专利名称：基于非平衡磁场的双通道连续磁控溅射镀膜设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及国际分类C23C溅射法的一般镀覆技术及设备，尤其是基于非平衡磁场的双通道连续磁控溅射镀膜设备。
背景技术：
目前，几乎任何材料都可以通过真空镀膜工艺涂覆到其他材料的表面上，这就为真空镀膜技术在各种工业领域中的应用开辟了更加广阔的前景。在材料表面上，镀上一层薄膜，就能使该种材料具有许多新的物理和化学性能。真空镀膜法是一种新的镀膜工艺，由于薄膜制备工艺是在真空条件下进行的，故称真空镀膜法。真空下制备薄膜，环境清洁，膜不易受污染，可获得致密性好、纯度高、膜厚均勻的涂层。膜与基体附着强度好，膜层牢固。 真空离子镀的种类是多种多样的，由于不同类型的离子镀方法采用不同的真空镀，镀料气化采用不同的加热蒸发方式，蒸发粒子及反应气体采用不同的电离及激发方式等，具体可分为气体放电等离子体离子镀、射频放电离子镀、空心阴极放电离子镀、多孤离子镀，即阴极电弧离子镀。其中，磁控溅射离子镀是电子在电场有作用下加速飞向基体的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基体，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沉积在基体上成膜；二次电子在加速飞向基体的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，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，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，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的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。溅射是热蒸发和弹性碰撞的综合过程。由于气体正离子轰击阴极靶，使靶表面受轰击的部位产生局部高温区，该区靶材达到了蒸发温度而产生蒸发，溅射速率是靶材升华热和轰击离子能量的函数，逸出的靶材原子将呈现正弦分布。当气体正离子轰击阴极靶时，直接将其能量传给靶表面上某个原子或分子， 使该原子或分子脱离附近其它原子或分子的束缚而从靶表面弹射出来。如果轰击离子的能量不足，则只能发生振动而不产生溅射。如果轰击离子能量很高时，轰击离子能量过高而发生离子注入现象。对于一般的溅射装置，溅射镀膜的形成是利用真空辉光放电，加速正离子使其轰击靶材表面而引起的溅射现象，使靶材表面放出的粒子沉积到基体上而形成薄膜的。当离子轰击固体表面时会产生许多效应，除了靶材的中性粒子，即原子和分子，最终沉积成膜之外，其它效应对薄膜的生长也会产生很大的影响。磁控溅射就是在普通的阴极溅射基础上加上相互正交的磁场和电场中，利用磁场的约束来改变电子在气体放电中的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，从而极大地提高电子对工作气体分子或原子的碰撞电离几率及更充分的利用电子的能量。因此使气体正离子对靶材的轰击所引起的靶原子的溅射更有效。同时，受到正交电磁场束缚的电子只有在其能量耗尽是才能脱离靶表面附近。这样沉积到基体上的电子传给基体的能量很小， 使基体的温升较慢而且低。
