[发明专利]磁控溅射源移动磁体最优运动规律的计算方法

说明书

技术领域

本发明属于磁控溅射源移动磁体运动控制技术领域，尤其涉及一种磁控溅射源移动磁体最优运动规律的计算方法。

背景技术

物理气象沉积（PVD）被广泛运用于集成电路制造领域，其中溅射工艺最为常见。溅射工艺的原理是在真空腔室中充入惰性气体（如氩气），在外加电场作用下将其电离为等离子体，随后由荷能粒子（常为气体正离子）轰击靶面，使得靶材原子或分子从表面逸出。

传统的直流二级溅射（也称为阴极溅射）过程存在靶材利用率低、溅射速率低、溅射产额低的缺陷。因此，常在二级溅射阴极靶附近设置磁场与电场共同作用，使电子被束缚在靶面区域进行螺线运动，增加与气体的碰撞概率，从而增强气体电离程度并提高沉积速率。引入磁场的溅射过程称为磁控溅射。

磁控溅射能在一定程度上改善溅射效果，但仍存在靶材利用率低与薄膜沉积不均匀的缺点。最初的磁控溅射设备采用了固定磁体的结构设计，这使得设备腔室中的磁场分布是恒定的，而靶面不同位置处的磁场强度大小不一会导致其消耗速度不同，当磁场最强处的靶材达到消耗极限时即需要更换整个靶材，靶材利用率很低，造成材料浪费。后来，随着制造超大规模集成电路的铜互连技术的发展，移动磁铁的结构设计被提出并逐渐推广。因为铜互连的工艺关键是要实现铜的高离化率，这是采用固定磁体作为磁控源的磁控溅射设备所无法满足的，取而代之的是采用小型化、具有高磁场强度、可在靶面移动的磁体作为磁控源的磁控溅射设备。

上述磁控溅射设备中的磁控源包括靶材、磁体及磁体移动装置。磁体在移动装置的带动下可在靶材表面进行往复运动，使靶面的磁场分布与刻蚀深度均匀性有所提高，但效果仍然欠佳。因此，在移动磁体的结构基础上又发展出多磁体的磁控溅射源结构，其腔室内部的组成示意图如图1。其中磁控管101为移动磁体，边磁柱103为固定磁体，它们共同作用产生溅射磁场。

在移动磁体的结构和固定磁体结构及位置确定的条件下，移动磁体的运动轨迹是决定靶材利用率与溅射效果的关键。理论上，在上述条件确定的情况下，移动磁体存在最优的运动规律，即能提供最大的靶材利用率及最佳的刻蚀均匀性，而目前缺少一种方法对其最优运动规律进行仿真并为后续磁体移动装置运动机构的设计提供标准与依据。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种磁控溅射源移动磁体最优运动过程的计算方法，用以实现最大的靶材利用率及最佳的刻蚀均匀性。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种磁控溅射源移动磁体最优运动规律的计算方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：通过仿真得到移动磁体运动经过n个位置处靶材表面上m个点的水平磁场强度；其中，n和m均为设定值；

步骤2：建立用于计算靶材表面m个点的等效水平磁场强度的耦合函数bsum_j(k_i)；其中，k_i为移动磁体运动经过第i个位置处的加权系数；

步骤3：根据所述耦合函数bsum_j(k_i)，建立用于计算靶材利用率的目标函数η(k_i)；

步骤4：以靶材利用率最大化为优化目标，以且k_i＞0为约束条件，利用优化遗传算法对所述目标函数η(k_i)进行优化，得到加权系数k_i的最优值；

步骤5：利用加权系数k_i的最优值，推出移动磁体最优运动规律。

所述加权系数为移动磁体运动经过第i个位置处的停留时间百分比。

所述用于计算靶材表面m个点的等效水平磁场强度的耦合函数为其中，b_i,j为移动磁体运动到第i个位置处靶材表面上第j个点的水平磁场强度，b′_i,j为b_i,j的对偶值且b′_i,j＝b_i,m+1-j，k_i为移动磁体运动经过的第i个位置处的加权系数。

所述用于计算靶材利用率的目标函数为

本发明利用移动磁体在靶材表面不同位置产生的一系列不同磁场分布仿真结果进行耦合，从而得到处于运动状态的移动磁体在靶面产生的等效磁场，并以靶面磁场分布与靶材刻蚀深度的关系为基础，以靶材利用率最大为优化目标得到移动磁体的最优运动规律。

附图说明