CN103147056A - 一种动磁场真空镀膜磁控溅射源 - Google Patents

Abstract

一种动磁场真空镀膜磁控溅射源，包括靶基板、焊接或用压环固定在靶基板正面的片状靶材、屏蔽环、磁钢基板、安装在磁钢基板上的内磁钢和外磁钢，所作的改进是：磁钢基板的直径大于靶材的半径、小于靶材的直径，磁钢基板轴线偏离靶基板轴线，磁钢基板固定在一个正齿轮的侧面上，在镀膜机机架上安装与正齿轮啮合的齿圈，在机架上安装位于正齿轮后侧的电机，电机动力输出轴上固定拐柄，齿轮轴安装在拐柄上。电机动力输出轴及齿圈与靶基板同轴线设置。本发明的积极效果是：得到一个公转兼自转的环形磁场，用以扫描到靶材的每一个位置，使靶材在更大的面积上被均匀地溅射刻蚀。靶材的利用率高，镀膜均匀。

Description

一种动磁场真空镀膜磁控溅射源

技术领域

本发明属于冶金领域，具体涉及真空磁控溅射法在材料表面沉积镀膜设备。

背景技术

随着科学技术的发展，真空沉积制备的产品和器件越来越多，尤其是磁控溅射技术以其产额高，成膜质量好被广泛的应用。目前，磁控溅射技术广泛地应用于集成电路、液晶显示器、薄膜太阳能电池及LED等高科技领域。磁控溅射源是其关键的部件。圆形磁控溅射源往往用于科研实验和小器件的制作。由于溅射靶材比较昂贵，小型的磁控溅射源又带来一个技术问题：如何使磁控溅射源上的靶材的溅射刻蚀轨迹合理的覆盖整个靶面，在得到理想的均匀的靶材溅射刻蚀效果的同时，还能够提高靶材利用率。

  在传统的磁控溅射源设计中，普遍采用的方案是将磁控溅射源的磁场设计为简单的单一的固定环形结构。磁体以闭环方式布置，并安装于与靶基板相对固定的位置处。中心的柱形磁铁和周围的一套环形磁铁反极向设置，构成简单的封闭磁路。这所产生的磁场和靶基板上施加的负电场所产生的正交场，导致离子在磁场的闭环内做螺旋运动，这个闭环通道或区域一般称为“跑道”。靶材的溅射刻蚀沿着这个通道或区域发生。这样的靶材溅射刻蚀轨迹为定轨迹。在这种定轨迹运动模式中，离子运动时重复经过较多的地方溅蚀较快，而其它地方则溅蚀较慢。这样当靶材的溅蚀较快之处到达靶材最底端时，就会使得整个靶材报废。这种设计方案下的磁场均匀区范围较小，在直接导致靶材的溅蚀区域集中、利用率低下等问题的同时，通过溅射而沉积在衬底上的膜并没有达到许多精密的用途中所要求的均匀性。为了改变以上不利的状况出现了许多新的溅射技术，如改变磁场结构；改变衬底运动状态；增加屏蔽挡板等。虽然都对沉积的均匀性或靶材的利用率有所改善，但都不能兼顾，而且大多结构复杂，实施较为困难，效果并不理想。

    中国专利申请CN102400107A公布了一种磁控溅射源及磁控溅射设备技术方案。其中包括：靶材、磁体、固定板和动力源；所述磁体设置于所述固定板上；所述固定板连接于所述动力源，该动力源用于驱动所述固定板绕自身中心轴旋转；所述靶材与所述固定板同中心轴平行设置，且所述靶材与所述固定板作相对运行。所提供的技术方案，通过固定有磁铁的固定板与靶材做相对运动，可使磁铁所产生的磁场扫描到靶材的每一个位置，以调整二次电子的运动轨迹、增加二次电子与氩原子碰撞次数，进而使得氩原子能够充分电离以产生更多的氩离子，从而提高了氩离子在轰击靶材过程中的靶材利用率和溅射均匀性。这一方案，没有解决靶材中心区域的溅射问题，另外效率低，不适用于小型的磁控溅射源。

