CN1743498A - 一种旋转磁场平面靶磁控溅射装置 - Google Patents

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一种旋转磁场平面靶磁控溅射装置，属于电子机械技术领域，特别涉及磁控溅射镀膜装置。主要包括基片托盘1、靶座2、靶材3和真空腔体8，基片托盘1、靶座2和靶材3位于真空腔体8内，基片托盘1位于靶座2和靶材3的上方，靶材3安装于靶座2上；其特征在于，它还包括磁钢组29和一个旋转电机12，磁钢组29由磁钢底板27和磁钢28组成，磁钢底板27上偏心地安置至少一个以上的磁钢28，整个磁钢组29置于靠近靶座2的下方；旋转电机12通过传动轴11与磁钢底板27的中心相连，以带动整个磁钢组29转动。本发明其实质在于采用旋转磁钢组所产生的旋转磁场改善溅射靶材的磁控区域，从而提高靶材的利用率、提高溅射速度并可以实现大面积均匀镀膜。

Description

一种旋转磁场平面靶磁控溅射装置
技术领域
一种旋转磁场平面靶磁控溅射装置，属于电子机械技术领域，特别涉及电子薄膜制备技术中的磁控溅射镀膜装置。
背景技术：
磁控溅射装置作为一种镀膜装置正在被广泛地应用于电子薄膜的制备。现有的电子薄膜制备技术中的磁控溅射薄膜制备装置，可实现金属、非金属单质及化合物等的制备，但是存在靶材利用率低，溅射出的薄膜面积小、均一性较差、溅射速率较低等缺点。
磁控溅射的原理：电子在电场作用下，在飞向基板过程中与Ar原子发生碰撞，使其电离出Ar+和一个新的电子，电子飞向基片，Ar+在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子则淀积在基片上形成薄膜。
图1是现有的磁控溅射装置的剖视图。
现有的磁控溅射装置主要包括以下组成部分：基片托盘1、靶座2、靶材3、真空腔体8、轭型永久磁铁4、基片托盘1、靶座2、靶材3和轭型永久磁铁4位于真空腔体8内部；基片托盘1位于靶座2的上方，二者之间的距离称为靶基距；靶材3安装在靶座2上，轭型永久磁铁4位于靶座2的下方，用于产生磁场。
轭型永久磁铁4由磁铁底板6、第一永久轭型永久磁铁5和第二轭型永久磁铁7组成。第一永久轭型永久磁铁5固定于磁铁底板6上的中央部位，其上端为N极，下端为S极；第二轭型永久磁铁7固定于磁铁底板6上的两边，其上端为S极，下端为N极。第一永久轭型永久磁铁5和第二轭型永久磁铁7的上端在同一平面，由此，产生从第一轭型永久磁铁5的N极侧开始向第二轭型永久磁铁7的S极的磁场。
为了实际应用的需要，现有的磁控溅射装置可能还含有其他一些部件，比如：在基片托盘的上方增加一个加热器，溅射时对基片加温，以提高基片的成膜温度；在基片托盘和加热器之间安置一个温度传感器(热电偶)，以测量和控制基片温度。另外，一些必不可少的部件，如：真空室的进出气孔(含阀)，其他必需的连接部件等，因属于本技术领域的公知常识，故在图1中未予注明。
下面对其工作过程进行说明。
将Ar等工作气体导入真空腔8内，在基片座1上施加正电压，在靶材3上施加负电压，工作气体在电场作用下，产生等离子体。该等离子体被磁场捕获。特别是，该等离子体在磁场相对靶表面成为垂直的部分被捕获得较多，因此，在与磁场垂直正交的靶表面内，由于等离子体密度变高，所以能溅射。
但是，如图1所示，等离子体会聚的靶部分被集中溅射，所以如果长时间连续使用靶，会形成较深的刻蚀部9，10，即使刻蚀部9，10以外的部分残留得较多，也不能再使用靶3了，因此靶材的利用率非常低。另外，由于靶材能形成溅射的区域有限，也导致了整个溅射装置溅射成膜的速度很低。
为了提高靶的利用率，一般采取旋转靶的方法。采取旋转靶后，经常时间使用靶上的刻蚀部9、10会形成如图2种黑色环带所示的刻蚀沟槽，虽然靶材的利用率有所提高，但是与整个靶材的面积相比，其利用率仍然相当的低。
由于轭型永久磁铁所产生磁场的局限性，使得与磁场垂直正交的靶表面内的区域才能形成溅射，由此造成的靶材利用率低下和溅射速度缓慢是现有磁控溅射装置主要的不足。
