CN102938358B - 磁控管、溅射腔室装置和溅射设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控管，包括：具有第一磁极性的外磁极；设在外磁极的内部的内磁极，所述内磁极具有与第一磁极性相反的第二磁极性，内磁极与外磁极之间的间隙限定出一条连续闭合的轨道，内磁极包括第一和第二内磁极段，第一和第二内磁极段均为渐开线形状，第一和第二内磁极段绕同一基圆沿相反方向展开且第一和第二内磁极的内端相连，其中外磁极和内磁极中的每一个均相对于基圆的圆心中心对称。根据本发明实施例的磁控管，使得安装磁控管后的靶材无需配重，机械转动稳定。本发明还提供了一种具有上述磁控管的溅射腔室装置和溅射设备。

Description

磁控管、溅射腔室装置和溅射设备

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，尤其是涉及一种磁控管、具有该磁控管的溅射腔室装置和溅射设备。

背景技术

在集成电路制造过程中，磁控溅射技术(PVD)被广泛应用于金属层及金属氮化物层的沉积。

典型的直流磁控溅射设备如图6所示，该设备具有圆环型反应腔体1’。真空泵系统2’可对反应腔体进行抽气而达到约10-8Torr的背底真空度。通过流量计3’连接到腔体的气体源4’可供给溅射工艺气体(如氩气、氮气等)。5’为承载晶片的静电卡盘。6’为靶材，其被密封在真空腔体上。7’为一种绝缘材料(例如G10)，该材料和靶材6’中间充满了去离子水8’。溅射时DC电源会施加偏压至靶材6’，使其相对于接地的腔体成为负压，以致氩气放电而产生等离子体，将带正电的氩离子吸引至负偏压的靶材6’。当氩离子的能量足够高时，会使金属原子逸出靶材表面并沉积在晶片上。

为了获得更大的等离子体密度、沉积速率，通常在靶材背部使用磁控管9’，其包括具有相反极性的内外磁极。在靶材6’的表面内磁极以及外磁极之间分布的磁场可以束缚等离子中的电子按照一定的轨道运动，从而增加了电子的运动时间，提高了电子和其他气体分子的碰撞的机会，得到高密度的等离子体区10’，可大幅度的提高溅射沉积速率。如果该磁控管为非平衡的磁控管(即外磁极的总磁场强度远大于内磁极的总磁场强度，如大于两倍或两倍以上)，则非平衡磁场会从靶材6’朝向晶片11’投射而使等离子体扩展，并将溅射出来的离子导向晶片，同时减小等离子体扩展至侧壁。马达12’会驱动固定磁极的不锈钢平板沿中央轴转动，这样可在各个角度上产生时间均化磁场，以达到更均匀的靶材溅射型态。因此磁控管所控的电子的轨道不仅会影响不同位置的靶材的侵蚀速率，影响靶材的寿命，而且还会影响薄膜的沉积的均匀性。

传统的磁控管的形状如图7所示，具有沿中心旋转的不对称性且旋转中心为图中所示14位置，通孔168的位置遵循L＝arⁿ,以产生累积的路径长度分布，柱状的磁铁固定在通孔168内。其腐蚀曲线如图8所示，在132、134、136、138有四个相对较深的靶材刻蚀，而且在136处靶材刻蚀过深且刻蚀的靶材区域过大，这样使得靶材的利用率较低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种磁控管，所述磁控管的靶材利用率高。

本发明的另一个目的在于提出一种具有所述磁控管的溅射腔室装置。

本发明的再一个目的在于提出一种具有上述溅射腔室装置的溅射设备。

根据本发明第一方面实施例的一种磁控管，包括：外磁极，所述外磁极具有第一磁极性；内磁极，所述内磁极具有与所述第一磁极性相反的第二磁极性，所述内磁极设在所述外磁极的内部，所述内磁极与所述外磁极之间的间隙限定出一条连续闭合的轨道，所述内磁极包括第一和第二内磁极段，所述第一和第二内磁极段均为渐开线形状，所述第一和第二内磁极段绕同一基圆沿相反方向展开且所述第一和第二内磁极的内端相连，其中所述外磁极和所述内磁极中的每一个均相对于所述基圆的圆心中心对称。

