CN102191470A - 一种磁控溅射源及等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于等离子体处理技术领域，具体公开了一种磁控溅射源，其包括靶材、设置在靶材上方的磁体单元以及磁体移动装置，所述磁体移动装置与所述磁体单元相连并可带动磁体单元中的可移动磁体在靶材上方运动，以改变磁力线的分布，进而实现靶材轰击的均匀性。此外，本发明还公开了一种包含上述磁控溅射源的等离子体处理设备。本发明提供的磁控溅射源及等离子体处理设备，能够改变靶材上各个部分所在位置上的磁场强度，并进而实现靶材轰击的均匀性及基体上薄膜沉积的均匀性，同时避免因过早更换靶材而带来的浪费。

Description

一种磁控溅射源及等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及等离子体处理技术领域，具体地，涉及一种磁控溅射源。此外，本发明还涉及一种应用该磁控溅射源的等离子体处理设备。

背景技术

目前，PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)溅镀设备广泛应用于集成电路、液晶显示器、薄膜太阳能及其LED领域。所谓溅镀指的是用荷能粒子(例如氩离子)轰击固体表面而引起诸如原子、分子或团束等的各种粒子从该固体表面逸出的现象，被轰击的固体通常称为靶材。

在实际溅镀工艺过程中，等离子体产生于工艺腔室中。等离子体中的正离子被阴极负电所吸引，轰击腔室中的靶材并撞出靶材的原子，使靶材原子沉积到基体上。在非反应溅射的情况下，气体是惰性气体，例如氩气。在反应溅射的情况下，一并采用反应气体和惰性气体。

通常，为改善溅射效果，在靶材附近设置磁铁，迫使等离子中的电子按照一定的轨道运动而增加电子的运动时间，以增加电子和要电离的气体的碰撞机会，从而得到高密度的等离子体，并提供高的沉积速率。这种在靶材附近设置磁铁的设备一般称为磁控溅射设备。磁控溅射设备的设计核心是靶材及其附近磁铁的设置方式。请参阅图1，其中示出了现有的溅镀设备常采用的磁铁和靶材的设置方式。

如图所示，在工艺腔室(图未示)内设置有基体101、靶材103及磁铁104，其中，靶材103包括设置于基体101上方的两块靶材103-1和103-2，并且在每一靶材之上分别固定地设置有三块磁铁组成的磁铁组，例如，在靶材103-1之上设置有第一磁铁组104-1，其中包括彼此间隔一定距离设置的三块磁铁，并且三块磁铁的极性分别为N、S、N；在靶材103-2之上设置有第二磁铁组104-2，其中包括彼此间隔一定距离设置的三块磁铁，并且三块磁铁的极性分别为S、N、S。这样，第一磁铁组104-1内各磁铁自身以及各磁铁间所产生的磁力线、第二磁铁组104-2内各磁铁自身以及各磁铁间所产生的磁力线、以及第一磁铁组104-1和第二磁铁组104-2之间各磁铁所产生的磁力线分布不均匀，如图中标号102所示，在靠近磁铁的位置处磁力线较密，在远离磁铁的位置处磁力线较疏。也就是说，磁铁在其附近各位置处的场强不同，在靠近磁铁的位置处场强大，在远离磁铁的位置处场强小。例如，在靶材103-1和靶材103-2处磁场强度较强，并且该位置处的靶材溅射的量相应地较大；而在两靶材之间的位置(即磁场中心位置)处磁场强度小，并且该位置处的靶材溅射的量也相应地较小。

尽管通过在靶材上固定设置磁铁组可以控制电子的轨道运动，并增加电子和要电离的气体的碰撞机会，进而得到高密度的等离子体和高的沉积速率，然而在实际应用中，这种方法不可避免地存在下述缺陷：

由于背景技术提供的磁控溅射源中的磁铁是固定地设置在靶材上的，其不能相对于靶材产生位移，这样便使得在静止的磁场中，靶材中有的部分所处磁场强度较强，有的部分所处磁场强度较弱，并且强者始终强，弱者始终弱。这样，靶材上处于较强磁场中的部分所经受的轰击强度及轰击频度较高并且溅射的量较多，而处于较弱磁场中的部分所经受的轰击强度及轰击频度较低并且溅射的量较少。换言之，若采用背景技术提供的磁控溅射源对电子的运动轨道进行控制，就会使整个靶材所经受的轰击并不均匀，即，靶材上的不同部分所经受的轰击强度和频度不同，这样便使得靶材上轰击强度和频度高的部分(以下简称为高频度靶材部分)消耗得较快，而靶材上轰击强度和频度低的部分(以下简称为低频度靶材部分)消耗得较慢。当高频度靶材部分消耗殆尽而不适于继续使用时，就需要更换整个靶材；而此时，低频度靶材部分其实消耗得并不多，仍然适用于工艺要求。因此，此时更换整个靶材实际上带来极大浪费。

