CN103255382A - 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磁控溅射设备，磁控溅射源包括靶材、固定件、磁控管以及驱动机构，靶材和驱动机构固定在固定件上，磁控管与驱动机构连接，而且磁控管紧靠靶材的表面，在驱动机构的驱动下磁控管对靶材的表面进行扫描，驱动机构包括旋转驱动机构和直线驱动机构，其中：旋转驱动机构用于驱动磁控管在靶材的表面作旋转运动，直线驱动机构用于驱动磁控管在靶材的表面作直线往复运动；在旋转驱动机构和直线驱动机构的共同作用下，磁控管在靶材的表面进行旋转运动的同时作直线往复运动。该磁控溅射源可以准确地控制磁控管的扫描轨迹以及在不同位置的停留时间，从而使靶材均匀腐蚀，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

本发明属于磁控溅射设备领域，涉及一种磁控溅射源及磁控溅射设备。

背景技术

磁控溅射工艺被广泛应用于制备各类薄膜，如用于制备集成电路的阻挡层。图1为典型的磁控溅射设备的结构简图。请参阅图1，磁控溅射设备包括反应腔室1和设置在反应腔室1顶部的磁控溅射源。其中，磁控溅射源包括靶材2、磁控管3以及驱动磁控管3运动的驱动机构4，磁控管3设置在靶材2的上方，在驱动机构4的驱动下磁控管3在靶材2的表面扫描，以约束反应腔室1内等离子体中的带电粒子的运动轨迹，从而提高靶材2的溅射速率。在反应腔室1的底部设有用于承载被加工工件5的静电卡盘6，静电卡盘6与电源(图中未示出)连接，电源向静电卡盘6加载偏压，被等离子体溅射下来的靶材2在偏压的作用下沉积在被加工工件5的表面。

图2a为用于驱动磁控管运行的驱动机构的第一种使用状态。图2b为用于驱动磁控管运行的驱动机构的第二种使用状态。请一并参阅图2a和图2b，驱动机构4包括托架41、弹簧43以及驱动板44。磁控管3固定在驱动板44上，而且驱动板44的形状为直角三角形，在驱动板44的直角位置通过转轴46与托架41连接。弹簧43的一端固定在托架41上远离转轴46的一端，另一端固定在驱动板44上。在托架41上与转轴46相对的另一端设有驱动轴42，托架41通过驱动轴42与电机(图中未示出)连接。在电机的驱动下，托架1和驱动板4绕驱动轴42逆时针旋转。当驱动轴2的转速较高时，由于离心力的作用，磁控管3远离驱动轴42，使得磁控管3在靶材2的边缘位置扫描。当驱动轴2的转速较低时，由于弹簧43的作用，磁控管3靠近驱动轴42，使得磁控管3在靶材2的中心位置扫描。

上述驱动机构是通过离心力来控制磁控管的扫描位置，即通过调节驱动轴的转速来控制磁控管的扫描位置。但在实际使用过程中，由于弹簧容易出现疲劳，使得弹簧的作用力与离心力之间的对应关系容易发生变化，因此，很难通过驱动轴的转速来精确地控制磁控管的扫描轨迹；而且，利用驱动轴的转速无法控制磁控管在不同位置的停留时间，从而导致靶材的腐蚀不均匀，进而降低靶材的利用率。

发明内容

为至少解决上述问题之一，本发明提供一种磁控溅射源及磁控溅射设备，其能够准确地控制磁控管的扫描轨迹以及在不同位置的停留时间，从而可以提高靶材的利用率。

解决上述技术问题的所采用的技术方案是提供一种磁控溅射源，包括靶材、固定件、磁控管以及驱动机构，所述靶材和所述驱动机构固定在所述固定件上，所述磁控管与所述驱动机构连接，而且所述磁控管紧靠所述靶材的表面，在所述驱动机构的驱动下所述磁控管对所述靶材的表面进行扫描，所述驱动机构包括旋转驱动机构和直线驱动机构，其中：所述旋转驱动机构用于驱动所述磁控管在所述靶材的表面作旋转运动，所述直线驱动机构用于驱动所述磁控管在所述靶材的表面作直线往复运动；在所述旋转驱动机构和直线驱动机构的共同作用下，所述磁控管在所述靶材的表面进行旋转运动的同时作直线往复运动。

其中，所述旋转驱动机构包括支承单元、驱动单元以及传动单元，所述支承单元通过所述传动单元与所述驱动单元连接，所述磁控管与所述支承单元连接，在所述驱动单元的驱动下，所述磁控管随所述支承单元作旋转运动。

其中，所述传动单元包括皮带、与所述驱动单元的输出轴连接的连接轴以及与所述支承单元连接的箱体转轴，所述箱体转轴固定在所述支承单元上，所述皮带用于连接所述连接轴和所述箱体转轴。

