CN102420091A - 一种复合式磁控溅射阴极 - Google Patents

Abstract

一种复合式磁控溅射阴极，由平面靶材(1)、水冷背板(2)、外永磁体(3、4)、内永磁体(5、6)、外电磁线圈(7、8)、内电磁线圈(9、10)、外磁轭(11、12)、内磁轭(13、14)、底磁轭(15)和框架(16)构成。外永磁体(3、4)的极性相同，内永磁体(5、6)的极性相同，外永磁体和内永磁体的极性相反。两个外电磁线圈(7、8)构成一闭合线圈，两个内电磁线圈(9、10)构成一闭合线圈，外电磁线圈和内电磁线圈通过引线分别连接到供电电源。通过调节外电磁线圈和内电磁线圈通电电流的大小和方向，实现磁控溅射阴极磁场强度和磁场分布形状的变化，从而调节溅射速率、磁场平衡度和靶材利用率。

Description

一种复合式磁控溅射阴极

技术领域

本发明涉及一种磁控溅射设备，特别涉及一种永磁电磁复合式磁控溅射阴极。

背景技术

磁控溅射广泛应用于材料镀膜领域，磁控溅射阴极靶从结构上可分为平面磁控溅射靶及圆柱磁控溅射靶，从磁场分布上分为平衡靶和非平衡靶。平面磁控溅射靶所用的靶材容易加工制造，安装方便，适于批量生产镀膜产品，但由于平面靶材利用率较低，约20％左右，特别是在基片上镀制贵重金属时，无疑生产成本比较高。现在随着低辐射膜的大量生产，其所用银靶材每套售价一般都在几十万元以上。提高靶材利用率，对于降低生产成本具有十分积极的意义。传统磁控溅射技术中，等离子区被限制在靶面附近，而非平衡磁控溅射技术通过附加的磁场，将阴极靶面的等离子体引到基片附近，使更多的离子轰击基片，从而改善镀膜结构。非平衡磁控溅射系统目前已经在功能薄膜制备领域得到了广泛的研究和应用。

为了得到非平衡平面磁控溅射阴极所需要的非平衡磁场，荷兰豪士公司采用电磁线圈放置在永磁磁控溅射阴极的外围，通过改变电磁线圈的电流，可以方便调节磁场的非平衡度。与荷兰豪士公司的产品不同，中国专利98120365.5公开了一种非平衡平面磁控溅射靶，将电磁线圈放在真空腔的中心位置，电磁线圈的磁极与永磁磁极相对放置，且极性相反，以形成闭合磁场。

荷兰豪士公司的非平衡磁控溅射阴极以及专利98120365.5申请公开的非平衡磁控溅射阴极都是采用单个电磁线圈放在阴极外部的不同位置，阴极磁场是永磁磁场和电磁线圈磁场的整体叠加，电磁线圈无论是放置在阴极外侧，还是基板位置，产生的磁场均以垂直于靶面的磁场为主，阴极磁场为永磁体磁场的整体增大或减小，无法实现对内磁极和外磁极磁场的独立灵活调节，也难以实现在溅射过程中放电等离子体区的移动。

中国专利85100096申请公开的磁控溅射靶，没有采用永磁体，而采用两个电磁线圈得到阴极磁场，电磁线圈安装在外磁极的两侧，两个电磁线圈产生的磁场区域对应不同材料的靶材，通过改变两个电磁线圈电流的比值，可以灵活控制靶材不同区域的磁场，从而改变材料的组分。该专利中靶材不同区域的磁场是不同的，即不同区域的放电等离子体密度也是不同的，这样会引起等离子体的损失。

发明内容

本发明的目的是克服常规永磁磁控溅射装置在使用过程中磁场无法灵活调节的问题，提出了一种新的永磁电磁复合式磁控溅射阴极，与现有电磁式和复合式磁控溅射阴极不同的是，本发明可以比较灵活地对单个磁极的磁场强度和分布进行独立控制。

本发明采用的技术方案如下：

本发明复合式磁控溅射阴极由平面靶材、水冷背板、外永磁体、内永磁体、外电磁线圈、内电磁线圈、外磁轭、内磁轭、底磁轭和框架组成。水冷背板紧密安装在靶材的下方；外永磁体、内永磁体安装在水冷背板下方；外磁轭和内磁轭分别安装在外永磁体和内永磁体下方；底磁轭安装在外磁轭和内磁轭下方；外永磁体、内永磁体、外电磁线圈、内电磁线圈、外磁轭、内磁轭，以及底磁轭安装在框架中。所述的平面靶材通过电源线连接到阴极电源。所述的内电磁线圈安装在由外磁轭、内磁轭和底磁轭包围的空间中偏内的位置，外电磁线圈安装在由外磁轭、内磁轭和底磁轭包围的空间中偏外的位置。外电磁线圈和内电磁线圈根据不同应用场合，可绕制成跑道形或圆形结构，构成矩形平面磁控溅射装置和圆形平面磁控溅射装置。外永磁体和内永磁体产生磁控溅射阴极所需要的主磁场，外电磁线圈和内电磁线圈分别通过电流引线连接外电磁线圈和内电磁线圈供电电源，产生磁控溅射阴极所需要的辅助磁场。通过调节内、外线圈的电流流动方向和电流的大小，可以灵活对放电空间的磁场强度进行调节，以应用于不同材料的镀膜工艺。

