CN106480420A - 一种高密度等离子体溅射镀膜设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高密度等离子体溅射镀膜设备，包括真空室、置于真空室进气端的高密度等离子体源、置于真空室抽气端的靶体，以及设置在靶体一侧的镀膜基板，所述高密度等离子体源包括加热丝、热阴极发射源片，以及布置在加热丝和热阴极发射源片外围的屏蔽结构，所述热阴极发射源片与靶体之间布置有阳极，所述高密度等离子体源激发出弧光放电等离子体，在阳极电场的作用下加速轰击靶体上的靶材，将中性的靶原子沉积在镀膜基板上。本发明所阐述的等离子体密度比市面上现有的辉光放电等离子体提高10~100倍，磁控溅射镀膜效率会提高10~100倍，而且等离子体温度高、膜层的附着力强、膜组织致密，膜的厚度及成分均匀性好，并可成型更高温度的膜。
Description
技术领域
本发明涉及磁控溅射镀膜技术领域，具体涉及一种高密度等离子体溅射镀膜设备。
背景技术
磁控溅射镀膜是70年代迅速发展起来的新型技术，目前已在工业生产中实际应用。磁控溅射的、镀膜具有高速、低温、低损伤等优点。高速是指沉积速率快；低温和低损伤是指基板的温升低、对膜层的损伤小。
在磁控溅射镀膜过程中，能量较低的二次电子在靠近靶的封闭等离子体中作循环运动，路程足够长，每个电子使原子电离的机会增加，而且只有在电子的能量耗尽以后才能脱离靶表面落在基板上，这是基板温升低、损伤小的主要原因。
总的来说，现在市面上所有的磁控溅射镀膜设备都在努力提高辉光放电等离子体的密度（直流、微波、射频等产生），因为只有提高等离子体密度才能提高镀膜效率。原理上来说，微波、射频辉光放电等离子体的密度大约可到1010cm-3量级，很难再提高，所以等离子体密度问题也是现在市面上所有磁控溅射镀膜设备不可逾越的瓶颈。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种高密度等离子体溅射镀膜设备，改变以往辉光放电等离子体的形式，采用弧光放电产生的等离子体来实现等离子体溅射镀膜，具体技术方案如下：
一种高密度等离子体溅射镀膜设备，包括真空室、置于真空室进气端的高密度等离子体源、置于真空室抽气端的靶体，以及设置在靶体一侧的镀膜基板，所述高密度等离子体源包括加热丝、热阴极发射源片，以及布置在加热丝和热阴极发射源片外围的屏蔽结构，所述热阴极发射源片与靶体之间布置有阳极，所述高密度等离子体源激发出弧光放电等离子体，在阳极电场的作用下加速轰击靶体上的靶材，将中性的靶原子沉积在镀膜基板上。
所述靶体包括靶座以及设置在靶座上的磁靶。
所述加热丝的两端采用水冷电极导入结构。
所述加热丝和热阴极发射源片分别连接有加热电源和激发电源，所述热阴极发射源片内置有测量温度的热电偶，该热电偶数据反馈输入加热电源中。
所述镀膜基板通过万向节与旋转装置连接，该旋转装置置于真空室外侧，并通过磁流体保持真空边界动密封。
由以上技术方案可知，本发明所阐述的等离子体密度比市面上现有的辉光放电等离子体提高10~100倍，不需要二次电子发射就能远远射频等离子体的密度，磁控溅射镀膜效率会提高10~100倍，而且等离子体温度高、膜层的附着力强、膜组织致密，膜的厚度及成分均匀性好，并可成型更高温度的膜。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中溅射镀膜的原理示意图。
图中：10、真空室，20、高密度等离子体源，21、加热丝，22、热阴极发射源片，23、屏蔽结构，24、加热电源，25、激发电源，26、弧光放电等离子体，30、靶体，31、靶座，32、磁靶，40、镀膜基板，41、万向节，42、旋转装置，43、磁流体，50、阳极，60、靶体电源，70、镀膜基板电源，80、靶原子。
具体实施方式
本实施例的设置用于溅射镀膜中，需要注意的是，本发明还可以作为离子镀、阴极电弧等离子体沉积、离子束辅助沉积等使用等离子体的场合，设备结构类似，原理类似。
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明，在详细说明本发明各实施例的技术方案前，对所涉及的名词和术语进行解释说明，在本说明书中，名称相同或标号相同的部件代表相似或相同的结构，且仅限于示意的目的。
如图1和2所示，溅射镀膜设备包括真空室10、高密度等离子体源20、靶体30、镀膜基板40、加热电源24和激发电源25，其中真空室具有进气端和抽气端，所述高密度等离子体源置于进气端处，所述靶体置于抽气端的两个抽气口之间。所述靶体和镀膜基板分别连接有靶体电源60和镀膜基板电源70。
所述高密度等离子体源20包括加热丝21、热阴极发射源片22以及布置在加热丝和热阴极发射源片外围的屏蔽结构23，本实施例中采用LaB6阴极发射源片，可激发出弧光放电等离子体26，屏蔽结构可以防止大量热量辐射到真空室中，用以屏蔽真空室内部多余的热辐射。
所述热阴极发射源片22与靶体30之间布置有阳极50，所述高密度等离子体源激发出弧光放电等离子体，在阳极电场的作用下加速轰击靶体上的靶材，进而将中性的靶原子沉积在镀膜基板上，完成产品的溅射镀膜。
