CN101126152A - 柱状磁控溅射器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柱状磁控溅射器，包括靶筒、弧形屏蔽罩和磁极装置，弧形屏蔽罩位于靶筒的侧面，所述磁极装置包括板状磁轭、在板状磁轭上同平面平行排列固定的一对侧面磁钢和中间磁钢、位于侧面磁钢与中间磁钢之间的中间间隔条，所述板状磁轭平行排列固定在与弧形屏蔽罩相对的靶筒的另一侧面。进一步，在所述中间磁钢的上下端部增设有增强磁钢，增强磁钢的靠近端面的高度低于增强磁钢的靠近中间磁钢端面的高度。本发明通过设置增强磁钢，克服了现有磁极排布会造成端部的磁场弱于中间的磁场的缺陷，使得整个靶面的水平磁场更加均匀，有利于整个靶刻蚀的均匀性而且形成了完整闭合的磁路，靶材的利用率得到了进一步的提高。
Description
技术领域
本发明涉及磁控溅射技术，可应用于生产线、单体设备的直流或者中频方法制备薄膜。可以制备金属膜、介质膜，特别适合昂贵靶材的溅射。
背景技术
磁控溅射技术与传统的蒸发及化学沉积薄膜等相比具有①优良的膜层均匀性；②膜层与基片结合牢固；③可以通过改变相应参数和机械机构来改善膜层的性质；④受基片性质影响小等优点得到了最为广泛的应用。在生产过程中，考虑生产成本和生产效率，传统的圆柱磁控溅射器，靶材的利用率没有得到最大的改善，而且较平面磁控溅射器而言，不能进行靶材的再次拼接。
平面矩形磁控溅射器在很多领域由于其靶材利用率低而显得没有优势。针对传统平面磁控溅射器的缺点有了圆柱磁控溅射器的出现。对于圆柱形磁控溅射器，很多的科技人员进行了大量的研究工作并取得了丰硕成果：
图1所示是现有同轴圆柱形磁控溅射器，采用轴向冲磁的环状磁钢4(其两端分别为S极和N极)，在其端面加上导磁材料做的环状极靴3，根据磁力线沿表面分布的特点，这时磁力线是沿极靴3的外圆表面发散的。这时该极靴3替换了一个磁极，而极靴的外圆表面发射的磁力线与理想的环形磁铁的磁力线相同。最后刻蚀的效果是溅射轨迹为垂直于靶轴而分布的刻蚀环6，圆形磁钢越薄所刻蚀的轨迹越窄，靶管越长，所刻蚀的轨道越多。但由于各个磁环的磁场强度不会太均匀而造成刻蚀环的深度和形状不一致，而且始终会造成局部的地方凸起使得靶材的利用率受到影响。其实从实际应用中发现这种圆柱磁控溅射器的靶材利用率较平面磁控溅射器而言没有得大的提升。
图2所示是现有的一种公告号为CN 1117089A、申请号为94114940.4的柱状螺旋磁控溅射器，实现四周溅射，但从安装上很难保证螺旋磁钢排布的均匀性，这种圆柱磁控溅射器在生产中应用很少。
图3和图4所示是现有的一种圆柱磁控双面矩形磁控溅射器，它将矩形磁控溅射器的溅射原理应用于圆柱磁控溅射器，将平面磁控溅射的磁场以长轴为轴线卷成半圆形或圆形，经过一些修正便得到这种双平面矩形溅射器，溅射器的磁场结构是由很多的长条形永磁体3沿靶轴方向排成几列因而可以产生几列对称分布的细长跑道。可以采取的工作方式主要有两种：①靶芯带动磁极旋转，而靶筒静止造成四周溅射的工作方式；②靶芯固定，而驱动装置带动靶材做旋转造成的定向溅射工作方式。另外，其端部同样需要形成闭合回路采用的方法是在两端加上环状的磁钢。在刻蚀的过程中，在靶面形成连续的刻蚀轨迹，靶面始终保持光洁有利于溅射的均匀性。我们知道这种圆柱磁控溅射对靶材的利用率较平面磁控溅射器有了很大提高，但影响圆柱靶材进一步提高的一个主要因素就是端部刻蚀效应(会出现端部刻蚀凹痕)，这也是由于磁场的设计所带来的，而且现在柱状磁控溅射器的安装结构基本都采用安装在真空室的顶部，给应用带来了一定的限制。
