CN103088306B - 磁控源和磁控溅射设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控源及具有该磁控源的磁控溅射设备。磁控源包括：靶材；位于靶材上方的磁控管；和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的扫描机构，其中扫描机构包括：驱动器、驱动轴和主动齿轮、连杆、从动轴和从动齿轮、凸轮、导轨、滚轮、和弹性件。根据本发明实施例的磁控源，通过调整驱动轴与从动轴之间的距离，在磁控管绕凸轮运动时可以调整磁控管在靶材外围和中心处的扫描速度，从而可以提高靶材外圈的刻蚀深度，可以降低薄膜沉积时颗粒产生，提高薄膜均匀性和靶材利用率。此外，根据本发明实施例的磁控源具有结构稳定、传动平稳、操作简单的优点，因此增加了其实用性。

Description

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，尤其是涉及一种磁控源和具有该磁控源的磁控溅射设备。

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。

图6示出了一种典型的磁控溅射设备，其中腔室本体9’内部限定有高真空工艺腔，被溅射的靶材10’设置在腔室本体9’的顶部，上盖11’设置在靶材10’上面，隔离件11’和靶材10’中间充满了去离子水12’，承载晶片7’的静电卡盘8’设置在高真空工艺腔内，抽气腔6’与高真空工艺腔的下部连通。

为了提高溅射效率，磁控管2’放置在靶材10’背面，且包括极性相反的磁铁3’和4’，受到轨道束缚在邻近磁铁3’和4’的腔室范围内产生磁场，对于自离子化等离子体(SIP)溅射而言，磁控管2’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2’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2’通过电机1’驱动沿靶材10’的中心扫过固定的轨迹。

图7示出了一种磁控管的驱动机构，其中电机通过轴101’带动齿轮103’绕齿轮102’转动，齿轮103’驱动齿轮104’，齿轮104’带动磁控管105’和配重106’做自转运动，此外磁控管105’和配重106’绕着轴101’做公转运动，配重107’用于平衡整个驱动机构，防止由于力矩产生的不平衡，增加传动的稳定性。磁控管105’扫过靶材表面的运动轨迹如图8所示，靶材刻蚀曲线如图9所示，靶材利用率约为53％，且靶材的中心附近和外周缘附近的利用率均较低。

因此，驱动机构驱动磁控管扫描靶材不同位置的运动速度难以控制，并且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磁控源，该磁控源结构简单，靶材利用率较高。

本发明的另一目的在于提出一种具有上述磁控源的磁控溅射设备，利用该磁控溅射设备，可以降低薄膜沉积时颗粒产生，提高薄膜均匀性和靶材利用率。

为了实现上述目的，根据本发明第一方面实施例的磁控源，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，其中所述扫描机构包括：

一个驱动器；

一个驱动轴和安装在所述驱动轴上的主动齿轮，所述驱动轴与所述驱动器相连以由所述驱动器驱动所述驱动轴转动；

连杆，所述连杆的第一端与所述驱动轴相连；

一个从动轴和安装在所述从动轴上的从动齿轮，所述从动轴可枢转地安装在所述连杆的第二端，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合；

凸轮，所述凸轮安装在所述从动轴上以绕所述从动轴自转且绕所述驱动轴公转；

导轨，所述导轨的一端安装在所述从动轴上以随所述从动轴转动；

滚轮，所述滚轮安装在中心轴上且所述中心轴安装在所述导轨上并沿所述导轨的长度方向可移动，所述滚轮的外周与所述凸轮的外周接触，所述磁控管与所述中心轴的下端相连；和

弹性件，所述弹性件的一端与所述从动轴相连且另一端与所述中心轴相连以将所述滚轮压紧到所述凸轮上。

根据本发明实施例的磁控源，在磁控管绕凸轮运动时，通过调整驱动轴与从动轴之间的距离可以调整磁控管在靶材外围和中心处的扫描速度来增加靶材外圈的刻蚀的同时也使得靶材中心区域部分得到刻蚀，从而可以降低薄膜沉积时颗粒产生，提高薄膜均匀性和靶材利用率。而通过改变凸轮的形状和/或主动齿轮与从动齿轮之间的传动比，可以实现磁控管对整个靶材表面的扫描。此外，根据本发明上述实施例的磁控源通过一个驱动器即可实现使从动轴绕驱动轴公转的同时磁控管绕从动轴公转，以此来实现对磁控管的驱动，因此具有结构简单稳定、便于控制、传动平稳、操作简单的优点，从而增加了其实用性。

