CN107447195A - 磁控管及磁控溅射系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种磁控管及磁控溅射系统。所述磁控管可以包括内磁极和外磁极，所述外磁极围绕所述内磁极，所述外磁极与所述内磁极的磁极方向相反，其特征在于，所述磁控管还包括：辅助磁组，所述辅助磁组包括多个磁柱，所述多个磁柱的磁极方向与所述磁控管的磁极方向相同。

Description

磁控管及磁控溅射系统
技术领域
本发明涉及电子工艺设备领域，更具体地，涉及一种具有辅助磁组的磁控管以及应用该磁控管的磁控溅射系统。
背景技术
在电子工艺领域，溅射是指荷能粒子(例如氩离子)轰击固体表面，引起表面各种粒子，如原子、分子或团束从该物体表面逸出的现象。在磁控溅射设备中，等离子体产生于腔室中，等离子体的正离子被阴极负电所吸引，轰击腔室中的靶材，撞出靶材的原子，并沉积到衬底上。在非反应溅射的情况下，气体是惰性气体，例如氩气。在反应溅射中，则采用反应气体和惰性气体一起使用。磁控溅射设备广泛应用于集成电路、液晶显示器、薄膜太阳能及其LED领域。
为了改善溅射的效果，在靶材附近使用了磁控管，它可以迫使等离子中的电子按照一定的轨道运动，增加了电子的运动时间，从而增加了电子和要电离的气体的碰撞的机会，从而得到高密度的等离子体，提供高的沉积速率。同时磁控管所控的电子的轨道会影响不同位置的靶材的侵蚀速率，影响靶材的寿命。同时还会影响薄膜的沉积的均匀性。
图1示出了现有技术的磁控溅射设备的示意图。如图1所示，反应腔室101由腔室主体102和工艺组件108组成，103为被溅射的靶材，104为绝缘材料(例如G10)，绝缘材料104和靶材103中间充满了去离子水107(用于冷却靶材)，磁控管106在电机105的驱动下绕中心轴旋转，109为承载晶片的静电卡盘，110为排气口，连接反应腔室外的真空系统(未示出)。
图2a和图2b分别示出了现有技术的磁控溅射设备的磁控管的俯视图和侧视图，其中，图2b中的箭头表示磁力线。磁控管(Magnetron)是指设置在靶材背部的特定分布的一系列磁体构成的整体机构，磁控管可提供穿过靶材的磁场，在靶材面向真空腔室的一面形成磁场分布。如图2a和图2b所示，该磁控管为圆环型，其内磁极201和外磁极202之间具有相同宽度的间距(gap)203，构成内外磁极的磁铁205通过圆形的孔洞204被夹在上端的由磁性材料(通常为磁性软不锈钢)制成的磁轭(magnetic yoke)206和下端具有由相同磁性材料制成的磁极件(magnetic pole piece)207中间并固定。
图3示出了磁控溅射的原理的示意图。如图3所示，溅射时直流(DC)电源会施加偏压至靶材，使其相对于接地的腔体成为负压。电子在电场的作用下，在飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，产生带正电的氩离子和一个新的电子。电子飞向基片，氩离子在电场的作用下加速飞向阴极靶材，并以高能量足轰击靶材，使靶材发生溅射。
发明人发现，现有技术的磁控溅射设备在靶材表面形成的磁场强度较弱，如需提高磁场强度，则必须使用较高的溅射电压和/或在溅射时维持较高的工艺压力。因此，有必要开发一种能够提高靶材表面磁场强度，以降低溅射电压和/或维持溅射时工艺压力的磁控管以及应用该磁控管的磁控溅射系统。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提出了一种磁控管以及应用该磁控管的磁控溅射系统，其通过设置辅助磁组以改进磁控管的结构，实现降低磁控溅射的溅射电压、工艺启辉压力以及维持溅射时的压力的效果。
