用于磁控溅射的磁场结构及阴极机构的制作方法

1.本实用新型涉及磁控溅射镀膜技术领域，尤其涉及一种用于磁控溅射的磁场结构及阴极机构。


背景技术：

2.目前一种理想的ito磁控溅射获得工况是在较低的溅射电压下获得较高的溅射速率。现有ito磁控溅射工艺常用的磁控管主要由三列或四列磁铁产生，所产生的磁场水平分量在圆形靶材表面的分布为峰状，随着磁场强度的增加，峰形变的尖锐，有效束缚电子的区域反而容易变窄导致溅射速率下降。
3.由于溅射电压通常与磁场强度成负相关，与溅射速率成正相关；所以为了在低电压下获得较高的溅射速率需要对起到磁控作用的磁场做一定的特殊设计才可能同时达到这两个相互矛盾的工艺需求。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种用于磁控溅射的磁场结构及阴极机构，以解决如何在较低的溅射电压下获得较高的溅射速率的问题。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案在于：
6.本实用新型提供了一种用于磁控溅射的磁场结构，包括中间列磁铁、边部磁铁和辅助列磁铁；中间列磁铁竖直设置，磁化方向竖直且垂直于靶表面；
7.两个边部磁铁对称设置于中间列磁铁两侧，边部磁铁的磁化方向垂直于中间列磁铁的磁化方向；边部磁铁靠近中间列磁铁的磁极与中间列磁铁的上端磁极相同；
8.两个辅助列磁铁对称设置于中间列磁铁两侧，辅助列磁铁设置于边部磁铁和中间列磁铁之间；辅助列磁铁靠近中间列磁铁上端的磁极与中间列磁铁上端的磁极相同。
9.进一步的，用于磁控溅射的磁场结构还包括磁轭底座，中间列磁铁、边部磁铁和辅助列磁铁卡接于磁轭底座，磁轭底座上开设有相应的凹槽。
10.进一步的，磁轭底座呈凸字形，凸字形的上表面开设有凹槽。
11.进一步的，辅助列磁铁包括至少两个辅助磁铁，辅助磁铁的上端沿中间列磁铁到边部磁铁的方向降低。
12.进一步的，辅助列磁铁的下端平齐。
13.进一步的，辅助列磁铁的磁化方向竖直。
14.进一步的，辅助列磁铁的磁化方向倾斜。
15.进一步的，以平行于磁化方向的长度为磁铁的长度，以垂直于磁化方向的长度为磁铁的宽度；边部磁铁和中间列磁铁的宽度相等，边部磁铁和中间列磁铁的长度相等。
16.进一步的，辅助列磁铁的宽度小于中间列磁铁的宽度，辅助列磁铁的长度不大于中间列磁铁的长度。
17.进一步的，辅助列磁铁的上端面低于中间列磁铁的上端面并高于边部磁铁的上端
面；辅助列磁铁的下端面低于中间列磁铁的下端面并高于边部磁铁的下端面。
18.本实用新型的另一方面，提供了一种磁控溅射阴极机构，包括上述的用于磁控溅射的磁场结构。
19.综合上述技术方案，本实用新型所能实现的技术效果在于：
20.本实用新型提供的用于磁控溅射的磁场结构包括中间列磁铁、边部磁铁和辅助列磁铁；中间列磁铁竖直设置，磁化方向竖直且垂直于靶表面；两个边部磁铁对称设置于中间列磁铁两侧，边部磁铁的磁化方向垂直于中间列磁铁的磁化方向；边部磁铁靠近中间列磁铁的磁极与中间列磁铁的上端磁极相同；两个辅助列磁铁对称设置于中间列磁铁两侧，辅助列磁铁设置于边部磁铁和中间列磁铁之间；辅助列磁铁靠近中间列磁铁上端的磁极与中间列磁铁上端的磁极相同。
21.当磁场分布在靶材表面形成窄而尖的峰形时，电子被束缚后的运动路径宽度(可类比磁控溅射平面靶中的刻蚀沟槽宽度)相应变窄，使得溅射过程是在较窄的范围内发生的，因而溅射速率会降低。
22.本实用新型通过增加辅助列磁铁以及磁体的磁化方向、磁铁位置的设计，可以阻止磁场收窄程度，并保证磁场强度，避免了因磁场强度增加导致磁场分布的峰形变得尖锐，致使有效束缚电子的磁场区域易变窄，进而引发溅射速率下降。因此，本实用新型提供的用于磁控溅射的磁场结构可以在低电压下获得较高的溅射速率。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本实用新型实施例提供的用于磁控溅射的磁场结构的示意图；
25.图2为本实用新型实施例提供的用于磁控溅射的磁场结构的示意图；
26.图3为本实用新型实施例提供的用于磁控溅射的磁场结构的示意图；
27.图4为无辅助列磁场结构示意图及磁感线；