另外，根据本发明上述实施例的磁控源还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述磁控管绕所述凸轮公转的角速度为ω₁，且所述凸轮绕所述驱动轴公转的角速度为ω₂，其中ω₂＞1/2×ω₁且ω₁与ω₂彼此不能整除。

根据本发明的一些实施例，所述磁控管绕所述凸轮公转的轨迹为圆形或椭圆形。

根据本发明的一些实施例，所述磁控管绕所述凸轮公转的轨迹为桃形且包括第一轨迹部分和第二轨迹部分，以所述驱动轴的轴线与所述磁控管所在平面的交点为极坐标原点且以所述从动轴的轴线与所述磁控管所在平面的交点与所述极坐标原点之间的连线为X轴，所述第一轨迹部分的极坐标方程为：r＝a*(sinθ)ⁿ+b*(tanθ)^m+c*θ^k+d，0≤θ≤π且θ≠π/2，所述第二轨迹部分的极坐标方程为：r＝a*[sin(-θ)]ⁿ+b*[tan(-θ)]^m+c*(-θ)^k+d，-π≤θ≤0且θ≠-π/2，其中，所述极坐标方程的r为所述轨迹上任一点到极坐标原点的距离，θ为所述任一点与X轴正方向的夹角，a、b、c、d、n、m、k均为大于零的常数。

根据本发明的一些实施例，所述第一轨迹部分的极坐标方程为：r＝2.79×θ^0.6+1.3，且所述第二轨迹部分的极坐标方程为：r＝2.79×(-θ)^0.6+1.3。

根据本发明的一些实施例，所述驱动器为电机。

根据本发明的一些实施例，所述驱动轴的轴线通过所述靶材的中心。

根据本发明第二方面实施例的磁控溅射设备，包括：腔室本体，所述腔室本体内限定有腔室；和磁控源，所述磁控源为上述任一实施例所述的磁控源，其中所述磁控源的靶材设置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。

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是根据本发明实施例的磁控源的侧视示意图；

图2是根据本发明实施例的磁控源的局部俯视示意图；

图3是根据本发明实施例的磁控源中的磁控管的运行轨迹的极坐标图；

图4是根据本发明一个实施例的磁控源仿真得到的靶材刻蚀曲线，其中从动轴的轴心距离驱动轴的轴心距离O₁O₂＝2英寸；

图5是根据本发明另一个实施例的磁控源仿真得到的靶材刻蚀曲线，其中从动轴的轴心距离驱动轴的轴心距离O₁O₂＝3英寸；

图6是现有磁控溅射设备的示意图；

图7是现有驱动机构的示意图；

图8是利用图7所述扫描机构控制磁控管运动的运动轨迹；和

图9是现有技术的靶材刻蚀曲线图。

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”、“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。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面参考附图1和附图2描述根据本发明实施例的磁控源。

如图所示，根据本发明实施例的磁控源，包括靶材(未图示)、磁控管12和扫描机构。具体地，磁控管12位于所述靶材上方。所述扫描机构与磁控管12相连以控制磁控管12在所述靶材上方移动。

其中，所述扫描机构包括一个驱动器1、一个驱动轴2和安装在驱动轴2上的主动齿轮3、连杆4、一个从动轴5和安装在从动轴5上的从动齿轮6、凸轮7、导轨8、滚轮9以及弹性件10。可选地，所述驱动器1为电机。

