯。
圖1是體現本發明原理的電離物理沉積設備的示意圖。
圖2是穿過圖1的陰極組件的放大剖面圖。
圖3是圖1和2的磁控管磁體組件的透視圖。
詳細描述圖1示出了一種根據本發明一實施例的濺射塗敷設備，特別是電離物理沉積(IPVD)設備10。該IPVD設備10包括被室壁12所包圍的真空室11。真空室11具有電離物理汽相沉積(IPVD)源13，用於將蒸汽形態的塗層材料供入濺射室11的容積內，且使濺射材料蒸汽電離。室11具有穿過源13的中心延伸的中心軸線15。晶片支架17位於室11內，在對著源13的室11的端部且沿軸線15居中，用於在處理過程中支撐沿軸線15居中且面對IPVD源13的晶片18。該IPVD設備10的其它部件尤其在美國專利申請No.09/442,500中得到了描述，可參照如上述申請。在美國專利US6,080,287中描述了源13的基本原理，在此特意作為參考文獻引入。
IPVD源13包括磁控管濺射陰極組件20，該組件為環形且在其與軸線15同心的中心處有一開口21。在開口21內沿軸線15居中的是RF源組件22，該組件在室11內激發產生高密度、感應耦合的等離子體(ICP)。陰極組件20進一步包括截頭圓錐形、或截短的圓錐形濺射靶25，在靶內部具有圓錐形濺射表面26，該表面面對支架17上的基片且朝軸線15傾斜。
在濺射塗敷處理過程中，製成靶25的塗層材料通過來自室11內處理氣體比如氬氣中形成的主濺射等離子體的正離子的轟擊而汽化，室11保持在低於大氣壓或真空壓力下，通常低於100毫乇(mtorr)。在IPVD系統中，由於離子轟擊而從靶25上下來的材料原子或微小顆粒被二次等離子體或ICP所電離。
陰極組件20包括磁控管磁體組件30，在圖2和3中更詳細地示出，該組件含有一組最好是三個沿錐體35布置的磁環31-33，該錐體在靶的外部或背部平行於靶25。磁體組件30產生捕獲靶25的表面26附近電子的磁力隧道，以保持主濺射等離子體。磁體組件30包括一軟鋼或其它高磁導率材料的磁軛36。磁環31-33最好是環形磁體的環形陣列，每一磁體由一系列或一組分立的方形磁體部件製成，這些部件在各環中成截頭圓錐形狀布置，它們的磁極和極軸繞每一環在該錐體的徑向-軸向平面內沿同一方向定位。小的分立磁體可以固定在磁軛36上，這樣磁軛可用作該磁體組件的結構框架，而形成錐體35的形狀。
內環31的磁體的極軸平行於靶表面26定位。磁軛36形狀作成使得，內環31的磁體的整個極面(在圖中為南極S)與磁軛36磁性接觸，也就是與磁軛36物理接觸或在其附近。外環33的磁體的極軸垂直於靶表面26定位，其中外環33的磁體的整個極面與磁軛36磁性接觸，在圖中外環33的磁體的極軸是穿過環33的磁體的北極N和南極S的線。磁體環31、33之間的磁力線形成主磁力隧道41。
中間磁體環32位於內磁體環31的最裡面的(或N)極和外磁環33的中心之間接近中間的位置，確定了主磁力隧道41的中心線40的有效位置。中心環32的磁體可以但不是必須與磁軛36直接物理接觸或基本上磁性接觸。中心環32的磁體的極軸基本上平行於靶表面26定位。中心環32的磁體的磁極面都不接觸磁軛36。中心環32的磁體極軸在內環31的極軸的相反方向上定向，如圖2所示，使中心環32的S極面對內環31的S極。這樣，內環31和中心環32之間的磁力線52在形成主磁力隧道41的磁力線51下面形成內部的、較小的磁力隧道42。接近靶25的壽命終點時，內部較小隧道42影響在靶表面26的內部環形區域46上方的靶的侵蝕。在圖2中磁力線或磁場線顯示在包含軸線15的徑向平面上。
