专利名称：用于截头圆锥形溅射靶的高靶利用率磁性装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁控管溅射，尤其涉及便于高效利用溅射靶的磁控管磁体设计。
背景技术：
磁控管溅射、或磁力增强溅射涉及使用在真空室内提供在基片上形成汽相沉积的涂层材料的溅射靶。溅射过程中，溅射靶被供以负电位，在辉光放电系统中作为阴极。在磁控管溅射中，磁体产生在溅射靶表面上方的闭环磁力隧道(magnetic tunnel)形式的磁场。磁力隧道将电子限制在靶表面附近。所述的电子限制能够形成对于给定的处理压力有显著降低的点火和熄灭电压、对于给定的阴极电压有显著降低的点火和熄灭压力的等离子体。
常规的磁力隧道将热电子和二次电子限制在靶表面附近。热电子与二次电子的区别在于它们的来源不同，来源赋予电子不同的特性。热电子通过原子或离子与其它电子的电离碰撞产生。热电子比二次电子数目更多，但能量更低。二次电子是在靶被离子撞击时从靶中发射的。
由于在横截面内平行于未侵蚀靶表面的磁场的分量作用，隧道促使二次电子沿磁力隧道的长度进入半圆形轨道。垂直于未侵蚀靶表面的磁场分量促使平行于隧道轴线移动的二次电子在横截面内朝隧道的磁中心线横向运动，磁中心线是靶表面上垂直于未侵蚀靶表面的磁场为零的线。另一方面，热电子在隧道的横截面内前后移动，且沿磁力线形成螺旋型轨道。由于其垂直于磁力线的低迁移性，热电子被限制在阴极区域。通过在磁力隧道的边缘处会聚磁力线产生的磁镜使热电子保持从一端到另一端反射，同时垂直于磁力线的热电子的低迁移性使它们保持在绕磁力线的螺旋轨道内运动。磁镜效应在磁力隧道边缘是最强的，且在隧道的磁中心线上方消失，所以热电子在隧道的磁中心线处居中的一维势并内水平移动。
磁控管溅射的电子约束性在增强靶表面附近的等离子密度是有效的，且使磁力增强的溅射比常规的二极溅射更实用。然而，常规的磁力隧道是低靶利用率的原因，因为隧道的磁中心线附近的电子集中导致等离子体密度类似地集中，致使在这一区域侵蚀率最高。而且，随着靶的侵蚀，在中心线附近区域的靶表面侵蚀进入更强的磁场，这加速了侵蚀的集中。此外，集中的侵蚀产生了V形轮廓，使二次电子从相对的壁变化到侵蚀槽的中心，更进一步地使等离子体在此集中。通常，均匀厚度的靶的利用率约25％。由于增加消耗的靶数目和未使用的靶材料量以及更换靶所需要的机器停工期，较差的靶利用率削弱了薄膜沉积的经济性。靶的未侵蚀区域趋于在磁力隧道的边缘附近出现。这种区域的存在，它们易于积聚剥落后进入处理室内、对基片产生颗粒污染的再次沉积材料。
已经使用具有相对于靶旋转而控制侵蚀形貌的非对称形状的磁力隧道。这样的转动在改进基片上的薄膜均匀性、实现更高的靶利用率和侵蚀靶上的如果磁力隧道是静态的则将不被侵蚀的点方面是有用的。这些转动装置仅对于圆形平面靶适宜。对于矩形和环形靶，仅静态的磁力装置就已经可行了。
对于具有位于靶中心的其它系统部件的截头圆锥形靶和其它环形靶，现有技术的磁控管装置没有实现高靶利用率。虽然磁力增强的溅射已经使溅射成为沉积薄膜的一种实用且经济可行的技术，但在静态的磁力装置的情况下尚没有实现其全部经济潜力。
因此，需要提供一种利用截头圆锥和其它环形靶实现高靶利用率的磁体设计。
本发明概述本发明的一个目的是在磁控管溅射设备中提高截头圆锥靶的利用率和实现全断面侵蚀。本发明的一个特定目的是提高环形靶的利用率，而不限制在用于其它硬件比如ICP源的靶中心开口内的体积的可用性。
根据本发明的原理，溅射设备包括截头圆锥或类似环形的靶，且设有磁控管磁体组件，随着靶的侵蚀，该磁体组件使靶的侵蚀从靶环面的中心向内、外区域移动。该磁体组件位于靶后，在靶上产生包围靶中心处开口的、环形靶表面上环形隧道形状的等离子体约束磁场。靶的壁形成截头圆锥体，例如与中心开口的平面倾斜约35°。
