CN114875375B - 具有辅助磁场的磁控溅射设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有辅助磁场的磁控溅射设备，包括：磁控管、靶材、辅助磁场、旋转基片台及腔体：辅助磁场包括磁场强度不小于5000高斯的第一、第二辅助磁场；第一辅助磁场由至少一个第一永磁体形成，水平高度靠近靶材下方，其最上方的第一永磁体的靠近腔体的磁极与磁控管最外侧靠近靶材的磁极相反；第二辅助磁场由至少一个第二永磁体形成，水平高度靠近旋转基片台上方；第一及第二永磁体均固定于腔体的局部的外侧壁；旋转基片台用于承载基片并带动基片做水平方向的360°以内的往复旋转运动。该设备形成的膜层在厚度均匀性、应力均匀性及填孔性能等方面达到较佳效果的同时设备结构简单，沉积速率较高，且制造成本更低。

Description

具有辅助磁场的磁控溅射设备

技术领域

本发明涉及半导体制造设备技术领域，特别是涉及一种具有辅助磁场的磁控溅射设备。

背景技术

近代工程技术的发展越来越多地用到各种化合物薄膜，化合物薄膜约占全部薄膜材料的70％。过去，大多数化合物薄膜采用CVD(化学气相沉积)方法制备。CVD技术目前已经开发了PECVD（等离子体增强化学气相沉积），MOCVD（金属有机化合物化学气相沉积）等新工艺。但因CVD沉积需在高温下进行，使得材料来源受到限制，此外，很多CVD材料源存在毒性和/或腐蚀性，导致环境污染以及镀膜均匀性等问题，且导致极大的职业安全隐患，使得用CVD法制备化合物薄膜存在诸多限制，因而采用PVD（物理气相沉积）方法制备介质薄膜和化合物薄膜越来越受到关注。

随着半导体技术发展，对现有物理气相沉积PVD膜层要求越来越高，其中膜层的厚度均匀性、应力均匀性、填孔性能尤为重要，特别是填孔性能。随着沟槽深宽比的不断提高，填孔性能直接对设备提出了更高的要求。现有公开技术一般通过高腔、偏压等常规配置来解决填孔问题。

高腔是提高平均自由程，通过增加粒子碰撞次数来提高粒子竖直方向的数量。但是由于平均自由程提高后导致大部分粒子溅射到侧壁的PK（PVD设备内部硬件）上，所以沉积速率非常慢，虽然可以通过直接提高溅射功率来改善，功率提高后电压随之上升，电压的升高将会产生打弧、靶材被成团溅射等一系列问题，所以需要其他方式来辅助。

偏压是比较常见的用于填孔的方法，但该由于产生负电压，电压高了对基片会有所损伤，同时也容易发热。如果用偏压来改善填孔效果势必要需要比较大的偏压，因此高电压和发热避免不了，同时也会造成膜层应力过大问题；偏压大，反溅也会明显，因此沉积速率也会降低。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有辅助磁场的磁控溅射设备，用于解决现有技术中磁控溅射设备在溅射工艺过程中，形成的膜层的厚度均匀性、应力均匀性及填孔均匀性较差等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有辅助磁场的磁控溅射设备，所述磁控溅射设备包括：磁控管、靶材、辅助磁场、旋转基片台及腔体：

所述辅助磁场包括第一辅助磁场及第二辅助磁场，且所述第一辅助磁场的磁场强度不小于5000高斯，所述第二辅助磁场的磁场强度不小于5000高斯；

所述第一辅助磁场由至少一个第一永磁体形成，所述第一辅助磁场水平高度靠近所述靶材下方，所述第一辅助磁场最上方的所述第一永磁体的靠近所述腔体的磁极与所述磁控管最外侧靠近所述靶材的磁极相反，以使两者之间形成闭合磁场；

