CN205741199U - 一种预防靶中毒的等离子体增强磁控溅射设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种预防靶中毒的等离子体增强磁控溅射设备，包括工件架、磁控靶、热丝线、真空镀膜室、反应气体气路管、惰性气体气路管，工件设置在工件架内，四个磁控靶均布在真空镀膜室四周，热丝线、反应气体气路管、惰性气体气路管设置在真空镀膜室内，惰性气体气路管竖直分布在四个磁控靶两侧；反应气体气路管为两个环形气路，分别设置在真空镀膜室顶部和底部，反应气体气路管、惰性气体气路管上均设有气孔。优点是：由两路充气系统构成，反应气体气路不锈钢管上距真空泵较远处气孔较密、近处气孔较疏，实现反应气流流向控制，平衡磁控阴极靶放电电离惰性气体，有效预防了靶面反应气体粒子的聚集。

Description

一种预防靶中毒的等离子体增强磁控溅射设备

技术领域

本实用新型属于镀膜领域，尤其涉及一种预防靶中毒的等离子体增强磁控溅射设备。

背景技术

磁控溅射技术是物理气相沉积技术的一种，利用反应磁控溅射技术可以制备各种陶瓷涂层。尽管通过改变驱动电源方式、优化磁场设计、监控等离子体发射光谱(PEM)等方式可以控制反应磁控溅射在中毒点附近镀膜或软化中毒点转折曲线，但镀膜过程中仍存在反应气体控制条件苛刻、镀膜速率下降等问题。主要表现在：

1、改直流溅射为脉冲直流溅射：在脉冲“开”“关”转换过程中，脉冲“开”为靶电源较高负电位，溅材被溅射；脉冲“关”，靶材为较低正电位，此时中和靶面聚集阳离子(包括惰性及反应气体阳离子)，从而防止靶中毒。但此种方式在脉冲“关”状态，降低了靶溅射速率，从而降低了薄膜沉积速度。

2、改磁场结构设计：磁控溅射从平衡磁场(靶面下永磁铁N,S极强度相同)发展成非平衡(靶面下的外圈N极磁场强度增强)，直至封闭非平衡(相邻两靶的外圈磁场强度增强，磁极相反，使两靶外圈N,S极磁力线封闭),参见国际专利合作条约组织下的国际专利，专利申请号：WO2013GB50405。利用磁场对电子的束缚作用，使等离子体在真空镀膜室中分散，形成较均匀分布。即反应气体不仅在靶表面被离化，也在真空镀膜室其他部分被电离，从而减缓靶面反应气体聚集而中毒。但由于永磁铁磁场强度有限，工业生产设备达到磁场闭合较难，且闭合磁场也只起到限制等离子体远离器壁的作用，因此此种方式减缓靶中毒的作用有限。

3、等离子体发射光谱监控(PEM)可以直接监控真空镀膜室中某个位置的金属离子和反应气体离子的信号，以确定最佳反应气体流量，使得反应磁控溅射过程中不发生靶中毒，提高镀膜稳定性。但这种方式只对等离子监控，不参与改善等离子体离化的过程。

热丝增强等离子体磁控溅射利用金属钨、钽等高熔点金属丝，对其施加电流、电位，使热丝中的热电子发射到真空镀膜室内。电子与惰性及反应气体碰撞，使之发生离化。一般来说，磁控靶前由于磁场约束会产生的等离子体聚集现象，这种等离子体只分布在平衡磁控溅射距靶面6～8cm左右的位置，因此真空镀膜室内大部分空间无等离子体的离子，等离子体分布及不均匀。而热丝增强作用，使离化气体均匀分布于真空镀膜室各部分，增加了真空镀膜室内等离子体密度的同时，解决了等离子体分布不均匀性问题。

见图1、图2，被镀工件10置于真空镀膜室2中，通过控制系统开启真空泵3，将真空镀膜室2内的气压抽至10-3Pa以下(由真空控制系统测量)，开启气路系统，向真空镀膜室2充入氩气，使其稳定在0.1～2Pa，然后磁控靶5上通过溅射电源6施加直流电压(200～600V)，溅射清洗靶表面。在真空状态下，首先升温到大于300℃以上，在工件架1上加脉冲偏压(100～400V)(通过偏压电源7)，开启热丝电源8，使热丝线9电流大于20A，电压大于80V，清洗工件。最后通入Ar+N₂，镀膜。

真空镀膜室2中，Ar与热丝电子碰撞，发生辉光放电，在施加于工件架1上的脉冲偏压作用下，Ar离子轰击工件，达到清洗工件目的。磁控靶5阴极放电子，电子受磁场约束，与靶面附近Ar原子碰撞，使之发生电离。Ar离子受阴极靶吸引，撞击靶面，使靶面金属粒子被溅射，以一定速度飞离靶体。此时如果靶表面有一定污染物或杂质，则会同时被溅射掉，因此达到清洗靶面的目的。Ar+N₂混合气体通入后，Ar+N₂同时受靶面附近磁场约束的电子作用而离化。被离化的气体阳离子再次被阴极靶所吸引而溅射靶体的金属粒子飞离靶面。同时热丝电子也使Ar+N₂混合气体离化，分布于真空镀膜室2中，与靶金属粒子在工件表面反应形成氮化物陶瓷薄膜。

在此过程中，靶面前反应的阳离子有在磁控靶靶面聚集的倾向，对气体流量的控制成为防止靶中毒的关键。

发明内容

为克服现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种预防靶中毒的等离子体增强磁控溅射设备，可以防止靶中毒，同时可对各种绝缘材料和导电材料的工件表面进行镀膜。

