磁控源和磁控濺射設備的製作方法

2023-08-12 23:52:56 2

專利名稱：磁控源和磁控濺射設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術領域，尤其是涉及一種磁控源和具有該磁控源的磁控濺射設備。
背景技術：
磁控濺射，又稱為物理氣相沉積，是集成電路製造過程中沉積金屬層和相關材料廣泛採用的方法。圖6示出了一種典型的磁控濺射設備，其中腔室本體9』內部限定有高真空工藝腔，被濺射的靶材10』設置在腔室本體9』的頂部，上蓋11』設置在靶材10』上面，隔離件11』和靶材10』中間充滿了去離子水12』，承載晶片V的靜電卡盤8』設置在高真空工藝腔內，抽氣腔6』與高真空工藝腔的下部連通。為了提高濺射效率，磁控管2』放置在靶材10』背面，且包括極性相反的磁鐵3』和4』，受到軌道束縛在鄰近磁鐵3』和4』的腔室範圍內產生磁場，對於自離子化等離子體(SIP)濺射而言，磁控管2』較小，是一種嵌套式結構，其內軌道由一個或多個磁鐵被外軌道相反極性的磁鐵包圍而成。磁場束縛電子，限制電子的運動範圍，並延長電子的運動軌跡，使電子最大幅度的離化原子形成離子，離子濃度大幅提高，在鄰近磁控管2』的腔室內形成高密度等離子體區域。為了達到均勻濺射的目的，磁控管2』通過電機I』驅動沿靶材10』的中心掃過固定的軌跡。圖7示出了一種磁控管的驅動機構，其中電機通過軸101』帶動齒輪103』繞齒輪102』轉動，齒輪103』驅動齒輪104』，齒輪104』帶動磁控管105』和配重106』做自轉運動，此外磁控管105』和配重106』繞著軸101』做公轉運動，配重107』用於平衡整個驅動機構，防止由於力矩產生的不平衡 ，增加傳動的穩定性。磁控管105』掃過靶材表面的運動軌跡如圖8所示，靶材刻蝕曲線如圖9所示，靶材利用率約為53%，且靶材的中心附近和外周緣附近的利用率均較低。因此，驅動機構驅動磁控管掃描靶材不同位置的運動速度難以控制，並且靶材的利用率有待提聞。

發明內容
本發明旨在至少解決上述技術問題之一。為此，本發明的一個目的在於提出一種磁控源，該磁控源結構簡單，靶材利用率較聞。本發明的另一目的在於提出一種具有上述磁控源的磁控濺射設備，利用該磁控濺射設備，可以降低薄膜沉積時顆粒產生，提高薄膜均勻性和靶材利用率。為了實現上述目的，根據本發明第一方面實施例的磁控源，其特徵在於，包括:靶材；磁控管，所述磁控管位於所述靶材上方；和掃描機構，所述掃描機構與所述磁控管相連以控制所述磁控管在所述靶材上方移動，其中所述掃描機構包括:
一個驅動器；一個驅動軸和安裝在所述驅動軸上的主動齒輪，所述驅動軸與所述驅動器相連以由所述驅動器驅動所述驅動軸轉動；連杆，所述連杆的第一端與所述驅動軸相連；一個從動軸和安裝在所述從動軸上的從動齒輪，所述從動軸可樞轉地安裝在所述連杆的第二端，所述從動齒輪與所述主動齒輪嚙合；凸輪，所述凸輪安裝在所述從動軸上以繞所述從動軸自轉且繞所述驅動軸公轉；導軌，所述導軌的一端安裝在所述從動軸上以隨所述從動軸轉動；滾輪，所述滾輪安裝在中心軸上且所述中心軸安裝在所述導軌上並沿所述導軌的長度方向可移動，所述滾輪的外周與所述凸輪的外周接觸，所述磁控管與所述中心軸的下端相連；和彈性件，所述彈性件的一端與所述從動軸相連且另一端與所述中心軸相連以將所述滾輪壓緊到所述凸輪上。根據本發明實施例的磁控源，在磁控管繞凸輪運動時，通過調整驅動軸與從動軸之間的距離可以調整磁控管在靶材外圍和中心處的掃描速度來增加靶材外圈的刻蝕的同時也使得靶材中心區域部分得到刻蝕，從而可以降低薄膜沉積時顆粒產生，提高薄膜均勻性和靶材利用率。而通過改變凸輪的形狀和/或主動齒輪與從動齒輪之間的傳動比，可以實現磁控管對整個靶材表面的掃描。此外，根據本發明上述實施例的磁控源通過一個驅動器即可實現使從動軸繞驅動軸公轉的同時磁控管繞從動軸公轉，以此來實現對磁控管的驅動，因此具有結構簡單穩定、便於控制、傳動 平穩、操作簡單的優點，從而增加了其實用性。