一种磁控管及应用该磁控管的薄膜沉积处理设备制造技术

本发明专利技术提供一种磁控管，包括中心磁控分区、边缘磁控分区以及驱动机构，该驱动机构可同步或独立地驱动上述中心磁控分区和边缘磁控分区中的磁体组，并使上述磁体组在各自的磁控分区中按照预定的轨迹运行。本发明专利技术提供的磁控管可有效提高整个靶材区域，尤其是边缘区域的金属原子离化率，从而提高基片边缘区域的孔隙填充的均匀性。此外，本发明专利技术还提供一种应用上述磁控管的薄膜沉积处理设备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子
，具体地，涉及一种磁控管及应用该磁控管的薄膜沉积处理设备。
技术介绍
在现代工业中，微电子加工技术的水平取得了前所未有的成就。集成电路是一种典型的微电子产品，其通过在硅片上加工出各种形状的孔隙、沟槽等微细结构，然后通过在上述孔隙和沟槽内填充不同的材料而形成微小的晶体管等微电子元件，并通过金属互联层将各个微电子元件按照不同的电学特性连接起来，最终形成大规模的集成电路。其中，在集成电路的生产过程中所涉及的铜、铝等金属互连层的生产工艺均需要借助溅射技术而得以实现。随着微电子技术的不断发展及特征尺寸的不断缩小，在溅射工艺中对深/宽比较大(孔隙深度和宽度的比值大于1)的通孔和狭窄沟道的填充能力显得愈加重要。但是，传统溅射技术无法控制溅射粒子的沉积方向，因而无法顺利完成对深/宽比较大的通孔和狭窄沟道的填充。如图1所示，采用传统溅射工艺进行孔隙填充时，很容易出现这样的问题 即，在孔隙底部拐角处的填充尚未完成时，孔隙顶部拐角处已经堆积了大量的填充物(行业内称作顶悬挂现象)而将孔隙完全封闭，从而阻碍对孔隙内部的继续填充。为了解决上述问题，等离子体磁控溅射(Magnetron Sputtering)技术应运而生， 它能够使溅射出的金属原子离子化，并通过控制金属离子的能量和运动方向，使其顺利地进入并填充孔隙侧壁，从而提高对深/宽比较大的通孔及狭窄沟道的台阶覆盖能力。请参阅图2，为磁控溅射技术的原理示意图。磁控溅射是一种高效率的溅射技术， 其原理是利用磁控管在基片和溅射靶材之间加载与电场相交的磁场，以限制电子的运动范围并延长电子的运动轨迹，使电子最大限度地离化氩气原子而形成氩离子，氩离子对靶材表面进行轰击然后使靶材材料以金属原子或离子的状态脱离靶材表面。在上述磁控溅射工艺中，金属原子的离化率是一项重要指标。所谓金属原子的离化率是指以离子状态脱离靶材的金属粒子在所有被溅射出的金属粒子中所占的比例。如图 3所示，未离子化的金属原子的出射角度与基片法线方向之间会存在一定的夹角，且中性的金属原子不容易受到下电极偏压的控制，因而在孔隙填充过程中依然按照粒子出射时的角度进入孔隙中，从而出现图3中所示的孔隙填充结果基片边缘附近的孔隙(图中A和C两个孔隙)中所沉积的金属粒子多数来自该孔隙靠近中心一侧上方的靶材，又由于上述金属粒子中的多数是以出射角度而进入孔隙中的，从而造成孔隙在靠近基片边缘的侧壁上所沉积的金属粒子相对于靠近基片中心的侧壁上所沉积的金属粒子较多，并最终导致沉积在孔隙中靠近边缘一侧的金属薄膜厚度明显大于靠近中心一侧的薄膜厚度，即出现孔隙填充不对称的问题。由此可见，增大金属原子的离化率对溅射工艺的孔隙填充均勻性起着至关重要的作用；而磁控管的结构设计是否合理将直接影响在溅射过程中对金属原子的离子化结请参阅图4，其中示出了一种现有的磁控管结构。该磁控管中通过一组行星轮系 (定齿轮72、传动轮76、动齿轮78、主动臂74及从动臂80)传动机构来带动磁体组84进行如图5所示的小行星式的轨迹运动。所谓小行星轨迹是指，运动点在行星轮系的带动下以近似宇宙中小行星围绕恒星转动的轨迹而围绕行星轮系的中心所进行的一种运行轨迹。在溅射过程中，加载到靶材的上的功率多数会被集中在磁体组84的磁场范围内，由于磁体组 84磁极尺寸较小，从而将靶材功率约束在很小的范围内，因此在磁体组84下方的等离子区域具有很高的功率密度，从而可瞬间提高磁体组84所经过区域内的靶材原子离化率。与此同时，磁控管通过传动机构而驱动磁体组84以如图5所示的预定轨迹高速运转，以使上述磁体组84在尽可能短的时间内对整个靶材区域完成扫描，从而尽量缩短扫描周期，使靶材各个区域均具有较高的金属原子离化率。所述扫描周期是指磁体组在其运行轨迹内完成一次扫描循环所用的时长。