CN103966567B - 一种平面靶材的磁场结构及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面靶材的磁场结构及其使用方法，其中平面靶材的磁场结构包括：第一级磁铁阵列和第二级磁铁阵列，且第一级磁铁阵列和第二级磁铁阵列相互垂直，第一级磁铁阵列通电，第二级磁铁阵列断电，形成平行于靶材的一级刻蚀跑道；第二级磁铁阵列通电，第一级磁铁阵列断电，形成垂直于一级刻蚀跑道的二级刻蚀跑道。在原有一级磁铁阵列的基础上增加与其相互垂直的磁铁阵列，两级磁铁阵列通过交替地进行左右移动和上下移动，用第二级磁铁阵列对第一级磁铁阵列的刻蚀盲区进行刻蚀，避免一次刻蚀存在死角以及磁场不均匀导致的靶材利用率较低问题的出现，提高刻蚀均匀性以及靶材的利用率，同时还能避免两极磁场相互影响产生的串扰问题。

Description

一种平面靶材的磁场结构及其使用方法

技术领域

本发明涉及磁控溅射技术领域，特别涉及一种平面靶材的磁场结构及其使用方法。

背景技术

磁控溅射技术真空镀膜工艺中最重要的设备之一，磁控溅射是在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场，借助于靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率，增加离子密度和能量，从而实现高速率溅射的过程。磁控溅射技术被广泛使用在工业上的很多领域，目前普遍采用的平面靶材的磁场结构。

现有技术实现磁控溅射主要是用一级的永磁铁形成磁场，如图1所示，永磁铁01可以在靶材02表面沿着左右方向进行移动，一般为形成封闭磁场需要三根平行设置的永磁铁01，参见图1，在一端按照N、S、N极排列。在永磁铁01的上方还设置有基板03，基板03的另一侧设置有靶材02，通过永磁铁01将等离子体束缚在靶材02表面，磁感线最强的地方，等离子体最密集，从而刻蚀速率最快，靶材消耗的速度最快，通过刻蚀形成截面图如图2所示的图形，刻蚀速度最快的部分形成波谷。由于磁控溅射磁场的分布会使得靶材使用完后在靶材表面形成跑道区，使得靶材表面各处的刻蚀不均匀，从而降低靶材的利用率。

综上所述，现有技术平面靶材的磁场结构靶材刻蚀不均匀，使得靶材利用率降低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提高靶材刻蚀的均匀性，提高靶材利用率。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种平面靶材的磁场结构，包括：第一级磁铁阵列和第二级磁铁阵列，且第一级磁铁阵列和第二级磁铁阵列相互垂直，第一级磁铁阵列通电，第二级磁铁阵列断电，形成平行于靶材的一级刻蚀跑道；第二级磁铁阵列通电，第一级磁铁阵列断电，形成垂直于一级刻蚀跑道的二级刻蚀跑道。

进一步地，所述一级刻蚀跑道包括一级跑道刻蚀深区和一级跑道刻蚀浅区，所述二级刻蚀跑道包括二级跑道刻蚀深区和二级跑道刻蚀浅区。

进一步地，所述第二级磁铁阵列在一级跑道刻蚀深区电场强度逐渐减弱，在一级跑道刻蚀浅区电场强度逐渐增强。

进一步地，所述一级刻蚀跑道包括两直道部分和两弯道部分，两直道部分相互平行，两弯道部分别在两直线部分的两端，并且连接两直道部分，构成长条状矩形。

进一步地，所述第二级磁铁阵列为分段式结构，每一段利用独立电源进行控制。

进一步地，所述第二级磁铁阵列包括五段，第一段磁铁和第五段磁铁对应一级刻蚀跑道之外区域的靶材表面，第二段磁铁和第四段磁铁恰好对应一级刻蚀跑道所在的区域，第三段磁铁对应一级刻蚀跑道以内区域的靶材表面。

