CN101280420B - 一种具有磁场增强和调节功能的磁控溅射靶 - Google Patents

Abstract

一种具有磁场增强和调节功能的磁控溅射靶，包括靶体、内部磁路、水冷系统，其特征在于该靶在正磁环后部与导磁轭铁相接处的导磁轭铁外部，设置了径向充磁的侧磁环；在靶的下部设有双级位置调节机构。径向充磁的侧磁环可以明显减少靶外侧面的漏磁通，大大增强靶材表面位置处的水平磁场，从而能够满足镀制铁磁材料的强磁场要求。双级位置调节机构，能够分别在线、连续改变靶面相对于靶座法兰板的前后位置，从而调节靶基距和靶内磁路结构部分相对于靶材表面的前后位置，使之适合于对表面磁场有不同要求，如不同导磁率、不同厚度的靶材的溅射镀膜工艺过程。本发明为磁控溅射真空镀膜的工艺参数调节提供一种方便快捷的关键部件结构。

Description

一种具有磁场增强和调节功能的磁控溅射靶

技术领域

本发明涉及真空镀膜技术领域，特别涉及真空镀膜机中的一种具有磁场增强和调节功能的磁控溅射靶。

背景技术

磁控溅射真空镀膜技术是一项应用极其广泛的真空镀膜技术，磁控溅射靶是磁控溅射镀膜设备中的核心部件。其中圆形和矩形平面磁控溅射靶是最为普通常用的结构形式。

磁控溅射靶内部的磁路结构是靶的关键技术所在。磁路结构的作用是在靶材表面上方产生平行于靶面、构成闭合回路、高于200Gs的水平磁场，从而为靶工作时的正常磁控放电提供必要的磁场条件。

磁控溅射靶内部的磁路结构有电磁铁和永久磁铁两种形式。电磁铁磁路具有产生磁场强度大且可以调节的优点，但存在结构庞大、造价高、需要单独的励磁电源、难以用于大尺寸平面靶的缺点。而永久磁铁磁路结构以其成本低廉、结构简单、尺寸小巧、装卸方便等优点得到广泛应用。但是，采用普通永久磁铁磁路结构的平面磁控溅射靶，在靶面处产生的磁场强度不是很高，也不能调节，尤其是难以满足溅射铁磁材料的要求。因为当靶材为铁、镍、钴等高导磁率的铁磁性材料时，由永久磁铁磁路结构产生的大部分磁通量会通过靶材短路流通，产生磁屏蔽效应，使靶面上方的水平磁场值变得很低，不能满足正常磁控放电的需要。另外，由于磁场不能调节，当靶材种类及尺寸(如由于溅射刻蚀而使靶材局部变薄)发生变化时，靶面上方的水平磁场值也会随之被动变化漂移，偏离原先的设定值，使镀膜过程的放电工艺参数发生变化，薄膜产品的一致性变差。

发明内容：

针对现有普通平面磁控溅射靶存在的问题，本发明提供一种具有磁场增强和调节功能的磁控溅射靶。

本发明的磁控溅射靶包括靶体、内部磁路和位置调节机构。靶壳、靶座构成靶体，靶材通过压环和螺钉固定在靶壳上，中心磁柱、正磁环、侧磁环与导磁轭铁构成内部磁路。正磁环安装在靶壳下面靠近外边处，在正磁环的下表面靠近正磁环外环的部位安装有径向充磁的侧磁环，侧磁环的内环面与导磁轭铁的外面相连接，侧磁环的轴向高度等于或略小于导磁轭铁的侧边高度；侧磁环的径向厚度为正磁环径向厚度的1/2～1/3。中心磁柱、正磁环和侧磁环的充磁方向与装配关系有固定要求，不可错乱。当中心磁柱上表面为S极时，正磁环上表面为N极，侧磁环外表面为N极；反之，当中心磁柱上表面为N极时，正磁环上表面为S极，侧磁环外表面为S极。在靶座法兰板下面设置双级位置调节机构。在冷却水管外设有靶管，两个冷却水管穿过靶座并与导磁轭铁相连接，在左右两靶管中心位置设有长螺杆，长螺杆通过靶管提升座板和靶管螺帽、靶管压垫、靶管半卡环、靶管套垫，与靶座的套管绝缘连接，能够调节靶内磁路结构部分相对于靶材表面的前后位置。靶管提升座板通过螺钉和中间压板固定短螺套，短螺套通过螺纹与水管提升座板连接，水管提升座板通过圆螺母、圆螺母垫片、水管小压垫、水管小套垫和水管小半环，与导磁轭铁组焊件的冷却水管绝缘连接，能够调节靶面相对于靶法兰的前后位置。二个位置调节的运动驱动均采用螺旋丝杠-螺母传动机构实现，利用双层套筒结构将二套运动传递复合在相同轴线上的狭小空间内。

