CN112575304A - 一种磁铁旋转靶枪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及真空镀膜设备技术领域，提出了一种磁铁旋转靶枪，包括设置在靶枪腔体内的由上至下依次设置的靶材、基板及磁控组件，磁控组件包括外圈磁铁、设置在外圈磁铁中心的中心磁铁及包覆外圈磁铁和中心磁铁的包覆层，增设了与磁控组件连接的驱动装置，驱动装置驱动磁控组件转动或者往复移动，基板包括上板及下板，上板与下板之间形成密封的冷却空腔，基板下方借助第一密封圈与靶枪腔体形成密封连接。通过上述技术方案，解决了现有技术中靶材刻蚀利用率低的问题。

Description

一种磁铁旋转靶枪

技术领域

本发明涉及真空镀膜设备技术领域，具体的，涉及一种磁铁旋转靶枪。

背景技术

磁控溅射技术是物理气相沉积(PVD)技术中一个重要的技术分支，它采用磁场与电场共同作用的模式，束缚等离子体中的电子在靶材表面附近成螺旋状运行，从而增大电子撞击中性原子产生离子的概率。增加的离子密度减少了Crooke暗区，增加了靶材的离子轰击率，从而提高溅射速率。等离子体中的离子在电场作用下撞向靶面，从靶材上轰击出材料原子，发射的材料原子向衬底表面扩散，并且在其表面沉积，形成薄膜，其溅射源我们称为磁控溅射阴极(以下简称溅射阴极)或磁控溅射靶枪。按照使用靶材不同，又可以分为圆筒形溅射阴极(靶材是圆筒形状)和平板型溅射阴极(靶材是平板形状)，平面型溅射阴极又可以细分为矩形溅射阴极(靶材为矩形)和圆形溅射阴极(靶材为圆形)两种。

现有技术中，平面磁控溅射阴极，其磁场是固定的，等离子体的分布受磁场影响，而靶材溅射受到等离子体分布的影响。所以在磁控溅射中，靶材表面会形成所谓的“溅射环”或者“溅射跑道”，如图1所示(圆形和矩形都是这样)，靶材位于高真空腔体内，且靶材表面通入溅射用的氩气，外圈磁铁与中心磁铁在靶材表面形成磁场，靶材上施加溅射电压。现有平面磁控溅射技术靶材的利用率非常低，一般在30～35％导致下述几个问题：第一，靶材是溅射镀膜主要耗材，这样造成了很大的浪费，尤其是对贵重靶材；第二，更换靶材需要工艺腔室破真空放气到大气压下进行，降低了生产效率，且工艺腔室内部增加了被大气污染的机会；第三，导致溅射工艺不稳定，随着溅射环逐步加深，在同样工艺条件下(即溅射功率、工艺气体流量、工艺气体压力不变的情况下)，靶材溅射的速率会逐步降低，溅射出来靶材原子运动的发散角也会逐步变小！导致溅射工艺的不稳定；第四，很少被离子溅射到的靶材区域(中心磁铁正上方)会逐步积累一些杂质，这些杂质被溅射到基片上，会造成污染；

目前国内外各方也是采取各种方式提高靶材利用率，其中有两个改进方向，其一是改变靶材的形状，将靶材改为异形结构，但是靶材利用率提高有限，而且靶材加工成本提高；另外就是采用增加外圈磁环数量的方法，形成多个溅射环，增加溅射面积，但是这种方法靶材的利用率提升有限，靶枪成本增加；基于以上问题，急需一种高效、高利用率的新型溅射靶枪。

发明内容

本发明提出一种磁铁旋转靶枪，解决了现有技术中靶材刻蚀利用率与水密封寿命兼顾的问题。

本发明的技术方案如下：

一种磁铁旋转靶枪，包括设置在靶枪腔体内的由上至下依次设置的靶材、基板及磁控组件，所述磁控组件包括外圈磁铁、设置在所述外圈磁铁内侧的中心磁铁及包覆所述外圈磁铁和所述中心磁铁的包覆层，增设了与所述磁控组件连接的驱动装置，所述驱动装置驱动所述磁控组件转动或者往复移动，所述基板包括上板及下板，所述上板与所述下板之间形成密封的冷却空腔，所述基板下方借助第一密封圈与靶枪腔体形成密封连接。

