CN1004558B - 枪式磁控溅射源 - Google Patents
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Abstract
一种带有能直接向靶面喷工作气体的充气器、能对阴极靶４的底部和侧面进行有效冷却的水冷器和采用高导磁率的软磁材料制成的中心阳极的枪式磁控溅射源。同已有的磁控溅射源比较，靶材利用率提高８０％以上，溅射速率提高５０％。对于集成电路、塑料制品、玻璃陶瓷、工艺品、金属零件的表面，应用装有本溅射源的磁控溅射机镀覆一层结合牢固的金属薄膜后，能提高其应用价值，产生良好的经济效益。应用本技术可方便地对现有的镀膜机进行改造。
Description
本发明涉及溅射镀覆的专用设备。
枪式磁控溅射源是磁控溅射镀膜机的核心部件，广泛应用于集成电路、家用电器、机械零件、塑料制品以及工艺品等的表面溅射一层牢固的金属膜。
US 4060470专利提出了一种经过改进的枪式磁控溅射源，该溅射源主要由一个磁场源、一个阴极靶、一个水冷器、一个中心阳极以及一个屏蔽罩等组成。在其轴心布置一个比地电位高0-40V的中心阳极，中心阳极的外侧依次布置一个带-（500～700）V的呈倒锥形的阴极靶、一个用于冷却靶的环状水冷器、一组环形磁场源、一个用于约束等离子体的接地的屏蔽罩，靶水冷器和环状磁场源的电位与阴极靶相同，以上零部件均同轴地布置在一个接地的底法兰上。
上述溅射源，由中心阳极与阴极靶产生的电场E和磁场源产生的磁场B，在阴极靶的上方构成一个正交的E×B场，初始电子在正交的E×B场作用下，在E×B场内作无休止的环状轮摆运动，这种电子在运动过程中与工作气体，如Ar分子碰撞使工作气体电离，于是在阴极靶的上方形成一个环状的等离子体，其正离子受阴极靶负电势的吸引而轰击阴极靶面，靶面原子从正离子获得动能而成为自由原子，沉积在工件表面形成薄膜。
该溅射源的阴极靶与水冷器间采用动配合，溅射时靶受正离子轰击产生热膨胀，与水冷器紧密接触而散热。中心阳极能有效地捕集逃逸的二次电子，使工件免遭二次电子轰击。
这种结构的枪式磁控溅射源已广泛应用于工业生产，但存在下列缺点：
1、其磁场源由磁钢和上下极靴构成，中心阳极采用铜材制成，这种磁场源所产生的磁力线呈指向轴心的倒圆锥状，磁场的水平分量小且不均匀，导致靶材溅射刻蚀的区域小且不均匀。
2、采用以截面为三角形的环形阴极靶。以适应不均匀的刻蚀，这种结构的靶不仅加工制作麻烦，且限制了溅射速率和靶材利用率的提高，其溅射速率为1μ/min，靶材利用率为50%以下。
3、所布置的水冷器只能冷却阴极靶的外侧面，阴极靶的底部得不到有效的冷却。
4、需另设充气管路。
本发明的任务在于提供一种结构合理、溅射速率大、靶材利用率高、安装使用方便的枪式磁控溅射源。
附图说明：
图1为本发明的枪式磁控溅射源的结构示意图。图中1-阳极头，2-螺纹处开有两个竖向凹槽的螺钉，3-阳极体，4-阴极靶，5-进气管，6-屏蔽罩，7-进水管，8-外胆，9-内侧厚度减薄的上极靴，10-同阴极靶外侧和底部接触的铜质的内胆，11-出水管，12-磁钢，13-下极靴，14-底法兰，15-绝缘体，16-密封圈，17-绝缘管，18-导气管，19、20-铜质水管，21-绝缘体，22-密封圈，23-密封圈，24、25-绝缘体，26-密封圈，27、28-绝缘体，29-密封圈，30-绝缘体，31-密封圈，32、33-绝缘体。
图2为中心阳极的剖视图，图中标记与图1相同。
图3为图2的A-A剖视图，图中标记与图1相同。
图4为图2的B-B剖视图，图中标记与图1相同。
图5为磁场示意图，图中标记与图1相同。
图6为充气器气流流向示意图，图中标记与图1相同。
图7为实施例2所述的平面靶的布置图。图中4′-平面靶，其余标记与图1相同。
