磁控管以及应用该磁控管的磁控溅射设备的制作方法

本发明涉及微电子加工技术领域，具体地，涉及一种磁控管及应用该磁控管的磁控溅射设备。

背景技术：

磁控溅射装置是通过等离子体中的粒子与靶材相碰撞以将从靶材中溅射出的材料沉积在被加工工件上形成薄膜的装置。在实际应用中，为了提高溅射的效率和靶材的利用率，在靶材的背部设有磁控管，利用磁控管所产生的磁场延长电子的运动轨迹，增加电子与工艺气体(如氩气)碰撞的几率，从而提高等离子体的密度，进而提高溅射的效率和靶材的利用率。

图1为现有的一种磁控管的径向截面图。请参阅图1，磁控管100包括外磁极102和内磁极104，并且在外磁极102和内磁极104中沿各自轮廓均匀分布有极性相反的磁体108，用以形成可以将等离子体束缚在靶材10表面的磁场。而且，在磁控管100的径向截面上，外磁极102和内磁极104之间形成有闭合的螺旋形轨道106。在工艺过程中，磁控管100以内磁极102的内端部14为中心在靶材的表面旋转扫描，以提高靶材的溅射速率。

由于上述磁控管100能够对靶材均匀腐蚀，即，相同时间内，自靶材10各个位置溅射出的粒子的数量大致相等，但是粒子运动至基片11的中心区域的数量多于运动至基片11的边缘区域的数量，这使得沉积在基片11上的薄膜厚度在基片11的径向方向上不均匀，出现“中间厚，边缘薄”的情况，这种情况在靶材10与基片11之间的间距d在50～70mm的范围内时尤为明显，例如，实验表明，在使用上述磁控管100扫描靶材表面，且靶材10与基片11之间的间距范围在50～70mm时，在直径为300mm的基片11上沉积的薄膜厚 度的均匀性大于3％，因此，薄膜厚度在基片11的径向方向上的均匀性较差。

另外，在使用上述磁控管时，由于外磁极102的磁通量多于内磁极104的磁通量，这使得磁控管束缚电子的能力较低，导致部分电子自原来的运动轨道逃逸，并运动到基片表面，与之发生碰撞，从而造成器件表面形成损伤。而且，粒子逃逸还会造成粒子浓度降低，从而需要较高的靶材溅射电压，进而因溅射离子的能量过高，导致器件表面形成损伤。

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，提出了一种磁控管以及应用该磁控管的磁控溅射设备，其不仅可以提高薄膜厚度的均匀性，而且可以降低靶材溅射电压，从而可以减少器件表面形成的损伤。

为实现本发明的目的而提供一种磁控管，

本发明具有下述有益效果：

本发明提供的磁控管，其通过使外磁极和内磁极的形状分别满足：内磁极的总磁通量与外磁极的总磁通量的差值在预设范围内，可以减少由磁控管产生的磁场所具有的磁力线在竖直方向上的分布数量，从而不仅可以减少自靶材中心溅射出的粒子数量，进而可以提高薄膜厚度的均匀性；而且，由于内磁极的总磁通量与外磁极的总磁通量的差值在预设范围内，这可以将粒子束缚在靶材附近，从而不仅可以减少沿磁力线运动至基片表面发生碰撞的粒子数量，而且可以降低靶材溅射电压，从而可以降低溅射粒子的能量，进而可以减少器件表面形成的损伤。

本发明提供的磁控溅射设备，其通过采用本发明提供的上述磁控管，不仅可以提高薄膜厚度的均匀性，而且可以降低靶材溅射电压，从而可以减少器件表面形成的损伤。

附图说明

图1为现有的一种磁控管的径向截面图；

图2为本发明实施例提供的磁控管的径向截面图；

图3为本发明提供的磁控管与现有的磁控管的磁力线分布对比图；以及

图4为使用本发明提供的磁控管扫描靶材时靶材不同半径处的腐蚀速率曲线图。

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应用该磁控管的磁控溅射设备进行详细描述。

图2为本发明实施例提供的磁控管的径向截面图。请参阅图2，磁控管用于对靶材表面进行扫描，其包括极性相反的外磁极1和内磁极，其中，在外磁极1中设置有多个外磁极磁铁11，且沿外磁极1的轮廓排列；在内磁极中设置有多个内磁极磁铁12，且沿内磁极的轮廓排列。外磁极磁铁11的极性与内磁极磁铁12的极性相反，用以产生磁场。