其中，所述直线驱动机构包括电动缸、电源以及连接杆，其中：

所述电动缸固定在所述支承单元内；所述连接杆的一端与所述电动缸连接，另一端与所述磁控管连接；所述电源设置在所述支承单元外；

在所述箱体转轴内设有空心管，所述空心管的一端伸入所述支承单元内，在所述空心管靠近所述电动缸一端设有旋转电连接单元，所述旋转电连接单元的一端与从所述空心管中穿过的连接所述电源的导线电连接，所述旋转电连接单元的另一端与所述电动缸电连接。

其中，所述支承单元为箱体。

其中，所述连接杆为丝杠，所述磁控管与所述丝杠连接。

其中，所述旋转电连接单元为电刷。

其中，所述磁控溅射源包括用于控制所述驱动机构运行轨迹的控制单元，所述控制单元包括用于控制所述旋转驱动机构转速的旋转驱动机构控制子单元和用于控制所述直线驱动机构直线往复运动的直线驱动机构控制子单元。

其中，所述磁控管在垂直于其旋转轴的平面上的投影的形状为肾形、心形或圆形。

本发明还提供一种磁控溅射设备，包括反应腔室和磁控溅射源，所述磁控溅射源采用本发明提供的所述的磁控溅射源，其中，所述固定件固定在所述反应腔室的室壁的顶端，并且所述靶材朝向所述反应腔室的内侧设置，所述驱动机构设置在所述反应腔室外。

本发明还提供一种磁控溅射设备的使用方法，包括：

控制所述驱动机构使所述磁控管在所述靶材的表面扫面，并使所述磁控管的中心位置的扫描时间大于边缘位置的扫描时间，以清洗沉积在所述靶材的中心位置的沉积材料；

控制所述驱动机构使所述磁控管在所述靶材的表面均匀扫面，并使所述磁控管在所述靶材的中心位置和边缘位置的扫描时间一致，从而使所述靶材均匀腐蚀。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的磁控溅射源，利用旋转驱动机构来驱动磁控管旋转扫描，同时利用直线驱动机构驱动磁控管进行直线扫描，其避免了通过离心力的作用来控制磁控管的扫描轨迹，从而避免了因弹簧的疲劳而影响磁控管扫描轨迹的精度。该磁控溅射源不仅可以准确地控制磁控管的扫描轨迹，而且可以准确地控制磁控管在不同位置的停留时间，从而使靶材均匀腐蚀，提高靶材的利用率。

本发明提供的磁控溅射设备不仅可以准确地控制磁控管的扫描轨迹，而且可以准确地控制磁控管在不同位置的停留时间，从而可以使靶材均匀腐蚀，提高靶材的利用率，进而可以减少更换磁控管的时间，提高磁控溅射设备的利用率。

附图说明

图1为典型的磁控溅射设备的结构简图；

图2a为用于驱动磁控管运行的驱动机构的第一种使用状态；

图2b为用于驱动磁控管运行的驱动机构的第二种使用状态；

图3为本发明实施例磁控溅射源的结构示意图。

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。

图3为本发明实施例磁控溅射源的结构示意图。请参阅图3，磁控溅射源包括靶材2、固定件7、磁控管3以及驱动磁控管3运动的驱动机构。其中，靶材2和驱动机构固定在固定件7上，磁控管3与驱动机构连接，而且磁控管3紧靠靶材2的表面，在驱动机构的驱动下磁控管3对靶材2的表面进行扫描。

驱动机构包括旋转驱动机构和直线驱动机构，其中，旋转驱动机构用于驱动磁控管3在靶材2的表面作旋转运动，所述直线驱动机构用于驱动所述磁控管3在所述靶材2的表面作直线往复运动。在旋转驱动机构和直线驱动机构的共同驱动下，磁控管3在靶材2的表面进行旋转运动的同时作直线往复运动。

具体地，旋转驱动机构包括支承单元、驱动单元31以及传动单元。其中，支承单元为方形的箱体38，磁控管3与箱体38连接。当然，箱体38也可以采用圆形或其它形状的箱体。驱动单元31为电机或其它能够提供动力的驱动单元。传动单元包括皮带312、与驱动单元31的输出轴连接的连接轴313以及固定在箱体38上的箱体转轴33，而且箱体转轴33与箱体38垂直。箱体转轴33通过轴承与固定件7连接，从而使箱体38可相对于固定件7转动。皮带312用于将连接轴313和箱体转轴33连接，驱动单元31借助连接轴313、皮带312和箱体转轴33将其动力传递箱体38，从而使箱体38转动，从而使与箱体38连接的磁控管3以箱体转轴33为旋转轴旋转。

