專利名稱：一種磁控管濺射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及真空鍍膜磁控濺射沉積技術(shù)，更具體地，涉及一種在真空濺射鍍膜時使用的磁控管濺射裝置，以及使用這種裝置磁控濺射的方法。
背景技術(shù)：
磁控濺射鍍膜是工業(yè)鍍膜生產(chǎn)中最主要的技術(shù)之一，尤其適合于大面積鍍膜生產(chǎn)。生產(chǎn)中需特別關(guān)注靶材利用率、沉積薄膜均勻性、基片區(qū)域等離子體密度等方面的問題。
通常磁控管是分平衡態(tài)和非平衡態(tài)的，平衡態(tài)磁控管內(nèi)外磁體磁通量大致相等，磁力線在磁控靶面閉合，將等離子體(主要是電子)約束于靶面附近，增加碰撞幾率，提高了離化效率，因而能在較低的工作氣壓和電壓下就能起弧和維持輝光放電，而且同時減少等離子體對基片的轟擊，基片所受離子轟擊小，飽和離子電流密度小，通常約在～10-1mA/cm2量級，利于實現(xiàn)低溫沉積；另一方面，有時鍍膜需要增強基片區(qū)域的等離子體密度以及反應(yīng)氣體的離化率。為了滿足這個需要，人們發(fā)明了非平衡磁控濺射技術(shù)，即讓磁控靶表面的磁力線不閉合，磁力線可沿靶的邊緣擴展到基片區(qū)域，從而部分電子以及離子可以沿著磁力線擴展到基片，增加了基片區(qū)域的電離率和等離子體密度，基片處飽和離子電流密度大，通?？梢赃_到～1-10mA/cm2量級。但是也存在一些問題一方面，為了增加基片區(qū)域電離率和等離子體密度，過度發(fā)散磁控靶表面的磁力線，有可能不能有效地將電子/等離子體約束在磁控靶面之前，也即離化工作氣體的能力較低，因而造成磁控管的阻抗較高，磁控管起輝困難和功率密度過小；另一方面，磁控管內(nèi)永磁體所產(chǎn)生的磁場強度衰減很快，在距離靶面幾個厘米之外的基片區(qū)域的場強只有幾個高斯，難以對基片區(qū)域電子和離子運動產(chǎn)生較大影響；最后，要滿足沉積不同薄膜，可能需要不同非平衡度的磁控靶(也即基片區(qū)域不同等離子體密度)，而用同一固定磁控濺射靶有時難以滿足要求。
變化磁控管的非平衡度主要通過改變磁控管磁場結(jié)構(gòu)，如調(diào)節(jié)磁控管內(nèi)外永磁鐵磁場強度比值，或者用電磁線圈代替磁體，如德國SINGULUSTECHNOLOGIES公司的“智能陰極”技術(shù)，在電極室中設(shè)計了兩個電磁線圈，通過調(diào)節(jié)濺射功率，濺射時間和流過電磁線圈的電流，可以優(yōu)化整個濺射過程。通過調(diào)節(jié)兩步中的電磁線圈電流，幾乎可以優(yōu)化任何一種新材料的鍍制。但是由于磁控管內(nèi)部空間的限制，電磁線圈尺寸大小有限制，相應(yīng)的磁場強度也得到限制，此外為了達到對濺射過程的有效控制，整個設(shè)備的設(shè)計和制造有一定難度。
此外磁控管的非均勻等離子體濺射也本質(zhì)上決定了靶材的非均勻刻蝕，靶材利用率不高；以及沉積粒子流量(大致表現(xiàn)為薄膜沉積速率)和能量分布的空間非均勻性，造成大面積沉積薄膜的厚度和性能在空間上的不均勻。提高靶材利用率的方法也大致分為靜態(tài)方法和動態(tài)方法前者主要是優(yōu)化磁控管的磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計；后者動態(tài)方法主要是通過移動磁軛和移動磁體(移動方式又分旋轉(zhuǎn)和往復(fù))，主要原理都是動態(tài)的改變靶面磁場，改變靶面局域等離子體刻蝕區(qū)域，達到增加靶材刻蝕范圍，有效的提高靶材利用率，但是同時也存在增加了磁控管的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及制造難度等問題。
