CN2890079Y - 一种磁控管溅射装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及真空镀膜磁控溅射沉积技术，更具体地，涉及一种在真空溅射镀膜时使用的溅射装置，包括：磁控管(1)和电磁线圈(6)，彼此同轴相对放置，其中电磁线圈(6)可以沿着磁控管(1)中心轴线远近移动。通过控制电磁线圈(6)的电流大小及方向，和改变电磁线圈与磁控管的相对位置，可以方便有效地改变磁控管和基片区域的磁场位形分布，改变基片区域的等离子体密度。此外当电磁线圈(6)通以低频交流电时，靶材表面的刻蚀跑道变宽，刻蚀更均匀，可以简单有效的提高靶材利用率，同时可以改善沉积薄膜的厚度和性能在空间上的不均匀。本实用新型具有结构简单，方便、易操作等特点。

Description

一种磁控管溅射装置

技术领域

本实用新型涉及真空镀膜磁控溅射沉积技术，更具体地，涉及一种在真空溅射镀膜时使用的磁控管溅射装置，以及使用这种装置磁控溅射的方法。

背景技术

磁控溅射镀膜是工业镀膜生产中最主要的技术之一，尤其适合于大面积镀膜生产。生产中需特别关注靶材利用率、沉积薄膜均匀性、基片区域等离子体密度等方面的问题。

通常磁控管是分平衡态和非平衡态的，平衡态磁控管内外磁体磁通量大致相等，磁力线在磁控靶面闭合，将等离子体(主要是电子)约束于靶面附近，增加碰撞几率，提高了离化效率，因而能在较低的工作气压和电压下就能起弧和维持辉光放电，而且同时减少等离子体对基片的轰击，基片所受离子轰击小，饱和离子电流密度小，通常约在～10^-1mA/cm²量级，利于实现低温沉积；另一方面，有时镀膜需要增强基片区域的等离子体密度以及反应气体的离化率。为了满足这个需要，人们发明了非平衡磁控溅射技术，即让磁控靶表面的磁力线不闭合，磁力线可沿靶的边缘扩展到基片区域，从而部分电子以及离子可以沿着磁力线扩展到基片，增加了基片区域的电离率和等离子体密度，基片处饱和离子电流密度大，通常可以达到～1-10mA/cm²量级。但是也存在一些问题：一方面，为了增加基片区域电离率和等离子体密度，过度发散磁控靶表面的磁力线，有可能不能有效地将电子/等离子体约束在磁控靶面之前，也即离化工作气体的能力较低，因而造成磁控管的阻抗较高，磁控管起辉困难和功率密度过小；另一方面，磁控管内永磁体所产生的磁场强度衰减很快，在距离靶面几个厘米之外的基片区域的场强只有几个高斯，难以对基片区域电子和离子运动产生较大影响；最后，要满足沉积不同薄膜，可能需要不同非平衡度的磁控靶(也即基片区域不同等离子体密度)，而用同一固定磁控溅射靶有时难以满足要求。

变化磁控管的非平衡度主要通过改变磁控管磁场结构，如调节磁控管内外永磁铁磁场强度比值，或者用电磁线圈代替磁体，如德国SINGULUSTECHNOLOGIES公司的“智能阴极”技术，在电极室中设计了两个电磁线圈，通过调节溅射功率，溅射时间和流过电磁线圈的电流，可以优化整个溅射过程。通过调节两步中的电磁线圈电流，几乎可以优化任何一种新材料的镀制。但是由于磁控管内部空间的限制，电磁线圈尺寸大小有限制，相应的磁场强度也得到限制，此外为了达到对溅射过程的有效控制，整个设备的设计和制造有一定难度。

