一种变偏心距式磁电管制造技术

本发明专利技术涉及磁电管运动轨迹控制技术领域，特别涉及一种用于提高溅射靶表面磁场分布均匀性，继而提高溅射靶的利用率的变偏心距式磁电管。本发明专利技术包括旋转驱动组件、变偏心距组件和磁电管组件三部分，采用一个旋转电机和一个直线电机，旋转电机控制磁电管绕溅射靶轴心转动，直线电机负责调整磁电管与旋转中心的距离，使得溅射靶表面磁场有较高覆盖率和较高均匀性的同时，又有较高的刻蚀效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁电管运动轨迹控制
，特别涉及一种用于提高溅射靶表面磁 场分布均勻性，继而提高溅射靶的利用率的变偏心距式磁电管。
技术介绍
溅射是自20世纪初开始逐渐得到发展与应用的一种PVD技术。溅射作为一种镀 膜技术，由于它比蒸发镀膜方法的台阶覆盖性能好，比电子束缚蒸发方法的辐射缺陷少，而 在集成电路电性互联等制造工艺中常被采用。溅射过程中先用真空泵把溅射腔室抽成高真空，然后充入如氩气等惰性气体，并 且在溅射靶上施加几百伏的负偏置电压，使惰性气体与电子碰撞后电离导致辉光放电形成 等离子体，正离子在电场加速作用下撞击溅射靶表面，入射正离子与溅射靶中原子发生连 锁碰撞，使溅射靶表面的原子获得动能脱离晶格束缚，飞溅沉积到被溅射材料的表面形成 薄膜。在溅射时，通常利用磁电管在溅射靶表面形成一个磁场，以加速电子运动，增加它们 与惰性气体原子碰撞产生正离子的几率，这种工艺被称为磁控溅射。一个理想的磁控溅射系统，形成的平行于溅射靶表面的磁场分量应均勻地覆盖在 溅射靶表面，因为只有水平分量才能提高溅射效率。由于结构尺寸、重量、制造工艺与成本、 功耗、维护等因素的限制，实际上的磁控溅射系统中溅射靶表面磁场的均勻性和覆盖率很 难达到上述理想状态。从溅射靶材利用率指标就可以反映出溅射靶表面磁场与上述理想状 态的差距，目前常规磁控溅射系统的溅射靶材利用率是30%左右，某些优化的磁控溅射系 统的溅射靶材利用率可能达到60-70%。需要指出的是，提高平行于溅射靶表面的磁场分量 均勻性和覆盖率，不仅可以提高溅射靶材利用率，而且对提高沉积在被溅射材料表面上薄 膜厚度的均勻性、台阶覆盖率等镀膜质量具有重要作用。通常采用优化磁电管的结构及控制磁场随时间变化的规律来提高平行于溅射靶 表面磁场分量的均勻性和覆盖率。前者通过改变磁电管的空间几何结构及排列，提高溅射 靶表面磁场覆盖率和均勻性；后者通过在溅射靶周围布置电磁线圈，或者采用机械装置使 磁电管在溅射靶背后进行旋转等运动，达到提高溅射靶表面磁场覆盖率和均勻性的目的。采用机械装置使磁电管在溅射靶背后进行旋转等运动，来提高溅射靶表面磁场覆 盖率和均勻性的相关专利较多。例如浙江大学王德苗和任高潮的中国专利ZL87106947提出了一种“分离磁体式 平面磁控溅射源”。王德苗和任高潮设计了旋转式磁电管，其磁电管有三种结构形式1)由V形外磁铁(N极)、扇形偏心内磁铁(S极)和圆心位于转动中心的0形外 磁环(N极)组成；2)由辐射状外磁铁(N极)、与外磁铁个数相对应的扇形偏心内磁铁(S极)和圆 心位于转动中心的0形外磁环(N极)组成，例如辐射状外磁铁为X形时，有4个扇形偏心 内磁铁；3)由两个ω外磁铁(N极)、一个圆心位于转动中心且形状与外磁铁形状相匹配内磁铁(S极)、一个圆心位于转动中心的0形外磁环(N极)组成。