CN102534523B - 磁控源和磁控溅射设备、以及磁控溅射方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种磁控源，包括：靶材；磁控管，所述磁控管位于所述靶材上方；靶材厚度测量器，靶材厚度测量器用于检测所述靶材的厚度；扫描机构，扫描机构以控制磁控管以预定轨迹在靶材上方移动，且扫描机构与靶材厚度测量器相连以在磁控管停止运行时控制靶材厚度测量器在靶材上方移动以检测靶材的厚度；和控制器，控制器分别与靶材厚度测量器和所述扫描机构相连，控制器对所述磁控管的预定轨迹进行设定，并根据靶材厚度测量器检测的厚度测量信息调整磁控管的预定轨迹。本发明实施例通过靶材厚度测量器对靶材进行厚度检测，从而根据靶材厚度检测结果及时地调整磁控管的运行轨迹，以达到提高靶材利用率和金属离化率的目的。

Description

磁控源和磁控溅射设备、以及磁控溅射方法

技术领域

本发明涉及微电子制造技术领域，特别涉及一种磁控源、磁控溅射设备以及磁控溅射方法。

背景技术

磁控溅射技术广泛地应用于集成电路、液晶显示器、薄膜太阳能及LED等领域。所谓溅射是指利用荷能粒子(例如氩离子)轰击固体表面，从而引起表面各种粒子，如原子、分子或团束从该物体表面逸出的现象。如图1所示，为一种磁控溅射设备的示意图。该磁控溅射设备包括高真空工艺腔的腔体1、位于所述腔体1之内的用以承载晶片的静电卡盘9和抽气口10。其中，腔体1由腔室主体2和适配器(adaptor)8组成，其中，腔室主体2由底座和周壁构成。在高真空工艺腔1之上设有被溅射的靶材3、以及隔离部件4构成的密封腔室，密封腔室和靶材3之间充满去离子水7，其中，该隔离部件4采用绝缘材料构成，例如石英等，其使去离子水7与其他部件绝缘。磁控管6设置在密封腔室内，且磁控管6在电机5的作用下做高速的转动。

在该磁控溅射设备中，等离子体产生于密封腔室中。等离子体的正离子被阴极负电所吸引，轰击密封腔室中的靶材3，撞出靶材3的原子，并沉积到晶片上。在非反应溅射的情况下，气体是惰性气体，例如氩气。在反应溅射中，则可采用反应气体和惰性气体一起使用。

随着半导体技术的不断发展，超大规模集成电路目前都以Cu互连为主。主要是因为铜具有较低的电阻率、较低的电子迁移率的优势。伴随着半导体芯片的进一步集成化，对于铜互连沟壑与通孔镀膜深宽比要求变得的越来越大，PVD设备开始向IPVD(Ionized-PVD)发展，IPVD的技术特点是要求对溅射金属的离化率高，离化后的金属离子，可以通过外部再增加电场与磁场技术进行方向导引，这样可以实现高深宽比的沟壑填充，并满足填充的一致性。得到高离化率的方法之一是采用一个小型但是强力的磁控管，作用于一个靶材的小的区域上，这样可以在单位面积上产生较高的功率密度，这样可以增加金属的离化率，离化了的金属可以在静电卡盘上加载的电压的吸引下较准直的运动，同样可以在腔室周壁上加上变磁场，使离子流发生方向改变，实现对通孔侧壁填充的一致性，从而提高通孔的填充效果。

然而由于溅射靶材比较昂贵，因此小型的磁控管又带来一个技术问题：如何使磁控管的运行轨迹合理的覆盖整个靶面，在得到理想的均匀的靶材刻蚀效果的同时，还能够提高靶材利用率。目前普遍采用的方案是将磁控管的扫描机构的轨迹设计为定轨迹，而这种定轨迹运动模式对靶面的覆盖并不均匀，磁控管重复经过较多的地方刻蚀较快，而其它地方则刻蚀较慢。这样当靶材的刻蚀较快之处到达靶材最底端时，就会使得整个靶材报废。因此本领域的技术人员面临的问题就是如何提高靶材的利用率，提高金属离化率。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决靶材的利用率和金属离化率低的问题。

