CN111560588B

CN111560588B - 用于超高真空环境的磁控溅射靶、磁控溅射装置

Info

Publication number: CN111560588B
Application number: CN202010390565.0A
Authority: CN
Inventors: 吴向方
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Wu Xiangfang
Priority date: 2020-05-09
Filing date: 2020-05-09
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2040-05-09
Also published as: CN111560588A

Abstract

本发明公开了一种用于超高真空环境的磁控溅射靶及其磁控溅射装置，其中，包括：超高真空金属密封法兰、磁场组件、靶体安装支架、冷却组件、绝缘件、阴极组件以及电源导线组件，所述靶体安装支架一端固定连接在所述超高真空金属密封法兰上，另一端支撑所述磁场组件；所述冷却组件位于所述磁场组件的上方并用于给所述磁场组件降温；所述绝缘件固定于所述冷却组件的上表面；所述阴极组件固定在所述绝缘件上；以及所述电源导线组件穿过所述超高真空金属密封法兰与所述阴极组件电连接；将外部电源直接引导到阴极组件表面，而阴极组件固定在绝缘件上，减少漏电、辉光现象的产生，便于完成高质量、高纯度的镀膜。

Description

用于超高真空环境的磁控溅射靶、磁控溅射装置

技术领域

本发明涉及镀膜设备技术领域，特别是涉及一种用于超高真空环境的磁控溅射靶、磁控溅射装置。

背景技术

磁控溅射是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的一种。一般的溅射法可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。目前磁控溅射法制造薄膜已被光学、机械加工等多个领域广泛使用。众所周知的是薄膜制备设备的极限真空度越高，本底越纯净，膜层缺陷越少，制备的薄膜质量才会越好。比如分子束外延(Molecular beam epitaxy，MBE)装备正是有其超高真空本底(极限真空度为2X10^-8Pa；保持真空为2X10^-7Pa)，才能够制备出高质量的多晶膜，微晶膜以及单晶膜，因此分子束外延装备受到科研人员及器件生产公司的青睐。

但是，超高真空装备对制造工艺有着严格的条件，除超高真空制备系统外，需要对真空腔体及内部部件进行真空中温除气处理，真空室内忌用有机材料，因为每次爆大气后都需要进行真空条件下高于200℃，不少于2小时的除气烘烤，现有的密封结构和绝缘结构常使用橡胶材料制成，在高温下容易造成密封圈放气以及密封圈失效，并且污染真空环境；在磁场无法改变的情况下，溅射时使用不同的靶材可能无法达到良好的溅射效果，导致得不到高质量、高纯度金属膜或非金属膜。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于超高真空环境的磁控溅射靶及其磁场组件，旨在解决超高真空条件下，磁控溅射设备无法使不同靶材都达到良好溅射效果的技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，用于超高真空环境，其中，包括：

超高真空金属密封法兰；

磁场组件，用于提供磁场；

靶体安装支架，一端固定连接在所述超高真空金属密封法兰上，另一端支撑所述磁场组件；

冷却组件，位于所述磁场组件的上方并用于给所述磁场组件降温；

绝缘件，固定于所述冷却组件的上表面；

阴极组件，固定在所述绝缘件上；以及

电源导线组件，穿过所述超高真空金属密封法兰与所述阴极组件电连接，用于给所述阴极组件供电。

所述的一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，其中，所述磁场组件的磁场强度和磁力线形态可调；所述磁场组件包括：

磁控靶主体；

靶体固定座，环绕所述磁控靶主体设置，一端安装在所述靶体安装支架上，另一端支撑所述冷却组件；以及

调整螺杆，一端滑动连接在所述靶体安装支架上，另一端固定所述磁控靶主体，调整所述磁控靶主体到所述阴极组件的距离。

所述的一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，其中，所述阴极组件包括用于固定靶材的阴极板，以及由内向外设置于所述阴极板周围的靶材压环、绝缘陶瓷环和屏蔽罩；所述靶材压环将所述靶材压在所述绝缘件上，所述电源导线组件穿过所述屏蔽罩、绝缘陶瓷环和靶材压环与所述靶材连接。

所述的一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，其中，所述电源导线组件包括电源引入法兰、陶封电极杆、电源导线，所述电源引入法兰固定在所述超高真空金属密封法兰背离所述磁场组件的一侧，所述陶封电极杆贯穿所述超高真空金属密封法兰，固定在所述电源引入法兰上，所述电源导线一端穿过所述靶材压环与所述阴极板连接，另一端固定在所述陶封电极杆上。

所述的一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，其中，所述电源导线组件还包括双层陶瓷管，所述双层陶瓷管包裹在所述电源导线和陶封电极杆的外表面。

