CN104532202A - 一种用于中低真空的磁控溅射靶阴极 - Google Patents

一种用于中低真空的磁控溅射靶阴极 Download PDF

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Abstract

本发明属于磁控溅射镀膜生产设备技术领域，具体涉及一种用于中低真空的磁控溅射靶阴极，该磁控溅射靶阴极包括阴极体外壳(1)、靶材(2)、外磁体(3)、内磁体(4)、基座(5)和冷却通道(6)，其中，阴极体外壳(1)为中空的圆筒形，圆筒侧壁镶嵌有外磁体(3)，阴极体外壳(1)中心设置内磁体(4)，内磁体(4)与阴极体外壳(1)之间为冷却通道(6)；阴极体外壳(1)上表面为靶材(2)，下表面为基座(5)；内磁体(4)和外磁体(3)有1～10mm的高度差。本发明通过优化磁控溅射靶阴极结构的方法来提高靶材利用率，结构简单，可操作性强，性能可靠。

Description

一种用于中低真空的磁控溅射靶阴极
技术领域
本发明属于磁控溅射镀膜生产设备技术领域，具体涉及一种用于中低真空的磁控溅射靶阴极，通过优化磁控溅射靶阴极结构的方法来提高靶材利用率。
背景技术
磁控溅射在永磁体产生的静磁场作用下，阴极工作时，由于受到辉光放电区域的限制，靶面磁场平行分量最大的区域电离度增强，电离出的工艺气体离子被限制在一个狭窄环形的“跑道”上，因此靶面上只有部分区域被集中溅射。溅射后，靶面留下环形“跑道”状的凹坑，对应靶面上形成一个狭窄的刻蚀区域，随着辉光放电的进行，靶面刻蚀区域呈“V”形且刻蚀区域越来越狭窄，随着“V”形沟槽逐渐加深，刻蚀会变得更为剧烈，靶材被快速刻蚀“穿透”，特别是在中低真空下溅射时，“V”形更明显，导致靶材利用率低，增加生产成本。
同时，目前，现有磁控溅射技术的工作气压为0.1～1Pa，而在0.1～102Pa工作气压下，靶材利用率极低。
为了提高靶材的利用率，需要采取一定措施对磁场的分布进行调整和优化，使磁场能够有效约束电子运动轨迹。
中国发明专利申请No.200310105218.5公开了‘一种可提高靶材利用率的磁控溅射靶’，采用移动磁体技术，通过对普通磁控溅射平面靶磁体的改进，让磁体在溅射镀膜过程中能够移动，增加靶材表面的刻蚀区域。该技术在一定程度提高了靶材的利用率，但磁体移动距离不易控制且影响溅射的均匀性，同时磁体结构比较复杂，因此不易推广。
中国实用新型专利申请No.201220226070.5公开了一种‘磁控溅射靶材’，具有可提高靶材利用率的靶材结构，其表面在不同位置的厚度是按照磁场强弱来设计，磁控溅射靶材在磁场强的位置厚度较大，在磁场弱的位置厚度较小，使得溅射后期磁控溅射靶材的溅射面更加平整，保持了溅射参数稳定，提高了磁控溅射靶材的寿命。但不同厚度和材质的靶材磁场强弱分布不相同，导致靶材厚度的准确加工比较困难。
中国发明专利申请No.201410001386.8公开了‘一种提高磁控溅射靶材利用率的方法’。该方法使用线切割机，在刻蚀曲面内线切割残靶，得到多片拼接靶材，并对每个所述拼接靶材进行清洁，将清洁后的拼接靶材拼接在一起,并将拼接后的靶材与背板焊合，焊合后再次装机进行溅射镀膜。该技术在后续靶材的制备上难度比较大，并且对线切割和焊接技术要求高，不适合大面积推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于中低真空的磁控溅射靶阴极结构，通过优化磁控溅射靶阴极结构的方法来提高靶材利用率，其能有效解决工作气压为0.1～102Pa量级条件下，靶材利用率相对较低等技术难题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于中低真空的磁控溅射靶阴极，溅射时工作气压为0.1～102Pa量级，该磁控溅射靶阴极包括阴极体外壳1、靶材2、外磁体3、内磁体4、基座5和冷却通道6；
其中，阴极体外壳1为中空的圆筒形，圆筒侧壁镶嵌有外磁体3，阴极体外壳1中心设置内磁体4，内磁体4与阴极体外壳1之间为冷却通道6；阴极体外壳1上表面为靶材2，下表面为基座5；
所述外磁体3为多个环绕着冷却通道6的圆柱形单体，每个单体表面中心位置磁场范围在300～500mT；
所述内磁体4为圆柱形，内磁体4和外磁体3之间有1～10mm的高度差；内磁体4表面中心位置磁场范围在400～600mT。
阴极体外壳1的圆筒壁上、沿圆周方向设有多个均匀分布的孔，孔的直径与外磁体3匹配。
所述阴极体外壳1采用无氧铜或紫铜一体加工。
所述靶材2为圆形靶材，厚度为0.5～5mm。
所述外磁体3采用钕铁硼或铝镍钴烧结合金制成。
所述内磁体4采用钕铁硼或铝镍钴烧结合金制成。
本发明的有益效果在于：
本发明的用于中低真空的磁控溅射靶阴极结构简单，可操作性强，性能可靠。它通过调节内磁极与靶表面的距离(内外磁极高度差为1～10mm之间可调)来改变磁通量密度，均匀水平磁场，同时改变外磁极直径，调整磁力线分布的有效面积，从而提高靶材利用率和寿命，同时有效提高溅射速率、薄膜的沉积速率。本发明在溅射时工作气压0.1～102Pa量级，可将溅射出的纳米颗粒束流经惰性气体冷凝，并依靠阶梯压差将低真空腔中的纳米粒颗粒束流沉积在高真空腔内的基片上，制备的颗粒尺寸均一可调控同时每小时沉积量高达克量级。
在工作气压为0.1～102Pa量级下，针对相同厚度和材质的靶材，本发明设计的靶阴极结构对靶材的利用率为传统靶阴极结构的2倍以上。
附图说明
图1a为本发明的磁控溅射靶阴极结构的剖面图。
图1b为图1的透视图。
图2为传统磁控溅射靶阴极结构磁通量密度分布示意图。
图3为本发明的磁控溅射靶阴极结构磁通量密度分布示意图。
图4为采用传统的“磁拱顶”结构阴极靶的对比例1的靶面刻蚀形貌图。