根据本发明实施例的磁控管，通过将内磁极设计为由两条以同一基圆为中心、按相反方向展开的中心对称双渐开线组成，且整个磁控管中心对称，使得安装磁控管后的靶材无需配重，机械转动稳定。另外，根据本发明实施例的磁控管，可根据工艺需求，通过调节磁铁密度分布和渐开线的长度来改善磁控管的实际使用效果。

另外，根据本发明的磁控管还具有如下附加技术特征：

所述间隙的宽度恒定。

可选地，所述间隙的宽度为1英寸。

所述内磁极和所述外磁极的宽度相同。

可选地，所述基圆的半径为25毫米。

根据本发明第二方面实施例的一种溅射腔室装置，包括：腔室本体，所述腔室本体内限定有腔室，所述腔室本体的上端敞开；靶材，所述靶材设在所述腔室本体的上端以便所述靶材的下表面暴露到所述腔室内；磁控管，所述磁控管设在所述靶材上方，其中所述磁控管是根据本发明第一方面实施例所述的磁控管；和驱动机构，所述驱动机构与所述磁控管相连以驱动所述磁控管在所述靶材上方旋转。

根据本发明第三方面实施例的一种溅射设备，包括根据本发明第二方面实施例的溅射腔室装置。

根据本发明实施例的溅射腔室装置和具有它的溅射设备，由于具有根据本发明第一方面实施例所述的磁控管，因此安装磁控管后的靶材无需配重，机械转动稳定。另外，可根据工艺需求，通过调节磁铁密度分布和渐开线的长度来改善磁控管的实际使用效果，提高靶材的利用率。

本发明的附加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

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明所依据的原理的示意图；

图2是根据本发明实施例的磁控管的示意图；

图3是图2中所示的磁控管的外磁极的示意图；

图4是图2中所示的磁控管的内磁极的示意图；

图5是根据本发明实施例的磁控管的腐蚀曲线图；

图6是传统磁控溅射设备的示意图；

图7是传统的磁控管的示意图；和

图8是图7中所示的磁控管的腐蚀曲线图。

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，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面先参考图1描述本发明实施例的磁控管的设计原理。

本发明基于渐开线理论模型。如图1所示，在平面上，一条动直线(发生线)沿着一个固定的圆(基圆)作纯滚动时，此动直线上一点的轨迹就是渐开线。

渐开线方程为：

(1)x＝r×cos(θ+α)+(θ+α)×r×sin(θ+α)；

(2)y＝r×sin(θ+α)-(θ+α)×r×cos(θ+α)；

式中，r为基圆半径；θ为展角，其单位为弧度。

展角θ和压力角α之间的关系称为渐开线函数：

θ＝inv(α)＝tan(α)-α；

式中，inv为渐开线involute的缩写。

渐开线的形状仅取决于基圆的大小，基圆越小，渐开线越弯曲；基圆越大，渐开线越平直；基圆为无穷大时，渐开线为斜直线。

下面参考图2-图4描述根据本发明第一方面实施例的磁控管100，在磁控溅射工艺中磁控管100可设在靶材背部。

如图2和图3所示，根据本发明实施例的磁控管包括外磁极1和内磁极2。其中，外磁极1具有第一磁极性。内磁极2具有与第一磁极性相反的第二磁极性。

内磁极2设在外磁极1的内部，内磁极2与外磁极1之间的间隙限定出一条连续闭合的轨道3。由此在靶材的表面上内磁极2以及外磁极1之间分布的磁场可束缚等离子中的电子按照轨道3运动，从而增加了电子的运动时间，提高了电子和其他气体分子的碰撞的机会，得到高密度的等离子体区，可大幅度的提高溅射沉积速率。

如图4所示，内磁极2包括第一内磁极段21和第二内磁极段22，第一内磁极段21和第二内磁极段22均为渐开线形状，第一内磁极段21和第二内磁极段22绕同一基圆沿相反方向展开且第一内磁极段21和第二内磁极段22的内端相连，其中外磁极1和内磁极2中的每一个均相对于基圆的圆心4对称。