进一步地，所述第一段磁铁和第五段磁铁连接第一电源，第二段磁铁和第四段磁铁连接第二电源，第三段磁铁连接第三电源，第一电源、第二电源和第三电源分别为相应分段磁铁提供电流大小不同的电源。

进一步地，所述第一级磁铁阵列和第二级磁铁阵列均包括两个极性反向设置的磁铁。

进一步地，所述第一级磁铁阵列和第二级磁铁阵列均包括三个磁铁，且每个磁铁与相邻的磁铁极性相反。

进一步地，所述磁铁为电磁铁或者永久磁铁。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种平面靶材的磁场结构的使用方法，包括：

第一级磁铁阵列通电，第二级磁铁阵列断电，第一级磁铁阵列沿左右方向移动对靶材进行溅射，在靶材表面形成平行于靶材的一级刻蚀跑道；

第二级磁铁阵列通电，第一级磁铁阵列断电，第二级磁铁阵列沿上下方向移动对靶材表面继续进行溅射，并根据一级刻蚀跑道的刻蚀程度调节第二级磁铁阵列的电场强度和移动速度，形成垂直于靶材的二级刻蚀跑道。

进一步地，所述第二级磁铁阵列在一级刻蚀跑道的直道部分的移动速度小于第二级磁铁阵列在一级刻蚀跑道的弯道部分的移动速度。

进一步地，所述第二级磁铁阵列对应不同位置的一级刻蚀跑道的电场强度通过电源提供的电流大小进行调节。

进一步地，第二级磁铁阵列在一级跑道刻蚀深区进行刻蚀时的第二电源的电流小于第三电源的电流，第二级磁铁阵列在一级跑道刻蚀浅区进行刻蚀时的第一电流大于第三电源的电流。

(三)有益效果

本发明实施例提供的一种平面靶材的磁场结构，包括：第一级磁铁阵列和第二级磁铁阵列，且第一级磁铁阵列和第二级磁铁阵列相互垂直，第一级磁铁阵列通电，第二级磁铁阵列断电，形成平行于靶材的一级刻蚀跑道；第二级磁铁阵列通电，第一级磁铁阵列断电，形成垂直于一级刻蚀跑道的二级刻蚀跑道。同时本发明还提供了一种上述平面靶材磁场结构的使用方法，在原有一级磁铁阵列的基础上增加与其相互垂直的磁铁阵列，两级磁铁阵列通过交替地进行左右移动和上下移动，用第二级磁铁阵列对第一级磁铁阵列的刻蚀盲区进行刻蚀，避免一次刻蚀存在死角以及磁场不均匀导致的靶材利用率较低问题的出现，提高靶材刻蚀的均匀性以及靶材的利用率，同时还能避免两极磁场相互影响产生的串扰问题。

附图说明

图1是现有技术中利用一级永磁铁形成磁场结构的示意图；

图2是现有技术中刻蚀后形成的靶材截面图；

图3是采用本发明实施例一中提供的一种平面靶材的磁场结构的俯视图；

图4是本发明实施例一中第一级磁铁阵列设计示意图；

图5是采用本发明实施例一中一级刻蚀跑道和二级刻蚀跑道的分布示意图；

图6是本发明实施例二中的一种平面靶材的磁场结构的使用方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如果为了解决靶材刻蚀不均匀的问题，可以采用两级磁铁进行刻蚀，但可能会引起两级磁铁的交互影响，磁场模拟较为复杂，因此，使用较少，实际应用中还会在磁铁背后放置小块的抗磁垫片来调节磁场，在局部实现了类似两级磁场的调节，但对于靶材使用率过低问题的改善效果非常有限，一般来说使用率很难到达40％以上。