中心環32和外環31之間的磁力線53在形成主磁力隧道41的磁力線51下方形成外部的、較小磁力隧道43。接近靶25的壽命終點時，外部較小隧道43影響在靶表面26的外部環形區域47上方的靶的侵蝕。中心環32的磁極之間的磁力線54對抗形成主隧道41的磁力線51，從而減小靶25侵蝕時主隧道41的影響。形成沿中心線40深入靶25內的主隧道的磁力線51連續逐漸變平是由分別在區域46、47產生深入靶25的較小隧道42、43的磁力線52、53的作用連續逐漸增加而造成的。零點55將存在於由磁體組件40所產生的磁場中，在此處來自磁環31-33的相反磁力線抵銷。該點位於靠近中心磁體環32的中心線40附近。這一零點在靶的整個壽命中位於靶表面26之後。
平行於靶25的表面26的內環31的磁體的方位增強了內部磁力隧道52的形成，且對於給定的靶寬度可以有更強有力的磁場形狀。此外，平行於靶表面26的內環31的極軸的方位能在靶25的內徑附近產生更強的靶侵蝕。這減輕了源13的中心開口21處的空間限制。這些優點的產生是因為內環31的磁體平行於靶表面定位，使得來自內環磁體的最裡面磁極的內部磁力隧道的磁力線的形成在它們從磁體發出時就已經捲曲返回到相對極，能夠在比這些內磁體的磁極都垂直於靶表面時的更小的空間內產生內部隧道，同時在靶的內邊緣產生更強的侵蝕，從而使顆粒產生最小化。外環磁體垂直於靶表面定位，以防止磁力線歪斜，且自上而下支持著靶的外邊緣進行全面侵蝕，從而佔據靶外邊緣處的額外空間。本發明實現了有益的侵蝕，且不需要靶內邊緣處的額外空間。
由內磁體環31和外磁體環33之間的磁力線形成的主隧道41在靶壽命初期影響靶的侵蝕。對於更厚的靶，等離子體被局限於沿靶25的表面26、在環形靶25的中間半徑處的靶表面26上環形中心線40上的侵蝕槽。稍後在這樣更厚的靶的壽命中，隨著表面26侵蝕而沿中心線40縮減到靶25的中心，由於中間磁體環32的相對磁場作用和內、外隧道對主磁力隧道形狀的作用，形成隧道41的磁力線逐漸沿中心線40變平。磁力隧道的侵蝕輪廓的相對影響是這樣的，即當厚靶25未侵蝕時由各隧道限制的等離子體在中心線40處比在內、外區域46、47產生更大的靶侵蝕率。隨著靶的侵蝕，這一比率在中心線40處連續逐漸變化為比內、外區域46、47更小的靶侵蝕率。在接近靶壽命的終點過程中，內、外磁力隧道52、53分別將靶侵蝕分向靶環面的內、外邊緣。因此侵蝕槽隨著靶的侵蝕而變寬，從而產生更均勻的靶侵蝕且因此提高了靶材料的利用率。
該磁體組件含有一組平行於軸15鑽出的孔(未示出)，這些孔支撐給靶25供水和直流電力的饋入線路。磁體組件30塗敷有硬聚合物塗層比如聚亞胺酯或封入結合到磁體組件30上的非磁性、金屬或塑料覆層件內。該塗層防止了磁體環31-33和磁軛36在空氣中被氧化，以及防止可能是燒結結構的磁體環31-33成為汙染顆粒源。供給靶25的冷卻水可以經短管組件(未示出)而穿過磁軛36。
雖然上述描述和附圖公開了本發明的各種實施例，但對於本領域的那些技術人員來說，很明顯可以作出添加和改進而沒有脫離本發明的原理。
權利要求
