專利名稱:多源型平面磁控濺射源的制作方法
本發(fā)明涉及一種濺射鍍覆的專用設(shè)備。
多源型平面磁控濺射源是磁控濺射鍍膜機的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于集成電路、超導(dǎo)器件、聲學(xué)光學(xué)器件、機械零件以及塑料制品等的表面鍍膜。
應(yīng)用濺射鍍膜機在一個工件的表面鍍覆多種材料的膜層，鍍膜機的真空腔體內(nèi)通常布置多個濺射源。由于真空腔體的空間有限，設(shè)置濺射源的個數(shù)受到限制，若增大真空腔體體積，需采用更大型的濺射鍍膜機，設(shè)備投資費用驟然增加，結(jié)構(gòu)上也顯得很不合理。
CN85100096A專利提出一種含有一個水冷器、多個區(qū)段靶板和多個電磁鐵型的磁場源的《平面磁控濺射靶及其鍍膜方法》，每一個區(qū)段靶板的材質(zhì)各不相同，同一區(qū)段靶板由同質(zhì)材料拼砌而成，通過調(diào)節(jié)各電磁鐵的勵磁電流的相對比值，使每一區(qū)段靶板表面跑道磁場相對比值發(fā)生變化，從而實現(xiàn)所制的合金成份在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。
這種平面磁控濺射源存在如下缺陷1、受其結(jié)構(gòu)布局限制，難以實現(xiàn)多源濺射鍍膜;
2、靶材利用率低。因每一個區(qū)段靶板都是靜止不動的，只能在每一個區(qū)段靶板上分別刻蝕一個寬度狹窄的圓環(huán)，盡管同一區(qū)段靶板內(nèi)的同質(zhì)小靶可以翻轉(zhuǎn)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層，其合金成份配比差異較大。由于各區(qū)段靶板呈方形結(jié)構(gòu)，相鄰的圓形刻蝕區(qū)之間相對距離較大，若不設(shè)置復(fù)雜的工件轉(zhuǎn)動裝置，工件表面不同處的鍍層，其合金成份配比的一致性必然較差;
4、濺射源的結(jié)構(gòu)顯得龐大，給安裝帶來不便。
本發(fā)明的目的在于提供一種可共濺沉積合金膜、沉積多層膜以及沉積單質(zhì)薄膜的多源型平面磁控濺射源。
圖面說明圖1為多源型平面磁控濺射源的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-水冷器的外膽，2-下極靴，3-圓環(huán)形磁體，4-上極靴，5-反向磁體，6-由扇形極靴〔ⅰ〕、V形磁體〔ⅱ〕和扇形磁體〔?！辰M成的內(nèi)磁組件，7-水冷背板，8-由異質(zhì)扇形材料拼成的陰極靶，9-螺釘，10-壓片，11-壓環(huán)，12-轉(zhuǎn)軸，13-轉(zhuǎn)盤，14-動密封組件，15-進水管，16-銅質(zhì)出水管，17-密封圈，18-絕緣環(huán)，19-密封圈，20-固定螺釘，20′-絕緣墊，21-法蘭，22-屏蔽罩，23-驅(qū)動軸，24-傳動齒輪，25-檔板。
圖2為圖1的A-A剖視圖，圖中標記與圖1相同。
圖3為圖1的俯視圖，圖中虛線表示陰極靶〔8〕，26、27為帶卡簧的從動輪，其余標記與圖1相同。
圖4為實施例1所用的陰極靶〔8〕的結(jié)構(gòu)圖。
圖5為實施例2所用的陰極靶〔8〕的結(jié)構(gòu)圖。
