CN1397660A - 无磁屏蔽型铁磁性靶材溅射阴极 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁控溅射阴极及其溅射方法，其特征在于：法兰(28)安装于真空室壁上，在法兰(28)上有密封胶圈(26)和固定螺栓孔(27)，基片(37)置于阴极上方进行溅射镀膜；对于具有轴对称的圆形磁控溅射阴极，铁磁性靶材由中心圆形靶材(21’)和外侧环型靶材(21)组成，中心圆形靶材与外侧环形靶材之间有5－60mm的间隙，溅射在间隙附近发生；靶材(21，21’)、磁极(22，22’)、磁铁(23，23’)和磁极背板(38)构成闭合磁路；其中磁极和磁极背板采用高饱和磁化强度材料；靶体(33)采用具有良好导热性的材料制造。在溅射过程中，等离子体中的离子对靶材表面的轰击，将有大量的热能产生，在靶体内构造出冷却水道(39)。本发明的优点在于：克服了铁磁性靶材对磁路的屏蔽效应；增加一致性，易于安装和维护。
Description
技术领域
本发明属于真空镀膜设备设备技术领域，特别是提供了一种无磁屏蔽型铁磁性靶材溅射阴极
背景技术
磁控溅射溅射过程是通过磁路在靶材表面产生的磁场对气体放电过程中电子和离子进行约束，在靶材表面形成密度很高的放电等离子体，在电场作用下，离子对靶材表面进行轰击，靶材表面原子脱离靶材并沉积在基片上形成薄膜而实现的。
用磁控溅射的方法镀制铁磁性薄膜通常采用平面永磁或电磁直流磁控溅射阴极，Jianming Fu的发明专利“APPARATUS FOR SPUTTERING MAGNETIC TARGETMATERIALS”，美国专利号，5876576，对传统的溅射技术进行了总结，主要内容如图1a所示，由于铁磁性靶材1具有高导磁性，特别是铁、钴、镍及其合金等高饱和磁化强度的铁磁性靶材，将使磁路2所产生的磁力线3优先通过靶材，在靶材内部的磁通量达到饱和后，剩余的磁力线4在靶材表面形成磁场。靶材表面磁场对气体放电过程中产生的电子和离子产生约束作用实现磁控溅射。由此可见，铁磁性靶材对磁控溅射阴极的磁路有很强的屏蔽效应。当靶材超过一定厚度时，致使靶材表面磁场被完全屏蔽，靶材表面磁场消失，溅射镀膜不能进行，通常铁靶材的使用厚度小于1mm。
如图1b所示，在铁磁材料溅射过程中，随着溅射沟道6附近的靶材逐渐减薄，原有靶材内部的磁力线5外泻至靶材表面，造成靶材表面磁场逐渐增强。因溅射速率与磁场强度成正比，这样导致靶材溅射沟道越来越窄、越来越深的现象，从而导致铁磁性材料的溅射镀膜的均匀性、一致性和重复性难以保证。为克服上述问题，Takamasa Yoshikawa和Sadao Kadokura等人发明了对靶磁控溅射技术，“PERPENDICULAR MAGNETIC RECORDING MEDIUM METHODE FORPRODUCING THE SAME，AND SPUTTERING DEVICE”，美国专利号，4576700和“FACINGTARGET SPUTTERING DEVICE”，美国专利号，5000834。
