CN111996505A - 磁控溅射铁磁性靶材的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控溅射铁磁性靶材的装置，包括：阴极基座、周边永磁体、中心永磁体，周边永磁体、中心永磁体位于阴极基座的下部，周边永磁体位于中心永磁体外侧，还包括：耐高温绝缘保护罩、中心永磁柱、环状磁性靶材，耐高温绝缘保护罩、中心永磁柱、环状磁性靶材位于阴极基座上部，中心永磁柱位于耐高温绝缘保护罩内部，耐高温绝缘保护罩位于环状磁性靶材内侧。本发明改变了现有技术的磁路，使得磁场分布均匀合理，解决了由于铁磁性靶材高磁导率引起的表面磁场强度较小而无法正常磁控溅射的问题。

Description

磁控溅射铁磁性靶材的装置

技术领域

本发明属于真空镀膜技术领域，具体涉及一种磁控溅射铁磁性靶材的装置。

背景技术

磁控溅射真空镀膜技术由于其沉积速率高、功率效率高、膜基结合力高且成膜致密、基片升温小等优点，成为当下镀膜的主流技术之一。然而在磁控溅射镀膜技术中，由于铁磁性材料的高磁导率，使大部分的磁力线直接通过铁磁性材料靶材内部穿过，使靶材上方空间的磁场严重减小，导致无法正常进行磁控溅射。

目前针对这一问题提出了很多解决方法，包括：改变靶材本身磁导率、改变靶材结构、增强磁控溅射的阴极磁场源、设计新的磁控溅射系统或新的溅射阴极装置等；然而绝大部分方法实用性较低，通用性差，且较为复杂。

中国专利02116687.0公开了一种无磁屏蔽型铁磁性靶材溅射阴极及其溅射方法，整体设计了一种新的铁磁性靶材溅射阴极。虽然能够实现铁磁性靶材的溅射，但存在阴极结构复杂，通用性差等缺点。

中国专利200520051398.8公开了一种磁控溅射铁磁材料的靶材结构，通过改变靶材形状，将靶材分为内靶块、外靶块、下垫靶条的方法，使下垫靶条上方有足够的水平磁场分量。在基座上方放入高导热背板、内靶块，外靶块，下垫靶条，相对靶材加工较为复杂，同时高磁导率铁磁性靶材仍能形成一定的磁屏蔽，需要基座下端高性能磁体体积较大才能保证靶材表面磁感应强度足够，因此该方法相对较为复杂。

中国专利200510114068.3公开了一种增强的磁控溅射靶，将一个或多个磁体嵌入溅射靶背面增加靶材表面磁场，因其仅改变基座内部磁体分布，未改变上端铁磁性靶材的磁屏蔽效应，所需内部高性能磁体体积较大或铁磁性靶材非常薄，才能保证靶材表面磁感应强度足够,此种方法实用性与通用性不强，并不理想。

其他方法如降低靶材厚度及刻槽，对高磁导率材料效果不佳，且影响效率及成本；增强磁控溅射的阴极磁场源这一方法与溅射非铁磁性靶材的阴极磁场源并不通用；通过热处理的方法使靶材材料本身磁导率降低，改善程度有限，效果并不明显。

如图1所示，是现有技术中平面磁控溅射装置中磁体及靶材的结构示意图。

平面磁控溅射装置包括：靶材1、阴极基座2、周边永磁体3、中心永磁体4。靶材1位于阴极基座2上部，周边永磁体3、中心永磁体4位于阴极基座2的下部，周边永磁体3位于中心永磁体4外侧。

如图2所示，是现有技术中平面磁控溅射设备溅射非铁磁性靶材时靶材表面的磁力线分布图。

周边永磁体3及中心永磁体4在普通非铁磁性靶材上端所形成的磁力线分布情况，即磁控溅射系统正常工作时的状态。当靶材表面磁感应强度水平分量B∥为0.02～0.10T时，可有效地约束电子的运动轨迹，增加等离子体密度，进而提高溅射效率。同时因为磁场分布特点，会影响等离子体特性以及离子对靶的刻蚀轨迹。在靶材1的被刻蚀区11，在水平磁感应强度分量较大的中部区域下方，靶材1被刻蚀的痕迹最明显。

当磁控溅射系统工作时，靶材1和阴极基座2贴合在一起，同时作为阴极，阴极基座2内部有冷却装置。在靶材所在的溅射室内充满氩气，并在阳极(一般位于靶材上端，同时放置被镀工件)与阴极之间施加较高的电压，阴阳极之间的气体因为高电压而电离，其中正离子在电场中加速轰击阴极靶，靶材溅射出的靶材原子飞向被镀工件，沉积成薄膜；其中的电子继续与氩气原子发生电离碰撞，产生新的正离子和二次电子，最终电子在电场作用下以较高的能量碰撞阳极。靶材下方的周边永磁体3及中心永磁体4共同在靶材表面形成磁场，利用磁场对运动电子产生的洛伦兹力可束缚和延长电子在电场中的运动轨迹，增加了电子与气体原子的碰撞机会，提高了气体的电离率，实现了磁控溅射高速沉积的特点。