此外，靶材上的不同部分所经受的轰击强度和频度不同、溅射的量不同，将影响位于靶材下方的基体上的薄膜沉积的速率，并最终影响薄膜沉积的均匀性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁控溅射源，其能够改变靶材上各个部分所在位置上的磁场强度，进而实现靶材轰击的均匀性，避免因过早更换靶材而带来的浪费。

此外，本发明还提供一种等离子体处理设备，其同样能够改变靶材上各个部分所在位置上的磁场强度，并进而实现靶材轰击的均匀性及基体上薄膜沉积的均匀性，同时避免因过早更换靶材而带来的浪费。

为此，本发明提供了一种磁控溅射源，其包括靶材、设置在靶材上方的磁体单元以及磁体移动装置，所述磁体移动装置与所述磁体单元相连并可带动磁体单元中的可移动磁体在靶材上方运动，以改变磁力线的分布，进而实现靶材轰击的均匀性。

其中，所述磁体单元包括单独一个磁体，该磁体为可移动磁体并且连接所述磁体移动装置，并在磁体移动装置的带动下在靶材上方运动。

其中，所述磁体单元包含多个磁体，并且其中至少一个磁体为可移动磁体，所述可移动磁体连接所述磁体移动装置，并在该磁体移动装置的带动下，相对于其他磁体作远离或靠近的运动。

其中，所述磁体移动装置包括偏心轮及与之相配合的偏心轮从动件，所述可移动磁体连接所述偏心轮从动件，通过偏心轮从动件在偏心轮外缘上的移动而带动所述磁体在靶材上方运动。或者所述磁体移动装置包括丝杠及与之相配合的螺母，所述可移动磁体连接所述螺母，通过螺母和丝杠之间的相对运动而带动所述磁体在靶材上方运动。或者所述磁体移动装置包括导轨及与之相配合的滑块，所述可移动磁体与所述滑块相连，通过滑块和导轨之间的相对运动而带动所述磁体在靶材上方运动。或者所述磁体移动装置包括主动齿轮及与之相配合的从动齿轮，所述可移动磁体与所述从动齿轮相连，通过从动齿轮和主动齿轮之间的相对运动而带动所述磁体在靶材上方运动。

此外，本发明还提供一种等离子体处理设备，其包括工艺腔室及设置在工艺腔室内的被加工基体，并且在所述基体上方还设置有至少一个本发明提供的如上所述的磁控溅射源，以实现靶材溅射的均匀性，进而实现基体上薄膜沉积的均匀性。

在本发明提供的等离子体处理设备中，所述磁控溅射源的数量为两个，并且第一磁控溅射源中可移动磁体的运动方向与第二磁控溅射源中可移动磁体的运动方向相反。

在本发明提供的等离子体处理设备中，所述每一个磁控溅射源中最靠近另一个磁控溅射源的磁体极性相反。

在本发明提供的等离子体处理设备中，所述基体在工艺腔室径向方向上运动，以进一步使其上的薄膜沉积更为均匀。

本发明提供的等离子体处理设备可以是物理气相沉积装置等的等离子体处理设备。

本发明具有以下有益效果：

由于本发明提供的磁控溅射源中设置有磁体移动装置，在该磁体移动装置的带动下可以使磁控溅射源中的磁体(即，可移动磁体)相对于靶材产生位移，从而使靶材上各个部分所处磁场的场强的发生变化，进而可以实现靶材上各个部分因所处磁场的场强变化而使所述靶材上各个部分所经受的轰击强度和频度、溅射的量发生相应变化，这样就可以实现靶材轰击的均匀性，而不会像背景技术中那样：使靶材上有的部分经受的轰击强度和频度始终较高、溅射的量始终较多，而有的地方经受的轰击强度和频度始终较低、溅射的量始终较少。因此，本发明提供的磁控溅射源可以避免出现靶材上有的部分已消耗殆尽而与此同时有的部分却消耗很少的现象，并进一步避免因此而过早地更换靶材所带来的浪费。

