CN102534527A - 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应用该磁控溅射源的磁控溅射设备。其中，磁控溅射源包括磁控管及用于驱动该磁控管进行旋转的驱动装置，所述磁控管包括至少一个磁体组，磁体组在驱动装置的驱动作用下进行自转的同时围绕靶材中心进行周向旋转，用以对靶材表面进行均匀的磁场扫描，从而有效提高靶材的利用率。本发明提供的磁控溅射设备借助上述磁控溅射源同样能够对靶材表面进行均匀的磁场扫描，并有效提高靶材的利用率。

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

在微电子产品行业，磁控溅射技术作为生产集成电路、液晶显示器、薄膜太阳能电池及LED等产品的重要手段之一，受到广大厂商的高度重视。所谓溅射是指荷能粒子(例如氩离子)轰击固体表面，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。

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、静电卡盘3、靶材2、磁控管4、磁控管驱动电机5以及抽气装置13。在工艺过程中，利用静电卡盘3固定基片，之后向工艺腔室1内通入用于工艺气体(例如，氩气等)并激发为等离子体形态，在腔室电场和磁场的共同作用下，上述等离子体中的部分电子和离子对靶材2表面进行轰击，从而将部分靶材2原子脱落并沉积在基片表面而形成所需膜层。

在上述工艺中，靶材作为形成金属薄膜的原材料将被不断消耗，而且，当靶材上的任一位置被用尽后就需要立即更换，剩余的靶材材料即被作废。由于磁控溅射设备对靶材材料的纯度通常要求达到5N(99.999％)级别以上，从而使靶材的价格非常昂贵；因此，提高靶材的利用率是有效降低生产成本的重要手段之一，也是广大厂商急于解决的重要问题之一。为此，技术人员设计出一种磁控管装置，用以在靶材溅射过程中提供适当的磁场。

请参阅图2，为一种常见的磁控管的结构示意图。该磁控管包括一个封闭环状的内磁极组206和一个环绕在内磁极组外围的外磁极组205，二者之间具有一定的间距且磁极方向相反，从而在靶材表面形成封闭的磁场。在磁控溅射工艺中，使该磁控管在靶材平面201范围内绕中心轴210进行旋转，从而使磁控管所形成的磁场对靶材表面进行扫描，以使尽可能多的靶材区域被有效溅射，从而提高靶材利用率。

然而，上述磁控管所形成的磁场分布与靶材平行或接近于平行，因而既使旋转磁控管也无法使其磁场对整个靶材表面一特别是靶材中心区域一进行有效覆盖；而且，上述磁控管所形成的磁场在沿靶材径向方向的分布并不均匀。因此，在应用上述结构的磁控管进行磁控溅射工艺时，存在对靶材中心区域的溅射速率低的问题，因而无法对所有靶材区域进行有效溅射，最终将影响靶材的有效利用率。

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的利用率。

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的利用率。

为此，本发明提供一种磁控溅射源，包括磁控管及用于驱动该磁控管进行旋转的驱动装置，用以对靶材表面进行均匀的磁场扫描。其中，上述磁控管包括至少一个磁体组，该磁体组在驱动装置的驱动作用下进行自转的同时围绕靶材中心进行周向旋转。

其中，靶材为圆形，磁体组自转时的旋转直径与靶材的半径大致相等；并且，磁体组的自转中心位于靶材半径的大致中点位置。

其中，各个磁体组的自转中心相对于靶材中心的位置固定。优选地，磁体组进行自转及围绕靶材中心所进行的周向旋转运动均为匀速旋转运动。

其中，各个磁体组的自转相互同步或独立。

其中，磁体组中包括至少一个内磁体和环绕内磁体的多个外磁体，内磁体与外磁体的极性方向相反。其中，磁体组中的至少一个内磁体被设置于磁体组的自转中心位置。

其中，驱动装置包括齿轮传动机构、涡轮/蜗杆传动机构、传动带传动机构。

其中，磁控管中包括2个磁体组。

此外，本发明还提供一种磁控溅射设备，包括工艺腔室及靶材，在靶材的上方设置有上述本发明所提供的磁控溅射源，用以对靶材表面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该磁控管进行旋转的驱动装置。其中，上述磁控管中包括至少一个磁体组，该磁体组在驱动装置的驱动下进行自转，同时围绕靶材中心进行公转。因此，本发明提供的磁控溅射源所形成的磁场轨迹能够对靶材平面的各个区域进行有效覆盖，并且磁控管所形成的磁场在沿靶材径向方向上进行均匀分布，从而在溅射工艺中能够使靶材中心及边缘区域的溅射速率趋于一致，进而使靶材上的所有区域均能被有效利用，最终提高靶材的利用率。

