CN110106489A - 一种磁控溅射设备的可变磁场阴极装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁控溅射设备的可变磁场阴极装置，其水冷器的背面从中心至边沿依次分为心部、中部和外部三个区域，水冷器背面中部设有圆环状的凸起；在凸起与不锈钢罩正面的间隙内，设置有饼式的、半径与铜背板半径相等的主体线圈；凸起以内的水冷器背面部位与主体线圈之间设置有饼式的心部线圈，凸起以外的水冷器背面部位与主体线圈之间设置有饼式的外部线圈。该装置能实现靶面磁场强度的无级调节、且靶面的径向磁场强度分布均匀、靶材利用率高；以其进行磁控溅射镀膜的参数优化实验的效率高、成本低，得到的实验数据更完整、准确、精度高。
Description
技术领域
本发明涉及磁控溅射镀膜设备的部件，具体来讲是一种涉及磁控溅射镀膜设备的阴极装置。
背景技术
磁控溅射是当前工业生产中制备薄膜的主要技术，广泛应用于电子及信息产业，如液晶存储、液晶显示器、集成电路、电子控制器件等，亦可应用于玻璃镀膜领域，还可以应用于耐磨材料、耐蚀材料、高档装饰用品等行业。
在各行各业批量化生产薄膜产品之前，总是要进行各种溅射参数的调试以获得最优化的工艺条件。这些参数主要包括溅射功率、衬底温度、溅射气压和磁场强度。其中磁控溅射设备的溅射功率、衬底温度可以通过调节电源的参数来改变，溅射气压可以通过调节气体流速改变，这些参数的调节都很方便、简单。而磁控溅射设备的磁场调节则很不方便、难度大：磁控溅射设备的磁场大多利用永磁体来提供，想要改变磁场就需要拆除靶材后面的永磁体，重新更换另一批永磁体；拆、换时工作量大，费时费力；拆、换过程还有可能破坏真空系统。受永磁体的磁场强度、个数限制、其调节的范围也有限。并且不能实现磁场强度的无级、连续调节。总之，磁控溅射设备的磁场强度调节困难，费时费力、调节的范围小，精度低；使得磁控溅射镀膜的参数优化实验效率低、成本高。
此外，虽有少量磁控溅射设备采用了电磁阴极靶，即在铜背板的背面中心设置心部电磁(励磁)线圈，心部电磁线圈的外部设置中部电磁线圈，中部电磁线圈与心部电磁线圈反向串接形成平衡线圈；中部电磁线圈的外部再设置一个外部电磁线圈(非平衡线圈)。通过调节三个电磁线圈的电流大小，可以实现铜背板的工作面(靶材面)的磁场强度连续可调。但由于中部电磁线圈与心部电磁线圈反向串接，二者在靶面心部及中部位置的磁力线方向相同、叠加后磁场强度成倍增加，在靶面中心能形成大的磁场峰值，但在中心以外迅速降低，在外部电磁线圈附近的靶面径向外部位置，又会形成小的磁场峰值。总之，其靶面径向磁场分布曲线是陡峭的一大两小的三峰曲线，导致靶材面的径向磁场分布均匀性差。其靶面中心磁场强度过高，靶材中心迅速刻蚀穿透，靶材更换快，靶材利用率较低；增大了磁控溅射镀膜的成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁控溅射设备的可变磁场阴极装置，该装置能实现靶材靶面磁场强度的连续无级调节、且靶材靶面的径向磁场强度分布均匀、靶材利用率高；以其进行磁控溅射镀膜的参数优化实验的效率高、成本低，得到的实验数据更完整、准确、精度高。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种磁控溅射设备的可变磁场阴极装置，包括圆盘状的铜背板，靶材通过靶托固定于铜背板正面的凹槽内，铜背板的背面边沿与圆筒状的不锈钢罩的罩沿贴合，不锈钢罩的外周面与圆环形的靶罩的内侧壁螺纹连接，靶罩外套于靶托上；不锈钢罩的内腔中设有不锈钢的水冷器，且水冷器固定于铜背板的背面；其特征在于：
所述的水冷器的背面从中心至边沿依次分为心部、中部和外部三个区域，水冷器背面的中部设有圆环状的凸起；在凸起的顶部与不锈钢罩正面的间隙内，设置有饼式的、半径与铜背板半径相等的主体线圈；凸起以内的水冷器背面部位与主体线圈之间设置有饼式的心部线圈，凸起以外的水冷器背面部位与主体线圈之间设置有饼式的外部线圈。
本发明的工作过程和原理是：
水冷器内的循环冷却水，一方面通过导热系数较高的铜背板给靶材冷却，同时对心部线圈、外部线圈和主体线圈进行降温。
分布于铜背板背面整个区域的主体线圈接通电流后在铜背板的正面整个区域形成弧形的主体磁场，产生用以约束靶前等离子体的主体磁力，使得等离子体轰击阴极靶材，从而溅射出靶材原子或离子飞向基片成膜。同时心部线圈、外部线圈通以不同强度的电流时，产生心部辅助磁场和外部辅助磁场；主体磁场、心部辅助磁场和外部辅助磁场叠加，在铜背板正面的整个靶材区域形成径向分布均匀的磁场，靶材各部位的磁力均匀，靶材各部位利用均匀。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明装置所提供的约束磁场主体由分布于靶面背部整个区域的饼式主体线圈提供；通过对主体线圈的通入电流的控制，可以、方便、准确的实现溅射磁场强度的无级、大范围、连续调节。以其进行磁控溅射镀膜的参数优化实验的效率高，得到的实验数据更完整、准确、精度高。