本发明实施例一方面提出了一种磁控源，包括：靶材；磁控管，所述磁控管位于所述靶材上方；靶材厚度测量器，所述靶材厚度测量器用于检测所述靶材的厚度；扫描机构，所述扫描机构与所述磁控管相连以控制所述磁控管以预定轨迹在所述靶材上方移动，且所述扫描机构与所述靶材厚度测量器相连以在磁控管停止运行时控制所述靶材厚度测量器在所述靶材上方移动以检测所述靶材的厚度；和控制器，所述控制器分别与所述靶材厚度测量器和所述扫描机构相连，所述控制器对所述磁控管的预定轨迹进行设定，并根据靶材厚度测量器检测的厚度测量信息调整所述磁控管的预定轨迹。在本发明的一个实施例中，所述控制器可为上位机，即可为控制磁控溅射设备的工控机。

本发明实施例通过靶材厚度测量器对靶材进行厚度检测，从而根据靶材厚度检测结果及时地调整磁控管的运行轨迹，以达到提高靶材利用率和金属离化率的目的。

在本发明的一个实施例中，所述靶材厚度测量器安装在所述磁控管上。通过将靶材厚度测量器与磁控管设置为一体，这样就可以通过一个扫描机构对靶材厚度测量器和磁控管分别进行控制，在磁控管工作时刻停止靶材厚度测量器的工作，而在靶材厚度测量器工作时可停止磁控管的工作，从而本发明的磁控源结构简单，成本低。

在本发明的一个实施例中，所述靶材厚度测量器安装在磁控管的中心位置。

在本发明的一个实施例中，所述靶材厚度测量器为涡流传感器。

在本发明的一个实施例中，所述磁控管为电磁铁。

在本发明的一个实施例中，还包括：供电电源，所述供电电源为所述磁控管供电；电源控制器，所述电源控制器在所述控制器的控制下调整所述供电电源的输出电压以控制所述磁控管的磁场强度。在本发明的实施例中，通过将电磁铁作为磁控管，以代替传统的永磁铁，从而可以控制磁控管的磁场强度，这样就可以在检测到的靶材偏厚的区域提高磁场强度，从而使得靶材的刻蚀更加均匀。

在本发明的一个实施例中，所述电磁铁的铁芯由硅钢片叠压形成，从而减小由于涡流效应而引起的铁芯温度升高。

在本发明的一个实施例中，所述磁控管包括：内环架；多个内磁极，所述多个内磁极沿周向均匀地设置在所述内环架上；外环架，所述外环架与所述内环架同心；和多个外磁极，所述多个外磁极沿周均匀地向设置在所述外环架上，其中，所述内磁极和所述外磁极均为电磁铁，且所述内磁极和所述外磁极的极性相反。

在本发明的一个实施例中，所述内环架和所述外环架为圆形，所述靶材厚度测量器设置在所述内环架和所述外环架的圆心处。

在本发明的一个实施例中，所述扫描机构包括：第一导轨；机械臂，所述机械臂的上端可移动地设置在所述第一导轨上，其中，所述磁控管和所述靶材厚度测量器设置在所述机械臂的下端；第一驱动器，所述第一驱动器用于驱动所述机械臂在所述第一导轨上沿第一方向移动；第三导轨和第四导轨，所述第三导轨和第四导轨彼此间隔且平行地设置，其中，所述第一导轨的两端分别可移动地支撑在所述第三导轨和第四导轨上；和第二驱动器，所述第二驱动器用于驱动所述第一导轨在所述第三导轨和第四导轨上沿与第一方向正交的第二方向上移动。

