TWM567264U - Magnet rotating mechanism of physical vapor deposition reaction chamber - Google Patents

Abstract

一種物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構，主要係藉由一固定齒輪、一旋臂及一旋轉齒輪連接該中心軸與該磁盤，使該中心軸轉動時可驅動該磁盤繞著該中心軸公轉的同時亦會自轉，藉此使整個該靶材都有機會在固定的周期被該磁盤上之複數磁鐵所產生的磁場掃描到，進而達到大幅提昇靶材的使用效率及均勻鍍膜之功效。

Description

物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構

本創作係一種物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構方面的技術領域，其主要係用於直流電磁控濺鍍、交流電磁控濺鍍及高功率直流脈衝磁控濺鍍……等需利用到磁場來輔助濺鍍沉積薄膜之設備上，此尤指一種可大幅提昇靶材的使用效率及可改善濺鍍製程的鍍膜均勻度之物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構者。

物理氣相沉積法(PVD)，亦稱的濺鍍製程，係被廣泛使用在半導體積體電路的製造中，用以於晶圓或其他基板上沉積目標材料層者。請參閱第1圖所示，即習知進行濺鍍製程之物理氣相沉積反應室的結構，其主要係於該反應室10的內部設有一靶材11，於該靶材11的下方設有一托盤12可共承載一晶圓13(或一基板)，於該靶材11的上方設有一磁盤14，該磁盤14上係設有具垂直磁極之複數磁鐵140(永久性磁鐵)，該複數磁鐵140係排列成環圈狀且由外向內形成有複數圈，各相鄰環圈之磁鐵140的磁極為相反，該磁盤14係結合於一中心軸15的下端，使可由該中心軸 15上端之一驅動器16驅動其旋轉。如此，便可藉由於該靶材11下方真空狀態的反應室10中送入非活性工作氣體(如氬氣)，並利用該磁盤14產生的磁場使電子在特定區域旋轉，撞擊氬氣以產生氬氣離子及電子的連鎖反應(即產生電漿)，使得帶正電荷的氬離子被精力充沛地附著至被負電地偏壓的該靶材11上並從該標靶濺射出原子，這些被濺射出的原子的一部分落在晶圓13上並沉積一層靶材物質層於該晶圓13上。其中，該電漿的密度係依靠該磁盤14轉動時其上之磁鐵140所產生的磁場來控制，即可利用該磁場困住電子以藉此增加電漿密度進而增加濺鍍率。

然而，該習知物理氣相沉積反應室之磁盤14係中心結合在該中心軸15上，因此其僅只能被驅動以該中心軸15為圓心旋轉，所以其所形成之磁場亦是沿著該中心軸15自轉，因此很容易形成圓形的封閉軌跡(請配合參閱第2圖所示)，因此在進行濺鍍製程時，此封閉軌跡很容易在該靶材11的特定區域形成深度較平均深度深的深蝕刻溝槽a，此深蝕刻溝槽a將決定該靶材11的使用壽命，如果此深蝕刻溝槽a的蝕刻速度比平均靶材蝕刻速度快很多時，則該靶材11便很容易因為某些區域的厚度特別薄而必須停止使用，常見到的一種狀況是，當該靶材11最薄的地方已經不符合靶材厚度的規格而需要更換時，該靶材11大部分的地方卻都還可以用，經過重量的量測及換算，甚至有可能該靶材11只用了百分之20的重量時這個靶材11就需要更換了。如此，將造成該靶 材11使用效率低落之情形，進而使製作成本大幅增加。另外，該晶圓13若是有深寬比大於1的深孔a1(或深溝槽)時，則靠近該靶材11右邊所對應到的晶圓13位置，其深孔a1(或深溝槽)左壁會缺乏鍍膜原子，因此鍍膜a2的厚度會較薄(如第3圖所示)，反之靠近該靶材11左邊所對應到的晶圓13位置，其深孔a1(或深溝槽)右壁會缺乏鍍膜原子，因此鍍膜a2的厚度會較薄(如第4圖所示)，故而其之填洞均勻度不好。而且，由於該習知磁盤14之旋轉方式所產生的磁場會造成均勻度不好之情形，因此在後續CMP平坦化製程時，則勢必需要研磨掉較多的厚度(如第5圖斜線部份)來使厚度均勻度變好，而如此則便會增加後續加工的麻煩及時間，進而影響工作效率。

本創作之主要目的係在於解決上述習知物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉方式所存在之靶材使用效率差及濺鍍製程時的鍍膜均勻度不佳等問題。

