TWI482871B - 移動式細胞格磁控濺鍍靶 - Google Patents

Description

移動式細胞格磁控濺鍍靶

本發明係關於一種磁控濺鍍靶，特別是指一種在濺鍍靶後方設有細胞格磁控，該細胞格磁控依據設定運動軌跡做集體平面運動，以達到濺鍍靶材面消耗均勻，工件上的鍍膜也均勻的一種磁控濺鍍靶。

磁控濺鍍(magnetron sputtering)是指真空濺鍍腔內在濺鍍靶材的後方安排電磁鐵或永久磁鐵以產生磁場並使得磁力線由靶材後方穿透至靶材的前方，再回到的靶材的後方之電磁鐵或永久磁鐵。電漿產生器利用磁場的導引將電漿離子氣體轟擊金屬靶材的預定區域以敲出金屬原子，再沈積金屬原子於靶材下方的工件表面上以形成薄膜。電漿氣體可以包含惰性氣體如氬氣，或者是可以和靶材反應的反應氣體。

這様的結果將使得靶材猶如一個穿隧(tunnel-like)的結構形成一電子阱(electron trap)。這種效應在穿隧形的電子阱在金屬靶材形成一封閉迴路後會更進一步強化，而變得更有效率。然而，它却使電漿形成迴路，而使得靶材猶如被穿隧般的損耗，這結果將存在靶材的利用率被顯著降低的缺點。

由Pius Grunenfelder,Wangs等人於1995年所獲得的美國專利第5,399,253，發明名稱為”Plasma Generating device”揭露了一種變化的磁場以解決習知磁控濺鍍，因固定磁場所導致靶材穿隧般損耗的問題。如圖1所示靶材為1， 靶材背面有一固定環繞的磁條11固定於一極板12，而磁條11包圍的內部則有兩個會旋轉的磁條13和14。磁條13和14開始時它的N-S兩極一開始時上下的極性正好相反。旋轉磁條13、14以和靶材面法線垂直線為轉軸，一者以順時針方向旋轉，另一者則是逆時針轉。其磁力線透穿靶材1的變化如圖1a->圖1b->圖1c順序變化。圖1c時磁條13和14正好轉了180度。圖中磁力線進、出的位置將使靶材表面產生類似於穿隧足極(tunnel foot pole)16。靶材在該些位置就會消耗較快。對於大面積靶材時，該專利揭示固定磁條11內可以安排更多的旋轉磁條13和14。如圖2所示。

Pius Grunenfelder,Wangs等人於2002年獲得另一美國專利第6,454,920號，發明名稱為”Magnetron Sputtering Source”，這是改良版的磁控濺鍍源。如圖3所示，它的變化是靶材切割成複數塊1a、1b固定於一背板5，背板5下方則是冷却板或冷却管路6。靶材與靶材之間隔另設有薄片狀(strip)的陽極7a、7b。同様也有固定環繞的磁條11及旋轉磁條13和14。

Pius Grunenfelder,Wangs的專利的確對靶材的均勻消耗有所改善，濺射區域也增加了，但是靶材端部因為電子阱的不斷重疊而消耗地更快，而使得濺射鍍膜的有效區和端部的侵蝕有不均勻的現象。

