CN101451231A - 磁控溅镀阴极机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控溅镀阴极机构，包括背板、靶材、至少一导磁零件及至少一磁石。背板具有相对的第一面及第二面，第一面具有至少一定位凹槽，且靶材具有相对的轰击面及非轰击面，非轰击面贴靠于背板的第一面，且非轰击面具有至少一结合凹槽，而导磁零件设置于背板及靶材之间，并具有结合部及定位部，结合部位于靶材的结合凹槽内，且定位部容置于背板的定位凹槽，磁石设于背板的第二面，且导磁零件对应吸附于磁石，以供靶材固定于背板。本发明可以避免发生传统的磁控溅镀阴极机构采用背板粘接或夹具夹持机构时所出现的种种问题。同时，在靶材与背板之间的导磁零件已经将磁场提高接近靶材的轰击面。所以，可以改善磁场的分布及强度。

Description

磁控溅镀阴极机构

技术领域

本发明涉及一种溅镀装置，且特别是涉及一种利用导磁零件结合靶材及背板且提高磁场接近于靶材的轰击面的磁控溅镀阴极机构。

背景技术

在机械工业、电子工业或半导体工业领域，为了对所使用的材料赋与某种特性在材料表面上以各种方法形成被膜(一层薄膜)而加以使用。溅镀法是目前最流行的方法之一，可应用于装饰品、餐具、刀具、工具、模具、半导体元件等的表面处理，泛指在各种金属材料、超硬合金、陶瓷材料及晶片基板的表面上，成长一层同质或异质材料薄膜的工艺，以期获得美观、耐磨、耐热、耐蚀等特性。

磁控溅镀设备(Magnetron Sputter Apparatus)是一种实现溅镀法薄膜工艺的设备，可适用于电机、机械、电子、光学、材料等研究领域，磁控溅镀设备其基本原理乃根据离子溅射原理，当由电场加速的正离子冲击到靶材表面，靶材轰击面的原子和分子在与这些高能正离子交换动能后，就从靶材轰击面飞出来，此现象称的为“溅射”。

磁控溅镀设备利用电场使两电极间产生电子，这些加速电子会与镀膜室中已预先充入的惰性气体(如氩气)碰撞，使其带正电，这些带正电的离子会受磁控阴极机构中的阴极吸引而撞击靶材轰击面的原子，这些原子受到正离子的碰撞得到入射离子的动量转移，使靶材轰击面下原子造成压挤而发生移位，此靶材轰击面下多层原子的挤压，会产生垂直靶材轰击面的作用力而把轰击面原子碰撞出去，这些被碰撞出去的原子(沿途尚可将中性氩原子碰撞成带正电)，最后终于沉积在基板(阳极)上形成薄膜。在磁控溅镀设备内加入一组磁铁，借着磁场与电场间电磁效应所产生的电磁力，会影响电子的移动，若磁场方向与电场方向垂直，电子将以螺旋式运动使运动距离加长，所以电子与气体碰撞次数将会变多，使惰性气体碰撞成带正电离子的机率提高，因此增加薄膜沉积效率。

在传统的磁控溅镀阴极机构中，通常以背板黏接(Bonding)机构或夹具(Clamp)夹持机构将靶材固定于背板上。以背板粘接机构而言，即是将靶材透过粘接物质直接粘在背板上，至于夹具夹持机构如何固定靶材于背板上，将附图说明如下。

请参照图1A～1B，其分别绘示传统的磁控溅镀阴极机构的俯视图及横向剖面图。如图1A～1B所示，磁控溅镀阴极机构包括背板11、靶材12、至少一磁石14及至少一夹具15，且夹具15将靶材12夹住于背板11的正面上，使靶材12的轰击面背向背板11，夹具15可利用其本身的孔位用螺丝固定于背板11或阴极上，磁石14设置于背板11的背面，用以提供磁场。

