CN87214297U - 多源型平面磁控溅射源 - Google Patents

Abstract

一种多源型平面磁控溅射源，包含一个或多个可作旋转运动的内磁组件(6)，由若干个可拆换的异质扇形小靶拼成的阴极靶(8)。用于共溅沉积合金膜、多层膜或单质薄膜，靶材利用率达75％以上，膜层成份配比精度高，厚度均匀性好。

Description

多源型平面磁控溅射源

本发明涉及一种溅射镀覆的专用设备。

多源型平面磁控溅射源是磁控溅射镀膜机的关键部件，广泛应用于集成电路、超导器件、声学光学器件、机械零件以及塑料制品等的表面镀膜。

应用溅射镀膜机在一个工件的表面镀覆多种材料的膜层，镀膜机的真空腔体内通常布置多个溅射源。由于真空腔体的空间有限，设置溅射源的个数受到限制，若增大真空腔体体积，需采用更大型的溅射镀膜机，设备投资费用骤然增加，结构上也显得很不合理。

CN85100096A专利提出一种含有一个水冷器、多个区段靶板和多个电磁铁型的磁场源的《平面磁控溅射靶及其镀膜方法》，每一个区段靶板的材质各不相同，同一区段靶板由同质材料拼砌而成，通过调节各电磁铁的励磁电流的相对比值，使每一区段靶板表面跑道磁场相对比值发生变化，从而实现所制的合金成份在一定范围内连续调节。

这种平面磁控溅射源存在如下缺陷：

1、受其结构布局限制，难以实现多源溅射镀膜；

2、靶材利用率低。因每一个区段靶板都是静止不动的，只能在每一个区段靶板上分别刻蚀一个宽度狭窄的圆环，尽管同一区段靶板内的同质小靶可以翻转再次使用一次，其靶材利用率仍不大于40％；

3、工件表面不同部位的膜层，其合金成份配比差异较大。由于各区段靶板呈方形结构，相邻的圆形刻蚀区之间相对距离较大，若不设置复杂的工件转动装置，工件表面不同处的镀层，其合金成份配比的一致性必然较差；

4、溅射源的结构显得庞大，给安装带来不便。

本发明的目的在于提供一种可共溅沉积合金膜、沉积多层膜以及沉积单质薄膜的多源型平面磁控溅射源。

图面说明：

图1为多源型平面磁控溅射源的结构示意图。图中1－水冷器的外胆，2－下极靴，3－圆环形磁体，4－上极靴，5－反向磁体，6－由扇形极靴〔ⅰ〕、V形磁体〔ⅱ〕和扇形磁体〔ⅲ〕组成的内磁组件，7－水冷背板，8－由异质扇形材料拼成的阴极靶，9－螺钉，10－压片，11－压环，12－转轴，13－转盘，14－动密封组件，15－进水管，16－铜质出水管，17－密封圈，18－绝缘环，19－密封圈，20－固定螺钉，20－绝缘垫，21－法兰，22－屏蔽罩，23－驱动轴，24－传动齿轮，25－挡板。

图2为图1的A－A剖视图，图中标记与图1相同。

图3为图1的俯视图，图中虚线表示阴极靶〔8〕，26、27为带卡簧的从动轮，其余标记与图1相同。

图4为实施例1所用的阴极靶〔8〕的结构图。

图5为实施例2所用的阴极靶〔8〕的结构图。

工作原理：圆形平面阴极靶〔8〕由若干个异质扇形小靶拼成，磁场源在阴极靶〔8〕的一侧上方产生一个呈扇形的跑道磁场，据合金膜成份配比确定各异质扇形小靶的面积比，随位于阴极靶〔8〕下方内磁组件〔6〕转动，扇形等离子体闭合环亦在靶面上作旋转扫描，实现共溅沉积合金膜；据多层膜参数要求，以相应的异质扇形小靶拼成阴极靶〔8〕，使内磁组件〔6〕先后在不同的扇形小靶下方摆动，便可在工件表面沉积多层膜。

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。

如图1所示，本发明的多源型平面磁控溅射源含有一个由静止的外磁组件和一个或多个可作圆周运动的内磁组件〔6〕组成的磁场源，一个由若干个异质材料扇形小靶拼砌而成的圆形平面阴极靶〔8〕，一个开有一个或若干个扇形孔的能与内磁组件〔6〕作同步旋转的挡板〔25〕，一个屏蔽罩〔22〕，一个带动转盘〔13〕和内磁组件〔6〕作旋转运动的转轴〔12〕，一个优先冷却阴极靶〔8〕的溅射区的水冷器。