在本发明的一实施例中，三个永磁体环产生三个磁力隧道。三个隧道的相对作用产生了平行于靶表面的磁力线作用。对于薄靶，以及当到达厚靶寿命中间某点时，内部磁力隧道和外部磁力隧道与主中间磁力隧道互相作用而产生平行于未侵蚀靶的表面的合成磁力线。采用这样的厚靶，在靶的寿命早期主中间隧道占优势，沿靶的中心线侵蚀环形靶的平均半径，而在靶的寿命后期内部和外部隧道占优势，侵蚀靶环面的内、外边缘附近的区域，且从靶中心线向内和向外扩展侵蚀槽，好象磁力线在靶的整个寿命过程中保持与未侵蚀表面平行。
在优选实施例中，溅射设备是一种电离物理汽相沉积设备，包括真空处理室、在处理室内用于支撑待处理基片的基片支架、具有中心开口的环形磁控管溅射阴极组件和在中心开口内的绝缘窗口后面的感应耦合等离子源。该磁控管阴极组件包括截头圆锥形溅射靶，该靶具有面对基片支架的内部锥形溅射面，其中靶的外边缘比内边缘更接近基片支架。截头圆锥形磁体组件位于溅射靶后面且与之平行。磁体组件的构造能产生具有横跨溅射面的主要部分且跨在溅射面中心线上的磁力线的主磁力隧道、具有在靶内边缘和中心线之间延伸的磁力线的内部磁力隧道、具有主要在靶的外边缘和中心线之间延伸的磁力线的外部磁力隧道。这三个隧道的磁场以趋于产生与靶表面相对平行的磁力线的方式互相作用。对于更厚的靶，这种合成磁力线在靶寿命的早期在靶中心线上趋于成为弧形，在靶寿命中间变得更平且逐渐成为两个隧道的形状，一个在靶中心线内侧，一个在靶中心线外侧。这样，在靶寿命的开始靶的侵蚀在中心线处以较大的速率进行，在靶寿命的后期将发生朝向靶的内、外边缘的补偿侵蚀，从而在靶的整个寿命上靶的利用率是均匀的。
磁场的相对强度是这样的，即被磁通所限制的等离子体成一定形状，从而当靶未侵蚀时在中心线处比在其内、外区域处产生更大的靶侵蚀率，随着靶的侵蚀，该侵蚀率连续逐渐变化为在中心线处比在其内、外区域有更小的靶侵蚀率。这种作用对厚靶作用更大。在靶寿命的某点处，磁力线平行于靶侵蚀之前的靶表面。对于非常薄的靶来说，这种磁力线形状可以在靶的整个寿命中存在。对于薄以及厚靶，磁力线的扁平形状或磁力线的逐渐扁平过程是产生三个磁力隧道的磁体环相对作用的结果。
优选的是，磁体环的结构和强度是针对特定靶优化的。例如，靶非常薄时，主隧道和内、外隧道的相对作用这样调节，即使合成的磁力线平行于靶表面。对于厚靶，主隧道和内、外隧道的相对作用这样调节，即使合成的磁力线在靶表面形成隧道，类似于普通的磁性装置在靶寿命开始所成的隧道，但随着靶的侵蚀，磁力线的形状变得扁平，以致于不能收缩等离子体。随着靶的进一步侵蚀，当靶表面退回到这些隧道中时内、外隧道暴露于等离子体，导致在环形圆锥靶的内、外边缘附近产生更高的等离子密度。
截头圆锥形磁体组件优选的是包括第一极性的内磁极和第二极性的外磁极，它们产生由内、外磁极之间延伸的第一磁场形成的第一磁力隧道。该磁体组件最好还包括第二极性的内-中磁极和第一极性的外-中磁极，在靶的中心线上产生与第一磁场相对的相反磁场，使得随着溅射表面侵蚀进入靶内，第一和相反磁场的合成强度在中心线上减小。优选的是，内磁极和内-中磁极产生内部磁力隧道，该内部磁力隧道由内部和内-中磁极之间延伸的在环形内部区域上、主磁力隧道之下的磁力线形成，而外磁极和外-中磁极产生外部磁力隧道，该外部磁力隧道由外磁极和外-中磁极之间延伸的在环形外部区域上、主磁力隧道之下的磁力线形成。
