CN113737143A - 磁控溅射装置 - Google Patents

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CN113737143A
CN113737143A CN202110974497.7A CN202110974497A CN113737143A CN 113737143 A CN113737143 A CN 113737143A CN 202110974497 A CN202110974497 A CN 202110974497A CN 113737143 A CN113737143 A CN 113737143A
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张汝康
孙佳琦
王国峰
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Beihai Huike Semiconductor Technology Co Ltd
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Beihai Huike Semiconductor Technology Co Ltd
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Abstract

本申请公开了一种磁控溅射装置，所述磁控溅射装置包括溅射腔体、基台、磁场调节装置和靶材；基台设置在溅射腔体内，用于放置基片；磁场调节装置设置在溅射腔体内，与基台相对设置；靶材设置在基台与磁场调节装置之间；磁场调节装置包括第一腔体、第一磁体结构和第二磁体结构，第一磁体结构包括至少两个定磁铁以及磁体旋转结构，相邻的两个定磁铁靠近所述靶材一端的极性相反，磁体旋转结构带动定磁铁进行旋转；第二磁体结构设置在溅射腔体外，第二磁体结构包括线圈，线圈围绕第一磁体结构设置。第二磁体结构可以调节腔室内磁场分布，无需调节原有磁铁与靶材的间距，使得镀膜更加均匀的同时节省调节时间，且在溅射腔体外调节更加方便。

Description

磁控溅射装置
技术领域
本申请涉及溅射技术领域，尤其涉及一种磁控溅射装置。
背景技术
磁控溅射装置被广泛应用于集成电路的加工，磁控溅射镀膜是在二极直流溅射的基础上在靶材上方施加正交的电磁场，通过磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，增大电子与氩气撞击的概率，提高气体离化率和溅射产率的一种方法。
由于其优良的可控性和膜层结合力，被广泛应用于半导体制造工艺中。在薄膜的诸多特性中，均匀性是衡量薄膜质量和机台性能的一项重要指标，薄膜均匀性与很多因素有关，包括气体均匀性、磁场均匀性和靶基间距等；通过调整磁铁—靶材间距离，来改变腔室内的磁场分布可以起到调节镀膜均匀性的作用，但磁铁—靶材间距的可调范围有限，而且操作时间和后续恢复时间较长。
发明内容
本申请的目的是提供一种磁控溅射装置，通过增加新的磁场来调节腔室内磁场分布，以使得镀膜均匀。
本申请公开了一种磁控溅射装置，所述磁控溅射装置包括溅射腔体、基台、磁场调节装置和靶材；所述基台用于放置基片；所述靶材与所述基台相对设置；所述磁场调节器设置在所述靶材远离所述基台的一面；所述溅射腔体用于密封所述基台、靶材和磁场调节器；所述磁场调节装置包括第一磁体结构、第一腔体和第二磁体结构，所述第一磁体结构包括至少两个定磁铁以及磁体旋转结构，相邻的两个所述定磁铁靠近所述靶材一端的极性相反，所述磁体旋转结构带动所述定磁铁进行旋转；所述第一腔体内设置有冷却液体，所述冷却液体和第一磁体结构密封在所述第一腔体内；所述第二磁体结构设置在所述溅射腔体外，所述第二磁体结构包括线圈，所述线圈围绕所述第一磁体结构设置。
可选的，所述溅射腔体包括与所述基台平行的第一溅射腔室壁和第二溅射腔室壁，所述第一溅射腔室壁和所述第二溅射腔室壁相对，所述第一溅射腔室壁与所述基台距离大于所述第二溅射腔室壁与所述基台的距离，所述线圈设置在所述第一溅射腔室壁的下方。
可选的，所述线圈设置在所述基台远离所述靶材的一面，所述线圈的内径大于所述基片的直径，所述线圈的中心与所述靶材的中心一致。
可选的，所述线圈的顶部紧贴所述第一溅射腔室壁设置，所述第一溅射腔室壁上设有固定结构，所述固定结构用于固定所述线圈。
