CN101798675A - 电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置 - Google Patents
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Abstract
一种电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置，它包括：靶架、工作气体气源、反应气体气源、相对地设置在靶架上并均沿着纵向延伸的第一靶材和第二靶材，第一靶材和第二靶材相对的两个侧壁面分别向内凹陷形成溅射表面，且一对溅射表面之间形成靶腔；工作气体气源和反应气体气源分别位于靶腔的入口侧和出口侧，在阴极装置的横截面上，一对溅射表面之间的最小距离位于靶腔的出口处。本发明通过改变靶材的形状来改变电场的分布，靶腔内的电场强度的方向沿垂直于溅射表面的方向，因此使等离子体都被集中约束在一对靶材的中央区域，提高其密度，进而增大溅射速率。同时，本发明还能够有效的防止反应气体进入靶腔内，避免靶中毒。
Description
技术领域
本发明涉及一种溅射镀膜的阴极装置。
背景技术
现有技术中常用的溅射镀膜方法大多都是磁控溅射镀膜技术，即利用磁场约束等离子体，在低气压下，通过高能离子溅射出靶原子，使其沉积到基片上，来达到镀膜的目的。这种方法最大的缺点是在反应溅射镀膜时，反应气体气源会与靶的表面作用，使其氧化(靶中毒现象)。这样会极大的影响沉积速率和膜的特性。最近一些年，一种新的溅射镀膜方法提了出来，这种方法是利用高速的氩气通过两个平行靶之间，而让工作气体气源在靶室的外面，受氩气的排斥，工作气体气源难以接触到靶表面，从而避免了靶中毒。Johannes Stollenwerk等应用此理念发明了镀氧化镁薄膜的方法(美国专利6150030)。可是由于氩气的速度在靶的表面很小，仍有少量的反应气体会沿着靶面进入腔内。为了防止这种现象，Alan Delahoy等发明了气体扰动法以达到防止氧气与靶接触(美国专利7235160)，但当靶比较宽，靶距比较小时，气体扰动效果就变得不明显了，特别是在氩气的出口处，这是因为具有一定初速度的氩气在平行靶的表面不断与平行靶的表面撞击和摩擦，导致氩气损失能量、速度减慢，在靶腔出口处，位于靶表面处的氩气速度几乎减低为零，反应气体便会沿靶表面渗入到靶腔内，并与靶材的溅射表面进行反应，引起导致靶中毒。此外，由于平行靶溅射方法利用自产生的电场约束等离子体，在靶腔的边缘处(出口处)，电场强度很弱，等离子体容易从边缘逃选出去，从而降低了等离子体的密度。因此也降低了溅射速率，也就是薄膜的沉积速率。
发明内容
本发明目的是克服现有技术中的问题，提供一种能够更好的约束等离子体、提高等离子体的密度、有效防止反应气体与靶接触，提高溅射速率的电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置，它包括：靶架、工作气体气源、反应气体气源、相对地设置在所述的靶架上并均沿着纵向延伸的第一靶材和第二靶材，所述的第一靶材和第二靶材分别与负极电源相电连接，所述的第一靶材和第二靶材相对的两个侧壁面分别向内凹陷形成溅射表面，且一对溅射表面之间形成靶腔；所述的工作气体气源和反应气体气源分别位于所述的靶腔的入口侧和出口侧，在垂直于所述的纵向的横向截面上，一对所述的溅射表面之间的最小距离位于所述的靶腔的出口处。
本发明进一步地技术方案是：在所述的阴极装置的横截面上，所述的溅射表面的投影为曲线。
优选地，在所述的阴极装置的横截面上，所述的溅射表面的投影为圆弧线。
进一步地说，所述的第一靶材和第二靶材的横截面均呈扇环形。
优选地，所述的溅射表面在所述的阴极装置的横截面上的投影所形成的曲线的曲率为K，0＜K＜1/50米-1。
优选地，一对所述的溅射表面之间的最大距离为20mm～100mm。
或者，在所述的阴极装置的横截面上，所述的溅射表面的投影为抛物线。
进一步地说，所述的工作气体气源包括：工作气体管路、用于使工作气体沿切线方向进入所述的靶腔的导流气罩，所述的导流气罩罩在所述的工作气体管路的外侧，所述的导流气罩上具有朝向所述的靶腔的开口，所述的工作气体管路在远离所述的开口的一侧开设有多个气孔，所述的工作气体管路与所述的导流气罩之间形成导流通道。
