CN101719457B - 一种基于超导线圈的强磁场磁控溅射阴极 - Google Patents

Abstract

一种基于超导线圈的强磁场磁控溅射阴极。由平面靶材(1)、水冷背板(2)超导线圈(3)、外磁轭(4)、内磁轭(5)和底磁轭(6)、杜瓦(7)和阴极电源构成；超导线圈(3)置于在由外磁轭(4)、内磁轭(5)和底磁轭(6)包围的空间内，超导线圈(3)和外磁轭(4)、内磁轭(5)和底磁轭(6)安装在杜瓦(7)中，由液氮循环冷却、液氮加制冷机冷却或制冷机直接冷却。超导线圈(3)根据不同应用场合，可绕制成跑道形或圆形结构，通过电流引线连接到外部直流电源。

Description

一种基于超导线圈的强磁场磁控溅射阴极

技术领域

本发明涉及一种磁控溅射设备，特别涉及超导强磁场磁控溅射阴极。

背景技术

在过去的20年里，磁控溅射系统被广泛应用于镀膜过程。为了获得高质量的薄膜，高的沉积速率，高的靶材利用率，各种不同的磁控溅射装置被开发出来。永磁强磁场磁控溅射装置可以在较低的阴极电压下放电，强磁场可以抑制负离子对沉积薄膜的高能轰击，从而得到高质量薄膜。然而，目前对强磁场磁控溅射装置的研究和应用非常少，一方面是由于在通常的电压和气压条件下，强磁场磁控溅射装置靶材利用率非常低；另一方面，永磁强磁场磁控溅射装置的磁场不可能做得很强。2003年，日本名古屋大学的Mizutani首先研制出了利用Sm123超导块材激磁的强磁场圆形磁控溅射装置，靶表面磁场比常规永磁磁控溅射装置高了一个数量级。Mizutani利用他们制作的超导磁控溅射装置，在高电压、低气压和长靶基板间距的情况下实现了磁控放电，并先后制备了集成电路亚微米工艺中的Cu种子膜、极紫外光刻技术中的Mo/Si多层膜和镓掺杂ZnO薄膜。低的气压(10^-2Pa)、长的靶基板间距(＞300mm)可以使得基片免受等离子体热辐射，因此可以获得质量更高的薄膜。根据我们的前期研究，在高电压下靶材利用率会增大，高磁场会使靶材利用率降低，因此，通过强磁场和高电压的配合使用，可以使得靶材利用率控制在一个合理的水平。

超导强磁场磁控溅射装置由于需要加上制冷设备，因此磁体结构不宜太复杂，Mizutani制作的磁控溅射阴极靶材位于背板上面，在溅射的过程中保持水在背板通道中流动，以保持靶的温度大约为300K。Sm123超导块材安装在Permendur合金铁轭上，由G-M制冷机冷却。对于60mm直径的圆柱超导块，超导块的表面距离杜瓦的外表面为3mm。通过将80mm外径的圆柱杜瓦插入100mm口径的10T超导螺线管磁体内，在大约100K的温度下，将沿着c轴方向4.5T的磁场应用于超导块材充磁。在场冷模式下，在温度降到52K之后，将磁场降为0。磁化后的超导体进一步冷却到40K，以抑制磁通蠕动。磁化后，将圆柱杜瓦插入一个外磁轭环，以形成磁控溅射所需要的环状磁力线。实验测量发现，对于60mm直径的Sm123超导永磁体，在3mm厚的Cu靶材上(靶材表面距离磁体上表面11mm)，磁场水平分量可以达到0.63T，比常规NdFeB磁控溅射装置的磁场大了一个数量级。

尽管Mizutani等人应用超导块材制作了磁控溅射装置，但是由于超导块材需要在低温容器中充磁，很难通过多块超导块材和铁轭的拼接和配合以得到理想的磁场位型，因此也就很难采用超导块材制作大型的圆形和矩形平面磁控溅射装置。另外，超导块材经充磁后，磁场难以调节，因此也就无法通过调节磁场来优化磁控溅射镀膜工艺。

发明内容

为了克服超导块材磁控溅射装置在实用化中存在的问题，本发明提出了一种基于超导线圈的强磁场磁控溅射阴极，本发明可应用于大型强磁场磁控溅射装置，也可以比较灵活地对靶材表面的磁场强度进行调节以优化镀膜工艺。