工作原理圓形平面陰極靶〔8〕由若干個異質(zhì)扇形小靶拼成，磁場源在陰極靶〔8〕的一側(cè)上方產(chǎn)生一個呈扇形的跑道磁場，據(jù)合金膜成份配比確定各異質(zhì)扇形小靶的面積比，隨位于陰極靶〔8〕下方內(nèi)磁組件〔6〕轉(zhuǎn)動，扇形等離子體閉合環(huán)亦在靶面上作旋轉(zhuǎn)掃描，實現(xiàn)共濺沉積合金膜;據(jù)多層膜參數(shù)要求，以相應(yīng)的異質(zhì)扇形小靶拼成陰極靶〔8〕，使內(nèi)磁組件〔6〕先后在不同的扇形小靶下方擺動，便可在工件表面沉積多層膜。
以下結(jié)合本發(fā)明的詳細內(nèi)容，但
發(fā)明內(nèi)容
不限于。
如圖1所示，本發(fā)明的多源型平面磁控濺射源含有一個由靜止的外磁組件和一個或多個可作圓周運動的內(nèi)磁組件〔6〕組成的磁場源，一個由若干個異質(zhì)材料扇形小靶拼砌而成的圓形平面陰極靶〔8〕，一個開有一個或若干個扇形孔的能與內(nèi)磁組件〔6〕作同步旋轉(zhuǎn)的擋板〔25〕，一個屏蔽罩〔22〕，一個帶動轉(zhuǎn)盤〔13〕和內(nèi)磁組件〔6〕作旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)軸〔12〕，一個優(yōu)先冷卻陰極靶〔8〕的濺射區(qū)的水冷器。
外磁組件含有一個用純鐵制作的圓環(huán)形的下極靴〔2〕，一個圓環(huán)形磁體〔3〕，一個用純鐵制作的上極靴〔4〕和一個反向磁體〔5〕。下極靴〔2〕和圓環(huán)形磁體〔3〕固定在水冷器的外膽〔1〕的外沉隔上。上極靴〔4〕焊接在外膽〔1〕的上端面上，兩者內(nèi)徑相同。為使磁力線在上極靴〔4〕內(nèi)側(cè)充分飽和泄漏，在上極靴〔4〕上等間隔地布置若干塊反向磁體〔5〕，使磁力線呈退拔狀地指向軸心。
每一個內(nèi)磁組件〔6〕含有一個純鐵制作的扇形極靴〔ⅰ〕，它與下極靴〔2〕等高度地固定在轉(zhuǎn)盤〔13〕上，一個布置在扇形極靴〔ⅰ〕上的V形磁體〔ⅱ〕，其外側(cè)面與扇形極靴〔ⅰ〕的外側(cè)面重合，一個布置在V形磁體〔ⅱ〕內(nèi)側(cè)的扇形磁體〔?！?，它的三個外側(cè)面與鄰近零件間的間隙均等。V形磁體〔ⅱ〕與扇形磁體〔?！车慕S心的間隙處的扇形極靴〔ⅰ〕上開有一個通水孔，扇形磁體〔?！车臉O性同V形磁體〔ⅱ〕、圓環(huán)形磁體〔3〕相反，如圖2所示。內(nèi)磁組件〔6〕與外膽〔1〕之間的間隙遠小于內(nèi)磁組件〔6〕與水冷器的水冷背板〔7〕之間的間隙。
每個內(nèi)磁組件〔6〕同正對它的那部分外磁組件構(gòu)成了一個能在陰極靶〔8〕的一側(cè)靶面上產(chǎn)生呈扇形的跑道磁場的磁場源，隨著轉(zhuǎn)軸〔13〕的轉(zhuǎn)動，這些扇形的跑道磁場亦繞轉(zhuǎn)軸〔13〕作旋轉(zhuǎn)運動。
為了布置圓形平面陰極靶〔8〕而設(shè)有一個焊接在銅質(zhì)外膽〔1〕上部內(nèi)側(cè)的水冷背板〔7〕，其軸心處上部設(shè)置一個盲螺孔;一個用于壓緊陰極靶〔8〕周邊的環(huán)帶狀壓環(huán)〔11〕，沿該環(huán)帶均勻地布置若干個豎向通孔;一個與外膽〔1〕上端面相焊接的環(huán)帶狀上極靴〔4〕，對應(yīng)于壓環(huán)〔11〕豎向通孔的上極靴〔4〕并外膽〔1〕上部布置相應(yīng)的盲螺孔。陰極靶〔8〕由若干個可拆換的異質(zhì)扇形小靶拼成，其軸心處設(shè)有一個用于布置螺釘〔9〕的通孔。采用一個螺釘〔9〕、一個壓片〔10〕和若干個與壓環(huán)〔11〕、上極靴〔4〕、外膽〔1〕相連接的螺釘，將陰極靶〔8〕緊壓在水冷背板〔7〕上。松開上述螺釘，便可更換陰極靶〔8〕或拆換陰極靶〔8〕中的某些扇形小靶。
