CN102534522A - 一种磁控溅射源及磁控溅射设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁控溅射源及磁控溅射设备。其中，磁控溅射源包括磁控管及用于驱动该磁控管的驱动装置；借助该驱动装置可驱动磁控管以任意轨迹对靶材平面进行扫描，从而使靶材各个区域的消耗速率趋于一致，进而大幅提高靶材的利用率。本发明提供的磁控溅射设备中设置有上述本发明提供的磁控溅射源，因而其同样能够大幅提高靶材的利用率。

Description

一种磁控溅射源及磁控溅射设备

技术领域

本发明涉及微电子加工技术领域，具体地，涉及一种磁控溅射源及应用该磁控溅射源的磁控溅射设备。

背景技术

近年来，随着集成电路、液晶显示器、薄膜太阳能电池及LED产品的快速发展，用于进行物理薄膜淀积工艺的磁控溅射设备得到了广泛应用。

请参阅图1，为一种典型的磁控溅射设备的结构原理图。该设备主要包括：工艺腔室1、设置于工艺腔室1内部的静电卡盘3、设置于工艺腔室1上方的靶材2和磁控管4以及磁控管驱动电机5。其中，工艺腔室1由腔室主体11和调节器12组成；在工艺腔室1的下端或侧壁上连接有抽气腔室13。在磁控溅射工艺中，向工艺腔室1内通入用于形成等离子体的工艺气体(例如，氩气等)，在腔室内电场和磁场的共同作用下，等离子体中的部分离子轰击靶材2的表面，使靶材2表面的部分原子脱落，并沉积到所要加工的基片表面从而形成所需膜层。

其中，磁控管4用于迫使等离子体中的电子按照一定的轨道运动，以延长电子的运行时间并增加了电子与工艺气体的碰撞机率；从而得到高密度的等离子体，进而可提高沉积速率。

而随着半导体加工的特征尺寸不断缩小，对孔隙及沟槽填充的深/宽比要求也逐渐提高，要满足这一要求就必须提高靶材金属的离化率。目前，要得到高的离化率，常采用的方法之一是采用一个小型且磁力强的磁控管，作用于靶材的小面积区域上，这样可以在单位面积上产生较高的功率密度，从而增加金属的离化率。

然而，要实施上述提高离化率的方案，就需要借助一种驱动装置来驱动磁控管在靶材范围内进行扫描运动。

请参阅图2，为一种已有磁控管驱动装置的结构示意图。该装置工作过程如下：电机通过传动轴70带动传动杆74进行旋转运动；传动杆74上的动齿轮76随传动杆74绕中心轴72作圆周运动，定齿轮62不随传动轴70旋转，动齿轮76受到定齿轮62的啮合作用力而发生自转；齿轮78与动齿轮76啮合而进行自转，并带动磁控管84和配重86与齿轮78进行同步旋转；从而驱动磁控管84在靶材范围内以一定的运动轨迹对靶材进行扫描。此外，传动杆74的另一端还连接有第二配重88，用以平衡中心轴72两端的力矩、增加旋转的稳定性。

请参阅图3，为图2所示驱动装置中磁控管的运行轨迹示意图。由图3所示磁控管的运行轨迹可以看出，上述驱动装置存在下述缺陷：

首先，在上述驱动装置的驱动下，磁控管的运行轨迹只能覆盖靶材平面的部分区域，未被覆盖的靶材区域将无法得到充分利用，因而将造成大量靶材材料的浪费，对于价格昂贵的靶材而言，这无疑将造成巨大的成本损失。而且，上述驱动装置只能适用于对圆形靶材的溅射工艺，当靶材形状为矩形或其它形状时，将会有更多的区域无法被覆盖，从而导致更加严重的靶材浪费问题。

同时，由于上述驱动装置中磁控管的运行轨迹取决于该装置中各个齿轮的传动关系及传动比，当驱动装置的结构确定之后，磁控管的运行轨迹即被确定。如图3所示，在磁控管运行轨迹较密集的靶材区域，对靶材的消耗速率必然会较快，而靶材上的其它区域则消耗比较慢，这就造成靶材消耗不均匀的问题。当消耗速率较快的靶材区域被用尽之后，整个靶材即要作废，同样会带来靶材成本的浪费问题。

针对上述问题，技术人员试图通过调整齿轮传动比的方式来改善磁控管运行轨迹的分布状况以提高靶材利用率；但是，这一方式至今仍未取得明显成效，其最优的靶材利用率也只能达到50％左右。因此，目前亟需一种既能使磁控管的运行轨迹合理覆盖整个靶材平面，又能够有效提高靶材利用率的技术方案。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种磁控溅射源，其能够有效提高靶材利用率。

