CN103177918B - 一种磁控管及等离子体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁控管及等离子体加工设备，所述磁控管包括极性相反的内磁极和外磁极，所述内磁极与所述外磁极相互不接触地嵌套在一起，所述内磁极和外磁极在其径向截面上的形状均为螺旋线。该磁控管可以提高靶材的利用率，不仅可以降低等离子体加工设备生产成本，而且可以提高等离子体加工设备的生产效率。

Description

一种磁控管及等离子体加工设备

技术领域

本发明属于等离子体加工设备领域，涉及一种磁控管及应用该磁控管的等离子体加工设备。

背景技术

直流磁控溅射技术是制备半导体集成电路的常用技术，其是在低气压下使气体电离形成等离子体，然后借助靶材表面的磁场使等离子体中的带电粒子撞击靶材表面，以使靶材发生溅射，在溅射粒子中，中性的靶原子沉积在晶片等被加工工件表面而形成薄膜。

图1为典型的磁控溅射设备的结构简图。如图1所示，磁控溅射设备包括反应腔室1、真空泵2以及气体源4。其中，真空泵2与反应腔室1的底部连通，用以调节反应腔室1内部的气体压力。气体源4通过管路与反应腔室1连接，在气体源4与反应腔室1之间设有用于控制反应气体流量的气体流量计3。在反应腔室1的底部设有用以承载晶片的静电卡盘5，在反应腔室1的顶部与静电卡盘5相对的位置设有靶材6。在靶材6的上方还设有用于提高溅射速率的磁控管9，磁控管9在电机12的驱动下扫描靶材6的表面。

图2为典型的磁控管的平面视图。请参阅图2，磁控管9包括肾形的内磁极91和外磁极92，内磁极91嵌套在外磁极92内，而且，内磁极91和外磁极92的极性相反。利用典型的磁控管扫描靶材，靶材的腐蚀很不均匀。图3为利用典型的磁控管扫描靶材时靶材的腐蚀曲线。图中，横坐标表示靶材中心到靶材边缘的距离，即靶材的半径；纵坐标表示靶材的腐蚀深度。从图3的腐蚀曲线可知，132、134、136、138位置靶材的腐蚀较深，而且136位置靶材的腐蚀尤其严重，因此，典型磁控管导致靶材的腐蚀不均匀，靶材的利用率较低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁控管及应用该磁控管的等离子体加工设备，其可以使靶材均匀腐蚀，从而提高靶材的利用率。

解决上述技术问题的所采用的技术方案是提供一种磁控管，包括极性相反的内磁极和外磁极，所述内磁极与所述外磁极相互不接触地嵌套在一起，所述内磁极和外磁极在其径向截面上的形状均为螺旋线。

优选地，所述内磁极和外磁极在其径向截面上的形状均满足公式(1)，

θ＝r-arctan(r) (1)

式中，θ表示距离螺旋线起始点的弧度；

r表示距离螺旋线中心点的距离。

优选地，所述内磁极包括内磁极本体和设置在所述内磁极本体上的多个磁铁，所述磁铁沿所述内磁极本体的弧线排列设置；所述外磁极包括外磁极本体和设置在所述外磁极本体上的多个磁铁，所述磁铁沿所述外磁极本体的弧线排列设置。

优选地，设置在所述内磁极本体上的所述磁铁沿所述内磁极本体的弧线均匀分布；设置在所述外磁极本体上的所述磁铁沿所述外磁极本体的弧线均匀分布。

优选地，所述磁铁为柱状的磁铁，所述磁铁镶嵌在所述内磁极本体和所述外磁极本体内。

优选地，在所述外磁极的径向方向上，所述外磁极本体的内端部的宽度大于所述外磁极本体的外端部的宽度；或者在所述内磁极的径向方向上，所述内磁极本体的内端部的宽度大于所述内磁极本体的外端部的宽度。