如圖3所示，以厚度4～6mm的銅板或不銹鋼板制作為擋板〔25〕為一個開有一個或若干個扇形孔的圓板，其周邊呈齒狀，由模數(shù)合適的傳動齒輪〔24〕和帶卡簧的從動輪〔26〕、〔27〕夾持，位于陰極靶〔8〕上方4～6mm處，在同驅(qū)動軸〔23〕相連接的傳動齒輪〔24〕的帶動下，擋板〔25〕與內(nèi)磁組件〔6〕作同步旋轉(zhuǎn)，使扇形孔始終位于扇形極靴〔ⅰ〕的上方。
冷卻器的外膽〔1〕的底部開有一個用于埋設(shè)密封圈〔17〕的環(huán)形槽、一個布置轉(zhuǎn)軸〔12〕的中心通孔、一個布置銅質(zhì)出水管〔16〕的通孔、若干個盲螺孔。法蘭〔21〕上開有一個埋設(shè)密封圈〔19〕的環(huán)形槽，若干個與外膽〔1〕的盲螺孔相對應(yīng)的通孔。屏蔽罩〔22〕套裝在法蘭〔21〕上。在外膽〔1〕和法蘭〔21〕之間布置密封圈〔17〕、絕緣環(huán)〔18〕、密封圈〔19〕，采用若干個外加絕緣墊〔20′〕的固定螺釘〔20〕將外膽〔1〕固定在法蘭〔21〕上。
上部開有中心深孔的轉(zhuǎn)軸〔12〕的上端同設(shè)有水腔〔Ⅰ〕的轉(zhuǎn)盤〔13〕固定連接，其下部套裝一個動密封組件〔14〕并同一個微形可逆步進電機連接，進水管〔15〕布置在動密封組件〔14〕上。
冷卻器的冷卻水自進水管〔15〕引入，經(jīng)轉(zhuǎn)軸〔12〕的中心深孔、轉(zhuǎn)盤〔13〕處的水腔〔Ⅰ〕和扇形磁靴〔ⅰ〕上的通水孔，進入水腔〔Ⅱ〕，從內(nèi)磁組件〔6〕頂部溢出到銅質(zhì)外膽〔1〕和銅質(zhì)水冷背板〔7〕構(gòu)成的水腔〔Ⅲ〕內(nèi)，由銅質(zhì)出水管〔16〕引出。
應(yīng)用本濺射源作幾種材料的共濺沉膜時，根據(jù)某材料在合金中占有的重量百分比及其濺射系數(shù)，確定該材料應(yīng)占靶面的面積比，將該應(yīng)占面積劃分成若干個扇形小靶，同他種材料的扇形小靶一起等間隔地排列拼成一個圓形平面陰極靶〔8〕，通過控制步進電機在預(yù)定的時間內(nèi)使內(nèi)磁組件〔6〕作連續(xù)轉(zhuǎn)動，則在工件表面沉積出所需成份配比及所需厚度的合金膜。
應(yīng)用本濺射源沉積多層薄膜或單獨沉積某種材料薄膜時，每種材料各制成一個扇形小靶，將這些小靶拼成一個圓形平面靶〔8〕，令扇形小靶的扇形張角為扇形等離子環(huán)扇形張角的1.5倍以上，通過控制步進電機在各個預(yù)定的時間內(nèi)使內(nèi)磁組件〔6〕先后在有關(guān)的扇形小靶底部來回擺動，則可在工件表面沉積出符合要求的多層膜或某種材料的薄膜。取扇形小靶的張角與扇形等離子體環(huán)的張角的比值≥1.5的目的是為了提高靶材的利用率。
本濺射源的磁場源也可用一個外磁組件和多個內(nèi)磁組件〔6〕構(gòu)成，以提高濺射效率。
擋板〔25〕、屏蔽罩〔22〕接地電位，作為濺射源的陽極。圓環(huán)形磁體〔3〕、內(nèi)磁組件〔6〕、外膽〔1〕、壓環(huán)〔11〕、動密封組件〔14〕、進水管〔15〕、出水管〔16〕等均與陰極靶〔8〕同電位，負幾百伏的電勢通過出水管〔16〕引入。
