一种半导体磁控溅射装置及溅射方法

技术领域

本发明涉及半导体生产设备技术领域，具体涉及一种半导体磁控溅射装置及溅射方法。

背景技术

物理气相沉积，一般使用氩等钝气，藉由在高真空中将氩离子加速以撞击溅击靶材(Al、Cu、Ta、Ni、Cr、Ti等)后，可将靶材原子一个个溅击出来，并使被溅击出来的材质沉积在材料表面。而在半导体集成电路加工中，需要采磁控的真空溅射装置，以对晶圆进行磁控溅射镀膜。磁控溅射镀膜是在二极直流溅射的基础上在靶材上方施加磁场，通过磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，增大电子与氩气撞击的概率，提高气体离化率和溅射产率的一种方法。

经发明人研究发现，由于现有用于半导体生产加工的磁控溅射装置，施加磁场的磁体仅是绕垂直于晶圆的轴线回转，导致靶材仅有靠近磁体的部分被溅击(磁场强度在一定阈值内的靶材)，靶材只有被溅击的区域产生侵蚀，这些侵蚀区域的侵蚀深度决定了靶材的使用寿命。当磁场强度较大的位置靶材被溅射耗尽，必须更换新靶材，此时靶材中间区域有很多剩余量被浪费，导致靶材利用率低，仅有10％～40％的靶材被利用，造成材料的浪费和生产成本高企。

发明内容

针对现有用于半导体集成电路生产的磁控溅射装置难只能对靶材的特定位置进行溅击的技术问题；本发明提供了一种半导体磁控溅射装置及溅射方法，在不移动靶材的情况下，通过控制磁体位置的变换控制靶材的溅击区域，能够提高靶材的利用率，从而节约靶材、降低半导体的生产成本。

本发明通过下述技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种半导体磁控溅射装置，包括多个第一磁体和第二磁体，所述第一磁体和所述第二磁体依次间隔交错设置，且所述第一磁体和所述第二磁体的磁极方向相同；所述第一磁体和所述第二磁体均可绕一预设轴线旋转，且所述第一磁体和所述第二磁体均可沿自身磁极方向移动，所述预设轴线与所述第一磁体的磁极方向平行。

现有半导体生产加工的磁控溅射装置，施加磁场的磁体仅是绕垂直于晶圆的轴线回转，导致靶材仅有靠近磁体的部分被溅击(磁场强度在一定阈值内的靶材)，靶材只有被溅击的区域产生侵蚀，这些侵蚀区域的侵蚀深度决定了靶材的使用寿命。而本发明提供的半导体磁控溅射装置，第一磁体和第二磁体一侧间隔交错设置，且第一磁体和第二磁体的磁极方向相同，在此基础上，第一磁体和第二磁体均可绕一预设轴线旋转，且第一磁体和第二磁体均可沿自身磁极方向移动。

在进行溅射时，驱动第一磁体和第二磁体同步旋转，由于第一磁体可沿自身磁极方向移动，可驱动第一磁体靠近靶材，使得第一磁体作用靶材上的磁场强度大于第二磁体作用在靶材上的磁场强度，以通过第一磁体的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，增大电子与氩气撞击的概率，此时，靶材的靶面形成的第一侵蚀凹缺的位置与第一磁体在靶材上投影的位置相对应。

经设定时间后，驱动所述第一磁体向远离靶材的方向移动、驱动所述第二磁体向靶材移动，使得所述第二磁体作用在靶材的磁场强度大于第一磁体作用在靶材的磁场强度，以通过第二磁体的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，增大电子与氩气撞击的概率，此时，靶材的靶面形成的第二侵蚀凹缺的位置与第二磁体在靶材上投影的位置相对应。