外磁组件含有一个用纯铁制作的圆环形的下极靴〔2〕，一个圆环形磁体〔3〕，一个用纯铁制作的上极靴〔4〕和一个反向磁体〔5〕。下极靴〔2〕和圆环形磁体〔3〕固定在水冷器的外胆〔1〕的外沉隔上。上极靴〔4〕焊接在外胆〔1〕的上端面上，两者内径相同。为使磁力线在上极靴〔4〕内侧充分饱和泄漏，在上极靴〔4〕上等间隔地布置若干块反向磁体〔5〕，使磁力线呈退拔状地指向轴心。

每一个内磁组件〔6〕含有一个纯铁制作的扇形极靴〔ⅰ〕，它与下极靴〔2〕等高度地固定在转盘〔13〕上，一个布置在扇形极靴〔ⅰ〕上的V形磁体〔ⅱ〕，其外侧面与扇形极靴〔ⅰ〕的外侧面重合，一个布置在V形磁体〔ⅱ〕内侧的扇形磁体〔ⅲ〕，它的三个外侧面与邻近零件间的间隙均等。V形磁体〔ⅱ〕与扇形磁体〔ⅲ〕的近轴心的间隙处的扇形极靴〔ⅰ〕上开有一个通水孔，扇形磁体〔ⅲ〕的极性同V形磁体〔ⅱ〕、圆环形磁体〔3〕相反，如图2所示。内磁组件〔6〕与外胆〔1〕之间的间隙远小于内磁组件〔6〕与水冷器的水冷背板〔7〕之间的间隙。

每个内磁组件〔6〕同正对它的那部分外磁组件构成了一个能在阴极靶〔8〕的一侧靶面上产生呈扇形的跑道磁场的磁场源，随着转轴〔13〕的转动，这些扇形的跑道磁场亦绕转轴〔13〕作旋转运动。

为了布置圆形平面阴极靶〔8〕而设有：一个焊接在铜质外胆〔1〕上部内侧的水冷背板〔7〕，其轴心处上部设置一个盲螺孔；一个用于压紧阴极靶〔8〕周边的环带状压环〔11〕，沿该环带均匀地布置若干个竖向通孔；一个与外胆〔1〕上端面相焊接的环带状上极靴〔4〕，对应于压环〔11〕竖向通孔的上极靴〔4〕并外胆〔1〕上部布置相应的盲螺孔。阴极靶〔8〕由若干个可拆换的异质扇形小靶拼成，其轴心处设有一个用于布置螺钉〔9〕的通孔。采用一个螺钉〔9〕、一个压片〔10〕和若干个与压环〔11〕、上极靴〔4〕、外胆〔1〕相连接的螺钉，将阴极靶〔8〕紧压在水冷背板〔7〕上。松开上述螺钉，便可更换阴极靶〔8〕或拆换阴极靶〔8〕中的某些扇形小靶。

如图3所示，以厚度4～6mm的铜板或不锈钢板制作为挡板〔25〕为一个开有一个或若干个扇形孔的圆板，其周边呈齿状，由模数合适的传动齿轮〔24〕和带卡簧的从动轮〔26〕、〔27〕夹持，位于阴极靶〔8〕上方4～6mm处，在同驱动轴〔23〕相连接的传动齿轮〔24〕的带动下，挡板〔25〕与内磁组件〔6〕作同步旋转，使扇形孔始终位于扇形极靴〔ⅰ〕的上方。

冷却器的外胆〔1〕的底部开有一个用于埋设密封圈〔17〕的环形槽、一个布置转轴〔12〕的中心通孔、一个布置铜质出水管〔16〕的通孔、若干个盲螺孔。法兰〔21〕上开有一个埋设密封圈〔19〕的环形槽，若干个与外胆〔1〕的盲螺孔相对应的通孔。屏蔽罩〔22〕套装在法兰〔21〕上。在外胆〔1〕和法兰〔21〕之间布置密封圈〔17〕、绝缘环〔18〕、密封圈〔19〕，采用若干个外加绝缘垫〔20′〕的固定螺钉〔20〕将外胆〔1〕固定在法兰〔21〕上。

