CN104357803A - 磁控溅射磁铁系统及其控制方法和磁控溅射装置 - Google Patents

磁控溅射磁铁系统及其控制方法和磁控溅射装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了磁控溅射磁铁系统及其控制方法和磁控溅射装置，所述磁控溅射磁铁系统包括驱动单元、连接单元和至少一个磁单元，磁单元通过连接单元与驱动单元连接；磁单元包括第一磁铁和第二磁铁，第一磁铁和第二磁铁呈中心对称，第一磁铁的磁感应线轨迹与第二磁铁的磁感应线轨迹相反；驱动单元分别驱动第一磁铁和第二磁铁在平行于靶材的平面循环运动，第一磁铁的运动轨迹和第二磁铁的运动轨迹重合，运动轨迹为闭合轨迹。靶材表面的磁感应强度也周期性地发生变动，使靶材上的磁感应强度分布更加均匀，其被消耗的程度更加均匀，提高靶材利用率。上述磁控溅射磁铁系统的控制方法，操作简单，易推广。本发明还提供了具有上述磁铁系统的磁控溅射装置。

Description

磁控溅射磁铁系统及其控制方法和磁控溅射装置
技术领域
本发明涉及磁控溅射领域，特别是涉及磁控溅射磁铁系统及其控制方法和磁控溅射装置。
背景技术
在平板显示器(Flat Panel Display，FPD)领域中，常使用磁控溅射装置形成各种薄膜。磁控溅射是在靶材背后放置铁磁单元，以磁场辅助的形式增强溅射过程。
一般地，磁铁系统是由几块平行的条形磁铁间隔组成。这几块条形磁铁用一组马达带动，在溅射过程中使条形磁铁在平行靶材的平面上进行左右移动，进而在一定程度上提高磁场强度的均匀性。
但是，由于磁铁间距的存在，条形磁铁的强磁区域和弱磁区域对靶材的影响不一致，致使靶材在不均匀磁场强度影响下被溅射和消耗的程度不一致，降低了靶材的利用率。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够在靶材上形成强度均匀的磁场、提高靶材利用率的磁控溅射磁铁系统及其控制方法和磁控溅射装置。
一种磁控溅射磁铁系统，包括驱动单元、连接单元和至少一个磁单元，所述磁单元通过所述连接单元与所述驱动单元连接；
所述磁单元包括第一磁铁和第二磁铁，所述第一磁铁和所述第二磁铁呈中心对称，所述第一磁铁的磁感应线轨迹与所述第二磁铁的磁感应线轨迹相反；
所述驱动单元分别驱动所述第一磁铁和所述第二磁铁在平行于靶材的平面循环运动，所述第一磁铁的运动轨迹和所述第二磁铁的运动轨迹重合，所述运动轨迹为闭合轨迹。
在其中一个实施例中，所述第一磁铁和所述第二磁铁的形状均为正方体。
在其中一个实施例中，所述磁单元的个数为多个，每4个第一磁铁包围一个第二磁铁。
上述磁控溅射磁铁系统的控制方法，包括以下步骤：
驱动磁单元中的第一磁铁在平行于靶材的平面循环运动，形成第一闭合运动轨迹；
驱动所述磁单元中的第二磁铁在平行于靶材的平面循环运动，形成第二闭合运动轨迹，所述第一闭合运动轨迹和所述第二闭合运动轨迹重叠；
其中，所述第一磁铁和所述第二磁铁中心对称，所述第一磁铁的磁感应线轨迹与所述第二磁铁的磁感应线轨迹相反，所述第一磁铁和所述第二磁铁的运动方向相反。
在其中一个实施例中，所述闭合轨迹的形状为矩形。
在其中一个实施例中，当所述第一磁铁在平行于靶材的平面循环运动的次数至少为两次时，相邻两次所述循环运动的闭合轨迹不重叠。
在其中一个实施例中，所述第一磁铁和所述第二磁铁同步运动。
在其中一个实施例中，所述闭合轨迹的形状为正方形，所述第一磁铁和所述第二磁铁匀速同步运动。
在其中一个实施例中，所述磁单元中，所述第一磁铁和所述第二磁铁呈对角排列。
本发明还提供了具有上述磁控溅射磁铁系统的磁控溅射装置。
