CN108149209A - 一种复合式磁控溅射阴极 - Google Patents

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Abstract

一种复合式磁控溅射阴极，由平面靶材(1)、水冷背板(2)、外永磁体(3、4)、内永磁体(5)、内电磁线圈(6、7)、外电磁线圈(8、9)、外磁轭(10、11)、内磁轭(12)、中磁轭(13、14)、底磁轭(15)和框架(16)构成。两个内电磁线圈(6、7)构成一个闭合线圈，两个外电磁线圈(8、9)构成一个闭合线圈。内电磁线圈和外电磁线圈通过引线分别连接到外供电电源。通过调节内电磁线圈和外电磁线圈中电流的大小和方向，实现磁控溅射阴极表面磁场强度和分布的变化，从而调节溅射速率、磁场非平衡度和增加靶材利用率。

Description

一种复合式磁控溅射阴极
技术领域
本发明涉及一种磁控溅射设备，特别涉及一种磁控溅射阴极。
背景技术
磁控溅射属于物理气相沉积，广泛应用于半导体、金属、绝缘体等功能薄膜的制备。磁控溅射包括很多种类，从阴极靶结构上可以分为平面型磁控溅射靶和圆柱型磁控溅射靶，从放电空间磁场分布上可以分为平衡靶和非平衡靶，从工作电源上可以分为直流磁控溅射和交流磁控溅射。磁控溅射设备简单，所用靶材容易制造、便于安装。平面型磁控溅射靶的靶材利用率很低，圆形靶利用率一般低于10％，矩形靶利用率一般介于20％-30％之间。在贵金属薄膜的制备上，靶材利用率低成为亟待解决的问题。
磁控溅射靶材的刻蚀形貌与磁场分布有关，对于圆形磁控溅射阴极，刻蚀形貌是环形的，对于矩形平面磁控溅射阴极，刻蚀形貌是跑道形的，且刻蚀形貌的最深处位于靶面磁场垂直分量等于零的位置。另一方面，随着刻蚀沟槽的形成，被刻蚀区域的磁力线暴露出来，磁场增强，会增加对电子的束缚，提高等离子体密度加深刻蚀，这样刻蚀沟槽会连续收缩，中心刻蚀深度加剧，不利于提高靶材利用率。因此理想的磁场分布应具有靶面磁场的水平分量呈中心弱两边强的马鞍面分布。
为了提高靶材利用率，SOLERAS公司提出了在外磁极和中心磁极之间安装导磁片的方式，靶面磁场的水平分量呈下凹的分布，实验证明靶材利用率提高了6％。德国singulus公司采用一个外永磁环和两个电磁线圈结构的磁控溅射阴极，中国专利201110379503.0公开了采用两个电磁线圈结构的磁控溅射阴极。通过调节两个电磁线圈的电流大小和方向来改变靶面磁场的分布，进而提高靶材利用率。
SOLERAS公司通过增加导磁片虽然提高了靶材利用率，但是靶面的磁场强度会降低，溅射速率有所下降。中国专利201110379503.0申请公开的阴极结构采用两个电磁线圈，该结构虽然可以对磁场进行灵活调节，同时也能保证靶面具有一定的磁场强度以满足不同的工艺要求，但是该结构没有采用分流设计，靶材利用率仍然可以进一步提高。德国singulus公司的阴极虽然考虑了分流设计，调节效果得到极大改善，但是该结构的靶面磁场很弱，在某些需要较强磁场的工艺场合并不适用。上述设计仍然没有解决靶材利用率低的问题。
发明内容
本发明的目的是克服常规磁控溅射装置的靶面磁场在使用过程中不能灵活调节、靶材利用率低的缺点，提出一种复合式的磁控溅射阴极。与现有的电磁永磁复合式磁控溅射阴极不同的是，本发明不仅可以保证靶面磁场具有一定强度，而且可以实现对靶面大范围区域的磁场分布进行调节，从而调节溅射速率、增加靶材利用率。
