专利名称：增强的磁控溅射靶的制作方法
技术领域：
本发明涉及溅射靶，特别涉及增强的溅射靶，用于改善磁控溅射系统内的性能。
背景技术：
使用二极溅射系统对衬底表面施加靶材料层。在靶和衬底之间施加电场，在溅射室内产生等离子区。来自等离子区的离子与靶碰撞，从靶材料逐出靶材料的原子，被逐出的原子附着在衬底表面上形成膜。
磁控溅射系统通过使用除了电场之外的磁场改善了二极溅射系统的溅射速率。磁控溅射系统在溅射靶后布置了磁性阵列，以在靶的有效表面上方产生磁场。磁场截获靶有效表面附近的等离子区内的离子，从而增加了等离子体密度，改善了溅射速率。然而，当溅射铁磁性靶材料时，通过磁控溅射系统提供的益处减小或丧失了。
磁性材料诸如铁磁性钴镍合金的淀积用在如磁性数据存储器的应用中。这些材料的高磁导率和低通过通量使得在磁控溅射系统中很难溅射。具体而言，由磁控溅射系统磁性阵列产生的磁场的大部分或全部分流通过靶内部而不是通过并位于靶有效表面的上方。
靶生产商试图寻找解决与铁磁性靶材料有关的溅射难题的方法。例如，努力通过热处理或冷处理在靶内引入应力，以提高制靶材料的通过通量和降低磁导率。然而，改善这些特性的能力是有限的。另一种解决方案包括改进磁控溅射系统的布置或构造，以增加所产生的磁场。这些解决方案也并不理想。
因此，需要改善的磁控溅射靶，其改善了铁磁性材料的溅射效率，而不需要对现有的磁控溅射系统作大的改进。
发明内容
本发明通过在溅射靶中嵌入磁体克服了常规溅射靶的上述不足。具体而言，一个或多个磁体被嵌入溅射靶的背面并经过取向以增加穿过溅射靶进入溅射室的磁场。通过增加溅射室内的磁场，增加了等离子体密度，这改善了溅射速率，并可以减少工作电压。
根据本发明的一个方面，提供了在磁控溅射系统中使用的溅射靶。该溅射靶包括有效表面，靶材料从该有效表面溅射；和与有效表面相对的背面。至少一个磁体被嵌入溅射靶的背面。磁体进一步经过取向，以增加穿过靶有效表面的磁场。溅射靶通常包括铁磁性材料，然而，也可使用非铁磁性材料。
优选地，嵌入的磁体是稀土磁体并与磁控溅射系统的溅射轨迹的中心对准。另外，磁体优选以离有效表面的深度大于溅射轨迹的最大深度嵌入靶中。
增强的溅射靶也可包括与靶的背面结合的后板。磁体可以嵌入后板、靶材料、或嵌入两者中。
已经前面概括了本发明使得可以迅速地理解本发明的本质。通过参考以下发明的详细说明和附图可以更详细和全面了解本发明的优选实施方案。
图1是说明磁控溅射系统部件的图。
图2A是说明常规溅射靶的剖视图。
图2B是说明本发明的一个实施方案的溅射靶的剖视图。
图3A是说明具有后板的常规溅射靶的剖视图。
图3B是说明本发明的一个实施方案的具有后板的溅射靶的剖视图。
具体实施例方式
图1是说明磁控溅射系统10的部件图。磁控溅射系统10包括溅射靶11，靶材料从该溅射靶11溅射到衬底12的表面上。在该系统操作期间，衬底12位于由外壳13和溅射靶11形成的溅射室中。磁控溅射系统10进一步包括磁性阵列，其在图1中以磁体14a到14c表示，用于在溅射靶11的有效表面11a上方产生磁场。需要指出的是，所示的磁控溅射系统10只是磁控溅射系统的一个例子而并非包括系统操作过程中使用的全部部件。本领域的技术人员可以理解本发明在具有不同于图1所示布置的磁控溅射系统中的应用性。
为了从溅射靶11溅射靶材料，使溅射室充满工作气体如氩气，并在溅射靶11和衬底12之间施加电场。电场在分裂器室中使工作气体分解产生等离子体。等离子区内的离子被吸引并与溅射靶11的有效表面11a碰撞。这些碰撞逐出靶材料的原子，这些原子然后移向并附着到衬底12的表面上，在该表面上形成膜。
