CN112048705A - 具有自调节磁场结构的磁控溅射靶、镀制薄膜装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，包括：靶体、磁场结构、靶材和水冷结构，靶体与靶材紧固连接，靶材与水冷结构紧固连接；磁场结构以磁控溅射靶轴心线作轴对称设置于靶材的下方；磁场结构包括电磁线圈，通过改变电磁线圈的电流值，能够改变磁控溅射靶的磁场分布和磁场强度；水冷结构包括水冷背板，水冷背板上设置的进水通道和出水通道呈间隔分布。本发明通过改变电磁圈的电流值，能够改变磁控溅射靶的磁场分布和磁场强度，形成有效的靶面水平磁场，满足不同靶材高度、不同靶材材料、不同靶面溅射区域等情况的使用。

Description

具有自调节磁场结构的磁控溅射靶、镀制薄膜装置及方法

技术领域

本发明涉及磁控溅射技术领域，具体地，涉及一种具有自调节磁场结构的磁控溅射靶、镀制薄膜装置及方法。

背景技术

磁控溅射镀膜技术作为一种十分有效的薄膜沉积方法，被广泛地应用于许多方面，特别是在微电子、光学薄膜、航天用热控薄膜、材料表面处理领域中，用于薄膜沉积和表面功能层制备。磁控溅射技术得以广泛的应用，是由该技术有别于其它镀膜方法的特点所决定的，其特点可归纳为：沉积速率高、功率效率高、对基体损伤小、基体温度低、结合强度较高、可重复性好。

磁控溅射靶是磁控溅射镀膜技术中的核心部件，磁控溅射靶的优劣影响着制备膜层的质量。磁控溅射靶主要由靶体、靶材、水冷结构和磁场结构组成。其中，磁控溅射靶中的磁场结构是整个部件的关键所在，磁场结构的作用是在靶材表面上方形成平行于靶面、且强度高于200Gs的水平磁场，从而为磁控溅射靶的正常辉光放电提供必要条件。

由于大多数磁控溅射靶的磁力线并不平行于靶材表面，而是在靶材表面呈拱形分布，这种磁场分布会在靶材表面形成等离子体磁聚现象。在实际应用中具体表现为，在靶材表面的一个环形区域内，靶材被消蚀成一个深沟。这种靶材的非均匀消耗，造成靶材的利用率较低。并且，随着靶材的刻蚀，靶面刻蚀区域的水平磁场强度也会改变，偏离预设的设定值，使镀膜工艺过程中的工艺参数发生变化，膜层的一致性变差。相对应的，磁控溅射靶的屏蔽罩起辅助阳极的作用，屏蔽罩处于固定位置，在靶材厚度的发生变化后，会改变与屏蔽罩之间的间隙，进而形成辉光放电差异性。

此外，磁控溅射靶的水冷结构也对靶材的工作状态有重要的影响，主要用以保证溅射靶的正常工作温度。当靶材冷却不均匀时，会在靶面形成局部高温，使靶材熔融。更甚的情况，冷却不均匀会使靶材形成裂纹。

经过检索，专利文献CN205934012U公开了一种磁控溅射靶材、磁控溅射靶及磁控溅射设备，包括溅射面，溅射面为中部区域凹陷的弧面。当将磁控溅射靶材安装在磁控溅射靶上，在基板上形成膜层时，相比于溅射面的中部区域与基板之间的距离，溅射面的边缘区域与基板之间的距离较小，从而减小因磁场不均匀而导致对应于溅射面的中部区域的成膜速度与对应于溅射面的边缘区域的成膜速度之差，改善磁控溅射靶材的各个区域对应的成膜速度的均匀性。该现有技术的不足之处在于，磁控溅射靶的磁场大小不好控制，从而对于成膜速度均匀性的控制难以把握。

专利文献CN201162043Y公开了一种磁控溅射靶结构及设备，包括:传动装置,至少两个转动轴和多个磁靶条；所述传动装置缠绕于所述转动轴上,形成传动装置式传动结构；所述磁靶条并排布设于所述传动装置上。还包括:靶材,位于所述传动装置式传动结构的外侧。虽然该现有技术采用传动装置带动磁体规律性运动，形成平行均匀磁场，避免了局部损耗过大的问题，但是由于受到空间设计限制，磁场分布的均匀性仍然无法得到根本性改善，因此也无法实现靶材的均匀损耗及提高靶材寿命的目的。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有自调节磁场结构的磁控溅射靶、制模装置及方法，能够显著提高膜层表面质量，提高靶材的利用率，从而有效提高膜层制备的经济效益。

根据本发明提供的一种具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，包括：靶体、磁场结构、靶材和水冷结构，