为解决上述问题，本发明还提供一种磁控溅射设备，其同样能够有效提高靶材利用率。

为此，本发明提供一种磁控溅射源，包括磁控管及用于驱动磁控管的驱动装置，该驱动装置可驱动磁控管以任意轨迹对靶材平面进行扫描。

其中，驱动装置包括第一直线驱动单元和第二直线驱动单元；其中，第一直线驱动单元用于驱动磁控管在第一直线驱动单元的驱动方向上进行直线往复运动；第二直线驱动单元用于驱动第一直线驱动单元及磁控管同时在第二直线驱动单元的驱动方向上进行直线往复运动；第一直线驱动单元与第二直线驱动单元的驱动方向不同且均与靶材平面相平行。

优选地，第一直线驱动单元与第二直线驱动单元的驱动方向相互垂直。

其中，驱动装置还包括与第二直线驱动单元相平行的从动导向单元，第一直线驱动单元的两端分别与第二直线驱动单元及从动导向单元相连接。

其中，第二直线驱动单元与靶材平面的相对位置固定。

其中，第一直线驱动单元和第二直线驱动单元包括电动缸、直线电机、液压缸、气压缸。

其中，第一直线驱动单元和第二直线驱动单元均包括直线导轨、直线滑块、传动部以及动力源。其中，动力源包括电动缸、电机、液压缸、气压缸。

其中，磁控溅射源还包括控制单元，用以分别或同时控制第一直线驱动单元和第二直线驱动单元的运行状态，以获得不同的磁控管运行轨迹。

此外，本发明还提供一种磁控溅射设备，包括靶材，在靶材上方设置有上述本发明提供的磁控溅射源，用以在工艺过程中对靶材进行均匀且全面的磁场扫描。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的磁控溅射源包括磁控管及用于驱动所述磁控管的驱动装置，借助上述驱动装置可驱动磁控管以任意轨迹对靶材平面进行扫描。因此，本发明提供的磁控溅射源通过设置不同的磁控管运行轨迹，不仅能够适用于对任何形状靶材的溅射工艺，而且能够无差别的覆盖靶材平面的所有区域，并能够使靶材各个区域的消耗速率趋于一致；从而在使磁控管的运行轨迹合理覆盖整个靶材平面的同时，能够大幅提高靶材的利用率。

本发明提供的磁控溅射设备在其靶材的上方设置有上述本发明提供的磁控溅射源。在工艺过程中，无论所述靶材为何种形状，借助上述磁控溅射源均能够对靶材进行均匀且全面的磁场扫描，从而使靶材各区域的材料消耗速率趋于一致，进而可大幅提高靶材的利用率。

附图说明

图1为一种典型的磁控溅射设备的结构原理图；

图2为一种已有磁控管驱动装置的结构示意图；

图3为图2所示驱动装置中磁控管的运行轨迹示意图；

图4为本发明提供的磁控溅射源一个具体实施例的结构示意图；

图5为图4所示磁控溅射源中所采用的磁控管的结构示意图；以及

图6为本发明提供的磁控溅射源用于圆形靶材时的一种扫描轨迹示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术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磁控溅射设备进行详细描述。

本发明提供的磁控溅射源包括磁控管及用于驱动磁控管的驱动装置。借助上述驱动装置可驱动磁控管以任意轨迹对靶材平面进行扫描，从而无论靶材为何种形状，应用本发明提供的磁控溅射源均能对靶材进行全面且均匀的磁场扫描，从而大幅提高靶材的利用率。

要实现上述驱动装置的功能，例如可以将该驱动装置设置为两个相交的第一直线驱动单元和第二直线驱动单元的结构；将磁控管连接在其中的第一直线驱动单元上，然后再将该第一直线驱动单元整体连接在第二直线驱动单元上，并使上述两个直线驱动单元的驱动方向均与靶材平面相平行。这样，可以通过控制上述第一直线驱动单元进行动作而驱动磁控管在第一直线驱动单元的驱动方向上进行往复运动；在此基础上，再控制第二直线驱动单元进行动作，以同时驱动上述第一直线驱动单元及磁控管在该第二直线驱动单元的方向上进行往复运动。当使上述第一/第二直线驱动单元同时进行动作时，磁控管的运行轨迹为上述第一/第二直线驱动单元所作运动的复合运动，由于可对上述第一/第二直线驱动单元的运动速度、方向等参数作出任意的调整，因而可实现以任意运行轨迹而对上述磁控管进行驱动的功能。

上述第一/第二直线驱动单元的驱动方向相交，具体地可以使二者为相互垂直的关系，也可以使二者相交呈一定角度而非垂直的关系。显然，上述两种方式均可实现以任意轨迹而对磁控管进行驱动的功能；但是，使二者驱动方向相互垂直的方案相对而言更容易控制，并且具有更好的控制精度，因此，在实际应用中优选采用上述使二者驱动方向相互垂直的方案。

