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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetfeldgenerator für Magnetronplasma
oder betrifft insbesondere einen Magnetfeldgenerator für Magnetronplasma,
der ein Magnetfeld erzeugt, welches sich durch exzellente Gleichmäßigkeit
auszeichnet, so dass ein dadurch erzeugter Magnetron sich als sehr
geeignet erweist zum Gebrauch in den sogenannten Magnetronsputter-
und Magnetronätzverfahren
weit verbreitet in den Bereichen elektrischer und elektronischer
Technologien.
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Es
ist heute üblich,
dass die Sputter und Ätzbehandlung
in den oben genannten technischen Bereichen angewandt wird, in dem
ein sogenanntes Magnetronplasma, das ist ein Plasma, dass unter
Zuhilfenahme eines Magnetrons zum Einsatz kommt, verwendet wird.
Insbesondere wird ein Magnetronplasma erzeugt, indem ein Magnetron
in der folgenden Weise verwendet wird. So werden Elektroden in die Atmosphäre eines
Gases, wie z. B. Argon, dass eine Plasmakammer füllt, eingeführt und elektrische Entladung
wird dadurch verursacht, so dass die Gasfüllung der Kammer ionisiert
wird, um Sekundärelektronen
hervorzubringen, die ihrerseits auf die Gasmoleküle aufprallen, was zu einer
weiteren Ionisierung der Gasmoleküle führt. Die primären und
sekundären Elektronen,
die durch die elektrische Entladung hervorgebracht werden, treten
Kraft des Magnetfelds, welches durch den Magnetron und Kraft des
elektrischen Feldes, welches deren Bewegung beeinflusst, in eine
Driftbewegung ein. Die in der Driftbewegung befindlichen Elektronen
können
erfolgreich auf die Gasmoleküle
aufprallen, um zusammen mit der Erzeugung weiterer Elektronen, die
wiederum durch den Aufprall darauf die Ionisierung der Gasmoleküle bewirken,
die Ionisierung in Gang setzen. Der sehr hohe Wirkungsgrad bei der
Ionisierung, die durch ein Magnetron erreicht wird, kann durch die
Wiederholung des oben beschriebenen Verfahrens erklärt werden.
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Wie
oben beschrieben, kann ein eine Plasmakammer füllendes Gas mit einem sehr
hohen Wirkungsgrad ionisiert werden, in dem ein Magnetron eingesetzt
wird, wodurch in der Folge die Dichte des Plasmas, welches in der
Plasmakammer erzeugt wird, gesteigert wird. Dementsprechend kann
der Wirkungsgrad des Magnetronsputterns oder des Magnetronätzens zwei
oder drei mal höher
sein als die Wirksamkeit, die in einer konventionellen Plasmakammer
erreicht wird, wenn eine hochspannungselektrische Entladung zum
Einsatz kommt.
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Die 1A und 1B zeigen schematisch eine Sputtervorrichtung
unter Verwendung einer konventionellen Magnetronentladungseinheit
in einer vertikalen Axialquerschnittsansicht, wobei das magnetische Feld
zu erkennen ist bzw. in einer perspektivischen Ansicht die Bewegungen
der Elektronen zu erkennen sind. Zwei Elektrodenplatten 10, 12 sind
parallel zueinander angeordnet. Ein Substrat 14, auf dem
die Sputterung stattfindet und ein Target 16 für die Sputterung
sind in dem Spalt zwischen den Elektroden 10, 12 angeordnet
bzw. jedes in Kontakt mit einer Hochfrequenzstromversorgung. Der
Pfeil 20 in 1A zeigt
die Richtung des elektrischen Feldes in dem Moment, wenn die obere
Elektrode 10 die Anode ist und die untere Elektrode 12 die
Katode ist. Ein Magnetfeldgenerator 18 für Magnetronplasma
ist auf der unteren Oberfläche
der Elektrode 12 angebracht. Der Magnetfeldgenerator 18 besteht
aus einem Joch 26 und einem Satz von permanenten Magneten 22 und 24,
konzentrisch angeordnet und miteinander verbunden an den unteren
Oberflächen
durch das Joch 26. Der äußere Magnet 22 ist
ringförmig
und der mittlere Magnet 24 zylindrisch ausgebildet, wobei
die magnetische Polarität
umgekehrt zu der des äußeren Magnets 22 ist,
wie in 1A gezeigt.
