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1、(10)申请公布号 CN 103177916 A (43)申请公布日 2013.06.26 CN 103177916 A *CN103177916A* (21)申请号 201110430322.6 (22)申请日 2011.12.20 H01J 23/087(2006.01) H01J 25/50(2006.01) H01J 37/34(2006.01) C23C 14/35(2006.01) (71)申请人 北京北方微电子基地设备工艺研究 中心有限责任公司 地址 100176 北京市北京经济技术开发区文 昌大道 8 号 (72)发明人 宗令蓓 耿波 (74)专利代理机构 北京天昊联合知识产权。
2、代理 有限公司 11112 代理人 彭瑞欣 张天舒 (54) 发明名称 一种磁控管及磁控溅射设备 (57) 摘要 本发明提供一种磁控管以及磁控溅射设备， 所述磁控管包括内磁极以及与其极性相反的外磁 极， 所述内磁极和所述外磁极在垂直于其轴线的 截面上的形状为螺旋形， 所述内磁极和所述外磁 极相互不接触地嵌套在一起， 从而在所述内磁极 和所述外磁极之间形成螺旋形的第一通道和第二 通道， 所述内磁极的内端部和外端部之间的夹角 以及所述外磁极的内端部和外端部之间的夹角均 小于或等于 720， 而且， 所述第一通道和第二通 道的内端不连通。该磁控管可以缩短等离子体路 径的长度和增加路径的宽度， 从而可。
3、以降低启辉 和维持等离子体的溅射气压， 进而可以提高薄膜 的致密性和均匀性以及靶材的利用率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103177916 A CN 103177916 A *CN103177916A* 1/1 页 2 1. 一种磁控管， 包括内磁极以及与其极性相反的外磁极， 所述内磁极和所述外磁极在 垂直于其轴线的截面上的形状为螺旋形， 所述内磁极和所述外磁极相互不接触地嵌套在 一起， 从而在所述内磁极和所述外磁极之间形成。
4、螺旋形通道， 其特征在于， 所述内磁极的 内端部和外端部之间的夹角以及所述外磁极的内端部和外端部之间的夹角均小于或等于 720， 所述螺旋形通道包括第一通道和第二通道， 而且， 所述第一通道和第二通道的内端 不连通。 2. 根据权利要求 1 所述磁控管， 其特征在于， 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， 所述磁铁由所述内磁极本体内端部至外端部排列设置 ； 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， 所述磁铁由所述外磁极本 体的内端部至外端部排列设置。 3. 根据权利要求 2 所述磁控管， 其特征在于， 设置在所述内磁极本体上的所述磁铁在 所述内磁。
5、极本体的内端部至外端部均匀分布 ； 设置在所述外磁极本体上的所述磁铁在所述 外磁极本体的内端部至外端部均匀分布。 4. 根据权利要求 2 所述磁控管， 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。 5. 根据权利要求 2 所述磁控管， 其特征在于， 所述内磁极的内端部与所述外磁极之间 的距离远小于所述螺旋形通道的间距 ； 所述外磁极的内端部与所述内磁极之间的距离远小 于所述螺旋形通道的间距 ； 而且， 所述内磁极的外端部与所述外磁极的外端部均为开放的 自由端， 以使所述第一通道和第二通道形成非闭合的通道。 6. 根据权利要求 2 所述磁控管， 其特征。
6、在于， 所述内磁极的内端部与所述外磁极之间 的距离远小于所述螺旋形通道的间距 ； 所述外磁极的内端部与所述内磁极之间的距离远小 于所述螺旋形通道的间距， 而且， 所述内磁极的外端部为开放的自由端， 所述外磁极的外端 部闭合， 以使所述第一通道的外端和第二通道的外端连通。 7.根据权利要求5或6所述磁控管， 其特征在于， 所述内磁极与所述外磁极内端部对应 的区域朝向所述外磁极突出， 所述外磁极与所述内磁极的内端部对应的区域朝向所述内磁 极突出。 8. 根据权利要求 7 所述磁控管， 其特征在于， 所述内磁极的内端部与所述外磁极的最 短距离为 2 5mm， 所述外磁极的内端部与所述内磁极的最短距离。