类似地，由于本发明提供的等离子体处理设备采用了本发明提供的上述磁控溅射源，因而其同样能够实现靶材轰击的均匀性以及基体上薄膜沉积的均匀性，并且还能够避免因过早地更换靶材所带来的浪费。

附图说明

图1示出了现有的溅镀设备常采用的磁铁和靶材的设置方式；

图2为本发明第一实施例提供的磁控溅射源的俯视图；

图3为图2所示磁控溅射源的右视图；

图4为本发明提供的磁控溅射源中常采用的一种磁体移动装置的工作原理示意图；以及

图5示出了本发明一个具体实施例提供的等离子体处理设备中工艺腔室的内部设置方式。

具体实施方式

本发明的技术核心是：提供一种磁控溅射源，其包括靶材、设置在靶材上方的磁体单元以及磁体移动装置。该磁体移动装置与磁体单元相连并可带动磁体单元中的磁体在靶材上方运动，以改变磁力线的分布，即改变靶材上各部分所处的磁场强度，进而实现靶材轰击、溅射的均匀性。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的磁控溅射源及等离子体处理设备进行详细描述。为便于描述，本文中将与磁体移动装置相连的磁体简称为可移动磁体。

请一并参阅图2和图3，其中示出了本发明第一实施例提供的磁控溅射源。该磁控溅射源包括一个靶材201，该靶材201上设置有磁铁组202，其中包含有三个磁铁(202-1、202-2、202-3)，这三个磁铁的极性在该磁控溅射源的右视图中分别表示为N、S、N。在这三个磁铁中，位于中间的磁铁202-2连接磁体移动装置(图未示)，并可在该磁体移动装置的带动下沿图中双向箭头所示方向相对于靶材201产生位移，也即该磁铁202-2可在靶材201上方相对于磁铁202-1和202-3产生位移，这样便可以改变磁铁202-2与磁铁202-1之间的磁场以及磁铁202-2与磁铁202-3之间的磁场，也即改变靶材201上各个部分所处磁场的场强。

由此可见，借助于磁铁202-2在箭头方向的移动就可以实现靶材201上各个部分所处磁场的场强的变化，进而可以实现靶材201上各个部分因其所处磁场的场强变化而使其所经受的轰击强度和频度、溅射的量发生相应变化，从而也就不会出现背景技术中所述的现象：即，在靶材201上，有的部分经受的轰击强度和频度始终较高、溅射的量始终较多，而有的地方经受的轰击强度和频度始终较低、溅射的量始终较少，这样就可以避免出现靶材201上有的部分已消耗殆尽而与此同时有的部分却消耗很少的现象，并进一步避免因此而过早地更换靶材所带来的浪费。

尽管前述实施例中以包含三个磁体的磁体单元为例对本发明提供的磁控溅射源进行了详细描述，然而可以理解的是，在实际应用中磁体单元可以仅包含一个磁体，也可以包含两个或更多个磁体。当磁体单元仅包含一个磁体时，磁体移动装置直接连接该磁体并带动其在靶材上方运动；当磁体单元包含两个或更多个磁体时，磁体移动装置连接这些磁体中的至少一个，并带动所述的至少一个磁体在靶材上方运动。

至于磁体移动装置，其实现方式可以多种多样，只要能够携带磁体在靶材上方产生位移即可。例如，磁体移动装置可以采用偏心轮及与之相配合的偏心轮从动件这样的形式，当所述磁体单元仅包含一个磁体时，该磁体连接偏心轮从动件，通过偏心轮从动件在偏心轮外缘上的移动而带动该磁体在靶材上方运动；当所述磁体单元包含两个或更多个磁体时，至少其中的一个磁体连接偏心轮从动件，通过偏心轮从动件在偏心轮外缘上的移动而带动所述的至少一个磁体在靶材上方运动。

另外，磁体移动装置也可以采用丝杠及与之相配合的螺母这样的形式，当所述磁体单元仅包含一个磁体时，该磁体连接螺母，通过螺母和丝杠之间的相对运动而带动该磁体在靶材上方运动；当所述磁体单元包含两个或更多个磁体时，至少其中的一个磁体连接螺母，通过螺母和丝杠之间的相对运动而带动所述的至少一个磁体在靶材上方运动。