本发明采用的技术方案如下：

本发明超导平面磁控溅射阴极由靶材、水冷背板、超导线圈、磁轭和杜瓦组成。靶材通过螺栓与水冷背板紧密安装在一起，由外加直流电源、中频脉冲电源、中频交流电源或射频电源供电。超导线圈和磁轭安装在杜瓦中，由液氮浸泡冷却、液氮加制冷机冷却或制冷机直接冷却。超导线圈根据不同应用场合，可绕制成跑道形或圆形结构，形成基于跑道形超导线圈的矩形平面磁控溅射装置和基于圆形超导线圈的圆形平面磁控溅射装置。超导线圈通过电流引线连接外加直流供电电源。磁轭由外磁轭、内磁轭和底磁轭构成，将超导线圈嵌于内外磁轭和底磁轭之中。杜瓦采用多层绝热结构。

超导线圈选用Bi系和Y系为代表的高温超导线带材。目前高温超导带材已实现了较大规模的产业化，其单根长度已达千米，临界电流密度Jc已超过1.5×10⁸A/m²(77K，自场)。设计线圈时，电流密度可取在1×10⁸A/m²之内。由于超导磁体产生的磁场很强，因此磁轭需要选用高饱和磁密、高磁导率的软磁材料，例如Permendur合金、Supermendur合金等。在国内，可以选用与Permendur合金相对应的1J21、1J22铁钴钒软磁材料。靶材材料可选择金属、合金和陶瓷材料，以适合于多种镀膜工艺。所述的阴极电源为直流、中频脉冲、中频交流或射频电源。所述的磁体供电电源为直流电源。

本发明具有以下优点：

1.本发明的超导平面磁控溅射阴极，可以在靶表面产生强磁场，比常规永磁磁控溅射装置高了一个数量级，因此能够克服常规磁控溅射靶无法制备某些特殊薄膜的难题。

2.本发明设计的超导线圈磁控溅射阴极，超导线圈通过直流电源供电，耗能很少；同时，通过控制线圈电流，还可以方便地调整靶材表面磁场，相对于永磁和超导块材磁控溅射装置更为灵活，可以方便地应用于多种材料镀膜工艺；

3.本发明结构保持了磁控溅射工艺的优点，并能够改进其工艺性能，可适用于直流、脉冲、交流及射频磁控溅射工艺，可以对于金属、合金、陶瓷等多种靶材进行溅射镀膜，具有广泛的应用领域。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

图1为超导强磁场平面磁控溅射阴极截面图。其中：1为靶材，2为水冷背板，3为超导跑道型线圈，4为外磁轭，5为内磁轭，6为底磁轭，7为杜瓦。

图2为超导矩形平面磁控溅射阴极磁体结构俯视图；

图3为超导矩形平面磁控溅射阴极截面处磁力线分布图；

图4为超导矩形平面磁控溅射阴极截面靶材表面磁场分布图；

图5为超导矩形平面磁控溅射阴极靶表面磁场分布图；

图6为超导圆形平面磁控溅射阴极磁体结构俯视图；

图7为超导圆形平面磁控溅射阴极截面处磁力线分布图；

图8为超导圆形平面磁控溅射阴极靶材表面磁场分布图。

具体实施方式

图1为本发明基于跑道形超导线圈的矩形平面磁控溅射装置。如图1所示，本发明超导矩形磁控溅射阴极由平面靶材1、水冷背板2、超导线圈3、外磁轭4、内磁轭5、底磁轭6和杜瓦7组成，如图1所示。水冷背板2为内盛冷却水的水冷框结构，水冷背板2中留有水冷管道。水冷背板2上面放置平面靶材1，平面靶材1和水冷背板2紧密安装在一起。水冷背板2的下方为杜瓦7。超导线圈3和外磁轭4、内磁轭5、底磁轭6放在杜瓦7内，超导线圈3置于在由外磁轭4、内磁轭5和底磁轭6包围的空间内，由液氮循环冷却、液氮加制冷机冷却或制冷机直接冷却。