需要说明的是，本实施例中，箱体转轴33并不是必须垂直于箱体38，只要能够使箱体38绕箱体转轴33旋转的任何设置方式都可以用于本发明。

此外，本实施例中，传动单元包括皮带312、与驱动单元31的输出轴连接的连接轴313以及与箱体38连接的箱体转轴33，即通过连接轴313、皮带312以及箱体转轴33实现动力的传递。但是本发明并不局限于此，传动单元也可以包括链条以及与其配合的两个齿轮，其中一个齿轮套设在驱动单元31的输出轴上，另一个齿轮设置在箱体38上，链条将两个齿轮连接，借助链条将驱动单元31的动力传递给箱体38。然而，从磁控溅射源的成本以及简化结构考虑，优选采用皮带作为传动单元。

直线驱动机构包括电动缸37、连接杆314以及电源311，其中，电动缸37固定在箱体38内，连接杆314的一端与电动缸37连接，另一端与磁控管3连接，向电动缸37提供电能的电源311设置在箱体38的外侧。箱体转轴33为空心的转轴，在箱体转轴33内设有与其同轴设置的空心管34，空心管34的一端伸入箱体38内，在空心管34靠近电动缸37一端设有电刷35，电刷35的一端与从空心管中穿过的用于连接电源311的导线电连接，电刷35的另一端与电动缸37电连接。借助电刷35将静止的电源311与旋转运动的电动缸37电连接，从而实现动态的电流传递。

可以理解，本实施例也可以采用类似于电刷35的其它旋转电连接单元代替，只要能够动态的电流传递即可。

本实施例中，连接杆314为丝杠，丝杠的一端与电动缸37连接，另一端与磁控管3连接。电动缸37驱动丝杠正向、反向转动可使磁控管3作往复运动。不难理解，连接杆314也用其它结构的部件代替。

本实施例磁控溅射源还包括用于控制驱动机构运行轨迹的控制单元(图中未示出)，控制单元包括用于控制旋转驱动机构转速的旋转驱动机构控制子单元和用于控制直线驱动机构直线往复运动的直线驱动机构控制子单元。借助旋转驱动机构控制子单元可以控制旋转驱动机构中驱动单元31的转速，从而可以控制磁控管3的扫描速度和靶材圆周方向的位置。借助直线驱动机构控制子单元可以控制磁控管3的直线移动速度以及在靶材径向上的位置。

本实施例中，磁控管3在垂直于其旋转轴的平面上的投影的形状为肾形、心形、圆形或其它形状。

本实施例提供的磁控溅射源利用旋转驱动机构来驱动磁控管进行旋转扫描，同时利用直线驱动机构驱动磁控管进行直线扫描，其避免通过离心力的作用来控制磁控管的扫描轨迹，从而避免了因弹簧的疲劳而影响磁控管扫描轨迹的精度。该磁控溅射源不仅可以准确地控制磁控管的扫描轨迹，而且可以准确地控制磁控管在不同位置的停留时间，从而使靶材均匀腐蚀，提高靶材的利用率。

本实施例还提供一种磁控溅射设备，包括反应腔室、静电卡盘以及磁控溅射源，用于承载被加工工件的静电卡盘设置在反应腔室内部的底端，并与设置在反应腔室外侧的电源连接。磁控溅射源采用上述实施例提供的磁控溅射源。其中，固定件固定在反应腔室的室壁的顶端，并且将靶材朝向反应腔室的内侧设置，驱动机构设置在反应腔室外。

本实施例提供的磁控溅射设备在运行过程中，被刻蚀的靶材边缘的材料容易在靶材的中心沉积，并在靶材的中心位置形成沉积层，沉积层与靶材不完全键合，其结合力较差。当沉积层较厚时，容易在反应腔室内产生颗粒污染，影响工艺质量。为此，在实施溅射工艺之前需要对靶材进行清洗，即重点对靶材的中心位置进行清洗。具体地，在清洗时，控制磁控管主要在靶材的中心位置进行扫描，将沉积层清洗。在实施沉积工艺时，控制磁控管在靶材的表面均匀扫描，以使靶材均匀腐蚀，从而提高靶材的利用率。

本实施例提供一种磁控溅射设备的使用方法，其包括：控制所述驱动机构使所述磁控管在所述靶材的表面扫面，并使所述磁控管的中心位置的扫描时间大于边缘位置的扫描时间，以清洗沉积在所述靶材的中心位置的沉积材料；控制所述驱动机构使所述磁控管在所述靶材的表面均匀扫面，并使所述磁控管在所述靶材的中心位置和边缘位置的扫描时间一致，从而使所述靶材均匀腐蚀。

