CN103177916B - 一种磁控管及磁控溅射设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁控管以及磁控溅射设备，所述磁控管包括内磁极以及与其极性相反的外磁极，所述内磁极和所述外磁极在垂直于其轴线的截面上的形状为螺旋形，所述内磁极和所述外磁极相互不接触地嵌套在一起，从而在所述内磁极和所述外磁极之间形成螺旋形的第一通道和第二通道，所述内磁极的内端部和外端部之间的夹角以及所述外磁极的内端部和外端部之间的夹角均小于或等于720°，而且，所述第一通道和第二通道的内端不连通。该磁控管可以缩短等离子体路径的长度和增加路径的宽度，从而可以降低启辉和维持等离子体的溅射气压，进而可以提高薄膜的致密性和均匀性以及靶材的利用率。
Description
技术领域
本发明属于微电子领域，具体涉及一种磁控管及应用该磁控管的磁控溅射设备。
背景技术
直流磁控溅射技术是制备半导体集成电路的常用技术，其是在低气压下使气体电离形成等离子体，然后借助靶材表面的磁场使等离子体中的带电粒子撞击靶材表面，以使靶材发生溅射，在溅射粒子中，中性的靶原子沉积在晶片等被加工工件表面形成薄膜。
图1为典型的磁控溅射设备的结构简图。如图1所示，磁控溅射设备包括反应腔室1，真空泵2与反应腔室1的底部连通，以调节反应腔室1内部的气体压力。在反应腔室1的底部设有用于承载晶片的静电卡盘5，在反应腔室1的顶部与静电卡盘5相对的位置设有靶材6。用于提供反应气体的气体源4通过管路与反应腔室1连接，在气体源4与反应腔室1之间设有用于控制反应气体流量的气体流量计3。在靶材6的上表面还设有磁控管9，而且，磁控管9在电机12的驱动下扫描靶材6的表面，可以提高靶材的溅射速率。
图2为现有的磁控管的平面视图。请参阅图2，磁控管9包括螺旋形的内磁极91和外磁极92，内磁极91和外磁极92相互嵌套在一起，而且内磁极91和外磁极92之间的距离相等，从而形成间距相等的闭合的螺旋形通道93，而且，螺旋形通道93首尾连通。在工艺过程中，磁控管9以内磁极91的内端部94为中心在靶材6的表面旋转扫描，以提高靶材6的溅射速率。
上述磁控管在实际使用过程中，由于内磁极91和外磁极92形成的螺旋形通道首尾连通，因此螺旋形通道较长，而且内磁极91和外磁极92螺旋的圈数较多，因此内磁极91和外磁极92之间的间距 较窄，这使得磁控溅射设备需要较高的溅射气压才能启辉和维持等离子体，从而导致薄膜的致密性以及均匀性降低。尤其在对深宽比较大的通孔内沉积薄膜时，利用现有磁控管沉积的薄膜的均匀性很差，如通孔的底部沉积的薄膜较厚，而通孔的侧壁沉积的薄膜较少。
发明内容
为至少解决上述技术问题之一，本发明提供一种磁控管，其不仅可以降低启辉以及维持等离子体的溅射气压。
此外，本发明还提供一种磁控溅射设备，其不仅启辉和维持等离子体的溅射气压低。
解决上述技术问题的所采用的技术方案是提供一种磁控管，包括内磁极以及与其极性相反的外磁极，所述内磁极和所述外磁极在垂直于其轴线的截面上的形状为螺旋形，所述内磁极和所述外磁极相互不接触地嵌套在一起，从而在所述内磁极和所述外磁极之间形成螺旋形通道，所述内磁极的内端部和外端部之间的夹角以及所述外磁极的内端部和外端部之间的夹角均小于或等于720°，所述螺旋形通道包括第一通道和第二通道，而且，所述第一通道和第二通道的内端不连通。
优选地，所述内磁极包括内磁极本体和设置在所述内磁极本体上的多个磁铁，所述磁铁由所述内磁极本体内端部至外端部排列设置；所述外磁极包括外磁极本体和设置在所述外磁极本体上的多个磁铁，所述磁铁由所述外磁极本体的内端部至外端部排列设置。
