CN101935823A - 一种用于超高真空的磁控溅射靶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超高真空的磁控溅射靶，其中磁控溅射靶的靶阴极和靶阳极之间采用一道O型圈密封，大大减少了密封O型圈的数量，可以满足超高真空要求。本发明的靶中磁体的制备工艺，通过建立数学模型，对磁体的尺寸与形状进行有限元优化，使得靶面附近磁场平行分量分布更均匀且宽广，提高了溅射时靶材面的使用范围，有效的提高了靶材的利用率。

Description

一种用于超高真空的磁控溅射靶

本发明申请是200910084481.8号发明申请的分案申请，原申请的申请日为2009年5月15日，申请号为200910084481.8，发明名称为一种用于超高真空的磁控溅射靶以及靶中磁体的制备工艺。

技术领域

本发明涉及磁控溅射真空镀膜技术，尤指一种磁控溅射靶以及靶体中磁体的制备工艺。

背景技术

真空镀膜技术在各种工业和科研领域中有着很广泛的应用，特别在涉及到高科技行业的领域如磁盘制造、太阳能电池、微加工器件制造、IC电子行业等。磁控溅射工艺具有成膜效率高、成膜致密、薄膜与衬底结合力强、适合于生长各种材料薄膜、沉积温度低、可以在很长时间内维持稳定的成膜速率、成膜可重复性高、适合于大批量工业生产等优点。

磁控溅射在永磁体产生的静磁场作用下，阴极发射出的电子被约束在靶面附近的区域内，极大的增强了靶面附近的电离能力，提高了靶面附近等离子体浓度，因此可以大大提高溅射的效率，是目前使用最为广泛的溅射方法之一。但由于受磁场的限制，只有在靶面附近磁场平行分量较强的区域电离度增强，因此靶面上只有部分区域被集中溅射，溅射过后在靶面上留下一道环形“跑道”状的凹坑，导致靶材的利用率较低，一般在10～30％之间。移动磁体的方法可以将靶材的利用率提高到40～50％，但降低了溅射的稳定性和可靠性，且设计结构复杂，难于推广应用。而将磁控溅射靶应用到超高真空，更需要考虑靶的精简设计，复杂的靶结构会造成很多真空死角，并且会增加靶的真空放气率，从而无法获取超高真空，同时影响到溅射成膜的质量。

磁控溅射靶一般由靶阴极、接地保护鞘(阳极)、磁体、水冷部分、电极和密封部分等组成。阴极与阳极之间必须绝缘以保证溅射能正常工作，一般的做法是在阴极与阳极之间加一层绝缘材料，例如聚四氟乙烯、陶瓷等。绝缘层与阴极、阳极之间均需要做真空密封，而由于金属密封必须使用无氧铜圈或金属丝并用金属(一般为不锈钢)螺钉紧固，这些都是电良导体，所以在密封绝缘层时不能使用，一般采用O型圈来完成真空密封，加上水冷槽的密封，一般一个靶需要使用2～4个O型圈。O型圈数量的增加在超高真空应用中是应该尽量避免的，因为它具有非常持久和大量的放气，并且不能做较高温度的烘烤，直接影响到真空室超高真空的获取。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种适用于超高真空的磁控溅射靶。

本发明的另一目的在于提供一种磁控溅射靶体中磁体的制备工艺。

本发明的磁控溅射靶体中磁体的制备工艺，具体步骤为：1)建立磁体几何模型；2)对几何模型进行网格化；3)确定磁体的物理参数，包括相对磁导率和矫顽力；4)确定有限元分析的边界条件，根据有限元分析算法得出磁场在空间中的分布图像；5)从步骤4)中的分布图像中抽取磁体极面以上3～6mm区域内的磁场平行分量并绘制曲线；6)改变磁体尺寸、大小，重新进行计算，得到一个最适合所需应用到的靶材尺寸；7)改变磁体磁极面的锥角角度，重新进行计算，得到一个最佳的角度，使得磁场平行分量在磁体极面以上3～6mm区域内分布尽可能宽广而均匀；8)选用合适的永磁体材料，根据所设计的尺寸和形状加工磁体并充磁。

进一步，步骤1)中所述磁体为对称结构时，取所述磁体中心截面来建立二维模型。

进一步，所述永磁体材料为钕铁硼或者铝镊钴烧结合金。

进一步，所述靶体采用无氧铜或紫铜一体加工。

进一步，所述磁体的形状为圆柱、圆环或矩形。

进一步，所述有限元的边界条件为远场边界条件。

本发明的磁控溅射靶，包括靶阴极和靶阳极，所述靶阳极包括靶顶法兰和接地外鞘，靶顶法兰与接地外鞘相连，靶阳极的上部密封，靶阴极包括靶体，靶体通过靶阳极上设置的绝缘连接件与靶阳极不接触的设置在接地外鞘中，并且靶体上表面与靶阳极之间通过一道O型圈密封，所述靶体下表面上紧密固定靶材，靶材下部的接地外鞘上设置有与靶材大小相配的通孔。

