一種磁控濺射源及磁控濺射設備的製作方法

2024-04-05 23:26:05 1

專利名稱：一種磁控濺射源及磁控濺射設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子加工技術領域，具體地，涉及一種磁控濺射源及應用該磁控濺射源的磁控濺射設備。
背景技術：
在微電子產品行業，磁控濺射技術作為生產集成電路、液晶顯示器、薄膜太陽能電池及LED等產品的重要手段之一，受到廣大廠商的高度重視。所謂濺射是指荷能粒子(例如氬離子)轟擊固體表面，引起表面各種粒子(如原子、分子或團束)從該物體表面逸出的現象。請參閱圖1，為一種典型的磁控濺射設備的結構原理圖。該設備主要包括工藝腔室1、靜電卡盤3、靶材2、磁控管4、磁控管驅動電機5以及抽氣裝置13。在工藝過程中，利用靜電卡盤3固定基片，之後向工藝腔室1內通入用於工藝氣體(例如，氬氣等)並激發為等離子體形態，在腔室電場和磁場的共同作用下，上述等離子體中的部分電子和離子對靶材2表面進行轟擊，從而將部分靶材2原子脫落並沉積在基片表面而形成所需膜層。在上述工藝中，靶材作為形成金屬薄膜的原材料將被不斷消耗，而且，當靶材上的任一位置被用盡後就需要立即更換，剩餘的靶材材料即被作廢。由於磁控濺射設備對靶材材料的純度通常要求達到5N(99.999%)級別以上，從而使靶材的價格非常昂貴；因此，提高靶材的利用率是有效降低生產成本的重要手段之一，也是廣大廠商急於解決的重要問題之一。為此，技術人員設計出一種磁控管裝置，用以在靶材濺射過程中提供適當的磁場。請參閱圖2，為一種常見的磁控管的結構示意圖。該磁控管包括一個封閉環狀的內磁極組206和一個環繞在內磁極組外圍的外磁極組205，二者之間具有一定的間距且磁極方向相反，從而在靶材表面形成封閉的磁場。在磁控濺射工藝中，使該磁控管在靶材平面 201範圍內繞中心軸210進行旋轉，從而使磁控管所形成的磁場對靶材表面進行掃描，以使儘可能多的靶材區域被有效濺射，從而提高靶材利用率。然而，上述磁控管所形成的磁場分布與靶材平行或接近於平行，因而既使旋轉磁控管也無法使其磁場對整個靶材表面一特別是靶材中心區域一進行有效覆蓋；而且，上述磁控管所形成的磁場在沿靶材徑向方向的分布並不均勻。因此，在應用上述結構的磁控管進行磁控濺射工藝時，存在對靶材中心區域的濺射速率低的問題，因而無法對所有靶材區域進行有效濺射，最終將影響靶材的有效利用率。

發明內容
為解決上述問題，本發明提供一種磁控濺射源，其能夠有效提高靶材的利用率。為解決上述問題，本發明還提供一種磁控濺射設備，其同樣能夠有效提高靶材的利用率。為此，本發明提供一種磁控濺射源，包括磁控管及用於驅動該磁控管進行旋轉的驅動裝置，用以對靶材表面進行均勻的磁場掃描。其中，上述磁控管包括至少一個磁體組，該磁體組在驅動裝置的驅動作用下進行自轉的同時圍繞靶材中心進行周向旋轉。其中，靶材為圓形，磁體組自轉時的旋轉直徑與靶材的半徑大致相等；並且，磁體組的自轉中心位於靶材半徑的大致中點位置。其中，各個磁體組的自轉中心相對於靶材中心的位置固定。優選地，磁體組進行自轉及圍繞靶材中心所進行的周向旋轉運動均為勻速旋轉運動。其中，各個磁體組的自轉相互同步或獨立。其中，磁體組中包括至少一個內磁體和環繞內磁體的多個外磁體，內磁體與外磁體的極性方向相反。其中，磁體組中的至少一個內磁體被設置於磁體組的自轉中心位置。其中，驅動裝置包括齒輪傳動機構、渦輪/蝸杆傳動機構、傳動帶傳動機構。