7、为 2 5mm。 9. 一种磁控溅射设备， 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 1-8 任意一项所述的磁控管。 10. 根据权利要求 9 所述磁控溅射设备， 其特征在于， 所述磁控管的旋转中心为所述磁 控管的对称中心。 11. 根据权利要求 9 所述磁控溅射设备， 其特征在于， 所述磁控管的旋转中心偏离所述 磁控管的对称中心。 权 利 要 求 书 CN 103177916 A 2 1/5 页 。
8、3 一种磁控管及磁控溅射设备 技术领域 0001 本发明属于微电子领域， 具体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 0002 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形成薄膜。 0003 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 与反应腔室 1 的底部连通， 以调节反应腔室 1 内部的气体压力。在反应腔室 1 的底部设有用于承载晶。
9、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。用于提供反应气体的气体源 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。在靶材 6 的上表面还设有磁控管 9， 而且， 磁控管 9 在电机 12 的驱动下扫描靶材 6 的表面， 可以提高靶材的溅射速率。 0004 图 2 为现有的磁控管的平面视图。请参阅图 2， 磁控管 9 包括螺旋形的内磁极 91 和外磁极92， 内磁极91和外磁极92相互嵌套在一起， 而且内磁极91和外磁极92之间的距 离相等， 从而形成间距相等的闭合的螺旋形通道93， 而。
10、且， 螺旋形通道93首尾连通。 在工艺 过程中， 磁控管 9 以内磁极 91 的内端部 94 为中心在靶材 6 的表面旋转扫描， 以提高靶材 6 的溅射速率。 0005 上述磁控管在实际使用过程中， 由于内磁极 91 和外磁极 92 形成的螺旋形通道首 尾连通， 因此螺旋形通道较长， 而且内磁极 91 和外磁极 92 螺旋的圈数较多， 因此内磁极 91 和外磁极 92 之间的间距较窄， 这使得磁控溅射设备需要较高的溅射气压才能启辉和维持 等离子体， 从而导致薄膜的致密性以及均匀性降低。尤其在对深宽比较大的通孔内沉积薄 膜时， 利用现有磁控管沉积的薄膜的均匀性很差， 如通孔的底部沉积的薄膜较厚，。
11、 而通孔的 侧壁沉积的薄膜较少。 发明内容 0006 为至少解决上述技术问题之一， 本发明提供一种磁控管， 其不仅可以降低启辉以 及维持等离子体的溅射气压。 0007 此外， 本发明还提供一种磁控溅射设备， 其不仅启辉和维持等离子体的溅射气压 低。 0008 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， 包括内磁极以及与其 极性相反的外磁极， 所述内磁极和所述外磁极在垂直于其轴线的截面上的形状为螺旋形， 所述内磁极和所述外磁极相互不接触地嵌套在一起， 从而在所述内磁极和所述外磁极之间 形成螺旋形通道， 所述内磁极的内端部和外端部之间的夹角以及所述外磁极的内端部和外 端部之间的夹角均小于。
12、或等于 720， 所述螺旋形通道包括第一通道和第二通道， 而且， 所 述第一通道和第二通道的内端不连通。 说 明 书 CN 103177916 A 3 2/5 页 4 0009 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 述磁铁由所述内磁极本体内端部至外端部排列设置 ； 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， 所述磁铁由所述外磁极本体的内端部至外端部排列设置。 0010 优选地， 设置在所述内磁极本体上的所述磁铁在所述内磁极本体的内端部至外端 部均匀分布 ； 设置在所述外磁极本体上的所述磁铁在所述外磁极本体的内端部至外端部均 匀分布。 0。