所述的超导线圈3由多匝的Bi系或Y系超导带材绕制而成。对于矩形磁控溅射阴极，超导线圈需绕制成跑道型结构，如图2所示，超导线圈3嵌在由外磁轭4、内磁轭5和底磁轭6包围的空间内。外磁轭4、内磁轭5和底磁轭6构成闭合磁路。

本发明所述的矩形平面磁控溅射靶尺寸为500×125mm²，通过对磁体的磁场计算可以发现，在线圈电流密度取1×10⁸A/m²时，得到矩形平面磁控溅射装置截面处磁力线分布如图3所示，与常规磁控溅射装置磁力线分布类似。可以看出，在靶表面距离磁体表面15mm(大于Mizutani设计的11mm)时，靶表面磁场水平分量可以超过0.4T，如图4和图5所示，接近Mizutani采用Sm123超导块材所达到的磁场强度。

本发明磁控溅射阴极磁体与永磁和超导块材磁控溅射磁体的设计不同，采用电流激磁，因此可以方便地对靶表面的磁场进行调整。由于超导线圈在直流条件下电阻很小，因此，采用超导线圈激磁的磁控溅射阴极，能耗较低。与超导块材磁控溅射阴极不同，超导线圈磁控溅射装置需要采用电流引线与外部直流电源连接。

矩形平面磁控溅射阴极应用广泛，大型矩形平面磁控溅射装置通常应用于工业生产线上，用于大面积镀膜。中小型矩形平面磁控溅射阴极在实验室中也得到了越来越多的应用。矩形平面磁控溅射阴极相对于圆形平面磁控溅射阴极的优点是可以获得厚度均匀的薄膜。

图6为本发明超导圆形平面磁控溅射阴极磁体结构的俯视图。圆形阴极由平面靶材1、水冷背板2、超导线圈3、外磁轭4、内磁轭5和底磁轭6和杜瓦7组成。超导圆形平面磁控溅射阴极截面的结构与矩形平面磁控溅射阴极类似，它们的区别在于：对于圆形平面磁控溅射阴极，超导线圈3绕制成圆形结构，如图6所示。圆形超导线圈3嵌在由外磁轭4、内磁轭5和底磁轭6包围的空间内，外磁轭4、内磁轭5和底磁轭6构成闭合磁路。

圆形平面磁控溅射阴极由于结构简单，占地小，非常适合于制作实验室中应用的中小型平面磁块溅射装置。本发明所述的圆形平面磁控溅射阴极尺寸为Φ250mm，在靶表面距磁体表面15mm，线圈电流密度取1×10⁸A/m²时，圆形平面磁控溅射阴极截面处的磁力线分布如图7所示，靶表面的磁场水平分量超过0.3T，如图8所示，可以满足强磁场磁控溅射装置的磁场需求。

Claims (5)

1.一种基于超导线圈的强磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述阴极由靶材(1)、水冷背板(2)、超导线圈(3)、外磁轭(4)、内磁轭(5)和底磁轭(6)、杜瓦(7)和阴极电源构成；靶材(1)放置在水冷背板(2)的上面，靶材(1)与水冷背板(2)紧密安装在一起；水冷背板(2)的下方为杜瓦(7)；超导线圈(3)置于在由外磁轭(4)、内磁轭(5)和底磁轭(6)包围的空间内，超导线圈(3)和外磁轭(4)、内磁轭(5)和底磁轭(6)安装在杜瓦(7)中，由液氮循环冷却、液氮加制冷机冷却或制冷机直接冷却；杜瓦(7)采用多层绝热结构；超导线圈(3)通过电流引线与磁体供电电源连接。

2.如权利要求1所述的强磁场磁控溅射阴极，其特征在于：超导线圈(3)根据不同应用场合，绕制成跑道形或圆形结构。

3.如权利要求1所述的强磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述的水冷背板(2)为内盛冷却水的水冷框结构。

4.如权利要求1所述的强磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述的靶材(1)是金属、合金或陶瓷靶材；所述的超导线圈(3)采用Bi系线材、Bi系带材或Y系带材；所述的外磁轭(4)、内磁轭(5)和底磁轭(6)采用软磁材料：Permendur、Supermendur、1J21或1J22。

5.按权利要求1所述的强磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述的阴极电源为直流、中频脉冲、中频交流或射频电源；所述的磁体供电电源为直流电源。

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