CN106350777A - 一种磁控溅射阴极装置及磁控溅射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控溅射阴极装置及磁控溅射装置，包括：阴极背板，设置在阴极背板底面的底环结构，以及气体管路；其中，底环结构环内限定的区域为靶材放置区域；底环结构包括：固定于阴极背板底面的上环，以及固定于上环背离阴极背板一侧的底环；上环和底环之间形成有环状中空结构，环状中空结构面向靶材放置区域的一侧设置有气体通道；气体管路贯穿阴极背板和上环后与环状中空结构导通。由于气体管路贯穿阴极背板和上环后与环状中空结构导通，并且环状中空结构面向靶材放置区域的一侧设置有气体通道，从而促使气体能够通入环状中空结构内，并沿着气体通道通向靶材，因此，有效缩短了气体与靶材之间的距离，从而使得气体更容易被电离。

Description

一种磁控溅射阴极装置及磁控溅射装置

技术领域

本发明涉及磁控溅射技术领域，尤其涉及一种磁控溅射阴极装置及磁控溅射装置。

背景技术

磁控溅射设备一般用于集成电路、半导体照明、太阳能电池等领域，由传送腔体、工艺腔体、控制柜及辅助设备组成。工艺腔体也称反应腔体或真空腔体，安装有阴极靶位、衬底样品台、气体管路以及真空管路。阴极靶位按照需要安装靶材，连接直流电源或射频电源，并通有冷却水。需要镀膜的材料会由传送腔体传送至工艺腔体内的衬底样品台上。真空管路与分子泵及前级泵连接，用于为工艺腔体提供真空。气体管路一般以腔壁打通孔的形式接入工艺腔体内，负责将需要的工艺气体引入工艺腔体。

现有技术中磁控溅射设备设置有阴极靶位装置，该装置通常会在阴极与衬底样品台之间设置一个与通入工艺腔体内的气体管路连接的匀气环，用于将气体通入工艺腔体，消除气体的流动对工艺腔体内真空气氛的影响，并且使气体获得电离。但是由于受到工艺腔体内空间布局的影响，匀气环设置在阴极与衬底样品台之间，会使得匀气环很难与阴极接近，从而增大了气体与安装在阴极上的靶材之间的距离，导致气体不容易被电离，进而对等离子体的产生有一定的影响，最终影响沉积性能。

因此，如何缩短气体与靶材之间的距离，从而使得气体容易被电离，是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种磁控溅射阴极装置及磁控溅射装置，用以解决现有技术中存在的气体与靶材之间的距离较大，从而使得气体不容易被电离的问题。

本发明实施例提供一种磁控溅射阴极装置，包括：阴极背板，设置在阴极背板底面的底环结构，以及气体管路；其中，

所述底环结构环内限定的区域为靶材放置区域；

所述底环结构包括：固定于所述阴极背板底面的上环，以及固定于所述上环背离所述阴极背板一侧的底环；所述上环和底环之间形成有环状中空结构，所述环状中空结构面向所述靶材放置区域的一侧设置有气体通道；

所述气体管路贯穿所述阴极背板和所述上环后与所述环状中空结构导通。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，所述底环包括：底板、分别与所述底板的两端连接的外壁和内壁，所述底板、所述外壁和所述内壁连接构成一环状凹槽结构，所述环状凹槽结构为所述环状中空结构。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，所述环状凹槽结构面向所述靶材放置区域的一侧设置的气体通道为环状狭缝气体通道。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，所述内壁的高度小于所述外壁的高度；所述内壁面向上环的一面与所述上环之间形成所述环状狭缝气体通道。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，所述内壁与所述外壁的高度之差为0.01mm～1mm。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，所述上环由固定螺丝通过平行于上环轴线的通孔与所述阴极背板连接；所述底环由固定螺丝通过在所述外壁中平行于底环轴线的通孔与所述上环连接。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，所述气体管路包括贯穿所述阴极背板与所述上环的通孔；或者，

所述气体管路包括设置在贯穿所述阴极背板与所述上环的通孔内的管道，且所述管道在与所述环状中空结构连接的一端具有出气孔。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，还包括：设置于所述上环与所述气体管路之间的密封圈。