综上所述，现有常用磁控溅射器，主要有以下的一些缺陷：
①圆柱形靶材端部较中间段会出现较深的刻痕，这一点是影响圆柱磁控溅射器材利用率进一步提高的主要原因；
②圆柱形磁控溅射器涉及到动密封的问题，现在常用的磁控溅射靶都采用密封圈来做动密封，显然不能保证溅射器的长期稳定工作；
③安装方式的单一，常用的圆柱磁控溅射器都采用溅射工作室顶部安装的方式。限制了圆柱磁控溅射器的应用，所以有待对整体的结构加以改变；
④普通的圆柱磁控溅射器通常用于直流方式加载功率，限制了其应用的领域。
发明内容
本发明的目的之一是克服上述现有技术的不足，提出一种能使磁场更均匀的柱状磁控溅射器。
进一步地，本发明的目的之二是克服上述现有技术的不足，改善磁极装置的磁场结构以很大程度上消弱端部效应，提高靶材的利用率的柱状磁控溅射器。
进一步地，本发明的目的之三是克服上述现有技术的不足，提出一种能使安装更方便、灵活的柱状磁控溅射器。
实现上述目的的技术方案：
一种柱状磁控溅射器，包括靶筒、弧形屏蔽罩和磁极装置，弧形屏蔽罩位于靶筒的侧面，所述磁极装置包括板状磁轭、在板状磁轭上同平面平行排列固定的一对侧面磁钢和中间磁钢、位于侧面磁钢与中间磁钢之间的中间间隔条，所述板状磁轭平行排列固定在与弧形屏蔽罩相对的靶筒的另一侧面。在所述侧面磁钢和中间磁钢的表面分别固定有带切角的极靴。
进一步地，在所述中间磁钢的上下端部增设有增强磁钢，增强磁钢的靠近端面的高度低于增强磁钢的靠近中间磁钢端面的高度。
进一步地，所述增强磁钢包括第一增强磁钢和第二增强磁钢，外端的第一增强磁钢的上表面比位于第一增强磁钢与中间磁钢之间的第二增强磁钢的上表面低，第二增强磁钢，是封闭磁钢，用于封闭磁场。
进一步地，包括溅射器基座和溅射器安装座，所述靶筒、弧形屏蔽罩和磁极装置安装在溅射器基座内，所述溅射器基座与溅射器安装座密封连接固定，所溅射器安装座用于连接镀膜箱体。
进一步地，所述溅射器基座上设置有后密封板，后密封板上设置有布气管引入法兰，布气管连接到屏蔽罩，屏蔽罩上设置有出气口。
进一步地，成对设置有靶筒、弧形屏蔽罩和磁极装置。
采用上述技术方案，本发明有益的技术效果在于：
1、通过将磁钢设置成同平面平行排列固定的侧面磁钢和中间磁钢结构，能使磁场排布更方便、更均匀。
2、通过在中间磁钢的上下端部增设增强磁钢，克服了现有磁极排布会造成端部的磁场弱于中间的磁场的缺陷，使得整个靶面的水平磁场更加均匀，在很大程度上消弱了磁场的端部效应(即，端部靶材受溅射刻蚀的深度比中间段更深，影响靶材利用率。)，有利于整个靶刻蚀的均匀性而且形成了完整闭合的磁路，靶材的利用率得到了进一步的提高。
进一步地，将增强磁钢设计成第一增强磁钢和第二增强磁钢的结构，加工制作工艺更方便、实用。
3、由于靶材利用率能得到很大的提高，对生产线而言，大大降低了更换靶材而破空的频率，提高了生产效率。
4、在整体安装结构上抛弃了以前常用的法兰式连接而改为实用性很强的溅射器基座连接方式。安装更加方便和通用，可以根据工艺和结构的要求安装在真空室的侧面或者上下底板上。
5、用了磁流体来实现动密封，增强了装置长期运行的可靠性。
6、采用独特的布气方式，通过在后密封板上设置有布气管引入法兰，布气管连接到屏蔽罩，在屏蔽罩上设置出气口，屏蔽罩在除了限制等离子体的功能以外还成了布气的流阻挡板，有利于实现气流的阻挡效应，从而改善了布气的均匀性。
附图说明