本創作所述之物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構，包括一基座、一固定齒輪、一中心軸、一旋臂、一旋轉齒輪、一磁盤及一平衡塊。其中，該基座係固設於一反應室之內部。該固定齒輪係固設於該基座的底面上。該中心軸係可轉動地穿過該基座與該固定齒輪，上端連結一驅動器以使其可被該驅動器驅動旋轉，下端凸伸出該固定齒輪的下方。該旋臂係固設在該中心軸 的下端可被該中心軸驅動旋轉。該旋轉齒輪係可轉動地結合於該旋臂之一端，且與該固定齒輪相嚙合，中央具有一輪軸凸伸至該旋臂的下方。該磁盤係包含固設於該輪軸下端且平行間隔設置之複數盤體及固設於該複數盤體間且以相反磁極呈雙螺旋線狀排列之複數磁鐵。該平衡塊係固設於該旋臂之另一端，且使該固定齒輪位於該平衡塊與該旋轉齒輪之間。

本創作所提供之物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構，可藉由該磁盤繞著該中心軸公轉的同時亦會進行自轉之設計，使整個該靶材都有機會在固定的周期被其所產生的磁場掃描到，因此可大幅提昇濺鍍製程中該靶材的使用效率，而且並可有效改善濺鍍製程的鍍膜均勻度。

[先前技術]

10‧‧‧反應室

11‧‧‧靶材

12‧‧‧托盤

13‧‧‧晶圓

14‧‧‧磁盤

140‧‧‧磁鐵

15‧‧‧中心軸

16‧‧‧驅動器

a‧‧‧深蝕刻溝槽

a1‧‧‧深孔

a2‧‧‧鍍膜

[本創作]

20‧‧‧基座

21‧‧‧反應室

22‧‧‧穿孔

30‧‧‧固定齒輪

31‧‧‧固定螺栓

32‧‧‧軸孔

40‧‧‧中心軸

41‧‧‧驅動器

50‧‧‧旋臂

500‧‧‧結合螺栓

51‧‧‧容槽

52‧‧‧密封蓋

60‧‧‧旋轉齒輪

61‧‧‧輪軸

70‧‧‧磁盤

71‧‧‧盤體

72‧‧‧磁鐵

73‧‧‧外磁極

74‧‧‧內磁極

75‧‧‧恆定間隙

76‧‧‧旋轉中心

80‧‧‧平衡塊

90‧‧‧靶材

91‧‧‧晶圓

b1‧‧‧深孔

b2‧‧‧鍍膜

第1圖係習知物理氣相沉積反應室之結構示意圖。

第2圖係習知物理氣相沉積反應室之磁場模擬圖及局部放大圖。

第3圖係第1圖之A部位的剖面放大示意圖。

第4圖係第1圖之B部位的剖面放大示意圖。

第5圖係習知物理氣相沉積反應室之晶圓進行後續CMP平坦化製程時需研磨掉之厚度示意圖。

第6圖係本創作之立體分解示意圖。

第7圖係本創作之立體組合放大示意圖。

第8圖係本創作之組合剖面放大示意圖。

第9圖係本創作之磁盤的平面放大示意圖。

第10圖係本創作之磁場模擬圖及局部放大圖。

第11圖係本創作之靶材的消耗狀況示意圖。

第12圖係本創作濺鍍後之晶圓右側的局部剖面放大示意圖。

第13圖係本創作濺鍍後之晶圓左側的局部剖面放大示意圖。

第14圖係本創作之晶圓進行後續CMP平坦化製程時需研磨掉之厚度示意圖。

請參閱第6~8圖所示，係顯示本創作所述之物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構包括一基座20、一固定齒輪30、一中心軸40、一旋臂50、一旋轉齒輪60、一磁盤70及一平衡塊80。其中：該基座20，係固設於一反應室21之內部的頂面，且中央具有貫穿之一穿孔22。

該固定齒輪30，係以複數固定螺栓31將其固設於該基座20的底面上，且該固定齒輪30的中央具有貫穿之一軸孔32。

該中心軸40，係可轉動地穿過該基座20的穿孔22與該固定齒輪30的軸孔32，上端連結一驅動器41以使其可被該驅動器41驅動旋轉，下端係凸伸出該固定齒輪30的下方。

該旋臂50，係呈長條狀，且利用複數結合螺栓500 將其固設在該中心軸40的下端，使其可隨著該中心軸40旋轉，於該旋臂50的一端具有一容槽51可供容納該固定齒輪30，且該容槽51並以一密封蓋52將其開口蓋住以避免進水。

該旋轉齒輪60，係可轉動地設於該容槽51之中，且並與該固定齒輪30相嚙合。該旋轉齒輪60的中央具有一輪軸61，該輪軸61係穿伸至該旋臂50的下方。

該磁盤70，係包含固設於該輪軸61下端且平行間隔設置之複數盤體71及固設於該複數盤體71間呈圓柱形且以相反磁極呈雙螺旋線狀排列之複數磁鐵72。該盤體71係可隨著該旋轉齒輪60同步旋轉，該複數磁鐵72係為永久性磁鐵。