本发明实施例还提供了一种磁控溅射装置，包括：真空腔体，设置于所述真空腔体内的至少一套上述磁控溅射阴极装置。

在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述磁控溅射装置中，每一套所述磁控溅射阴极装置的靶材放置区域处安装有不同材料的靶材。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的一种磁控溅射阴极装置及磁控溅射装置，包括：阴极背板，设置在阴极背板底面的底环结构，以及气体管路；其中，底环结构环内限定的区域为靶材放置区域；底环结构包括：固定于阴极背板底面的上环，以及固定于上环背离阴极背板一侧的底环；上环和底环之间形成有环状中空结构，环状中空结构面向靶材放置区域的一侧设置有气体通道；气体管路贯穿阴极背板和上环后与环状中空结构导通。由于气体管路贯穿阴极背板和上环后与环状中空结构导通，并且环状中空结构面向靶材放置区域的一侧设置有气体通道，从而促使气体能够通入环状中空结构内，并沿着气体通道通向靶材，因此，有效缩短了气体与靶材之间的距离，从而使得气体更容易被电离。

附图说明

图1为本发明实施例提供的磁控溅射阴极装置的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的磁控溅射阴极装置的结构示意图之二；

图3为本发明实施例提供的磁控溅射阴极装置的结构示意图之三；

图4为本发明实施例提供的磁控溅射装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例提供的磁控溅射阴极装置及磁控溅射装置的具体实施方式进行详细地说明。

附图中各部件的形状和大小不反映磁控溅射阴极装置的真实比例，目的只是示意说明本发明内容。

本发明实施例提供一种磁控溅射阴极装置，如图1至图3所示，包括：阴极背板101，设置在阴极背板101底面的底环结构，以及气体管路102；其中，

底环结构环内限定的区域为靶材放置区域103；

底环结构包括：固定于阴极背板101底面的上环104，以及固定于上环104背离阴极背板101一侧的底环105；上环104和底环105之间形成有环状中空结构106，环状中空结构106面向靶材放置区域103的一侧设置有气体通道107；

气体管路102贯穿阴极背板101和上环104后与环状中空结构106导通。

具体地，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，由于气体管路102贯穿阴极背板101和上环104后与环状中空结构106导通，并且环状中空结构106面向靶材放置区域103的一侧设置有气体通道107，从而促使气体能够通入环状中空结构106内，并沿着气体通道107通向靶材，因此，有效缩短了气体与靶材之间的距离，从而使得气体更容易被电离。

在具体实施时，为了将工艺气体导入环状中空结构106，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，气体管路102的设置方式可以有多种，例如，如图1所示，气体管路102可以包括贯穿阴极背板101与上环104的通孔a；又如，如图2所示，气体管路102可以包括设置在贯穿阴极背板101与上环104的通孔a内的管道b，且管道b在与环状中空结构106连接的一端具有出气孔，出气孔面向靶材放置区域103。当然，气体管路102还可以有其他的设置方式，在此不做限定。

在具体实施时，由于本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中用底环结构代替了现有技术中的匀气环，因此，为了将气体通入工艺腔体，并消除气体的流动对工艺腔体内真空气氛的影响，底环中的环状中空结构106可以有多种实现方式。例如，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，如图1至图2所示，底环105可以包括：底板、分别与底板的两端连接的外壁和内壁，底板、外壁和内壁连接构成一环状凹槽结构，环状凹槽结构为环状中空结构106。又如，环状中空结构106还可以为由上环104的底板、外壁和内壁连接构成的一环状凹槽结构，或者由上环104的底板、外壁和内壁连接构成的一环状凹槽结构，以及底环105的底板、外壁和内壁连接构成的一环状凹槽结构共同组成，在此不做限定。以下均以底环105的底板、外壁和内壁连接构成的一环状凹槽结构为环状中空结构106为例进行说明。

在具体实施时，为了有效缩短气体与靶材之间的距离，以便使尽可能多的气体获得电离，环状凹槽结构面向靶材放置区域103的一侧设置的气体通道107可以有多个，较佳地，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，如图1至图2所示，环状凹槽结构面向靶材放置区域103的一侧设置的气体通道107为环状狭缝气体通道。

在具体实施时，环状狭缝气体通道的实现方式可以有多种，为了使气体与靶材之间的距离最小化，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，可以通过内壁与外壁之间的高度差实现环状狭缝气体通道，但并不限于上述实现方式。