本发明采用的技术方案如下：
本发明复合式磁控溅射阴极，由平面靶材、水冷背板、外永磁体、内永磁体、内电磁线圈、外电磁线圈、外磁轭、内磁轭、中磁轭、底磁轭和框架构成，与现有的复合式磁控溅射阴极相比，本发明增加了中磁轭分流部件；水冷背板安装在平面靶材的下方；外永磁体安装在水冷背板下方；外磁轭安装在外永磁体的下方；底磁轭安装在外磁轭的下方；内磁轭安装在底磁轭中间位置的上方；内永磁体安装在内磁轭的上方；中磁轭安装在内磁轭和外磁轭之间；所述的外电磁线圈安装在中磁轭和外磁轭之间；所述的内电磁线圈安装在内磁轭和中磁轭之间；所述的外磁轭、中磁轭、内磁轭、底磁轭、外永磁体、内永磁体、外电磁线圈、内电磁线圈安装在框架内；所述的平面靶材通过电源线连接到阴极电源。内电磁线圈和外电磁线圈根据不同应用场合，可绕制成跑道形或圆形结构，分别构成矩形平面磁控溅射装置和圆形平面磁控溅射装置。内永磁体和外永磁体产生磁控溅射阴极的主磁场，内电磁线圈和外电磁线圈通过电流引线分别连接到内电磁线圈和外电磁线圈的供电电源，产生磁控溅射阴极的所需要的辅助磁场。通过调节内电磁线圈和外电磁线圈中电流大小和方向，可以实现对阴极靶面磁场分布的灵活调节，以适用不同材料的镀膜工艺。
电磁线圈选用低电阻率、高通流能力的导线绕制，采用空冷却或水冷散热。磁轭选用铁磁性材料制作。靶材可选择金属、合金或陶瓷等低磁导率材料。阴极电源根据不同镀膜工艺的要求，可为直流、中频脉冲、中频交流或射频电源。所述的磁体供电电源为可手动或自动控制的直流电源。
本发明具有以下优点：
1.本发明复合式平面磁控溅射阴极可以根据不同镀膜工艺要求，在阴极靶表面产生不同强度和分布的磁场，并且可以随时快速地调节磁场的强度以及磁场的非平衡度，解决了在镀膜过程磁场不易调节的难题。
2.本发明复合式磁控溅射阴极，通过控制内电磁线圈和外电磁线圈中电流的方向，可以在靶面很大范围内改变等离子体的位置，极大的提高了靶材利用率。
3.本发明复合式磁控溅射阴极保留了磁控溅射工艺的优点，克服了传统磁控溅射的缺点，而且可以根据不同靶材改进其工艺流程，可适用于直流、脉冲、交流及射频磁控溅射工艺，可以对于金属、合金、陶瓷等多种低磁导率靶材进行溅射镀膜，其应用领域非常广泛。
4.本发明复合式磁控溅射阴极不仅保留了分流设计与电磁线圈设计的优点，而且克服了分流设计会降低靶面磁场强度、电磁线圈设计在磁场强度和调节范围两方面不能兼顾的缺点。本发明复合式磁控溅射阴极能在靶面磁场满足一定的强度下，在较大范围内调节磁场分布，进一步提高了靶材利用率。
附图说明
图1为本发明复合式平面磁控溅射阴极截面图，图中：1平面靶材，2水冷背板，3、4外永磁体，5内永磁体，6、7内电磁线圈，8、9外电磁线圈，10、11外磁轭、12内磁轭、13、14中磁轭、15底磁轭，16为框架；
图2a为电磁线圈不通电时磁控溅射阴极表面磁力线分布图；
图2b为电磁线圈不通电时磁控溅射阴极表面磁场分布图；
图3a为内电磁线圈和外电磁线圈电流均垂直纸面向内时阴极表面磁力线分布图；
图3b为内电磁线圈和外电磁线圈电流均垂直纸面向内时阴极表面磁场分布图；
图4a为内电磁线圈和外电磁线圈电流均垂直纸面向外时阴极表面磁力线分布图；
图4b为内电磁线圈和外电磁线圈电流均垂直纸面向外时阴极表面磁场分布图；