可选的，所述第一溅射腔室壁设置有开口，所述第一腔体通过所述开口嵌入所述溅射腔体，所述第一腔体包括盖板，所述盖板用于密封所述第一腔体和所述溅射腔体，所述线圈紧挨所述盖板设置，所述第一腔体包括防护罩，所述第一腔体的防护罩分别沿所述溅射腔体的两侧壁弯折形成弯折部，所述弯折部紧贴所述第一溅射腔室壁，所述盖板沿所述弯折部分密封；所述磁体旋转结构包括转轴，所述盖板包括开口，所述转轴通过所述开口穿过所述盖板深入到所述第一腔体内，所述线圈的中心与所述磁体旋转结构转动的圆心重合，所述转轴从所述线圈中间穿过。
可选的，所述第二磁体结构包括底座，所述溅射腔体外围设有一个外围腔，所述底座设置在所述外围腔内，所述底座与所述基台固定连接。
可选的，所述线圈紧挨所述基台设置。
可选的，所述第二磁体结构包括可调直流稳压电源和导线，所述可调直流稳压电源设置在所述溅射腔体外；所述导线连接所述线圈和所述可调直流稳压电源，所述导线外设置有绝缘保护层；其中，所述可调直流稳压电源通过所述导线为所述线圈提供直流电。
可选的，所述第二磁体结构包括绝缘支架，所述绝缘支架与所述底座固定连接；所述线圈设置有至少两圈，所述绝缘支架设置在所述两圈所述线圈之间。
可选的，所述溅射装置还包括靶材基座，所述靶材基座设置在所述盖板远离所述靶材的一面上，所述绝缘支架与所述靶材基座固定连接。
相对于通过调节靶材与定磁铁的间距的方案来说，本申请新增一个在所述靶材表面能够产生大量与所述靶材表面相垂直的磁力线，使得整个磁场调节器的磁场更加均匀，靶材上面的靶原子可以均匀得沉积到基片上，如此不需要调节靶材与原磁铁的间距，避免调节时间和后续恢复时间过长，且提供第二磁场来调节腔室内磁场分布，来控制镀膜均匀性。
附图说明
所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本申请的第一实施例的一种磁控溅射装置的结构示意图；
图2是本申请的第二实施例的一种磁控溅射装置的结构示意图；
图3是本申请的第三实施例的一种磁控溅射装置的结构示意图。
其中，100、磁控溅射装置；110、溅射腔体；111、第一溅射腔室壁；112、第二溅射腔室壁；120、基台；121、基片；130、靶材；200、磁场调节装置；210、第一磁体结构；211、定磁铁；212、磁体旋转结构；213、转轴；214、定磁铁固定结构；220、第二磁体结构；221、线圈；222、可调直流稳压电源；224、导线；225、绝缘支架；226、固定结构；230、第一腔体；231、冷却液体；232、盖板；233、背板；234、靶材基座；235、第一开口；236、第二开口；260、第三磁体结构；270、外围腔。
具体实施方式
需要理解的是，这里所使用的术语、公开的具体结构和功能细节，仅仅是为了描述具体实施例，是代表性的，但是本申请可以通过许多替换形式来具体实现，不应被解释成仅受限于这里所阐述的实施例。
在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示相对重要性，或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，除非另有说明，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；“多个”的含义是两个或两个以上。术语“包括”及其任何变形，意为不排他的包含，可能存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
另外，“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系的术语，是基于附图所示的方位或相对位置关系描述的，仅是为了便于描述本申请的简化描述，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面参考附图和可选的实施例对本申请作详细说明，需要说明的是,在不相冲突的前提下,以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
图1是本申请的第一实施例的一种磁控溅射装置的结构示意图；作为本申请的第一实施例，公开了一种磁控溅射装置，如图1所示，所述磁控溅射装置100包括溅射腔体110、基台120、磁场调节装置200和靶材130，所述基台120设置在所述溅射腔体110内，用于放置基片121；所述磁场调节装置200设置在所述溅射腔体110内，与所述基台120相对设置；所述靶材130设置在所述基台120与所述磁场调节装置200之间，与所述基台120相对设置；溅射腔体110密封磁场基台120以及靶材130等，溅射腔体为真空状态，确保溅射在密封腔体内进行，防止靶材130上的靶原子飞出溅射腔体110外。
