CN114231932B - 一种磁控溅射镀膜设备及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁控溅射镀膜设备及其控制方法，磁控溅射镀膜设备包括：真空室；若干个第一气体离子源，第一气体离子源的开口沿真空室的径向朝外；若干个高功率磁控组件，围绕第一气体离子源设置，且高功率磁控组件的开口沿真空室的径向朝内；若干个第一气体离子源和若干个高功率磁控组件形成多重闭合磁场；高功率磁控组件与第一气体离子源之间形成放置待镀样品的镀膜位。本发明采用若干个第一气体离子源和高功率磁控组件形成多重闭合磁场，利用闭合磁场作用限制电子运动，并对等离子体进行约束和引导，且采用若干个高功率磁控组件围绕第一气体离子源，优化闭合磁场的结构，在确保等离子体利用率较高的基础上，提高了涂层沉积效率。
Description
技术领域
本发明涉及磁控溅射镀膜技术领域，尤其涉及的是一种磁控溅射镀膜设备及其控制方法。
背景技术
闭合场非平衡磁控溅射(Closed-field Unbalanced Magnetron Sputtering,CFUBMS)，即利用多个具有非平衡磁场分布的磁控溅射设备，通过调整磁体磁极方向，使其在镀膜区域形成闭合磁场回路的一种磁控溅射系统设计方法，能够显著提高真空镀膜系统内的等离子体密度和涂层沉积效率。但是常规的磁控溅射放电功率低，其产生的等离子体密度(～1015-1016m-3)和溅射材料离化率(<10％)也低，而闭合磁场主要通过限制电子运动实现等离子体密度和涂层沉积效率的提高，故对于常规的磁控溅射，闭合磁场作用并不十分明显。可见，常规磁控溅射技术镀膜设备的溅射离子离化率低且涂层沉积效率低。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种磁控溅射镀膜设备及其控制方法，旨在解决现有技术中常规磁控溅射技术镀膜设备的溅射离子离化率低和涂层沉积效率低的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种磁控溅射镀膜设备，其中，包括：
真空室；
若干个第一气体离子源，位于所述真空室的中央，且所述第一气体离子源的开口沿所述真空室的径向朝外；
若干个高功率磁控组件，围绕所述第一气体离子源设置，且所述高功率磁控组件的开口沿所述真空室的径向朝内；
其中，所述高功率磁控组件的数量与所述第一气体离子源的数量相同；
若干个第一气体离子源和若干个所述高功率磁控组件形成多重闭合磁场；
所述高功率磁控组件与所述第一气体离子源之间形成放置待镀样品的镀膜位。
所述的磁控溅射镀膜设备，其中，所述第一气体离子源的放电电流和离子电流在至少2h的放电时间内保持恒定；
所述高功率磁控组件包括：
磁控阴极，所述磁控阴极的平均功率密度大于80W/cm2；
第二气体离子源，所述第二气体离子源的放电电流和离子电流在至少2h的放电时间内保持恒定；
其中，所述第二气体离子源的磁极方向与所述磁控阴极的磁极方向相反；若干个所述高功率磁控组件中，所述磁控阴极和所述第二气体离子源依次交替排列。
所述的磁控溅射镀膜设备，其中，所述磁控溅射镀膜设备还包括：
高功率脉冲磁控溅射，与所述磁控阴极连接实现高功率脉冲辉光放电；或
高功率磁控溅射电源，与所述磁控阴极连接实现持续高强度辉光放电；其中，所述高功率磁控溅射电源包括高功率直流电源、直流脉冲电源、中频电源或射频电源。
所述的磁控溅射镀膜设备，其中，所述第一气体离子源的磁极方向与所述磁控阴极的磁极方向相同；或者
所述第一气体离子源的磁极方向与所述磁控阴极的磁极方向相反。
所述的磁控溅射镀膜设备，其中，所述第一气体离子源和所述第二气体离子源均采用阳极层离子源；
所述阳极层离子源包括：
内阴极，位于轴心位置；
外阴极，环绕在所述内阴极外侧，所述外阴极和所述内阴极之间的间隙为离子束流通道；
永磁体，均匀排列在所述内阴极与所述外阴极之间；
阳极环，位于所述内阴极和所述外阴极之间且环绕所述内阴极，所述阳极环内设置有通气孔，所述阳极环设置有通气狭缝，所述通气狭缝连通所述通气孔，所述通气狭缝朝向所述离子束流通道。
所述的磁控溅射镀膜设备，其中，所述磁控溅射镀膜设备还包括：
电源，与所述阳极层离子源连接；
其中，所述电源为恒压脉冲放电电源，所述恒压脉冲放电电源的电压<3000V、脉冲占空比5％-80％；或
所述电源为直流电源，所述直流电源的电压为电压0～3000V。
所述的磁控溅射镀膜设备，其中，所述磁控溅射镀膜设备还包括：
偏压电源系统；