上部开有中心深孔的转轴〔12〕的上端同设有水腔〔Ⅰ〕的转盘〔13〕固定连接，其下部套装一个动密封组件〔14〕并同一个微形可逆步进电机连接，进水管〔15〕布置在动密封组件〔14〕上。

冷却器的冷却水自进水管〔15〕引入，经转轴〔12〕的中心深孔、转盘〔13〕处的水腔〔Ⅰ〕和扇形磁靴〔ⅰ〕上的通水孔，进入水腔〔Ⅱ〕，从内磁组件〔6〕顶部溢出到铜质外胆〔1〕和铜质水冷背板〔7〕构成的水腔〔Ⅲ〕内，由铜质出水管〔16〕引出。

应用本溅射源作几种材料的共溅沉膜时，根据某材料在合金中占有的重量百分比及其溅射系数，确定该材料应占靶面的面积比，将该应占面积划分成若干个扇形小靶，同他种材料的扇形小靶一起等间隔地排列拼成一个圆形平面阴极靶〔8〕，通过控制步进电机在预定的时间内使内磁组件〔6〕作连续转动，则在工件表面沉积出所需成份配比及所需厚度的合金膜。

应用本溅射源沉积多层薄膜或单独沉积某种材料薄膜时，每种材料各制成一个扇形小靶，将这些小靶拼成一个圆形平面靶〔8〕，令扇形小靶的扇形张角为扇形等离子环扇形张角的1.5倍以上，通过控制步进电机在各个预定的时间内使内磁组件〔6〕先后在有关的扇形小靶底部来回摆动，则可在工件表面沉积出符合要求的多层膜或某种材料的薄膜。取扇形小靶的张角与扇形等离子体环的张角的比值≥1.5的目的是为了提高靶材的利用率。

本溅射源的磁场源也可用一个外磁组件和多个内磁组件〔6〕构成，以提高溅射效率。

挡板〔25〕、屏蔽罩〔22〕接地电位，作为溅射源的阳极。圆环形磁体〔3〕、内磁组件〔6〕、外胆〔1〕、压环〔11〕、动密封组件〔14〕、进水管〔15〕、出水管〔16〕等均与阴极靶〔8〕同电位，负几百伏的电势通过出水管〔16〕引入。

本溅射源的主要特征在于它含有：一个由下极靴〔2〕、圆环形磁体〔3〕、上极靴〔4〕、反向磁体〔5〕构成的外磁组件和一个或多个由步进电机控制其运动的内磁组件〔6〕组成的磁场源，一个由若干个扇形异质材料拼砌成的圆形平面阴极靶〔8〕，一个与内磁组件〔6〕作同步运动、开有一个或若干个扇形孔的挡板〔25〕，以及一个优先冷却阴极靶〔8〕的溅射区的水冷器。

本发明的溅射源同已有的同类溅射源比较具有如下优点：

1、本溅射源具有共溅沉积合金膜、沉积多层膜和沉积单质薄膜的多种功能，且结构极为紧凑。而已有的溅射源不具备这些功能。

2、能获得任意配比且到处配比均匀一致的合金膜。合金各成份的配比仅需事先控制各扇形靶的面积大小。

3、适用性广。采用本溅射源，可将普通的镀膜机方便改造为价值高的多源型磁控溅射台。

4、采用固定的外磁组件和可动的内磁组件〔6〕构成的磁场源，有效地扩大了靶面溅射区，大幅度地提高了靶材利用率。共溅沉膜时，靶材利用率达85％以上，沉积多层膜或单质沉膜时，靶材利用率达75％以上。

5、设有一个能优先有效地冷却阴极靶〔8〕溅射区的水冷器。

6、设有一个能有效捕集逃逸的二次电子的挡板〔25〕，使二次电子轰击基片的频度大幅度降低，有效地减少辐射损伤。

实施例1：

如图1所示的多源型平面磁控溅射源，含两个对称布置的内磁组件〔6〕，阴极靶〔8〕直径为φ200mm，它由铝、铜、钛三种材料的六块扇形小靶拼砌而成，其中铝材扇形靶的总张角为120°，铜材扇形靶的总张角为180°，钛材扇形靶的总张角为60°，每种靶材均分割成二个相同的扇形小靶，三种靶材一一相间布置，布局示如图4。内磁组件〔6〕绕转轴〔13〕旋转，基片直径为φ200mm，正对阴极靶〔8〕静止放置。用以共溅沉积铝铜钛合金膜，溅射功率3KW（DC）。