其中，所述磁场调节装置200包括第一磁体结构210和第二磁体结构220，第一磁体结构210包括至少两个定磁铁211以及磁体旋转结构212，相邻的两个所述定磁铁211靠近所述靶材130一端的极性相反，所述磁体旋转结构212带动所述定磁铁211进行旋转；所述第一腔体230内设置有冷却液体231，所述冷却液体231和第一磁体结构210密封在所述第一腔体230内；第二磁体结构220设置在所述溅射腔体110外，所述第二磁体结构220包括线圈221，所述线圈221围绕所述第一磁体结构210设置。
关于第一磁体结构210如何通电产生电磁场，下面进行说明，所述第二磁体结构220包括可调直流稳压电源222和导线224；所述可调直流稳压电源222设置在所述溅射腔体110外；所述导线224连接所述线圈221和所述可调直流稳压电源222的输出端；其中，所述可调直流稳压电源222为通过所述导线224为所述线圈221提供直流电；由可调直流稳压电源222产生的电流流经真空密封插头通过导线224传导作用在铜质线圈221上产生电磁场，通过调节可调直流稳压电源222的电流改变铜制线圈221产生的电磁场，与定磁铁211的磁场共同作用在腔室内部起到调整溅镀区磁场的作用，来控制镀膜均匀性。
具体的，所述第一磁体结构210在所述靶材130表面产生有大量与所述基台120表面相平行的磁力线；所述第二磁体结构220在所述基台120表面产生有大量与所述基台120表面相垂直的磁力线；其中，所述第二磁体结构220设置在所述溅射腔体110外，通过在溅射腔体110外设置第二磁体结构220，从而增加一个磁场，与第一磁体结构210结合使用，第二磁场调节所述溅射腔体110内的磁场分布，设置两个磁场配合使用，与单使用一个定磁铁211磁场相比，在控制镀膜均匀性的方式上具有更好的效果，而且第二磁体结构220设置在溅射腔体110外，安装更换都十分方便；为防止溅镀产生的离子和二次电子对铜制线圈221、导线224和真空电极的污染，在铜制线圈221和导线224添加防护罩，防护罩内的腔体为外围腔270、溅射腔体设置在外围腔270内；溅射腔体110和盖板232之间均有胶圈密封，维持真空度。
通常单独使用一个定磁铁211磁场时，控制镀膜均匀性需要通过调节靶材130与定磁铁211的间距，从而改变腔室内的磁场分布，进而束缚电子围绕靶面做螺线运动，增大电子与氩气撞击的概率，从而提高气体离化和溅射产量，使镀膜均匀性达到需求，但如此使用，因定磁铁211与靶材130之间的可调范围有限，且调节范围的操作时间长，后续恢复时间长，较为不便；而使用第二磁体结构220与第一磁体结构210相配合，所述第二磁体结构220在所述基台120表面产生与所述基台120表面相垂直的第二磁场，与第一磁体结构210产生的第一磁场相结合使用，控制第二磁场从而影响第一磁场，从而进行调节所述基台120周围的磁场分布，实现镀膜均匀性的控制，脱离了磁铁与靶材130之间的距离限制，且调节时间短，操作方便。
考虑到第二磁体结构220使用时间长会出现耗损或规格远超所需时，所述第二磁体结构220设置在所述溅射腔体110外，可方便更换所述第二磁体结构220；另外，所述溅射腔体110包括与所述基台120平行的第一溅射腔室壁111和所述第二溅射腔室壁112，所述第一溅射腔室壁111和所述第二溅射腔室壁112相对，所述第一溅射腔室壁111与所述基台120距离大于所述第二溅射腔室壁112与所述基台120的距离，所述第二磁体结构220设置在所述第一溅射腔室壁111的下方，所述第二磁体结构220所产生的所述第二磁场为静态稳定的磁场，沉积的薄膜较薄，也可以获得厚度均匀的薄膜。
进一步的，所述靶材130为圆形，所述第二磁体结构220包括线圈221，所述线圈221的内径大于所述基片121的直径，以确保所述第二磁体结构220产生的所述第二磁场可覆盖所述基片121，从而更好的实现镀膜均匀性的控制，所述线圈221的中心与所述靶材130的中心一致，以确保所述第二磁体结构220产生的所述第二磁场可覆盖所述靶材130，其中，所述靶材130形状并不局限于圆形，亦可为矩形、三角形、六边形等其他结构，所述线圈221的中心与所述靶材130的中心也可不一致设置，符合所述靶材130可被所述第二磁体结构220产生的所述第二磁场覆盖即可；所述线圈221的内径大于所述靶材130的直径，所述线圈221的内径大于所述靶材130的直径和所述基片121的直径，从而使得所述第二磁体结构220产生的所述第二磁场覆盖所述靶材130和所述基片121，以使磁控溅射镀膜的效果更好，所述靶材130和所述基片121的利用率更高。