以下结合附图说明详细叙述本发明的具体内容，但发明内容不限于附图说明。
如图1所示，本发明的枪式磁控溅射源主要包含一个磁场源，一个采用导磁材料制成的中心阳极，一个环状等厚的阴极靶4，一个能使阴极靶4底部、侧面和上极靴9同时得到有效冷却的水冷器，一个使阴极靶4靶面始终保持洁净工作气氛的充气器以及一个约束等离子体的屏蔽罩6。
在中心阳极的外侧，依次布置下极靴13，内胆10，外胆8，环形磁钢12，上极靴9以及屏蔽罩6，一个外径比内胆10略小的环形等厚的阴极靶4同轴地置于内胆10上。
中心阳极的结构如图2所示，它由一个阳极头1、一个螺钉2和一个阳极体3组成。阳极头1的轴心开一个用于布置螺钉2的通孔，该通孔的下部设置一个扩孔，上端面与扩孔之间布置若干个斜向孔，螺钉2的螺纹处开2个相互对称的竖向凹槽，该凹槽的下端开一个连接槽。阳极体3的上端开一个通冷却水的环形腔，该环形腔的底部开2个对称的轴向通孔，其下端分别焊接一个铜质进水管19和一个铜质出水管20。阳极体3的轴心开一个通工作气体用的中心通孔，其上部布置内螺纹，下部布置若干个辐向孔，如图3所示。该中心通孔外接铜质进气管5、绝缘螺母17和导气管18。采用螺钉2将阳极头1和阳极体3连为一体。本中心阳极的特征是阳极头1、螺钉2和阳极体3均用高导磁率的软磁材料，如纯铁制成，利于增大磁场强度的水平分量，并扩大水平磁场的分布范围，使靶面溅射区域扩大，从而提高溅射速率和靶材利用率;设有工作气体通道，使工作气体直接喷向靶面，利于靶面获得洁净的工作气氛。
中心阳极通过绝缘体21、密封圈22、23和绝缘体24用若干个螺钉固定在底法兰14上。
冷却阴极靶4的水冷器，其冷却水通过铜质的进水管7，进入由一个铜质的外胆8、上极靴9、一个同阴极靶4的外侧和底部相接触的内胆10构成的水冷套，自铜质的出水管11引出。出水管11通过绝缘体15、30密封圈16、31和绝缘体32用若干个螺钉固定在底法兰14上。进水管7的布置方式与出水管11相同。其特征是构成水冷套的内胆10与上极靴9、阴极靶4的底部和侧面同时接触，使阴极靶4得到有效的冷却。
如图5所示，磁场源由一个环形磁钢12、一个环形的下磁靴13、一个上磁靴9以及一个中心阳极组成。其特征是中心阳极采用高导磁率的软磁材料制成，上极靴9内圆处开有一个环形沉隔，令上极靴9内圆处厚度减薄，在此处形成磁场饱和泄漏。下极靴13的内孔径比阳极体3外径大3mm左右。
由环形磁钢12产生的磁场，经上极靴9，从其沉隔处充分饱和面向空间泄漏，指向导磁的阳极头1，经阳极体3以及阳极体3与下极靴13之间的间隙，进入下极靴13，回到环形磁钢12。这种结构的磁场源不仅使平面状靶上的水平磁场分量增强，而且使水平磁场的分布区域加宽，从而拓宽了靶面的有效溅射区域。图5中的点划线示出了从平面状阴极靶4穿过的磁力线开关，虚线示出了该阴极靶被溅射刻蚀后的图形。
如图6所示，本溅射源所采用的充气器，其特征是进入阳极体3中心通孔内的工作气体，其一部份通过螺钉2的2个凹槽至阳极头1的若干个斜向孔喷出，另一部份通过阳极体3下部的若干个辐向孔后，分别经过中心阳极外侧间隙和屏蔽罩6内侧间隙从阴极靶4的内侧和四周喷向靶面，使靶面始终保持洁净的工作气氛。该充气器的进气通道可以布置在中心阳极上，也可布置在溅射源的其他部位上。
以上各零部件均布置在一个接地的底法兰14上，溅射源所需的水、电、气均从底法兰14底部引入。中心阳地对地电位为0-40V的正偏压，电压由阳极水管19或20引入，阴极靶4对中心阳极为负500V左右，其电压由进水管7或出水管11引入，磁钢12、上极靴9、下极靴13以及水冷套与阴极靶同电位。底法兰14的下端与一个引出件相连接，溅射所需的水和气的管道及电源馈线均从该引出件引出到真空室外。整个溅射源构成一个完整的插入件。
