專利名稱：一種變偏心距式磁電管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁電管運動軌跡控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于提高濺射靶表面磁 場分布均勻性，繼而提高濺射靶的利用率的變偏心距式磁電管。
背景技術(shù)：
濺射是自20世紀(jì)初開始逐漸得到發(fā)展與應(yīng)用的一種PVD技術(shù)。濺射作為一種鍍 膜技術(shù)，由于它比蒸發(fā)鍍膜方法的臺階覆蓋性能好，比電子束縛蒸發(fā)方法的輻射缺陷少，而 在集成電路電性互聯(lián)等制造工藝中常被采用。濺射過程中先用真空泵把濺射腔室抽成高真空，然后充入如氬氣等惰性氣體，并 且在濺射靶上施加幾百伏的負(fù)偏置電壓，使惰性氣體與電子碰撞后電離導(dǎo)致輝光放電形成 等離子體，正離子在電場加速作用下撞擊濺射靶表面，入射正離子與濺射靶中原子發(fā)生連 鎖碰撞，使濺射靶表面的原子獲得動能脫離晶格束縛，飛濺沉積到被濺射材料的表面形成 薄膜。在濺射時，通常利用磁電管在濺射靶表面形成一個磁場，以加速電子運動，增加它們 與惰性氣體原子碰撞產(chǎn)生正離子的幾率，這種工藝被稱為磁控濺射。一個理想的磁控濺射系統(tǒng)，形成的平行于濺射靶表面的磁場分量應(yīng)均勻地覆蓋在 濺射靶表面，因為只有水平分量才能提高濺射效率。由于結(jié)構(gòu)尺寸、重量、制造工藝與成本、 功耗、維護等因素的限制，實際上的磁控濺射系統(tǒng)中濺射靶表面磁場的均勻性和覆蓋率很 難達(dá)到上述理想狀態(tài)。從濺射靶材利用率指標(biāo)就可以反映出濺射靶表面磁場與上述理想狀 態(tài)的差距，目前常規(guī)磁控濺射系統(tǒng)的濺射靶材利用率是30%左右，某些優(yōu)化的磁控濺射系 統(tǒng)的濺射靶材利用率可能達(dá)到60-70%。需要指出的是，提高平行于濺射靶表面的磁場分量 均勻性和覆蓋率，不僅可以提高濺射靶材利用率，而且對提高沉積在被濺射材料表面上薄 膜厚度的均勻性、臺階覆蓋率等鍍膜質(zhì)量具有重要作用。通常采用優(yōu)化磁電管的結(jié)構(gòu)及控制磁場隨時間變化的規(guī)律來提高平行于濺射靶 表面磁場分量的均勻性和覆蓋率。前者通過改變磁電管的空間幾何結(jié)構(gòu)及排列，提高濺射 靶表面磁場覆蓋率和均勻性；后者通過在濺射靶周圍布置電磁線圈，或者采用機械裝置使 磁電管在濺射靶背后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等運動，達(dá)到提高濺射靶表面磁場覆蓋率和均勻性的目的。采用機械裝置使磁電管在濺射靶背后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等運動，來提高濺射靶表面磁場覆 蓋率和均勻性的相關(guān)專利較多。例如浙江大學(xué)王德苗和任高潮的中國專利ZL87106947提出了一種“分離磁體式 平面磁控濺射源”。王德苗和任高潮設(shè)計了旋轉(zhuǎn)式磁電管，其磁電管有三種結(jié)構(gòu)形式1)由V形外磁鐵(N極)、扇形偏心內(nèi)磁鐵(S極)和圓心位于轉(zhuǎn)動中心的0形外 磁環(huán)(N極)組成；2)由輻射狀外磁鐵(N極)、與外磁鐵個數(shù)相對應(yīng)的扇形偏心內(nèi)磁鐵(S極)和圓 心位于轉(zhuǎn)動中心的0形外磁環(huán)(N極)組成，例如輻射狀外磁鐵為X形時，有4個扇形偏心 內(nèi)磁鐵；3)由兩個ω外磁鐵(N極)、一個圓心位于轉(zhuǎn)動中心且形狀與外磁鐵形狀相匹配內(nèi)磁鐵(S極)、一個圓心位于轉(zhuǎn)動中心的0形外磁環(huán)(N極)組成。王德苗和任高潮設(shè)計的 旋轉(zhuǎn)式磁電管最主要的特點是磁電管的N極是分離式的，由外磁鐵和外磁環(huán)兩部分構(gòu)成， 外磁環(huán)固定不動，外磁鐵和內(nèi)磁鐵做旋轉(zhuǎn)運動。又例如應(yīng)用材料股份有限公司伊揚 理查德 洪等人的中國專利ZL03816946. 0提 出了一種“小行星式磁電管”第一旋轉(zhuǎn)臂由電機直接驅(qū)動，繞濺射靶軸心轉(zhuǎn)動，電機除直接 驅(qū)動第一旋轉(zhuǎn)臂外，還經(jīng)機械傳動驅(qū)動第二旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動；第二旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動中心位于第一 旋轉(zhuǎn)臂上，在第二旋轉(zhuǎn)臂上安裝一個由圓柱狀內(nèi)磁鐵和圓環(huán)狀外磁鐵組成的磁電管。