附图说明

图1为一种常用的磁控溅射设备的结构示意图；

图2为一种常见的磁控管的结构示意图；

图3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4为本发明提供的磁控溅射源中的一种驱动装置的结构示意图；以及

图5为本发明提供的磁控溅射源另一个具体实施例的结构示意图。

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该磁控管进行旋转的驱动装置，用以对靶材表面进行均匀的磁场扫描。其中，磁控管包括至少一个磁体组，磁体组在驱动装置的驱动作用下发生自转并围绕靶材中心进行周向旋转。这里，所述周向是指靶材的圆周方向。在实际应用中，较为常用的磁体组数量为2个并相对于靶材中心对称，以确保旋转的平稳性，但本领域技术人员还可根据实际需要对磁体组的数量进行增/减。

为了使上述磁控管所采生的磁场能够对靶材平面进行全面覆盖，优选地，使磁体组自转时的旋转直径与靶材的半径大致相等，并使磁体组的自转中心位于靶材半径的大致中点位置。上述磁体组的旋转直径是指磁体组绕其自转中心进行旋转时，由自磁体组上距离其自转中心最远的点的旋转轨迹的直径；而上述“大致相等”及“大致中点位置”是指在实际加工及安装过程中难免会出现一些细微的加工及安装误差，而只要不影响设备整体的运行稳定性及磁体组的整体旋转区域击可。下面以具有2个磁体组的磁控管为例，说明磁体组与靶材的位置关系，具体为：将靶材平面上的任意一条直径平均分为4段，共有3个分界点；其中，一个分界点为靶材平面的中心点，另外两个点即可作为上述两个磁体组的自转中心而将磁体组进行定位并安装。此时，各个磁体组的自转中心相对于靶材中心的位置即被固定。这样，当磁控管围绕上述靶材中心进行周向旋转时，借助上述两个磁体组所产生的磁场即可对整个靶材平面进行有效扫描及覆盖；同时，使两个磁体组绕各自的旋转中心进行自转以实现对靶材平面上的各个区域的均匀扫描，从而使靶材各个区域均能被有效溅射，进而提高靶材的利用率。

请参阅图3，为本发明提供的磁控溅射源第一种具体实施例的结构示意图。如图所示，该磁控管包括两个磁体组，分别为第一磁体组320和第二磁体组330。上述第一磁体组320和第二磁体组330被设置于圆形的靶材301平面上，并且两个磁体组相对于靶材301的中心302对称。在工艺过程中，上述两个磁体组在驱动装置的驱动下可围绕上述靶材中心302进行旋转，同时第一磁体组320和第二磁体组330分别绕自身的旋转中心321、331进行自转。

其中，每一个磁体组均包括一个内磁体和环绕该内磁体的多个外磁体，且同一个磁体组中的内磁体与外磁体的极性方向相反。本实施例中，第一磁体组320的内磁体的N极朝向靶材平面而该磁体组320的多个外磁体均被设置为S极朝向靶材平面，从而使同一个磁体组中的内、外磁体之间形成完整的磁场回路，用以对靶材平面进行扫描；此外，本实施例中第二磁体组330的内、外磁体的极性方向刚好与上述第一磁体组320相反，这样能够使两个磁体组的磁场在对靶材进行扫描时形成相互补充，以使靶材得到更加均匀的溅射结果。当然，技术人员也可以根据需要而将上述两个磁体组的内、外磁体的极性方向设置为相同的形式。另外，由于本实施例中，磁体组中的内磁体数量均为一个，所以可以将该内磁体设置于磁体组的自转中心位置。容易理解的是，还可以在同一个磁体组中设置多个内磁体，而当同一磁体组中具有多个内磁体时，则可以使上述多个内磁体均匀地围绕在该磁体组的自转中心位置。

在一个优选实施例中，可以使上述磁体组进行自转及围绕靶材中心的周向旋转运动均为匀速旋转运动。其中，可以使各个磁体组的自转运动彼此同步，即：各个磁体组的自转方向及自转的角速度均相同；也可以使各个磁体组的匀速自转运动相互独立且互不影响，具体为，使各个磁体组的自转方向相同或相反，和/或使各个磁体组自转的角速度相等或不等。当然，也可以使各个磁体组以非匀速状态进行自转和/或围绕靶材中心进行周向旋转。