此外磁控管的非均匀等离子体溅射也本质上决定了靶材的非均匀刻蚀，靶材利用率不高；以及沉积粒子流量(大致表现为薄膜沉积速率)和能量分布的空间非均匀性，造成大面积沉积薄膜的厚度和性能在空间上的不均匀。提高靶材利用率的方法也大致分为静态方法和动态方法：前者主要是优化磁控管的磁路结构设计；后者动态方法主要是通过移动磁轭和移动磁体(移动方式又分旋转和往复)，主要原理都是动态的改变靶面磁场，改变靶面局域等离子体刻蚀区域，达到增加靶材刻蚀范围，有效的提高靶材利用率，但是同时也存在增加了磁控管的结构复杂性以及制造难度等问题。

需要一种装置、方法既可以方便的根据不同镀膜需要，随时改变磁控靶的非平衡度，增强或者减弱基片处的离子轰击强度、等离子体密度，此外同时也可以增加靶材利用率，改善大面积沉积薄膜的厚度和性能在空间上的不均匀。

实用新型内容

为了满足这种需要，本实用新型提供一种磁控管溅射装置及其使用方法，采用外加电磁线圈一方面可以方便有效的根据镀膜需要调整磁控管的非平衡度，增强或者减弱基片处的离子轰击，可以放置在磁控管附近，或基片处，或磁控管与基片之间的某一位置等，并通过改变电磁线圈电流大小和方向可以方便的控制实现；另一方面对放置在磁控管附近电磁线圈，通以低频交流电，可以简单有效的提高靶材利用率，并同时改善大面积沉积薄膜的厚度和性能在空间上的不均匀。

本实用新型的技术方案是：

一种用于在真空溅射区内使用的溅射装置类型A：

由磁控管和电磁线圈两个部分组成，所述两个装置彼此同轴放置；电磁线圈，可以沿着磁控管中心线的远近移动来控制与磁控管的位置，可以调节电磁线圈的电流大小及方向，产生一个同轴的辅助磁场(场强大致在几十到几百高斯的范围内)。所述磁控管可以是平衡态磁控管，也可以是非平衡态平面磁控管，所述磁控管可以是圆形平面磁控管，也可以是矩形平面磁控管。所述的电磁线圈可以是圆形也可以是矩形。所述的电磁线圈可以沿着磁控管中心线的远近移动来控制与磁控管的位置或者放置在磁控管或基片附近。所述的电磁线圈所施加的励磁电流包括直流电流，其方向和大小可以改变，电流大小变化范围在使电磁线圈产生10-500高斯强度；所述的电磁线圈所施加的励磁电流还包括低频交流，低频范围为10-1000Hz，电流大小和频率可以改变，电流大小变化范围在使电磁线圈产生10-500高斯强度内。

用于在真空溅射区内使用的装置类型B：

由磁控管和一对电磁线圈两个部分组成，彼此同轴放置，其中一电磁线圈，沿着磁控管中心轴线放置在磁控管外侧；另一电磁线圈，放置在基片处；可以调节电磁线圈的电流大小及方向，产生一个同轴的辅助磁场。所述的电磁线圈可以是圆形也可以是矩形。所述的磁控管前电磁线圈所施加的励磁电流是低频交流，频率为10-1000Hz，电流大小和频率可以调节；基片处电磁线圈所施加的励磁电流是直流或低频交流，直流电流方向和大小可以调节，电流大小变化范围在使电磁线圈产生10-500高斯强度内，低频交流电流大小和频率可以调节，频率为10-1000Hz，电流大小变化范围在使电磁线圈产生10-500高斯强度内。所述磁控管的靶材可以是金属、合金及氧化物氮化物等陶瓷靶材。

本实用新型的优点如下：

1.本实用新型采用了电磁线圈装置采用外加电磁线圈可以有效方便的根据镀膜需要实时调整磁控管的非平衡度，也即实时改变基片区域所受等离子体轰击强度。

2.相对于直接调整磁控管，采用调节外加电磁线圈电流可以在更大范围内(跨一个数量级)改变基片处的饱和离子电流密度，也即离子通量，而同时基片悬浮电压在小范围内变动，也即能保持低能离子能量轰击。