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Die
Magnetfeldlinien 30 der Strömung 28A und 28B treten
aus dem Nordpol des äußeren Magnets 22 aus
und treten am Südpol
des mittleren Magnets 24 ein, wobei über dem Target 16 ein
magnetisches Streufeld entsteht. Unter der Annahme, dass die Richtung
des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 10, 12 wie
durch den Pfeil 20 gezeigt, von oben nach unten verläuft, tritt
das Elektron 32 auf der Oberfläche des Targets 16,
das in der Abwesenheit eines magnetischen Feldes gerade nach oben
beschleunigt werden sollte, durch Ablenkung in die Richtung des äußeren Produkts
der elektrischen und magnetischen Felder entlang des endlosen Orbits 34 in
eine Driftbewegung ein. Als eine Folge steht das Elektron 32 in
der Nachbarschaft der Oberfläche
des Targets 16 unter Krafteinwirkung, wodurch die Ionisierung
der Gasmoleküle
angeregt wird. Das Vorstehende ist der Mechanismus, durch den sich
die hohe Dichte des Plasmas, das in einer Magnetronplasmavorrichtung
erzeugt wird, erklärt.
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An
dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass der Beitrag zu
der Driftbewegung der Elektronen lediglich durch die Komponente
des magnetischen Feldes senkrecht in Richtung auf die Richtung des
elektrischen Feldes bewirkt werden kann. In den 1A und 1B kann
namentlich nur die Komponente des Magnetfelds die parallel zu der
Oberfläche
des Targets 16 verläuft,
im Folgenden als das horizontale Magnetfeld bezeichnet, zur Ionisierung
der Gasmoleküle
beitragen, in dem die Elektronen in eine Driftbewegung versetzt
werden. 2A ist ein Graph,
der die Verteilung der Komponente des Magnetfeldes parallel zur
Targetoberfläche
zeigt, d. h. das horizontale Magnetfeld, aufgenommen in der Richtung
des Pfeils X oder Y im Magnetfeldgenerator gezeigt in 1A und 1B. Wie aus der oben angeführten Erklärung für die Driftbewegung
der Elektronen hervorgeht, hat das Magnetfeld eine ringförmige Verteilung,
so dass die Verteilungskurve des Magnetfelds in radialer Richtung
wie in 2A dargestellt,
zwei Peaks aufweist. Der Hinweis erübrigt sich, dass die Dichte
des in dem Magnetfeld erzeugten Plasmas von der Komponente des Magnetfelds
parallel zur Targetoberfläche
abhängt,
wodurch die Elektronen in die Driftbewegung versetzt werden, so
dass die Dichte des Plasmas eine Verteilung wie in dem gepunkteten
Diagramm in 2B gezeigt,
aufweist. Als Konsequenz vollzieht sich beim Target intensives Sputtern auf
den Bereichen, auf denen das Magnetfeld eine große Komponente in der Richtung
parallel zu der Targetoberfläche
aufweist, was zu einer örtlichen
Abnutzung des Targets führt,
wodurch der Wirkungsgrad der Ausnutzung des Targetmaterials, was
zuweilen sehr teuer ist, wirtschaftlich nachteilig verringert wird.
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Die
Situation ist ebenfalls ähnlich
bei der Plasmaätzvorrichtung,
wobei ein Magnetfeldgenerator für
Magnetronplasma Verwendung findet. Besonders die Ätzwirkung
vollzieht sich auf der Oberfläche eines
Substrats, wie z. B. eines Halbleiters in Form eines Silizium-Einkristall-Wavers nicht gleichmässig, sondern
mit einer bereichsweisen Intensivierung, was zu einer Qualitätsminderung
der Produkte führt, die
durch die Ätzbehandlung
entstehen. Überdies kommt
es manchmal bei so einer nicht einheitlichen Verteilung der Plasmadichte
vor, dass ein sogenanntes Charge-up-Phänomen ausgelöst wird,
in dem ein beträchtlicher
Gradient in dem elektrischen Potential über der Substratoberfläche hervorgerufen
wird. Dies führt
zu einer letztendlichen Zerstörung
der Halbleitervorrichtung durch die Behandlung aufgrund von elektrischer
Entladung.