目前所用的磁控溅射技术及其生产设备多采用平衡式的磁产布置形式，薄膜沉积时一般要求基体需加温到150°C以上，限制了有些不耐高温的基材的应用；沉积速率不是很高；界面附着强度波动性较大，对于界面附着强度要求很高的时候，需特别高的沉积环境温度；对膜的性质如高密度，针孔少，膜层较均勻等的要求沉积时，技术难度较大，工艺调控范围窄，有的时候很难实现；对复杂表面的镀敷能力难以满足；对被沉积的基体的运动限制过多；沉积的靶材利用率较低，使磁控溅射的经济效益难以得到进一步的提高 ’受到多种条件的制约，现在的磁控溅射生产线都是单通道的形式，不能实现同时在不同的表面上沉积不同要求的薄膜；现在通用的磁控溅射技术，一般只能沉积很薄的薄膜，因而应用领域受到一定的限制；还不可避免出现背散射现象；大面积沉积时，薄膜的均勻性寿诞一定影响，特别是在基体的边缘部，会出现薄膜厚度变化很大的情况；成膜速度比蒸发镀膜低。例如，中国专利申请公开文献中
申请号88216657 —种磁控溅射镀膜机，它采用了与蚀刻区形状相一致的靶面及用压条镶嵌的靶面安装形式；
该类磁控溅射镀膜，磁体的布局直接影响溅射靶的刻蚀均勻程度和沉积膜厚均勻性， 由于其采用平衡式的磁产布置形式，平衡式的磁场分布造成不均勻的等离子密度，导致靶原子的不均勻溅射和不均勻的沉积，因此，存在着膜厚不均勻的问题，由于溅射靶的不均勻溅射和基体的运动方式决定了薄膜沉积的不均勻性，同时，由于磁控溅射装置中存在着诸如电场、磁场、气氛、靶材、基体温度及速度、几何结构等参数间的相互影响，并且综合地决定溅射薄膜的特性，因此在不同的溅射装置上，或制备不同的薄膜时，应该对溅射工艺参数进行试验选择为宜。另外，在基本的溅射加工中，靶材被辉光放电中等离子体产生的高能离子轰击，该辉光放电等离子体总是处于靶的前面，离子轰击靶的表面同时产生二次电子的发射，二次电子的存在维持着溅射加工等离子体的形成，但是，这种溅射加工方法存在着低溅射率、等离子体中电离效率低和基底材料温升过高等缺陷，在溅射加工中通过引入磁场，利用磁场来控制等离子体中带电粒子，特别是电子的运动就可以克服这些缺陷；在传统的平衡式磁控溅射中安装的磁体使磁极间形成的闭合磁力线尽可能的接近于平行于靶的要溅射的表面，这样二次电子的运动就能被严格的限制于靶表面的邻近，在磁控溅射加工中传统的平衡式磁控溅射中的磁场的布置是一个磁极被安置在靶非溅射面的中心，而另一相反的磁极则被放置在靶非溅射面的的周围，两个磁极在磁场强度上几乎相等，即，所谓的“平衡式”， 由于两个磁极在磁场强度上几乎相等，这样所有两个磁极间的磁力线就几乎完全自我封闭，也就很少有磁力线散开，从靶的表面延伸到基体。在平衡式磁控溅射中高密度的放电等离子体被严格的限制于靶的表面，高密度的等离子体的厚度基本上是分布在距靶表面左右的空间内。薄膜沉积时，基体只有放置在该距离以内，生长的薄膜才能沉浸在等离子体中， 也就可以利用等离子体中的离子的轰击，改善薄膜结构和提高薄膜的性能。但是如果基体距靶过近，到达基体的离子能量可能较大，轰击薄膜也会使膜层中的内应力较大，从而不利于薄膜的性质的提高。同时，靶与基体间的距离如此的近，也不可能沉积大面积的，或者是复杂的工件。然而，一旦基体的位置距离靶的表面大于，基体和沉积的薄膜就不能沉浸在等离子体中，从而很少的电子和离子能够到达基体表面，仅有溅射出的靶的原子或分子沉积在基体表面，但是靶的原子或分子能量较低，直接沉积在基体上，膜与基体材料的结合强度较差，且低能量的沉积原子在基体表面迁移率低，易生成多孔粗糙的柱状结构的薄膜。特别是对生长的薄膜的结构、组成成分和性质有着关键作用的离子流的密度和能量几乎很小。在平衡式磁控溅射中，典型的离子电流密度一般是小于。