根据本发明的一方面，提出了一种磁控管。所述磁控管包括内磁极和外磁极，所述外磁极围绕所述内磁极，所述外磁极与所述内磁极的磁极方向相反；所述磁控管还包括辅助磁组，所述辅助磁组包括多个磁柱，所述多个磁柱的磁极方向与所述磁控管的磁极方向相同。
根据本发明的另一方面，提出了一种磁控溅射系统，所述磁控溅射系统可以采用如上所述的磁控管。
本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了现有技术的磁控溅射设备的示意图。
图2a和图2b分别示出了现有技术的磁控溅射设备的磁控管的俯视图和侧视图，其中，图2b中的箭头表示磁力线的方向。
图3示出了磁控溅射的原理的示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的磁控管的横截面图，其中的箭头表示磁力线的方向。
图5示出了根据本发明的一个实施例的磁控管辅助磁组的结构的示意图。
图6a和图6b分别示出了未设置图5所示的辅助磁组的磁控管和设置有图5所示的辅助磁组的磁控管的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1
图4示出了根据本发明的一个实施例的磁控管的横截面图，其中的箭头表示磁力线的方向。
在该实施例中，根据本发明的磁控管包括内磁极401和外磁极402，所述外磁极402围绕所述内磁极401，所述外磁极402与所述内磁极401的磁极方向相反；根据本发明的磁控管还包括辅助磁组403，所述辅助磁组403包括多个磁柱，所述多个磁柱的磁极方向与所述磁控管的磁极方向相同。
该实施例通过设置辅助磁组以改进磁控管的结构，实现降低磁控溅射的溅射电压、工艺启辉压力以及维持溅射压力的效果。
下面详细说明根据本发明的磁控管的具体结构。
在一个示例中，所述外磁极402围绕所述内磁极401，所述外磁极402与所述内磁极401的磁极方向相反；所述辅助磁组403包括多个磁柱，所述多个磁柱的磁极方向与所述磁控管的磁极方向相同。
在一个示例中，所述辅助磁组403的多个磁柱横向安装在所述内磁极401与所述外磁极402之间
在一个示例中，所述辅助磁组403的多个磁柱横向安装在所述内磁极401和所述外磁极402的下部。
在一个示例中，所述辅助磁组403的多个磁柱的下表面与所述内磁极401和所述外磁极402的下表面齐平。
在一个示例中，所述内磁极401和所述外磁极402可以包括多个磁铁405，通过孔洞404将所述多个磁铁405夹持并固定在上端的磁轭406和下端的磁极件407中间。其中，所述磁轭406和所述磁极件407可以由相同的磁性材料制成。
具体地，如图4所示，构成内外磁极的多个磁铁405通过圆形的孔洞404被夹在上端的由磁性材料(通常为磁性软不锈钢)制成的磁轭406和下端具有相同磁性材料制成的磁极件407中间并固定，辅助磁组403的多个磁柱以相同磁极横向安装在所述内磁极402与所述外磁极401之间，并且位于所述内磁极402和所述外磁极401的下部，所述辅助磁组403的多个磁柱的下表面可以与所述内磁极401和所述外磁极402的下表面齐平。
图2b与图4分别示意性地示出了未添加辅助磁组与添加辅助磁组的情况下的磁力线(图中箭头为磁力线的方向)。由图2b与图4的对比可知，在添加了辅助磁组403后，磁控管两极间的磁场强度增加，从而提高了靶材表面磁场强度，磁场强度的增加可以降低工艺启辉压力及维持溅射压力，同时可以更好的控制溅射过程中的电子，降低了溅射电压以更易维持溅射。
在一个示例中，所述辅助磁组403的多个磁柱可以放置在支撑件上，通过螺丝将所述支撑件固定在所述内磁极402与所述外磁极403之间。
