專利名稱：用于dc濺射系統(tǒng)的高性能磁控管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及用于在電子工件例如平板顯示器上進(jìn)行濺射沉積的設(shè)備，具體地說，涉及一種傾斜的濺射靶和屏蔽，用于防止來自靶的污染物粒子落在工件上。再具體地說，本發(fā)明涉及一種加速器磁體的設(shè)置和定向，能夠提高靶材料和濺射室利用的效率。
背景技術(shù)：
大的平板顯示器和其它電子設(shè)備通常通過一系列的工藝步驟制造，在這些工藝步驟中，包括在工件例如玻璃襯底上沉積連續(xù)的材料層、然后圖案化的步驟。一般通過濺射沉積進(jìn)行一些沉積步驟，所述濺射沉積是來自靶的濺射材料的沉積。
在濺射沉積中，濺射靶和工件位于真空腔室內(nèi)，在該真空腔室中，將具有相當(dāng)重的原子、例如氬，其被激發(fā)為等離子體。靶上的負(fù)DC或者交流電壓使來自等離子體的氬離子加速以便轟擊該靶。一些轟擊能量被轉(zhuǎn)移給靶表面上的材料，使得從靶射出或者“濺射”靶材料分子。定位該工件使得濺射的大部分靶材料沉積在工件上。
一些類型的常用靶材料傾向于產(chǎn)生污染物粒子，如果這些粒子落在工件上，那么會毀壞所制造的電子器件。例如，氧化銦錫(ITO)靶一般至少包含百分之一的雜質(zhì)。當(dāng)濺射靶時，在雜質(zhì)脫落靶之前，它們會聚集為大如1mm的粒子。傾向于產(chǎn)生污染物粒子的其它類型的靶是構(gòu)成為瓦片(tiles)的矩陣以代替單塊靶的靶。在瓦片之間的間隙中發(fā)生的電弧可以驅(qū)逐用來將瓦片粘接到背板上的材料粒子。
當(dāng)靶和工件都水平定向并且靶直接位于工件上面時，污染物粒子落在工件上的問題是嚴(yán)重的。在這種情況下，幾乎從靶脫落的所有粒子都將沉積在工件上。
為了克服該問題，一些常規(guī)的濺射沉積室垂直定向靶和工件，工件與靶并排而不是在靶下面。在這種設(shè)計中，從靶脫落的大部分粒子都將無害地落在靶的下面而不是落到工件上。然而，在垂直定向上機(jī)械地支撐大玻璃襯底，而沒有過度應(yīng)力和甚至襯底開裂是困難的。因此，需要一種用于在工件上濺射沉積材料的裝置和方法，使襯底上沉積的污染物粒子最少，并且可以利用水平定向的襯底進(jìn)行沉積。
在沉積室工作時間和靶壽命的設(shè)備利用率方面也有困難。隨著靶轟擊的進(jìn)行，靶上的氣體離子流分布與磁通密度有關(guān)，該分布一般在靶表面上不均勻。這樣在磁通最大的地方出現(xiàn)最快的侵蝕，在靶表面中已經(jīng)通過轟擊逐出靶材料的地方形成一個或者多個濺射溝。靶瓦片開始使用時一般具有四至十毫米的一致厚度，當(dāng)濺射溝深度達(dá)到上述厚度時，必須更換靶瓦。通過利用在襯底上沉積的多個瓦片，在靶表面上分散加速器磁場的方法和裝置將緩和濺射溝的形成和延長靶的壽命。
在沉積室中更換瓦片是昂貴的。關(guān)斷真空以更換瓦片包括將腔室從工作溫度冷卻下來、更換靶、再加熱腔室以便烘出從環(huán)境空氣中吸附的水蒸汽和煅燒時間(burning-in time)以除去在瓦片上不可避免地形成的氧化物層，在工藝中，所有這些都伴隨著能量消耗。對于給定量的襯底沉積，在必須更換之前，靶瓦片使用時間越長，需要的更換次數(shù)就越少。
已經(jīng)有多種設(shè)備適合于克服不均勻的靶侵蝕。例如Morrison的美國專利4,265,729描述了構(gòu)成多個磁體以影響磁通圖形，以試圖減少靶資源部分的浪費(fèi)，尤其通過增強(qiáng)平行于靶表面的通量。然而，Morrison大量采用固態(tài)磁體結(jié)構(gòu)，增加了成本和復(fù)雜性，并且顯著偏離常規(guī)的慣例。符合常規(guī)的、大襯底磁控管結(jié)構(gòu)、同時增強(qiáng)平行于靶表面的磁通的裝置和方法將提高靶的利用，同時使對濺射室改進(jìn)的復(fù)雜性和成本最小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種濺射沉積裝置和方法，包括傾斜的濺射靶和屏蔽，該屏蔽擋住從靶落下的粒子使得粒子不會沉積在工件上。本發(fā)明允許水平定向工件。
更具體地說，該濺射靶安裝在比工件高的位置并且以相對于垂直軸成30度至60度角定向。該屏蔽占據(jù)一定的面積，使得從靶的前表面向下延伸到工件上某一點的垂直線在所述點的上面與屏蔽相交。
本發(fā)明的另一個技術(shù)方案是以相對于并且對稱地相對于垂直平面成30度至60度定向的一對濺射靶。該對稱的、傾斜的設(shè)置克服了利用單個的傾斜靶會出現(xiàn)的沉積不均勻性。每個靶包括兩組磁極，第一組安裝在鄰近靶的后表面的位置，第二組安裝在鄰近靶的周邊的位置，以便環(huán)繞第一組。這種磁體設(shè)置能夠使磁體接近靶以便使鄰近靶的磁場強(qiáng)度最大，從而使濺射沉積速度最大。
該設(shè)置的進(jìn)一步增強(qiáng)包括從周邊磁體以相對于靶的平面成三十(30°)度和六十(60°)度之間的角度定向磁場，最佳角度大約為四十五(45°)度。可以以選擇的角度通過磁化或者通過物理定向周邊磁體實現(xiàn)上述設(shè)置。得到的磁通橫向延伸超過靶瓦片周邊，使通過瓦片表面的磁力線更平行于靶瓦片平面并且很少集中在磁極。這樣使濺射侵蝕散布在靶瓦片的更大面積上并且減弱了濺射溝槽的形成，從而在穿透瓦片材料之前允許靶使用更長的時間。由于瓦片的侵蝕更均勻，因此在給定瓦片上的更多的昂貴靶材料能夠用于濺射沉積，浪費(fèi)更少。由于在必須更換之前每個瓦片使用的時間更長，因此對于給定體積的襯底涂覆來說，需要更少的瓦片更換次數(shù)，沉積腔室利用率提高了。
