專利名稱：無磁屏蔽型鐵磁性靶材濺射陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于真空鍍膜設(shè)備設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種無磁屏蔽型鐵磁性靶材濺射陰極背景技術(shù)磁控濺射濺射過程是通過磁路在靶材表面產(chǎn)生的磁場對氣體放電過程中電子和離子進(jìn)行約束，在靶材表面形成密度很高的放電等離子體，在電場作用下，離子對靶材表面進(jìn)行轟擊，靶材表面原子脫離靶材并沉積在基片上形成薄膜而實現(xiàn)的。
用磁控濺射的方法鍍制鐵磁性薄膜通常采用平面永磁或電磁直流磁控濺射陰極，Jianming Fu的發(fā)明專利“APPARATUS FOR SPUTTERING MAGNETIC TARGETMATERIALS”，美國專利號，5876576，對傳統(tǒng)的濺射技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，主要內(nèi)容如圖1a所示，由于鐵磁性靶材1具有高導(dǎo)磁性，特別是鐵、鈷、鎳及其合金等高飽和磁化強(qiáng)度的鐵磁性靶材，將使磁路2所產(chǎn)生的磁力線3優(yōu)先通過靶材，在靶材內(nèi)部的磁通量達(dá)到飽和后，剩余的磁力線4在靶材表面形成磁場。靶材表面磁場對氣體放電過程中產(chǎn)生的電子和離子產(chǎn)生約束作用實現(xiàn)磁控濺射。由此可見，鐵磁性靶材對磁控濺射陰極的磁路有很強(qiáng)的屏蔽效應(yīng)。當(dāng)靶材超過一定厚度時，致使靶材表面磁場被完全屏蔽，靶材表面磁場消失，濺射鍍膜不能進(jìn)行，通常鐵靶材的使用厚度小于1mm。
如圖1b所示，在鐵磁材料濺射過程中，隨著濺射溝道6附近的靶材逐漸減薄，原有靶材內(nèi)部的磁力線5外瀉至靶材表面，造成靶材表面磁場逐漸增強(qiáng)。因濺射速率與磁場強(qiáng)度成正比，這樣導(dǎo)致靶材濺射溝道越來越窄、越來越深的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鐵磁性材料的濺射鍍膜的均勻性、一致性和重復(fù)性難以保證。為克服上述問題，Takamasa Yoshikawa和Sadao Kadokura等人發(fā)明了對靶磁控濺射技術(shù)，“PERPENDICULAR MAGNETIC RECORDING MEDIUM METHODE FORPRODUCING THE SAME，AND SPUTTERING DEVICE”，美國專利號，4576700和“FACINGTARGET SPUTTERING DEVICE”，美國專利號，5000834。
其主要技術(shù)內(nèi)容如圖2所示。與平面磁控濺射陰極不同，對靶磁控濺射陰極11的磁路由兩側(cè)磁鐵14包括永磁鐵和電磁鐵及輔助線圈12產(chǎn)生同向磁場，兩塊靶材對向平行放置，靶材15表面與磁力線垂直。濺射時兩側(cè)靶材被同時施加負(fù)電壓13，產(chǎn)生的放電等離子體16被局域在兩靶材之間，兩側(cè)靶材被同時濺射，基片17被垂直于靶材表面放置在一對陰極側(cè)面，濺射過程在真空室10內(nèi)在一定氣壓下完成。由于靶材與磁場垂直，靶材的厚度對靶材表面磁場的大小及分布影響較小，所以對靶磁控濺射技術(shù)對靶材的厚度無特殊要求，一般靶材厚度可以超過10mm。除此之外，對靶磁控濺射的靶材濺射溝道平坦，靶材利用率很高，可大于70％。盡管如此，對靶磁控濺射仍存在以下問題1、由于采用兩對向靶材同時濺射，陰極結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對真空系統(tǒng)要求較高，加工成本、安裝難度大。
2、與平面磁控濺射不同，對靶磁控濺射陰極的磁路開放，在周圍出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象，對周圍設(shè)備產(chǎn)生干擾。
3、因采用旁軸濺射模式，濺射過程中等離子體對樣品或基片轟擊弱，影響薄膜的附著力。
