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一种磁控元件和磁控溅射装置 【EN】A kind of magnetic control element and magnetic control sputtering device

申请(专利)号:CN201610089138.2国省代码:北京 11
申请(专利权)人:【中文】北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司【EN】Beifang Microelectronic Base Equipment Proces Research Center Co., Ltd., Beijing
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摘要:
【中文】本发明提供一种磁控元件和磁控溅射装置。该磁控元件包括分别呈环状曲线的第一磁极和第二磁极,第一磁极和第二磁极极性相反,第一磁极和第二磁极相互嵌套且相互之间形成磁场,第一磁极和第二磁极之间形成的间隔区域的宽度为第一间距,第一间距能使沉积在基片上的膜层厚度均匀性不大于3%。该磁控元件通过使靶材中心区域溅射时入射粒子分布密度的减小程度明显大于靶材边缘区域溅射时入射粒子分布密度的减小程度,从而使靶材中心区域在溅射时的腐蚀速率的减慢程度明显大于靶材边缘区域在溅射时的腐蚀速率的减慢程度,从而使溅射后沉积在基片上的膜层的中心区域的厚度与边缘区域的厚度趋于一致,进而使沉积膜层的厚度均匀性不大于3%。 【EN】Paragraph:The present invention provides a kind of magnetic control element and magnetic control sputtering device.The magnetic control element includes the first magnetic pole and the second magnetic pole of curve annular in shape respectively, first magnetic pole and the second pole polarity are opposite, first magnetic pole and the second magnetic pole are mutually nested and form magnetic field each other, the width of the interval region formed between first magnetic pole and the second magnetic pole is the first spacing, and the first spacing can make the film thickness uniformity being deposited on substrate be not more than 3%.The reduction degree of incoming particle distribution density when the reduction degree of incoming particle distribution density is significantly greater than the sputtering of target rim region when the magnetic control element is sputtered by making its central region, so that the degree that slows down of corrosion rate of its central region in sputtering is significantly greater than the corrosion rate of target rim region in sputtering and slows down degree, so that the thickness of central area and the thickness of fringe region of the film layer being deposited on after sputtering on substrate reach unanimity, and then the thickness evenness of depositional coating is set to be not more than 3%.Image:201610089138.GIF

主权项:
【中文】一种磁控元件,包括分别呈环状曲线的第一磁极和第二磁极,所述第一磁极和所述第二磁极极性相反,所述第一磁极和所述第二磁极相互嵌套且相互之间形成磁场,其特征在于,所述第一磁极和所述第二磁极之间形成的间隔区域的宽度为第一间距,所述第一间距能使沉积在基片上的膜层厚度均匀性不大于3%。 【EN】1. a kind of magnetic control element, including the first magnetic pole and second of curve annular in shape respectively Magnetic pole, first magnetic pole and second pole polarity on the contrary, first magnetic pole and Second magnetic pole is mutually nested and forms magnetic field each other, it is characterised in that described The width of the interval region formed between first magnetic pole and second magnetic pole be first between Away from first spacing can be not more than the film thickness uniformity being deposited on substrate 3%.


说明书

一种磁控元件和磁控溅射装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域,具体地,涉及一种磁控元件和磁