磁控溅射系统10使用磁性阵列，在图1中以磁体14a到14c表示，以改善溅射工艺。磁性阵列产生磁场，其在图1中以虚线表示。如图1所示，磁场穿透溅射靶11进入溅射室。磁场通过截获等离子区内的离子增加了有效表面11a附近的等离子体密度，增加的等离子体密度改善了系统的溅射速率，并使系统可在较低的电压下操作。磁体14a到14c用于表示磁控溅射系统中使用的许多磁性阵列中的任何一种。可使用本领域技术人员已知的具有任何形状、大小和/或布置的电磁体或者永久性磁体实现磁性阵列。
图1所示的磁场穿透溅射靶11代表磁控溅射系统10的优选操作模式。然而，如上所述，当在常规系统中溅射铁磁性材料时磁场穿透减小。这种穿透减小是由铁磁性材料典型的高磁导率和低通过通量特征所引起的。图2A是说明常规铁磁性溅射靶21和由磁体24a到24c表示的磁控溅射系统磁性阵列的剖视图。铁磁性材料通常具有高磁导率和低通过通量。因此，当磁体24a到24c产生如虚线所示的磁场时，磁场分流通过溅射靶21的内部而不是穿透有效表面21a进入溅射室内。当磁场不穿透进入溅射室中时，磁控溅射系统的优点大部分丧失，并且该系统的操作类似于常规的二极溅射系统。
图2B是说明本发明的一个实施方案的铁磁性溅射靶21的剖视图。与图2A中所述布置类似，由磁体24a到24c表示的磁控溅射系统磁性阵列位于溅射靶21的背面21b附近。然而，为了阻止由磁体24a到24c产生的磁场的分流，磁体25a和25b被嵌入背面21b中。可使用许多磁性材料中的任何一种实现磁体25a和25b。例如，可使用由钐钴或者钕铁硼化物制成的稀土磁体作为磁体25a和25b。本领域的技术人员可以理解也可使用其它磁性材料和磁性物质源而不脱离本发明的保护范围。
磁体25a和25b在溅射靶21内经过取向以阻止磁场穿过靶内部的分流并增加磁场穿透有效表面21a进入溅射室内的量。为了达到这种结果，本发明的一个实施方案使磁体25a和25b的磁极相对于由磁体24a到24c所示的磁性阵列的磁极进行取向。具体而言，25a和25b的磁极取向为与磁性阵列的磁极平行。可以理解，该取向表述本发明的一个实施方案，其它增加磁场穿透溅射靶21的取向也落入本发明的保护范围内。
所嵌入的磁体的形状和布置随着用于靶材料溅射的磁控溅射系统中磁性阵列布置的不同而不同。磁性阵列的布置定义了有效表面21a内一个或多个轨道的位置。溅射轨迹表示当溅射靶材料时在有效表面21a内形成的蚀刻图形。典型的溅射轨迹如图2B所示的点线。根据本发明的一个实施方案，磁体25a和25b在溅射轨迹的宽度内排列，优选与溅射轨迹的中心对准。在图2B所示的布置中，将磁体25a和25b与溅射轨迹中心对准使这些磁体位于成对的磁体24a到24c之间。可以理解图2B中所示的磁体25a、25b和24a到24c的布置只是简单的例子，它们用于代表磁控溅射系统中使用的许多不同磁性阵列的布置。本发明不试图局限于图2B中所示布置，根据磁控管设计，选择性的布置可采用具有适当形状的单个嵌入磁体或具有各种形状的多个磁体。本领域的技术人员可以理解在本发明范围内的嵌入磁体的可供选择的形状和布置基于特定磁控管设计的不同而不同。
磁体25a和25b嵌入溅射靶21内而不是简单地将它们布置在背面21b上的一个优点是布置磁体25a和25b使它们与有效表面21a接近。这增加了磁场穿透有效表面21a进入溅射室内的量，从而改善了溅射工艺。根据本发明的一个实施方案，磁体25a和25b以离有效表面21a的深度刚好低于溅射轨迹的最大深度嵌入。这使得磁体可接近有效表面21a，而防止由磁体自身溅射引起的污染。
使用本领域技术人员已知的多种方法将磁体25a和25b嵌入背面21b中。例如，可使用常规的加工技术转出每个磁体所需的孔。然后将磁体压配到孔中，使用已知的焊接技术或这些方法的结合进行焊接。
图2A和图2B说明了单块的靶结构，其直接安装在磁控溅射系统内的溅射阴极上方。图3A和图3B说明了具有两部分结构的溅射靶。具体而言，溅射靶31与后板36连接，在溅射工艺期间后板36安装在溅射阴极上。
