CN105088155A - 磁控溅射环、磁控溅射环装置及磁控溅射反应器 - Google Patents

Abstract

一种磁控溅射环、磁控溅射环装置及磁控溅射反应器。其中，磁控溅射环包括内环侧壁和外环侧壁，所述内环侧壁具有凸台结构。应用本发明的磁控溅射环可以提高磁控溅射环被溅射的时间，从而减少附着在磁控溅射环装置表面的溅射材料以颗粒形式掉落至基板上，进而提高基片成膜质量。另外，本发明的磁控溅射环的使用寿命高。

Description

磁控溅射环、磁控溅射环装置及磁控溅射反应器

技术领域

本发明涉及一种磁控溅射环、磁控溅射环装置及磁控溅射反应器。

背景技术

物理气相沉积(PVD，PhysicalVaporDeposition)是电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片，氩离子在电场的作用下加速轰击溅射基台上的靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶材原子(或分子)沉积在基板上成膜，而最终达到对基板表面镀膜的目的。

图1为物理气相沉积中应用磁控溅射环的溅射反应器。请参考图1，该磁控溅射反应器包括具有侧壁114的腔室112，腔室112通常是高真空室，大体上为圆筒形。靶材10被设置在腔室112的上部区域中，且基板118被设置在腔室112的下部区域中。基板118被保持在基座120上，基座120沿圆筒形侧壁的中心轴线TT设置并且与靶材10相对，所述基座120通常包括静电卡盘。靶材10将通过适当的支承构件(未示出)被保持，所述支承构件可包括动力源。可设置上部罩(未示出)以罩住靶材10的边缘。靶材10的材料可包括例如铝、镉、钴、铜、金、铟、钼、镍、铌、钯、铂、铼、钌、银、锡、钽、钛、钨、钒和锌中的一种或多种。这些元素可以以元素、化合物或合金的形式存在。

基板118可包括半导体晶片，例如单晶硅晶片。

溅射材料从靶材10的表面中溅射出来且被导向基板118。溅射材料122由箭头表示。通常情况下，磁控溅射环被设置在腔室112内，安装在靶材10与基板118之间。磁控溅射环装置100包括磁控溅射环101和将磁控溅射环101固定在腔室112的侧壁定位销102。施加在磁控溅射环101上的电流产生的电场通过影响整个溅射腔室的磁场来改进溅射材料122的取向，且引导溅射材料与基板118的上表面相对正交，以提高溅射过程中所形成薄膜的均匀性。

现有技术中，一些溅射材料原子会向磁控溅射环101的内环侧壁聚集，如果磁控溅射环101的内环侧壁光滑，成片的溅射材料原子会以颗粒形式掉落至基板上从而严重影响薄膜质量，因此，会在磁控溅射环101的内表面形成滚花图案，参考图2和图3，滚花图案为呈网格状排列的锥形结构105，从而使得聚集在磁控溅射环上面的溅射材料原子都附着在滚花图案的缝隙处110，防止其以颗粒形式掉落至基板上。另外，磁控溅射环101的材料与靶材10的材料相同，具有滚花图案的磁控溅射环101的内表面上的滚花图案在溅射过程中还会发生溅射，直至磁控溅射环的内表面光滑。

然而，采用现有技术的方法在基片上形成膜层质量不好，磁控溅射环的使用寿命较短。

发明内容

本发明解决的问题是采用现有技术的方法在基片上形成膜层质量不好，磁控溅射环的使用寿命较短。

为解决上述问题，本发明提供了一种磁控溅射环，所述磁控溅射环包括内环侧壁和外环侧壁，所述内环侧壁具有凸台结构。

可选的，所述凸台结构呈网格状排列。

可选的，所述凸台结构为滚花图案。

可选的，所述滚花图案大小为20～80TPI。

可选的，所述凸台的顶面为平面。

可选的，所述凸台顶面为平行四边形平面或多边形平面。

可选的，所述凸台顶面为菱形平面。

可选的，所述凸台的顶面面积小于所述凸台底面面积，所述凸台底面相连。

本发明还提供一种磁控溅射环装置，包括：

如前所述的磁控溅射环；

定位销，设置在所述磁控溅射环的外环侧壁上，磁控溅射环通过定位销固定在磁控溅射腔室的侧壁上。

本发明还提供一种磁控溅射反应器，包括：

真空室，具有围绕中心轴线布置的侧壁；

溅射靶材，被密封到所述真空室的顶部；

基座，沿所述中心轴线布置成与所述溅射靶材相对，用于支撑待处理的基板；及

如前所述的磁控溅射环，所述磁控溅射环位于所述真空室内，并位于所述溅射靶材与所述基座之间。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