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Angesichts
der oben beschriebenen Probleme besteht der dringende Wunsch, einen
Magnetfeldgenerator für
Magnetronplasma zu entwickeln, der in der Lage ist, ein Magnetfeld
zu erzeugen, bei dem die Einheitlichkeit in der Komponentenverteilung parallel
zu der Targetoberfläche
so stark wie möglich erhöht werden
kann. Es ist beispielsweise ein Magnetfeldgenerator mit einem Dipolringmagnet
bekannt, der, wie in Draufsicht bzw. axialer Querschnittsansicht
in den 3A und 3B gezeigt ist, eine Gesamtheit
einer Vielzahl von anisotropen Säulensegmentmagneten 40, 40 darstellt,
die in einem nichtmagnetischen Rahmen 42 in einer kreisförmigen Anordnung
gehalten werden.
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Unterschiedlich
zum Magnetfeld, das eine ringförmige
Komponentenverteilung parallel zu dem Target aufweist, entstanden
in dem Magnetfeldgenerator, der in den 1A und 1B dargestellt
ist, erzeugt der Dipolringmagnet aus 3A und 3B ein magnetisches Feld. 3B zeigt eine Querschnittsansicht,
geschnitten und gesehen entlang der Richtung dargestellt durch die
Pfeil IIIB – IIIB
in 3A. Das Magnetfeld
ist nur in ein und dieselbe Richtung gerichtet, parallel zu der
Oberfläche
des Targets. Es sitzt auf dem Magnet, so dass die Driftbewegung
der Elektronen sich lediglich in eine Richtung vollzieht, wodurch
das Problem der Uneinheitlichkeit in der Verteilung der Plasmadichte
nicht gelöst
wird. Diese Unzulänglichkeit
der ungenügenden
Einheitlichkeit des Magnetfelds kann zum Teil durch Rotation des
jeweiligen Säulensegmentmagnets
entlang der periphären
Richtung der Kreisansordnung verringert werden. Obwohl dieses Mittel
alleine nicht wirksam genug sein kann, um volle Einheitlichkeit
in der Plasmadichte über
einen weiten Bereich zu bewirken.
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Die
Anzahl der anisotropen Säulensegmentmagnete 40,
die durch den nicht-magnetischen Rahmen 42 gehalten werden,
liegt bei mindestens 8 oder gewöhnlich in der Spanne zwischen 8 und 64,
obwohl 3A den Fall zeigt,
in dem die Anzahl 16 beträgt. Das Querschnittsprofil
des Säulensegmentmagnets 40 ist
nicht besonders einschränkend
und kann kreisförmig,
viereckig/quadratisch, wie in 3A gezeigt, rechteckig
oder trapezförmig
sein. Die Pfeilmarkierung, die im Querschnitt eines jeden Säulensegmentmagnets
angegeben ist, zeigt die Richtung der Magnetisierung des Magneten.
Wenn die jeweiligen Säulensegmentmagnete,
die jeweilige Magnetisierungsrichtung wie dargestellt in 3A aufweisen, wird ein Magnetfeld
in der Richtung wie durch das breite offene Pfeilzeichen 43 dargestellt,
in der Zone, die durch den Satz der Säulensegmentmagnete 40 umgeben wird,
erzeugt.
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Wenn
der oben beschriebene Dipolringmagnet in einem Magnetfeldgenerator
für Magnetronplasma
zum Einsatz kommt, werden die oberen und unteren Parallelplattenelektroden 36, 37 in
den Spalt eingebracht, der von den Säulensegmentmagneten 40 wie
in 3B gezeigt ist, umgeben
wird. Das Substrat 38, welches der Sputterbehandlung unterworfen werden
soll und das Target 39 werden an der unteren Elektrode 37 bzw.
an der oberen Elektrode 36 befestigt. Die Elektroden 36, 37 sind
an eine Hochfrequenzstromversorgung angeschlossen, um im Spalt zwischen
den Elektroden 36, 37 ein hochfrequentielles elektrisches
Feld zu erzeugen. Die Richtung des so erzeugten, elektrischen Feldes
wird durch das Pfeilzeichen 44 oder 45 in den 3A bzw. 3B dargestellt. Dabei wird von der Annahme
ausgegangen, dass in dem Moment die obere Elektrode 36 die
Anode ist und die untere Elektrode 37 die Katode ist.
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Es
ist bevorzugt, dass die in 3B durch eine
horizontale unterbrochene Linie 48 dargestellte gedachte
Ebene, die durch Verbindung der länglichen Mittenstellungen der
Säulensegmentmagnete 40 erzeugt
wird, mit der zentralen Ebene der effektiven Plasmanutzzone 46 übereinstimmt.