所述第二辅助磁场由至少一个第二永磁体形成，所述第二辅助磁场水平高度靠近所述旋转基片台上方；

所有所述第一永磁体及所有所述第二永磁体均固定于所述腔体的局部的外侧壁；

所述旋转基片台用于承载基片并带动所述基片做水平方向的旋转运动，且所述旋转运动为360°以内的往复旋转运动。

可选地，所述第一辅助磁场位于所述靶材水平高度之下0mm~5mm距离之间；所述第二辅助磁场位于所述旋转基片台上表面上方0mm~5mm距离之间。

可选地，形成所述第一辅助磁场的所述第一永磁体沿水平方向设置；形成所述第二辅助磁场的所述第二永磁体沿水平方向设置。

可选地，形成所述第一辅助磁场的所述第一永磁体沿竖直方向设置；形成所述第二辅助磁场的所述第二永磁体沿竖直方向设置。

可选地，所述第一辅助磁场由至少两个沿竖直方向等间隔设置的所述第一永磁体形成，且相邻两所述第一永磁体均以异极向靠近竖直排列；所述第二辅助磁场由至少两个沿竖直方向等间隔设置的所述第二永磁体形成，且相邻两所述第二永磁体均以异极向靠近竖直排列。

进一步地，相邻两所述第一永磁体间隔距离为2mm~8mm之间；相邻两所述第二永磁体间隔距离为2mm~8mm之间。

进一步地，所述第一永磁体充磁面表磁强度介于5000高斯~6000高斯之间；所述第二永磁体充磁面表磁强度介于5000高斯~6000高斯之间。

可选地，所述第一永磁体表面及所述第二永磁体表面设置有导磁材料。

进一步地，所述导磁材料为4系不锈钢。

可选地，所述第一辅助磁场及所述第二辅助磁场设置于所述腔体的相对两侧。

如上所述，本发明的一种具有辅助磁场的磁控溅射设备，通过设置磁场强度不小于5000高斯的第一辅助磁场、第二辅助磁场及旋转基片台，使本发明的磁控溅射设备形成的膜层在厚度均匀性、应力均匀性及填孔性能等方面达到较佳效果的同时设备结构简单，沉积速率较高，且制造成本更低。

附图说明

图1显示为本发明的具有辅助磁场的磁控溅射设备第一示例的结构示意图。

图2显示为本发明的具有辅助磁场的磁控溅射设备第二示例的结构示意图。

图3显示为本发明的具有辅助磁场的磁控溅射设备第三示例的结构示意图。

图4显示为基于本发明的具有辅助磁场的磁控溅射设备中仅具有第一辅助磁场时的结构示意图，其中，第一永磁体沿竖直方向设置。

图5显示为基于本发明的具有辅助磁场的磁控溅射设备中仅具有第一辅助磁场时的结构示意图，其中，第一永磁体沿水平方向设置。

元件标号说明

10 磁控管，11 靶材，12辅助磁场，121第一辅助磁场，122第二辅助磁场，13适配块，14上挡板，15下挡板，16旋转基片台，17腔体，18第一永磁体，19第二永磁体，20出气口，21进气口，22基片。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可根据实际需要进行改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如背景技术中所述，现有的PVD膜层的要求越来越高，对磁控溅射设备的要求也越来越高，其中膜层的厚度均匀性、应力均匀性及填孔性能尤为重要，而现有一般通过高腔、偏压或其他一些手段运用至磁控溅射设备中来提高PVD镀膜的性能，但其形成的膜层有的性能还是不能达到镀膜要求；有的虽然达到镀膜要求，但是设备结构复杂，沉积速率低且制造成本高。

基于此，本实施例提供一种具有辅助磁场的磁控溅射设备，可以同时满足现有技术中存在的问题，一方面形成的膜层在厚度均匀性、应力均匀性及填孔性能等方面达到较佳的效果，同时设备结构简单，沉积速率较高，制造成本更加低廉。

如图1及图2所示，该磁控溅射设备包括：磁控管10、靶材11、辅助磁场12、旋转基片台16及腔体17：

所述辅助磁场12包括第一辅助磁场121及第二辅助磁场122，且所述第一辅助磁场121的磁场强度不小于5000高斯，所述第二辅助磁场122的磁场强度不小于5000高斯；

