CN102064076A - 一种变偏心距式磁电管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁电管运动轨迹控制技术领域，特别涉及一种用于提高溅射靶表面磁场分布均匀性，继而提高溅射靶的利用率的变偏心距式磁电管。本发明包括旋转驱动组件、变偏心距组件和磁电管组件三部分，采用一个旋转电机和一个直线电机，旋转电机控制磁电管绕溅射靶轴心转动，直线电机负责调整磁电管与旋转中心的距离，使得溅射靶表面磁场有较高覆盖率和较高均匀性的同时，又有较高的刻蚀效率。

Description

一种变偏心距式磁电管

技术领域

本发明涉及磁电管运动轨迹控制技术领域，特别涉及一种用于提高溅射靶表面磁场分布均匀性，继而提高溅射靶的利用率的变偏心距式磁电管。

背景技术

溅射是自20世纪初开始逐渐得到发展与应用的一种PVD技术。溅射作为一种镀膜技术，由于它比蒸发镀膜方法的台阶覆盖性能好，比电子束缚蒸发方法的辐射缺陷少，而在集成电路电性互联等制造工艺中常被采用。

溅射过程中先用真空泵把溅射腔室抽成高真空，然后充入如氩气等惰性气体，并且在溅射靶上施加几百伏的负偏置电压，使惰性气体与电子碰撞后电离导致辉光放电形成等离子体，正离子在电场加速作用下撞击溅射靶表面，入射正离子与溅射靶中原子发生连锁碰撞，使溅射靶表面的原子获得动能脱离晶格束缚，飞溅沉积到被溅射材料的表面形成薄膜。在溅射时，通常利用磁电管在溅射靶表面形成一个磁场，以加速电子运动，增加它们与惰性气体原子碰撞产生正离子的几率，这种工艺被称为磁控溅射。

一个理想的磁控溅射系统，形成的平行于溅射靶表面的磁场分量应均匀地覆盖在溅射靶表面，因为只有水平分量才能提高溅射效率。由于结构尺寸、重量、制造工艺与成本、功耗、维护等因素的限制，实际上的磁控溅射系统中溅射靶表面磁场的均匀性和覆盖率很难达到上述理想状态。从溅射靶材利用率指标就可以反映出溅射靶表面磁场与上述理想状态的差距，目前常规磁控溅射系统的溅射靶材利用率是30％左右，某些优化的磁控溅射系统的溅射靶材利用率可能达到60-70％。需要指出的是，提高平行于溅射靶表面的磁场分量均匀性和覆盖率，不仅可以提高溅射靶材利用率，而且对提高沉积在被溅射材料表面上薄膜厚度的均匀性、台阶覆盖率等镀膜质量具有重要作用。

通常采用优化磁电管的结构及控制磁场随时间变化的规律来提高平行于溅射靶表面磁场分量的均匀性和覆盖率。前者通过改变磁电管的空间几何结构及排列，提高溅射靶表面磁场覆盖率和均匀性；后者通过在溅射靶周围布置电磁线圈，或者采用机械装置使磁电管在溅射靶背后进行旋转等运动，达到提高溅射靶表面磁场覆盖率和均匀性的目的。

采用机械装置使磁电管在溅射靶背后进行旋转等运动，来提高溅射靶表面磁场覆盖率和均匀性的相关专利较多。

例如浙江大学王德苗和任高潮的中国专利ZL87106947提出了一种“分离磁体式平面磁控溅射源”。王德苗和任高潮设计了旋转式磁电管，其磁电管有三种结构形式：

1)由V形外磁铁(N极)、扇形偏心内磁铁(S极)和圆心位于转动中心的O形外磁环(N极)组成；

2)由辐射状外磁铁(N极)、与外磁铁个数相对应的扇形偏心内磁铁(S极)和圆心位于转动中心的O形外磁环(N极)组成，例如辐射状外磁铁为X形时，有4个扇形偏心内磁铁；

3)由两个ω外磁铁(N极)、一个圆心位于转动中心且形状与外磁铁形状相匹配内磁铁(S极)、一个圆心位于转动中心的O形外磁环(N极)组成。王德苗和任高潮设计的旋转式磁电管最主要的特点是磁电管的N极是分离式的，由外磁铁和外磁环两部分构成，外磁环固定不动，外磁铁和内磁铁做旋转运动。