需要一種裝置、方法既可以方便的根據(jù)不同鍍膜需要，隨時改變磁控靶的非平衡度，增強或者減弱基片處的離子轟擊強度、等離子體密度，此外同時也可以增加靶材利用率，改善大面積沉積薄膜的厚度和性能在空間上的不均勻。
實用新型內(nèi)容為了滿足這種需要，本實用新型提供一種磁控管濺射裝置及其使用方法，采用外加電磁線圈一方面可以方便有效的根據(jù)鍍膜需要調(diào)整磁控管的非平衡度，增強或者減弱基片處的離子轟擊，可以放置在磁控管附近，或基片處，或磁控管與基片之間的某一位置等，并通過改變電磁線圈電流大小和方向可以方便的控制實現(xiàn)；另一方面對放置在磁控管附近電磁線圈，通以低頻交流電，可以簡單有效的提高靶材利用率，并同時改善大面積沉積薄膜的厚度和性能在空間上的不均勻。
本實用新型的技術(shù)方案是一種用于在真空濺射區(qū)內(nèi)使用的濺射裝置類型A由磁控管和電磁線圈兩個部分組成，所述兩個裝置彼此同軸放置；電磁線圈，可以沿著磁控管中心線的遠近移動來控制與磁控管的位置，可以調(diào)節(jié)電磁線圈的電流大小及方向，產(chǎn)生一個同軸的輔助磁場(場強大致在幾十到幾百高斯的范圍內(nèi))。所述磁控管可以是平衡態(tài)磁控管，也可以是非平衡態(tài)平面磁控管，所述磁控管可以是圓形平面磁控管，也可以是矩形平面磁控管。所述的電磁線圈可以是圓形也可以是矩形。所述的電磁線圈可以沿著磁控管中心線的遠近移動來控制與磁控管的位置或者放置在磁控管或基片附近。所述的電磁線圈所施加的勵磁電流包括直流電流，其方向和大小可以改變，電流大小變化范圍在使電磁線圈產(chǎn)生10-500高斯強度；所述的電磁線圈所施加的勵磁電流還包括低頻交流，低頻范圍為10-1000Hz，電流大小和頻率可以改變，電流大小變化范圍在使電磁線圈產(chǎn)生10-500高斯強度內(nèi)。
用于在真空濺射區(qū)內(nèi)使用的裝置類型B由磁控管和一對電磁線圈兩個部分組成，彼此同軸放置，其中一電磁線圈，沿著磁控管中心軸線放置在磁控管外側(cè)；另一電磁線圈，放置在基片處；可以調(diào)節(jié)電磁線圈的電流大小及方向，產(chǎn)生一個同軸的輔助磁場。所述的電磁線圈可以是圓形也可以是矩形。所述的磁控管前電磁線圈所施加的勵磁電流是低頻交流，頻率為10-1000Hz，電流大小和頻率可以調(diào)節(jié)；基片處電磁線圈所施加的勵磁電流是直流或低頻交流，直流電流方向和大小可以調(diào)節(jié)，電流大小變化范圍在使電磁線圈產(chǎn)生10-500高斯強度內(nèi)，低頻交流電流大小和頻率可以調(diào)節(jié)，頻率為10-1000Hz，電流大小變化范圍在使電磁線圈產(chǎn)生10-500高斯強度內(nèi)。所述磁控管的靶材可以是金屬、合金及氧化物氮化物等陶瓷靶材。
本實用新型的優(yōu)點如下1.本實用新型采用了電磁線圈裝置采用外加電磁線圈可以有效方便的根據(jù)鍍膜需要實時調(diào)整磁控管的非平衡度，也即實時改變基片區(qū)域所受等離子體轟擊強度。
