CN103993278A - 一种平面靶材的磁场结构及其使用方法和磁控溅射设备 - 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和磁控溅射设备，其中平面靶材的磁场结构包括第一级磁铁和第二级磁铁，第二级磁铁设置在第一级磁铁的空隙中，且第二级磁铁到靶材表面的垂直距离大于第一级磁铁到靶材表面的垂直距离。通过增加与原来第一级磁铁向平行的第二级磁铁，两级磁铁相结合使得在第一级磁铁在靶材表面形成磁场的薄弱区域上有第二级磁铁产生的磁场作为弥补，改善靶材表面磁场的均匀性，从而使得靶材表面的等离子密度趋于均匀，保证靶材消耗不会出现有的部分过快的问题，可以改善靶材表面的刻蚀均匀性，从而提高靶材的使用率。通过具有该磁场结构的靶材对基板进行溅射，可以保证基板上成膜的均匀性。

Description

一种平面靶材的磁场结构及其使用方法和磁控溅射设备

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和磁控溅射设备。

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。

在现有大型磁控溅射设备中，平面靶材一般采用如图1所示的磁铁分布。这种单层的磁铁分布造成靶材表面磁场分布不均匀，在磁力线较强的区域，束缚的等离子体较多，此区域等离子体密度较大，对靶材的刻蚀速率也较大，导致在靶材表面出现刻蚀不均匀的情况，如图2所示，有的区域靶材先消耗完，在靶材先消耗完的位置形成波谷。其中将磁铁1固定在靶材3上时一般是通过如图2所示的固定板4实现的，如果继续对该靶材3进行刻蚀，则会对波谷位置靶材3下方的固定板4造成损伤，这样导致虽然其它区域到的靶材还有很多剩余，但是该靶材却不能继续使用，必须更换新的靶材，造成靶材的使用率很低。

可见现有技术中的磁控溅射设备对靶材的利用率很低，浪费资源，增加加工成本。

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磁控溅射设备对靶材的利用率。

(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，包括第一级磁铁和第二级磁铁，第二级磁铁设置在第一级磁铁的空隙中，且第二级磁铁到靶材表面的垂直距离大于第一级磁铁到靶材表面的垂直距离。

进一步地，第一级磁铁和第二级磁铁平行设置。

进一步地，第一级磁铁和第二级磁铁通过固定板设置在靶材上。

进一步地，所述固定板上具有凹槽，将第一级磁铁固定在凹槽中，将第二级磁铁固定在固定板表面凹槽之外的位置。

进一步地，所述固定板上具有凸出于固定板平面的凸点，第一级磁铁固定在固定板平面上，第二级磁铁固定在凸点位置。

进一步地，还包括第三级磁铁，设置在第二级磁铁的空隙中或者位于第一级磁铁的空隙同时也位于第一级磁铁的空隙中。

进一步地，第一级磁铁、第二级磁铁以及第三级磁铁为电磁铁或永久磁铁。

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，利用靠近靶材的第一级磁铁对靶材表面进行一级溅射，一级溅射完成后，远离靶材的第二级磁铁继续对靶材表面进行二级溅射，且二级溅射的位置位于靶材上一级溅射未到达的区域。

进一步地，二级溅射完成后，第三级磁铁继续对靶材表面进行三级溅射，且三级溅射的位置位于靶材上一级溅射和二级溅射未均到达的区域。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种磁控溅射设备，该磁控溅射设备中包括以上所述的平面靶材的磁场结构。

(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，包括第一级磁铁和第二级磁铁，第二级磁铁设置在第一级磁铁的空隙中，且第二级磁铁到靶材表面的垂直距离大于第一级磁铁到靶材表面的垂直距离。通过增加与原来第一级磁铁向平行的第二级磁铁，两级磁铁相结合使得在第一级磁铁在靶材表面形成磁场的薄弱区域上有第二级磁铁产生的磁场作为弥补，改善靶材表面磁场的均匀性，从而使得靶材表面的等离子密度趋于均匀，保证靶材消耗不会出现有的部分过快的问题，可以改善靶材表面的刻蚀均匀性，从而提高靶材的使用率。通过具有该磁场结构的靶材对基板进行溅射，可以保证基板上成膜的均匀性。同时本发明还提供了上述平面靶材的磁场结构的使用方法以及基于上述平面靶材的磁场结构的磁控溅射设备。

附图说明

图1是现有技术中利用单级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是本发明实施例一中提供的一种平面靶材的磁场结构的示意图；

