CN101348897A - 磁约束磁控溅射方法及利用该方法制备的磁控溅射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁约束磁控溅射方法及利用该方法制备的磁控溅射装置。由于目前采用平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射方式，即使采用永磁铁移动或多组电磁线圈变换，靶材利用率也只能提高到20％～35％，并且存在结构复杂，加工成本高的问题。本发明的一种磁约束磁控溅射方法，是在溅射靶的表面上方空间形成一个总体方向平行于靶面的磁约束磁场，利用该方法所制造磁控溅射装置，包括磁体、导磁体、基片和溅射靶，所述磁体的相反磁极相对固定设置在溅射靶的侧面，磁体产生的磁约束磁场位于基片和溅射靶之间并且两磁极连线平行于靶面。其可以有效克服现有技术存在的靶材利用率低和沉积速率低的问题。

Description

磁约束磁控溅射方法及利用该方法制备的磁控溅射装置

一、技术领域

本发明属磁控溅射镀膜技术，具体涉及一种磁约束磁控溅射方法及利用该方法制备的磁控溅射装置。

二、技术背景

目前，磁控溅射技术广泛应用到表面改性、装饰薄膜、光学薄膜、超导薄膜以及功能薄膜等薄膜制备中，等离子体镀膜技术和传统热蒸发镀膜相比较有很多的优越性，离子束溅射、非平衡磁控溅射和脉冲电弧沉积离子(原子)的能量比热蒸发高10～100倍，提高了薄膜的聚集密度，使膜层的特性更趋向于太块材料，因而增加了膜层强度，膜层间表面材料的混合也改善了附着力，有时甚至可以减小膜层内的高张应力。聚集密度的提高减小了膜层的潮气灵敏度，还可以提高膜层的稳定性，提高耐潮湿和化学稳定性。使用磁控溅射镀膜技术已经成为国内和国际上镀制薄膜的主要技术途径。

目前磁控溅射方式主要为平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射，前者辉光放电产生的电子被水平磁场紧紧地束缚在靶面附近，随着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低。相应的只有中性粒子不受磁场的束缚能够飞向基片表面。而中性粒子的能量一般在4～10eV之间，在基片表面不足以产生高结合力致密的膜层；后者是将某一磁极的磁场对于另一极性相反磁极的磁场增强或减弱，这就导致了磁场分布的“非平衡”在保证靶面水平磁场分量有效地约束二次电子运动，可以维持稳定的磁控溅射放电的同时，另一部分电子沿着强磁极产生的垂直靶面的纵向磁场，可以使逃逸出靶面的电子飞向镀膜区域。这些飞离靶面的电子还会与中性粒子产生碰撞电离，进一步提高镀膜空间的等离子体密度，不仅有利于提高沉积速率，带电粒子的轰击会显著地改变膜层的微观结构，进而改善其物理特性。

磁控溅射技术的关键是提高靶材利用率和沉积速率，为了提高靶材利用率，目前通常采用的方法有以下几种：

1、磁场扫描方式，将靶材下方的磁体按照一定的规律运动，使靶材表面环状放电环移动可以提高靶材的利用率；

2、磁场可变磁控溅射，该技术与磁场扫描法类似，溅射过程中需要控制磁体移动，通过改变磁场的内外磁极与靶表面的距离，由此改变磁场强度实现对溅射率和沉积率的细微调节；

3、“智能阴极”技术，通过在阴极靶中采用两个可调节的电磁线圈，可以改变磁场强度，同时可将溅射过程分为在内经合外径两个阶段，提高靶材的利用率。

上述各种方法都是通过对磁场的调节来提高靶材的利用率，但实践发现即使采用了上述方法，靶材利用率仍然只能提高到20％～35％，同时由于采用上述方法所制备的设备因需要采用永磁铁移动或多组电磁线圈，因此还存在着结构复杂，设备加工成本高的问题。

二、发明内容

本发明提供一种磁约束磁控溅射方法及利用该方法制备的磁控溅射装置，以克服现有技术存在的靶材利用率低和沉积速率低的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种磁约束磁控溅射方法，是在溅射靶的表面上方空间形成一个总体方向平行于靶面的磁约束磁场。

一种利用该方法制造的磁控溅射装置，包括磁体、导磁体、基片和溅射靶，其特征在于：所述磁体的相反磁极相对固定设置在溅射靶的侧面。这样磁体产生的磁约束磁场位于基片和溅射靶之间并且两磁极连线平行于靶面。