其中，磁控管中包括2個磁體組。此外，本發明還提供一種磁控濺射設備，包括工藝腔室及靶材，在靶材的上方設置有上述本發明所提供的磁控濺射源，用以對靶材表面進行均勻且全面的磁場掃描。本發明具有下述有益效果本發明提供的磁控濺射源包括磁控管及用於驅動該磁控管進行旋轉的驅動裝置。 其中，上述磁控管中包括至少一個磁體組，該磁體組在驅動裝置的驅動下進行自轉，同時圍繞靶材中心進行公轉。因此，本發明提供的磁控濺射源所形成的磁場軌跡能夠對靶材平面的各個區域進行有效覆蓋，並且磁控管所形成的磁場在沿靶材徑向方向上進行均勻分布， 從而在濺射工藝中能夠使靶材中心及邊緣區域的濺射速率趨於一致，進而使靶材上的所有區域均能被有效利用，最終提高靶材的利用率。


圖1為一種常用的磁控濺射設備的結構示意圖；圖2為一種常見的磁控管的結構示意圖；圖3為本發明提供的磁控濺射源一個具體實施例的結構示意圖；圖4為本發明提供的磁控濺射源中的一種驅動裝置的結構示意圖；以及圖5為本發明提供的磁控濺射源另一個具體實施例的結構示意圖。
具體實施例方式為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明提供的磁控濺射源及磁控濺射設備進行詳細描述。本發明提供的磁控濺射源，包括磁控管及用於驅動該磁控管進行旋轉的驅動裝置，用以對靶材表面進行均勻的磁場掃描。其中，磁控管包括至少一個磁體組，磁體組在驅動裝置的驅動作用下發生自轉並圍繞靶材中心進行周向旋轉。這裡，所述周向是指靶材的圓周方向。在實際應用中，較為常用的磁體組數量為2個並相對於靶材中心對稱，以確保旋轉的平穩性，但本領域技術人員還可根據實際需要對磁體組的數量進行增/減。為了使上述磁控管所採生的磁場能夠對靶材平面進行全面覆蓋，優選地，使磁體組自轉時的旋轉直徑與靶材的半徑大致相等，並使磁體組的自轉中心位於靶材半徑的大致中點位置。上述磁體組的旋轉直徑是指磁體組繞其自轉中心進行旋轉時，由自磁體組上距離其自轉中心最遠的點的旋轉軌跡的直徑；而上述「大致相等」及「大致中點位置」是指在實際加工及安裝過程中難免會出現一些細微的加工及安裝誤差，而只要不影響設備整體的運行穩定性及磁體組的整體旋轉區域擊可。下面以具有2個磁體組的磁控管為例，說明磁體組與靶材的位置關係，具體為將靶材平面上的任意一條直徑平均分為4段，共有3個分界點；其中，一個分界點為靶材平面的中心點，另外兩個點即可作為上述兩個磁體組的自轉中心而將磁體組進行定位並安裝。此時，各個磁體組的自轉中心相對於靶材中心的位置即被固定。這樣，當磁控管圍繞上述靶材中心進行周向旋轉時，藉助上述兩個磁體組所產生的磁場即可對整個靶材平面進行有效掃描及覆蓋；同時，使兩個磁體組繞各自的旋轉中心進行自轉以實現對靶材平面上的各個區域的均勻掃描，從而使靶材各個區域均能被有效濺射，進而提高靶材的利用率。請參閱圖3，為本發明提供的磁控濺射源第一種具體實施例的結構示意圖。如圖所示，該磁控管包括兩個磁體組，分別為第一磁體組320和第二磁體組330。上述第一磁體組 320和第二磁體組330被設置於圓形的靶材301平面上，並且兩個磁體組相對於靶材301的中心302對稱。在工藝過程中，上述兩個磁體組在驅動裝置的驅動下可圍繞上述靶材中心 302進行旋轉，同時第一磁體組320和第二磁體組330分別繞自身的旋轉中心321、331進行自轉。其中，每一個磁體組均包括一個內磁體和環繞該內磁體的多個外磁體，且同一個磁體組中的內磁體與外磁體的極性方向相反。