1.一種濺射設備，包含真空處理室；在處理室內用於支撐待處理基片的基片支架；磁控管濺射陰極組件，包括截頭圓錐形濺射靶，該靶具有面對基片支架的內部錐形濺射面，且具有內邊緣、比內邊緣更接近基片支架的外邊緣和在其內、外邊緣之間的中心線，截頭圓錐形磁體組件，它位於濺射靶後面且與之平行，該磁體組件成形為將產生具有第一磁力線的第一磁力隧道，第一磁力線沿徑向平面延伸、在濺射面中心線上方橫跨濺射面的主要部分，具有第二磁力線的第二磁力隧道，第二磁力線沿徑向平面延伸且定位成用來支撐主要在濺射表面的內部區域上、內邊緣和中心線之間的濺射面環形內部區域上的第一磁力線，以及具有第三磁力線的第三磁力隧道，第三磁力線沿徑向平面延伸且定位成用來支撐主要在濺射表面的外部區域上、外邊緣和中心線之間的濺射面環形外部區域上的第一磁力線；磁場是這樣的，受約束的等離子體產生一個靶侵蝕率，在靶未侵蝕時，該靶侵蝕率在中心線處比在內、外部區域大，且隨著靶的侵蝕，該靶侵蝕率連續逐漸變化為靶侵蝕率在中心線處比在內、外部區域小。
2.如權利要求1所述的設備，其特徵在於截頭圓錐形磁體組件包括第一極性的內磁極和第二極性的外磁極，它們通過內、外磁極之間延伸的第一磁場產生第一磁力隧道。
3.如權利要求2所述的設備，其特徵在於截頭圓錐形磁體組件還包括第二極性的內一中磁極和第一極性的外一中磁極，它們在靶的中心線上產生與第一磁場相對的相反磁場，使得隨著濺射表面侵蝕進入靶內，第一和相反磁場產生的合成磁通在中心線上變扁平。
4.如權利要求3所述的設備，其特徵在於內磁極和內-中磁極產生第二磁力隧道，該第二磁力隧道由主要在其內邊緣和中心線之間的濺射表面環形內部區域上、第一磁力隧道之下的在內磁極和內-中磁極之間延伸的第二磁力線形成，以及外磁極和外-中磁極產生第三磁力隧道，該第三磁力隧道由主要在其外邊緣和中心線之間的濺射表面環形外部區域上、第一磁力隧道之下的在外磁極和外-中磁極之間延伸的第三磁力線形成。
5.如權利要求4所述的設備，其特徵在於，磁體組件還包含一組在圓錐形濺射靶後面且與之平行的沿一錐體布置的環形磁環，每一磁環具有周邊、直徑和穿過所述錐體中心和靶中心的公共中心軸線，每一磁環具有第一和第二磁極以及在磁極之間延伸且垂直於磁環的周邊的極軸，該組磁環包括具有形成其第一磁極的內磁極的內磁環、具有形成其第二磁極的外磁極的外磁環以及具有形成其第一磁極的外-中磁極和形成其第二磁極的內-中磁極的中間磁環，其中內磁環的直徑小於中間磁環的直徑，中間磁環的直徑小於外磁環的直徑；這些磁環的極軸進一步如下定位對於內磁環來說，平行於所述錐體，其中第一磁極比第二磁極更接近軸線，對於中間磁環來說，平行於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線，對於外磁環來說，垂直於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線；以及導磁材料製成的磁軛位於錐體後面且將內磁環的第二磁極與外磁環的第一磁極磁性地互連。
6.如權利要求4所述的磁控管濺射陰極組件，其特徵在於，磁體組件還包含一組在圓錐形濺射靶後面且與之平行的沿一錐體布置的環形磁環，每一磁環具有周邊、直徑和穿過所述錐體中心和靶中心的公共中心軸線，每一磁環具有第一和第二磁極以及在磁極之間延伸且垂直於磁環的周邊的極軸，該組磁環包括具有形成其第一磁極的內磁極的內磁環、具有形成其第二磁極的外磁極的外磁環以及具有形成其第一磁極的外-中磁極和形成其第二磁極的內-中磁極的中間磁環，其中內磁環的直徑小於中間磁環的直徑，中間磁環的直徑小於外磁環的直徑；