其中，靶体与所述靶材紧固连接，靶材与水冷结构紧固连接；磁场结构以磁控溅射靶轴心线作轴对称设置于靶材的下方；磁场结构包括电磁线圈，通过改变电磁线圈的电流值，能够改变磁控溅射靶的磁场分布和磁场强度；水冷结构包括水冷背板，水冷背板上设置的进水通道和出水通道呈间隔分布。

优选地，靶体包括屏蔽罩、第一靶壳、第二靶壳、靶材压环和靶座，靶材通过靶材压环固定在水冷背板上，第一靶壳和第二靶壳通过紧固件固定在靶座上，屏蔽罩采用螺纹连接方式固定在第一靶壳上，通过旋进和璇出，能够调整屏蔽罩的高度，用以适应不同高度的靶材。

优选地，磁场结构还包括中心磁环、电磁线圈绝缘套和中心磁环绝缘套，电磁线圈和中心磁环设置在靶座的下方，分别通过电磁线圈绝缘套和中心磁环绝缘套与靶座隔开。

优选地，磁场结构还包括侧磁环和侧磁环绝缘套，侧磁环设置在水冷背板和靶座的外侧，通过侧磁环绝缘套与水冷背板和靶座隔开。

优选地，磁场结构还包括磁极靴，磁极靴设置在电磁线圈的下方。

优选地，水冷背板固定在靶座上方，靶座和水冷背板之间设有密封圈，用于冷却水的密封。

优选地，靶体中的靶座中心设置有冷却水进口和冷却水出口，与水冷背板的进水通道和出水通道相连通，冷却水从冷却水进口流入，依次经过进水通道和出水通道，再从冷却水出口流出。

优选地，当磁场结构中的中心磁环和侧磁环的充磁量确定之后，通过调整电磁线圈的电流值，能够调整磁控溅射靶的耦合磁场。

优选地，通过保护管将磁控溅射靶固定在镀膜腔体上，并保护水冷结构的水管和阴极电源线，采用保护管绝缘套将靶座和保护管隔开。

根据本发明提供的一种镀制薄膜装置，包括上述的具有自调节磁场结构的磁控溅射靶。

根据本发明提供的一种镀制薄膜的方法，运用上述的具有自调节磁场结构的磁控溅射靶进行镀膜，包括以下步骤：

SO样品制备：对样品进行镀前处理，通过除油去污、打磨抛光，经清洗后吹干后，装入镀膜设备腔室内部；

S1样品预处理：在腔室内利用弧光放电、或辉光放电、或离子源，对样品进行离子轰击的预处理，进一步使样品清洗活化；

S2过渡层制备：利用具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，根据不同镀制的膜层材料以及需要，在样品表面制备一层过渡膜层，用以增加膜基结合力。

S3功能层预溅射：打开磁控溅射靶电源，形成辉光放电，在预溅射不小于10min后，打开磁控溅射靶挡板，开始制备功能层。

S4功能层制备：利用具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，在样品表面制备功能膜层，制备过程中根据靶材使用时间、耗损程度，自动调节线圈电流，调整磁场强度，保证靶面磁场的稳定性。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过改变电磁圈的电流值，能够改变磁控溅射靶的磁场分布和磁场强度，形成有效的靶面水平磁场，满足不同靶材高度、不同靶材材料、不同靶面溅射区域等情况的使用。

2、本发明通过在水冷背板上设置螺旋状的冷却水通道，进水通道和出水通道相间隔分布，能够保证各个局部区域冷却均匀。

3、本发明通过将屏蔽障的连接件设置为能够旋进或旋出的结构，能够满足不同高度的靶材的使用。

4、本发明通过设置有灵活调节的磁场分布和永久磁铁结构，能够适用于各种尺寸的靶面，并且该磁面溅射靶的结构简单、装卸方便、造价低廉。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为磁控溅射靶的主视图；

图2为磁控溅射靶的侧视图；

图3为磁控溅射靶的磁场分布示意图；

图4为磁控溅射靶在常态下水平磁场强度分布图；

图5为磁控溅射靶在常态下不同强度的水平磁场强度分布图；

图6为磁控溅射靶的不同等离子体磁聚位置的水平磁场强度分布图；

图7为磁控溅射靶的水冷背板冷却水进出通道示意图；

图8为磁控溅射靶的屏蔽罩高度调整放大示意图。

图中：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的一种具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，包括屏蔽罩1、第一靶壳2、侧磁环绝缘套3、靶材压环4、靶材5、水冷背板6、电磁线圈绝缘套7、电磁线圈8、中心磁环绝缘套9、中心磁环10、靶座11、第一螺钉12、第二螺钉13、侧磁环14、第二靶壳15、第三螺钉16、密封圈17、磁极靴18、第四螺钉19、保护管绝缘环20和保护管21。