然而，上述传统的磁控溅镀阴极机构所采用的背板粘接机构或夹具夹持机构具有下列缺点：

1.背板粘接机构在更换靶材时，必须将残余靶材的背板从阴极拆下，再安装另一块已黏接好新靶材的背板于阴极上，所以安装工作费时且复杂；

2.背板粘接机构必须经常更换阴极上的背板，因此因为安装瑕疵而造成真空腔体或多或少漏气的机率会提高，且每次更换背板后都必须执行测漏的工作；

3.背板粘接机构必须利用黏接靶材的设备及工艺先将残余靶材从背板上脱离(Debonding)，再将新靶材黏接(Bonding)在空的背板上；

4.背板粘接机构必须准备较多的背板，除了安装于阴极的背板外，还必须准备用以粘接工艺靶材的背板，因此增加设备的成本；

5.在夹具夹持机构中，如果夹具材料与靶材相同(如以陶瓷材料为靶材的工艺)，则常会增加夹具制作的成本及日后清洁保养的困难。

6.在夹具夹持机构中，如果夹具材料为制作成本较低及容易清洁保养的铝或不锈钢金属材料，则夹具被轰击出会污染沉积的薄膜；

7.在夹具夹持机构中，因为顾虑夹具被轰击出会污染沉积的薄膜，阴极及磁场设计时必须使靶材被轰击区域远离夹具，所以靶材的轰击区域变窄，因此会降低镀膜速率同时缩小基板的尺寸；

8.在夹具夹持机构中，因为靶材的轰击区域变窄，所以会降低靶材使用率；

9.在夹具夹持机构中，一般以螺丝将夹具固定于背板或阴极，固定螺丝的松紧不易均匀控制，如果固定螺丝太紧靶材可能会因受热膨胀而破碎；太松则会造成靶材与背板接触不良，因此靶材上的热无法传导至冷却背板；以及

10.在背板粘接机构或夹具夹持机构中，磁石位在背板下方，所以靶材上方的磁场分布不佳且磁场较弱，不易控制电子有效地撞击惰性气体。

发明内容

本发明涉及一种磁控溅镀阴极机构，其将靶材加工，使配合的导磁零件的一端固定于靶材。在背板相对磁控阴极上的磁石区域加工凹槽，使导磁零件的另一端可插入背板上的凹槽而被磁石所吸附，因而使靶材安装于背板上，因此，本发明的磁控溅镀阴极机构的靶材安装比背板黏接(Bonding)机构容易，成本较低，且不需使用夹具(Clamp)夹持机构的设计，不需考虑夹具被正离子轰击的可能，所以，可设计增加靶材的轰击面积，以提高镀膜速率及增加靶材使用率，另外，在靶材与背板之间的导磁零件已经将磁场提高接近靶材的轰击面，所以可改善磁场的分布及强度。

根据本发明，提出一种磁控溅镀阴极机构，包括背板、靶材、至少一导磁零件及至少一磁石。背板具有相对的第一面及第二面，第一面具有至少一定位凹槽，且靶材具有相对的轰击面及非轰击面，非轰击面具有至少一结合凹槽，导磁零件设置于背板及靶材之间，并具有结合部及定位部，而结合部容置于靶材的结合凹槽内，且定位部容置于背板的定位凹槽内，磁石设置于背板的第二面，且导磁零件对应吸附于磁石，以供靶材的非轰击面固定于背板的第一面。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。