本发明另一方面还提出了一种磁控溅射设备，包括：腔室本体，所述腔室本体内限定有腔室，且所述腔室本体上设有用于对所述腔室抽真空的抽气口；静电卡盘，所述静电卡盘设置在所述腔室中用于承载晶片；磁控源，所述磁控源为以上所述的磁控源；和隔离部件；其中，所述磁控源的靶材设置在所述腔室本体且所述靶材的下表面暴露到所述腔室内，所述隔离部件设置在靶材上方以与所述靶材限定出适于容纳去离子水的密封腔室。通过本发明实施例的磁控溅射设备可实现靶材厚度信息的反馈，并根据靶材厚度信息重新设置磁控管的运动轨迹，从而达到对靶材均匀刻蚀的目的。通过本发明实施例可以使靶材的利用率接近100％。

本发明再一方面还提出了一种磁控溅射方法，包括以下步骤：控制磁控管以预定轨迹在靶材上方移动以刻蚀所述靶材；在预定时间之后停止所述磁控管的运行并检测所述靶材的厚度以获得靶材厚度信息；和根据获得的所述靶材厚度信息调整所述磁控管移动的预定轨迹。在本发明实施例中可在预定时间之后，重新检查靶材的厚度信息，这样可以及时地根据靶材的厚度信息调整磁控管的运动轨迹，从而达到均匀刻蚀的目的。

在本发明的一个实施例中，通过涡流传感器测量所述靶材的厚度。

在本发明的一个实施例中，其中，通过控制涡流传感器在所述靶材之上运动以检测所述靶材的厚度。

在本发明的一个实施例中，所述磁控管为电磁铁。

在本发明的一个实施例中，还包括：根据获得的所述靶材厚度信息控制为所述磁控管供电的供电电源的输出电压以调整所述磁控管的磁场强度。在本发明实施例中，由于采用电磁铁作为磁控管，因此还可以根据获得的靶材厚度信息对磁控管的磁场强度进行调整，从而进一步地提高靶材的利用率。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为一种磁控溅射设备的示意图；

图2为本发明实施例的磁控源的结构图；

图3为本发明一个实施例的磁控管的结构图；

图4为本发明一个实施例的磁控管的磁极示意图；

图5为本发明实施例的扫描机构示意图；

图6为本发明实施例磁控溅射方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图2所示，为本发明实施例的磁控源的结构图。该磁控源包括靶材1100、磁控管1200、靶材厚度测量器1300、扫描机构1400和控制器1500。磁控管1200和靶材厚度测量器1300位于靶材1100上方。在本发明的一个实施例中，控制器1500可为上位机，即可为控制磁控溅射设备的工控机。

在本发明的一个实施例中，磁控管1200和靶材厚度测量器1300均由扫描机构1400进行控制，这样可以使得本发明实施例磁控源的结构更加简单、紧凑，从而降低制造成本。当然在本发明的其他实施例中，磁控管1200和靶材厚度测量器1300也可由两个独立的扫描机构进行控制。在该实施例中，扫描机构1400与磁控管1200相连以控制磁控管1200以预定轨迹在靶材1100上方移动，且扫描机构1400与靶材厚度测量器1300相连以在磁控管1200停止运行时控制靶材厚度测量器1300在靶材1100上方移动以检测靶材1100的厚度。控制器1500分别与靶材厚度测量器1300和扫描机构1400相连，控制器1500对磁控管1200的预定轨迹进行设定，并根据靶材厚度测量器1300检测的厚度测量信息调整磁控管1200的预定轨迹。由于靶材1100的刻蚀速率受到电场，磁场等综合因素的影响，而靶材1100中的电场空间分布和正负电极的接入位置和腔室结构相关，可控性较差，因此在本发明实施例中通过闭环控制来最大限度的提高靶材的利用率。在本发明实施例中，上述闭环控制是指对根据检测的靶材1100的厚度不断地调整磁控管1200的运动轨迹，从而能够对靶材1100中厚度大的地方进行较多的刻蚀，对靶材1100中厚度小的地方进行较低的刻蚀或者不刻蚀，从而通过不断地反馈和调整就能够保证对靶材1100的均匀刻蚀。

