TWM536240U - 用於濺鍍靶材的強化型磁場產生器及其圓柱型濺鍍靶材裝置 - Google Patents

Description

用於濺鍍靶材的強化型磁場產生器及其圓柱型濺鍍靶材裝置

本新型是有關於一種磁場產生器，特別是指一種用於濺鍍靶材(sputtering target)的強化型磁場產生器及其圓柱型濺鍍靶材裝置。

現有之用於一磁控濺鍍系統(magnetron sputtering system)的一圓柱型濺鍍靶材裝置，其包括一形成有一圓柱型空間的圓柱型靶材，及一設置於該圓柱型空間內之現有的磁場產生器1(見圖1)；其中，該現有之磁場產生器1所產生的磁場分佈與磁場強度，會影響該磁控濺鍍系統之一濺鍍環境中的電漿密度(plasma density)大小、該圓柱型靶材經帶電氣體離子轟擊後所濺射出之濺射粒子的分佈，及電漿對該圓柱型靶材的蝕刻軌跡(racetrack)。

參閱圖1及圖2，顯示有間隔設置於該圓柱型靶材之圓柱型空間(圖未示)內之該現有的磁場產生器1，其包括一基座10及一設置於該基座10上的磁石單元(magnetic unit)。該磁石單元具有一中央磁石11、兩設置於該基座10上的外側磁石12，及兩設置於該基座10上的端部磁石13。該中央磁石11是沿其一軸線L ₀延伸並沿該軸線L ₀的一軸向具有一長度。該等外側磁石12是沿該軸線L ₀的一徑向分別間隔位於該中央磁石11的相反兩側，且各該外側磁石12沿該軸向具有一長度。該等端部磁石13是沿該軸線L ₀分別間隔位於該中央磁石11的相反兩端；其中，該中央磁石11的長度是小於各外側磁石12的長度。

該中央磁石11長度小於各外側磁石12長度的目的是在於，增加該中央磁石11與該等端部磁石13間的距離，以藉此提升該中央磁石11與該等端部磁石13間的磁場強度，並於實施磁控濺鍍製程時增加該圓柱型靶材之相反兩端部(也就是對應於該等端部磁石13位置處)的利用率。雖然該中央磁石11長度小於各外側磁石12長度的設計有助於增加其與該等端部磁石13間的距離，以提升其間的磁場強度並增加該圓柱型靶材之相反兩端部的利用率。然而，此處需說明的是，該中央磁石11長度小於各外側磁石12長度的設計亦使電漿對該圓柱型靶材的蝕刻軌跡縮短，也就是說，該中央磁石11長度愈短，則電漿對該圓柱型靶材的蝕刻軌跡就愈短，以致於該圓柱型靶材之對應於該等端部磁石13的位置處無法被電漿有效地蝕刻(轟擊)，因而造成靶材的浪費。

本新型所屬技術領域中的相關技術人員除了需改善該中央磁石11與該等端部磁石13間的磁場強度以提升該圓柱型靶材之相反兩端部的利用率外，同樣地需改善該中央磁石11與該等外側磁石12間的磁場以藉此提升該圓柱型靶材之對應於該中央磁石11與該等外側磁石12位置處的靶材利用率。以下是以圖1與圖2所顯示之該現有的磁場產生器1為例，延伸出圖3做說明。

一般來說，若要改變如圖2所示之磁場產生器1的磁場時，通常是如圖3所示，藉由改變該中央磁石11與各外側磁時12的尺寸大小，及改變該中央磁石11與各外側磁石12間的距離等技術手段來實施。詳細地說，當該磁場產生器1是如圖2所示的結構(也就是，該中央磁石11與該等外側磁石12間的一第一距離d ₁較小)時，雖然能在濺鍍過程中使鍍膜分布易於控制，但該中央磁石11與該等外側磁石12間的切線分量之磁場強度不足，難以提升該圓柱型靶材之對應於該中央磁石11與該等外側磁石12位置處的靶材利用率。當該磁場產生器1是如圖3所示的結構(也就是，該中央磁石11與該等外側磁石12間是一較大的第二距離d ₂)時，雖可增加該中央磁石11與該等外側磁石12間的磁場強度，並提升該圓柱型靶材之對應於該中央磁石11與該等外側磁石12位置處的靶材利用率；然而，其也同時增加了該圓柱型靶材經帶電氣體離子濺射後所產生之濺射粒子的濺射角度(sputtering angle)，以致於其濺射粒子不易準確地濺射於一所欲成膜的鍍膜區(圖未示)，使鍍膜分布不易受到控制。