控溅射装置。

背景技术

铟锡氧化物(ITO)薄膜在可见光区域具有良好的透光性,

并且导电性优异,被用做LED器件的透明电极层。铟锡氧化物薄

膜通常通过物理气相沉积的方法形成在基板上,物理气相沉积法

的实施通常采用磁控溅射(PVD)设备。

典型的PVD设备如图1所示。包括高真空工艺腔7、被溅射

的靶材6、磁控管8、承载基片9的托盘10,腔室11和靶材6

中间充满了去离子水,去离子水用于在磁控溅射过程中对靶材6

降温,抽气腔12能将工艺腔7中抽真空。

为了提高溅射效率,磁控管8放置在靶材6背面,它包括极

性相反的内磁极81和外磁极82,内磁极81和外磁极82之间能

在临近工艺腔7的范围内形成磁场。其中,内磁极81由一个或

多个磁铁围设成环状,外磁极82也由一个或多个磁铁围设成环

状,外磁极82包围内磁极81。内磁极81和外磁极82之间的间

隔区域能形成磁场,该磁场束缚工艺腔7内靠近靶材6附近的电

子,限制电子的运动范围,并延长电子的运动轨迹,使电子最大

幅度地离化氩原子形成氩离子,氩离子受靶材6负电压吸引轰击

靶材6,撞击出靶材原子,并在基片9上沉积,从而形成溅射膜

层。因此,内磁极81和外磁极82之间的间隔区域也被称作等离

子体路径。为了达到均匀溅射的目的,磁控管8通过电机14带

动,在靶材6表面均匀扫描,旋转速度为60-100rpm。

目前,内磁极和外磁极之间的间隔区域的宽度通常为

20-35mm。磁控管在溅射过程中都能使靶材6进行均匀腐蚀,即

相同时间内,靶材6边缘溅射下来的粒子与中心处溅射下来的粒

子数基本相等,但是由于靶材6不同半径处溅射粒子到基片9

的角度分布不同,统计结果为靶材6边缘处粒子到达基片9整体

角度小于靶材6中心处粒子到达基片9的整体角度,所以导致沉

积在基片9上的膜层13中间厚,边缘薄(如图2所示)。特别

是在短程溅射(即靶材6与基片9之间的间距为50-60mm时)工

艺中,对于通常采用得直径为300mm的基片9来说,形成在基片

9上的膜层13的厚度均匀性大于3%,且标准差均匀性大于2%,

这样的膜层13会直接影响其使用性能,同时也无法满足客户要

求。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述技术问题,提供一种磁控

元件和磁控溅射装置。该磁控元件能使靶材中心区域在溅射时的

腐蚀速率减慢,继而使靶材边缘区域在溅射时的腐蚀速率相对靶

材中心区域的腐蚀速率加快,从而使溅射后沉积在基片上的膜层

的中心区域的厚度与边缘区域的厚度趋于一致,进而改善了现有

技术中沉积膜层中间厚边缘薄的问题,使沉积膜层的厚度均匀性

能够不大于3%,也可使膜层厚度的标准差均匀性不大于2%。

本发明提供一种磁控元件,包括分别呈环状曲线的第一磁极

和第二磁极,所述第一磁极和所述第二磁极极性相反,所述第一

磁极和所述第二磁极相互嵌套且相互之间形成磁场,所述第一磁

极和所述第二磁极之间形成的间隔区域的宽度为第一间距,所述

第一间距能使沉积在基片上的膜层厚度均匀性不大于3%。

优选地,所述第一间距的范围为40-60mm。

优选地,所述第一间距为45mm。

优选地,所述第一磁极和所述第二磁极的环状曲线的极坐标

方程为r2=a×θ2+b×(tanθ)2+c,其中,a、b和c为常量,θ

