CN1003655B - 分离磁体式平面磁控溅射源 - Google Patents
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Abstract
一种分离磁体式平面磁控溅射源，其磁场源由一固定的环状外磁组件和绕转轴旋转的内磁组件构成，水冷器的冷却水优先进入内磁组件腔Ⅲ，从内磁组件１的顶部溢出。本溅射源能产生一个或多个作圆周运动的扇形等离子体闭合环，或者产生一个能旋转的∞字形等离子体闭合环。同已有的平面磁控溅射源比较，具有靶面有效溅射区域大、溅射刻蚀均匀、靶材利用率高、薄膜的等厚度沉积面积大等优点。
Description
本发明涉及一种溅射镀覆的专用设备。
平面磁控溅射源广泛应用于集成电路、磁泡器件、约瑟夫逊器件、声学与光学器件、机械零件、塑料制品等的表面镀膜。
磁控溅射源所产生的等离子体环的状态，直接关系到阴极靶的溅射刻蚀轨迹和靶材的利用率等。常用的平面磁控溅射源其等离子区呈闭合的空间圆环或椭圆环状，阴极靶溅射轨迹为相应的圆环或椭圆环。这种溅射源的靶材利用率很低，环内、外的大部份面积靶面无法充分利用。研其原因，在于磁场源设计欠合理。
美国专利US4444643提供了一种平面磁控溅射装置，该装置包括一个板状极靶，一个冷却腔，一个转动装置，以及旋转磁装置等。旋转磁装置含有一个导磁环，若干对极性相反的永磁体，一个钢制的套盒，各永磁体对称地排列在导磁环上，采用环氧树脂封接在套盒中，该套盒偏心地固定在转轴上。旋转磁装置的上方形成一个环状等离子体，并绕轴在极靶上作圆周扫描运动，使60%的靶面得到离子轰击刻蚀。
美国专利US4498969提供了一种磁控溅射设备，其溅射源包括靶板，水冷器，以及可作旋转运动的磁装置。磁装置含有一对或多对极性相反的永磁体，极性相反的磁体之间留有均等的间隙，磁力线从间隙处向靶面泄漏，在靶面上方形成一个环状磁场，该磁场的分布状况可随磁体形状和位置的不同而不同。磁装置旋转运动，在靶面上方形成环状等离子体，靶面受离子轰击刻蚀面积达80%。
上述溅射源已用于工业生产，但存在以下缺陷：
1、靶面上存在较大的溅射死区。因为磁控溅射源能对溅射作出贡献的只是与靶面相平行的水平磁场分量，而处于磁体顶部的靶面主要存在垂直磁场分量，垂直磁场分量对于溅射不作贡献。尽管采用转动扫描，这种溅射源的阴极靶的边缘仍有一条宽度比磁场源外磁体宽度大的环形面积得不到溅射，限制了靶材利用率的进一步提高。
2、存在靶面刻蚀的不均匀性。由于不同半径的点其线速度不相同，旋转时，致使靶面上的环形溅射刻蚀区刻蚀深度存在内深外浅的弊病。这种刻蚀的不均匀性不但限制了靶材利用率的进一步提高，同时造成等厚度沉积区域变小。
3、采用的屏蔽罩其端口口径远小于溅射区的外缘，以挡住自非均匀溅射区逸出的靶原子，其等厚沉积面积远小于溅射区。
本发明的目的在于提供一种溅射区宽度大、靶材利用率高以及薄膜均匀度好的分离磁体式平面磁控溅射源。
图面说明：
图1为分离磁体式平面磁控溅射源的结构示意图，图中1-内磁组件，1′-外磁体，1″-内磁体，1″′-极靴，2-环状外磁组件，3-水冷套，4-阴极靶，5-压环，6-转轴，7-转盘，8-屏蔽罩，9-○形密封圈，10-密封圈，11-绝缘环，12-底盘，13-密封圈，14-进水管，15-动密封组件，16-铜质出水管，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ-水腔。
图2为图1的A-A剖视图。表示产生一个扇形可旋转的等离子体闭合环的分离式平面磁控溅射源的磁场源布置示意图，图中标记与图1相同。
