CN102789941A - 一种磁控管、磁控管的制造方法及物理沉积室 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁控管、磁控管的制造方法及物理沉积室。其中，磁控管包括可绕靶材中心轴旋转的极性方向相反的内磁极和外磁极，内磁极为螺旋线形且设置于外磁极的内部，在内、外磁极之间形成包围内磁极的磁场轨道，由中心轴发射出去的任一角度的半径与磁场轨道相交一次或两次；磁控管绕中心轴旋转过程中，磁场轨道使靶材表面任一单位面积所获得的磁场扫描强度大致相等。利用上述磁控管进行磁控溅射工艺时，可实现对靶材径向的均匀腐蚀，从而可有效提高靶材的利用率及相关工艺的均匀性。此外，利用本发明提供的磁控管制造方法所获得的磁控管以及本发明提供的物理沉积室具有与上述磁控管相同或类似的优点。

Description

一种磁控管、磁控管的制造方法及物理沉积室

技术领域

本发明涉及微电子加工技术领域，具体地，涉及一种磁控管、磁控管的制造方法及应用上述磁控管的物理沉积室。

背景技术

近年来，随着集成电路、液晶显示器、薄膜太阳能电池及LED产品的快速发展，用于进行物理薄膜淀积工艺的物理沉积室得到了广泛应用。

请参阅图1，为一种典型的物理沉积室的结构原理图。该设备主要包括：工艺腔室1、设置于工艺腔室1内部的静电卡盘3、设置于工艺腔室1上方的靶材2和磁控管4以及磁控管驱动电机5。在工艺腔室1的下端或侧壁上连接有抽气装置13。在磁控溅射工艺中，向工艺腔室1内通入用于形成等离子体的工艺气体(例如，氩气等)，在腔室内电场和磁场的共同作用下，等离子体中的部分离子轰击靶材2的表面，使靶材2表面的部分原子脱落，并沉积到所要加工的基片表面，从而形成所需膜层。

其中，磁控管的结构能够直接决定工艺腔室内所形成的等离子体轨迹的分布形态，因而对薄膜沉积的均匀性及靶材利用率等工艺参数均具有关键影响作用。

为此，专利号为CN200580013582.6的中国申请中公开了一种多轨道且具有不对称形状的磁控管结构。该磁控管在一定程度上能够实现对靶材的磁场扫描，然而通过上述专利文件中所公开的靶材腐蚀曲线可知，利用该磁控管进行磁控溅射工艺时无法实现对靶材径向的均匀腐蚀，从而无法获得较高的靶材利用率，并影响工艺质量的均匀性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种磁控管，其能够获得均匀的靶材腐蚀及较高的靶材利用率。

为解决上述问题，本发明还提供一种磁控管的制造方法，利用该方法所获得的磁控管同样能够获得均匀的靶材腐蚀及较高的靶材利用率。

为解决上述问题，本发明还提供一种物理沉积室，其同样能够获得均匀的靶材腐蚀及较高的靶材利用率。

为此，本发明提供一种磁控管，用于在磁控溅射工艺中对靶材进行磁场扫描，其包括可绕靶材中心轴旋转的极性方向相反的内磁极和外磁极，其中，内磁极为螺旋线形且设置于外磁极的内部，在内、外磁极之间形成包围内磁极的磁场轨道，由中心轴发射出去的任一角度的半径与磁场轨道相交一次或两次；磁控管绕中心轴旋转过程中，磁场轨道使靶材表面任一单位面积所获得的磁场扫描强度大致相等。

其中，磁场轨道使靶材表面任一径向或周向上的单位面积所获得的磁场扫描强度大致相等。

其中，位于内磁极两侧的磁场轨道的宽度大致相等。

其中，对应于靶材边缘位置处的至少部分磁场轨道向中心轴方向偏转。

其中，磁场轨道上具有至少一个最远点，最远点至中心轴的距离与靶材的半径大致相等。

其中，磁场轨道自最远点所在位置处开始向中心轴方向偏转。

其中，螺旋线为正螺旋线或逆螺旋线。

其中，位于内磁极两侧的磁场轨道的宽度可调。

其中，内磁极包括内磁极靴和设置在内磁极靴上的多个内磁体，相应的，外磁极包括外磁极靴和设置在外磁极靴上的多个外磁体。

此外，本发明还提供一种磁控管的制造方法，用于加工上述本发明所提供的磁控管，该方法至少包括下述步骤：1)选定一种螺旋线形状作为内磁极的形状；2)确定位于内磁极两侧的磁场轨道的宽度，并根据磁场轨道的宽度和靶材的半径确定磁场轨道的形状；3)根据步骤2)中所确定的磁场轨道的形状确定外磁极的形状，并加以制造。