在本发明的一个实施例中，靶材厚度测量器1300可为涡流传感器，当然本领域技术人员还可根据本发明的上述思想选择其他的测量方式对靶材1100的厚度进行检测。涡流传感器能够在非接触的情况下测量金属导体的厚度。在本发明的实施例中，由于涡流传感器工作原理是利用涡流效应来测量磁场的强度，因此很容易受到强磁场的干扰而引起测量误差。因此在本发明的实施例中，磁控管1200为电磁铁，从而可以及时控制磁控管1200的开启或关闭。这样，在本发明的实施例中，在涡流传感器工作时，控制磁控管1200内的电磁铁不通电，因此就不会有强磁场干扰到涡流传感器的工作。

在本发明的一个优选实施例中，磁控管1200的电磁铁的铁芯由硅钢片叠压形成，从而减小由于涡流效应而引起的铁芯温度升高。铁芯外用绝缘导线绕制，当导线上通过电流时，就会在磁芯中感应出磁场。

在本发明的一个实施例中，该磁控源还包括供电电源1600和电源控制器1700。供电电源1600为直流电源用于为磁控管1200中的电磁铁供电。电源控制器1700在控制器1500的控制下调整供电电源1600的输出电压以控制磁控管1200的磁场强度。在本发明的实施例中，通过将电磁铁作为磁控管1200，以代替传统的永磁铁，从而达到控制磁控管的磁场强度的目的，这样就可以在检测到的靶材1100偏厚的区域提高磁场强度，从而进一步提高靶材1100刻蚀的均匀性。例如，在控制器1500检测到靶材偏厚的区域之后，不仅要控制磁控管1200延长在该区域中的运行时间，另外还需要增大磁控管1200在该区域运行时的磁场强度，从而增大对该区域的刻蚀力度。

在本发明的一个实施例中，靶材厚度测量器1300可安装在磁控管1200之上。本发明实施例通过将靶材厚度测量器1300与磁控管1200设置为一体，这样就可以通过一个扫描机构对靶材厚度测量器和磁控管分别进行控制，在磁控管工作时刻停止靶材厚度测量器的工作，而在靶材厚度测量器工作时可停止磁控管的工作。因此，本发明的磁控源结构简单，成本低。

如图3所示，为本发明一个实施例的磁控管的结构图。该磁控管1200为标准的圆形磁控管，但是在本发明的其他实施例中，磁控管1200也可选择其他类型的磁控管，例如肾形磁控管等。如图所示，磁控管1200包括内环架1210、多个内磁极1220、外环架1230和多个外磁极1240。在该实施例中，内环架1210和外环架1230为圆形，但是在其他实施例中也可为方形等其他形状。多个内磁极1220沿周向均匀地设置在内环架1210上。外环架1230与内环架1210同心，多个外磁极1240沿周均匀地向设置在外环架1230上，其中，内磁极1220和外磁极1240均为电磁铁，且内磁极1220和外磁极1240的极性相反。在本发明的一个实施例中，上述内磁极1220和外磁极1240均由供电电源1500进行供电，但内磁极1220和外磁极1240的供电电流相反。其中，靶材厚度测量器1300设置在内环架1210和外环架1230的圆心处。如图4所示，为本发明一个实施例的磁控管的磁极示意图。该磁极包括铁芯1250和绕制在铁芯外的绝缘导线1260，当绝缘导线1260上通过电流时，就会在铁芯1250中感应出磁场。

对于本发明实施例的扫描机构1400可以多种方式进行扫描，只要能保证扫描机构1400能控制磁控管1200和靶材厚度测量器1300能够扫描靶材1100即可。如图5所示，为本发明实施例的扫描机构示意图。该扫描机构1400包括第一导轨1410、机械臂1420、第一驱动器1430、第三导轨1440、第四导轨1450和第二驱动器1460。其中，机械臂1420的上端可移动地设置在第一导轨1410上，其中，磁控管1200和靶材厚度测量器1300设置在机械臂1420的下端。第一驱动器1430用于驱动机械臂1420在第一导轨1410上沿第一方向移动。第三导轨1440和第四导轨1450彼此间隔且平行地设置，其中，第一导轨1410的两端分别可移动地支撑在第三导轨1440和第四导轨1450上。第二驱动器1460用于驱动第一导轨1410在第三导轨1440和第四导轨1450上沿与第一方向正交的第二方向上移动。通过该扫描机构1400就可实现磁控管1200和靶材厚度测量器1300在靶材1100之上任意位置的移动。