第一 旋轉(zhuǎn)臂與第二旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)速比小于1，且非整數(shù)，其給出的一具體實施例中轉(zhuǎn)速比為1.03 比6。伊揚 理查德 洪等人設(shè)計的小行星式磁電管的主要特點是利用簡單形狀的磁電管， 可以實現(xiàn)高濺射靶表面磁場覆蓋率和均勻性，這樣有利于降低磁電管制造與維護的成本。與專利ZL87106947發(fā)明類似的僅有偏心旋轉(zhuǎn)一個轉(zhuǎn)動的磁電管，其磁場不是沒 有覆蓋濺射靶表面中心區(qū)域，就是在濺射靶表面中心區(qū)域造成過度刻蝕，也就是說這種方 式不能同時在濺射靶表面中心區(qū)域具有較高覆蓋率和較高均勻性。專利ZL03816946. 0發(fā) 明的行星式磁電管，盡管在選擇合適磁電管參數(shù)和轉(zhuǎn)速比的情況下，可以得到較高覆蓋率 和較高均勻性的磁場，但是其刻蝕效率比較低。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有磁控濺射設(shè)備中磁電管在濺射靶表面形成的磁場的覆蓋率和均勻性偏 低或刻蝕效率不高的不足，本發(fā)明提出了一種變偏心距式磁電管。本發(fā)明采用一個旋轉(zhuǎn)電機和一個直線電機，旋轉(zhuǎn)電機控制磁電管繞濺射靶軸心轉(zhuǎn) 動，直線電機負(fù)責(zé)調(diào)整磁電管與旋轉(zhuǎn)中心的距離(即偏心距)，使得濺射靶表面磁場有較高 覆蓋率和較高均勻性的同時，又有較高的刻蝕效率。其具體技術(shù)方案為該變偏心距式磁電管包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件、變偏心距組件和磁 電管組件。所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件安裝在PVD設(shè)備的上蓋上，起到支撐變偏心距組件和磁電管組 件且使磁電管組件繞濺射靶軸心轉(zhuǎn)動的作用；所述變偏心距組件安裝在所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件 旋轉(zhuǎn)運動的輸出端，起到支撐磁電管和調(diào)節(jié)磁電管與旋轉(zhuǎn)中心距離的作用；所述磁電管組 件安裝在所述變偏心距組件上，在濺射靶表面形成磁場，以提高濺射靶材利用率和被濺射 材料表面沉積薄膜的質(zhì)量。所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件的結(jié)構(gòu)為鋼輪的內(nèi)齒與柔輪的外齒嚙合，柔輪內(nèi)裝有波發(fā)生 器；其中鋼輪經(jīng)螺釘固定在減速器外殼上，柔輪通過柔輪定位銷固定在中間內(nèi)套上；減速 器外殼經(jīng)兩個軸承與中間內(nèi)套構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，即減速器外殼、波發(fā)生器、鋼輪、柔輪、軸承、中 間內(nèi)套、柔輪定位銷和軸承端蓋構(gòu)成諧波減速器；直流伺服電機輸出軸的下端與所述諧波 減速器的波發(fā)生器的內(nèi)孔利用頂絲固定，作為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的輸入；中間內(nèi)套是所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動 組件的運動輸出端；在直流伺服電機輸出軸的上端安裝有檢測電機位置的編碼器，用于對 直流伺服電機進(jìn)行反饋控制。所述變偏心距組件的結(jié)構(gòu)為直線步進(jìn)電機通過外部驅(qū)動螺母推動磁電管基座在 導(dǎo)軌上滑動，所述磁電管基座通過滑塊懸掛在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌固定在旋轉(zhuǎn)臂上，即直線步進(jìn)電 機、外部驅(qū)動螺母、磁電管基座、滑塊、導(dǎo)軌和螺釘構(gòu)成一個直線運動平臺，通過直線步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)加大或者縮短磁電管組件與旋轉(zhuǎn)中心的距離。所述磁電管組件的結(jié)構(gòu)為內(nèi)磁極和外磁極固定在磁性軛上，磁性軛固定在變偏 心距組件的磁電管基座上，使磁電管組件隨旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件繞濺射靶軸心進(jìn)行轉(zhuǎn)動的同時， 又能隨變偏心距組件進(jìn)行往復(fù)直線移動。