所述的一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，其中，所述绝缘陶瓷环为Al₂O₃绝缘陶瓷环。

所述的一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，其中，所述冷却组件包括水冷出入口密封接头、密闭水冷盘和输水管，所述密闭水冷盘设置在所述磁场组件上方，给所述磁场组件降温，所述输水管一端连接所述密闭水冷盘，另一端通过所述水冷出入口密封接头固定于所述超高真空金属密封法兰上；

其中，所述密闭水冷盘和输水管为全封闭一体式结构。

所述的一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，其中，所述密闭水冷盘的内部设有回型水冷槽。

以上所述的任一所述的用于超高真空环境的磁控溅射靶，其中，所述绝缘件的材质为Al₂O₃陶瓷绝缘件。

一种磁控溅射装置，其中，包括：如上任一所述的用于超高真空环境的磁控溅射靶。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：

根据本发明实施方式提供的用于超高真空环境的磁控溅射靶，以超高真空金属密封法兰为支撑底座，从下向上依次安装靶体安装支架、磁场组件、冷却组件、绝缘件和阴极组件，将电源导线组件直接与阴极组件电连接，将外部电源直接引导到阴极组件表面，而阴极组件固定在绝缘件上，减少工作过程中电源导线组件与磁场组件、冷却组件、靶体安装支架等结构的接触，减少漏电、辉光现象的产生，便于完成高质量、高纯度的镀膜。尤其适用于在分子束外延设备中以磁控溅射的工艺方式对材料薄膜进行外延生长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种用于超高真空环境的磁控溅射靶的第一截面图；

图2为本发明实施例中一种用于超高真空环境的磁控溅射靶的第二截面图；

图3为本发明实施例中一种用于超高真空环境的磁控溅射靶的磁控靶主体的截面图；

图4为本发明实施例中一种用于超高真空环境的磁控溅射靶的阴极组件的截面图；

图5为本发明实施例中一种用于超高真空环境的磁控溅射靶的冷却组件的截面图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中磁控溅射技术已经应用非常广泛，然而随着技术的进步，磁控溅射要求设备可以达到的本底真空度越来越高，当本底真空度达到6.6x10^-8Pa以上时，对超高真空制备系统有着很高要求，对真空腔体及内部部件进行真空中温除气处理，真空室内忌用有机材料(因每次爆大气后都需要进行真空条件下高于200℃，不少于2小时的除气烘烤，造成传统的密封圈放气以及密封圈失效，污染真空环境)。现有的传统设备不能满足以分子束外延装置为典型代表的超高真空装备的实际应用条件，当使用不同靶材时，无法获得高质量、高纯度的膜层。

参考如图1和图2，本发明公开了一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，用于超高真空环境，其中，包括：超高真空金属密封法兰3、磁场组件、靶体安装支架18、冷却组件、绝缘件10、阴极组件以及电源导线组件，所述磁场组件用于提供磁场；所述靶体安装支架18一端固定连接在所述超高真空金属密封法兰3上，另一端支撑所述磁场组件；所述冷却组件位于所述磁场组件的上方并用于给所述磁场组件降温；所述绝缘件10固定于所述冷却组件的上表面；所述阴极组件固定在所述绝缘件10上；以及所述电源导线组件穿过所述超高真空金属密封法兰3与所述阴极组件电连接，用于给所述阴极组件供电。

本发明中，磁场组件与冷却组件分离，磁场组件包含于水冷保护之中，便于在离线状态下利用辅助仪器对磁场强度和磁力线形态进行调整，将溅射环调整到最佳的位置和较宽的可溅射区域，以达到最佳的或最理想的溅射效果。且磁场组件的磁场强度和磁力线形态调整，对靶材的利用率、溅射材料溅射后的物理状态、沉积后的膜层中是否发生异物掺杂均有影响，因此设计应用中要尤其注重。

根据本发明实施方式提供的用于超高真空环境的磁控溅射靶，以超高真空金属密封法兰3为支撑底座，从下向上依次安装靶体安装支架18、磁场组件、冷却组件、绝缘件10和阴极组件，将绝缘件10钎焊于冷却组件的上表面，为阴极组件提供稳定的支撑平台，将电源导线组件直接与阴极组件电连接，将外部电源直接引导到阴极组件表面，而阴极组件固定在绝缘件上，减少工作过程中电源导线组件与磁场组件、冷却组件、靶体安装支架等结构的接触，减少漏电、辉光现象的产生，便于完成高质量、高纯度的镀膜。尤其适用于在分子束外延设备中以磁控溅射的工艺方式对材料薄膜进行外延生长。