发明内容：
本发明主要是针对现有磁控溅射设备所存在的诸如靶材利用率低、溅射速度慢、溅射的均匀区域小等不足，提出一种溅射区域大、靶材利用率高、溅射速率快、成膜均匀性好的平面磁控溅射镀膜装置。
本发明提供的一种旋转磁场平面靶磁控溅射装置，如图3所示，主要包括基片托盘1、靶座2、靶材3和真空腔体8，基片托盘1、靶座2和靶材3位于真空腔体8内，基片托盘1位于靶座2和靶材3的上方，靶材3安装于靶座2上；其特征在于，它还包括磁钢组29和一个旋转电机12，所述磁钢组29由磁钢底板27和磁钢28组成，磁钢底板27上偏心地安置至少一个以上的磁钢28，整个磁钢组29置于靠近靶座2的下方；所述旋转电机12通过传动轴11与磁钢底板27的中心相连，以带动整个磁钢组29转动。
所述磁钢底板27为一块磁性金属圆板，最好采用纯铁材料制作。
传动轴11与磁钢底板27的连接方式可以是螺纹连接，也可以是焊接等其他连接方式。
如图5所示，所述基片托盘1可以是沿其径向根据基片尺寸开有若干窗口。这样的基片托盘能够在一次溅射过程中承载更多的基片，以便一次制备出更多的薄膜样品。
本发明的有益效果
如图4所示，本发明所述的一种旋转磁场平面靶磁控溅射装置，由于采用了偏心安置的旋转磁钢，使得靶材经长期使用后，在靶材上形成的不再是环形刻蚀沟槽，而是一个较大范围的环带状均匀刻蚀区域(均匀刻蚀区间大致在Φ70mm-Φ190mm左右)，从而大大地提高了靶材的利用率；采用旋转磁钢所产生的旋转磁场所能够控制的溅射区域比采用轭型永久磁铁所产生的磁场所能够控制的溅射区域更大，使得相同条件下靶材中被溅射出的粒子数更多，从而提高了溅射速度；另外，旋转磁钢所控制的溅射区域的磁场强度更为均匀，使得整个溅射装置的成膜均匀性更好，可以实现大面积均匀镀膜。
附图说明
图1是现有磁控溅射装置的剖面示意图。
其中：1-基片托盘，2-靶座，3-靶材，4-轭型永久磁铁，6-磁铁底板、5-第一轭型磁铁、7-第二轭型磁铁，8-真空腔体，9、10-刻蚀部。
图2用现有磁控溅射装置溅射后的靶材刻蚀效果示意图。
其中，3-靶材，33-刻蚀区域。
图3是本发明所述的一种旋转磁场平面靶磁控溅射装置结构简图。
其中：1-基片托盘，2-靶座，3-靶材，8-真空腔体，9、10-刻蚀部，11-传动轴，12-转动电机，29-磁钢组，28-磁钢，27-磁钢底板。
图4是采用一个磁钢转动时的靶材刻蚀效果图。
其中：15-磁钢外环，16-磁钢内芯，14-均匀刻蚀区域(或磁控区域)，27-磁钢底板。
图5是基片托盘仰视图。
图6是本发明的旋转靶平面磁控溅射装置磁钢结构示意图。
其中：14-均匀刻蚀区域(或磁控区域)，15-磁钢外环，16-磁钢内芯，27-磁钢底板。
图7是本发明的旋转靶平面磁控溅射装置的具体实施方式的结构示意图
其中：1-基片托盘，2-靶座，3-靶材，8-真空腔体，11-传动轴，12-旋转电机，17-连接杆，18-加热器，19-排气孔，20-真空室，21-螺栓，22-靶材压框，23-靶内座，24-磁钢基座，25-真空室底板，26-充气孔，27-磁钢底板，28-磁钢，30-阳极，31-热电偶。
具体实施方式
一种旋转磁场平面靶磁控溅射装置，主要包括基片托盘1，靶座2，靶材3，真空腔体8，加热器18，热电偶31等。所述基片托盘(1)上方有一加热器(18)，基片托盘(1)和加热器(18)通过连接杆(21)固定在真空腔体(8)的顶部，并可通过连接杆(17)适当调节与靶材(3)之间的距离；基片托盘(1)和加热器(18)之间有一个热电偶(31)。所述靶座(2)和磁钢组(29)位于靶内座(23)内，靶材(3)安装于靶座(2)上并通过靶材压框(22)和螺栓(21)固定在靶内座(23)上；转动电机(12)通过传动轴(11)穿过真空室底板(25)和靶内座(23)与磁钢底板(27)的中心相连，以带动整个磁钢组(29)转动。
利用上述旋转磁场平面靶磁控溅射装置制备厚度为1μm的薄膜时，镀膜时间大约为2小时，各薄膜样品片内和片间薄膜厚度相对偏差均小于3％。

