CN108172396A - 磁性薄膜沉积腔室及薄膜沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁性薄膜沉积腔室及薄膜沉积设备，包括腔室主体，在所述腔室主体的外侧设置有与电源相连的偏置电磁场装置，在腔室主体内设置有基座，用以承载待加工工件；偏置电磁场装置用于在基座上方形成水平磁场，该水平磁场用于在待加工工件上沉积具有面内各向异性的磁性膜层。本发明提供的薄膜沉积腔室，其能够在基座上方形成足以诱发磁性薄膜的面内各向异性的水平磁场。

Description

磁性薄膜沉积腔室及薄膜沉积设备

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种磁性薄膜沉积腔室及薄膜沉积设备。

背景技术

随着技术的发展，集成电路制造工艺已可以显著缩小处理器的尺寸，但是仍然有一些诸如集成电感、噪声抑制器等的核心元器件在高频化、微型化、集成化等方面面临诸多困难。为了解决此问题，具有高磁化强度、高磁导率、高共振频率及高电阻率的软磁薄膜材料引起人们越来越多的关注。

虽然软磁薄膜材料主要考虑其高磁导率、高磁化强度、低矫顽力和低损耗，但是，左右软磁薄膜材料发展的一个主要因素是它的截止频率。而通过调控软磁薄膜的面内单轴各向异性场，可以实现对软磁薄膜材料的截止频率的调节。而调控软磁薄膜的面内单轴各向异性场的一个常用方法是磁场诱导沉积，其具有工艺简单、无需增加工艺步骤、对芯片伤害小等的优点，是工业生产的首选方法。

但是，现有的磁场诱导沉积方法还无法应用到制备磁性薄膜的生产设备中，例如PVD设备。也就是说，现有的薄膜沉积腔室不具有诱发磁性薄膜的面内各向异性的功能。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种磁性薄膜沉积腔室及薄膜沉积设备，其能够在基座上方形成足以诱发磁性薄膜的面内各向异性的水平磁场，不仅满足生产型设备在大尺寸待加工工件上制备具有面内各向异性的磁性膜层的需要，而且对腔室的改进较容易。

为实现本发明的目的而提供一种磁性薄膜沉积腔室，包括腔室主体，在所述腔室主体内设置有基座，用以承载待加工工件，在所述腔室主体的外侧设置有用于与电源相连的偏置电磁场装置；所述偏置电磁场装置用于在所述基座上方形成水平磁场，所述水平磁场用于在所述待加工工件上沉积具有面内各向异性的磁性膜层。

优选地，所述偏置电磁场装置包括第一电磁装置和第二电磁装置；所述第一电磁装置和所述第二电磁装置沿所述基座的径向相对设置；所述第一电磁装置产生的磁场方向自所述腔室主体的外侧向所述腔室主体的内侧，所述第二电磁装置产生的磁场方向自所述腔室主体的内侧朝向所述腔室主体的外侧。

优选地，所述第一电磁装置产生的磁场方向自所述腔室主体的外侧朝向所述腔室主体的内侧倾斜向上，所述第二电磁装置产生的磁场方向自所述腔室主体的内侧朝向所述腔室主体的外侧倾斜向下。

优选地，，所述第一电磁装置产生的磁场方向自所述腔室主体的外侧朝向所述腔室主体的内侧倾斜向下，所述第二电磁装置产生的磁场方向自所述腔室主体的内侧朝向所述腔室主体的外侧倾斜向上。

优选地，所述第一电磁装置和所述第二电磁装置产生的磁场方向平行于所述基座的表面。

优选地，所述第一电磁装置和所述第二电磁装置在腔室横向截面上的长度均大于所述待加工工件的直径。

优选地，所述第一电磁装置包括至少一个第一螺线管，所述第二电磁装置包括至少一个第二螺线管；在所述第一电磁装置包括多个第一螺线管时，多个所述第一螺线管沿所述腔室本体的周向间隔设置；在所述第二电磁装置包括多个第二螺线管时，多个所述第二螺线管沿所述腔室本体的周向间隔设置。

优选地，所述第一螺线管和所述第二螺线管均为矩形螺线管。

优选地，所述第一电磁装置还包括与所述第一螺线管一一对应的支撑件；所述第二电磁装置还包括与所述第二螺线管一一对应的支撑件；所述支撑件采用导磁材料制成；所述第一螺线管和所述第二螺线管缠绕在各自对应的所述支撑件上。

