[实用新型]一种平衡磁场溅射镀膜装置

说明书

本实用新型提供一种基于平衡磁场的溅射镀膜装置，包括水平设置的阴极靶材，所述阴极靶材为长方形板状结构，阴极靶材上方50‑100mm的范围内设有基片，阴极靶材下方设置有磁钢，所述磁钢包括磁钢座与磁极。通过磁钢的磁极间的作用，在阴极靶材上表面形成拱形磁场。在所述磁极下方设置有导磁块，所述导磁块可以使得磁场耦合于靶面上，提高镀膜效率与靶材的利用率。

技术领域

本实用新型属于磁场控制领域，尤其涉及磁控溅射镀膜领域，具体涉及一种基于平衡磁场的溅射镀膜装置。

背景技术

当前常见的溅射镀膜装置，如图1所示，包括水平设置在底座上的阴极靶材2，所述阴极靶材2为长方形板状结构，阴极靶材2上方设有基片3，阴极靶材 2下方布设有磁钢1，所述磁钢1在阴极靶材2上形成拱形或圆形磁场。

磁控溅射的工作原理是指电子在电场的作用下，在加速飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，电离产生大量的Ar离子和新的电子，新电子继续不断和Ar 原子碰撞，产生更多的Ar离子和电子。Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击阴极靶表面，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形成薄膜。即电离后的Ar离子在电场和磁场的交互作用下，加速轰击靶材表面，能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，转移到基体表面而成膜。

磁控溅射是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛伦兹力的影响，大部分被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，大多二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长。其他部分会飞向基片、真空室内壁及靶电源阳极等区域。在溅射成膜中，部分电子在电场力作用下迅速飞向基片表面，会造成电子运动路径短、轰击在基片上速度快，导致基片温度升高，在一定程度上会影响成膜质量，造成膜层潜在的一些缺陷。

磁控溅射包括很多种类，各有不同工作原理和应用对象。根据磁控阴极的磁场位形分布的不同，大致可分为平衡态和非平衡磁控溅射。不管平衡非平衡，均是利用磁场与电场交互作用，使电子在靶表面附近成螺旋状运行，从而增大电子撞击氩气产生离子的概率。所产生的离子在电场作用下撞向靶面从而溅射出靶材。

平衡态磁控溅射的阴极内外磁钢的磁通量大致相等，两极磁力线闭合于靶材上，很好地将电子/等离子体约束在靶材附近，增加碰撞几率，提高了离化效率，因而在较低的工作气压和电压下就能起辉并维持辉光放电，靶材利用率相对较高。

但平衡磁控溅射也有不足之处，例如：由于磁场作用，辉光放电产生的电子和溅射出的二次电子被平行磁场紧紧地约束在靶面附近，等离子体区被强烈地束缚在靶面大约60mm的区域，随着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低，这时只能把工件安放在磁控靶表面50-100mm的范围内，以增强离子轰击的效果。这样短的有效镀膜区限制了待镀工件的几何尺寸，不适于较大的工件或装炉量，制约了磁控溅射技术的应用。且在平衡磁控溅射时，飞出的靶材粒子能量较低，在大工件应用中，轰击效率反而不足。

非平衡磁控溅射是让磁控阴极外磁极磁通大于内磁极，两极磁力线在靶面不完全闭合，部分磁力线可沿靶的边缘延伸到基片区域，从而部分电子可以沿着磁力线扩展到基片，增加基片区域的等离子体密度和气体电离率。

由于非平衡磁控溅射可以增加基片区域的等离子体密度和气体电离度，一般在基片附近区域飞出的靶材粒子能量较高，会增强离子轰击的效果，膜基结合强度也较好，也更适于较大的镀膜工件，因此，当前大多采用非平衡磁场方式进行磁控溅射。然而，非平衡磁场方式下的磁控溅射同样具有以下问题：

1、溅射过程中对电子约束不足，电子在等离子体中运动时间短，电子参与气体分子碰撞和电离的过程短，电离出的离子少，气体的离化率低，整体溅射的效率和沉积速率差。

2、非平衡磁场引发高能电子轰击在成膜过程中的膜层和基片，造成成膜微细缺陷，影响膜层质量。