而且，外磁极和内磁极的形状满足：使内磁极的总磁通量与外磁极1的总磁通量的差值在预设范围内。在本实施例中，内磁极包括至少两排子磁极，且平行排列；外磁极1采用由双排到单排的方式排列，且与内磁极相互嵌套，以在外磁极与内磁极之间形成闭合的通道3。由于内磁极由平行排列的至少两个子磁极组成，这与现有技术中单排内磁极相比，内磁极磁铁12的数量加倍，从而可以增加内磁极的总磁通量，减小内磁极的总磁通量与外磁极1的总磁通量之间的差值，从而形成“平衡型磁控管”。

借助“平衡型磁控管”，不仅可以减少自靶材中心溅射出的粒子数量，进而可以提高薄膜厚度的均匀性；而且，由于内磁极的总磁通量与外磁极的总磁通量的差值较小，这可以将粒子束缚在靶材 附近，从而不仅可以减少沿磁力线运动至基片表面发生碰撞的粒子数量，而且可以降低靶材溅射电压，从而可以降低溅射粒子的能量，进而可以减少器件表面形成的损伤。

下面对内磁极和外磁极的具体排列方式进行详细描述。具体地，在本实施例中，内磁极包括第一子磁极和第二子磁极。其中，第一子磁极包括第一螺旋段21和第一闭合段23，第二子磁极包括第二螺旋段22和第二闭合段24，其中，第一螺旋段21自磁控管的旋转中心o逆时针向靶材表面的边缘延伸。

第二螺旋段22与第一螺旋段21在垂直于磁控管的径向截面上的形状一致，且二者平行排列。也就是说，第一螺旋段21与第二螺旋段22均由内磁极磁铁12排成一列组成，并且第一螺旋段21与第二螺旋段22的形状吻合，且并排设置。优选的，第二螺旋段22与第一螺旋段21均遵循下述极坐标方程：

r＝a×θⁿ+b×(cosθ)^m+c×(tanθ)^k+d

其中，r和θ为极坐标，n，m和k分别为θ、cosθ和tanθ的指数，且-2＜n＜2，-2＜m＜2，-2＜k＜2。通过使内磁极中的第一螺旋段21和第二螺旋段22的形状遵循上述极坐标方程，可以缩短通道3的长度，从而可以缩短与之对应的等离子体的运行轨迹，进而可以降低启辉和维持等离子体的气压，提高成膜质量。

第一闭合段23的一端(左端)与第一螺旋段21位于靶材表面的边缘处的一端(右端)串接；第二闭合段24的一端(左端)与第二螺旋段22位于靶材表面的边缘处的一端(右端)串接。第一闭合段23的另一端(右端)与第二闭合段24的另一端(右端)串接，由此，在顺时针的方向上，第一螺旋段21、第一闭合段23、第二闭合段24和第二螺旋段22收尾串接形成闭合的环形结构，从而使内磁极(即第一子磁极和第二子磁极)在整体上形成闭合的环形结构。需要说明的是，第一螺旋段21与第一闭合段23串接的位置，以及第二闭合段24和第二螺旋段22串接的位置可以根据具体情况设定，一般是在靠近靶材边缘的位置处，且第一闭合段23和第二闭合段24的形状只要能够实现内磁极在整体上形成闭合的环形结构即可。

在本实施例中，外磁极1包括双排段26和单排段27，其中，双排段26位于内磁极的内侧，靠近磁控管的旋转中心o的位置处。单排段27环绕在内磁极的外侧，且单排段27的两端分别与双排段26靠近靶材表面的边缘处的两端串接，从而外磁极1和内磁极实现相互嵌套，且在二者之间形成闭合的通道。需要说明的是，外磁极1在垂直于磁控管的径向截面上的形状是根据内磁极的形状，与内磁极保持一定的间隔环绕形成。

在本实施例中，通道3在不同位置处的间距相等。该间距的取值范围在20～50mm，优选为40mm。并且，优选的，通道3在磁控管扫描靶材表面时经过靶材的中心和边缘，这可以使该通道3所对应的等离子体的运行轨迹能够覆盖靶材的整个表面，从而可以实现全靶腐蚀。