图3为产生多个扇形可旋转的等离子体闭合环的磁场源布置示意图，图中标记与图1相同。
图4为产生一个∞字形可旋转的等离子体闭合环的磁场源布置示意图，图中标记与图1相同。
图5为溅射刻蚀后的平面阴极靶4的形貌图。
以下结合附图说明本发明的详细内容，但发明内容不限于附图说明。
分离磁体式平面磁控溅射源的工作原理示于图1，环状外磁组件2和偏心的内磁组件1在阴极靶4一侧的上方产生一个偏心的扇形磁势阱，磁场与电场在该处正交形成一个偏心的等离子体闭合环，正离子轰击阴极靶4的靶面，从靶面溅射出的靶原子沉积在位于靶上方的被镀复工件上。由于转轴6带动内磁组件1作圆周扫描运动，偏心的等离子闭合环亦同步地作出圆周扫描运动，阴极靶4受到均匀的溅射刻蚀，被镀复工件表面沉积等厚性良好的薄膜。若以一个∞字形旋转的等离子闭合环溅射，靶面同样受到均匀的溅射刻蚀。
如图1所示，本发明的分离磁体式平面磁控溅射源含有一个可作圆周运动的内磁组件1，一个固定的环状外磁组件2，一个冷却水优先进入内磁组件腔Ⅲ的水冷器，一个平面阴极靶4，一个压环5，一个底盘12，一个屏蔽罩8，以及一个带动内磁组件1和转盘7作旋转运动的转轴6。下部垫有密封圈10、绝缘环11和密封圈13的水冷套3通过若干个螺钉固定在底盘12上，设有动密封组件15的转轴6固定在水冷套3的下部，其上部开有一个中心深孔和横向通水孔，上端布置一个带有水腔Ⅱ的转盘7，下端为拖动端。
磁场源由固定的环状外磁组件2和一个或多个可作旋转运动的内磁组件1构成。环状外磁组件2包括一个环状磁体，一个下极靴，一个上极靴（压环5），固定在水冷套3的外侧。内磁组件1包括极靴1″′、外磁体1′和内磁体1″，设置在水冷器中，极靴1′″固定在转盘7上。极靴1″′是扇状，其上布置有一个V形外磁体1′和一个扇形内磁体1″，示于图2;极靴1″′是盘状，其上布置有辐射状外磁体1′和多个扇形内磁体1″，示于图3;极靴1″′是盘状，其上布置有两个ω形外磁体1′和一个与之相匹配的内磁体1″，示于图4。内磁体1″的极性与外磁体1′和环状外磁组件2的环状磁体相反。
平面形阴极靶4布置在一个带有○形密封圈9的铜质水冷套3上，用压环5固定。阴极靶4也可以通过紧固件压在一个水冷背板上。阴极靶4的外径与环状外磁组件2的内径相同。
一个端口尺寸略小于阴极靶4的屏蔽罩8固定在底盘12上，该屏蔽罩8用于限制等离子区域，同时兼作阳极，为接地电位。
水冷器结构如图1所示，为了达到冷却水优先冷却溅射区的目的。在动密封组件15内部布置1个水腔Ⅰ，转盘7上布置1个水腔Ⅱ，内磁体1″与外磁体1′构成水腔Ⅲ，水冷套3内的其余空间为水腔Ⅳ，内磁组件1与阴极靶4、铜质水冷套3之间的间隙为1mm左右，动密封组件15上开有一个横向通水孔，转轴6的上部开有一个轴向中心深孔以及分别沟通水腔Ⅰ、Ⅱ的辐向孔，位于水腔Ⅱ、Ⅲ间的极靴处开有通孔。自进水管14引入的冷却水经过水腔Ⅰ、转轴6的中心深孔、水腔Ⅱ，进入内磁组件腔Ⅲ，并从内磁组件1的上部溢出至水腔Ⅳ内，由铜质出水管16引出。由于水腔Ⅲ与靶底间的间隙很小，溢出的冷却水直接冷却了阴极靶的溅射区，转轴6、转盘7及进水管14均用非磁性的不锈钢制成。
本溅射源的水冷套3、内磁组件1、环状外磁组件2、转轴6、进水管14、出水管16以及压环5等的电位与阴极靶4的电位相同。
图5为扇形的可旋转的等离子体闭合环情况下，阴极靶4的溅射刻蚀轨迹图。
