CN106435500B - 一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源，该磁场源是由若干组串联的平行且同轴的平面径向螺旋线圈沿轴向层叠而成，每组平面径向螺旋线圈由承载电流不低于80A的漆包线沿同样的方向紧密绕制而成，每组平面径向螺旋线圈的半径和匝数相等。当通以电流时，该磁场源能够在平面圆形溅射靶表面产生沿径向辐射状且在很大范围内均匀分布的水平磁场分量。相比于传统磁控溅射靶的磁场源设计，本发明能够显著提高溅射靶表面“跑道环”面积，进而显著提高溅射靶材的利用率和薄膜制备的均匀性。

Description

一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源
技术领域
本发明涉及磁控溅射真空镀膜领域，特别涉及平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源设计。
背景技术
磁控溅射镀膜技术是一种低温、高效且应用范围很广的薄膜制备技术。磁控溅射阴极靶背面的磁场源设计是影响靶材溅射和薄膜沉积的重要因素。传统的磁场源通常由外围永磁铁和中心永磁体构成，靶表面附近产生圆弧形磁场分布，如图3a所示。可以看出在圆弧顶部具有最大的水平方向的磁场分量，该处能最有效的束缚电子运动，可以产生高浓度的等离子放电，导致其正下方的阴极靶以最快速率被刻蚀，而靶的其它位置则刻蚀较慢，甚至不刻蚀。靶材表面的非均匀刻蚀使得靶材表面逐步形成V形槽，如图3b所示，这不仅降低了靶材利用率，通常平面靶利用率只有20～30％，而且使得薄膜厚度的控制难度加大，工艺重复性差。要想不出现如图3b所示的V形溅射沟槽，根据磁控原理，靶表面的水平磁场分量应尽可能在很大的一个范围内均匀分布。圆形靶表面最理想的沿径向水平磁场分布如图4a所示，这种磁场分布将使溅射靶表面的“跑道环”面积扩展至整个靶面，从而显著提高靶材刻蚀的均匀性和靶材利用率。但是传统的磁场源设计不能满足这一要求。
利用机械传动装置使磁铁在溅射靶下扫描，可以提高靶材的利用率。但是这种方法中机械装置的结构设计复杂、成本较高。也有研究者通过辅助磁铁和导磁材料改善靶表面上的磁场分布，但是这种方法对提高靶材利用率的能力非常有限，同时会降低靶表面的磁场分量，从而降低溅射速率。还有研究者利用电磁铁替代永磁铁作为磁场源，但是传统的电磁铁通常采用轴向螺旋线圈，其结构如图3c所示，其磁场分布与条形永磁铁类似，因此并不能解决靶材非均匀刻蚀的问题。
发明内容
本发明提供一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源，能够显著提高溅射靶材的利用率和薄膜制备的均匀性。
本发明的技术方案为：
一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源，由若干组平行且同轴的平面径向螺旋线圈串联且沿轴向层叠而成，每组平面径向螺旋线圈的半径和匝数相等；所述平面径向螺旋线圈采用承载电流不低于80A的漆包线沿同样的方向紧密绕制而成。
具体的，平面径向螺旋线圈的组数为3～5。
具体的，每组平面径向螺旋线圈的绕向同为顺时针绕向或同为逆时针绕向。
具体的，每组平面径向螺旋线圈的内径Φ0的取值范围为10～15mm；每组平面径向螺旋线圈的径向线圈匝数n由溅射靶直径Φ靶、平面径向螺旋线圈内径Φ0和漆包线直径D决定，具体计算公式为：
具体的，所述串联方式为上一组平面径向螺旋线圈的内侧端口与下一组平面径向螺旋线圈的外侧端口连接，位于最上面的一组平面径向螺旋线圈的外侧端口作为电流输入端，位于最下面的一组平面径向螺旋线圈的内侧端口作为电流输出端。
具体的，相邻两组平面径向螺旋线圈之间采用与平面径向螺旋线圈相同的漆包线进行连接。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的磁场源能够在平面圆形靶表面产生沿径向辐射状且在很大范围内均匀分布的水平磁场分量，该磁场分布接近圆形靶表面理想的水平磁场分布，根据磁控溅射原理，采用该磁场源的平面圆形溅射靶，其表面“跑道环”的面积将扩展至整个靶面,这将显著提高溅射靶材利用率，并提高薄膜沉积的均匀性；本发明的磁场源尺寸大小不受限制，既可用于大面积磁控溅射阴极靶也可用于微型磁控溅射靶的磁场源设计；本发明提供的磁场源属于电磁场源，磁场大小方便可调，并且该磁场源不含铁芯，结构简单、安装方便。
附图说明
图1a为本发明提供的一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源中采用的平面径向螺旋线结构俯视示意图。
图1b为本发明提供的一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源的平面径向螺旋线外磁场的辐射状分布示意图。
图2为本发明提供的一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源中平面径向螺旋线的串联方式示意图，其中1和2分别表示电流输入或输出端。
图3a为传统平面圆形磁控溅射靶表面的磁场分布。
图3b为传统平面圆形磁控溅射阴极靶的横断面结构示意图，其中1是溅射靶材的横断面形貌，2是永磁体。
图3c是传统电磁阴级溅射靶中采用的轴向电磁线圈结构示意图。
图4a是平面圆形靶表面最理想的沿径向磁场水平分量分布示意图。
