旋转阴极磁棒及具有旋转阴极磁棒的旋转靶材的制作方法
【专利摘要】旋转阴极磁棒及具有旋转阴极磁棒的旋转靶材，属于溅射镀膜的关键工艺装备。本发明的旋转阴极磁棒包括磁棒支架及分布在其表面的磁铁，所述磁铁包括设置在所述磁棒支架端部区的均有按照至少一种排列曲率分布的第一组磁铁；以及设置在所述磁棒支架中部区的第二组磁铁；所述第一、第二组磁铁由多块方形磁铁组成。本发明的旋转靶材包括设置在所述靶材内部的靶材背管和靶材背管内部的一根或两根所述旋转阴极磁棒，按照圆弧轮廓排列的第一、第二组磁铁的圆弧面半径小于靶材背管的内表面圆弧面半径。本发明的旋转阴极磁棒及具有旋转阴极磁棒的旋转靶材能精确控制磁场强度分布以降低靶材端部蚀刻槽深度，提高靶材使用率。
【专利说明】旋转阴极磁棒及具有旋转阴极磁棒的旋转靶材
【技术领域】
[0001]本发明属于溅射镀膜关键工艺装备，尤其是涉及一种旋转阴极磁棒及具有旋转阴极磁棒的旋转靶材。
【背景技术】
[0002]磁控溅射镀膜是目前应用广泛的镀膜沉积工艺。溅射镀膜的原理是惰性气体在电场作用下，对靶材表面进行轰击，靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来，飞溅到基板上沉积成膜。在镀膜过程中，对磁控溅射镀膜设备的质量要求很高，其中尤为重要的是磁控溅射阴极的磁场强度分布。通常镀膜过程中因靶材两端部磁场强度与靶材中部的磁场强度比例不当，造成靶材端部区的蚀刻速度比靶材中部区的蚀刻速度快，使得靶材表面整体蚀刻轮廓不均匀，尤其是靶材两端部出现过深蚀刻槽而靶材中间部位蚀刻较浅，则实际使用时需根据靶材蚀刻槽最深部位深度接近于靶材厚度时决定是否更换新的靶材，靶材两端部出现蚀刻槽过深会造成靶材中间部位靶材浪费,使得靶材使用率降低，增加了镀膜成本。
[0003]发明专利申请CN103050358A公开了一种平面磁控溅射阴极，其包括靶材、磁体装置和磁靴。该发明改进现有技术中具有三个磁铁的磁体装置，将磁铁装置设置为具有分别设置于祀材两侧和中间的三第一磁体和对称设置于祀材中间的第一磁体两侧的二第二磁体组，并设置相邻的二第一磁体的极性以及相邻的二第二磁体组的极性排布相反，使得靶材表面的磁场强度分布更加均匀，提高靶材的利用率。但是，该发明仅是改进平面靶材表面的磁场分布，平面靶材相较于旋转靶材的利用率低；同时所述磁体装置的磁场强度的改进仅是垂直祀材表面方向的磁 场强度的改进，未对平行祀材表面方向的磁场强度改进，因此所述发明适用性不强，不能根据靶材类型精确控制磁场强度分布，尤其不能用于提高旋转靶材的利用率。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种精确控制磁场强度分布以优化靶材端部蚀刻槽的旋转阴极磁棒及具有旋转阴极磁棒的旋转靶材。
[0005]本发明的技术方案是提供一种旋转阴极磁棒，包括磁棒支架及分布在其表面的磁铁，其特征在于，所述磁铁包括设置在所述磁棒支架端部区的均有按照至少一种排列曲率分布的第一组磁铁；以及设置在所述磁棒支架中部区的第二组磁铁；所述第一、第二组磁铁由多块方形磁铁组成。所述旋转阴极磁棒用于磁控溅射沉积过程，通过在其磁棒支架端部区和中部区分别排列不同大小磁铁以使磁棒表面形成均匀的磁场强度分布，优化磁棒支架端部区和中部区的磁场强度比率，这样镀膜时靶材两端部表面蚀刻深度小于或等于靶材中部的蚀刻深度，进而提高靶材使用率。
[0006]所述第一、第二组磁铁中的磁铁分别固定排列在所述磁棒支架的表面，磁铁表面按照圆弧轮廓设计。