优选地，所述偏置电磁场装置包括一螺线管，所述螺线管的沿垂直其缠绕方向的方向上的两端沿所述基座的径向相对设置。

优选地，所述偏置电磁场装置还包括采用导磁材料制成的支撑件；所述螺线管缠绕在所述支撑件上；所述支撑件的两端沿所述基座的径向相对设置。

优选地，所述支撑件的两端在腔室横向截面上的长度均大于所述待加工工件的直径。

优选地，所述螺线管为矩形螺线管。

优选地，所述支撑件为铁芯。

优选地，所述支撑件的一端面固定在所述腔室主体的侧壁上；所述支撑件的该端面的形状与所述腔室主体的侧壁的形状相同。

作为另外一个技术方案，本发明还提供一种薄膜沉积设备，包括用于沉积磁性膜层的沉积腔室，所述沉积腔室采用本发明提供的上述磁性薄膜沉积腔室。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的磁性薄膜沉积腔室，在腔室主体的外侧且与基座位置相对应处设置有与电源相连的偏置电磁场装置；该偏置电磁场装置用于在基座上方形成水平磁场，该水平磁场用于在待加工工件上沉积具有面内各向异性的磁性膜层，从而满足生产型设备在大尺寸待加工工件上制备具有面内各向异性的磁性膜层的需要；并且，该偏置电磁场装置可直接设置在腔室主体的外侧，因此，不需要对腔室的内部空间进行复杂改进，从而对腔室的改进较容易。

本发明提供的薄膜沉积设备，其通过采用本发明提供的上述磁性薄膜沉积腔室，可以在待加工工件上沉积具有面内各向异性的磁性膜层，且结构简单。

附图说明

图1a为本发明实施例提供的磁性薄膜沉积腔室的结构示意图；

图1b为采用图1a所示的磁性薄膜沉积腔室沉积的磁性薄膜的磁畴方向示意图；

图2a为图1a中第一种偏置电磁场装置的俯视图；

图2b为图1a中第一种偏置电磁场装置的轴向剖视图；

图3为图1a中第二种偏置电磁场装置的示意图；

图4为图1a中第三种偏置电磁场装置的示意图；

图5为图1a中第四种偏置电磁场装置的示意图；

图6为图1a中第五种偏置电磁场装置的示意图；

图7为图1a中第六种偏置电磁场装置的示意图。

其中，附图标记包括：

1，腔室主体；2，基座；10，待加工工件；3，偏置电磁场装置；31，第一电磁装置；311，第一螺线管；32，第二电磁装置；321，第二螺线管；L1，第一螺线管产生的磁场方向；L2，第二螺线管产生的磁场方向；312，第一螺线管对应的支撑件；322，第二螺线管对应的支撑件；33，螺线管；34，螺线管对应的支撑件；H，第一电磁装置、第二电磁装置或支撑件的两端在腔室横向截面上的长度；D，待加工工件的直径。

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，下面结合附图来对本发明提供的磁性薄膜沉积腔室及薄膜沉积设备进行详细描述。

实施例1

图1a为本发明实施例提供的磁性薄膜沉积腔室的剖视图；请参阅图1a，本发明实施例提供的磁性薄膜沉积腔室，包括腔室主体1，在腔室主体1内设置有基座2，用以承载待加工工件10，在腔室主体1的外侧设置有与电源相连的偏置电磁场装置3；偏置电磁场装置3用于在基座2上方形成水平磁场，水平磁场用于在待加工工件10上沉积具有面内各向异性的磁性膜层。

在本发明中，采用偏置电磁场装置来实现一定磁场强度的水平磁场(例如，50Gs-300Gs)，这样，在进行工艺时，沉积在待加工工件表面上的磁性材料的磁畴沿水平方向排列，从而能够在磁畴排列方向上形成易磁化场，而在与磁畴排列方向相互垂直的方向上形成难磁化场，即，形成面内各向异性场，进而获得面内各向异性的磁性薄膜，能够适用于在尺寸较大的待加工工件(例如8寸或12寸晶片)制备具有面内各向异性的磁性薄膜；并且，该偏置电磁场装置可直接设置在腔室主体的外侧，因此，不需要对腔室的内部空间进行复杂改进，从而对腔室的改进较容易。