其中，步骤20)之后还包括步骤21)：使磁场轨道自最远点所在位置处开始向中心轴方向偏转。

其中，步骤21)之后还包括步骤22)：模拟磁控管用于磁控溅射工艺时对靶材表面的磁场扫描强度，然后根据模拟结果对磁场轨道的长度、宽度及偏转角度进行调整；直至使靶材表面任一单位面积所获得的磁场扫描强度大致相等。

其中，在步骤22)中，利用计算机模拟磁控管的磁场扫描强度。

其中，在步骤1)中，使内磁极的形状与极坐标方程θ＝r-arctan(r)或r＝a+b*θ所描述的图形相一致。

另外，本发明还提供一种物理沉积室，包括靶材和上述本发明所提供的磁控管，用以使靶材表面任一单位面积所获得的磁场扫描强度大致相等。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的磁控管包括可绕靶材中心轴旋转的极性方向相反的内磁极和外磁极，其中，内磁极为螺旋线形且设置于外磁极的内部，在内、外磁极之间形成包围内磁极的磁场轨道，由中心轴发射出去的任一角度的半径与磁场轨道相交一次或两次。由此可见，本发明提供的磁控管能够形成大致为螺旋线形的磁场轨道，在磁控管绕中心轴旋转过程中，该磁场轨道能够对靶材任一半径方向进行均匀扫描，并最终使靶材表面任一单位面积所获得的磁场扫描强度大致相等，从而实现对靶材表面各个位置处的均匀腐蚀，进而有效提高靶材利用率。此外，在一个优选实施例中，本发明提供的磁控管中，对应于靶材边缘位置处的部分磁场轨道向中心轴方向偏转，用以对靶材边缘区域进行补偿，以进一步提高靶材边缘和中心区域的腐蚀均匀性及靶材的有效利用率。

并且，由于本发明提供的磁控管的磁场轨道大致分布于外磁极所围成的区域范围内，这样就有效避免了等离子体轨迹过长、过窄的问题，从而无需使用过高的腔室气压即可完成对等离子体的启辉和维持过程。

本发明所提供的物理沉积室包括靶材及上述本发明提供的磁控管。在磁控溅射工艺中，上述本发明提供磁控管能够对靶材进行均匀的磁场扫描。因此，本发明提供的物理沉积室同样能够获得均匀的靶材腐蚀结果及较高的靶材利用率，而且无需使用过高的腔室气压即可实现对等离子体的启辉和维持。

附图说明

图1为一种典型的物理沉积室的结构原理图；

图2为本发明提供的磁控管一个具体实施例的结构示意图；

图3为图2所示实施例中内磁极的形状曲线示意图；

图4为图2所示实施例中的磁控管进行磁控溅射工艺时所形成的靶材腐蚀曲线；以及

图5为根据本发明提供的磁控管的制造方法所设计的一种磁控管的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供的磁控管用于在磁控溅射工艺中对靶材进行均匀的磁场扫描，以提高对靶材的腐蚀均匀性，从而提高靶材利用率及相关工艺的均匀性。

该磁控管包括可绕靶材中心轴旋转的极性方向相反的内磁极和外磁极。其中，内磁极为螺旋线形且设置于外磁极的内部，在内、外磁极之间形成包围内磁极的磁场轨道，由上述中心轴发射出去的任一角度的半径与该磁场轨道有一次或两次相交。在磁控管绕中心轴旋转过程中，上述磁场轨道能够使靶材表面任一径向和/或周向上的单位面积所获得的磁场扫描强度大致相等。其中，所述磁场扫描强度等于磁控管匀速旋转整数圈时，靶材表面任一单位面积所受到的磁场扫描时长与该单位面积所受到的平均磁场强度的乘积。在实际应用中，由于受到工艺条件及环境等因素的影响，要想实现使靶材各个位置处所受到的磁场扫描强度完全相等的情况相对而言比较困难；因而只要能够使靶材上各个位置所获得的磁场扫描强度大致相等，并满足靶材腐蚀及工艺质量的均匀性要求即应视为实现了本发明的目的。