有鑑於此，本發明之一目的便是要提供一技術以克服習知技術的難題。使靶材的靶面侵蝕範圍擴大，有效消除靶面不均勻的侵蝕，特別是靶材邊綠的鍍膜可以更均勻。

本發明之一目的提供一磁控濺鍍的設計，可有效解決習知磁控濺鍍端部因為電子阱的不斷重疊而消耗地更快的問題。

本發明之再一目的是使得磁控濺鍍靶的磁場控制簡易化。

本發明之又一目的是控制鍍膜均勻性。

本發明之又一目的是在靶面上同時形成複數個濺鍍源，實現高速鍍膜。

本發明揭露一種磁控濺鍍靶，包含：複數個靶材貼附於一銅底板上，該些靶材連接一負電壓；一驅動裝置；一細胞格磁控裝置，固定於銅底板之後，包含一基板、一細胞格狀磁盤、複數個磁條。而細胞格狀磁盤、及複數個磁條由外而內固定於基板上，由該驅動裝置所驅動，而以一速率在靶材所包含的範圍內，其中，該細胞格狀磁盤由相接的磁條所構成，並以相同的第一磁極面向該些靶材，而該複數個磁條係分佈於該細胞格狀磁盤的格子內，而最外的該環狀磁盤及該複數個磁條以相同的第二磁極，面向該些靶材。此外，在基板外部更包含一獨立的環狀磁盤，它是固定的。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文依本發明設計的磁控靶材的一較佳實施例，並配合所附相關圖式，作詳細說明如下。

圖4示一磁控濺鍍靶材的橫截面示意圖係沿圖5平面圖中 A-A線所繪製的橫截面示意圖。由上而下包含複數個靶材100黏貼於一銅底板110上，或是以螺絲方式固定。銅底板110下方則是冷却底板120。在另一實施例中，複數個靶材100直接黏貼於一銅質的冷却底板120。冷却底板120絕不可是鐵、鈷、鎳等鐵磁性材料以免影響磁力線分佈。另外，冷却底板120需要確實貼合於靶材100以免散熱不良。例如，以螺絲鎖住。靶材100連接於一負電壓端。複數個靶材100由一同一電源供應器供應其電源。

冷却底板120的下方則是一細胞格磁控裝置150。如圖5所示之細胞格磁控裝置150的平面示意圖，最外圈為一環狀磁盤152。圖示的環狀磁盤152標示為北極N，環狀磁盤152內部則是細胞格狀磁盤155標示為南極S，而細胞格狀磁盤155的每一個別細胞內部則包含一磁條158，標示為北極N。換言之，不管是環狀磁盤152、或細胞格狀磁盤155或磁條158的另一磁極都在進入紙面的另一端(或請參考圖4所示磁盤的下端)。

在一實施例中，細胞格磁控裝置150包含三列互相併列的方格，中間列的方格數比上、下兩列的個數少1(中間列有三個，上，下二列則有四個方格並列)，且以通過細胞格磁控裝置中心的水平線呈鏡面對稱，也以通過細胞格磁控裝置150中心的垂直線呈鏡面對稱。本發明的細胞格磁控裝置150並列的方格，又增加了許多的小中心磁條158的設計，再加上細胞格磁控裝置150不是固定而是呈運動軌跡運動(如下述)，可以使靶材消耗更加均勻，又不失磁條間電子阱的效果。

上述的細胞格磁控裝置150包含細胞格狀磁盤155及該些磁條158先固定於一基板159，基板159再由另一水平移動機 構160帶動，而使得細胞格磁控裝置150呈現以一預定的平面運動軌跡集體移動(collection motion)。環狀磁盤152則是固定於另一獨立不動的基板1591。水平平面運動軌跡，是依據以下的參數做調整，例如：靶材種類、濺鍍速率、靶材面積、靶材消耗程度、鍍膜均勻性來調整。水平移動機構160可以是包含一轉軸驅動一凸輪，或直接連接凸輪，再以齒條、齒輪及皮帶、鍊條及任意組合的其中之一連接於基板159的一轉軸。或者是馬達輸出轉軸驅動三連桿或四連桿等等組合。為避免影響真空，水平移動機構160及細胞格磁控裝置150可以設計在真空鍍腔外。當然，若在真空腔體內，就必須選用適合的軸封及機構。

基板159中心的水平平面運動軌跡，可以是例如包含圓形、橢圓或轉角為圓角的矩形、菱形的超橢圓軌跡等等，依據運動軌跡選擇適當傳動組合，來達到上述預定的運動軌跡，電子阱產生後，再變化為另一處，因此，可以使靶材的消耗均勻。另外，基板159的移動速率也可由程式控制及調整。移動速率約為0.25~2cycle/s，換算為300mm×300mm的靶材而言，約為4 cm/s~19 cm/s。上述平面運動軌跡之中心，在某些應用上不與靶材表面中心重疊，以達成一預定的鍍膜均勻性分佈。