其主要技术内容如图2所示。与平面磁控溅射阴极不同，对靶磁控溅射阴极11的磁路由两侧磁铁14包括永磁铁和电磁铁及辅助线圈12产生同向磁场，两块靶材对向平行放置，靶材15表面与磁力线垂直。溅射时两侧靶材被同时施加负电压13，产生的放电等离子体16被局域在两靶材之间，两侧靶材被同时溅射，基片17被垂直于靶材表面放置在一对阴极侧面，溅射过程在真空室10内在一定气压下完成。由于靶材与磁场垂直，靶材的厚度对靶材表面磁场的大小及分布影响较小，所以对靶磁控溅射技术对靶材的厚度无特殊要求，一般靶材厚度可以超过10mm。除此之外，对靶磁控溅射的靶材溅射沟道平坦，靶材利用率很高，可大于70％。尽管如此，对靶磁控溅射仍存在以下问题：
1、由于采用两对向靶材同时溅射，阴极结构复杂，对真空系统要求较高，加工成本、安装难度大。
2、与平面磁控溅射不同，对靶磁控溅射阴极的磁路开放，在周围出现漏磁现象，对周围设备产生干扰。
3、因采用旁轴溅射模式，溅射过程中等离子体对样品或基片轰击弱，影响薄膜的附着力。
4、只有当两侧阴极的结构及分布电容完全一直时，才可用一个射频电源驱动一对对靶磁控溅射阴极，及对靶磁控溅射在射频模式下工作时，匹配困难。
发明内容
本发明所涉及磁控溅射阴极可增强放电等离子体对基片的轰击，从而增加薄膜的附着力；减低射频工作模式的匹配难度，使用单一射频电源即可驱动磁控溅射阴极。
本发明磁控溅射阴极采用闭合磁路的平面磁控溅射结构溅射铁磁性材料，避免了铁磁性靶材对磁路的屏蔽效应和靶材的厚度限制。
本发明的磁控溅射阴极由法兰28安装于真空室壁上，在法兰28上有密封胶圈26和固定螺栓孔27，基片37置于阴极上方进行溅射镀膜。对于具有轴对称的圆形磁控溅射阴极，铁磁性靶材由中心圆形靶材21’和外侧环型靶材组成21，可采用3-20mm厚的靶材。为避免铁磁靶材对磁路的屏蔽效应需使中心圆形靶材与外侧环形靶材之间有5-60mm的间隙，间隙大小根据阴极尺寸确定，溅射在间隙附近发生。
靶材21、21’、磁极22、22’、磁铁23、23’和磁极背板38构成闭合磁路。其中磁极和磁极背板可采用高饱和磁化强度材料，如纯铁或磁性不锈钢制造，磁铁可采用如永磁铁氧体、钕铁硼或其他永磁材料制造。
在溅射过程中，等离子体中的离子对靶材表面的轰击，将有大量的热能产生，为了使磁控溅射阴极能够长时间稳定工作，必须对靶材21、21’、磁极22、22’和磁铁23、23’等部件进行有效的冷却，以保证阴极各部件不被烧毁。为此采用具有良好导热性的材料(如无氧铜)制造靶体33，在靶体内构造出冷却水道39。冷却水由进水口31流入冷却水道内，进行充分热交换后由出水口31’流出。利用靶体与靶材、磁极和磁体的接触将上述部件进行冷却。
为了满足磁控溅射条件，使工作气体如氩气、氧气等在靶材表面产生气体放电，应对靶材施以200-1500V的负电压，气体压强保持在0.05-10Pa范围内，内靶材与外靶材之间的间隙应大于气体的平均自由程，使气体在内外靶体间隙附近能够与电子发生充分的碰撞进行离化，如在间隙附近的区域施加0.015-0.12T的磁场(B)，可进一步增加电子与气体的碰撞几率和离化率。
为了防止靶体33在溅射过程中被溅射产生污染，需在靶体33上部安装屏蔽罩34，对其进行保护。屏蔽罩34被螺栓3通过陶瓷绝缘垫片36固定在靶体之上，靶体与屏蔽罩相互绝缘。为保证靶体与屏蔽罩之间不产生放电，它们之间的间隙应小于气体放电的阴极暗区距离0.5-3mm，特别应注意靶材与屏蔽罩之间的间隙。