优选地，所述的第一靶材和第二靶材还分别包括与所述的靶架相连接的结合面以及连接所述的结合面和所述的溅射表面的侧端面；自所述的靶腔的出口处向外，所述的第一靶材的侧端面和所述的第二靶材的侧端面之间的距离逐渐增大形成一喇叭口，所述的反应气体气源位于所述的喇叭口的外侧。
优选地，所述的反应气体气源包括一对分别设置在所述的靶架上的反应气体管路，一对所述的反应气体管路上均开设有出气孔，且一对所述的反应气体管路上的出气孔相对设置。
进一步地，所述的第一靶材和第二靶材分别选自Al、Zn、Ti、Cr、Cu、Fe、Mg、Sn、In、Si中的一种或其任意两种或多种材料的合金。所述的第一靶材和第二靶材的材料相同，或者所述的第一靶材和第二靶材的材料不相同。
进一步地，所述的反应气体为O2、Cl2、H2、H2O、SH2、N2、CO2、NH3、BH3等气体。
进一步地，所述的工作气体管路与所述的反应气体管路接地，或者所述的工作气体管路与所述的反应气体管路悬浮状态。
进一步地，所述的负极电源为直流源或脉冲直流源或中频交流源。
进一步地，所述的靶架为导热体，且所述的靶架内设置有冷却管，所述的冷却管内通有循环冷却介质。
进一步地，所述的靶架的两侧端面均设置有绝缘层。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明通过改变靶材的形状来改变电场的分布，靶腔内的电场强度的方向总是垂直于溅射表面，同时，一对溅射表面之间的最小距离出现在靶腔的出口处，因此使等离子体都被集中约束在靶腔中，提高等离子体的密度，增大溅射速率，随着工作气体的持续送风，将上述等离子体溅射出的物质带到基片上沉积。
此外，本发明的靶腔的设计，使得工作气体在靶腔出口处自然的产生气流扰动，能够有效的防止反应气体进入靶腔内，使得溅射过程稳定，工艺重复性高。该靶材的设计可以提高靶材的利用率，靶的表面积随着溅射时间逐渐变大，会弥补通常的在镀膜一段时间后沉积速率下降现象。
最后，本发明的工作气体气源采用工作气体管路和导流气罩的设计，可使工作气体分布更均匀。
附图说明
附图1为现有技术中的溅射镀膜系统的示意图；
附图2为现有技术中的溅射镀膜阴极装置的横截面；
附图3为本发明的溅射镀膜阴极装置的横截面；
附图4为本发明的工作气体气源的剖视图；
附图5为本发明的反应气体气源的左视图；
其中：1、工作气体气源；2、导流气罩；3、工作气体管路；4、气孔；5、导流通道；6、开口；7、靶架；81、第一靶材；82、第二靶材；9、反应气体管路；10、出气孔；11、反应腔；12、冷却管；13、反应气体外罩；14、阴极电源；15、绝缘层；16、基片；17、入口；18、出口；19、结合面；20、侧端面；21、溅射表面；
60、溅射镀膜系统；62、阴极；64、工作气体喷射器；66、导管；68、电源；70、基片；72、反应气体管路；74、真空室；76、节流阀；78、泵；80、加热器；82、位移调节机构；90、靶；92、靶；94、电极引线；96、水冷块；98、水冷管；100、防泄阀；102、连接头；104、特氟龙管；106、气密封接头；110、连接头；114、116、绝缘陶瓷；118、保护罩；122、工作气体入口；124、喷嘴；126、导流板；128、靶腔；130、反应气体管路。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
参见附图3所示，一种电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置，它包括：一对靶架7、相对地设置在所述的靶架7上并均沿着纵向延伸的的第一靶材8和第二靶材82、工作气体气源1、反应气体气源，一对所述的靶架7的两个侧表面均设置有绝缘层15，所述的第一靶材81和第二靶材82相对的两个侧壁面分别向内凹陷形成溅射表面21，且一对溅射表面21之间形成靶腔11；所述的第一靶材81和第二靶材82分别与负极电源14相电连接，所述的工作气体气源1和反应气体气源分别位于所述的靶腔11的入口17侧和出口18侧，所述的第一靶材81和第二靶材82之间具有间隙，所述的工作气体气源1位于该间隙中。在垂直于所述的纵向的横向截面上，一对所述的溅射表面21之间的最小距离位于所述的靶腔11的出口处，也就是说一对所述的溅射表面21之间围成的靶腔11中央大口部小。所述的反应气体气源位于所述的靶腔11的出口18一侧，通常工作气体为氩气，反应气体为氧气。