又例如应用材料股份有限公司伊扬·理查德·洪等人的中国专利ZL03816946.0提出了一种“小行星式磁电管”：第一旋转臂由电机直接驱动，绕溅射靶轴心转动，电机除直接驱动第一旋转臂外，还经机械传动驱动第二旋转臂转动；第二旋转臂的转动中心位于第一旋转臂上，在第二旋转臂上安装一个由圆柱状内磁铁和圆环状外磁铁组成的磁电管。第一旋转臂与第二旋转臂的转速比小于1，且非整数，其给出的一具体实施例中转速比为1.03比6。伊扬·理查德·洪等人设计的小行星式磁电管的主要特点是利用简单形状的磁电管，可以实现高溅射靶表面磁场覆盖率和均匀性，这样有利于降低磁电管制造与维护的成本。

与专利ZL87106947发明类似的仅有偏心旋转一个转动的磁电管，其磁场不是没有覆盖溅射靶表面中心区域，就是在溅射靶表面中心区域造成过度刻蚀，也就是说这种方式不能同时在溅射靶表面中心区域具有较高覆盖率和较高均匀性。专利ZL03816946.0发明的行星式磁电管，尽管在选择合适磁电管参数和转速比的情况下，可以得到较高覆盖率和较高均匀性的磁场，但是其刻蚀效率比较低。

发明内容

针对现有磁控溅射设备中磁电管在溅射靶表面形成的磁场的覆盖率和均匀性偏低或刻蚀效率不高的不足，本发明提出了一种变偏心距式磁电管。

本发明采用一个旋转电机和一个直线电机，旋转电机控制磁电管绕溅射靶轴心转动，直线电机负责调整磁电管与旋转中心的距离(即偏心距)，使得溅射靶表面磁场有较高覆盖率和较高均匀性的同时，又有较高的刻蚀效率。

其具体技术方案为：该变偏心距式磁电管包括旋转驱动组件、变偏心距组件和磁电管组件。

所述旋转驱动组件安装在PVD设备的上盖上，起到支撑变偏心距组件和磁电管组件且使磁电管组件绕溅射靶轴心转动的作用；所述变偏心距组件安装在所述旋转驱动组件旋转运动的输出端，起到支撑磁电管和调节磁电管与旋转中心距离的作用；所述磁电管组件安装在所述变偏心距组件上，在溅射靶表面形成磁场，以提高溅射靶材利用率和被溅射材料表面沉积薄膜的质量。

所述旋转驱动组件的结构为：钢轮的内齿与柔轮的外齿啮合，柔轮内装有波发生器；其中钢轮经螺钉固定在减速器外壳上，柔轮通过柔轮定位销固定在中间内套上；减速器外壳经两个轴承与中间内套构成转动副，即减速器外壳、波发生器、钢轮、柔轮、轴承、中间内套、柔轮定位销和轴承端盖构成谐波减速器；直流伺服电机输出轴的下端与所述谐波减速器的波发生器的内孔利用顶丝固定，作为旋转驱动的输入；中间内套是所述旋转驱动组件的运动输出端；在直流伺服电机输出轴的上端安装有检测电机位置的编码器，用于对直流伺服电机进行反馈控制。

所述变偏心距组件的结构为：直线步进电机通过外部驱动螺母推动磁电管基座在导轨上滑动，所述磁电管基座通过滑块悬挂在导轨上，导轨固定在旋转臂上，即直线步进电机、外部驱动螺母、磁电管基座、滑块、导轨和螺钉构成一个直线运动平台，通过直线步进电机的正反转加大或者缩短磁电管组件与旋转中心的距离。

所述磁电管组件的结构为：内磁极和外磁极固定在磁性轭上，磁性轭固定在变偏心距组件的磁电管基座上，使磁电管组件随旋转驱动组件绕溅射靶轴心进行转动的同时，又能随变偏心距组件进行往复直线移动。

所述内磁极和外磁极为形状相似的马蹄形的环状磁铁。

所述磁电管组件向内移动时，内磁极和外磁极径向第一个中心点超过溅射靶中心，且当磁电管组件向外移动时，内外磁极径向第二个中心点达到溅射靶边缘，就能实现磁场对溅射靶表面的全覆盖。

本发明的有益效果为：该装置通过旋转电机控制磁电管绕溅射靶轴心转动，通过直线电机调整磁电管与旋转中心的距离，当磁电管组件以一个优选的运动速度往复移动时，则可以使得溅射靶表面磁场既有较高覆盖率，又有较高均匀性和较高刻蚀效率。