[0007]所述第一组磁铁中的多块磁铁在磁棒支架端部区按不同排列曲率排列成在V型和U型之间变化的任一弧度的U型。
[0008]所述第二组磁铁包括奇数N列磁场方向垂直于所述磁棒支架表面的磁铁以及偶数N-1列磁场方向平行于所述磁棒支架表面的磁铁；磁场方向垂直于所述磁棒支架表面的奇数N列磁铁与磁场方向平行于所述磁棒支架表面的偶数N-1列磁铁交替且平行分布在所述磁棒支架的中部区；磁场方向垂直于所述磁棒支架表面的奇数N列磁铁中的相邻列磁铁极性相反，而同一列上相邻磁铁极性相同；磁场方向平行于所述磁棒支架表面的偶数N-1列磁铁中的相邻列磁铁极性相反，而同一列上相邻磁铁极性相同。
[0009]所述磁棒支架为非磁性材料制成的棒。
[0010]所述第一组磁铁中的磁铁尺寸比所述第二组磁铁中的磁铁尺寸小。
[0011]本发明的另一技术方案是提供一种具有所述旋转阴极磁棒的旋转靶材，所述靶材内部有靶材背管和一根或两根设置于旋转靶材内部的磁棒，其特征在于，按照圆弧轮廓排列的第一、第二组磁铁的圆弧面半径小于靶材背管的内表面圆弧面半径。所述靶材因安装其内的阴极磁棒上不同磁铁排列而形成的磁场强度分布，使得其在磁控溅射沉积过程中被均匀蚀刻，也就是说，所述靶材端部区和中部区的蚀刻速度均匀，避免靶材过度蚀刻至背管材料。同时，还从结构尺寸方面对磁铁圆弧面半径进行改进，以避免磁铁碰撞靶材背管的内表面。
[0012]所述第一组磁体构成的弯曲磁场的平行于靶材表面方向分量的磁场强度为所述第二组磁铁构成的平行磁场的平行于靶材表面方向分量的磁场强度的20%~40%。
[0013]所述第二组磁铁构成的平行磁场的平行于靶材表面方向分量的最大磁场强度为300-1200 高斯。
[0014]所述弯曲磁场及平行磁场的磁场强度可通过选用不同的磁铁材料型号、宽度和厚度来调节。
[0015]本发明的有益效果:
(1)提高靶材使用率:通过精确控制旋转阴极磁棒端部区及中部区的磁场强度分布，优化靶材端部区的蚀刻槽深度，使整个靶材的蚀刻深度均匀分布，提高靶材使用率；
(2)降低成本:靶材使用率提高，靶材使用时间增长，则整个镀膜工艺成本降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，其中:
图1是现有镀膜工艺中的靶材表面蚀刻轮廓；
图2是本发明旋转阴极磁棒的整体磁棒安装示意图；
图3是本发明旋转阴极磁棒端部区的第一组磁铁及局部中部区的第二组磁铁安装示意图；
图4a是本发明旋转阴极磁棒端部区及中部区的磁铁分布的俯视图；
图4b是本发明旋转阴极磁棒中部区的磁铁分布的截面图；
图5a是本发明旋转阴极磁棒端部区及中部区垂直靶材表面方向的磁铁磁场强度分布
图；
图5b是本发明旋转阴极磁棒端部区及中部区平行靶材表面方向的磁铁磁场强度分布图。[0017]图中，1-蚀刻槽；2_端头磁场回转部位的祀材表面；3_中部祀材表面；4_磁棒支架；5_旋转阴极磁棒端部区；6_旋转阴极磁棒中部区；7_靶材背管。
【具体实施方式】
[0018]下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明:
图1所示为现有镀膜工艺中的靶材表面蚀刻轮廓，端头磁场回转部位的靶材表面2侵蚀较中部靶材表面3侵蚀严重，并且在靶材端部出现一定深度的蚀刻槽I。这是由通常旋转阴极磁棒的设计造成的，因其端部与中部磁场强度分布比例不适，造成靶材端部蚀刻速度过快，靶材端部出现深的蚀刻槽1，过度使用可能会蚀刻至背管，降低靶材使用率。
[0019]本发明针对现有镀膜工艺中的靶材表面蚀刻轮廓不均匀的问题，通过以下技术方案精确控制旋转阴极磁棒及靶材表面的磁场强度分布以优化靶材端部蚀刻槽深度。