为环状曲线上任意一点的极角,r为环状曲线上任意一点的极

径。

优选地,所述第一磁极和所述第二磁极的环状曲线的极坐标

方程为θ=r-arctan(r),其中,θ为环状曲线上任意一点的极角,

r为环状曲线上任意一点的极径。

优选地,所述第二磁极围设在所述第一磁极的外围,所述磁

控元件的旋转中心位于所述第一磁极和所述第二磁极之间形成

的间隔区域内,所述第二磁极的远离所述靶材中心一侧的边缘覆

盖与其对应的所述靶材的边缘。

本发明还提供一种磁控溅射装置,包括上述磁控元件。

优选地,还包括靶材,所述靶材的中心与所述磁控元件的旋

转中心相重合。

优选地,还包括托盘,用于承载基片,所述托盘设置在所述

靶材的下方,且所述托盘与所述靶材相对;所述托盘的直径小于

或等于330mm。

优选地,所述靶材与所述基片之间的间距范围为50-70mm。

优选地,所述磁控溅射装置用于溅射导体材料,所述导体材

料包括氧化铟锡、氮化钛或铜。

本发明的有益效果:本发明所提供的磁控元件,通过将第一

磁极和第二磁极之间的间隔区域的宽度设置为第一间距,第一间

距能通过使靶材中心区域溅射时入射粒子分布密度的减小程度

明显大于靶材边缘区域溅射时入射粒子分布密度的减小程度,从

而使靶材中心区域在溅射时的腐蚀速率减慢,且靶材中心区域在

溅射时的腐蚀速率的减慢程度明显大于靶材边缘区域在溅射时

的腐蚀速率的减慢程度,继而使靶材边缘区域在溅射时的腐蚀速

率相对靶材中心区域的腐蚀速率加快,进而使溅射后沉积在基片

上的膜层的中心区域的厚度与边缘区域的厚度趋于一致,改善了

沉积膜层的均匀性,解决了现有技术中沉积膜层中间厚边缘薄的

问题,使沉积膜层的厚度均匀性能够不大于3%,也可使膜层厚

度的标准差均匀性不大于2%。

本发明所提供的磁控溅射装置,通过采用上述磁控元件,使

沉积膜层的厚度均匀性能够不大于3%,也可使膜层厚度的标准

差均匀性不大于2%,从而改善了沉积膜层的均匀性,解决了沉

积膜层中间厚边缘薄的问题。

附图说明

图1为现有技术中磁控溅射设备的结构示意图;

图2为图1中的磁控溅射设备在短程溅射过程中在基片上沉

积膜层的厚度示意图;

图3为本发明实施例1中磁控元件的结构俯视图;

图4为本发明实施例1中另一种磁控元件的结构俯视图;

图5为本发明实施例1中又一种磁控元件的结构俯视图;

图6为采用图3-图5中的磁控元件时靶材的腐蚀速率示意

图;

图7为本发明实施例2中磁控元件的结构俯视图。

其中的附图标记说明:

1.第一磁极;2.第二磁极;3.间隔区域;L.第一间距;4.

靶材中心区域;5.靶材边缘区域;6.靶材;P.靶材的中心;7.

工艺腔;8.磁控管;81.内磁极;82.外磁极;9.基片;10.托盘;

11.腔室;12.抽气腔;13.膜层;14.电机;aa'.靶材中心区域所

对应的间隔区域的弧长;bb'.靶材边缘区域所对应的间隔区域的

弧长。

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

结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种磁控元件和磁

控溅射装置作进一步详细描述。

实施例1:

本实施例提供一种磁控元件,用于在磁控溅射过程中设置在

靶材6的上方,如图3所示,包括分别呈环状曲线的第一磁极1

和第二磁极2,第一磁极1和第二磁极2极性相反,第一磁极1

和第二磁极2相互嵌套且相互之间形成磁场,靶材6的中心P

用于对应位于第一磁极1和第二磁极2之间形成的间隔区域3

中,第一磁极1和第二磁极2之间形成的间隔区域3的宽度为第

一间距L,第一间距L能使沉积在基片上的膜层厚度均匀性不大

于3%。

其中,第一间距L为间隔区域3中第一磁极1的外侧边缘和

第二磁极2的内侧边缘之间的最短直线距离。第一间距L能使靶

材中心区域4溅射时入射粒子分布密度的减小程度明显大于靶

材边缘区域5溅射时入射粒子分布密度的减小程度,从而使靶材

中心区域4在溅射时的腐蚀速率的减慢程度明显大于靶材边缘

区域5在溅射时的腐蚀速率的减慢程度,进而使溅射后沉积在基

片上的膜层的中心区域的厚度与边缘区域的厚度趋于一致,最终

使沉积在基片上的膜层厚度均匀性不大于3%,也可使沉积在基

片上的膜层厚度标准差均匀性不大于2%。第一磁极1和第二磁

极2之间形成的磁场能将带电粒子束缚在靶材6表面特定区域,

从而增强电离效率,增加等离子体密度和能量,进而增加溅射率。

其中,第一间距L的范围为40-60mm。该尺寸范围的第一间

距L,相比于现有技术中20-35mm的间隔区域3的宽度,能使与

围绕靶材6的中心P的间隔区域3(也即等离子体路径区域)相

对应的靶材中心区域4溅射时入射粒子的分布密度相对减小(即

入射粒子分布相对稀疏),靶材中心区域4以外的靶材边缘区域

5溅射时入射粒子的分布密度虽然也相对减小,但由于靶材中心

区域4所对应的间隔区域3的弧长aa'较短,而靶材边缘区域5

所对应的间隔区域3的弧长bb'较长,所以靶材边缘区域5溅射

时入射粒子的分布密度的变化明显不及靶材中心区域4溅射时

入射粒子分布密度的变化大;同时,由于靶材边缘区域5对应的

间隔区域3的磁场强度和靶材中心区域4对应的间隔区域3的磁

场强度相对于现有技术均无明显变化,所以,相比于现有技术,

本实施例中的第一间距L能使靶材中心区域4在溅射时的腐蚀速

率相对减慢,而靶材边缘区域5在溅射时的腐蚀速率无明显变

化,从而使溅射后沉积在基片上的膜层的中心区域的厚度与边缘

区域的厚度趋于一致,进而改善了现有技术中沉积膜层中间厚边

缘薄的问题,使沉积膜层的厚度均匀性能够不大于3%,也可使

膜层厚度的标准差均匀性不大于2%。

需要说明的是,在磁控溅射的工艺过程中,靶材中心区域4

的溅射粒子对应沉积于基片的中心区域,以形成基片上膜层的中

心区域;靶材边缘区域5的溅射粒子对应沉积于基片的边缘区域

(即基片中心区域以外的区域),以形成基片上膜层的边缘区域。

本实施例中,优选第一间距L为45mm。该尺寸的间隔区域3

的宽度能使磁控元件对沉积形成在基片上的膜层的厚度均匀性

有最佳改善,使从而使形成的膜层能够满足客户要求。

本实施例中,第一磁极1和第二磁极2的环状曲线外形相似,

第一磁极1和第二磁极2的环状曲线外形均为哨子形;第一磁极

1和第二磁极2的环状曲线的极坐标方程为r2=a×θ2+b×(tan

θ)2+c,其中,a、b和c为常量,θ为环状曲线上任意一点的极

角,r为环状曲线上任意一点的极径。

需要说明的是,第一磁极1和第二磁极2的环状曲线外形也

可以均为对称肾形(如图4所示)或非对称肾形(如图5所示),

对称肾形和非对称肾形的环状曲线的极坐标方程式与上述哨子

形的环状曲线的环状曲线的极坐标方程式相同。

如图3-图5所示,磁控元件的旋转中心位于第一磁极1和

第二磁极2之间形成的间隔区域3内。磁控元件的旋转中心与靶

材的中心P重合,靶材6呈圆盘形,靶材6的中心P对应位于第

一磁极1和第二磁极2之间形成的间隔区域3中。如图6所示为

采用图3-图5中的磁控元件时靶材6的腐蚀速率示意图,其中,

横坐标为靶材6的半径,纵坐标为靶材6的腐蚀速率,从图6

中可以看出,在靶材6的中心P(即圆盘的圆心),也即横坐标

为0的位置,靶材6的腐蚀速率大约为1;而在靶材6的半径为

0.8的边缘位置,靶材6的腐蚀速率大约为2.2,由此可见,通

过将间隔区域3的宽度也即第一间距L的取值范围设置为

40-60mm,能使靶材中心区域4在溅射时的腐蚀速率相对未改进

前减慢,从而使靶材边缘区域5在溅射时的腐蚀速率相对靶材中

心区域4的腐蚀速率加快,从而使溅射后沉积在基片上的膜层的

中心区域的厚度与边缘区域的厚度趋于一致,进而改善了现有技

术中沉积膜层中间厚边缘薄的问题,使沉积膜层的厚度均匀性能

够不大于3%,同时使膜层厚度的标准差均匀性不大于2%。

本实施例中,第二磁极2围设在第一磁极1的外围,第二磁

极2的远离靶材6中心一侧的边缘用于覆盖与其对应的靶材6

的边缘。如此设置,在磁控溅射的工艺过程中,磁控元件形成的

磁场能够覆盖整个靶材6,加之,磁控元件在溅射过程中能以与

靶材6中心P对应的位置点为旋转中心旋转,所以能使靶材6

实现全靶腐蚀,同时还能实现靶材6的均匀腐蚀,并提高靶材6

的腐蚀效率。

实施例2:

本实施例提供一种磁控元件,与实施例1不同的是,如图7

所示,第一磁极1和第二磁极2的环状曲线外形相似,第一磁极

1和第二磁极2的环状曲线外形均为螺旋环形;第一磁极1和第

二磁极2的环状曲线的极坐标方程为θ=r-arctan(r),其中,θ

为环状曲线上任意一点的极角,r为环状曲线上任意一点的极

径。

本实施例中磁控元件的其他结构与实施例1中相同,此处不

再赘述。

实施例1-2的有益效果:实施例1-2中所提供的磁控元件,

通过将第一磁极和第二磁极之间的间隔区域的宽度设置为第一

间距,第一间距能通过使靶材中心区域溅射时入射粒子分布密度

的减小程度明显大于靶材边缘区域溅射时入射粒子分布密度的

减小程度,从而使靶材中心区域在溅射时的腐蚀速率减慢,且靶

材中心区域在溅射时的腐蚀速率的减慢程度明显大于靶材边缘

区域在溅射时的腐蚀速率的减慢程度,继而使靶材边缘区域在溅

射时的腐蚀速率相对靶材中心区域的腐蚀速率加快,进而使溅射

后沉积在基片上的膜层的中心区域的厚度与边缘区域的厚度趋

于一致,改善了现有技术中沉积膜层中间厚边缘薄的问题,使沉

积膜层的厚度均匀性能够不大于3%,也可使膜层厚度的标准差

均匀性不大于2%。

实施例3:

本实施例提供一种磁控溅射装置,包括实施例1-2任意一个

中的磁控元件。

本实施例中,磁控溅射装置还包括靶材,磁控元件位于靶材

的上方,且在靶材的正投影方向上。靶材的中心与磁控元件的旋

转中心相重合,磁控元件的第二磁极远离靶材中心的一侧的边缘

覆盖靶材的边缘。还包括托盘,用于承载基片,托盘设置在靶材

的下方,且托盘与靶材相对;托盘的直径小于或等于330mm。

即通过采用实施例1-2任意一个中的磁控元件,能使分布在直径

330mm以内的托盘上的基片沉积膜层的厚度均匀性达到不大于

3%,也可使标准差均匀性不大于2%;而现有技术中的磁控元件

只能使分布在直径300mm以内的托盘上的基片沉积膜层的厚度

均匀性可以勉强满足要求。

本实施例中,靶材与基片之间的间距范围为50-70mm。即采

用实施例1-2任意一个中的磁控元件的磁控溅射装置能更好地

改善短程溅射中沉积在基片上的膜层厚度的均匀性。需要说明的

是,对于靶材与基片之间的间距为70mm以上的长程溅射,该磁

控元件同样能改善沉积在基片上的膜层厚度的均匀性,使沉积膜

层满足要求。

本实施例中,磁控溅射装置用于溅射导体材料,导体材料包

括氧化铟锡、氮化钛或铜。

本实施例中,磁控溅射装置还包括电机,电机与磁控元件连

接,磁控元件连接电机的位置为磁控元件的旋转中心,电机能带

动磁控元件在平行于靶材的平面内绕其旋转中心旋转,旋转中心

与靶材的中心相重合。如此设置,既有利于实现全靶腐蚀,又能

提高靶材的腐蚀均匀性和腐蚀效率。

通过采用实施例1-2任意一个中的磁控元件,使该磁控溅射

装置沉积膜层的厚度均匀性能够不大于3%,也可使膜层厚度的

标准差均匀性不大于2%,从而改善了沉积膜层中间厚边缘薄的
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图1
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