4、只有當(dāng)兩側(cè)陰極的結(jié)構(gòu)及分布電容完全一直時，才可用一個射頻電源驅(qū)動一對對靶磁控濺射陰極，及對靶磁控濺射在射頻模式下工作時，匹配困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所涉及磁控濺射陰極可增強(qiáng)放電等離子體對基片的轟擊，從而增加薄膜的附著力；減低射頻工作模式的匹配難度，使用單一射頻電源即可驅(qū)動磁控濺射陰極。
本發(fā)明磁控濺射陰極采用閉合磁路的平面磁控濺射結(jié)構(gòu)濺射鐵磁性材料，避免了鐵磁性靶材對磁路的屏蔽效應(yīng)和靶材的厚度限制。
本發(fā)明的磁控濺射陰極由法蘭28安裝于真空室壁上，在法蘭28上有密封膠圈26和固定螺栓孔27，基片37置于陰極上方進(jìn)行濺射鍍膜。對于具有軸對稱的圓形磁控濺射陰極，鐵磁性靶材由中心圓形靶材21’和外側(cè)環(huán)型靶材組成21，可采用3-20mm厚的靶材。為避免鐵磁靶材對磁路的屏蔽效應(yīng)需使中心圓形靶材與外側(cè)環(huán)形靶材之間有5-60mm的間隙，間隙大小根據(jù)陰極尺寸確定，濺射在間隙附近發(fā)生。
靶材21、21’、磁極22、22’、磁鐵23、23’和磁極背板38構(gòu)成閉合磁路。其中磁極和磁極背板可采用高飽和磁化強(qiáng)度材料，如純鐵或磁性不銹鋼制造，磁鐵可采用如永磁鐵氧體、釹鐵硼或其他永磁材料制造。
在濺射過程中，等離子體中的離子對靶材表面的轟擊，將有大量的熱能產(chǎn)生，為了使磁控濺射陰極能夠長時間穩(wěn)定工作，必須對靶材21、21’、磁極22、22’和磁鐵23、23’等部件進(jìn)行有效的冷卻，以保證陰極各部件不被燒毀。為此采用具有良好導(dǎo)熱性的材料(如無氧銅)制造靶體33，在靶體內(nèi)構(gòu)造出冷卻水道39。冷卻水由進(jìn)水口31流入冷卻水道內(nèi)，進(jìn)行充分熱交換后由出水口31’流出。利用靶體與靶材、磁極和磁體的接觸將上述部件進(jìn)行冷卻。
為了滿足磁控濺射條件，使工作氣體如氬氣、氧氣等在靶材表面產(chǎn)生氣體放電，應(yīng)對靶材施以200-1500V的負(fù)電壓，氣體壓強(qiáng)保持在0.05-10Pa范圍內(nèi)，內(nèi)靶材與外靶材之間的間隙應(yīng)大于氣體的平均自由程，使氣體在內(nèi)外靶體間隙附近能夠與電子發(fā)生充分的碰撞進(jìn)行離化，如在間隙附近的區(qū)域施加0.015-0.12T的磁場(B)，可進(jìn)一步增加電子與氣體的碰撞幾率和離化率。
為了防止靶體33在濺射過程中被濺射產(chǎn)生污染，需在靶體33上部安裝屏蔽罩34，對其進(jìn)行保護(hù)。屏蔽罩34被螺栓3通過陶瓷絕緣墊片36固定在靶體之上，靶體與屏蔽罩相互絕緣。為保證靶體與屏蔽罩之間不產(chǎn)生放電，它們之間的間隙應(yīng)小于氣體放電的陰極暗區(qū)距離0.5-3mm，特別應(yīng)注意靶材與屏蔽罩之間的間隙。
為防止外磁極22，22’和外磁鐵23，23’發(fā)生表面放電，應(yīng)在周圍安裝屏蔽罩24，屏蔽罩與外磁鐵和外磁極的間隙應(yīng)小于氣體放電的陰極暗區(qū)距離，可以在0.5-3mm之間。屏蔽罩通過螺栓25與法蘭28連接。
靶體通過螺栓30固定在法蘭28上，在背磁極38與法蘭盤之間安裝絕緣板32，在螺栓30上安裝有絕緣套29，使陰極中被施加負(fù)電位的部件與法蘭盤具有良好絕緣。
當(dāng)真空室內(nèi)充入氬氣或其他反應(yīng)氣體，壓強(qiáng)在0.05-20Pa之間時，將陰極下部的接線端子40施以150-1500V的負(fù)電壓，內(nèi)外靶材間隙附近將產(chǎn)生氣體放電。當(dāng)功率達(dá)到一定值時，靶材將被濺射，濺射出來的靶材原子或離子沉積在陰極上方的基片或工件37上，從而達(dá)到鍍膜的目的。
在輸入功率、氣體壓強(qiáng)恒定的條件下，鐵磁性靶材的濺射速率和均勻性與內(nèi)外靶材的間隙的大小和端面形狀有關(guān)。內(nèi)外靶材的間隙d越大，間隙內(nèi)的磁場越小，等離子體的密度越低，濺射速率越小；反之，等離子體密度越高，濺射速率越大。
