本發(fā)明涉及微電子加工技術領域，具體地，涉及一種磁控管及應用該磁控管的磁控濺射設備。

背景技術：

磁控濺射裝置是通過等離子體中的粒子與靶材相碰撞以將從靶材中濺射出的材料沉積在被加工工件上形成薄膜的裝置。在實際應用中，為了提高濺射的效率和靶材的利用率，在靶材的背部設有磁控管，利用磁控管所產(chǎn)生的磁場延長電子的運動軌跡，增加電子與工藝氣體(如氬氣)碰撞的幾率，從而提高等離子體的密度，進而提高濺射的效率和靶材的利用率。

圖1為現(xiàn)有的一種磁控管的徑向截面圖。請參閱圖1，磁控管100包括外磁極102和內(nèi)磁極104，并且在外磁極102和內(nèi)磁極104中沿各自輪廓均勻分布有極性相反的磁體108，用以形成可以將等離子體束縛在靶材10表面的磁場。而且，在磁控管100的徑向截面上，外磁極102和內(nèi)磁極104之間形成有閉合的螺旋形軌道106。在工藝過程中，磁控管100以內(nèi)磁極102的內(nèi)端部14為中心在靶材的表面旋轉(zhuǎn)掃描，以提高靶材的濺射速率。

由于上述磁控管100能夠?qū)Π胁木鶆蚋g，即，相同時間內(nèi)，自靶材10各個位置濺射出的粒子的數(shù)量大致相等，但是粒子運動至基片11的中心區(qū)域的數(shù)量多于運動至基片11的邊緣區(qū)域的數(shù)量，這使得沉積在基片11上的薄膜厚度在基片11的徑向方向上不均勻，出現(xiàn)“中間厚，邊緣薄”的情況，這種情況在靶材10與基片11之間的間距d在50～70mm的范圍內(nèi)時尤為明顯，例如，實驗表明，在使用上述磁控管100掃描靶材表面，且靶材10與基片11之間的間距范圍在50～70mm時，在直徑為300mm的基片11上沉積的薄膜厚 度的均勻性大于3％，因此，薄膜厚度在基片11的徑向方向上的均勻性較差。

另外，在使用上述磁控管時，由于外磁極102的磁通量多于內(nèi)磁極104的磁通量，這使得磁控管束縛電子的能力較低，導致部分電子自原來的運動軌道逃逸，并運動到基片表面，與之發(fā)生碰撞，從而造成器件表面形成損傷。而且，粒子逃逸還會造成粒子濃度降低，從而需要較高的靶材濺射電壓，進而因濺射離子的能量過高，導致器件表面形成損傷。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術中存在的技術問題之一，提出了一種磁控管以及應用該磁控管的磁控濺射設備，其不僅可以提高薄膜厚度的均勻性，而且可以降低靶材濺射電壓，從而可以減少器件表面形成的損傷。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的而提供一種磁控管，

本發(fā)明具有下述有益效果：

本發(fā)明提供的磁控管，其通過使外磁極和內(nèi)磁極的形狀分別滿足：內(nèi)磁極的總磁通量與外磁極的總磁通量的差值在預設范圍內(nèi)，可以減少由磁控管產(chǎn)生的磁場所具有的磁力線在豎直方向上的分布數(shù)量，從而不僅可以減少自靶材中心濺射出的粒子數(shù)量，進而可以提高薄膜厚度的均勻性；而且，由于內(nèi)磁極的總磁通量與外磁極的總磁通量的差值在預設范圍內(nèi)，這可以將粒子束縛在靶材附近，從而不僅可以減少沿磁力線運動至基片表面發(fā)生碰撞的粒子數(shù)量，而且可以降低靶材濺射電壓，從而可以降低濺射粒子的能量，進而可以減少器件表面形成的損傷。

本發(fā)明提供的磁控濺射設備，其通過采用本發(fā)明提供的上述磁控管，不僅可以提高薄膜厚度的均勻性，而且可以降低靶材濺射電壓，從而可以減少器件表面形成的損傷。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的一種磁控管的徑向截面圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的磁控管的徑向截面圖；

圖3為本發(fā)明提供的磁控管與現(xiàn)有的磁控管的磁力線分布對比圖；以及

圖4為使用本發(fā)明提供的磁控管掃描靶材時靶材不同半徑處的腐蝕速率曲線圖。

具體實施方式

為使本領域的技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的磁控管及應用該磁控管的磁控濺射設備進行詳細描述。

圖2為本發(fā)明實施例提供的磁控管的徑向截面圖。請參閱圖2，磁控管用于對靶材表面進行掃描，其包括極性相反的外磁極1和內(nèi)磁極，其中，在外磁極1中設置有多個外磁極磁鐵11，且沿外磁極1的輪廓排列；在內(nèi)磁極中設置有多個內(nèi)磁極磁鐵12，且沿內(nèi)磁極的輪廓排列。外磁極磁鐵11的極性與內(nèi)磁極磁鐵12的極性相反，用以產(chǎn)生磁場。