为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种预防靶中毒的等离子体增强磁控溅射设备，包括工件架、磁控靶、热丝线、真空镀膜室、反应气体气路管、惰性气体气路管，工件设置在工件架内，四个磁控靶均布在真空镀膜室四周，热丝线、反应气体气路管、惰性气体气路管设置在真空镀膜室内，惰性气体气路管竖直分布在四个磁控靶两侧；反应气体气路管为两个环形气路，分别设置在真空镀膜室顶部和底部，反应气体气路管、惰性气体气路管上均设有气孔。

所述的反应气体气路管、惰性气体气路管均为EP级内抛光管1/4″。

所述的惰性气体气路管底部的气孔分布较疏，顶部的气孔分布较密。

所述的反应气体气路管上远离真空泵的气孔分布较密，靠近真空泵的气孔分布较疏。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本设备由两路充气系统构成，将惰性气体气路与反应气体气路分开；反应气体气路不锈钢管上距真空泵较远处气孔较密、近处气孔较疏，实现反应气流流向控制，即反应气流横穿工件架后才能被真空泵抽离真空室，实现反应气流流向控制，以平衡磁控阴极靶放电电离惰性气体，有效预防了靶面反应气体粒子的聚集，从而预防了由于靶面反应气体粒子聚集造成靶面中毒现象的发生，使得反应磁控溅射的迟滞反应中毒点软化，可在过量反应气体条件下制备氮化物陶瓷薄膜。

附图说明

图1是原有磁控溅射设备俯视图。

图2是原有磁控溅射设备主视图。

图3是本实用新型的俯视图。

图4是本实用新型的主视图。

图中：1-工件架 2-真空镀膜室 3-真空泵 4-气路管 4-1-反映气体气路管 4-2-惰性气体气路管 5-磁控靶 6-溅射电源 7-偏压电源 8-热丝电源 9-热丝线 10-工件。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型进行详细地描述，但是应该指出本实用新型的实施不限于以下的实施方式。

见图3、图4，一种预防靶中毒的等离子体增强磁控溅射设备，包括工件架1、磁控靶5、热丝线9、真空镀膜室2、反应气体气路管4-1、惰性气体气路管4-2，工件10设置在工件架1内，四个磁控靶5均布在真空镀膜室2四周，热丝线9、反应气体气路管4-1、惰性气体气路管4-2设置在真空镀膜室2内，惰性气体气路管4-2竖直分布在四个磁控靶5两侧；反应气体气路管4-1为两个环形气路，分别设置在真空镀膜室2顶部和底部，反应气体气路管4-1、惰性气体气路管4-2上均设有气孔。

其中，反应气体气路管4-1、惰性气体气路管4-2均为EP级内抛光管1/4″。惰性气体气路管4-2底部的气孔分布较疏，顶部的气孔分布较密。反应气体气路管4-1上远离真空泵3的气孔分布较密，靠近真空泵3的气孔分布较疏。

气路管4由反应气体气路管4-1和惰性气体气路管4-2组成，气路管4分别位于靶前及真空镀膜室2顶部、底部。磁控靶5与溅射电源6相连，阴极靶放射电子首先与磁控靶5前两侧的惰性气体碰撞、使之离化，惰性气体离子受阴极吸引轰击靶材表面金属，被溅射出的金属粒子以一定速度飞向工件10。热丝与外接变压器相连，通电后使之产生热电子；同时施加在热丝上的负偏压使热电子从热丝中逸出，从热丝中逸出的电子以一定速度与反应气路中释放的气体碰撞、使之离化并分布于工件10附近。工件10表面金属粒子与反应气体离子相互作用，生成致密金属氮化物陶瓷薄膜。

工件架1接有电机，可受控进行三维旋转，目的是使工件10上生长出均匀性薄膜。当增加磁控靶5电流强度时，则靶面附近受磁场控制区域电子密度增加，惰性气体离化率随之升高，靶材被溅射速率增大。当增加热丝线9电流强度时，则热丝线9中热电子活动能力增大；在热丝线9上施加一定负偏压后，热丝线9的放电电流强度增大，因此真空镀膜室2内反应气体的离化率提高。工件架1上的自漂移负电位或施加在其上的负电位会吸引反应阳离子，从而使工件10上的偏流密度升高，有利于制备出结构更致密的陶瓷薄膜。

Claims (4)

1.一种预防靶中毒的等离子体增强磁控溅射设备，包括工件架、磁控靶、热丝线、真空镀膜室、反应气体气路管、惰性气体气路管，工件设置在工件架内，四个磁控靶均布在真空镀膜室四周，热丝线、反应气体气路管、惰性气体气路管设置在真空镀膜室内，其特征在于，惰性气体气路管竖直分布在四个磁控靶两侧；反应气体气路管为两个环形气路，分别设置在真空镀膜室顶部和底部，反应气体气路管、惰性气体气路管上均设有气孔。

2.根据权利要求1所述的一种预防靶中毒的等离子体增强磁控溅射设备，其特征在于，所述的反应气体气路管、惰性气体气路管均为EP级内抛光管1/4″。

3.根据权利要求1所述的一种预防靶中毒的等离子体增强磁控溅射设备，其特征在于，所述的惰性气体气路管底部的气孔分布较疏，顶部的气孔分布较密。

4.根据权利要求1所述的一种预防靶中毒的等离子体增强磁控溅射设备，其特征在于，所述的反应气体气路管上远离真空泵的气孔分布较密，靠近真空泵的气孔分布较疏。