一种磁控元件和磁控溅射装置的制作方法

本发明涉及半导体器件制备技术领域，具体地，涉及一种磁控元件和磁控溅射装置。

背景技术：

磁控溅射或溅射(sputtering)沉积技术是物理气相沉积(physicalvapordeposition，pvd)的一种，是半导体工业中最广为使用的一类薄膜制造技术，泛指采用物理方法制备薄膜的薄膜制备工艺。物理气相沉积技术可应用于很多工艺领域，如铜互连线技术、封装领域中的硅穿孔(throughsiliconvia,tsv)技术等等。

典型的pvd装置包括高真空工艺腔、被溅射的靶材和磁控管，为了提高溅射效率，磁控管放置在靶材背面，磁控管包括极性相反的磁铁，极性相反的磁铁在临近其的靶材表面产生磁场。为了达到均匀溅射的目的，磁控管通过电机带动，在靶材表面均匀扫描。

如现有技术所示的一种由第一开路磁极122、第二开路磁极120、第三开路磁极132、第四开路磁极134组成磁控管，如图1所示。虽然其可以在一定程度上提高靶材寿命和薄膜均匀性，但是在使用中，发现以下问题：

其一，因为该磁控管仅由开路磁极组成，各个开路磁极之间没有构成闭合的等离子体路径，所以只有在靶材电源为射频(rf)电源，即靶材加载射频功率的情况下，才可以进行溅射。而在靶材电源为直流(dc)电源，即靶材加载直流功率时，非闭合的等离子体路径会导致电子的逃逸现象，使其无法电离出等离子体，不能维持溅射。

其二，rfpvd技术(即靶材电源为射频(rf)电源，靶材加载射频功率)下，等离子体密度在靶材中心区域的分布相对其在靶材边缘区域的分布要高。并且，这种差异会随着工艺压力的升高而增大。而该磁控管的形状决定了其在靶材边缘区域的磁场分布较多，可以提高该处的等离子体密度。从而在较高的工艺压力(如通入工艺腔室内的气体压力大于5毫托)下，缩小了等离子体密度在靶材中心区域和靶材边缘区域的分布差异，提高了等离子体密度分布的均匀性，从而提高薄膜均匀性。但是，在较低的工艺压力(如通入工艺腔室内的气体压力小于5毫托)下，等离子体密度在靶材中心区域和靶材边缘区域的分布差异并不明显，此时再提高靶材边缘区域的等离子体密度，则会加大等离子体密度在靶材中心区域和靶材边缘区域的分布差异，反而降低了等离子体密度分布的均匀性和薄膜均匀性。

目前，因为rf/dcpvd技术(即靶材电源为射频(rf)电源和直流(dc)电源，靶材同时加载射频功率和直流功率)可以实现高离子离化率工艺以得到更好的台阶覆盖率，使其得到了越来越广泛的应用。因此，急需设计一种能够在rf/dcpvd技术下，适用于全工艺压力范围，且可以均匀沉积薄膜的磁控管。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种磁控元件和磁控溅射装置。该磁控元件通过设置闭合磁极和开路磁极，使等离子体路径在闭合磁极内整体呈闭合状态，可以适用于rf/dcpvd技术。同时，通过调节闭合磁极和开路磁极之间形成的等离子体路径的形状与分布，可以在全工艺压力范围下，缩小等离子体密度在靶材中心区域和靶材边缘区域的分布差异，能使溅射沉积薄膜满足设定的均匀性要求，从而大大提高了沉积薄膜的均匀性；同时可以使得该磁控元件适用的磁控溅射系统以及适用的薄膜沉积材料都比较广泛。

本发明提供一种磁控元件，包括闭合磁极和开路磁极，所述闭合磁极包围所述开路磁极，所述闭合磁极和所述开路磁极之间形成的磁场能使溅射沉积薄膜的均匀性小于5％。

优选地，所述开路磁极包括第一磁极，所述第一磁极呈弧形，所述闭合磁极与所述第一磁极相互间隔且极性相反，所述磁控元件的旋转中心位于所述第一磁极包围的区域中。

优选地，所述闭合磁极的形状为相同曲率半径的闭合曲线或不同曲率半径的闭合曲线。

优选地，所述第一磁极的形状为相同曲率半径的开路曲线或不同曲率半径的开路曲线。

优选地，所述第一磁极与所述闭合磁极之间的间距为等间距或变间距。

优选地，所述开路磁极还包括第二磁极和第三磁极，所述第二磁极设置在所述第一磁极围成的区域中，所述第三磁极设置在所述第一磁极的开口区域；所述第二磁极和所述第三磁极相互间隔且极性相反。

优选地，所述第二磁极的形状为曲线或直线，所述第三磁极的形状为曲线或直线；所述第三磁极沿从所述旋转中心到所述闭合磁极的方向延伸，所述第二磁极的延伸方向与所述第三磁极的延伸方向不同。

本发明还提供一种磁控溅射装置，包括上述磁控元件。

优选地，还包括靶材，所述靶材上用于施加射频电源，或者射频电源和直流电源，或者直流电源；

所述磁控元件的旋转中心与所述靶材的中心对应重合。

优选地，所述磁控溅射装置用于溅射沉积金属薄膜、非金属薄膜、磁性薄膜或非磁性薄膜。

本发明的有益效果：本发明所提供的磁控元件，通过设置闭合磁极和开路磁极，使等离子体路径在闭合磁极内整体呈闭合状态，可以适用于rf/dcpvd技术。同时，通过调节闭合磁极和开路磁极之间形成的等离子体路径的形状与分布，可以在全工艺压力范围下，缩小等离子体密度在靶材中心区域和靶材边缘区域的分布差异，能使溅射沉积薄膜满足设定的均匀性要求，从而大大提高了沉积薄膜的均匀性；同时可以使得该磁控元件适用的磁控溅射系统以及适用的薄膜沉积材料都比较广泛；并且，该磁控元件还能提高靶材的利用率。

本发明所提供的磁控溅射装置，通过采用上述磁控元件，提高了该磁控溅射装置溅射沉积薄膜的均匀性，同时还提高了靶材的利用率。

附图说明

图1为现有技术中磁控管的结构俯视图；

图2为本发明实施例1中磁控元件的结构俯视图；

图3为本发明实施例2中磁控元件的结构俯视图；

图4为本发明实施例3中磁控元件的结构俯视图；

图5为本发明实施例4中磁控溅射装置的结构示意图。

其中的附图标记说明：

1.闭合磁极；2.开路磁极；3.等离子体路径；p.旋转中心；21.第一磁极；22.第二磁极；23.第三磁极；4.磁控元件；5.靶材；6.射频电源；7.直流电源；122.第一开路磁极；120.第二开路磁极；132.第三开路磁极；134.第四开路磁极。

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，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种磁控元件和磁控溅射装置作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种磁控元件，如图2所示，包括闭合磁极1和开路磁极，闭合磁极1包围开路磁极，闭合磁极1和开路磁极之间形成的磁场能使溅射沉积薄膜的均匀性小于5％。

该磁控元件的闭合磁极1与开路磁极之间形成的等离子体路径3在闭合磁极1内整体呈闭合状态，可以适用于rf/dcpvd技术(即靶材电源为射频(rf)电源和直流(dc)电源，靶材同时加载射频功率和直流功率)。其中，射频能量使得电子振动电离形成等离子体，能够维持等离子体溅射，直流电源在磁控溅射系统中能够增加等离子体碰撞靶材的能量。当然，因为该磁控元件由闭合磁极1与开路磁极组合而成，从而也可以适用于rfpvd技术或者dcpvd技术。rfpvd技术(即靶材电源为射频(rf)电源，靶材仅加载射频功率)下，闭合磁极1和开路磁极共同作用，dcpvd技术(即靶材电源为直流(dc)电源，靶仅材加载直流功率)下，闭合磁极1作用。

同时，通过调节闭合磁极1和开路磁极之间形成的等离子体路径3的形状与分布，可以在全工艺压力范围下，缩小等离子体密度在靶材中心区域和靶材边缘区域的分布差异，能使溅射沉积薄膜满足设定的均匀性要求，从而大大提高了沉积薄膜的均匀性。其中，溅射沉积薄膜的均匀性计算公式为：(lmax-lmin)/2，其中，lmax为溅射沉积薄膜的最大厚度，lmin为溅射沉积薄膜的最小厚度。

优选的，可以使闭合磁极1的直径大于用于在其上溅射形成膜层的晶圆的直径(通常为200mm或300mm)，即闭合磁极1对应靶材边缘区域。同时使闭合磁极1与开路磁极之间的间距在20-60mm的范围内，即开路磁极对应靶材中心区域。如此设置，在较高的工艺压力(如通入工艺腔室内的气体压力大于5毫托)下，闭合磁极1可以适当提高靶材边缘区域的等离子体密度，缩小其与靶材中心区域等离子体密度的分布差异，提高了等离子体密度分布的均匀性，从而提高薄膜均匀性。在较低的工艺压力(如通入工艺腔室内的气体压力小于5毫托)下，开路磁极可以适当提高靶材中心区域的等离子体密度，缩小其与靶材边缘区域等离子体密度的分布差异，提高等离子体密度分布的均匀性，从而提高薄膜均匀性。经充分实验验证，该磁控元件能使溅射沉积薄膜满足设定的均匀性要求即均匀性小于5％。

本实施例中，开路磁极包括第一磁极21，第一磁极21呈弧形，闭合磁极1与第一磁极21相互间隔且极性相反，磁控元件的旋转中心p位于第一磁极21包围的区域中。

本实施例中，第一磁极21与闭合磁极1之间的间距为等间距。需要说明的是，第一磁极21与闭合磁极1之间的间距也可以为变间距。

本实施例中，闭合磁极1的形状为相同曲率半径的闭合曲线。第一磁极21的形状为相同曲率半径的开路曲线。

因为本实施例中的磁控元件适用于更广泛的工艺压力，所以可以用于沉积金属、非金属、磁性以及非磁性薄膜，应用范围比较广泛。

实施例2：

本实施例提供一种磁控元件，与实施例1中不同的是，如图3所示，闭合磁极1的形状为不同曲率半径的闭合曲线，第一磁极21的形状也为不同曲率半径的开路曲线。

需要说明的是，当闭合磁极1和/或第一磁极21的形状为不同曲率半径的闭合曲线时,可以通过调节其曲率半径的变化，调节其所产生的磁场在靶材中心区域和边缘区域的分布，使其可以在全工艺压力范围下，缩小等离子体密度在靶材中心区域和靶材边缘区域的分布差异，能使溅射沉积薄膜满足设定的均匀性要求，从而大大提高沉积薄膜的均匀性。

优选的，如图3所示，闭合磁极1和第一磁极21曲率半径较小的部分更偏向靶材中心区域，从而可以适当提高闭合磁极1和第一磁极21在靶材中心区域的磁场分布，在低工艺压力下，可以适当的提高该处的等离子体密度，从而解决现有技术只提高靶材边缘区域的等离子体密度，反而会加大等离子体密度在靶材中心区域和靶材边缘区域的分布差异，降低等离子体密度分布的均匀性和薄膜均匀性的问题。当然，闭合磁极1和第一磁极21曲率半径较大的部分依然偏向靶材边缘区域，从而可以提高该处磁场分布和等离子体密度，进而提高高工艺压力下的薄膜均匀性。

实施例3：

本实施例提供一种磁控元件，如图4所示，本实施例中的磁控元件在实施例1或实施例2的基础上其开路磁极2还包括第二磁极22和第三磁极23，第二磁极22设置在第一磁极21包围的区域中，第三磁极23设置在第一磁极21的开口区域；第二磁极22和第三磁极23相互间隔且极性相反。优选的，第二磁极22和第一磁极21的极性也相反。

其中，第二磁极22的形状为曲线或直线，第三磁极23的形状为曲线或直线；第三磁极23沿从旋转中心p到闭合磁极1的方向延伸，第二磁极22的延伸方向与第三磁极23的延伸方向不同。

需要说明的是，可以通过调节闭合磁极1、第一磁极21、第二磁极22和第三磁极23的形状、位置和极性，调节其所产生的磁场在靶材中心区域和边缘区域的分布，使其可以在全工艺压力范围下，缩小等离子体密度在靶材中心区域和靶材边缘区域的分布差异，能使溅射沉积薄膜满足设定的均匀性要求，从而大大提高了沉积薄膜的均匀性。

优选的，如图4所示，第二磁极22和第三磁极23在靶材中心区域的磁场分布较多，在低工艺压力下，可以适当的提高该处的等离子体密度，从而解决现有技术只提高靶材边缘区域的等离子体密度，反而会加大等离子体密度在靶材中心区域和靶材边缘区域的分布差异，降低等离子体密度分布的均匀性和薄膜均匀性的问题。在高工艺压力下，闭合磁极1和第一磁极21可以起到提高靶材边缘区域的磁场分布和等离子体密度，进而缩小等离子体密度在靶材中心区域和靶材边缘区域的分布差异，提高的薄膜均匀性的作用。

本实施例中磁控元件的其他结构以及设置与实施例1或实施例2中相同，此处不再赘述。

实施例1-3的有益效果：实施例1-3中所提供的磁控元件，通过设置闭合磁极和开路磁极，使等离子体路径在闭合磁极内整体呈闭合状态，可以适用于rf/dcpvd技术。同时，通过调节闭合磁极和开路磁极之间形成的等离子体路径的形状与分布，可以在全工艺压力范围下，缩小等离子体密度在靶材中心区域的分布相对其在靶材边缘区域的分布差异，能使溅射沉积薄膜满足设定的均匀性要求，从而大大提高了沉积薄膜的均匀性；同时可以使得该磁控元件适用的磁控溅射系统以及适用的薄膜沉积材料都比较广泛；并且，该磁控元件还能提高靶材的利用率。

实施例4：

本实施例提供一种磁控溅射装置，如图5所示，包括实施例1-3任意一个中的磁控元件4。

本实施例中，磁控溅射装置还包括靶材5，靶材5上用于施加射频电源6，或者射频电源6和直流电源7，或者直流电源7；磁控元件4的旋转中心与靶材5的中心对应重合。

采用实施例1-3任意一个中的磁控元件4，通过调节闭合磁极和开路磁极之间形成的磁场，可以在全工艺压力范围下提高该磁控溅射装置溅射沉积薄膜的均匀性。

优选的，在射频电源6与直流电源7共同加载的磁控溅射系统中，射频电源6使得电子振动电离形成等离子体，射频能量能够维持等离子体溅射，直流电源7在磁控溅射系统中能够增加等离子体碰撞靶材的能量；此时，采用实施例1中的磁控元件4，通过调节闭合磁极和开路磁极之间形成的磁场，该磁控溅射装置能够适用于广泛的工艺压力下的磁控溅射处理；从而使得磁控溅射装置可以用于溅射沉积金属薄膜、非金属薄膜、磁性薄膜或非磁性薄膜。

当然，因为磁控元件4由闭合磁极与开路磁极组合而成，从而也可以适用于rfpvd或者dcpvd技术。rfpvd技术(即靶材电源为射频(rf)电源，靶材仅加载射频功率)下，闭合磁极和开路磁极共同作用，dcpvd技术(即靶材电源为直流(dc)电源，靶材仅加载直流功率)下，闭合磁极作用。

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。