图5为本发明实施例4的靶面刻蚀形貌图。
附图标记
1    阴极体外壳               2    靶材
3    外磁体                   4    内磁体
5    基座                     6    冷却通道
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明的用于中低真空的磁控溅射靶阴极，具体来说是在工作气压0.1～102Pa量级条件下，将溅射出的纳米颗粒束流经惰性气体冷凝，并依靠阶梯压差将低真空腔中的纳米粒颗粒束流沉积在高真空腔内的基片上，制备的颗粒尺寸均一可调控同时每小时沉积量高达克量级；针对传统的“磁拱顶”(Magnetic Dome)结构靶阴极，通过调整内外磁极高度差，改变磁通密度，均匀水平磁场，同时改变外磁极直径调整磁力线分布的有效面积，设计出符合磁场分布的靶阴极结构。
如图1a、1b所示，本发明的用于中低真空的磁控溅射靶阴极包括阴极体外壳1、靶材2、外磁体3、内磁体4、基座5和冷却通道6，其中，阴极体外壳1为中空结构的圆柱形，采用无氧铜或紫铜一体加工，圆筒侧壁镶嵌有外磁体3，阴极体外壳1中心设置内磁体4，内磁体4与阴极体外壳1之间为冷却通道6，阴极体外壳1的圆筒壁上、沿圆周方向设有多个均匀分布的孔，孔的直径与外磁体3匹配，用于放置外磁体3；阴极体外壳1上表面为靶材2，下表面为基座5。
所述靶材2为圆形靶材，厚度为0.5～5mm。
所述外磁体3为多个环绕着冷却通道6的圆柱形单体，采用钕铁硼或铝镍钴烧结合金制成；每个外磁体3表面中心位置磁场范围在300～500mT。
所述内磁体4为圆柱形，采用钕铁硼或铝镍钴烧结合金制成，内磁体4和外磁体3之间有1～10mm的高度差；内磁体4表面中心位置磁场范围在400～600mT。
所述磁控溅射靶阴极通过调节磁场的内磁体4与靶表面的距离(内磁体4与外磁体3的高度差为1～10mm)来改变磁通量密度，均匀水平磁场，同时改变外磁极直径，调整磁力线分布的有效面积，设计出符合磁场分布的靶阴极结构，从而提高靶材利用率和寿命，同时有效提高溅射速率、薄膜的沉积速率。
图2为采用传统的“磁拱顶”(Magnetic Dome)结构磁控溅射靶阴极结构磁通量密度分布示意图，图3为本发明的磁控溅射靶阴极结构磁通量密度分布示意图。在临近靶面附近的位置，图3磁力线平行于靶面的范围大于图2所示范围，有利于增加刻蚀圆环的宽度，同时磁力线平行于靶面的位置更靠近靶材边缘，有利于增加刻蚀圆环的半径。根据Φ＝B·S，对于内磁体，增加高度差，等效于增加磁场对靶材的有效作用面积S，在磁通量不变的情况下，减小磁通量密度B，即减弱磁场对带电粒子的约束作用，有利于增加刻蚀圆环的宽度L；对于外磁体，增加磁体直径，即增大了磁力线的作用面积利于增加刻蚀圆环的外径，从而达到提高靶材利用率的目的。
对比例1
对比例1为采用传统的“磁拱顶”(Magnetic Dome)结构磁控溅射靶阴极进行磁控溅射，其中，靶材2厚度为2mm，成分Fe50Ni50；溅射功率80W，工作气压为80Pa，溅射沉积时间1.5h；靶材2表面刻蚀形貌如图4所示。
实施例1
本发明实施例1为采用本发明设计的用于中低真空的磁控溅射靶阴极进行磁控溅射，其中，外磁体直径为8mm，高度为15mm，外磁体个数为20个；内磁体直径为24mm，高度为14mm；靶材2厚度为5mm，成分为Al；溅射功率为80W，工作气压为80Pa，溅射沉积时间为1.5h。
实施例2
本发明实施例2为采用本发明设计的用于中低真空的磁控溅射靶阴极进行磁控溅射，其中，外磁体直径为14mm，高度为15mm，外磁体个数为13个；内磁体4直径为24mm，高度为5mm；靶材2厚度为0.5mm，成分为Fe50Co50；溅射功率为80W，工作气压为80Pa，溅射沉积时间为1.5h。
实施例3
本发明实施例3为采用本发明设计的用于中低真空的磁控溅射靶阴极进行磁控溅射，其中，外磁体直径为12mm，高度为15mm，外磁体个数为16个；内磁体4直径为24mm，高度为10mm；靶材2厚度为3mm，成分为Fe50Ni50；溅射功率为80W，工作气压为80Pa，溅射沉积时间为1.5h。
实施例4
本发明实施例4为采用本发明设计的用于中低真空的磁控溅射靶阴极进行磁控溅射，其中，外磁体直径为12mm，高度为15mm，外磁体个数为16个；内磁体4直径为24mm，高度为7mm；靶材2厚度为2mm，成分为Fe50Ni50；溅射功率为80W，工作气压为80Pa，溅射沉积时间为1.5h；靶材2表面刻蚀形貌如图5所示。
图4给出了对比例1，刻蚀1.5h后靶面形貌图，图5给出了实施例4，刻蚀1.5h后靶面形貌图，图中L表示刻蚀环的宽度，圆环的面积对应刻蚀面积。对比例1和实施例4所用靶材的材质和厚度一样，刻蚀1.5h后，实施例4对应的刻蚀环的宽度L和直径明显大于对比例1对应的刻蚀环的宽度和直径。
对对比例1及实施例1～4的靶面刻蚀圆环的内直径和宽度进行测量，同时对靶材利用率和使用寿命进行了统计，所得结果如表1所示。表中Wt％表示靶材被刻蚀掉的重量与刻蚀前的重量百分比，h表示小时数。
表1对比例1及实施例1～4的靶材刻蚀参数、利用率和使用寿命
编号 内径(mm) 刻蚀环宽度L(mm) 利用率(Wt％) 使用寿命(h)
对比例1 25.67 4.45 6.2 4
实施例1 41.48 5.46 10.7 7.5
实施例2 40.48 5.56 10.9 7.8
实施例3 43.02 4.79 10.4 7.2
实施例4 39.35 5.84 11.54 8.7
通过对比发现，在工作气压为0.1～102Pa量级下，对于同种厚度和材质的靶材，本发明设计的靶阴极结构对靶材的利用率和使用寿命明显高于传统靶阴极。