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够显著改善和提升现有磁控溅射镀膜性能的相关技术各设备，也就是提供一种基于非平衡磁场的双通道连续磁控溅射镀膜设备。本发明的发明目的是通过如下技术措施实现的靶座安装在腔体外侧，靶座内侧安装靶材，在腔体内有相对安装的靶材之间的磁力线穿过，腔体内安装挡板机构，腔体内由挡板机构分割形成的通道中在相应靶座之间构成闭合或非闭合磁场。本发明中非平衡的闭合或非闭合磁场的布置形式使磁极之间的磁场强度由几乎相等而改为磁场强度呈现变化，维持一部分磁力线能够穿过中心磁极得到闭合，但另一部分非闭合的磁力线则发散开来，而且通过基体，溅射产生的部分二次电子将不再局限于靶的附近，并沿着扩散开来的磁力线朝着基体旋转飞行，不断与气体分子碰撞使其电离，这些离子和电子在场的作用下飞向基体，轰击基体上的薄膜，达到改善薄膜结构和提高薄膜性能的目的，同时，大量的二次电子聚集在基体，使基体有一个相对高的自我负偏压，这既有利于离子加速轰击基体薄膜，又可屏蔽掉过多电子对薄膜的损害，辉光等离子体也就得到充分的扩展，从靶的表面一直延伸到基体，这样基体就能够完全沉浸在等离子体中。本发明的有益效果是非平衡的闭合或非闭合磁场的布置形式可以由相向对面的或者单独的靶构成，在同一个真空腔体内的多组靶相互组合或者单独构成磁场，也可以根据所沉积薄膜类型、种类、层数和最理想的微观结构自由的选择真空腔体内的多组靶，或者单对靶或单个靶独立的相互组合构成磁场，从而实现在靶材表面磁场强度和方式的自由控制和布置。
图1是本发明的对合式实施例结构示意图，图2是图1俯视示意图
附图标记包括腔体1，靶座2，靶材3，导轨4，周转架5，左通道6，右通道7，磁力线8， 挡板机构9。
具体实施例方式
下面结合具体实施方式
，进一步阐述本发明。靶座2安装在腔体1外侧，靶座2内侧安装靶材3，在腔体1内有相对安装的靶材 3之间的磁力线8穿过，腔体1内安装挡板机构9，腔体1内由挡板机构9分割形成的通道中在相应靶座2之间构成闭合或非闭合磁场。腔体1内安装导轨4和周转架5。腔体1内安装挡板机构9后形成左通道6和右通道7。本发明中非平衡的闭合或非闭合磁场的布置形式使磁极之间的磁场强度由几乎相等而改为磁场强度呈现变化，维持一部分磁力线能够穿过中心磁极得到闭合，但另一部分非闭合的磁力线则发散开来，而且通过基体，溅射产生的部分二次电子将不再局限于靶的附近，并沿着扩散开来的磁力线朝着基体旋转飞行，不断与气体分子碰撞使其电离，这些离子和电子在场的作用下飞向基体，轰击基体上的薄膜，达到改善薄膜结构和提高薄膜性能的目的，同时，大量的二次电子聚集在基体，使基体有一个相对高的自我负偏压，这既有利于离子加速轰击基体薄膜，又可屏蔽掉过多电子对薄膜的损害，辉光等离子体也就得到充分的扩展，从靶的表面一直延伸到基体，这样基体就能够完全沉浸在等离子体中。真空腔体内的其他部位增加可以自由装配的各类挡板机构9等辅助构件。辉光等离子体也就得到充分的扩展，辉光等离子体从靶的表面一直延伸到基体，到达基体的离子电流密度可达到2 lOmA/cm2，甚至是更高。这样基体就能够完全沉浸在等离子体中了。在成膜过程中基体始终在等离子区中被清洗和激活，清除了附着力不强的溅射原子，净化且激活基体表面，不仅提高膜厚的均勻度也就极大的提高和改善了溅射薄膜与基体的附着力。磁场的布置形式可以二进制送气方式提供溅射所需的各种气体，可以很便利的实现当两个通道所沉积的薄膜需要相同的气体时，就采用共同的供气方式；当两个通道所沉积的薄膜需要不相同的气体时，就采用分开的的供气方式，并能实现供气量的区分。实施例1 相向对面的对合式的靶座2和靶材3构成非平衡的闭合或非闭合磁场。