图4是采用本发明实施例一中磁场结构刻蚀后的靶材截面图；

图5是本发明实施例一中第一级磁铁和第二级磁铁通过固定板设置在靶材上的第一种实现方式示意图；

图6是本发明实施例一中第一级磁铁和第二级磁铁通过固定板设置在靶材上的第一种实现方式示意图；

图7是本发明实施例一中磁场结构另一种构成的示意图；

图8是本发明实施例二中提供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。

采用图1和图2所示磁控溅射设备进行溅射过程，由于单层磁铁产生的磁场在不同位置时不均匀的，有的区域磁场较强，有的区域磁场相对较弱，所以会造成磁场较强的区域靶材消耗较快。靶材消耗速度很快的部位对应的基板部位成膜速率也较快，从而造成最后基板上成膜厚度不均匀。为改善不均匀，可以将第一级磁铁设定成移动式的，以扩大刻蚀沟道的范围，但改善效果有限，同时靶材的利用率虽稍有提高，但是效果也不显著，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，示意图如图3所示，具体包括：第一级磁铁1和第二级磁铁2，第二级磁铁2设置在第一级磁铁1的空隙中，且第二级磁铁2到靶材3表面的垂直距离大于第一级磁铁1到靶材3表面的垂直距离。

通过采用上述双级磁铁，可以利用第二级磁铁对第一级磁铁磁场薄弱的区域进行补偿，改善靶材表面磁场分布的均匀性，进而保证刻蚀的均匀性，能够使一块靶材得到更加充分的利用，因此提高靶材的利用率。

进一步地，本实施例中的第一级磁铁1和第二级磁铁2平行设置。其中第一级磁铁1固定在靶材3上，相邻的磁铁极性相反，参见图3，图3中示出的第一级磁铁包括三个磁铁，极性分别是N、S、N极。增加的第二级磁铁2设置在第一级磁铁1的下方，且平行于第一级磁铁1设置，与第一级磁铁1相同，第二级磁铁2的极性也是相邻磁铁点击相反，参见图3，第二级磁铁2包括两级磁铁，极性分别是N极和S极。其中第二级磁铁2中的N极磁铁位于第一级磁铁1中的左侧N极磁铁与中间的S极磁铁的空隙位置，第二级磁铁2中的S极磁铁位于第一级磁铁1中的右侧N极磁铁与中间的S极磁铁的空隙位置。

需要说明的是，进行溅射过程中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，本实施例中第一级磁铁优选用三个磁铁构成磁铁阵列。

由于第二级磁铁2设置在第一级磁铁1的两个磁铁空隙位置，能够利用第二级磁铁产生的磁场对第一级磁铁薄弱的区域进行补偿，使得靶材的消耗更为接近，如图4所示。其中利用第一级磁铁1产生的磁场进行刻蚀，在靶材表面得到的波谷为01和02，利用第二级磁铁2产生的磁场进行刻蚀，在靶材表面得到的波谷为03。由于第二级磁铁2到靶材的距离比第一级磁铁1到靶材的距离远，磁场强度也要小一些，因此第二级磁铁2刻蚀后的波谷03比第一级磁铁1刻蚀后的波谷01和02要高一些，但是通过第二级磁铁2磁场的作用能够把原本未被刻蚀的部分也能被刻蚀掉，使得靶材在各个位置处的消耗更加一致，靶材消耗更为同步，当整个靶材的多部分区域都被刻蚀完才更换新的靶材，可以提高靶材的利用率。

进一步地，第一级磁铁1和第二级磁铁2通过固定板4设置在靶材上。由于第一级磁铁1和第二级磁铁2与靶材的相对距离不同，因此固定板4需具有高低不平的结构才能够保证固定后的两极磁铁与靶材表面距离不同，具体的实现方式如下：

第一种固定方式：固定板4上具有凹槽41，将第一级磁铁1固定在凹槽41中，将第二级磁铁2固定在固定板2表面凹槽之外的位置，如图5所示。

第二种固定方式：固定板4上具有凸出于固定板平面的凸点42，第一级磁铁1固定在固定板4平面上，第二级磁铁2固定在凸点42位置，如图6所示。

需要说明的是，上述两种方式只是举例说明，在具体实施过程中还可以做出等效的替代方案，其作用都是为了实现两级不同磁铁到靶材的距离产生差别，方式还有很多种，此处不再一一赘述。

进一步地，本实施例中的磁场结构还包括第三级磁铁5，设置在第二级磁铁2的空隙中或者位于第一级磁铁1的空隙同时也位于第二级磁铁2的空隙中，截面图如图7所示，经过第三级磁铁的三级溅射，在已有波谷01、02、03的基础上进一步形成波谷04。

进一步地，本实施例中的第一级磁铁、第二级磁铁以及第三级磁铁为电磁铁或永久磁铁。本实施例中优选为电磁铁，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。

