CN100540729C - 平面式磁控溅射便携插件式增磁装置 - Google Patents

平面式磁控溅射便携插件式增磁装置 Download PDF

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Abstract

平面式磁控溅射便携插件式增磁装置，包括：附加中心圆柱形永磁强磁体、附加环形永磁强磁体、内散热环和外散热环、阴极罩和阳极罩，附加中心圆柱形永磁强磁体和附加环形永磁强磁体分别和设备阴极靶位固有的内置中心圆柱形永磁强磁体和内置环形永磁强磁体同极性相互加强对应放置；在附加中心圆柱形永磁强磁体和附加环形永磁强磁体之间放置内散热环，在附加环形永磁强磁体外放置外散热环；靶材和外散热环分别罩有阴极罩和阳极罩，用于固定保护靶材和外散热环；附加中心圆柱形永磁强磁体和附加环形永磁强磁体除了与阴极靶位平面接触外，均不与内散热环、外散热环和靶材接触。本发明在现有平面式磁控溅射装置的基础上，在不对原装置上的设备进行改造的前提下，成膜率大大提高。

Description

平面式磁控溅射便携插件式增磁装置
技术领域
本发明涉及磁控溅射薄膜制备装置，特别是一种平面式磁控溅射便携插件式增磁装置。
背景技术
目前常用的磁控溅射薄膜制备技术中，平面式磁控溅射设备是一种重要的薄膜制备设备，其原理为：用于增加气氛电离程度的永磁强磁材料被封装在阴极靶位的不锈钢腔体内，溅射过程中依靠通过腔体内的水的流动来冷却强磁体以防止过热而磁性减弱甚至完全清磁。由于不锈钢磁体封装腔体有一定的厚度，且磁体又不能紧密地与腔体内表面接触，溅射靶材又有一定的厚度，当靶材料放置于阴极靶位的不锈钢平面上时，穿过靶材料的有效磁场强度往往很低，进而在实际溅射过程中靠磁约束增加气氛的电离程度会受到很大的限制，特别是射频溅射非导电性介质材料薄膜时，成膜率一般匀很低，要达到一定的薄膜厚度，溅射时间往往会很长，在不改变磁控溅射设备的前提下，如何提高薄膜的成膜率，大大缩短制备周期无疑是一项非常有益的工作。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，在现有平面式磁控溅射装置的基础上，在不对原装置上的设备进行改造的前提下，提供一种能够使成膜率大大提高的平面式磁控溅射便携插件式增磁装置。
本发明的技术解决方案是：平面式磁控溅射便携插件式增磁装置，其特点在于包括：附加中心圆柱形永磁强磁体、附加环形永磁强磁体、内散热环和外散热环、阴极罩和阳极罩，附加中心圆柱形永磁强磁体和附加环形永磁强磁体分别和设备阴极靶位固有的内置中心圆柱形永磁强磁体和内置环形永磁强磁体同极性相互加强对应放置；在附加中心圆柱形永磁强磁体和附加环形永磁强磁体之间放置内散热环，在附加环形永磁强磁体外放置外散热环；靶材和外散热环分别罩有阴极罩和阳极罩，用于固定保护靶材和外散热环；附加中心圆柱形永磁强磁体和附加环形永磁强磁体除了与阴极靶位平面接触外，均不与内散热环、外散热环和靶材接触。
本发明的原理是：在与溅射电压相垂直的正交磁场的作用下，通过电离气氛中的电子在靶表面上方在正交电场一磁场的共同作用下作近于摆线的环形轨道运动，以此提高气氛电离程度，进而提高等离子体气氛中的正离子Ar +等的浓度，正离子Ar +等在电场加速作用下轰击靶材，通过动量转移过程使靶材原子(或分子)以一定的定向动能飞向置于与靶材相对放置于阳极位置的基片来制备薄膜。显然，穿过靶材在靶表面上方的与电场正交的磁场强度的不同对溅射效率有决定性的影响，本发明就是通过增加放置在位于阴级靶位上的一个增磁装置，该装置与设备原磁体材料极性配置相对应一致，这样溅射过程中，由于靶材表面上方的正交磁场大大增强了，气氛电离率大大增加，进而可大大提高成膜率。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明在不对原装置上的设备进行改造的前提下，在射频溅射完全相同的溅射参数下，能大大提高薄膜成膜率。同时在直流溅射下，能大大降低溅射电压，增大溅射板流，对制备低密度的功能薄膜材料带来极大的方便。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为利用本发明装置的对比效果实验图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由附加中心圆柱形永磁强磁体1、附加环形永磁强磁体2、内散热环3、外散热环4、阴极屏蔽罩5、阳极屏蔽罩6组成。附加中心圆柱形永磁强磁体1和附加环形永磁强磁体2分别和设备阴极靶位固有的内置中心圆柱形永磁强磁体8和内置环形永磁强磁体9同极性相互加强对应放置，在附加中心圆柱形永磁强磁体1和附加环形永磁强磁体2之间放置内散热环3，在附加环形永磁强磁体外放置外散热环4，阴极罩5、阳极罩6用于固定、保护靶材7和外散热环4。附加中心圆柱形永磁强磁体1和附加环形永磁强磁体2除了与阴极靶位平面10接触外，均不与内散热环3、散热环4和靶材7接触。
上述中的内热环3和外散热环4的材料均为铜；阴极罩5和阳极罩6的材料均为不锈钢。