所述第一辅助磁场121由至少一个第一永磁体18形成，所述第一辅助磁场121水平高度靠近所述靶材11下方，所述第一辅助磁场121最上方的所述第一永磁体18的靠近所述腔体17的磁极与所述磁控管10最外侧靠近所述靶材11的磁极相反，以使两者之间形成闭合磁场；

所述第二辅助磁场122由至少一个第二永磁体19形成，所述第二辅助磁场122水平高度靠近所述旋转基片台16上方；

所有所述第一永磁体18及所有所述第二永磁体19均固定于所述腔体17的局部的外侧壁；

所述旋转基片台16用于承载基片22并带动所述基片22做水平方向的旋转运动，且所述旋转运动为360°以内的往复旋转运动。

为便于方向的理解，本实施例中以磁控溅射设备置于水平面为参考目标，则水平方向为磁控溅射设备的左右方向，竖直方向为磁控溅射设备的上下方向。

这里需要说明的是，本实施例的磁控溅射设备的主要结构为现有的常规结构，所以该些结构之间的连接方式、位置关系等在此不做详述，另外，还可包括其他常规结构，例如：适配块13；上挡板14；下挡板15；密封圈；出气口20，用于泵抽气；进气口21，用于工艺气体的入口；所述旋转基片台16中设置有加热器等。另外，所述第一辅助磁场121最上方的所述第一永磁体18的靠近所述腔体17的磁极与所述磁控管10最外侧靠近所述靶材11的磁极相反，以使两者之间形成闭合磁场，如图1所示，所述第一辅助磁场121最上方的所述第一永磁体18的靠近所述腔体17的磁极为如图1中B处的S极，所述磁控管10最外侧靠近所述靶材11的磁极为如图1中A处的N极，A、B两处的磁极相反，从而可使两者之间形成闭合磁场。

在镀膜工艺过程中，一般基片22中心位置的镀膜质量较好，而靠近基片22边缘位置的镀膜质量较差，本实施例的磁控溅射设备，首先，通过设置磁场强度不小于5000高斯的第一辅助磁场121及第二辅助磁场122，可使其产生的磁场有效穿透至腔体17内部，且使其分别位于靶材11及旋转基片台16附近，所述第一辅助磁场121与磁控管10形成闭合磁场，显著增强了靶材11边缘的磁场强度，并显著提高了靶材11边缘的等离子体浓度，从而显著提高了靶材11外侧的溅射速率，可有效补偿溅射粒子损失在PK件，例如上挡板14或下挡板15等的侧壁的问题，另外，所述第二辅助磁场122显著增强了旋转基片台16上表面外侧，即基片22外周的磁场强度，可以提高基片22边缘的等离子体密度，进一步提高沉积速率，尤其是在偏压情况下，所述第二辅助磁场122可提高离子轰击的效果，更多的离子会对基片22边缘生长的膜层进行轰击，从而提高基片22外周沉积膜层的致密性和应力，最后在所述第一辅助磁场121及所述第二辅助磁场122的共同作用下保证了膜层的沉积效率同时提高镀膜厚度的均匀性及应力均匀性，且本设备只需要在腔体17外侧局部区域设置第一永磁体18及第二永磁体19即可实现，结构简单，易于实现。

在填孔工艺过程中，一般通过偏压实现二次溅射。孔结构的侧壁（尤其是侧壁底部）膜厚远低于孔底部的膜厚，导致孔侧壁镀膜不均匀，本实施例的磁控溅射设备，首先，如上所述，第一辅助磁场121显著提高了靶材11边缘的等离子体浓度，从而显著提高了靶材11外侧的溅射速率，另外，所述第二辅助磁场122使基片22外周的磁场强度和离子浓度增强，显著提高偏压进行二次溅射的效果，可以对孔底部的膜层进行轰击使部分粒子反溅到孔侧壁上，增加侧壁上的膜层厚度，从而提高填孔工艺侧壁覆盖的均匀性。