因此，改良該現有的磁場產生器1的結構，以在增強整體磁場強度令電漿對該圓柱型靶材的蝕刻軌跡往對應於該等端部磁石13的位置處延伸的同時，並維持較小的濺射角度使鍍膜分布易控制，是此技術領域的相關技術人員所待突破的問題。

因此，本新型之目的，即在提供一種能改善磁場強度以提升靶材利用率之用於濺鍍靶材的強化型磁場產生器。

本新型之另一目的，即提供一種圓柱型濺鍍靶材裝置。

於是，本新型用於濺鍍靶材的強化型磁場產生器包含一基座、一磁石單元，及一強化單元。

該磁石單元設置於該基座上並包括一中央磁石、兩外側磁石，及兩端部磁石。該中央磁石是沿其一軸線延伸並沿該軸線的一軸向具有一長度，該等外側磁石是沿該軸線的一徑向分別間隔位於該中央磁石的相反兩側，且各該外側磁石沿該軸向具有一長度，各該外側磁石的長度是不小於該中央磁石的長度，該等端部磁石是沿該軸線分別間隔位於該中央磁石的相反兩端。

該強化單元設置於該基座上並包括兩第一永久磁鐵(permanent magnets)，該等第一永久磁鐵是沿該軸線分別位於該中央磁石與該兩端部磁石之間。

在本新型中，該中央磁石、各該外側磁石、各該端部磁石，及各該第一永久磁鐵皆具有一第一磁極，及一磁極與該第一磁極相反的第二磁極，該中央磁石的該第一磁極背向該基座設置，各該外側磁石與各該端部磁石的該第二磁極背向該基座設置，各該第一永久磁鐵的該第一磁極與該第二磁極是分別對應接觸該中央磁石及該等端部磁石。

此外，本新型圓柱型濺鍍靶材裝置，包含一如前述之用於濺鍍靶材的強化型磁場產生器，及一圓柱型靶材。該圓柱型靶材沿其一實質平行於該磁石單元之中央磁石之軸線的軸線延伸以間隔地環圍該強化型磁場產生器，且該圓柱型靶材定義出一容置該強化型磁場產生器的圓柱型空間。

本新型之功效在於，將該強化單元之該等第一永久磁鐵沿該軸線分別設置於該中央磁石與該兩端部磁石間，以令其在整合至該圓柱型靶材之該圓柱型空間中時，不僅能提升該中央磁石與該等端部磁石間的磁場強度，還能使電漿對圓柱型靶材的蝕刻軌跡朝對應該等端部磁石位置處延伸並增加靶材利用率。

在本新型被詳細描述的前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖4、圖5與圖6，本新型用於濺鍍靶材的強化型磁場產生器M的一實施例，包含一基座2、一設置於該基座2上的磁石單元3，及一設置於該基座2上的強化單元4。

該磁石單元3包括一中央磁石31、兩外側磁石32，及兩端部磁石33。該中央磁石31是沿其一軸線L ₁延伸，並沿該軸線L ₁的一軸向具有一長度。該等外側磁石32是沿該軸線L ₁的一徑向分別間隔位於該中央磁石31的相反兩側，各該外側磁石32沿該軸向具有一長度，且各該外側磁石32的長度是不小於該中央磁石31的長度。該等端部磁石33是沿該軸線L ₁分別間隔位於該中央磁石31的相反兩端。