如图1、图2所示，靶材5通过靶材压环4固定在水冷背板6上，第一靶壳2和第二靶壳15分别通过第一螺钉16和带绝缘套的第四螺钉19固定在靶座11上，进而使屏蔽罩1采用螺纹连接方式固定在第一靶壳2上，用以达到调整屏蔽罩1的高度，从而适应不同高度的靶材5。水冷背板6固定在靶座11的上方，靶座11和水冷背板6之间有密封圈17，用于冷却水的密封。电磁线圈8和中心磁环10固定在靶座11的下方，分别通过电磁线圈绝缘套7和中心磁环绝缘套9与靶座11隔开，磁极靴18设置在电磁线圈8的下方。侧磁环14固定在水冷背板6和靶座11的外侧，通过侧磁环绝缘套3与水冷背板6和靶座11隔开。

进一步来说，磁场结构包括电磁线圈8和永磁体，永磁体为中心磁环10和侧磁环14，磁场结构以平面圆形靶轴心线，作轴对称置于靶材5下侧，用于形成轴对称的耦合磁场。通过给所述的电磁线圈8施加激励电流，改变电信号输出装置控制电流参数，可改变电磁线圈8和永磁体产生的耦合磁场的强度、方向，可以产生静态磁场或动态磁场。

再进一步来说，通过保护管21将磁控溅射靶固定在镀膜腔体上，并保护水冷结构的水管和阴极电源线，采用保护管绝缘套20将靶座11和保护管21隔开。

如图3所示，磁场结构的磁场方向与装配关系有固定要求，磁极方向必须与要求一致，中心磁环10的上表面为S极、下表面为N极，侧磁环14的内表面为N极、外表面为S极，电磁线圈8的上侧磁极为S极、下侧为N极。两个磁环的充磁量确定之后，通过调整电磁线圈8的电流值，以调整磁控溅射靶的耦合磁场，具体表现为靶材5表面的磁场变化状态。

如图4所示，在常态下靶材5表面的水平磁场分布，电磁线圈8、中心磁环10和侧磁环14形成了耦合磁场，在靶材5表面半径48mm-122mm之间，水平磁场强度保持在315Gs-325Gs。表明在该状态下，扩大了磁控溅射的区间，从细窄的的沟状溅射区域变成了宽带装的环形区域，提高了靶材利用率。

如图7所示，本发明在原有磁控溅射靶冷却结构的基础上进行了创新性的改进，通过在水冷背板6内部设置冷却水通道，使冷却水按照一定的行程进行流动，避免在水冷背板6内部形成涡旋，防止局部区域之间冷却不均匀。冷却水的进水通道与出水通道呈间隔分布，即在通道之间以“出-进-出……”进行排布，进一步地改善了整个靶面的冷却效果和均匀性，从冷却的方面避免了靶面形成局部高温，致使靶材熔融，以及形成靶材裂纹。

如图8所示，螺纹旋进和旋出的行程为0-6mm，相对应的靶材5高度为12-18mm。本实施例为示例性质，其屏蔽罩1行程和靶材5高度包括但不限于上述内容，可针对不同的靶材5高度要求，形成不同移动行程的屏蔽罩1。

本发明的优选例，作进一步说明。

基于上述基础实施例，电磁线圈8采用匝数不定的漆包铜线缠绕制成，为了降低线圈在工作过程中的发热量及减小电磁线圈8的重量，同时降低用以产生足够磁场所用的电流值，漆包铜线的线径至少大于1mm。

本发明的变化例，作进一步说明。

本发明的一个变化例，如图5所示，通过调节电磁线圈8的电流值，使靶材5表面的水平磁场强度发生变化，同样地在靶材5表面半径48mm-122mm之间形成了相对接近的水平磁场强度，形成了范围较大的溅射区域，水平磁场强度的改变可以满足不同靶材、不同溅射速率和不同靶材厚度的需要。在电磁线圈8的电信号输出装置中，能够通过记录靶材5溅射时长，确定靶材5溅射区域的深度，建立时间-深度的关系，自调节电信号输出装置的电磁线圈8电流，保持不同刻蚀情况下的靶面水平磁场一致性。

本发明的又一个实施例，如图6所示，通过调节电磁线圈8的电流值，可改变常态下的水平磁场分布形式，在靶材5表面的某一区域形成较高的水平磁场强度和等离子体磁聚现象，进行某一区域的细窄区域溅射，适用于不同工况条件的特殊溅射应用。当对电磁线圈的施加周期性的电流信号，可形成周期性的变化磁场，使相应的溅射区域进行周期性的往复变化，同样可增大靶材5的溅射区域，提高靶材利用率。

