CN108239761B - 磁性靶材组件及其制备方法、溅射腔室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁性靶材组件及其制备方法、溅射腔室。本发明公开的磁性靶材组件包括：背板，背板的厚度均匀；磁性靶材，磁性靶材固定于背板，且在磁性靶材的溅射面上设置有凸起的溅射损耗部，用于防止磁性靶材被溅射穿透，从而提高磁性靶材的利用率。本发明公开的溅射腔室包含本发明的磁性靶材组件。本发明还公开了一种制备上述磁性靶材组件的制备方法。本发明公开的磁性靶材组件设置了凸起的溅射损耗部，能够防止磁性靶材被溅射穿透，从而提高磁性靶材的利用率和使用寿命。

Description

磁性靶材组件及其制备方法、溅射腔室

技术领域

本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种磁性靶材组件及其制备方法、溅射腔室。

背景技术

在集成电路与显示器的制造中，通常利用溅射腔室来溅射磁性材料并使磁性材料沉积至基板上。溅射沉积的工作原理为：将工艺气体激发形成等离子体，形成的等离子体轰击靶材，从靶材上溅射出的磁性材料沉积至基板上形成磁性薄膜。在溅射腔室中设置有磁控管，用于塑造磁场形状将磁场局限在靶材周围。

目前使用的磁性靶材组件一般为厚度均匀的磁性靶材安装在厚度均匀的背板上。而在磁性靶材的溅射工艺中存在磁聚现象，使磁性靶材溅射面上具有不同的溅射速率。

图1a示出了磁聚现象的原理，在图1a中，磁控管2000产生的磁力线用F表示，磁力线F的中轴线用C表示，在中轴线C两侧位置1和位置3处的电子受到库仑力和洛伦兹力的作用F向中轴线C的方向移动，而位置2的电子不受横向力的作用，因此，中轴线C上的等离子体密度最大，这种现象即为磁聚现象。由于磁聚现象的存在，中轴线C所对应的靶材表面区域的溅射速率大于其它区域的溅射速率，且中轴线C所对应的区域极易被溅射穿透。

图1b-1d示出了磁聚现象存在时对厚度均匀的磁性靶材的溅射过程。图1b示出了开始溅射时厚度均匀的磁性靶材的形状以及磁力线分布，从图1b可以看出，在初始阶段，磁性靶材1100’的厚度均匀，在通过磁性靶材1100’内部磁力线饱和后，部分磁力线分布于磁性靶材1100’外部；图1c示出了溅射一段时间后的磁性靶材的形状以及磁力线分布图，从图1c可以看出磁性靶材1100’溅射一段时间后，中轴线C对应区域部分已经出现凹陷；图1d示出了磁性靶材1100’即将耗尽时的磁性靶材形状和磁力线分布，从图1d可以看出磁性靶材1100’在中轴线C对应区域即将穿透，通过磁性靶材内部的部分磁力线在该区域外泄出来，随中轴线C对应区域溅射的加深，外泄的磁力线越来越多，该位置处的磁场强度越来越大，越来越多的电子聚集于此，也就在该区域产生越来越多的等离子体，该区域溅射速率越来越高，该区域靶材的消耗越来越快，当其即将被溅射穿透时，则磁性靶材1100’不能继续使用，但其它区域仍剩余大量靶材未使用。

根据上述分析可以看出在现有的靶材组件中存在以下问题：由于磁聚现象的存在，厚度均匀的磁性靶材1100’在溅射过程中，大部分区域溅射掉少量的磁性材料，小部分区域被溅射穿透，因此厚度均匀的磁性靶材利用率不高，使用寿命较短。

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，提出了一种磁性靶材组件及其制备方法、溅射腔室，能够提高磁性靶材的利用率和使用寿命。

