CN102994966B - 扫描机构、磁控源和磁控溅射设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控源的扫描机构、磁控源和磁控溅射设备。磁控源的扫描机构包括：驱动轴，所述驱动轴上设有第一齿轮；曲柄，所述曲柄的第一端与所述驱动轴相连以由所述驱动轴驱动旋转；第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合；传动部件，所述传动部件具有第三齿轮，所述第三齿轮与所述第二齿轮啮合；和摇杆，所述摇杆的第一端与所述曲柄的第二端可枢转地相连，在所述摇杆的第一端与所述摇杆的第二端之间的位置所述摇杆还与所述传动部件可相对滑动地相连以便所述摇杆同时由所述曲柄和所述传动部件驱动。根据本发明实施例的磁控源的扫描机构可以提高靶材的利用率和靶材刻蚀的均匀性。

Description

扫描机构、磁控源和磁控溅射设备

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种扫描机构、磁控源和磁控溅射设备。

背景技术

磁控溅射，又称为物理气相沉积，是集成电路制造过程中沉积金属层和相关材料广泛采用的方法。

现有的磁控溅射设备中，在腔室本体内部限定有高真空工艺腔，被溅射的靶材设置在腔室本体的顶部，上盖设置在靶材上面，隔离件和靶材中间充满了去离子水，承载晶片的静电卡盘设置在高真空工艺腔内，抽气腔与高真空工艺腔的下部连通。

对于自离子化等离子体(SIP)溅射而言，磁控管较小，是一种嵌套式结构，其内轨道由一个或多个磁铁被外轨道相反极性的磁铁包围而成。磁场束缚电子，限制电子的运动范围，并延长电子的运动轨迹，使电子最大幅度的离化原子形成离子，离子浓度大幅提高，在邻近磁控管的腔室内形成高密度等离子体区域。为了达到均匀溅射的目的，磁控管在驱动机构的驱动下沿靶材的中心扫过固定的轨迹。

然而，现有技术中的驱动机构在驱动磁控管扫描靶材时，靶材的中心附近和外周缘附近的利用率均较低，此外靶材利用率约为53％，因此靶材的利用率有待提高。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种可以提高靶材的利用率和靶材刻蚀的均匀性的磁控源的扫描机构。

本发明的另一个目的在于提出一种可以提高溅射均匀性的磁控源。

本发明的再一个目的在于提出一种可以提高溅射均匀性的磁控溅射设备。

为了实现上述目的，根据本发明第一方面的实施例提出一种磁控源的扫描机构，所述磁控源的扫描机构包括：驱动轴，所述驱动轴上设有第一齿轮；曲柄，所述曲柄的第一端与所述驱动轴相连以由所述驱动轴驱动旋转；第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合；传动部件，所述传动部件具有第三齿轮，所述第三齿轮与所述第二齿轮啮合；和摇杆，所述摇杆的第一端与所述曲柄的第二端可枢转地相连，所述摇杆与所述传动部件可相对滑动地相连以便所述摇杆同时由所述曲柄和所述传动部件驱动。

根据本发明实施例的磁控源的扫描机构与磁控源的磁控管相连以控制所述磁控管在靶材上方移动(所述磁控管与所述扫描机构的所述摇杆的第二端相连)以对所述靶材进行扫描。所述磁控源在进行靶材扫描时，所述扫描机构

通过设置所述第一齿轮、所述第二齿轮和所述第三齿轮来带动所述摇杆和所述磁控管转动，还通过设置所述曲柄和所述摇杆来带动所述磁控管往复移动，由此对靶材进行刻蚀。综上可知，所述磁控管的运动是转动和往复移动这两种运动的叠加。根据本发明实施例的磁控源的扫描机构可以使所述磁控管的运动轨迹均匀地分布在整个靶材上，从而提高了靶材的利用率和靶材刻蚀的均匀性。

