[发明专利]一种沉积均匀的磁控管及其设计方法

说明书

本发明公开了一种沉积均匀的磁控管，包括外磁极磁铁和内磁极磁铁，且外磁极磁铁和内磁极磁铁磁极性相反，外磁极磁铁和内磁极磁铁构成闭合环，此闭合环形成等离子体轨道，所述等离子体轨道中心线的长度L分布随靶材中心距离(x)的变化为L＝axⁿ，其中a是任意常数，n是变量，所述n值由公式拟合计算获得，本发明能够保证沉积薄膜厚度的均匀性，同时提高靶材腐蚀率并使等离子体环中心线较短。

技术领域

本发明涉及磁控溅射沉积薄膜，特别的，本发明涉及一种用于依据靶材-基片间距(TSD)等参数而设计的、产生均匀溅射、强化溅射、最大靶材利用率的磁控管及其设计方法。

背景技术

磁控溅射是物理气相沉积的一种。它是利用等离子轰击靶材，使靶材粒子脱落，沉积于基片表面形成薄膜的技术。通常，将磁控管置于靶材之后，其产生的磁场可以控制电子、离子在靶材表面的运动区域，从而提高工艺气体如Ar气的在此区域的离化率，提高靶材表面等离子体浓度，进而提高薄膜沉积速率。磁控溅射技术广泛应用于半导体及微电子器件制造领域，为最常用的薄膜沉积方法。

如图1所示，其为典型的磁控溅射设备的示意图。该设备主要包括1、工艺腔体，其中有基片台、基片台上载有基片、工艺气体入口、靶材等；工艺腔体连接真空泵，由真空泵抽至真空；靶材连接至外部电源，电源使靶材表面产生负电场，使工艺气体离子化，并使之在电场作用下，撞击靶材，使靶材粒子溅出；2、磁控管，通常，将磁控管置于真空腔体之外，平行于靶材背面。磁控管可以是静止的，也可以是运动的。后者通常是围绕着靶材的中心线转动；磁控管上装有磁铁，通常是具有极性相反的磁铁相邻配对，其产生的磁场在靶材表面形成磁场分布，控制电子、离子在靶材表面运动的区域，提高等离子体浓度及薄膜沉积速率。

Anderson等人在美国专利4，995，958和6，024，843中指出，为了达到对靶材的均匀腐蚀，磁控管在半径为R处的等离子体环中心的线长之和应该与半径成反比关系，即：

其中，R为该等离子体环中心线上某一点距靶材中心的距离，即此点对应的半径值；为磁控管在半径为R处的等离子体环中心的线长总和；k为与等离子强度及其他相关的常数；C为常数。E(R)为腐蚀曲线，进而他们推导出用于一固定的腐蚀曲线的微分公式具有一个标准解：

其中，θ为该等离子体轨道的最小半径，R和θ为该轨道的极坐标。

图2为依据该理论设计出的磁控管。

Hong S.Yang等人在美国专利7，186，319和中国专利CN1997768中也试图以一个公式、迭代修正程序来解决靶材径向腐蚀的不均匀性问题，他们认为如公式3：

L_R＝arⁿ (3)

其中，a是一个常数；r为该等离子体环中心线上某一点距靶材中心的距离，即此点对应的半径值；为磁控管在半径为r处的等离子体环中心的线长总和；n为2附近的一个常数；n＝2，通常对应均匀的靶材腐蚀；n2，则对应靶材中心处有较大的靶材腐蚀；n2，则靶材边缘处有较大的腐蚀。

他们认为，当n＝2时，，表明在一个单位径向增量内该等离子体轨道长度与半径成正比，因此该公式与Anderson等人的公式是一致的。但是，事实上，这两个公式并不一致。Anderson等人的公式为公式4：

表明，dL/dr＝C/k，为一个常数，并不与半径成正比。因此，Hong S.Yang等人基于

L_R＝arⁿ (5)

这一公式的迭代程序而设计磁控管是有一定局限性的。