CN105154836A - 一种高性能铁磁性溅射靶材 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能铁磁性溅射靶材，该靶材的溅射面包括主溅射区、次溅射区和非溅射区，所述靶材的次溅射区相对于主溅射区减薄，所述次溅射区的边缘与所述主溅射区之间设有斜坡状过渡区，该过渡区在其与主溅射区及次溅射区的拐点位置均引入倒角。本发明通过减小靶材次溅射区的厚度，提高铁磁性溅射靶材表面磁场分布的均匀性，并减弱主溅射区的离子束聚集现象，提高了铁磁性靶材的溅射性能。通过本发明中的铁磁性溅射靶材制备的薄膜均匀性好，使用寿命长。

Description

一种高性能铁磁性溅射靶材

技术领域

本发明涉及一种高性能铁磁性溅射靶材，属于磁控溅射技术领域。

背景技术

磁控溅射技术是利用磁场控制辉光放电产生的等离子体来轰击出靶材表面的粒子并使其沉积到基片表面的一种技术，制备的薄膜致密度高、附着力强，是半导体领域制备金属电子薄膜的主要方法之一。

磁控溅射可用于沉积高质量磁性薄膜来制造磁性元器件。但是，对于高导磁性靶材，特别是Fe、Co、Ni及合金等高饱和磁感应强度的靶材，由于材料具有对磁场屏蔽的作用，往往很难发生溅射。通常采用提高磁铁强度或靶材透磁率的方法解决溅射困难的问题。对于铁磁性靶材还存在另外一个关键问题，专利US5876576中提到铁磁性靶材溅射时主溅射区泄露磁力线逐渐增多，导致离子束在该处聚集，主溅射区通常形成很深很窄的溅射环，而溅射到基体上的薄膜均匀性就会降低。为了解决溅射薄膜均匀性的问题，此专利中在靶材溅射位置的背面引入磁场分路，改善靶溅射面刻蚀相对集中的问题。专利CN1245534C通过采用环形靶材与圆形靶材配合溅射，磁场从两个靶材的间隙通过，并在此间隙位置发生溅射，这种方法可以提高靶材的透过的磁场强度，并且避免靶材离子束集中的问题。专利文献CN102102185A采用磁场上下振动的方式，改善磁场在溅射面的分布，提高溅射的均匀性。这三种方法需要对溅射机台进行改进，相对比较复杂、成本高。专利CN101550536B中对矩形镍靶材的溅射面或背面加工出不同形状的凹槽来提高磁导率，凹槽的位置在磁铁的正上方，以此改善靶材表面透过磁场的强度和均匀性。此专利中的提到的凹槽溅射过程很可能会影响到溅射的均匀性，或存在靶材清洗困难的问题。

发明内容

针对现有铁磁性靶材溅射过程中会出现离子束聚集现象，从而导致薄膜均匀性差的问题，本发明提供一种高性能铁磁性溅射靶材，采用该靶材能够显著改善溅射薄膜的均匀性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高性能铁磁性溅射靶材，该靶材的溅射面包括主溅射区、次溅射区和非溅射区，所述靶材的次溅射区相对于主溅射区减薄，所述次溅射区的边缘与所述主溅射区之间设有斜坡状过渡区，该过渡区在其与主溅射区及次溅射区的拐点位置均引入倒角。