参阅图1至图3，在一种优选的实施方式中，所述磁场组件的磁场强度和磁力线形态可调；所述磁场组件包括：磁控靶主体14、靶体固定座15以及调整螺杆6，所述靶体固定座15环绕所述磁控靶主体14设置，一端安装在所述靶体安装支架18上，另一端支撑所述冷却组件；所述调整螺杆6一端滑动连接在所述靶体固定座15上，另一端固定所述磁控靶主体14，调整所述磁控靶主体14到所述阴极组件的距离。设置磁场组件的磁场强度和磁力线形态可调，对于使用过程中涉及不同的溅射材料，在溅射准备阶段，通过调整用于超高真空环境的磁控溅射靶的磁场强度和磁场线分布，进而在溅射镀膜时得到高质量、高纯度的膜层，获得理想的溅射效果。调整磁场强度和磁力线形态时，使用辅助工具与调整螺杆6连接，使调整螺杆6的位置发生改变，进而固定在调整螺杆6上的磁控靶主体14也被带动，改变位置，进而改变了用于超高真空环境的磁控溅射靶上的磁场强度，适应不同的靶材溅射镀膜工艺。

进一步的，为了方便对从各个角度对材料镀膜，可以选用圆形平面的磁控溅射靶。

参阅图4，在一种优选的实施方式中，所述阴极组件包括用于固定靶材的阴极板9，以及由内向外设置于所述阴极板9周围的靶材压环7、绝缘陶瓷环11和屏蔽罩12；所述靶材压环7将所述靶材压在所述绝缘件10上，所述电源导线组件穿过所述屏蔽罩12、绝缘陶瓷环11和靶材压环7与所述靶材连接。靶材压环7把靶材压在绝缘件10上，并在靶材周围围绕绝缘陶瓷环11，当用于超高真空环境的磁控溅射靶工作时减少阴极产生辉光，防止发生意外，损坏设备，提高操作的安全性。

具体的，所述电源导线组件包括电源引入法兰1、陶封电极杆、电源导线5，所述电源引入法兰1固定在所述超高真空金属密封法兰3背离所述磁场组件的一侧，所述陶封电极杆贯穿所述超高真空金属密封法兰3，固定在所述电源引入法兰1上，所述电源导线5一端穿过所述靶材压环7与所述阴极板9连接，另一端固定在所述陶封电极杆上。通过陶封电极杆将真空腔室外的电源引到电源导线5上，电源导线5再穿过靶材压环7直接与阴极板9接触，减少电源导线5与靶体安装支架18、磁场组件或冷却组件的接触，方便安装，减少工作时的相互影响。

本发明中磁控溅射靶为全金属密封组件，对大气侧密封全部为金属密封，便于在线捡漏和紧固，可承受450℃烘烤4小时后冷却无泄漏。整体组装在一个超高真空金属密封法兰3(具体为CF100金属密封法兰)上；溅射电源引出为电源引入法兰1(具体为CF25金属密封陶封电极法兰)，以6个M6螺栓将电极法兰连接在与CF100金属密封法兰焊接一体的CF25法兰座上，CF25法兰座与CF100金属密封法兰通过圆筒连接，且CF25法兰座位于CF100金属密封法兰背离靶体安装支架18的一侧；冷却水进出口为银丝圈密封，在大气一侧以螺母拉力压紧银圈；固定在CF100金属密封法兰中心的靶体安装支架18用于调整或安装固定靶头主体。整体组装调试完成后，安装到镀膜设备上。

进一步的，所述电源导线组件还包括双层陶瓷管8，所述双层陶瓷管8包裹在所述电源导线5和陶封电极杆的外表面。用绝缘的双层陶瓷管包8裹电源导线5和陶封电极杆，增强电源导线组件表面的绝缘效果，进一步减少产生辉光，保证用于超高真空环境的磁控溅射靶使用时可以维持正常。

电源导线组件中的电源导线5直接引到阴极板9表面，对冷却组件及其余构件无影响，因此简化了电绝缘结构。真空室内部的电源导线5采用双层陶瓷管保护，耐高温、低放气，保护电源导线5无辉光点，避免镀膜无意外掺杂。

进一步的，所述绝缘陶瓷环11为Al₂O₃绝缘陶瓷环。氧化铝陶瓷有较好的机械强度和耐高温性，当真空室内进行真空条件下高于200℃，不少于2小时的除气烘烤时，绝缘陶瓷环11不会发生化学变化，可以维持良好物理形态，等到冷却后可以进行下一次溅射镀膜，反复使用，节省材料。

参阅图5，在一种优选的实施方式中，所述冷却组件包括水冷出入口密封接头、密闭水冷盘13和输水管17，所述密闭水冷盘13设置在所述磁场组件上方，给所述磁场组件降温，所述输水管17一端连接所述密闭水冷盘13，另一端通过所述水冷出入口密封接头固定于所述超高真空金属密封法兰3上；其中，所述密闭水冷盘13和输水管17为全封闭一体式结构。因为超高真空条件下只要冷却组件上有缝隙，就很容易导致冷却水进入真空腔室，影响用于超高真空环境的磁控溅射靶正常工作，使用一体化结构，没有焊接或拼接处，冷却水就不易渗透进真空腔室，保存真空腔室内环境正常，用于超高真空环境的磁控溅射靶可以正常工作。