具体地，请参阅图1b，若控制偏置电磁场装置使水平磁场的方向自基座2的左侧到基座2的右侧，则沉积的磁性薄膜的磁畴方向应该为图1b中的第1层和第2层所示；若控制偏置电磁场装置使该水平磁场方向自基座2的右侧到基座2的左侧，则沉积的磁性薄膜的磁畴方向应该为图1b中的第3层所示。

在本实施例中，请参阅图2a和图2b，偏置电磁场装置包括第一电磁装置31和第二电磁装置32；第一电磁装置31和第二电磁装置32沿基座2的径向相对设置；第一电磁装置31产生的磁场方向L1自腔室主体1的外侧向腔室主体1的内侧，第二电磁装置32产生的磁场方向L2自腔室主体1的内侧朝向腔室主体1的外侧，在此情况下，该第一电磁装置31所形成磁场的N极位于腔室主体1内，第二电磁装置32所形成磁场的S极位于腔室主体1内，这样，该N极和S极相互吸引，可在基座2上方产生水平磁场。

作为一个具体实施例，如图2a和图2b所示，第一电磁装置31包括一个第一螺线管311，第二电磁装置32包括一个第二螺线管321。第一螺线管311产生的磁场方向L1和第二螺线管321产生的磁场方向L2平行于基座2的表面，这样，使得二者产生的磁场方向L1和L2沿图2a和图2b中的水平方向且在一条直线上，该第一螺线管311产生磁场的N极在腔室主体1内，第二螺线管321产生磁场的S极在腔室主体1内，这样，该N极和S极相互吸引力强，水平磁力线密度最大，从而可以得到强度最大的水平磁场。

再作为一个具体实施例，如图3所示，第一电磁装置31包括一个第一螺线管311，第二电磁装置32包括一个第二螺线管321。第一电磁装置31(即，第一螺线管311)产生的磁场方向L1自腔室主体1的外侧朝向腔室主体1的内侧倾斜向上，第二电磁装置32(即，第二螺线管321)产生的磁场方向L2自腔室主体1的内侧朝向腔室主体1的外侧倾斜向下，在此情况下，第一螺线管311产生的N极在腔室主体1内，第二螺线管321产生的S极在腔室主体1内，同样地，该N极和S极能够相互吸引，可在基座2上方产生水平磁场。

再作为一个具体实施例，如图4所示，第一电磁装置31包括一个第一螺线管311，第二电磁装置32包括一个第二螺线管321。第一电磁装置31(即，第一螺线管311)产生的磁场方向L1自腔室主体1的外侧朝向腔室主体1的内侧倾斜向下，第二电磁装置32(即，第一螺线管312)产生的磁场方向L2自腔室主体1的内侧朝向腔室主体1的外侧倾斜向上，在这种情况下，第一螺线管311产生的N极在腔室主体1内，第二螺线管321产生的S极在腔室主体1内，同样地，该N极和S极也能够相互吸引，可在基座2上方产生水平磁场。

再作为一个具体实施例，如图5所示，第一电磁装置31包括多个第一螺线管311，多个第一螺线管311沿腔室本体1的周向间隔分布设置；第二电磁装置32包括多个第二螺线管321，多个第二螺线管321沿腔室本体1的周向间隔设置。

具体地，如图5所示，第一电磁装置31包括5个第一螺线管311，第二电磁装置包括5个第二螺线管321，第一螺线管311和第二螺线管321的数量相等，且二者一一对应地沿基座2的径向相对设置。

在此说明的是，在图5所示实施例中，虽然每个第一螺线管311和每个第二螺线管321产生的磁场方向L1和L2均平行于基座2的表面(即，沿水平方向)，但是，本实施例并不局限于此，在实际应用中，磁场方向L1和L2也可以朝向如图3和图4所示，在此不再赘述。

在上述所有的具体实施例中，优选地，第一电磁装置31还包括与第一螺线管311一一对应的支撑件312，第二电磁装置32还包括与第二螺线管321一一对应的支撑件322，如图2a-图5所示，其中，支撑件312和322固定在腔室主体1的侧壁上；支撑件312和322采用导磁材料制成；第一螺线管311和第二螺线管321缠绕在各自对应的支撑件312和322上。可以理解，借助采用导磁材料制成的支撑件312和322，不仅便于固定放置第一螺线管311和第二螺线管321，而且还可以增强每个第一螺线管311和第二螺线管321产生的磁场强度，因此，在一定磁场强度下可以相应地减小第一螺线管311和第二螺线管321的尺寸。