还需要说明的是，本实施例中只是以在第一级磁铁的基础上增加第二级磁铁以及第三级磁铁为例，但是如果第一级磁铁中两个磁铁之前的空隙足够大，在空隙对应位置处设置的磁铁的级数还可以更多，此处不再一一列举。

综上所述，本实施例在现有一级磁铁的基础上，增加一级与原来第一级磁铁向平行的第二级磁铁，两级磁铁相结合使得在第一级磁铁在靶材表面形成磁场的薄弱区域上有第二级磁铁产生的磁场作为弥补，改善靶材表面磁场的均匀性，从而使得靶材表面的等离子密度趋于均匀，保证靶材消耗不会出现有的部分过快的问题，可以改善靶材表面的刻蚀均匀性，从而提高靶材的使用率。通过具有该磁场结构的靶材对基板进行溅射，可以保证基板上成膜的均匀性。

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8所示，具体包括以下步骤：

步骤S1、利用靠近靶材的第一级磁铁对靶材表面进行一级溅射。

步骤S2、一级溅射完成后，远离靶材的第二级磁铁继续对靶材表面进行二级溅射，且二级溅射的位置位于靶材上一级溅射未到达的区域。

通过两级磁铁分时进行两级溅射，二级溅射可以对一级溅射过程中磁场薄弱区域进行弥补，一级溅射未刻蚀的区域可以在第二级磁铁产生的磁场作用下继续进行刻蚀，使得未被利用的靶材继续被利用起来，从而提高靶材的利用率。

进一步地，二级溅射完成后，还可以利用第三级磁铁继续对靶材表面进行三级溅射，且三级溅射的位置位于靶材上一级溅射和二级溅射未均到达的区域。

通过三级溅射，继续对一级溅射和二级溅射未到达的区域进行刻蚀，继续对靶材进行进一步利用，可以进一步提高靶材的利用率。

综上所述，本实施例提供的方法通过分时利用两级或多级磁铁对靶材表面进行刻蚀，弥补仅有一级磁铁在靶材表面形成磁场存在薄弱区域导致无法实现均匀刻蚀的缺陷，通过在一级溅射之后在进行二级溅射、三级溅射，可以改善靶材表面磁场的均匀性，从而使得靶材表面的等离子密度趋于均匀，保证靶材消耗不会出现有的部分过快的问题，可以改善靶材表面的刻蚀均匀性，从而提高靶材的使用率。通过上述方法对基板进行溅射，还可以保证基板上成膜的均匀性。

实施例三

基于上述，本发明实施例三还提供了一种包含上述实施例一中平面靶材的磁场结构的磁控溅射设备。

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 (10)

1.一种平面靶材的磁场结构，其特征在于，包括第一级磁铁和第二级磁铁，第二级磁铁设置在第一级磁铁的空隙中，且第二级磁铁到靶材表面的垂直距离大于第一级磁铁到靶材表面的垂直距离。

2.如权利要求1所述的平面靶材的磁场结构，其特征在于，第一级磁铁和第二级磁铁平行设置。

3.如权利要求1所述的平面靶材的磁场结构，其特征在于，第一级磁铁和第二级磁铁通过固定板设置在靶材上。

4.如权利要求3所述的平面靶材的磁场结构，其特征在于，所述固定板上具有凹槽，将第一级磁铁固定在凹槽中，将第二级磁铁固定在固定板表面凹槽之外的位置。

5.如权利要求3所述的平面靶材的磁场结构，其特征在于，所述固定板上具有凸出于固定板平面的凸点，第一级磁铁固定在固定板平面上，第二级磁铁固定在凸点位置。

6.如权利要求1-5中任一项所述的平面靶材的磁场结构，其特征在于，还包括第三级磁铁，设置在第二级磁铁的空隙中或者位于第一级磁铁的空隙同时也位于第一级磁铁的空隙中。

7.如权利要求6所述的平面靶材的磁场结构，其特征在于，第一级磁铁、第二级磁铁以及第三级磁铁为电磁铁或永久磁铁。

8.一种权利要求1-7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，利用靠近靶材的第一级磁铁对靶材表面进行一级溅射，一级溅射完成后，远离靶材的第二级磁铁继续对靶材表面进行二级溅射，且二级溅射的位置位于靶材上一级溅射未到达的区域。

9.如权利要求8所述的平面靶材的磁场结构的使用方法，其特征在于，二级溅射完成后，第三级磁铁继续对靶材表面进行三级溅射，且三级溅射的位置位于靶材上一级溅射和二级溅射未均到达的区域。

10.一种磁控溅射设备，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述的平面靶材的磁场结构。