CN113755809A - 磁控溅射装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种磁控溅射装置及其控制方法，所述磁控溅射装置包括磁场调节器，磁场调节器包括第一腔体以及设置在第一腔体内的磁体组结构；磁体组结构包括第一磁体、第二磁体、第三磁体和第一间距控制结构和第二间距控制结构，第二磁体位于第一磁体和第三磁体之间，第一磁体的顶部的磁极与第三磁体的顶部的磁极相同，第二磁体的顶部的磁极与第一磁体顶部的的磁极相反，第一间距控制结构连接第一磁体和第二磁体，用于控制第一磁体和第二磁体之间的间距；第二间距控制结构连接第二磁体和第三磁体，用于控制第二磁体和第三磁体之间的间距；通过改变边缘磁体圆周运动的半径，实现靶材表面溅射区大小可控，提高小尺寸晶圆片溅射速率。

Description

磁控溅射装置及其控制方法

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及其控制方法。

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；目前的溅射中磁力线固定，从两侧磁极指向中间磁极，靶材中间有较多的无效溅射区域。磁场强度较大的位置被溅射耗尽，必须更换新靶材，此时靶材中间区域有很多剩余量被浪费，导致靶材利用率低。

发明内容

本申请的目的是提供一种磁控溅射装置及其控制方法，改善靶材边缘区域溅射量少，靶材整体利用率低的问题。

本申请公开了一种磁控溅射装置，包括基台、靶材、溅射腔体和磁场调节器；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，所述磁场调节器包括第一腔体；以及设置在所述第一腔体内的磁体组结构；其中，所述磁体组结构包括第一磁体、第二磁体、第三磁体和第一间距控制结构和第二间距控制结构，所述第二磁体设置在所述第一磁体和所述第三磁体之间，所述第一磁体的顶部的磁极与所述第三磁体的顶部的磁极相同，所述第二磁体的顶部的磁极与第一磁体顶部的的磁极相反，所述第一间距控制结构连接所述第一磁体和第二磁体，用于控制所述第一磁体和第二磁体之间的间距；所述第二间距控制结构连接所述第二磁体和第三磁体，用于控制所述第二磁体和第三磁体之间的间距。

可选的，所述第一间距控制结构包括第一螺杆、第一螺母和第一伺服电机，所述第一磁体与所述第一螺母连接，所述第一伺服电机开启时驱动所述第一螺母在所述第一螺杆上移动，带动所述第一磁体在所述第一螺杆上做往复运动；所述第二间距控制结构包括第二螺杆、第二螺母和第二伺服电机，所述第二磁体与所述第二螺母连接，所述第二伺服电机开启时驱动所述第二螺母在所述第二螺杆上移动，带动所述第二磁体在所述第二螺杆上做往复运动；所述磁场调节器还包第一腔体，所述第一腔体用于密封所述第一磁体、第二磁体、第三磁体、第一间距控制结构以及第二间距控制结构；所述第二磁体的两端分别与所述第一螺杆的一端和所述第二螺杆的一端固定连接，所述第一螺杆的另一端和所述第二螺杆的另一端分别和所述第一腔体的两侧壁相抵接。

可选的，所述磁控溅射装置还包括旋转结构，所述第一间距控制结构包括第一螺杆、第一螺母和第一伺服电机，所述第一磁体与所述第一螺母连接，所述第一伺服电机开启时驱动所述第一螺母在所述第一螺杆上移动，带动所述第一磁体在所述第一螺杆上做往复运动；所述第二间距控制结构包括第二螺杆、第二螺母和第二伺服电机，所述第二磁体与所述第二螺母连接，所述第二伺服电机开启时驱动所述第二螺母在所述第二螺杆上移动，带动所述第二磁体在所述第二螺杆上做往复运动；所述第一螺杆的一端固定在所述第二磁体上，所述第二螺杆的一端固定在所述第二磁体上。