每种靶材占总靶面积的百分比M、溅射系数η（原子／离子）、密度ρ（克／厘米³），在已知的M、η、ρ下合金膜中各成份的重量百分比的理论计算值N为：

材料	M	η	ρ	N
					铜	50％	2.35	8.94	87.7％
铝	33.3％	1.05	2.7	9％
					钛	16.6％	0.51	4.54	3.3％

实测结果：

1、所沉积的合金膜中各成份所占的重量百分比为：铜88％，铝8.6％，钛3.4％。

2、在φ180mm范围内的膜层，合金比例的不均匀度＜5％。

3、靶材利用率为88％。

实施例2：

如图1所示的多源型平面磁控溅射源，采用一个内磁组件〔6〕，其扇形极靴〔ⅰ〕的扇形张角为60°，阴极靶〔8〕直径为φ200mm，它由钛、钼、铜三种靶材的扇形小靶拼砌而成，各扇形小靶均为90°张角，布局见图5。挡板〔25〕距靶面4mm，基片距靶面100mm，溅射功率为2KW（DC）。内磁组件〔6〕先后在钛、钼扇形小靶下各在30°范围内来回摆动，在铜靶下在120°范围内来回摆动。先溅钛，时间1分钟，再溅钼，时间3分钟，最后溅铜，时间2分钟。沉积多层膜。

实测结果：

1、钛层厚度为1100

，钼层厚度为5300

，铜层厚度为9300

。

2、钛、钼扇形小靶的有效刻蚀面积各为其原靶的78％左右，铜靶的有效刻蚀面积为原靶的84％左右。

Claims (9)

1、一种由磁场源、阴极靶、水冷器以及屏蔽罩等组成的多源型平面磁控溅射源，其特征在于该溅射源含有一个由静止的外磁组件和一个或多个可作旋转运动的内磁组件[6]组成的磁场源，一个由若干个异质扇形小靶拼成的圆形平面阴极靶[8]，一个布置在阴极靶[8]上方、开有一个或若干个扇形孔、能与内磁组件[6]作同步运动的挡板[25]，以及一个优先冷却阴极靶[8]溅射区的水冷器。

2、按照权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于所述的磁场源其外磁组件固定在水冷器的外胆〔1〕的外侧，其内磁组件〔6〕布置在处于水冷器的水腔〔Ⅲ〕中的转盘〔13〕上。

3、按照权利要求1和2所述的磁控溅射源，其特征在于所述的外磁组件由一个环形的下极靴〔2〕、一个环形的上极靴〔4〕、一个布置在上极靴〔4〕和下极靴〔2〕之间的圆环形磁体〔3〕，以及一个为使磁力线从上极靴〔4〕的内边缘充分饱和泄漏的反向磁体〔5〕构成。

4、按照权利要求1和2所述的磁控溅射源，其特征在于所述的内磁组件〔6〕由一个固定在转盘〔13〕上的扇形极靴〔ⅰ〕和布置在扇形极靴〔ⅰ〕上的V字形磁体〔ⅱ〕以及位于V字形磁体〔ⅱ〕内侧的扇形磁体〔ⅲ〕组成，扇形磁体〔ⅲ〕的极性与V字形磁体〔ⅱ〕、圆环形磁体〔3〕相反。

5、按照权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于所述的阴极靶〔8〕由若干个不同材质、不同张角、相间布置的扇形小靶拼砌而成，为使阴极靶〔8〕同水冷背板〔7〕相互压紧将螺钉〔9〕和连接压环〔11〕、上极靴〔4〕、外胆〔1〕的若干个螺钉拧紧。

6、按照权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于所述的挡板〔25〕由传动齿轮〔24〕和带卡簧的从动齿轮〔26〕、〔27〕夹持，位于靶面上方4～6mm处。

7、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〔15〕引入，经转轴〔12〕的中心深孔、水腔〔Ⅰ〕进入水腔〔Ⅱ〕，从内磁组件〔6〕的顶部溢出到水腔〔Ⅲ〕，由铜质出水管〔16〕引出。

8、按照权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于沉积合金膜时，令内磁组件〔6〕和挡板〔25〕在预定的时间内作同步旋转。

9、按照权利要求1所述的磁控溅射源，其特征在于沉积多层膜时，令内磁组件〔6〕于各预定的时间内先后在不同扇形小靶的底部作来回摆动。

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