下面描述本发明实施例的磁控溅射设备。

根据本发明一个实施例的磁控溅射设备，包括腔室本体、静电卡盘、如上所述的磁控源和隔离部件。其中，腔室本体内限定有腔室，且腔室本体上设有用于对腔室抽真空的抽气口。静电卡盘设置在腔室中用于承载晶片。磁控源的靶材设置在腔室本体之中，且靶材的下表面暴露到腔室内，隔离部件设置在靶材上方以与靶材限定出适于容纳去离子水的密封腔室。通过本发明实施例的磁控溅射设备可实现靶材厚度信息的反馈，并根据靶材厚度信息重新设置磁控管的运动轨迹，从而达到对靶材均匀刻蚀的目的。通过本发明实施例可以使靶材的利用率接近100％。

如图6所示，为本发明实施例磁控溅射方法的流程图，包括以下步骤：

步骤S601，控制磁控管以预定轨迹在靶材上方移动以刻蚀靶材。在本发明的实施例中，由于磁控管会对涡流传感器的工作产生影响，因此在本发明中当磁控管工作时，停止涡流传感器的工作。

步骤S602，在预定时间之后停止磁控管的运行并通过涡流传感器检测靶材的厚度以获得靶材厚度信息。在本发明的实施例中，上述预定时间可以调整，这样就可以定期地对靶材进行扫描，预定时间的长短可根据工艺的类型和时间进行设置。在步骤S601的工艺结束后，关闭给磁控管供电的电源，此时磁场消失，涡流传感器工作，扫描机构带动涡流传感器对与靶材平行的XY平面进行扫描，得到一组厚度(H)基于X，Y轴的离散数据，其中X，Y代表磁控管所在的坐标，由电机控制器给出，H代表靶材的厚度，由涡流传感器给出。

步骤S603，根据获得的所述靶材厚度信息调整磁控管移动的预定轨迹，即对磁控管的运动轨迹进行重新计算以确保下次磁控管运行时对靶材刻蚀的均匀性。在本发明实施例中可在预定时间之后，重新检查靶材的厚度信息，这样可以及时地根据靶材的厚度信息调整磁控管的运动轨迹，从而达到均匀刻蚀的目的。例如，在本发明的一个实施例中，如果检测到靶材的一部分区域的厚度较大，则可在重新计算运动轨迹时，延长磁控管在该区域的运行时间。或者，在本发明的另一个实施例中，还可以同时增大磁控管在该区域的运行时的磁场强度，从而进一步地提高靶材的利用率。例如，在本发明的一个实施例中，可设磁控管在通过各点(X_i，Y_j)均做短暂的停留，在各点的停留时间由以下公式决定，其中λ为比例系数从该式可以得出，当靶材厚度越厚时，在该点的停留时间就越长，停留时间与靶材的厚度成正比关系。

$T(X_n,Y_m)=\mathrm{\λ}\left[\begin{array}{cccc}{H}_{11}& H_{12}& ...& H_{1n}\\ H_{21}& H_{22}& ...& H_{2n}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ H_{n1}& H_{n2}& ...& H_{\mathrm{nn}}\end{array}\right]$

本发明实施例通过靶材厚度测量器对靶材进行厚度检测，从而根据靶材厚度检测结果及时地调整磁控管的运行轨迹，以达到提高靶材利用率和金属离化率的目的。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (16)

1.一种磁控源，其特征在于，包括：

靶材；

磁控管，所述磁控管位于所述靶材上方；

靶材厚度测量器，所述靶材厚度测量器用于检测所述靶材的厚度；

扫描机构，所述扫描机构与所述磁控管相连以控制所述磁控管以预定轨迹在所述靶材上方移动，且所述扫描机构与所述靶材厚度测量器相连以在所述磁控管停止运行时控制所述靶材厚度测量器在所述靶材上方移动以检测所述靶材的厚度；和