可选的，所述第一伺服电机和第二伺服电机的功率相同，所述第一磁体和所述第三磁体往复运动时的速度相同。

可选的，所述第一磁体和第三磁体的磁场强度相同，所述第二磁体的磁场强度与所述第一磁体和第三磁体的磁场强度不同。

可选的，所述磁控溅射装置还包括旋转结构，所述旋转结构设置在所述第二磁体的下方，所述旋转结构带动所述第二磁体自转。

可选的，所述磁控溅射装置还包括设置在所述旋转结构上的第四磁体和第五磁体，所述第一磁体在所述第二磁体和第四磁体的中间，所述第三磁体设置在所述第二磁体和第五磁体之间；其中，所述第四磁体的顶部的磁极和所述第五磁体的顶部的磁极相同，所述第四磁体的顶部的磁极与所述第二磁体的顶部的磁极相同。

可选的，所述第二磁体为电磁体，所述电磁体的顶部的磁极与所述第一磁体的顶部的磁极相反。

本申请还公开了一种用于上述任一所述的磁控溅射装置的控制方法，包括步骤：

启动第一伺服电机，带动第一磁体在第一螺杆上做往复运动；

启动第二伺服电机，带动第三磁体在第二螺杆上做往复运动；以及

切断磁控溅射装置的电源，溅射结束，关闭第一伺服电机和第二伺服电机。

可选的，所述控制方法还包括步骤：

启动所述旋转结构，带动所述第二磁体进行自转。

相对于固定不动的磁体的方案来说，本申请在第一腔体放置三个磁体，中间的磁体的顶部的磁极两边的磁体的顶部的磁极相反，通过所述第一间距控制结构和第二间距控制结构分别控制所述第一磁体和第三磁体与第二磁体之间的间距，如此磁体之间形成的磁场是进行变化的磁场，那么靶材溅射的时候由于受到磁场的强度不同，从而改善靶材边缘区域溅射量少，靶材整体利用率低的问题。

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中的磁控溅射装置的结构示意图；

图2是对应附图1的磁控溅射装置的边缘磁体距离中心最远时磁场线；

图3是对应附图1的磁控溅射装置的边缘磁体距离中心最近时磁场线；

图4是本申请的第二实施例中的磁场调节器的结构示意图；

图5是本申请的第三实施例中的磁场调节器的结构示意图；

图6是本申请的第四实施例中的磁控溅射装置的结构示意图；

图7是本申请的第五实施例中的磁控溅射装置的控制方法流程示意图。

其中，10、磁控溅射装置；20、靶材；30、基台；40、溅射腔体；50、基片；100、磁场调节器；110、第一腔体；111、第一腔室壁；112、第二腔室壁；113、第三腔室壁；120、磁体组结构；121、第一磁体；122、第二磁体；123、第三磁体；124、第四磁体；135、第五磁体；130、磁体间距控制模块；131、第一固定结构；132、第一间距控制结构；133、第二间距控制结构；134、第二固定结构；135、伸缩杆；136、第三间距控制结构；140、螺杆；141、第一螺杆；142、第二螺杆；150、螺母；151、第一螺母；152、第二螺母；160、旋转结构；170、伺服电机；171、第一伺服电机；172、第二伺服电机；180、联动轴。

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。

图1是本申请的第一实施例中的磁控溅射装置的结构示意图；如图1所示，作为本申请的第一实施例，公开了一种磁控溅射装置10，包括基台30、靶材20、溅射腔体40和磁场调节器100；所述基台30用于放置基片50；所述靶材20与所述基台30相对设置；所述磁场调节器100设置在所述靶材20远离所述基台30的一面；所述溅射腔体40用于密封所述基台30、靶材20和磁场调节器100，所述磁场调节器100包括第一腔体110以及设置在所述第一腔体110内的磁体组结构；其中，所述磁体组结构包括第一磁体121、第二磁体122、第三磁体123和第一间距控制结构132和第二间距控制结构133，所述第二磁体122位于所述第一磁体121和所述第三磁体123之间，所述第二磁体122的磁极与第一磁体121和第三磁体123的磁极相反，所述第二磁体122与所述第一磁体121以及第三磁体123形成的磁场中存在大量与所述靶材20相垂直的磁力线；所述第一间距控制结构和第二间距控制结构分别控制所述第一磁体121和第三磁体123与第二磁体122之间的间距，使得两个磁体之间的磁场大小不断变化，避免两个磁体固定不动，而导致某一区域的磁场强度始终强于其他区域的磁场强度。