Sie hat einen Durchmesser von 2 R und wird durch die unterbrochenen
Linien dargestellt. Sie ist auf der Oberfläche des Targets 39 oder
des Silikonwavers 38 ausgebildet und durch geeignete Anpassung
in der Höhe
des Targets 39, wenn die Sputterbehandlung zu erwarten ist,
auf der unteren Elektrode 37 angeordnet, oder wenn die Ätzbehandlung
zu erwarten ist auf dem Waver 38. Das liegt daran, dass
die Einheitlichkeit des magnetischen Feldes in der länglichen
zentralen Höhe
der Ringsegmentmagnete 40 größer ist, als in den Endbereichen
und dass das magnetische Feld in der länglichen zentralen Höhe der Magnete
im Prinzip keine Komponente in der Richtung senkrecht zu den Elektrodenplatten
aufweist, um eine verbesserte Einheitlichkeit des magnetischen Feldes
und eine erhöhte
Plasmadichte zu erreichen.
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4A enthält Graphen, die die Verteilung des
magnetischen Felds, das in der effektiven Plasmanutzzone 46 durch
den Magnetfeldgenerator erzeugt wird, zeigen. Dabei wird der oben
beschriebene Dipolringmagnet entlang den Linien, die durch die Pfeile
X bzw. Y in 3A dargestellt
sind, benutzt. Hieraus wird begreiflich, dass eine bedeutende Verbesserung
der Einheitlichkeit des magnetischen Feldes in der horizontalen
Richtung im Vergleich mit der Verteilung, die in 2A gezeigt ist, erreicht werden kann.
Auf der anderen Seite zeigt 4B ein
Verteilungsdiagramm der Plasmadichte, das im Magnetfeld erzeugt
wird, woraus ersichtlich wird, dass die Uneinheitlichkeit der Plasmadichte
auf der negativen Seite des Pfeils Y höher ist und dass sie auf der
positiven Seite des Pfeils Y niedriger ist. Dieses Phänomen kann
durch die Tatsache erklärt
werden, dass die Driftbewegung der Elektronen sich in der Richtung des äußeren Produkts
der elektrischen und magnetischen Felder vollzieht, so dass sich
die Elektronen zur negativen Seite des Pfeils Y in 4B verlagern. Das ist die Ursache des
Problems, dass obwohl die Richtung der Driftbewegung der Elektronen
durch die Drehung des Dipolringmagnets entlang der Umfangsrichtung
der kreisförmigen
Anordnung der Magnete geändert
werden kann, volle Einheitlichkeit der Plasmadichte in weitem Umfang
lediglich durch Drehung des Dipolringmagneten nicht erreicht werden.
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Die
EP-A-661 728 offenbart einen Dipolringmagneten zum Gebrauch in einer
Magnetronsputter oder Magnetronätzvorrichtung.
Prinzipiell ist der Dipolringmagnet eine Zusammenstellung einer
Vielzahl von säulenähnlichen,
anisotropen Magnetsegmenten in einer umfangsgleichen Anordnung.
Jedes säulenförmige Magnetsegment
wird in einer Richtung magnetisiert, welche die Normale zu ihrer
Längsachse darstellt.
Die Magnetsegmente sind derart in dem Ringmagnet zusammengesetzt,
dass sie unterschiedlich ausgerichtet sind, so dass im Inneren des Ringmagneten
ein Magnetfeld in der Richtung des Ringdurchmessers erzeugt wird.
Jedes säulenförmige Segment
entbehrt eines in Längsrichtung
gesehen mittleren Teils, wodurch anstatt des mittleren Teils ein
unbesetzter Spalt entsteht. Die Länge des unbesetzten Spalts
wird entsprechend der Position des Segments im Ringmagnet reguliert.
Dadurch soll die Einheitlichkeit des Magnetfeldes im besonderen in
Bezug auf eine zur Längsachse
des Ringmagneten normale Komponente verbessert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist demnach Aufgabe der Erfindung, im Magnetfeldgenerator eine Verbesserung
anzubringen, in dem ein Dipolringmagnet in einem Magnetronplasmasputter
oder einem Magnetronplasmaätzinstrument
Anwendung findet. Hierdurch kann eine hohe Gleichmäßigkeit
der Plasmadichte ohne die Probleme und Nachteile der oben beschriebenen Magnetfeldgeneratoren
aus dem Stand der Technik über
einen weiten Bereich sichergestellt werden.
