CN105779952A - 磁控管组件及磁控溅射设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁控管组件及磁控溅射设备，包括中心永磁铁和环绕在该中心永磁铁周围的环形永磁铁，中心永磁铁和环形永磁铁的极性相反；其中，环形永磁铁采用一体式结构。本发明提供的磁控管组件，其不仅安装方便、安全，而且还可以提高外圈磁场的分布均匀性，以及在相同尺寸的外圈磁铁的条件下具有更高的磁场强度，从而在保证磁场强度不减小的情况下，可以获得更高的功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及微电子加工技术领域，具体地，涉及一种磁控管组件及磁控溅射设备。
背景技术
磁控溅射设备是通过等离子体中的粒子与靶材相碰撞以将从靶材中溅射出的材料沉积在被加工工件上形成薄膜的设备。在实际应用中，为了提高溅射的效率和靶材的利用率，在靶材的背部设有磁控管，利用磁控管所产生的磁场延长电子的运动轨迹，以增加电子与工艺气体(如氩气)碰撞的几率，从而提高等离子体的密度，进而提高溅射的效率和靶材的利用率。
图1为现有的一种磁控管的立体图。图2为图1中磁控管的剖视图。请一并参阅图1和图2，磁控管由底板1、环形背板2、螺钉3、外磁铁4、内磁铁5、中心背板6组成。其中，内磁铁5设置在底板1的中心位置处；外磁铁4的数量为多个，且多个外磁铁4设置在底板1上，且环绕在内磁铁5的外围，并且每个外磁铁4的直径通常小于内磁铁5，且二者的磁极相反；环形背板2对应地设置在各个外磁铁4的顶部，环形背板2与底板1将各个外磁铁4夹持在二者之间，并由螺钉3使二者固定连接；中心背板6设置在内磁铁5的顶部，且采用导磁材料制作，例如，sus410不锈钢。
大磁铁背板6将小磁铁4和大磁铁5夹紧，并用螺钉3拧紧固定。其中底板1、环形背板2、大磁铁背板6由导磁不锈钢SUS410材料加工而成，小磁铁4和大磁铁5的磁极相反。
磁控管的剖面如图3所示，其中小磁铁4由圆环401、盖板402、永磁铁403组成，圆环401和盖板402之间焊接在一起，将磁铁403包裹。同样的大磁铁5也采用了相同的结构，由圆环501、盖板502、永磁铁503组成，区别是两磁铁的直径不同。该磁控管在安装时，首先将大磁铁5一端放在底板1对应的安装孔中，另一端放上大磁铁背板6，靠磁铁与导磁不锈钢之间的磁性吸引力将三者固定在一起。然后在底板外圈对应的安装孔中排布小磁铁4。小磁铁4排布完成后，再将环形背板2套在小磁铁4上。最后用四个螺栓3拧紧固定。
在实际应用中，提高磁控管的功率密度能够提高Cu的离化率，增大腔室内部Cu离子浓度，达到更好的工艺结果，提高功率密度有两种方法：1.增大外圈磁铁磁场强度；2.缩小磁控管的整体尺寸。磁控管中采用的是强磁铁，单个磁铁无法提高磁场强度，只能通过增加外圈磁铁个数来实现，但这种做法同样会增大磁控管的尺寸，与方法2相矛盾，无法达到提高功率密度的目的。只能通过在尽量不减小或少量减小外圈磁场强度的条件下缩小磁控管的整体尺寸，其方法是减小小磁铁之间距离，由于小磁铁之间存在排斥力，距离越小排斥力越大。因为小磁铁4与大磁铁5之间的磁极方向相反，小磁铁与大磁铁之间存在吸引力。在各个磁铁之间排斥力和吸引力的作用下，磁控管的安装极度不方便，很难将外圈的小磁铁固定在所需要的位置。
因此，现有技术中，要想继续减小磁控管尺寸以取得更高的功率密度，就需要通过减少外圈磁铁个数来实现。如图3所示，左侧是外圈14个磁铁的磁控管，右侧是外圈13个磁铁的磁控管。二者相比，磁控管的尺寸减小了，但也因为减少了1个磁铁而减小了外圈的磁场强度，功率密度略有提高，但提高有限。外圈磁铁磁场强度与磁铁个数存在对应关系，减少磁铁个数使外圈磁场强度发生跳变，以致该技术无法找到更优的磁控管尺寸。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种磁控管组件及磁控溅射设备，其不仅安装方便、安全，而且还可以提高外圈磁场的分布均匀性，以及在相同尺寸的外圈磁铁的条件下具有更高的磁场强度，从而在保证磁场强度不减小的情况下，可以获得更高的功率密度。