本濺射源的主要特征在于它含有一個由下極靴〔2〕、圓環(huán)形磁體〔3〕、上極靴〔4〕、反向磁體〔5〕構(gòu)成的外磁組件和一個或多個由步進電機控制其運動的內(nèi)磁組件〔6〕組成的磁場源，一個由若干個扇形異質(zhì)材料拼砌成的圓形平面陰極靶〔8〕，一個與內(nèi)磁組件〔6〕作同步運動、開有一個或若干個扇形孔的擋板〔25〕，以及一個優(yōu)先冷卻陰極靶〔8〕的濺射區(qū)的水冷器。
本發(fā)明的濺射源同已有的同類濺射源比較具有如下優(yōu)點1、本濺射源具有共濺沉積合金膜、沉積多層膜和沉積單質(zhì)薄膜的多種功能，且結(jié)構(gòu)極為緊湊。而已有的濺射源不具備這些功能。
2、能獲得任意配比且到處配比均勻一致的合金膜。合金各成份的配比僅需事先控制各扇形靶的面積大小。
3、適用性廣。采用本濺射源，可將普通的鍍膜機方便改造為價值高的多源式磁控濺射臺。
4、采用固定的外磁組件和可動的內(nèi)磁組件〔6〕構(gòu)成的磁場源，有效地擴大了靶面濺射區(qū)，大幅度地提高了靶材利用率。共濺沉膜時，靶材利用率達85%以上，沉積多層膜或單質(zhì)沉膜時，靶材利用率達75%以上。
5、設(shè)有一個能優(yōu)先有效地冷卻陰極靶〔8〕濺射區(qū)的水冷器。
6、設(shè)有一個能有效捕集逃逸的二次電子的擋板〔25〕，使二次電子轟擊基片的頻度大幅度降低，有效地減少輻射損傷。
實施例1如圖1所示的多源型平面磁控濺射源，含兩個對稱布置的內(nèi)磁組件〔6〕，陰極靶〔8〕直徑為φ200mm，它由鋁、銅、鈦三種材料的六塊扇形小靶拼砌而成，其中鋁材扇形靶的總張角為120°，銅材扇形靶的總張角為180°，鈦材扇形靶的總張角為60°，每種靶材均分割成二個相同的扇形小靶，三種靶材一一相間布置，布局示如圖4。內(nèi)磁組件〔6〕繞轉(zhuǎn)軸〔13〕旋轉(zhuǎn)，基片直徑為φ200mm，正對陰極靶〔8〕靜止放置。用以共濺沉積鋁銅鈦合金膜，濺射功率3KW(DC)。
每種靶材占總靶面積的百分比M、濺射系數(shù)η(原子/離子)、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論計算值N為
實測結(jié)果1、所沉積的合金膜中各成份所占的重量百分比為銅88%，鋁8.6%，鈦3.4%。
2、在φ180mm范圍內(nèi)的膜層，合金比例的不均勻度＜5%。
3、靶材利用率為88%。
實施例2
如圖1所示的多源型平面磁控濺射源，采用一個內(nèi)磁組件〔6〕，其扇形極靴〔ⅰ〕的扇形張角為60°，陰極靶〔8〕直徑為φ200mm，它由鈦、鉬、銅三種靶材的扇形小靶拼砌而成，各扇形小靶均為90°張角，布局見圖5。擋板〔25〕距靶面4mm，基片距靶面100mm，濺射功率為2KW(DC)。內(nèi)磁組件〔6〕先后在鈦、鉬扇形小靶下各在30°范圍內(nèi)來回擺動，在銅靶下在120°范圍內(nèi)來回擺動。先濺鈦，時間1分鐘，再濺鉬，時間3分鐘，最后濺銅，時間2分鐘。沉積多層膜。
實測結(jié)果1、鈦層厚度為1100
，鉬層厚度為5300
，銅層厚度為9300
。
2、鈦、鉬扇形小靶的有效刻蝕面積各為其原靶的78%左右，銅靶的有效刻蝕面積為原靶的84%左右。
權(quán)利要求