实施例一

本发明实施例一中提供了一种平面靶材的磁场结构，具体包括：第一级磁铁阵列01和第二级磁铁阵列04，且第一级磁铁阵列01和第二级磁铁阵列04相互垂直，第一级磁铁阵列01通电，第二级磁铁阵列04断电，形成平行于靶材的一级刻蚀跑道；第二级磁铁阵列04通电，第一级磁铁阵列01断电，形成垂直于一级刻蚀跑道的二级刻蚀跑道。

上述磁场结构的俯视图如图3所示，即在图1原有结构基础上增加与第一级磁铁阵列01相互垂直的第二级磁铁阵列04。第二级磁铁阵列采用分段分区控制，使得局部磁场可以根据电流进行微调。这样在第一级磁铁阵列开启的时候，第二级磁铁阵列断电，形成一个平行于靶材的跑道。在第二级磁铁阵列开启的时候，第一级磁铁阵列断电，形成一个垂直于靶材的跑道。在一级跑道刻蚀深区，第二级磁铁阵列的局部场强减弱，在一级跑道刻蚀浅区，第二级磁铁阵列可以进行局部加强。这样，通过交替的两级磁场的左右移动与上下移动，可以用第二级磁铁阵列产生的磁场来刻蚀前一级磁场的刻蚀盲区，在垂直于靶材方向的靶材厚度起伏可以通过第二级磁铁阵列的磁场局部强弱来调节，垂直方向的靶材厚度起伏，可以通过第二级磁铁阵列的运动速度来调节，从而大大提升靶材的利用率，且避免了两级磁场相互影响产生串扰的问题。

本实施例中的第一级磁铁阵列设计和现有的一级磁铁设计相同，如图4所示，中心处的磁铁为N极，外侧的磁铁为S极，这两种磁铁采用这种设计方式可以构成磁场回路，并且第一级磁铁阵列在各处的电场强度均一致，即通过一个电源控制即可。第一级磁铁阵列在靶材表面从左向右运动，即从图中位置1移动到位置2。

第一级磁铁阵列通电后形成一级刻蚀跑道，进一步地，一级刻蚀跑道包括一级跑道刻蚀深区1S和一级跑道刻蚀浅区1Q，第二级磁铁阵列通电后形成的二级刻蚀跑道也包括二级跑道刻蚀深区2S和二级跑道刻蚀浅区2Q，如图5所示。

进一步地，本实施例中的第二级磁铁阵列02电场强度为分区设置，即在不同位置电场强度不一致，第二级磁铁阵列02在一级跑道刻蚀深区电场强度逐渐减弱，在一级跑道刻蚀浅区电场强度逐渐增强。

进一步地，本实施例中的一级刻蚀跑道01包括两直道部分和两弯道部分，两直道部分相互平行，两弯道部分别在两直线部分的两端，并且连接两直道部分，构成长条状矩形。由于第一级磁铁阵列各处电场强度相同，但是仅通过一个方向上的刻蚀，容易造成死角，使得靶材表面一部分已经被刻蚀掉很多，还有一部分没有被刻蚀，造成靶材表面刻蚀不均匀，进一步造成靶材表面利用率降低。

进一步地，第二级磁铁阵列04为分段式结构，每一段利用独立电源进行控制。具体的，第二级磁铁阵列04包括五段，第一段磁铁041和第五段磁铁045对应一级刻蚀跑道之外区域的靶材表面，第二段磁铁042和第四段磁铁044恰好对应一级刻蚀跑道所在的区域，第三段磁铁043对应一级刻蚀跑道以内区域的靶材表面。第一段磁铁041和第五段磁铁045连接第一电源051，第二段磁铁042和第四段磁铁044连接第二电源052，第三段磁铁043连接第三电源053，第一电源051、第二电源052和第三电源053分别为相应分段磁铁提供电流大小不同的电源。