优选的磁体组件是由一组最好是三个环形的磁环形式的永磁体制成，在锥形溅射靶的后面且与之平行沿一锥体排列。磁环最好由成截头圆锥形状排列的单个的方磁体构成，它们的极轴垂直于环的圆周延伸。这三个环包括内部、外部和中间磁环。内部和中间环的磁体的极轴平行于锥体而外环磁体的极轴垂直于锥体。导磁材料制成的磁轭位于所述锥体后面且将内、外磁环磁性地互连。
本发明提高了截头圆锥形靶的利用率，从以前的约25％提高到50-60％的范围内。锥形靶侵蚀保持在靶溅射表面的整个面积上，从而避免了溅射室颗粒污染的产生。
从下面的详细描述中，本发明的这些和其它目的及优点将更加明显。
图1是体现本发明原理的电离物理沉积设备的示意图。
图2是穿过图1的阴极组件的放大剖面图。
图3是图1和2的磁控管磁体组件的透视图。
详细描述图1示出了一种根据本发明一实施例的溅射涂敷设备，特别是电离物理沉积(IPVD)设备10。该IPVD设备10包括被室壁12所包围的真空室11。真空室11具有电离物理汽相沉积(IPVD)源13，用于将蒸汽形态的涂层材料供入溅射室11的容积内，且使溅射材料蒸汽电离。室11具有穿过源13的中心延伸的中心轴线15。晶片支架17位于室11内，在对着源13的室11的端部且沿轴线15居中，用于在处理过程中支撑沿轴线15居中且面对IPVD源13的晶片18。该IPVD设备10的其它部件尤其在美国专利申请No.09/442,500中得到了描述，可参照如上述申请。在美国专利US6,080,287中描述了源13的基本原理，在此特意作为参考文献引入。
IPVD源13包括磁控管溅射阴极组件20，该组件为环形且在其与轴线15同心的中心处有一开口21。在开口21内沿轴线15居中的是RF源组件22，该组件在室11内激发产生高密度、感应耦合的等离子体(ICP)。阴极组件20进一步包括截头圆锥形、或截短的圆锥形溅射靶25，在靶内部具有圆锥形溅射表面26，该表面面对支架17上的基片且朝轴线15倾斜。
在溅射涂敷处理过程中，制成靶25的涂层材料通过来自室11内处理气体比如氩气中形成的主溅射等离子体的正离子的轰击而汽化，室11保持在低于大气压或真空压力下，通常低于100毫乇(mtorr)。在IPVD系统中，由于离子轰击而从靶25上下来的材料原子或微小颗粒被二次等离子体或ICP所电离。
阴极组件20包括磁控管磁体组件30，在图2和3中更详细地示出，该组件含有一组最好是三个沿锥体35布置的磁环31-33，该锥体在靶的外部或背部平行于靶25。磁体组件30产生捕获靶25的表面26附近电子的磁力隧道，以保持主溅射等离子体。磁体组件30包括一软钢或其它高磁导率材料的磁轭36。磁环31-33最好是环形磁体的环形阵列，每一磁体由一系列或一组分立的方形磁体部件制成，这些部件在各环中成截头圆锥形状布置，它们的磁极和极轴绕每一环在该锥体的径向-轴向平面内沿同一方向定位。小的分立磁体可以固定在磁轭36上，这样磁轭可用作该磁体组件的结构框架，而形成锥体35的形状。
内环31的磁体的极轴平行于靶表面26定位。磁轭36形状作成使得，内环31的磁体的整个极面(在图中为南极S)与磁轭36磁性接触，也就是与磁轭36物理接触或在其附近。外环33的磁体的极轴垂直于靶表面26定位，其中外环33的磁体的整个极面与磁轭36磁性接触，在图中外环33的磁体的极轴是穿过环33的磁体的北极N和南极S的线。磁体环31、33之间的磁力线形成主磁力隧道41。