上述磁控溅射磁铁系统，驱动单元驱动第一磁铁和第二磁铁在平行于靶材的平面循环运动，使得靶材表面的磁感应强度也周期性地发生变动，进而使得靶材上的磁感应强度分布更加均匀。均匀分布的磁感应强度可以使整个靶材平面在磁控溅射过程中受到均匀的刻蚀，靶材被消耗的程度更加均匀，进而提高靶材的利用率。上述磁控溅射磁铁系统的控制方法，操作简单，易于推广。具有上述磁控溅射磁铁系统的磁控溅射装置靶材利用率高。
附图说明
图1为本发明一实施方式的磁控溅射磁铁系统的结构示意图；
图2为本发明一实施方式的磁控溅射磁铁系统中磁单元排布图；
图3为本发明一实施方式的磁控溅射磁铁系统控制方法的流程图；
图4为本发明一实施方式的磁控溅射磁铁系统中磁单元的运动轨迹图；
图5为本发明一实施方式的初始位置时磁控溅射磁铁系统分布图；
图6为图5中铁磁系统模拟磁感应线分布图；
图7为本发明中四分之一周期时磁铁系统排布图；
图8为图7中磁铁系统模拟磁感应线分布图；
图9为图5中四分之二周期时磁铁系统排布图；
图10为图9中磁铁系统模拟磁感应线分布图；
图11为图5中四分之三周期时磁铁系统排布图；
图12为图11中磁铁系统模拟磁感应线分布图；
图13为磁控溅射方法中，现有的磁铁系统的靶材蚀刻中心图；
图14为采用本发明一实施方式的磁铁系统的靶材蚀刻中心图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，一种磁控溅射磁铁系统，包括至少一个磁单元100、连接单元20和驱动单元30，磁单元100通过连接单元20与驱动单元30连接。其中驱动单元30可以是电机，连接单元20可以是连接杆或者其它可以将磁单元100和驱动单元30连接起来的连接装置。
磁单元100包括第一磁铁110和第二磁铁120，第一磁铁110和第二磁铁120中心对称。由图2所示，在本实施例中，磁铁系统10包括四个磁单元100，并且第一磁铁110和第二磁铁120呈对角排布，形成每四个第一磁铁110包围一个第二磁铁120以及每四个第二磁铁120包围一个第一磁铁110的结构。这样排布可以使得磁单元100的摆放更加紧凑，并使得磁感应线的分布更加均匀。其中，第一磁铁110和第二磁铁120中的“第一”和“第二”只是为了便于区分，在其他实施例中，第一磁铁110和第二磁铁120可以互换。
所述第一磁铁110的磁感应线轨迹与所述第二磁铁120的磁感应线轨迹相反。即第一磁铁110和第二磁铁120靠近靶材的端部的极性不同。以图2为例，假设其所示的磁铁系统为靠近靶材的一侧，此时，第一磁铁110靠近靶材的端部为N极，第二磁铁120靠近靶材的端部为S极。经过第一磁铁110的磁感应线的方向是向左，而经过第二磁铁120的磁感应方向是向右。在其他实施例中，第一磁铁110的N极和S极以及第二磁铁120的N极和S极均靠近靶材，此时，第一磁铁110靠近第二磁铁120端部的极性与第二磁铁120靠近第一磁铁110端部的极性相同。
驱动单元30分别驱动第一磁铁110和第二磁铁120在平行于靶材的平面循环运动，第一磁铁110的运动轨迹和所述第二磁铁120的运动轨迹重合，所述运动轨迹为闭合轨迹。第一磁铁110和第二磁铁120可以在驱动单元30的驱动下按照预设轨迹运动，在运动过程中磁感应线的分布会发生改变，进而使得靶材上的磁场强度分布更加均匀。
磁单元100的个数可以为多个，驱动单元30驱动多个磁单元100中的第一磁铁110和第二磁铁120循环运动。其中，磁铁系统10既可以是静止的，也可以沿着预定轨运动。
如图3所示，控制上述磁控溅射磁铁系统的方法，包括以下步骤：