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Entsprechend
einer ersten Ausführungsform der
Erfindung wird die Aufgabe durch einen Magnetfeldgenerator für Magnetronplasma
gelöst,
der in einer Magnetronvorrichtung zur Erzeugung von hochdichtem
Plasma installiert ist, umfassend einen Dipolringmagnet bestehend
aus einer Mehrzahl von anisotropen Säulensegmentmagneten. Von diesen ist
ein jeder in einem nicht-magnetischen Rahmen angeordnet, erstreckt
sich in vertikaler Richtung und ist in einer Kreisanordnung angeordnet,
wobei er zu den Nachbarn ungefähr
einheitliche Abstände
einhält.
Dabei ist jeder anisotrope Säulensegmentmagnet
in eine obere Hälfte
und eine untere Hälfte
unterteilt und ein Abstandspalt wird zwischen der oberen Hälfte und
der unteren Hälfte
des anisotropen Säulensegmentmagnets
eingehalten. Der Abstandspalt ist dabei unterschiedlich dimensioniert,
um mit der Position, an der der anisotrope Säulensegmentmagnet in der Kreisanordnung
vorgesehen ist, übereinzustimmen.
Der Magnetfeldgenerator ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsspalten
derart variieren, dass ein Gradient des Magnetfelds erreicht wird
und dass das Magnetfeld auf der stromabwärtigen Seite der Elektronendrift
schwach ist und auf der stromaufwärtigen Seite der Elektronendrift
stark ist.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch einen Magnetfeldgenerator
für Magnetronplasma
gelöst,
der in einer Magnetronvorrichtung zur Erzeugung von hochdichtem
Plasma installiert ist. Er umfasst einen Dipolringmagneten bestehend
aus einer Mehrzahl von anisotropen Säulensegmentmagneten, von denen
jeder innerhalb eines nicht-magnetischen Rahmens angeordnet ist,
sich in vertikaler Richtung erstreckt und in einer Kreisanordnung
angeordnet ist. Der Magnetfeldgenerator ist dadurch gekennzeichnet,
dass die anisotropen Säulensegmentmagnete
in Bezug auf die Richtung des im Inneren des Dipolringmagneten gebildeten
Magnetfeldes asymmetrisch angeordnet sind.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1A und 1B sind eine vertikale Querschnittsansicht
bzw. eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung
von Magnetronplasma mit einem konventionellen Magnetfeldgenerator, der
einen ringförmigen
Magneten aufweist.
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2A ist ein Graph, der die
Verteilung des Magnetfeldes in dem in 1A und 1B gezeigten Magnetfeldgenerator
in horizontaler Richtung zeigt. 2B ist
ein Diagramm, das die Verteilung der Plasmadichte darstellt, entsprechend
der Verteilung des magnetischen Feldes, dargestellt in 2A.
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3A und 3B sind eine Draufsicht bzw. eine vertikale
Querschnittsansicht eines Magnetfeldgenerators mit einem herkömmlichen
Dipolringmagnet.
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4A ist ein Graph, der die
Verteilung des Magnetfeldes in horizontaler Richtung in dem Magnetfeldgenerator,
dargestellt in den 3A und 3B zeigt. 4B ist ein Diagramm,. das die in 4A dargestellte Verteilung
der Plasmadichte entsprechend der Magnetfeldverteilung zeigt
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5A und 5B sind eine Draufsicht bzw. eine vertikale
Querschnittsansicht eines Magnetfeldgenerators mit einem Dipolringmagneten,
entsprechend der ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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6A ist ein Graph, der die
in den 5A und 5B dargestellte Verteilung
des Magnetfeldes in horizontaler Richtung in dem Magnetfeldgenerator zeigt. 6B ist ein Diagramm, das
die Verteilung der Plasmadichte entsprechend dem Magnetfeld darstellt,
die in 6A gezeigt ist.
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7A und 7B sind eine Draufsicht bzw. eine vertikale
Querschnittsansicht eines Magnetfeldgenerators mit einem Dipolringmagnet,
entsprechend der zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Folgenden wird die Verbesserung an einem Magnetfeldgenerator mit
einem Dipolringmagnet entsprechend der ersten und zweiten Ausführungsform
im Detail beschrieben, unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren.