在上述所有的具体实施例中，优选地，第一电磁装置31和第二电磁装置32在腔室横向截面上的长度H大于待加工工件10的直径D，这样可以确保待加工工件10的整个表面完全处于产生的水平磁场内，从而可以使得待加工工件的整个表面均可获得质量较好面内各向异性的磁性薄膜。

在上述所有的具体实施例中，进一步优选地，支撑件312和322为铁芯，这样可以很好地增强每个第一螺线管311和第二螺线管321产生的磁场强度。

在上述所有的具体实施例中，还优选地，第一螺线管311和第二螺线管321均为矩形螺线管，这是因为：在满足其长度H大于待加工工件10的直径D的情形下，矩形螺线管的尺寸小于椭圆、圆形等螺线管的尺寸，因此，采用矩形螺线管尺寸较小且易于安装，降低设备运营成本。当然,本发明并不局限于此，还可以为诸如圆形、椭圆形等螺线管。

在上述所有的具体实施例中，优选地，支撑件312和322的一端面固定在腔室主体1的侧壁上，支撑件312和322的该端面形状与腔室主体1的侧壁形状相同，在本实施例中，二者均为圆弧状。

需要说明的是，在上述所有的具体实施例中，第一电磁装置31和第二电磁装置32产生的磁场方向与下述因素有关：其一，支撑体312和322的设置方向；其二，第一螺线管311和第二螺线管312在支撑体312和322上的缠绕方向；其三，第一螺线管311和第二螺线管312通入的电流方向。具体地，请参阅图2a和图2b，支撑体312和322沿水平方向设置，第一螺线管311和第二螺线管312沿其长度方向缠绕，这样，基于右手法则，根据顺时针或逆时针缠绕方向以及通入的电流方向即可确定磁场方向是自腔室本体1内侧朝向外侧，还是自腔室本体1外侧朝向内侧。同理，在图3所示实施例中，支撑体312和322沿朝向腔室本体1内侧倾斜向上设置，第一螺线管311和第二螺线管312沿其长度方向缠绕，同样地，基于右手法则，根据顺时针或逆时针缠绕方向以及通入的电流方向即可确定磁场方向是自腔室本体1内侧朝向外侧，还是自腔室本体1外侧朝向内侧。其他实施例与图2a和图3所示实施例相类似，在此不再一一赘述。

还需要说明的是，上述多个具体实施例中，第一电磁装置31包括第一螺线管311的数量和第二电磁装置32的第二螺线管321的数量均相同，要不均为一个，要不均为多个；但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，二者还可以不同，如图6所示。

实施例2

图7为本发明实施例2提供的磁性薄膜沉积腔室的结构示意图，请参阅图7，本实施例提供的磁性薄膜沉积腔室与上述实施例1提供的磁性薄膜沉积腔室相类似，同样包括腔室主体1、基座2和偏置电磁场装置3，由于腔室主体1、基座2和偏置电磁场装置3的位置关系在上述实施例1中已经有了详细地描述，在此不再赘述。

下面仅描述二者的不同点，具体地：偏置电磁场装置3包括一螺线管33，螺线管33的沿垂直其缠绕方向的方向上的两端沿基座2的径向相对设置。具体地，如图7所示，螺线管33的下端产生的磁场方向L1自腔室本体1的外侧向腔室本体1的内侧，上端产生的磁场方向L2自腔室本体1的内侧向腔室本体1的外侧，这样，螺线管33的下端产生磁场的N极位于腔室本体1内，上端产生磁场的S极位于腔室本体1内，该S极和N极相互吸引在基座2上方形成水平磁场。这与上述实施1相比，利用该一个螺线管33即可形成水平磁场，因此可以简化偏置电磁场装置3的结构。

优选地，偏置电磁场装置3还包括采用导磁材料制成的支撑件34；螺线管33缠绕在支撑件34上；支撑件34的两端沿基座2的径向相对设置，支撑件34可以作为螺线管33产生的磁场的磁通道，利用磁通道可以使得螺线管33产生的磁场较完全地被利用(即，很好地减小偏置电磁场装置3的漏磁)，这与图2a-图6所示的实施例相比，在产生的水平磁场强度大小一致的情况下，图7所示的螺线管33的尺寸小于图2-图4中第一螺线管311和第二螺线管321之和，从而可以降低设备成本和运行成本