王德苗和任高潮设计的 旋转式磁电管最主要的特点是磁电管的N极是分离式的，由外磁铁和外磁环两部分构成， 外磁环固定不动，外磁铁和内磁铁做旋转运动。又例如应用材料股份有限公司伊扬 理查德 洪等人的中国专利ZL03816946. 0提 出了一种“小行星式磁电管”第一旋转臂由电机直接驱动，绕溅射靶轴心转动，电机除直接 驱动第一旋转臂外，还经机械传动驱动第二旋转臂转动；第二旋转臂的转动中心位于第一 旋转臂上，在第二旋转臂上安装一个由圆柱状内磁铁和圆环状外磁铁组成的磁电管。第一 旋转臂与第二旋转臂的转速比小于1，且非整数，其给出的一具体实施例中转速比为1.03 比6。伊扬 理查德 洪等人设计的小行星式磁电管的主要特点是利用简单形状的磁电管， 可以实现高溅射靶表面磁场覆盖率和均勻性，这样有利于降低磁电管制造与维护的成本。与专利ZL87106947专利技术类似的仅有偏心旋转一个转动的磁电管，其磁场不是没 有覆盖溅射靶表面中心区域，就是在溅射靶表面中心区域造成过度刻蚀，也就是说这种方 式不能同时在溅射靶表面中心区域具有较高覆盖率和较高均勻性。专利ZL03816946. 0发 明的行星式磁电管，尽管在选择合适磁电管参数和转速比的情况下，可以得到较高覆盖率 和较高均勻性的磁场，但是其刻蚀效率比较低。
技术实现思路
针对现有磁控溅射设备中磁电管在溅射靶表面形成的磁场的覆盖率和均勻性偏 低或刻蚀效率不高的不足，本专利技术提出了一种变偏心距式磁电管。本专利技术采用一个旋转电机和一个直线电机，旋转电机控制磁电管绕溅射靶轴心转 动，直线电机负责调整磁电管与旋转中心的距离(即偏心距)，使得溅射靶表面磁场有较高 覆盖率和较高均勻性的同时，又有较高的刻蚀效率。其具体技术方案为该变偏心距式磁电管包括旋转驱动组件、变偏心距组件和磁 电管组件。所述旋转驱动组件安装在PVD设备的上盖上，起到支撑变偏心距组件和磁电管组 件且使磁电管组件绕溅射靶轴心转动的作用；所述变偏心距组件安装在所述旋转驱动组件 旋转运动的输出端，起到支撑磁电管和调节磁电管与旋转中心距离的作用；所述磁电管组 件安装在所述变偏心距组件上，在溅射靶表面形成磁场，以提高溅射靶材利用率和被溅射 材料表面沉积薄膜的质量。所述旋转驱动组件的结构为钢轮的内齿与柔轮的外齿啮合，柔轮内装有波发生 器；其中钢轮经螺钉固定在减速器外壳上，柔轮通过柔轮定位销固定在中间内套上；减速 器外壳经两个轴承与中间内套构成转动副，即减速器外壳、波发生器、钢轮、柔轮、轴承、中 间内套、柔轮定位销和轴承端盖构成谐波减速器；直流伺服电机输出轴的下端与所述谐波 减速器的波发生器的内孔利用顶丝固定，作为旋转驱动的输入；中间内套是所述旋转驱动 组件的运动输出端；在直流伺服电机输出轴的上端安装有检测电机位置的编码器，用于对 直流伺服电机进行反馈控制。所述变偏心距组件的结构为直线步进电机通过外部驱动螺母推动磁电管基座在 导轨上滑动，所述磁电管基座通过滑块悬挂在导轨上，导轨固定在旋转臂上，即直线步进电 机、外部驱动螺母、磁电管基座、滑块、导轨和螺钉构成一个直线运动平台，通过直线步进电机的正反转加大或者缩短磁电管组件与旋转中心的距离。所述磁电管组件的结构为内磁极和外磁极固定在磁性轭上，磁性轭固定在变偏 心距组件的磁电管基座上，使磁电管组件随旋转驱动组件绕溅射靶轴心进行转动的同时， 又能随变偏心距组件进行往复直线移动。所述内磁极和外磁极为形状相似的马蹄形的环状磁铁。