附图说明

图1A～1B分别绘示传统的磁控溅镀阴极机构的俯视图及横向剖面图。

图2A～2B分别绘示依照本发明的第一实施例的磁控溅镀阴极机构的俯视图及横向剖面图。

图2C绘示图2A的背板的仰视图。

图2D绘示第2B图的靶材的剖面图。

图3A绘示第二种导磁零件与靶材的结合示意图。

图3B绘示第三种导磁零件与靶材的结合示意图。

图4A～4B分别绘示依照本发明的第二实施例的磁控溅镀阴极机构的俯视图及横向剖面图。

图4C绘示图4B的分解图。

附图标记说明

10、20、30：磁控溅镀阴极机构

11、21：背板

12、22、32、122、222：靶材

12c、22c、32c：轰击区域

14、24：磁石

15：夹具

21a：第一面

21b：第二面

22a、32a：轰击面

22b、32b：非轰击面

23、33、123、223：导磁零件

23a、33d、123a、223a：结合部

23b、33a：定位部

25：定位凹槽

26、126、226：结合凹槽

26a：宽凹槽

26b：窄凹槽

33b：贯孔

33c：螺栓

36：螺孔

具体实施方式

第一实施例

请同时参照图2A～2B，其分别绘示依照本发明的第一实施例的磁控溅镀阴极机构的俯视图及横向剖面图。如图2A～2B所示，磁控溅镀阴极机构20可设置于磁控溅镀设备中，并包括背板21、靶材22、至少一导磁零件23及至少一磁石24，背板21具有相对的第一面21a及第二面21b，第一面21a具有至少一定位凹槽25，且靶材22异于背板21的一面形成为轰击面22a，另一面形成为非轰击面22b，非轰击面22b具有至少一结合凹槽26，且靶材22为可被磁控溅镀的任何靶材。

如图2B所示，导磁零件23设置于背板21及靶材22之间，并具有结合部23a及定位部23b，请参照图2C，其绘示图2A的背板的仰视图，如图2C所示，背板21的定位凹槽25设成一条环绕第一面21a边缘的封闭环形凹槽，以及中央区域的长条形凹槽，且相对背板21的第二面21b设有一条环绕第二面21b边缘的封闭环形的磁石，及于第二面21b的中央区域呈长条形的磁石，且导磁零件23的结合部23a及定位部23b分别插入于靶材22的结合凹槽26及背板21的定位凹槽25，以供靶材22定位于背板21，且磁石24以磁力吸附导磁零件23，使靶材22通过导磁零件23稳定地与背板21结合。

请同时参阅图2C及图2D，其中图2D为绘示第2B图的靶材的剖面图。靶材22为对应背板21的封闭环形定位凹槽25，及中央的长条形定位凹槽25，而在靶材22的结合凹槽26形成封闭环状结构以及中央处为长条形结构，且结合凹槽26断面形成T形状，而在宽部形成宽凹槽26a，在垂直位置形成窄凹槽26b。

另外，导磁零件23为可为铁、钴、镍或其合金等导磁材料或为磁石，且导磁零件23如图面所示为T字形结构，以供导磁零件23一段形成较宽的结合部23a，另一段形成为较窄的定位部23b，以供结合部23a套设于靶材22的宽凹槽26a，且定位部23b则插合于背板21的窄凹槽25b内，并与磁石24所吸附，而将背板21与靶材22相互结合固定。

如图2B所示，由于本实施例的导磁零件23设置于背板21及靶材22之间，将不会占用靶材22的轰击面22a，因此如图2A所示，靶材22的轰击区域22c的范围远大于如图1A的传统靶材12的轰击区域12c，因此，可以提高磁控溅镀设备的镀膜速率，且同时增加磁控溅镀设备中位于阳极上的待镀基板的尺寸。

但本发明的技术不限于此，定位凹槽亦可以设计为多个独立的凹槽，例如三个，即分别由位于背板的第一面的左右两侧以及中央区域，且靶材上的结合凹槽亦可对应设计为三个独立凹槽，分别位于靶材的非轰击面的左右两侧以及中央位置，且与背板的定位凹槽的位置对应。

至于导磁零件的结合部的纵向截面设计，除了T形之外，亦可设呈Y形，或其他形状，请参照图3A，其绘示第二种导磁零件与靶材的结合示意图，导磁零件123的结合部123a设计为圆形，而靶材的122的结合凹槽126亦对应设计为圆形，使结合部123a可以与结合凹槽126发生结构干涉。