优选地，如图7所示，支撑件34的两端在腔室横向截面上的长度H均大于待加工工件的直径D。

优选地，螺线管33为矩形螺线管。

优选地，支撑件34为铁芯。

优选地，支撑件33的一端面固定在腔室主体1的侧壁上；支撑件33的该端面的形状与腔室主体1的侧壁的形状相同，在此二者具有圆弧状。

实施例3

作为另一个技术方案，本发明还提供一种薄膜沉积设备，其包括用于沉积磁性膜层的沉积腔室，述沉积腔室采用本发明上述提供的磁性薄膜沉积腔室。

本发明提供的薄膜沉积设备，其通过采用本发明提供的上述磁性薄膜沉积腔室，可以在待加工工件10上沉积具有面内各向异性的磁性膜层，从而有利于扩大磁性薄膜的应用频率，满足生产型设备的需要。

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 (16)

1.一种磁性薄膜沉积腔室，包括腔室主体，在所述腔室主体内设置有基座，用以承载待加工工件，其特征在于，在所述腔室主体的外侧设置有用于与电源相连的偏置电磁场装置；

所述偏置电磁场装置用于在所述基座上方形成水平磁场，所述水平磁场用于在所述待加工工件上沉积具有面内各向异性的磁性膜层。

2.根据权利要求1所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述偏置电磁场装置包括第一电磁装置和第二电磁装置；

所述第一电磁装置和所述第二电磁装置沿所述基座的径向相对设置；

所述第一电磁装置产生的磁场方向自所述腔室主体的外侧向所述腔室主体的内侧，所述第二电磁装置产生的磁场方向自所述腔室主体的内侧朝向所述腔室主体的外侧。

3.根据权利要求2所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述第一电磁装置产生的磁场方向自所述腔室主体的外侧朝向所述腔室主体的内侧倾斜向上，所述第二电磁装置产生的磁场方向自所述腔室主体的内侧朝向所述腔室主体的外侧倾斜向下。

4.根据权利要求2所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述第一电磁装置产生的磁场方向自所述腔室主体的外侧朝向所述腔室主体的内侧倾斜向下，所述第二电磁装置产生的磁场方向自所述腔室主体的内侧朝向所述腔室主体的外侧倾斜向上。

5.根据权利要求2所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述第一电磁装置和所述第二电磁装置产生的磁场方向平行于所述基座的表面。

6.根据权利要求2所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述第一电磁装置和所述第二电磁装置在腔室横向截面上的长度均大于所述待加工工件的直径。

7.根据权利要求2所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述第一电磁装置包括至少一个第一螺线管，所述第二电磁装置包括至少一个第二螺线管；

在所述第一电磁装置包括多个第一螺线管时，多个所述第一螺线管沿所述腔室本体的周向间隔设置；

在所述第二电磁装置包括多个第二螺线管时，多个所述第二螺线管沿所述腔室本体的周向间隔设置。

8.根据权利要求7所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述第一螺线管和所述第二螺线管均为矩形螺线管。

9.根据权利要求7所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述第一电磁装置还包括与所述第一螺线管一一对应的支撑件；

所述第二电磁装置还包括与所述第二螺线管一一对应的支撑件；

所述支撑件采用导磁材料制成；

所述第一螺线管和所述第二螺线管缠绕在各自对应的所述支撑件上。

10.根据权利要求1所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述偏置电磁场装置包括一螺线管，所述螺线管的沿垂直其缠绕方向的方向上的两端沿所述基座的径向相对设置。

11.根据权利要求10所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述偏置电磁场装置还包括采用导磁材料制成的支撑件；

所述螺线管缠绕在所述支撑件上；

所述支撑件的两端沿所述基座的径向相对设置。

12.根据权利要求11所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述支撑件的两端在腔室横向截面上的长度均大于所述待加工工件的直径。

13.根据权利要求10所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述螺线管为矩形螺线管。

14.根据权利要求9或11所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述支撑件为铁芯。

15.根据权利要求14所述的磁性薄膜沉积腔室，其特征在于，所述支撑件的一端面固定在所述腔室主体的侧壁上；

所述支撑件的该端面的形状与所述腔室主体的侧壁的形状相同。

16.一种薄膜沉积设备，包括用于沉积磁性膜层的沉积腔室，其特征在于，所述沉积腔室采用权利要求1-15任意一项所述的磁性薄膜沉积腔室。