优选地，设置在所述内磁极本体上的所述磁铁在所述内磁极本体的内端部至外端部均匀分布；设置在所述外磁极本体上的所述磁铁在所述外磁极本体的内端部至外端部均匀分布。
优选地，所述磁铁为柱状的磁铁，所述磁铁镶嵌在所述内磁极本体和所述外磁极本体内。
优选地，所述内磁极的内端部与所述外磁极之间的距离远小于所述螺旋形通道的间距；所述外磁极的内端部与所述内磁极之间的距离远小于所述螺旋形通道的间距；而且，所述内磁极的外端部与所述外 磁极的外端部均为开放的自由端，以使所述第一通道和第二通道形成非闭合的通道。
优选地，所述内磁极的内端部与所述外磁极之间的距离远小于所述螺旋形通道的间距；所述外磁极的内端部与所述内磁极之间的距离远小于所述螺旋形通道的间距，而且，所述内磁极的外端部为开放的自由端，所述外磁极的外端部闭合，以使所述第一通道的外端和第二通道的外端连通。
优选地，所述内磁极与所述外磁极内端部对应的区域朝向所述外磁极突出，所述外磁极与所述内磁极的内端部对应的区域朝向所述内磁极突出。
优选地，所述内磁极的内端部与所述外磁极的最短距离为2～5mm，所述外磁极的内端部与所述内磁极的最短距离为2～5mm。
本发明还提供一种磁控溅射设备，包括反应腔室、靶材、磁控管以及驱动所述磁控管转动的驱动部件，所述靶材设置在所述反应腔室的顶端，所述磁控管设置在所述靶材的上方，在所述驱动部件的驱动下所述磁控管在所述靶材的表面旋转扫描，所述磁控管采用本发明提供的所述的磁控管。
优选地，所述磁控管的旋转中心为所述磁控管的对称中心。
优选地，所述磁控管的旋转中心偏离所述磁控管的对称中心。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的磁控管由于内磁极的内端部和外端部之间的夹角以及外磁极的内端部和外端部之间的夹角均小于或等于720°，即控制螺旋形内磁极和外磁极的螺旋圈数，而且，所述第一通道和第二通道的内端不连通，这可以减少第一通道和第二通道的长度以及增加第一通道和第二通道的宽度，即减少了等离子体路径的长度并增加了路径的宽度，从而可以降低启辉和维持等离子体的溅射气压，进而可以提高薄膜的致密性和均匀性。另外，由于内磁极和外磁极呈螺旋状，其可以实现全靶腐蚀，从而可以提高靶材的利用率，进而可以降低生产成本。
本发明提供的磁控溅射设备由于采用本发明提供的磁控管，使得位于内磁极和外磁极之间的第一通道和第二通道的长度变短以及宽度增加，即减少了等离子体路径的长度并增加了路径的宽度，从而可以降低启辉和维持等离子体的溅射气压，这不仅可以提高刻蚀速率，而且可以提高薄膜的致密性和均匀性，从而可以提高集成电路的性能。另外，由于内磁极和外磁极呈螺旋状，可以实现全靶腐蚀，从而可以提高靶材的利用率，进而可以降低生产成本。
附图说明
图1为典型的磁控溅射设备的结构简图；
图2为现有的磁控管的平面视图；
图3为本发明第一实施例磁控管的平面视图；
图4为旋转中心偏离磁控管对称中心时磁控管的平面视图；
图5为本发明第二实施例磁控管的平面视图；
图6为采用本实施例磁控管扫描靶材表面时靶材的腐蚀曲线。
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管及磁控溅射设备进行详细描述。
本实施例的磁控管为柱状结构，磁控管可以其中心线为轴旋转。在下面的实施例中，内端部是指靠近磁控管中心线的一端，外端部是指远离磁控管中心线的一端。