中间磁体环32位于内磁体环31的最里面的(或N)极和外磁环33的中心之间接近中间的位置，确定了主磁力隧道41的中心线40的有效位置。中心环32的磁体可以但不是必须与磁轭36直接物理接触或基本上磁性接触。中心环32的磁体的极轴基本上平行于靶表面26定位。中心环32的磁体的磁极面都不接触磁轭36。中心环32的磁体极轴在内环31的极轴的相反方向上定向，如图2所示，使中心环32的S极面对内环31的S极。这样，内环31和中心环32之间的磁力线52在形成主磁力隧道41的磁力线51下面形成内部的、较小的磁力隧道42。接近靶25的寿命终点时，内部较小隧道42影响在靶表面26的内部环形区域46上方的靶的侵蚀。在图2中磁力线或磁场线显示在包含轴线15的径向平面上。
中心环32和外环31之间的磁力线53在形成主磁力隧道41的磁力线51下方形成外部的、较小磁力隧道43。接近靶25的寿命终点时，外部较小隧道43影响在靶表面26的外部环形区域47上方的靶的侵蚀。中心环32的磁极之间的磁力线54对抗形成主隧道41的磁力线51，从而减小靶25侵蚀时主隧道41的影响。形成沿中心线40深入靶25内的主隧道的磁力线51连续逐渐变平是由分别在区域46、47产生深入靶25的较小隧道42、43的磁力线52、53的作用连续逐渐增加而造成的。零点55将存在于由磁体组件40所产生的磁场中，在此处来自磁环31-33的相反磁力线抵销。该点位于靠近中心磁体环32的中心线40附近。这一零点在靶的整个寿命中位于靶表面26之后。
平行于靶25的表面26的内环31的磁体的方位增强了内部磁力隧道52的形成，且对于给定的靶宽度可以有更强有力的磁场形状。此外，平行于靶表面26的内环31的极轴的方位能在靶25的内径附近产生更强的靶侵蚀。这减轻了源13的中心开口21处的空间限制。这些优点的产生是因为内环31的磁体平行于靶表面定位，使得来自内环磁体的最里面磁极的内部磁力隧道的磁力线的形成在它们从磁体发出时就已经卷曲返回到相对极，能够在比这些内磁体的磁极都垂直于靶表面时的更小的空间内产生内部隧道，同时在靶的内边缘产生更强的侵蚀，从而使颗粒产生最小化。外环磁体垂直于靶表面定位，以防止磁力线歪斜，且自上而下支持着靶的外边缘进行全面侵蚀，从而占据靶外边缘处的额外空间。本发明实现了有益的侵蚀，且不需要靶内边缘处的额外空间。
由内磁体环31和外磁体环33之间的磁力线形成的主隧道41在靶寿命初期影响靶的侵蚀。对于更厚的靶，等离子体被局限于沿靶25的表面26、在环形靶25的中间半径处的靶表面26上环形中心线40上的侵蚀槽。稍后在这样更厚的靶的寿命中，随着表面26侵蚀而沿中心线40缩减到靶25的中心，由于中间磁体环32的相对磁场作用和内、外隧道对主磁力隧道形状的作用，形成隧道41的磁力线逐渐沿中心线40变平。磁力隧道的侵蚀轮廓的相对影响是这样的，即当厚靶25未侵蚀时由各隧道限制的等离子体在中心线40处比在内、外区域46、47产生更大的靶侵蚀率。随着靶的侵蚀，这一比率在中心线40处连续逐渐变化为比内、外区域46、47更小的靶侵蚀率。在接近靶寿命的终点过程中，内、外磁力隧道52、53分别将靶侵蚀分向靶环面的内、外边缘。因此侵蚀槽随着靶的侵蚀而变宽，从而产生更均匀的靶侵蚀且因此提高了靶材料的利用率。
该磁体组件含有一组平行于轴15钻出的孔(未示出)，这些孔支撑给靶25供水和直流电力的馈入线路。磁体组件30涂敷有硬聚合物涂层比如聚亚胺酯或封入结合到磁体组件30上的非磁性、金属或塑料覆层件内。该涂层防止了磁体环31-33和磁轭36在空气中被氧化，以及防止可能是烧结结构的磁体环31-33成为污染颗粒源。供给靶25的冷却水可以经短管组件(未示出)而穿过磁轭36。
虽然上述描述和附图公开了本发明的各种实施例，但对于本领域的那些技术人员来说，很明显可以作出添加和改进而没有脱离本发明的原理。
权利要求