请参阅图4，为本发明提供的磁控溅射源一个具体实施例的结构示意图。

本实施例中，上述驱动装置包括相互垂直的第一直线驱动单元40和第二直线驱动单元50。其中，第一直线驱动单元40用于驱动磁控管90在第一直线驱动单元40的驱动方向上进行直线往复运动；第二直线驱动单元50用于驱动第一直线驱动单元40及磁控管90同时在第二直线驱动单元50的驱动方向上进行直线往复运动。从而实现对磁控管90在靶材100的平面范围内进行任意运行轨迹的驱动控制。

本实施例中，上述第一直线驱动单元40及第二直线驱动单元50均可采用一种电动缸装置而实现其直线驱动功能。具体地，第一直线驱动单元40包括第一直线导轨41、第一驱动电机42、第一传动部(图未示)及第一直线滑块45；其中，第一驱动电机42用于通过第一传动部向第一直线滑块45提供驱动力，以使其在第一直线导轨41上进行直线往复运动；磁控管90被固定连接于上述第一直线滑块45上并可随之同步移动。第二直线驱动单元50包括第二直线导轨51、第二驱动电机52、第二传动部(图未示)及第二直线滑块55；其中，第二驱动电机52用于通过第二传动部向第二直线滑块55提供驱动力，以使其在第二直线导轨51上进行直线往复运动；上述第一直线驱动单元40的一端被固定连接于上述第二直线滑块55上并可随之同步移动。

此外，本实施例中，驱动装置还包括与第二直线驱动单元50相平行的从动导向单元30。该从动导向单元30具体包括同上述第二直线导轨长度相同的从动导轨31，以及可在该从动导轨31上自由滑动的从动滑块35；其中，该从动滑块35与上述第一直线驱动单元40的另一端相连接。当第二直线驱动单元50驱动第一直线驱动单元40进行直线往复运动时，该从动滑块35将随第二直线滑块55进行同步滑动，从而为第一直线驱动单元40提供可靠的支撑，避免其与第二直线驱动单元50之间出现悬臂现象，并增强第一直线驱动单元40进行直线滑动的稳定性。

另外，本实施例中，上述驱动装置还设置有支撑部57，用以支撑及固定上述第二直线驱动单元50和从动导向单元30，从而使二者与靶材平面的相对位置固定，同时将驱动装置与靶材之间的相对位置进行了固定，以利于最终对磁控管在靶材平面坐标中进行定位、以及对其运行轨迹的控制。

容易理解的是，上述第一直线驱动单元和第二直线驱动单元的直线驱动结构并不仅限于上述实施例所示的电动缸结构；例如还可采用直线电机、液压缸、气压缸等直线驱动装置中的一种或几种的组合作为上述第一直线驱动单元和第二直线驱动单元使用；或者，还可以将上述第一直线驱动单元和第二直线驱动单元设置为直线导轨、直线滑块、传动部以及动力源的结构形式，并使用上述电动缸、电机、液压缸、气压缸等直线驱动装置中的一种或几种的组合作为动力源；以及，其它能够实现直线驱动的技术方案。

在一个优选实施例中，本发明提供的磁控溅射源还包括控制单元，用以分别或同时控制第一直线驱动单元和第二直线驱动单元的运行状态，以获得不同的磁控管运行轨迹。具体地，该控制单元例如可以采用单片机、PC等常用的控制设备而实现。其中，所述直线驱动单元的运行状态例如包括各个直线驱动单元的运行方向、速度等的运行参数。

请参阅图5，为图4所示磁控溅射源中所采用的磁控管的结构示意图。该磁控管为一种标准的圆形结构，在磁控管的主体内设置有内/外两圈小磁体，共同构成该磁控管的磁体组。在众多的小磁体中，至少应有一个小磁体与其它小磁体放置的极性方向相反，从而在磁控管的工作面上形成封闭的磁场回路。具体地，例如可以分别使位于内圈和外圈的小磁体极性方向一致，并使内/外圈的小磁体极性方向相反；也可以将同一圈中的小磁体设置为间隔的小磁体的极性方向一致，而相邻的小磁体的极性方向相反；当然，技术人员还可以采用其它的多种磁体排布方式而实现其功能，在此不再一一赘述。

虽然上述实施例以图5所示的圆形磁控管结构加以描述，但本发明并不局限于此。在本发明提供的磁控溅射源中，对于磁控管90的具体形状并无严格的限制，技术人员可以采用多种标准及非标准形状的磁控管而实现对靶材的磁场扫描，并且在上述各种形状的磁控管被应用于本发明提供的磁控溅射源中时，同样应视为本发明的保护范围。