进一步地，本实施例中的第一级磁铁阵列01和第二级磁铁阵列02均包括两个极性反向设置的磁铁。或者，第一级磁铁阵列01和第二级磁铁阵列02均包括三个磁铁，且每个磁铁与相邻的磁铁极性相反。需要说明的是，需要两个极性相反的磁铁形成一个磁场回路，即通过一个磁铁的N极和另一个磁铁的S极构成回路，同时这个磁铁的S极也和另一磁铁的N极构成回路。参见图3，本实施例中优选用三个磁铁构成磁铁阵列。

优选地，本实施例中的磁铁为电磁铁或者永久磁铁。优选为电磁铁，因为电磁铁具有较好的灵活性，即有电流的时候有电场产生，没有电流的时候电场也消失，而且使用电磁铁时调整电场强度可以直接通过电流大小进行调节，而永久磁铁不具有这样的灵活性。

综上所述，本实施例在原有的一级磁场的基础上，在后面在加上一个与之垂直的磁场，形成一个垂直的刻蚀跑道，可以有效的避免因为一级磁场不均匀导致的靶材利用率较低的情况。且采用两级电磁铁设计，交替加磁场，可以避免两级磁场同时存在产生的串扰。第二级磁铁阵列采用分段的方式进行设计，可以有效加强第一级磁铁阵列的刻蚀盲区，第二级磁铁阵列在根据一级刻蚀跑道的形貌，对移动速度进行调整，可以提高垂直方向的刻蚀均匀性。通过上述磁场结构可以有效的提高大型长条形靶材利用率，延长溅射设备的维护周期，提高整个设备的嫁动率，从而降低产品物料清单(BOM)和产能。

实施例二

基于上述，本发明实施例二还提供了一种平面靶材的磁场结构的使用方法，步骤流程如图6所示，具体包括以下步骤：

步骤S1、第一级磁铁阵列通电，第二级磁铁阵列断电，第一级磁铁阵列沿左右方向移动对靶材进行溅射，在靶材表面形成平行于靶材的一级刻蚀跑道。

步骤S2、第二级磁铁阵列通电，第一级磁铁阵列断电，第二级磁铁阵列沿上下方向移动对靶材表面继续进行溅射，并根据一级刻蚀跑道的刻蚀程度调节第二级磁铁阵列的电场强度和移动速度，形成垂直于靶材的二级刻蚀跑道。

其中步骤S1和现有技术中的步骤相同，同时在步骤S1的基础上继续进行步骤S2，即第二磁铁阵列进行上下方向的移动。进一步地，第二级磁铁阵列在一级刻蚀跑道的直道部分的移动速度小于第二级磁铁阵列在一级刻蚀跑道的弯道部分的移动速度。通过在弯道部分以较快的速度移动，在直道部分以较慢的速度移动，能够对原本在弯道部分刻蚀较深的平衡，使得对靶材的刻蚀均匀化。

进一步地，由于分段设置，第二级磁铁阵列对应不同位置的一级刻蚀跑道的电场强度通过电源提供的电流大小进行调节。具体的，第二级磁铁阵列在一级跑道刻蚀深区进行刻蚀时的第二电源的电流小于第三电源的电流，第二级磁铁阵列在一级跑道刻蚀浅区进行刻蚀时的第一电流大于第三电源的电流。

由于第二级磁铁阵列是由多个磁铁按照一定方式构成的阵列，通过在一级跑道刻蚀深区，第二级磁铁阵列的局部场强减弱，在一级跑道刻蚀浅区，第二级磁铁阵列可以进行局部加强。通过交替的两级磁场的左右与上下运动，即可以用第二级磁铁阵列来刻蚀前一级磁场的刻蚀盲区，在垂直于靶材方向的靶材厚度起伏可以通过第二级磁铁阵列的局部强弱来调节，垂直方向的靶材厚度起伏，可以通过第二级磁铁阵列的运动速度来调节。

综上所述，通过采用本实施例提供的方法对靶材进行刻蚀，可以提高靶材表面刻蚀的均匀性，使得各个区域靶材的消耗基本一致，从而大大提升靶材的利用率，且避免了两级磁场之间相互串扰的影响。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (12)