所述磁电管组件向内移动时，内磁极和外磁极径向第一个中心点超过溅射靶中 心，且当磁电管组件向外移动时，内外磁极径向第二个中心点达到溅射靶边缘，就能实现磁 场对溅射靶表面的全覆盖。本专利技术的有益效果为该装置通过旋转电机控制磁电管绕溅射靶轴心转动，通过 直线电机调整磁电管与旋转中心的距离，当磁电管组件以一个优选的运动速度往复移动 时，则可以使得溅射靶表面磁场既有较高覆盖率，又有较高均勻性和较高刻蚀效率。附图说明图1是变偏心距式磁电管安装在PVD设备的剖面示意图；图2是变偏心距式磁电管安装在PVD设备的三维组装示意图；图3是旋转驱动组件的结构剖面示意图；图4是旋转驱动组件的三维组装示意图；图5是变偏心距组件的结构剖面示意图；图6是变偏心距组件的三维组装示意图；图7 (a)是磁电管组件的结构俯视剖面图；图7 (b)是图7 (a)中的A-A面剖视图；图8是磁电管组件的三维组装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变偏心距式磁电管，采用一个旋转电机和一个直线电机分别控制磁电管的旋转和平移，包括旋转驱动组件（１００）、变偏心距组件（２００）和磁电管组件（３００），其特征在于，所述旋转驱动组件（１００）安装在ＰＶＤ设备的上盖上，起到支撑变偏心距组件和磁电管组件且使磁电管组件绕溅射靶轴心转动的作用；所述旋转驱动组件（１００）的结构为：钢轮（１０５）的内齿与柔轮（１０９）的外齿啮合，柔轮（１０９）内装有波发生器（１０４）；其中钢轮（１０５）固定在减速器外壳（１０６）上，柔轮（１０９）通过柔轮定位销（１１０）固定在中间内套（１１１）上；减速器外壳（１０６）经两个轴承与中间内套（１１１）构成转动副，即减速器外壳、波发生器、钢轮、柔轮、轴承、中间内套、柔轮定位销和轴承端盖构成谐波减速器；直流伺服电机（１０２）输出轴的下端与所述谐波减速器的波发生器（１０４）的内孔利用顶丝固定，作为旋转驱动的输入；中间内套（１１１）是所述旋转驱动组件（１００）的运动输出端；在直流伺服电机（１０２）输出轴的上端安装有检测电机位置的编码器（１０１），用于对直流伺服电机进行反馈控制；所述变偏心距组件（２００）安装在所述旋转驱动组件（１００）旋转运动的输出端，起到支撑磁电管和调节磁电管与旋转中心距离的作用；所述变偏心距组件（２００）的结构为：直线步进电机（２０５）通过外部驱动螺母（２０４）推动磁电管基座（２０６）在导轨（２０２）上滑动，所述磁电管基座（２０６）通过滑块（２０３）悬挂在导轨（２０２）上，导轨（２０２）固定在旋转臂（２０１）上，即直线步进电机、外部驱动螺母、磁电管基座、滑块、导轨和螺钉构成一个直线运动平台，通过直线步进电机的正反转加大或者缩短磁电管组件与旋转中心的距离；所述磁电管组件（３００）安装在所述变偏心距组件（２００）上，在溅射靶表面形成磁场，以提高溅射靶材利用率和被溅射材料表面沉积薄膜的质量；所述磁电管组件（３００）的结构为：内磁极（３０３）和外磁极（３０２）固定在磁性轭（３０１）上，磁性轭（３０１）固定在变偏心距组件（２００）的磁电管基座（２０６）上，使磁电管组件随旋转驱动组件绕溅射靶轴心进行转动的同时，又能随变偏心距组件进行往复直线移动。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王人成，胡伟，阎绍泽，季林红，程嘉，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]