图5a为内电磁线圈电流垂直纸面向内，外电磁线圈电流垂直纸面向外时阴极表面磁力线分布图；
图5b为内电磁线圈电流垂直纸面向内，外电磁线圈电流垂直纸面向外时阴极表面磁场分布图；
图6a为内电磁线圈电流垂直纸面向外，外电磁线圈电流垂直纸面向内时阴极表面磁力线分布图；
图6b为内电磁线圈电流垂直纸面向外，外电磁线圈电流垂直纸面向内时阴极表面磁场分布图；
图7为本发明复合式圆形平面磁控溅射阴极磁体结构俯视图；
图8为本发明复合式矩形平面磁控溅射阴极磁体结构俯视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明复合式磁控溅射装置。如图1所示，所述的磁控溅射阴极为矩形，平面式，由平面靶材1、水冷背板2、外永磁体3和4、内永磁体5、内电磁线圈6和7、外电磁线圈8和9、外磁轭10和11、内磁轭12、中磁轭13和14、底磁轭15和框架16构成。水冷背板2安装在平面靶材1的下方，水冷背板的上表面开有沟槽，沟槽内盛有冷却水。外永磁体3、4安装在水冷背板2的下方，两个外永磁体3、4关于平面靶材1的中心线对称放置。外磁轭10、11分别安装在外永磁体3、4的下方，并与外永磁体3、4紧密接触。底磁轭15安装在外磁轭10、11的下方。内磁轭12安装在底磁轭15中间位置的上方。内永磁体5安装在内磁轭12的上方。中磁轭13安装在内磁轭12和外磁轭10之间，中磁轭14安装在内磁轭12和外磁轭11之间，中磁轭13、14关于内磁轭12对称放置。所述的中磁轭13、14为完整的铁磁环，或者采用部分铁磁环与无磁不锈钢环复合的方式，即13-1、14-1为铁磁环，13-2、14-2为无磁不锈钢环。所述的外电磁线圈8安装在外磁轭11和中磁轭14之间，外电磁线圈9安装在外磁轭10和中磁轭13之间，外电磁线圈8、9关于内磁轭12对称放置。所述的内电磁线圈6安装在内磁轭12和中磁轭14之间，内电磁线圈7安装在内磁轭12和中磁轭13之间，内电磁线圈6和7关于内磁轭12对称放置。所述的外磁轭10、11、中磁轭13、内磁轭12、底磁轭15、外永磁体、4、内永磁体5、外电磁线圈8、内电磁线圈6安装在框架16内。所述的平面靶材1通过电源线连接到阴极电源，阴极电源根据不同镀膜工艺的要求，可为直流、中频脉冲、中频交流或射频电源。
内电磁线圈6和外电磁线圈8为多匝导线绕制。外电磁线圈8安装在中磁轭13和外磁轭10、11之间；内电磁线圈6安装在内磁轭12和中磁轭13之间，内外电磁线圈通过电流引线分别连接到线圈供电电源上。线圈供电电源为可手动或自动控制的直流电源。电磁线圈采用自然冷却或者水冷却方式。图2为电磁线圈不通电时磁控溅射阴极表面磁力线和磁场分布图，从磁场分布图可得靶面的磁场垂直分量为零的位置为51.07mm，靶面的磁场非平衡度为4.76；图3为内电磁线圈和外电磁线圈电流均垂直纸面向内时阴极表面磁力线和磁场分布图，从磁场分布图可得靶面的磁场垂直分量为零的位置为56.93mm，靶面的磁场非平衡度为3.16；图4为内电磁线圈和外电磁线圈电流均垂直纸面向外时阴极表面磁力线和磁场分布图，从磁场分布图可得靶面的磁场垂直分量为零的位置为22.50mm，靶面的磁场非平衡度为10.33；图5为内电磁线圈电流垂直纸面向内，外电磁线圈电流垂直纸面向外时阴极表面磁力线和磁场分布