2.相對于直接調(diào)整磁控管，采用調(diào)節(jié)外加電磁線圈電流可以在更大范圍內(nèi)(跨一個數(shù)量級)改變基片處的飽和離子電流密度，也即離子通量，而同時基片懸浮電壓在小范圍內(nèi)變動，也即能保持低能離子能量轟擊。
3.當(dāng)電磁線圈通以低頻交流電的時候，可以簡單有效的提高靶材利用率，并同時改善大面積沉積薄膜的厚度和性能在空間上的不均勻。
4.本實用新型還具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝操作方便、制造成本低的優(yōu)點。


圖1.本實用新型裝置類型A真空室內(nèi)部分裝置剖面示意圖；圖2.本實用新型裝置類型B真空室內(nèi)部分裝置剖面示意圖；圖3.裝置類型A電磁線圈放置在磁控管附近時磁場位形分布示意圖(剖面右半部分視圖)；圖4.裝置類型A電磁線圈放置在基片附近時磁場位形分布示意圖(剖面右半部分視圖)；圖5.裝置類型A電磁線圈放置在磁控管附近時靶材面磁力線與水平方向夾角的分布；圖6.裝置類型A電磁線圈放置在基片附近時靶材面磁力線與水平方向夾角的分布；圖7.裝置類型A電磁線圈放置在磁控管附近時磁控管非平衡度隨線圈電流大小方向的變化；圖8.裝置類型A電磁線圈放置在磁控管附近時基片中心飽和離子電流密度和懸浮電位；圖9.裝置類型A電磁線圈放置在基片附近時基片中心飽和離子電流密度和懸浮電位；圖10.裝置類型B磁場位形分布示意圖之一(剖面右半部分視圖)；圖11.裝置類型B磁場位形分布示意圖之二(剖面右半部分視圖)；圖中，1磁控管；2靶材；3外磁體；4中心磁體；5基片；6電磁線圈；7電磁線圈。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例進一步詳細說明本實用新型裝置類型A真空室內(nèi)部分裝置剖面示意圖如圖1所示磁控管濺射裝置包括磁控管1和電磁線圈6，磁控管1包括靶材2、中心磁體4和外磁體3；基片5放置在磁控管1的對面；電磁線圈6沿著磁控管1中心軸線放置，并可以向基片5方向來回移動或固定。
磁控管1中，可以通過調(diào)節(jié)中心磁體4、外磁體3的相對磁通量，將磁控管設(shè)置為平衡態(tài)或非平衡態(tài)磁控管。電磁線圈6圍繞著磁控管1，當(dāng)電磁線圈6通以電流時激發(fā)產(chǎn)生一個與磁控管1同軸的附加磁場(通常場強在幾十到幾百高斯的范圍內(nèi))。當(dāng)附加磁場的方向和磁控管1的中心磁體4的極性相同時，磁力線趨向于閉合在靶材2前，磁控管1趨向平衡態(tài)，反之，當(dāng)附加磁場的方向和磁控管1中外磁體3的極性相同時，磁力線趨向于發(fā)散，部分磁力線發(fā)散到基片區(qū)域，磁控管1趨向非平衡態(tài)。本實用新型采用電磁線圈6的一個優(yōu)點就是可以很方便簡單的根據(jù)鍍膜需要，只需通過改變電磁線圈6電流大小或者方向，就可以實時的調(diào)節(jié)磁控管1的非平衡度(如圖7所示，其中為了衡量磁控管的非平衡度，在此引入幾何非平衡系數(shù)KG來度量即KG＝2Z0/W，其中，Z0為磁場零點到磁體(磁體)上表面的距離，W為兩外圍磁體之間距離)，也即改變基片區(qū)域所受等離子體轟擊的強度(如圖8或9)。從圖7中可以看出可以通過調(diào)節(jié)電流參數(shù)方便的得到所需要非平衡度的磁控管(通以不同的線圈電流對應(yīng)著不同的非平衡度)。此外調(diào)節(jié)外加電磁線圈電流可以在相當(dāng)大范圍內(nèi)(跨一個數(shù)量級)改變基片處的飽和離子電流密度(即離子通量)，而同時基片懸浮電壓在小范圍內(nèi)變動(實例結(jié)果中不超過15V)，也即能保持低能離子能量轟擊(如圖8、9所示)。