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的磁控管、磁控管的制造方法及应用上述磁控管的物理沉积室进行详细描述。

请参阅图2，为本发明提供的磁控管一个具体实施例的结构示意图。如图所示，该磁控管的内磁极由内磁极靴5和设置在内磁极靴5上的多个内磁体(图未示)构成，内磁极靴5上设置有多个内磁体安装孔2，用于安装内磁体；相应的，外磁极由外磁极靴6和设置在外磁极靴6上的多个外磁体(图未示)构成，外磁极靴6上同样设置有多个外磁体安装孔4，用于安装上述多个外磁体。其中，上述内磁体与外磁体的磁极方向相反，从而构成磁极方向相反的内、外磁极。至于内、外磁体在内、外磁极靴上的固定方式，例如可以螺接、铆接、焊接等常规技术手段而实现。

其中，内磁极和外磁极之间形成磁场轨道3，且位于内磁极两侧的磁场轨道3的宽度大致相等。这里，所述磁场轨道的宽度是指经过中心轴的直线被内、外磁极所截的线段长度；或者指内、外磁极上的对应点之间的垂直距离，具体采用何种定义则可视实际需要而定。此外，将上述磁场轨道的宽度限定为“大致”相等是因为，在实际应用中可能由于加工及安装等误差而造成上述磁场轨道宽度并非完全等宽的情况，而且，只要该磁场轨道能够呈现大致等宽的状态即可实现本发明的目的；另外，出于对工艺的需要，技术人员还可以在本发明的基础上对磁控管上某一位置处的内磁极两侧的磁场轨道宽度进行调整，而上述对磁控管结构所作出的各种变形均应视为本发明的保护范围。

在实际应用中，为使内、外磁极间的磁场轨道的形状固定不变，通常采用诸如背板等的部件而将内、外磁极的相对位置进行固定，并且将上述中心轴同样设置在所述背板上，然后将中心轴与诸如马达等旋转动力装置相连接，从而驱动磁控管进行旋转。

请参阅图3，为本实施例中内磁极所采用的形状曲线示意图。该内磁极的形状与极坐标方程θ＝r-arctan(r)所描述的形状相一致。其中，r表示曲线上的点到坐标原点的距离，θ表示与r对应的曲线点的极角。容易理解的是，上述螺旋线方程仅仅是众多螺旋线方程中的一种，而本发明中内磁极的形状可以采用任意的平面螺旋线构成，只要能够使内磁极以平面螺旋的方式由中心轴位置逐渐延伸至靶材边缘位置，从而当磁控管旋转时，能够使磁控管所形成的螺旋线形磁场对靶材径向方向进行较为均匀地扫描即应视为本发明的保护范围。

需要指出的是，无论上述内磁极的形状采用何种极坐标方程，其中θ的取值都应当介于2π和4π之间，从而限定磁控轨道的螺旋角度和长度。具体地，应当满足由中心轴发射出去的任一角度的半径与磁场轨道相交一次或两次的条件，从而在使靶材任一径向获得充分磁场扫描的同时，又能避免因磁场轨道过长、过窄而导致的所需启辉气压过高的问题。

本实施例中，上述内磁极和外磁极均围绕中心轴1进行旋转，而中心轴1的具***置可以在一定区域内进行多种选择，只要使中心轴1的位置在内磁极起点附近一定范围且落入磁场轨道3所在区域即可。而为了使靶材中心至边缘区域均能获得磁场扫描，还应当使磁场轨道上具有至少一个最远点，且该最远点至中心轴的距离与靶材的半径大致相等。需要说明的是，上述最远点与中心轴的距离不宜超过靶材半径的长度，以避免等离子体受到超出靶材表面的磁场作用而对靶材之外的组件进行溅射。