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5A veranschaulicht schematisch
eine Draufsicht des nach der ersten Ausführungsform der Erfindung verbesserten
Magnetfeldgenerators. 5B zeigt
eine vertikal axiale Querschnittsansicht desselben, geschnitten
und gesehen entlang der in 5A durch
die Pfeile VB – VB
dargestellten Richtung. Der in 5A gezeigte
Dipolringmagnet ist ein Aufbau von 16 anisotropen Säulensegmentmagneten 50(1) bis 50(16) im
folgenden bezeichnet als Magneteinheiten, wobei jeder einen rechteckigen
Querschnitt aufweist und in einem nicht-magnetischen Rahmen 52 eingefügt und gehalten
ist. Es versteht sich von selbst, dass die Anzahl solcher Magneteinheiten
nicht auf 16 beschränkt
ist, sondern jede Zahl von mindestens 8 annehmen kann, wobei die
Anzahl vorzugsweise eine gerade Zahl ist. Die Magnetisierungsrichtung
der jeweiligen Magneteinheiten 50(1) bis 50(16) wird
durch die jeweiligen Pfeile gezeigt. Wenn die Richtungen der Magnetisierung
der jeweiligen Magneteinheiten so wie in 5A dargestellt, verlaufen, hat das Magnetfeld
im Inneren des Dipolringmagneten als Ganzen eine durch das breite
offene Pfeilzeichen 53 dargestellte Richtung. Im Unterschied
zu dem in den 3A und 3B dargestellten herkömmlichen
Dipolringmagneten, in denen jede der Magneteinheiten 40 die
Form eines einzelnen Integralstabs aufweist, ist jede der Magneteinheiten 50(1) bis 50(16),
dargestellt in 5B, in
eine obere und eine untere Hälfte
geteilt und unter Wahrung eines dazwischen angeordneten Abstandspaltes
gehalten. Beispielsweise ist die Magneteinheit 50(1) in eine
obere Hälfte 50(1)A und
eine untere Hälfte 50(1)B geteilt
und wird unter Beibehaltung eines Abstandsspalts 54(1) zwischen
beiden gehalten. Die Dimension des Abstandsspaltes 54(1) entspricht
d(1), wie durch den doppelseitigen Pfeil gezeigt. Obwohl alle Magneteinheiten
in ähnlicher
Weise in obere und untere Hälften
geteilt sind, sind die Dimensionen der Abstandsspalten 54(1) bis 54(16) nicht
einheitlich. Sie müssen
derart variiert werden, dass das Magnetfeld entlang der Richtung
der Y-Achse in 6A von der
negativen Seite (unteres Ende in 5A)
der Y-Achse zur positiven Seite (oberes Ende in 5A) eine Verteilung mit gleichförmigem Anstieg
aufweist. Notwendigerweise sind die Dimensionen der Abstandsspalten
in den zwei Magneteinheiten, die an zur Y-Achse symmetrischen Stellen
angeordnet sind, identisch. In der in 5A dargestellten
Anordnung der 16 Magneteinheiten werden namentlich die folgenden
Relationen eingehalten: d(1) = d(9); d(2) = d(8); d(3) = d(7); d(4)
= d(6); d(10) = d(16); d(11) = d(15) und d(12) = d(14).
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In
einer Verwirklichung die der ersten Ausführungsform der Erfindung entspricht
wurden die tatsächlichen
Dimensionswerte der Abstandsspalten 54(1) bis 54(16) wie
folgt festgesetzt: d(1) = d(9) = 0,81 L mm; d(2) = d(8) = 0,72L
mm; d(3) = d(7) = 0,61 L mm; d(4) = d(6) = 0,55L mm; d(5) = 0,51L
mm; d(10) = d(16) = 0,78L mm; d(11) = d(15) = 0,95L mm; d(12) =
d(14) = 0,94L mm; und d(13) = 0,89L mm. L entspricht dabei der Länge der
jeweiligen Magneteinheiten in mm vor der Teilung in zwei Bereiche.