旋转架，设置于所述真空室内并与所述偏压电源系统连接；其中，所述镀膜位设置在所述旋转架上，以实现所述镀膜位自转和公转。
所述的磁控溅射镀膜设备，其中，所述偏压电源系统有两个输出模式：
其一为低压直流模式，电压<600V，以配合金属离子进行离子清洗、轰击和沉积；
其二为高压脉冲模式，电压1-10kV，占空比为1％-50％，以配合气体离子进行离子轰击、注入和沉积。
所述的磁控溅射镀膜设备，其中，所述真空室为圆柱形或多边形空腔，所述真空室的半径为0.1～5.0m；
所述磁控溅射镀膜设备还包括：
抽气系统，与所述真空室连接；
其中，所述抽气系统的真空达到<5×10-3Pa。
一种如上述任意一项所述的磁控溅射镀膜设备的控制方法，其中，包括步骤：
在镀膜位上放置待镀样品；
当真空室的真空满足预设要求时，控制若干个第一气体离子源和若干个高功率磁控组件启动，以对所述待镀样品进行镀膜。
有益效果：本发明采用若干个第一气体离子源和高功率磁控组件形成多重闭合磁场，利用闭合磁场作用限制电子运动，并对等离子体进行约束和引导，且采用若干个高功率磁控组件围绕第一气体离子源，优化闭合磁场的结构，在确保等离子体利用率较高的基础上，提高了涂层沉积效率。
附图说明
图1为磁控溅射镀膜设备的结构示意图。
图2是中央设备与正对边缘设备相吸的磁感线(a)及等离子体密度(b)分布图。
图3是中央设备与正对边缘设备相斥的磁感线(a)及等离子体密度(b)分布图。
图4是不同转角对应的磁感线(a)及等离子体密度(b)分布图。
图5是不同转角对应的等离子体溢出比例(a)及镀膜区内等离子体占比(b)。
图6是磁控溅射镀膜设备的结构示意图(a)及磁感线分布图(b)。
附图标记说明：
1、真空室；2、高功率磁控组件；21、磁控阴极；22、第二气体离子源；3、第一气体离子源；4、旋转架；5、待镀样品；6、镀膜位；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参阅图1-图6，本发明提供了一种磁控溅射镀膜设备的一些实施例。
高功率磁控溅射技术可以实现超高的等离子体密度(～1019-1020m-3)和溅射材料离化率(>60％)，大量的电子溢出放电区域使得真空室内闭合磁场的作用变得更加明显。同时，高功率磁控溅射的放电区间、等离子体体系内的各组分及粒子能量、涂层的沉积性能均发生明显变化，且离子化后，涂层的沉积工艺也出现明显不同。此外，高功率磁控溅射的等离子体浓度梯度较大，加速了等离子体扩散损耗，导致等离子体利用率低和真空室污染，这对闭合磁场的作用效果提出了新的挑战。故针对高功率磁控溅射技术，有必要开发完全不同的涂层设备配置以及特殊的闭合磁场优化结构。
如图1和图6所示，本发明的磁控溅射镀膜设备，包括：
真空室1；
若干个第一气体离子源3，位于所述真空室1的中央，且所述第一气体离子源3的开口沿所述真空室1的径向朝外；
若干个高功率磁控组件2，围绕所述第一气体离子源3设置，且所述高功率磁控组件2的开口沿所述真空室1的径向朝内；
其中，所述高功率磁控组件2的数量与所述第一气体离子源3的数量相同；
若干个第一气体离子源3和若干个所述高功率磁控组件2形成多重闭合磁场；
所述高功率磁控组件2与所述第一气体离子源3之间形成放置待镀样品5的镀膜位6。
值得说明的是，本发明采用若干个第一气体离子源3和高功率磁控组件2形成多重闭合磁场，利用闭合磁场作用限制电子运动，并对等离子体进行约束和引导，且采用若干个高功率磁控组件2围绕第一气体离子源3，优化闭合磁场的结构，在确保等离子体利用率较高的基础上，提高了涂层沉积效率。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1和图6所示，所述第一气体离子源3的放电电流和离子电流在至少2h的放电时间内保持恒定；
所述高功率磁控组件2包括：
磁控阴极21，所述磁控阴极21的平均功率密度大于80W/cm2；
第二气体离子源22，所述第二气体离子源22的放电电流和离子电流在至少2h的放电时间内保持恒定；
其中，所述第二气体离子源22的磁极方向与所述磁控阴极21的磁极方向相反；若干个所述高功率磁控组件2中，所述磁控阴极21和所述第二气体离子源22依次交替排列。
具体地，第一气体离子源3和第二气体离子源22均采用长寿命气体离子源，长寿命气体离子源是指放电电流和离子电流在至少2h的放电时间内保持恒定的气体离子源。磁控阴极21的平均功率密度大于80W/cm2时，该磁控阴极21作为高功率磁控阴极21，可实现超高的等离子体密度(～1019-1020m-3)和溅射材料离化率(>60％)。采用高功率磁控阴极21和长寿命气体离子源可以确保多重闭合磁场的稳定性，且采用高功率磁控阴极21溅射获得的金属离化率和沉积速率远高于常规磁控溅射阴极。