附圖簡單說明在附加的權(quán)利要求中闡明了作為本發(fā)明特征的新穎性特征。然而，通過下面結(jié)合附圖對一個或者多個說明性實施例的詳細(xì)描述，將能夠更好地理解本發(fā)明自身以及使用的最佳模式和本發(fā)明的進(jìn)一步的目的和優(yōu)點，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的濺射沉積室的局部截面示意圖，所述濺射沉積室具有兩個帶有屏蔽的傾斜靶。
圖2是圖1的靶和屏蔽之一的細(xì)節(jié)圖。
圖3是一個靶后面的磁體結(jié)構(gòu)的頂視圖。
圖4是一個靶后面的磁性極片的頂視圖。
圖5是具有增強(qiáng)屏蔽的圖1所示腔室的替代實施例的局部截面示意圖。
圖6是具有四個傾斜靶和一個水平靶的濺射沉積室的頂視圖。
圖7是圖6的腔室的正面圖。
圖8是圖2的簡化圖，表示本發(fā)明的另一個替代實施例。
圖9是圖2的磁體和靶部分的細(xì)節(jié)圖，表示由圖1-7的優(yōu)選實施例的磁性設(shè)置所產(chǎn)生的磁場和離子路徑。
圖10是與圖9的磁體定向?qū)?yīng)的靶的截面圖。
圖11是與圖8的磁體定向?qū)?yīng)的靶的截面圖。
圖12是與圖9類似的細(xì)節(jié)圖，但周邊磁體以相對于靶的傾斜角磁化。
圖13是與圖12類似的細(xì)節(jié)圖，但周邊磁體以相對于靶的傾斜角物理定向。
具體實施例圖1和2示出了具有兩個傾斜濺射靶10、12的濺射沉積室8，根據(jù)本發(fā)明，每個靶都具有各自的污染物阻擋屏蔽14、16。設(shè)計所示出的腔室以便容納大的矩形工件或者用于制造電子視頻顯示器的襯底。這種襯底目前可以大如650mm×800mm(寬度×長度)，不遠(yuǎn)的未來預(yù)計將普遍使用更大的襯底。
制造大如這種襯底的濺射靶和磁體是昂貴和困難的。因此，目前本發(fā)明的優(yōu)選實施例采用長、窄的矩形靶10、12，每個靶都具有比襯底更長的長度，但寬度比襯底的寬度小很多。載座18緩慢地水平移動襯底20使其通過靶，以便使從靶濺射的材料覆蓋整個襯底。在說明性的實施例中，每個靶都是10cm寬和1米長。
在該室中可以安裝任何常規(guī)的傳送機(jī)構(gòu)，以便緩慢移動襯底使其通過靶。所示實施例采用齒軌和小齒輪機(jī)構(gòu)，其中在襯底載座18的底部上安裝鋸齒狀的齒軌42。小齒輪46沿著室的長度以不大于載座18寬度的空間間隔安裝，使得齒軌總是至少與一個小齒輪齒合。馬達(dá)(未示出)使小齒輪旋轉(zhuǎn)。自由旋轉(zhuǎn)的惰輪(idler wheels)44在小齒輪之間的點支撐載座18。
圖2和3表示靶上面(即后面)的磁體布局。永久磁體24的陣列產(chǎn)生沿著靶的整個周邊p具有南極和沿著靶的長度、中心軸C(圖4)具有北極的磁場。該磁體陣列的北極由沿著靶的中心軸C的兩行矩形磁體22構(gòu)成，每個磁體具有垂直于靶定向的磁軸，北極與靶相鄰。陣列的南極由距中心軸C輻射狀隔開并且沿著周邊P排列的一行磁體24。外磁體24與內(nèi)磁體22相同，此外每個外磁體24的南極與靶相鄰。鐵磁極片26(圖2和4)磁性地連接內(nèi)磁體的南極和外磁體的北極，以便形成“磁路”。該磁路產(chǎn)生了圖2中箭頭28所示的磁場。
作為替代方案，可以在不影響裝置性能的情況下互換南北極。(在圖3中，僅將磁體的取樣用符號S或者N表示，而且所有的內(nèi)磁體22都具有相同的標(biāo)為S的磁性取向，所有的外磁體24都具有相同的標(biāo)為N的磁性取向。)電源(未示出)給靶10、12提供大的交流電壓或者負(fù)的DC電壓，一般大約為-600伏。介電隔離物17將靶與接地的腔室壁8電絕緣，介電體外罩19防止人意外接觸靶上的高壓。
磁控管濺射系統(tǒng)的工作原理是公知的。在工作中，將相對重的氣體例如氬氣供應(yīng)到真空腔室中。真空泵(未示出)維持室內(nèi)非常低的氣壓，一般1至5毫乇。磁場28趨于捕獲靶周圍的自由電子，以便自由電子圍繞平行于內(nèi)磁體22和外磁體24之間間隙的封閉橢圓路徑環(huán)行。如在常規(guī)磁控管濺射靶中，每個靶和極片的兩端都是半圓形的，以便至少提供用于使電子環(huán)行的最小旋轉(zhuǎn)半徑。
環(huán)形電子碰撞離子化的氬氣原子。靶10、12上的大的負(fù)DC或者交流電壓加速了氬離子飛向靶的速度。氬離子轟擊靶的表面以便從靶的表面逐出或者“濺射”材料。由于工件20在靶的前表面，因此被濺射的大部分靶材料沉積在工件上。
從靶上濺射的材料的每個分子離開靶以直線軌跡運(yùn)行，但是被濺射材料的不同分子的軌跡分布在一個角度范圍內(nèi)。分布范圍取決于被濺射的具體材料，但是對于幾乎所有的材料來說，濺射材料的軌跡集中在靶的前表面的垂直線的正負(fù)30度范圍內(nèi)。