3.当电磁线圈通以低频交流电的时候，可以简单有效的提高靶材利用率，并同时改善大面积沉积薄膜的厚度和性能在空间上的不均匀。

4.本实用新型还具有结构简单、安装操作方便、制造成本低的优点。

附图说明

图1.本实用新型装置类型A真空室内部分装置剖面示意图；

图2.本实用新型装置类型B真空室内部分装置剖面示意图；

图3.装置类型A电磁线圈放置在磁控管附近时磁场位形分布示意图(剖面右半部分视图)；

图4.装置类型A电磁线圈放置在基片附近时磁场位形分布示意图(剖面右半部分视图)；

图5.装置类型A电磁线圈放置在磁控管附近时靶材面磁力线与水平方向夹角的分布；

图6.装置类型A电磁线圈放置在基片附近时靶材面磁力线与水平方向夹角的分布；

图7.装置类型A电磁线圈放置在磁控管附近时磁控管非平衡度随线圈电流大小方向的变化；

图8.装置类型A电磁线圈放置在磁控管附近时基片中心饱和离子电流密度和悬浮电位；

图9.装置类型A电磁线圈放置在基片附近时基片中心饱和离子电流密度和悬浮电位；

图10.装置类型B磁场位形分布示意图之一(剖面右半部分视图)；

图11.装置类型B磁场位形分布示意图之二(剖面右半部分视图)；

图中，1磁控管；2靶材；3外磁体；4中心磁体；5基片；6电磁线圈；7电磁线圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明：

本实用新型装置类型A真空室内部分装置剖面示意图如图1所示：磁控管溅射装置包括磁控管1和电磁线圈6，磁控管1包括靶材2、中心磁体4和外磁体3；基片5放置在磁控管1的对面；电磁线圈6沿着磁控管1中心轴线放置，并可以向基片5方向来回移动或固定。

磁控管1中，可以通过调节中心磁体4、外磁体3的相对磁通量，将磁控管设置为平衡态或非平衡态磁控管。电磁线圈6围绕着磁控管1，当电磁线圈6通以电流时激发产生一个与磁控管1同轴的附加磁场(通常场强在几十到几百高斯的范围内)。当附加磁场的方向和磁控管1的中心磁体4的极性相同时，磁力线趋向于闭合在靶材2前，磁控管1趋向平衡态，反之，当附加磁场的方向和磁控管1中外磁体3的极性相同时，磁力线趋向于发散，部分磁力线发散到基片区域，磁控管1趋向非平衡态。本实用新型采用电磁线圈6的一个优点就是可以很方便简单的根据镀膜需要，只需通过改变电磁线圈6电流大小或者方向，就可以实时的调节磁控管1的非平衡度(如图7所示，其中为了衡量磁控管的非平衡度，在此引入几何非平衡系数K_G来度量即：K_G＝2Z₀/W，其中，Z₀为磁场零点到磁体(磁体)上表面的距离，W为两外围磁体之间距离)，也即改变基片区域所受等离子体轰击的强度(如图8或9)。从图7中可以看出可以通过调节电流参数方便的得到所需要非平衡度的磁控管(通以不同的线圈电流对应着不同的非平衡度)。此外调节外加电磁线圈电流可以在相当大范围内(跨一个数量级)改变基片处的饱和离子电流密度(即离子通量)，而同时基片悬浮电压在小范围内变动(实例结果中不超过15V)，也即能保持低能离子能量轰击(如图8、9所示)。

此外，电磁线圈6所放置的位置不同，对靶材2或基片5区域的磁场位形分布影响也不同。磁控管内磁体所产生的磁场强度衰减很快，在距离靶面几个厘米之外基片区域，场强只有几个高斯，难以对离子运动产生较大影响。当电磁线圈6放置在磁控管1附近的时候，如图3所示(图中所示意的磁控管是圆形平面磁控管，呈轴对称，因此只给出剖面右半部分视图，下同)，电磁线圈通以电流之后，可以一定程度的增强基片区域的场强；而当电磁线圈6放置在基片5附近的时候，如图4所示，电磁线圈通以相同励磁电流的情况下，基片区域的场强相比显著增强，并且更多更均匀的磁力线穿过基片区域，意味着基片区域等离子体密度得以显著增强。