实施例2 在同一个真空腔体内的多组靶座2和靶材3相互组合或者单独构成非平衡的闭合或非闭合磁场。根据所沉积薄膜类型、种类、层数和最理想的微观结构自由的选择真空腔体内的多组靶构成非平衡的闭合或非闭合磁场。实施例3 单对靶座2和靶材3或单个靶座2和靶材3独立的相互组合构成非平衡的闭合或非闭合磁场。本发明中非平衡的闭合或非闭合磁场的布置形式所作的基本改动就是使磁极之间的磁场强度由几乎相等而改为磁场强度不相等，由于磁极间的磁场强度不相等，只有一部分磁力线能够穿过中心磁极得到闭合，但另一部分非闭合的磁力线则发散开来，而且通过基体，溅射产生的部分二次电子将不再局限于靶的附近，并沿着扩散开来的磁力线朝着基体旋转飞行，不断与气体分子碰撞使其电离，这些离子和电子在场的作用下飞向基体，轰击基体上的薄膜，达到改善薄膜结构和提高薄膜性能的目的，大量的二次电子聚集在基体， 使基体有一个相对高的自我负偏压，这既有利于离子加速轰击基体薄膜，又可屏蔽掉过多电子对薄膜的损害，辉光等离子体也就得到充分的扩展，从靶的表面一直延伸到基体，这样基体就能够完全沉浸在等离子体中了，由于采用了非平衡的闭合或非闭合磁场的布置形式，实现了部分非闭合的磁力线则发散开来，而且通过基体，溅射产生的部分二次电子将不再局限于靶的附近，并沿着扩散开来的磁力线朝着基体旋转飞行，不断与气体分子碰撞使其电离，这些离子和电子在场的作用下飞向基体，轰击基体上的薄膜，达到改善薄膜结构和提高薄膜性能的目的，这也就使得靶基距的调节空间范围得到一定程度的扩大大，薄膜的沉积面积也相应的增大，从而也就可以保证靶基距的优化改善的自由度提高；再者，由于采用非平衡的闭合或非闭合磁场的布置形式，极大的保证了可沉积高品质的薄膜的多种工艺条件的实现可能，这也就能够改变基体运动方式，使得在薄膜沉积时可以方便的实现双通道同向或者是异向的基体运动方式、两个不同通道的基体运动速度可以相同，也可以不同； 同时，在双通道之间或真空腔体内的其他部位增加可以自由装配的各类挡板机构等辅助构件。
本发明中的非平衡的闭合或非闭合磁场的双通道连续磁控溅射镀膜为实现沉积高品质的薄膜提供条件。薄膜的气相沉积，无论是物理气相法还是化学气相法，都是热力学不平衡的加工过程，导致薄膜微观上存在骤冷的无序状态，这些无序状态与薄膜的缺陷相联系，也与薄膜的本征应力相联系，薄膜的本征应力对基体的类型和薄膜的厚度最敏感。薄膜沉积时，在基体扩散的热量使基体的温度快速上升，由于在基体和薄膜间存在弹性模量和热膨胀系数的差异，也就是最终冷却后的薄膜与基体间存在应力。本发明可以制成单腔体镀膜机，也可以制成大型串列式的自动生产线。本发明采用非平衡的闭合或非闭合磁场的布置形式拓宽靶刻蚀区和改善靶原子的沉积分布是最经济的优选方案，使得改进磁路布置能够得到改善磁场，而且可以做到包括改进磁体、极靴、间隙、形状等改善磁场的机构措施。采用非平衡的闭合或非闭合磁场的布置形式在成膜过程中基体始终在等离子区中被清洗和激活，清除了附着力不强的溅射原子，净化且激活基体表面，不仅提高膜厚的均勻度也就极大的提高和改善了溅射薄膜与基体的附着力。膜厚均勻度是衡量薄膜质量和镀膜装置性能的一项重要指标。为提高膜厚均勻度，采用非平衡的闭合或非闭合磁场的布置形式拓宽靶刻蚀区和改善靶原子的沉积分布并配合改进磁体、极靴、间隙、形状改善磁场的机构措施，同时，由于采用非平衡的闭合或非闭合磁场的布置形式，也就使得采取优化靶基距、改变基体运动方式、增加挡板机构等众多对镀膜设备进行结构性的改变成为可能。溅射靶刻蚀区尺寸及其功率密度、靶一基距、靶材、气压、磁路及磁物等参数均是影响沉积速率的因素。目前所用的磁控溅射技术及其生产设备多采用平衡式的磁产布置形式，为尽可能地提高沉积速率，基体应尽量靠近溅射靶，但必须保证稳定地异常辉光放电。 