本发明的磁场增强和调节功能是通过以下技术措施实现的：

1.设置了径向充磁的侧向磁环。增加径向充磁的侧磁环，能够明显增强靶面上方的水平磁场强度，使之能够满足镀制铁磁材料的强磁场要求。

2.在靶法兰板后面设置了一套完整的双级位置调节机构，能够随时、连续调节靶材表面上方的磁场强度，使之适合于不同导磁率、不同厚度的靶材对表面磁场的不同要求，同时可以在镀膜设备中调节靶面相对于被镀工件的靶基距，以适应不同尺寸工件和不同工艺参数的溅射镀膜过程。

该靶是一种既具电磁铁磁路结构能够产生较强磁场强度并可以灵活调节的优点，又具有永久磁铁磁路结构的结构简单小巧、装卸方便、造价低廉、适用于各种尺寸平面靶等优点的磁控溅射靶。

附图说明

图1是磁控溅射靶主视图；

图2是磁控溅射靶仰视图；

图3是磁控溅射靶侧视图；

图4是磁路结构局部视图；

图5是普通永久磁铁磁路结构的磁场分布图，其中a靶材为非铁磁性材料；b靶材为铁磁性材料；

图6是增设侧磁环的磁路结构的磁场分布图，其中a靶材为非铁磁性材料；b靶材为铁磁性材料。

图中：1圆螺母，2圆螺母垫片，3水管小压垫，4水管小套垫，5水管小半环，6橡胶密封圈I，7靶管螺帽，8靶管压垫，9螺钉I，10垫圈，11橡胶密封圈II，12螺钉II，13螺钉III，14靶中间绝缘环，15靶面绝缘块，16屏蔽罩，17靶材，18中心磁柱，19正磁环，20螺钉IV，21侧磁环，22靶壳，23橡胶密封圈III，24靶座，25导磁轭铁组焊件，26密封绝缘套，27靶法兰，28橡胶密封圈IV，29绝缘压套垫，30橡胶密封圈V，31螺钉压垫圈，32螺钉V，33靶管半卡环，34靶管套垫，35螺钉VI，36导向压板，37靶管提升座板，38螺钉VII，39中间压板，40长螺杆，41短螺套，42水管提升座板，43保护罩，44螺钉VIII，45导磁极板。

具体实施方式

本实施例的构成如图1所示：靶壳22与靶座24构成靶体，靶材17通过压环和螺钉IV20固定在靶壳22上，中心磁柱18、正磁环19、侧磁环21和导磁轭铁25构成内部磁路。在正磁环19后部与导磁轭铁25相接处的导磁轭铁外部，设置径向充磁的侧磁环21。侧磁环21的轴向高度等于或略小于导磁轭铁25的侧边高度；侧磁环21的径向厚度为正磁环19径向厚度的1/2～1/3。中心磁柱18、正磁环19和侧磁环21的充磁方向与装配关系，要求如图4中所标注的箭头所示，当中心磁柱18上表面为S极时，正磁环19上表面为N极，侧磁环21外表面为N极；当中心磁柱18上表面为N极时，正磁环19上表面为S极，侧磁环21外表面为S极，不可有其中某一个颠倒错乱。

设置径向充磁的侧磁环21，能够明显增强靶面上方的水平磁场强度。图5是不带侧磁环的普通永久磁铁磁路结构的磁力线分布图，从中可以看出，从正磁环顶部发出的磁通量，有相当大比例的部分经由靶侧面外部短路流通回到导磁轭铁侧面，而没有与中心磁柱构成回路产生有用的水平磁场(见图5a)；当靶材为铁磁性材料时，有用部分的磁通量完全被屏蔽，在靶材表面上方无法形成足够强度的水平磁场(见图5b)。图6是本实施例增设了侧磁环的永久磁铁磁路结构的磁力线分布图，对比发现，由正磁环顶部发出的磁通量，几乎没有通过靶侧面外部短路直接流通回到导磁轭铁的，而是都被排斥到与中心磁柱构成回路一侧(见图6a)；由于磁通量增大，即使在靶材为铁磁性材料时，仍然有一部分磁通量突破了铁磁材料靶材的磁屏蔽效应，在靶材表面上方形成了足够强度的水平磁场(见图6b)，使之能够满足镀制铁磁材料的强磁场要求。

本发明在靶法兰板27后面设置了一套完整的双级位置调节机构。在冷却水管外设有靶管，在左右两靶管中心位置设有长螺杆40，长螺杆40通过靶管提升座板37和靶管螺帽7、靶管压垫8、靶管半卡环33、靶管套垫34，与靶座的套管绝缘连接。靶管提升座板37通过螺钉VII38和中间压板39固定短螺套41，短螺套41通过螺纹与水管提升座板42连接，水管提升座板42通过圆螺母1、圆螺母垫片2、水管小压垫3、水管小套垫4和水管小半环5，与导磁轭铁组焊件的冷却水管绝缘连接。