上述实施例中，对各个磁体组的自转及围绕靶材中心所进行的周向旋转运动均是借助驱动装置而实现的。该驱动装置可以是本领域技术人员所熟知的各种驱动及传动结构，例如可以通过齿轮传动机构、涡轮/蜗杆传动机构、传动带传动机构等机械结构而将电动机(例如，伺服电机、步进电机等)的旋转运动传递给各个磁体组，此处不予一一赘述。下面以图4所示磁控溅射源而对驱动装置的结构加以说明。

请参阅图4，本发明提供的磁控溅射源中的一种驱动装置的结构示意图。其中，磁控管包括第一磁体组420和第二磁体组430，上述两个磁体组的自转中心421、431分别与连杆机构440的两端相连接，并且该连杆机构440的中点位置位于靶材401的中心402位置处；在靶材中心402处还设置有定齿轮450，该定齿轮450不随磁控管的旋转而旋转；连杆机构440的中心与伺服电机(图中未显示)相连以借助该伺服电机进行旋转运动，同时在连杆机构440的两端还设置有与上述定齿轮450相啮合的动齿轮470、480；上述动齿轮470、480分别与上述两个磁体组固定连接。该驱动装置的工作过程为，连杆机构440在伺服电机的带动下围绕靶材中心402及定齿轮450作匀速圆周转动，磁体组420、430随该连杆机构440同步转动，同时，动齿轮460、470在定齿轮450啮合作用下带动两个磁体组进行匀速自转运动，从而实现了对两个磁体组的同步驱动。

请参阅图5，为本发明提供的磁控溅射源另一个具体实施例的结构示意图。本实施例与上述第一种具体实施例的区别仅在于，磁体组中的磁体排列结构不同。具体为，本实施例中，磁控管包括第一磁体组520和第二磁体组530，其中第二磁体组530中设置有3个内磁体，该3个内磁体均匀环绕在第二磁体组的自转中心531的周围。相对于第一种实施例而言，本实施例中的两个磁体组的磁场扫描区域之间能够形成更为有效的彼此补充，从而获得更好的靶材利用率。

需要指出的是，虽然上述各个实施例中，磁体组的形状均为三角形，但本发明并不局限于此，技术人员可以根据实际应用时的具体情况对磁体组的形状进行多种变形和改进，并且凡是基于本发明精神和实质所作出的变形和改进均应视为本发明的保护范围。

综上所述，本发明提供的磁控溅射源，使构成磁控管的磁体组在围绕靶材中心进行圆周旋转的同时绕各自的自转中心进行自转，从而使各个磁体组所形成的磁场能够最大限度且均匀地扫过整个靶材表面，从而使靶材各个区域(尤其是靶材中心和边缘区域)的溅射速率趋于均匀，进而有效提高靶材的利用率。

作为另一种技术方案，本发明还提供一种磁控溅射设备，其至少包括工艺腔室及靶材，在上述靶材的上方设置有上述本发明所提供的磁控溅射源，用以在磁控溅射工艺中对靶材表面进行均匀且全面的磁场扫描，从而有效提高靶材的利用率。

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，可以做出各种变形和改进，这些变形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该磁控管进行旋转的驱动装置，用以对靶材表面进行均匀的磁场扫描，其特征在于，所述磁控管包括至少一个磁体组，所述磁体组在所述驱动装置的驱动作用下进行自转的同时围绕所述靶材中心进行周向旋转。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于，所述靶材为圆形，所述磁体组自转时的旋转直径与所述靶材的半径大致相等；并且，所述磁体组的自转中心位于所述靶材半径的大致中点位置。

3.根据权利要求2所述的磁控溅射源，其特征在于，各个所述磁体组的自转中心相对于所述靶材中心的位置固定。

4.根据权利要求3所述的磁控溅射源，其特征在于，所述磁体组进行自转及围绕所述靶材中心所进行的周向旋转运动均为匀速旋转运动。

5.根据权利要求4所述的磁控溅射源，其特征在于，各个所述磁体组的自转相互同步或独立。

6.根据权利要求2所述的磁控溅射源，其特征在于，所述磁体组中包括至少一个内磁体和环绕所述内磁体的多个外磁体，所述内磁体与所述外磁体的极性方向相反。

7.根据权利要求6所述的磁控溅射源，其特征在于，所述磁体组中的至少一个内磁体被设置于所述磁体组的自转中心位置。

8.根据权利要求2所述的磁控溅射源，其特征在于，所述驱动装置包括齿轮传动机构、涡轮/蜗杆传动机构、传动带传动机构。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的磁控溅射源，其特征在于，所述磁控管中包括2个磁体组。

10.一种磁控溅射设备，包括工艺腔室及靶材，其特征在于，在所述靶材的上方设置有权利要求1-9中任意一项所述的磁控溅射源，用以对靶材表面进行均匀且全面的磁场扫描。

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