上述磁控管虽然能在一定程度上提高靶材原子的离化率，但其不可避免地存在以下缺点其一，通过图5所示的运行轨迹可以看出，上述磁控管中的磁体组在对靶材区域进行扫描时，对于靶材边缘区域的扫描密度明显低于对靶材中心区域的扫描密度。这就直接导致靶材边缘区域金属原子的离化率要明显低于靶材中心区域金属原子的离化率，进而造成图3所示的基片边缘的孔隙填充厚度不对称的问题。当该磁控管被应用于大尺寸的靶材溅射工艺时，上述问题将更加明显。其二，随着工艺水平的不断提高，基片尺寸将逐渐增大至450mm，对应的靶材尺寸会随之增大至650 700mm。此时，磁控管的扫描面积也将成倍增加，若要使磁控管的扫描周期不变，就要大幅提高磁控管的运行速度。但是，磁体组的运行速度大幅提高之后就难以控制其运行精度，如果不能保证磁体组的运行精度，也就无法在靶材表面得到均勻的磁场分布，这将影响对靶材整体的金属离子化的均勻性。而如果不提高磁体组的运行速度，则势必会延长磁体组的扫描周期，这可能会出现工艺时长小于磁体组扫描周期的情况，即，工艺结束时磁体组仅对部分靶材区域完成了扫描，被扫描过的靶材区域的金属离化率要明显高于未被扫描过的靶材区域的金属离化率，对应地，被扫描过的靶材区域所对应基片区域的孔隙填充的均勻性也会较好，但未被扫描过的靶材区域所对应的基片区域的孔隙填充的均勻性则相对较差；最终将严重影响基片整体的孔隙填充质量。因此，上述结构的磁控管将无法满足大尺寸基片、特别是450mm及以上尺寸基片的溅射工艺要求。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种磁控管，其能够使靶材边缘区域获得较高的金属原子离化率，从而使基片各区域的孔隙均能得到良好填充，并可满足大尺寸基片的溅射工艺要求。为解决上述问题，本专利技术还提供一种应用上述磁控管的薄膜沉积处理设备，其同样其能够使靶材边缘区域获得较高的金属原子离化率，从而使基片各区域的孔隙均能得到良好填充，并可满足大尺寸基片的溅射工艺要求。为此，本专利技术提供一种磁控管，用于在靶材表面形成均勻分布的磁场，所述磁控管包括中心磁控分区，其具有对应于靶材中心区域而施加磁场的中心磁体组；边缘磁控分5区，其围绕所述中心磁控分区而设置，具有对应于靶材边缘区域而施加磁场的边缘磁体组； 驱动机构，其包括与所述中心磁体组相连接的中心驱动机构和与所述边缘磁体组相连接的边缘驱动机构，所述中心驱动机构和边缘驱动机构可同步或独立地驱动所述中心磁体组和边缘磁体组在各自的磁控分区内沿预定的轨迹运动，以分别在所述靶材的中心区域和边缘区域形成均勻分布的磁场。其中，所述边缘磁体组包括多个沿径向和/或周向排列的小磁体并布满所述边缘磁控分区，其中，相邻小磁体的N、S级交错排布；所述边缘磁体组在所述边缘驱动机构的驱动下以靶材中心为旋转轴作圆周旋转运动。其中，所述边缘磁体组包括多个独立的边缘子磁体组，各个边缘子磁体组又包括内磁体和环绕所述内磁体的多个外磁体，所述外磁体与所述内磁体上靠近靶材一侧的磁极的极性相反；各个边缘子磁体组在边缘驱动机构的驱动下以靶材中心为旋转轴作圆周旋转运动。其中，所述中心磁体组包括多个沿径向和/或周向排列的小磁体并布满所述中心磁控分区，其中，相邻小磁体的N、S级交错排布；所述中心磁体组在中心驱动机构的驱动下以靶材中心为旋转轴作圆周旋转运动。其中，所述中心磁体组包括一个内磁体和环绕所述内磁体的多个外磁体，所述外磁体与所述内磁体上靠近靶材一侧的磁极的极性本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种磁控管，用于在靶材表面形成均匀分布的磁场，其特征在于，所述磁控管包括：中心磁控分区，其具有对应于靶材中心区域而施加磁场的中心磁体组；边缘磁控分区，其围绕所述中心磁控分区而设置，具有对应于靶材边缘区域而施加磁场的边缘磁体组；驱动机构，其包括与所述中心磁体组相连接的中心驱动机构和与所述边缘磁体组相连接的边缘驱动机构，所述中心驱动机构和边缘驱动机构可同步或独立地驱动所述中心磁体组和边缘磁体组在各自的磁控分区内沿预定的轨迹运动，以分别在所述靶材的中心区域和边缘区域形成均匀分布的磁场。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨柏，
申请(专利权)人：北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司，
类型：发明
国别省市：11