上述磁体为电磁体或永磁体。

上述磁体可设置有多对。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、溅射效果好：(1)可以实现靶的表面产生均匀溅射，由于磁场在靶材上方，靶材厚度在冷却许可的条件下，可以适当增加靶厚度，靶材利用率可以达到65％以上，实现了质的飞跃；(2)磁镜(磁约束)磁场约束的等离子区域扩大到基片表面，基片和薄膜受粒子轰击并被加热，减少了薄膜的内应力，提高薄膜的致密度。(3)相反的磁极固定在靶材的两侧，间距较大，磁场强度分布由靶材表面到基片方向逐渐减弱，等离子区域被扩大到基片表面，基片和薄膜受粒子轰击并被加热，减少了薄膜的内应力，提高薄膜的致密度。

2、有效提高沉积速率：现有技术中磁体都在靶材下方，在靶面形成跑道环，只在跑道环区域才能产生较强地溅射，而本发明采用磁镜形式结构，使电子在接近磁极时被磁场反射回来，电子被约束在靶材表面区域螺旋往复运动，增加了与工作气体的碰撞几率，可以在靶的整个表面都形成等离子区域，在电场的作用下，使正离子加速碰撞溅射靶材，实现在靶表面整个区域溅射，沉积速率可提高2～3倍，提高了工作效率。

3、整体结构简单：采用本发明的方法，靶材下方不再需要设置磁体，也不再需要移动机构，因此结构简单。

4、适用范围广：不仅适用于表面改性薄膜、装饰薄膜、光学薄膜、超导薄膜以及功能薄膜等多种薄膜的制备当中，同时因为采用了多级永磁体或电磁体还可以提高磁场强度，同时扩大了等离子区域，等离子体浓度也有所提高，特别适用于大型工件磁控溅射。

四、附图说明

图1～图3为现有技术中平衡及非平衡磁控溅射原理图；

图4为实施例1的结构示意图；

图5为实施例2的结构示意图；

其中，1-基片，2-磁约束磁场，3-等离子区，4-电磁体，5-导磁体，6-溅射靶材，7-溅射靶，8-永磁体。

五、具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做详细地说明。

参见图1～图3，现有技术中，主要采用的是平衡磁控溅射和非平衡磁控溅射。

本发明提供了一种磁约束磁控溅射方法，该方法是在溅射靶的表面上方空间形成一个方向平行于靶面和工件的磁约束磁场。

本发明的工作原理是：在磁极附近磁场强度大，在靶材表面相对磁场强度小，在阴极(溅射靶)和阳极(工件和镀膜室壁)施加几百伏电压，在靶上表面区域形成正交的电场和磁场。在磁场中的电子接近磁极附近时被磁场反射，在两个磁极间螺旋往复运动，电子碰撞气体分子电离出正离子，形成等离子，等离子体被约束在靶材表面上方，在电场的作用下离子轰击靶材溅射沉积薄膜。

实施例1，参见图4。一种利用上述方法制备的磁控溅射装置，包括磁体、导磁体5、基片1和溅射靶7，所说磁体是电磁体4，其相反磁极相对固定设置在溅射靶的侧面。导磁体5构成下方磁路闭合。

电磁体4通电，在溅射靶7和基片1所形成的空间内产生磁约束磁场2，使电子被约束在靶材表面区域进行螺旋往复运动，增加了与工作气体的碰撞几率，在溅射靶7表面形成等离子区3，在电场的作用下，正离子加速碰撞靶材溅射出来原子沉积到溅射靶材6的表面形成薄膜。

本实施例特别适用于制备小型工件。

实施例2，参见图5。一种利用上述方法制备的磁控溅射装置，包括磁体、导磁体5、基片1和溅射靶7，所说的磁体是永磁体8，永磁体8包括制备成条形的三对，这三对永磁体8由内向外依次相对固定设置在溅射靶7的侧面。

三对永磁体5在基片1、溅射靶7之间形成的空间内产生磁约束磁场2，工作原理同实施例1，不同的地方是采用了多对永磁体，这样可以有效提高磁场强度，电子被约束在靶材表面上方更大的区域里螺旋往复运动，增加了与工作气体的碰撞几率，提高了离子队工件表面的轰击作用。

本实施例特别适用于制备大型工件。

在磁极设置时，其位置基本处于溅射靶7的表面附近或者略高出溅射靶7的表面，只要能在溅射靶7和基片1所形成的空间内产生磁约束磁场2即可。

Claims (4)

1、一种磁约束磁控溅射方法，是在溅射靶的表面上方空间形成一个总体方向平行于靶面的磁约束磁场。

2、一种利用权利要求1所述方法制造的磁控溅射装置，包括磁体、导磁体(5)、基片(1)和溅射靶(7)，其特征在于：所述磁体的相反磁极相对固定设置在溅射靶(7)的侧面，磁体产生的磁约束磁场(2)位于基片(1)和溅射靶(7)之间并且两磁极连线平行于靶面。

3、根据权利要求2所述的一种磁控溅射装置，其特征在于：所述磁体为电磁体(4)或永磁体(9)。

4、根据权利要求2或3所述的一种磁控溅射装置，其特征在于：所述磁体可设置有多对。

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