CN103374705B - 一种磁控溅射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁控溅射装置，包括反应腔室、卡盘以及靶材，所述卡盘设置在所述反应腔室底部，其用于承载被加工工件，所述靶材设置在所述反应腔室顶部，在所述反应腔室侧壁的外侧设有边磁体，而且所述边磁***于所述卡盘的上方，在所述卡盘的边缘还设有辅助磁体，所述辅助磁体的磁极与所述边磁体的磁极同向设置，所述辅助磁体和所述边磁体形成磁回路，借助所述磁回路使等离子体中的金属离子向所述反应腔室的边缘区域移动，以增加靶材粒子在所述被加工工件边缘区域的沉积量。该磁控溅射装置可以增加被加工工件边缘区域的沉积量，从而可以提高薄膜厚度的均匀性。

Description

一种磁控溅射装置

技术领域

本发明属于微电子加工技术领域，具体涉及一种磁控溅射装置。

背景技术

磁控溅射装置被广泛应用于集成电路的加工。图1为典型的磁控溅射装置的结构简图。请参阅图1，磁控溅射装置主要包括反应腔室1、真空***2、卡盘5、靶材6、供气***7、磁控管3以及用于驱动磁控管运动的电机4。其中，卡盘5设置在反应腔体1的底部，用于承载被加工工件8。靶材6设置在反应腔体1的顶部，并与设置在反应腔室1外部的直流电源(图中未示出)连接，而且，直流电源向靶材6提供偏压。磁控管3设置在靶材6的上方，并在电机4的驱动下扫描靶材6的表面，从而将等离子体10聚集在靶材6的下方。真空***2用于使反应腔室1保持工艺所需的真空度。供气***向反应腔室1内部提供实施工艺所需的工艺气体，如氩气或氮气等。

该磁控溅射装置运行时，施加在靶材6的偏压使其相对于接地的腔体1为负压，工艺气体放电产生的等离子体中的正离子受负压的吸引轰击靶材6的表面，使靶材6表面的金属原子逸出并沉积在被加工工件8的表面，从而在被加工工件8的表面形成薄膜。由于沉积在被加工工件8的表面的金属离子沿被加工工件的直径成正态分布，导致沉积在被加工工件表面的薄膜中间厚、边缘薄，这直接影响产品的可靠性和一致性。

为此，本领域相关技术人员提出了一种改进的磁控溅射装置。图2为改进的磁控溅射装置的结构简图。请参阅图2，改进的磁控溅射装置中的磁控管3为非平衡磁控管，并在反应腔室1侧壁的外侧增设边磁铁9，而且，边磁铁9的磁极与磁控管3的外磁极3a的磁极的设置方向相同。除此之外，改进的磁控溅射装置与典型的磁控溅射装置的结构相同。在工艺过程中，非平衡磁控管在扫描靶材6时，其外磁极3a产生多余的磁力线(无法与内磁极3b形成磁回路的那部分磁力线)会与边磁铁9形成磁回路7，等离子体中的电子受该磁回路7的约束，可以增加反应腔室1边缘的电子密度，从而使被溅射的靶材金属离子向反应腔室1的边缘移动，这将增加靶材在被加工工件8边缘的沉积量增加，进而提高薄膜的厚度均匀性。

但是，在实际使用过程中，由于边磁铁9与磁控管3产生的磁回路随磁控管3的旋转而旋转，使得金属离子密度较高区域在不断的变化。实际上，改进的磁控溅射装置是动态增加被加工工件边缘的沉积量。当需要较薄的薄膜时，被加工工件表面的薄膜仍然存在中间厚、边缘薄的情况。

而且，边磁铁9和磁控管3产生的磁回路磁场分布不均匀，在反应腔室1的竖直方向上，靠近靶材6一侧的磁场强度较强，靠近边磁铁9一侧的磁场强度较弱，这使得靠近反应腔室1边缘的靶材金属离子的密度较小，从而影响薄膜厚度的均匀性。