根据本发明实施例的磁控管，通过将内磁极设计为由两条以同一基圆为中心、按相反方向展开的中心对称双渐开线组成，且整个磁控管中心对称，使得安装磁控管后的靶材无需配重，机械转动稳定。另外，根据本发明实施例的磁控管，可根据工艺需求，通过调节磁铁密度分布和渐开线的长度来改善磁控管的实际使用效果。

如图2所示，内磁极2与外磁极1之间的间隙的宽度恒定，即连续闭合的轨道3的宽度恒定。在本发明的一个示例中，间隙的宽度为1英寸。内磁极2与外磁极1之间的间隙的宽度恒定，磁控管的制造方便，提高刻蚀效果。当然，可以理解的是，内磁极2与外磁极1之间的间隙的宽度也可以变化。

可选地，内磁极2和外磁极1的宽度相同。由此，可以更加方便地制造磁控管，并且提高靶材的利用率。可以理解的是，内磁极2与外磁极1宽度也可以不相同。

在本发明的一个实施例中，基圆的半径为25毫米。

根据本发明实施例的磁控管，提高了靶材利用率，降低了磁控溅射工艺的成本。如图5所示的是根据本发明实施例的磁控管用于靶材时经模拟得到的靶材腐蚀曲线，得到结论：靶材利用率约为69.02％。

下面描述根据本发明第二方面实施例的溅射腔室装置，根据本发明实施例的溅射腔室装置包括：腔室本体、靶材、磁控管100和驱动机构。其中，腔室本体内限定有腔室，腔室本体的上端敞开；靶材设在腔室本体的上端以便靶材的下表面暴露到腔室内。磁控管设在靶材上方，其中磁控管可以是根据本发明第一方面上述实施例的磁控管。驱动机构与磁控管相连以驱动磁控管在靶材上方旋转。

根据本发明实施例的溅射腔室装置的其他构成和操作可以是已知的，例如，与图6所示的传统溅射设备的溅射腔室装置的构成相同，这里不再详细描述。

根据本发明第三方面实施例的溅射设备包括根据本发明第二方面实施例的溅射腔室装置。

根据本发明实施例的溅射设备中的其他构成例如真空泵系统和驱动系统等以及操作可以是已知的，例如，与图6所示的传统溅射设备的构成相同，这里不再详细描述。

根据本发明实施例的溅射腔室装置和具有它的溅射设备，由于具有根据上述实施例描述的磁控管，因此安装磁控管后的靶材无需配重，机械转动稳定。另外，可根据工艺需求，通过调节磁铁密度分布和渐开线的长度来改善磁控管的实际使用效果，提高靶材的利用率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种磁控管，其特征在于，包括：

外磁极，所述外磁极具有第一磁极性；

内磁极，所述内磁极具有与所述第一磁极性相反的第二磁极性，所述内磁极设在所述外磁极的内部，所述内磁极与所述外磁极之间的间隙限定出一条连续闭合的轨道，所述内磁极包括第一和第二内磁极段，所述第一和第二内磁极段均为渐开线形状，所述第一和第二内磁极段绕同一基圆沿相反方向展开且所述第一和第二内磁极的内端相连，其中所述外磁极和所述内磁极中的每一个均相对于所述基圆的圆心中心对称。

2.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，所述间隙的宽度恒定。

3.根据权利要求2所述的磁控管，其特征在于，所述间隙的宽度为1英寸。

4.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，所述内磁极和所述外磁极的宽度相同。

5.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，所述基圆的半径为25毫米。

6.一种溅射腔室装置，其特征在于，包括：

腔室本体，所述腔室本体内限定有腔室，所述腔室本体的上端敞开；

靶材，所述靶材设在所述腔室本体的上端以便所述靶材的下表面暴露到所述腔室内；

磁控管，所述磁控管设在所述靶材上方，其中所述磁控管是根据权利要求1-5中任一项所述的磁控管；和

驱动机构，所述驱动机构与所述磁控管相连以驱动所述磁控管在所述靶材上方旋转。

7.一种溅射设备，其特征在于，包括根据权利要求6所述的溅射腔室装置。