另外，根据本发明实施例的磁控源的扫描机构可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述第一齿轮和第二齿轮为圆柱形外齿轮，所述第三齿轮为圆环形的内齿轮，所述传动部件还包括滑套，所述滑套可枢转地安装在所述第三齿轮的侧面上，所述摇杆可滑动地穿过所述滑套。

根据本发明的一个实施例，所述驱动轴与驱动机构相连。

根据本发明的一个实施例，所述驱动机构为电机。

根据本发明的一个实施例，所述第一至第三齿轮均为锥齿轮，所述传动部件还包括传动筒和传动套，所述传动筒的下端敞开，所述传动套的上端和下端分别与所述第三齿轮和所述传动筒相连，所述第一齿轮安装在所述驱动轴的第一端，所述驱动轴的第二端穿过所述传动套伸入到所述传动筒内，所述曲柄的第一端与所述驱动轴的第二端相连，所述摇杆可滑动地穿过所述传动筒的侧壁，所述摇杆的第一端和所述曲柄的第二端分别与连杆的两端可枢转地连接。

根据本发明的一个实施例，所述传动筒和传动套一体地形成。

根据本发明第二方面的实施例提出一种磁控源，所述磁控源包括：靶材；磁控管，所述磁控管位于所述靶材上方；和扫描机构，所述扫描机构为根据本发明第一方面所述的扫描机构，其中所述扫描机构与所述磁控管相连以控制所述磁控管在所述靶材上方移动，其中所述磁控管与所述扫描机构的所述摇杆的第二端相连。

根据本发明实施例的磁控源通过利用上述的扫描机构来控制所述磁控管在所述靶材上方移动，从而可以提高所述靶材的利用率和所述靶材的刻蚀的均匀性。因此利用根据本发明实施例的磁控源进行溅射可以提高溅射的均匀性。

根据本发明第三方面的实施例提出一种磁控溅射设备，所述磁控溅射设备包括：腔室本体，所述腔室本体内限定有腔室；和磁控源，所述磁控源为根据本发明第二方面所述的磁控源，其中所述磁控源的靶材设在所述腔室本体的上端且所述靶材的下表面暴露到所述腔室内。

根据本发明实施例的磁控溅射设备可以提高溅射的均匀性。

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是根据本发明的一个实施例的磁控源的扫描机构的结构示意图；

图2是根据本发明的另一个实施例的磁控源的扫描机构的结构示意图；

图3是根据本发明的另一个实施例的磁控源的扫描机构的仰视图；和

图4是根据本发明实施例的磁控源的磁控管的中心的运动轨迹曲线图。

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”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；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。

下面参考图1-3描述根据本发明实施例的磁控源及其扫描机构。

如图1-3所示，根据本发明实施例的磁控源包括靶材、磁控管800和扫描机构。

磁控管800位于靶材上方。

其中，所述扫描机构包括驱动轴100、曲柄300、第二齿轮400、传动部件和摇杆600。具体而言，驱动轴100上设有第一齿轮200，曲柄300的第一端与驱动轴100相连以由驱动轴100驱动旋转，第二齿轮400与第一齿轮200啮合。所述传动部件具有第三齿轮510，第三齿轮510与第二齿轮400啮合。摇杆600的第一端与曲柄300的第二端可枢转地相连，摇杆600与所述传动部件可相对滑动地相连以便摇杆600同时由曲柄300和所述传动部件驱动，更具体地，摇杆600在其第一端与第二端之间的部位与所述传动部件可相对滑动地相连。

所述扫描机构与磁控管800相连以控制磁控管8在所述靶材上方移动，且磁控管800与所述扫描机构的摇杆600的第二端相连，例如磁控管800与所述扫描机构的摇杆600的第二端可以铰接。

下面描述根据本发明上述实施例的磁控源在进行靶材扫描时的工作原理，并在此基础+上分析靶材的刻蚀效果。

根据本发明上述实施例的磁控源在进行靶材扫描时，所述扫描机构通过设置第一齿轮200、第二齿轮400和第三齿轮510来带动摇杆600和磁控管800转动，还通过设置曲柄300和摇杆600来带动磁控管800往复移动，由此对靶材进行刻蚀。综上可知，磁控管800的运动是转动和往复移动这两种运动的叠加。