7.如權利要求4所述的磁控管濺射陰極組件，其特徵在於，磁體組件還包含一組在圓錐形濺射靶後面且與之平行的沿一錐體布置的環形磁環，每一磁環具有周邊、直徑和穿過所述錐體中心和靶中心的公共中心軸線，每一磁環具有第一和第二磁極以及在磁極之間延伸且垂直於磁環的周邊的極軸；這些磁環的極軸進一步如下定位對於內磁環來說，平行於所述錐體，其中第一磁極比第二磁極更接近軸線，對於中間磁環來說，平行於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線，以及對於外磁環來說，垂直於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線。
8.如權利要求4所述的磁控管濺射陰極組件，其特徵在於，磁體組件還包含一組在圓錐形濺射靶後面且與之平行的沿一錐體布置的環形磁環，每一磁環具有周邊、直徑和穿過所述錐體中心和靶中心的公共中心軸線，每一磁環具有第一和第二磁極以及在磁極之間延伸且垂直於磁環的周邊的極軸；以及導磁材料製成的磁軛位於錐體後面且將內磁環的第二磁極與外磁環的第一磁極磁性地互連。
9.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，磁體組件還包含一組在圓錐形濺射靶後面且與之平行的沿一錐體布置的環形磁環，每一磁環具有周邊、直徑和穿過所述錐體中心和靶中心的公共中心軸線，每一磁環具有第一和第二磁極以及在磁極之間延伸且垂直於磁環的周邊的極軸，該組磁環包括內磁環、外磁環和中間磁環，其中內磁環的直徑小於中間磁環的直徑，中間磁環的直徑小於外磁環的直徑；這些磁環的極軸進一步如下定位對於內磁環來說，平行於所述錐體，其中第一磁極比第二磁極更接近軸線，對於中間磁環來說，平行於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線，對於外磁環來說，垂直於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線；以及導磁材料製成的磁軛位於錐體後面且將內磁環的第二磁極與外磁環的第一磁極磁性地互連。
10.如權利要求1所述的磁控管濺射陰極組件，其特徵在於，磁體組件還包含一組在圓錐形濺射靶後面且與之平行的沿一錐體布置的環形磁環，每一磁環具有周邊、直徑和穿過所述錐體中心和靶中心的公共中心軸線，每一磁環具有第一和第二磁極以及在磁極之間延伸且垂直於磁環的周邊的極軸，該組磁環包括內磁環、外磁環和中間磁環，其中內磁環的直徑小於中間磁環的直徑，中間磁環的直徑小於外磁環的直徑。
11.如權利要求1所述的磁控管濺射陰極組件，其特徵在於，磁體組件還包含一組在圓錐形濺射靶後面且與之平行的沿一錐體布置的環形磁環，每一磁環具有周邊、直徑和穿過所述錐體中心和靶中心的公共中心軸線，每一磁環具有第一和第二磁極以及在磁極之間延伸且垂直於磁環的周邊的極軸；這些磁環的極軸進一步如下定位對於內磁環來說，平行於所述錐體，其中第一磁極比第二磁極更接近軸線，對於中間磁環來說，平行於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線，對於外磁環來說，垂直於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線。
12.如權利要求1所述的磁控管濺射陰極組件，其特徵在於，磁體組件還包含一組在圓錐形濺射靶後面且與之平行的沿一錐體布置的環形磁環，每一磁環具有周邊、直徑和穿過所述錐體中心和靶中心的公共中心軸線，每一磁環具有第一和第二磁極以及在磁極之間延伸且垂直於磁環的周邊的極軸；以及導磁材料製成的磁軛位於錐體後面且將內磁環的第二磁極與外磁環的第一磁極磁性地互連。