如在本發(fā)明的背景技術(shù)中所述，某些類型的靶材料例如氧化銦錫(ITO)通常包含有機(jī)污染物，這些有機(jī)污染物在靶濺射過程中聚集并且最后剝落為粒子，落到工件20上。此外，將靶構(gòu)成為瓦片的矩陣以代替單個靶，靶會經(jīng)受在瓦片之間的間隙中的電弧，該電弧可以驅(qū)逐用來將瓦片粘接到背板上的材料粒子。
為了防止這些粒子污染工件，本發(fā)明包含每個靶下面的屏蔽14、16，并且每個靶10、12都相對于垂直軸傾斜。由于該屏蔽占據(jù)一定的面積，使得從靶到工件位置向下延伸的任何垂直線都與屏蔽相交于工件位置上面的一點，因此，在從靶上落下的粒子達(dá)到工件之前，該屏蔽擋住了這些粒子。優(yōu)選該屏蔽的較低邊緣包括向上延伸的邊緣32，以便防止粒子從屏蔽的下邊緣滑落。
在具有水平定向靶的常規(guī)濺射沉積室中，工件必須直接定位在靶下面，以便接收從靶濺射的材料。這樣就妨礙了在靶和工件之間定位屏蔽以擋住從靶落下的污染物粒子，因為這種屏蔽將阻擋幾乎所有的濺射材料。相反，垂直定向的靶將不允許使用水平定向的工件，因為從垂直定向的靶濺射的材料將具有水平的軌跡，因此大部分將飛過水平工件。
在本發(fā)明中，靶的傾斜為濺射的靶材料的軌跡提供了垂直和水平分量。該垂直分量允許襯底水平定向，濺射的材料不會飛過襯底，水平分量允許襯底相對于靶橫向偏移，以便靶下面的屏蔽擋住污染物粒子。靶相對于垂直軸的傾斜應(yīng)在30至60度的范圍內(nèi)，優(yōu)選大約45度。
用于屏蔽14、16的兩個基本設(shè)計參數(shù)是(1)屏蔽從靶延伸出的距離，和(2)屏蔽與靶的前表面之間的夾角θ。屏蔽的長度應(yīng)足夠長以便從靶的上邊緣向工件位置延伸的垂直線34與屏蔽相交在工件位置上面的點36(參見圖2)。
所示優(yōu)選實施例中的屏蔽垂直于靶的前表面?？梢赃x擇的是，該屏蔽可以更向上或者向下形成角度，以便屏蔽和靶之間的角度θ分別小于或者大于90度。減小屏蔽和靶之間的角度具有可以使靶安裝得更低即更靠近工件的優(yōu)點。然而，這樣增加了從靶濺射的、被屏蔽阻擋使其不能達(dá)到工件的材料量。增加角度具有相反的效果它具有降低濺射的、被屏蔽阻擋的靶材料量的優(yōu)點，但它也具有需要將靶安裝在工件上面更高位置的缺點。
優(yōu)選，工件上面的靶高度應(yīng)不大至具有下列情況的高發(fā)性，即從靶濺射的材料在到達(dá)工件之間碰撞氣體原子。一般用于濺射沉積的腔室壓力范圍為1-5毫乇，優(yōu)選高度應(yīng)是濺射材料從靶到工件的平均路徑長度，該長度為15-20cm。相應(yīng)地，該靶優(yōu)選定位在工件上面的某高度，使得垂至于靶并從靶的中心向工件延伸的線大約15-20cm長。對于如在實施例中所示的45度傾斜角的靶來說，這意味著靶的中心應(yīng)在工件上面的10-14cm處。減小腔室壓力將增加濺射的靶材料的平均自由程，因此應(yīng)允許較大的靶高度。
為了使靶和工件之間的距離最小，該工件優(yōu)選應(yīng)安裝得盡可能靠近屏蔽14、16，同時進(jìn)行沉積。在優(yōu)選實施例中，載座18沿著在屏蔽下邊緣下面僅5mm的平面的水平路徑移動工件20。
由于靶傾斜并且相對于襯底橫向偏移，因此濺射的靶材料通常從一側(cè)到達(dá)襯底。例如，在圖1中，從最左面的靶10濺射的材料通常從左側(cè)到達(dá)襯底20。如果襯底的頂表面是平的，那么該方向應(yīng)不會不利地影響襯底上靶材料的沉積。然而，如果襯底的頂表面是有開口的圖案化的，其將用靶材料填充，像制造金屬接觸或者通孔時那樣，那么該方向?qū)⑹遣幌Ｍ模@是因為在每個開口中，更多的靶材料將沉積在開口的離靶最遠(yuǎn)的側(cè)壁上。在圖1的例子中，每個開口將具有沉積在開口右側(cè)壁上的、來自靶10的最大量的材料以及沉積在左側(cè)壁上的最小量的材料。
為了消除該方向性，所示出的優(yōu)選實施例采用往相反方向傾斜的兩個靶。具體地說，最左側(cè)的靶10向右側(cè)引導(dǎo)濺射的材料，最右側(cè)的靶12向左側(cè)引導(dǎo)濺射材料。兩個靶組合在襯底中開口的所有側(cè)面上均勻地沉積濺射的靶材料。
如上所述，如果襯底的頂表面不包括將用濺射材料填充的深的、窄的開口，那么單個靶10就可以滿足要求。因此，即使優(yōu)選兩個靶，但本發(fā)明可以用單個靶10和單個屏蔽14來實施。
每個屏蔽14、16優(yōu)選應(yīng)與靶10、12電絕緣，以避免由離子轟擊導(dǎo)致的屏蔽侵蝕。該屏蔽可以電浮置(electrically floating)，如圖1、2和5所示，它也可以電接地到腔室壁8。
為了使濺射沉積的速率最大，每個磁體22、24和靶10的前表面(暴露于濺射的表面)之間的距離相對于靶的前表面寬度和相對于鄰近靶的相反極性的磁極之間的間隙盡可能地小。在所示的實施例中，后者的間隙是內(nèi)磁體22和外磁體24之間的間隙。使磁體與靶的距離最小將使與靶的前表面緊鄰的氬離子區(qū)中的磁場強(qiáng)度最大，這樣將使轟擊靶的氬離子的磁通密度最大。優(yōu)選磁體和靶的前表面之間的平均距離小于靶的前表面寬度的100％(更優(yōu)選小于50％)，并且小于鄰近靶的相反極性的磁極之間的平均間隙的200％(更優(yōu)選小于100％)。(如果靶具有如實施例所示的細(xì)長形狀，其“寬度”和“長度”分別是靶的前表面的短和長尺寸)。