与磁控阴极21相邻的是第二气体离子源22，与第二气体离子源22相邻的是磁控阴极21，磁控阴极21的磁极方向为SNS，第二气体离子源22的磁极方向为NSN，两者相反，则形成闭合回路。若干个所述高功率磁控组件2中，磁控阴极21和第二气体离子源22之间的距离可以等分分布或不等分分布，具体根据磁场分布设置相邻的磁控阴极21和第二气体离子源22的距离。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述磁控溅射镀膜设备还包括：
高功率脉冲磁控溅射，与所述磁控阴极21连接实现高功率脉冲辉光放电；或
高功率磁控溅射电源，与所述磁控阴极21连接实现持续高强度辉光放电。
具体地，磁控阴极21与高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)电源或高功率直流电源相连，分别实现高功率脉冲辉光放电和持续高强度辉光放电(C-HPMS)，分别用于界面处理(金属离子轰击、注入、或过渡层沉积)和涂层快速沉积。将HiPIMS或C-HPMS技术与CFUBMS技术相结合，充分发挥了闭合磁场对等离子体的约束和引导作用。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述高功率磁控溅射电源包括高功率直流电源、直流脉冲电源、中频电源或射频电源。当然还可以采用其它高功率磁控溅射电源。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2-图3所示，所述第一气体离子源3的磁极方向与所述磁控阴极21的磁极方向相同；或者
所述第一气体离子源3的磁极方向与所述磁控阴极21的磁极方向相反。
具体地，第一气体离子源3的磁极方向可以是NSN或SNS，第一气体离子源3的磁极方向与磁控阴极21的磁极方向相同时，则构成相斥模式，并在径向上形成闭合磁场。第一气体离子源3的磁极方向与磁控阴极21的磁极方向相反时，则构成相吸模式，并在环向上形成闭合磁场。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述第一气体离子源3和所述第二气体离子源22均采用阳极层离子源；
所述阳极层离子源包括：
内阴极，位于轴心位置；
外阴极，环绕在所述内阴极外侧，所述外阴极和所述内阴极之间的间隙为离子束流通道；
永磁体，均匀排列在所述内阴极与所述外阴极之间；
阳极环，位于所述内阴极和所述外阴极之间且环绕所述内阴极。
具体地，所述阳极环内设置有通气孔，所述阳极环设置有通气狭缝，所述通气狭缝连通所述通气孔，所述通气狭缝朝向所述离子束流通道，通过气体路径控制和磁场布局，有效的避免反应性气体污染，确保放电电流和离子电流在>2h的放电时间内保持恒定。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述磁控溅射镀膜设备还包括：
电源，与所述阳极层离子源连接；
其中，所述电源为恒压脉冲放电电源，所述恒压脉冲放电电源的电压<3000V、脉冲占空比5％-80％；或
所述电源为直流电源，所述直流电源的电压为电压0～3000V。
具体地，阳极层离子源与恒压脉冲放电电源(电压<3000V、脉冲占空比5％-80％)相连，用于界面处理(气体离子轰击、注入、或反应气体参与的过渡层沉积)和反应气体参与的涂层快速沉积。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1和图6所示，所述磁控溅射镀膜设备还包括：
偏压电源系统；
旋转架，设置于所述真空室1内并与所述偏压电源系统连接；其中，所述镀膜位6设置在所述旋转架上，以实现所述镀膜位6自转和公转。
具体地，若干个第一气体离子源3围绕真空室1的中心，第一气体离子源3自转是指第一气体离子源3以真空室1的中心旋转，第一气体离子源3的自转使得第一气体离子源3的开口朝向不同的角度，从而形成不同的闭合磁场。镀膜位6的自转可以使待镀样品5四周均匀镀膜，镀膜位6的公转可以使不同待镀样品5均匀镀膜。旋转架均与真空室1绝缘，且旋转架均与偏压电源系统连接，通过偏压电源系统控制旋转架旋转。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述偏压电源系统有两个输出模式：
其一为低压直流模式，电压<600V，以配合金属离子进行离子清洗、轰击和沉积；