通过控制边缘的第一磁体121和第三磁体123相对中间的第二磁体122做周期性移动，实现磁场线的周期性变化，使得束缚电子在整个区域分布更均匀，获得高能粒子均匀轰击靶材20中间区域和边缘区域。

图2是对应附图1的磁控溅射装置的边缘磁体距离中心最远时磁场线；图3是对应附图1的磁控溅射装置的边缘磁体距离中心最近时磁场线；图2和图3分别为边缘的第一磁体121和第三磁体123距离中间的第二磁体122最远和最近时的磁场线分布，靶材20边缘区域的磁场线在随时变化，增加对应靶材20表面束缚的电子，促进此区域产生更多的氩离子，增加溅射几率。整个磁体组的旋转运动加上边缘磁体的周期性往复运动，最终达到最大的的靶材20溅射效果，靶材20利用率大幅提高。

进一步的，所述第一间距控制结构包括第一螺杆141、第一螺母151和第一伺服电机171，所述第一磁体与所述第一螺母连接，所述第一伺服电机开启时驱动所述第一螺母在所述第一螺杆上移动，带动所述第一磁体在所述第一螺杆上做往复运动；所述第二间距控制结构包括第二螺杆142、第二螺母152和第二伺服电机172，所述第二磁体与所述第二螺母连接，所述第二伺服电机开启时驱动所述第二螺母在所述第二螺杆上移动，带动所述第二磁体在所述第二螺杆上做往复运动；中间的第二磁体122与联动轴相连，联动轴与第一螺杆141和第二螺杆142相连。

具体的，第一磁体121与第一螺母151相连，第一螺母151与第一螺杆141和第一伺服电机171相连，第一磁体121在第一螺杆141上做直线运动；同理，第三磁体123与第二螺母152相连，第二螺母152与第二螺杆142和第二伺服电机172相连，第三磁体123在第二螺杆142上做直线运动。第一伺服电机171和第二伺服电机172分别控制边缘的第一磁体121和第三磁体123相对中间的第二磁体122在螺杆上做往复运动，第一螺杆和第二螺杆的两端，其中一端与第二磁体固定连接，另外一端悬空，但与侧壁之间的间隙较小，间隙的宽度小于磁体的宽度的二分之一，可以防止磁体从螺杆上滑出掉入第一腔体内，当然，也可以在另一端设置挡块，防止磁体从螺杆滑出。

第一伺服电机171和第二伺服电机172独立控制，所述第一伺服电机171和第二伺服电机172的功率相同，所述第一磁体121和所述第三磁体123往复运动时的速度相同，可以实现边缘的第一磁体121和第三做同步运动或非同步运动；也可以实现控制边缘的第一磁体121和第三磁体123的运动范围。

所述磁控溅射装置10还包括旋转结构160，所述第一螺杆141的两端分别固定在所述旋转结构与所述第二磁体122上，所述第二螺杆142的两端分别固定在所述第二磁体122和所述旋转结构上，旋转结构160带动整个磁体组结构做圆周运动。其中，所述第一磁体121和第三磁体123的磁场强度相同，所述第二磁体122的磁场强度与所述第一磁体121和第三磁体123的磁场强度不同，当然三个磁体的电场强度也可以相同。

另外，所述第二磁体122可以用电磁体来代替，所述电磁体顶部的磁极与所述第一磁体的顶部的磁极相反，所述电磁体的磁性与第一磁体121和第三磁体123的磁极相反。

根据镀膜晶圆片的尺寸控制边缘第一磁体121和第三磁体123距离中间的第二磁体122的距离并固定，当晶圆尺寸(直径)远小于靶材20尺寸(直径)时，可以缩小边缘第一磁体121和第三磁体123的圆周运动半径并固定，与中间磁体一起做同周期运动，实现控制靶材20主要溅射面与晶圆片一致，提高小尺寸晶圆溅射镀膜时的溅射速率。

