一种给溅射镀膜阴极施加磁场的方法.pdf

本发明公开了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，溅射出的靶材原子或分子沉积在基片上形成薄膜，其特征在于：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，磁场的强度分布均匀、方向垂直于靶材表面设置。本发明的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；能整体比较均匀地刻蚀靶材，靶材的利用率可以提高到85～90％；同时避免了冷却水对磁铁的腐蚀影响，可以在较高温度下实现溅射，更利于提高靶材的溅射速率。

1.  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，其特征在于：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。

2.  根据权利要求1所述的给溅射镀膜阴极施加磁场的方法，其特征在于：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，且磁场的强度分布均匀、方向与靶材表面垂直。

3.  根据权利要求1所述的溅射镀膜方法，其特征在于：所述铁磁性片材为铁片、铁磁合金片、或铁磁化合物片，其厚度为0.2～8毫米。

一种给溅射镀膜阴极施加磁场的方法
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；
2.本发明通过构建垂直于靶材表面的磁场，在靶材表面形成了均匀的磁场分布，能整体比较均匀地刻蚀靶材，靶材的利用率可以提高到85～90％；
3.本发明将磁铁设置在基片背侧，通过在靶材背侧设置铁磁性片材来获得垂直于靶材的磁场，因此，磁铁不需要放在阴极内腔，避免了冷却水对磁铁的腐蚀影响，同时，阴极温度不会受磁铁居里点的限制，可以在较高温度下实现溅射，有利于提高靶材的溅射速率。
附图说明
图1是本发明实施例一的装置示意图；
图2是实施例一中镀膜方法磁场分布示意图；
图3是实施例一中圆形靶材的示意图；
图4是实施例一中矩形靶材的示意图；
图5是溅射Cu靶时，实施例一方法产生的辉光形状分布照片；
图6是实施例一方法与普通磁控溅射方法获得的铜薄膜表面的原子力显微镜(AFM)照片的比较；
图7是实施例一方法与普通磁控溅射方法靶材刻蚀程度比较照片。
其中：1、靶材；2、基片；3、磁铁；4、阴极；5、冷却水进口；6、冷却水出口；7、铁片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：一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，参见附图1所示，靶材1和基片2平行设置于电场中，靶材1位于阴极4表面，使靶材1和基片2之间形成等离子区，离子轰击靶材1产生溅射，溅射出的靶材原子或分子沉积在基片2上形成薄膜，所述靶材1位于由磁铁3产生的磁场中，磁场的方向垂直于靶材表面设置。
本实施例中，所述方向垂直于靶材表面设置的磁场的产生方法是，在基片2的背侧设置一个磁极朝向靶材方向的永久磁铁或电磁铁，所述永久磁铁或电磁铁指向靶材1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1处于该磁场中，且磁场的方向与靶材表面垂直。
在所述靶材1背侧设置一铁片7，其厚度为2～8毫米。
在实际制作中，阴极采用冷却水冷却，在阴极结构上设置有冷却水进口5和冷却水出口6。参见附图2所示，本发明的磁场方向垂直于靶材表面设置；附图3为采用圆形靶材时的示意图；附图4为采用矩形靶材时的示意图。
采用上述方法可以明显地增强等离子体的强度和扩大等离子体的分布范围到基片(被镀件)的表面，产生的效果是：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；大幅度提高靶材的利用率；对磁性靶材有与非磁性靶材同样的溅射效果。图5是溅射Cu靶时，本溅射方法产生的辉光形状分布的照片，靶材表面处很强的辉光一直延伸至基片的表面。另外，更换靶材重复实验还发现，对于同一个磁铁，辉光外形不随靶材种类的改变而改变。图6是用本溅射方法和普通磁控溅射方法制备的铜薄膜结晶状况通过原子力显微镜观察的比较。两种薄膜中铜颗粒的大小明显不同，即薄膜的结晶程度差别很大。图7是本溅射方法与普通磁控溅射方法时，靶材刻蚀均匀程度的比较。图左是普通平面磁控溅射形成的典型沟状环形刻蚀，图右显示本溅射对靶材整体比较均匀的刻蚀，靶材的利用率明显提高。
采用本实施例的方法与普通的平面磁控溅射方法进行对比试验，试验情况描述如下：
溅射半导体硅薄膜：氩气工作气压0.5Pa，靶材和基片间35mm，磁铁的直径50mm、磁场强度3500高斯，射频溅射功率70瓦，薄膜的沉积速率是17.5nm/min。而用普通的平面磁控溅射，溅射功率200瓦时的镀膜速率才是4nm/min。
溅射金属铜薄膜：氩气工作气压3.0Pa，靶材和基片间距25mm，磁铁的直径50mm、磁场强度1500高斯，射频溅射功率70瓦，薄膜的沉积速率是6.9nm/min。而在同样条件下用普通的平面磁控溅射，镀膜速率是2.4nm/min。
溅射金属铝薄膜：氩气工作气压0.5Pa，靶材和基片间距25mm，磁铁的直径25mm、磁场强度3000高斯，射频溅射功率150瓦时薄膜的沉积速率是45nm/min。而用普通的平面磁控溅射，溅射功率150瓦时的镀膜速率是23.5nm/min。
溅射金属铜薄膜：氩气和氮气混合比例为8∶1，工作气压3Pa，靶材和基片间距25mm，磁铁的直径25mm，磁场强度3000高斯，射频溅射功率150瓦，薄膜的沉积速率是52nm/min。而在同样条件下用普通的平面磁控溅射，镀膜速率是32nm/min。
溅射金属铁薄膜：氩气工作气压3Pa，靶材和基片间距25mm，磁铁的直径25mm，磁场强度3000高斯，射频溅射功率150瓦，薄膜的沉积速率是23.9nm/min。而在同样条件下用普通的平面磁控溅射，镀膜速率是6.2nm/min。