而且，外磁極和內(nèi)磁極的形狀滿足：使內(nèi)磁極的總磁通量與外磁極1的總磁通量的差值在預設范圍內(nèi)。在本實施例中，內(nèi)磁極包括至少兩排子磁極，且平行排列；外磁極1采用由雙排到單排的方式排列，且與內(nèi)磁極相互嵌套，以在外磁極與內(nèi)磁極之間形成閉合的通道3。由于內(nèi)磁極由平行排列的至少兩個子磁極組成，這與現(xiàn)有技術中單排內(nèi)磁極相比，內(nèi)磁極磁鐵12的數(shù)量加倍，從而可以增加內(nèi)磁極的總磁通量，減小內(nèi)磁極的總磁通量與外磁極1的總磁通量之間的差值，從而形成“平衡型磁控管”。

借助“平衡型磁控管”，不僅可以減少自靶材中心濺射出的粒子數(shù)量，進而可以提高薄膜厚度的均勻性；而且，由于內(nèi)磁極的總磁通量與外磁極的總磁通量的差值較小，這可以將粒子束縛在靶材 附近，從而不僅可以減少沿磁力線運動至基片表面發(fā)生碰撞的粒子數(shù)量，而且可以降低靶材濺射電壓，從而可以降低濺射粒子的能量，進而可以減少器件表面形成的損傷。

下面對內(nèi)磁極和外磁極的具體排列方式進行詳細描述。具體地，在本實施例中，內(nèi)磁極包括第一子磁極和第二子磁極。其中，第一子磁極包括第一螺旋段21和第一閉合段23，第二子磁極包括第二螺旋段22和第二閉合段24，其中，第一螺旋段21自磁控管的旋轉(zhuǎn)中心o逆時針向靶材表面的邊緣延伸。

第二螺旋段22與第一螺旋段21在垂直于磁控管的徑向截面上的形狀一致，且二者平行排列。也就是說，第一螺旋段21與第二螺旋段22均由內(nèi)磁極磁鐵12排成一列組成，并且第一螺旋段21與第二螺旋段22的形狀吻合，且并排設置。優(yōu)選的，第二螺旋段22與第一螺旋段21均遵循下述極坐標方程：

r＝a×θⁿ+b×(cosθ)^m+c×(tanθ)^k+d

其中，r和θ為極坐標，n，m和k分別為θ、cosθ和tanθ的指數(shù)，且-2＜n＜2，-2＜m＜2，-2＜k＜2。通過使內(nèi)磁極中的第一螺旋段21和第二螺旋段22的形狀遵循上述極坐標方程，可以縮短通道3的長度，從而可以縮短與之對應的等離子體的運行軌跡，進而可以降低啟輝和維持等離子體的氣壓，提高成膜質(zhì)量。

第一閉合段23的一端(左端)與第一螺旋段21位于靶材表面的邊緣處的一端(右端)串接；第二閉合段24的一端(左端)與第二螺旋段22位于靶材表面的邊緣處的一端(右端)串接。第一閉合段23的另一端(右端)與第二閉合段24的另一端(右端)串接，由此，在順時針的方向上，第一螺旋段21、第一閉合段23、第二閉合段24和第二螺旋段22收尾串接形成閉合的環(huán)形結(jié)構，從而使內(nèi)磁極(即第一子磁極和第二子磁極)在整體上形成閉合的環(huán)形結(jié)構。需要說明的是，第一螺旋段21與第一閉合段23串接的位置，以及第二閉合段24和第二螺旋段22串接的位置可以根據(jù)具體情況設定，一般是在靠近靶材邊緣的位置處，且第一閉合段23和第二閉合段24的形狀只要能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)磁極在整體上形成閉合的環(huán)形結(jié)構即可。

在本實施例中，外磁極1包括雙排段26和單排段27，其中，雙排段26位于內(nèi)磁極的內(nèi)側(cè)，靠近磁控管的旋轉(zhuǎn)中心o的位置處。單排段27環(huán)繞在內(nèi)磁極的外側(cè)，且單排段27的兩端分別與雙排段26靠近靶材表面的邊緣處的兩端串接，從而外磁極1和內(nèi)磁極實現(xiàn)相互嵌套，且在二者之間形成閉合的通道。需要說明的是，外磁極1在垂直于磁控管的徑向截面上的形狀是根據(jù)內(nèi)磁極的形狀，與內(nèi)磁極保持一定的間隔環(huán)繞形成。

在本實施例中，通道3在不同位置處的間距相等。該間距的取值范圍在20～50mm，優(yōu)選為40mm。并且，優(yōu)選的，通道3在磁控管掃描靶材表面時經(jīng)過靶材的中心和邊緣，這可以使該通道3所對應的等離子體的運行軌跡能夠覆蓋靶材的整個表面，從而可以實現(xiàn)全靶腐蝕。