由于第一磁体和第二磁体间隔交错设置，能够使得第一侵蚀凹缺和第二侵蚀凹缺交错设置，减小靶材不能利用的面积，从而提高靶材的有效利用率。另外，靶材上的第一侵蚀凹缺和第二侵蚀凹缺交错设置，相应溅射在晶圆上的溅射镀膜也交错覆盖在晶圆上，相对于溅射区域固定的溅射方式，能够使得晶圆厚度更加均匀，从而提高半导体的成品质量。

综上，本发明提供的半导体磁控溅射装置，可在不移动靶材的情况下，通过控制磁体位置的变换控制靶材的溅击区域，能够提高靶材的利用率，从而节约靶材、降低半导体的生产成本，并能提高半导体的成品质量。

在一可选的实施例方式中，还包括旋转驱动组件，所述旋转驱动组件用于驱动所述第一磁体和所述第二磁体绕所述预设轴线旋转，以自动驱动第一磁体和第二磁体同时沿预设轴线移动。

在一可选的实施例方式中，所述旋转驱动组件包括连接盘，所述连接盘用于连接第一磁体和第二磁体，所述连接盘与第一驱动电机传动连接，以便于将第一磁体和第二磁体与驱动电机传动连接。

在一可选的实施例方式中，所述第一驱动电机为步进电机，以便于控制第一磁体和第二磁体的旋转速度。

在一可选的实施例方式中，还包括第一直线驱动组件，所述第一直线驱动组件用于驱动第一磁体沿自身磁极方向移动，以自动驱动第一磁体沿自身磁极方向移动。

在一可选的实施例方式中，所述第一直线驱动组件包括第二驱动电机、驱动齿轮和驱动齿条，所述驱动齿轮与所述第二驱动电机相连；所述第一磁体与驱动齿条相连，且所述驱动齿轮长度方向与所述第一磁体磁极方向平行，以通过所述驱动齿轮驱动所述驱动齿条移动带动所述第一磁体移动。

在一可选的实施例方式中，所述第一直线驱动组件与所述旋转驱动组件的输出端相连，以通过旋转驱动组件驱动第一直线驱动组件与第一磁体同步旋转，避免旋转驱动组件的驱动与第一直线驱动组件的驱动造成干涉。

在一可选的实施例方式中，还包括第二直线驱动组件，所述第二直线驱动组件用于驱动所第二磁体沿自身磁体方向移动，以自动驱动第二磁体沿自身磁体方向移动。

在一可选的实施例方式中，所述第一磁体和所述第二磁体可沿自身磁极方向移动的距离均为0.1mm～10cm，不仅能够自由切换磁体作用在靶材上磁场的位置，也不会对靶材的更换造成干涉。

第二方面，本发明提供了一种半导体磁控溅射方法，基于上述的半导体磁控溅射装置，包括以下步骤：

S1、将靶材、晶圆放置在离子源室内；

S2、驱动第一磁体和第二磁体绕预设轴线转动，并驱动第一磁体向靶材移动，使得所述第一磁体作用在靶材的磁场强度大于第二磁体作用在靶材的磁场强度；

S3、经设定时间间隔后，驱动所述第一磁体向远离靶材的方向移动、驱动所述第二磁体向靶材移动，使得所述第二磁体作用在靶材的磁场强度大于第一磁体作用在靶材的磁场强度。

本发明提供的半导体磁控溅射方法，基于前述的半导体磁控溅射装置，先通过第一磁体的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，此时，靶材的靶面形成的第一侵蚀凹缺的位置与第一磁体在靶材上投影的位置相对应，经设定时间后，驱动所述第一磁体向远离靶材的方向移动、驱动所述第二磁体向靶材移动，以通过第二磁体的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，靶材的靶面形成的第二侵蚀凹缺的位置与第二磁体在靶材上投影的位置相对应，而第一磁体和第二磁体间隔交错设置，能够使得第一侵蚀凹缺和第二侵蚀凹缺交错设置，减小靶材不能利用的面积，从而提高靶材的有效利用率。