[0020]实施例一 图2所示为旋转阴极磁棒的整体磁棒安装示意图。所述旋转阴极磁棒包括磁棒支架4及分布在其表面的磁铁。所述磁棒支架4的端部区5及中部区6分别分布了不同排列方式的第一组磁铁和第二组磁铁，且每组磁铁均是由多块不同大小方形磁铁组成，如长方形或正方形磁铁。所述磁棒支架4上方有安装用的螺丝孔，所述第一、第二组磁铁中的磁铁通过螺丝紧固在所述磁棒支架4的表面,且所述磁棒支架4为非磁性材料制成的棒。上述安装方式，不限于螺丝紧固方式，且可通过本领域现有技术中的其他紧固方式实现。同时，所述磁铁表面按照圆弧轮廓设计，当其安装于靶材内使用时，还需使得所述圆弧轮廓的圆弧面半径略小于靶材背管的内表面圆弧面半径，以避免磁铁碰撞靶材背管的内表面，造成磁铁破损，进而影响靶材表面磁场强度分布。
[0021]本发明最重要的一点是如何控制磁棒端部区5及中部区6磁场强度分布。
[0022]所述磁棒端部区5由按照至少一种排列曲率分布的第一组磁铁组成。图3及图4a分别可见旋转阴极磁棒端部区5的第一组磁铁安装示意图及磁铁分布俯视图，所述第一组磁铁中的多块磁铁在磁棒支架端部区5按照V型(即图4a中的B0D)和 型(即图4a中的BACD)之间变化成任一弧度的近似U型进行排列，所述弧度是依据不同排列曲率构成，V型和型为所述弧度变化的极限值，也就是排列曲率范围的端点值。所述第一磁铁中的多块大小不同的磁铁按照排列曲率端点值且不含端点值的范围内进行调整分布，可组成至少一种方式的排列方式，以配合磁棒中部区6的磁场分布,实现整体磁棒磁场均匀分布。其中磁铁分布位置及磁铁数量和形状不限于图中所示，根据实际需要作出适应变化。
[0023]所述磁棒中部区6包括奇数N列磁场方向垂直于所述磁棒支架4表面的磁铁以及偶数N-1列磁场方向平行于所述磁棒支架4表面的磁铁。其中,磁场方向垂直于所述磁棒支架4表面的N列磁铁与磁场方向平行于所述磁棒支架4表面的N-1列磁铁交替且平行分布在所述磁棒支架4的中部区6，每列磁铁由多块或整块磁铁组成。并且奇数列磁铁中的相邻列磁铁极性相反，而由多块磁铁构成的每一列上相邻磁铁极性相同；偶数列磁铁中的相邻列磁铁极性相反，由多块磁铁构成的每一列上相邻磁铁极性相同。图3、图4a及图4b可见磁棒中部区6按上述磁铁排列方式排列,其中N=3,则有3列磁场方向垂直于所述磁棒支架4表面的磁铁和2列磁场方向平行于所述磁棒支架4表面的磁铁。较之仅3列磁场方向垂直于所述磁棒支架4表面的磁铁、没有任何磁场方向平行于所述磁棒支架4表面的磁铁的情况，5列磁铁构成的第二组磁铁所形成的封闭磁场比3列磁铁构成的第二组磁铁所形成的封闭磁场更容易优化，磁场强度及均匀度均提高，且磁棒中部区6靶材蚀刻深度相对于磁棒端部区5更易优化，有效提高靶材利用率。第二组磁铁中的列数N不限于上述情况，根据实际需要进行增加，考虑到磁棒表面积有限，可通过改变磁铁形状、大小方式以配合一定数量的磁铁分布。
[0024]除了上述磁棒端部区5和中部区6磁铁分布位置的优化来控制磁棒表面磁场强度分布外，还可选用不同的磁铁材料型号、大小、宽度和厚度来调节。例如，所述第一组磁铁中的磁铁尺寸比所述第二组磁铁中的磁铁尺寸小；材料型号可选低矫顽力N、中等矫顽力M、高矫顽力H、特高矫顽力SH、超高矫顽力UH、极高矫顽力EH、甚高矫顽力TH等；磁铁宽度及厚度分别在1/2”~3”和l/4”m周节。
[0025]实施例二