中国专利申请CN102465268A公布的一种磁控溅射装置方案，包括：靶材，磁控管和扫描机构，所述磁控管位于所述靶材上方；所述扫描机构与磁控管相连以控制所述磁控管围绕所述靶材的中心转动，且所述扫描机构以预设步长阶段性地调整所述磁控管的转动半径，其中，在每个阶段所述扫描机构控制所述磁控管的转动圈数或转速，以在所述每个阶段对所述靶材刻蚀至预设深度。在公布的发明中，所述扫描机构包括：第一电机；第二电机；第一连杆组件，所述第一电机控制所述第一连杆组件转动，所述第一连杆组件与所述磁控管相连，且所述第一连杆组件的长度可伸缩；第二连杆组件，所述第二电机控制所述第二连杆组件转动，所述第二连杆组件与所述磁控管相连，且所述第二连杆组件的长度可伸缩；控制器，所述控制器与所述第一电机和第二电机相连以分别控制所述第一电机和第二电机的转速，且通过对所述第一电机和第二电机之间的加速度差调整所述磁控管的转动半径。这一方案，结构复杂成本较高，实施不易。同样存在效率低，不适用于小型的磁控溅射源的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种动磁场真空镀膜磁控溅射源，用于生产具有真空沉积层的产品或器件，克服现有技术存在的由于靶材和磁铁的位置相对固定从而导致靶材的利用率较低且溅射均匀性较差的技术问题，以及为消除前述缺点而提出的技术方案存在的设备复杂成本较高，难于实施，效率低，不适用于小型的磁控溅射源的问题。

本发明包括正面在真空沉积腔中的靶基板、焊接或用压环固定在靶基板正面的片状靶材、罩住靶基板圆周侧面及靶基板正面靶材以外部分的屏蔽环、设置在靶基板背面的磁钢基板、安装在磁钢基板上的朝向靶基板一侧的圆心位置的内磁钢和圆周位置的环形外磁钢或排列成环的组合外磁钢，其特征是：磁钢基板的直径大于靶材的半径、小于靶材的直径，磁钢基板轴线偏离靶基板轴线，磁钢基板固定在一个正齿轮的侧面上，在镀膜机机架上安装与正齿轮啮合的齿圈，在机架上安装位于正齿轮后侧的电机，电机动力输出轴上固定拐柄，齿轮轴安装在拐柄上。以上为本发明基本方案。

为使磁场运动轨迹以靶基板圆心为中心对称，电机动力输出轴及齿圈与靶基板同轴线设置。

为获得理想的磁控效果，本发明齿圈的分度圆直径与内磁钢的分度圆直径之差要大于或等于内磁钢的直径。

为使磁力被充分利用，本发明中磁钢基板轴线偏离靶基板轴线的距离加磁钢基板半径之和等于或接近于靶材的半径的长度。

 

本发明的工作原理及过程是：所设的电机转动，固定在电机输出轴上的拐柄回转，通过安装在拐柄上的齿轮轴带动正齿轮绕电机输出轴旋转（公转），固定在机架上的与正齿轮啮合的固定齿圈约束着正齿轮相对齿圈的滚动，产生正齿轮的自转，至此形成正齿轮的自转加公转的复合运动，基于磁钢基板与正齿轮、内外磁钢与磁钢基板的相固定连接关系，得到一个与靶材尺寸相匹配的设定正圆轨道公转兼自转的环形磁场，该磁场能扫描到靶材的每一个位置，调整二次电子的运动轨迹以增加二次电子与气体原子碰撞次数，进而使得气体原子能够充分电离以产生更多的气体离子。

本发明的积极效果是：利用本发明的动磁场结构，能使靶材在更大的面积上被气体离子较为均匀地溅射刻蚀。所溅射出的靶材粒子流中粒子分布均匀，最终沉积在衬底上的膜层均匀性明显改善。靶材的利用率大幅度提高，消除了较为明显的靶材浪费现象。并且磁场驱动机构结构简单、刚性好、运行平稳、使用耐久，尤其适用于小型的圆形磁控溅射源的真空镀膜工艺。