此外，電磁線圈6所放置的位置不同，對靶材2或基片5區(qū)域的磁場位形分布影響也不同。磁控管內(nèi)磁體所產(chǎn)生的磁場強度衰減很快，在距離靶面幾個厘米之外基片區(qū)域，場強只有幾個高斯，難以對離子運動產(chǎn)生較大影響。當(dāng)電磁線圈6放置在磁控管1附近的時候，如圖3所示(圖中所示意的磁控管是圓形平面磁控管，呈軸對稱，因此只給出剖面右半部分視圖，下同)，電磁線圈通以電流之后，可以一定程度的增強基片區(qū)域的場強；而當(dāng)電磁線圈6放置在基片5附近的時候，如圖4所示，電磁線圈通以相同勵磁電流的情況下，基片區(qū)域的場強相比顯著增強，并且更多更均勻的磁力線穿過基片區(qū)域，意味著基片區(qū)域等離子體密度得以顯著增強。
這一點從實例中采用朗繆爾探針測量結(jié)果也可以證實。實例中濺射靶材為ZnAl合金靶，直徑80mm，濺射電壓為320V，濺射功率密度約為1.5W/cm2，靶基距為7cm。如圖8是電磁線圈放置在磁控管附近時的變化曲線。隨著電磁線圈電流由0.5A向-2A變化，基片中心處探針(正對磁控管中心位置)電流密度由～100μA/cm2升至～900μA/cm2，變化了9倍左右，同時基片懸浮電壓也由8V升到23V；此外工作壓強對兩者的影響不甚明顯，當(dāng)壓強較低時飽和離子電流和基片懸浮電壓略高。圖9是電磁線圈放置在基片附近時的變化曲線，隨著電磁線圈電流變化，幅度相同，也由2A向-2A變化，基片處探針電流密度由～90μA/cm2升至～1800μA/cm2，增加了20倍左右，相對于電磁線圈放置在磁控管附近時基片飽和離子電流變化幾乎大一倍，說明是基片區(qū)域磁場線更為發(fā)散以及磁場強度更強的結(jié)果，這也可以從圖4中磁場磁力線分布圖看出；同時基片懸浮電壓也由5V到23V之間變化，當(dāng)電磁線圈電流由0變化為-2A時，對應(yīng)著磁控管由平衡態(tài)向非平衡態(tài)的轉(zhuǎn)變，相對于電磁線圈放置在磁控管附近時，基片懸浮電壓的變化更為緩慢，這可能是由于此時電磁線圈磁場對磁控靶材面磁場區(qū)域影響更小的結(jié)果(如圖9所示)。此外工作壓強對兩者的影響也不甚明顯，當(dāng)壓強較低時飽和離子電流和基片懸浮電壓略高。因此從可以大幅度調(diào)節(jié)改變基片飽和離子電流密度的角度，電磁線圈適合放置在基片附近。本實用新型采用一個可以移動的電磁線圈的一個優(yōu)點也是可以根據(jù)不同參數(shù)需要調(diào)節(jié)電磁線圈位置。