附图说明

图1是变偏心距式磁电管安装在PVD设备的剖面示意图；

图2是变偏心距式磁电管安装在PVD设备的三维组装示意图；

图3是旋转驱动组件的结构剖面示意图；

图4是旋转驱动组件的三维组装示意图；

图5是变偏心距组件的结构剖面示意图；

图6是变偏心距组件的三维组装示意图；

图7(a)是磁电管组件的结构俯视剖面图；

图7(b)是图7(a)中的A-A面剖视图；

图8是磁电管组件的三维组装示意图；

附图标记：

1-支撑架；2-溅射靶；3-密封环；4-溅射腔体；5-屏蔽罩；6-晶片卡夹；7-晶片；8-晶片支座；9-工作气源；10-射频源；11-真空泵；12-旋转件螺钉组；13-平移件螺钉组；14-磁电管螺钉组；100-旋转驱动组件；101-编码器；102-直流伺服电机；103-电机轴套；104-波发生器；105-钢轮；106-减速器外壳；107-轴承；108-轴承端盖；109-柔轮；110-柔轮定位销；111-中间内套；112-顶丝；113-电机螺钉组；114-钢轮螺钉组；115-轴承端盖螺钉组；116-定位销螺钉组；200-变偏心距组件；201-旋转臂；202-导轨；203-滑块；204-外部驱动螺母；205-直线步进电机；206-磁电管基座；207-导轨螺钉组；208-外部驱动螺母螺钉组；209-直线步进电机螺钉组；210-滑块螺钉组；300-磁电管组件；301-磁性轭；302-外磁极；303-内磁极；304-外磁极螺钉组；305-内磁极螺钉组。

具体实施方式

本发明提供了一种变偏心距式磁电管，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明。

如图1至图6所示，本发明设计的变偏心距磁电管由旋转驱动组件100、变偏心距组件200和磁电管组件300组成。旋转驱动组件100通过减速器外壳106，由旋转件螺钉组12固定在支撑架1上，将变偏心距磁电管安装在溅射靶3正上方，并使旋转驱动组件100中的直流伺服电机102的旋转轴通过溅射靶2的轴心；变偏心距组件200中的旋转臂201经平移件螺钉组13固定在旋转驱动组件100中的中间内套111上，将变偏心距组件200与旋转驱动组件100联接在一起；磁电管组件300中的磁性轭301经磁电管螺钉组14固定在变偏心距组件200中的磁电管基座206上，将磁电管组件300与变偏心距组件200联接在一起；溅射靶2固定在PVD上盖上支撑架1的底部；溅射靶2经密封圈3安装在溅射腔体4上；晶片7位于溅射靶3的正下方，溅射时在晶片7和溅射靶2之间形成等离子体；晶片7安装在晶片支座8上，晶片支座8安装在溅射腔体4的底部，并在晶片支座8的下端连接射频源10；在晶片7的上边缘有一个环状的晶片卡夹6，用来固定晶片7；在溅射腔体4内侧有屏蔽罩5，用来保护溅射腔体4，使溅射过程中溅射靶2的原子不能沉积在溅射腔体4的内表面；真空泵11连接在溅射腔体4的底部，在进行溅射之前由真空泵11将溅射腔体4、溅射靶2和密封环3构成的密闭腔室抽成10^-8Torr或更低压力；工作气源9连接在溅射腔体4的底部，在进行溅射时工作气源9提供氩气等惰性气体作为工作气体，在溅射过程中，工作气体放电成为等离子体，带有正电的氩离子轰击溅射靶2的下表面，将溅射靶2的原子沉积到晶片7的上表面；在溅射过程中，将溅射腔体4和屏蔽罩5接地，作为等离子体放电的阳极，将溅射靶2接-600伏直流偏置电压，作为等离子体放电的阴极。

参考图3和图4是旋转驱动组件100的结构剖面图和三维组装示意图。在直流伺服电机102轴的上输出端安装一个编码器101，直流伺服电机102为变偏心距磁电管提供旋转运动的动力，编码器101用于旋转运动的反馈控制；在直流伺服电机102轴的下输出端经电机轴套103与波发生器104的内孔配合，由顶丝112固定，直流伺服电机102带动波发生器104转动；直流伺服电机102外壳经电机螺钉组113固定在减速器外壳106上，作为变偏心距磁电管机架；柔轮109的内孔与波发生器104配合，柔轮109的外齿与钢轮105内齿啮合；钢轮105经钢轮螺钉组114固定在减速器外壳106上，柔轮109经柔轮定位销110定位且经定位销螺钉组116固定在中间内套111上，轴承端盖108与减速器外壳106之间由轴承端盖螺钉组115固定；中间内套111经轴承107和轴承端盖108与减速器外壳106构成转动副。实际上，减速器外壳106、波发生器104、钢轮105、柔轮109、轴承107、中间内套111、柔轮定位销110和轴承端盖108构成一个典型的谐波减速器，其中波发生器104是输入，柔轮109是输出。