为防止外磁极22，22’和外磁铁23，23’发生表面放电，应在周围安装屏蔽罩24，屏蔽罩与外磁铁和外磁极的间隙应小于气体放电的阴极暗区距离，可以在0.5-3mm之间。屏蔽罩通过螺栓25与法兰28连接。
靶体通过螺栓30固定在法兰28上，在背磁极38与法兰盘之间安装绝缘板32，在螺栓30上安装有绝缘套29，使阴极中被施加负电位的部件与法兰盘具有良好绝缘。
当真空室内充入氩气或其他反应气体，压强在0.05-20Pa之间时，将阴极下部的接线端子40施以150-1500V的负电压，内外靶材间隙附近将产生气体放电。当功率达到一定值时，靶材将被溅射，溅射出来的靶材原子或离子沉积在阴极上方的基片或工件37上，从而达到镀膜的目的。
在输入功率、气体压强恒定的条件下，铁磁性靶材的溅射速率和均匀性与内外靶材的间隙的大小和端面形状有关。内外靶材的间隙d越大，间隙内的磁场越小，等离子体的密度越低，溅射速率越小；反之，等离子体密度越高，溅射速率越大。
内外靶材间隙附近的磁场分布与铁磁性靶材的溅射端面形状有关，对于图4所示的矩形端面，磁场在磁极间隙内的水平分量高，磁力线在间隙内局域性强，大部分磁力线分布在内外磁极间隙内，因此溅射主要发生在内外磁极间隙内的相对表面，而且等离子体对基片的轰击小。对于图5所示的楔形截面的靶材，内外靶材间隙内的磁场分布与图4所示的磁场分布不同，磁力线向间隙的上部发散，不均匀性增强。在这种磁场结构下，等离子体向上迁移的速率增强，对基片的轰击增强，从而可以增加薄膜的附着力。
为使阴极发生溅射，阴极可以由多种模式的电源驱动，对于导电良好的金属靶材镀制金属薄膜可以用直流电源驱动，为加强镀膜工艺，电源可具有恒定电流、恒定电压或恒定功率等功能；对于导电性较差靶材或导电性强的靶材镀制非金属薄膜的情况，可以使用射频电源驱动；为抑制溅射过程中的弧光放电损坏薄膜，可采用双极电源驱动，其输出电压波形如图6所示，其输出电压波形为一个较长的负电位脉冲(T1)后跟随一个较窄的正电位脉冲(T2)。负电位脉冲用于产生溅射，正电位脉冲用于清除靶材、真空室和被镀工件表面电荷积累，从而避免弧光放电。对于用金属靶材镀制非金属薄膜的情况，也可采用中频电源同时驱动两个阴极，在一个周期内两个阴极互为阴阳极进行溅射。
为适应不同工件或基片的溅射要求，阴极的结构不限于具有轴对称的圆形结构。可以将上述结构沿垂直于对称轴的方向进行延伸，使得阴极具有“口”形或矩形结构，其长度方向可以在机械加工可实现的情况下延长，尺寸范围为80-2000mm，这样的阴极可以用来镀制大面积平板工件。
利用本设计制造圆形轴对称磁控溅射阴极，靶材材料为纯铁，厚度10mm，内磁极外径为60mm，外磁极内径为90毫米，内外磁极间隙中心磁感应强度的水平分量为0.04T。工作气体为氩气，压强3.0Pa，用直流电源采用恒电流模式驱动磁控溅射阴极，当放电电流为2.5A时，放电负电压为346V，薄膜的沉积速率为1nm/sec.。
本发明具有以下优点
1、简化了磁控溅射阴极的结构，增加可靠性，实现单侧溅射，与真空室的接口简单，通过一个法兰即可完成，减低溅射阴极对真空系统的要求，易于安装和维护。
2、本阴极避免了铁磁性靶材对阴极磁路的屏蔽效应，对靶材厚度没有严格限制，使得铁磁性靶材溅射过程具有一致性和重复性。
3、降低了靶材的制造难度和成本，减低射频工作模式的匹配难度，用单一射频电源即可驱动阴极。