发明内容

为解决上述技术问题之一，本发明提供一种磁控溅射装置，其可以增加反应腔室边缘区域的靶材金属离子的密度，从而提高薄膜厚度的均匀性。

解决上述技术问题的所采用的技术方案是提供一种磁控溅射装置，包括反应腔室、卡盘以及靶材，所述卡盘设置在所述反应腔室底部，其用于承载被加工工件，所述靶材设置在所述反应腔室顶部，在所述反应腔室侧壁的外侧设有边磁体，而且所述边磁***于所述卡盘的上方，在所述卡盘的边缘包括辅助磁体，所述辅助磁体的磁极与所述边磁体的磁极同向设置，所述辅助磁体和所述边磁体形成磁回路，且在竖直方向均匀分布，借助所述磁回路使等离子体中的金属离子向所述反应腔室的边缘区域移动，以增加靶材粒子在所述被加工工件边缘区域的沉积量。

其中，所述辅助磁体为多个永磁柱，所述多个永磁柱均匀地镶嵌在所述卡盘的边缘位置。

其中，所述辅助磁体为感应线圈，所述感应线圈与设置在反应腔室外部的第一直流电源连接，而且，所述感应线圈包括一匝或多匝线圈。

优选地，所述辅助磁体的内周缘与所述被加工工件的外周缘之间的距离为10-15mm。

其中，所述边磁体为多块永磁铁，所述多块永磁铁环绕所述反应腔室的侧壁均匀布置。

其中，所述边磁体为永磁环，所述永磁环套设于所述反应腔体的外侧。

优选地，所述边磁体为感应线圈，所述感应线圈与外设的第二直流电源连接，而且所述感应线圈包括一匝或多匝。

其中，所述卡盘为机械卡盘或静电卡盘。

其中，在所述靶材的上方还设有磁控管，所述磁控管为非平衡磁控管或平衡磁控管。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的磁控溅射装置，借助同向设置的边磁体和辅助磁体形成的磁回路可以使等离子体中的金属离子向反应腔室的边缘区域移动，从而使靶材粒子在被加工工件边缘区域的沉积量增加，进而提高薄膜厚度的均匀性。另外，本实施例无需利用磁控管即可在反应腔室边缘区域形成磁回路，该磁回路不会因磁控管旋转而旋转变化，即静态稳定的磁回路，因此，即使沉积的薄膜较薄，也可以获得厚度均匀的薄膜。

附图说明

图1为典型的磁控溅射装置的结构简图；

图2为改进的磁控溅射装置的结构简图；

图3为本发明实施例磁控溅射装置的结构简图；

图4为本发明实施例设置有辅助磁体的卡盘的俯视图；

图5为沿图4中A-A线的截面图；

图6为本发明实施例另一种辅助磁体的俯视图；

图7为本发明变型实施例中卡盘的截面图。

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，下面结合附图来对本发明提供的磁控溅射设备进行详细描述。

图3为本发明实施例磁控溅射装置的结构简图。请参阅图3，磁控溅射装置反应腔室1、供气***7、卡盘5以及靶材6。其中，卡盘5设置在反应腔体1的底部，用于承载被加工工件8。靶材6设置在反应腔体1的顶部，并与设置在反应腔室1外部的直流电源(图中未示出)连接。直流电源向靶材6提供偏压，使靶材6相对于接地的腔体1为负压。反应腔室1内的等离子体中的正离子受该负压的吸引溅射靶材6的表面，使靶材6表面的金属原子逸出并沉积在被加工工件8的表面，从而在被加工工件8的表面形成薄膜。