上述旋转阴极磁棒安装于旋转靶材内，所述靶材内部有靶材背管和一根或两根设置于旋转靶材内部的磁棒。根据镀膜需要，可以选择不同材质的靶材，如硅、铝、钥、ITO靶等。所述靶材背管一般要求具有较好的导热性和足够的强度，可以使用的背管材料包括但不限于不锈钢、钛、钛合金等。
[0026]因旋转阴极磁棒的 端部区5及中部区6磁场强度分布改进，安装有所述旋转阴极磁棒的旋转祀材表面的垂直于祀材表面的磁场强度分量分布如图5a和平行于祀材表面的磁场强度分量分布如图5b所不。平行于祀材表面的磁场强度分布对蚀刻轮廓具有关键作用，经实验表明，所述旋转阴极磁棒及装有所述旋转阴极磁棒的靶材最优的磁场强度分布是所述第一组磁体构成的弯曲磁场(如图4a)的平行于祀材表面方向分量的磁场强度为所述第二组磁铁构成的平行磁场(如图4a)的平行于靶材表面方向分量的磁场强度的20%~40%;其中所述第二组磁铁构成的平行磁场的平行于靶材表面方向分量的最大磁场强度大约为300-1200高斯。
[0027]上面所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
【权利要求】
1.旋转阴极磁棒，包括磁棒支架及分布在其表面的磁铁，其特征在于， 所述磁铁包括设置在所述磁棒支架端部区的有按照至少一种排列曲率分布的第一组磁铁； 以及设置在所述磁棒支架中部区的第二组磁铁； 所述第一、第二组磁铁由多块方形磁铁组成。
2.根据权利要求1所述的旋转阴极磁棒，其特征在于，所述第一、第二组磁铁中的磁铁分别固定排列在所述磁棒支架的表面，磁铁表面按照圆弧轮廓设计。
3.根据权利要求2所述的旋转阴极磁棒，其特征在于，所述第一组磁铁中的多块磁铁在磁棒支架端部区按不同 排列曲率排列成在V型和u型之间变化的任一弧度的U型。
4.根据权利要求3所述的旋转阴极磁棒，其特征在于，所述第二组磁铁包括奇数N列磁场方向垂直于所述磁棒支架表面的磁铁以及偶数N-1列磁场方向平行于所述磁棒支架表面的磁铁；磁场方向垂直于所述磁棒支架表面的N列磁铁与磁场方向平行于所述磁棒支架表面的N-1列磁铁交替且平行分布在所述磁棒支架的中部区；磁场方向垂直于所述磁棒支架表面的N列磁铁中的相邻列磁铁极性相反,而同一列上相邻磁铁极性相同；磁场方向平行于所述磁棒支架表面的N-1列磁铁中的相邻列磁铁极性相反，而同一列上相邻磁铁极性相同。
5.根据权利要求4所述的旋转阴极磁棒,其特征在于,所述磁棒支架为非磁性材料制成的棒。
6.根据权利要求5所述的旋转阴极磁棒，其特征在于，所述第一组磁铁中的磁铁尺寸比所述第二组磁铁中的磁铁尺寸小。
7.安装有前述权利要求2-6之一旋转阴极磁棒的旋转靶材，所述靶材内部有靶材背管和一根或两根设置于旋转靶材内部的磁棒，其特征在于，按照圆弧轮廓排列的第一、第二组磁铁的圆弧面半径小于靶材背管的内表面圆弧面半径。
8.根据权利要求7所述的旋转靶材，其特征在于，所述第一组磁体构成的弯曲磁场的平行于靶材表面方向分量的磁场强度为所述第二组磁铁构成的平行磁场的平行于靶材表面方向分量的磁场强度的20%~40%。
9.根据权利要求8所述的旋转靶材，其特征在于，所述第二组磁铁构成的平行磁场的平行于祀材表面方向分量的最大磁场强度为300-1200高斯。
10.根据权利要求9所述的旋转靶材，所述弯曲磁场及平行磁场的磁场强度可通过选用不同的磁铁材料型号、宽度和厚度来调节。
【文档编号】C23C14/35GK103993276SQ201410197122
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】赵军, 刘钧, 陈金良, 许倩斐 申请人:浙江上方电子装备有限公司