1.一种溅射设备，包含真空处理室；在处理室内用于支撑待处理基片的基片支架；磁控管溅射阴极组件，包括截头圆锥形溅射靶，该靶具有面对基片支架的内部锥形溅射面，且具有内边缘、比内边缘更接近基片支架的外边缘和在其内、外边缘之间的中心线，截头圆锥形磁体组件，它位于溅射靶后面且与之平行，该磁体组件成形为将产生具有第一磁力线的第一磁力隧道，第一磁力线沿径向平面延伸、在溅射面中心线上方横跨溅射面的主要部分，具有第二磁力线的第二磁力隧道，第二磁力线沿径向平面延伸且定位成用来支撑主要在溅射表面的内部区域上、内边缘和中心线之间的溅射面环形内部区域上的第一磁力线，以及具有第三磁力线的第三磁力隧道，第三磁力线沿径向平面延伸且定位成用来支撑主要在溅射表面的外部区域上、外边缘和中心线之间的溅射面环形外部区域上的第一磁力线；磁场是这样的，受约束的等离子体产生一个靶侵蚀率，在靶未侵蚀时，该靶侵蚀率在中心线处比在内、外部区域大，且随着靶的侵蚀，该靶侵蚀率连续逐渐变化为靶侵蚀率在中心线处比在内、外部区域小。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于截头圆锥形磁体组件包括第一极性的内磁极和第二极性的外磁极，它们通过内、外磁极之间延伸的第一磁场产生第一磁力隧道。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于截头圆锥形磁体组件还包括第二极性的内一中磁极和第一极性的外一中磁极，它们在靶的中心线上产生与第一磁场相对的相反磁场，使得随着溅射表面侵蚀进入靶内，第一和相反磁场产生的合成磁通在中心线上变扁平。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于内磁极和内-中磁极产生第二磁力隧道，该第二磁力隧道由主要在其内边缘和中心线之间的溅射表面环形内部区域上、第一磁力隧道之下的在内磁极和内-中磁极之间延伸的第二磁力线形成，以及外磁极和外-中磁极产生第三磁力隧道，该第三磁力隧道由主要在其外边缘和中心线之间的溅射表面环形外部区域上、第一磁力隧道之下的在外磁极和外-中磁极之间延伸的第三磁力线形成。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，磁体组件还包含一组在圆锥形溅射靶后面且与之平行的沿一锥体布置的环形磁环，每一磁环具有周边、直径和穿过所述锥体中心和靶中心的公共中心轴线，每一磁环具有第一和第二磁极以及在磁极之间延伸且垂直于磁环的周边的极轴，该组磁环包括具有形成其第一磁极的内磁极的内磁环、具有形成其第二磁极的外磁极的外磁环以及具有形成其第一磁极的外-中磁极和形成其第二磁极的内-中磁极的中间磁环，其中内磁环的直径小于中间磁环的直径，中间磁环的直径小于外磁环的直径；这些磁环的极轴进一步如下定位对于内磁环来说，平行于所述锥体，其中第一磁极比第二磁极更接近轴线，对于中间磁环来说，平行于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线，对于外磁环来说，垂直于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线；以及导磁材料制成的磁轭位于锥体后面且将内磁环的第二磁极与外磁环的第一磁极磁性地互连。
6.如权利要求4所述的磁控管溅射阴极组件，其特征在于，磁体组件还包含一组在圆锥形溅射靶后面且与之平行的沿一锥体布置的环形磁环，每一磁环具有周边、直径和穿过所述锥体中心和靶中心的公共中心轴线，每一磁环具有第一和第二磁极以及在磁极之间延伸且垂直于磁环的周边的极轴，该组磁环包括具有形成其第一磁极的内磁极的内磁环、具有形成其第二磁极的外磁极的外磁环以及具有形成其第一磁极的外-中磁极和形成其第二磁极的内-中磁极的中间磁环，其中内磁环的直径小于中间磁环的直径，中间磁环的直径小于外磁环的直径；