該強化單元4包括兩第一永久磁鐵41，及兩第二永久磁鐵42。該等第一永久磁鐵41是沿該軸線L ₁分別位於該中央磁石31與該兩端部磁石33之間，以分別連接該中央磁石31及該等端部磁石33。該等第二永久磁鐵42是沿該軸線L ₁的徑向分別位於該中央磁石31與該等外側磁石32之間。

在本新型該實施例中，該中央磁石31、各該外側磁石32、各該端部磁石33、各該第一永久磁鐵41，及各該第二永久磁鐵42皆具有一第一磁極N，及一磁極與該第一磁極N相反的第二磁極S。該磁石單元3之該中央磁石31的該第一磁極N是背向該基座2設置，且該磁石單元3之各該外側磁石32與各該端部磁石33的該第二磁極S是背向該基座2設置。該強化單元4之各該第一永久磁鐵41的該第一磁極N與該第二磁極S是分別對應接觸該中央磁石31及該等端部磁石33，且該強化單元4之各該第二永久磁鐵42的該第一磁極N與該第二磁極S是分別對應接觸該中央磁石31及該等外側磁石32。

詳細地說，在本新型該實施例中，是在不改變該中央磁石31、該等外側磁石32，及該等端部磁石33間的距離(也就是，前述各距離是實質相同於該現有之磁場產生器1之中央磁石11、該等外側磁石12及該等端部磁石13間的間距)為前提下，設置該等第一永久磁鐵41與該等第二永久磁鐵42，並配合該中央磁石31、該等外側磁石32，及該等端部磁石33的磁極，而將該等第一永久磁鐵41與該等第二永久磁鐵42的排列成如圖5所示的關係。因此，透過該強化單元4之該等第一永久磁鐵41以增強該中央磁石31與該等端部磁石33間的磁力線迴路並修飾其間的磁場分佈，且透過該強化單元4之該等第二永久磁鐵42以增強該中央磁石31與該等外側磁石32間的磁力線迴路並修飾其間的磁場分佈。

此處要補充說明的是，本新型該強化型磁場產生器M的該等端部磁石33的態樣並不限於此。各該端部磁石33還可沿該軸線L ₁的徑向延伸以連接該等外側磁石32(圖未示)，使該等端部磁石33與該等外側磁石32共同呈一環圍該中央磁石31、該等第一永久磁鐵41，及該等第二永久磁鐵42的環狀磁石。

參閱圖7，本新型之圓柱型濺鍍靶材裝置之一實施例包含該強化型磁場產生器M，及一圓柱型靶材5。該圓柱型靶材5沿其一實質平行於該磁石單元3之中央磁石31之軸線L ₁的軸線L ₂延伸，以間隔地環圍該強化型磁場產生器M，且該圓柱型靶材5定義出一容置該強化型磁場產生器M的圓柱型空間50。在本新型之圓柱型濺鍍靶材裝置之該實施例中，該圓柱型靶材5是能沿著其軸線L ₂相對該強化型磁場產生器M自轉。

再同時參閱圖5與圖6，當該強化型磁場產生器M被設置於該圓柱型靶材5的該圓柱型空間50中時，該強化型磁場產生器M之該強化單元4的該等第一永久磁鐵41與該等第二永久磁鐵42除了能增強該中央磁石31與該等端部磁石33間的磁力線迴路以提升磁場強度外，該等第一永久磁鐵41還能讓電漿對該圓柱型靶材5的蝕刻軌跡往對應該等端部磁石33之位置處延伸，以有效利用該圓柱型靶材5之相反兩端部。此外，該強化型磁場產生器M之該強化單元4的該等第二永久磁鐵42則是能讓電漿對該圓柱型靶材5的濺射角度維持於較小角度，讓該磁控濺鍍系統於濺鍍過程中，能令濺射粒子準確地濺射於該所欲成膜的鍍膜區，使鍍膜分布易於控制。相關於本新型該實施例之詳細實驗分析數據，容後說明。