图4是本申请的第二实施例中的磁场调节器的结构示意图；作为本申请的第二实施例，如图4所示，与上述实施例不同的是，所述第一腔体110包括第一腔室壁111、第二腔室壁112和第三腔室壁113，所述第一腔室壁111平行于所述第一螺杆141和第二螺杆142，所述第二腔室壁112和第三腔室壁113相对设置，为所述第一腔体的两个侧壁，且与所述第一腔室壁111垂直，所述第一螺杆141的两端分别固定在所述第二腔室壁112与所述第二磁体122上，所述第二螺杆142的两端分别固定在所述第二磁体122和所述第三腔室壁113上。所述磁控溅射装置10还包括旋转结构160，所述旋转结构设置在所述第二磁体122的下方，所述旋转结构带动所述第二磁体122自转。

图5是本申请的第三实施例中的磁场调节器的结构示意图；作为本申请的第三实施例，如图5所示，与上述实施例不同的是，所述第一螺杆141的两端分别固定在所述旋转结构与所述第二磁体122上，所述第二螺杆142的两端分别固定在所述第二磁体122和所述旋转结构上。磁体组中的小磁体可以为多个磁极交叉分布，如此可以使得磁场变化更加均匀，所述磁控溅射装置10还包括旋转结构上的第四磁体124和第五磁体125，所述第一磁体121在所述第二磁体122和第四磁体124的中间，所述第三磁体123设置在所述第二磁体122和第五磁体125之间；其中，所述第四磁体的顶部的磁极和所述第五磁体的顶部的磁极相同，所述第四磁体的顶部的磁极与所述第二磁体的顶部的磁极相同。

图6是本申请的第四实施例中的磁控溅射装置的结构示意图，如图6所示，作为本申请的第四实施例，磁控溅射装置10还可以减小靶材20直径，节省产品成本。目前磁控溅射镀膜工艺使用的靶材20直径均大于晶圆直径(例如，直径6英寸的晶圆片使用直径12英寸的溅射靶材20)，通过控制边缘磁体周期性往复运动，增加靶材20边缘区域机场分布，提高对应位置溅射几率，进而促进整个溅射区域中间和边缘的氩离子均匀性，实现减小靶材20直径同样满足晶圆表面沉积薄膜厚度均匀性。

通过控制边缘磁体圆周运动的半径，控制靶材20表面主溅射区大小，小尺寸晶圆的溅射镀膜速率；另外本实施例还实现缩小靶材20表面直径同时确保沉积薄膜均匀性不下降，节省靶材20成本。本申请的控制机构对现有磁控溅射设备的改动小，特别是在对旧的溅射设备的改造应用有利，节省社会资源。

图7是本申请的第五实施例中的磁控溅射装置的控制方法流程示意图，作为本申请的第五实施例，如图7所示，公开了一种用于上述任一实施例中的磁控溅射装置的控制方法，包括步骤：

S1：启动第一伺服电机，带动第一磁体在第一螺杆上做往复运动；

S2：启动第二伺服电机，带动第三磁体在第二螺杆上做往复运动；以及

S3：切断磁控溅射装置的电源，溅射结束，关闭第一伺服电机和第二伺服电机；

其中，所述第二磁体固定在所述第一腔体内，所述第二磁体设置在所述第一磁体和第三磁体之间，第一伺服电机和第二伺服电机可以同时启动，也可以分时启动，另外启动后控制第一磁体和第三磁体在对应的螺杆的移动的速度和方向也可以不同，可以根据实际情况进行调整。

进一步的，所述控制方法还包括步骤：

S4：启动所述旋转结构，带动所述第二磁体进行自转。

通过控制边缘磁体相对中间磁体做周期性往复运动，在增加了靶材边缘区域利用率，延长了磁控溅射设备的运行时间，降低了产品成本，而且在改变磁体之间的间距的同时使得所有的磁体保持旋转，即相当于已靶材的中心为旋转中心进行转动，第一磁体和第三磁体在向第二磁体移动的同时，可以使得整个磁体组结构进行旋转，可以使得整个圆形的靶材整体更加均匀。

需要说明的是，本方案中涉及到的各步骤的限定，在不影响具体方案实施的前提下，并不认定为对步骤先后顺序做出限定，写在前面的步骤可以是在先执行的，也可以是在后执行的，甚至也可以是同时执行的，只要能实施本方案，都应当视为属于本申请的保护范围。