并且，靶材上的第一侵蚀凹缺和第二侵蚀凹缺交错设置，相应溅射在晶圆上的溅射镀膜也交错覆盖在晶圆上，相对于溅射区域固定的溅射方式，能够使得晶圆厚度更加均匀，从而提高半导体的成品质量。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提供的半导体磁控溅射装置，第一磁体和第二磁体一侧间隔交错设置，且第一磁体和第二磁体的磁极方向相同，在此基础上，第一磁体和第二磁体均可绕一预设轴线旋转，且第一磁体和第二磁体均可沿自身磁极方向移动，在进行溅射时，可使得第一磁体作用靶材上的磁场强度大于第二磁体作用在靶材上的磁场强度，以通过第一磁体的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，增大电子与氩气撞击的概率，在靶材的靶面形成的第一侵蚀凹缺的位置与第一磁体在靶材上投影的位置相对应，经设定时间后，驱动所述第一磁体向远离靶材的方向移动、驱动所述第二磁体向靶材移动，使得所述第二磁体作用在靶材的磁场强度大于第一磁体作用在靶材的磁场强度，以通过第二磁体的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，在靶材的靶面形成的第二侵蚀凹缺的位置与第二磁体在靶材上投影的位置相对应，能够使得第一侵蚀凹缺和第二侵蚀凹缺交错设置，减小靶材不能利用的面积，从而提高靶材的有效利用率，达到节约靶材、降低半导体的生产成本的效果。

2、本发明提供的半导体磁控溅射装置，使得靶材上的第一侵蚀凹缺和第二侵蚀凹缺交错设置，相应溅射在晶圆上的溅射镀膜也交错覆盖在晶圆上，相对于溅射区域固定的溅射方式，能够使得晶圆厚度更加均匀，从而提高半导体的成品质量。

3、本发明提供的半导体磁控溅射方法，基于前述的半导体磁控溅射装置，先通过第一磁体的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，此时，靶材的靶面形成的第一侵蚀凹缺的位置与第一磁体在靶材上投影的位置相对应，经设定时间后，驱动所述第一磁体向远离靶材的方向移动、驱动所述第二磁体向靶材移动，以通过第二磁体的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，靶材的靶面形成的第二侵蚀凹缺的位置与第二磁体在靶材上投影的位置相对应，而第一磁体和第二磁体间隔交错设置，能够使得第一侵蚀凹缺和第二侵蚀凹缺交错设置，减小靶材不能利用的面积，从而提高靶材的有效利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

在附图中：

图1为本发明实施例半导体磁控溅射装置的结构示意图；

图2为本发明实施例半导体磁控溅射装置工作状态结构示意图；

图3为本发明实施例第一直线驱动组件的的结构示意图；

图4为本发明实施例半导体磁控溅射方法的流程示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

10-第一磁体，20-第二磁体，30-旋转驱动组件，31-第一驱动电机，32-连接转盘，40-第一直线驱动组件，41-第二驱动电机，42-驱动齿轮，43-驱动齿条，44-连接杆，50-第二直线驱动组件，60-靶材，61-第一侵蚀凹缺，62-第二侵蚀凹缺，70-离子室。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请实施例的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖向”、“纵向”、“侧向”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“开有”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现有半导体生产加工的磁控溅射装置，施加磁场的磁体仅是绕垂直于晶圆的轴线回转，导致靶材仅有靠近磁体的部分被溅击(磁场强度在一定阈值内的靶材)，靶材只有被溅击的区域产生侵蚀，造成材料的浪费。有鉴于此，本申请提供了一种半导体磁控溅射装置及溅射方法，具体如下：

实施例1

结合图1，本实施例提供了一种半导体磁控溅射装置，包括多个第一磁体10和第二磁体20，所述第一磁体10和所述第二磁体20依次间隔交错设置，且所述第一磁体10和所述第二磁体20的磁极方向相同；所述第一磁体10和所述第二磁体20均可绕一预设轴线旋转，且所述第一磁体10和所述第二磁体20均可沿自身磁极方向移动，所述预设轴线与所述第一磁体10的磁极方向平行。