另外，为了使靶材边缘区域与中心区域所获得的腐蚀均匀性相一致，本发明提供的磁控管中，使对应于靶材边缘位置处的至少部分磁场轨道向中心轴方向偏转。在实际应用中，通常使磁场轨道在上述最远点位置处开始向中心轴方向偏转。这样设置的目的在于，使磁控管上对应于靶材边缘位置处的磁场密度增强，从而对靶材边缘区域进行补偿扫描，以进一步增加对靶材径向腐蚀的均匀性。此外，基于相同或类似的目的，还可以根据实际的靶材腐蚀结果，而对上述内、外磁极的螺旋线长度、二者之间的磁场轨道宽度以及作为螺旋线形的内、外磁极的螺距等的形状参数进行适当的调节。容易理解的是，上述对磁控管形状的调整完全可以借助计算机及相关的设计软件而进行模拟实验，并在每次调整完成后通过计算机仿真等方式对靶材的腐蚀结果进行检验；然后，可根据仿真的靶材腐蚀结果对磁控管形状作出进一步的调整；最终，根据计算机所获得的理想的磁控管结构参数进行实际的加工制造即可。而上述基于计算机技术的调整过程不但能大幅提高实验效率，同时还可节约大量的实验成本。

需要指出的是，上述内磁极的形状仅仅是为了说明本发明原理的示范性实施例，本发明并不局限于此，事实上，内磁极的形状可被设置为任意的平面螺旋线形；例如还可以使内磁极的形状与极坐标方程r＝a+b*θ所描述的形状相一致，其中，b为螺旋线系数，表示每旋转1度时极径的增加(或减小)量；a为当θ＝0°时的极径。改变参数a将改变螺线形状，改变b则控制螺线间距离。或者，还可以使内磁极的形状与渐开线方程θ＝tan(α)-α相类似或一致，其中，θ为展角，α为压力角。当然，对于内磁极的可选形状远不止上述几种曲线方程所描述的形状，在满足本发明目的的情况下，本发明提供的磁控管中的内磁极形状可以采用任意的螺旋线形状。

还需要指出的是，上述本发明提供的内磁极的螺旋线均为逆螺旋线，但本发明并不局限于此，例如还可以将上述逆螺旋线进行镜像翻转，从而得到正螺旋线形的内磁极，而该正螺旋线形的内磁极同样属于本发明的保护范围。

请参阅图4，为图2所示实施例中的磁控管进行磁控溅射工艺时所形成的靶材腐蚀曲线。将该曲线与申请号为CN200580013582.6的中国申请中所公开的腐蚀曲线相比，能够明显地发现：利用本发明提供的磁控管进行磁控溅射工艺时，能够在靶材径向方向上实现更加均匀的腐蚀，而不会出现明显的不均匀腐蚀现象。因此，本发明提供的磁控管能够有效提高靶材的利用率，同时提高磁控溅射工艺的均匀性。此外，本发明提供的磁控管所产生的等离子体轨迹形态为两条大致平行的螺旋线形轨迹，并且该等离子体轨迹的宽度及长度均可调节，从而在等离子体启辉及维持过程中均无需使工艺腔室的气压过高，从而有效保证了磁控溅射工艺的稳定性及均匀性。

作为另一种技术方案，本发明还提供一种磁控管的制造方法，用于设计并加工上述本发明所提供的磁控管。该方法至少包括下述步骤：1)选定一种螺旋线形状作为内磁极的形状；2)确定位于内磁极两侧的磁场轨道的宽度，并根据磁场轨道的宽度和靶材的半径确定磁场轨道的形状；3)根据步骤2)中所确定的磁场轨道的形状确定外磁极的形状，并加以制造。

其中，在一些具体实施例中，可以在步骤1)中使内磁极的形状与极坐标方程θ＝r-arctan(r)或r＝a+b*θ或渐开线方程θ＝tan(α)-α所描述的图形相一致或类似。

并且，在一些优选实施例中，还可以在步骤20)之后增加步骤21)和步骤22)。其中，步骤21)，使磁场轨道自最远点所在位置处开始向中心轴方向偏转。步骤22)，模拟磁控管用于磁控溅射工艺时对靶材表面的磁场扫描强度，然后根据模拟结果对磁场轨道的长度、宽度及偏转角度进行调整；直至使靶材表面任一单位面积所获得的磁场扫描强度大致相等。容易理解的是，在步骤21)和22)中，均可以利用相关的计算机软件而模拟磁控管的磁场扫描强度，并根据模拟结果而对磁控管形状进行调整。