Claims (6)

1.一种用于中低真空的磁控溅射靶阴极，溅射时工作气压为0.1～102Pa量级，其特征在于：
该磁控溅射靶阴极包括阴极体外壳(1)、靶材(2)、外磁体(3)、内磁体(4)、基座(5)和冷却通道(6)；
其中，阴极体外壳(1)为中空的圆筒形，圆筒侧壁镶嵌有外磁体(3)，阴极体外壳(1)中心设置内磁体(4)，内磁体(4)与阴极体外壳(1)之间为冷却通道(6)；阴极体外壳(1)上表面为靶材(2)，下表面为基座(5)；
所述外磁体(3)为多个环绕着冷却通道(6)的圆柱形单体，每个单体表面中心位置磁场范围在300～500mT；
所述内磁体(4)为圆柱形，内磁体(4)和外磁体(3)之间有1～10mm的高度差；内磁体(4)表面中心位置磁场范围在400～600mT。
2.如权利要求1所述的用于中低真空的磁控溅射靶阴极，其特征在于：
阴极体外壳(1)的圆筒壁上、沿圆周方向设有多个均匀分布的孔，孔的直径与外磁体(3)匹配。
3.如权利要求1所述的用于中低真空的磁控溅射靶阴极，其特征在于：
所述阴极体外壳(1)采用无氧铜或紫铜一体加工。
4.如权利要求1所述的用于中低真空的磁控溅射靶阴极，其特征在于：
所述靶材(2)为圆形靶材，厚度为0.5～5mm。
5.如权利要求1所述的用于中低真空的磁控溅射靶阴极，其特征在于：
所述外磁体(3)采用钕铁硼或铝镍钴烧结合金制成。
6.如权利要求1所述的用于中低真空的磁控溅射靶阴极，其特征在于：
所述内磁体(4)采用钕铁硼或铝镍钴烧结合金制成。
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