请参阅图6，为本发明提供的磁控溅射源用于圆形靶材时的一种扫描轨迹示意图。该磁控管运行轨迹是通过分别或同时控制上述第一/第二直线驱动单元所获得的；图中，D代表磁控管直径；带有箭头的虚线表示磁控管的运行轨迹。下面以磁控管在靶材平面坐标系(图中的X/Y坐标系)中的具体坐标点对其运行轨迹进行说明。

首先，通过控制第一/第二直线驱动单元中的驱动电机(按照坐标系的X、Y轴方向，第一驱动电机为X轴方向的驱动电机，一下简称X轴驱动电机；相应地，将第二驱动电机称为Y轴驱动电机)，使磁控管依次运动到坐标点(X3，Y0)；随后Y轴驱动电机保持不动，X轴驱动电机驱动磁控管匀速运动到坐标点(X4，Y0)，完成第一行扫描；之后X轴驱动电机、Y轴驱动电机共同运动，使磁控管运动至坐标点(X5，Y0+D)，准备进行第二行扫描；之后Y轴驱动电机不动，X轴驱动电机匀速运动，使磁控管沿X轴方向运动到坐标点(X2，Y0+D)处，完成第二行扫描；之后，再通过X轴驱动电机、Y轴驱动电机共同运动，使磁控管运动到坐标点(X1，Y0+2D)处，准备开始第三行扫描......依此进行循环扫描，即可完成对磁控管在整个靶材范围的全区覆盖扫描。并且，靶材上任何位置处的扫描密度均大致相等，从而使靶材各个位置处的实际消耗速率也趋于一致，进而可使靶材上所有位置处的材料均得到有效利用，因此，使靶材的实际有效利用率得到大幅提高。

可以理解的是，上述图6所示的磁控管运行轨迹仅仅是为说明本发明提供的磁控溅射源的工作原理，而采用的一种示范性实例。在实际应用中，技术人员可对于靶材的扫描轨迹作出多种变形和改进，并且上述变形和改进也应视为本发明的保护范围。

作为另一种技术方案，本发明还提供一种磁控溅射设备，其包括工艺腔室及靶材，在靶材上方设置有上述本发明提供磁控溅射源，用以在工艺过程中对靶材进行磁场扫描。在工艺过程中，借助上述磁控溅射源能够实现对靶材所有区域的均匀溅射，从而使靶材各个部分的消耗速率趋于均匀，进而大幅提高靶材的利用率。

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 (10)

1.一种磁控溅射源，包括磁控管及用于驱动所述磁控管的驱动装置，其特征在于，所述驱动装置可驱动所述磁控管以任意轨迹对靶材平面进行扫描。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于，所述驱动装置包括第一直线驱动单元和第二直线驱动单元，其中，

所述第一直线驱动单元用于驱动所述磁控管在第一直线驱动单元的驱动方向上进行直线往复运动；

所述第二直线驱动单元用于驱动所述第一直线驱动单元及所述磁控管同时在所述第二直线驱动单元的驱动方向上进行直线往复运动；

所述第一直线驱动单元与第二直线驱动单元的驱动方向不同且均与所述靶材平面相平行。

3.根据权利要求2所述的磁控溅射源，其特征在于，所述第一直线驱动单元与第二直线驱动单元的驱动方向相互垂直。

4.根据权利要求2所述的磁控溅射源，其特征在于，所述驱动装置还包括与所述第二直线驱动单元相平行的从动导向单元，所述第一直线驱动单元的两端分别与所述第二直线驱动单元及所述从动导向单元相连接。

5.根据权利要求2所述的磁控溅射源，其特征在于，所述第二直线驱动单元与所述靶材平面的相对位置固定。

6.根据权利要求2所述的磁控溅射源，其特征在于，所述第一直线驱动单元和第二直线驱动单元包括电动缸、直线电机、液压缸、气压缸。

7.根据权利要求2所述的磁控溅射源，其特征在于，所述第一直线驱动单元和第二直线驱动单元均包括直线导轨、直线滑块、传动部以及动力源。

8.根据权利要求7所述的磁控溅射源，其特征在于，所述动力源包括电动缸、电机、液压缸、气压缸。

9.根据权利要求2所述的磁控溅射源，其特征在于，所述磁控溅射源还包括控制单元，用以分别或同时控制所述第一直线驱动单元和第二直线驱动单元的运行状态，以获得不同的磁控管运行轨迹。

10.一种磁控溅射设备，包括靶材，其特征在于，在所述靶材上方设置有权利要求1-9中任意一项所述的磁控溅射源，用以在工艺过程中对所述靶材进行均匀且全面的磁场扫描。

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