1.一种平面靶材的磁场结构，其特征在于，包括：第一级磁铁阵列和第二级磁铁阵列，且第一级磁铁阵列和第二级磁铁阵列相互垂直，第一级磁铁阵列通电，第二级磁铁阵列断电，形成平行于靶材的一级刻蚀跑道；第二级磁铁阵列通电，第一级磁铁阵列断电，形成垂直于一级刻蚀跑道的二级刻蚀跑道；

所述第二级磁铁阵列为分段式结构，所述第二级磁铁阵列的多个分段结构分布在一级刻蚀跑道的刻蚀深区和刻蚀浅区，其中分布在一级刻蚀跑道的刻蚀深区的分段结构的电场强度比分布在一级刻蚀跑道的刻蚀浅区的分段结构的电场强度低。

2.如权利要求1所述的平面靶材的磁场结构，其特征在于，所述一级刻蚀跑道包括两直道部分和两弯道部分，两直道部分相互平行，两弯道部分别在两直线部分的两端，并且连接两直道部分，构成长条状矩形。

3.如权利要求1所述的平面靶材的磁场结构，其特征在于，所述第二级磁铁阵列的多个分段结构中的每一段利用独立电源进行控制。

4.如权利要求3所述的平面靶材的磁场结构，其特征在于，所述第二级磁铁阵列包括五段，第一段磁铁和第五段磁铁对应一级刻蚀跑道之外区域的靶材表面，第二段磁铁和第四段磁铁恰好对应一级刻蚀跑道所在的区域，第三段磁铁对应一级刻蚀跑道以内区域的靶材表面。

5.如权利要求4所述的平面靶材的磁场结构，其特征在于，所述第一段磁铁和第五段磁铁连接第一电源，第二段磁铁和第四段磁铁连接第二电源，第三段磁铁连接第三电源，第一电源、第二电源和第三电源分别为相应分段磁铁提供电流大小不同的电源。

6.如权利要求1所述的平面靶材的磁场结构，其特征在于，所述第一级磁铁阵列和第二级磁铁阵列均包括两个极性反向设置的磁铁。

7.如权利要求1所述的平面靶材的磁场结构，其特征在于，所述第一级磁铁阵列和第二级磁铁阵列均包括三个磁铁，且每个磁铁与相邻的磁铁极性相反。

8.如权利要求6或7所述的平面靶材的磁场结构，其特征在于，所述磁铁为电磁铁或者永久磁铁。

9.一种权利要求1-8中任一项所述的平面靶材的磁场结构的使用方法，其特征在于，包括：

第一级磁铁阵列通电，第二级磁铁阵列断电，第一级磁铁阵列沿左右方向移动对靶材进行溅射，在靶材表面形成平行于靶材的一级刻蚀跑道；

第二级磁铁阵列通电，第一级磁铁阵列断电，第二级磁铁阵列沿上下方向移动对靶材表面继续进行溅射，并根据一级刻蚀跑道的刻蚀程度调节第二级磁铁阵列的电场强度和移动速度，形成垂直于靶材的二级刻蚀跑道。

10.如权利要求9所述的使用方法，其特征在于，所述第二级磁铁阵列在一级刻蚀跑道的直道部分的移动速度小于第二级磁铁阵列在一级刻蚀跑道的弯道部分的移动速度。

11.如权利要求9所述的使用方法，其特征在于，所述第二级磁铁阵列对应不同位置的一级刻蚀跑道的电场强度通过电源提供的电流大小进行调节。

12.如权利要求11所述的使用方法，其特征在于，第二级磁铁阵列在一级跑道刻蚀深区进行刻蚀时的第二电源的电流小于第三电源的电流，第二级磁铁阵列在一级跑道刻蚀浅区进行刻蚀时的第一电流大于第三电源的电流。