二、理论分析和测试表明：靶面背部整个区域分布的饼式主体线圈的磁力线从靶面中心出发，向靶面外部发散，然后回到靶面中心；磁力线在靶面径向(靶面半径方向)中部区域分布集中，而在靶面径向(靶面半径方向)的心部区域和外部区域分布少，使得磁场强度在靶面径向方向分布不均，中部区域强，而心部和外部区域弱。本发明在靶面背部的心部区域和外部区域，分别加设饼式的心部线圈和外部线圈，心部线圈和外部线圈产生的磁场分别集中分布在的靶面径向的心部区域和外部区域，补强了靶面径向心部和外部区域的磁场强度；通过调节心部线圈、外部线圈和主体线圈的通入电流的组合比例关系，可使靶面各区域的径向磁场强度基本相等，也即靶面整个区域的径向磁场强度分布均匀。进而靶材在靶面各区域的消耗速度均匀，靶材利用率高；能有效减低磁控溅射镀膜参数优化实验的实验成本。
进一步，本发明的心部线圈、凸起和外部线圈的径向长度均相等。
这样，既便于加工制造，也方便心部线圈、外部线圈和主体线圈的电流和磁场分布组合关系的计算与调节。
更进一步，本发明的主体线圈与不锈钢罩之间设有绝缘的垫板。
这样，可即便线圈电流泄漏，也不会使设备外部带电，确保设备的安全。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的心部线圈磁场、外部线圈磁场、主体线圈磁场和三线圈叠加后的磁场在靶面半径方向上的归一化磁场强度分布仿真图。图中，由符号“△”串起的曲线是心部线圈磁场的符号归一化磁场强度分布仿真图；由符号“△”串起的曲线是外部线圈磁场的归一化磁场强度分布仿真图；虚线曲线是主体线圈磁场的归一化磁场强度分布仿真图；实线曲线是叠加磁场的归一化磁场强度分布仿真图。
具体实施方式
实施例
图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种磁控溅射设备的可变磁场阴极装置，包括圆盘状的铜背板3，靶材1通过靶托9固定于圆形的铜背板3正面的凹槽内，铜背板3的背面边沿与圆筒状的不锈钢罩5的罩沿贴合，不锈钢罩5的外周面与圆环形的靶罩2的内侧壁螺纹连接，靶罩2外套于靶托9上；不锈钢罩5的内腔中设有不锈钢的水冷器6且水冷器6固定于铜背板3的背面；其特征在于：
所述的水冷器6的背面从中心至边沿依次分为心部、中部和外部三个区域，水冷器6背面的中部设有圆环状的凸起6a；在凸起6a的顶部与不锈钢罩5正面的间隙内，设置有饼式的、半径与铜背板3半径相等的主体线圈4a；凸起6a以内的水冷器6背面部位与主体线圈4a之间设置有饼式的心部线圈4b，凸起6a以外的水冷器6背面部位与主体线圈4a之间设置有饼式的外部线圈4c。
本例的心部线圈4b、凸起6a和外部线圈4c的径向长度均相等。
本例的主体线圈4a与不锈钢罩5之间设有绝缘的垫板7。
显然，本发明的正面是指面向靶材的一面，背面是指背向靶材的一面；内是指靠近中心的部位，外是指远离中心的部位。
图2为本发明实施例的心部线圈磁场、外部线圈磁场、主体线圈磁场和三线圈叠加后的磁场在靶面半径方向上的归一化磁场强度分布仿真图。图中，由符号“△”串起的曲线是心部线圈磁场的符号归一化磁场强度分布仿真图；由符号“△”串起的曲线是外部线圈磁场的归一化磁场强度分布仿真图；虚线曲线是主体线圈磁场的归一化磁场强度分布仿真图；实线曲线是叠加磁场的归一化磁场强度分布仿真图。
图2表明：主体线圈的磁场在靶面径向中部区域强度高，而在靶面径向的心部区域和外部区域强度低。心部线圈的磁场和外部线圈的磁场，则分别在靶面径向的心部区域和外部区域强度高，而在其他区域强度低。心部线圈、外部线圈和主体线圈磁场叠加后的叠加磁场在靶面各区域的径向磁场强度都高，且基本相等，说明本发明装置明显提高了靶面各区域的径向磁场强度分布均匀性。
Claims (3)
1.一种磁控溅射设备的可变磁场阴极装置，包括圆盘状的铜背板(3)，靶材(1)通过靶托(9)固定于铜背板(3)正面的凹槽内，铜背板(3)的背面边沿与圆筒状的不锈钢罩(5)的罩沿贴合，不锈钢罩(5)的外周面与圆环形的靶罩(2)的内侧壁螺纹连接，靶罩(2)外套于靶托(9)上；不锈钢罩(5)的内腔中设有不锈钢的水冷器(6)且水冷器(6)固定于铜背板(3)的背面；其特征在于：
所述的水冷器(6)的背面从中心至边沿依次分为心部、中部和外部三个区域，水冷器(6)背面的中部设有圆环状的凸起(6a)；在凸起(6a)的顶部与不锈钢罩(5)正面的间隙内，设置有饼式的、半径与铜背板(3)半径相等的主体线圈(4a)；凸起(6a)以内的水冷器(6)背面部位与主体线圈(4a)之间设置有饼式的心部线圈(4b)，凸起(6a)以外的水冷器(6)背面部位与主体线圈(4a)之间设置有饼式的外部线圈(4c)。
2.根据权利要求1所述的一种磁控溅射阴极可变磁场的装置，其特征在于，所述的心部线圈(4b)、凸起(6a)和外部线圈(4c)的径向长度均相等。
3.根据权利要求1所述的一种磁控溅射阴极可变磁场的装置，其特征在于，所述的主体线圈(4a)与不锈钢罩(5)之间设有绝缘的垫板(7)。
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