相同高度与相同底面积的情况下，凸台结构的体积远大于锥形结构的体积，这样，凸台结构被完全溅射的时间就会延长，而被延长的这段时间内，没有被溅射的凸台结构始终会使磁控溅射环的内环侧壁粗糙，从而可以继续吸附溅射材料原子，从而可以延长溅射材料原子以颗粒形式掉落至基板上的时间。也就是说，在基片成膜的过程中，成片的溅射材料原子不会以颗粒形式掉落至基板上，从而提高成膜质量。凸台结构被完全溅射的时间被延长，相应的，磁控溅射环的使用寿命也就被延长了。

另外，相对于锥形结构，凸台结构没有很细的尖端，因此，当进行溅射工艺的过程中，即使有沉积物(成片的溅射材料原子)附着在凸台结构的顶面，凸台结构的顶面面积较大，很少会发生凸台结构顶部断裂的现象。因此，凸台结构的顶部及其上的沉积物都不会以颗粒形式掉落至基板上，进一步提高了基板的成膜质量，并且进一步延长了磁控溅射环的使用寿命。

本发明还提供了一种磁控溅射环装置，包括：

上述的磁控溅射环；

定位销，设置在所述磁控溅射环的外环侧壁上，磁控溅射环通过定位销固定在磁控溅射腔室的侧壁上。

采用本发明的磁控溅射环装置，可以提高磁控溅射环装置的使用寿命和提高基片成膜质量。

本发明还提供了一种磁控溅射反应器，包括：

真空室，具有围绕中心轴线布置的侧壁；

溅射靶材，被密封到所述真空室的顶部；

基座，沿所述中心轴线布置成与所述溅射靶材相对，用于支撑待处理的基板；及

如上所述的磁控溅射环，所述磁控溅射环位于所述真空室内，并位于所述溅射靶材与所述基座之间。

采用本发明的磁控溅射环反应器，可以提高磁控溅射环装置的使用寿命和提高基片成膜质量。

附图说明

图1是现有技术中物理气相沉积中应用磁控溅射环装置的溅射反应器；

图2是现有技术中的磁控溅射环的内环侧壁的滚花图案的立体结构示意图；

图3是图2沿AA方向的剖面结构示意图；

图4是本发明中具体实施例的磁控溅射环装置的俯视示意图；

图5是本发明中的磁控溅射环的内环侧壁的滚花图案的立体结构示意图；

图6是图4沿BB方向的剖视示意图；

图7是图3和图6的合并对比示意图。

具体实施方式

发明人经过认真的研究和分析发现，采用现有技术的方法在基片上形成膜层质量不好，溅射环的使用寿命较短的原因如下：

磁控溅射环101在使用的过程中，要求磁控溅射环101的内表面上凸出的锥形结构105既能够被溅射，内表面上锥形结构105之间的缝隙101(下凹部分)又具有一定的附着能力，而且附着在锥形结构105之间缝隙处的溅射材料会被再次溅射。对于上述复杂的工艺，现有技术中，在基片上还没有结束成膜的过程之前，凸出的锥形结构105会过早的被完全溅射。这时，溅射环101的内表面相对光滑许多，从而无法有效的附着溅射材料，进而发生成片的溅射材料原子以颗粒形式掉落至基板上，一方面严重的影响基片成膜质量。在基片上成膜的过程中，如果发现有溅射材料原子以颗粒形式掉落至基板的现象，就需要更换磁控溅射环。而现有技术中的溅射环101内表面的锥形结构105很容易被过早的完全溅射，从而会使磁控溅射环101的更换频率较高，因此，现有技术中的磁控溅射环的使用寿命较短。

另外，磁控溅射环101的内环侧壁的凸出的锥形结构105的顶端较细，当进行溅射工艺的过程中，会有由溅射材料组成的沉积物附着在锥形结构105的顶端，锥形结构105顶端的沉积物受到重力的影响，会对较细的锥形结构105的顶端施加重力方向的作用力，此时，锥形结构105的顶端会断裂，连同其上的沉积物一同掉落至基板上，进而会更加严重的影响成膜质量，而且，在基片长成膜的过程中如果出现锥形结构顶部断裂的情况，会使磁控溅射环的使用寿命更加短暂。