假设第一齿轮200的角速度为ω₁、第一齿轮200的半径为r₁、第二齿轮400的半径为r₂、第三齿轮510的半径为r₃、曲柄300的长度为L₁、摇杆600的长度为L₂。

根据齿轮传动和曲柄滑块机构的传动特点，可知：

曲柄300的角速度为ω₁(第一齿轮200和曲柄300由同一驱动轴驱动)；

第三齿轮510的角速度为ω₂＝ω₁×r₁÷r₃。

磁控管的中心点的坐标(x，y)为：

$x=(\sqrt{{L_2}^2-{L_1}^2+(L_1\cos {({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\ω}}_{2}t)}^2}+L_1\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\ω}}_{2}t))\·\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\ω}}_{2}t)$

$y=(\sqrt{{L_2}^2-{L_1}^2+(L_1\cos {({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\ω}}_{2}t)}^2}+L_1\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\ω}}_{2}t))\·\sin ({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\ω}}_{2}t)$

利用运动仿真的方法得到如图4所示的磁控管800的中心在一段时间内的运动轨迹曲线。由图4可知，采用本发明实施例的磁控源的扫描机构可以使磁控管800的运动轨迹均匀地分布在整个靶材上，从而提高了靶材的利用率和靶材刻蚀的均匀性。

可选地，驱动轴100可以与驱动机构，例如电机相连。由此，所述驱动机构可以带动驱动轴100旋转，进而驱动轴100可以带动第一齿轮200和曲柄300旋转，其中曲柄300可以以曲柄300的第一端为圆心进行旋转，从而根据本发明实施例的磁控源的扫描机构可以只使用一个电机进行驱动，具有结构简单、易于控制的优点。

下面分别对图1所示的本发明的扫描机构的一种优选实施方式以及图2和图3所示的本发明的扫描机构的另一种优选实施方式进行描述。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，第一齿轮200和第二齿轮400可以是圆柱形外齿轮，第三齿轮510可以是圆环形的内齿轮。所述传动部件还可以包括滑套520，滑套520可枢转地安装在第三齿轮510的侧面上，摇杆600可滑动地穿过滑套520。在本发明的一个具体示例中，滑套520可以铰接在第三齿轮510的侧面。在本发明的另一个具体示例中摇杆600的第一端可以与曲柄300的第二端铰接。

在本发明的另一些实施例中，如图2和图3所示，第一齿轮200、第二齿轮400和第三齿轮510可以都是锥齿轮，所述传动部件还可以包括传动筒530和传动套540，传动筒530的下端可以敞开。传动套540的上端和下端可以分别与第三齿轮510和传动筒530相连，即传动套540的上端可以与第三齿轮510相连，传动套540的下端可以与传动筒530相连。第一齿轮200可以安装在驱动轴100的第一端以在驱动轴100的带动下旋转，驱动轴100的第二端可以穿过传动套540伸入到传动筒530内。驱动轴100的第二端还可以穿过第三齿轮510。曲柄300的第一端可以与驱动轴100的第二端相连以使曲柄300可以在驱动轴100的带动下以曲柄300的第一端为圆心旋转。摇杆600可以可滑动地穿过传动筒530的侧壁，摇杆600的第一端和曲柄300的第二端可以分别与连杆700的两端可枢转地连接。

也就是说，摇杆600的第一端可以与连杆700的第二端可枢转地连接，曲柄300的第二端可以与连杆700的第一端可枢转地连接。具体地，传动套540的上端可以固定在第三齿轮510上，传动套540的下端可以固定在传动筒530上。

采用上述扫描机构的磁控源，磁控管800在靶材上方的运动轨迹均是曲柄滑块机构和齿轮旋转运动的叠加，均可以使磁控管800的运动轨迹均匀地分布在整个靶材上，以提高靶材的利用率和靶材刻蚀的均匀性。