具体而言，驱动轴2与驱动器1相连以由驱动器1驱动驱动轴2转动。

连杆4的第一端(图1中的右端)与驱动轴2相连。

从动轴5可枢转地安装在连杆4的第二端(图1中的左端)，从动齿轮6安装在从动轴5上且从动齿轮6与主动齿轮3啮合。由于主动齿轮3安装在驱动轴2上，因而主动齿轮3可以随着驱动轴2转动，由此一方面从动齿轮6通过连杆4与驱动轴2相连，从而从动齿轮6在驱动轴2的带动下可绕着驱动轴2转动，另一方面从动轴5通过从动齿轮6与主动齿轮3相连，从而从动齿轮6在主动齿轮3的带动下可以自转。

凸轮7安装在从动轴5上以绕从动轴5自转且绕驱动轴2公转。

导轨8的一端安装在从动轴5上以随从动轴5转动。

滚轮9安装在中心轴11上，中心轴11安装在导轨8上并可沿导轨8的长度方向移动，滚轮9的外周与凸轮7的外周接触，磁控管12与中心轴11的下端相连。弹性件10(例如弹簧)的一端与从动轴5相连且另一端与中心轴11相连以将滚轮9压紧到凸轮7上。

下面参考图1和图2描述根据本发明上述实施例的磁控源进行扫描的工作过程。

首先，描述凸轮7的运动过程。如图所示，由驱动器1对驱动轴2进行驱动以使其转动，进而带动安装在驱动轴2的底端的主动齿轮3绕着驱动轴2的轴线转动。驱动轴2通过主动齿轮3来带动与主动齿轮3相啮合的从动齿轮6(同时也带动安装在从动齿轮6上的从动轴5)绕驱动轴2的轴线转动，由此使安装在从动轴5上的凸轮7绕驱动轴2转动。

接着，描述磁控管12的运动过程。如图所示，由于磁控管12的轴线11通过弹性件10而连接在从动轴5上，并通过弹性件10将安装在中心轴11上的滚轮9压紧在凸轮7上，因此，磁控管12将在从动轴5的带动下绕凸轮7公转。由于凸轮7绕驱动轴2转动，因此，磁控管12在靶材上方的运动轨迹由凸轮7绕驱动轴2公转和磁控管12绕凸轮7公转的运动叠加而成。

根据本发明上述实施例的磁控源，至少具有下述效果：

一)在磁控管12绕凸轮7运动时，通过调整驱动轴2与从动轴5之间的距离可以调整磁控管12在靶材外围和中心处的扫描速度，进而来增加靶材外圈的刻蚀的同时使得靶材中心区域也部分得到刻蚀，从而有利于提高薄膜均匀性和靶材利用率。

二)在现有技术中，由于中心区域未被刻蚀，所以靶材中心区域就容易形成大量聚合物，而这些聚合物容易受重力作用落到基片上进而影响基片的加工品质。而相对于此，由于本发明能够增加对靶材的扫描面积(即，对现有技术无法刻蚀的靶材中心区域也进行刻蚀)，使得沉积在靶材表面的颗粒能够与等离子相互作用，从而避免颗粒在靶材表面形成聚合物，因此根据本发明上述实施例的磁控源，可以降低薄膜沉积时颗粒产生。。

三)通过改变凸轮7的形状和/或主动齿轮3与从动齿轮6之间的传动比，可以实现磁控管12对整个靶材表面的扫描。

四)根据本发明上述实施例的磁控源，通过一个驱动器1即可实现使从动轴5绕驱动轴2公转的同时使磁控管12绕从动轴5公转，以此来实现对磁控管12的驱动，因此具有结构简单稳定、便于控制、传动平稳、操作简单的优点，从而增加了其实用性。