优选地，所述次溅射区相对于所述主溅射区减薄的厚度为0.2-1.5mm。

优选地，所述次溅射区为同心环形结构。

优选地，所述过渡区的斜坡角度≤20°。

优选地，所述倒角的半径为1-5mm。

优选地，所述靶材为单体靶或焊接型靶。

本发明的有益效果为：

与现有技术相比，本发明中的铁磁性溅射靶材只通过减少溅射面的次溅射区的厚度即可弱化离子束聚集现象，靶材表面透过的磁场强度均匀性高，使得溅射到基体的薄膜均匀性更好。

本发明改进的靶材结构简单，并可以进一步减少贵重金属原材料的使用成本。

附图说明

图1为铁磁性溅射靶材磁力线分布及溅射轮廓示意图。

图2为实施例1中高性能铁磁性溅射靶材与磁力线分布示意图。

图3a为实施例1中高性能铁磁性溅射靶材与溅射消耗轮廓曲线示意图，图3b为图3a中I处的放大图。

图4为实施例2中所述的现有铁磁性溅射靶材与磁力线分布示意图。

图5a为实施例2中改进后的高性能铁磁性溅射靶材的剖面示意图与消耗轮廓剖面示意图，图5b为图5a中I处的放大图。

图6为实施例2中改进后的高性能铁磁性溅射靶材的立体示意图。

具体实施方式

铁磁性溅射靶材的材料主要为Fe、Co、Ni等金属及合金，靶材的类型可以为单体型或焊接型靶。这些材料与Al、Ti、Cu等非磁性溅射靶材不同，对磁场有一定的屏蔽作用。铁磁性靶材溅射面通常是平面的，且厚度较薄，约2-4mm。图1为一种铁磁性溅射靶材磁力线分布及溅射轮廓示意图，靶材为单体型靶材，靶材下面为对应的磁铁分布的示意图。可以看出，大部分的磁力线被靶材捕获，一部分磁力线透过靶材表面，透过的磁场可以起到加速电子运动，提高溅射速率的作用。溅射一段时间后，如图1所示，靶材表面会出现主溅射区S1、次溅射区S2和非溅射区S3。靶材的主溅射区S1随着溅射会形成很深的溅射沟道。次溅射区S2会溅射一定的深度，约0.5-1mm，且基本形成一个平面。而非溅射区S3只溅射非常薄的厚度，或几乎不溅射。溅射薄膜的均匀性会受到靶材表面磁场分布情况的影响。溅射较深的主溅射区S1在晶圆上相应位置形成的薄膜厚度比较厚，因此整个晶圆上的薄膜厚度均匀性较差，这种情况下铁磁性溅射靶材就无法继续使用，靶材的使用寿命比较小。

本发明设计的高性能铁磁性溅射靶材，其溅射面包括主溅射区、次溅射区和非溅射区，靶材的次溅射区相对于主溅射区减薄，所述次溅射区的边缘与所述主溅射区之间设有斜坡状过渡区，该过渡区在其与主溅射区及次溅射区的拐点位置均引入倒角。

通过减少溅射面的次溅射区厚度来弱化电子束聚集现象，靶材表面透过的磁场强度均匀性高，使得溅射到基体的薄膜均匀性更好。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行具体说明。

实施例1

图2为实施例1中高性能铁磁性溅射靶材与磁力线分布示意图。相对于图1，靶材表面主溅射区S1位置的厚度保持不变，这样可以保证靶材的使用寿命。而次溅射区S2的厚度减小，减小的厚度为H2，减小范围要达到主溅射区S1范围边缘。改进后次溅射区S2的磁场强度增加，提高了溅射靶面磁场强度分布的均匀性，并可以保证溅射过程中减薄区域可以有效降低离子束在主溅射区S1的集中程度。靶材次溅射区厚度减薄可以提高此处磁场的强度，增加溅射产额，提高溅射薄膜的均匀性。靶材减薄区域厚度需要根据材料的磁性能进行确定。靶材减薄的次溅射区与主溅射区之间为斜坡过渡，斜坡角度≤20°，如图3b中的C3位置，角度不宜过大，否则磁场分布变化增大，会影响薄膜溅射的均匀性。拐点位置引入倒角，倒角的半径可以为1-5mm，作用是避免在台阶尖角位置产生异常放电现象，影响溅射性能。另外，靶材的外直径保持不变，避免影响靶材的安装。