图4b是本发明提供的一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源磁场水平分量沿径向分布的有限元模拟图。
图4c为采用本发明提供的一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源的平面圆形磁控溅射阴极靶的横断面结构示意图，其中1是溅射靶材经溅射后的横断面形貌，2是平面径向螺旋线圈组的横断面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
本发明提出一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源，由若干组平行且同轴的平面径向螺旋线圈串联且沿轴向层叠而成，每组平面径向螺旋线圈的半径和匝数相等。每一组平面径向螺旋线圈的形状如图1a所示，平面径向螺旋线圈采用承载电流不低于80A的漆包线沿同样的方向紧密绕制而成，每组平面径向螺旋线圈的绕向同为顺时针绕向或同为逆时针绕向；每组平面径向螺旋线圈的内径Φ0的取值范围为10～15mm；每组平面径向螺旋线圈的径向线圈匝数n由溅射靶直径Φ靶、平面径向螺旋线圈内径Φ0和漆包线直径D决定，具体计算公式为：
将3～5层平面径向螺旋线圈串联起来形成线圈组，其串联方式如图2所示，上一组平面径向螺旋线圈的内侧端口与下一组平面径向螺旋线圈的外侧端口连接，位于最上面的一组平面径向螺旋线圈的外侧端口作为电流输入端，位于最下面的一组平面径向螺旋线圈的内侧端口作为电流输出端。串联所用导线采用与径向螺旋线相同的漆包线。
如图4b所示为本发明提供的一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源磁场水平分量沿径向分布的有限元模拟图，其中磁场源由5层串联的径向螺旋线组成，每层径向螺旋线匝数为30匝，起始半径为5mm，径向节距为2mm，径向螺旋线总半径为65mm，径向螺旋线圈组总厚度为25mm，励磁电流为60A。
本发明提供的一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源能够在平面圆形靶表面产生沿径向辐射状且在很大范围内均匀分布的水平磁场分量，如图1b和图4b所示。该磁场分布接近圆形靶表面理想的水平磁场分布，如图4a所示。根据磁控溅射原理，采用该磁场源的平面圆形溅射靶，其表面“跑道环”的面积将扩展至整个靶面。因此靶面不会出现如图3b所示的V型刻蚀沟槽，而是将出现如图4c所示的刻蚀形貌，很明显这将显著提高溅射靶材利用率，并提高薄膜沉积的均匀性。
本发明的磁场源尺寸大小不受限制，既可用于大面积磁控溅射阴极靶也可用于微型磁控溅射靶的磁场源设计；本发明提供的磁场源属于电磁场源，磁场大小方便可调，并且该磁场源不含铁芯，结构简单、安装方便。
上述内容对本发明进行了详细的介绍，本发明应用具体实施个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施个例仅用于帮助理解本发明的基本原理及其核心思想，在本发明基本原理及其核心思想之上对具体实施方式做的改动，都应当属于本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源，由若干组平行且同轴的平面径向螺旋线圈串联且沿轴向层叠而成，各组平面径向螺旋线圈的半径和匝数分别相等；所述平面径向螺旋线圈采用承载电流不低于80A的漆包线沿同样的方向紧密绕制而成；每组平面径向螺旋线圈的径向线圈匝数n由溅射靶直径Φ靶、平面径向螺旋线圈内径Φ0和漆包线直径D决定，具体计算公式为：
2.根据权利要求1所述的用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源，其特征在于，平面径向螺旋线圈的组数为3～5。
3.根据权利要求1所述的用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源，其特征在于，每组平面径向螺旋线圈的绕向同为顺时针绕向或同为逆时针绕向。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源，其特征在于，每组平面径向螺旋线圈的内径Φ0的取值范围为10～15mm。
5.根据权利要求1、2或3所述的用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源，其特征在于，所述串联方式为上一组平面径向螺旋线圈的内侧端口与下一组平面径向螺旋线圈的外侧端口连接，位于最上面的一组平面径向螺旋线圈的外侧端口作为电流输入端，位于最下面的一组平面径向螺旋线圈的内侧端口作为电流输出端。
6.根据权利要求4所述的用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源，其特征在于，所述串联方式为上一组平面径向螺旋线圈的内侧端口与下一组平面径向螺旋线圈的外侧端口连接，位于最上面的一组平面径向螺旋线圈的外侧端口作为电流输入端，位于最下面的一组平面径向螺旋线圈的内侧端口作为电流输出端。
7.根据权利要求6所述的用于平面圆形磁控溅射阴极靶的磁场源，其特征在于，相邻两组平面径向螺旋线圈之间采用与平面径向螺旋线圈相同的漆包线进行连接。
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