另外，外磁極的總磁通量多于內(nèi)磁極的總磁通量的20％。滿足該條件的磁控管均可以稱為“平衡型磁控管”。進一步優(yōu)選的，內(nèi)磁極的總磁通量等于外磁極的總磁通量。

圖3為本發(fā)明提供的磁控管與現(xiàn)有的磁控管的磁力線分布對比圖。請參閱圖3，a圖為由本發(fā)明提供的“平衡型磁控管”產(chǎn)生的磁場所具有的磁力線分布。b圖為由現(xiàn)有技術中的磁控管產(chǎn)生的磁場所具有的磁力線分布。對比a圖和b圖可知，由本發(fā)明提供的“平衡型磁控管”產(chǎn)生的磁場所具有的磁力線在豎直方向上的分布數(shù)量較少，同時在靶材附近的分布數(shù)量較多。這不僅可以減少自靶材中心濺射出的粒子數(shù)量，從而可以提高薄膜厚度的均勻性；而且可以將粒子束縛在靶材附近，從而不僅可以減少沿磁力線運動至基片表面發(fā)生碰撞的粒子數(shù)量，而且可以降低靶材濺射電壓，從而可以降低濺射粒子的能量，進而可以減少器件表面形成的損傷。

如圖4所示，為使用本發(fā)明提供的磁控管掃描靶材時靶材不同半徑處的腐蝕速率曲線圖。在上述磁控管的使用過程中，靶材邊緣區(qū)域的腐蝕深度大于靶材中心區(qū)域的腐蝕深度，即，自靶材邊緣區(qū)域濺射出的粒子的數(shù)量多于自靶材中心區(qū)域濺射出的粒子的數(shù)量，這可以增加自靶材濺射出的粒子運動至基片的邊緣區(qū)域的數(shù)量，從 而可以使在基片邊緣區(qū)域沉積的薄膜厚度與在基片中心區(qū)域沉積的薄膜厚度趨于均勻，進而可以提高薄膜厚度在基片徑向方向上的均勻性，提高成膜質(zhì)量。

在本實施例中，在第一閉合段23與第二閉合段24之間具有間隙，在這種情況下，內(nèi)磁極還包括第三子磁極25，該第三子磁極25設置在該間隙中，且與第二閉合段24的形狀吻合，且并行排列，如圖2所示。上述第三子磁極25同樣由內(nèi)磁極磁鐵12排成一列組成，該第三子磁極25填補了第一閉合段23與第二閉合段24之間的間隙，從而可以進一步增加內(nèi)磁極的磁通量。在實際應用中，第三子磁極還可以與第一閉合段的形狀吻合，且并行排列。

需要說明的是，在本實施例中，內(nèi)磁極包括由兩個子磁極組成，即，第一子磁極和第二子磁極，但是本發(fā)明并不局限于此，在實際應用中，內(nèi)磁極還可以由三個、四個或者五個以上的子磁極組成，只要能夠滿增加內(nèi)磁極的總磁通量，減小內(nèi)磁極的總磁通量與外磁極1的總磁通量之間的差值即可。此外，可以根據(jù)具體情況適應性地設計各個子磁極的螺旋段和閉合段，或者還可以省去螺旋段或者閉合段。

還需要說明的是，在實際應用中，本實施例提供的磁控管主要應用在濺射路程(靶材與置于基座上的基片之間的間距)較短的薄膜沉積設備中，以在降低濺射電壓的同時，獲得均勻的薄膜厚度。靶材與置于基座上的基片之間的間距范圍一般在40～80mm。

作為另一個技術方案，本發(fā)明還提供一種磁控濺射設備，包括靶材、設置于靶材上方的磁控管以及設置于靶材下方的用于承載基片的基座。其中，磁控管采用了本實施例提供的上述磁控管用以對靶材表面進行掃描。

通過實驗表明，本實施例提供的磁控濺射設備，其靶材與置于基座上的基片之間的間距范圍在40～80mm時，可以獲得較好的薄膜厚度均勻性。

另外，本發(fā)明實施例提供的磁控濺射設備，其在使用直徑小于或等于330mm的托盤時，可以將靶材濺射電壓降低20％，薄膜(例 如ito薄膜)厚度均勻性達到<3％，標準差均勻性<2％，因此，使用直徑小于或等于330mm的托盤，可以獲得更好的薄膜厚度均勻性。此外，使用直徑小于或等于330mm的托盤還可以將薄膜的產(chǎn)能提高40％左右。

在實際應用中，本發(fā)明提供的磁控濺射設備用于制備ito薄膜、tin薄膜或者cu薄膜等。

本實施例提供的磁控濺射設備，其通過采用本發(fā)明提供的上述磁控管，不僅可以提高薄膜厚度的均勻性，而且可以降低靶材濺射電壓，從而可以減少器件表面形成的損傷。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發(fā)明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發(fā)明并不局限于此。對于本領域內(nèi)的普通技術人員而言，在不脫離本發(fā)明的精神和實質(zhì)的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發(fā)明的保護范圍。