为实现本发明的目的而提供一种磁控管组件，包括中心永磁铁和环绕在所述中心永磁铁周围的环形永磁铁，所述中心永磁铁和所述环形永磁铁的极性相反；其中，所述环形永磁铁采用一体式结构。
其中，还包括均采用导磁材料制作的底板、中心安装组件和环形安装组件，其中，所述中心安装组件用于将所述中心磁铁包裹在其中，并将其固定在所述底板上表面的中心位置处；所述环形安装组件用于将所述环形永磁铁包裹在其中，并将其固定在所述底板上表面的边缘位置处。
其中，所述环形安装组件包括环形顶板、环形内侧板和环形外侧板，其中，所述环形顶板设置在所述环形永磁铁的上端面上；所述环形内侧板和环形外侧板分别设置在所述环形永磁铁的内侧壁和外侧壁上；并且，所述环形顶板、环形内侧板、环形外侧板和所述底板形成包裹所述环形永磁铁的环形空腔。
其中，所述中心安装组件包括中心顶板和中心侧板，其中，所述中心顶板设置在所述中心永磁铁的上端面上；所述中心侧板设置在所述中心永磁铁的外周壁上；并且，所述中心顶板、中心侧板和所述底板形成包裹所述中心永磁铁的中心空腔。
其中，所述中心安装组件还包括中心安装板，所述中心安装板设置在所述中心永磁铁与所述底板之间，所述中心空腔由所述中心顶板、中心侧板和所述中心安装板形成；并且，在所述中心安装板的下表面上设置有凸部；并且对应地，在所述底板的上表面上设置有安装孔，所述中心安装板通过所述凸部和安装孔相互配合而与所述底板固定连接。
其中，所述环形永磁铁与所述底板采用焊接的方式固定连接。
其中，所述环形顶板的上表面为平面。
其中，所述中心顶板的上表面为平面；所述环形顶板的上表面与所述中心顶板的上表面相平齐。
其中，所述中心永磁铁和环形永磁铁的制作方式为：将NdFeB-N45材料通过金属钕、纯铁和硼铁合金烧结，并充磁至所需的磁场强度。
作为另外一个技术方案，本发明还提供一种磁控溅射设备，包括靶材以及设置于靶材上方的磁控管组件，所述磁控管组件用于对所述靶材表面进行扫描，所述磁控管组件采用本发明提供的上述磁控管组件。
本发明具有下述有益效果：
本发明提供的磁控管组件，其通过采用一体式结构的环形永磁铁作为环绕在中心永磁铁周围的外圈磁铁，可以具有以下优点：
其一，本发明提供的磁控管组件通过利用一体式结构的环形永磁铁代替现有技术中的多个小磁铁，不仅可以省去将各个小磁铁排布在中心永磁铁周围的繁琐过程，避免在排布时夹手的危险，从而可以使安装过程更简单安全、且极大的缩短了磁控管的安装时间，提高了工作效率。
其二，一体式结构的环形永磁铁与现有技术中的多个小磁铁相比，其磁场分布更均匀，从而可以提高外圈磁场的分布均匀性。
其三，一体式结构的环形永磁铁与现有技术中的多个小磁铁相比，在相同外径的条件下，一体式结构的环形永磁铁具有更高的磁场强度，从而在保证磁场强度不减小的情况下，可以获得更高的功率密度，进而可以根据具体需要获得尺寸更小、功率密度更高的磁控管。
本发明提供的磁控溅射设备，其通过采用本发明提供的磁控管组件，不仅安装方便、安全，而且还可以提高外圈磁场的分布均匀性，以及在相同尺寸的外圈磁铁的条件下具有更高的磁场强度，从而在保证磁场强度不减小的情况下，可以获得更高的功率密度，进而可以根据具体需要获得尺寸更小、功率密度更高的磁控管。
附图说明
图1为现有的一种磁控管的立体图；
图2为图1中磁控管的剖视图；
图3为外圈磁铁个数不同的两种磁控管的对比图；
图4A为本发明实施例提供的磁控管组件的立体图；
图4B为本发明实施例提供的磁控管组件的剖视图；
图4C为本发明实施例提供的磁控管组件的俯视剖视图；以及
图5为本发明实施例提供的磁控管组件与现有的磁控管的对比图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的磁控管组件及磁控溅射设备进行详细描述。
本发明提供的磁控管组件，其包括中心永磁铁和环绕在中心永磁铁周围的环形永磁铁，该中心永磁铁和环形永磁铁的极性相反；其中，该环形永磁铁采用一体式结构。通过采用上述一体式结构的环形永磁铁作为环绕在中心永磁铁周围的外圈磁铁，可以具有以下优点：