通過在每個靶的后面直接安裝磁體，圖1所示的兩個相反傾斜靶的優(yōu)選設(shè)置使每個磁體22、24和相鄰靶10或者12的前表面之間的距離最小。參考圖2所示的左靶10，該靶被粘接到第一背板38，背板38的作用是給靶提供機(jī)械強(qiáng)度。鄰接第一背板的第二背板39包括通道，通過該通道，泵送水以便冷卻襯底和磁體。該背板應(yīng)由非磁性(即不含鐵)并且機(jī)械強(qiáng)度高的材料、例如銅或者鋁構(gòu)成。介電片40將靶和背板上的高壓與磁體和外罩41電絕緣。
在所示的典型方案中，該靶厚8mm，每個第一和第二背板厚10mm，介電片厚3mm。從每個磁體22、24到靶10前表面的距離是這些厚度的總和，等于31mm。由于每個靶都是100mm寬，因此內(nèi)和外磁體之間的間隙大約為40mm。因此，每個磁體和靶前表面之間的31mm距離小于鄰近靶的磁極之間的40mm間隙，并且小于靶的100mm寬度的50％。
如果工件20定位得像優(yōu)選實施例中那樣靠近屏蔽的下邊緣(5mm)，那么屏蔽14、16應(yīng)足夠硬，使得它不會不經(jīng)意地偏離以致于接觸、從而毀壞工件。圖5示出了另一個實施例，其中加強(qiáng)屏蔽以便提高其剛性。具體地說，每個屏蔽14、16都焊接到兩個側(cè)壁上，兩個側(cè)壁焊接到頂壁上，頂壁栓接到靶組件上。圖5示出了焊接到兩個側(cè)壁50上的左屏蔽14以及焊接到兩個側(cè)壁上的頂壁54。屏蔽14、側(cè)壁50和頂壁54組合形成矩形管。同樣，右屏蔽16焊接到兩個側(cè)壁52上，兩個側(cè)壁52焊接到頂壁56上，該側(cè)壁防止屏蔽撓曲。
圖6和7示出了如何在單個的濺射沉積真空腔室60內(nèi)設(shè)置幾個濺射靶，以便在工件20上沉積靶材料連續(xù)層。在連續(xù)的濺射靶下面，載座18緩慢并且連續(xù)地從左向右傳送工件。
具體地說，工件20通過入口載荷鎖定進(jìn)入腔室62。提升桿(lift pin)(未示出)將該工件升高到載座18之上，然后將工件放到載座上。該載座將工件從輸入載荷鎖定腔室62通過真空閥64輸送到濺射沉積真空腔室60。
然后該載座在第一對氧化銦錫(ITO)靶10、12下面移動該工件，該氧化銦錫(ITO)靶在襯底上沉積第一層ITO膜。載座繼續(xù)移動該襯底，使其經(jīng)過第二對ITO靶10’、12’下面，該氧化銦錫(ITO)靶在襯底上沉積第二層ITO膜。隨著載座繼續(xù)移動襯底到右側(cè)，襯底經(jīng)過MoCr或者Cr靶70下面，其在前面沉積的ITO層上沉積MoCr或者Cr層。最后，載座將工件從濺射沉積真空腔室60通過真空閥66輸送到出口載荷鎖定腔室68(exit load lock chamber)。
由于ITO靶通常如前所述產(chǎn)生有機(jī)污染物粒子，因此使用本發(fā)明的傾斜靶和屏蔽來沉積ITO層。然而，可以使用不帶屏蔽的常規(guī)水平靶66來沉積MoCr或者Cr層，這是因為MoCr和Cr靶容易得到高純度，不會產(chǎn)生污染物粒子。
圖8示出了本發(fā)明的第二可選擇的實施例，該實施例可以與前面討論的任一個或者兩個實施例結(jié)合使用。在圖8的實施例中，周邊磁體124的磁通線從中心軸C向靶10的周邊P并且超過周邊P輻射狀向外展開。這就產(chǎn)生一個好的效果是在靶10的表面上得到了更好的環(huán)行自由電子的橢圓形路徑分布，增加了與靶10的表面平行的磁通密度，并且增加了離子流。結(jié)果是靶10和沉積室60的改進(jìn)了的利用，如下所述。
圖9詳細(xì)地示出了在優(yōu)選實施例(圖1-7)中出現(xiàn)的磁通28的圖形，其中垂直于靶10表面設(shè)置和磁化周邊磁體24。在靜態(tài)場的情況下，磁通28在基本上垂直于靶10的平面方向上從周邊磁體24發(fā)出，沿著正好在內(nèi)磁體22下面的、基本上垂直于靶10的通路最密集地返回。當(dāng)然，在通過電磁體感應(yīng)的動態(tài)場中，該極性振蕩，但基本上保持圖9所示的分布。在任一種情況下，自由電子在鄰近內(nèi)磁體22和外磁體24之間的靶10的前表面形成等離子體區(qū)29內(nèi)環(huán)行。等離子體區(qū)29占靶10的總前表面積的相當(dāng)小的面積。這些自由電子與闖入該區(qū)的氣體離子碰撞，使其電離。一旦電離，氣體離子被吸引到靶10的前表面上，在此它們與靶材料分子碰撞。盡管氣體離子通常通過施加給靶10的電壓而產(chǎn)生的電場偏向靶10，但它們趨于與最接近內(nèi)磁體22和外磁體24的磁極的靶10相交，這是因為磁通28的密度在該趨于最大。
圖10示出了該布局的靶10上不是最理想的效果(sub-optimaleffect)。周邊磁體24在靶10的法線方向或者垂直于靶10定向，如圖9所示。平行于靶10表面的磁通28最小，離子流小，允許一些氣體離子漂移，直到它們在較接近磁體22、24磁極的較高磁通28的區(qū)域中掠向靶10。由于磁通28在最接近磁極的位置最密集，因此在該區(qū)域靶10的氣體離子轟擊也最強(qiáng)。這樣使靶不均勻地磨蝕，在氣體離子與靶10的表面相交的位置加深了溝槽25、27。