下面仅以沉积TiN薄膜为例，具体说明磁控溅射设备的使用方法，但这并不表明本实施例仅能以下述工艺参数沉积TiN薄膜，也并不表明本实施例磁控溅射设备仅能用于沉积TiN薄膜。

在清洗靶材时，磁控管的功率1000W，真空度0.46mtorr，氩气的流量25sccm，氮气的流量0sccm，旋转驱动机构的转速是50rpm，磁控管的移动速度为50mm/s，而且磁控管在靶材中心位置停留的时间略多于在靶材边缘位置停留的时间。

在沉积TiN薄膜时，磁控管的功率15KW，真空度1.5mtorr_，氮气的流量25sccm，氩气的流量75sccm，旋转驱动机构的转速是50rpm，磁控管的移动速度为50mm/s，而且磁控管在靶材的表面均匀扫描。

本实施例提供的磁控溅射设备采用上述磁控溅射源，不仅可以准确地控制磁控管的扫描轨迹，而且可以准确地控制磁控管在不同位置的停留时间，从而可以使靶材均匀腐蚀，提高靶材的利用率，进而可以减少更换磁控管的时间，提高磁控溅射设备的利用率。

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)

1.一种磁控溅射源，包括靶材、固定件、磁控管以及驱动机构，所述靶材和所述驱动机构固定在所述固定件上，所述磁控管与所述驱动机构连接，而且所述磁控管紧靠所述靶材的表面，在所述驱动机构的驱动下所述磁控管对所述靶材的表面进行扫描，其特征在于，所述驱动机构包括旋转驱动机构和直线驱动机构，其中：

所述旋转驱动机构用于驱动所述磁控管在所述靶材的表面作旋转运动，所述直线驱动机构用于驱动所述磁控管在所述靶材的表面作直线往复运动；

在所述旋转驱动机构和直线驱动机构的共同作用下，所述磁控管在所述靶材的表面进行旋转运动的同时作直线往复运动。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于，所述旋转驱动机构包括支承单元、驱动单元以及传动单元，所述支承单元通过所述传动单元与所述驱动单元连接，所述磁控管与所述支承单元连接，在所述驱动单元的驱动下，所述磁控管随所述支承单元作旋转运动。

3.根据权利要求2所述的磁控溅射源，其特征在于，所述传动单元包括皮带、与所述驱动单元的输出轴连接的连接轴以及与所述支承单元连接的箱体转轴，所述箱体转轴固定在所述支承单元上，所述皮带用于连接所述连接轴和所述箱体转轴。

4.根据权利要求3所述的磁控溅射源，其特征在于，所述直线驱动机构包括电动缸、电源以及连接杆，其中：

所述电动缸固定在所述支承单元内；所述连接杆的一端与所述电动缸连接，另一端与所述磁控管连接；所述电源设置在所述支承单元外；

在所述箱体转轴内设有空心管，所述空心管的一端伸入所述支承单元内，在所述空心管靠近所述电动缸一端设有旋转电连接单元，所述旋转电连接单元的一端与从所述空心管中穿过的连接所述电源的导线电连接，所述旋转电连接单元的另一端与所述电动缸电连接。

5.根据权利要求4所述的磁控溅射源，其特征在于，所述连接杆为丝杠，所述磁控管与所述丝杠连接。

6.根据权利要求4所述的磁控溅射源，其特征在于，所述旋转电连接单元为电刷。

7.根据权利要求2所述的磁控溅射源，其特征在于，所述支承单元为箱体。

8.根据权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于，所述磁控溅射源包括用于控制所述驱动机构运行轨迹的控制单元，所述控制单元包括用于控制所述旋转驱动机构转速的旋转驱动机构控制子单元和用于控制所述直线驱动机构直线往复运动的直线驱动机构控制子单元。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的磁控溅射源，其特征在于，所述磁控管在垂直于其旋转轴的平面上的投影的形状为肾形、心形或圆形。

10.一种磁控溅射设备，包括反应腔室和磁控溅射源，其特征在于，所述磁控溅射源采用权利要求1-9任意一项所述的磁控溅射源，其中，所述固定件固定在所述反应腔室的室壁的顶端，并且所述靶材朝向所述反应腔室的内侧设置，所述驱动机构设置在所述反应腔室外。

11.一种权利要求10所述的磁控溅射设备的使用方法，其特征在于，包括：

控制所述驱动机构使所述磁控管在所述靶材的表面扫面，并使所述磁控管的中心位置的扫描时间大于边缘位置的扫描时间，以清洗沉积在所述靶材的中心位置的沉积材料；

控制所述驱动机构使所述磁控管在所述靶材的表面均匀扫面，并使所述磁控管在所述靶材的中心位置和边缘位置的扫描时间一致，从而使所述靶材均匀腐蚀。

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