4、本发明所涉及阴极在溅射过程中等离子体对基片或样品的轰击可以调整，增强了薄膜的附着力。
5、本发明所涉及阴极结构具有很好的拓扑性，可以加工成用于大面积工件镀膜的大型矩形阴极。
附图说明
图1是美国专利5876576，普通平面磁控溅射阴极及其磁性靶材的溅射沟道示意图。铁磁性靶材1，磁路2，靶材内部磁力线3，靶材表面磁力线4，溅射过程中靶材内部外泻磁力线5，靶材溅射沟道6。
图2是对靶磁控溅射阴极示意图。真空室10，阴极11，辅助磁场线圈12，阴极驱动电源13，磁铁14，靶材15，放电等离子体16，基片17。
图3是本发明平面铁磁材料磁控溅射阴极示意图。阴极20，外靶材21，内靶材21’，外磁极22，内磁极22’，-外磁铁23，内磁铁23’，屏蔽罩24，屏蔽罩固定螺栓25，接口法兰胶圈26，法兰固定螺栓孔27，阴极安装法兰28，绝缘套29，螺栓30，进水口31，出水口31’，绝缘板32，靶体33，内屏蔽罩34，屏蔽罩固定螺栓35，绝缘垫36，基片37，背磁极38，水冷槽39，电极40
图4是弱轰击型平面铁磁材料磁控溅射阴极示意图。
图5是强轰击型平面铁磁材料磁控溅射阴极示意图。
图6是双极电源电压输出波形示意图。
T1为正脉冲波长，T2为负脉冲波长。
Claims (4)
1、一种磁控溅射阴极，由法兰(28)、密封胶圈(26)、固定螺栓孔(27)、基片(37)组成；其特征在于：法兰(28)安装于真空室壁上，在法兰(28)上有密封胶圈(26)和固定螺栓孔(27)，基片(37)置于阴极上方进行溅射镀膜；对于具有轴对称的圆形磁控溅射阴极，铁磁性靶材由中心圆形靶材(21’)和外侧环型靶材(21)组成，可采用3-20mm厚的靶材；中心圆形靶材与外侧环形靶材之间有5-60mm的间隙，溅射在间隙附近发生；靶材(21，21’)、磁极(22，22’)、磁铁(23，23’)和磁极背板(38)构成闭合磁路；其中磁极和磁极背板采用高饱和磁化强度材料；靶体(33)采用具有良好导热性的材料制造，在靶体内构造出冷却水道(39)；
2、按照权利要求1所述的磁控溅射阴极，其特征在于：磁极和磁极背板采用高饱和磁化强度材料，可以由纯铁或磁性不锈钢制造，磁铁可采用永磁铁氧体、钕铁硼或其他永磁材料制造。
3、按照权利要求1所述的磁控溅射阴极，其特征在于：阴极的结构不限于具有轴对称的圆形结构，可以将上述结构沿垂直于对称轴的任意方向进行延伸，使得阴极具有“口”形或矩形结构，其长度方向可以在机械加工可实现的情况下延长，尺寸范围为80-2000mm，这样的阴极可以用来镀制大面积平板工件。
4、一种如权利要求1所述的磁控溅射阴极的溅射方法，其特征在于：在溅射过程中，等离子体中的离子对靶材表面的轰击，将有大量的热能产生，为了使磁控溅射阴极能够长时间稳定工作，必须对靶材(21，21’)、磁极(22，22’)和磁铁(23，23’)等部件进行有效的冷却，以保证阴极各部件不被烧毁；为此采用具有良好导热性的材料制造靶体(33)，在靶体内构造出冷却水道(39)；冷却水由进水口(31)流入冷却水道内，进行充分热交换后由出水口(31’)流出；利用靶体与靶材、磁极和磁体的接触将上述部件进行冷却。
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