再者，本实施例采用360°以内往复旋转的旋转基片台16（非周向的单方向的匀速运动或变速运动），在旋转基片台16的往复旋转运动下，可使辅助磁场12仅设置于腔体17侧壁的局部区域即可达到所需效果，而无需整个腔体17侧壁周向均设置辅助磁场12，使设备结构更简单，成本更低，并且在设备操作空间上来说，更便于工作人员装卸和调整。

最后，本实施例采用第一永磁体18及第二永磁体19分别形成所述第一辅助磁场121及所述第二辅助磁场122，利用永磁体本身具有的磁场特性，不需要外部电源激励产生磁场，从而避免了外部电源可能对整个设备产生的影响，提高设备的稳定性。

作为示例，所述第一辅助磁场121位于所述靶材11水平高度之下0mm~5mm距离之间，包括端点值，该范围内可使第一辅助磁场121与磁控管10产生的磁场形成闭合磁场，从而提高靶材边缘的磁场强度；所述第二辅助磁场122位于所述旋转基片台16上表面上方0mm~5mm距离之间，包括端点值，该范围内可使所述第二辅助磁场122更多的作用在基片22上。

作为示例，不限制分别形成所述第一辅助磁场121及所述第二辅助磁场122的所述第一永磁体18及所述第二永磁体19的方向设置，即所述第一永磁体18及所述第二永磁体19既可以沿水平方向设置（如图1所示），也可以沿竖直方向设置（如图2所示）。较佳地，如图1所示，所述第一永磁体18及所述第二永磁体19沿水平方向设置的效果最佳，这是由于永磁体左右两端为两个磁极，如图1所示，以所述第一辅助磁场121或所述第二辅助磁场122由三个永磁体形成为例，相靠近的两个永磁体在同一侧端面间的闭合磁力线在水平方向上的纵深比较大，更能靠近腔体17，使磁场利用率更高。

本实施例中不限制分别形成所述第一辅助磁场121及所述第二辅助磁场122的所述第一永磁体18及所述第二永磁体19的个数，如图1中分别设置有3个所述第一永磁体18及3个所述第二永磁体19，如图2及图3中分别设置有1个所述第一永磁体18及1个所述第二永磁体19，同时也不限制第一辅助磁场121中的所述第一永磁体18的个数与第二辅助磁场122中的所述第二永磁体19的个数是否相同，具体根据实际需要进行选择。作为示例，如图1所示，所述第一辅助磁场121由至少两个沿竖直方向等间隔设置的所述第一永磁体18形成，此时相邻两所述第一永磁体18均以异极向靠近竖直排列，从而使相邻磁场之间形成闭合磁力线；所述第二辅助磁场122由至少两个沿竖直方向等间隔设置的所述第二永磁体19形成，此时相邻两所述第二永磁体19均以异极向靠近竖直排列，从而使相邻磁场之间形成闭合磁力线。作为一优选示例，相邻两所述第一永磁体18间隔距离为2mm~8mm之间，包括端点值；相邻两所述第二永磁体19间隔距离为2mm~8mm之间，包括端点值。

作为一优选示例，所述第一辅助磁场121中每个所述第一永磁体18充磁面表磁强度介于5000高斯~6000高斯之间，包括端点值；所述第二辅助磁场122中每个所述第二永磁体19充磁面表磁强度介于5000高斯~6000高斯之间，包括端点值。

本实施例中的所述第一永磁体18 及所述第二永磁体19可以选择现有常规的磁场强度高于5000高斯的永磁体材料，例如，稀土材料中的稀土钴永磁材料、钕铁硼永磁材料等等。所述第一永磁体18 及所述第二永磁体19的材料可以相同也可以不同，但选择相同的材料较好。较佳地，所述第一永磁体18 表面及所述第二永磁体19表面可设置导磁材料，实现聚磁，从而进一步提高永磁体的磁场强度。所述导磁材料选择为4系不锈钢为较佳。