进一步，所述绝缘连接件包括螺钉和绝缘陶瓷保护套，螺钉上部容置在所述靶顶法兰上设置的与螺钉上端相配的卡槽中，螺钉与卡槽接触的外表面上设置有绝缘陶瓷保护套，螺钉下部的螺纹端与所述靶体螺纹连接。

进一步，所述靶体上设置有靶电极柱，靶体内设置有水冷装置和磁体，靶体上表面设置有通孔，该通孔以下部分的靶体内设置有容置水冷装置和磁体的凹槽，所述通孔与凹槽连通，该通孔上设置封盖将所述靶体内密封，封盖上设置有将所述磁体固定在所述凹槽中的调整螺钉。

进一步，所述磁体由中心磁体和外围磁体构成，中心磁体设置在所述靶体中部，外围磁体设置在中心磁体两侧，外围磁体和中心磁体之间设置有所述水冷装置，该水冷装置与所述封盖之间设置有O形密封圈。

进一步，所述靶顶法兰上部设置有金属刀口密封法兰，金属刀口密封法兰上设置靶顶盖，并且金属刀口密封法兰与靶顶盖之间密封，靶顶盖上设置有所述水冷装置的水管接头和所述靶电极柱的电极接头，靶顶盖上还设置有与抽真空装置相连的抽嘴。

本发明的磁体的制备工艺，通过建立数学模型，对磁体的尺寸与形状进行有限元优化，使得靶面附近磁场平行分量分布更均匀且宽广，提高了溅射时靶材面的使用范围，有效的提高了靶材的利用率。本发明的磁控溅射靶在超高真空环境下的密封只采用了一道O形密封圈，满足了靶的超高真空要求，保证了磁控溅射靶在超高真空环境下的稳定工作。

附图说明

图1a为本发明的磁控溅射靶的磁体模型及其磁力线分布图；

图1b为磁体的立体图；

图2a为本发明磁控溅射靶的中心剖视图；

图2b为本发明磁控溅射靶的俯视图；

图3为图2a中A部放大图；

图4为利用有限元分析方法获得的靶面附近磁场平行分量分布曲线；

图5为本发明的磁控溅射靶的装配示意图。

具体实施方式

如图2a所示，本发明的磁控溅射靶，包括靶阴极、靶阳极和靶材13，靶阴极为靶体6，靶体6为无氧铜或紫铜一体加工，因为无氧铜或紫铜具有非常良好的导热性能，且不具有磁性，可以在超高真空中使用。靶阳极由接地外鞘14、靶顶法兰4、金属刀口密封法兰2和靶顶盖1构成，其中，接地外鞘14的上部与靶顶法兰4螺纹连接，靶顶法兰4上卡坐有金属刀口密封法兰2，金属刀口密封法兰2上部通过螺钉固定有封盖1，通过封盖1和在封盖1与金属刀口密封法兰2的接触面之间设置的O型圈，将靶阳极内密封。

如图2a和3所示，靶顶法兰4上设置有供螺钉卡坐的通孔，螺钉上端卡坐在该通孔中，并且螺钉与靶顶法兰4接触的外表面上设置有绝缘陶瓷外套18，避免由于螺钉导电而造成靶阳极与阴极短路，靶体6容置在接地外鞘14的空腔中，通过螺钉将靶体6固定在靶顶法兰4上，靶体6与靶顶法兰4和接地外鞘13均不接触，靶体6的上表面与靶顶法兰4之间有一定间隙，并通过一道O型圈8将靶阳极与靶阴极之间密封，O型圈8容置在靶顶法兰4上设置的圈槽中，其中O型圈槽的深度需要根据密封所需要的压力进行估算，一般不得小于O型圈8的半径，不得大于D-Δd，其中D为O型圈直径，Δd为O型圈8在密封所需压力(一般为≥13MPa)下的形变量。O型圈8一方面起到密封的作用，另一方面也将靶的阴极和阳极绝缘开，因此O型圈槽的深度略浅以保证O型圈8形变之后靶阴极和阳极之间还能够维持约0.1-0.5mm的间距。O型圈8为Viton橡胶密封圈具有放气率低、可以正常使用到200℃或以上高温的优点，可以用于≥1×10^-8Pa的超高真空。

如图2a和图2b所示，靶体6内设置有磁体安装槽和冷却水槽12，中心磁体10和外围磁体9分别对应放置在磁体安装槽中，靶体6上表面加盖封盖7将靶体6密封，为了防止冷却水槽12中的水流出，冷却水槽12处通过两道O型圈密封，封盖7上设置有调整螺钉，用于顶紧磁体，避免磁体发生位移。封盖7上设置靶电极柱和与冷却水槽12连通的循环水管接头，与靶顶盖1上设置的同轴电极线接头17和水管接头15对应，靶顶盖1上还设置有用于与抽真空装置相连的抽嘴16，在进行靶溅射之前通过抽真空装置对靶阳极内抽取粗真空。靶体6的底面通过靶材压环11将靶材13与靶体6底面紧密接触。