附图说明

图1为本发明的主视剖视图。

图2为本发明中正齿轮、齿圈、磁钢位置关系图。

图3为常规的靶材溅射刻蚀后的剖面图。

图4为本发明的靶材溅射刻蚀后的剖面图。

具体实施方式

参阅图1、图2，本发明包括正面在真空沉积腔中的靶基板10、与靶基板连接的靶材压环7、焊接或用压环固定在靶基板正面的片状靶材8、罩住靶基板圆周侧面及靶基板正面靶材以外部分的屏蔽环9、设置在靶基板背面的磁钢基板5、安装在磁钢基板上的朝向靶基板一侧的圆心位置的内磁钢6和圆周位置的外磁钢11，外磁钢11和内磁钢6分别由多个磁钢体组成，外磁钢11和内磁钢6的磁极相反。其中的磁钢基板5的直径大于靶材8的半径、小于靶材8的直径，磁钢基板5的轴线偏离靶基板10的轴线，磁钢基板5轴线偏离靶基板10轴线的距离加磁钢基板5半径之和等于或接近于靶材8的半径的长度。磁钢基板同轴线固定在正齿轮3的侧面上，在镀膜机机架上安装与正齿轮3啮合的齿圈4，齿圈4与靶基板10同轴线设置，在机架上安装位于正齿轮3后侧的电机14，电机动力输出轴1与靶基板10同轴线设置，电机动力输出轴1上固定拐柄13，齿轮轴2通过轴承12安装在拐柄13上。其中，齿圈4与内磁钢6的尺寸关系满足齿圈4的分度圆直径与内磁钢6的分度圆直径之差要大于或等于内磁钢6的直径。

本实施例中，正齿轮3的模数为1，齿数为42个，齿圈4的模数为1，齿数为52个，靶材8的直径为50mm，磁钢基板5的直径为40mm，电机动力输出轴1的转速为每分钟5转。

本实施例的工作过程是：在靶基板10上加有负高压，这样就在靶材8上产生了一个环状磁场封闭的电磁场，电离的气体离子将在这一环状的区域内做螺旋运动，不断地轰击靶基板10上的靶材8，从而使靶材8产生溅射沉积。然而，由于电机14通过拐柄13带动正齿轮3绕电机动力输出轴1转动，正齿轮3与齿圈4啮合，形成公转和自转，带动其上的磁钢基板5、外磁钢11和内磁钢6，也就是带动其环状磁场封闭的电磁场在靶材8的表面发生公转和自转，使得动磁场的运动区域均匀覆盖靶材的整个表面，控制靶材被均匀地溅射刻蚀。本实施例实际运行后，所剩残存靶材的剖面图如图4所示。和图3所示取自现有设备溅蚀后残存的靶材剖面图相比较，溅蚀面积大，深度均匀，溅蚀区域底面平整。

Claims (4)

1.一种动磁场真空镀膜磁控溅射源，包括正面在真空沉积腔中的靶基板、焊接或用压环固定在靶基板正面的片状靶材、罩住靶基板圆周侧面及靶基板正面靶材以外部分的屏蔽环、设置在靶基板背面的磁钢基板、安装在磁钢基板上的朝向靶基板一侧的圆心位置的内磁钢和圆周位置的环形外磁钢或排列成环的组合外磁钢，其特征是：磁钢基板的直径大于靶材的半径、小于靶材的直径，磁钢基板轴线偏离靶基板轴线，磁钢基板固定在一个正齿轮的侧面上，在镀膜机机架上安装与正齿轮啮合的齿圈，在机架上安装位于正齿轮后侧的电机，电机动力输出轴上固定拐柄，齿轮轴安装在拐柄上。

2.根据权利要求1所述的一种动磁场真空镀膜磁控溅射源，其特征是：电机动力输出轴及齿圈与靶基板同轴线设置。

3.根据权利要求1所述的一种动磁场真空镀膜磁控溅射源，其特征是：齿圈的分度圆直径减去内磁钢的分度圆直径之差要大于或等于内磁钢的直径。

4.根据权利要求1所述的一种动磁场真空镀膜磁控溅射源，其特征是：磁钢基板轴线偏离靶基板轴线的距离加磁钢基板半径之和等于或接近于靶材的半径的长度。

Images