另外要說明的是，本新型該強化型磁場產生器M並不受限在應用於圓柱型濺鍍靶材裝置中。只要是可供該磁控濺鍍系統使用的靶材，均可使用本新型該強化型磁場產生器M。

本新型以下是提供一比較例(也就是，該現有之磁場產生器1)及其相關實驗數據分析，以藉此清楚地說明並比較該強化型磁場產生器M與該現有之磁場產生1分別結合至該圓柱型靶材5時的功效。在該比較例中，更因如圖2與圖3所示的配置關係，而分別區分成一比較例1(見圖2)及一比較例2(見圖3)。

首先，針對該比較例之磁場產生器1與本新型該強化型磁場產生器M的該等端部磁石13、33與其對應的該中央磁石11、31間的磁通量密度(G)進行分析。

參閱圖8與圖9同時參閱附件1與附件2，分別顯示有該比較例與本新型該實施例經數值模擬所取得之磁通量密度(G)圖。此處需說明的是，圖8與圖9僅分別以單側之中央磁石11、31與端部磁石13、33間的磁通量密度(G)做說明，且圖9僅以省略掉如圖5所示之該等第二永久磁鐵42的強化型磁場產生器M分析其磁通量密度(G)做說明。由圖8與圖9可知，在該比較例之磁場產生器1與本新型該強化型磁場產生器M之該中央磁石11、31與其對應的該端部磁石13、33間的距離相同時，該比較例之最高磁通量密度僅約300 G，本新型該強化型磁場產生器M之最高磁通量密度則是提升至360 G左右，確實能有效地增強其磁通量密度。

圖10顯示有自圖8與圖9所計算取得之磁通量密度(G)。在本新型該比較例與該實施例中，是以該中央磁石11、31與其對應的該端部磁石13、33間的距離為24mm為例做說明。圖10內所顯示之兩磁通量密度曲線的峰值分別代表電漿對該比較例與該實施例之圓柱型靶材5(見圖7)對應於其中央磁石11、31與其端部磁石13、33間位置處所能形成的一蝕刻軌跡E ₁、E ₂。詳細地說，當該比較例之磁場產生器1裝設於該圓柱型靶材5(見圖7)內時，電漿對該圓柱型靶材5的蝕刻軌跡E ₁僅能到達該中央磁石11的端部。反觀該實施例，當本新型該實施例之強化型磁場產生器M裝設於該圓柱型靶材5(見圖7)內時，電漿對該圓柱型靶材5的蝕刻軌跡E ₂則能有效地向該端部磁石33延伸，因而能有效地利用該圓柱型靶材5。也就是說，本新型該實施例之強化型磁場產生器M內的該等第一永久磁鐵41，除了能增強磁通量密度外，還能增加電漿對該圓柱型靶材5的蝕刻軌跡。

接著，針對該比較例1、該比較例2之磁場產生器1與本新型該實施例之強化型磁場產生器M之該中央磁石11、31與該等外側磁石32間的磁通量密度(G)進行分析。

參閱圖11與圖12，圖11顯示有該比較例1、2之磁場產生器1整合至該圓柱型靶材5後且經數值模擬後所取得之對應的切線分量磁場B _t1、B _t2與法線分量磁場B _n1、B _n2之曲線圖；而圖12則是顯示有該比較例1之磁場產生器1與該實施例之強化型磁場產生器M整合至該圓柱型靶材5後並經數值模擬後所取得之對應的切線分量磁場B _t1、B _tM與法線分量磁場B _n1、B _nM之曲線圖。

配合參閱圖2與圖3，該比較例2相對於該比較例1而言，是藉由改變該中央磁石11與各外側磁石12的尺寸與距離，使圖11所顯示的該比較例2之切線分量磁場B _t2(~440 G)大於該比較例1之切線分量磁場B _t1(~340 G)。然而，由圖11之法線分量的磁通量密度等於0時，所對應的濺射角度可知，電漿濺射至該比較例2之該圓柱型靶材5(見圖7)時所濺射出之濺射粒子的一濺射角度θ ₂是大於該比較例1之一濺射角度θ ₁，以致於該比較例2之磁場分布未能有效地朝其中央磁石11集中。因此，該比較例2雖然能有效地增大磁通量密度，但其伴隨而來的濺射角度也會明顯地增加(即，θ ₂＞θ ₁)，以致於容易在濺鍍過程中，讓其濺射粒子不易準確地濺射於該所欲成膜的鍍膜區，使鍍膜分布不易控制。