图，从磁场分布图可得靶面的磁场垂直分量为零的位置为28.84mm，靶面的磁场非平衡度为6.08；图6为内电磁线圈电流垂直纸面向外，外电磁线圈电流垂直纸面向内时阴极表面磁力线和磁场分布图，从磁场分布图可得靶面的磁场垂直分量为零的位置为57.19mm，靶面的磁场非平衡度为3.60；由此可知本发明复合式磁控溅射阴极靶材刻蚀最深处的范围为22.50-57.19mm，该区域占靶材半径的45.52％，磁场非平衡度的调节范围为3.16-10.33，同时在调节过程中靶面的磁场水平分量强度均保证在200Gs以上。对于常规复合式磁控溅射阴极，当没有中磁轭、其他部件完全相同时，可得靶材刻蚀最深处的范围仅占靶材半径的32.60％，磁场非平衡度调节范围为3.74-9.75。本发明复合式磁控溅射阴极相比常规复合式磁控溅射阴极更具可调节性，靶材利用率也进一步得到提高。通过控制线圈直流电源的大小和方向，可以实现阴极靶材表面磁场强度和非平衡度的变化，从而调节溅射速率、增加靶材利用率。
根据实际生产需要，可以选择圆形平面磁控溅射阴极或者矩形平面磁控溅射阴极，分别如图7和图8所示。

Claims (5)

1.一种复合式磁控溅射阴极，其特征在于：所述的磁控溅射阴极包括平面靶材(1)、水冷背板(2)、外永磁体(3、4)、内永磁体(5)、内电磁线圈(6、7)、外电磁线圈(8、9)、外磁轭(10、11)、内磁轭(12)、中磁轭(13、14)、底磁轭(15)，以及框架(16)构成；水冷背板(2)安装在平面靶材(1)的下方；外永磁体(3、4)安装在水冷背板(2)下方；外磁轭(10、11)安装在外永磁体(3、4)的下方；底磁轭(15)安装在外磁轭(10、11)的下方；内磁轭(12)安装在底磁轭(15)中间位置的上方；内永磁体(5)安装在内磁轭(12)的上方；中磁轭(13、14)安装在内磁轭(12)和外磁轭(10、11)之间；所述的外电磁线圈(8、9)安装在中磁轭(13、14)和外磁轭(10、11)之间；所述的内电磁线圈(6、7)安装在内磁轭(12)和中磁轭(13、14)之间；所述的外磁轭、中磁轭、内磁轭、底磁轭、外永磁体、内永磁体、外电磁线圈、内电磁线圈安装在框架(16)中；所述的平面靶材(1)通过电源线连接到阴极电源。
2.如权利要求1所述的复合式磁控溅射阴极，其特征在于：所述的水冷背板(2)和框架(16)为非导磁材料制作；水冷背板(2)的上表面开有沟槽，沟槽内盛有冷却水。
3.如权利要求1所述的复合式磁控溅射阴极，其特征在于：所述的内电磁线圈(6、7)为一闭合线圈，采用跑道形或圆形结构；外电磁线圈(8、9)为一闭合线圈，采用跑道形或圆形结构；外电磁线圈和内电磁线圈通过引线分别连接线圈供电电源。
4.如权利要求1所述的复合式磁控溅射阴极，其特征在于：所述的平面靶材(1)为金属或合金或陶瓷靶材；所述的外磁轭(10、11)、内磁轭(12)和底磁轭(15)采用铁磁性材料制作；所述的中磁轭(13、14)为完整的铁磁环，或者采用部分铁磁环与无磁不锈钢环复合的方式；所述的外永磁体(3、4)和内永磁体(5)的安装极性相反。
5.如权利要求3所述的复合式磁控溅射阴极，其特征在于：所述的线圈供电电源为手动或自动控制的直流电源。
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