如图3所示，现有技术中平面磁控溅射装置溅射铁磁性靶材时靶材表面的磁力线分布图。

可以看到，由于铁磁性靶材的高磁导率，使得很大一部分磁力线从靶材内部通过，且原非铁磁性靶材表面水平分量较大的磁感应强度由于铁磁性靶材的影响，强度降低，方向改变，水平分量变小很多，无法起到束缚和延长电子在电场中的运动轨迹的作用，导致磁控溅射系统无法正常工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁控溅射铁磁性靶材的装置，改变了现有技术的磁路，使得磁场分布均匀合理，解决了由于铁磁性靶材高磁导率引起的无法正常磁控溅射问题。

技术方案如下：

磁控溅射铁磁性靶材的装置，包括：阴极基座、周边永磁体、中心永磁体，周边永磁体、中心永磁体位于阴极基座的下部，周边永磁体位于中心永磁体外侧，还包括：耐高温绝缘保护罩、中心永磁柱、环状磁性靶材，耐高温绝缘保护罩、中心永磁柱、环状磁性靶材位于阴极基座上部，中心永磁柱位于耐高温绝缘保护罩内部，耐高温绝缘保护罩位于环状磁性靶材内侧。

进一步，中心永磁柱与耐高温绝缘保护罩留有间隙，耐高温绝缘保护罩的外侧面与环状磁性靶材的內侧面相贴合。

进一步，中心永磁柱与中心永磁体的磁极方向相同，中心永磁柱的下表面与阴极基座的上表面依靠磁体产生的引力贴合在一起；中心永磁柱位于阴极基座的几何中心。

进一步，耐高温绝缘保护罩位于阴极基座的的几何中心处，下表面与阴极基座上表面贴合在一起。

进一步，环状磁性靶材的下表面与阴极基座的上表面依靠磁体产生的引力贴合在一起，环状磁性靶材位于阴极基座的几何中心处。

进一步，阴极基座、周边永磁体、中心永磁体，周边永磁体、中心永磁体、耐高温绝缘保护罩、中心永磁柱、环状磁性靶材位于屏蔽罩8中，环状磁性靶材利用固定圈固定在阴极基座上。

进一步，环状磁性靶材表面磁感应强度水平分量为0.02-0.10T之间。

进一步，环状磁性靶材为铁磁性或亚铁磁性的靶材。

进一步，耐高温绝缘保护罩采用不导磁、绝缘、耐高温材料。

本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明通过配合阴极基座内部排布的磁体，利用环状磁性靶材、中心永磁柱、耐高温绝缘保护罩，改变了现有技术的磁路，使得磁场分布均匀合理，解决了由于铁磁性靶材高磁导率引起的无法正常磁控溅射问题，解决了铁磁性靶材由于磁场分布不均匀产生的靶材刻蚀现象。且具有简单易行、通用性好、溅射效率高等技术优点，能够在现有溅射非铁磁性靶材的磁控溅射设备上进行改进，也可直接作为磁控溅射设备结构用来溅射铁磁性及非铁磁性靶材。

1、可在普通平面磁控溅射设备(圆形及矩形)的阴极装置上改造使用，仅添加可拆卸的中心永磁柱，耐高温绝缘保护罩，并改变铁磁性靶材的形状，即可解决铁磁性靶材溅射困难的问题，达到溅射铁磁性靶材的目的；不破坏、不改变阴极靶材装置，可实现铁磁性、非铁磁性靶材共用一个阴极装置。本方法具有简单、拆装方便、通用性强的优点。

2、由于采用环状磁性靶材，靶材上方空间内水平分量磁场满足磁控溅射要求，环状磁性靶材与被刻蚀区高度吻合，提高了靶材利用率。

3、各零件直接或间接由磁引力吸附并固定于阴极靶材装置表面，利用耐高温绝缘保护罩将中心永磁柱保护起来，不引入可被溅射的其他杂质，保证溅射效果与腔体的洁净。

附图说明

图1是现有技术中平面磁控溅射装置中磁体及靶材的结构示意图；

图2是现有技术中平面磁控溅射设备溅射非铁磁性靶材时靶材表面的磁力线分布图；

图3现有技术中平面磁控溅射装置溅射铁磁性靶材时靶材表面的磁力线分布图；

图4是本发明中磁控溅射铁磁性靶材的装置的结构示意图；

图5是本发明实施例中直流圆形平面磁控溅射系统阴极部分结构简图。

具体实施方式

以下描述充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践和再现。

如图4所示，是本发明中磁控溅射铁磁性靶材的装置的结构示意图。

磁控溅射铁磁性靶材的装置，其结构包括：阴极基座2、周边永磁体3、中心永磁体4、耐高温绝缘保护罩5、中心永磁柱6、环状磁性靶材7。

耐高温绝缘保护罩5、中心永磁柱6、环状磁性靶材7位于阴极基座2上部，中心永磁柱6位于耐高温绝缘保护罩5内部，耐高温绝缘保护罩5位于环状磁性靶材7内侧；周边永磁体3、中心永磁体4位于阴极基座2的下部，周边永磁体3位于中心永磁体4外侧。