请参照图3B，其绘示第三种导磁零件与靶材的结合示意图，导磁零件223的结合部223a设计为鸠尾形，而靶材的222的结合凹槽226亦对应设计为鸠尾形，使结合部223a可以与结合凹槽226发生结构干涉，但本发明的技术不限于此，导磁零件的结合部也可以设计为半圆形、蛋形、椭圆形、扇形、正多边形、非正多边形、任意规则或不规则形状，且靶材22的结合凹槽的形状亦对应于导磁零件的结合部的形状设计。

如图2B所示，位于背板21的第二面21b的周缘区域上的磁石24，其N极可面向导磁零件23，而其S极背向导磁零件23，且位于背板21的第二面21b的中央区域的磁石24中，其S极相对面向导磁零件23，而其N极背向导磁零件23，因此，根据上述磁石24的位置排列及极性配置的搭配设计，磁石24之间将提供磁场以增加溅镀的效率。

在基于靶材22能够透过导磁零件23结合于背板21上的前提下，本实施例的磁控溅镀阴极机构20亦可省略位于中间位置的导磁零件23，且相对背板21的中央区域的定位凹槽25及靶材22中央区域的结合凹槽26亦可省略。

第二实施例

请同时参照图4A～4C，其分别绘示依照本发明的第二实施例的磁控溅镀阴极机构的俯视图及横向剖面图，以及图4B的分解图。本实施例的磁控溅镀阴极机构30与实施例一的磁控溅镀阴极机构20(如图2B所示)不同之处在于靶材32及导磁零件33的接合方式，至于其余相同的构成要件则继续沿用标号，并不再赘述其彼此之间连接关系。

如图4B～4C所示，靶材32具有相对的轰击面32a及非轰击面32b，非轰击面32b的结合凹槽例如具有螺孔36，靶材32为可被磁控溅镀的任何靶材，且导磁零件33设置于背板21及靶材32之间，并导磁零件33包含有具磁性的定位部33a及螺栓33c，定位部33a贯穿设有贯孔33b，且贯孔33b可供螺栓33c穿过，以供螺栓33c穿过定位部33a的一端形成为结合部33d，且配合结合部33d锁合于靶材32的螺孔36，而将定位部33a容置于定位凹槽25，而使导磁零件33的定位部33a与背板21第二面21b的磁石24相互吸附，以将靶材32定位于背板21的第一面21a。

根据上述实施例所述的内容，本发明的磁控溅镀阴极机构确实可以解决传统的磁控溅镀阴极机构所面临的种种问题，其优点分别说明如下：

1.由于本发明的磁控溅镀阴极机构在更换靶材时不须更换背板，所以安装工作上更加省时且简单；

2.由于本发明的磁控溅镀阴极机构在更换靶材时不须连同更换背板，不会因为安装瑕疵而造成磁控溅镀设备的真空腔体的漏气，也不必执行磁控溅镀设备的测漏工作；

3.由于本发明的磁控溅镀阴极机构，所以不须有靶材的背板脱离(Debonding)及背板黏合(Bonding)工艺；

4.由于本发明的磁控溅镀阴极机构不须有靶材的背板脱离及背板黏合，所以本发明的磁控溅镀阴极机构不须准备在背板黏合工艺的背板，故可节省设备的成本；

5.本发明的磁控溅镀阴极机构不须制作夹持靶材于背板上的夹具，可减去夹具制作及维护的成本；

6.本发明的磁控溅镀阴极机构不须使用夹具，可避免夹具被轰击出而污染沉积的薄膜；

7.本发明的磁控溅镀阴极机构不须使用夹具，不需考虑夹具被轰击出而污染沉积的薄膜，所以阴极及磁场设计时可使靶材的轰击区域变宽，因此可提高镀膜速率，且同时增加待镀基板的尺寸；