另外，根據本發明上述實施例的磁控源還可以具有如下附加的技術特徵:根據本發明的一些實施例，所述磁控管繞所述凸輪公轉的角速度為Q1，且所述凸輪繞所述驅動軸公轉的角速度為ω2，其中ω2>Co1與《2彼此不能整除。根據本發明的一些實施例，所述磁控管繞所述凸輪公轉的軌跡為圓形或橢圓形。根據本發明的一些實施例，所述磁控管繞所述凸輪公轉的軌跡為桃形且包括第一軌跡部分和第二軌跡部分，以所述驅動軸的軸線與所述磁控管所在平面的交點為極坐標原點且以所述從動軸的軸線與所述磁控管所在平面的交點與所述極坐標原點之間的連線為X軸，所述第一軌跡部分的極坐標方程為:r = a*(sin0)n+b*(tan0)m+c* Θ k+d(0 ( θ ( π )，所述第二軌跡部分的極坐標方程為:r = a*[sin(_ θ )]n+b*[tan(-0)r+c*(-0)k+d(-3i ( Θ彡0)，其中，所述極坐標方程的r為所述軌跡上任一點到極坐標原點的距離，Θ為所述任一點與X軸正方向的夾角，a、b、c、d、n、m、k均為大於零的常數。根據本發明的一些實施例，所述第一軌跡部分的極坐標方程為:r =
2.79X θ °.6+1.3，且所述第二軌跡部分的極坐標方程為:r = 2.79X (- θ )°_6+l.3。根據本發明的一些實施例，所述驅動器為電機。根據本發明的一些實施例，所述驅動軸的軸線通過所述靶材的中心。根據本發明第二方面實施例的磁控濺射設備，包括:腔室本體，所述腔室本體內限定有腔室；和磁控源，所述磁控源為上述任一實施例所述的磁控源，其中所述磁控源的靶材設置在所述腔室本體的上端且所述靶材的下表面暴露到所述腔室內。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。


本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:圖1是根據本發明實施例的磁控源的側視示意圖；圖2是根據本發明實施例的磁控源的局部俯視示意圖；圖3是根據本發明實施例的磁控源中的磁控管的運行軌跡的極坐標圖；圖4是根據本發明一個實施例的磁控源仿真得到的靶材刻蝕曲線，其中從動軸的軸心距離驅動軸的軸心距離O1O2 = 2英寸；圖5是根據本發明另一個實施例的磁控源仿真得到的靶材刻蝕曲線，其中從動軸的軸心距離驅動軸的軸心距離O1O2 = 3英寸；圖6是現有磁控濺射設備的示意圖；圖7是現有驅動機構的示意圖；圖8是利用圖7所述掃描機構控制磁控管運動的運動軌跡；和圖9是現有技術的靶材刻蝕曲線圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」 「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。此外，在本發明的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。下面參考附圖1和附圖2描述根據本發明實施例的磁控源。如圖所示，根據本發明實施例的磁控源，包括靶材(未圖示)、磁控管12和掃描機構。具體地，磁控管12位於所述靶材上方。所述掃描機構與磁控管12相連以控制磁控管12在所述靶材上方移動。其中，所述掃描機構包括一個驅動器1、一個驅動軸2和安裝在驅動軸2上的主動齒輪3、連杆4、一個從動軸5和安裝在從動軸5上的從動齒輪6、凸輪7、導軌8、滾輪9以及彈性件10。可選地，所述驅動器I為電機。具體而言，驅動軸2與驅動器I相連以由驅動器I驅動驅動軸2轉動。連杆4的第一端(圖1中的右端)與驅動軸2相連。從動軸5可樞轉地安裝在連杆4的第二端(圖1中的左端)，從動齒輪6安裝在從動軸5上且從動齒輪6與主動齒輪3嚙合。