参考图5和图6是变偏心距组件200的结构剖面图和三维组装示意图。直线步进电机205的外壳经直线步进电机螺钉组209固定在旋转臂201的侧面，两条导轨202经导轨螺钉组207固定在旋转臂201的底面；外部驱动螺母204经外部驱动螺母螺钉组208固定在磁电管基座206的侧面，直线步进电机202的输出轴旋转推动外部驱动螺母204做直线运动，推或者拉磁电管基座206沿着导轨202做直线往复运动；磁电管基座206上经滑块螺钉组210固定在四个滑块203上，滑块203在两条导轨202上滑动。实际上，旋转臂201、直线步进电机205、外部驱动螺母204、滑块203、导轨202和磁电管基座206构成一个直线运动平台，其中，旋转臂201是机架，直线步进电机205是动力源，磁电管基座206是输出。

参考图7和图8是磁电管组件300的结构剖面图和三维组装示意图。磁电管组件300是一个马蹄形的磁铁，其外磁极302和内磁极303都是马蹄形的环状磁铁，外磁极302和内磁极303分别经外磁极螺钉组304和内磁极螺钉组305固定在磁性轭301。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种变偏心距式磁电管，采用一个旋转电机和一个直线电机分别控制磁电管的旋转和平移，包括旋转驱动组件(100)、变偏心距组件(200)和磁电管组件(300)，其特征在于，

所述旋转驱动组件(100)安装在PVD设备的上盖上，起到支撑变偏心距组件和磁电管组件且使磁电管组件绕溅射靶轴心转动的作用；

所述旋转驱动组件(100)的结构为：钢轮(105)的内齿与柔轮(109)的外齿啮合，柔轮(109)内装有波发生器(104)；其中钢轮(105)固定在减速器外壳(106)上，柔轮(109)通过柔轮定位销(110)固定在中间内套(111)上；减速器外壳(106)经两个轴承与中间内套(111)构成转动副，即减速器外壳、波发生器、钢轮、柔轮、轴承、中间内套、柔轮定位销和轴承端盖构成谐波减速器；直流伺服电机(102)输出轴的下端与所述谐波减速器的波发生器(104)的内孔利用顶丝固定，作为旋转驱动的输入；中间内套(111)是所述旋转驱动组件(100)的运动输出端；在直流伺服电机(102)输出轴的上端安装有检测电机位置的编码器(101)，用于对直流伺服电机进行反馈控制；

所述变偏心距组件(200)安装在所述旋转驱动组件(100)旋转运动的输出端，起到支撑磁电管和调节磁电管与旋转中心距离的作用；

所述变偏心距组件(200)的结构为：直线步进电机(205)通过外部驱动螺母(204)推动磁电管基座(206)在导轨(202)上滑动，所述磁电管基座(206)通过滑块(203)悬挂在导轨(202)上，导轨(202)固定在旋转臂(201)上，即直线步进电机、外部驱动螺母、磁电管基座、滑块、导轨和螺钉构成一个直线运动平台，通过直线步进电机的正反转加大或者缩短磁电管组件与旋转中心的距离；

所述磁电管组件(300)安装在所述变偏心距组件(200)上，在溅射靶表面形成磁场，以提高溅射靶材利用率和被溅射材料表面沉积薄膜的质量；

所述磁电管组件(300)的结构为：内磁极(303)和外磁极(302)固定在磁性轭(301)上，磁性轭(301)固定在变偏心距组件(200)的磁电管基座(206)上，使磁电管组件随旋转驱动组件绕溅射靶轴心进行转动的同时，又能随变偏心距组件进行往复直线移动。

2.根据权利要求1所述的一种变偏心距式磁电管，其特征在于，所述内磁极(303)和外磁极(302)为形状相似的马蹄形的环状磁铁。

3.根据权利要求1所述的一种变偏心距式磁电管，其特征在于，所述磁电管组件(300)向内移动时，内磁极和外磁极径向第一个中心点超过溅射靶中心，且当磁电管组件(300)向外移动时，内外磁极径向第二个中心点达到溅射靶边缘，就能实现磁场对溅射靶表面的全覆盖。

Images