8.本发明的磁控溅镀阴极机构可使靶材的轰击区域变宽，所以可提高靶材使用率；

9.本发明的磁控溅镀阴极机构不须使用螺丝将夹具结合于背板或阴极，所以不会有结合螺丝松紧不一的情形，一方面不会因为螺丝锁太紧而使靶材受热膨胀而破碎，另一方面也不会太松而使靶材与背板接触不良，造成靶材上的热无法传导至背板而冷却；以及

10.本发明的磁控溅镀阴极机构的磁石虽然也位在背板的下方，但在靶材与背板之间的导磁零件已经将磁场提高接近靶材的轰击面，所以，可以改善靶材的轰击面上方的磁场分布，并且提高磁场的强度，以控制电子有效地撞击惰性气体。

本发明上述实施例所披露的磁控溅镀阴极机构，其透过导磁零件将靶材结合于背板上的设计，再利用磁力吸附的原理，将靶材吸附于背板上而完成靶材安装，可以避免发生传统的磁控溅镀阴极机构采用背板粘接(Bonding)或夹具(Clamp)夹持机构时所出现的种种问题。同时，在靶材与背板之间的导磁零件已经将磁场提高接近靶材的轰击面。所以，可以改善磁场的分布及强度。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种磁控溅镀阴极机构，包括：

背板，具有相对的第一面及第二面，该第一面具有至少一定位凹槽；

靶材，具有相对的轰击面及非轰击面，该非轰击面贴靠于该背板的第一面，且该非轰击面具有至少一结合凹槽；

至少一导磁零件，设置于该背板及该靶材之间，并具有结合部及定位部，该结合部定位于该靶材的结合凹槽内，且该定位部容置于该背板的该定位凹槽内；以及

至少一磁石，设于该背板的第二面，且该导磁零件对应吸附于该磁石，以供该靶材固定于该背板。

2.如权利要求1所述的磁控溅镀阴极机构，其中该导磁零件为铁、钴、镍或其合金。

3.如权利要求1所述的磁控溅镀阴极机构，其中该导磁零件为另一磁石。

4.如权利要求1所述的磁控溅镀阴极机构，其中该靶材的结合凹槽形成为宽凹槽及窄凹槽，该宽凹槽的横向截面大于该窄凹槽的横向截面，且该导磁零件的结合部及定位部对应该靶材的结合凹槽，以供该结合部的横向截面大于该定位部横向截面。

5.如权利要求4所述的磁控溅镀阴极机构，其中该导磁零件为T字形结构、Y字形结构或鸠尾形结构。

6.如权利要求1所述的磁控溅镀阴极机构，其中该导磁零件的结合部纵向截面为圆形、半圆形、蛋形、椭圆形、扇形、正多边形、非正多边形、任意规则或不规则形状，且该靶材的结合凹槽对应该结合部的形状设置，以供该导磁零件的结合部定位于该靶材的结合凹槽内。

7.如权利要求1所述的磁控溅镀阴极机构，其中该导磁零件为一体成型的结构。

8.如权利要求1所述的磁控溅镀阴极机构，其中该导磁零件包含有具磁性的定位部及螺栓，该定位部贯穿设有贯孔，且该贯孔供该螺栓穿过，以供该螺栓穿过该定位部的一端形成为结合部，且配合该结合部锁合于该靶材的螺孔，而该定位部容置于该背板的定位凹槽内，且该导磁零件的定位部与该背板第二面的磁石相互吸附，以将该靶材定位于该背板。

9.如权利要求1所述的磁控溅镀阴极机构，其中该背板的定位凹槽至少设于环绕该第一面边缘的封闭环形，且该磁石及该靶材的结合凹槽相对该定位凹槽设呈封闭环形。

10.如权利要求1或7所述的磁控溅镀阴极机构，其中该背板的定位凹槽至少设于中央区域，且呈长条形，而该磁石及该靶材的结合凹槽相对该定位凹槽设呈长条形。

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