繼續(xù)參考圖10，最初，整個靶具有基本均勻的原始厚度A，靶10開始工作。工作時間T1之后，溝槽25、27侵蝕到最大深度B。隨著進(jìn)一步的工作，在時間T2，深度B最終接近原始厚度A。然后必須更換靶10，以免靶瓦片粘接材料污染襯底20。因此靶的使用時間限于時間T2，必須放棄或者再生廢棄的靶材料W1，安裝新的靶10，需要腔室60的瓦片更換次數(shù)。
圖11示出了通過圖8所示的替代實施例實現(xiàn)的改進(jìn)。以相對于靶10的平面的磁化銳角α(圖8)磁化周邊磁體124將它們的最大磁通密度從中心軸C輻射狀向外移向靶10的周邊P或者超過周邊P。磁化角α優(yōu)選相對于靶的平面在30和60度之間，45度最佳。在周邊P，使磁化輻射狀地向外形成角度以加寬在內(nèi)和外磁體22、124之間形成的等離子體129中的自由電子的路徑。由于較大的等離子體區(qū)129，因此增加了與氣體離子接觸使其電離的可能性。然而，更重要的是，它使磁通128變得更平行于靶10并且在靶10上分布更均勻，并且在靶10表面的較大部分上展開氣體離子的轟擊。侵蝕溝125、127仍然形成，但更緩慢并且在更寬的面積上進(jìn)行。具體地說，對于相同的工作時間T1，它們的最大深度B1基本上淺于溝槽25、27的深度B。最后，深度B1也達(dá)到厚度A，但需要更長的時間。由于溝槽125、127比溝槽25、27淺很多，因此靶10的使用時間T3(圖11)明顯大于T2(圖10)。
相對于圖9的九十度(90°)磁極定向，這可以解釋為幾個優(yōu)點。第一，由于靶10的使用時間更長，因此對于沉積腔室60來說需要更少的更換次數(shù)，對于腔室60來說，伴隨著能量的節(jié)約和利用率的提高。第二，在使用時間T3過程中，磨蝕了較大體積的靶10，這樣減少了靶瓦片浪費(fèi)(與W1相比的W2)，保存了寶貴的、高純度的靶材料自身。第三，對于給定電壓來說，區(qū)域129、229內(nèi)的更大的磁通128、228密度意味著更大的離子電流，對于給定功率來說意味著更低的電壓。這樣對于給定襯底圖層來說在轟擊期間保存了能量并且減少了靶材料飛濺，更可以預(yù)知濺射沉積情況。
圖12和13示出了可以構(gòu)成替代實施例的兩種方式。在圖12中，周邊磁體124與圖9一樣地物理定向。這樣允許采用與上述優(yōu)選實施例一樣的幾何尺寸。改變的地方是磁通128和自由電子路徑129的分布。內(nèi)磁體22和周邊磁體124之間的物理間隙基本上相同，濺射軌跡的相對效果基本上不受影響。這樣，在圖8所示的原型中，從磁體到靶10的前表面之間的距離保持31mm，內(nèi)磁體22與外磁體124之間的間隙保持大約40mm。
圖13示出了對圖12的變形，其中周邊磁體224物理定向為與需要的磁化角α一致，如圖12所示。電子路徑229多少通過在靶10的更大面積上鋪張而被進(jìn)一步改進(jìn)。然而這是需要代價的，首先，其要求沉積腔室60中的其它硬件的物理改變。具體地，在周邊磁體224和極片226間的界面是傾斜的以和相似傾斜的周邊磁體224的上部相匹配。類似地，磁體224在它們相對極是傾斜的以通過介電絕緣體40和靶10最好地接觸。當(dāng)然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，不需偏離本發(fā)明分精神和范圍，別的封閉磁通路徑228的方法可被利用。然而，周邊磁體224的再取向會導(dǎo)致沉積腔室60的成本的增加。
所示的物理定向周邊磁體224也增加它們和內(nèi)磁體22間的間隙。此外，由于它們輻射狀地延伸超過靶10的周邊P，因此周邊磁體224與靶10的間隙也增加了。例如，如果優(yōu)選實施例的每個磁體22、24都是14mm長，那么將磁體224定向在45°將內(nèi)和外磁體之間的間隙增加了大約14mm，或者增加到總共大約54mm，要求外罩41的整個周邊尺寸也增加。同樣，與靶10的間隙增加了大約3mm，或者增加到大約34mm。這些間隙的增加都不會負(fù)面影響性能，但沉積室60的物理尺寸必須據(jù)此改變。將磁極226變窄14mm可以彌補(bǔ)這種改變，并且允許使用與優(yōu)選實施例所述相同的裝置。
舉例建造用于4300PVD系統(tǒng)的圖9和12所述的結(jié)構(gòu)，并且利用3軸霍耳效應(yīng)探針測量靶10上的磁通密度。磁通證明圖12所示系統(tǒng)的45°定向的周邊磁體124比圖9所示系統(tǒng)的90°定向的周邊磁體24具有更寬的分布。具體地說，在內(nèi)和外磁體22、124之間的自由電子區(qū)129中磁通密度從100高斯增加到600高斯，并且靶10的其它區(qū)域減少50到200高斯，在這些其它區(qū)域溝槽25、27的形成對90°系統(tǒng)來說最大。此外，對于恒定功率輸出來說，45°系統(tǒng)的DC輸出電壓比90°系統(tǒng)低35％。
雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實施例具體示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在不離開本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種形式上和細(xì)節(jié)上的改變。例如，上面已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選的第一替代實施例的傾斜靶10討論了第二優(yōu)選實施例。然而，可以與靶的定向無關(guān)來實現(xiàn)磁通從內(nèi)和外磁體22、24展開的優(yōu)點，并且對于定向在從垂直到水平的所有角度的靶10來說都產(chǎn)生相似的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種用于從濺射靶將材料濺射沉積到襯底上的裝置，包括具有周邊、前表面和與前表面相對的后表面的第一濺射靶；第一組一個或者多個內(nèi)磁極，每個都具有相同的極性，鄰近后表面安裝；第一組一個或者多個外磁極，每個都具有與內(nèi)磁極相反的極性，鄰近后表面且與第一靶的周邊并列安裝，其中第一組外磁極共同環(huán)繞第一組內(nèi)磁極；和以相對于前表面成磁化銳角磁化每一個外磁極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中在垂直于前表面的方向上磁化每一個內(nèi)磁極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中相對于前表面，外磁極的磁化角在30度和60度之間，包括30度和60度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中外磁極的磁化角輻射狀向外并且遠(yuǎn)離內(nèi)磁極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中相對于前表面，外磁極的磁化角在30度和60度之間，包括30度和60度；以及在垂直于前表面的方向上磁化每一個內(nèi)磁極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中每個外磁極的磁化角使來自該磁極的磁通被輻射狀向外并且遠(yuǎn)離內(nèi)磁極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中每個外磁極的磁化角使來自該磁極的磁通被引導(dǎo)超過第一靶的周邊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中每個外磁極的磁化角使來自第一組外磁極的磁通被定向為基本上平行于第一靶的前表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中相對于前表面，外磁極的磁化角在30度和60度之間，包括30度和60度，并且被輻射狀向外且遠(yuǎn)離內(nèi)磁極；來自外磁極的磁通基本上平行于第一靶的前表面；和在垂直于前表面的方向上磁化每一個內(nèi)磁極。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中后表面通常朝上；和前表面通常朝下對著襯底。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中相對于前表面，外磁極的磁化角在30度和60度之間，包括30度和60度；和在垂直于前表面的方向上磁化每一個內(nèi)磁極。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中每個外磁極的磁化角使來自該磁極的磁通被輻射狀向外并且遠(yuǎn)離內(nèi)磁極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中每個外磁極的磁化角使來自該磁極的磁通被引導(dǎo)超過第一靶的周邊。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，進(jìn)一步包括密封第一靶的真空腔室；和用于在真空腔室腔內(nèi)的一個或者多個工件位置處定位襯底的工件支撐體，其中所述一個或者多個工件位置包括第一靶下面的一個或者多個工件位置。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中相對于垂直線，以30-60度范圍內(nèi)的角使前表面傾斜，包括30度和60度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中相對于前表面，外磁極的磁化角在30和60度之間，包括30度和60度，在垂直于前表面的方向上磁化每一個內(nèi)磁極。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中每個外磁極的磁化角使來自該磁極的磁通被輻射狀向外并且遠(yuǎn)離內(nèi)磁極。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其中每個外磁極的磁化角使來自該磁極的磁通被引導(dǎo)超過第一靶的周邊。
19.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中安裝第一組內(nèi)和外磁極，使得它們與第一靶的前表面之間的共同平均距離小于第一靶前表面的寬度的一半。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中相對于垂直線，以30度至60度范圍內(nèi)的角度使前表面傾斜，包括30度和60度。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中相對于前表面，外磁極的磁化角在30和60度之間，包括30度和60度。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中外磁極的磁化角被輻射狀向外引導(dǎo)并且遠(yuǎn)離內(nèi)磁極。