进一步的，所述密闭水冷盘13的内部设有回型水冷槽。使冷却水的运动轨迹均匀分布在阴极组件的各处，水冷回路可以起到良好的、均匀的冷却作用；并且，回型水冷槽通道无死角，便于冲洗清洁。

需要说明的是，本发明中所述绝缘件10为Al₂O₃陶瓷绝缘件。用Al₂O₃陶瓷绝缘件和Al₂O₃绝缘陶瓷环包裹在靶材、阴极板9以及靶材压环7周围，可以起到良好的绝缘效果，而且在超高真空条件下也可以正常存在，不会对溅射过程产生影响。Al₂O₃陶瓷绝缘件为特制加工件，具有绝缘、导热双重功能，同时还具有作为绝缘材料靶材背电极的功能，因此设计应用中要尤其注重。

本发明磁控溅射靶中内部零部件连接均为一般连接方式，力矩规范值低，对构件避免了因力矩要求而造成的损坏，除Al₂O₃陶瓷绝缘件、绝缘陶瓷环外无易损零部件。

本发明具有如下效果：

1、依照超高真空规范设计，加工，制造，靶体总放气量小于6.6×10^-10Pa.L.s^-1。可应用于本底真空为1×10^-8Pa的超高真空环境，以磁控溅射方式实现薄膜的外延生长。

2、结构设计独特，摈弃了磁控溅射靶传统的结构模式。

3、水冷组件为一体化结构，阴极面冷却均匀，温度可在一定范围内调整。

4、溅射电源直接引到阴极板，规避了绝缘问题对设计的限制。

5、离化磁场可以离线调整，可根据外延生长工艺的需要进行调整，以满足膜层对分子颗粒的需求。

6、无冗余辉光，杜绝靶体材料的微量掺杂。

7、靶电容量合理，在等功率条件下直流电源，中频脉冲电源，射频电源均能良好匹配。

本申请还公开了一种磁控溅射装置，其中，所述磁控溅射装置用于如上任一所述的用于超高真空环境的磁控溅射靶。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，其特征在于，包括：

超高真空金属密封法兰；

磁场组件，用于提供磁场；

绝缘件，固定于所述冷却组件的上表面；

阴极组件，固定在所述绝缘件上；以及

电源导线组件，穿过所述超高真空金属密封法兰与所述阴极组件电连接，用于给所述阴极组件供电；

所述磁场组件的磁场强度和磁力线形态可调；所述磁场组件包括磁控靶主体、靶体固定座和调整螺杆，所述靶体固定座环绕所述磁控靶主体设置，一端安装在所述靶体安装支架上，另一端支撑所述冷却组件；所述调整螺杆一端滑动连接在所述靶体固定座上，另一端固定所述磁控靶主体，调整所述磁控靶主体到所述阴极组件的距离；

所述阴极组件包括用于固定靶材的阴极板，以及由内向外设置于所述阴极板周围的靶材压环、绝缘陶瓷环和屏蔽罩；所述靶材压环将所述靶材压在所述绝缘件上，所述电源导线组件穿过所述屏蔽罩、绝缘陶瓷环和靶材压环与所述靶材连接；

所述冷却组件包括水冷出入口密封接头、密闭水冷盘和输水管，所述密闭水冷盘设置在所述磁场组件上方，给所述磁场组件降温，所述输水管一端连接所述密闭水冷盘，另一端通过所述水冷出入口密封接头固定于所述超高真空金属密封法兰上；其中，所述密闭水冷盘和输水管为全封闭一体式结构。

2.根据权利要求1所述的一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，其特征在于，所述电源导线组件包括电源引入法兰、陶封电极杆、电源导线，所述电源引入法兰固定在所述超高真空金属密封法兰背离所述磁场组件的一侧，所述陶封电极杆贯穿所述超高真空金属密封法兰，固定在所述电源引入法兰上，所述电源导线一端穿过所述靶材压环与所述阴极板连接，另一端固定在所述陶封电极杆上。

3.根据权利要求2所述的一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，其特征在于，所述电源导线组件还包括双层陶瓷管，所述双层陶瓷管包裹在所述电源导线和陶封电极杆的外表面。

4.根据权利要求1所述的一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，其特征在于，所述绝缘陶瓷环为Al₂O₃绝缘陶瓷环。

5.根据权利要求1所述的一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，其特征在于，所述密闭水冷盘的内部设有回型水冷槽。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种用于超高真空环境的磁控溅射靶，其特征在于，所述绝缘件为Al₂O₃陶瓷绝缘件。

7.一种磁控溅射装置，其特征在于，包括：如权利要求1-6任意一项所述的用于超高真空环境的磁控溅射靶。