28.图5为本实用新型实施例提供的用于磁控溅射的磁场结构的磁感线；
29.图6为无辅助列磁场结构的靶表面磁场强度；
30.图7为本实用新型实施例提供的用于磁控溅射的磁场结构的靶表面磁场强度；
31.图8为模拟测量的靶表面磁场强度范围。
32.图标：100-中间列磁铁；200-边部磁铁；300-辅助列磁铁；400-磁轭底座；310-第一辅助磁铁；320-第二辅助磁铁。
具体实施方式
33.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
34.下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.现有ito磁控溅射工艺常用的磁控管主要由三列或四列磁铁产生，所产生的磁场水平分量在圆形靶材表面的分布为峰状，随着磁场强度的增加，峰形变的尖锐，有效束缚电子的区域反而容易变窄导致溅射速率下降。
36.由于溅射电压通常与磁场强度成负相关，与溅射速率成正相关；所以为了在低电压下获得较高的溅射速率需要对起到磁控作用的磁场做一定的特殊设计才可能同时达到这两个相互矛盾的工艺需求。
37.有鉴于此，本实用新型提供了一种用于磁控溅射的磁场结构包括中间列磁铁100、边部磁铁200和辅助列磁铁300；中间列磁铁100竖直设置，磁化方向竖直且垂直于靶表面；两个边部磁铁200对称设置于中间列磁铁100两侧，边部磁铁200的磁化方向垂直于中间列磁铁100的磁化方向；边部磁铁200靠近中间列磁铁100的磁极与中间列磁铁100的上端磁极相同；两个辅助列磁铁300对称设置于中间列磁铁100两侧，辅助列磁铁300设置于边部磁铁200和中间列磁铁100之间；辅助列磁铁300靠近中间列磁铁100上端的磁极与中间列磁铁100上端的磁极相同。
38.当磁场分布在靶材表面形成窄而尖的峰形时，电子被束缚后的运动路径宽度可类比磁控溅射平面靶中的刻蚀沟槽宽度相应变窄，使得溅射过程是在较窄的范围内发生的，因而溅射速率会降低。
39.本实用新型通过增加辅助列磁铁300以及磁铁的磁化方向、磁铁位置的设计，可以阻止磁场收窄程度，并保证磁场强度，避免了因磁场强度增加导致磁场分布的峰形变得尖锐，致使有效束缚电子的磁场区域易变窄，进而引发溅射速率下降。
40.以下结合图1-图8，对本实施例提供的用于磁控溅射的磁场结构的结构和形状进行详细说明：
41.本实施例提供的用于磁控溅射的磁场结构包括中间列磁铁100、边部磁铁200、辅助列磁铁300和磁轭底座400。如图1所示，中间列磁铁100、边部磁铁200和辅助列磁铁300均卡接于磁轭底座400，磁轭底座400呈凸字形，凸字形的上表面开设有多个凹槽，中间列磁铁100、边部磁铁200和辅助列磁铁300均安装于凹槽中以实现位置和方向的固定。
42.其中，辅助列磁铁300的上端面低于中间列磁铁100的上端面并高于边部磁铁200的上端面；辅助列磁铁300的下端面低于中间列磁铁100的下端面并高于边部磁铁200的下端面。
43.具体而言，辅助列磁铁300和中间列磁铁100平行设置，n极在上，s极在下；且辅助列磁铁300的n极位置低于中间列磁铁100的n极，辅助列磁铁300的s极位置低于中间列磁铁100的s极。此外，辅助列磁铁300与中间列磁铁100在水平方向上的距离小于辅助列磁铁300与边部磁铁200的距离，显而易见的，s极和n极可根据实际需要进行对调，此时边部磁铁200的s极靠近中间列磁铁100，中间列磁铁100的s极在上方。
44.本实施例中，中间列磁铁100、辅助列磁铁300和边部磁铁200的上端面的位置依次下降；中间列磁铁100、辅助列磁铁300和边部磁铁200的下端面的位置依次下降。同时辅助列磁铁300的下端面在竖直方向上高于边部磁铁200的中点。
45.本实施例中，以平行于磁化方向的长度为磁铁的长度，以垂直于磁化方向的长度
为磁铁的宽度。如图1所示，边部磁铁200和中间列磁铁100的宽度相等，边部磁铁200和中间列磁铁100的长度相等；辅助列磁铁300的宽度小于中间列磁铁100的宽度，辅助列磁铁300的长度不大于中间列磁铁100的长度。