其一，本发明提供的磁控管组件通过利用一体式结构的环形永磁铁代替现有技术中的多个小磁铁，不仅可以省去将各个小磁铁排布在中心永磁铁周围的繁琐过程，避免在排布时夹手的危险，从而可以使安装过程更简单安全、且极大的缩短了磁控管的安装时间，提高了工作效率。
其二，一体式结构的环形永磁铁与现有技术中的多个小磁铁相比，其磁场分布更均匀，从而可以提高外圈磁场的分布均匀性。
其三，一体式结构的环形永磁铁与现有技术中的多个小磁铁相比，在相同外径的条件下，一体式结构的环形永磁铁具有更高的磁场强度，从而在保证磁场强度不减小的情况下，可以获得更高的功率密度，进而可以根据具体需要获得尺寸更小、功率密度更高的磁控管。
下面对本发明提供的磁控管组件的具体实施方式进行详细描述。具体地，图4A为本发明实施例提供的磁控管组件的立体图。图4B为本发明实施例提供的磁控管组件的剖视图。图4C为本发明实施例提供的磁控管组件的俯视剖视图。请一并参阅图4A-4C，该磁控管组件包括中心永磁铁803和环绕在中心永磁铁803周围的环形永磁铁703，该中心永磁铁803和环形永磁铁703的极性相反；其中，该环形永磁铁703采用一体式结构，即，该环形永磁铁703是一实心的闭合环体，其可以采用一体成型的方式获得。
在本实施例中，磁控管组件还包括均采用导磁材料制作的底板9、中心安装组件8和环形安装组件7，其中，中心安装组件8用于将中心磁铁803包裹在其中，并将其固定在底板9上表面的中心位置处；环形安装组件7用于将环形永磁铁703包裹在其中，并将其固定在底板9上表面的边缘位置处。该导磁材料可以采用例如sus410不锈钢等等。
进一步的，上述环形安装组件7的具体结构为：环形安装组件7包括环形顶板701、环形内侧板704和环形外侧板702，其中，环形顶板701设置在环形永磁铁703的上端面上；该环形顶板701的上表面优选为平面，从而其可以用作磁轭背板，而无需再在其顶部另设一磁轭背板，进而可以简化磁控管的结构和安装过程。环形内侧板704和环形外侧板702分别设置在环形永磁铁703的内侧壁和外侧壁上；并且，环形顶板701、环形内侧板704、环形外侧板702和底板9形成包裹该环形永磁铁703的环形空腔。
另外，优选的，环形永磁铁703与底板9采用焊接的方式固定连接，这与现有技术中利用磁轭背板和底板夹持各个小磁铁的结构相比，其可以省去该磁轭背板，以及用于将该磁轭背板与底板固定在一起的螺钉，从而可以进一步简化磁控管的结构和安装过程。
在本实施例中，中心安装组件8包括中心顶板801、中心侧板802和中心安装板804。其中，中心顶板801设置在中心永磁铁803的上端面上；与环形顶板701相类似的，该中心顶板801的上表面也可以为平面，且该平面与环形顶板701的上表面相平齐，从而不仅无需在环形顶板701顶部设置磁轭背板，从而可以简化磁控管的结构和安装过程；而且由于中心顶板801的上表面与环形顶板701的上表面相平齐，这可以保证分别由环形永磁铁703和中心永磁铁803产生的磁场的磁场强度的分布均匀。中心侧板802设置在中心永磁铁803的外周壁上；中心安装板804设置在中心永磁铁803与底板9之间，中心顶板801、中心侧板802和中心安装板804形成包裹中心永磁铁803的中心空腔；并且，在中心安装板804的下表面上设置有凸部805；并且对应地，在底板9的上表面上设置有安装孔806，中心安装板804通过凸部805和安装孔806相互配合而与底板9固定连接。凸部805和安装孔806可以采用螺纹连接等的可拆卸的方式固定在一起。在实际应用中，也可以省去上述中心安装板804，并采用焊接的方式将中心永磁铁803和底板9固定连接，容易理解，在这种情况下，上述中心空腔由中心顶板801、中心侧板802和底板形成。
优选的，中心永磁铁803和环形永磁铁703的制作方式可以为：将NdFeB-N45材料通过金属钕、纯铁和硼铁合金烧结，并充磁至所需的磁场强度。而且，在实际应用中，上述中心永磁铁和环形永磁铁的形状并不局限于本实施例中的形状，二者可以根据具体需要进行设计。例如，环形永磁铁除了可以为圆环之外，还可以为椭圆环、长圆环或者不规则体等等。