所述上板与所述下板之间增设有第二密封圈，所述冷却空腔内通冷却剂。

所述上板为无氧铜，所述下板为非导磁金属。

所述磁控组件与所述基板之间存在间距，间距为1～2mm。

所述靶材和所述基板为圆形或者矩形，所述外圈磁铁包括外轮廓部和内凹部，所述内凹部靠近所述中心磁铁。

所述驱动装置为电机或者电缸。

所述包覆层为绝缘层。

所述包覆层为聚四氟乙烯。

所述包覆层为具有绝缘薄膜的金属层。

本发明的工作原理及有益效果为：

本发明中，公开了一种磁铁旋转靶枪，其主体是由靶枪腔体内的从上到下依次设置靶材、基板及磁控组件组成，基板分为上板及下板，上板及下板密封连接，之间形成了密封的冷却空腔，磁控组件是由外圈磁铁和位于其中心的中心磁铁组成，通过包覆层包裹，增设了驱动装置，驱动装置驱动磁控组件转动或者移动；其工作原理，当进行磁控溅射时，磁铁形成的磁场会导致靶材的不同区域被离子刻蚀的速率不同，从而形成所谓溅射环本发明中驱动装置驱动磁控组件转动或者移动，能够使磁场不断变化，相应的靶材表面不同位置的离子刻蚀速率也在不断变化，通过优化磁场布局，可以使得靶材表面所有位置平均离子刻蚀速率非常接近，从而实现靶材表面均匀刻蚀。除此之外，刻蚀过程中对靶材冷却的冷却空腔与基板作为一体，而基板与靶枪腔体借助第一密封圈形成密封，将靶枪腔体分割，形成两个环境，这样靶材、基板就在真空环境下进行工作，而影响刻蚀溅射的磁控组件就能够在大气环境下旋转或者移动；

与现有技术相比，现有技术中，靶材安装在无氧铜基板上；无氧铜基板和靶枪基座用密封圈进行密封，无氧铜基板和靶枪基座包裹的空间不是真空环境，无氧铜基板和靶材处于高真空靶枪腔体之中；无氧铜基板之下安装永磁铁，形成磁控溅射需要的磁场；无氧铜基板之下有冷却水槽，在溅射过程中通冷却水，用于在靶材溅射时冷却靶材，使其维持低温状态；溅射电压通过无氧铜基板加载到靶材上。这种结构下，磁铁、无氧铜基板、靶材都是静止不动的，而目前解决圆形溅射阴极上述问题最有效的方法是在溅射过程中旋转磁场，这种方法一般设计使得溅射环呈不规则的椭圆状，在溅射过程中，将磁铁匀速旋转，从而使靶材不同区域获得比较均匀的平均刻蚀速率，但是基于以上结构进行磁场旋转靶枪的改进，水密封问题不好解决且冷却水对磁铁旋转形成阻碍，而本发明，将无氧铜基板进行改进，并且无氧铜与靶枪腔体基座之间采取密封，将旋转机构与溅射机构分别设置在大气环境下和真空环境下，规避了旋转靶枪还需要兼顾水密封带来的难题，使磁场的变化连续，溅射效果更加均匀全面，解决了现有技术中利用旋转磁场提升靶材利用率但是水密封困难的问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为现有技术结构示意图；

图2为本发明结构示意图一；

图3为本发明结构示意图二；

图4为本发明磁控组件结构示意图一；

图5为本发明圆形靶材溅射轨迹示意图一；

图6为本发明矩形靶材溅射轨迹示意图二；

图中：1、靶材，2、外圈磁铁，3、中心磁铁，4、包覆层，5、驱动装置，6、上板，7、下板，8、冷却空腔，9、第一密封圈，10、第二密封圈，11、外轮廓部，12、内凹部，13、靶枪腔体，a、无氧铜基板，b、基座，c、阳极，d、密封圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。