本實用新型還提出了一種利用電磁線圈裝置提高靶材利用率的方法。當(dāng)電磁線圈6放置在磁控管1附近時，如圖5所示實例中當(dāng)電磁線圈電流在-2A至2A之間的某一值變化時，雖然磁力線水平區(qū)域(磁力線水平區(qū)域在此定義為靶材表面磁力線與水平方向夾角θ小于20度的范圍)絕對寬度變化很小(實例中電磁線圈電流為2A時對應(yīng)為極端平衡態(tài)磁控管，磁力線水平區(qū)域絕對寬度約為7mm；電磁線圈電流為-2A時對應(yīng)為極端非平衡態(tài)磁控管，磁力線水平區(qū)域絕對寬度約為6mm)，但是隨著電磁線圈電流在-2A至2A之間變化，磁力線水平區(qū)域和靶材面磁場垂直分量零點相對于靶材面是橫向左右移動的，磁力線水平區(qū)域?qū)挾葟?mm增加至10mm，約增加67％，意味著刻蝕范圍也明顯擴大。我們知道橫向刻蝕最快通常發(fā)生在靶材面磁場垂直分量為零的地方，因此通過調(diào)節(jié)改變電磁線圈電流/施加以低頻交流電可以方便的改變靶材刻蝕最深點位置以及刻蝕區(qū)域，這樣當(dāng)對電磁線圈通以低頻交流電(實例中頻率為工頻，50Hz)的時候，靶前約束的局域強等離子體左右的來回快速移動，顯著擴寬刻蝕跑道，變換靶材刻蝕最深點，相對于其他方法，簡單有效的提高了靶材利用率。
另外，隨著電磁線圈6沿磁控管1中心軸向基片5移動，靶材面橫向磁場均勻性的變化不大，變化電磁線圈電流都可以在相當(dāng)程度上改變靶材面磁力線水平區(qū)域左右移動范圍；但同等程度的變化電磁線圈電流對改變靶材面磁力線水平區(qū)域左右移動的范圍逐漸變小，當(dāng)電磁線圈6靠近基片5附近時，相對于在磁控管附近，靶材面磁力線水平區(qū)域隨低頻交流左右移動的范圍明顯縮小，如圖6所示。因此，從提高靶材利用率的角度來看，電磁線圈6放置在磁控管1附近更為合適的。
此外，當(dāng)電磁線圈通低頻交流電流時，如電流在-2A至2A之間變化，磁力線水平區(qū)域相對于靶材面是橫向內(nèi)外往復(fù)快速移動的，也即靶前約束的局域強等離子體是橫向內(nèi)外往復(fù)移動的，在橫向空間上更均勻，這樣在擴大刻蝕范圍，提高靶材利用率的同時，基片上沉積的薄膜厚度和性能在空間上的均勻性也得到改善。
本實用新型裝置類型B真空室內(nèi)部分裝置剖面示意圖如圖2所示磁控管濺射裝置包括磁控管1和一對電磁線圈6、7，磁控管1包括靶材2、中心磁體4和外磁體3；基片5放置在磁控管1的對面；一對電磁線圈6、7沿著磁控管1中心軸線分別放置在磁控管和基片附近。由先前所述，我們知道從提高靶材利用率的角度，電磁線圈6通上低頻交流電，并適合放置在磁控管1附近；從可以大幅度調(diào)節(jié)改變基片飽和離子電流密度的角度，電磁線圈6適合放置在基片5附近。因此本實用新型提出另一種裝置類型B采用一對電磁線圈6、7，將它們分別放置于磁控管1和基片5附近。電磁線圈6通以低頻交流電(電流大小和頻率可以調(diào)節(jié))，電磁線圈7通以直流或者低頻交流電(電流大小、方向或頻率可以變化)。這樣可以結(jié)合兩者的優(yōu)點，既可以在提高靶材2利用率的同時，也能大幅度的實時調(diào)節(jié)基片5區(qū)域的等離子體密度。圖10、11分別是當(dāng)電磁線圈7通以某一恒定直流電流，電磁線圈6通以低頻交流電時，不同時間段靶材面以及基片區(qū)域磁場位形分布示意圖，其中圖10是對應(yīng)于磁控管處于非平衡態(tài)，圖11是對應(yīng)于磁控管處于平衡態(tài)。
權(quán)利要求1.一種磁控管濺射裝置，其特征在于包括磁控管(1)和電磁線圈(6)兩個部分，所述兩個裝置同軸相對放置；所述的電磁線圈(6)沿磁控管(1)中心線移動放置在磁控管(1)外側(cè)或基片(5)旁或兩者之間的任一位置；調(diào)節(jié)電磁線圈的電流大小及方向，產(chǎn)生一個與磁控管同軸的輔助磁場。