本实施例中不严格限制所述第一辅助磁场121及所述第二辅助磁场122在腔体17侧壁的位置，如图1及图3中，所述第一辅助磁场121及所述第二辅助磁场122设置于腔体17侧壁的相对两侧，如图2中，所述第一辅助磁场121及所述第二辅助磁场122设置于腔体17侧壁的同侧，也可是其他在腔体17侧壁的错位设置方式，具体根据实际需要进行选择。但作为一较佳示例，所述第一辅助磁场121及所述第二辅助磁场122设置于腔体17侧壁的相对两侧最佳，如此第一辅助磁场121与第二辅助磁场122之间基本不会产生干扰，提高设备的稳定性。

如图4及图5所示，所述辅助磁场只有第一辅助磁场121，该方式达到的效果远没有本实施例中通过第一辅助磁场121及第二辅助磁场122一起协同达到的效果。

综上所述，本发明提供一种具有辅助磁场的磁控溅射设备，通过设置磁场强度不小于5000高斯的第一辅助磁场、第二辅助磁场及旋转基片台，使本发明的磁控溅射设备形成的膜层在厚度均匀性、应力均匀性及填孔性能等方面达到较佳效果的同时设备结构简单，沉积速率较高，且制造成本更低。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种具有辅助磁场的磁控溅射设备，其特征在于，所述磁控溅射设备包括：磁控管、靶材、辅助磁场、旋转基片台及腔体：

所述辅助磁场包括第一辅助磁场及第二辅助磁场，且所述第一辅助磁场的磁场强度不小于5000高斯，所述第二辅助磁场的磁场强度不小于5000高斯；

所述第一辅助磁场由至少一个第一永磁体形成，所述第一辅助磁场水平高度靠近所述靶材下方，所述第一辅助磁场最上方的所述第一永磁体的靠近所述腔体的磁极与所述磁控管最外侧靠近所述靶材的磁极相反，以使两者之间形成闭合磁场；

所述第二辅助磁场由至少一个第二永磁体形成，所述第二辅助磁场水平高度靠近所述旋转基片台上方；

所有所述第一永磁体及所有所述第二永磁体均固定于所述腔体的局部的外侧壁；

所述旋转基片台用于承载基片并带动所述基片做水平方向的旋转运动，且所述旋转运动为360°以内的往复旋转运动；

形成所述第一辅助磁场的所述第一永磁体沿水平方向设置；形成所述第二辅助磁场的所述第二永磁体沿水平方向设置；

所述第一辅助磁场及所述第二辅助磁场设置于所述腔体的相对两侧；

其中，所述第一辅助磁场位于所述靶材水平高度之下0mm~5mm距离之间；所述第二辅助磁场位于所述旋转基片台上表面上方0mm~5mm距离之间。

2.根据权利要求1所述的具有辅助磁场的磁控溅射设备，其特征在于：所述第一辅助磁场由至少两个沿竖直方向等间隔设置的所述第一永磁体形成，且相邻两所述第一永磁体均以异极向靠近竖直排列；所述第二辅助磁场由至少两个沿竖直方向等间隔设置的所述第二永磁体形成，且相邻两所述第二永磁体均以异极向靠近竖直排列。

3.根据权利要求1所述的具有辅助磁场的磁控溅射设备，其特征在于：相邻两所述第一永磁体间隔距离为2mm~8mm之间；相邻两所述第二永磁体间隔距离为2mm~8mm之间。

4.根据权利要求1或2所述的具有辅助磁场的磁控溅射设备，其特征在于：所述第一永磁体充磁面表磁强度介于5000高斯~6000高斯之间；所述第二永磁体充磁面表磁强度介于5000高斯~6000高斯之间。

5.根据权利要求1所述的具有辅助磁场的磁控溅射设备，其特征在于：所述第一永磁体表面及所述第二永磁体表面设置有导磁材料。

6.根据权利要求5所述的具有辅助磁场的磁控溅射设备，其特征在于：所述导磁材料为4系不锈钢。

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