CN114574830A - 用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构，包括圆盘状的极靴，极靴上方同轴上方设有环状的外磁轭，外磁轭与极靴之间均匀分布有若干个外磁铁；极靴的中心处设有内磁铁，内磁铁的上方设有内磁轭。本发明解决了现有技术中存在磁控溅射靶阴极结构磁场分布不均匀、靶材利用率低、散热效果不佳的问题。
Description
技术领域
本发明属于真空镀膜技术领域，涉及一种用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构。
背景技术
磁控溅射已成为工业镀膜的主要技术之一，它能有效地降低靶室的工作压强和靶的工作电压，提高溅射速率和沉积速率，降低基片温度，减小等离子体对膜层的破坏，适合于生产大面积镀膜，在微电子、航空航天领域具有广阔的应用前景，也可用于高阻隔包装薄膜的制备。1842年Grove发现阴极溅射现象，经过此后一百多年的发展，磁控溅射已成为真空镀膜技术中应用最为广泛、发展最为迅速的技术之一，其推动力在于市场对高性能功能薄膜不断增长的需求。生产中需特别关注靶材利用率、沉积速率以及溅射过程稳定性等方面的问题，其根本在于整个系统的优化设计，靶设计则是其中的关键环节。国外在靶分析和设计方面优势明显，已经实现专业化和产业化；国内从事该方面系统研究的还很少，企业也都基本处于购买及仿制阶段，因此相关问题的研究将具有重要的学术和实践价值。为提高靶材利用率、膜层沉积速率和过程稳定性，必须对溅射系统进行整体的优化设计，其中靶(阴极)的设计最为关键。靶设计要考虑靶面磁场分布、沉积速率以及靶材利用率，还要考虑导电、导热、磁屏蔽、冷却、密封和绝缘等诸多因素。其中电磁场分布以及由以上诸因素决定的等离子体特性最为重要，需重点考虑。
薛莹洁，陈海峰.基于Comsol的双环磁控溅射靶的磁场模拟分析：DOI:1016553/j.cnki.issn1000-985x.2016.06.045
该靶结构是双环磁控溅射靶结构，内磁体和外磁体都是环形磁铁。双环磁控溅射靶是在靶内采用两组磁铁，每个磁铁的内侧和外侧磁极极性不相同，这样每组磁铁在靶表面会形成一个刻蚀环，最后靶表面会出现两个刻蚀环，采用此结构不仅能提高靶材的利用率，而且能提高沉积薄膜的膜厚均匀性。以达到收拢体积小，展开精度高的优点；如图1所示，然而该结构存在的问题是：没有磁轭，不能充分发挥磁铁的性能，大大降低了磁场强度；该结构没有设置冷却水箱，只依靠样品做的紫铜进行降温，降温效果不明显；并且外磁铁是封闭的，内外磁铁形成一个“温室”，不利于散热。因为磁控溅射靶在工作时90％的电能要转化为热能，又因为温度和溅射速率成反比关系，温度的升高会严重影响溅射速率。
张新倍等.磁控溅射靶结构:中国,CN102409301A[P].2012.04.11；
该技术采用可移动的靶材，使靶材表面的刻蚀区能够在靶面不同区域出现，从而增加了靶材的有效蚀刻区，提高了靶材的利用率，可操作性强，性能可靠。该结构存在的问题是，该磁铁结构单一，内外磁铁是一体的，不能很好的被区分，而且内外磁铁高度一致，这样会严重影响磁通密度的均匀性分布，有关研究表明，内外磁铁高度差在(正负)2mm最佳。同样没有设计相应的磁轭，冷却水箱，紫铜座也就在靶材和磁铁中间，并不能很好的散热。
发明内容
本发明的目的是提供用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构，解决了现有技术中存在磁控溅射靶阴极结构磁场分布不均匀、靶材利用率低的问题。
本发明所采用的技术方案是，用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构，包括圆盘状的极靴，极靴上方同轴上方设有环状的外磁轭，外磁轭与极靴之间均匀分布有若干个外磁铁；极靴的中心处设有内磁铁，内磁铁的上方设有内磁轭。
本发明的特点还在于：
极靴上还开设有圆盘状棱台，棱台的直径小于极靴的直径，外磁铁设置在棱台与极靴之间的区域内。
棱台上对称分布有两个进出水法兰孔。
内磁铁和内磁轭均为圆柱状结构。
外磁铁为长方体状结构。
外磁铁的材质是钕铁硼。
各外磁铁之间的间距相同。
本发明的有益效果是，本发明中提供的靶结构，采用“内圆外方，外围方”的内外磁铁的布置方式；使其大幅度提高磁场分布的均匀性，提高靶材利用率。
附图说明
图1是现有溅射靶结构示意图；
图2是本发明用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构的结构示意图；
图3是本发明用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构中极靴的结构示意图；
图4是将本发明用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构简化后的平面靶平面图；