在靶座法兰板后面设置双级位置调节机构，能够分别调节靶内磁路结构部分相对于靶材表面的前后位置，和靶面相对于靶法兰27的前后位置。二个位置调节的运动驱动均采用螺旋丝杠—螺母传动机构实现，利用双层套筒结构将二套运动传递复合在相同轴线上的狭小空间内。具体结构见图1、图2和图3，机构的运动原理如下：

靶内磁路结构部分相对于靶座表面的前后位置移动，可通过转动短螺套41来实现。由于有靶管提升板座37、螺钉VII38和中间压板39的定位约束，短螺套41只能相对于靶管提升板座37做旋转运动而不能做轴向直线运动；短螺套41的旋转通过螺旋传动驱使水管提升座板42做前后位置方向的直线运动；由于水管提升座板42通过圆螺母1、圆螺母垫片2、水管小压垫3、水管小套垫4和水管小半环5，与导磁轭铁组焊件25的水管绝缘连接在一起，因此水管提升座板42会带动水管前后伸缩，进而带动整个靶内磁路结构(包括中心磁柱18、正磁环19、侧磁环21和导磁轭铁组焊件25)相对于靶壳22前后移动。磁路结构的移动范围如图中C1～C2之间。

靶面(即整个靶壳)相对于靶法兰27的前后位置移动，可通过转动长螺杆40实现。由于有螺钉VI35和导向压板36的定位约束，长螺杆40只能相对于靶法兰27做旋转运动而不能做轴向直线运动；由于靶管提升座板37的两端有导向压板36的导向杆约束，不能做旋转运动，因此当长螺杆40转动时，驱动靶管提升座板37做前后位置方向的直线运动；由于靶管提升座板37通过靶管螺帽7、靶管压垫8、靶管半卡环33和靶管套垫34，与靶座24的套管绝缘连接在一起，因此靶管提升座板37会带动套管前后伸缩，进而带动靶座24及靶壳22一起相对于靶法兰27做前后移动。图中靶面位置的移动范围在B1～B2之间。当靶座24前后移动时，靶管提升座板37会带动短螺套41同步前后移动，从而保持整个磁路结构在靶壳22中的相对位置保持不变。

由于磁控溅射靶的靶壳22和靶座24部分在工作中要接负高压电位，因此与之连接的其它部分要有绝缘措施。水管提升座板42与导磁轭铁组焊件25的水管之间使用了水管小压垫3和水管小套垫4作为绝缘件，靶管提升座板37与靶座24的套管之间使用了靶管压垫8和靶管套垫34作为绝缘件，保证了双级位置调节机构的绝缘性。密封绝缘套26、绝缘压套垫29和橡胶密封圈IV28，橡胶密封圈V30等零件，则实现了靶座24的套管与靶法兰27之间的定位连接、绝缘和真空密封。利用橡胶密封圈I 6实现了水管与套管间的密封。

二个调节运动的驱动方式，既可以利用手持工具人工调节，也可以使用电机+减速器+传动机构的自动驱动机构实现自动调节。图中标注的E、F部位，分别就是短螺套41和长螺杆40固定夹持工具或连接驱动作业部件的位置。

Claims (1)

1.一种具有磁场增强和调节功能的磁控溅射靶，包括靶体、内部磁路和水冷系统，其特征在于，靶材安装在靶壳的上表面，正磁环安装在靶壳的下面靠近外边处，在正磁环的下表面靠近正磁环外环的部位安装有径向充磁的侧磁环，侧磁环的内环面与导磁轭铁的外面相连接，侧磁环其轴向高度等于或略小于导磁轭铁的侧边高度，侧磁环的径向厚度为正磁环径向厚度的1/2～1/3，中心磁柱、正磁环和侧磁环的充磁方向与装配关系有固定要求，当中心磁柱上表面为S极时，正磁环上表面为N极，侧磁环外表面为N极，当中心磁柱上表面为N极时，正磁环上表面为S极，侧磁环外表面为S极；双级位置调节机构的冷却水管外设有靶管，两个冷却水管穿过靶座并与导磁轭铁相连接，在左右两靶管中心位置设有长螺杆，长螺杆通过靶管提升座板和靶管螺帽、靶管压垫、靶管半卡环、靶管套垫，与靶座的套管绝缘连接，靶管提升座板通过螺钉和中间压板固定短螺套，短螺套通过螺纹与水管提升座板连接，水管提升座板通过圆螺母、圆螺母垫片、水管小压垫、水管小套垫和水管小半环，与导磁轭铁组焊件的冷却水管绝缘连接。

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