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Mit
Ausnahme der oben beschriebenen Verbesserung ist der Dipolringmagnet
entsprechend der ersten Ausführungsform
der Erfindung im Hinblick auf die Typen, die Anzahl, die Anordnung
und die Richtung der Magnetisierung der Magneteinheiten nicht besonders
begrenzend und kann mit herkömmlichen
Dipolringmagneten ungefähr
identisch sein. Namentlich der Dipolringmagnet ist eine Anordnung einer
Vielzahl von Magneteinheiten, die alle in einem nicht-magnetischen
Rahmen 52 gehalten und getragen werden. Die Anzahl der
Magneteinheiten sollte mindestens 8 betragen oder wird gewöhnlich aus
einer Bandbreite von 8 bis 64 ausgewählt, obwohl die Anzahl der
Magneteinheiten in der in den 5A und 5B dargestellten Ausführungsform
16 beträgt.
Der Querschnitt einer jeden Magneteinheit kann kreisförmig, viereckig,
rechteckig oder trapezförmig
sein.
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Unterschiedliche
Arten von bekannten Permanentmagneten, dazu zählen z.B. Permanentmagnete
auf Basis von Seltenen Erden, Ferritmagnete, Alnico-Magnete und
dergleichen können
als Magneteinheiten verwendet werden. Obwohl die 5A und 5B den
Dipolringmagnet alleine zeigen, kann die Anordnung des Magnetfeldgenerators
für Magnetronplasma
andernfalls dasselbe sein, wie in der herkömmlichen Vorrichtung, dargestellt
in den 3A und 3B.
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7A zeigt einen entsprechend
der zweiten Ausführungsform
der Erfindung verbesserten Dipolringmagnet in einer Draufsicht und 7B zeigt eine axial vertikale
Querschnittsansicht desselben, geschnitten und gesehen entlang der
Richtung, dargestellt durch die Pfeile VII B bis VII B in 7A.
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Ähnlich wie
beim konventionellen Dipolringmagnet, dargestellt in den 3A und 3B wird eine Vielzahl von anisotropen
Säulensegmentmagneten, d.
h. Magneteinheiten, 50(1) bis 50(16) in einem nicht-magnetischen
Rahmen 52 symmetrisch zu der Y-Achse in 7A gehalten und getragen. Anders als
bei der herkömmlichen
Ausführungsform,
dargestellt in 3A, in
der 16 Magneteinheiten 40 in einer Kreisanordnung stehen,
wobei sie in Symetrie zur X-Achse und Y-Achse zu den Nachbarn einen einheitlichen
Abstand wahren, ist die Anordnung der Magneteinheiten 50(1) bis 50(16) in 7A nicht symmetrisch zur
X-Achse wobei die Magneteinheiten 50(10), 50(11), 50(13), 50(15) und 50(16) fehlen,
wie durch die Quadrate mit den unterbrochenen Linien gezeigt, die
die jeweiligen gedachten Positionen der weggelassenen Magneteinheiten
darstellen. Es sei angemerkt, dass die Positionen, inklusive jene
der tatsächlichen
Magneteinheiten und jene der ausgelassenen oder gedachten Magneteinheiten
so angeordnet sind, dass eine jede den identischen Abstand zu den
Benachbarten einhält.
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Als
Folge der oben beschriebenen asymmetrischen Anordnung der Magneteinheiten
oder der Weglassung einiger der Magneteinheiten in der Region, in
der das Magnetfeld in der horizontalen Richtung schwach ist, hat
das Magnetfeld, dass auf diese Weise im Inneren des Dipolringmagneten
erzeugt wird, einen solchen Gradienten wie in 6A dargestellt. Das Magnetfeld ist dabei
auf der negativen Seite der Y-Achse
schwach und steigt zur positiven Seite der Y-Achse gleichbleibend
an. Obwohl die 7A und 7B die asymmetrische Anordnung
von 11 Magneteinheiten, durch Weglassung von 5 Magneteinheiten aus
den 16 Magneteinheiten zeigen, die einheitlich in kreisförmiger Weise
angeordnet sind, ist die Art einer asymmetrischen Anordnung der
Magneteinheiten in einer Vielzahl von unterschiedlichen Änderungsmöglichkeiten
nicht auf diese Ausführungsform
begrenzt. Es ist der freien Wahl überlassen, dass jede der tatsächlichen
Magneteinheiten 50(1) bis 50(16), von denen einige
weggelassen sind, entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung in
obere und untere Hälften
geteilt ist. Dazwischen wird ein unterschiedlich gestalteter Abstandsspalt,
wie in 5B dargestellt,
eingehalten.