需要说明的是,本申请的发明构思可以形成非常多的实施例，但是申请文件的篇幅有限，无法一一列出，因而，在不相冲突的前提下,以上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，各实施例或技术特征组合之后，将会增强原有的技术效果

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，包括基台、靶材、溅射腔体和磁场调节器；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，其特征在于，所述磁场调节器包括：

第一腔体；以及

磁体组结构，设置在所述第一腔体内；

其中，所述磁体组结构包括第一磁体、第二磁体、第三磁体和第一间距控制结构和第二间距控制结构，所述第二磁体设置在所述第一磁体和所述第三磁体之间，所述第一磁体的顶部的磁极与所述第三磁体的顶部的磁极相同，所述第二磁体的顶部的磁极与所述第一磁体的顶部的磁极相反；所述第一间距控制结构连接所述第一磁体和第二磁体，用于控制所述第一磁体和第二磁体之间的间距；所述第二间距控制结构连接所述第二磁体和第三磁体，用于控制所述第二磁体和第三磁体之间的间距。

2.如权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述第一间距控制结构包括第一螺杆、第一螺母和第一伺服电机，所述第一磁体与所述第一螺母连接，所述第一伺服电机开启时驱动所述第一螺母在所述第一螺杆上移动，带动所述第一磁体在所述第一螺杆上做往复运动；

所述第二间距控制结构包括第二螺杆、第二螺母和第二伺服电机，所述第二磁体与所述第二螺母连接，所述第二伺服电机开启时驱动所述第二螺母在所述第二螺杆上移动，带动所述第二磁体在所述第二螺杆上做往复运动；

所述磁场调节器还包第一腔体，所述第一腔体用于密封所述第一磁体、第二磁体、第三磁体、第一间距控制结构以及第二间距控制结构；

所述第二磁体的两端分别与所述第一螺杆的一端和所述第二螺杆的一端固定连接，所述第一螺杆的另一端和所述第二螺杆的另一端分别和所述第一腔体的两侧壁相抵接。

3.如权利要求1所述的磁控溅射装置，所述磁控溅射装置还包括旋转结构，所述第一间距控制结构包括第一螺杆、第一螺母和第一伺服电机，所述第一磁体与所述第一螺母连接，所述第一伺服电机开启时驱动所述第一螺母在所述第一螺杆上移动，带动所述第一磁体在所述第一螺杆上做往复运动；

所述第二间距控制结构包括第二螺杆、第二螺母和第二伺服电机，所述第二磁体与所述第二螺母连接，所述第二伺服电机开启时驱动所述第二螺母在所述第二螺杆上移动，带动所述第二磁体在所述第二螺杆上做往复运动；

所述第一螺杆的一端固定在所述第二磁体上，所述第二螺杆的一端固定在所述第二磁体上。

4.如权利要求2或3所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述第一伺服电机和第二伺服电机的功率相同，所述第一磁体和所述第三磁体往复运动时的速度相同。

5.如权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述第一磁体和第三磁体的磁场强度相同，所述第二磁体的磁场强度与所述第一磁体和第三磁体的磁场强度不同。

6.如权利要求2所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述磁控溅射装置还包括旋转结构，所述旋转结构设置在所述第二磁体的下方，所述旋转结构带动所述第二磁体自转。

7.如权利要求3所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述磁控溅射装置还包括设置在所述旋转结构上的第四磁体和第五磁体，所述第一磁体设置在所述第二磁体和第四磁体的之间，所述第三磁体设置在所述第二磁体和所述第五磁体之间；

其中，所述第四磁体的顶部的磁极和所述第五磁体的顶部的磁极相同，所述第四磁体的顶部的磁极与所述第二磁体的顶部的磁极相同。

8.如权利要求6所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述第二磁体为电磁体，所述电磁体的顶部的磁极与所述第一磁体的顶部的磁极相反。

9.一种用于如权利要求1-8任意一项所述的磁控溅射装置的控制方法，其特征在于，包括步骤：

启动第一伺服电机，带动第一磁体在第一螺杆上做往复运动；

启动第二伺服电机，带动第三磁体在第二螺杆上做往复运动；以及

切断磁控溅射装置的电源，溅射结束，关闭第一伺服电机和第二伺服电机。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括步骤：

启动所述旋转结构，带动所述第二磁体进行自转。

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