本发明将靶腔的出口设计变窄，靶腔11内各处电场强度的方向都垂直指向该溅射表面21，靶材与负极电源14电连接，基片16接地，基片16设置在靶腔11出口18的正对一侧。在电场的激发下，氩气产生辉光放电，释放出的正离子在电场的作用下加速轰击靶材，使靶材表面溅射出原子或分子，与现有技术中横截面为矩形的靶腔相比，本发明的口部变窄的靶腔11在出口18处的场强得到加强，因此能够防止电子在靶腔的边缘逃逸，从而提高等离子体的密度，增大溅射速率，靶材表面溅射出来的原子或分子集中在靶腔11中，在氩气的吹拂下沉积到基片16上形成镀膜。
第一靶材81和第二靶材82的溅射表面21可以分别具有不同的曲率，或者也可以如本实施例中，第一靶材81和第二靶材82完全对称。一般来说，靶腔11的出口部变窄就能够起到上述约束电子的作用，比如在所述的阴极装置的横截面上，靶腔11的投影为多边形或圆形。优选地，所述的溅射表面21的投影为曲线，所述的曲线包括圆弧线、抛物线、双曲线、连续的两段或多段弧线构成的线段等等。
溅射表面21为曲面的一个好处是，靶材8的表面积随着溅射时间逐渐变大，会弥补通常的在镀膜一段时间后沉积速率下降现象，因此可以提高靶材的利用率，保证沉积速率。
所述的第一靶材81和第二靶材82还分别包括与所述的靶架7连接的结合面19以及连接所述的结合面19和所述的溅射表面21的侧端面20；优选地，所述的靶架7与所述的第一靶材81以及第二靶材82的弯曲程度相同。优选地，所述的第一靶材81和第二靶材82的横截面呈扇环形，这样溅射过程一直进行，靶材各处的消耗情况相近，因此能够提高靶材的利用率。进一步地，第一靶材和第二靶材的溅射表面21的曲率为K，0＜K＜1/50米-1，一对所述的溅射表面21的最凹处之间的距离为20mm～100mm。
所述的工作气体气源包括：提供氩气的工作气体管路3、用于使氩气沿切线方向进入所述的靶腔11的导流气罩2，所述的导流气罩2罩在所述的工作气体管路3的外侧，所述的导流气罩2上具有朝向所述的靶腔11的开口6，所述的工作气体管路3在远离所述的开口6的一侧开设有多个气孔4，所述的工作气体管路3与所述的导流气罩2之间形成导流通道5。优选地，导流气罩2的内壁面所在的圆周与溅射表面21所在的圆周相交，这样更多的氩气可以通过导流通道5以切线方向进入靶腔11，由于靶腔11在入口17处较窄，而中间较宽，因此氩气进入靶腔11后迅速减速，使靶腔11内的氩气产生扰动，易于把在弧形的溅射表面21附近的溅射原子带出并沉积到基片上。
自所述的靶腔11的出口处向外，所述的第一靶材81的侧端面20和第二靶材82的侧端面20之间的距离逐渐增大形成喇叭口，第一靶材81和第二靶材82的侧端面构成喇叭口的侧壁，所述的反应气体气源位于所述的喇叭口的外侧，所述的反应气体气源包括一对分别设置在一对所述的靶架7上的反应气体管路9，一对所述的反应气体管路9上均开设有出气孔10，且一对所述的反应气体管路9上的出气孔10相对设置。反应气体管路9位于所述的喇叭口的外侧，一方面可以避免反应气体管路9被镀上膜，使工艺重复性更好；另一方面，还使得氩气在靶腔11出口18处自然的产生气流扰动，能够有效的防止反应气体进入靶腔内，同时，由于形成喇叭口侧壁面的是靶材的侧端面，因此即使有一部分反应气体进入喇叭口，也不会影响到溅射表面21。
通常所述的反应气体为O2、Cl2、H2、H2O、SH2、N2、CO2、NH3、BH3等。所述的第一靶材81和第二靶材82分别选自Al、Zn、Ti、Cr、Cu、Fe、Mg、Sn、In、Si中的一种或其任意两种或多种材料的合金。根据镀膜的需要，第一靶材81和第二靶材82可以选取相同的材料，或者分别选取不同的材料。利用本发明可以制备Al2O3、ZnO、TiO2、SiO2、ZnO：Al、InSnO2等薄膜。
所述的工作气体管路3与所述的反应气体管路9接地。所述的负极电源14为直流源或脉冲直流源或中频交流源。所述的中频交流源是指频率为20KHz～40KHz的交流源。
优选地，所述的靶架7为导热性能良好的铜材料，所述的靶架7内设置有冷却管12，所述的冷却管12内通有循环冷却水，从而带走溅射过程中靶材8产生的大量的热。
以镀ZnO膜为例，要求在一个1米宽的玻璃上镀ZnO膜。我们采用二个1.2米长的锌靶材以保证膜的均匀性。靶材厚为15mm。第一靶材和第二靶材对称，且均为扇环形，溅射表面21和结合面19的圆弧半径分别为30mm和45mm，弦长40mm。两对称靶材的中心距离为30mm。氩气流量为24000sccm.氧气流量为200sccm，工作气压40Pa，放电功率为12KW。在这些条件下，膜的动态沉积速率为：30nm.m/min。
