CN87106947A - 分离磁体式平面磁控溅射源 - Google Patents

Abstract

一种分离磁体式平面磁控溅射源，其特征是它含有一个位于阴极靶[4]外侧的固定式圆环形磁体[2]和一个或若干个作圆周运动的内磁组件构成的磁场源，以及一个优先冷却阴极靶[4]的水冷器。

本溅射源能产生一个或多个作圆周运动的扇形等离子体闭合环，或者产生一个能旋转的∞字形等离子体闭合环。同已有的平面磁控溅射源比较，具有靶面有效溅射区域大、溅射刻蚀均匀、靶材利用率高、薄膜的等厚度沉积面积大等优点。

Description

本发明涉及一种溅射镀覆的专用设备。

平面磁控溅射源广泛应用于集成电路、磁泡器件、约瑟夫逊器件、声学与光学器件、机械零件、塑料制品等的表面镀膜。

磁控溅射源所产生的等离子体环的状态，直接关系到阴极靶的溅射刻蚀轨迹和靶材的利用率等。常用的平面磁控溅射源其等离子区呈闭合的空间圆环或椭圆环状，阴极靶溅射轨迹为相应的圆环或椭圆环。这种溅射源的靶材利用率很低，环内、外的大部份面积靶面无法充分利用。研其原因，在于磁场源设计欠合理。

针对上述问题，美国Varian公司于1985年提出了一种磁场源可以转动的平面磁控溅射源，该溅射源主要由一个可绕轴心旋转的圆形磁场源，一个阴极靶，一个水冷器，以及一个接地的兼作阳极用的屏蔽罩等组成。其磁场源由一对极性相反的圆环形磁钢构成，置于阴极靶下部的水冷套中，偏心地固接在转轴上，转轴旋转时，磁场源上方形成的等离子环绕轴心在阴极靶面作圆周扫描运动，约有60%的阴极靶靶面获得等离子体环的扫描刻蚀，靶材利用率达到55%左右。

该溅射源已应用工业生产，但存在以下缺陷：

1、靶面上存在较大的溅射死区。因为磁控溅射源能对溅射作出贡献的只是与靶面相平行的水平磁场分量，而处于磁体顶部的靶面主要存在垂直磁场分量，垂直磁场分量对于溅射不作贡献。尽管采用转动扫描，这种溅射源的阴极靶的边缘仍有一条宽度比磁场源外磁体宽度大的环形面积得不到溅射。

2、存在靶面刻蚀的不均匀性。由于不同半径的点其线速度不相同，旋转时，致使靶面上的环形溅射刻蚀区刻蚀深度存在内深外浅的弊病。这种刻蚀的不均匀性限制了靶材利用率的进一步提高，同时造成等厚度沉积区域变小。

3、采用的屏蔽罩其端口口径远小于溅射区的外缘，以档住自非均匀溅射区逸出的靶原子，其等厚沉积面积远小于溅射区。

本发明的目的在于提供一种令部份磁体作圆周扫描运动，获得大幅度提高溅射区宽度、靶材利用率以及薄膜的等厚度沉积面积的分离磁体式平面磁控溅射源。

图面说明：

图1为分离磁体式平面磁控溅射源的结构示意图，图中1-内磁组件，1′-外磁体，1″-内磁体，1″′-极靴，2-固定式圆环形磁体，3-水冷套，4-阴极靶，5-压环，6-转轴，7-转盘，8-屏蔽罩，9-O形密封圈，10-密封圈，11-绝缘环，12-底盘，13-密封圈，14-进水管，15-动密封组件，16-铜质出水管，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ-水腔。

图2为图1的A-A剖视图。表示产生一个扇形可旋转的等离子体闭合环的分离式平面磁控溅射源的磁场源布置示意图，图中标记与图1相同。

图3为产生多个扇形可旋转的等离子体闭合环的磁场源布置示意图，图中标记与图1相同。

图4为产生一个∞字形可旋转的等离子体闭合环的磁场源布置示意图，图中标记与图1相同。

图5为溅射刻蚀后的平面阴极靶〔4〕的形貌图。

以下结合附图说明本发明的详细内容，但发明内容不限于附图说明。

分离磁体式平面磁控溅射源的工作原理示于图1，圆环形磁体〔2〕和偏心的内磁组件〔1〕在阴极靶〔4〕一侧的上方产生一个偏心的扇形磁势阱，磁场与电场在该处正交形成一个偏心的扇形等离子体闭合环，正离子轰击阴极靶〔4〕的靶面，从靶面溅射出的靶原子沉积在位于靶上方的被镀复工件上。由于转轴〔6〕带动内磁组件〔1〕作圆周扫描运动，偏心的扇形等离子闭合环亦同步地作出圆周扫描运动，阴极靶〔4〕受到均匀的溅射刻蚀，被镀复工件表面沉积等厚性良好的薄膜。若以一个∞字形旋转的等离子闭合环溅射，靶面同样受到均匀的溅射刻蚀。