由於主動齒輪3安裝在驅動軸2上，因而主動齒輪3可以隨著驅動軸2轉動，由此一方面從動軸6通過連杆4與驅動軸2相連，從而從動軸6在驅動軸2的帶動下可繞·著驅動軸2轉動，另一方面從動軸5通過從動齒輪6與主動齒輪3相連，從而從動軸6在主動齒輪3的帶動下可以自轉。凸輪7安裝在從動軸5上以繞從動軸5自轉且繞驅動軸2公轉。導軌8的一端安裝在從動軸5上以隨從動軸5轉動。滾輪9安裝在中心軸11上，中心軸11安裝在導軌8上並可沿導軌8的長度方向移動，滾輪9的外周與凸輪7的外周接觸，磁控管12與中心軸11的下端相連。彈性件10 (例如彈簧)的一端與從動軸5相連且另一端與中心軸11相連以將滾輪9壓緊到凸輪7上。下面參考圖1和圖2描述根據本發明上述實施例的磁控源進行掃描的工作過程。首先，描述凸輪7的運動過程。如圖所示，由驅動器I對驅動軸2進行驅動以使其轉動，進而帶動安裝在驅動軸2的底端的主動齒輪3繞著驅動軸2的軸線轉動。驅動軸2通過主動齒輪3來帶動與主動齒輪3相嚙合的從動齒輪6 (同時也帶動安裝在從動齒輪6上的從動軸5)繞驅動軸2的軸線轉動，由此使安裝在從動軸5上的凸輪7繞驅動軸2轉動。接著，描述磁控管12的運動過程。如圖所示，由於磁控管12的軸線11通過彈性件10而連接在從動軸5上，並通過彈性件10將安裝在中心軸11上的滾輪9壓緊在凸輪7上，因此，磁控管12將在從動軸5的帶動下繞凸輪7公轉。由於凸輪7繞驅動軸2轉動，因此，磁控管12在靶材上方的運動軌跡由凸輪7繞驅動軸2公轉和磁控管12繞凸輪7公轉的運動疊加而成。根據本發明上述實施例的磁控源，至少具有下述效果:一 )在磁控管12繞凸輪7運動時，通過調整驅動軸2與從動軸5之間的距離可以調整磁控管12在靶材外圍和中心處的掃描速度，進而來增加靶材外圈的刻蝕的同時使得靶材中心區域也部分得到刻蝕，從而有利於提高薄膜均勻性和靶材利用率。二)在現有技術中，由於中心區域未被刻蝕，所以靶材中心區域就容易形成大量聚合物，而這些聚合物容易受重力作用落到基片上進而影響基片的加工品質。而相對於此，由於本發明能夠增加對靶材的掃描面積(即，對現有技術無法刻蝕的靶材中心區域也進行刻蝕)，使得沉積在靶材表面的顆粒能夠與等離子相互作用，從而避免顆粒在靶材表面形成聚合物，因此根據本發明上述實施例的磁控源，可以降低薄膜沉積時顆粒產生。。三)通過改變凸輪7的形狀和/或主動齒輪3與傳動齒輪6之間的傳動比，可以實現磁控管12對整個靶材表面的掃描。四)根據本發明上述實施例的磁控源，通過一個驅動器I即可實現使從動軸5繞驅動軸2公轉的同時使磁控管12繞從動軸5公轉，以此來實現對磁控管12的驅動，因此具有結構簡單穩定、便於控制、傳動平穩、操作簡單的優點，從而增加了其實用性。在本發明的一些實施例中，以磁控管12繞凸輪7公轉的角速度為Q1(也就是說，驅動軸2和主動齒輪3的自轉角速度為Q1),且以凸輪7繞驅動軸2公轉的角速度為ω2 (也就是說，從動軸5和從動齒輪6繞驅動軸2公轉的角速度為ω2)，其中ω2 > 1/2Χ O1且O1與《2彼此不能整除。由此，可以保證磁控管12的運動軌跡覆蓋整個靶材。而通過改變從動齒輪6和主動齒輪2的齒數比,可以實現ω2 > 1/2X (O1且Co1與ω2彼此不能整除。在本發明的一些實施例中，磁控管12繞凸輪7公轉的軌跡為圓形或橢圓形。在本發明的另一些實施例中，如圖3所示，磁控管12繞凸輪7公轉的軌跡包括第一軌跡部分和第二軌跡部分，以驅動軸2的中心線與磁控管12所在平面的交點為極坐標原點且以從動軸5的中心線與磁控管12所在平面的交點與所述極坐標原點之間的連線為X軸，所述第一軌跡部分的極坐標方程為r = a*(sin Θ )n+b*(tan θ )m+c* Θ k+d(0 ( θ ( π )，所述第二軌跡部分的極坐標方程為r = a*[sin(- Θ )]n+b*[tan(-0)r+c*(-0)k+d(-π≤ Θ≤O)，其中，所述極坐標方程的r為所述軌跡上任一點到極坐標原點的距離，Θ為所述任一點與X軸正方向的夾角，a、b、c、d、n、m和k均為大於零的常數。關於a、b、C、d、n、m和k的大小沒有特殊的限制，只要滿足a、b、C、d、n、m和k均