該平衡塊80，係固設於該旋臂50之另一端，且使該固定齒輪30位於該平衡塊80與該旋轉齒輪60之間，使藉由該平衡塊80平衡該磁盤70的重量，以避免傾斜。

請配合參閱第9圖所示，係指出該磁盤70係藉由該複數磁鐵72及該複數盤體71形成屬於一磁極性的多纏繞的外磁極73，其包圍屬於另一相反磁極性的一內磁極74。該外磁極73及該內磁極74是由圖中所示的形狀之盤體71的形狀所界定，極性相反之磁鐵72係位在複數之盤體71之間，且使該外磁極73與該內磁極74之間具有典型之一恆定間隙75將兩個磁極分開來以界定出一高密度電漿區域，該恆定間隙75被安排成一螺旋迴圈的形式，使得一閉合的浮動電流迴圈被建立在該電漿中，這是維持一電漿 之有效的方法。在本創作中，該磁盤70的旋轉中心76被放置在該內磁極74的內端處。該磁盤70的尺寸幾近於該靶材90之有用的面積，該磁盤70被稱為一5軌道磁電管，因為任何路徑都是在該旋轉中心76處開始且以一大於180度的弧形內的任何角度往外前進橫跨5個軌道的電流迴圈。

在該第8圖中係可看出，當該驅動器41驅動該中心軸40轉動時，則該中心軸40會帶動該旋臂50旋轉，如此設於該旋臂50上的旋轉齒輪60便會隨之繞著該固定齒輪30轉動，而且由於該旋轉齒輪60與該固定齒輪30相嚙合，所以該旋轉齒輪60繞著該固定齒輪30公轉時，其亦會自行自轉，而該磁盤70係與該旋轉齒輪60同軸結合，因此相對的該磁盤70便會隨著該旋轉齒輪60同步旋轉(即以該中心軸40為軸心公轉的同時進行自轉)，而該磁盤70之旋轉方式所產生之移動磁力線，乃係可包覆百分90以上的靶材90(如第10圖所示)，因此在進行濺鍍製程時，便可使整個靶材90都有機會在固定的周期被磁場掃描到，故而整個靶材90的材料都可以被氬氣離子均勻打出來，如此便可使該靶材90隨著鍍膜時間增加而均勻變薄(如第11圖所示)，所以係可因此大幅提高該靶材90的使用率。而且由於磁場係旋轉均勻，因此在深孔b1(或深溝槽)的兩側壁亦可以得到均勻厚度的鍍膜b2(如第12、13圖所示)。另外，由於可使晶圓91之鍍膜厚度較均勻，因此在後續CMP平坦化製程時並不需要研磨掉太多薄膜厚度(如第14圖斜線部份)來求 得均勻的厚度，因而可使後續加工更為簡單及省時，進而可進一步提昇工作效率。

本創作係提供一種物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構，可藉由該磁盤70繞著該中心軸40公轉的同時亦會進行自轉的設計，使整個該靶材90都有機會在固定的周期被其所產生的磁場掃描到，因此可大幅提昇濺鍍製程中該靶材90的使用效率，而且並可有效改善濺鍍製程的鍍膜均勻度。

Claims (6)

1. 一種物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構，包括：一基座，係固設於一反應室之內部；一固定齒輪，係固設於該基座的底面上；一中心軸，係可轉動地穿過該基座與該固定齒輪，上端連結一驅動器以使其可被該驅動器驅動旋轉，下端凸伸出該固定齒輪的下方；一旋臂，係固設在該中心軸的下端可被該中心軸驅動旋轉；一旋轉齒輪，係可轉動地結合於該旋臂的一端，且與該固定齒輪相嚙合，中央具有一輪軸凸伸至該旋臂的下方；以及一磁盤，係包含固設於該輪軸下端且平行間隔設置之複數盤體及固設於該複數盤體間且以相反磁極呈雙螺旋線狀排列之複數磁鐵；以及一平衡塊，係固設於該旋臂之另一端，且使該固定齒輪位於該平衡塊與該旋轉齒輪之間。
2. 如請求項1所述之物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構，其中該基座的中央具有貫穿之一穿孔，該固定齒輪的中央具有貫穿之一軸孔，該中心軸係可轉動地穿過該穿孔與該軸孔。
3. 如請求項1所述之物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構，其中該旋臂呈長條狀，一端具有一容槽可供容納該固定齒輪與該旋轉齒輪，且以一密封蓋將該容槽的開口蓋住以避免該容槽進水。
4. 如請求項1所述之物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構，其中該複數磁鐵呈為圓柱形之永久磁鐵。
5. 如請求項1所述之物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構，其中該固定齒輪係以複數固定螺栓將其固設於該基座的底面上。
6. 如請求項1所述之物理氣相沉積反應室的磁鐵旋轉機構，其中該旋臂係利用複數結合螺栓將其固設在該中心軸的下端。