CN1096825A

CN1096825A - 对称磁体磁控溅射源

Info

Publication number: CN1096825A
Application number: CN 93111860
Authority: CN
Inventors: 范启华; 陈小洪; 陈宏猷; 洪源; 张鹰
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 1993-06-22
Filing date: 1993-06-22
Publication date: 1994-12-28
Anticipated expiration: 2013-06-22
Also published as: CN1033100C

Abstract

本发明介绍了一种用于薄膜制造技术的磁控溅射镀膜源。它的构成如下：两个磁极对称的外部环形永磁体和一个内部环形永磁体形成磁控溅射磁场，在内部永磁体的外围装有一个水冷溅射阴极，并在它的上面安放着靶材，在外部永磁体和水冷溅射阴极之间装有一个阴极屏蔽罩，屏蔽罩和水冷溅射阴极的下部置于绝缘体上。该磁控溅射源不仅可实现高溅射淀积速率，低基片温度，而且可将靶材利用率从平面磁控溅射源的30％提高到64％。

Description

本发明涉及到薄膜制造技术中溅射镀膜用的磁控溅射源系统。

目前，溅射镀膜是应用最广泛的一种薄膜制造技术。通常对溅射镀膜的基本要求是具有高的淀积速率，较大的膜厚均匀范围和高的靶材利用率和低温度的基片。

早期的溅射镀膜方法，是直流二极溅射和射频溅射。该方法的缺点是：溅射速率较低;基片受高能电子的强烈轰击，温升较大。因此，往往不能满足实际需要。在此基础上发展起来的平面磁控溅射方法，它的溅射源（见图1）主要是由一个外部环形永磁体1和一个中心园柱形永磁体3和永磁体底部轭铁9和溅射材料（靶材）6构成，镀膜时将基片7置于靶面的上方。由于该溅射源磁控溅射的磁场由中心柱形永磁体和外部环形磁体产生，在靶面附近，磁场强度

呈半园形分布。大量高能电子将被该磁场约束，并主要集中在的顶部平衡位置附近，从而实现高溅射速率和低基片温度，是目前应用较广的一种溅射镀膜方法。然而用这种溅射源进行溅射镀膜，通常会导致靶材料的狭窄V形刻蚀，如图1中阴影部分，按体积计算靶材料的利用率仅只有靶材的30%左右。造成靶材V型刻蚀的主要原因是由于在平面磁控溅射中，高能电子被磁场约束在靶面附近的平衡磁场位置，产生一个狭窄的环形区域。此外，经研究还发现靶的刻蚀形状直接影响着薄膜厚度分布的均匀性，靶的不均匀刻蚀，将导致相对小的薄膜厚度均匀范围，影响薄膜的镀膜质量。

本发明的目的是针对上述溅射镀膜溅射源的不足，为了得到高淀积速率和低基片温度，提高靶刻蚀的均匀性和获得相对较大的薄膜厚度均匀范围，设计出一种具有对称磁体的磁控溅射源。

本发明一方面根据电磁理论：在磁场中运动的带电粒子要受到一个洛仓兹力

＝q· ×

。（其中：

为磁场强度矢量，为带电量q的粒子运动速度矢量，为洛仓兹力矢量），显然可见平行靶面的磁场对于约束高能电子起着决定性作用。另一方面根据静态磁场具有叠加性，以及气体放电理论提出一种新的磁控溅射源的设计方案。本发明是由永磁体，阴极屏蔽罩，水冷溅射阴极和绝缘体构成，其特征是永磁体采用两个磁极对称的外部环形永磁体1、2和一个内部环形永磁体3，在内部环形永磁体3的外围装有一个水冷溅射阴极5，并在它的上面安放靶材6，在永磁体1、2和水冷溅射阴极5之间安装有接地的阴极屏蔽罩4，在阴极屏蔽罩4和溅射水冷阴极5的下端安装有一个有孔的绝缘体8，并使它的孔与内部环形永磁体3的内环孔相对应（见图2）。