在反应腔室1的侧壁的外侧设有边磁体11，而且边磁体11位于卡盘5的上方。同时，在卡盘5的边缘还设有辅助磁体12，辅助磁体12的磁极与边磁体11的磁极同向设置，即，当边磁体11的N极向下设置时，辅助磁体12的N极也向下设置，反之亦然。边磁体11和辅助磁体12在反应腔室1的边缘区域形成磁回路，即产生竖直方向的磁场，而且该磁场在竖直方向均匀分布。由于洛伦兹力的作用，该磁场将束缚大量的电子，使反应腔室1边缘的电子密度增加，从而使被溅射下来的带电金属粒子向反应腔室1的边缘区域移动，进而增加靶材粒子在被加工工件边缘区域的沉积量，提高薄膜厚度的均匀性。

本实施例中，辅助磁体为镶嵌在卡盘边缘的永磁柱。图4为本发明实施例设置有辅助磁体的卡盘的俯视图，图5为沿图4中A-A线的截面图。请参阅图4和图5，在卡盘5的边缘镶嵌有八个永磁柱12a，而且，八个永磁柱12a均匀地分布在卡盘5的边缘。为了不影响在卡盘5上表面放置被加工工件8，永磁柱12a的上表面低于卡盘5的上表面。但这并不表明，永磁柱12a的上表面必须低于卡盘5的上表面。实际上，永磁柱12a的上表面高于卡盘5的上表面同样可以实现本发明的目的，而且，同样属于本发明的保护范围。另外，永磁柱12a的上表面与卡盘5的上表面的高度差可以根据加工条件或工艺需要进行调整。但不论永磁柱12a的上表面与卡盘5的上表面的高度差是多少，均不会对永磁柱12a和边磁体11形成的磁力线造成大的影响。

不难理解，本实施例辅助磁体12包括八个永磁柱12a，但这并不表示辅助磁体12只能设置八个永磁柱12a，永磁柱12a通过SUS410不锈钢固定件固定，以避免固定件影响磁场的均匀性。实际上，辅助磁体12可以根据工艺要求设置任意数量个永磁柱12a。不管辅助磁体12包括几个永磁柱12a，均属于本发明的保护范围。

为了使辅助磁体12和边磁体11形成良好的磁回路，同时避免辅助磁体12影响卡盘5放置被加工工件8，辅助磁体12的内周缘与被加工工件8的外周缘之间的距离D为10-15mm。不难理解，辅助磁体12的内周缘与被加工工件8的外周缘之间的距离D也可以根据实际需要进行调整。

在本实施例中，边磁体11为永磁环，永磁环套设于反应腔室1的侧壁的外侧。通过永磁环和永磁柱12a在反应腔室1的边缘区域形成的磁回路，该磁回路使被溅射下来的靶材金属粒子向反应腔室1的边缘移动，从而增加靶材金属粒子在被加工工件8边缘区域的沉积量，提高薄膜厚度的均匀性，进而提高磁控溅射装置的加工质量。

本实施例磁控溅射装置还包括供气***，用以向反应腔室1内部提供实施工艺所需的工艺气体，如氩气或氮气等，工艺气体在反应腔室1内被电离形成等离子体。

在靶材6的上方还设有磁控管3以及用于驱动磁控管运动的电机4，磁控管3可以提高靶材6表面区域的等离子体的密度，从而提高靶材6的溅射速率。而且，本实施例由于无需利用磁控管即可在反应腔室边缘区域形成磁回路，因此，磁控管3可以采用平衡磁控管，也可以采用非平衡磁控管。

在本实施例中，卡盘5可以采用机械卡盘，也可以采用静电卡盘，当然也可以采用其它类型的卡盘。

需要说明的是，本实施例中，辅助磁体12为八个永磁柱12a。实际上，辅助磁体12也可以是永磁环12b，永磁环12b镶嵌在卡盘5的边缘，如图6所示，为本发明实施例另一种辅助磁体的俯视图。

另外，作为本发明的一个变型实施例，辅助磁体12也可以是感应线圈，如图7所示，为本发明变型实施例中卡盘的截面图。在卡盘5内镶嵌感应线圈12c。感应线圈12c与设置在反应腔室1外部的第一直流电源连接。当在感应线圈12c内通入电流时，根据电磁感应原理，感应线圈12c将产生感应磁场，该感应磁场与边磁体11形成磁回路，同样能够使带电的靶材粒子向反应腔室1的边缘移动，从而提高薄膜的均匀性。不难理解，感应线圈12c的匝数可以根据实际需要设定为一匝或多匝线圈。

类似地，本实施例中，边磁体11为永磁环。实际上，边磁体11也可以由多块永磁体构成，多块永磁体绕反应腔室1的侧壁均匀布置，以使边磁体11和辅助磁体12在反应腔室1的边缘位置产生均匀的磁回路。

另外，边磁体11也可以是感应线圈，感应线圈与设置在反应腔室1外部的第二直流电源连接。当在感应线圈内通入电流时，根据电磁感应原理，感应线圈将产生感应磁场，该感应磁场与辅助磁体12形成磁回路，同样能够使带电的靶材粒子向反应腔室1的边缘移动，从而提高薄膜的均匀性。不难理解，感应线圈的匝数可以根据实际需要设定为一匝或多匝线圈。

还需要说明的是，本实施例提供的磁控溅射装置可以用于溅射Ta、Cu、Ti、Al等材料，也可以用于溅射其它材料，以制备与之对应的薄膜。而且，磁控溅射装置不仅可以用于集成电路的制作，也可以制作其它功能薄膜。

本实施例提供的磁控溅射装置借助边磁体和辅助磁体在反应腔室的边缘区域形成磁回路，该磁回路可以将溅射下来的靶材粒子，向反应腔室的边缘区域移动，进而增加靶材粒子在被加工工件边缘区域的沉积量，提高薄膜厚度的均匀性。另外，本实施例无需利用磁控管即可在反应腔室边缘区域形成磁回路，该磁回路不会因磁控管旋转而旋转变化，即静态稳定的磁回路，因此，即使沉积的薄膜较薄，也可以获得厚度均匀的薄膜。

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 (10)

1.一种磁控溅射装置，包括反应腔室、卡盘以及靶材，所述卡盘设置在所述反应腔室底部，其用于承载被加工工件，所述靶材设置在所述反应腔室顶部，在所述反应腔室侧壁的外侧设有边磁体，而且所述边磁***于所述卡盘的上方，其特征在于，在所述卡盘的边缘包括辅助磁体，所述辅助磁体的磁极与所述边磁体的磁极同向设置，所述辅助磁体和所述边磁体形成磁回路，且在竖直方向均匀分布，借助所述磁回路使等离子体中的金属离子向所述反应腔室的边缘区域移动，以增加靶材粒子在所述被加工工件边缘区域的沉积量。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述辅助磁体为多个永磁柱，所述多个永磁柱均匀地镶嵌在所述卡盘的边缘位置。

3.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述辅助磁体为永磁环，所述永磁环镶嵌在所述卡盘的边缘位置。

4.根据权利要求3所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述辅助磁体为感应线圈，所述感应线圈与设置在反应腔室外部的第一直流电源连接，而且，所述感应线圈包括一匝或多匝线圈。

5.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述辅助磁体的内周缘与所述被加工工件的外周缘之间的距离为10-15mm。

6.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述边磁体为多块永磁铁，所述多块永磁铁环绕所述反应腔室的侧壁均匀布置。

7.根据权利要求6所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述边磁体为永磁环，所述永磁环套设于所述反应腔体的外侧。

8.根据权利要求1所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述边磁体为感应线圈，所述感应线圈与外设的第二直流电源连接，而且所述感应线圈包括一匝或多匝。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，所述卡盘为机械卡盘或静电卡盘。

10.根据权利要求1-8任意一项所述的磁控溅射装置，其特征在于，在所述靶材的上方还设有磁控管，所述磁控管为非平衡磁控管或平衡磁控管。