在本发明的一个示例中，如图3所示，传动筒530和传动套540可以一体地形成。在本发明的另一个示例中，摇杆600的第一端可以与连杆700的第二端铰接，曲柄300的第二端可以与连杆700的第一端铰接。

根据本发明实施例的磁控源的扫描机构，可以通过改变曲柄300和摇杆600的长度来实现磁控管800对靶材不同的覆盖面积，还可以通过改变第一齿轮200和第三齿轮510的传动比来得到不同的角速度差值，从而实现不同的靶材刻蚀强度。

本发明还提供了一种磁控溅射设备。所述磁控溅射设备包括腔室本体和磁控源。所述腔室本体内限定有腔室。所述磁控源为上述的磁控源，其中所述磁控源的靶材设在所述腔室本体的上端且所述靶材的下表面暴露到所述腔室内。根据本发明实施例的磁控溅射设备可以提高溅射的均匀性。

根据本发明实施例的磁控源的扫描机构可以提高靶材的利用率和靶材刻蚀的均匀性。

根据本发明实施例的磁控源和磁控溅射设备的其他构成和操作对于本领域的技术人员都是已知的，这里不再重复描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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)

1.一种磁控源的扫描机构，其特征在于，包括：

驱动轴，所述驱动轴上设有第一齿轮；

曲柄，所述曲柄的第一端与所述驱动轴相连以由所述驱动轴驱动旋转；

第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合；

传动部件，所述传动部件具有第三齿轮，所述第三齿轮与所述第二齿轮啮合；和

摇杆，所述摇杆的第一端与所述曲柄的第二端可枢转地相连，所述摇杆与所述传动部件可相对滑动地相连以便所述摇杆同时由所述曲柄和所述传动部件驱动，

所述第一齿轮和第二齿轮为圆柱形外齿轮，所述第三齿轮为圆环形的内齿轮，所述传动部件还包括滑套，所述滑套可枢转地安装在所述第三齿轮的侧面上，所述摇杆可滑动地穿过所述滑套。

2.根据权利要求1所述的磁控源的扫描机构，其特征在于，所述驱动轴与驱动机构相连。

3.根据权利要求2所述的磁控源的扫描机构，其特征在于，所述驱动机构为电机。

4.一种磁控源的扫描机构，其特征在于，包括：

驱动轴，所述驱动轴上设有第一齿轮；

曲柄，所述曲柄的第一端与所述驱动轴相连以由所述驱动轴驱动旋转；

第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮啮合；

传动部件，所述传动部件具有第三齿轮，所述第三齿轮与所述第二齿轮啮合；和

摇杆，所述摇杆的第一端与所述曲柄的第二端可枢转地相连，所述摇杆与所述传动部件可相对滑动地相连以便所述摇杆同时由所述曲柄和所述传动部件驱动，

所述第一至第三齿轮均为锥齿轮，所述传动部件还包括传动筒和传动套，所述传动筒的下端敞开，所述传动套的上端和下端分别与所述第三齿轮和所述传动筒相连，所述第一齿轮安装在所述驱动轴的第一端，所述驱动轴的第二端穿过所述传动套伸入到所述传动筒内，所述曲柄的第一端与所述驱动轴的第二端相连，所述摇杆可滑动地穿过所述传动筒的侧壁，所述摇杆的第一端和所述曲柄的第二端分别与连杆的两端可枢转地连接。

5.根据权利要求4所述的磁控源的扫描机构，其特征在于，所述传动筒和传动套一体地形成。

6.一种磁控源，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；和

扫描机构，所述扫描机构为根据权利要求1-5中任一项所述的扫描机构，其中所述扫描机构与所述磁控管相连以控制所述磁控管在所述靶材上方移动，其中所述磁控管与所述扫描机构的所述摇杆的第二端相连。

7.一种磁控溅射设备，其特征在于，包括：

腔室本体，所述腔室本体内限定有腔室；和

磁控源，所述磁控源为根据权利要求6所述的磁控源，其中所述磁控源的靶材设在所述腔室本体的上端且所述靶材的下表面暴露到所述腔室内。