图5示出了根据本发明的一个实施例的磁控管辅助磁组的结构的示意图。如图5所示，辅助磁组的多个磁柱501排放在支撑件上，支撑件用螺丝安装固定在磁控管的内外磁极所夹的等离子体路径之间。然而，本领域技术人员应当理解，根据本发明的磁控管辅助磁组的安装方式以及磁控管的内磁极和外磁极的形状并不限制于此，可以采用本领域所公知的各种方式将辅助磁组安装在内磁极与外磁极之间，磁控管的内磁极和外磁极的形状也可以设置成本领域所公知的各种形状。
图6a和图6b分别示出了未设置图5所示的辅助磁组的磁控管和设置有图5所示的辅助磁组的磁控管的示意图。如图6a和图6b所示，根据本发明的磁控管可以用于磁性靶材材料溅射，在利用图6a所示磁控管用于溅射磁性材料时，由于磁性靶材材料的导磁作用，图6a的磁控管磁场强度较弱，穿过磁性靶材表面的磁场较弱，导致无法启辉，无法形成溅射，在添加图5所示的辅助磁组后(如图6b所示)，增加了磁场强度，可以启辉，并形成溅射。本领域技术人员应当理解，根据本发明的磁控管不仅适用于溅射磁性材料，也可以溅射非磁性材料。
在一个示例中，可以设置所述辅助磁组403的多个磁柱在所述内磁极402与所述外磁极403之间的分布方式以调节溅射薄膜的均匀性。其中，所述辅助磁组403的多个磁柱的分布方式可以为均匀分布。
具体地，根据本发明的磁控管的辅助磁组还可以用于调节溅射薄膜均匀性。通过调整所述辅助磁组403的多个磁柱在所述内磁极402与所述外磁极403之间的分布情况，例如，均匀分布或不均匀分布、稀疏分布或紧密分布等，可以调节磁控管磁场强度的分布以达到调节溅射薄膜均匀性的效果。这样又增加了一种调节薄膜均匀性的方法。
根据本发明的另一方面，提出了一种磁控溅射系统，所述磁控溅射系统可以采用如上所述的磁控管。
根据本发明的磁控管以及应用该磁控管的磁控溅射系统，通过设置辅助磁组以改进磁控管的结构，实现降低磁控溅射的溅射电压、工艺启辉压力以及维持溅射压力的技术效果。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种磁控管，包括内磁极和外磁极，所述外磁极围绕所述内磁极，所述外磁极与所述内磁极的磁极方向相反，
其特征在于，所述磁控管还包括：
辅助磁组，所述辅助磁组包括多个磁柱，所述多个磁柱的磁极方向与所述磁控管的磁极方向相同。
2.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，所述辅助磁组的多个磁柱放置在支撑件上，通过螺丝将所述支撑件固定在所述内磁极与所述外磁极之间。
3.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，所述辅助磁组的多个磁柱横向安装在所述内磁极与所述外磁极之间。
4.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，所述辅助磁组的多个磁柱横向安装在所述内磁极和所述外磁极的下部。
5.根据权利要求4所述的磁控管，其特征在于，所述辅助磁组的多个磁柱的下表面与所述内磁极和所述外磁极的下表面齐平。
6.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，设置所述辅助磁组的多个磁柱在所述内磁极与所述外磁极之间的分布方式以调节溅射薄膜的均匀性。
7.根据权利要求6所述的磁控管，其特征在于，所述辅助磁组的多个磁柱的分布方式为均匀分布。
8.根据权利要求1-6的任意一项所述的磁控管，其特征在于，所述内磁极和所述外磁极包括多个磁铁，通过孔洞将所述多个磁铁夹持并固定位于所述多个磁铁上端的磁轭和位于所述多个磁铁下端的磁极件中间。
9.根据权利要求8所述的磁控管，其特征在于，所述磁轭和所述磁极件由相同的磁性材料制成。
10.一种磁控溅射系统，其特征在于，所述磁控溅射系统采用如权利要求1-9中任意一项所述的磁控管。
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