优选地，在所述外磁极径向的截面上，所述外磁极的外端部闭合，以使所述内磁极嵌套在所述外磁极内。

优选地，磁控管的旋转轴为所述外磁极的对称轴或所述外磁极的内端部所在的直线。

优选地，所述外磁极和所述内磁极的间距为0.5～1.5英寸。

优选地，所述外磁极和所述内磁极的间距根据实际靶材腐蚀结果进行调整。

本发明还提供一种等离子体加工设备，包括反应腔室、靶材、磁控管以及驱动所述磁控管转动的驱动部件，所述靶材设置在所述反应腔室的顶端，所述磁控管设置在所述靶材的上方，在所述驱动部件的驱动下所述磁控管在所述靶材的表面旋转扫描，所述磁控管采用本发明提供的所述的磁控管.

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的磁控管采用螺旋线型结构，即，所述内磁极和外磁极在其径向截面上的形状为螺旋线，其可以使靶材的腐蚀更均匀，从而使靶材的利用率提高到58％左右，同时可以减少更换靶材所需的时间，进而降低生产成本。

本发明提供的等离子体加工设备，由于螺旋线型结构的磁控管，使靶材的腐蚀更均匀，从而使靶材的利用率提高到58％左右，这不仅降低了等离子体加工设备生产成本，而且减少了更换靶材所需的时间，从而可以提高等离子体加工设备的生产效率。

附图说明

图1为典型的磁控溅射设备的结构简图；

图2为典型的磁控管的平面视图；

图3为利用典型的磁控管扫描靶材时靶材的腐蚀曲线；

图4为本发明实施例磁控管的平面视图；

图5为本发明螺旋线的示意图

图6为本发明实施例将磁铁不均匀的设置在内磁极本体和外磁极本体上的平面视图；

图7为利用本发明实施例磁控管扫描靶材表面时的靶材的模拟腐蚀曲线；以及

图8为本发明变型实施例中磁控管的平面视图。

具体实施方式

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及等离子体加工设备进行详细描述。

图4为本发明实施例磁控管的平面视图。请参阅图4，磁控管包括极性相反的内磁极91和外磁极92，内磁极91和外磁极92相互不接触地嵌套在一起。内磁极91和外磁极92在磁控管径向的截面(即垂直于磁控管轴线的截面)上的形状均为螺旋线，即本实施例磁控管为螺旋磁控管。相对于现有的磁控管，如肾型磁控管或类螺旋磁控管，本实施例螺旋磁控管由于比较平滑，在扫描靶材的过程中可以使靶材获得均匀的磁场，从而可以提高靶材腐蚀的均匀性。

优选地，内磁极91和外磁极92在磁控管径向截面上的形状均满足公式(1)，换言之，螺旋线满足公式(1)，

θ＝r-arctan(r) (1)

式中，θ表示与自螺旋线起始点的弧度；

r表示距离螺旋线中心点的距离。

图5为本发明螺旋线的示意图。其中，坐标中心点为螺旋线的中心点，螺旋线起始点为螺旋线上曲率最大的位置。内磁极91和外磁极92在其径向截面上的形状如图5所示。

在本实施例中，内磁极91和外磁极92的不同之处在于：内磁极91和外磁极92转过的弧度不同，以及内磁极91和外磁极92的内端部的位置不同。如图4所示，外磁极92的外端部闭合，内磁极91完全嵌套在外磁极92内，使内磁极91和外磁极92形成闭合区域，即形成了闭合的电子束缚区域，从而提高磁场束缚电子的能力，进而可以使启辉更加容易。

请参阅图4，内磁极91包括内磁极本体91a和多个磁铁40a，磁铁40a沿内磁极本体91a的弧线均匀分布，即由内磁极本体91a的内端部至外端部均匀排列设置。类似地，外磁极92包括外磁极本体92a和多个磁铁40b，磁铁40b沿外磁极本体92a的弧线分布，即由外磁极本体92a的内端部至外端部均匀排列设置。