如图1～图6所示，本实施例提出了一种磁铁旋转靶枪，包括设置在靶枪腔体13内的由上至下依次设置的靶材1、基板及磁控组件，所述磁控组件包括外圈磁铁2、设置在所述外圈磁铁2内侧的中心磁铁3及包覆所述外圈磁铁2和所述中心磁铁3的包覆层4，增设了与所述磁控组件连接的驱动装置5，所述驱动装置5驱动所述磁控组件转动或者往复移动，所述基板包括上板6及下板7，所述上板6与所述下板7之间形成密封的冷却空腔8，所述基板下方借助第一密封圈9与靶枪腔体13形成密封连接。

本实施例中，公开了一种磁铁旋转靶枪，其主体是由靶枪腔体13内的从上到下依次设置靶材1、基板及磁控组件组成，基板分为上板6及下板7，上板6及下板7密封连接，之间形成了密封的冷却空腔8，磁控组件是由外圈磁铁2和位于其内侧的中心磁铁3组成，通过包覆层4包裹，增设了驱动装置5，驱动装置5驱动磁控组件转动或者移动；其工作原理，当进行磁控溅射时，磁场会影响靶材表面不同位置被离子刻蚀的速率，本发明中磁场是由外圈磁铁2与中心磁铁3之间形成，驱动装置5驱动磁控组件转动或者移动，靶材表面不同位置获得非常接近的平均刻蚀速率，从而实现靶材表面整体均匀被刻蚀，除此之外，刻蚀过程中对靶材1冷却的冷却空腔8与基板作为一体，而基板与靶枪腔体13借助第一密封圈9形成密封，将靶枪腔体13分割，形成两个环境，这样靶材1、基板就在真空环境下进行工作，而影响刻蚀溅射的磁控组件就能够在大气环境下旋转或者移动，；

与现有技术相比，现有技术中，靶材1安装在无氧铜基板a上；阳极c与靶材1之间形成电场，无氧铜基板a和靶枪基座用密封圈d进行密封，无氧铜基板a和靶枪基座b包裹的空间不是真空环境，无氧铜基板a和靶材处于高真空靶枪腔体13之中；无氧铜基板a之下安装永磁铁，形成磁控溅射需要的磁场；无氧铜基板a之下有冷却空腔8，在溅射过程中通冷却水，用于在靶材1溅射时冷却靶材1，使其维持低温状态；溅射电压通过无氧铜基板a加载到靶材上。这种结构下，中心磁铁3、外圈磁铁2、无氧铜基板a、靶材1都是静止不动的，相应的磁场是静止不动的，就会在靶材表面形成所述“溅射环”。而目前解决圆形溅射阴极上述问题最有效的方法是在溅射过程中旋转磁场，这种方法一般设计使得溅射环呈不规则的椭圆状，在溅射过程中，将磁铁匀速旋转，使靶材表面不同区域获得比较一致的的平均离子刻蚀速率，从而实现靶材较均匀刻蚀。但是基于以上结构进行磁场旋转靶枪的改进，因为磁铁需要运动，那么冷却水的动密封问题比较麻烦及冷却水密封对磁铁运动形成阻碍。而本发明，将无氧铜基板进行改进，内部设置有空腔，并且无氧铜基板与靶枪腔体基座之间采取密封，将旋转机构与溅射机构分别设置在大气环境下和真空环境下，解决了现有技术中利用旋转磁场提升靶材利用率但是水密封困难的问题。

所述上板6与所述下板7之间增设有第二密封圈10，所述冷却空腔8内通冷却剂。

本实施例中，基板的上板6和下板7之间利用第二密封圈10进行密封，进一步提升了冷却空腔8的密封性，从而提升靶枪的使用寿命，在冷却空腔8内通入冷却剂，冷却剂借助上板6的导热，能够带走靶材1被刻蚀所带来的热量，从而保证靶枪工作时的稳定性与寿命，避免出现故障。

所述上板6为无氧铜，所述下板7为非导磁金属。

本实施例中，上板6为无氧铜，下板7为非导磁金属，无氧铜材质的上板6与靶材1接触，能够保持高效的导热性，带走靶材1由于刻蚀所带来的高温，避免高温影响靶材1的刻蚀效率，下板7则为非导磁金属，为了磁控溅射磁场的覆盖面，基板需要做的尽量薄，同时不能够导磁，避免影响磁场的分布。

