CN108690961A - 磁控溅射组件、磁控溅射腔室及磁控溅射设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁控溅射组件，包括磁控管和靶材，所述磁控管相对于所述靶材固定设置，所述磁控管包括磁极方向相反的内磁极和外磁极，在所述内、外磁极之间形成磁场轨道。本发明还提供一种磁控溅射腔室及磁控溅射设备。本发明不仅可提高磁控溅射组件稳定性，而且还可以增加生成的磁性薄膜的应用频率范围。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体地，涉及一种磁控溅射组件、磁控溅射腔室及磁控溅射设备。
背景技术
随着技术的发展，集成电路制造工艺已可以显著缩小处理器的尺寸，但是仍然有一些诸如集成电感、噪声抑制器等的核心元器件在高频化、微型化、集成化等方面面临诸多困难。为了解决此问题，具有高磁化强度、高磁导率、高共振频率及高电阻率的软磁薄膜材料引起人们越来越多的关注。
虽然软磁薄膜材料主要考虑其高磁导率和高磁化强度，以及低矫顽力和低损耗，但是，左右软磁薄膜材料发展的一个主要因素是它的截止频率。而通过调控软磁薄膜的面内单轴各向异性场，可以实现对软磁薄膜材料的截止频率的调节。而调控软磁薄膜的面内单轴各向异性场的一个常用方法是磁场诱导沉积，其具有工艺简单、无需增加工艺步骤、对芯片伤害小等的优点，是工业生产的首选方法。
典型的磁性薄膜沉积腔室包括腔室主体，在该腔室主体内的顶部设置有靶材，且在该腔室主体内且位于靶材的下方设置有基座，用以承载待加工工件，在腔室主体的顶壁上方还设置有磁控管，磁控管在工艺过程中在电机的作用下能围绕反应腔室的中心轴而在水平平面内旋转，用以实现靶材离子的高度离化。
但是，在实际应用中由于磁控管需要旋转机构驱动进行旋转会存在以下问题：第一，旋转机构本身属于运动机构，其稳定性不好，第二，在溅射磁性材料时，磁控管产生的磁场和腔室磁场之间的作用，会给旋转机构的转轴上施加轴向上的扭矩，从而进一步造成旋转机构的稳定性差。
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，提出了一种磁控溅射组件、磁控溅射腔室及磁控溅射设备，可以提高腔室稳定性。
为实现本发明的目的而提供一种磁控溅射组件，包括磁控管和靶材，所述磁控管相对于所述靶材固定设置，所述磁控管包括磁极方向相反的内磁极和外磁极，在所述内磁极、外磁极之间形成磁场轨道。
优选地，所述靶材的投影落在所述内磁极、外磁极投影所形成的区域内，且所述磁场轨道覆盖所述靶材。
优选地，所述靶材沿其厚度方向自顶端至底端的宽度逐渐增大。
优选地，所述靶材的侧壁呈台阶状。
优选地，所述靶材的侧壁上包括至少两个连续的厚度不同的台阶。
优选地，还包括用于固定安装所述靶材的背板，所述背板上未安装所述靶材的表面上设置有靶材材料涂层。
优选地，所述内磁极和所述外磁极均为圆环磁极，且二者嵌套设置。
优选地，所述外磁极和所述内磁极同心设置。
优选地，所述内磁极和所述外磁极之间的间隙的取值范围为25.4mm～45mm。
优选地，所述靶材为圆环形靶材。
本发明还提供一种磁控溅射腔室，包括磁控溅射组件，所述磁控溅射组件采用本发明上述提供的磁控溅射组件。
优选地，还包括：偏置磁场装置，
所述偏置磁场装置用于在腔室内的基座上方形成水平磁场，该水平磁场用于在待加工工件上沉积具有面内各向异性的磁性膜层；
所述磁控溅射组件设置在腔室的顶部与所述基座相对设置。
本发明还提供一种磁控溅射设备，包括磁控溅射腔室，所述磁控溅射腔室采用本发明上述提供的磁控溅射腔室。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的磁控溅射组件，磁控管相对靶材固定设置，这与现有技术中磁控管需要旋转相比，稳定性好。
本发明提供的磁控溅射腔室，由于采用权利要求1所述的磁控溅射组件，因此，腔室稳定性好。
优选地，在磁控溅射腔室采用偏置磁场装置的情况下，由于磁控管相对靶材固定设置，可以使得靶材表面的磁场不再变化，溅射下来的磁性材料的磁场方向不再随磁场变化而变化，磁畴容易由偏置磁场装置诱导出易磁化场和难磁化场，即容易形成面内各向异性场，从而能够获得面内各向异性较强的磁性薄膜，可达39.87Oe，其制作成的微电感可以应用到频率为GHz的器件上，从而可增加磁性薄膜的应用频率范围。