步骤S310：驱动磁单元100中的第一磁铁110在平行于靶材的平面循环运动，形成第一闭合运动轨迹。磁铁系统至少包括一个磁单元100，磁单元100包括第一磁铁110和第二磁铁120，第一磁铁110和第二磁铁120中心对称，第一磁铁110的磁感应线轨迹与第二磁铁120的磁感应线轨迹相反。如图2所示，在本实施例中，磁单元100的个数为4个。在其他实施例中，也可以根据靶材的形状和大小调整磁单元100的个数。第一磁铁110可以沿水平方向或者竖直方向移动，形成闭合的运动轨迹。
步骤S320：驱动磁单元100中的第二磁铁120在平行于靶材的平面循环运动，形成第二闭合运动轨迹，第一闭合运动轨迹和第二闭合运动轨迹重叠。第二磁铁120也可以沿水平方向或者竖直方向移动，形成闭合的运动轨迹。在同一时间，第一磁铁110和第二磁铁120的运动方向相反。此处的“S110”和“S120”只是便于描述，并不代表第一磁铁110和第二磁铁120循环运动的先后顺序。在本实施例中，第一磁铁110和第二磁铁120是同步运动的。
在本实施例中，闭合轨迹的形状为矩形。此时，第一磁铁110和第二磁铁120的运动是有序的，进而使得磁单元100产生的磁感应线强度是均匀的。
当第一磁铁110在平行于靶材的平面循环运动的次数至少为两次时，相邻两次循环运动的闭合轨迹不重叠。可以理解的是，第二磁铁120在平行于靶材的平面的循环运动次数与第一磁铁110在平行于靶材的平面的循环运动次数相同。当第一磁铁110和第二磁铁120经过一个周期的运动回到初始状态时，可以变化第一磁铁110和第二磁铁120的运动轨迹，使得两次循环运动的运动轨迹不一样，从而使得整个靶材平面的磁场强度分布更加均匀，使得靶材的侵蚀更加均匀。例如，当一次循环运动完成后，可以调整第一磁铁110和第二磁铁120的间距，使得第二次循环运动时，与上一次循环运动形成的闭合轨迹不一致。在其他实施例中，也可以设置相邻两次的循环运动的闭合轨迹重叠。
第一磁铁110和第二磁铁120同步运动，即第一磁铁110和第二磁铁120的运动时间和运动距离是一样的。例如，当第一磁铁110向左运动一定的距离时，在相同的时间段内，第二磁铁120向右运动相同的距离。
如图4所示，本实施例中，第一磁铁110的和第二磁铁120的运动轨迹的形状为正方形，第一磁铁110和第二磁铁120匀速同步运动。其中，正方形运动轨迹的形成具体步骤为：
以图2所示的位置为初始位置，以左上方的磁单元100为例，其他三个磁单元100的运动与左上方磁单元100的运动同步。
在初始位置时，磁铁系统10中的磁单元100的排布如图5所示，部分第一磁铁110和部分第二磁铁120(图5中虚框内的第一磁铁110和第二磁铁120)的模拟磁感应线分布图如图6所示；
将第一磁铁110向右移动，第二磁铁120向左移动相同的距离，完成四分之一周期的运动。此时，磁铁系统10中的磁单元100排布如图7所示，部分第一磁铁110和部分第二磁铁120(图7中虚框内的第一磁铁110和第二磁铁120)的模拟磁感应线分布图如图8所示；
以四分之一周期的终点为起点，将第一磁铁110向下移动，第二磁铁120向上移动相同的距离，完成四分之二周期的运动。此时，磁铁系统10中的磁单元100排布如图9所示，部分第一磁铁110和部分第二磁铁120(图9中虚框内的第一磁铁110和第二磁铁120)的模拟磁感应线分布图如图10所示；
以四分之二周期的终点为起点，将第一磁铁110向左移动，第二磁铁120向右移动相同的距离，完成四分之三周期的运动。此时，磁铁系统10中的磁单元100排布如图11所示，部分第一磁铁110和部分第二磁铁120(图11中虚框内的第一磁铁110和第二磁铁120)的模拟磁感应线分布图如图12所示；