中心永磁柱6的磁极方向与阴极基座2下部的中心永磁体4磁极方向相同，中心永磁柱6下表面与阴极基座2的上表面依靠磁体产生的引力贴合在一起；中心永磁柱6与阴极基座2的几何中心在垂直于阴极基座2表面的方向上相互重合，其外围与阴极基座内中心永磁体的外围基本重合。中心永磁柱6的材料为钕铁硼永磁材料，具体牌号及尺寸根据磁控溅射系统实际磁场分布情况所确定。

耐高温绝缘保护罩5位于阴极基座2上方中心处，耐高温绝缘保护罩5与阴极基座2的几何中心在垂直于阴极基座表面的方向上相互重合，耐高温绝缘保护罩5下表面与阴极基座2上表面贴合在一起，中心永磁柱6与耐高温绝缘保护罩5不接触，留有间隙，耐高温绝缘保护罩5的外侧面与环状磁性靶材7的內侧面相贴合，起保护及隔热作用。

环状磁性靶材7下表面与阴极基座2上表面依靠磁体产生的引力贴合在一起，环状磁性靶材7与阴极基座2的几何中心在垂直于阴极基座表面的方向上相互重合，环状磁性靶材7的尺寸需要根据磁控溅射系统实际磁场分布情况所确定。

如图5所示，是本发明实施例中直流圆形平面磁控溅射系统阴极部分结构简图。

磁控溅射铁磁性靶材的装置使用在直流圆形平面磁控溅射系统阴极部分。磁控溅射铁磁性靶材的装置位于屏蔽罩8中，环状磁性靶材7利用固定圈9固定在阴极基座2上。

屏蔽罩8为普通钢材，可导磁，固定圈9为不导磁不锈钢，阴极基座2为铜，周边永磁体3为多块磁体组合而成，整体间隔对称排布构成圆环状，环状磁性靶材7为FeGa/FeCo/FeNi合金靶材，耐高温绝缘保护罩5为陶瓷材料。利用本发明，环状磁性靶材7表面磁感应强度水平分量在0.04-0.1T之间，可成功进行铁磁性靶材的磁控溅射。

本发明所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种磁控溅射铁磁性靶材的装置，包括：阴极基座、周边永磁体、中心永磁体，周边永磁体、中心永磁体位于阴极基座的下部，周边永磁体位于中心永磁体外侧，其特征在于，还包括：耐高温绝缘保护罩、中心永磁柱、环状磁性靶材，耐高温绝缘保护罩、中心永磁柱、环状磁性靶材位于阴极基座上部，中心永磁柱位于耐高温绝缘保护罩内部，耐高温绝缘保护罩位于环状磁性靶材内侧。

2.如权利要求1所述的磁控溅射铁磁性靶材的装置，其特征在于，中心永磁柱与耐高温绝缘保护罩留有间隙，耐高温绝缘保护罩的外侧面与环状磁性靶材的內侧面相贴合。

3.如权利要求1所述的磁控溅射铁磁性靶材的装置，其特征在于，中心永磁柱与中心永磁体的磁极方向相同，中心永磁柱的下表面与阴极基座的上表面依靠磁体产生的引力贴合在一起；中心永磁柱位于阴极基座的几何中心。

4.如权利要求1所述的磁控溅射铁磁性靶材的装置，其特征在于，耐高温绝缘保护罩位于阴极基座的的几何中心处，下表面与阴极基座上表面贴合在一起。

5.如权利要求1所述的磁控溅射铁磁性靶材的装置，其特征在于，环状磁性靶材的下表面与阴极基座的上表面依靠磁体产生的引力贴合在一起，环状磁性靶材位于阴极基座的几何中心处。

6.如权利要求1所述的磁控溅射铁磁性靶材的装置，其特征在于，阴极基座、周边永磁体、中心永磁体、周边永磁体、中心永磁体、耐高温绝缘保护罩、中心永磁柱、环状磁性靶材位于屏蔽罩8中，环状磁性靶材利用固定圈固定在阴极基座上。

7.如权利要求1所述的磁控溅射铁磁性靶材的装置，其特征在于，环状磁性靶材表面磁感应强度水平分量为0.02-0.10T之间。

8.如权利要求1所述的磁控溅射铁磁性靶材的装置，其特征在于，环状磁性靶材为铁磁性或亚铁磁性的靶材。

9.如权利要求1所述的磁控溅射铁磁性靶材的装置，其特征在于，耐高温绝缘保护罩采用不导磁、绝缘、耐高温材料。

Images