所述內(nèi)磁極和外磁極為形狀相似的馬蹄形的環(huán)狀磁鐵。所述磁電管組件向內(nèi)移動時，內(nèi)磁極和外磁極徑向第一個中心點超過濺射靶中 心，且當(dāng)磁電管組件向外移動時，內(nèi)外磁極徑向第二個中心點達(dá)到濺射靶邊緣，就能實現(xiàn)磁 場對濺射靶表面的全覆蓋。本發(fā)明的有益效果為該裝置通過旋轉(zhuǎn)電機控制磁電管繞濺射靶軸心轉(zhuǎn)動，通過 直線電機調(diào)整磁電管與旋轉(zhuǎn)中心的距離，當(dāng)磁電管組件以一個優(yōu)選的運動速度往復(fù)移動 時，則可以使得濺射靶表面磁場既有較高覆蓋率，又有較高均勻性和較高刻蝕效率。


圖1是變偏心距式磁電管安裝在PVD設(shè)備的剖面示意圖；圖2是變偏心距式磁電管安裝在PVD設(shè)備的三維組裝示意圖；圖3是旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖4是旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件的三維組裝示意圖；圖5是變偏心距組件的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖6是變偏心距組件的三維組裝示意圖；圖7 (a)是磁電管組件的結(jié)構(gòu)俯視剖面圖；圖7 (b)是圖7 (a)中的A-A面剖視圖；圖8是磁電管組件的三維組裝示意圖；附圖標(biāo)記1-支撐架；2-濺射靶；3-密封環(huán)；4-濺射腔體；5-屏蔽罩；6_晶片卡夾；7_晶片； 8-晶片支座；9-工作氣源；10-射頻源；11-真空泵；12-旋轉(zhuǎn)件螺釘組；13-平移件螺釘組； 14-磁電管螺釘組；100-旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件；101-編碼器；102-直流伺服電機；103-電機軸套； 104-波發(fā)生器；105-鋼輪；106-減速器外殼；107-軸承；108-軸承端蓋；109-柔輪；110-柔 輪定位銷；111-中間內(nèi)套；112-頂絲；113-電機螺釘組；114-鋼輪螺釘組；115-軸承端 蓋螺釘組；116-定位銷螺釘組；200-變偏心距組件；201-旋轉(zhuǎn)臂；202-導(dǎo)軌；203-滑塊； 204-外部驅(qū)動螺母；205-直線步進(jìn)電機；206-磁電管基座；207-導(dǎo)軌螺釘組；208-外部驅(qū) 動螺母螺釘組；209-直線步進(jìn)電機螺釘組；210-滑塊螺釘組；300-磁電管組件；301-磁性 軛；302-外磁極；303-內(nèi)磁極；304-外磁極螺釘組；305-內(nèi)磁極螺釘組。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種變偏心距式磁電管，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作 詳細(xì)的說明。如圖1至圖6所示，本發(fā)明設(shè)計的變偏心距磁電管由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件100、變偏心距 組件200和磁電管組件300組成。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件100通過減速器外殼106，由旋轉(zhuǎn)件螺釘 組12固定在支撐架1上，將變偏心距磁電管安裝在濺射靶3正上方，并使旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件100中的直流伺服電機102的旋轉(zhuǎn)軸通過濺射靶2的軸心；變偏心距組件200中的旋轉(zhuǎn)臂201 經(jīng)平移件螺釘組13固定在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件100中的中間內(nèi)套111上，將變偏心距組件200與 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件100聯(lián)接在一起；磁電管組件300中的磁性軛301經(jīng)磁電管螺釘組14固定在 變偏心距組件200中的磁電管基座206上，將磁電管組件300與變偏心距組件200聯(lián)接在 一起；濺射靶2固定在PVD上蓋上支撐架1的底部；濺射靶2經(jīng)密封圈3安裝在濺射腔體4 上；晶片7位于濺射靶3的正下方，濺射時在晶片7和濺射靶2之間形成等離子體；晶片7 