如图1所示，本发明的分离磁体式平面磁控溅射源含有一个可作圆周运动的内磁组件〔1〕，一个固定式圆环形磁体〔2〕，一个优先冷却平面阴极靶〔4〕底部的水冷器，一个平面阴极靶〔4〕，一个压环〔5〕，一个底盘〔12〕，一个屏蔽罩〔8〕，以及一个带动内磁组件〔1〕和转盘〔7〕作旋转运动的转轴〔6〕。下部垫有密封圈〔10〕、绝缘环〔11〕和密封圈〔13〕的水冷套〔3〕通过若干个螺钉固定在底盘〔12〕上，设有动密封组件〔15〕的转轴〔6〕固定在水冷套〔3〕的下部，其上部开有一个中心深孔和横向通水孔，上端布置一个带有水腔〔Ⅱ〕的转盘〔7〕，下端为拖动端。

磁场源由一个布置在水冷套〔3〕外侧的固定式圆环形磁体〔2〕和由转轴〔6〕带动旋转的内磁组件〔1〕组成，内磁组件〔1〕由一个固定在转盘〔7〕上的极靴〔1″′〕和布置极靴〔1″′〕上的一个或若干个外磁体〔1′〕、内磁体〔1″〕构成，内磁体〔1″〕布置在外磁体〔1′〕的内侧，其极性与外磁体〔1′〕、固定式圆环形磁体相反。

图2所示磁场源，能产生一个扇形可旋转的等离子体闭合环，该磁场源的内磁组件〔1〕含有一个偏心的极靴〔1″′〕以及布置在极靶〔1″′〕上的一个V形外磁体〔1′〕、一个布置在V形外磁体〔1′〕内侧的内磁体〔1″〕。内磁体〔1″〕的极性与外磁体〔1′〕、圆环形磁体〔2〕相反。

图3所示的磁场源，能产生多个扇形可旋转的等离子体闭合环，其内磁组件〔1〕含有一个共用极靴〔1″′〕，以及布置在该极靴上的多个V形外磁体〔1′〕、内磁体〔1″〕。

图4所示的磁场源，能产生∞字形的等离子体闭合环，其内磁组件〔1〕的圆盘状极靴〔1″′〕上布置2个朝向相反的呈ω形的外磁体〔1′〕和一个其形状与外磁体〔1′〕相适应的内磁体〔1″〕。

平面形阴极靶〔4〕布置在一个带有O形密封圈〔9〕的铜质水冷套〔3〕上，用压环〔5〕固定。阴极靶〔4〕的外径与圆环形磁体〔2〕的内径相同。

一个端口尺寸略小于阴极靶〔4〕的屏蔽罩〔8〕固定在底盘〔12〕上，该屏蔽罩〔8〕用于限制等离子区域，同时兼作阳极，为接地电位。

阴极靶〔4〕的水冷器结构如图1所示，为了达到冷却水优先冷却溅射区的目的，在动密封组件〔15〕内部布置1个水腔〔Ⅰ〕，转盘〔7〕上布置1个水腔〔Ⅱ〕，内磁体〔1″〕与外磁体〔Ⅰ′〕构成水腔〔Ⅲ〕，水冷套〔3〕内的其余空间为水腔〔Ⅳ〕，内磁组件〔1〕与阴极靶〔4〕、铜质水冷套〔3〕之间的间隙为1mm左右，动密封组件〔15〕上开有一个横向通水孔，转轴〔6〕的上部开有一个轴向中心深孔以及分别沟通水腔〔Ⅰ〕、〔Ⅱ〕的辐向孔，位于水腔〔Ⅱ〕、〔Ⅲ〕间的极靴处开有通孔。自进水管〔14〕引入的冷却水经过水腔〔Ⅰ〕、转轴〔6〕的中心深孔、水腔〔Ⅱ〕，进入水腔〔Ⅲ〕並溢出至水腔〔Ⅳ〕内，由铜质出水管〔16〕引出。由于水腔〔Ⅲ〕与靶底间的间隙很小，溢出的冷却水直接冷却了阴极靶的溅射区，转轴〔6〕、转盘〔7〕及进水管〔14〕均用非磁性的不锈钢制成。