另外，外磁极的总磁通量多于内磁极的总磁通量的20％。满足该条件的磁控管均可以称为“平衡型磁控管”。进一步优选的，内磁极的总磁通量等于外磁极的总磁通量。

图3为本发明提供的磁控管与现有的磁控管的磁力线分布对比图。请参阅图3，a图为由本发明提供的“平衡型磁控管”产生的磁场所具有的磁力线分布。b图为由现有技术中的磁控管产生的磁场所具有的磁力线分布。对比a图和b图可知，由本发明提供的“平衡型磁控管”产生的磁场所具有的磁力线在竖直方向上的分布数量较少，同时在靶材附近的分布数量较多。这不仅可以减少自靶材中心溅射出的粒子数量，从而可以提高薄膜厚度的均匀性；而且可以将粒子束缚在靶材附近，从而不仅可以减少沿磁力线运动至基片表面发生碰撞的粒子数量，而且可以降低靶材溅射电压，从而可以降低溅射粒子的能量，进而可以减少器件表面形成的损伤。

如图4所示，为使用本发明提供的磁控管扫描靶材时靶材不同半径处的腐蚀速率曲线图。在上述磁控管的使用过程中，靶材边缘区域的腐蚀深度大于靶材中心区域的腐蚀深度，即，自靶材边缘区域溅射出的粒子的数量多于自靶材中心区域溅射出的粒子的数量，这可以增加自靶材溅射出的粒子运动至基片的边缘区域的数量，从 而可以使在基片边缘区域沉积的薄膜厚度与在基片中心区域沉积的薄膜厚度趋于均匀，进而可以提高薄膜厚度在基片径向方向上的均匀性，提高成膜质量。

在本实施例中，在第一闭合段23与第二闭合段24之间具有间隙，在这种情况下，内磁极还包括第三子磁极25，该第三子磁极25设置在该间隙中，且与第二闭合段24的形状吻合，且并行排列，如图2所示。上述第三子磁极25同样由内磁极磁铁12排成一列组成，该第三子磁极25填补了第一闭合段23与第二闭合段24之间的间隙，从而可以进一步增加内磁极的磁通量。在实际应用中，第三子磁极还可以与第一闭合段的形状吻合，且并行排列。

需要说明的是，在本实施例中，内磁极包括由两个子磁极组成，即，第一子磁极和第二子磁极，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，内磁极还可以由三个、四个或者五个以上的子磁极组成，只要能够满增加内磁极的总磁通量，减小内磁极的总磁通量与外磁极1的总磁通量之间的差值即可。此外，可以根据具体情况适应性地设计各个子磁极的螺旋段和闭合段，或者还可以省去螺旋段或者闭合段。

还需要说明的是，在实际应用中，本实施例提供的磁控管主要应用在溅射路程(靶材与置于基座上的基片之间的间距)较短的薄膜沉积设备中，以在降低溅射电压的同时，获得均匀的薄膜厚度。靶材与置于基座上的基片之间的间距范围一般在40～80mm。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种磁控溅射设备，包括靶材、设置于靶材上方的磁控管以及设置于靶材下方的用于承载基片的基座。其中，磁控管采用了本实施例提供的上述磁控管用以对靶材表面进行扫描。

通过实验表明，本实施例提供的磁控溅射设备，其靶材与置于基座上的基片之间的间距范围在40～80mm时，可以获得较好的薄膜厚度均匀性。

另外，本发明实施例提供的磁控溅射设备，其在使用直径小于或等于330mm的托盘时，可以将靶材溅射电压降低20％，薄膜(例 如ito薄膜)厚度均匀性达到<3％，标准差均匀性<2％，因此，使用直径小于或等于330mm的托盘，可以获得更好的薄膜厚度均匀性。此外，使用直径小于或等于330mm的托盘还可以将薄膜的产能提高40％左右。

在实际应用中，本发明提供的磁控溅射设备用于制备ito薄膜、tin薄膜或者cu薄膜等。

本实施例提供的磁控溅射设备，其通过采用本发明提供的上述磁控管，不仅可以提高薄膜厚度的均匀性，而且可以降低靶材溅射电压，从而可以减少器件表面形成的损伤。

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。