本发明提供的磁控溅射设备，由于采用本发明提供的磁控溅射腔室，因此，制备的磁性薄膜的应用频率范围大且设备的稳定性好。
附图说明
图1为本发明提供的第一种磁控溅射组件的剖视图；
图2为本发明提供的第二种磁控溅射组件的剖视图；
图3a为图2中磁控管和靶材的俯视图；
图3b为图2中磁控管的俯视图；
图4为本发明提供的第三种磁控溅射组件的剖视图。
图5为采用现有的磁控溅射腔室沉积的磁性薄膜的磁滞曲线图；
图6为采用本发明提供的磁控溅射腔室沉积的磁性薄膜的磁滞曲线图。
其中，附图标记包括：10，内磁极；11，外磁极；12，磁场轨道；13，靶材；14，背板；H，图1中靶材的厚度；H1，图2中靶材的厚度；H2，图4中靶材的厚度；D，内磁极和外磁极之间的间隙。
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控溅射组件、磁控溅射腔室及磁控溅射设备进行详细描述。
实施例1
图1为本发明提供的第一种磁控溅射组件的剖视图；请参阅图1，本发明实施例提供一种磁控溅射组件，包括磁控管和靶材；磁控管相对于靶材13固定设置，磁控管包括磁极方向相反的内磁极10和外磁极11，在内、外磁极10和11之间形成磁场轨道；在图1中，靶材13为厚度为H的平面靶材，溅射完成后如图1中的虚线所示。
在实际应用中，由于磁控管固定设置，因此，磁场轨道正下方的靶材被溅射的效率很高，而其他区域的靶材被溅射的效率很低，具体请参阅图1中虚线，除了磁场轨道正下方的靶材被溅射外，其他区域的靶材基本没有被溅射掉。故，为了提高靶材的利用率，优选地，如图2所示，靶材13的投影落在内、外磁极10和11投影所形成的区域内，且磁场轨道12覆盖靶材13，在此，投影是指正投影。
在此说明的是，图2中，由于仅磁场轨道的正下方设置有靶材，而其他区域并没有设置有靶材13，因此，该其他区域也就不存在磁性材料屏蔽磁控管产生磁场的问题，也即该其他区域的磁场透过率增加，因此，在确保能够溅射的情况下，图2中的靶材13的厚度H1大于图1中的等厚靶材厚度H。可以理解，这相对图1所示的靶材而言，增加了靶材13的厚度，因此，在靶材13被溅射完之后更换磁性靶材的周期就很长，使得靶材13使用寿命增加，从而使得工业使用成本降低。
优选地，如图2所示，靶材13沿其厚度方向自顶端至底端的宽度逐渐增大，所谓厚度方向是指图2中的竖直方向，顶端是指远离磁控管的一端，底端是靠近磁控管的一端；采用该结构的靶材13是因为磁场轨道12的边缘区域溅射程度越小中间区域溅射程度较高，具体请参见图2中的溅射虚线，因此，可以进一步提高靶材的利用率。
进一步优选地，靶材13的侧壁呈台阶状，所谓侧壁是指靶材13的底端和顶端之间的表面，如图4所示；这与图2所示的靶材13相比，由于磁场穿过靶材13较薄区域的磁场强度增加，因此，中间较凸出的区域的厚度H2可以进一步地增加(即，H2＞H1)，从而可以进一步增加靶材13的使用寿命；而且，由于该靶材13的中间高边缘低，而溅射过程中中间溅射速率高，边缘溅射速率低，因而能够更好地补偿溅射速率地不均，从而能够更进一步地提高靶材的利用率。
更进一步优选地，靶材13包括至少两个连续的厚度不同的台阶，这样，能够更好地模拟为图2中溅射曲线，从而进一步地提高靶材的利用率和降低成本。
具体地，如图3a-图3b所示，内磁极10和外磁极11均为圆环磁极，且二者嵌套设置，能够使得腔室周向上等离子体密度分布相对均匀。
进一步具体地，内磁极10和外磁极11同心设置，能够进一步地使得圆柱形腔室周向上的等离子体密度分布均匀，且通常设置为内磁极10、外磁极11和腔室同心设置。
更进一步具体地，靶材13为圆环形靶材。
另外，优选地，图1和图2中靶材组件还包括用于固定安装靶材13的背板14；图2中，背板14上未安装靶材13的表面上设置有靶材材料涂层，这样，既可以避免在溅射过程中对背板直接进行溅射，而且还可以避免对工艺产生污染。
优选地，内磁极10和外磁极11之间的间隙D的取值范围在10mm～80mm，即，外磁极11的半径R2-内磁极10的半径R1的取值范围在10mm～80mm。