7.如权利要求4所述的磁控管溅射阴极组件，其特征在于，磁体组件还包含一组在圆锥形溅射靶后面且与之平行的沿一锥体布置的环形磁环，每一磁环具有周边、直径和穿过所述锥体中心和靶中心的公共中心轴线，每一磁环具有第一和第二磁极以及在磁极之间延伸且垂直于磁环的周边的极轴；这些磁环的极轴进一步如下定位对于内磁环来说，平行于所述锥体，其中第一磁极比第二磁极更接近轴线，对于中间磁环来说，平行于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线，以及对于外磁环来说，垂直于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线。
8.如权利要求4所述的磁控管溅射阴极组件，其特征在于，磁体组件还包含一组在圆锥形溅射靶后面且与之平行的沿一锥体布置的环形磁环，每一磁环具有周边、直径和穿过所述锥体中心和靶中心的公共中心轴线，每一磁环具有第一和第二磁极以及在磁极之间延伸且垂直于磁环的周边的极轴；以及导磁材料制成的磁轭位于锥体后面且将内磁环的第二磁极与外磁环的第一磁极磁性地互连。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，磁体组件还包含一组在圆锥形溅射靶后面且与之平行的沿一锥体布置的环形磁环，每一磁环具有周边、直径和穿过所述锥体中心和靶中心的公共中心轴线，每一磁环具有第一和第二磁极以及在磁极之间延伸且垂直于磁环的周边的极轴，该组磁环包括内磁环、外磁环和中间磁环，其中内磁环的直径小于中间磁环的直径，中间磁环的直径小于外磁环的直径；这些磁环的极轴进一步如下定位对于内磁环来说，平行于所述锥体，其中第一磁极比第二磁极更接近轴线，对于中间磁环来说，平行于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线，对于外磁环来说，垂直于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线；以及导磁材料制成的磁轭位于锥体后面且将内磁环的第二磁极与外磁环的第一磁极磁性地互连。
10.如权利要求1所述的磁控管溅射阴极组件，其特征在于，磁体组件还包含一组在圆锥形溅射靶后面且与之平行的沿一锥体布置的环形磁环，每一磁环具有周边、直径和穿过所述锥体中心和靶中心的公共中心轴线，每一磁环具有第一和第二磁极以及在磁极之间延伸且垂直于磁环的周边的极轴，该组磁环包括内磁环、外磁环和中间磁环，其中内磁环的直径小于中间磁环的直径，中间磁环的直径小于外磁环的直径。
11.如权利要求1所述的磁控管溅射阴极组件，其特征在于，磁体组件还包含一组在圆锥形溅射靶后面且与之平行的沿一锥体布置的环形磁环，每一磁环具有周边、直径和穿过所述锥体中心和靶中心的公共中心轴线，每一磁环具有第一和第二磁极以及在磁极之间延伸且垂直于磁环的周边的极轴；这些磁环的极轴进一步如下定位对于内磁环来说，平行于所述锥体，其中第一磁极比第二磁极更接近轴线，对于中间磁环来说，平行于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线，对于外磁环来说，垂直于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线。
12.如权利要求1所述的磁控管溅射阴极组件，其特征在于，磁体组件还包含一组在圆锥形溅射靶后面且与之平行的沿一锥体布置的环形磁环，每一磁环具有周边、直径和穿过所述锥体中心和靶中心的公共中心轴线，每一磁环具有第一和第二磁极以及在磁极之间延伸且垂直于磁环的周边的极轴；以及导磁材料制成的磁轭位于锥体后面且将内磁环的第二磁极与外磁环的第一磁极磁性地互连。