Claims (7)

1、一种旋转磁场平面靶磁控溅射装置，主要包括基片托盘(1)、靶座(2)、靶材(3)和真空腔体(8)，基片托盘(1)、靶座(2)和靶材(3)位于真空腔体(8)内，基片托盘(1)位于靶座(2)和靶材(3)的上方，靶材(3)安装于靶座(2)上；其特征在于，它还包括磁钢组(29)和一个旋转电机(12)，所述磁钢组(29)由磁钢底板(27)和磁钢(28)组成，磁钢底板(27)上偏心地安置至少一个以上的磁钢(28)，整个磁钢组(29)置于靠近靶座(2)的下方；所述旋转电机(12)通过传动轴(11)与磁钢底板(27)的中心相连，以带动整个磁钢组(29)转动。
2、根据权利要求1所述的一种旋转磁场平面靶磁控溅射装置，其特征是，所述磁钢底板(27)上偏心地安置三个磁钢(28)，三个磁钢(28)的中心构成一个等边三角形。
3、根据权利要求1或2所述的一种旋转磁场平面靶磁控溅射装置，其特征是，所述磁钢底板(27)为一块磁性金属圆板，最好采用纯铁材料制作；所述磁钢(28)有一个磁钢内芯(16)和一个同心的磁钢外环(15)组成。
4、根据权利要求1所述的，其特征是，传动轴(11)与磁钢底板(27)的连接方式可以是螺纹连接，也可以是焊接等其他连接方式。
5、根据权利要求1所述的，其特征是，所述基片托盘(1)可以是沿其径向根据基片尺寸开有若干窗口。
6、根据权利要求1或2所述的一种旋转磁场平面靶磁控溅射装置，其特征是，所述基片托盘(1)上方有一加热器(18)，基片托盘(1)和加热器(18)通过连接杆(21)固定在真空腔体(8)的顶部，并可通过连接杆(17)适当调节与靶材(3)之间的距离；基片托盘(1)和加热器(18)之间有一个热电偶(31)。
7、根据权利要求1、2所述的一种旋转磁场平面靶磁控溅射装置，其特征是，所述靶座(2)和磁钢组(29)位于靶内座(23)内，靶材(3)安装于靶座(2)上并通过靶材压框(22)和螺栓(21)固定在靶内座(23)上；转动电机(12)通过传动轴(11)穿过真空室底板(25)和靶内座(23)与磁钢底板(27)的中心相连，以带动整个磁钢组(29)转动。
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