為大於零的常數。其中，b表示極坐標原點距離磁控管12繞凸輪7公轉的軌跡的凹端B處的距離，只要b大於零即可保證磁控管12的運動軌跡覆蓋整個靶材表面。在本發明的一些具體示例中，所述第一軌跡部分的極坐標方程為:r =
2.79X θ °.6+1.3，且所述第二軌跡部分的極坐標方程為:r = 2.79X (- θ )°_6+l.3。優選地，驅動軸2的軸線通過所述靶材的中心。由此，可以保證磁控管12的運動軌跡覆蓋整個靶材的同時對稱地掃描靶材的整個表面。需要說明的是，上述實施例中的靶材半徑、磁控管尺寸以及磁控管12繞凸輪7公轉的軌跡的極坐標方程只是示例性的，可以根據具體需要而設計。下面參考圖4 圖5描述根據本發明實施例的磁控源進行磁控濺射時的效果。在本發明的一個優選實施例中，磁控管12繞凸輪7公轉的軌跡的第一軌跡部分的極坐標方程為:r = 2.79X θ°.6+1.3,且第二軌跡部分的極坐標方程為:r =
2.79X (- θ )°.6+1.3，且從動軸5的軸心距離驅動軸2的軸心距離O1O2 = 2英寸，仿真得到的靶材蝕刻曲線如圖4所示。由圖4可知靶材邊緣附近刻蝕較深，且中心區域也有一定程度(約為50%左右)刻蝕。由面積計算可知，靶材的利用率為62%。在本發明的另一個實施例中，磁控管12繞凸輪7公轉的軌跡的第一軌跡部分的極坐標方程為:r = 2.79X θ°.6+1.3,且第二軌跡部分的極坐標方程為:r =
2.79X (- θ )°.6+1.3，且從動軸5的軸心距離驅動軸2的軸心距離O1O2 = 3英寸，仿真得到的靶材蝕刻曲線如圖5所示。由圖5可知，相比於上述實施例而言，當O1O2由2英寸移動至3英寸處時，靶材的中心區域刻 蝕率有所降低(由約50%降低為約20% )，且靶材的利用率由62%降低至57%。通過分析上述實施例可知，通過調整O1O2的距離可以實現靶材外圈位置刻蝕較多，靶材中心區域有部分刻蝕的效果，且如上所述還具有降低顆粒的產生的效果，有利於提高靶材的利用率。下面描述根據本發明實施例的磁控濺射設備。 根據本發明實施例的磁控濺射設備，包括腔室本體和磁控源。
其中，腔室本體內限定有腔室。磁控源為根據本發明上述任一實施例的磁控源，其中磁控源的靶材設置在腔室本體之中，且靶材的下表面暴露到腔室內。關於本發明實施例的磁控濺射設備的工作過程如下:首先將基片設置在所述腔室內，並將靶材設置在基片的上方。此後，啟動驅動器I。在驅動軸2的帶動下凸輪7繞驅動軸2公轉和磁控管12繞凸輪 公轉，由此疊加得到磁控管12在靶材上方的運動軌跡。在磁控管12在靶材上方移動的同時對靶材進行轟擊，從而靶材被濺射向位於其下方的基片，由此完成在基片表面的成膜處理。根據本發明實施例的磁控濺射設備，通過調節從動軸5與驅動軸2之間的距離O1O2可以實現靶材外圈位置刻蝕較多，靶材中心區域有部分刻蝕的效果，且如上所述還具有能夠降低顆粒的產生的效果，有利於提高靶材的利用率。而通過改變凸輪7的形狀和/或主動齒輪3與從動齒輪6之間的傳動比，可以實現磁控管12對整個靶材表面的掃描。此外，根據本發明上述實施例的磁控濺射設備通過一個驅動器I即可實現使從動軸5繞驅動軸2公轉的同時使磁控管12繞從動軸5公轉，以此來實現對磁控管12的驅動，因此具有結構簡單穩定、便於控制、傳動平穩、操作簡單的優點，從而增加了其實用性。在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發明的原理和宗旨 的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。
權利要求