下面结合附图2-附图8通过实施例进一步说明本发明。

图1：已有技术的平面磁控溅射源

其中1-外部环形永磁体，3-内永磁体，6-靶材，7-基片，9-轭铁。

图2：本发明对称磁控溅射源

其中：1、2-外部环形对称永磁体;3-内部环形永磁体;4-阴极屏蔽罩;5-水冷溅射阴极;6-靶材;7-基片;8-绝缘体。

图3：靶面上方3mm处的磁场强度分布图

其中：B_⊥为垂直靶面的磁场强度分量;B_∥为平行靶面的磁场强度分量。

图4：外加电压与放电电流的关系图

图5：起辉电压与溅射气体压强的关系图

图6：溅射功率与淀积速率的关系图

图7：靶刻蚀剖面图

图8：薄膜厚度分布图

现根据本发明的原理设计加工一个对称磁体磁控溅射源。首先选用材料为钐钴（SmCo）磁体或高矫顽力（Hc）钕铁硼（NdFeB）尺寸为φ90×φ110×25两个外部环形永磁体和一个尺寸为φ8×φ40×20的内部环形永磁体。安装时，当两个外部环形永磁体1、2为S极相对时，则内部环形永磁体3的N极向上（如图2所示），当两个外部环形永磁体1、2为N极相对时，则内部环形永磁体3的S极向上（如图2中括号所示），也就是让产生磁控溅射磁场的永磁体极性按施加的方式配置。用1Cr18Ni9Ti不锈钢制成直径约80mm，高30mm的水冷溅射阴极5安装在内部环形永磁体3的外部，用于通水起冷却作用，选用厚度δ为0.8mm的不锈钢1Cr18Ni9Ti制作阴极屏蔽罩4，将它安装在与两个外部环形永磁体1和2相距2mm并与水冷溅射阴极5之间，而且让它接地，水冷溅射阴极5和阴极屏蔽罩4安装在绝缘体8上，让绝缘体8上的孔与内环形永磁体3的内环孔相对应。镀膜时，将基片7置于靶面的上面。

下面就本发明进行的测试特征说明如下：

1、磁场强度分布：由图3可见，本发明的磁场分量在靶面上方3mm时，由于垂直磁场分量相对减小，水平磁场分量相对增大，因此，合成磁场分布较平滑。

2、辉光放电伏安特性：由图4可见，放电电流与外加电压呈非线性变化，在较低的电压300伏左右，即可获得很大的放电电流，这是典型的磁控溅射特性。

3、起辉电压与溅射气体A_r气压强的关系：由图5可见，A_r气压强越高，起辉电压越低。

4、溅射功率与淀积速度的关系：由图6可见，当A_r气压强为2×10^-2Torr条件下，采用Cu靶材时，Cu薄膜的淀积速率与溅射功率成正比的关系。当基片7与Cu靶面6相距约50mm处，该系统的最大功率约600W下，溅射源的最大淀积速率约为11000

/分。

5、靶面刻蚀状况：用直径φ76mm，厚度为4mm的铜料作靶材，由图7可见靶的刻蚀断面分布情况与平面磁控溅射源靶的V形刻蚀相比，靶的刻蚀区域大大增加，按体积推算，靶的利用率为64%。

6、薄膜厚度分布：直径56mm，厚度δ1.2mm的基片7与靶面6相距50mm处，其薄膜的厚度变化小于±5%（如图8所示）。

由此可见，本发明对称磁体磁控溅射源，由于采用了两个磁极对称的外部环形永磁体和内部环形永磁体，使得靶面附近的垂直磁场分量大大削弱，同时，平行磁场分量却大大增强，其结果使靶面附近的磁场将呈现较为平滑的分布，这样高能电子将被约束在靶面附近一个较宽的环形区域内，从而导致靶材的较均匀刻蚀，使靶材的利用率从平面磁控溅射源的30%左右，提高到约64%左右。降低了加工成本。此外，采用本发明溅射的过程中，由于高能电子被磁场牢牢约束，它们对基片的轰击几乎可以忽略，在溅射源充分水冷的条件下，基片温度的实测值不高于70℃。所以采用本发明进行薄膜制造，具有高的淀积速率、较大的膜厚均匀范围、高的靶材利用率以及低温度基片。本发明是一种较理想的磁控溅射源。

Claims

1、一种对称磁体磁控溅射源，是由永磁体、阴极屏蔽罩、水冷溅射阴极和绝缘体构成，其特征是永磁体采用两个磁极对称的外部环形永磁体(1)、(2)和一个内部环形永磁体(3)，在内部环形永磁体(3)的外围装有一个水冷溅射阴极(5)，并在它的上面安放靶材(6)，在外部环形永磁体(1)、(2)和水冷溅射阴极(5)之间安装有接地的阴极屏蔽罩(4)，在阴极屏蔽罩(4)和水冷溅射阴极(5)的下端安装一个有孔的绝缘体(8)，并使它的孔与内部环形永磁体(3)的内环孔相对应。

2、根据权利要求1所述的磁控溅射源，其特征是产生磁控溅射磁场的永磁体极性是按施加的方式配置，即当两个外部环形永磁体（1）、（2）为S极相对时，则内部环形永磁体（3）的N极向上，当两个外部环形永磁体（1）、（2）为N极相对时，则内部环形永磁体（3）的S极向上。

3、根据权利要求1、2所述的磁控溅射源，其特征是外部环形永磁体（1）、（2）和内部环形永磁体（3）采用的材料为SmCo永磁体或高矫顽力NdFeB永磁体。