根据本发明的一方面，提供了一种磁性靶材组件，所述磁性靶材组件包括：

背板，所述背板的厚度均匀；

磁性靶材，所述磁性靶材固定于所述背板，且在所述磁性靶材的溅射面上设置有凸起的溅射损耗部，用于防止所述磁性靶材被溅射穿透，从而提高所述磁性靶材的利用率。

可选地，根据本发明的磁性靶材组件，所述溅射损耗部为台阶状凸起。

可选地，根据本发明的磁性靶材组件，所述台阶状凸起包括至少两个连续的厚度不同的台阶。

可选地，根据本发明的磁性靶材组件，所述台阶的厚度随所述磁性靶材溅射深度的增大而增大。

可选地，根据本发明的磁性靶材组件，所述溅射损耗部的厚度范围为3mm～10mm。

根据本发明的另一方面，提供了一种溅射腔室，包括磁性靶材组件，所述磁性靶材组件采用本发明上述提供的磁性靶材组件。

根据本发明的另一方面，提供了一种磁性靶材组件的制备方法，提供实验用背板、固定在所述实验用背板上且厚度均匀的实验用磁性靶材和磁控管；

该制备方法该包括以下步骤：

步骤S1：用所述磁控管按预设工艺将所述实验用磁性靶材溅射侵蚀一定形状；

所述实验用磁性靶材被溅射侵蚀掉的形状制备工艺用磁性靶材，在工艺用磁性靶材上设置凸起的溅射损耗部；以及按照所述实验用背板的形状制备工艺用背板；

步骤S3：将所述工艺用磁性靶材安装于所述工艺用背板上，使所述溅射损耗部背离所述工艺用背板，且位于所述工艺用磁性靶材的溅射面上。

可选地，根据本发明的制备方法，所述溅射损耗部为台阶状凸起。

可选地，根据本发明的制备方法，所述台阶状凸起包括至少两个连续的不同厚度的台阶。

可选地，根据本发明的制备方法，所述台阶的厚度随所述磁性靶材溅射深度的增大而增大。

本发明具有以下有益效果：

在本发明的磁性靶材组件，在磁性靶材上设置了凸起的溅射损耗部，凸起的溅射损耗部对应了磁聚现象中等离子体聚集的区域，防止了由于磁聚现象使磁性靶材被溅射穿透，提高磁性靶材的利用率和使用寿命。

本发明的溅射腔室包含本发明的磁性靶材组件，同样提高了磁性靶材的利用率。

本发明的制备方法，制备出了利用率高、使用寿命长的靶材组件。

附图说明

图1a为磁聚现象的原理示意图；

图1b～图1d为磁聚现象存在时厚度均匀的磁性靶材的溅射过程示意图；

图2a为根据本发明一种实施方式的磁性靶材组件的剖面图；

图2b为图2a所示实施方式中磁性靶材的剖面图；

图3为根据本发明一种实施方式的磁性靶材制备方法的流程图；

图4为根据本发明一种具体实施方式的磁性靶材制备方法示意图；

图5为根据图4的制备方法得到的磁性靶材的仰视图；

图6a为厚度均匀的磁性靶材中磁力线分布示意图；

图6b为根据本发明图2a所示的磁性靶材组件的磁力线分布示意图。

其中，附图标记为：

磁性靶材组件1000、磁性靶材1100、溅射损耗部1110、背板1200、厚度均匀的磁性靶材1100’、厚度均匀的背板1200’、磁控管2000。

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，下面结合附图来对本发明提供的磁性靶材组件及其制备方法、溅射腔室进行详细描述。

实施例1

根据本发明的一种实施方式的磁性靶材组件，如图2a所示，磁性靶材组件1000包括背板1200和磁性靶材1100。其中，背板1200的厚度均匀；磁性靶材1100固定于背板1200，且在磁性靶材1100的溅射面上设置有凸起的溅射损耗部1110，用于防止磁性靶材1100被溅射穿透，从而提高磁性靶材1100的利用率。

根据本发明的一种实施方式的靶材组件，其中的磁性靶材的剖面如图2b所示，溅射损耗部1110为台阶状凸起。这是由于在厚度均匀的磁性靶材上进行溅射时，该台阶状凸起的溅射损耗部1110的能够对应覆盖由于磁聚现象在等离子体聚集的区域溅射损耗形成的形状，从而能够提高磁性靶材的利用率和使用寿命。

在本发明磁性靶材组件1000的磁性靶材1100上设置有凸起的溅射损耗部1110，凸起的溅射损耗部1110对应了磁聚现象中等离子体聚集区域，防止了由于磁聚现象使磁性靶材被溅射穿透，提高磁性靶材的利用率和使用寿命。

根据本发明的一种实施方式，台阶状凸起包括至少两个连续的厚度不同的台阶，以进一步使溅射损耗部1110更好地匹配在厚度均匀的磁性靶材上进行溅射时基于磁聚现象在等离子体聚集的区域溅射损耗形成的形状，从而进一步地提高磁性靶材的利用率和使用寿命。