具体来说，第一磁体10和第二磁体20沿靶材60的长度方向依次间隔设置，即沿靶材60长度方向，两相邻的第一磁体10间设有第二磁体20、两相邻的第二磁体20间设有第一磁体10，且第一磁体10和第二磁体20的磁极方向均垂直于靶材60。

对于驱动第一磁体10和第二磁体20沿预设轴向旋转的实现方式，可通过将所有的第一磁体10连接在一起，然后与旋转驱动器(电机、气压马达等)的输出轴传动连接的方式，由旋转驱动器带动第一磁体10沿旋转驱动器输出轴轴线旋转的方式，而第二磁体20的驱动方式与第一磁体10相同。

对于驱动第一磁体10和第二磁体20沿自身磁极方向移动的实现方式，可通过常用的自线驱动方式驱动，如电磁铁、电推杆、电机带动的齿轮齿条机构、电机带动的丝杆滑块机构等。在设置时，应当避免第一磁体10、第二磁体20沿自身磁极方向的移动与绕预设轴向旋转运动间产生干涉，如将驱动第一磁体10沿自身磁极方向移动的驱动机构与驱动第一磁体10旋转的旋转驱动组件30的输出端相连，以通过旋转驱动组件30带动直线驱动组件与第一磁体10同步旋转。

结合图2，应当理解的是，第一磁体10和第二磁体20设置在离子源时内，且位于靶材60的正上方，使得第一磁体10的磁极方向垂直于靶材60的靶面。

在进行溅射时，驱动第一磁体10和第二磁体20同步旋转，由于第一磁体10可沿自身磁极方向移动，可驱动第一磁体10靠近靶材60，使得第一磁体10作用靶材60上的磁场强度大于第二磁体20作用在靶材60上的磁场强度，以通过第一磁体10的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，增大电子与氩气撞击的概率，此时，靶材60的靶面形成的第一侵蚀凹缺61的位置与第一磁体10在靶材60上投影的位置相对应。

经设定时间后，驱动所述第一磁体10向远离靶材60的方向移动、驱动所述第二磁体20向靶材60移动，使得所述第二磁体20作用在靶材60的磁场强度大于第一磁体10作用在靶材60的磁场强度，以通过第二磁体20的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，增大电子与氩气撞击的概率，此时，靶材60的靶面形成的第二侵蚀凹缺62的位置与第二磁体20在靶材60上投影的位置相对应。

由于第一磁体10和第二磁体20间隔交错设置，能够使得第一侵蚀凹缺61和第二侵蚀凹缺62交错设置，减小靶材60不能利用的面积，从而提高靶材60的有效利用率。另外，靶材60上的第一侵蚀凹缺61和第二侵蚀凹缺62交错设置，相应溅射在晶圆上的溅射镀膜也交错覆盖在晶圆上，相对于溅射区域固定的溅射方式，能够使得晶圆厚度更加均匀，从而提高半导体的成品质量。

综上，本发明提供的半导体磁控溅射装置，可在不移动靶材60的情况下，通过控制磁体位置的变换控制靶材60的溅击区域，能够提高靶材60的利用率，从而节约靶材60、降低半导体的生产成本，并能提高半导体的成品质量。

实施例2

结合图1，本实施例提供了一种半导体磁控溅射装置，基于实施例1所记载的结构和原理，还包括旋转驱动组件30，所述旋转驱动组件30用于驱动所述第一磁体10和所述第二磁体20绕所述预设轴线旋转，以自动驱动第一磁体10和第二磁体20同时沿预设轴线移动。