本实施例，内磁极本体91a和外磁极本体92a采用导磁材料制作，而且设置在内磁极本体91a上的磁铁40a与设置在外磁极本体92a上的磁铁40b的极性相反，如设置在内磁极本体91a上的磁铁40的S极朝向读者，设置在外磁极本体92a上的磁铁40的N极朝向读者，从而使内磁极91和外磁极92获得极性相反的磁场，借助极性相反的内磁极91和外磁极92可以约束靶材表面的等离子体。

需要说明的是，虽然本实施例磁控管的内磁极91是由内磁极本体91a和磁铁40a组成，但本发明并不局限于此。磁控管的内磁极91也可以直接采用磁铁制作而成，即采用一个与内磁极本体91a形状相同的磁铁作为内磁极91。类似地，本实施例磁控管的外磁极92是由外磁极本体92a和磁铁40b组成，但本发明并不局限于此。磁控管的外磁极92也可以直接采用磁铁制作而成，即采用一个与外磁极本体92a形状相同的磁铁作为外磁极92。

本实施例中，磁铁40a沿内磁极本体91a的弧线均匀分布，磁铁40b沿外磁极本体92a的弧线均匀分布，以提高等离子体的密度，增加磁场强度，从而可以提高溅射的稳定性。

可以理解，在实际使用过程中，也可以根据工艺要求在内磁极本体91a上设置疏密不同的磁铁40a，即，磁铁40a也可以在内磁极本体91a的内端部至外端部之间不均匀设置。同理，磁铁40b也可以在外磁极本体92a的内端部至外端部之间不均匀设置。如图6所示，图6为本发明实施例将磁铁不均匀的设置在内磁极本体和外磁极本体上的平面视图。

本实施例中，磁铁40a镶嵌在内磁极本体91a内，磁铁40b镶嵌在外磁极本体92a内。当然，磁铁40a也可以紧贴内磁极本体91a的表面设置，同理，磁铁40b也可以紧贴外磁极本体92a的表面设置。磁铁40a、40b的数量和分布密度可以根据磁控管所需的磁场强度来调节。

另外，内磁极本体91a在其径向方向的宽度可以为磁铁40a直径的1～2倍，外磁极本体92a在其径向方向的宽度可以为磁铁40b直径的1～2倍。通过调节内磁极本体91a和外磁极本体92a在其径向方向的宽度可以达到调节磁控管的磁场强度的目的。

图7为利用本发明实施例磁控管扫描靶材表面时的靶材的模拟腐蚀曲线。图中，横坐标表示靶材中心到靶材边缘的距离，即靶材的半径，单位：厘米(cm)；纵坐标表示靶材的相对腐蚀深度。如图7所示，从腐蚀曲线中可以看出，靶材整体的腐蚀非常均匀，这使得新型磁控管设计较以往的设计具有更均匀的靶材腐蚀和更高的靶材利用率。虽然，靶材腐蚀曲线中心区域腐蚀程度较高，但可以通过减小中心区域的磁铁密度或减小中心区域的内外磁极间距等方式来减小中心区域的磁场强度，从而减小其腐蚀程度。

较佳地，本实施例增加了外磁极本体92a的内端部在其径向方向上的宽度，即，使外磁极本体92a的内端部的宽度大于外磁极本体92a的外端部的宽度，以降低磁控管中心区域的磁场强度，从而可以减少靶材中心位置的腐蚀，进而提高靶材腐蚀的均匀性，提高靶材的利用率。不难理解，本实施例增加内磁极本体91a的内端部在其径向方向上的宽度，即，使内磁极本体91a的内端部的宽度大于内磁极本体91a的外端部的宽度，同样能够达到降低磁控管中心区域的磁场强度的目的。

本实施例中，磁极91和外磁极92内的间距根据实际靶材腐蚀结果进行调整，如，内磁极91和外磁极92的间距为0.5～1.5英寸，优选1英寸，这可以使启辉以及维持等离子体更加容易。在实际使用过程中，可以将外磁极92的对称轴作为磁控管的旋转轴，当然，也可以将外磁极的内端部所在的直线作为磁控管的旋转轴，可以根据靶材的腐蚀情况调整磁控管的旋转轴的位置。