13、011 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。 0012 优选地， 所述内磁极的内端部与所述外磁极之间的距离远小于所述螺旋形通道 的间距 ； 所述外磁极的内端部与所述内磁极之间的距离远小于所述螺旋形通道的间距 ； 而 且， 所述内磁极的外端部与所述外磁极的外端部均为开放的自由端， 以使所述第一通道和 第二通道形成非闭合的通道。 0013 优选地， 所述内磁极的内端部与所述外磁极之间的距离远小于所述螺旋形通道的 间距 ； 所述外磁极的内端部与所述内磁极之间的距离远小于所述螺旋形通道的间距， 而且， 所述内磁极的外端部为开放的自由端， 所述外磁极的外端。
14、部闭合， 以使所述第一通道的外 端和第二通道的外端连通。 0014 优选地， 所述内磁极与所述外磁极内端部对应的区域朝向所述外磁极突出， 所述 外磁极与所述内磁极的内端部对应的区域朝向所述内磁极突出。 0015 优选地， 所述内磁极的内端部与所述外磁极的最短距离为 2 5mm， 所述外磁极的 内端部与所述内磁极的最短距离为 2 5mm。 0016 本发明还提供一种磁控溅射设备， 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。
15、发明提供的所述的磁控管。 0017 优选地， 所述磁控管的旋转中心为所述磁控管的对称中心。 0018 优选地， 所述磁控管的旋转中心偏离所述磁控管的对称中心。 0019 本发明具有以下有益效果 ： 0020 本发明提供的磁控管由于内磁极的内端部和外端部之间的夹角以及外磁极的内 端部和外端部之间的夹角均小于或等于 720， 即控制螺旋形内磁极和外磁极的螺旋圈数， 而且， 所述第一通道和第二通道的内端不连通， 这可以减少第一通道和第二通道的长度以 及增加第一通道和第二通道的宽度， 即减少了等离子体路径的长度并增加了路径的宽度， 从而可以降低启辉和维持等离子体的溅射气压， 进而可以提高薄膜的致密性和。
16、均匀性。另 外， 由于内磁极和外磁极呈螺旋状， 其可以实现全靶腐蚀， 从而可以提高靶材的利用率， 进 而可以降低生产成本。 0021 本发明提供的磁控溅射设备由于采用本发明提供的磁控管， 使得位于内磁极和外 磁极之间的第一通道和第二通道的长度变短以及宽度增加， 即减少了等离子体路径的长度 并增加了路径的宽度， 从而可以降低启辉和维持等离子体的溅射气压， 这不仅可以提高刻 蚀速率， 而且可以提高薄膜的致密性和均匀性， 从而可以提高集成电路的性能。另外， 由于 内磁极和外磁极呈螺旋状， 可以实现全靶腐蚀， 从而可以提高靶材的利用率， 进而可以降低 说 明 书 CN 103177916 A 4 3/。
17、5 页 5 生产成本。 附图说明 0022 图 1 为典型的磁控溅射设备的结构简图 ； 0023 图 2 为现有的磁控管的平面视图 ； 0024 图 3 为本发明第一实施例磁控管的平面视图 ； 0025 图 4 为旋转中心偏离磁控管对称中心时磁控管的平面视图 ； 0026 图 5 为本发明第二实施例磁控管的平面视图 ； 0027 图 6 为采用本实施例磁控管扫描靶材表面时靶材的腐蚀曲线。 具体实施方式 0028 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 供的磁控管及磁控溅射设备进行详细描述。 0029 本实施例的磁控管为柱状结构， 磁控管可以其中心线为轴旋转。在。
18、下面的实施例 中， 内端部是指靠近磁控管中心线的一端， 外端部是指远离磁控管中心线的一端。 0030 图 3 为本发明第一实施例磁控管的平面视图。请参阅图 3， 磁控管包括内磁极 31 和外磁极32， 内磁极31和外磁极32在垂直于磁控管轴线的截面上的形状均为螺旋形， 内磁 极31和外磁极32相互不接触地嵌套在一起， 从而将内磁极31和外磁极32相对的区域隔离 成螺旋形通道， 该螺旋形通道可在靶材表明形成与之形状相似、 尺寸相近地等离子体路径。 0031 内磁极 31 包括内磁极本体 31a 和多个磁铁 40， 磁铁 40 由内磁极本体 31a 内端部 至外端部排列设置。类似地， 外磁极 32。