安裝在晶片支座8上，晶片支座8安裝在濺射腔體4的底部，并在晶片支座8的下端連接射 頻源10 ；在晶片7的上邊緣有一個環(huán)狀的晶片卡夾6，用來固定晶片7 ；在濺射腔體4內(nèi)側(cè) 有屏蔽罩5，用來保護濺射腔體4，使濺射過程中濺射靶2的原子不能沉積在濺射腔體4的 內(nèi)表面；真空泵11連接在濺射腔體4的底部，在進(jìn)行濺射之前由真空泵11將濺射腔體4、 濺射靶2和密封環(huán)3構(gòu)成的密閉腔室抽成IO-8Torr或更低壓力；工作氣源9連接在濺射腔 體4的底部，在進(jìn)行濺射時工作氣源9提供氬氣等惰性氣體作為工作氣體，在濺射過程中， 工作氣體放電成為等離子體，帶有正電的氬離子轟擊濺射靶2的下表面，將濺射靶2的原子 沉積到晶片7的上表面；在濺射過程中，將濺射腔體4和屏蔽罩5接地，作為等離子體放電 的陽極，將濺射靶2接-600伏直流偏置電壓，作為等離子體放電的陰極。參考圖3和圖4是旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件100的結(jié)構(gòu)剖面圖和三維組裝示意圖。在直流伺 服電機102軸的上輸出端安裝一個編碼器101，直流伺服電機102為變偏心距磁電管提供 旋轉(zhuǎn)運動的動力，編碼器101用于旋轉(zhuǎn)運動的反饋控制；在直流伺服電機102軸的下輸出端 經(jīng)電機軸套103與波發(fā)生器104的內(nèi)孔配合，由頂絲112固定，直流伺服電機102帶動波發(fā) 生器104轉(zhuǎn)動；直流伺服電機102外殼經(jīng)電機螺釘組113固定在減速器外殼106上，作為變 偏心距磁電管機架；柔輪109的內(nèi)孔與波發(fā)生器104配合，柔輪109的外齒與鋼輪105內(nèi)齒 嚙合；鋼輪105經(jīng)鋼輪螺釘組114固定在減速器外殼106上，柔輪109經(jīng)柔輪定位銷110定 位且經(jīng)定位銷螺釘組116固定在中間內(nèi)套111上，軸承端蓋108與減速器外殼106之間由 軸承端蓋螺釘組115固定；中間內(nèi)套111經(jīng)軸承107和軸承端蓋108與減速器外殼106構(gòu) 成轉(zhuǎn)動副。實際上，減速器外殼106、波發(fā)生器104、鋼輪105、柔輪109、軸承107、中間內(nèi)套 111、柔輪定位銷110和軸承端蓋108構(gòu)成一個典型的諧波減速器，其中波發(fā)生器104是輸 入，柔輪109是輸出。參考圖5和圖6是變偏心距組件200的結(jié)構(gòu)剖面圖和三維組裝示意圖。直線步進(jìn) 電機205的外殼經(jīng)直線步進(jìn)電機螺釘組209固定在旋轉(zhuǎn)臂201的側(cè)面，兩條導(dǎo)軌202經(jīng)導(dǎo) 軌螺釘組207固定在旋轉(zhuǎn)臂201的底面；外部驅(qū)動螺母204經(jīng)外部驅(qū)動螺母螺釘組208固 定在磁電管基座206的側(cè)面，直線步進(jìn)電機202的輸出軸旋轉(zhuǎn)推動外部驅(qū)動螺母204做直 線運動，推或者拉磁電管基座206沿著導(dǎo)軌202做直線往復(fù)運動；磁電管基座206上經(jīng)滑塊 螺釘組210固定在四個滑塊203上，滑塊203在兩條導(dǎo)軌202上滑動。實際上，旋轉(zhuǎn)臂201、 直線步進(jìn)電機205、外部驅(qū)動螺母204、滑塊203、導(dǎo)軌202和磁電管基座206構(gòu)成一個直線 運動平臺，其中，旋轉(zhuǎn)臂201是機架，直線步進(jìn)電機205是動力源，磁電管基座206是輸出。參考圖7和圖8是磁電管組件300的結(jié)構(gòu)剖面圖和三維組裝示意圖。磁電管組件 300是一個馬蹄形的磁鐵，其外磁極302和內(nèi)磁極303都是馬蹄形的環(huán)狀磁鐵，外磁極302 和內(nèi)磁極303分別經(jīng)外磁極螺釘組304和內(nèi)磁極螺釘組305固定在磁性軛301。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種變偏心距式磁電管，采用一個旋轉(zhuǎn)電機和一個直線電機分別控制磁電管的旋轉(zhuǎn) 和平移，包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件(100)、變偏心距組件(200)和磁電管組件(300)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件(100)安裝在PVD設(shè)備的上蓋上，起到支撐變偏心距組件和磁電管 