优选地，台阶的厚度随磁性靶材溅射深度的增大而增大。由于溅射深度自图2a中的左侧至右侧先逐渐增大后逐渐减小，因此，如图2a所示，左侧台阶的厚度和右侧台阶的厚度小于中间台阶的厚度，这样，该溅射损耗部1110与实际溅射损耗形成的形状更相似，因此，更能够进一步提高磁性靶材的利用率和使用寿命。

在本实施例中，溅射损耗部的厚度范围为3mm～10mm，溅射损耗部的厚度范围是指溅射损耗部对应区域的磁性靶材的厚度范围。在溅射损耗部的厚度优选3～10mm时，在工艺完成之后磁性靶材的剩余量很少，提高了靶材的利用率。

另外，优选地磁性靶材1100一体成型，制备过程简单。

在本实施例中，背板1200根据腔室的结构形状可为圆形和方形等，材料为CuCr合金和无氧铜等；磁性靶材1100包括但不限于NiFe、CoZrTa、Co和Ni。

实施例2

作为本发明的另一个技术方案，本发明实施例还提供一种溅射腔室，该溅射腔室包括磁性靶材组件，磁性靶材组件采用本发明实施例1提供的磁性靶材组件。具体地，溅射腔室为磁控溅射腔室。

本实施例提供的溅射腔室，采用实施例1提供的磁性靶材组件，提高了靶材的利用率和使用寿命，因此降低了成本，提高了经济效益。

实施例3

本实施例提供了一种磁性靶材组件的制备方法，提供实验用背板、固定在实验用背板上且厚度均匀的实验用磁性靶材、磁控管，具体步骤如图3所示，首先进行步骤S1：用磁控管按预设工艺将实验用磁性靶材溅射侵蚀一定形状；然后进行步骤S2：按照实验用磁性靶材被溅射侵蚀掉的形状制备工艺用磁性靶材，在工艺用磁性靶材上设置凸起的溅射损耗部，以及按照实验用背板的形状制备工艺用的背板，优选地，溅射损耗部为台阶状凸起；最后进行步骤S3：将工艺用磁性靶材安装于工艺用背板上，使溅射损耗部背离工艺用背板，且位于工艺用磁性靶材的溅射面上；至此步骤S3结束，靶材组件制备完成。

下面将结合图4详细描述一种具体实施方式的靶材组件的制备方法：其中，磁控管2000选用旋转磁控管，其旋转的轴线为L，实线表示的磁控管为位于当前位置的磁控管，虚线表示的磁控管为曾经旋转至该位置的磁控管；作为实验用磁性靶材的磁性靶材1100’的厚度均匀，作为实验用背板的背板1200’的厚度均匀。

在步骤S1中，用图4中的磁控管2000按磁控溅射工艺对实验用的磁性靶材1100’侵蚀后的剖面上形成了如图4中虚线所示的溅射曲线，图4虚线以下部分对应被溅射侵蚀掉的靶材形状。

在步骤S2中，基于图4中虚线以下表示的被溅射侵蚀掉的靶材形状，制备的工艺用磁性靶材，制备的磁性靶材形状如图2b所示，根据被溅射侵蚀掉的形状中溅射损耗严重容易出现溅射凹陷的区域B的形状，在磁性靶材1100上设置凸起的溅射损耗部1110。同样地，按照图4中背板1200’制备工艺用背板，制备的工艺用背板的形状如图2a中背板1200，一般来说，作为工艺用背板的背板1200的形状和厚度与作为实验用背板的背板1200’的厚度和形状完全相同。

在步骤S3中，将图2b中的磁性靶材1100的上表面安装在工艺用背板1200上，最终得到如图2a所示的磁性靶材组件1000。

结合图3和图4所示的制备方法制备得到的磁性靶材1100上的溅射损耗部为环形，具体参见图5所示的磁性靶材的仰视图，图中两个环形粗线限定的环形结构为凸起的台阶状溅射损耗部。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，可基于本发明的原理根据磁控管的设置方式相应设置溅射损耗部。

本发明实施例提供的磁性靶材组件的制备方法，可以制备实施例1提供的利用率高、使用寿命长的磁性靶材组件。

进一步优选地，台阶状凸起包括至少两个连续的不同厚度的台阶。

更进一步优选地，台阶的厚度随磁性靶材溅射深度的增大而增大。

可以理解的是，本发明实施例提供的磁性靶材组件，由于在磁性靶材的溅射凹陷出现的区域B被溅射掉磁性靶材的厚度H1后，溅射凹陷未出现的区域A还有较多的剩余靶材，由于溅射损耗部与该溅射凹陷出现的区域B对应设置，因此可以继续进行溅射，这与厚度均匀的磁性靶材相比，明显的提高了磁性靶材的使用寿命和利用率。