23.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中每個外磁極的磁化角使來自第一組外磁極的磁通被定向為基本上平行于第一靶的前表面。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括具有第二周邊、第二前表面和與第二前表面相對的第二后表面的第二濺射靶；第二組一個或者多個內(nèi)磁極，每個都具有相同的極性，鄰近第二后表面安裝；第二組一個或者多個外磁極，每個都具有與內(nèi)磁極相反的極性，鄰近第二后表面且與第二周邊并列安裝，其中第二組外磁極共同環(huán)繞第二組內(nèi)磁極；和以相對于第二前表面成磁化銳角磁化第二組外磁極中的每一個外磁極。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的裝置，其中相對于第一和第二靶的前表面，第一和第二組外磁極的磁化角分別在30和60度之間，包括30度和60度，并且輻射狀向外及遠(yuǎn)離各組內(nèi)磁極；來自第一和第二組外磁極的磁通基本上分別平行于第一和第二靶的前表面；和分別在垂直于第一和第二靶前表面的方向上磁化第一和第二組內(nèi)磁極的每一個內(nèi)磁極。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的裝置，其中每個靶的后表面通常朝上；和每個靶的前表面通常超下，對著襯底。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的裝置，其中相對于對稱的垂直平面并且在垂直平面的相對側(cè)上對稱地定向第一和第二靶，使得每個靶的前表面向著另一個靶的前表面定向。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的裝置，其中以相對于垂直平面的定向角定向每個第一和第二靶，所述定向角等于另一個靶的定向角并與其相反。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的裝置，其中相對于所述垂直平面，第一和第二靶的定向角在30至60度的范圍內(nèi)，包括30度和60度。
30.根據(jù)權(quán)利要求26的裝置，進(jìn)一步包括密封第一和第二靶的真空腔室；和用于在真空腔室內(nèi)的一個或者多個工件位置定位電子襯底的工件支撐體，其中所述一個或者多個工件位置包括在第一靶下面的一個或者多個工件位置和在第二靶下面的一個或者多個工件位置。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的裝置，其中相對于對稱的垂直平面并且在垂直平面的相對側(cè)上對稱地定向第一和第二靶，使得每個靶的前表面向著另一個靶的前表面定向。
32.根據(jù)權(quán)利要求26的裝置，其中分別相對于第一和第二靶的前表面，第一和第二組外磁極的磁化角在30至60度的范圍內(nèi)，包括30度和60度；和分別在垂直于第一和第二靶前表面的方向上磁化第一和第二組內(nèi)磁極的每一個內(nèi)磁極。
33.根據(jù)權(quán)利要求26的裝置，其中第一和第二組磁極的每個外磁極的磁化角使分別來自第一和第二組磁極的磁通被輻射狀向外且遠(yuǎn)離第一和第二組內(nèi)磁極。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，其中來自第一和第二組外磁極的磁通分別被引導(dǎo)超過第一和第二靶的周邊。
35.一種將來自濺射靶的材料濺射沉積到襯底上的方法，包括步驟在真空腔室內(nèi)安裝第一濺射靶，該第一濺射靶具有周邊、前表面和與前表面相對的第一后表面；安裝第一組一個或者多個內(nèi)磁極，每個都具有相同的極性，鄰近后表面；安裝第一組一個或者多個外磁極，每個都具有與內(nèi)磁極相反的極性，鄰近后表面，該后表面鄰近第一靶的周邊，其中第一組外磁極共同環(huán)繞第一組內(nèi)磁極；和以相對于前表面的磁化銳角磁化每一個外磁極；和將來自第一靶的材料濺射到襯底上。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，進(jìn)一步包括步驟在真空腔室內(nèi)的一個或者多個工件位置定位襯底，其中所述一個或者多個工件位置包括第一靶下面的一個或者多個工件位置。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，進(jìn)一步包括步驟在真空腔室內(nèi)安裝第二濺射靶，該第二濺射靶具有第二周邊、第二前表面和與第二前表面相對的第二后表面；安裝第二組一個或者多個內(nèi)磁極，每個都具有相同的極性，鄰近第二后表面；安裝第二組一個或者多個外磁極，每個都具有與內(nèi)磁極相反的極性，鄰近第二后表面和第二靶的周邊，其中第二組外磁極共同環(huán)繞第二組內(nèi)磁極；和以相對于第二靶前表面的磁化銳角磁化第二組中的每一個外磁極；和將來自第二靶的材料濺射到襯底上。