电磁线圈选用低电阻率、高通流能力的导线绕制，采用自然冷却或水冷却。永磁体选用高剩磁和矫顽力硬磁材料，磁轭选用高磁导率和高饱和磁密的软磁材料。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。所述的阴极电源根据不同镀膜工艺的要求，可为直流、中频脉冲、中频交流或射频电源。所述的磁体供电电源为可手动或自动控制正负极性的直流电源或直流脉冲电源。

本发明具有以下优点：

1.本发明的永磁电磁复合式平面磁控溅射阴极，可以根据不同镀膜场合，在靶表面产生不同强度和分布的磁场，可以很方便地调节磁场的强弱以及磁场的非平衡度，从而克服在镀膜过程中，磁场无法调节的难题。

2.本发明设计的永磁电磁复合式线圈磁控溅射阴极，通过分别控制两个电磁线圈电流的流动方向，还可以方便地移动靶面放电等离子体的位置，从而提高靶材利用率；

3.本发明结构保持了磁控溅射工艺的优点，并能针对具体靶材材料改进其工艺流程，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为永磁电磁复合式平面磁控溅射阴极截面图，图中：1平面靶材，2水冷背板，3、4外永磁体，5、6内永磁体，7、8外电磁线圈，9、10内电磁线圈，11、12外磁轭，13、14内磁轭，15底磁轭，16为框架；

图2为永磁电磁复合式矩形平面磁控溅射阴极磁体结构俯视图；

图3为电磁线圈不通电时磁控溅射阴极截面磁力线分布图；

图4为内外磁极磁场同时增强时磁控溅射阴极截面磁力线分布图；

图5为内外磁极磁场同时减弱时磁控溅射阴极截面磁力线分布图；

图6为内磁极磁场增强、外磁极磁场减弱时磁控溅射阴极截面磁力线分布图；

图7为外磁极磁场增强、内磁极磁场减弱时磁控溅射阴极截面磁力线分布图；

图8为永磁电磁复合式圆形平面磁控溅射阴极磁体结构俯视图。

具体实施方式

图1为本发明复合式磁控溅射装置。如图1所示，所述的磁控溅射阴极为矩形，平面式，由平面靶材1、水冷背板2、外永磁体3和4、内永磁体5和6、外电磁线圈7和8、内电磁线圈9和10、外磁轭11和12、内磁轭13和14、底磁轭15和框架16组成。水冷背板2为内盛冷却水的水冷框结构，背板中留有水冷管道。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的下方为磁体框架16。框架16中包含外永磁体3和4、内永磁体5和6、外电磁线圈7和8、内电磁线圈9和10、外磁轭11和12、内磁轭13和14、底磁轭15，其中，第一外磁轭11置于第一外永磁体3的下方，第二外磁轭12置于第二外永磁体4的下方，第一内磁轭13置于第一内永磁体5的下方，第二内磁轭14置于第二内永磁体6的下方，底磁轭15置于外磁轭和内磁轭的下方，外电磁线圈7和8、内电磁线圈9和10置于外磁轭、内磁轭和底磁轭所包围的空间内，电磁线圈采用自然冷却或水冷却方式。

所述的外电磁线圈7和8、内电磁线圈9和10由多匝导线绕制而成。对于矩形磁控溅射阴极磁体，内外永磁体、内外磁轭、以及内外电磁线圈都需制作成跑道型结构，如图2所示，内电磁线圈安装在由外磁轭、内磁轭和底磁轭包围的空间中偏内的位置，外电磁线圈安装在由外磁轭、内磁轭和底磁轭包围的空间中偏外的位置。外磁轭、内磁轭和底磁轭构成半闭合磁路。两个外电磁线圈7、8构成一闭合线圈，两个内电磁线圈9、10构成一闭合线圈。

本发明磁控溅射阴极磁体与传统永磁和电磁式磁控溅射磁体的设计不同，采用永磁体产生磁控溅射所需要的主磁场，采用电磁线圈产生辅助磁场对磁场的强度和分布形状进行调整。由于电磁线圈仅产生辅助磁场而非主磁场，因此，本发明永磁电磁复合式磁控溅射阴极的能耗较低。电磁线圈需要采用电流引线与外部直流电源或脉冲直流电源连接。在电磁线圈不通电流时，磁控溅射阴极截面处磁力线分布如图3所示。在内、外电磁线圈所通电流方向为沿纸面向内流动时，阴极截面处磁力线分布如图4所示。在内、外电磁线圈所通电流方向为沿纸面向外流动时，阴极截面处磁力线分布如图5所示。因此，通过调节内、外线圈的电流流动方向和电流的大小，可以灵活对放电空间的磁场强度进行调节，以应用于不同靶材材料的镀膜工艺。