19、 包括外磁极本体 32a 和多个磁铁 40， 磁铁 40 由外磁 极本体 32a 的内端部至外端部排列设置。本实施例， 内磁极本体 31a 和外磁极本体 32a 采 用导磁材料制作， 而且设置在内磁极本体 31a 上的磁铁 40 与设置在外磁极本体 32a 上的磁 铁 40 的极性相反， 如设置在内磁极本体 31a 上的磁铁 40 的 S 极朝向读者， 设置在外磁极本 体 32a 上的磁铁 40 的 N 极朝向读者， 从而使内磁极 31 和外磁极 32 获得极性相反的磁场， 借助极性相反的内磁极 31 和外磁极 32 可以约束靶材表面的等离子体。 0032 优选地， 磁铁 40 在内磁极本体 。
20、31a 的内端部和外端部以及外磁极本体 32a 的内端 部和外端部均匀地设置， 这可以提高等离子体的密度， 增加磁场强度， 从而提高溅射的稳定 性。 0033 本实施例中， 磁铁 40 为圆柱状的磁铁， 也可以使方形的磁铁。另外， 磁铁 40 镶嵌 在内磁极本体 31a 和外磁极本体 32a 内。然而， 本发明并不局限于此， 磁铁 40 也可以紧贴 在内磁极本体 31a 和外磁极本体 32a 的侧面。但在实际使用中， 优选将磁铁 40 镶嵌在内磁 极本体31a和外磁极本体32a内， 这不仅便于磁控管的加工制作， 而且可以使磁控管的结构 更紧凑。 0034 本实施例中， 内磁极31的内端部35和。
21、内磁极31的外端部37之间的夹角为540， 外磁极32的内端部36和外磁极32的外端部38之间的夹角为540， 即在垂直于磁控管轴 线的截面上， 内磁极 31 和外磁极 32 绕磁控管的轴线一圈半。对于外径尺寸一定的磁控管， 内磁极31和外磁极32环绕磁控管轴线的圈数的减少， 可以增加内磁极31和外磁极32之间 的间距， 即增加了等离子体的路径的宽度， 从而可以降低启辉和维持等离子体的溅射气压， 说 明 书 CN 103177916 A 5 4/5 页 6 进而可以提高薄膜的致密性以及均匀性。 0035 本实施例中， 在外磁极 32 上与内磁极 31 的内端部 35 对应的区域朝向内磁极 31。
22、 的内端部 35 突出， 从而使内磁极 31 的内端部 35 与所述外磁极 32 之间的距离远小于螺旋 形通道的间距 ； 同样， 在内磁极 31 上与外磁极 32 的内端部 36 对应的区域朝向外磁极 32 的内端部 36 突出， 从而使外磁极 32 的内端部 36 与内磁极 31 之间的距离远小于螺旋形通 道的间距， 即将螺旋形通道隔离成第一通道 33 和第二通道 34， 这样可以缩短等离子体的路 径， 以降低启辉和维持等离子体的溅射气压， 从而不仅可以提高刻蚀的速率， 而且可以使薄 膜更加致密， 薄膜的厚度更加均匀。 0036 内磁极 31 的内端部 35 与外磁极 32 的最短距离为 2。
23、 5mm， 优选 3 5mm ； 外磁极 32 的内端部 36 与内磁极 31 的最短距离为 2 5mm， 优选 3 5mm。 0037 在本实施例中， 内磁极 31 的外端部 37 为开放的自由端， 外磁极 32 的外端部 38 为 开放的自由端， 从而使第一通道33和第二通道34形成非闭合的螺旋形通道， 即第一通道33 和第二通道 34 为开放式螺旋形通道。 0038 本实施例中， 内磁极 31 和外磁极 32 的形状和大小相同， 而且， 内磁极 31 和外磁极 32 对称设置， 磁控管的对称中心即为内磁极 31 和外磁极 32 的对称中心。在实际使用过程 中， 可以磁控管的对称中心 39。
24、 为旋转中心使磁控管旋转， 也可以将旋转中心设置在偏离磁 控管的对称中心的其它位置， 如可以将内磁极31的内端部35作为旋转中心， 或将外磁极32 的外端读38作为旋转中心。 图4为旋转中心偏离磁控管对称中心时磁控管的平面视图。 当 旋转中心偏离磁控管的对称中心时， 可以使靶材的刻蚀更均匀， 从而可以提供靶材的利用 率。 0039 图5为本发明第二实施例磁控管的平面视图。 请参阅图5， 本实施例与第一实施例 的不同之处在于 ： 外磁极 32 的内端部 36 和外磁极 32 的外端部 38 之间的夹角为 720， 而 且外磁极 32 的外端部 38 闭合， 即外磁极 32 的外端部 38 与外磁。