由于磁控溅射靶的靶座11、水冷背板6和靶材5在工作状态下需要接电源阴极，屏蔽罩1、第一靶壳2和第二靶壳15需要接地，因此与之相连部分需要有绝缘措施。在电磁线圈8与靶座11之间使用了电磁线圈绝缘套7作为绝缘件；中心磁环10与靶座11之间使用了中心磁环绝缘套9作为绝缘件；侧磁环14与水冷背板6、靶座11之间使用了侧磁环绝缘套3作为绝缘件；保护管21与靶座11之间使用了保护管绝缘环20作为绝缘件，并使用第一螺钉12进行紧固；第二靶壳15与靶座11同样使用第四螺钉19进行紧固。

根据本发明提供的一种镀制薄膜装置，采用上述的具有自调节磁场结构的磁控溅射靶进行镀膜。

根据本发明提供的一种镀制薄膜的方法，运用上述的具有自调节磁场结构的磁控溅射靶进行镀膜，包括以下步骤：

SO样品制备：对样品进行镀前处理，通过除油去污、打磨抛光，经清洗后吹干后，装入镀膜设备腔室内部；

S1样品预处理：在腔室内利用弧光放电、或辉光放电、或离子源，对样品进行离子轰击的预处理，进一步使样品清洗活化；

S2过渡层制备：利用具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，根据不同镀制的膜层材料以及需要，在样品表面制备一层过渡膜层，用以增加膜基结合力。

S3功能层预溅射：打开磁控溅射靶电源，形成辉光放电，在预溅射不小于10min后，打开磁控溅射靶挡板，开始制备功能层。

S4功能层制备：利用具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，在样品表面制备功能膜层，制备过程中根据靶材使用时间、耗损程度，自动调节电磁线圈8电流，调整磁场强度，保证靶面磁场的稳定性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，其特征在于，包括：靶体、磁场结构、靶材(5)和水冷结构，

所述靶体与所述靶材(5)紧固连接，所述靶材(5)与水冷结构紧固连接；

所述磁场结构以磁控溅射靶轴心线作轴对称设置于靶材(5)的下方；

所述磁场结构包括电磁线圈(8)，通过改变电磁线圈(8)的电流值，能够改变磁控溅射靶的磁场分布和磁场强度；

所述水冷结构包括水冷背板(6)，水冷背板(6)上设置的进水通道和出水通道呈间隔分布。

2.根据权利要求1所述的具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，其特征在于，所述靶体包括屏蔽罩(1)、第一靶壳(2)、第二靶壳(15)、靶材压环(4)和靶座(11)，所述靶材(5)通过靶材压环(4)固定在水冷背板(6)上，所述第一靶壳(2)和第二靶壳(15)通过紧固件固定在靶座(11)上，所述屏蔽罩(1)通过连接件固定在第一靶壳(2)上。

3.根据权利要求2所述的具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，其特征在于，所述磁场结构还包括中心磁环(10)、电磁线圈绝缘套(7)和中心磁环绝缘套(9)，所述电磁线圈(8)和中心磁环(10)设置在靶座(11)的下方，分别通过电磁线圈绝缘套(7)和中心磁环绝缘套(9)与靶座(11)隔开。

4.根据权利要求2所述的具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，其特征在于，所述磁场结构还包括侧磁环(14)和侧磁环绝缘套(3)，所述侧磁环(14)设置在水冷背板(6)和靶座(11)的外侧，通过侧磁环绝缘套(3)与水冷背板(6)和靶座(11)隔开。

5.根据权利要求1所述的具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，其特征在于，所述磁场结构还包括磁极靴(18)，所述磁极靴(18)设置在电磁线圈(8)的下方。

6.根据权利要求1所述的具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，其特征在于，所述水冷背板(6)固定在靶座(11)上方，所述靶座(11)和水冷背板(6)之间设有密封圈(17)。

7.根据权利要求1所述的具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，其特征在于，所述靶体中的靶座(11)中心设置有冷却水进口和冷却水出口，与水冷背板(6)的进水通道和出水通道相连通，冷却水从冷却水进口流入，依次经过进水通道和出水通道，再从冷却水出口流出。

8.根据权利要求1所述的具有自调节磁场结构的磁控溅射靶，其特征在于，当磁场结构中的中心磁环(10)和侧磁环(14)的充磁量确定之后，通过调整电磁线圈(8)的电流值，能够调整磁控溅射靶的耦合磁场。

9.一种镀制薄膜装置，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的具有自调节磁场结构的磁控溅射靶。

10.一种镀制薄膜的方法，其特征在于，运用权利要求1-8中任一项所述的具有自调节磁场结构的磁控溅射靶进行镀膜。

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