2.按權(quán)利要求1所述的磁控管濺射裝置，其特征在于所述磁控管(1)是平衡態(tài)磁控管或非平態(tài)磁控管。
3.按權(quán)利要求1所述的磁控管濺射裝置，其特征在于所述磁控管(1)是圓形平面磁控濺射靶或矩形平面磁控濺射靶。
4.按權(quán)利要求1所述的磁控管濺射裝置，其特征在于所述的電磁線圈(6)是圓形或矩形。
5.按權(quán)利要求1所述的磁控管濺射裝置，其特征在于所述的電磁線圈(6)所施加的勵磁電流包括直流電流，其方向和大小可以改變，電流大小變化范圍在使電磁線圈產(chǎn)生10-500高斯強度；所述的電磁線圈(6)所施加的勵磁電流還包括低頻交流，低頻范圍為10-1000Hz，電流大小和頻率可以改變，電流大小變化范圍在使電磁線圈產(chǎn)生10-500高斯強度內(nèi)。
6.一種磁控管濺射裝置，其特征在于包括磁控管(1)和一對電磁線圈(6，7)兩個部分，彼此同軸相對放置；電磁線圈(6)，沿著磁控管(1)中心軸線放置在磁控管外側(cè)；電磁線圈(7)，沿著磁控管(1)中心軸線放置在基片(5)處，調(diào)節(jié)電磁線圈(6，7)的電流大小及方向，產(chǎn)生一個與磁控管同軸的輔助磁場。
7.按權(quán)利要求6所述的磁控管濺射裝置，其特征在于所述的電磁線圈(6，7)是圓形或矩形。
8.按權(quán)利要求6所述的磁控管濺射裝置，其特征在于所述的磁控管(1)前電磁線圈(6)所施加的勵磁電流是低頻交流，頻率為10-1000Hz，電流大小和頻率可以調(diào)節(jié)；基片(5)處電磁線圈(7)所施加的勵磁電流是直流或低頻交流，直流電流方向和大小可以調(diào)節(jié)，電流大小變化范圍在使電磁線圈產(chǎn)生10-500高斯強度內(nèi)，低頻交流電流大小和頻率可以調(diào)節(jié)，頻率為10-1000Hz，電流大小變化范圍在使電磁線圈產(chǎn)生10-500高斯強度內(nèi)。
專利摘要本實用新型涉及真空鍍膜磁控濺射沉積技術(shù)，更具體地，涉及一種在真空濺射鍍膜時使用的濺射裝置，包括磁控管(1)和電磁線圈(6)，彼此同軸相對放置，其中電磁線圈(6)可以沿著磁控管(1)中心軸線遠近移動。通過控制電磁線圈(6)的電流大小及方向，和改變電磁線圈與磁控管的相對位置，可以方便有效地改變磁控管和基片區(qū)域的磁場位形分布，改變基片區(qū)域的等離子體密度。此外當(dāng)電磁線圈(6)通以低頻交流電時，靶材表面的刻蝕跑道變寬，刻蝕更均勻，可以簡單有效的提高靶材利用率，同時可以改善沉積薄膜的厚度和性能在空間上的不均勻。本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單，方便、易操作等特點。
文檔編號H01J25/00GK2890079SQ20062008927
公開日2007年4月18日 申請日期2006年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月17日
發(fā)明者肖金泉, 張小波, 孫超, 宮駿, 華偉剛, 石南林, 聞立時 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所