再以镀TiO2膜为例，钛靶的长度为1米，靶材厚为15mm，第一靶材和第二靶材对称，且均为扇环形，溅射表面21和结合面19的圆弧半径分别为120mm和135mm，弦长为80mm。两靶材中心距离为30mm。氩气流量24000sccm，氧气流量为200sccm，工作气压为25Pa，放电功率12KW。在这些条件下，得到的TiO2膜的折射率在550nm处为2.4，而动态沉积速率为20nm.m/min。
Claims (10)
1.一种电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置，它包括：靶架(7)、工作气体气源(1)、反应气体气源、相对地设置在所述的靶架(7)上并均沿着纵向延伸的第一靶材(81)和第二靶材(82)，所述的第一靶材(81)和第二靶材(82)分别与负极电源(14)相电连接，其特征在于：所述的第一靶材(81)和第二靶材(82)相对的两个侧壁面分别向内凹陷形成溅射表面(21)，且一对溅射表面(21)之间形成靶腔(11)；所述的工作气体气源(1)和反应气体气源分别位于所述的靶腔(11)的入口(17)侧和出口(18)侧，在垂直于所述的纵向的横向截面上，一对所述的溅射表面(21)之间的最小距离位于所述的靶腔(11)的出口处。
2.根据权利要求1所述的电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置，其特征在于：在所述的阴极装置的横截面上，所述的溅射表面(21)的投影为曲线。
3.根据权利要求2所述的电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置，其特征在于：在所述的阴极装置的横截面上，所述的溅射表面(21)的投影为圆弧线。
4.根据权利要求3所述的电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置，其特征在于：所述的第一靶材(81)和第二靶材(82)的横截面均呈扇环形。
5.根据权利要求2所述的电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置，其特征在于：所述的溅射表面(21)在所述的阴极装置的横截面上的投影所形成的曲线的曲率为K，0＜K＜1/50米-1。
6.根据权利要求1或2或3所述的电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置，其特征在于：一对所述的溅射表面(21)之间的最大距离为20mm～100mm。
7.根据权利要求2所述的电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置，其特征在于：在所述的阴极装置的横截面上，所述的溅射表面(21)的投影为抛物线。
8.根据权利要求1所述的电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置，其特征在于：所述的工作气体气源包括：工作气体管路(3)、用于使工作气体沿切线方向进入所述的靶腔(11)的导流气罩(2)，所述的导流气罩(2)罩在所述的工作气体管路(3)的外侧，所述的导流气罩(2)上具有朝向所述的靶腔(11)的开口(6)，所述的工作气体管路(3)在远离所述的开口(6)的一侧开设有多个气孔(4)，所述的工作气体管路(3)与所述的导流气罩(2)之间形成导流通道(5)。
9.根据权利要求1或4所述的电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置，其特征在于：所述的第一靶材(81)和第二靶材(82)还分别包括与所述的靶架(7)相连接的结合面(19)以及连接所述的结合面(19)和所述的溅射表面(21)的侧端面(20)；自所述的靶腔(11)的出口(18)处向外，所述的第一靶材(81)的侧端面和所述的第二靶材(82)的侧端面(20)之间的距离逐渐增大形成一喇叭口，所述的反应气体气源位于所述的喇叭口的外侧。
10.根据权利要求9所述的电场约束等离子体线性反应溅射镀膜阴极装置，其特征在于：所述的反应气体气源包括一对分别设置在所述的靶架(7)上的反应气体管路(9)，一对所述的反应气体管路(9)上均开设有出气孔(10)，且一对所述的反应气体管路(9)上的出气孔(10)相对设置。
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