图3为本发明第一实施例磁控管的平面视图。请参阅图3，磁控管包括内磁极31和外磁极32，内磁极31和外磁极32在垂直于磁控管轴线的截面上的形状均为螺旋形，内磁极31和外磁极32相互不接触地嵌套在一起，从而将内磁极31和外磁极32相对的区域隔离成螺旋形通道，该螺旋形通道可在靶材表面形成与之形状相似、尺寸相近地等离子体路径。
内磁极31包括内磁极本体31a和多个磁铁40，磁铁40由内磁极本体31a内端部至外端部排列设置。类似地，外磁极32包括外磁极本体32a和多个磁铁40，磁铁40由外磁极本体32a的内端部至外端 部排列设置。本实施例，内磁极本体31a和外磁极本体32a采用导磁材料制作，而且设置在内磁极本体31a上的磁铁40与设置在外磁极本体32a上的磁铁40的极性相反，如设置在内磁极本体31a上的磁铁40的S极朝向读者，设置在外磁极本体32a上的磁铁40的N极朝向读者，从而使内磁极31和外磁极32获得极性相反的磁场，借助极性相反的内磁极31和外磁极32可以约束靶材表面的等离子体。
优选地，磁铁40在内磁极本体31a的内端部和外端部以及外磁极本体32a的内端部和外端部均匀地设置，这可以提高等离子体的密度，增加磁场强度，从而提高溅射的稳定性。
本实施例中，磁铁40为圆柱状的磁铁，也可以是方形的磁铁。另外，磁铁40镶嵌在内磁极本体31a和外磁极本体32a内。然而，本发明并不局限于此，磁铁40也可以紧贴在内磁极本体31a和外磁极本体32a的侧面。但在实际使用中，优选将磁铁40镶嵌在内磁极本体31a和外磁极本体32a内，这不仅便于磁控管的加工制作，而且可以使磁控管的结构更紧凑。
本实施例中，内磁极31的内端部35和内磁极31的外端部37之间的夹角为540°，外磁极32的内端部36和外磁极32的外端部38之间的夹角为540°，即在垂直于磁控管轴线的截面上，内磁极31和外磁极32绕磁控管的轴线一圈半。对于外径尺寸一定的磁控管，内磁极31和外磁极32环绕磁控管轴线的圈数的减少，可以增加内磁极31和外磁极32之间的间距，即增加了等离子体的路径的宽度，从而可以降低启辉和维持等离子体的溅射气压，进而可以提高薄膜的致密性以及均匀性。
本实施例中，在外磁极32上与内磁极31的内端部35对应的区域朝向内磁极31的内端部35突出，从而使内磁极31的内端部35与所述外磁极32之间的距离远小于螺旋形通道的间距；同样，在内磁极31上与外磁极32的内端部36对应的区域朝向外磁极32的内端部36突出，从而使外磁极32的内端部36与内磁极31之间的距离远小于螺旋形通道的间距，即将螺旋形通道隔离成第一通道33和第二通道34，这样可以缩短等离子体的路径，以降低启辉和维持等离子体的 溅射气压，从而不仅可以提高刻蚀的速率，而且可以使薄膜更加致密，薄膜的厚度更加均匀。
内磁极31的内端部35与外磁极32的最短距离为2～5mm，优选3～5mm；外磁极32的内端部36与内磁极31的最短距离为2～5mm，优选3～5mm。
在本实施例中，内磁极31的外端部37为开放的自由端，外磁极32的外端部38为开放的自由端，从而使第一通道33和第二通道34形成非闭合的螺旋形通道，即第一通道33和第二通道34为开放式螺旋形通道。
本实施例中，内磁极31和外磁极32的形状和大小相同，而且，内磁极31和外磁极32对称设置，磁控管的对称中心即为内磁极31和外磁极32的对称中心。在实际使用过程中，可以磁控管的对称中心39为旋转中心使磁控管旋转，也可以将旋转中心设置在偏离磁控管的对称中心的其它位置，如可以将内磁极31的内端部35作为旋转中心，或将外磁极32的外端部38作为旋转中心。图4为旋转中心偏离磁控管对称中心时磁控管的平面视图。当旋转中心偏离磁控管的对称中心时，可以使靶材的刻蚀更均匀，从而可以提供靶材的利用率。
