具有三极以上的磁控管以及PVD磁控溅射设备的制作方法

本发明涉及但不限于半导体基片的工艺，尤其涉及用于半导体基片的薄膜沉积的、具有三极以上的磁控管以及pvd磁控溅射设备。

背景技术：

1、在半导体的制程工艺当中，存在多次薄膜沉积的工艺。这些薄膜沉积工艺当中，包括磁控溅射工艺。磁控溅射技术是物理气相沉积（physical vapor deposition，pvd）技术的一种。磁控溅射技术被用于制备金属、半导体、绝缘体等多种薄膜材料，并且，磁控溅射技术具有设备简单、易于控制、薄膜沉积面积大和附着力强等优点。

2、在以往针对半导体的薄膜沉积的pvd磁控溅射设备中，为了提高平面靶利用率，提高平面靶的全面积刻蚀性以及改善沉积薄膜的均匀性等，磁控管通常是相对于平面靶运动的。例如，磁控管通常是相对于平面靶以旋转或者扫描的方式进行运动的。

3、然而，当磁控管需要溅射如镍等的铁磁材料时，面临着一些问题。具体而言，由于磁控管被磁力强烈吸引到铁磁平面靶的背板，因此难以实现磁控管的例如包括旋转以及扫描在内的机械运动。如果没有磁控管相对于平面靶的运动，作为直流电源的磁控溅射对平面靶暴露于等离子体的表面的全面刻蚀将变得困难，从而可能出现颗粒和其他问题。

4、此外，在小面积的磁控溅射靶（比如平面靶直径小于3英寸，即例如75毫米）的靶枪的设计中，可以通过优化设计的静止磁控管来实现平面靶的全面积刻蚀。但是，随着薄膜沉积的基片的尺寸的增大，例如，在对先进封装中的方形半导体基片或者300mm以上的晶圆进行薄膜沉积时，需要更大面积的平面靶。随着平面靶面积的增加，要达到平面靶的全面积刻蚀通常需要用尺寸比平面靶面积小的单封闭回路磁控管产生相对于平面靶的旋转或者扫描的运动。但是，与静止的磁控管比较，运动的磁控管的设计会复杂很多，制造成本也会增加很多。

5、磁控管一般是设置在pvd平面靶背板（也可能是平面靶和背板合体）的背面。例如，在美国专利 no.7,186,319号中，本发明的第一发明人yang等人公开了一种磁控管，尽管磁控管上的磁极安排可以有多个环道，但最后总是只有一个封闭回路。此外，pvd平面靶的背后也可以设置多个磁控管，以改善和控制平面靶的全面积刻蚀。例如，在美国专利 no.7,767,064号以及美国专利 no.7,686,928号等中，公开了双磁控管设计。在这种情况下，每个磁控管都能产生一个闭环等离子体。在某一特定时刻或者一个特定条件下，只有一个闭合回路的磁控管处于激活状态，能够产生等离子体。换言之，所有闭合回路的磁控管不能同时处于激活状态。在电源功率施加到平面靶的时间内，各个不同闭合回路的磁控管的激活状态来回切换，只有处于激活状态的磁控管才能产生对应的封闭回路等离子体。至于各个不同闭合回路的磁控管的激活状态如何来回切换，完全是由磁控管的位置或者磁控管的特性和工艺条件的变化而决定的。

6、当磁控管的位置处在平面靶的边缘之外较远的位置时，由于磁控管的磁力线与平面靶边缘的暗空间（dark space）旁边的电接地的掩遮板相切，导致电子围绕磁力线旋转而丢失太快，从而无法让等离子体成功起辉。因此，在满足制程工艺要求的同时实现平面靶全面积刻蚀，通常需要使用比较复杂的多个不同闭合回路的磁控管，而且要求磁控管跟平面靶之间有相对运动。

技术实现思路

1、本发明针对上述技术问题之一，提出了一种具有三极以上的磁控管，能够在其相对平面靶没有相对运动的情况下改善平面靶的全面积刻蚀性。此外，本发明还提出了具有这种磁控管的pvd磁控溅射设备。

2、根据本发明第一方面的具有三极以上的磁控管，和用于物理气相沉积的平面靶的背板相对，三个以上的磁极当中，至少包括两个呈环形状且封闭的所述磁极，所述磁极以沿径向形成有间隙的方式在同一平面中依次嵌套。