为此经过研究，本发明获得了一种磁控溅射环。采用本发明的磁控溅射环可以提高基片上的成膜质量，并且增加磁控溅射环的使用寿命。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。由于本发明重在解释原理，因此，未按比例制图。并且，图中各个部件仅起示意作用，并不对本发明中各个部件的结构起到限定作用。

图4是本发明具体实施例的磁控溅射环装置的俯视示意图。请参考图4：

本实施例中，磁控溅射环201为钽环，包括内环侧壁203和外环侧壁204，内环侧壁203具有滚花图案(参考图5和图6)，外环侧壁204也具有相同的滚花图案(图未示)。本实施例中，磁控溅射环201为圆环，在其他实施例中，也可以为其它形状的环状结构。磁控溅射环201可以为封闭式圆环，也可以为开口式圆环，其中开口式圆环为环状结构中有开口207。本实施例的磁控溅射环为开口式圆环，开口式圆环的设计可以更方便的将磁控溅射环安装至磁控溅射腔室中，因为开口式圆环中的开口设计在磁控溅射环安装过程中能够调节开口两端之间的距离，从而更方便的进行安装。

其他实施例中，外环侧壁的滚花图案与内环侧壁的滚花图案可以不相同，外环侧壁也可以没有滚花图案，都属于本发明的保护范围。

其他实施例中，磁控溅射环也可以为其他材料。例如，钛、铜或铝等。

参考图5至图7，本实施例中，滚花图案为呈网格排列的凸台结构30。每一个凸台结构30包括底面301和顶面302。底面301的面积大于顶面302的面积。底面301的形状与顶面302的形状相同，都为平面。本实施例中，底面301为菱形。相应的，顶面302也为菱形。其他实施例中，底面和顶面也可以为正方形、矩形、长边和宽边不相等的平行四边形多边形。

本实施例中，凸台结构30的底面301互相连接。相邻的凸台结构30之间具有缝隙40。所述滚花图案大小为20～80TPI。凸台结构30的底面宽度W1与底面长度相等，为0.8～3mm，顶面宽度W2与顶面长度相等，为0.2～0.6mm。凸台结构30的高度H为0.25～0.6mm。本实施例中凸台结构30的高度与缝隙40的深度相同。

需要说明的是，其他实施例中，如果凸台结构的顶面与底面都为矩形或者为长边和宽边不等的平行四边形时。顶面的长边和宽边在上述顶面的长度范围内，但是顶面的长边大于宽边；底面的长边和宽边也在上述底面长度范围内，但是底面的长边大于宽边。

滚花图案之所以为上述互相连接的凸台结构30，原因如下：

相同高度与相同底面积的情况下，凸台结构30的体积远大于锥形结构的体积，这样，凸台结构30被完全溅射的时间就会延长，而被延长的这段时间内，没有被溅射的凸台结构始终会使磁控溅射环的内环侧壁粗糙，从而可以继续吸附溅射材料原子，从而可以延长溅射材料原子以颗粒形式掉落至基板上的时间。也就是说，在基片成膜的过程中，成片的溅射材料原子不会以颗粒形式掉落至基板上，从而提高成膜质量。凸台结构30被完全溅射的时间被延长，相应的，磁控溅射环的使用寿命也就被延长了。

另外，相对于锥形结构，凸台结构30没有很细的尖端，因此，当进行溅射工艺进行的过程中，即使有沉积物附着在凸台结构30的顶面，凸台结构30的顶面面积较大，很少会发生凸台结构30顶部断裂的现象。因此，凸台结构30的顶部及其上的沉积物都不会以颗粒形式掉落至基板上，进一步提高了基板的成膜质量，并且进一步延长了磁控溅射环的使用寿命。

更进一步，相对于锥形结构很细的尖端，凸台结构30的顶面也可以吸附溅射材料，从而可以进一步防止成片的溅射材料以颗粒形式掉落至基板上，进而进一步提高了基板的成膜质量和磁控溅射环的使用寿命。

需要说明的是，参考图7，现有技术中，溅射材料只能沉积在锥形结构105之间的缝隙处。本实施例中，相对于现有技术的锥形结构105，虽然相邻的凸台结构30之间的缝隙变小，这样凸台结构30的侧面吸附溅射材料的面积小于锥形结构侧面吸附溅射材料的面积。但是相邻凸台结构30的顶面302也都会吸附溅射材料原子。因此，凸台结构30的侧面积与凸台结构30的顶面积之和大于现有技术中的锥形结构105的侧面积。因此，凸台结构30比锥形结构105吸附更多的溅射材料。