上述的環狀磁盤152是用來增加四周靠邊靶材的濺鍍率與鍍膜的均勻性。而細胞格狀磁盤155磁盤155細胞格大小約為5mm×5mm~300mm×300mm。

另依據靶材100為矩形、圓形或多邊形的不同，細胞格狀磁盤155並不限於圖5所示的方型細胞格狀，而可以進一步變化為複數三角格組成(如圖6A所示)、複數個蜂巢格狀(如圖6B所示)， 或多層同心圓形(如圖6C所示)，多層同心花瓣(如圖6D所示)型或多層同心心形(未圖示)，方型細胞格狀、複數三角格組成、及複數個蜂巢格狀適合方形靶或圓形靶，而多層同心圓形、多層同心花瓣、多層同心心形適合於圓型或接近圓型的濺鍍靶。

本發明中細胞格磁控裝置150包含環狀磁盤152、細胞格狀磁盤155及複數個磁條158等以永久磁鐵為優先。電磁鐵為次。因此，當所採用的細胞格磁控裝置150中的磁盤152、155或磁條為永久磁鐵，細胞格磁控裝置150與靶材的距離是可以調整來達到預定的磁場強度以達到以間距來改變鍍率與均勻度的目的。

另外，整組細胞格磁控裝置150並不限於整組與濺鍍靶100同在一真空中。整組細胞格磁控裝置150也可以隔離於大氣中。

依據本發明的再一實施例，整組細胞格磁控裝置150是在一斜面上，斜面角約在5~30°之間，進而可以控制鍍膜厚度的分佈。

本發明具有以下的優點：

(1)細胞格磁控裝置150組成簡單，又因是集體運動(細胞格磁控裝置150固定於基板，基板移動軌跡就是細胞格磁控裝置150的移動軌跡)，故只需一組驅動裝置即可。

(2)細胞格磁控裝置150集體運動軌跡，依據前述參數做調整，可有效去除靶面消耗不均的問題，特別是靶材在濺鍍期間表面弧狀火花(arc)發生頻率明顯減少。另外，靶材邊緣使用率低的問題也可以有效獲得解決。

(3)細胞格磁控裝置150以集體運動使電子阱產生後，再變 化位置。變化位置的方式較之習知技術更為彈性，不會過度集中，因此，靶材消耗更為均勻。

(4)靶材、銅底板與細胞格狀磁盤分離式設計，細胞格狀磁盤更可以在大氣中，因此，調整或更換細胞格狀磁盤容易，靶材的更換也是，不會互相牽絆。

本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明的精神與發明實體僅止於上述實施例。是以在不脫離本發明的精神與範圍內所作的修改，均應包括在下述申請專利範圍內。例如，細胞格磁控裝置的四方格型細胞格狀磁鐵，在另一實施例可以不包含環狀磁盤。換言之，環狀磁盤是一選擇性元件。再一者，濺鍍靶材雖以複數個分離靶材為例，本發明的細胞格磁控裝置，具有靶材消耗均衡的效果，因此，當可應用於一細胞格磁控裝置對應單一靶材。