本发明的特征是所采用的磁场源含有一个固定式的圆环形磁体〔2〕和一个或若干个作圆周扫描运动的内磁组件〔1〕，每一个内磁组件〔1〕由外磁体〔1′〕和位于外磁体〔1′〕内侧的内磁体〔1″〕组成，内磁体〔1″〕的极性与外磁体〔1′〕、圆环形磁体〔2〕相反。同时采用一个优先冷却溅射区的水冷器

本溅射源的水冷套〔3〕、内磁组件〔1〕、圆环形磁体〔2〕、转轴〔6〕、进水管〔14〕、出水管〔16〕以及压环〔5〕等的电位与阴极靶〔4〕的电位相同。

图5为扇形的可旋转的等离子体闭合环情况下，阴极靶〔4〕的溅射刻蚀轨迹图。

本发明的溅射源同已有的平面磁控溅射源比较，具有下列优点：

1、靶面有效溅射区域大，90%以上的靶面能受到溅射刻蚀。而已有的有效溅射区为靶面40～60%。

2、能建立一个或多个作圆周扫描运动的扇形等离子体闭合环，使靶材利用率提高，溅射刻蚀均匀，薄膜的等厚度沉积面积更大。而已有技术仅能产生一个圆环形的等离子体闭合环，效果较差。

3、能建立一个∞字形可旋转的等离子体闭合环，可对平面靶的中心靶面产生均匀的溅射刻蚀，而已有的溅射源没有这功能。

4、采用优先冷却溅射区的水冷装置，对阴极靶〔4〕的冷却效果更佳。

5、采用一个布置在阴极靶〔4〕外侧的固定式圆环形磁体〔2〕，使溅射区最大限度地扩展到靶面的外缘，有效地提高靶利用率，同时使运动磁体的重量大幅度减轻。这对于采用大面积阴极靶〔4〕的溅射源来说，本优点显得更为突出。而已有的溅射源，其磁场源所用的磁体为全部运动的或者全部不动的。

6、由于等离子体是作圆周运动的，被镀工件，特别是超大面积的被镀工件可静止布置而获得膜厚均匀的沉积薄膜，从而简化工件的转动装置，並缩小镀膜机钟罩尺寸。

7、若圆形平面靶采用若干块不同材质的扇形体拼成，则可用于溅射合金膜，具有共溅沉膜溅射源的功能。

8、若圆形平面靶采用若干个不同材质的扇形体拼成，配置合适的档板，便可用于溅射多层膜，成为一枪多源式的磁控溅射源。

实施例：

如图1和图3所示的分离式平面磁控溅射源，固定式圆环形磁体〔2〕环内径为200mm，布置4个能产生扇形等离子体闭合环的内磁组件〔1〕，阴极靶〔4〕直径为φ200mm，厚10mm，用纯铝制成，溅射功率为5kw（D·C），工件尺寸为φ200mm，靶面与工件间距离为100mm。转轴〔6〕的转速为60转/分。

实测结果：有效溅射区范围0～195mm，溅射区面积占靶面的92%，工件上沉积膜的等厚特性：在φ180mm范围内均匀性为±5%。靶材刻蚀程度：最深处为7mm，最浅处为6mm。

Claims (6)

1、一种由转轴、磁场源、平面形阴极靶、水冷器以及屏蔽罩组成的分离磁体式平面磁控溅射源，其特征在于该溅射源包含一个由固定式圆环形磁体[2]和一个或者若干个作圆周运动的内磁组件[1]构成分离磁体式磁场源，以及一个优先冷却阴极靶[4]的溅射区的水冷器。

2、按照权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于所述的圆环形磁体〔2〕布置在阴极靶〔4〕和水冷套〔3〕的外侧。

3、按照权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于所述的内磁组件〔1〕由一个固定在转盘〔7〕上的极靴〔1″′〕和布置在极靴〔1″′〕上的一个或若干个外磁体〔1′〕以及位于外磁体〔1′〕内侧的内磁体〔1″〕组成，该内磁体〔1′〕的极性与外磁体〔1′〕、圆环形磁体〔2〕相反。

4、按照权利要求3所述的磁控溅射源，其特征在于用于产生扇形等离子体闭合环的外磁体〔1′〕呈V形，内磁体〔1″〕呈扇形。

5、按照权利要求3所述的磁控溅射源，其特征在于可产生∞字形等离子体闭合环的内磁组件采用2个朝向相反的ω形外磁件〔1′〕和一个形状同外磁体〔1′〕相适应的内磁体〔1″〕。

6、按照权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于水冷器的冷却水自进水管〔14〕引入，经过水腔〔Ⅰ〕、转轴〔6〕的中心深孔、水腔〔Ⅱ〕，进入水腔〔Ⅲ〕，从内磁组件〔1〕的顶部溢出到水腔〔Ⅳ〕内，由铜质出水管〔16〕引出。

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