图5为本发明第二实施例磁控管的平面视图。请参阅图5，本实施例与第一实施例的不同之处在于：外磁极32的内端部36和外磁极32的外端部38之间的夹角为720°，而且外磁极32的外端部38闭合，即外磁极32的外端部38与外磁极32的其它位置连接，从而使第一通道的外端和第二通道的外端连通。
需要指出的是，尽管第一通道的外端和第二通道的外端连通，但第一通道的内端和第二通道的内端仍不连通。相对于现有技术而言，螺旋形通道的长度仍然较短。
除上述区别之外，第二实施例磁控管与第一实施例磁控管的其它结构完全相同，这里不再赘述。
上述实施例中，内磁极31的内端部35和内磁极31的外端部37之间的夹角为540°，外磁极32的内端部36和外磁极32的外端部38之间的夹角分别为540°和720°。但本发明并不局限于此，只要使内磁极31的内端部35和外端部37之间的夹角以及外磁极32的内端部36和外端部38之间的夹角小于或等于720°即可缩短螺旋形通道的长度以及增加螺旋形通道的宽度，从而缩短等离子体的路径和增加等离子体的路径的宽度，即能达到降低启辉和维持等离子体的溅射气压。
本实施例提供的磁控管由于内磁极的内端部和外端部之间的夹角以及外磁极的内端部和外端部之间的夹角均小于或等于720°，即控制螺旋形内磁极和外磁极的螺旋圈数，而且，所述第一通道和第二通道的内端不连通，这可以减少第一通道和第二通道的长度以及增加第一通道和第二通道的宽度，即减少了等离子体路径的长度并增加了路径的宽度，从而可以降低启辉和维持等离子体的溅射气压，进而可以提高刻蚀的速率以及薄膜的致密性和均匀性。另外，由于内磁极和外磁极呈螺旋状，其可以实现全靶腐蚀，从而可以提高靶材的利用率，进而可以降低生产成本。
本发明还提供一种磁控溅射设备，其包括反应腔室、靶材、磁控管以及驱动所述磁控管转动的驱动部件，所述靶材设置在所述反应腔室的顶端，所述磁控管设置在所述靶材的上方，在所述驱动部件的驱动下所述磁控管在所述靶材的表面旋转扫描，磁控管采用上述实施例所述的磁控管。
在本实施例中，驱动部件的转轴与在垂直于磁控管轴线的截面上的对称中心连接，即将该对称中心作为磁控管的旋转中心。可以理解，也可以将偏离磁控管对称中心的其它位置作为磁控管的旋转中心，如将内磁极的内端部或所述外磁极的内端部作为所述磁控管的旋转中心。
图6为采用本实施例磁控管扫描靶材表面时靶材的腐蚀曲线。图中，横坐标表示靶材中心到边缘的距离，单位：英寸(inch)；纵坐标表示靶材的腐蚀深度。请参阅图6，采用上述实施例提供的磁控管可以基本实现全靶腐蚀，从而提高了靶材的利用率，降低了生产成本。
本实施例提供的磁控溅射设备由于采用本实施例提供的磁控 管，使得位于内磁极和外磁极之间的第一通道和第二通道的长度变短以及宽度增加，即减少了等离子体路径的长度并增加了路径的宽度，从而可以降低启辉和维持等离子体的溅射气压，这不仅可以提高刻蚀速率，而且可以提高薄膜的致密性和均匀性，从而可以提高集成电路的性能。另外，由于内磁极和外磁极呈螺旋状，可以实现全靶腐蚀，从而可以提高靶材的利用率，进而可以降低生产成本。
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，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种磁控管，包括内磁极以及与其极性相反的外磁极，所述内磁极和所述外磁极在垂直于其轴线的截面上的形状为螺旋形，所述内磁极和所述外磁极相互不接触地嵌套在一起，从而在所述内磁极和所述外磁极之间形成螺旋形通道，其特征在于，所述内磁极的内端部和外端部之间的夹角以及所述外磁极的内端部和外端部之间的夹角均小于或等于720°，所述螺旋形通道包括第一通道和第二通道，而且，所述第一通道和第二通道的内端不连通。