其二为高压脉冲模式，电压1-10kV，占空比为1％-50％，以配合气体离子进行离子轰击、注入和沉积。
具体地，由于金属离子和气体离子的应用场景不同，则偏压电源系统有两个输出模式，分别与两种应用场景配合。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述真空室1为圆柱形或多边形空腔，所述真空室1的半径为0.1～5.0m；
所述磁控溅射镀膜设备还包括：
抽气系统，与所述真空室1连接；
其中，所述抽气系统的真空达到<5×10-3Pa。
具体地，通过抽气系统使得真空室1背底真空达到<5×10-3Pa，确保真空室1的真空。
实施例1
本例的磁控溅射镀膜设备如图1所示，包括真空室1、磁控阴极21、第二气体离子源22、第一气体离子源3。真空室1的半径为0.5m，通过抽气系统背底真空达到<5×10-3Pa；高功率磁控组件2的数量为4且均匀分布，包括4个磁控阴极21和4个第二气体离子源22，第一气体离子源3的数量为4且均匀分布；可以通过旋转第一气体离子源3控制其在真空室内的相对方位；旋转架位于镀膜位6下，与真空室绝缘，待镀样品5位于旋转架上可以实现自转和公转；相应的电源系统连接在相应的磁控阴极、气体离子源或旋转架上实现放电控制，其中，磁控阴极700V的高功率脉冲电源，气体离子源1000V的高压电源，旋转架接偏压为-100V的脉冲电源。第一气体离子源3与磁控阴极21的磁极方向相异，构成相吸模式。
本例的全闭合磁控溅射真空镀膜设备对应的(a)磁感线及(b)等离子体密度分布如图2所示：相邻边缘磁控设备之间在真空室壁边缘形成了闭合的磁感线回路，能够有效约束等离子体不溢出真空室壁发生损耗；中央磁控设备与边缘磁控设备之间的磁场同样存在相互作用，在真空室镀膜区内形成了闭合的磁感线回路，能够引导等离子体进入镀膜区，从而提高沉积效率。等离子体密度分布进一步表明，该全闭合磁控溅射真空镀膜设备对等离子体形成了有效的束缚，溢出损耗仅为2.18％，等离子体在镀膜区域内的占比提高至42.25％，呈均匀连续的分布，在大范围内获得均匀的沉积效率，大幅提高了等离子体的利用率。
实施例2
本例采用的配置结构与实施例1相同。所不同的是，第一气体离子源3与磁控阴极21的磁极方向相同，从而构成相斥模式，对应的(a)磁感线及(b)等离子体密度分布如图3所示。真空室边缘的闭合磁感线几乎未发生变化，表明闭合磁场维持了原有的约束效果，等离子体溢出损耗为1.51％。而镀膜区内的闭合磁场由环向变为径向，导致等离子体集中分布在第一气体离子源3与磁控阴极21之间，能够在局部获得极高的沉积效率。
实施例3
本例采用的配置结构与实施例1相同。所不同的是，通过旋转第一气体离子源3，使第一气体离子源3经过旋转与磁控阴极21的正对方向形成夹角θ，(a)磁感线及(b)等离子体密度分布如图4所示。随θ从0°到45°时，真空室边缘磁感线回路几乎不发生变化，始终维持对等离子体的有效约束，溢出比例低于2.5％，最低可达到1.68％，如图5所示。而镀膜区内，磁感线回路的形状逐渐由环向(0°)变为径向(45°)，相应地，镀膜区内等离子体密度从均匀的连续分布逐渐转变为多个离散的高密度区域。通过调整中央离子源4的转角，可控制等离子体的分布，有助于解决现有闭合场真空镀膜设备可控性差，安装和调试极为困难的问题。
实施例4
本例采用的磁控设备种类与实施例1相同。所不同的是，其中，真空室1的半径为0.7m；边缘磁控设备2数量为10，包括5个磁控阴极21和5个第二气体离子源22；第一气体离子源3数量为5；旋转架接偏压为-100V的脉冲电源。如图6中(a)所示。本例采用的配置结构同样能够在真空室边缘和镀膜区分别形成闭合磁感线，构成全闭合磁场，且组合形式更加多样化，如图6中(b)所示。在对等离子体形成有效约束的同时，能够在镀膜区形成逐渐变化的等离子体密度分布，不仅能够提高沉积效率，还可以根据需求选择不同的位置进行涂层沉积，为涂层的优化制备提供了更多选择。
基于上述任意一实施例所述的磁控溅射镀膜设备，本发明还提供了一种磁控溅射镀膜设备的控制方法的较佳实施例：
如图1所示，本发明实施例的磁控溅射镀膜设备的控制方法，包括以下步骤：
步骤S100、在镀膜位上放置待镀样品。
步骤S200、当真空室的真空满足预设要求时，控制若干个第一气体离子源和若干个高功率磁控组件启动，以对所述待镀样品进行镀膜。
具体地，在放置好待镀样品后，启动抽气系统进行抽真空，直至真空室的真空满足预设要求，然后控制若干个第一气体离子源和若干个高功率磁控组件启动，以对所述待镀样品进行镀膜。预设条件可以是真空达到<5×10-3Pa。