在此需要说明的是，在图4中厚度均匀的磁性靶材1100’的厚度H一般为在保证起辉情况下而具有的最大厚度；为了提高磁性靶材的利用率和使用寿命，在磁性靶材1100上设置的凸起的溅射损耗部1110，但是设置的溅射损耗部1110具有一定的磁场屏蔽作用，因此，在本实施方式中通过减薄磁性靶材1110的厚度，以使更多地磁力线穿过磁性靶材1100来达到起辉，因此，图6b所示的磁性靶材的厚度H1小于图6a中厚度均匀的实验用磁性靶材1100’的厚度H；当然，为了尽可能地提高磁性靶材的使用寿命，磁性靶材的厚度H₁应减薄至保证起辉磁场强度下的最大厚度值。

图6a为厚度均匀的磁性靶材的磁力线的分布示意图，图6b为本发明磁性靶材组件的磁力线分布示意图，并且，图6b中的厚度H₁小于图6a中的厚度H。通过对比图6a和图6b可以看出，本发明中的磁性靶材组件可以使磁力线更容易穿过磁性靶材，使磁性靶材溅射表面的磁场强度更强，因此容易起辉，从而保证溅射工艺的稳定性。

还需要说明的是，在本实施例中，按照实验用背板的形状制备工艺用背板，优选地，使工艺用的背板与实验用背板的形状、材料和厚度等参数完全相同，也即可以用实验用背板作为工艺用背板，从而简化制备工艺且降低成本。

优选地，可采用一体成型工艺制备工艺用的磁性靶材，这样，不仅便于制备，而且可靠性高。

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 (8)

1.一种磁性靶材组件，其特征在于，所述磁性靶材组件包括：

背板，所述背板的厚度均匀；

磁性靶材，所述磁性靶材固定于所述背板，且在所述磁性靶材的溅射面上设置有凸起的溅射损耗部，用于防止所述磁性靶材被溅射穿透，从而提高所述磁性靶材的利用率；其中，

所述溅射损耗部为台阶状凸起；所述台阶状凸起与基于磁聚现象在等离子体聚集的区域溅射损耗形成的形状匹配；并且，

所述磁性靶材的厚度小于保证起辉磁场强度的最大厚度值。

2.根据权利要求1所述的磁性靶材组件，其特征在于，所述台阶状凸起包括至少两个连续的厚度不同的台阶。

3.根据权利要求2所述的磁性靶材组件，其特征在于，所述台阶的厚度随所述磁性靶材溅射深度的增大而增大。

4.根据权利要求1所述的磁性靶材组件，其特征在于，所述溅射损耗部的厚度范围为3mm～10mm。

5.一种溅射腔室，包括磁性靶材组件，其特征在于，所述磁性靶材组件采用权利要求1-4中任一所述的磁性靶材组件。

6.一种磁性靶材组件的制备方法，其特征在于，提供实验用背板、固定在所述实验用背板上且厚度均匀的实验用磁性靶材和磁控管；该制备方法包括以下步骤：

步骤S1：用所述磁控管按预设工艺将所述实验用磁性靶材溅射侵蚀一定形状，所述实验用磁性靶材的厚度为保证起辉磁场强度的最大厚度值；

步骤S2：按照所述实验用磁性靶材被溅射侵蚀掉的形状制备工艺用磁性靶材，在工艺用磁性靶材上设置凸起的溅射损耗部，并且减薄所述工艺用磁性靶材的厚度，使所述工艺用磁性靶材的厚度小于所述实验用磁性靶材的厚度；以及按照所述实验用背板的形状制备工艺用背板；

步骤S3：将所述工艺用磁性靶材安装于所述工艺用背板上，使所述溅射损耗部背离所述工艺用背板，且位于所述工艺用磁性靶材的溅射面上；其中，

所述溅射损耗部为台阶状凸起；所述台阶状凸起与基于磁聚现象在等离子体聚集的区域溅射损耗形成的形状匹配。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述台阶状凸起包括至少两个连续的不同厚度的台阶。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述台阶的厚度随所述磁性靶材溅射深度的增大而增大。

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