本實施例中，第一磁體組320的內磁體的N 極朝向靶材平面而該磁體組320的多個外磁體均被設置為S極朝向靶材平面，從而使同一個磁體組中的內、外磁體之間形成完整的磁場迴路，用以對靶材平面進行掃描；此外，本實施例中第二磁體組330的內、外磁體的極性方向剛好與上述第一磁體組320相反，這樣能夠使兩個磁體組的磁場在對靶材進行掃描時形成相互補充，以使靶材得到更加均勻的濺射結果。當然，技術人員也可以根據需要而將上述兩個磁體組的內、外磁體的極性方向設置為相同的形式。另外，由於本實施例中，磁體組中的內磁體數量均為一個，所以可以將該內磁體設置於磁體組的自轉中心位置。容易理解的是，還可以在同一個磁體組中設置多個內磁體， 而當同一磁體組中具有多個內磁體時，則可以使上述多個內磁體均勻地圍繞在該磁體組的自轉中心位置。在一個優選實施例中，可以使上述磁體組進行自轉及圍繞靶材中心的周向旋轉運動均為勻速旋轉運動。其中，可以使各個磁體組的自轉運動彼此同步，即各個磁體組的自轉方向及自轉的角速度均相同；也可以使各個磁體組的勻速自轉運動相互獨立且互不影響，具體為，使各個磁體組的自轉方向相同或相反，和/或使各個磁體組自轉的角速度相等或不等。當然，也可以使各個磁體組以非勻速狀態進行自轉和/或圍繞靶材中心進行周向旋轉。上述實施例中，對各個磁體組的自轉及圍繞靶材中心所進行的周向旋轉運動均是藉助驅動裝置而實現的。該驅動裝置可以是本領域技術人員所熟知的各種驅動及傳動結構，例如可以通過齒輪傳動機構、渦輪/蝸杆傳動機構、傳動帶傳動機構等機械結構而將電動機(例如，伺服電機、步進電機等)的旋轉運動傳遞給各個磁體組，此處不予一一贅述。下面以圖4所示磁控濺射源而對驅動裝置的結構加以說明。請參閱圖4，本發明提供的磁控濺射源中的一種驅動裝置的結構示意圖。其中，磁控管包括第一磁體組420和第二磁體組430，上述兩個磁體組的自轉中心421、431分別與連杆機構440的兩端相連接，並且該連杆機構440的中點位置位於靶材401的中心402位置處；在靶材中心402處還設置有定齒輪450，該定齒輪450不隨磁控管的旋轉而旋轉；連杆機構440的中心與伺服電機(圖中未顯示)相連以藉助該伺服電機進行旋轉運動，同時在連杆機構440的兩端還設置有與上述定齒輪450相嚙合的動齒輪470、480 ；上述動齒輪 470,480分別與上述兩個磁體組固定連接。該驅動裝置的工作過程為，連杆機構440在伺服電機的帶動下圍繞靶材中心402及定齒輪450作勻速圓周轉動，磁體組420、430隨該連杆機構440同步轉動，同時，動齒輪460、470在定齒輪450嚙合作用下帶動兩個磁體組進行勻速自轉運動，從而實現了對兩個磁體組的同步驅動。請參閱圖5，為本發明提供的磁控濺射源另一個具體實施例的結構示意圖。本實施例與上述第一種具體實施例的區別僅在於，磁體組中的磁體排列結構不同。具體為，本實施例中，磁控管包括第一磁體組520和第二磁體組530，其中第二磁體組530中設置有3個內磁體，該3個內磁體均勻環繞在第二磁體組的自轉中心531的周圍。相對於第一種實施例而言，本實施例中的兩個磁體組的磁場掃描區域之間能夠形成更為有效的彼此補充，從而獲得更好的靶材利用率。需要指出的是，雖然上述各個實施例中，磁體組的形狀均為三角形，但本發明並不局限於此，技術人員可以根據實際應用時的具體情況對磁體組的形狀進行多種變形和改進，並且凡是基於本發明精神和實質所作出的變形和改進均應視為本發明的保護範圍。