控制器，所述控制器分别与所述靶材厚度测量器和所述扫描机构相连，所述控制器对所述磁控管的预定轨迹进行设定，并根据所述靶材厚度测量器检测的厚度测量信息调整所述磁控管的预定轨迹。

2.根据权利要求1所述的磁控源，其特征在于，所述靶材厚度测量器安装在所述磁控管上。

3.根据权利要求2所述的磁控源，其特征在于，所述靶材厚度测量器安装在磁控管的中心位置。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的磁控源，其特征在于，所述靶材厚度测量器为涡流传感器。

5.根据权利要求1所述的磁控源，其特征在于，所述磁控管为电磁铁。

6.根据权利要求5所述的磁控源，其特征在于，还包括：

供电电源，所述供电电源为所述磁控管供电；

电源控制器，所述电源控制器与供电电源相连，所述电源控制器在所述控制器的控制下调整所述供电电源的输出电压以控制所述磁控管的磁场强度。

7.根据权利要求5所述的磁控源，其特征在于，所述电磁铁的铁芯由硅钢片叠压形成。

8.根据权利要求1所述的磁控源，其特征在于，所述磁控管包括：

内环架；

多个内磁极，所述多个内磁极沿周向均匀地设置在所述内环架上；

外环架，所述外环架与所述内环架同心；和

多个外磁极，所述多个外磁极沿周均匀地向设置在所述外环架上，

其中，所述内磁极和所述外磁极均为电磁铁，且所述内磁极和所述外磁极的极性相反。

9.根据权利要求8所述的磁控源，其特征在于，所述内环架和所述外环架为圆形，所述靶材厚度测量器设置在所述内环架和所述外环架的圆心处。

10.根据权利要求8所述的磁控源，其特征在于，

所述扫描机构包括：

第一导轨；

机械臂，所述机械臂的上端可移动地设置在所述第一导轨上，其中，所述磁控管和所述靶材厚度测量器设置在所述机械臂的下端；

第一驱动器，所述第一驱动器用于驱动所述机械臂在所述第一导轨上沿第一方向移动；

第三导轨和第四导轨，所述第三导轨和第四导轨彼此间隔且平行地设置，其中，所述第一导轨的两端分别可移动地支撑在所述第三导轨和第四导轨上；和

第二驱动器，所述第二驱动器用于驱动所述第一导轨在所述第三导轨和第四导轨上沿与第一方向正交的第二方向上移动。

11.一种磁控溅射设备，其特征在于，包括：

腔室本体，所述腔室本体内限定有腔室，且所述腔室本体上设有用于对所述腔室抽真空的抽气口；

静电卡盘，所述静电卡盘设置在所述腔室中用于承载晶片；

磁控源，所述磁控源为根据权利要求1-10中任一项所述的磁控源；和

隔离部件；

其中，所述磁控源的靶材设置在所述腔室本体中，且所述靶材的下表面暴露到所述腔室内，所述隔离部件设置在靶材上方以与所述靶材限定出适于容纳去离子水的密封腔室。

12.一种磁控溅射方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制磁控管以预定轨迹在靶材上方移动以刻蚀所述靶材；

在预定时间之后停止所述磁控管的运行，并检测所述靶材的厚度以获得靶材厚度信息；和

根据获得的所述靶材厚度信息调整所述磁控管移动的预定轨迹。

13.根据权利要求12所述的磁控溅射方法，其特征在于，通过控制涡流传感器在所述靶材之上运动以检测所述靶材的厚度。

14.根据权利要求13所述的磁控溅射方法，其特征在于，其中，所述涡流传感器安装在所述磁控管上。

15.根据权利要求14所述的磁控溅射方法，其特征在于，所述磁控管为电磁铁。

16.根据权利要求15所述的磁控溅射方法，其特征在于，还包括：

根据获得的所述靶材厚度信息控制为所述磁控管供电的供电电源的输出电压。

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