13.一种磁控管溅射阴极组件，包含截头圆锥形溅射靶，该靶具有内部圆锥形溅射面、环形内边缘、环形外边缘和在其内、外边缘之间的环形侵蚀中心线，截头圆锥形磁体组件，位于溅射靶后面且与之平行，该磁体组件具有第一极性的内磁极和第二极性的外磁极，它们产生由在内、外磁极之间延伸的第一磁场形成的第一磁力隧道，第二极性的内-中磁极和第一极性的外-中磁极，它们在靶的中心线上产生与第一磁场相对的相反磁场，使得随着溅射表面侵蚀进入靶内，第一和相反磁场产生的磁通在中心线上变扁平，内磁极和内-中磁极产生第二磁力隧道，该第二磁力隧道由主要在其内边缘和中心线之间的溅射表面环形内部区域上、第一磁力隧道之下的在内磁极和内-中磁极之间延伸的第二磁力线形成，以及外磁极和外-中磁极产生第三磁力隧道，该第三磁力隧道由主要在其外边缘和中心线之间的溅射表面环形外部区域上、第一磁力隧道之下的在外磁极和外-中磁极之间延伸的第三磁力线形成；其中磁力隧道的相对作用是这样的，即在靶未侵蚀时受约束的等离子体产生在中心线处比在内、外部区域更大的靶侵蚀率，且随着靶的侵蚀，该靶侵蚀率连续逐渐变化为靶侵蚀率在中心线处比在其内、外部区域更小。
14.如权利要求13所述的磁控管溅射阴极组件，其特征在于，磁体组件还包含一组在圆锥形溅射靶后面且与之平行的沿一锥体布置的环形磁环，每一磁环具有周边、直径和穿过所述锥体中心和靶中心的公共中心轴线，每一磁环具有第一和第二磁极以及在磁极之间延伸且垂直于磁环的周边的极轴，该组磁环包括具有形成其第一磁极的内磁极的内磁环、具有形成其第二磁极的外磁极的外磁环以及具有形成其第一磁极的外-中磁极和形成其第二磁极的内-中磁极的中间磁环，其中内磁环的直径小于中间磁环的直径，中间磁环的直径小于外磁环的直径；这些磁环的极轴进一步如下定位对于内磁环来说，平行于所述锥体，其中第一磁极比第二磁极更接近轴线，对于中间磁环来说，平行于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线，对于外磁环来说，垂直于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线；以及导磁材料制成的磁轭位于锥体后面且将内磁环的第二磁极与外磁环的第一磁极磁性地互连。
15.如权利要求13所述的磁控管溅射阴极组件，其特征在于，磁体组件还包含一组在圆锥形溅射靶后面且与之平行的沿一锥体布置的环形磁环，每一磁环具有周边、直径和穿过所述锥体中心和靶中心的公共中心轴线，每一磁环具有第一和第二磁极以及在磁极之间延伸且垂直于磁环的周边的极轴，该组磁环包括具有形成其第一磁极的内磁极的内磁环、具有形成其第二磁极的外磁极的外磁环以及具有形成其第一磁极的外-中磁极和形成其第二磁极的内-中磁极的中间磁环，其中内磁环的直径小于中间磁环的直径，中间磁环的直径小于外磁环的直径。
16.如权利要求13所述的磁控管溅射阴极组件，其特征在于，磁体组件还包含一组在圆锥形溅射靶后面且与之平行的沿一锥体布置的环形磁环，每一磁环具有周边、直径和穿过所述锥体中心和靶中心的公共中心轴线，每一磁环具有第一和第二磁极以及在磁极之间延伸且垂直于磁环的周边的极轴；这些磁环的极轴进一步如下定位对于内磁环来说，平行于所述锥体，其中第一磁极比第二磁极更接近轴线，对于中间磁环来说，平行于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线，以及对于外磁环来说，垂直于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线。