利用附加磁体与原磁体的同极性相互加强，当放置靶材后，穿过靶材7上方的有效横向正交磁场能大大加强，提高了溅射气氛的电离率，增加了气氛电离后的正离子(Ar +等)对靶材7表面的轰击强度，最终增加了溅射靶材料的被溅射出的原子或分子，使基片表面成膜率大大提高。
附加中心圆柱形永磁强磁体1和附加环形永磁强磁体2的材料为铷铁硼强磁性材料，附加中心圆柱形永磁强磁体1的直径与设备固有内置中心圆柱形永磁强磁体8的直径相同，附加环形永磁强磁体2的内径大于或等于设备固有内置环形强磁体9的内径，附加环形永磁强磁体2的外径小于或等于设备固有内置环形永磁强磁体9的外径。附加中心圆柱形永磁强磁体1与附加环形永磁强磁体2的高度相同且均不小于设备固有的内置中心圆柱形永磁强磁体8和内置环形永磁强磁体9的高度(本设备均采用10.0mm)，附加中心圆柱形永磁强磁体1和附加环形永磁强磁体2的尺寸选择基于下列考虑，第一：附加中心圆柱形永磁强磁体1和附加环形永磁强磁体2的尺寸选择应给内铜散热环3、外散热环4留出在阴极靶平面上足够的放置空间，以利于溅射过程中产生的热量及时传给阴极靶表面并由阴极靶腔体内的水流及时带走，同时该两个附加磁体与内、外铜材料散热环处于不接触状态，以保证不使该两个附加磁体过热而消(或退)磁。第二：附加环形永磁强磁体2的外径应小于溅射靶材料的直径以避免在溅射成膜过程中阴极不锈钢罩的成分被溅射出而污染靶材。第三：该两个附加磁体的高度不应过小以保证溅射靶材表面的横向正交磁场有足够的增强。第四：该两个附加磁体的高度应略小于内散热环5、外散热环6的高度以避免由于靶材7与两个附加磁体的直接接触而造成溅射过程中靶材的升温产生的热量直接传给两个附加磁体，进而造成两个附加磁体消(或退)磁。
基于上述原则，根据使用的磁控溅射设备的具体情况，在图1中，附加中心圆柱形永磁强磁体1与平面式磁控溅射设备靶位固有内置中心磁体8尺寸一致(直径20.0mm，高10.0mm)，附加环形永磁强磁体2外直径，在略小于靶材7直径(60.0mm)的前提下尽可能与靶位固有内置环形永磁强磁体9尺寸相一致，使用的磁控溅射设备的靶材直径为60.0mm，附加环形永磁强磁体2的外直径为57.0mm，内直径为44.0mm，高10.0mm；内散热环3的尺寸为：内径22.0mm，外径42.0mm、高11.0mm，外散热环4由两部分构成，第一部分尺寸为：内直径59.0mm，外直径75.0mm，高为11.0mm，第二部分尺寸为：内直径61.0mm，外直径75.0mm，高5.0mm；阴极罩5尺寸与原设备的阴极罩的横向尺寸完全一致，纵向尺寸(高度)相应增加11.0mm。阳极罩6尺寸与原设备的阳极罩的横向尺寸完全一致，纵向尺寸(高度)相应增加11.0mm。
如图1所示，附加中心圆柱形永磁强磁体1、附加环形永磁强磁体2分别与与设备固有的内置中心圆柱形永磁强磁体8和设备固有的内置环形永磁强磁体9同极性对应放置，两个附加磁体除了与原设备阴极不锈钢表面接触外，与靶材7及内散热环3、外散热环4均不接触，且两个附加磁体分别与设备固有原磁体相互吸引的作用下，与阴极不锈钢表面接触非常紧密，这样在溅射过程中由于溅射气体气氛压强比大气环境下要低的多，气氛内部靠气体对流和碰撞产生的热传导能力非常低，热量的传递仅主要靠气氛等离子体的热辐射效应，而气氛的电离仅发生于靶材料7表面上方，靶材7受到离子、电子等的轰击产生的热量通过内、外铜材料散热环及阴一阳极罩在阴极靶位腔体内的水流动下被及时带走，这样两个附加磁体不会因过热而消(退)磁，靶材7也不会过热而变形，甚至熔化。
由于附加磁体与原磁体的对应相互加强，也由于此时靶材7下表面与附加磁体上表面的距离仅1.0mm，这要比不用本发明装置，将靶材7直接放置于阴极不锈钢表面上时，靶材下表面与内置固有原磁体上表面的距离近的多，这样利用本发明装置时靶材7表面上方由附加中心圆柱形永磁强磁体1发出指向附加环形永磁强磁体2(或由附加环形永磁强磁体2指向附加中心圆柱形永磁强磁体1)的有效磁场强度大大增强了，这样在溅射过程中可大大提高在靶材表面上方做近似于封闭摆线运动的电子数密度，通过这些电子与溅射气氛(Ar气等)的碰撞电离，从而大大增加阴阳极罩之间的Ar +离子等的正离子数密度，在阴阳极之间加速电场的作用下轰击靶材表面的Ar +等正离子数密度大大增加，最终飞向与靶材对向放置的基片的被溅射靶材成分原子(或分)流通量密度大大增加，从而可大大提高薄膜制备效率。
如图2所示，通过ITO靶材的对比实验表明，在射频溅射完全相同的溅射参数下，使用本发明装置的成膜率为不使用时的成膜率的3-4倍。
该对比实验参数均为：靶基距10cm，Ar气流量50，溅射压强1.0Pa，所用ITO靶材直径60.0mm，厚为5.0mm。图中横坐标为溅射功率(W)，纵坐标为成膜率(nm/min)。图中
Figure C20071009949200081
表示不用本发明时的成膜率，“·”表示用本发明后的成膜率。可以看出，采用本发明装置后的成膜率大大提高。
在此指出的是，通过加大附加磁体的高度，溅射成膜率还会继续提高，因此，本发明是一种成本低廉且对原装置无须作任何改动下的提高设备使用效率的有效手段。