图5是本发明用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构中靶材表面磁场密度分布图；
图6是本发明用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构中磁能密度分布图；
图7是本发明用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构中磁通密度分布图；
图8是本发明用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构中磁标势分布云图。
图中，1-内磁轭，2-进出水法兰孔，3-内磁铁，4-外磁轭，5-外磁铁，6-极靴，7-棱台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构，合理布置内磁铁和外磁铁；提高靶的磁场分布均匀，提高结构散热，有效提高靶材的利用率。
本发明用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构，如图2所示，包括圆盘状的极靴6，极靴6上方同轴上方设有环状的外磁轭4，外磁轭4与极靴6之间均匀分布有若干个外磁铁5；极靴6的中心处设有内磁铁3，内磁铁3的上方设有内磁轭1。
如图3所示，极靴6上还开设有圆盘状棱台7，棱台7的直径小于极靴6的直径，外磁铁5设置在棱台7与极靴6之间的区域内。棱台7上对称分布有两个进出水法兰孔2。
内磁铁3为圆柱形，外磁铁5为长方体状；
以极靴为基准，内磁铁3直径：棱台直径：极靴6的直径＝1：2：3；
内磁铁3的直径：外磁铁5的底面边长＝3：1；
内磁铁3与外磁铁5的高度相同。
棱台7的高度为2mm这样为了使得内磁铁3与外磁铁5具有2mm的高度差。棱台7的半径和极靴6的半径的差为外磁铁5的边长，这样有利于外磁铁5的定位。外磁铁5布置15个左右组成外磁环。
内磁轭1的直径和内磁铁3的直径相同一样，内磁轭1的厚度为内磁铁3厚度的五分之一。外磁轭4的内直径和棱台7的直径相同，外磁轭4的外直径比内直径大外磁铁5的边长。外磁轭4的厚度是内磁轭的2倍。
外磁轭4是外径80mm、内径62mm、厚度9.2的圆环，并且倒角45度5mm的倒角，材质是纯铁；这样的形状可以有效的增大磁场强度。
内磁轭为直径25mm、高5mm的圆柱体，材质是纯铁；极靴6是直径80mm、高7mm的圆柱，材质是纯铁；内外磁轭用不同的形状，分别对用配套使用，有效的增大磁场强度。
外磁铁5是长8mm、宽8mm、高14mm的长方体，材质是钕铁硼；并且，外磁铁5有15个均匀的排布在极靴6上，这样的布置可以形成15个环形磁场，使得磁场分布更加均匀，而且在靶材上形成15个均匀的溅射区域，提高靶材利用率。每个磁铁之间都有间距，有效加大散热能力。
内磁铁3是直径25mm高14mm的圆柱体材质是钕铁硼。内外磁铁用不同的形状就是为了使磁场分布更加均匀，内磁铁3用圆柱型是最好的选择，有效分配磁场。因此内圆外方的搭配极大的提高了磁场分布的均匀性。
内外磁铁可以使用强磁性磁铁，也可使用普通磁铁，可根据实际情况进行选择。
本发明用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构的特点如下：
1.有效提高磁控溅射靶阴极的磁场分布均匀性——内外磁铁采用“内圆外方，外围方”的内外磁铁的布置方式，形成更多的跑道型磁场，使得磁场分布更加均匀。
2.有效提高靶材的利用率——磁场分布更加均匀，靶材表面的磁力线分布也就更加均匀，并且内外磁铁分别采用相应对应的磁轭，进一步加强磁场强度，提高靶材利用率。靶材利用率可达50％以上。
把磁控溅射靶安装在真空的设备中，在真空设备上方为阳极的目标件，也就是需要镀膜的产品，在真空中通入氩气或其他惰性气体。在阴极靶上施加负偏压从而使溅射气体被击穿而发生辉光放电。电场改变电子的运动方向，使得电子左回旋运动，螺旋形状的运动轨迹，然后轰击Ar气，在放电过程中所产生的溅射气体离子(一般为Ar离子)在阴极靶表面等离子体鞘层中的高能电场作用下加速轰击靶材表面。高能溅射气体离子对靶面的轰击一方面导致一部分靶材表面原子获得反冲能量而脱离靶面成为溅射原子并最终沉积在衬底表面；另一方面导致二次电子从靶材表面发射并在阴极靶面鞘层作用下加速进入辉光放电等离子体区。进入等离子体区的二次电子在靶面磁场的束缚作用下运动，并与溅射气体原子发生碰撞而使其电离，因此二次电子是磁控放电得以自持的重要能量来源。
本发明利用COMSOL进行有限元分析，为了减少计数时间，结构内装配零件、冷却、绝缘、密封等部件的材料特性，对整体磁路分析基本不会产生影响。又因为阴极靶磁场结构外围磁场有16个磁石均匀排布，呈轴对称，所以可以对模型进行简化，简化后的平面图如图4所示：