本发明永磁电磁复合式磁控溅射阴极也可实现对外磁极、内磁极磁场的独立调节，以实现磁场的非平衡度和放电等离子体聚集位置的调节。在内电磁线圈所通电流方向沿纸面向内流动、外电磁线圈所通电流方向沿纸面向外流动时，阴极截面处磁力线分布如图6所示，由图可以看出，内磁极的磁场增强，而外磁极的磁场减弱，同时，磁场的非平衡程度得到加强。而在内电磁线圈所通电流方向沿纸面向外流动、外电磁线圈所通电流方向沿纸面向内流动时，阴极截面处磁力线分布如图7所示，由图可以看出，内磁极的磁场减弱，而外磁极的磁场增强，磁场向外发散分布，更适合在对温度敏感的基片上制备薄膜。同时，由图6和图7还可以看出，当内外电磁线圈的电流方向发生互换时，放电等离子体的聚集位置(对应于磁力线与靶表面相切的位置)发生了很大的变化，这意味着通过控制电源的电流极性，可以实现对靶材刻蚀形貌的控制，从而提高靶材的利用率。

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，而圆形平面磁控溅射阴极则更多地在高校和科研院所的实验室中得到应用。图8为本发明永磁电磁复合式圆形平面磁控溅射阴极磁体结构的俯视图。圆形阴极磁体由外永磁体3和4、内永磁体5和6、外电磁线圈7和8、内电磁线圈9和10、以及磁轭结构构成。圆形平面磁控溅射阴极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，内外永磁体、内外磁轭以及内外电磁线圈都需要做成圆环结构。圆形电磁线圈安装在由外磁轭、内磁轭和底磁轭包围的空间内，以构成半闭合磁路。

Claims (7)

1.一种复合式磁控溅射阴极，其特征在于：所述的磁控溅射阴极由平面靶材(1)、水冷背板(2)、两个外永磁体(3、4)、两个内永磁体(5、6)、两个外电磁线圈(7、8)、两个内电磁线圈(9、10)、两对外磁轭(11、12)、两对内磁轭(13、14)、底磁轭(15)和框架(16)构成；水冷背板(2)紧密安装在靶材(1)的下方；外永磁体(3、4)、内永磁体(5、6)安装在水冷背板(2)下方；第一外磁轭(11)安装在第一外永磁体(3)的下方，第二外磁轭(12)安装于第二外永磁体(4)的下方，第一内磁轭(13)安装于第一内永磁体(5)的下方，第二内磁轭(14)安装于第二内永磁体(6)的下方；底磁轭(15)位于外磁轭和内磁轭下方；所述的外永磁体、内永磁体、外电磁线圈、内电磁线圈、外磁轭、内磁轭和底磁轭安装在框架(16)中；所述的平面靶材(1)通过电源线连接到阴极电源；所述的两个内电磁线圈(9、10)安装在由外磁轭(11、12)、内磁轭(13、14)和底磁轭(15)包围的空间中偏内的位置，外电磁线圈(7、8)安装在由外磁轭(11、12)、内磁轭(13、14)和底磁轭(5)包围的空间中偏外的位置；外永磁体(3、4)和内永磁体(5、6)产生磁控溅射阴极的主磁场，外电磁线圈(7、8)和内电磁线圈(9、10)产生磁控溅射阴极的辅助磁场。

2.如权利要求1所述的复合式磁控溅射阴极，其特征在于：所述的水冷背板(2)为非导磁材料制作、水冷背板(2)内盛有冷却水。

3.如权利要求1所述的复合式磁控溅射阴极，其特征在于：所述的第一外永磁体(3)和第二外永磁体(4)以相同的极性安装，第一内永磁体(5)和第二内永磁体(6)以相同的极性安装，外永磁体和内永磁体的安装极性相反。

4.如权利要求1所述的复合式磁控溅射阴极，其特征在于：外电磁线圈(7、8)为一闭合线圈，内电磁线圈(9、10)为一闭合线圈，外电磁线圈和内电磁线圈通过引线分别连接到电磁线圈供电电源；

5.如权利要求1所述的复合式磁控溅射阴极，其特征在于：所述的平面靶材(1)为金属或合金或陶瓷靶材；所述的外磁轭(11、12)、内磁轭(13、14)、以及底磁轭(15)采用软磁材料制作。

6.如权利要求4所述的复合式磁控溅射阴极，其特征在于：所述的外电磁线圈为跑道形或圆形结构。

7.如权利要求4所述的复合式磁控溅射阴极，其特征在于：所述的供电电源为直流电源或脉冲直流电源。

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