为了对第二磁体结构220进行保护，所述磁场调节装置200还包括具有密封作用的第一腔体230，所述第一磁体结构210设置在所述第一腔体230内，所述第一腔体230内设有冷却液体231，其中，在本实施例中，所述冷却液体231为冷却循环水，所述第一磁体结构210的直径小于所述第一腔体230的直径，所述线圈221的内径大于所述第一腔体230的直径，从而使得所述第二磁体结构220产生的磁场可覆盖所述第一磁体机构所产生的磁场。
另外关于靶材130的放置，通常所述靶材130设置在所述第一腔体230正对所述基台120的一面上，所述靶材130的直径小于等于所述第一腔体230的直径，以使所述靶材130可被所述第二磁体结构220产生的磁场和所述第一磁体结构210产生的磁场所覆盖。
作为本实施的进一步细化，所述第一溅射腔室壁111设置有第一开口235，所述第一腔体230通过所述第一开口235嵌入所述溅射腔体110，所述第一腔体230包括盖板232，所述盖板232用于密封所述第一腔体230和所述溅射腔体110，所述线圈221围绕所述盖板232设置；所述线圈221紧挨所述盖板232设置，所述第一腔体230的防护罩分别沿所述溅射腔体110的两侧壁弯折形成弯折部，所述弯折部紧贴所述第一溅射腔室壁111，所述盖板232沿所述弯折部分密封，通过使用所述弯折部和所述盖板232，将所述第一腔体230固定于所述第一溅射腔室壁111的第一开口235处；所述磁体旋转结构212包括转轴213，所述盖板232包括第二开口236，所述转轴213通过所述第二开口236穿过所述盖板232深入到所述第一腔体230内，所述线圈221的中心与所述磁体旋转结构212转动的圆心重合，所述转轴213从所述线圈221中间穿过，保证整体的密封效果。
在安装线圈221的时候，所述线圈221的顶部紧贴所述第一溅射腔室壁111设置，所述第一溅射腔室壁111上设有固定结构226，所述固定结构226用于固定所述线圈221，以使所述线圈221与所述第一溅射腔室壁111紧贴设置，从而提高了所述第二磁体结构220所产生的所述第二磁场的利用率，使所述第二磁场覆盖所述第一磁场的覆盖率更高；所述磁控溅射装置100还包括包括还绝缘支架225和靶材基座234，所述靶材基座234设置在所述盖板232远离所述靶材130的一面上，所述绝缘支架225与所述固定结构226以及靶材基座234固定连接；所述线圈221设置有至少两圈，所述绝缘支架225设置在所述两圈所述线圈221之间。
图2是本申请的第二实施例的一种磁控溅射装置的结构示意图；与上述第一实施例不同的是，第二磁体结构220设置第一磁体结构210的上方，如图2所示，所述溅射腔体110还包括与所述基台120平行的第二溅射腔室壁112，所述第一溅射腔室壁111和所述第二溅射腔室壁112相对，所述第一溅射腔室壁111与所述基台120距离大于所述第二溅射腔室壁112与所述基台120的距离，所述第二磁体结构220设置在所述基台120的上方。
为了保证溅射过程中，第二磁体结构220的稳定性，所述第二磁体结构220包括底座，所述底座与所述固定结构226线圈221固定连接，固定结构226用于固定线圈221，绝缘支架225与固定结构226固定连接，并用于支撑所述线圈221；所述底座与所述基台120固定连接，所述溅射腔体110外围设有一个外围腔270，所述底座设置在所述外围腔270内，所述线圈221紧挨所述基台120设置，一般的线圈的底部高度与基台的顶部高度距离在0-2cm，即线圈的底部与基台的顶部可以相互接触在同一水平面，当然也可以保持一定的距离，具体可根据溅射腔体的空间大小进行设定，并不仅限于在2cm之内；一般的，保持线圈221与靶材130的距离更近，如此第二磁体结构220产生的磁场可以更好的影响调节第一磁体结构210产生的磁场。
图3是本申请的第三实施例的一种磁控溅射装置的结构示意图作为本申请的第三实施例，在第二实施例的基础上，除了设置偶第二磁体结构220外，所述磁控器还包括第三磁体结构260，所述磁控器还包括第三磁体结构260，所述第三磁体结构260设置在所述第一溅射腔室壁111的下方，在溅射腔体110的上下都设有电磁铁，可以进一步控制磁场范围的大小以及均匀度，另外两个磁体结构中的线圈221分别独立控制。