再有，磁体移动装置也可以采用导轨及与之相配合的滑块这样的形式，当所述磁体单元仅包含一个磁体时，该磁体连接滑块，通过滑块和导轨之间的相对运动而带动该磁体在靶材上方运动；当所述磁体单元包含两个或更多个磁体时，至少其中的一个磁体连接滑块，通过滑块和导轨之间的相对运动而带动所述的至少一个磁体在靶材上方运动。

当然，磁体移动装置也可以采用齿轮副这样的形式，当所述磁体单元仅包含一个磁体时，该磁体连接从动齿轮，通过从动齿轮和主动齿轮之间的相对运动而带动该磁体在靶材上方运动；当所述磁体单元包含两个或更多个磁体时，至少其中的一个磁体连接从动齿轮，通过从动齿轮和主动齿轮之间的相对运动而带动所述的至少一个磁体在靶材上方运动。

需要指出的是，尽管前述实施例中以磁铁为例对本发明提供的磁控溅射源进行了详细描述，然而本发明所采用的磁体并不仅仅局限于此，而是也可以采用其他磁体，例如包括硅钢片和软磁铁芯等的软磁体、包括铝镍钴、钐钴、铁氧体和钕铁硼等的硬磁体。事实上，只要能够通过其磁性来对电子运动轨迹进行控制的磁性材料就都可以采用。

进一步需要指出的是，当磁体单元中的可移动磁体数量大于1时，该磁控溅射源可以包括与可移动磁体数量相等的磁体移动装置，并且每一个可移动磁体连接一个磁体移动装置。当然，当磁体单元中的可移动磁体数量大于1时，该磁控溅射源也可以仅包括一个磁体移动装置，每一个可移动磁体都与该磁体移动装置相连并在该磁体移动装置的带动下而在靶材上方运动；或者，该磁控溅射源仅包括一个磁体移动装置，但是该磁体移动装置中的从动部件(例如前述偏心轮从动件、螺母、滑块或从动齿轮)为多个，每一个可移动磁体均连接一个从动部件并在该从动部件的带动下而在靶材上方运动，例如，在这种情况下，所述磁体移动装置可以采用下面的形式：所述磁体移动装置包括偏心轮及与偏心轮相配合且数量与可移动磁体数量相等的偏心轮从动件，每一个可移动磁体均连接一个偏心轮从动件，通过偏心轮从动件沿偏心轮外缘的移动而带动所述可移动磁体在靶材上方运动；或者所述磁体移动装置包括丝杠及与丝杠相配合且数量与可移动磁体数量相等的螺母，每一个可移动磁体均连接一个所述螺母，通过螺母和丝杠之间的相对运动而带动所述可移动磁体在靶材上方运动；或者所述磁体移动装置包括导轨及与导轨相配合且数量与可移动磁体数量相等的滑块，每一个可移动磁体均连接一个所述滑块，通过滑块和导轨之间的相对运动而带动所述可移动磁体在靶材上方运动；或者所述磁体移动装置包括主动齿轮及与主动齿轮相配合且数量与可移动磁体数量相等的从动齿轮，每一个可移动磁体均连接一个所述从动齿轮，通过从动齿轮和主动齿轮之间的相对运动而带动所述可移动磁体在靶材上方运动。

请参阅图4，其中示出了本发明常采用的一种磁体移动装置。本实施例中的磁体移动装置包括偏心轮及其从动件，本发明中所说的偏心轮指的是这样一种可转动轮：即，其实际转轴与其中心轴不重合。如图所示，本实施例中的偏心轮的实际转轴连接电机501，在电机501的带动下，该偏心轮围绕其实际转轴旋转来使与其边缘相接触的偏心轮从动件带动磁体单元中的可动磁体503作远离或靠近偏心轮中心轴502的运动。

其中，电机501可以采用可变速电机，这样，通过调节电机501的转速可以调节偏心轮的运动轨迹及速度。偏心轮从动件可以包括：与偏心轮外缘相接触并可沿偏心轮外缘移动的滑块505、以及连接在滑块505和可动磁体503之间并与二者实现硬连接的诸如无形变的钢板、钢带、钢棒等的连接部件504。当然，该硬连接部件504也可以为其它材质的棒状、板状和/或带状的连接部。而且，偏心轮从动件也可以不包括上述滑块505，而由所述硬连接部件504直接连接偏心轮外缘，并随着偏心轮的旋转而在偏心轮外缘的推动和会拉作用下携带可动磁体503运动。