图3a为实施例1的高性能铁磁性溅射靶材与溅射消耗轮廓曲线示意图，靶材下面为对应的磁铁分布的示意图。材料为高纯钴，靶材厚度为3mm，靶材直径为Φ320mm。将靶材次溅射区S2减薄H2＝1mm，主溅射区与次溅射区之间的过渡区为环形D31＝220mm～D32＝190mm。图中减薄后S2区域对应于图1中次溅射区S2。在减薄的次溅射区的边缘与靶材的主溅射区之间就加工出斜坡结构，见图3b中I部位的放大图，斜坡形成的角度约为C3＝3.8°，拐点位置的倒角半径R31与R32均设置为3mm。图3a溅射消耗轮廓曲线为A3，表示溅射靶材被溅射消耗后的溅射面。从溅射轮廓可以看出，主溅射区的溅射沟道趋于平缓，靶材溅射后期薄膜均匀性仍然很好。改进前的铁磁性溅射靶材溅射初期薄膜厚度波动达到5％，溅射到约300kWh(千瓦时或度)后薄膜均匀性变差，无法继续使用靶材。改进后，靶材溅射初期的薄膜厚度波动达到3％以下，均匀性提高。并且，靶材使用寿命可以延长到400kWh(千瓦时或度)，使用寿命可提高约30％。

实施例2

图4为一种现有铁磁性溅射靶材，从图中可以看出靶材为焊接性靶材，背板B4为铜或铝合金材料，主要包括溅射面、安装固定面和底面，靶材下面为对应的磁铁分布的示意图。曲线A4表示溅射靶材被溅射消耗后的溅射面。从溅射轮廓可以看出，溅射面有两个主溅射区S1与S1’，两个主溅射区之间为次溅射区S2，靶材边缘和中心部位基本不发生溅射，为非溅射区S3。靶材材料为镍铂合金，厚度为3mm，靶材直径为Φ440mm。图5a为实施例2的高性能铁磁性溅射靶材剖面示意图。将靶材次溅射区S2减薄H5＝0.5mm，减薄的范围为环形D51＝330mm～D52＝300mm和环形D53＝150mm～D54＝120mm之间的区域。在减薄的次溅射区的边缘与靶材的主溅射区之间就加工出斜坡结构，见图5b中I部位的放大图，斜坡形成角度约为C5＝2°，拐点位置的倒角半径为R51与R51的半径均设置为5mm。图6给出了高性能铁磁性溅射靶材的立体示意图，减薄的次溅射区形成了同心的环状结构，图中S1、S1’和S3的位置对应于图4中的主溅射区S1、S1’，以及非溅射区S3。图中减薄后S2区域对应于图4中次溅射区S2。图6中S2’为靶材改进后S2图5a中曲线A5表示溅射靶材被溅射消耗后的溅射面，从图中显示出的溅射轮廓与图4中的溅射轮廓对比可以看出，主溅射区的溅射沟道趋于平缓，靶材溅射后期薄膜均匀性仍然很好。改进前的铁磁性溅射靶材溅射初期薄膜厚度波动达到5％，溅射到约320kWh(千瓦时或度)后薄膜均匀性变差，无法继续使用靶材。改进后，靶材溅射初期薄膜厚度波动达到3％以下，均匀性提高。并且，靶材使用寿命可以延长到450kWh(千瓦时或度)，可以看出，使用寿命可提高约40％。

本发明的设计还可以根据不同的磁场分布，改进靶面溅射区形状达到改善铁磁性溅射靶材性能。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明的技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高性能铁磁性溅射靶材，该靶材的溅射面包括主溅射区、次溅射区和非溅射区，其特征在于，所述靶材的次溅射区相对于主溅射区减薄，所述次溅射区的边缘与所述主溅射区之间设有斜坡状过渡区，该过渡区在其与主溅射区及次溅射区的拐点位置均引入倒角。

2.如权利要求1所述的高性能铁磁性溅射靶材，其特征在于，所述次溅射区相对于所述主溅射区减薄的厚度为0.2-1.5mm。

3.如权利要求1所述的高性能铁磁性溅射靶材，其特征在于，所述次溅射区为同心环形结构。

4.如权利要求1所述的高性能铁磁性溅射靶材，其特征在于，所述过渡区的斜坡角度≤20°。

5.如权利要求1所述的高性能铁磁性溅射靶材，其特征在于，所述倒角的半径为1-5mm。

6.如权利要求1所述的高性能铁磁性溅射靶材，其特征在于，所述靶材为单体靶或焊接型靶。