3、在一些实施方式中，三个以上的所述磁极当中，包括一个实心的第一磁极，所述第一磁极位于所述磁控管的中心。

4、在一些实施方式中，相邻的两个所述磁极的极性相反，其中一个是n极，另外一个是s极；并且，呈环形状且封闭的所述磁极当中，包括：第n磁极以及第n+1磁极，所述第n+1磁极为沿径向与所述第n磁极相邻、且套在所述第n磁极的外周的磁极，其中，n表示磁极从内侧向外侧的序号，n为大于或者等于2的整数；所述第n+1磁极和所述第n磁极之间，形成环形状的所述间隙。

5、在一些实施方式中，和所述第一磁极沿径向相邻、且位于所述第一磁极的径向的外侧的所述磁极和所述第一磁极之间的横截面的面积比为0.8至8.0。

6、在一些实施方式中，和所述第一磁极沿径向相邻、且位于所述第一磁极的径向的外侧的所述磁极和所述第一磁极之间的横截面的面积比为0.8至4.0。

7、在一些实施方式中，所述第n+1磁极和在径向的内侧与其相邻的所述第n磁极之间的横截面的面积比为0.8至3.0。

8、在一些实施方式中，所述第n+1磁极和在径向的内侧与其相邻的所述第n磁极之间的横截面的面积比为1.0至2.0。

9、在一些实施方式中，所述间隙的宽度大于0mm，且为60mm以下。

10、根据本发明第二方面的pvd磁控溅射设备，包括：真空腔体；平面靶，设置在所述真空腔体内并位于所述真空腔体的上方；基片台，设置在所述真空腔体内并位于所述平面靶的下方；上述任一项的具有三极以上的磁控管，设置在所述平面靶的背面，并沿上下方向与所述平面靶的背板相对。

11、在一些实施方式中，所述具有三极以上的磁控管的所述间隙的宽度和所述平面靶的厚度的比为0.2:1至3:1。

12、根据本发明第一方面的具有三极以上的磁控管，能够在磁控管相对平面靶没有相对运动的情况下改善平面靶的全面积刻蚀性。

13、根据本发明第二方面的pvd磁控溅射设备，能够在磁控管相对平面靶没有相对运动的情况下改善平面靶的全面积刻蚀性。

技术特征：

1.具有三极以上的磁控管，和用于物理气相沉积的平面靶的背板相对，其特征在于，三个以上的磁极当中，至少包括两个呈环形状且封闭的所述磁极，所述磁极以沿径向形成有间隙的方式在同一平面中依次嵌套。

2.根据权利要求1所述的具有三极以上的磁控管，其特征在于，三个以上的所述磁极当中，包括一个实心的第一磁极，所述第一磁极位于所述磁控管的中心。

3.根据权利要求2所述的具有三极以上的磁控管，其特征在于，相邻的两个所述磁极的极性相反，其中一个是n极，另外一个是s极；并且，

4.根据权利要求2所述的具有三极以上的磁控管，其特征在于，和所述第一磁极沿径向相邻、且位于所述第一磁极的径向的外侧的所述磁极和所述第一磁极之间的横截面的面积比为0.8至8.0。

5.根据权利要求4所述的具有三极以上的磁控管，其特征在于，和所述第一磁极沿径向相邻、且位于所述第一磁极的径向的外侧的所述磁极和所述第一磁极之间的横截面的面积比为0.8至4.0。

6.根据权利要求3所述的三极以上的磁控管，其特征在于，所述第n+1磁极和在径向的内侧与其相邻的所述第n磁极之间的横截面的面积比为0.8至3.0。

7.根据权利要求6所述的三极以上的磁控管，其特征在于，所述第n+1磁极和在径向的内侧与其相邻的所述第n磁极之间的横截面的面积比为1.0至2.0。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的具有三极以上的磁控管，其特征在于，所述间隙的宽度大于0mm，且为60mm以下。

9.pvd磁控溅射设备，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的pvd磁控溅射设备，其特征在于，所述具有三极以上的磁控管的所述间隙的宽度和所述平面靶的厚度的比为0.2:1至3:1。

技术总结
本发明提出了一种具有三极以上的磁控管，能够在其相对平面靶没有相对运动的情况下改善平面靶的全面积刻蚀性。此外，本发明还提出了具有这种磁控管的PVD磁控溅射设备。本发明的具有三极以上的磁控管，和用于物理气相沉积的平面靶的背板相对，其在三个以上的磁极当中，至少包括两个呈环形状且封闭的所述磁极，所述磁极以沿径向形成有间隙的方式在同一平面中依次嵌套。

技术研发人员：杨洪生,李永杰,任平,盛林,李炳坤,朱新华,张晓军
受保护的技术使用者：深圳市矩阵多元科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10