13.一種磁控管濺射陰極組件，包含截頭圓錐形濺射靶，該靶具有內部圓錐形濺射面、環形內邊緣、環形外邊緣和在其內、外邊緣之間的環形侵蝕中心線，截頭圓錐形磁體組件，位於濺射靶後面且與之平行，該磁體組件具有第一極性的內磁極和第二極性的外磁極，它們產生由在內、外磁極之間延伸的第一磁場形成的第一磁力隧道，第二極性的內-中磁極和第一極性的外-中磁極，它們在靶的中心線上產生與第一磁場相對的相反磁場，使得隨著濺射表面侵蝕進入靶內，第一和相反磁場產生的磁通在中心線上變扁平，內磁極和內-中磁極產生第二磁力隧道，該第二磁力隧道由主要在其內邊緣和中心線之間的濺射表面環形內部區域上、第一磁力隧道之下的在內磁極和內-中磁極之間延伸的第二磁力線形成，以及外磁極和外-中磁極產生第三磁力隧道，該第三磁力隧道由主要在其外邊緣和中心線之間的濺射表面環形外部區域上、第一磁力隧道之下的在外磁極和外-中磁極之間延伸的第三磁力線形成；其中磁力隧道的相對作用是這樣的，即在靶未侵蝕時受約束的等離子體產生在中心線處比在內、外部區域更大的靶侵蝕率，且隨著靶的侵蝕，該靶侵蝕率連續逐漸變化為靶侵蝕率在中心線處比在其內、外部區域更小。
14.如權利要求13所述的磁控管濺射陰極組件，其特徵在於，磁體組件還包含一組在圓錐形濺射靶後面且與之平行的沿一錐體布置的環形磁環，每一磁環具有周邊、直徑和穿過所述錐體中心和靶中心的公共中心軸線，每一磁環具有第一和第二磁極以及在磁極之間延伸且垂直於磁環的周邊的極軸，該組磁環包括具有形成其第一磁極的內磁極的內磁環、具有形成其第二磁極的外磁極的外磁環以及具有形成其第一磁極的外-中磁極和形成其第二磁極的內-中磁極的中間磁環，其中內磁環的直徑小於中間磁環的直徑，中間磁環的直徑小於外磁環的直徑；這些磁環的極軸進一步如下定位對於內磁環來說，平行於所述錐體，其中第一磁極比第二磁極更接近軸線，對於中間磁環來說，平行於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線，對於外磁環來說，垂直於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線；以及導磁材料製成的磁軛位於錐體後面且將內磁環的第二磁極與外磁環的第一磁極磁性地互連。
15.如權利要求13所述的磁控管濺射陰極組件，其特徵在於，磁體組件還包含一組在圓錐形濺射靶後面且與之平行的沿一錐體布置的環形磁環，每一磁環具有周邊、直徑和穿過所述錐體中心和靶中心的公共中心軸線，每一磁環具有第一和第二磁極以及在磁極之間延伸且垂直於磁環的周邊的極軸，該組磁環包括具有形成其第一磁極的內磁極的內磁環、具有形成其第二磁極的外磁極的外磁環以及具有形成其第一磁極的外-中磁極和形成其第二磁極的內-中磁極的中間磁環，其中內磁環的直徑小於中間磁環的直徑，中間磁環的直徑小於外磁環的直徑。
16.如權利要求13所述的磁控管濺射陰極組件，其特徵在於，磁體組件還包含一組在圓錐形濺射靶後面且與之平行的沿一錐體布置的環形磁環，每一磁環具有周邊、直徑和穿過所述錐體中心和靶中心的公共中心軸線，每一磁環具有第一和第二磁極以及在磁極之間延伸且垂直於磁環的周邊的極軸；這些磁環的極軸進一步如下定位對於內磁環來說，平行於所述錐體，其中第一磁極比第二磁極更接近軸線，對於中間磁環來說，平行於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線，以及對於外磁環來說，垂直於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線。