進一步地參閱圖12，由圖12顯示可知，圖12之法線分量的磁通量密度等於0時，本新型該實施例之一濺射角度θ _M雖然略大於該比較例1的濺射角度θ ₁且小於該比較例2的濺射角度θ ₂(見圖11；即，θ ₁＜θ _M＜θ ₂)；然而，該實施例之切線分量磁場B _tM卻提升至440 G左右，不只趨近該比較例2之切線分量磁場B _t2，也相對高於該比較例1之切線分量磁場B _t1(~340 G)。因此，本新型該實施例之圓柱型濺鍍靶材裝置之該強化型磁場產生器M能在不改變其中央磁石31與外側磁石32間距的前提下，藉由該等第二永久磁鐵42增加其磁通量密度的同時，還能使其磁場分布朝其中央磁石31集中以維持其濺射角度θ _M僅略大於該比較例1之濺射角度θ ₁，從而令該實施例之圓柱型濺鍍靶材裝置在濺鍍過程中，讓鍍膜分布易於控制。經前述分析說明可知，本新型該圓柱型濺鍍靶材裝置，不僅可藉由該強化型磁場產生器M的該等第二永久磁鐵42來提升整體磁場強度外，還可藉永久磁鐵的硬磁性來改善整體的磁場分布。

綜上所述，本新型用於濺鍍靶材的該強化型磁場產生器M及其圓柱型濺鍍靶材裝置，在不改變該磁石單元3之基本結構為前提下，其透過設置於該中央磁石31與該兩端部磁石33間的該等第一永久磁鐵41，及設置於該中央磁石31與該等外側磁石32間的該等第二永久磁鐵42，除了可提升整體的磁場強度外，該等第一永久磁鐵41更能使電漿對該圓柱型靶材5的蝕刻軌跡往對應於該等端部磁石33位置處延伸以提升靶材利用率，且該等第二永久磁鐵42還能維持適當的濺射角度θ _M，從而令濺射粒子在濺鍍過程中能準確地濺鍍至該所欲成膜的鍍膜區，以讓鍍膜分布易於控制，故確實能達成本新型的目的。

惟以上所述者，僅為本新型之實施例而已，當不能以此限定本新型實施之範圍，凡是依本新型申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本新型專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧基座
5‧‧‧圓柱型靶材
3‧‧‧磁石單元
50‧‧‧圓柱型空間
31‧‧‧中央磁石
L₁‧‧‧軸線
32‧‧‧外側磁石
L₂‧‧‧軸線
33‧‧‧端部磁石
M‧‧‧強化型磁場產生器
4‧‧‧強化單元
N‧‧‧第一磁極
41‧‧‧第一永久磁鐵
S‧‧‧第二磁極
42‧‧‧第二永久磁鐵