17.如权利要求13所述的磁控管溅射阴极组件，其特征在于，磁体组件还包含一组在圆锥形溅射靶后面且与之平行的沿一锥体布置的环形磁环，每一磁环具有周边、直径和穿过所述锥体中心和靶中心的公共中心轴线，每一磁环具有第一和第二磁极以及在磁极之间延伸且垂直于磁环的周边的极轴；以及导磁材料制成的磁轭位于锥体后面且将内磁环的第二磁极与外磁环的第一磁极磁性地互连。
18.一种用于磁控管溅射阴极组件的磁体组件，该阴极组件具有圆锥形溅射靶，该靶具有被环形内边缘和环形外边缘所包围的内部圆锥形溅射面以及在其内、外边缘之间的溅射表面上的环形中心线，该磁体组件包含一组位于圆锥形溅射靶后面且与之平行的沿一锥体布置的环形磁环，每一磁环具有公共中心轴线、周边和直径，这些磁环具有第一和第二磁极以及在各磁极之间延伸且垂直于其各周边的极轴，该组磁环包括内磁环、外磁环和中间磁环，其中内磁环的直径小于中间磁环的直径，中间磁环的直径小于外磁环的直径；这些磁环的极轴进一步如下定位对于内磁环来说，平行于所述锥体，其中第一磁极比第二磁极更接近轴线，对于中间磁环来说，平行于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线，对于外磁环来说，垂直于所述锥体，其中第二磁极比第一磁极更接近轴线；以及导磁材料制成的磁轭位于锥体后面且将内磁环的第二磁极与外磁环的第一磁极磁性地互连。
19.一种溅射方法，包含将基片支撑在处理室内真空中的支架上；给截头圆锥形溅射靶供电以形成等离子体，使材料与等离子体一起从内部圆锥形溅射表面溅射，其中该溅射表面具有环绕溅射表面环形内部区域的中心线，溅射表面环形内部区域被溅射表面的环形外部区域所环绕；在溅射靶后面设置截头圆锥形磁体组件并产生具有第一磁力线的第一磁力隧道，该第一磁力线沿径向平面延伸且横跨溅射面的主要部分，具有第二磁力线的第二磁力隧道，该第二磁力线沿径向平面延伸且定向成用来支撑溅射面环形内部区域上的第一磁力线，具有第三磁力线的第三磁力隧道，该第三磁力线沿径向平面延伸且定向成用来支撑溅射面环形外部区域上的第一磁力线；从而在圆锥形溅射靶的表面上、在径向横截面内产生有效地扁平磁力线。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于随着靶的侵蚀，在中心线上靶的侵蚀表面处的第一磁力线变平，而第二和第三磁力隧道分别出现在溅射表面的内部和外部区域，且等离子体被磁力隧道所约束，产生最初在中心线处比在内、外部区域更大且连续逐渐变化为在中心线处比在其内、外部区域更小的靶侵蚀率。
全文摘要
磁控管溅射涂敷系统具有磁控管阴极(20),该阴极包括截头圆锥形靶(25),该靶具有锥形磁体组件(30),该磁体组件在靶(25)未侵蚀时在主磁力隧道下方在靶(25)的中间半径或中心线处产生最高的侵蚀率,且随着靶的侵蚀,最高侵蚀率的位置逐渐转移到两个区域,一个是半径小于靶中心线的内部区域,一个是半径大于靶中心线的外部区域。结果,在靶(25)的寿命过程中靶的侵蚀在整个靶面积上趋于相等,提高了靶的利用率。磁体组件(30)包括具有通过磁轭(36)磁性地互连的磁极、形成主磁力隧道的内环(31)和外环(33)以及用来产生与形成主磁力隧道的磁极方位相反的磁场的中间磁体环(32)。
文档编号H01J37/34GK1336965SQ00802777
公开日2002年2月20日 申请日期2000年11月10日 优先权日1999年11月18日
发明者德尔克·安德鲁·罗素 申请人:东京电子株式会社