本实施例提供的磁控管采用螺旋线型结构，即，所述内磁极和外磁极在其径向截面上的形状为螺旋线，其可以使靶材的腐蚀更均匀，测量可知靶材的利用率为58％左右。这不仅可以提高靶材的利用率，而且可以减少更换靶材所需的时间，进而降低生产成本，提高生产效率。

作为上述实施例的变型，图8示出了变型实施例中磁控管的平面视图。如图8所示，本实施例中，外磁极92的外端部为开放式结构，即外磁极92没有完全地将内磁极91包围。另外，外磁极本体92a的内端部在外磁极92的径向方向上的宽度与外磁极本体92a的外端部的宽度相同。除此之外，变型实施例与上述实施例的其它特征相同，这里不再赘述。经模拟计算，利用变型实施例的磁控管扫描靶材表面时，靶材的腐蚀曲线与图7相似。该变型实施例中的磁控管同样能够达到提高靶材的利用率。

本实施例还提供一种等离子体加工设备，其包括反应腔室、靶材、磁控管以及驱动所述磁控管转动的驱动部件，靶材设置在反应腔室的顶端，磁控管设置在靶材的上方，在驱动部件的驱动下，磁控管在靶材的表面扫描，其中磁控管采用上述实施例所述的磁控管。

本实施例等离子体加工设备由于采用上述实施例所述的磁控管，使靶材的腐蚀更均匀，从而提高了靶材的利用率，这不仅降低了等离子体加工设备生产成本，而且减少了更换靶材所需的时间，从而可以提高等离子体加工设备的生产效率。

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 (8)

1.一种磁控管，包括极性相反的内磁极和外磁极，所述内磁极与所述外磁极相互不接触地嵌套在一起，其特征在于，所述内磁极和外磁极在其径向截面上的形状均为螺旋线；所述内磁极包括内磁极本体和设置在所述内磁极本体上的多个磁铁，所述磁铁沿所述内磁极本体的弧线排列设置；所述外磁极包括外磁极本体和设置在所述外磁极本体上的多个磁铁，所述磁铁沿所述外磁极本体的弧线排列设置，并且

在所述外磁极的径向方向上，所述外磁极本体的内端部的宽度大于所述外磁极本体的外端部的宽度；或者在所述内磁极的径向方向上，所述内磁极本体的内端部的宽度大于所述内磁极本体的外端部的宽度，用以减小中心区域的磁场强度。

2.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，设置在所述内磁极本体上的所述磁铁沿所述内磁极本体的弧线均匀分布；设置在所述外磁极本体上的所述磁铁沿所述外磁极本体的弧线均匀分布。

3.根据权利要求1或2所述的磁控管，其特征在于，所述磁铁为柱状的磁铁，所述磁铁镶嵌在所述内磁极本体和所述外磁极本体内。

4.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，在所述外磁极径向的截面上，所述外磁极的外端部闭合，以使所述内磁极嵌套在所述外磁极内。

5.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，磁控管的旋转轴为所述外磁极的对称轴或所述外磁极的内端部所在的直线。

6.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，所述外磁极和所述内磁极的间距为0.5～1.5英寸。

7.根据权利要求1所述的磁控管，其特征在于，通过减小中心区域的所述内磁极和所述外磁极的间距来减小中心区域的磁场强度。

8.一种等离子体加工设备，包括反应腔室、靶材、磁控管以及驱动所述磁控管转动的驱动部件，所述靶材设置在所述反应腔室的顶端，所述磁控管设置在所述靶材的上方，在所述驱动部件的驱动下所述磁控管在所述靶材的表面旋转扫描，其特征在于，所述磁控管采用权利要求1-7任意一项所述的磁控管。