[发明专利]一种给溅射镀膜阴极施加磁场的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜材料的制备方法，具体涉及一种由磁场辅助实现溅射镀膜的方法。

背景技术

从1870年开始，人们就已将溅射现象用于薄膜制备。溅射法镀膜的原理是高速粒子(大多是由电场加速的正离子)轰击靶表面，靶表面的原子和分子与高速粒子交换能量后从靶表面逸出，这种现象称为溅射，溅射出的靶材原子或分子与基片表面相遇时，会在基片表面发生凝聚沉积，沉积的原子或分子在表面上发生扩散，成核以至成团长大最终形成薄膜层。表征溅射特性的主要参数有溅射阈值、溅射率、溅射粒子的速度和能量等。溅射镀膜的种类有许多，如直流二极溅射、三极和四极溅射、磁控溅射、射频溅射、偏压溅射、离子束溅射和反应溅射等。

磁控溅射的基本装置是在直流溅射或射频溅射装置的基础上改进电极结构，在靶阴极内腔放置永久磁铁或电磁铁，使得靶材表面的上方部分区域形成一个平行于表面的横向磁场。磁控溅射原理就是电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和二次电子。其中，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。二次电子在飞向基片的过程中受到横向磁场的作用，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内作回旋运动，大大延长了电子到达阳极的行程，使在此行程中与氩原子发生碰撞电离的几率大大增加，轰击靶的正离子的密度因而也大大提高，从而提高了溅射的速率。

磁控溅射镀膜技术的主要优点就是利用这种磁场辅助约束二次电子、提高电子和工作气体的碰撞几率，从而提高电离效率、得到较高的镀膜沉积速率，加上几乎所有的金属、合金和陶瓷都可以作为靶材进行镀膜，磁控溅射镀膜已经被广泛应用于科研和大面积镀膜生产各个领域。但普通的磁控溅射镀膜技术也存在一些明显的缺点：一是阴极中采用的磁场结构的原因，靶材表面附近不均匀分布的磁场产生不均匀分布的等离子体、导致靶材面上的不均匀刻蚀，平面磁控溅射靶材的利用率只有25～45％，造成资源利用的不充分；二是靶表面的横向磁场将带电粒子束缚在靶表面附近，随着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低，大部分的中性粒子才不受磁场的束缚飞向镀膜区域，难以得到高品质的薄膜；三是由于磁铁被设置在阴极内，受离子轰击、靶材产生的高温会引起阴极的温度升高，为避免温度引起磁铁性能的下降乃至磁铁失效，现有技术中需要对阴极进行水冷。而结构简略的阴极中，磁铁常被浸没于冷却水中，受到腐蚀，缩短了磁铁的使用寿命，同时，冷却阴极也一定程度上使的靶材的溅射速率下降。

发明内容

本发明目的是提供一种给溅射镀膜阴极施加磁场的方法，在提高靶材利用率的同时，解决现有技术中阴极冷却结构导致的磁铁寿命下降的问题，还可以简化阴极的结构。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种给溅射镀膜阴极施加磁场的方法，采用磁场辅助溅射方式镀膜，靶材和基片平行设置于电场中，靶材位于阴极表面，使靶材和基片之间形成等离子区，离子轰击靶材产生溅射，溅射出的靶材粒子沉积在基片上形成薄膜，在基片的背侧设置一个磁极朝向靶材方向的永久磁铁或电磁铁，在所述靶材背侧设置一铁磁性片材，使得所述靶材位于磁场中，磁场的方向垂直于靶材表面设置。

上述技术方案中，所述永久磁铁或电磁铁指向靶材的磁极对应的端面为内凹的曲面，曲面的大小和形状设置使整个靶材处于该磁场中，且磁场的强度沿靶材表面的分布均匀、方向与靶材表面垂直。

所述铁磁性片材为铁片或铁磁合金片、也可为铁磁化合物片，其厚度为0.2～8毫米。

本发明的溅射镀膜阴极中可根据情况设置冷却水系统，以控制靶材表面的温度，但由于磁铁设置于基片背侧，靶材温度可高于现有技术中的靶材温度，只要保证阴极材料不影响装置的真空度即可。

上述技术方案中，通过在基片背侧设置永久磁铁或电磁铁，在靶材背侧设置铁磁性片材，由于磁场会自动选择磁阻最小的路径，从而可以在近似垂直于靶材表面的方向产生一个均匀的磁场，整个靶材处于该磁场中。磁铁的形状依据镀膜设备的不同可采用圆柱体或长方体，以对应于圆形靶或矩形靶，优选的方案是，指向靶材的端面设计成内凹的曲面形，以产生一个指向靶材的比较均匀的磁场。曲面部分所对应的磁极可根据镀膜靶材的材质取N极或S极，另一端面取平面或曲面都可。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明改变了现有技术中利用正交电磁场维持平面磁控溅射的做法，创造性地提出了“设置磁场的方向垂直于靶材表面设置”的技术，实验表明，采用这种方法能够大幅度提高溅射镀膜的速率，大幅度提高镀膜的结晶质量；