具体来说，所述旋转驱动组件30包括连接盘，所述连接盘用于连接第一磁体10和第二磁体20，如通过一个连接杆44将所有的第一磁体10串接后与连接盘相连、通过另一个连接杆44将所有的第二磁体20串接后与连接盘相连，所述连接盘与第一驱动电机31传动连接，以便于将第一磁体10和第二磁体20与驱动电机传动连接。通常，连接盘通过连接轴后，直接或通过减速器与驱动电机相连。

优选的，所述第一驱动电机31为步进电机，可将连接盘直接与驱动电机的输出轴相连，以便于控制第一磁体10和第二磁体20的旋转速度。

可以理解的是，还包括第一直线驱动组件40，所述第一直线驱动组件40用于驱动第一磁体10沿自身磁极方向移动，以自动驱动第一磁体10沿自身磁极方向移动。

结合图3，所述第一直线驱动组件40包括第二驱动电机41、驱动齿轮42和驱动齿条43，所述驱动齿轮42与所述第二驱动电机41相连；所述第一磁体10与驱动齿条43相连，且所述驱动齿轮42长度方向与所述第一磁体10磁极方向平行，以通过所述驱动齿轮42驱动所述驱动齿条43移动带动所述第一磁体10移动。

其中，所述第一直线驱动组件40与所述旋转驱动组件30的输出端相连，以通过旋转驱动组件30驱动第一直线驱动组件40与第一磁体10同步旋转，避免旋转驱动组件30的驱动与第一直线驱动组件40的驱动造成干涉。

相应的，还包括第二直线驱动组件50，所述第二直线驱动组件50用于驱动所第二磁体20沿自身磁体方向移动，以自动驱动第二磁体20沿自身磁体方向移动。应当离家的孩子是，第二直线驱动组件50的结构与第一直线驱动组件40的结构相同。

另外，所述第一磁体10和所述第二磁体20可沿自身磁极方向移动的距离均为0.1mm～10cm，不仅能够自由切换磁体作用在靶材60上磁场的位置，也不会对靶材60的更换造成干涉。

实施例3

结合图4，本实施例提供了一种半导体磁控溅射方法，基于实施例1或2所记载的半导体磁控溅射装置，包括以下步骤：

S1、将靶材60、晶圆放置在离子源室内。

S2、驱动第一磁体10和第二磁体20绕预设轴线转动，并驱动第一磁体10向靶材60移动，使得所述第一磁体10作用在靶材60的磁场强度大于第二磁体20作用在靶材60的磁场强度；此时，靶材60的靶面形成的第一侵蚀凹缺61的位置与第一磁体10在靶材60上投影的位置相对应。

S3、经设定时间间隔后，驱动所述第一磁体10向远离靶材60的方向移动、驱动所述第二磁体20向靶材60移动，使得所述第二磁体20作用在靶材60的磁场强度大于第一磁体10作用在靶材60的磁场强度，以通过第二磁体20的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，靶材60的靶面形成的第二侵蚀凹缺62的位置与第二磁体20在靶材60上投影的位置相对应。

本实施例提供的半导体磁控溅射方法，基于前述的半导体磁控溅射装置，先通过第一磁体10的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，经设定时间后，驱动所述第一磁体10向远离靶材60的方向移动、驱动所述第二磁体20向靶材60移动，以通过第二磁体20的磁场束缚电子围绕靶面做螺线运动，靶材60的靶面形成的第二侵蚀凹缺62的位置与第二磁体20在靶材60上投影的位置相对应，而第一磁体10和第二磁体20间隔交错设置，能够使得第一侵蚀凹缺61和第二侵蚀凹缺62交错设置，减小靶材60不能利用的面积，从而提高靶材60的有效利用率。

并且，靶材60上的第一侵蚀凹缺61和第二侵蚀凹缺62交错设置，相应溅射在晶圆上的溅射镀膜也交错覆盖在晶圆上，相对于溅射区域固定的溅射方式，能够使得晶圆厚度更加均匀，从而提高半导体的成品质量。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。