更进一步的，本实施例中，磁控溅射环在使用的过程中，要求溅射环的内表面上凸出的凸台结构既能够被溅射，同时，凸台结构之间的缝隙处(下凹部分)又具有一定的附着能力，甚至还可以使得吸附在在凸台结构之间的缝隙处的沉积物发生再次溅射，发生所述再次溅射的沉积物被溅射掉后，会形成新的缝隙处，这样，又会有新的溅射材料原子沉积在新形成的缝隙处。如此循环下去。因此，本实施例中凸台结构的大小、凸台结构的高度的设计可以以最佳的方式控制磁控溅射环的吸附面积、被溅射体积，从而使基片在成膜的过程中，凸台结构被溅射的程度尽量最小化，而吸附溅射材料原子的程度尽量最大化。因此，可以最大化的延长磁控溅射环的使用寿命、还可以最大化的提高成膜质量。

需要再次说明的是，本实施例中的磁控溅射环上的凸台结构设计还可以使磁控溅射环自身产生的磁场、靶材周围和后面的磁体产生的磁场对溅射材料向基片方向进行聚集收拢的作用增强，也就是说，本实施例中的磁控溅射环可以使得更多的溅射材料原子沉积在基片上，以提高基片成膜效率。

当然，其他实施例中，其他大小的凸台结构也属于本发明的保护范围。

本实施例中，凸台结构的图案采用滚花加工方法形成。其他实施例中，也可以采用其他的机械加工方法形成凸台结构。

本发明还提供了一种磁控溅射环装置，包括：

上述的磁控溅射环；

定位销，设置在所述磁控溅射环的外环侧壁上，磁控溅射环通过定位销固定在磁控溅射腔室的侧壁上。

采用本发明的磁控溅射环装置，可以提高磁控溅射环装置的使用寿命和提高基片成膜质量。

本发明还提供了一种应用前述磁控溅射环装置的溅射反应器。该磁控溅射反应器包括具有侧壁的腔室，腔室通常是高真空室，大体上为圆筒形。靶材被设置在腔室的上部区域中，且基板被设置在腔室的下部区域中。基板被保持在基座上，基座沿圆筒形侧壁的中心轴线设置并且与靶材相对。

上一个实施例中所示的磁控溅射环位于基板上方，并大致会将基板包围在其中央。磁控溅射环的环内侧壁的具有凸台结构的滚花图案可以增加磁控溅射环的被溅射时间，保证磁控溅射环在使用过程的粗糙度，也就是说，磁控溅射环可以继续吸附被溅射材料，从而在基片成膜的过程中，减小成片溅射材料以颗粒形式掉落至基片上的几率，进而提高成膜质量，并且延长磁控溅射环的使用寿命。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种磁控溅射环，所述磁控溅射环包括内环侧壁和外环侧壁，其特征在于，所述内环侧壁具有凸台结构。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射环，其特征在于，所述凸台结构呈网格状排列。

3.根据权利要求1所述的磁控溅射环，其特征在于，所述凸台结构为滚花图案。

4.根据权利要求3所述的磁控溅射环，其特征在于，所述滚花图案大小为20～80TPI。

5.根据权利要求3所述的磁控溅射环，其特征在于，所述凸台的顶面为平面。

6.如权利要求5所述的磁控溅射环，其特征在于，所述凸台顶面为平行四边形平面或多边形平面。

7.如权利要求5所述的磁控溅射环，其特征在于，所述凸台顶面为菱形平面。

8.如权利要求3所述的磁控溅射环，其特征在于，所述凸台的顶面面积小于所述凸台底面面积，所述凸台底面相连。

9.一种磁控溅射环装置，其特征在于，包括：

如权利要求1至8任一项所述的磁控溅射环；

定位销，设置在所述磁控溅射环的外环侧壁上，磁控溅射环通过定位销固定在磁控溅射腔室的侧壁上。

10.一种磁控溅射反应器，其特征在于，包括：

真空室，具有围绕中心轴线布置的侧壁；

溅射靶材，被密封到所述真空室的顶部；

基座，沿所述中心轴线布置成与所述溅射靶材相对，用于支撑待处理的基板；及

如权利要求1至8任一项所述的磁控溅射环，所述磁控溅射环位于所述真空室内，并位于所述溅射靶材与所述基座之间。