所述磁控组件与所述基板之间存在间距，间距为1～2mm。

本实施例中，磁控组件和基板之间存在间距，为了能够将外圈磁铁与中心磁铁3之间形成的磁场分布在靶材1之上，将间距设定为1～2mm。

所述靶材1和所述基板为圆形或者矩形，所述外圈磁铁2包括外轮廓部11和内凹部12，所述内凹部12靠近所述中心磁铁3。

本实施例中，基板和靶材1根据实际应用场景可以是圆形也可以是矩形，外圈磁铁2则是分为了外轮廓部11和内凹部12，其中内凹部12靠近中心磁铁3，此时形成的磁场为一个闭合的异形磁场，在驱动装置5的驱动下，无论是旋转还是往复移动，能够使磁场覆盖到整个靶材1的刻蚀面，从而大幅提升刻蚀的靶材1面积，相应的刻蚀效率也得到提升，外圈磁铁2的内凹部12可以是圆周分布的多个内凹部12分，圆周等间距分布。

所述驱动装置5为电机或者电缸。

本实施例中，驱动装置5可以为电机或者电缸中的一种，由于是真空设备，避免污染，优选电驱动，电机能够带动磁控组件转动，电缸则能够带动磁控组件发生往复移动，在矩形靶材1和基板时，同样能够提升靶材1的溅射刻蚀面积，从而提升靶材1利用率。

所述包覆层4为绝缘层。

本实施例中，包覆层4为绝缘层，包覆层4对磁铁起到保护作用，延长磁铁的使用寿命。

所述包覆层4为聚四氟乙烯。

本实施例中，包覆层4为聚四氟乙烯，既能够起到绝缘作用，又起到保护作用，并且成本低，磁场分散效果好。

所述包覆层4为具有绝缘薄膜的金属层。

本实施例中，包覆层4为金属层，金属层表面再包覆氧化硅或氮化硅的绝缘薄膜，起到绝缘作用，金属保护效果更加持久，寿命长。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，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 (9)

1.一种磁铁旋转靶枪，包括设置在靶枪腔体内的由上至下依次设置的靶材(1)、基板及磁控组件，所述磁控组件包括外圈磁铁(2)、设置在所述外圈磁铁(2)内侧的中心磁铁(3)及包覆所述外圈磁铁(2)和所述中心磁铁(3)的包覆层(4)，其特征在于，增设了与所述磁控组件连接的驱动装置(5)，所述驱动装置(5)驱动所述磁控组件转动或者往复移动，所述基板包括上板(6)及下板(7)，所述上板(6)与所述下板(7)之间形成密封的冷却空腔(8)，所述基板下方借助第一密封圈(9)与靶枪腔体形成密封连接。

2.根据权利要求1所述的磁铁旋转靶枪，其特征在于，所述上板(6)与所述下板(7)之间增设有第二密封圈(10)，所述冷却空腔(8)内通冷却剂。

3.根据权利要求2所述的磁铁旋转靶枪，其特征在于，所述上板(6)为无氧铜，所述下板(7)为非导磁金属。

4.根据权利要求1或3所述的磁铁旋转靶枪，其特征在于，所述磁控组件与所述基板之间存在间距，间距为1～2mm。

5.根据权利要求1所述的磁铁旋转靶枪，其特征在于，所述靶材(1)和所述基板为圆形或者矩形，所述外圈磁铁(2)包括外轮廓部(11)和内凹部(12)，所述内凹部(12)靠近所述中心磁铁(3)。

6.根据权利要求5所述的磁铁旋转靶枪，其特征在于，所述驱动装置(5)为电机或者电缸。

7.根据权利要求6所述的磁铁旋转靶枪，其特征在于，所述包覆层(4)为绝缘层。

8.根据权利要求7所述的磁铁旋转靶枪，其特征在于，所述包覆层(4)为聚四氟乙烯。

9.根据权利要求7所述的磁铁旋转靶枪，其特征在于，所述包覆层(4)为具有绝缘薄膜的金属层。

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