46.本实施例的可选方案中，辅助列磁铁300包括至少两个辅助磁铁，辅助磁铁的上端沿中间列磁铁100到边部磁铁200的方向依次降低，且辅助列磁铁300的下端平齐。
47.具体而言，如图2所示，辅助列磁铁300包括第一辅助磁铁310和第二辅助磁铁320。第一辅助磁铁310设置于第二辅助磁铁320和中间列磁铁100之间，第二辅助磁铁320的上端面低于第一辅助磁铁310的上端面且第一辅助磁铁310和第二辅助磁磁铁的下端全面平齐。第一辅助磁铁310和第二辅助磁铁320的宽度相等、高度不等。
48.即在靶筒内空间范围容许的情况下，可以通过设置更多列的辅助磁铁来拉宽靶表面的有效磁场分布范围并提高靶表面磁场强度，从而降低溅射电压并保证较高的溅射速率。
49.本实施例的可选方案中，如图1、图3所示，辅助列磁铁300的磁化方向可以平行于中间列磁铁100，即沿竖直方向，也可以倾斜，与中间列磁铁100的磁化方向成一定角度。当辅助列磁铁300的磁化方向倾斜时，如图3所示，中间列磁铁100的n极在上，辅助列磁铁300的n极靠近中间列磁铁100，辅助列磁铁300的s极靠近边部磁铁200，以拉宽靶表面的有效磁场分布范围并提高靶表面磁场强度。此时，辅助列磁铁300到中间列磁铁100和边部磁铁200的距离相等，以优化磁场分布。
50.根据本技术的实施例，提供了一种磁控溅射阴极机构，包括上述的用于磁控溅射的磁场结构。
51.本实施例提供的用于磁控溅射的磁场结构具有较高的靶表面磁场强度.如图6、图7所示，图7为本实施例中图1提供的于磁控溅射的磁场结构的磁场强度模拟计算结果，图6为图1中的磁场结构去掉辅助列磁铁300的磁场强度模拟计算结果：如图7所示，6mm靶表面磁场强度可以达到950gs以上，相比于比无辅助列磁铁300的磁场结构所能获得的靶表面磁场强度高出240gs。
52.本实施例提供的用于磁控溅射的磁场结构具有较宽的靶表面磁场分布。图5为图1显示的磁场结构的的磁场分布模拟，图4为图1显示的磁场结构去掉辅助列的磁场分布模拟。通过衡量对比图7和图6中在400gs以上的角度范围可以看出，带辅助列磁铁300的磁场结构的该角度范围为4.5
°
～41.5
°
左右，而无辅助列磁铁300的磁场结构的角度范围为5
°
～38
°
左右。因而，在相同的磁场强度条件下，通过增加辅助列磁铁300可以有效拓宽磁场区域。
53.本实施例提供的用于磁控溅射的磁场结构通过磁铁尺寸、分布、磁极方向和位置的设计，优化磁场分布，使得在具有较高的磁场强度下仍能实现较为平缓的磁场峰形，确保有效束缚电子的区域不随磁场强度的增强而变窄，实现了在低电压下获得较高的溅射速率的目的。
54.需要说明的是，本实施例提供的磁场结构并不是仅通过增加磁铁的数量来增大磁场强度，进而保证有效束缚电子的磁场区域。在同样大小的靶筒空间，同样的磁铁数量、磁铁大小的情况下，本实用新型的磁铁布置方案更有利于磁场峰形的平缓，保证有效束缚电子的区域。其中，中间列磁铁100和边部磁铁200的磁化方向设置相比于相互平行的磁化方
向更有利于拉宽磁场分布。如图5所示，磁感线从中间列磁铁100的上端进入边部磁铁200的外侧，常规的磁铁设置则是磁感线从中间列磁铁100的上端进入边部磁铁200的上端，在相同的磁铁间距的条件下，本实用新型的磁铁分布具有更宽的磁场分布。因而在相同的磁场强度条件下，本实用新型提供的磁场结构具有更宽的有效束缚电子的区域。因而可以实现增大磁场强度、降低溅射电压并保证较高的溅射速率，需要注意的是，磁场强度与溅射速率成正相关，但常规的磁场结构设计，磁场强度的增强带来的溅射速率的增大小于磁场峰形变尖锐导致的降低。
55.降低溅射电压有助于提高ito薄膜的产品质量。由于ito薄膜本身含有氧元素，磁控溅射制备ito薄膜的过程中，会产生大量的氧负离子，氧负离子在电场的作用下以一定的粒子能量会轰击到所沉积的ito薄膜表面，使ito薄膜的结晶结构和晶体状态造成结构缺陷，溅射电压越大，氧负离子轰击膜层表面的能量也越大，因而通过降低溅射电压，可有效提高产品质量，降低生产成本。
56.根据本实用新型的实施例，提供了一种磁控溅射阴极机构，包括上述的用于磁控溅射的磁场结构。
57.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。