产生的弧光放电等离子体的密度为1×1011~1×1012/cm3量级，比市场上现有射频、微波PECVD中等离子体的密度高10~100倍，镀膜时间缩短到1/100~1/10。弧光放电等离子体不需要二次电子发射就能获得远远射频等离子体的密度，大大提高的镀膜的效率。
产生的弧光放电等离子体具有更高能量更高温度，并且作为活化热源可以使得靶材表面的反应基团具有更高的能量，兼具真空蒸发镀的效果。并且增强反应基团的离化程度和化学活性，并进一步提高溅粒子的浓度，因此有利于薄膜的沉积。
所述加热丝21和热阴极发射源片22分别连接有加热电源24和激发电源25，所述热阴极发射源片内置有测量温度的热电偶，该热电偶数据反馈输入加热电源中，据此可以精确控制加热丝功率，使热阴极发射源片上温度保持1600℃及更高的恒温状态。
LaB6阴极发射源片为块状固体，背后使用加热丝加热到1600℃以上时，大量发射电子，此时通入氩气，这些电子轰击氩分子，产生电子雪崩效应，得到更多的电子、离子和中性粒子。此时激发电源25开始工作，激发产生高密度等离子体。等离子体在镀膜设备内磁场和气流作用下向靶体表面运动。等离子体中的氩离子在阳极形成的电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子沉积在镀膜基板上，逐渐成膜。
所述加热丝21的两端采用水冷电极导入结构，使用去离子水或纯净水作为冷却介质，用以冷却加热丝安装接头，同时这种水冷电极导入也保持与真空室之间的绝缘。
如图2所示，所述靶体30包括靶座31以及设置在靶座上的磁靶32。
高密度等离子体被电磁场束缚在靶体附近，不与镀膜基板接触。这样电离产生的正离子能十分有效地轰击靶面，基板又免受等离子体的轰击。电子与气体原子的碰撞几率高，因此气体离化率大大增加。电子在电场的作用下加速飞向镀膜基板的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向镀膜基板。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子80（或分子）沉积在镀膜基板上成膜。二次电子在加速飞向基板的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在镀膜基板上。磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。
在靶座上设置磁靶32，以控制二次电子的运动，离子轰击靶面所产生的二次电子在阴极暗区被电场加速之后飞向镀膜基板。实际上，任何溅射装置都有附加磁场以延长电子飞向阳极的行程。其目的是让电子尽可能多产生几次碰撞电离，从而增加等离子体密度，提高溅射效率。磁控溅射所利用的环状磁场迫使二次电子跳栏式地沿着环状磁场转圈。相应地，环状磁场控制的区域是等离子体密度最高的部位。在磁控溅射时，可以看见溅射气体——氩气在这部位发出强烈的淡蓝色辉光，形成一个光环。
产生的弧光等离子体照射到靶体后，根据功率调节，靶座产生的温度可以高于700℃，故靶体可以产生蒸发镀效果。为了控制靶座温度，除了控制等离子体激发功率，本发明中添加了一种可带冷却效果的靶座。靶座下部设计有冷却回路，通过监测靶体温度，可以使用风冷或水冷来控制靶体温度。
所述镀膜基板40通过万向节41与旋转装置42连接，该旋转装置置于真空室外侧，并通过磁流体43保持真空边界动密封。
操作工艺流程如下：
使用真空获得系统从抽气口对真空室进行抽真空，真空室内真空度到达1×10-4Pa时，接通加热电源开始给加热丝供电，加热到1600℃时，从进气口通入氢气和甲烷，到达浓度后接通激发电源产生高密度弧光放电等离子体，同时接通靶体电源和镀膜基板电源，镀膜基板上逐渐镀上金属膜层。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种高密度等离子体溅射镀膜设备，包括真空室(10)、置于真空室进气端的高密度等离子体源(20)、置于真空室抽气端的靶体(30)，以及设置在靶体一侧的镀膜基板(40)，其特征在于，所述高密度等离子体源(20)包括加热丝(21)、热阴极发射源片(22)，以及布置在加热丝和热阴极发射源片外围的屏蔽结构(23)，所述热阴极发射源片与靶体(30)之间布置有阳极(50)，所述高密度等离子体源激发出弧光放电等离子体，在阳极电场的作用下加速轰击靶体上的靶材，将中性的靶原子沉积在镀膜基板上。
2.根据权利要求1所述的高密度等离子体溅射镀膜设备，其特征在于，所述靶体(30)包括靶座(31)以及设置在靶座上的磁靶(32)。
3.根据权利要求1所述的高密度等离子体溅射镀膜设备，其特征在于，所述加热丝(21)的两端采用水冷电极导入结构。
4.根据权利要求1所述的高密度等离子体溅射镀膜设备，其特征在于，所述加热丝(21)和热阴极发射源片(22)分别连接有加热电源(24)和激发电源(25)，所述热阴极发射源片内置有测量温度的热电偶，该热电偶数据反馈输入加热电源中。
5.根据权利要求1～4任一项所述的高密度等离子体溅射镀膜设备，其特征在于，所述镀膜基板(40)通过万向节(41)与旋转装置(42)连接，该旋转装置置于真空室(10)外侧，并通过磁流体(43)保持真空边界动密封。
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