步骤S300、控制旋转架旋转，以均匀镀膜。
具体地，为了均匀镀膜，可以在镀膜过程中控制旋转架旋转。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种磁控溅射镀膜设备，其特征在于，包括：
真空室；
若干个第一气体离子源，位于所述真空室的中央，且所述第一气体离子源的开口沿所述真空室的径向朝外；
若干个高功率磁控组件，围绕所述第一气体离子源设置，且所述高功率磁控组件的开口沿所述真空室的径向朝内；
其中，所述高功率磁控组件的数量与所述第一气体离子源的数量相同；
若干个第一气体离子源和若干个所述高功率磁控组件形成多重闭合磁场；
所述高功率磁控组件与所述第一气体离子源之间形成放置待镀样品的镀膜位。
2.根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述第一气体离子源的放电电流和离子电流在至少2h的放电时间内保持恒定；
所述高功率磁控组件包括：
磁控阴极，所述磁控阴极的平均功率密度大于80W/cm2；
第二气体离子源，所述第二气体离子源的放电电流和离子电流在至少2h的放电时间内保持恒定；
其中，所述第二气体离子源的磁极方向与所述磁控阴极的磁极方向相反；若干个所述高功率磁控组件中，所述磁控阴极和所述第二气体离子源依次交替排列。
3.根据权利要求2所述的磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述磁控溅射镀膜设备还包括：
高功率脉冲磁控溅射，与所述磁控阴极连接实现高功率脉冲辉光放电；或
高功率磁控溅射电源，与所述磁控阴极连接实现持续高强度辉光放电；其中，所述高功率磁控溅射电源包括高功率直流电源、直流脉冲电源、中频电源或射频电源。
4.根据权利要求2所述的磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述第一气体离子源的磁极方向与所述磁控阴极的磁极方向相同；或者
所述第一气体离子源的磁极方向与所述磁控阴极的磁极方向相反。
5.根据权利要求4所述的磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述第一气体离子源和所述第二气体离子源均采用阳极层离子源；
所述阳极层离子源包括：
内阴极，位于轴心位置；
外阴极，环绕在所述内阴极外侧，所述外阴极和所述内阴极之间的间隙为离子束流通道；
永磁体，均匀排列在所述内阴极与所述外阴极之间；
阳极环，位于所述内阴极和所述外阴极之间且环绕所述内阴极。
6.根据权利要求5所述的磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述磁控溅射镀膜设备还包括：
电源，与所述阳极层离子源连接；
其中，所述电源为恒压脉冲放电电源，所述恒压脉冲放电电源的电压0～3000V、脉冲占空比5％-80％；或
所述电源为直流电源，所述直流电源的电压为电压0～3000V。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述磁控溅射镀膜设备还包括：
偏压电源系统；
旋转架，设置于所述真空室内并与所述偏压电源系统连接；其中，所述镀膜位设置在所述旋转架上，以实现所述镀膜位自转和公转。
8.根据权利要求7所述的磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述偏压电源系统有两个输出模式：
其一为低压直流模式，电压<600V，以配合金属离子进行离子清洗、轰击和沉积；
其二为高压脉冲模式，电压1-10kV，占空比为1％-50％，以配合气体离子进行离子轰击、注入和沉积。
9.根据权利要求1-6任意一项所述的磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述真空室为圆柱形或多边形空腔，所述真空室的半径为0.1～5.0m；
所述磁控溅射镀膜设备还包括：
抽气系统，与所述真空室连接；
其中，所述抽气系统的真空达到<5×10-3Pa。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的磁控溅射镀膜设备的控制方法，其特征在于，包括步骤：
在镀膜位上放置待镀样品；
当真空室的真空满足预设要求时，控制若干个第一气体离子源和若干个高功率磁控组件启动，以对所述待镀样品进行镀膜。
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