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Im
Folgenden werden die zwei oben beschriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen und Vergleichsbeispielen
in weiterem Detail beschrieben.
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Beispiel 1:
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Die
generelle Anordnung der Magneteinheiten wurde in 5A und 5B gezeigt.
Darin wurden 16 Magneteinheiten 50(1) bis 50(16),
wie in 5A gezeigt, symmetrisch
angeordnet, wobei jeder ein Neodym-Eisen-Bor-Magnet war und eine Länge L von 150
mm und einen quadratischen Querschnitt von 30 mm × 30 mm
aufwies. Jedes der Magneteinheiten war in obere und untere Hälften unterteilt
und so gehalten, dass zwischen ihnen ein Abstandsspalt eingehalten
wurde. Die Dimension wurde vorstehend bezeichnet. Das heißt d(1)
= d(9) = 0,81 L mm; d(2) = d(8) = 0,72L mm; d(3) = d(7) = 0,61 L
mm; d(4) = d(6) = 0,55L mm; d(5) = 0,51L mm; d(10) = d(16) = 0,78L
mm; d(11) = d(15) = 0,95L mm; d(12) = d(14) = 0,94L mm und d(13)
= 0,89L mm. Die Verteilung des magnetischen Feldes in horizontaler
Richtung im Inneren des Dipolringmagneten, innerhalb des Plasmaspaltes 56 wird
auf der Höhe
gemessen, die den Abstandsspalten in den jeweiligen Magneteinheiten entspricht.
Sie führte
zu Ergebnissen, die in 6A in
der Richtung der X-Achse und der Y-Achse gezeigt sind. Die Verteilung
der Plasmadichte, die unter dem magnetischen Feld in der Plasmanutzzone 56 erzeugt
wird und eine solche Verteilung aufweist, wird in 5B gezeigt.
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In
den oben erwähnten
Evaluationstests des Dipolringmagneten wurden die Messungen in der
folgenden Weise durchgeführt.
Die Verteilung des horizontalen Magnetfeldes wurde daher durch Bewegung
eines Hallelementes innerhalb des Spaltes bestimmt und die Ausgangsgrößen des
Hallelementes wurden an den jeweiligen Punkten an einem magnetischen
Flussdichtemesser (Gausmeter) abgelesen. Die Verteilung der Plasmadichte
wurde nach dem elektrostatischen Sondenverfahren ermittelt. Dabei wurde
eine Sonde innerhalb des Spalts bewegt und die Strom-Spannungskennlinie,
bei Anlegung einer Spannung an eine Sonde gemessen. Mit der so ermittelten
Elektronentemperatur und den Elektronendichtewerten wurde die Plasmadichte
errechnet.
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Vergleichsbeispiel 1:
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Das
experimentelle Verfahren war im wesentlichen dasselbe wie oben beschrieben
in Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass eine jede der Magneteinheiten
nicht in obere und untere Hälften
geteilt war, sondern aus einem integralen, einzigen Magnet bestand.
Die Verteilung des horizontalen Magnetfeldes verlief wie in 4A gezeigt, ziemlich einheitlich,
in die Richtung der X-Achse und der Y-Achse, jedoch war die Verteilung
der Plasmadichte, wie in 4B gezeigt,
alles andere als einheitlich.
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Vergleichsbeispiel 2:
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Wie
in den 1A und 1B dargestellt, wurden Messungen
der Verteilung des horizontalen Magnetfeldes sowie der Verteilung
der Plasmadichte bei einem, mit einem ringförmigen Magnet ausgerüsteten konventionellen
Magnetfeldgenerator durchgeführt.
Wie in 2A gezeigt, hat
die Verteilungskurve des horizontalen Magnetfeldes ein Profil mit
zwei Peaks, sowohl in Richtung der X-Achse als auch in Richtung
der Y-Achse. Die Plasmadichte hatte, wie in 2B gezeigt, eine ringförmige Verteilung.
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Beispiel 2:
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Die
experimentelle Anordnung war im wesentlichen dieselbe wie im oben
beschriebenen Vergleichsbeispiel 1, mit der Ausnahme, dass von den 16
Magneteinheiten im Vergleichsbeispiel 1, wie in den 7A und 7B dargestellt,
5 Magneteinheiten weggelassen waren. Die Ergebnisse waren ebenso zufriedenstellend,
wie in Beispiel 1.