图1是现有同轴圆柱形磁控溅射器截面图；
图2是现有柱状螺旋磁控溅射器结构；
图3是现有圆柱双平面矩形磁控溅射器磁钢排布方案；
图4是现有圆柱双平面矩形磁控溅射器整体结构；
图5是本发明闭合柱状磁控溅射器正面视图；
图6是本发明闭合柱状磁控溅射器安装图；
图7是本发明闭合柱状磁控溅射器立体剖视图；
图8是本发明闭合柱状磁控溅射器立体横截面图；
图9是本发明闭合柱状磁控溅射器磁极排布横截面图；
图10是本发明闭合柱状磁控溅射器磁极排布纵截面图；
图11是本发明闭合柱状磁控溅射器磁钢分布图；
图12是本发明闭合柱状磁控溅射器冷却水循环示意图；
图13是本发明闭合柱状磁控溅射器动密封示意图。
具体实施方式
一种闭合柱状磁控溅射器，参见图5-图13，包括旋转水座1、旋转轴2、同步轮3、磁流体装置4、溅射器旋转基座5、靶筒(带管状靶材)6、溅射器基座7、屏蔽罩8、主轴夹块9、后密封板10、电刷环11、变频电机12、同步带13、溅射器安装座14、磁极装置20、冷却水导管19、布气引入孔17、溅射工作室15、主轴18和靶筒上、下密封端盖(15、15′)。
请参阅图5-图8，溅射器基座7内装设一对带管状靶材的靶筒6和磁极装置20(请参见图7和图8)，在背对磁极装置20的靶筒6侧面装设屏蔽罩8。同步轮3与旋转轴2靠卡环固定连接，靶筒上密封端盖15通过螺钉与带管状靶材的靶筒6固定连接，靶筒下密封端盖15′同样通过螺钉与带管状靶材的靶筒6固定，进一步说明，靶筒上密封端盖15与旋转轴2焊接连接使得旋转轴2、靶筒上密封端盖15、柱形靶筒6、靶筒下密封端盖15′共同构成独立的运动构件，靶筒下密封端盖15′通过轴承142和绝缘座141被支撑在溅射器基座14上。靶筒上下密封端盖(15和15’)的作用是对靶筒内的冷却水形成密封，保证冷却水的循环。当驱动源变频电机12通过同步带13带动同步轮3做旋转，这样就通过旋转轴2带动靶筒6做同步的旋转，靶筒的旋转速度通过控制变频电机12实现连续可调，从而实现整个靶材的定向溅射。负电压只加到靶筒6和靶材上的，布气管(软管)从后密封板10上开设的布气管引入法兰17进入，工作气体(混合气体)通过软管与屏蔽罩连接，出气口81在靶的屏蔽罩8上，因而，这个圆弧形的屏蔽罩8在除了限制等离子体的功能以外还成了布气的流阻挡板，有利于实现气流的阻挡效应，从而改善了布气的均匀性。冷却水通过旋转水座9进入冷却水导管19从主轴18下端出水口191进入靶筒6和磁极装置20之间的空间，然后从主轴18上端进水口192进入主轴18和冷却水导管19之间的空间21进行回流，而靶筒6的厚度只有3mm左右，可以很好的实现对靶材的冷却。如图13所示，磁流体装置包括磁流体件50、PVC绝缘套51、定位环53、端部屏蔽罩52，旋转轴2和磁流体50之间有过渡的PVC绝缘套51，使靶筒6与溅射器基座7等部位绝缘隔离(工作时靶筒6带负电位，溅射器基座7等部件为零电位。)，磁流体密封技术是本领域所熟知的技术，是一种解决动密封可靠性的重要技术，提高产品的可靠性。安装时，有密封圈的溅射器基座7通过螺钉连接溅射器安装座14，再通过溅射器安装座14与镀膜箱体16连接。