这一点从实例中采用朗缪尔探针测量结果也可以证实。实例中溅射靶材为ZnAl合金靶，直径80mm，溅射电压为320V，溅射功率密度约为1.5W/cm²，靶基距为7cm。如图8是电磁线圈放置在磁控管附近时的变化曲线。随着电磁线圈电流由0.5A向-2A变化，基片中心处探针(正对磁控管中心位置)电流密度由～100μA/cm²升至～900μA/cm²，变化了9倍左右，同时基片悬浮电压也由8V升到23V；此外工作压强对两者的影响不甚明显，当压强较低时饱和离子电流和基片悬浮电压略高。图9是电磁线圈放置在基片附近时的变化曲线，随着电磁线圈电流变化，幅度相同，也由2A向-2A变化，基片处探针电流密度由～90μA/cm²升至～1800μA/cm²，增加了20倍左右，相对于电磁线圈放置在磁控管附近时基片饱和离子电流变化几乎大一倍，说明是基片区域磁场线更为发散以及磁场强度更强的结果，这也可以从图4中磁场磁力线分布图看出；同时基片悬浮电压也由5V到23V之间变化，当电磁线圈电流由0变化为-2A时，对应着磁控管由平衡态向非平衡态的转变，相对于电磁线圈放置在磁控管附近时，基片悬浮电压的变化更为缓慢，这可能是由于此时电磁线圈磁场对磁控靶材面磁场区域影响更小的结果(如图9所示)。此外工作压强对两者的影响也不甚明显，当压强较低时饱和离子电流和基片悬浮电压略高。因此从可以大幅度调节改变基片饱和离子电流密度的角度，电磁线圈适合放置在基片附近。本实用新型采用一个可以移动的电磁线圈的一个优点也是可以根据不同参数需要调节电磁线圈位置。

本实用新型还提出了一种利用电磁线圈装置提高靶材利用率的方法。当电磁线圈6放置在磁控管1附近时，如图5所示：实例中当电磁线圈电流在-2A至2A之间的某一值变化时，虽然磁力线水平区域(磁力线水平区域在此定义为靶材表面磁力线与水平方向夹角θ小于20度的范围)绝对宽度变化很小(实例中电磁线圈电流为2A时对应为极端平衡态磁控管，磁力线水平区域绝对宽度约为7mm；电磁线圈电流为-2A时对应为极端非平衡态磁控管，磁力线水平区域绝对宽度约为6mm)，但是随着电磁线圈电流在-2A至2A之间变化，磁力线水平区域和靶材面磁场垂直分量零点相对于靶材面是横向左右移动的，磁力线水平区域宽度从6mm增加至10mm，约增加67％，意味着刻蚀范围也明显扩大。我们知道横向刻蚀最快通常发生在靶材面磁场垂直分量为零的地方，因此通过调节改变电磁线圈电流/施加以低频交流电可以方便的改变靶材刻蚀最深点位置以及刻蚀区域，这样当对电磁线圈通以低频交流电(实例中频率为工频，50Hz)的时候，靶前约束的局域强等离子体左右的来回快速移动，显著扩宽刻蚀跑道，变换靶材刻蚀最深点，相对于其他方法，简单有效的提高了靶材利用率。

另外，随着电磁线圈6沿磁控管1中心轴向基片5移动，靶材面横向磁场均匀性的变化不大，变化电磁线圈电流都可以在相当程度上改变靶材面磁力线水平区域左右移动范围；但同等程度的变化电磁线圈电流对改变靶材面磁力线水平区域左右移动的范围逐渐变小，当电磁线圈6靠近基片5附近时，相对于在磁控管附近，靶材面磁力线水平区域随低频交流左右移动的范围明显缩小，如图6所示。因此，从提高靶材利用率的角度来看，电磁线圈6放置在磁控管1附近更为合适的。

