[发明专利]一种变偏心距式磁电管

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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匀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匀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匀性和覆盖率，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匀性、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匀性和覆盖率。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匀性；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匀性的目的。

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匀性的相关专利较多。

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O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O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O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匀性，这样有利于降低磁电管制造与维护的成本。

与专利ZL87106947发明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匀性。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匀性的磁场，但是其刻蚀效率比较低。

发明内容

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匀性偏低或刻蚀效率不高的不足，本发明提出了一种变偏心距式磁电管。

本发明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匀性的同时，又有较高的刻蚀效率。