在图4的平面图中，由于整个磁场是中心对称的布置，因此在平面图中我们就等于模拟了一对磁场的分布情况，在理论上是整个实体磁场的八分之一，因此，模拟出来的结果数据理论上也是实际的八分之一；这样简化大大的降低了模拟的时间，如果直接多三维实体图进行模拟，需要的计算机硬件也是较高的，而且软件计算时间也是很长的。而在上方是设置5毫米厚的靶材，均匀的分成了5部分0mm～5mm的6个面，在模拟中可以分析每一个平面下的磁场分布情况，进而可以选择最合适的靶材的直径和厚度。这是模拟前的分析准备工作。
对于阴极靶内磁场的模拟计算，为讨论靶面平行分量磁场的磁感应强度，应将XY方向的磁感应强度换算成靶面切线方向的磁感应强度By。在磁控溅射过程中，由于辉光放电存在阴极暗区，对应在靶表面一定距离范围内等离子体密度最高。因此计算结果应选取距离靶表面有一定距离的圆周上的磁场分布，在本发明中均选取靶面上方5mm处的磁场分布进行讨论。相关变化对靶磁能密度、靶材表面磁标势、磁通密度、磁标势分布云图情况。在图5中可以看到，0mm～5mm的6个面上每一个面的磁通密度，Y方向分量的分布的情况，以及每个面上直径从0mm～80mm的变化情况，自20世纪90年代以来，国内外学者和研究机构积极开展有关提高靶材利用率和刻蚀均匀性的研究。靶材刻蚀速率与磁控磁场在靶材表面的水平分量的大小成正比，据此大部分方法都是基于对靶材表面磁场水平分量均匀分布的优化基础上进行的，在图5中可以看到，直径在0mm～10mm、25～55、70～80mm的三个部分的磁通密度分布较为理想，磁通密度的值在80mT～130mT之间，三部分加起来的达到了50mm占总直径的62.5％，根据相关研究机构的靶材利用率的报道可以得出，靶材利用率可高达62.5％。然而再看图5，在这三个区间内0mm面的分布和5mm面的磁场分布还是有一定的差距的，因此最佳直径是2mm～4mm的厚度最佳，相对的分布减小，保守在40％～50％之间。
在图6中是磁能密度分布图，同样的和图5磁通密度分布有相同的结论，在图6中观察分布的情况，在0mm～10mm、25～55、70～80mm三个区间的变化不大，相对缓和基本在3500[J/m＾3]。
图7是磁场的磁力线走向情况，在内外磁铁的布置下，形成了两个封闭的磁场，以及磁场大小的分布情况，可以得到磁场最大最小的数值。
图8是磁标势分布的云图，从这个图我们更能清楚的看到磁场大小的一个走向，以及最高最低的数值。
从图5～图8可以看出，本发明提出的结构分布情况相对良好，磁通密度最大值达到2.02×10^5mT；靶材的最优的时靶材后3mm直径2mm的规格，直径控制在16mm到20mm，在这个直径范围内，磁通密度分布最为均匀，靶材利用率也最高，靶材利用率可达40％～50％左右。
与现有技术相比，本发明针对背景技术存在的缺陷，磁场分配更加均匀，靶材利用率更高，可高达50％以上，并且散热度提高50％左右。
Claims (8)
1.用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构，其特征在于：包括圆盘状的极靴，极靴上方同轴上方设有环状的外磁轭，外磁轭与极靴之间均匀分布有若干个外磁铁；极靴的中心处设有内磁铁，内磁铁的上方设有内磁轭。
2.根据权利要求1所述的用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构，其特征在于：所述极靴上还开设有圆盘状棱台，棱台的直径小于极靴的直径，外磁铁设置在棱台与极靴之间的区域内。
3.根据权利要求2所述的用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构，其特征在于：所述棱台上对称分布有两个进出水法兰孔。
4.根据权利要求1所述的用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构，其特征在于：所述内磁铁和内磁轭均为圆柱状结构。
5.根据权利要求1所述的用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构，其特征在于：所述外磁铁为长方体状结构。
6.根据权利要求1所述的用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构，其特征在于：所述外磁轭的厚度为内磁轭厚度的两倍。
7.根据权利要求1所述的用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构，其特征在于：所述外磁铁的材质是钕铁硼。
8.根据权利要求1所述的用于磁控溅射靶阴极的磁铁布置结构，其特征在于：各所述外磁铁之间的间距相同。
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