此外，当电磁线圈通低频交流电流时，如电流在-2A至2A之间变化，磁力线水平区域相对于靶材面是横向内外往复快速移动的，也即靶前约束的局域强等离子体是横向内外往复移动的，在横向空间上更均匀，这样在扩大刻蚀范围，提高靶材利用率的同时，基片上沉积的薄膜厚度和性能在空间上的均匀性也得到改善。

本实用新型装置类型B真空室内部分装置剖面示意图如图2所示：磁控管溅射装置包括磁控管1和一对电磁线圈6、7，磁控管1包括靶材2、中心磁体4和外磁体3；基片5放置在磁控管1的对面；一对电磁线圈6、7沿着磁控管1中心轴线分别放置在磁控管和基片附近。由先前所述，我们知道从提高靶材利用率的角度，电磁线圈6通上低频交流电，并适合放置在磁控管1附近；从可以大幅度调节改变基片饱和离子电流密度的角度，电磁线圈6适合放置在基片5附近。因此本实用新型提出另一种装置类型B：采用一对电磁线圈6、7，将它们分别放置于磁控管1和基片5附近。电磁线圈6通以低频交流电(电流大小和频率可以调节)，电磁线圈7通以直流或者低频交流电(电流大小、方向或频率可以变化)。这样可以结合两者的优点，既可以在提高靶材2利用率的同时，也能大幅度的实时调节基片5区域的等离子体密度。图10、11分别是当电磁线圈7通以某一恒定直流电流，电磁线圈6通以低频交流电时，不同时间段靶材面以及基片区域磁场位形分布示意图，其中图10是对应于磁控管处于非平衡态，图11是对应于磁控管处于平衡态。

Claims (8)

1.一种磁控管溅射装置，其特征在于：

包括磁控管(1)和电磁线圈(6)两个部分，所述两个装置同轴相对放置；

所述的电磁线圈(6)沿磁控管(1)中心线移动放置在磁控管(1)外侧或基片(5)旁或两者之间的任一位置；调节电磁线圈的电流大小及方向，产生一个与磁控管同轴的辅助磁场。

2.按权利要求1所述的磁控管溅射装置，其特征在于：所述磁控管(1)是平衡态磁控管或非平态磁控管。

3.按权利要求1所述的磁控管溅射装置，其特征在于：所述磁控管(1)是圆形平面磁控溅射靶或矩形平面磁控溅射靶。

4.按权利要求1所述的磁控管溅射装置，其特征在于：所述的电磁线圈(6)是圆形或矩形。

5.按权利要求1所述的磁控管溅射装置，其特征在于：所述的电磁线圈(6)所施加的励磁电流包括直流电流，其方向和大小可以改变，电流大小变化范围在使电磁线圈产生10-500高斯强度；所述的电磁线圈(6)所施加的励磁电流还包括低频交流，低频范围为10-1000Hz，电流大小和频率可以改变，电流大小变化范围在使电磁线圈产生10-500高斯强度内。

6.一种磁控管溅射装置，其特征在于：

包括磁控管(1)和一对电磁线圈(6，7)两个部分，彼此同轴相对放置；

电磁线圈(6)，沿着磁控管(1)中心轴线放置在磁控管外侧；

电磁线圈(7)，沿着磁控管(1)中心轴线放置在基片(5)处，调节电磁线圈(6，7)的电流大小及方向，产生一个与磁控管同轴的辅助磁场。

7.按权利要求6所述的磁控管溅射装置，其特征在于：所述的电磁线圈(6，7)是圆形或矩形。

8.按权利要求6所述的磁控管溅射装置，其特征在于：所述的磁控管(1)前电磁线圈(6)所施加的励磁电流是低频交流，频率为10-1000Hz，电流大小和频率可以调节；基片(5)处电磁线圈(7)所施加的励磁电流是直流或低频交流，直流电流方向和大小可以调节，电流大小变化范围在使电磁线圈产生10-500高斯强度内，低频交流电流大小和频率可以调节，频率为10-1000Hz，电流大小变化范围在使电磁线圈产生10-500高斯强度内。

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