在本发明的一些实施例中，以磁控管12绕凸轮7公转的角速度为ω₁(也就是说，驱动轴2和主动齿轮3的自转角速度为ω₁)，且以凸轮7绕驱动轴2公转的角速度为ω₂(也就是说，从动轴5和从动齿轮6绕驱动轴2公转的角速度为ω₂)，其中ω₂＞1/2×ω₁且ω₁与ω₂彼此不能整除。由此，可以保证磁控管12的运动轨迹覆盖整个靶材。而通过改变从动齿轮6和主动齿轮3的齿数比，可以实现ω₂＞1/2×ω₁且ω₁与ω₂彼此不能整除。在本发明的一些实施例中，磁控管12绕凸轮7公转的轨迹为圆形或椭圆形。

在本发明的另一些实施例中，如图3所示，磁控管12绕凸轮7公转的轨迹包括第一轨迹部分和第二轨迹部分，以驱动轴2的中心线与磁控管12所在平面的交点为极坐标原点且以从动轴5的中心线与磁控管12所在平面的交点与所述极坐标原点之间的连线为X轴，所述第一轨迹部分的极坐标方程为r＝a*(sinθ)ⁿ+b*(tanθ)^m+c*θ^k+d(0≤θ≤π)，所述第二轨迹部分的极坐标方程为r＝a*[sin(-θ)]ⁿ+b*[tan(-θ)]^m+c*(-θ)^k+d(-π≤θ≤0)，其中，所述极坐标方程的r为所述轨迹上任一点到极坐标原点的距离，θ为所述任一点与X轴正方向的夹角，a、b、c、d、n、m和k均为大于零的常数。

关于a、b、c、d、n、m和k的大小没有特殊的限制，只要满足a、b、c、d、n、m和k均为大于零的常数。其中，b表示极坐标原点距离磁控管12绕凸轮7公转的轨迹的凹端B处的距离，只要b大于零即可保证磁控管12的运动轨迹覆盖整个靶材表面。

在本发明的一些具体示例中，所述第一轨迹部分的极坐标方程为：r＝2.79×θ^0.6+1.3，且所述第二轨迹部分的极坐标方程为：r＝2.79×(-θ)^0.6+1.3。

优选地，驱动轴2的轴线通过所述靶材的中心。由此，可以保证磁控管12的运动轨迹覆盖整个靶材的同时对称地扫描靶材的整个表面。

需要说明的是，上述实施例中的靶材半径、磁控管尺寸以及磁控管12绕凸轮7公转的轨迹的极坐标方程只是示例性的，可以根据具体需要而设计。

下面参考图4～图5描述根据本发明实施例的磁控源进行磁控溅射时的效果。

在本发明的一个优选实施例中，磁控管12绕凸轮7公转的轨迹的第一轨迹部分的极坐标方程为：r＝2.79×θ^0.6+1.3，且第二轨迹部分的极坐标方程为：r＝2.79×(-θ)^0.6+1.3，且从动轴5的轴心距离驱动轴2的轴心距离O₁O₂＝2英寸，仿真得到的靶材蚀刻曲线如图4所示。由图4可知靶材边缘附近刻蚀较深，且中心区域也有一定程度(约为50％左右)刻蚀。由面积计算可知，靶材的利用率为62％。

在本发明的另一个实施例中，磁控管12绕凸轮7公转的轨迹的第一轨迹部分的极坐标方程为：r＝2.79×θ^0.6+1.3，且第二轨迹部分的极坐标方程为：r＝2.79×(-θ)^0.6+1.3，且从动轴5的轴心距离驱动轴2的轴心距离O₁O₂＝3英寸，仿真得到的靶材蚀刻曲线如图5所示。由图5可知，相比于上述实施例而言，当O₁O₂由2英寸移动至3英寸处时，靶材的中心区域刻蚀率有所降低(由约50％降低为约20％)，且靶材的利用率由62％降低至57％。

通过分析上述实施例可知，通过调整O₁O₂的距离可以实现靶材外圈位置刻蚀较多，靶材中心区域有部分刻蚀的效果，且如上所述还具有降低颗粒的产生的效果，有利于提高靶材的利用率。

下面描述根据本发明实施例的磁控溅射设备。

根据本发明实施例的磁控溅射设备，包括腔室本体和磁控源。

其中，腔室本体内限定有腔室。磁控源为根据本发明上述任一实施例的磁控源，其中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。