內(nèi)外靶材間隙附近的磁場分布與鐵磁性靶材的濺射端面形狀有關(guān)，對于圖4所示的矩形端面，磁場在磁極間隙內(nèi)的水平分量高，磁力線在間隙內(nèi)局域性強(qiáng)，大部分磁力線分布在內(nèi)外磁極間隙內(nèi)，因此濺射主要發(fā)生在內(nèi)外磁極間隙內(nèi)的相對表面，而且等離子體對基片的轟擊小。對于圖5所示的楔形截面的靶材，內(nèi)外靶材間隙內(nèi)的磁場分布與圖4所示的磁場分布不同，磁力線向間隙的上部發(fā)散，不均勻性增強(qiáng)。在這種磁場結(jié)構(gòu)下，等離子體向上遷移的速率增強(qiáng)，對基片的轟擊增強(qiáng)，從而可以增加薄膜的附著力。
為使陰極發(fā)生濺射，陰極可以由多種模式的電源驅(qū)動，對于導(dǎo)電良好的金屬靶材鍍制金屬薄膜可以用直流電源驅(qū)動，為加強(qiáng)鍍膜工藝，電源可具有恒定電流、恒定電壓或恒定功率等功能；對于導(dǎo)電性較差靶材或?qū)щ娦詮?qiáng)的靶材鍍制非金屬薄膜的情況，可以使用射頻電源驅(qū)動；為抑制濺射過程中的弧光放電損壞薄膜，可采用雙極電源驅(qū)動，其輸出電壓波形如圖6所示，其輸出電壓波形為一個較長的負(fù)電位脈沖(T1)后跟隨一個較窄的正電位脈沖(T2)。負(fù)電位脈沖用于產(chǎn)生濺射，正電位脈沖用于清除靶材、真空室和被鍍工件表面電荷積累，從而避免弧光放電。對于用金屬靶材鍍制非金屬薄膜的情況，也可采用中頻電源同時驅(qū)動兩個陰極，在一個周期內(nèi)兩個陰極互為陰陽極進(jìn)行濺射。
為適應(yīng)不同工件或基片的濺射要求，陰極的結(jié)構(gòu)不限于具有軸對稱的圓形結(jié)構(gòu)?？梢詫⑸鲜鼋Y(jié)構(gòu)沿垂直于對稱軸的方向進(jìn)行延伸，使得陰極具有“口”形或矩形結(jié)構(gòu)，其長度方向可以在機(jī)械加工可實現(xiàn)的情況下延長，尺寸范圍為80-2000mm，這樣的陰極可以用來鍍制大面積平板工件。
利用本設(shè)計制造圓形軸對稱磁控濺射陰極，靶材材料為純鐵，厚度10mm，內(nèi)磁極外徑為60mm，外磁極內(nèi)徑為90毫米，內(nèi)外磁極間隙中心磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量為0.04T。工作氣體為氬氣，壓強(qiáng)3.0Pa，用直流電源采用恒電流模式驅(qū)動磁控濺射陰極，當(dāng)放電電流為2.5A時，放電負(fù)電壓為346V，薄膜的沉積速率為1nm/sec.。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、簡化了磁控濺射陰極的結(jié)構(gòu)，增加可靠性，實現(xiàn)單側(cè)濺射，與真空室的接口簡單，通過一個法蘭即可完成，減低濺射陰極對真空系統(tǒng)的要求，易于安裝和維護(hù)。
2、本陰極避免了鐵磁性靶材對陰極磁路的屏蔽效應(yīng)，對靶材厚度沒有嚴(yán)格限制，使得鐵磁性靶材濺射過程具有一致性和重復(fù)性。
3、降低了靶材的制造難度和成本，減低射頻工作模式的匹配難度，用單一射頻電源即可驅(qū)動陰極。
4、本發(fā)明所涉及陰極在濺射過程中等離子體對基片或樣品的轟擊可以調(diào)整，增強(qiáng)了薄膜的附著力。
5、本發(fā)明所涉及陰極結(jié)構(gòu)具有很好的拓?fù)湫?，可以加工成用于大面積工件鍍膜的大型矩形陰極。


圖1是美國專利5876576，普通平面磁控濺射陰極及其磁性靶材的濺射溝道示意圖。鐵磁性靶材1，磁路2，靶材內(nèi)部磁力線3，靶材表面磁力線4，濺射過程中靶材內(nèi)部外瀉磁力線5，靶材濺射溝道6。
圖2是對靶磁控濺射陰極示意圖。真空室10，陰極11，輔助磁場線圈12，陰極驅(qū)動電源13，磁鐵14，靶材15，放電等離子體16，基片17。