此外，本发明还提供一种等离子体处理设备，其包括工艺腔室，并且在该工艺腔室中还设置有至少一个本发明提供的如上所述的磁控溅射源，以便实现靶材轰击、溅射的均匀性，进而实现基体上薄膜沉积的均匀性。

请参阅图5，其中示出了本发明一个具体实施例提供的等离子体处理设备的工艺腔室内部设置示意图。在该工艺腔室中的被加工基体401上方设置有两个如上所述的本发明提供的磁控溅射源，即第一磁控溅射源和第二磁控溅射源。其中，第一磁控溅射源包括靶材402-1，并且在该靶材402-1上方设置有三块磁体413-1、413-2和413-3，在该视图中，这三块磁体的极性分别为N、S、N，并且位于中间的磁体S可以在磁体移动装置的带动下沿图中箭头所示方向移动。第二磁控溅射源包括靶材402-2，并且在该靶材402-2上方设置有三块磁体423-1、423-2和423-3，在该视图中，这三块磁体的极性分别为S、N、S，并且位于中间的磁体可以在磁体移动装置的带动下沿图中箭头所示方向移动。而且，第一磁控溅射源与第二磁控溅射源相邻的两个磁体的极性相反，也就是说使该工艺腔室内相邻的磁体极性相反，从而形成有效的磁场环境。

在实际应用中，可以使第一磁控溅射源和第二磁控溅射源中的可移动磁体的运动方向相反，这样可以保证薄膜沉积的均匀性。当然，也可以使基体401沿箭头所示方向运动，从而进一步使其上的薄膜沉积得更均匀。至于基体401的运动原理和运动方式，类似于前面可移动磁体的运动原理和运动方式，在此不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种磁控溅射源，包括靶材及设置在靶材上方的磁体单元，其特征在于，还包括磁体移动装置，其与所述磁体单元相连并可带动磁体单元中的可移动磁体在靶材上方运动，以改变磁力线的分布，进而实现靶材轰击的均匀性。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于，所述磁体单元包括单独一个磁体，该磁体为可移动磁体并且连接所述磁体移动装置，并在磁体移动装置的带动下在靶材上方运动。

3.根据权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于，所述磁体单元包含多个磁体，并且其中至少一个磁体为可移动磁体，所述可移动磁体连接所述磁体移动装置，并在该磁体移动装置的带动下，作远离或靠近其他磁体的运动。

4.根据权利要求2或3所述的磁控溅射源，其特征在于，所述磁体移动装置包括偏心轮及与之相配合的偏心轮从动件，所述可移动磁体连接所述偏心轮从动件，通过偏心轮从动件在偏心轮外缘上的移动而带动所述磁体在靶材上方运动。

5.根据权利要求2或3所述的磁控溅射源，其特征在于，所述磁体移动装置包括导轨及与之相配合的滑块，所述可移动磁体与所述滑块相连，通过滑块和导轨之间的相对运动而带动所述磁体在靶材上方运动。

6.根据权利要求2或3所述的磁控溅射源，其特征在于，所述磁体移动装置包括丝杠及与之相配合的螺母，所述可移动磁体连接所述螺母，通过螺母和丝杠之间的相对运动而带动所述磁体在靶材上方运动。

7.一种等离子体处理设备，包括反应腔室，其内设置有被加工基体，其特征在于，在所述基体上方还设置有至少一个如权利要求1所述的磁控溅射源，以实现靶材溅射的均匀性，进而实现基体上薄膜沉积的均匀性。

8.根据权利要求7所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述磁控溅射源的数量为两个，并且第一磁控溅射源中可移动磁体的运动方向与第二磁控溅射源中可移动磁体的运动方向相反。

9.根据权利要求8所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述每一个磁控溅射源中最靠近另一个磁控溅射源的磁体极性相反。

10.根据权利要求7至9中任意一项所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述基体在反应腔室径向方向上运动，以进一步使其上的薄膜沉积更为均匀。

11.根据权利要求7所述的等离子体处理设备，其特征在于，所述等离子体处理设备是物理气相沉积装置。

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