请参阅图5，为根据本发明提供的磁控管的制造方法所设计的一种磁控管的结构示意图。本实施例中的磁控管结构与图2所示实施例的区别在于，本实施例中的内、外磁极的长度有所缩短；同时，磁场轨道3对应于靶材边缘区域而向中心轴方向偏转的长度有所减少。而内磁极5和外磁极的曲线形状以及内、外磁极中的小磁体的固定方式等均与上述图6所示实施例相同或类似，在此不再赘述。由于本实施例中的磁控管结构与上述图6所示实施例具有基本相同的结构特征，因此，其同样能够实现对靶材的均匀腐蚀并提高靶材利用率；同时，由于本实施例中内、外磁极的长度均有所缩短，所以在等离子体的启辉及维持过程中，可进一步降低工艺腔室的气压，从而进一步提升工艺的稳定性。

作为另一种技术方案，本发明还提供一种物理沉积室，包括靶材以及上述本发明所提供的磁控管，用以使靶材表面任一单位面积所获得的磁场扫描强度大致相等。在磁控溅射工艺中，本发明提供的物理沉积室借助上述本发明提供的磁控管，同样能够对靶材表面进行均匀地磁场扫描，从而有效提高靶材的腐蚀均匀性及靶材利用率；同时在等离子体启辉及维持过程中，无需采用过高的腔室气压即可，从而可有效提升工艺的稳定性。

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 (15)

1.一种磁控管，用于在磁控溅射工艺中对靶材进行磁场扫描，其特征在于，包括可绕靶材中心轴旋转的极性方向相反的内磁极和外磁极，其中，

所述内磁极为螺旋线形且设置于所述外磁极的内部，在所述内、外磁极之间形成包围所述内磁极的磁场轨道，由所述中心轴发射出去的任一角度的半径与所述磁场轨道相交一次或两次；

所述磁控管绕所述中心轴旋转过程中，所述磁场轨道使所述靶材表面任一单位面积所获得的磁场扫描强度大致相等。

2.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，所述磁场轨道使所述靶材表面任一径向或周向上的单位面积所获得的磁场扫描强度大致相等。

3.根据权利要求1或2所述的磁控管，其特征在于，位于所述内磁极两侧的磁场轨道的宽度大致相等。

4.根据权利要求3所述的磁控管，其特征在于，对应于靶材边缘位置处的至少部分磁场轨道向所述中心轴方向偏转。

5.根据权利要求4所述的磁控管，其特征在于，所述磁场轨道上具有至少一个最远点，所述最远点至所述中心轴的距离与所述靶材的半径大致相等。

6.根据权利要求5所述的磁控管，其特征在于，所述磁场轨道自所述最远点所在位置处开始向所述中心轴方向偏转。

7.根据权利要求3所述的磁控管，其特征在于，所述螺旋线为正螺旋线或逆螺旋线。

8.根据权利要求1或2所述的磁控管，其特征在于，位于所述内磁极两侧的磁场轨道的宽度可调。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的磁控管，其特征在于，所述内磁极包括内磁极靴和设置在所述内磁极靴上的多个内磁体，相应的，所述外磁极包括外磁极靴和设置在所述外磁极靴上的多个外磁体。

10.一种磁控管的制造方法，用于加工权利要求1-9中任意一项所述的磁控管，其特征在于，所述方法至少包括下述步骤：

1)选定一种螺旋线形状作为所述内磁极的形状；

2)确定位于所述内磁极两侧的磁场轨道的宽度，并根据所述磁场轨道的宽度和所述靶材的半径确定所述磁场轨道的形状；

3)根据步骤2)中所确定的磁场轨道的形状确定所述外磁极的形状，并加以制造。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤20)之后还包括步骤21)：使所述磁场轨道自所述最远点所在位置处开始向所述中心轴方向偏转。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤21)之后还包括步骤22)：模拟所述磁控管用于磁控溅射工艺时对靶材表面的磁场扫描强度，然后根据模拟结果对所述磁场轨道的长度、宽度及偏转角度进行调整；直至使所述靶材表面任一单位面积所获得的磁场扫描强度大致相等。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述步骤22)中，利用计算机模拟所述磁控管的磁场扫描强度。

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)中，使所述内磁极的形状与极坐标方程θ＝r-arctan(r)或r＝a+b*θ所描述的图形相一致。

15.一种物理沉积室，包括靶材，其特征在于，还包括权利要求1-9中任意一项所述的磁控管，用以使靶材表面任一单位面积所获得的磁场扫描强度大致相等。

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