图5为本发明实施例提供的磁控管组件与现有的磁控管的对比图。请参阅图5，现有技术的磁控管A的外圈磁场强度取决于环绕在中心永磁铁周围的13个小磁铁；与之相比，本发明的磁控管B的外圈磁场强度取决于环形永磁铁。在磁控管A和磁控管B的外圈磁铁和内圈磁铁的尺寸均相同的条件下，由于现有技术的磁控管A中，各个小磁铁之间存在间隙，而本发明的磁控管B是一个实心的闭合环体，即，其体积相对于现有技术的磁控管A多出了各个小磁铁之间的间隙的体积之和，从而本发明的磁控管B的外圈磁铁总体积大于现有技术的磁控管A的外圈磁铁总体积，进而本发明的磁控管B的外圈磁场强度势必大于现有技术的磁控管A的外圈磁场强度。这样，在相同尺寸的条件下，本发明实施例中的一体式结构的环形永磁铁具有更高的磁场强度，从而在保证磁场强度不减小的情况下，可以获得更高的功率密度，进而可以根据具体需要获得尺寸更小、功率密度更高的磁控管。
本发明还提供一种磁控溅射设备，包括靶材以及设置于靶材上方的磁控管组件，该磁控管组件用于对靶材表面进行扫描，且采用了本实施例提供的上述磁控管组件。
本发明实施例提供的磁控溅射设备，其通过采用本发明实施例提供的上述磁控管组件，不仅安装方便、安全，而且还可以提高外圈磁场的分布均匀性，以及在相同尺寸的外圈磁铁的条件下具有更高的磁场强度，从而在保证磁场强度不减小的情况下，可以获得更高的功率密度，进而可以根据具体需要获得尺寸更小、功率密度更高的磁控管。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种磁控管组件，其特征在于，包括中心永磁铁和环绕在所述中心永磁铁周围的环形永磁铁，所述中心永磁铁和所述环形永磁铁的极性相反；其中，
所述环形永磁铁采用一体式结构。
2.根据权利要求1所述的磁控管组件，其特征在于，还包括均采用导磁材料制作的底板、中心安装组件和环形安装组件，其中，
所述中心安装组件用于将所述中心磁铁包裹在其中，并将其固定在所述底板上表面的中心位置处；
所述环形安装组件用于将所述环形永磁铁包裹在其中，并将其固定在所述底板上表面的边缘位置处。
3.根据权利要求2所述的磁控管组件，其特征在于，所述环形安装组件包括环形顶板、环形内侧板和环形外侧板，其中，所述环形顶板设置在所述环形永磁铁的上端面上；所述环形内侧板和环形外侧板分别设置在所述环形永磁铁的内侧壁和外侧壁上；并且，
所述环形顶板、环形内侧板、环形外侧板和所述底板形成包裹所述环形永磁铁的环形空腔。
4.根据权利要求2或3所述的磁控管组件，其特征在于，所述中心安装组件包括中心顶板和中心侧板，其中，所述中心顶板设置在所述中心永磁铁的上端面上；所述中心侧板设置在所述中心永磁铁的外周壁上；并且，
所述中心顶板、中心侧板和所述底板形成包裹所述中心永磁铁的中心空腔。
5.根据权利要求4所述的磁控管组件，其特征在于，所述中心安装组件还包括中心安装板，所述中心安装板设置在所述中心永磁铁与所述底板之间，所述中心空腔由所述中心顶板、中心侧板和所述中心安装板形成；并且，
在所述中心安装板的下表面上设置有凸部；并且对应地，在所述底板的上表面上设置有安装孔，所述中心安装板通过所述凸部和安装孔相互配合而与所述底板固定连接。
6.根据权利要求2或3所述的磁控管组件，其特征在于，所述环形永磁铁与所述底板采用焊接的方式固定连接。
7.根据权利要求3所述的磁控管组件，其特征在于，所述环形顶板的上表面为平面。
8.根据权利要求7所述的磁控管组件，其特征在于，所述中心顶板的上表面为平面；
所述环形顶板的上表面与所述中心顶板的上表面相平齐。
9.根据权利要求1所述的磁控管组件，其特征在于，所述中心永磁铁和环形永磁铁的制作方式为：将NdFeB-N45材料通过金属钕、纯铁和硼铁合金烧结，并充磁至所需的磁场强度。
10.一种磁控溅射设备，包括靶材以及设置于靶材上方的磁控管组件，所述磁控管组件用于对所述靶材表面进行扫描，其特征在于，所述磁控管组件采用权利要求1-9中任意一项所述的磁控管组件。
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