如图7所示，当移出阳极头1和螺钉2时，可放置一个没有内孔的等厚的圆形阴极靶4′。
本设计的溅射源同已有的同类溅射源比较，具有如下独特的优点：
1、以本设计的平面型阴极靶4替换已有的截面为三角形的靶，在靶材直径相同的情况下，靶的面积增大80%，靶材利用率提高80%以上。
2、靶面的有效溅射区增大80%，溅射速率提高50%。
3、有一个同时冷却靶的外侧和底部的水冷器，靶材温升较低，能满足大功率密度的溅射的要求。
4、具有一个只向靶面喷射工作气体的充气器，能使靶面始终维持新鲜而纯净的工作气氛，有利靶面和薄膜的纯洁。
5、充气器和溅射源合为一体，使结构大为简化，安装使用方便。可将普通的真空镀膜机方便地改装为用途广泛的磁控溅射机。
实施例1：
如图1所示的枪式磁控溅射源，采用纯铝制成平面环形的阴极靶4，其外径为φ85mm，内径为φ30mm，厚度为15mm。中心阳极用纯铁制成，其直径为26mm。氩气流量为150SCCM，溅射气压范围为1.33×10-1～5Pa。冷却水流量为0.3m3/h，额定功率为5KW，阴极电位为-500V，中心阳极电位为0～+40V，阴极电流10A，工件与靶面距离为100mm。
实测结果：靶面的水平磁场强度为450～500高斯，水平磁场强度的不均匀度≤5%，沉积速率≥1.5μ/min，冷却水温升≤45℃，靶材温升为47～53℃，靶材利用率为85%，靶平均功率密度为104W/cm2。氩气压强为1.3Pa时，能稳定运行。
实施例2：
如图7所示的溅射源，靶为平面型，用纯铝制成，其外径为φ85mm（无中心孔），厚15mm，靶对地电位为-500V，阳极体3的电位与靶相同，其余参数与实施例1相同。
实测结果：靶面水平磁场强度在φ85～φ35mm范围内为450～500高斯，在φ35以内为450～200高斯，有效溅射区占靶面积的95%左右，溅射速率为1.7μ/min。
Claims (10)
1、一种枪式磁控溅射源，由磁场源、阴极靶、中心阳极、屏蔽罩及水冷器构成，其特征在于：
-磁场源由环形磁钢12、环形上极靴9及环形下极靴13构成;
-阴极靶4为等厚盘状，设置于中心阳极的上部并与上极靴9相接;
-中心阳极用导磁材料制成，分为阳极头1和阳极体3，其上设置有气体通道;
-水冷器设置于磁钢12与中心阳极之间。
2、按照权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于：所述的阳极头1上开有多个斜向孔和一个轴向通孔，所述的阳极体3上端设有水冷槽、轴心处开有一个上部设有内螺纹下部设有辐向孔的中心通孔，阳极头1和阳极体3通过一个在螺纹处开有两个竖向凹槽的螺钉2相连接。
3、按照权利要求1和2所述的磁控溅射源，其特征在于：工作气体自进气管5引入阳极体3的中心通孔内，其一部份通过螺钉2的凹槽和阳极头1的斜向孔喷出，另一部份通过阳极体3下部若干个辐向孔后，分别由中心阳极外侧间隙和屏蔽罩6内侧间隙从阴极靶4内侧和四周喷向靶面。
4、按照权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于：冷却水通过铜质的进水管7进入由一个铜质的外胆8、上极靴9、一个同阴极靶4的外侧和底部相接触的铜质的内胆10构成的水冷套，自铜质的出水管11引出。
5、按照权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于：所述的上极靴9在其内圆处开有环形沉隔。
6、按照权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于：当移去阳极头1和螺钉2时，可放置一个没有内孔的等厚的圆形阴极靶4′。
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