较佳地，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，如图1至图2所示，内壁的高度小于外壁的高度；内壁面向上环104的一面与上环104之间形成环状狭缝气体通道。这样设置，使由环状狭缝气体通道流出的气体原子第一时间被来自靶材的电场能量电离分解，生成阳离子及带电粒子，在靶材表面区域形成等离子体，从而缩短等离子体与靶材之间的距离，进而提高等离子体的轰击效果，提高沉积性能。

需要说明的是，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，为了满足不同气体的要求，内壁和外壁之间的高度差可以调节。内壁和外壁之间的高度差的调节方式可以有多种，例如，可以设置内壁的高度固定，外壁的高度通过伸缩进行调节，且保证外壁的高度大于内壁的高度；又如，可以设置外壁的高度固定，内壁的高度通过伸缩进行调节，并保证外壁的高度大于内壁的高度；再如，可以设置内壁和外壁的高度均通过伸缩进行调节，且外壁的高度大于内壁的高度，在此不做限定。

在具体实施时，由于环状狭缝气体通道的高度为外壁与内壁的高度之差，气体从环状狭缝气体通道流出并吹向靶材，因此，为了使气体更接近能够产生等离子体的区域，从而更容易被电离，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，内壁与外壁的高度之差可以为0.01mm～1mm。较佳地，内壁与外壁的高度之差可以为0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、1mm。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，上环104与底环105之间可以有多种连接方式，例如，可以通过胶合的方式进行连接；又如，可以通过相互配合的凹槽与相应的凸起压合的方式进行连接；再如，采可以用螺丝的方式进行连接，在此不做限定。当上环104与底环105采用螺丝的方式进行连接时，上环104可以由固定螺丝通过平行于上环轴线的通孔与阴极背板101连接；底环105可以由固定螺丝通过在外壁中平行于底环轴线的通孔与上环104连接，以实现上环104与底环105轴向重叠连接。上环104与底环105的材质可以为金属或陶瓷。为了使底环105与上环104之间形成密封连接，在底环105的外壁与上环104之间还可以设置密封圈进行密封。

在具体实施时，为了使金属材质的气体管路102与上环104之间形成密封连接，从而确保气体不会从贯穿阴极背板101及上环104的通孔a处流出，在本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置中，如图2所示，还可以包括设置于上环104与气体管路102之间的至少一个密封圈108。密封圈108通过密封上环104与气体管路102之间的缝隙，使得通入环状中空结构106的气体不会通过通孔a逆流。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种磁控溅射装置，如图4所示，包括：真空腔体401，设置于真空腔体401内的至少一套上述磁控溅射阴极装置402。该磁控溅射装置的实施可以参见上述磁控溅射阴极装置的实施例，重复之处不再赘述。

具体地，在本发明实施例提供的上述磁控溅射装置中，真空腔体401的作用是隔离出一个密闭空间，用真空泵等真空设备在这个密闭空间产生一定真空度的气体环境。磁控溅射阴极装置402可以固定于真空腔体401的顶部或底部。较佳地，可以将磁控溅射阴极装置402的阴极背板101通过连杆或直接固定于真空腔体401的顶部或底部。阴极背板101可以为饼状圆柱形，采用导电材料，内部嵌有永磁铁，其底部中心位置固定靶材，围绕靶材一周安装有上环104和底环105。靶材根据实际需要选择不同材料，作为磁控溅射工艺中镀膜材料的材料源。为与靶材放置区域103相匹配，靶材需呈饼状圆柱形。磁控溅射阴极装置402的气体管路102一般以腔壁打通孔的形式接入真空腔体401内，负责将需要的工艺气体引入真空腔体401。磁控溅射装置还可以包括衬底样品台和真空管路。衬底样品台的作用是放置用于镀膜的衬底，并与磁控溅射阴极装置402分别设置于真空腔体401的底部和顶部。真空管路与分子泵及前级泵连接，用于为真空腔体401提供真空。

在具体实施时，当包括两套以上的磁控溅射阴极装置402时，在本发明实施例提供的上述磁控溅射装置中，每一套磁控溅射阴极装置402的靶材放置区域103处可以安装有不同材料的靶材。

并且，由于在每一套磁控溅射阴极装置402的靶材放置区域103可以独立拥有一套气体管路102，因此，可以根据安装靶材的不同分别通入不同类型的气体，达到多种薄膜叠层溅射的效果，同时避免了不同靶材放置区域103间不同气体的交叉污染。