以四分之三周期的终点为起点，将第一磁铁110向上移动，第二磁铁120向下移动相同的距离，完成四分之四周期的运动，回到初始位置，形成第一磁铁110运动的正方形轨迹以及第二磁铁120运动的正方形轨迹。此时，磁铁系统10中的磁单元100排布如图4所示，部分第一磁铁110和部分第二磁铁120(图5中虚框内的第一磁铁110和第二磁铁120)的模拟磁感应线分布图如图6所示。
由图6、8、10和12可见，当四个磁单元100中的第一磁铁110和第二磁铁120周期性变动时，磁感应线也周期性地变动，并且在周期内，磁感应线分布均匀。
图13为在磁控溅射方法中，采用传统的磁铁排布，磁控溅射后，靶材蚀刻中心排布的结构图。
图14为采用本发明一实施例中磁控溅射磁铁系统分布方法，磁控溅射后，靶材蚀刻中心排布的结构图。
由图13和图14可知，采用本发明一实施例中的磁控溅射磁铁系统分布方法，靶材刻蚀中心分布均匀，提高了靶材的利用率。
此外，具有上述磁控溅射磁铁系统的磁控溅射装置，靶材刻蚀均匀，利用率高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种磁控溅射磁铁系统，其特征在于，包括驱动单元、连接单元和至少一个磁单元，所述磁单元通过所述连接单元与所述驱动单元连接；
所述磁单元包括第一磁铁和第二磁铁，所述第一磁铁和所述第二磁铁呈中心对称，所述第一磁铁的磁感应线轨迹与所述第二磁铁的磁感应线轨迹相反；
所述驱动单元分别驱动所述第一磁铁和所述第二磁铁在平行于靶材的平面循环运动，所述第一磁铁的运动轨迹和所述第二磁铁的运动轨迹重合，所述运动轨迹为闭合轨迹。
2.根据权利要求1所述的磁控溅射磁铁系统，其特征在于，所述第一磁铁和所述第二磁铁的形状均为正方体。
3.根据权利要求1或2所述的磁控溅射磁铁系统，其特征在于，所述磁单元的个数为多个，每四个所述第一磁铁包围一个所述第二磁铁。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的磁控溅射磁铁系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
驱动磁单元中的第一磁铁在平行于靶材的平面循环运动，形成第一闭合运动轨迹；
驱动所述磁单元中的第二磁铁在平行于靶材的平面循环运动，形成第二闭合运动轨迹，所述第一闭合运动轨迹和所述第二闭合运动轨迹重叠；
其中，所述第一磁铁和所述第二磁铁中心对称，所述第一磁铁的磁感应线轨迹与所述第二磁铁的磁感应线轨迹相反，所述第一磁铁和所述第二磁铁的运动方向相反。
5.根据权利要求4所述的磁控溅射磁铁系统控制方法，其特征在于，所述闭合轨迹的形状为矩形。
6.根据权利要求4所述的磁控溅射磁铁系统控制方法，其特征在于，当所述第一磁铁在平行于靶材的平面循环运动的次数至少为两次时，相邻两次所述循环运动的闭合轨迹不重叠。
7.根据权利要求4所述的磁控溅射磁铁系统控制方法，其特征在于，所述第一磁铁和所述第二磁铁同步运动。
8.根据权利要求4所述的磁控溅射磁铁系统控制方法，其特征在于，所述闭合轨迹的形状为正方形，所述第一磁铁和所述第二磁铁匀速同步运动。
9.根据权利要求4所述的磁控溅射磁铁系统控制方法，其特征在于，所述磁单元中，所述第一磁铁和所述第二磁铁呈对角排列。
10.一种具有如权利要求1-3任一项所述的磁控溅射磁铁系统的磁控溅射装置。
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