2.根据权利要求1所述磁控管，其特征在于，所述内磁极包括内磁极本体和设置在所述内磁极本体上的多个磁铁，所述磁铁由所述内磁极本体内端部至外端部排列设置；所述外磁极包括外磁极本体和设置在所述外磁极本体上的多个磁铁，所述磁铁由所述外磁极本体的内端部至外端部排列设置。
3.根据权利要求2所述磁控管，其特征在于，设置在所述内磁极本体上的所述磁铁在所述内磁极本体的内端部至外端部均匀分布；设置在所述外磁极本体上的所述磁铁在所述外磁极本体的内端部至外端部均匀分布。
4.根据权利要求2所述磁控管，其特征在于，所述磁铁为柱状的磁铁，所述磁铁镶嵌在所述内磁极本体和所述外磁极本体内。
5.根据权利要求2所述磁控管，其特征在于，所述内磁极的内端部与所述外磁极之间的距离远小于所述螺旋形通道的间距；所述外磁极的内端部与所述内磁极之间的距离远小于所述螺旋形通道的间距；而且，所述内磁极的外端部与所述外磁极的外端部均为开放的自由端，以使所述第一通道和第二通道形成非闭合的通道。
6.根据权利要求2所述磁控管，其特征在于，所述内磁极的内端部与所述外磁极之间的距离远小于所述螺旋形通道的间距；所述外磁极的内端部与所述内磁极之间的距离远小于所述螺旋形通道的间距，而且，所述内磁极的外端部为开放的自由端，所述外磁极的外端部闭合，以使所述第一通道的外端和第二通道的外端连通。
7.根据权利要求5或6所述磁控管，其特征在于，所述内磁极与所述外磁极内端部对应的区域朝向所述外磁极突出，所述外磁极与所述内磁极的内端部对应的区域朝向所述内磁极突出。
8.根据权利要求7所述磁控管，其特征在于，所述内磁极的内端部与所述外磁极的最短距离为2～5mm，所述外磁极的内端部与所述内磁极的最短距离为2～5mm。
9.一种磁控溅射设备，包括反应腔室、靶材、磁控管以及驱动所述磁控管转动的驱动部件，所述靶材设置在所述反应腔室的顶端，所述磁控管设置在所述靶材的上方，在所述驱动部件的驱动下所述磁控管在所述靶材的表面旋转扫描，其特征在于，所述磁控管采用权利要求1-8任意一项所述的磁控管。
10.根据权利要求9所述磁控溅射设备，其特征在于，所述磁控管的旋转中心为所述磁控管的对称中心。
11.根据权利要求9所述磁控溅射设备，其特征在于，所述磁控管的旋转中心偏离所述磁控管的对称中心。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 100176 No. 8 Wenchang Avenue, Beijing economic and Technological Development Zone Patentee after: Beijing North China microelectronics equipment Co Ltd Address before: 100176 Beijing economic and Technological Development Zone, Wenchang Road, No. 8, No. Patentee before: Beifang Microelectronic Base Equipment Proces Research Center Co., Ltd., Beijing |
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| CP03 | Change of name, title or address |