而为了消除第一磁体结构210和第二磁体结构220和第三磁体结构260之间的磁场干扰，将第一磁体结构210放置与所述磁控器中一密封的第一腔体230中，所述第一磁体结构210设置在所述第一腔体230内，所述第一腔体230内设有冷却液体231，所述第一磁体结构210的直径小于所述第一腔体230的直径，设置在第一溅射腔室壁111下方的第二磁体结构220的线圈221的内径大于所述第一腔体230的直径；所述靶材130设置在所述第一腔体230正对所述基台120的一面上，所述靶材130的直径小于等于所述第一腔体230的直径；所述第一线圈221围绕所述基台120设置；所述第一溅射腔室壁111设置有开口，所述第一腔体230通过所述开口嵌入所述溅射腔体110，所述第一腔体230包括盖板232，所述盖板232用于密封所述第一腔体230和所述溅射腔体110，完全将第一磁体结构210与第二磁体结构220以及第三磁体结构260进行隔绝。
以上内容是结合具体的可选实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁控溅射装置，其特征在于，包括：
基台，用于放置基片；
靶材，与所述基台相对设置；
磁场调节器，设置在所述靶材远离所述基台的一面；以及
溅射腔体，用于密封所述基台和靶材；
其中，所述磁场调节器包括：
第一磁体结构，包括至少两个定磁铁以及磁体旋转结构，相邻的两个所述定磁铁靠近所述靶材一端的极性相反，所述磁体旋转结构带动所述定磁铁进行旋转；
第一腔体，所述第一腔体内设置有冷却液体，所述冷却液体和第一磁体结构密封在所述第一腔体内；以及
第二磁体结构，设置在所述溅射腔体外，所述第二磁体结构包括线圈，所述线圈围绕所述第一磁体结构设置。
2.如权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述溅射腔体包括与所述基台平行的第一溅射腔室壁和第二溅射腔室壁，所述第一溅射腔室壁和所述第二溅射腔室壁相对，所述第一溅射腔室壁与所述基台距离大于所述第二溅射腔室壁与所述基台的距离，所述线圈设置在所述第一溅射腔室壁的下方。
3.如权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述线圈设置在所述基台远离所述靶材的一面，所述线圈的内径大于所述基片的直径，所述线圈的中心与所述靶材的中心一致。
4.如权利要求2所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述线圈的顶部紧贴所述第一溅射腔室壁设置，所述第一溅射腔室壁上设有固定结构，所述固定结构用于固定所述线圈。
5.如权利要求2所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述第一溅射腔室壁设置有第一开口，所述第一腔体通过所述第一开口嵌入所述溅射腔体，所述第一腔体包括盖板，所述盖板用于密封所述第一腔体和所述溅射腔体，所述线圈紧挨所述盖板设置，所述第一腔体包括防护罩，所述第一腔体的防护罩分别沿所述溅射腔体的两侧壁弯折形成弯折部，所述弯折部紧贴所述第一溅射腔室壁，所述盖板沿所述弯折部分密封；
所述磁体旋转结构包括转轴，所述盖板包括第二开口，所述转轴通过所述第二开口穿过所述盖板深入到所述第一腔体内，所述线圈的中心与所述磁体旋转结构转动的圆心重合，所述转轴从所述线圈中间穿过。
6.如权利要求3所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述第二磁体结构包括底座，所述溅射腔体外围设有一个外围腔，所述底座设置在所述外围腔内，所述底座与所述基台固定连接。
7.如权利要求3所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述线圈紧挨所述基台设置。
8.如权利要求2或3所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述第二磁体结构包括：
可调直流稳压电源，设置在所述溅射腔体外；
导线，连接所述线圈和所述可调直流稳压电源的输出端，所述导线外设置有绝缘保护层；
其中，所述可调直流稳压电源为通过所述导线为所述线圈提供直流电。
9.如权利要求6所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述第二磁体结构包括绝缘支架，所述绝缘支架与所述底座固定连接；所述线圈设置有至少两圈，所述绝缘支架设置在所述两圈所述线圈之间。
10.如权利要求5所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述溅射装置还包括靶材基座和绝缘支架，所述靶材基座设置在所述盖板远离所述靶材的一面上，所述绝缘支架与所述靶材基座固定连接。
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