本发明的特征是：磁场源由固定的环状外磁组件2和一个或多个可作旋转运动的内磁组件1构成;内磁组件1设置在水冷器中，它包括极靴1″′、外磁体1′和内磁体1″;产生一个扇形等离子体闭合环用的内磁组件1的极靴1″′是扇状，其上布置有Ⅴ形外磁体1′和扇形内磁体1″;产生多个扇形等离子体闭合环的内磁组件1，极靴1″′是盘状，其上布置辐射状外磁体1′和多个扇形内磁体1″;产生∞形等离子体闭合环的内磁组件1的极靴1″′是盘状，其上布置有两个ω形外磁体1′和一个与之相匹配的内磁体1″;冷却水优先进入内磁组件腔Ⅲ，并从内磁组件1的上部溢出;水冷器的冷却水自进水管14引入，经水腔Ⅰ、转轴6的中心深孔及水腔Ⅱ，进入内磁组件腔Ⅲ，并从其上部溢出到水腔Ⅳ，由铜质出水管16引出。
本发明的溅射源同已有的平面磁控溅射源比较，具有下列优点：
1、靶面有效溅射区域大，90%以上的靶面能受到溅射刻蚀。
2、能建立一个或多个作圆周扫描运动的扇形等离子体闭合环，使靶材利用率提高，溅射刻蚀均匀，薄膜的等厚度沉积面积更大;还能建立一个∞字形可旋转的等离子体闭合环，可对平面靶的中心靶面产生均匀的溅射刻蚀。而已有技术仅能产生一个圆环形的等离子体闭合环，效果较差。
3、采用冷却水优先进入内磁组件腔Ⅲ，并从内磁组件1上部溢出的水冷器，使阴极靶4正在溅射的区域得到充分冷却。
4、采用一个布置在阴极靶4外侧的固定式环状外磁组件2，使溅射区最大限度地扩展到靶面的外缘，有效地提高靶材利用率，同时使运动磁体的重量大幅度减轻。这对于采用大面积阴极靶4的溅射源来说，本优点显得更为突出。而已有的溅射源，其磁场源所用的磁体为全部运动的或者全部不动的。
5、由于等离子体是作圆周运动的，被镀工件，特别是超大面积的被镀工件可静止布置而获得膜厚均匀的沉积薄膜，从而简化工件的转动装置，并缩小镀膜机钟罩尺寸。
实施例：
如图1和图3所示的分离式平面磁控溅射源，固定的环状外磁组件2环内径为200mm，布置4个能产生扇形等离子体闭合环的内磁组件1，阴极靶4直径为φ200mm，厚10mm，用纯铝制成，溅射功率为5kw（D·C），工件尺寸为φ200mm，靶面与工件间距离为100mm。转轴6的转速为60转/分。
实测结果：有效溅射区范围0～195mm，溅射区面积占靶面的92%，工件上沉积膜的等厚特性：在φ180mm范围内重复精度为±5%。靶材刻蚀程度：最深处为7mm，最浅处为6mm。
Claims (7)
1、一种分离磁体式平面磁控溅射源，包括磁场源、溅射靶及水冷器，其特征在于：
-所述的磁场源由固定的环状外磁组件2和一个或多个可作旋转运动的内磁组件1构成，其中，内磁组件1包括极靴1″′、外磁体1′和内磁体1″。
-内磁组件1设置于水冷器中，且冷却水优先进入内磁组件腔Ⅲ，并从内磁组件1的上部溢出。
2、根据权利要求1的磁控溅射源，其特征在于：内磁组件1的极靴1″′是扇状，并偏心地安装在转轴6上，其上布置有V形外磁体1′和扇形内磁体1″。
3、根据权利要求1的磁控溅射源，其特征在于：内磁组件1的极靴1″′是盘状，与转轴6同心设置，其上布置有辐射状外磁体1′和多个扇形内磁体1″。
4、根据权利要求1的磁控溅射源，其特征在于：内磁组件1的极靴1″′是盘状，与转轴6同心设置，其上布置有两个ω形外磁体1′和一个与之相匹配的内磁体1″。
5、根据权利要求1的磁控溅射源，其特征在于：水冷器的冷却水自进水管14引入，经过水腔Ⅰ、转轴6的中心深孔及水腔Ⅱ，进入内磁组件腔Ⅲ，并从其上部溢出到水腔Ⅳ，由铜质出水管16引出。
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