与图2A类似，图3A说明了常规铁磁性溅射靶和由磁体34a到34c表示的磁控溅射系统磁性阵列的剖视图。如图3A所示，溅射靶的铁磁性材使由磁性阵列产生的虚线所示的磁场分流通过溅射靶。因此，通过磁控溅射系统提供的溅射工艺的改善减少或丧失。
图3B说明了本发明的一个实施方案的铁磁性溅射靶的剖视图。如图3B所示，磁体35a和35b嵌入到后板36中。除了磁体35a和35b是嵌入后板36而不是嵌入靶材料中之外，磁体35a和35b相对于磁性阵列与溅射靶的取向和布置与上述图2B中所述的磁体25a和25b的相同。
将磁体嵌入后板中的优点是当溅射靶已经消耗时，可除去后板并将其与新的溅射靶结合。具有两部分结构的溅射靶的选择性实施方案包括在后板36的界面处将磁体35a和35b嵌入溅射靶31中(与图2B中所示类似)。另外，磁体35a和35b可完全或部分地嵌入在溅射靶31和后板36中。
如上所述，本发明提供了用于增强磁控溅射系统中使用的溅射靶的新方法。本发明提供的显著优点是对靶本身作了增强而不是对磁控溅射系统作大的改进。本发明已经在上下文中描述了由铁磁性溅射材料制成的溅射靶。然而，可以理解，本发明同样适用于非铁磁性溅射靶来改善溅射速率。另外，本发明不限于具有特定形状的溅射靶。例如，溅射靶可包括环形、矩形等。
上述的详细说明适用于说明本发明的优选方案。然而，上述例子并未企图限制本发明的范围，本发明的范围应该用权利要求进行解释说明。可以理解，可实施本发明所述例子的各种变体而不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.用在磁控溅射系统中的溅射靶，包括具有有效表面和与有效表面相对的背面的靶，靶材料从有效表面溅射；和至少一个磁体，其嵌入所述靶的背面并经过取向以增加穿过所述靶有效表面的磁场。
2.权利要求1的溅射靶，其中靶材料具有铁磁性。
3.权利要求1的溅射靶，其中所述至少一个磁体与磁控溅射系统的溅射轨迹对准。
4.权利要求3的溅射靶，其中所述至少一个磁体与溅射轨迹的中心对准。
5.权利要求1的溅射靶，其中所述至少一个磁体是稀土磁体。
6.权利要求1的溅射靶，其中所述至少一个磁体以离有效表面的深度大于所述靶有效表面上的溅射轨迹的最大深度嵌入所述靶中。
7.权利要求1的溅射靶，进一步包括与所述靶的背面结合的后板。
8.权利要求1的溅射靶，其中所述至少一个磁体的磁极与磁控溅射系统的磁极平行排列。
9.用在磁控溅射系统中的溅射靶，包括具有有效表面和与有效表面相对的背面的靶，靶材料从有效表面溅射；与所述靶的背面结合的后板；和至少一个磁体，其嵌入所述后板并经过取向以增加穿过所述靶有效表面的磁场。
10.权利要求9的溅射靶，其中靶材料具有铁磁性。
11.权利要求9的溅射靶，其中所述至少一个磁体与磁控溅射系统的溅射轨迹对准。
12.权利要求11的溅射靶，其中所述至少一个磁体与溅射轨迹的中心对准。
13.权利要求9的溅射靶，其中所述至少一个磁体是稀土磁体。
14.权利要求9的溅射靶，其中所述至少一个磁体的磁极与磁控溅射系统的磁极平行排列。
15.权利要求9的溅射靶，其中所述至少一个磁体还嵌入所述靶的背面。
16.权利要求14的溅射靶，其中所述至少一个磁体以离有效表面的深度大于所述靶有效表面上的溅射轨迹的最大深度嵌入所述靶中。
全文摘要
本发明提供了用在磁控溅射系统中的增强的溅射靶，该溅射靶包括有效表面和与有效表面相对的背面，靶材料从有效表面溅射。至少一个磁体嵌入该靶的背面并经过取向以增加穿过该靶的有效表面的磁场。
文档编号C23C14/35GK1896297SQ200510114068
公开日2007年1月17日 申请日期2005年10月18日 优先权日2005年7月11日
发明者程远达, 杨兴波, 史蒂文·罗杰·肯尼迪 申请人:黑罗伊斯有限公司