1.一種磁控源，其特徵在於，包括: 靶材； 磁控管，所述磁控管位於所述靶材上方；和 掃描機構，所述掃描機構與所述磁控管相連以控制所述磁控管在所述靶材上方移動，其中所述掃描機構包括: 一個驅動器； 一個驅動軸和安裝在所述驅動軸上的主動齒輪，所述驅動軸與所述驅動器相連以由所述驅動器驅動所述驅動軸轉動； 連杆，所述連杆的第一端與所述驅動軸相連； 一個從動軸和安裝在所述從動軸上的從動齒輪，所述從動軸可樞轉地安裝在所述連杆的第二端，所述從動齒輪與所述主動齒輪嚙合； 凸輪，所述凸輪安裝在所述從動軸上以繞所述從動軸自轉且繞所述驅動軸公轉； 導軌，所述導軌的一端安裝在所述從動軸上以隨所述從動軸轉動； 滾輪，所述滾輪安裝在中心軸上且所述中心軸安裝在所述導軌上並沿所述導軌的長度方向可移動，所述滾輪的外周與所述凸輪的外周接觸，所述磁控管與所述中心軸的下端相連；和 彈性件，所述彈性件的一端與所述從動軸相連且另一端與所述中心軸相連以將所述滾輪壓緊到所述凸輪上。
2.根據權利要求1所述的磁控源，其特徵在於，所述磁控管繞所述凸輪公轉的角速度為O1，且所述凸輪繞所述驅動軸公轉的角速度為ω2，其中ω2>Co1與《2彼此不能整除。
3.根據權利要求2所述的磁控源，其特徵在於，所述磁控管繞所述凸輪公轉的軌跡為圓形或橢圓形。
4.根據權利要求2所述的磁控源，其特徵在於，所述磁控管繞所述凸輪公轉的軌跡為桃形，所述桃形軌跡包括第一軌跡部分和第二軌跡部分，以所述驅動軸的軸線與所述磁控管所在平面的交點為極坐標原點且以所述從動軸的軸線與所述磁控管所在平面的交點與所述極坐標原點之間的連線為X軸，所述第一軌跡部分的極坐標方程為r =a* (sin Θ )n+b*(tan Θ )m+c* Θ k+d(0 ≤ θ ( π )，所述第二軌跡部分的極坐標方程為:r =a*[Sin(-0)]n+b*[tan(-0)r+c*(-0)k+d(-3i ( Θ≤ O)，其中，所述極坐標方程的 r 為所述軌跡上任一點到極坐標原點的距離，Θ為所述任一點與X軸正方向的夾角，a、b、C、d、n、m、k均為大於零的常數。
5.根據權利要求4所述的磁控源，其特徵在於，所述第一軌跡部分的極坐標方程為:r=2.79X θ °.6+1.3，且所述第二軌跡部分的極坐標方程為:r = 2.79X (- θ )°_6+l.3。
6.根據權利要求1所述的磁控源，其特徵在於，所述驅動器為電機。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的磁控源，其特徵在於，所述驅動軸的軸線通過所述靶材的中心。
8.一種磁控派射設備,其特徵在於,包括: 腔室本體，所述腔室本體內限定有腔室；和 磁控源，所述磁控源為根據權利要求1-7中任一項所述的磁控源，其中所述磁控源的靶材設置在所述腔室本體 的上端且所述靶材的下表面暴露到所述腔室內。
全文摘要
本發明公開了一種磁控源及具有該磁控源的磁控濺射設備。磁控源包括靶材；位於靶材上方的磁控管；和與所述磁控管相連以控制所述磁控管在所述靶材上方移動的掃描機構，其中掃描機構包括驅動器、驅動軸和主動齒輪、連杆、從動軸和從動齒輪、凸輪、導軌、滾輪、和彈性件。根據本發明實施例的磁控源，通過調整驅動軸與從動軸之間的距離，在磁控管繞凸輪運動時可以調整磁控管在靶材外圍和中心處的掃描速度，從而可以提高靶材外圈的刻蝕深度，可以降低薄膜沉積時顆粒產生，提高薄膜均勻性和靶材利用率。此外，根據本發明實施例的磁控源具有結構穩定、傳動平穩、操作簡單的優點，因此增加了其實用性。
文檔編號C23C14/35GK103088306SQ20111034355
公開日2013年5月8日 申請日期2011年11月3日 優先權日2011年11月3日
發明者李楊超, 劉旭 申請人:北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司