本新型之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一局部俯視示意圖，說明一設置於一圓柱型靶材內之現有的磁場產生器； 圖2沿圖1之一直線II-II所取得的一剖面示意圖，說明該磁場產生器的一中央磁石與兩外側磁石間的距離為一第一距離d ₁； 圖3是一剖面示意圖，說明該磁場產生器的該中央磁石與該等外側磁石間的距離為一第二距離d ₂； 圖4是一立體圖，說明本新型用於濺鍍靶材的強化型磁場產生器的一實施例； 圖5是一局部俯視示意圖，說明本新型該實施例的一磁石單元之一中央磁石、兩外側磁石及兩端部磁石，與一強化單元之兩第一永久磁鐵及兩第二永久磁鐵間的相對位置； 圖6是沿圖5之一直線VI-VI所取得的一側視剖面示意圖，說明本新型該實施例的該中央磁石、該等第一永久磁鐵，及該等外側磁石間的相對位置； 圖7是一側視剖面示意圖，說明本新型圓柱型濺鍍靶材裝置的一實施例； 圖8是一磁通量密度(magnetic flux density；G)與一磁場產生器之局部俯視對照圖，說明本新型之一比較例(也就是，該現有的磁場產生器)之磁通量密度； 圖9是一磁通量密度(G)與一強化型磁場產生器之局部俯視對照圖，說明本新型該實施例於省略該等第二永久磁鐵之條件下的磁通量密度； 圖10是自圖8與圖9計算取得之一磁通量密度(G)與一局部俯視對照圖，分別說明圖8與圖9之中央磁石及端部磁石間的磁通量密度與電漿的蝕刻軌跡； 圖11是一磁通量密度(G)對角度關係圖，說明該比較例之一比較例1與一比較例2之磁場產生器在分別整合至該圓柱型濺鍍靶材裝置之一圓柱型靶材時，各圓柱型靶材的一濺射角度及其磁通量密度間的關係；及 圖12是一磁通量密度(G)對角度關係圖，說明該比較例1與本新型該實施例之各圓柱型靶材的一濺射角度及其磁通量密度間的關係。

2‧‧‧基座

3‧‧‧磁石單元

31‧‧‧中央磁石

32‧‧‧外側磁石

33‧‧‧端部磁石

4‧‧‧強化單元

41‧‧‧第一永久磁鐵

42‧‧‧第二永久磁鐵

L₁‧‧‧軸線

M‧‧‧強化型磁場產生器

N‧‧‧第一磁極

S‧‧‧第二磁極

Claims (4)

1. 一種用於濺鍍靶材的強化型磁場產生器，包含： 一基座； 一磁石單元，設置於該基座上並包括一中央磁石、兩外側磁石，及兩端部磁石，該中央磁石是沿其一軸線延伸並沿該軸線的一軸向具有一長度，該等外側磁石是沿該軸線的一徑向分別間隔位於該中央磁石的相反兩側，且各該外側磁石沿該軸向具有一長度，各該外側磁石的長度是不小於該中央磁石的長度，該等端部磁石是沿該軸線分別間隔位於該中央磁石的相反兩端；及 一強化單元，設置於該基座上並包括兩第一永久磁鐵，該等第一永久磁鐵是沿該軸線分別位於該中央磁石與該兩端部磁石之間； 其中，該中央磁石、各該外側磁石、各該端部磁石，及各該第一永久磁鐵皆具有一第一磁極，及一磁極與該第一磁極相反的第二磁極，該中央磁石的該第一磁極背向該基座設置，各該外側磁石與各該端部磁石的該第二磁極背向該基座設置，各該第一永久磁鐵的該第一磁極與該第二磁極是分別對應接觸該中央磁石及該等端部磁石。
2. 如請求項1所述的用於濺鍍靶材的強化型磁場產生器，其中，該強化單元還包括兩第二永久磁鐵，該等第二永久磁鐵是沿該軸線的徑向分別位於該中央磁石與該等外側磁石之間，且各該第二永久磁鐵具有一第一磁極與一磁極相反於該第一磁極的第二磁極，各該第二永久磁鐵的該第一磁極與該第二磁極是分別對應接觸該中央磁石及該等外側磁石。
3. 如請求項1所述的用於濺鍍靶材的強化型磁場產生器，其中，各該端部磁石還沿該軸線的徑向延伸以連接該等外側磁石。
4. 一種圓柱型濺鍍靶材裝置，包含： 一如請求項1至3任一請求項所述的強化型磁場產生器；及 一圓柱型靶材，沿其一實質平行於該磁石單元之中央磁石之軸線的軸線延伸以間隔地環圍該強化型磁場產生器，且該圓柱型靶材定義出一容置該強化型磁場產生器的圓柱型空間。