请再参阅图9和图10，图9是磁极装置排布的横断面图，图10是磁极装置排布的纵截面图。磁极装置20包括板状磁轭206、在板状磁轭206上同平面平行排列固定的一对侧面磁钢202和中间磁钢205、位于侧面磁钢202与中间磁钢205之间的中间间隔条203、磁钢密封罩201和夹块22，磁钢密封罩201的作用主要是通过它上面的密封圈使磁钢(202、205、207a、207b、208a、208b)与靶筒6内的冷却水隔离以保护磁钢(202、205、207a、207b、208a、208b)。因为水对磁钢会有一定的腐蚀和氢化作用。通过夹块22将主轴18和磁极装置20固定连接在一起，主轴18的管线方向上设置的夹块22的数量根据需要而定，整个磁极装置20是通过主轴固定而保持禁止，不随靶筒6的旋转而转动。本发明磁钢通过采用同平面平行排列，而不是传统的圆环磁钢和条形磁钢的圆周排布方案，有利于磁钢的排布规范和磁场的均匀。
进一步地，本发明在间磁钢205的端部增设了两块与端部封闭磁钢尺寸不一致的端部第一增强磁钢(207a、207b)和第二增强磁钢(208a、208b)，以增强端部的磁场。其中，端部第一增增强磁钢(207a、207b)的上表面比端部第二增强磁钢磁钢(208a、208b)的上表面低，第二增强磁钢(208a、208b)是封闭磁钢，用于封闭磁场。使得整个靶面的水平磁场更加均匀。这样可以很大程度地削减端部效应，有利于整个靶刻蚀的均匀性而且形成了完整闭合的磁路，至于端部两个磁钢的具体尺寸应根据具体的靶尺寸加以确定。另外在侧面磁钢202和中间磁钢205上分别固定带切角的极靴204有利于均衡水平磁场，进一步改善靶材的刻蚀。
综上所述，本发明通过对磁极装置的改进，不但可以实现圆筒形靶材的定向溅射镀膜，而且在很大程度地削减端部效应，提高了整个靶刻蚀的均匀性，使沉积膜层更加均匀。通过设置溅射器安装座，可以方便的将溅射器安装在真空箱体的侧面以及上下底面等位置，增加了灵活性以及应用的广泛性。通过设置双靶体结构，可以实现用AC电源驱动的中频溅射，还可以用单靶体通过DC电源驱动实现直流溅射。本发明的应用范围相当广泛。
Claims (8)
1.一种柱状磁控溅射器，包括靶筒、弧形屏蔽罩和磁极装置，弧形屏蔽罩位于靶筒的侧面，其特征在于：所述磁极装置包括板状磁轭、在板状磁轭上同平面平行排列固定的一对侧面磁钢和中间磁钢、位于侧面磁钢与中间磁钢之间的中间间隔条，所述板状磁轭平行排列固定在与弧形屏蔽罩相对的靶筒的另一侧面。
2.根据权利要求1所述柱状磁控溅射器，其特征在于：在所述侧面磁钢和中间磁钢的表面分别固定有带切角的极靴。
3.根据权利要求1或2所述柱状磁控溅射器，其特征在于：在所述中间磁钢的上下端部增设有增强磁钢，增强磁钢的靠近端面的高度低于增强磁钢的靠近中间磁钢端面的高度。
4.根据权利要求3所述柱状磁控溅射器，其特征在于：所述增强磁钢包括第一增强磁钢和第二增强磁钢，外端的第一增强磁钢的上表面比位于第一增强磁钢与中间磁钢之间的第二增强磁钢的上表面低，第二增强磁钢，是封闭磁钢，用于封闭磁场。
5.根据权利要求1所述柱状磁控溅射器，其特征在于：包括溅射器基座和溅射器安装座，所述靶筒、弧形屏蔽罩和磁极装置安装在溅射器基座内，所述溅射器基座与溅射器安装座密封连接固定，所溅射器安装座14用于连接镀膜箱体。
6.根据权利要求5所述柱状磁控溅射器，其特征在于：所述溅射器基座上设置有后密封板，后密封板上设置有布气管引入法兰，布气管连接到屏蔽罩，屏蔽罩上设置有出气口。
7.根据权利要求1、2或5任意一项所述柱状磁控溅射器，其特征在于：成对设置有靶筒、弧形屏蔽罩和磁极装置。
8.根据权利要求4所述柱状磁控溅射器，其特征在于：成对设置有靶筒、弧形屏蔽罩和磁极装置。
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