进一步地，现有技术中匀气环设置在真空腔体内，经过一定时间使用后会在其表面附着一层生成物，不同靶材的生成物之间在等离子体的作用下会产生一定的污染。长时间使用后如果不及时进行清理，由于生成物表面应力的不同，会产生爆膜并脱落，从而污染工艺腔室；也使衬底上镀膜后的材料表面产生色斑或花片。在本发明实施例提供的上述磁控溅射装置中，由于每一套磁控溅射阴极装置402可以对应安装同一靶材，因此，多套独立的磁控溅射阴极装置402对应安装的不同靶材的生成物之间在等离子体的作用下不会相互污染。同一套磁控溅射阴极装置402内只会产生一种靶材生成物，显然，不会因为不同靶材的生成物表面应力的不同，导致爆膜并脱落，进而可以防止污染真空腔体，避免衬底上镀膜后的材料表面产生色斑或花片。

本发明实施例提供的上述磁控溅射阴极装置及磁控溅射装置，包括：阴极背板，设置在阴极背板底面的底环结构，以及气体管路；其中，底环结构环内限定的区域为靶材放置区域；底环结构包括：固定于阴极背板底面的上环，以及固定于上环背离阴极背板一侧的底环；上环和底环之间形成有环状中空结构，环状中空结构面向靶材放置区域的一侧设置有气体通道；气体管路贯穿阴极背板和上环后与环状中空结构导通。由于气体管路贯穿阴极背板和上环后与环状中空结构导通，并且环状中空结构面向靶材放置区域的一侧设置有气体通道，从而促使气体能够通入环状中空结构内，并沿着气体通道通向靶材，因此，有效缩短了气体与靶材之间的距离，从而使得气体更容易被电离。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种磁控溅射阴极装置，其特征在于，包括：阴极背板，设置在阴极背板底面的底环结构，以及气体管路；其中，

所述底环结构环内限定的区域为靶材放置区域；

所述底环结构包括：固定于所述阴极背板底面的上环，以及固定于所述上环背离所述阴极背板一侧的底环；所述上环和底环之间形成有环状中空结构，所述环状中空结构面向所述靶材放置区域的一侧设置有气体通道；

所述气体管路贯穿所述阴极背板和所述上环后与所述环状中空结构导通。

2.如权利要求1所述的磁控溅射阴极装置，其特征在于，所述底环包括：底板、分别与所述底板的两端连接的外壁和内壁，所述底板、所述外壁和所述内壁连接构成一环状凹槽结构，所述环状凹槽结构为所述环状中空结构。

3.如权利要求2所述的磁控溅射阴极装置，其特征在于，所述环状凹槽结构面向所述靶材放置区域的一侧设置的气体通道为环状狭缝气体通道。

4.如权利要求3所述的磁控溅射阴极装置，其特征在于，所述内壁的高度小于所述外壁的高度；所述内壁面向上环的一面与所述上环之间形成所述环状狭缝气体通道。

5.如权利要求4所述的磁控溅射阴极装置，其特征在于，所述内壁与所述外壁的高度之差为0.01mm～1mm。

6.如权利要求2所述的磁控溅射阴极装置，其特征在于，所述上环由固定螺丝通过平行于上环轴线的通孔与所述阴极背板连接；所述底环由固定螺丝通过在所述外壁中平行于底环轴线的通孔与所述上环连接。

7.如权利要求1-6任一项所述的磁控溅射阴极装置，其特征在于，所述气体管路包括贯穿所述阴极背板与所述上环的通孔；或者，

所述气体管路包括设置在贯穿所述阴极背板与所述上环的通孔内的管道，且所述管道在与所述环状中空结构连接的一端具有出气孔。

8.如权利要求1-6任一项所述的磁控溅射阴极装置，其特征在于，还包括：设置于所述上环与所述气体管路之间的密封圈。

9.一种磁控溅射装置，其特征在于，包括：真空腔体，设置于所述真空腔体内的至少一套如权利要求1-8任一项所述的磁控溅射阴极装置。

10.如权利要求9所述磁控溅射装置，其特征在于，每一套所述磁控溅射阴极装置的靶材放置区域处安装有不同材料的靶材。