如图1a和1b所示，外围磁体9为与靶材13面直径相当的环形磁体，其中磁极内边倒锥角，中心磁体10为圆柱形磁体，磁极顶部倒锥角。

本发明磁控溅射靶的安装步骤如下：

a)将O型圈安装到靶顶法兰的O型圈槽内，紧固。用于紧固的螺钉外面套有可加工陶瓷加工而成的绝缘外套；

b)检验靶顶法兰和靶体之间的绝缘性，以及通过真空检漏确定O型圈密封漏率小于检漏仪灵敏度以下后，安装靶材和接地外鞘；

c)靶材安装：靶材通过一个靶材压环紧压在靶体的靶材接触面上，通过一组螺钉紧固；

d)接地外鞘通过螺丝扣安装到靶顶法兰上，接地外鞘端面与靶材之间的距离通过旋转的螺扣数来控制；

e)将靶安装到真空室上，紧固金属密封刀口法兰，真空检漏以确保密封漏率小于检漏仪灵敏度以下；

f)将磁体安装入磁体安装槽内，并密封水槽，水槽的密封通过两道O型圈实现。水槽密封盖上同时还有一组螺钉用于顶紧磁体避免磁体发生位移。

g)安装循环水管和电极引线；

h)安装靶顶盖；

i)整个靶安装完成之后，便可以进行直流磁控溅射。溅射时，靶体、靶材、靶材压环处在靶的阴极，而接地外鞘、靶顶法兰、金属刀口法兰等部件接地并作为靶的阳极，溅射时在靶的阴极上加一个数百伏的负高压。溅射时必须保证循环水连续供应以冷却磁体和靶材。

靶体6上方的靶顶法兰4为桶状结构有一空腔，靶体6中的磁体需要更换时，可以将磁体从溅射靶上部取出，而不破坏溅射靶的超高真空气氛。

本发明的磁体制备工艺，包括以下步骤：

1.建立磁体几何模型，对称结构的磁体取中心截面来建立二维模型；

2.对几何模型进行网格化；

3.确定磁体的物理参数，包括相对磁导率和矫顽力；

4.确定有限元分析的边界条件，采用远场边界条件，即认为在无穷远处磁场为零；

5.求解，得出磁场在空间中的分布图像，如图1a所示；

6.抽取磁体极面以上3～6mm区域内的磁场平行分量并绘制曲线；

7.改变磁体尺寸、大小，重新进行计算，得到一个最适合所需应用到的靶体尺寸；

8.改变磁体磁极面的锥角角度，重新进行计算，得到一个最佳的角度，使得磁场平行分量在磁体极面以上3～6mm区域内分布尽可能宽广而均匀；如附图4所示；

9.选用合适的永磁体材料，根据所设计的尺寸和形状加工磁体并充磁。

如图5所示，本发明的金属刀口密封法兰2的下部安装在超高空室中，超高真空与粗真空之间只通过一道O型圈密封。粗真空的存在可以进一步降低O型圈的漏气，同时保护磁体并防止水气凝结造成靶短路的现象。

需要指出的是本发明根据具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种磁控溅射靶，其特征在于，包括靶阴极和靶阳极，所述靶阳极括靶顶法兰和接地外鞘，靶顶法兰与接地外鞘相连，靶阳极的上部密封；靶阴极包括靶体，靶体通过靶阳极上设置的绝缘连接件与靶阳极不接触的设置在接地外鞘中，并且靶体上表面与靶阳极之间通过一道O型圈密封，所述靶体下表面上紧密固定靶材，靶材下部的接地外鞘上设置有与靶材大小相配的通孔。

2.如权利要求1所述的磁控溅射靶，其特征在于，所述绝缘连接件包括螺钉和绝缘陶瓷保护套，螺钉上部容置在所述靶顶法兰上设置的与螺钉上端相配的卡槽中，螺钉与卡槽接触的外表面上设置有绝缘陶瓷保护套，螺钉下部的螺纹端与所述靶体螺纹连接。

3.如权利要求1所述的磁控溅射靶，其特征在于，所述靶体上设置有靶电极柱，靶体内设置有水冷装置和磁体，靶体上表面设置有通孔，该通孔以下部分的靶体内设置有容置水冷装置和磁体的凹槽，所述通孔与凹槽连通，该通孔上设置封盖将所述靶体内密封，封盖上设置有将所述磁体固定在所述凹槽中的调整螺钉。

4.如权利要求3所述的磁控溅射靶，其特征在于，所述磁体由中心磁体和外围磁体构成，中心磁体设置在所述靶体中部，外围磁体设置在中心磁体两侧，外围磁体和中心磁体之间设置有所述水冷装置，该水冷装置与所述封盖之间设置有O形密封圈，外围磁体为与所述靶材面直径相当的环形磁体，其中磁极内边倒锥角，中心磁体为圆柱形磁体，磁极顶部倒锥角。

5.如权利要求3所述的磁控溅射靶，其特征在于，所述靶顶法兰为桶状结构，其上部设置有金属刀口密封法兰，金属刀口密封法兰上设置靶顶盖，并且金属刀口密封法兰与靶顶盖之间密封，靶顶盖上设置有所述水冷装置的水管接头和所述靶电极柱的电极接头，靶顶盖上还设置有与抽真空装置相连的抽嘴。

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