組件且使磁電管組件繞濺射靶軸心轉(zhuǎn)動的作用；所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件(100)的結(jié)構(gòu)為鋼輪(105)的內(nèi)齒與柔輪(109)的外齒嚙合，柔 輪(109)內(nèi)裝有波發(fā)生器(104)；其中鋼輪(105)固定在減速器外殼(106)上，柔輪(109) 通過柔輪定位銷(110)固定在中間內(nèi)套(111)上；減速器外殼(106)經(jīng)兩個軸承與中間內(nèi) 套(111)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，即減速器外殼、波發(fā)生器、鋼輪、柔輪、軸承、中間內(nèi)套、柔輪定位銷和 軸承端蓋構(gòu)成諧波減速器；直流伺服電機(10 輸出軸的下端與所述諧波減速器的波發(fā)生 器(104)的內(nèi)孔利用頂絲固定，作為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的輸入；中間內(nèi)套(111)是所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件(100)的運動輸出端；在直流伺服電機(10 輸出軸的上端安裝有檢測電機位置的編碼器(101)，用于對直流伺服電機進(jìn)行反饋控制；所述變偏心距組件(200)安裝在所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件(100)旋轉(zhuǎn)運動的輸出端，起到支 撐磁電管和調(diào)節(jié)磁電管與旋轉(zhuǎn)中心距離的作用；所述變偏心距組件O00)的結(jié)構(gòu)為直線步進(jìn)電機(205)通過外部驅(qū)動螺母(204)推 動磁電管基座(206)在導(dǎo)軌(20 上滑動，所述磁電管基座(206)通過滑塊(20 懸掛在 導(dǎo)軌(20 上，導(dǎo)軌(20 固定在旋轉(zhuǎn)臂(201)上，即直線步進(jìn)電機、外部驅(qū)動螺母、磁電管 基座、滑塊、導(dǎo)軌和螺釘構(gòu)成一個直線運動平臺，通過直線步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)加大或者縮短 磁電管組件與旋轉(zhuǎn)中心的距離；所述磁電管組件(300)安裝在所述變偏心距組件(200)上，在濺射靶表面形成磁場，以 提高濺射靶材利用率和被濺射材料表面沉積薄膜的質(zhì)量；所述磁電管組件(300)的結(jié)構(gòu)為內(nèi)磁極(30 和外磁極(302)固定在磁性軛(301) 上，磁性軛(301)固定在變偏心距組件(200)的磁電管基座(206)上，使磁電管組件隨旋轉(zhuǎn) 驅(qū)動組件繞濺射靶軸心進(jìn)行轉(zhuǎn)動的同時，又能隨變偏心距組件進(jìn)行往復(fù)直線移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變偏心距式磁電管，其特征在于，所述內(nèi)磁極(30 和外 磁極(30 為形狀相似的馬蹄形的環(huán)狀磁鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變偏心距式磁電管，其特征在于，所述磁電管組件(300) 向內(nèi)移動時，內(nèi)磁極和外磁極徑向第一個中心點超過濺射靶中心，且當(dāng)磁電管組件(300) 向外移動時，內(nèi)外磁極徑向第二個中心點達(dá)到濺射靶邊緣，就能實現(xiàn)磁場對濺射靶表面的 全覆蓋。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁電管運動軌跡控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于提高濺射靶表面磁場分布均勻性，繼而提高濺射靶的利用率的變偏心距式磁電管。本發(fā)明包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動組件、變偏心距組件和磁電管組件三部分，采用一個旋轉(zhuǎn)電機和一個直線電機，旋轉(zhuǎn)電機控制磁電管繞濺射靶軸心轉(zhuǎn)動，直線電機負(fù)責(zé)調(diào)整磁電管與旋轉(zhuǎn)中心的距離，使得濺射靶表面磁場有較高覆蓋率和較高均勻性的同時，又有較高的刻蝕效率。
文檔編號H01J37/32GK102064076SQ201010534149
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月2日
發(fā)明者季林紅, 王人成, 程嘉, 胡偉, 閻紹澤 申請人:清華大學(xué)