Claims (6)

1、平面式磁控溅射便携插件式增磁装置，其特征在于包括：附加中心圆柱形永磁强磁体(1)、附加环形永磁强磁体(2)、内散热环(3)和外散热环(4)、阴极罩(5)和阳极罩(6)，附加中心圆柱形永磁强磁体(1)和设备阴极靶位固有的内置中心圆柱形永磁强磁体(8)同极性相互加强对应放置，附加环形永磁强磁体(2)和内置环形永磁强磁体(9)同极性相互加强对应放置；在附加中心圆柱形永磁强磁体(1)和附加环形永磁强磁体(2)之间放置内散热环(3)，在附加环形永磁强磁体(2)外放置外散热环(4)；靶材(7)罩有阴极罩(5)和阳极罩(6)，和外散热环(4)罩有阴极罩(5)和阳极罩(6)，分别用于固定保护靶材(7)和外散热环(4)；附加中心圆柱形永磁强磁体(1)和附加环形永磁强磁体(2)与阴极靶位平面(10)接触，不与内散热环(3)、外散热环(4)和靶材(7)接触。
2、根据权利要求1所述的平面式磁控溅射便携插件式增磁装置，其特征在于：所述的附加中心圆柱形永磁强磁体(1)和附加环形永磁强磁体(2)的材料为铷铁硼强磁性材料。
3、根据权利要求1所述的平面式磁控溅射便携插件式增磁装置，其特征在于：所述的附加中心圆柱形永磁强磁体(1)的直径与设备阴极靶位固有内置中心圆柱形永磁强磁体(8)的直径相同；附加环形永磁强磁体(2)的内径大于或等于设备阴极靶位固有内置环形永磁强磁体(9)的内径，附加环形永磁强磁体(2)的外径小于或等于设备阴极靶位固有内置环形永磁强磁体(9)的外径。
4、根据权利要求1所述的平面式磁控溅射便携插件式增磁装置，其特征在于：所述的附加中心圆柱形永磁强磁体(1)与附加环形永磁强磁体(2)的高度相同且均不小于设备固有的内置中心圆柱形永磁强磁体(8)和内置环形永磁强磁体(9)的高度。
5、根据权利要求1所述的平面式磁控溅射便携插件式增磁装置，其特征在于：内散热环(3)和外散热环(4)的材料为铜。
6、根据权利要求1所述的平面式磁控溅射便携插件式增磁装置，其特征在于：所述的阴极罩(5)和阳极罩(6)的材料均为不锈钢。
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