1.一種由磁場源、陰極靶、水冷器以及屏蔽罩等組成的多源型平面磁控濺射源，其特征在于該濺射源含有一個由靜止的外磁組件和一個或多個可作旋轉(zhuǎn)運動的內(nèi)磁組件[6]組成的磁場源，一個由若干個異質(zhì)扇形小靶拼成的圓形平面陰極靶[8]，一個布置在陰極靶[8]上方、開有一個或若干個扇形孔、能與內(nèi)磁組件[6]作同步運動的擋板[25]，以及一個優(yōu)先冷卻陰極靶[8]濺射區(qū)的水冷器。
2.按照權(quán)利要求
1所述的磁控濺射源，其特征在于所述的磁場源其外磁組件固定在水冷器的外膽〔1〕的外側(cè)，其內(nèi)磁組件〔6〕布置在處于水冷器的水腔〔Ⅲ〕中的轉(zhuǎn)盤〔13〕上。
3.按照權(quán)利要求
1和2所述的磁控濺射源，其特征在于所述的外磁組件由一個環(huán)形的下極靴〔2〕、一個環(huán)形的上極靴〔4〕、一個布置在上極靴〔4〕和下極靴〔2〕之間的圓環(huán)形磁體〔3〕，以及一個為使磁力線從上極靴〔4〕的內(nèi)邊緣充分飽和泄漏的反向磁體〔5〕構(gòu)成。
4.按照權(quán)利要求
1和2所述的磁控濺射源，其特征在于所述的內(nèi)磁組件〔6〕由一個固定在轉(zhuǎn)盤〔13〕上的扇形極靴〔ⅰ〕和布置在扇形極靴〔ⅰ〕上的V字形磁體〔ⅱ〕以及位于V字形磁體〔ⅱ〕內(nèi)側(cè)的扇形磁體〔?！辰M成，扇形磁體〔?！车臉O性與V字形磁體〔ⅱ〕、圓環(huán)形磁體〔3〕相反。
5.按照權(quán)利要求
1所述的磁控濺射源，其特征在于所述的陰極靶〔8〕由若干個不同材質(zhì)、不同張角、相間布置的扇形小靶拼砌而成，為使陰極靶〔8〕同水冷背板〔7〕相互壓緊將螺釘〔9〕和連接壓環(huán)〔11〕、上極靴〔4〕、外膽〔1〕的若干個螺釘擰緊。
6.按照權(quán)利要求
1所述的磁控濺射源，其特征在于所述的擋板〔25〕由傳動齒輪〔24〕和帶卡簧的從動齒輪〔26〕、〔27〕夾持，位于靶面上方4～6mm處。
7.按照權(quán)利要求
1所述的磁控濺射源，其特征在于水冷器的冷卻水自進水管〔15〕引入，經(jīng)轉(zhuǎn)軸〔12〕的中心深孔、水腔〔Ⅰ〕進入水腔〔Ⅱ〕，從內(nèi)磁組件〔6〕的頂部溢出到水腔〔Ⅲ〕，由銅質(zhì)出水管〔16〕引出。
8.按照權(quán)利要求
1所述的磁控濺射源，其特征在于沉積合金膜時，令內(nèi)磁組件〔6〕和擋板〔25〕在預(yù)定的時間內(nèi)作同步旋轉(zhuǎn)。
9.按照權(quán)利要求
1所述的磁控濺射源，其特征在于沉積多層膜時，令內(nèi)磁組件〔6〕于各預(yù)定的時間內(nèi)先后在不同扇形小靶的底部作來回擺動。
專利摘要
一種多源型平面磁控濺射源，其磁場源由一個靜止的外磁組件、一個或多個可作旋轉(zhuǎn)運動的內(nèi)磁組件(6)構(gòu)成，陰極靶(8)由若干個可拆換的異質(zhì)扇形小靶拼成，陰極靶(8)的上方有一個開有若干個扇形孔、能同內(nèi)磁組件(6)作同步運動的擋板(25)。該濺射源具有共濺沉積合金膜、沉積多層膜或沉積單質(zhì)薄膜等功能。沉積多層膜時靶材利用率達75％以上；共濺沉積合金膜時，靶材利用率達85％以上，膜層成份配比精確度高、厚度均勻性好。
文檔編號C23C14/36GK87106938SQ87106938
公開日1988年7月13日 申請日期1987年10月12日
發(fā)明者王德苗, 任高潮 申請人:浙江大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan