磁控管旋转结构、磁控管组件及反应腔室的制作方法

本发明属于微电子加工技术领域，具体涉及一种磁控管旋转结构、磁控管组件及反应腔室。

背景技术

在溅射装置中，等离子体产生于腔室中，等离子体中的正离子被阴极所吸引轰击腔室中的靶材，撞出靶材原子沉积到晶片上。目前，在靶材背面增加了磁控管，以将等离子体中的电子束缚在与之对应的腔室内部靶材表面，由于增加了电子的运动时间，从而使得电子和要电离的气体碰撞机会增多，从而得到高密度的等离子体，提供高的沉积速率；同时为了使晶片表面获得均匀地溅射，通常磁控管是在电机的驱动下相对于靶材中心旋转的。

近些年，随着技术的发展使得高深宽比的孔洞侧壁沉积薄膜变得可能，其中一项被广泛应用的技术便是自离化技术(sip)，在这项技术中，一小部分的溅射粒子被吸附到深孔中。图1为典型的自离化溅射腔室的结构示意图，请参阅图1，反应腔室1包括上腔体11和下腔体12，上腔体11包括位于顶壁下表面的被溅射的靶材111和位于顶壁上方的绝缘壳体112，在绝缘壳体内充满有去离子水113，磁控管114位于去离子水113中，且磁控管114在电机115的驱动下绕靶材的中心轴旋转；下腔体12包括位于腔室底部的用于承载晶片的静电卡盘121和真空系统122，真空系统122用于改变腔室的真空度。

图1所述的反应腔室既可以应用于如tan/ta等阻挡层的沉积，也可以用于如cu等籽晶层的沉积。其中，第一，沉积不同类型的薄膜，可能需要绕靶材中心的不同圆周对靶材的内圈或边缘区域进行溅射,来达到更好的工艺效果；第二，如果只对靶材的边缘区域进行腐蚀，将导致没有被腐蚀到的靶材的中心区域的再沉积(re-deposition)，为了避免再沉积的粒子从靶材表面剥落影响腔室内部环境，溅射工艺需要两步完成，第一步，需要磁控管在靶材边缘区域旋转完成对晶片的沉积，第二步，磁控管在靶材内圈区域旋转完成清理靶材工艺。

为实现磁控管在靶材上方的内圈区域和边缘区域切换旋转，现有技术中采用图2所示的磁控管组件，请参阅图2，旋转轴62在电机驱动下于靶材背面绕中心轴60旋转，旋转臂70与旋转轴62固定并同时转动，磁控管90可绕轴心88相对于旋转臂70转动，其中，磁控管90包括第一限位件100、第二限位件102、磁铁50、磁铁安装板84；当旋转轴62随电机按某一高速度转速转动时磁控管90在离心力的作用下克服弹簧96的弹力运动到如图2所示位置，第一限位件100与旋转臂70一个侧面接触限定了其位置，之后，磁控管保持该高速度旋转，此时，磁控管90可实现在靶材的边缘区域旋转；当旋转轴62随电极按某一较低速度转动时，磁控管90在弹簧力的作用下向靶材中心运动，第二限位件102与旋转臂70的另一侧面接触，之后，磁控管保持该低速度旋转。

采用图2所示的磁控管组件在实际应用中存在以下问题：

其一，运动范围有限，对于磁控管的外形、尺寸也有着严格的要求，对于沉积工艺有着很大的限制。

其二，由于切换是通过在高、低不同速度转速转动时的离心力、弹簧力、去离子水流体压力的合力来实现的，影响因素多，调节复杂。例如，如果去离子水的水压变换相应的就需要调整离心力或者弹簧力保持最终的合力不变，这就需要调整电机速度或更换弹簧，增加了工艺难度。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种磁控管旋转结构、磁控管组件及反应腔室，不仅对磁控管的外形、尺寸等没有严格要求，而且，不受去离心力、弹簧力、去离子压力等因素的影响，因此，可靠性高且降低工艺难度。

为解决上述问题之一，本发明提供了一种磁控管旋转结构，包括：

第一旋转臂，其上设置有第一旋转轴和第二旋转轴；

所述第一旋转轴，与驱动源相连，用以在驱动源的驱动下旋转并带动所述第一旋转臂旋转；

所述第一旋转轴通过传动组件与所述第二旋转轴相连，所述传动组件用以在所述第一旋转轴旋转时带动所述第二旋转轴旋转；

第二旋转臂，与所述第二旋转轴连接且其上固定有磁控管；

限位件，用于在所述第一旋转轴沿第一方向和第二方向旋转时限制所述第二旋转臂相对所述第一旋转臂的位置，以使所述磁控管沿不同的第一轨道和第二轨道旋转。

优选地，所述限位件包括：第一限位件和第二限位件；

所述第一限位件设置在所述第一旋转臂上且朝向所述第二旋转臂设置；

所述第二限位件设置在所述第二旋转臂上且朝向所述第一旋转臂设置；

所述第一限位件用于在所述第一旋转轴沿所述第一方向和第二方向旋转时阻挡所述第二限位件，以限制所述第二旋转臂相对所述第一旋转臂的位置。

优选地，所述第一限位件包括第一凸块和第二凸块,所述第二限位件包括第三凸块和第四凸块；

所述第一凸块用于在所述第一旋转轴沿所述第一方向旋转时阻挡所述第三凸块；所述第二凸块用于在所述第一旋转轴沿所述第二方向旋转时阻挡所述第四凸块。

优选地，所述第一限位件包括：第五凸块，所述第二限位件包括第六凸块和第七凸块；

所述第五凸块用于在所述第一旋转轴沿所述第一方向和第二方向旋转时分别阻挡所述第六凸块和所述第七凸块。

优选地，所述第一限位件和/或所述第二限位件还包括位置调节装置；

所述位置调节装置，用于调节相应的所述第一限位件或所述第二限位件在所在的所述第一旋转臂或所述第二旋转臂上的位置。

优选地，所述传动组件包括：第一带轮、第二带轮和同步带；

所述第一带轮与所述第一旋转轴固定设置；

所述第二带轮与所述第二旋转轴固定设置；

所述同步带套设在所述第一带轮和第二带轮的外壁上。

优选地，所述传动组件为齿轮传动组件。

优选地，还包括密封壳体；

所述密封壳体用于将所述第一旋转臂、所述第一旋转轴的下部、所述第二旋转轴的上部和所述传动组件相密封。

本发明还提供一种磁控管组件，包括磁控管和磁控管旋转结构，所述磁控管旋转结构用于驱动所述磁控管沿两个轨道旋转，所述磁控管旋转结构采用上述磁控管旋转结构。

本发明还提供一种反应腔室，包括磁控管组件，所述磁控管组件设置在腔室顶壁的上方，所述磁控管组件采用上述磁控管组件。

本发明具有以下有益效果：

本发明中，驱动源驱动第一旋转轴旋转并带动述第一旋转臂旋转第一旋转轴旋转时通过传动组件可带动第二旋转轴旋转；限位件在第一旋转轴沿第一方向和第二方向(即顺时针正转和逆时针反转)旋转时限制第二旋转臂相对第一旋转臂的位置，可实现在正转和反转时限制磁控管对应位于靶材的位于不同区域，在此情况下，第一旋转轴继续旋转，第一旋转臂会带动第二旋转臂和磁控管旋转，从而实现磁控管可以沿不同的第一轨道(可对应靶材的中心区域)和第二轨道(可对应靶材的边缘区域)旋转，从而可以实现当驱动源沿不同方向驱动第一旋转轴时，使得固定于第二旋转臂一端的磁控管可以分别对靶材的不同区域进行溅射，完成对晶片的沉积工艺和靶材的清理工艺，本发明提供的磁控管旋转结构相对现有技术而言，不仅对磁控管的外形、尺寸等没有严格要求，而且，不受去离心力、弹簧力、去离子压力等因素的影响，因此，可靠性高且降低工艺难度。

附图说明

图1为典型的自离化溅射腔室的结构示意图；

图2为现有技术的磁控管组件的结构示意图；

图3为本发明实施例1中的磁控管旋转结构的一种结构示意图；

图4为图3的一种工作状态示意图；

图5为图3的另一种工作状态示意图；

图6为本发明实施例1中的磁控管旋转结构的另一种结构示意图。

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一种磁控管旋转结构、磁控管组件及反应腔室进行详细描述。

实施例1

图3为本发明实施例提供的磁控管旋转结构的结构示意图；请参阅图3，图4为图3的一种工作状态示意图；图5为图3的另一种工作状态示意图。请参阅图3-图5，该磁控管旋转结构包括：第一旋转臂30、第一旋转轴31、第二旋转轴32、第二旋转臂33和限位件。其中：

第一旋转轴31和第二旋转轴32设置在第一旋转臂30上。第一旋转轴31与驱动源(图中未示出)相连，用以在驱动源的驱动下旋转并带动第一旋转臂30旋转；第一旋转轴31通过传动组件与第二旋转轴32相连，传动组件用以在第一旋转轴31旋转时带动第二旋转轴32旋转。

第二旋转臂33与第二旋转轴32连接且其上固定有磁控管(换言之，第二旋转臂33预留有固定磁控管的固定位)。

限位件用于在第一旋转轴31沿第一方向和第二方向旋转时限制第二旋转臂33相对第一旋转臂30的位置，以使磁控管34沿不同的第一轨道和第二轨道旋转。具体地，限位件35用于在第一旋转轴31沿第一方向旋转时限制第二旋转臂33相对第一旋转臂30的位置，以使磁控管34沿第一轨道旋转；以及，在第一旋转轴31沿第二方向旋转时限制第二旋转臂33相对第一旋转臂30的位置，以使磁控管34沿第二轨道旋转。

本发明实现磁控管沿第一轨道旋转的具体工作过程是：首先，第一旋转轴31沿第一方向(比如，正转)驱动第一旋转臂30旋转，且第一旋转轴31通过传动组件带动第二旋转轴32旋转，第二旋转轴32带动第二旋转臂33旋转，当第一旋转轴31沿第一方向旋转预设角度后，限位件使第一旋转臂30和第二旋转臂33相对固定，接着，第一旋转轴31继续沿第一方向驱动第一旋转臂30旋转，第一旋转臂30带动第二旋转臂33和磁控管34沿第一轨道旋转。

本发明实现磁控管沿第二轨道旋转的具体工作过程是：首先，第一旋转轴31沿第二方向(比如，反转)驱动第一旋转臂30旋转，且第一旋转轴31通过传动组件带动第二旋转轴32旋转，第二旋转轴32带动第二旋转臂33旋转，当第一旋转轴31沿第二方向旋转预设角度后，限位件使第一旋转臂30和第二旋转臂33相对固定，接着，第一旋转轴31继续沿第二方向驱动第一旋转臂30旋转，第一旋转臂30带动第二旋转臂33和磁控管34沿第二轨道旋转。

综上所述，本发明提供的磁控管旋转结构，可使第一轨道对应靶材的边缘区域，第二轨道对应靶材的边缘区域(反之亦可)，从而可以实现当第一旋转轴31沿不同方向旋转时，使得磁控管34分别完成对晶片的沉积工艺和靶材的清理工艺，这相对现有技术而言，不仅对磁控管的外形、尺寸等没有严格要求，而且，不受去离心力、弹簧力、去离子压力等因素的影响，因此，可靠性高且降低工艺难度。

在本实施例中，优选地，限位件包括：第一限位件35和第二限位件36；其中，第一限位件35设置在第一旋转臂30上且朝向第二旋转臂33设置；第二限位件36设置在第二旋转臂33上且朝向第一旋转臂30设置；第一限位件35用于在第一旋转轴31沿第一方向和第二方向旋转时阻挡第二限位件36，以限制第二旋转臂33相对第一旋转臂30的位置。可以理解，本申请中，由于第一限位件35和第二限位件36在竖直方向所占空间比较大，因此，可以使得第一旋转臂30和第二旋转臂33的垂直间距设置的比较大，从而便于部件的安装、拆卸。

进一步优选地，第一限位件35包括：第五凸块351，第二限位件36包括第六凸块361和第七凸块362；第五凸块351用于在第一旋转轴沿所述第一方向和第二方向旋转时分别阻挡第六凸块361和第七凸块362。

下面将结合图3-图5说明一下本实施例中的磁控管旋转结构的工作原理。具体地：

如图3所示，第一旋转轴31在如电机的驱动源的驱动下绕靶材中心轴(与第一旋转轴31重合)沿第一方向旋转，如第一旋转轴31正转时，第一旋转轴31的转动通过传动组件带动第二旋转轴32沿第一方向(图4中的顺时针方向)旋转，此时，由于磁控管34安装于第二旋转臂33的右端，因此，磁控管34也绕第二旋转轴32沿第一方向旋转。当第二旋转臂33沿第一方向旋转了预设角度并接触第一限位件35时后，第五凸块351阻挡了第六凸块361的旋转(如图4所示)，从而限制了第二旋转臂33相对第一旋转臂30的位置，此时，磁控管34相对于第一旋转臂30静止，并与第一旋转臂30一起绕第一旋转轴31旋转，磁控管34位于靶材边缘，扫过如图4所示的两个圆圈301和302两个圆圈所包围的区域(即，第一轨道)，该过程可以对靶材的边缘区域进行溅射，完成对晶片的沉积工艺。

相应地，当驱动源驱动第一旋转轴31沿第二方向旋转，即第一旋转轴31反向转动时，第一旋转轴31的转动通过传动组件带动第二旋转轴32沿第二方向(如图5中的逆时针方向)旋转，此时，磁控管34在传动组件及第二旋转臂33的带动下也沿第二方向旋转。当第二旋转臂33沿第二方向旋转了预设角度后，第五凸块351阻挡了第七凸块362的旋转(如图5所示)，从而限制了第二旋转臂33相对第一旋转臂30的位置，此时，磁控管34再次相对于第一旋转臂30静止，且磁控管34位于靶材内侧中心区域，扫过如图5所示的两个圆圈303和304所包围的区域(即，第二轨道)，此时可以对靶材的中心区域进行溅射，进行靶材清理的工艺。

由此可得，本实施例通过驱动源控制第一旋转轴31的正转和反转的切换来实现对晶片的沉积工艺和对靶材的清理工艺。

在该实施例中，优选地，第一旋转轴31设置在第一旋转臂30的中部位置，第二旋转轴32设置在第一旋转臂30的一端(如图3的右端)上；在第一旋转臂30的另一端(左端)上还设置有第一配重体37。可以理解，通过设置第一配重体37，使得可以通过第一配重体37来平衡第一旋转臂30一端设置的其它结构的重量，使第一旋转臂30两端的重量比较均衡，从而可以确保第一旋转臂30旋转过程更可靠。另外，可通过设置第一配重体37来使得磁控管34的大小、形状变化不会影响旋转的平衡性，亦即可以选择更多种类的磁控管34来进行工艺，从而可以增加工艺窗口。

同上，优选地，第二旋转轴32与第二旋转臂33的中部位置相连，磁控管34固定在第二旋转臂33的一端(如图3中的右端)；在第二旋转臂33的另一端(如图3中的左端)设置有第二配重体38。可以理解的是，同第一配重体37相似的理由，不仅可以确保第二旋转臂33旋转过程较可靠；而且，可以增加工艺窗口。

在该实施例中，优选地，第一限位件35和/或第二限位件36还包括位置调节装置(图中未示出)；位置调节装置用于调节相应的第一限位件35或第二限位件36在所在的第一旋转臂30或第二旋转臂33上的位置。具体地，若第一限位件35包括位置调节装置，则位置调节装置用于调节第一限位件35在所在的第一旋转臂30上的位置；若第二限位件36包括位置调节装置，则位置调节装置用于调节第二限位件36在所在的第二旋转臂33上的位置。在此强调的是，在第二限位件36包括两个凸块(第六凸块361和第七凸块362)的情况下，该位置调节装置不仅能够调节该两个凸块在第二旋转臂33上的位置，还可以调节两个凸块任一凸块在第二旋转臂33上位置(即，两个凸块的相对位置)。

可以理解的是，借助位置调整装置来调节第一限位件和/或第二限位件36在所在的第一旋转臂30或第二旋转臂33上的位置，可以调整第一限位件35阻挡第二限位件36的位置，从而实现调整第一轨道和/或第二轨道，这样，不仅可以满足不同尺寸的靶材，适用范围广；而且还可以根据实际需求对同一靶材的不同环形区域进行扫描；另外，还可以不需要拆卸第一限位件35和/或第二限位件36即可调整第一轨道和第二轨道，方便快捷。

在此说明的是，本发明并不局限位置调节装置的具体结构，只要能实现第一限位件35或第二限位件36的位置可调节即可，保证第一限位件35或第二限位件36调整后再固定。

在该实施例中，可选地，如图3所示，传动组件包括：第一带轮41、第二带轮42和同步带43；第一带轮41与第一旋转轴31固定设置；第二带轮42与第二旋转轴32固定设置；同步带43套设在第一带轮41和第二带轮42的外壁上。

在该实施例中，可选地，传动组件除可以包括图3中的第一带轮41、第二带轮42和同步带43外，传动组件还可以具体为齿轮传动组件。如图6所示，其为传动组件具体为齿轮传动组件时磁控管旋转结构的结构示意图。其中，齿轮传动组件包括第一齿轮44、第二齿轮45和介轮46。具体地，第一旋转轴31的旋转运动通过第一齿轮44输入，经过介轮46到达第二齿轮45，第二齿轮45将运动传输到第二旋转轴32。

优选地，磁控管旋转结构还包括密封壳体，用于将第一旋转臂30、第一旋转轴31的下部、第二旋转轴32的上部和传动组件相密封。这是因为：磁控管旋转结构在使用时一般是放置于去离子水中的，因此，通过设置密封壳体，可以避免相应的部件生锈，从而可以提高磁控管旋转结构的使用寿命。

需要说明的是，当磁控管旋转结构包括第一配重体37时，第一配重体37也可以包括于密封壳体中，以避免第一配重体37因暴露于去离子水中而生锈。

需要说明的是，本实施例在第一旋转臂30的另一端上设置有第一配重体37，且第二旋转臂33的另一端上设置第二配重体38时，可以使得第一旋转臂30和第二旋转臂33两端的重量均比较均衡，从而不仅可以很好地确保整个磁控管旋转结构更可靠地运行。但是，在实际应用中，还可以仅在第一旋转臂30的另一端上设置第一配重体37；也可以仅在第二旋转臂33的另一端上设置第二配重体38。

还需要说明的是，在实际应用中，第一限位件35还可以包括第一凸块和第二凸块,第二限位件36包括第三凸块和第四凸块；第一凸块用于在第一旋转轴沿第一方向旋转时阻挡第三凸块；第二凸块用于在第一旋转轴沿第二方向旋转时阻挡第四凸块。换言之，采用两个凸块一一对应的方式来阻挡旋转，这与上文中第一限位件35和第二限位件36采用一个凸块阻挡两个凸块使得第一轨道和第二轨道相邻相比，这样，可以使得第一轨道和第二轨道的设置范围更广。

当然，在实际应用中，限位件还可以仅包括第一限位件35或第二限位件36，具体地，当仅包括第一限位件35时，第一限位件35用以在第一旋转轴31沿第一方向旋转时阻挡第二旋转臂的一个侧壁，以及沿第二方向旋转时阻挡第二旋转臂33的另一个侧壁。当仅包括第二限位件36时，第二限位件36用以在第一旋转轴31沿第一方向旋转时被第一旋转臂30的一个侧壁阻挡，以及沿第二方向旋转时被第一旋转臂30的另一个侧壁阻挡。

进一步地，在限位件仅包括第一限位件35的情况下，第一限位件35不仅可以包括两个凸块，还可以包括一个凸块，在包括两个凸块的情况下，两个凸块分别用以在第一旋转轴31沿第一方向和第二方向旋转时阻挡第二旋转臂的两个侧壁，这与包括一个凸块相比，可以使得第一轨道和第二轨道的设置范围更广。

同理，在限位件仅包括第二限位件36的情况下，第二限位件36不仅可以包括两个凸块，还可以包括一个凸块，在包括两个凸块的情况下，两个凸块分别用以在第一旋转轴31沿第一方向和第二方向旋转时被第一旋转臂30的两个侧壁阻挡，这与包括一个凸块相比，可以使得第一轨道和第二轨道的设置范围更广。

实施例2

本实施例提供一种磁控管组件，该磁控管组件包括磁控管和磁控管旋转结构，磁控管旋转结构用于驱动磁控管沿至少两个轨道旋转；其中，磁控管旋转结构采用上述实施例1所述的磁控管旋转结构。关于磁控管旋转结构的具体内容已在上述实施例1中进行了详细地解释说明，具体可参见上述实施例1中的内容，此处不再赘述。

本实施例中的磁控管组件，由于采用了上述实施例1中的磁控管旋转结构，因此，磁控管的旋转运动对磁控管的外形、尺寸等没有严格要求；且不受去离子水压力、弹簧力、去离子水流体压力等可变影响。

实施例3

本实施例提供一种反应腔室，该反应腔室包括磁控管组件，磁控管组件设置在腔室顶壁的上方，其中，磁控管组件采用上述实施例2所述的磁控组件。

本实施例中的反应腔室，由于包括上述实施例2所述的磁控组件，因此，反应腔室的可靠性高。

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。