25、极 32 的其它位置连接， 从 而使第一通道的外端和第二通道的外端连通。 0040 需要指出的是， 尽管第一通道的外端和第二通道的外端连通， 但第一通道的内端 和第二通道的内端仍不连通。相对于现有技术而言， 螺旋形通道的长度仍然较短。 0041 除上述区别之外， 第二实施例磁控管与第一实施例磁控管的其它结构完全相同， 这里不再赘述。 0042 上述实施例中， 内磁极 31 的内端部 35 和内磁极 31 的外端部 37 之间的夹角为 540， 外磁极 32 的内端部 36 和外磁极 32 的外端部 38 之间的夹角分别为 540和 720。 但本发明并不局限于此， 只要使内磁极 31 的内端部。
26、 35 和外端部 37 之间的夹角以及外磁极 32 的内端部 36 和外端部 38 之间的夹角小于或等于 720即可缩短螺旋形通道的长度以及 增加螺旋形通道的宽度， 从而缩短等离子体的路径和增加等离子体的路径的宽度， 即能达 到降低启辉和维持等离子体的溅射气压。 0043 本实施例提供的磁控管由于内磁极的内端部和外端部之间的夹角以及外磁极的 内端部和外端部之间的夹角均小于或等于 720， 即控制螺旋形内磁极和外磁极的螺旋圈 数， 而且， 所述第一通道和第二通道的内端不连通， 这可以减少第一通道和第二通道的长度 以及增加第一通道和第二通道的宽度， 即减少了等离子体路径的长度并增加了路径的宽 度，。
27、 从而可以降低启辉和维持等离子体的溅射气压， 进而可以提高刻蚀的速率以及薄膜的 说 明 书 CN 103177916 A 6 5/5 页 7 致密性和均匀性。另外， 由于内磁极和外磁极呈螺旋状， 其可以实现全靶腐蚀， 从而可以提 高靶材的利用率， 进而可以降低生产成本。 0044 本发明还提供一种磁控溅射设备， 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， 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， 磁控管采用上 述实施例所述的磁控管。 0045 在本实施例中， 驱动部件的转轴与在垂。
28、直于磁控管轴线的截面上的对称中心连 接， 即将该对称中心作为磁控管的旋转中心。 可以理解， 也可以将偏离磁控管对称中心的其 它位置作为磁控管的旋转中心， 如将内磁极的内端部或所述外磁极的内端部作为所述磁控 管的旋转中心。 0046 图 6 为采用本实施例磁控管扫描靶材表面时靶材的腐蚀曲线。图中， 横坐标表示 靶材中心到边缘的距离， 单位 ： 英寸(inch) ； 纵坐标表示靶材的腐蚀深度。 请参阅图6， 采用 上述实施例提供的磁控管可以基本实现全靶腐蚀， 从而提高了靶材的利用率， 降低了生产 成本。 0047 本实施例提供的磁控溅射设备由于采用本实施例提供的磁控管， 使得位于内磁极 和外磁极之。
29、间的第一通道和第二通道的长度变短以及宽度增加， 即减少了等离子体路径的 长度并增加了路径的宽度， 从而可以降低启辉和维持等离子体的溅射气压， 这不仅可以提 高刻蚀速率， 而且可以提高薄膜的致密性和均匀性， 从而可以提高集成电路的性能。另外， 由于内磁极和外磁极呈螺旋状， 可以实现全靶腐蚀， 从而可以提高靶材的利用率， 进而可以 降低生产成本。 0048 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。 说 明 书 CN 103177916 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103177916 A 8 2/3 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103177916 A 9 3/3 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103177916 A 10 。