关于本发明实施例的磁控溅射设备的工作过程如下：

首先将基片设置在所述腔室内，并将靶材设置在基片的上方。

此后，启动驱动器1。在驱动轴2的带动下凸轮7绕驱动轴2公转和磁控管12绕凸轮7公转，由此叠加得到磁控管12在靶材上方的运动轨迹。在磁控管12在靶材上方移动的同时对靶材进行轰击，从而靶材被溅射向位于其下方的基片，由此完成在基片表面的成膜处理。

根据本发明实施例的磁控溅射设备，通过调节从动轴5与驱动轴2之间的距离O₁O₂可以实现靶材外圈位置刻蚀较多，靶材中心区域有部分刻蚀的效果，且如上所述还具有能够降低颗粒的产生的效果，有利于提高靶材的利用率。而通过改变凸轮7的形状和/或主动齿轮3与从动齿轮6之间的传动比，可以实现磁控管12对整个靶材表面的扫描。此外，根据本发明上述实施例的磁控溅射设备通过一个驱动器1即可实现使从动轴5绕驱动轴2公转的同时使磁控管12绕从动轴5公转，以此来实现对磁控管12的驱动，因此具有结构简单稳定、便于控制、传动平稳、操作简单的优点，从而增加了其实用性。

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，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，其中所述扫描机构包括：

一个驱动器；

一个驱动轴和安装在所述驱动轴上的主动齿轮，所述驱动轴与所述驱动器相连以由所述驱动器驱动所述驱动轴转动；

连杆，所述连杆的第一端与所述驱动轴相连；

一个从动轴和安装在所述从动轴上的从动齿轮，所述从动轴可枢转地安装在所述连杆的第二端，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合；

凸轮，所述凸轮安装在所述从动轴上以绕所述从动轴自转且绕所述驱动轴公转；

导轨，所述导轨的一端安装在所述从动轴上以随所述从动轴转动；

滚轮，所述滚轮安装在中心轴上且所述中心轴安装在所述导轨上并沿所述导轨的长度方向可移动，所述滚轮的外周与所述凸轮的外周接触，所述磁控管与所述中心轴的下端相连；和

弹性件，所述弹性件的一端与所述从动轴相连且另一端与所述中心轴相连以将所述滚轮压紧到所述凸轮上。

2.根据权利要求1所述的磁控源，其特征在于，所述磁控管绕所述凸轮公转的角速度为ω₁，且所述凸轮绕所述驱动轴公转的角速度为ω₂，其中ω₂＞1/2×ω₁且ω₁与ω₂彼此不能整除。

3.根据权利要求2所述的磁控源，其特征在于，所述磁控管绕所述凸轮公转的轨迹为圆形或椭圆形。

4.根据权利要求2所述的磁控源，其特征在于，所述磁控管绕所述凸轮公转的轨迹为桃形，所述桃形轨迹包括第一轨迹部分和第二轨迹部分，以所述驱动轴的轴线与所述磁控管所在平面的交点为极坐标原点且以所述从动轴的轴线与所述磁控管所在平面的交点与所述极坐标原点之间的连线为X轴，所述第一轨迹部分的极坐标方程为r＝a*(sinθ)ⁿ+b*(tanθ)^m+c*θ^k+d，0≤θ≤π且θ≠π/2，所述第二轨迹部分的极坐标方程为：r＝a*[sin(-θ)]ⁿ+b*[tan(-θ)]^m+c*(-θ)^k+d，-π≤θ≤0且θ≠-π/2，其中，所述极坐标方程的r为所述轨迹上任一点到极坐标原点的距离，θ为所述任一点与X轴正方向的夹角，a、b、c、d、n、m、k均为大于零的常数。

5.根据权利要求1所述的磁控源，其特征在于，所述驱动器为电机。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的磁控源，其特征在于，所述驱动轴的轴线通过所述靶材的中心。

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1-6中任一项所述的磁控源，其中所述磁控源的靶材设置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。