11‧‧‧固定環磁條

13、14‧‧‧旋轉磁條

1、1a、1b‧‧‧靶材

16‧‧‧穿隧足極

7a、7b‧‧‧片狀陽極

5‧‧‧背板

6‧‧‧冷却板或冷却管路

12‧‧‧極板

110‧‧‧銅底板

150‧‧‧細胞格磁控裝置

152‧‧‧環狀磁盤

155‧‧‧細胞格狀磁盤

158‧‧‧獨立磁條

160‧‧‧水平移動機構

159‧‧‧基板

120‧‧‧冷却底板

1591‧‧‧環狀磁盤的固定基板

圖1顯示習知的磁控濺鍍靶的橫斷面示意圖。

圖1a至圖1c顯示圖1所示的習知磁控濺鍍靶之磁力線的順序變化圖。

圖2顯示依據圖1所示習知的磁控濺鍍靶，大面積濺鍍靶時有更多的原地旋轉磁條的橫斷面示意圖。

圖3顯示再一習知的磁控濺鍍靶。

圖4顯示本發明磁控濺鍍靶沿圖5平面圖中A-A線所繪製的橫截面示意圖。

圖5顯示本發明磁控濺鍍靶之細胞格磁控裝置平面示意圖。

圖6A至圖6D 顯示本發明磁控濺鍍靶之細胞格磁控裝置四種變化型的平面視圖。

152‧‧‧環狀磁盤

150‧‧‧細胞格磁控裝置

158‧‧‧獨立磁條

155‧‧‧細胞格狀磁盤

Claims (10)

1. 一種磁控濺鍍靶，至少包含：一靶材貼附於一銅底板上，該靶材連接一負電壓；一驅動裝置；一基板位於該銅底板之後方；一細胞格磁控裝置固定於該基板，該細胞格磁控裝置包含一細胞格狀磁盤，該細胞格狀磁盤由複數個第一磁條相接而成複數個格子，及複數個位於該些格子中心的第二磁條所組成，該複數個格子以二維方式彼此相鄰接，該基板由該驅動裝置所驅動，而以一預定速率，作預定二維平面軌跡的運動，該平面軌跡之中心，不與靶材表面中心重疊，該第一磁條及該第二磁條面向該靶材的一面磁極相反。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺鍍靶，其中上述之複數個格子選自由大小不相等的方格組、大小相等的方格組、蜂巢格狀、三角格組、多層同心圓形、多層同心心型所組成的群組的其中之一種。
3. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺鍍靶，其中上述之細胞格磁控裝置更包含一環狀磁盤，圍繞並相距一預定距離固定於該細胞格狀磁盤之外的第二基板，該環狀磁盤朝向於該靶材的一面的磁極與該第一磁條的磁極相反。
4. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺鍍靶，更包含一間距調整機構，用以調整該靶材與該細胞格磁控裝置的間距，藉以改變鍍率與均勻度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺鍍靶，更包含一角度調整機構，用以調整該靶材與該細胞格磁控裝置的夾角，藉以改變鍍率與均勻度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺鍍靶，其中上述之驅動裝置包含一馬達推動一連動裝置，該連動裝置包含連桿或凸輪或齒輪、齒條或皮帶或鍊條的機構組合。
7. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺鍍靶，其中上述之銅底板與該細胞格磁控裝置之間更包含一冷却裝置。
8. 如申請專利範圍第1項所述之磁控濺鍍靶，其中上述之基板中心的平面運動軌跡包含圓形、橢圓、轉角為圓角的矩形或菱形的超橢圓軌跡的其中一種，而該預定速率約4-19cm/s。
9. 一種磁控濺鍍靶，至少包含：一靶材貼附於一銅底板上，該靶材連接一負電壓；一驅動裝置；一基板位於該銅底板之後方；一細胞格磁控裝置固定於該基板，該細胞格磁控裝置包含一細胞格狀磁盤，該細胞格狀磁盤由複數個第一磁條相接而成複數個格子，及複數個位於每一該格子中心的第二磁條所組成，所述複數個格子中該複數個格子以二維方式彼此相鄰接，該基板由該驅動裝置所驅動，而以一預定速率，作預定二維平面軌跡的運動，該平面軌跡之中心，不與靶材表面中心重疊，該第一磁條及該第二磁條面向該靶材的一面磁極相反；一環狀磁盤，圍繞並相距一預定距離固定於該細胞格狀磁盤之外的第二基板，該環狀磁盤朝向於該靶材的一面的磁極與該第一磁條的磁極相反，該第二基板是固定的。
10. 如申請專利範圍第9項所述之磁控濺射靶，其中上述之複數個格子排成三列，且每列各有複數個格子，中間列的格子數相對較少，並以通過該細胞格磁控裝置中心水平線呈鏡面對稱。