进一步优选地，内磁极10和外磁极11之间的间隙的取值范围在25.4mm～45mm，以使磁控管在靶材表面的磁场强度最强，容易启辉，产生稳定等离子体。
实施例2
本发明还提供一种磁控溅射腔室，包括上述实施例1提供的磁控溅射组件，稳定性较好。
优选地，本发明实施例提供的磁控溅射腔室还包括：偏置磁场装置，偏置磁场装置用于在腔室内的基座上方形成水平磁场，该水平磁场用于在待加工工件上沉积具有面内各向异性的磁性膜层，靶材组件设置在腔室的顶部与基座相对设置。
本发明提供的磁控溅射腔室，磁控溅射组件的磁控管保持固定设置，这与现有技术中磁控管需要旋转相比，可以使得靶材表面的磁场不再变化，溅射下来的磁性材料的磁场方向不再随磁场变化而变化，磁畴容易由偏置磁场装置诱导出易磁化场和难磁化场，即容易形成面内各向异性场，从而能够获得面内各向异性较强的磁性薄膜，具体地，请参阅图6，图6为采用本发明提供的磁控溅射腔室沉积的磁性薄膜的磁滞曲线图，这与图5相比，本发明获得的磁性薄膜的各向异性可达39.87Oe，其制作成的微电感可以应用到频率为GHz的器件上，从而可增加磁性薄膜的应用频率范围；另外，本发明不需要设置旋转机构驱动磁控管旋转，因此，腔室稳定性好。
实施例3
作为另外一个技术方案，本发明还提供一种磁控溅射设备，包括磁控溅射腔室，所述磁控溅射腔室采用上述实施例提供的磁控溅射腔室。
本发明实施例提供的磁控溅射设备，由于采用上述实施例提供的磁控溅射腔室，因此，制备的磁性薄膜的应用频率范围大；设备的稳定性好。
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 (13)
1.一种磁控溅射组件，包括磁控管和靶材，其特征在于，所述磁控管相对于所述靶材固定设置，所述磁控管包括磁极方向相反的内磁极和外磁极，在所述内磁极、外磁极之间形成磁场轨道。
2.根据权利要求1所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述靶材的投影落在所述内磁极、外磁极投影所形成的区域内，且所述磁场轨道覆盖所述靶材。
3.根据权利要求2所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述靶材沿其厚度方向自顶端至底端的宽度逐渐增大。
4.根据权利要求2所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述靶材的侧壁呈台阶状。
5.根据权利要求4所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述靶材的侧壁上包括至少两个连续的厚度不同的台阶。
6.根据权利要求1所述的磁控溅射组件，其特征在于，还包括用于固定安装所述靶材的背板，所述背板上未安装所述靶材的表面上设置有靶材材料涂层。
7.根据权利要求1所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述内磁极和所述外磁极均为圆环磁极，且二者嵌套设置。
8.根据权利要求7所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述外磁极和所述内磁极同心设置。
9.根据权利要求8所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述内磁极和所述外磁极之间的间隙的取值范围为25.4mm～45mm。
10.根据权利要求7所述的磁控溅射组件，其特征在于，所述靶材为圆环形靶材。
11.一种磁控溅射腔室，包括磁控溅射组件，其特征在于，所述磁控溅射组件采用权利要求1-10任意一项所述的磁控溅射组件。
12.根据权利要求11所述的磁控溅射腔室，其特征在于，还包括：偏置磁场装置，
所述偏置磁场装置用于在腔室内的基座上方形成水平磁场，该水平磁场用于在待加工工件上沉积具有面内各向异性的磁性膜层；
所述磁控溅射组件设置在腔室的顶部与所述基座相对设置。
13.一种磁控溅射设备，包括磁控溅射腔室，其特征在于，所述磁控溅射腔室采用权利要求11-12任意一项所述的磁控溅射腔室。
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