圖3是本發(fā)明平面鐵磁材料磁控濺射陰極示意圖。陰極20，外靶材21，內(nèi)靶材21’，外磁極22，內(nèi)磁極22’，-外磁鐵23，內(nèi)磁鐵23’，屏蔽罩24，屏蔽罩固定螺栓25，接口法蘭膠圈26，法蘭固定螺栓孔27，陰極安裝法蘭28，絕緣套29，螺栓30，進(jìn)水口31，出水口31’，絕緣板32，靶體33，內(nèi)屏蔽罩34，屏蔽罩固定螺栓35，絕緣墊36，基片37，背磁極38，水冷槽39，電極40圖4是弱轟擊型平面鐵磁材料磁控濺射陰極示意圖。
圖5是強(qiáng)轟擊型平面鐵磁材料磁控濺射陰極示意圖。
圖6是雙極電源電壓輸出波形示意圖。
T1為正脈沖波長，T2為負(fù)脈沖波長。
權(quán)利要求
1.一種磁控濺射陰極，由法蘭(28)、密封膠圈(26)、固定螺栓孔(27)、基片(37)組成；其特征在于法蘭(28)安裝于真空室壁上，在法蘭(28)上有密封膠圈(26)和固定螺栓孔(27)，基片(37)置于陰極上方進(jìn)行濺射鍍膜；對于具有軸對稱的圓形磁控濺射陰極，鐵磁性靶材由中心圓形靶材(21’)和外側(cè)環(huán)型靶材(21)組成，可采用3-20mm厚的靶材；中心圓形靶材與外側(cè)環(huán)形靶材之間有5-60mm的間隙，濺射在間隙附近發(fā)生；靶材(21，21’)、磁極(22，22’)、磁鐵(23，23’)和磁極背板(38)構(gòu)成閉合磁路；其中磁極和磁極背板采用高飽和磁化強(qiáng)度材料；靶體(33)采用具有良好導(dǎo)熱性的材料制造，在靶體內(nèi)構(gòu)造出冷卻水道(39)；
2.按照權(quán)利要求1所述的磁控濺射陰極，其特征在于磁極和磁極背板采用高飽和磁化強(qiáng)度材料，可以由純鐵或磁性不銹鋼制造，磁鐵可采用永磁鐵氧體、釹鐵硼或其他永磁材料制造。
3.按照權(quán)利要求1所述的磁控濺射陰極，其特征在于陰極的結(jié)構(gòu)不限于具有軸對稱的圓形結(jié)構(gòu)，可以將上述結(jié)構(gòu)沿垂直于對稱軸的任意方向進(jìn)行延伸，使得陰極具有“口”形或矩形結(jié)構(gòu)，其長度方向可以在機(jī)械加工可實現(xiàn)的情況下延長，尺寸范圍為80-2000mm，這樣的陰極可以用來鍍制大面積平板工件。
4.一種如權(quán)利要求1所述的磁控濺射陰極的濺射方法，其特征在于在濺射過程中，等離子體中的離子對靶材表面的轟擊，將有大量的熱能產(chǎn)生，為了使磁控濺射陰極能夠長時間穩(wěn)定工作，必須對靶材(21，21’)、磁極(22，22’)和磁鐵(23，23’)等部件進(jìn)行有效的冷卻，以保證陰極各部件不被燒毀；為此采用具有良好導(dǎo)熱性的材料制造靶體(33)，在靶體內(nèi)構(gòu)造出冷卻水道(39)；冷卻水由進(jìn)水口(31)流入冷卻水道內(nèi)，進(jìn)行充分熱交換后由出水口(31’)流出；利用靶體與靶材、磁極和磁體的接觸將上述部件進(jìn)行冷卻。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種磁控濺射陰極及其濺射方法，其特征在于法蘭(28)安裝于真空室壁上，在法蘭(28)上有密封膠圈(26)和固定螺栓孔(27)，基片(37)置于陰極上方進(jìn)行濺射鍍膜；對于具有軸對稱的圓形磁控濺射陰極，鐵磁性靶材由中心圓形靶材(21’)和外側(cè)環(huán)型靶材(21)組成，中心圓形靶材與外側(cè)環(huán)形靶材之間有5－60mm的間隙，濺射在間隙附近發(fā)生；靶材(21，21’)、磁極(22，22’)、磁鐵(23，23’)和磁極背板(38)構(gòu)成閉合磁路；其中磁極和磁極背板采用高飽和磁化強(qiáng)度材料；靶體(33)采用具有良好導(dǎo)熱性的材料制造。在濺射過程中，等離子體中的離子對靶材表面的轟擊，將有大量的熱能產(chǎn)生，在靶體內(nèi)構(gòu)造出冷卻水道(39)。本發(fā)明的優(yōu)點在于克服了鐵磁性靶材對磁路的屏蔽效應(yīng)；增加一致性，易于安裝和維護(hù)。
文檔編號C23C14/34GK1397660SQ0211668
公開日2003年2月19日 申請日期2002年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月16日
發(fā)明者楊會生, 王燕斌, 熊小濤 申請人:北京科技大學(xué)