綜上所述，本發明提供的磁控濺射源，使構成磁控管的磁體組在圍繞靶材中心進行圓周旋轉的同時繞各自的自轉中心進行自轉，從而使各個磁體組所形成的磁場能夠最大限度且均勻地掃過整個靶材表面，從而使靶材各個區域(尤其是靶材中心和邊緣區域)的濺射速率趨於均勻，進而有效提高靶材的利用率。作為另一種技術方案，本發明還提供一種磁控濺射設備，其至少包括工藝腔室及靶材，在上述靶材的上方設置有上述本發明所提供的磁控濺射源，用以在磁控濺射工藝中對靶材表面進行均勻且全面的磁場掃描，從而有效提高靶材的利用率。可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不局限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變形和改進，這些變形和改進也視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種磁控濺射源，包括磁控管及用於驅動該磁控管進行旋轉的驅動裝置，用以對靶材表面進行均勻的磁場掃描，其特徵在於，所述磁控管包括至少一個磁體組，所述磁體組在所述驅動裝置的驅動作用下進行自轉的同時圍繞所述靶材中心進行周向旋轉。
2.根據權利要求1所述的磁控濺射源，其特徵在於，所述靶材為圓形，所述磁體組自轉時的旋轉直徑與所述靶材的半徑大致相等；並且，所述磁體組的自轉中心位於所述靶材半徑的大致中點位置。
3.根據權利要求2所述的磁控濺射源，其特徵在於，各個所述磁體組的自轉中心相對於所述靶材中心的位置固定。
4.根據權利要求3所述的磁控濺射源，其特徵在於，所述磁體組進行自轉及圍繞所述靶材中心所進行的周向旋轉運動均為勻速旋轉運動。
5.根據權利要求4所述的磁控濺射源，其特徵在於，各個所述磁體組的自轉相互同步或獨立。
6.根據權利要求2所述的磁控濺射源，其特徵在於，所述磁體組中包括至少一個內磁體和環繞所述內磁體的多個外磁體，所述內磁體與所述外磁體的極性方向相反。
7.根據權利要求6所述的磁控濺射源，其特徵在於，所述磁體組中的至少一個內磁體被設置於所述磁體組的自轉中心位置。
8.根據權利要求2所述的磁控濺射源，其特徵在於，所述驅動裝置包括齒輪傳動機構、 渦輪/蝸杆傳動機構、傳動帶傳動機構。
9.根據權利要求1-8中任意一項所述的磁控濺射源，其特徵在於，所述磁控管中包括2 個磁體組。
10.一種磁控濺射設備，包括工藝腔室及靶材，其特徵在於，在所述靶材的上方設置有權利要求1-9中任意一項所述的磁控濺射源，用以對靶材表面進行均勻且全面的磁場掃描。
全文摘要
本發明提供一種磁控濺射源及應用該磁控濺射源的磁控濺射設備。其中，磁控濺射源包括磁控管及用於驅動該磁控管進行旋轉的驅動裝置，所述磁控管包括至少一個磁體組，磁體組在驅動裝置的驅動作用下進行自轉的同時圍繞靶材中心進行周向旋轉，用以對靶材表面進行均勻的磁場掃描，從而有效提高靶材的利用率。本發明提供的磁控濺射設備藉助上述磁控濺射源同樣能夠對靶材表面進行均勻的磁場掃描，並有效提高靶材的利用率。
文檔編號C23C14/35GK102534527SQ201010614069
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月21日 優先權日2010年12月21日
發明者楊柏 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