38.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，進(jìn)一步包括步驟在真空腔室內(nèi)的一個或者多個工件位置定位襯底，其中所述一個或者多個工件位置包括在第一和第二靶下面的一個或者多個工件位置。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中安裝第一和第二靶的步驟進(jìn)一步包括下來步驟關(guān)于對稱的垂直平面對稱且等距地定位第一和第二靶，其中第一和第二靶的前表面通常朝下并且彼此相向，而且對著靶下面的一個或者多個工件位置。
40.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中分別相對于第一和第二靶的前表面，第一和第二組外磁極的磁化角在30和60度之間，包括30度和60度；和分別在垂直于第一和第二靶前表面的方向上磁化第一和第二組內(nèi)磁極的每一個內(nèi)磁極。
41.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中第一和第二組磁極的每個外磁極的磁化角使來自該第一和第二組磁極的磁通分別被輻射狀地向外引導(dǎo)，并遠(yuǎn)離該第一和第二組內(nèi)磁極的每個磁極。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中來自該第一和第二組外磁極的磁通分別被引導(dǎo)超出該第一和第二靶的周邊。
43.一種用于將來自濺射靶的材料濺射沉積到襯底上的裝置，包括第一濺射靶，該第一濺射靶具有第一周邊、通常面向下的前表面和與前表面相對且通常面向上的后表面；第一組一個或者多個內(nèi)磁極，每個都具有相同的極性，鄰近后表向安裝；第一組一個或者多個外磁極，每個都具有與內(nèi)磁極相反的極性，鄰近后表面和第一周邊安裝，其中第一組外磁極共同環(huán)繞第一組內(nèi)磁極；和以相對于第一前表面成30度和60度之間的定向角物理定向每一個外磁極，該定向角被輻射狀向外且遠(yuǎn)離第一組內(nèi)磁極引出。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的裝置，進(jìn)一步包括第二濺射靶，其具有第二周邊、第二前表面和與第二前表面相對的第二后表面；第二組一個或者多個內(nèi)磁極，每個都具有相同的極性，鄰近第二后表面安裝；第二組一個或者多個外磁極，每個都具有與內(nèi)磁極相反的極性，鄰近后表面且與第二周邊并列安裝，其中第二組外磁極共同環(huán)繞第二組內(nèi)磁極；和以相對于第二前表面成30度和60度之間的定向角定向第二組外磁極中的每一個外磁極，該定向角被輻射狀向外并且遠(yuǎn)離第二組內(nèi)磁極引出。
45.一種用于將來自濺射靶的材料濺射沉積到襯底上的方法，包括步驟在真空腔室內(nèi)安裝第一濺射靶，該第一濺射靶具有第一周邊、通常面向下的前表面和與前表面相對且通常面向上的后表面；安裝第一組一個或者多個內(nèi)磁極，每個都具有相同的極性，鄰近后表面；安裝第一組一個或者多個外磁極，每個都具有與內(nèi)磁極相反的極性，鄰近后表面和第一周邊，其中第一組外磁極共同環(huán)繞第一組內(nèi)磁極；和以相對于第一前表面成30度和60度之間的定向角物理定向每一個外磁極，該定向角被輻射狀向外且遠(yuǎn)離第一組內(nèi)磁極引出；和將來自第一靶的材料濺射到襯底上。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的方法，進(jìn)一步包括步驟在真空腔室中安裝第二濺射靶，該第二濺射靶具有第二周邊、第二前表面和與第二前表面相對的第二后表面；安裝第二組一個或者多個內(nèi)磁極，每個都具有相同的極性，鄰近第二后表面；安裝第二組一個或者多個外磁極，每個都具有與內(nèi)磁極相反的極性，鄰近第二后表面和第二靶的周邊，其中第二組外磁極共同環(huán)繞第二組內(nèi)磁極；和以相對于第二前表面成30度和60度之間的定向角物理定向第二組中的每一個外磁極，該定向角被輻射狀向外且遠(yuǎn)離第二組內(nèi)磁極引出；和將來自第二靶的材料濺射到襯底上。
全文摘要
一種濺射沉積裝置和方法，包括通過以選擇的角度磁化或者物理定向磁體從而相對于濺射靶的平面成上述角度定向的周邊磁體。得到的磁通從靶的中心軸向靶的周邊并且超過靶的周邊輻射狀向外延伸。這樣使通過靶表面的磁通回路更平行于其濺射表面的平面。這樣使濺射侵蝕散布在靶表面的更大面積上，并且減弱了濺射溝槽的形成。由于靶侵蝕更均勻，可以使更多的靶材料用于濺射沉積，防止浪費(fèi)。對于給定體積的工件涂覆來說，在穿透靶材料之前，可以使每個靶使用更長的時間，導(dǎo)致較少的靶更換次數(shù)，提高沉積室的利用率。
文檔編號H01L21/203GK1524283SQ02813561
公開日2004年8月25日 申請日期2002年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月6日
發(fā)明者A·霍索卡瓦, R·穆拉普第, A 霍索卡瓦, 盞 申請人:應(yīng)用材料有限公司