17.如權利要求13所述的磁控管濺射陰極組件，其特徵在於，磁體組件還包含一組在圓錐形濺射靶後面且與之平行的沿一錐體布置的環形磁環，每一磁環具有周邊、直徑和穿過所述錐體中心和靶中心的公共中心軸線，每一磁環具有第一和第二磁極以及在磁極之間延伸且垂直於磁環的周邊的極軸；以及導磁材料製成的磁軛位於錐體後面且將內磁環的第二磁極與外磁環的第一磁極磁性地互連。
18.一種用於磁控管濺射陰極組件的磁體組件，該陰極組件具有圓錐形濺射靶，該靶具有被環形內邊緣和環形外邊緣所包圍的內部圓錐形濺射面以及在其內、外邊緣之間的濺射表面上的環形中心線，該磁體組件包含一組位於圓錐形濺射靶後面且與之平行的沿一錐體布置的環形磁環，每一磁環具有公共中心軸線、周邊和直徑，這些磁環具有第一和第二磁極以及在各磁極之間延伸且垂直於其各周邊的極軸，該組磁環包括內磁環、外磁環和中間磁環，其中內磁環的直徑小於中間磁環的直徑，中間磁環的直徑小於外磁環的直徑；這些磁環的極軸進一步如下定位對於內磁環來說，平行於所述錐體，其中第一磁極比第二磁極更接近軸線，對於中間磁環來說，平行於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線，對於外磁環來說，垂直於所述錐體，其中第二磁極比第一磁極更接近軸線；以及導磁材料製成的磁軛位於錐體後面且將內磁環的第二磁極與外磁環的第一磁極磁性地互連。
19.一種濺射方法，包含將基片支撐在處理室內真空中的支架上；給截頭圓錐形濺射靶供電以形成等離子體，使材料與等離子體一起從內部圓錐形濺射表面濺射，其中該濺射表面具有環繞濺射表面環形內部區域的中心線，濺射表面環形內部區域被濺射表面的環形外部區域所環繞；在濺射靶後面設置截頭圓錐形磁體組件並產生具有第一磁力線的第一磁力隧道，該第一磁力線沿徑向平面延伸且橫跨濺射面的主要部分，具有第二磁力線的第二磁力隧道，該第二磁力線沿徑向平面延伸且定向成用來支撐濺射面環形內部區域上的第一磁力線，具有第三磁力線的第三磁力隧道，該第三磁力線沿徑向平面延伸且定向成用來支撐濺射面環形外部區域上的第一磁力線；從而在圓錐形濺射靶的表面上、在徑向橫截面內產生有效地扁平磁力線。
20.如權利要求19所述的方法，其特徵在於隨著靶的侵蝕，在中心線上靶的侵蝕表面處的第一磁力線變平，而第二和第三磁力隧道分別出現在濺射表面的內部和外部區域，且等離子體被磁力隧道所約束，產生最初在中心線處比在內、外部區域更大且連續逐漸變化為在中心線處比在其內、外部區域更小的靶侵蝕率。
全文摘要
磁控管濺射塗敷系統具有磁控管陰極(20),該陰極包括截頭圓錐形靶(25),該靶具有錐形磁體組件(30),該磁體組件在靶(25)未侵蝕時在主磁力隧道下方在靶(25)的中間半徑或中心線處產生最高的侵蝕率,且隨著靶的侵蝕,最高侵蝕率的位置逐漸轉移到兩個區域,一個是半徑小於靶中心線的內部區域,一個是半徑大於靶中心線的外部區域。結果,在靶(25)的壽命過程中靶的侵蝕在整個靶面積上趨於相等,提高了靶的利用率。磁體組件(30)包括具有通過磁軛(36)磁性地互連的磁極、形成主磁力隧道的內環(31)和外環(33)以及用來產生與形成主磁力隧道的磁極方位相反的磁場的中間磁體環(32)。
文檔編號H01J37/34GK1336965SQ00802777
公開日2002年2月20日 申請日期2000年11月10日 優先權日1999年11月18日
發明者德爾克·安德魯·羅素 申請人:東京電子株式會社