但是如果基体距靶过近，到达基体的离子能量可能较大，轰击薄膜也会使膜层中的内应力较大，从而不利于薄膜的性质的提高。同时，靶与基体间的距离如此的近，也不可能沉积大面积的，或者是复杂的工件。本发明实施例在工作时，溅射产生的部分二次电子将不再局限于靶的附近，并沿着扩散开来的磁力线朝着基体旋转飞行，在薄膜沉积的整个过程中，基体表面都将受到气体离子的稳定轰击，清除可能进入薄膜表面的气体，提高薄膜的纯度，注入到基体表面层的离子，不但可以改变基体表面层的化学组成，而且也改变了该层的结晶结构，从而使基体材料表面层的性能发生了变化，使薄膜沉积的温度在室温附近。在薄膜沉积时，运用离子轰击的办法就能达到既能增加薄膜原子的迁移率又不显著提高机体的温度。在各种离子辅助的薄膜沉积方法中，到达基体的离子能量和和离子对沉积原子的到达比是两个对沉积的薄膜的生长动力、结构和性能起决定性作用的要素；并且，部分高能量的溅射原子产生不同程度的注入现象，在基体上形成一层溅射原子与基体原子相互溶合的伪扩散层，并且也可以清除附着力较差的沉积粒子，加之在沉积之前可以对基体进行轰击清洗，净化表面，从而提高了薄膜的附着力。还可以改变沉积薄膜的结构，提高了溅射参数的可控性和工艺重复性。薄膜的化学组成和微观结构主要决定于沉积原子的数量和能量以及基体的温度， 而离子轰击能够使基体在相对较低的温度下沉积非常致密的薄膜。本发明中磁场的布置形式可以二进制送气方式提供溅射所需的各种气体，可以很便利的实现当两个通道所沉积的薄膜需要相同的气体时，就采用共同的供气方式；当两个通道所沉积的薄膜需要不相同的气体时，就采用分开的的供气方式，并能实现供气量的区分。在供气时将气体均勻的一路分为二路，二路均分为四路，如此均分为多路后送入真空室，从而实现均勻送气，而膜层厚度和气压的关系使调节气压的均勻性来补偿膜层厚度不均勻成为可能，另外，还可以同时配合调整靶基距和工作气体压强的方法在一定程度上使膜层均勻。溅射产生的部分二次电子将不再局限于靶的附近，并沿着扩散开来的磁力线朝着基体旋转飞行，在薄膜沉积的整个过程中，基体表面都将受到气体离子的稳定轰击，可以实现基体运动形式在双通道内根据所沉积的薄膜种类、性质和结构要求等，所采用的基体材料种类差异，自由的调节。不仅可以实现不同的基体在沉积相同的薄膜时在双通道内同向、 同速运行；而且可以实现不同的基体在沉积不相同的薄膜时在双通道内同向、不同速运行； 也可以可以实现相同的基体在沉积相同的薄膜时在双通道内同向、同速运行；而且还可以实现不同的基体在沉积不相同的薄膜时在双通道内相向、不同速运行。同样也可以做到在相同的基体的不同表面同时沉积相同或不同的薄膜。这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。此外，本领域技术人员在阅读了本发明的内容之后，以等同替代或变劣进行对本发明作各种改动或修改，同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
权利要求
1.基于非平衡磁场的双通道连续磁控溅射镀膜设备，其特征是靶座( 安装在腔体 ⑴外侧，靶座⑵内侧安装靶材(3)，在腔体⑴内有相对安装的靶材⑶之间的磁力线 ⑶穿过，腔体⑴内安装挡板机构(9)，腔体⑴内由挡板机构(9)分割形成的通道中在相应靶座( 之间构成闭合或非闭合磁场。
2.如权利要求1所述的基于非平衡磁场的双通道连续磁控溅射镀膜设备，其特征在于，腔体(1)内安装导轨(4)和周转架(5)。
3.如权利要求1所述的基于非平衡磁场的双通道连续磁控溅射镀膜设备，其特征在于，腔体(1)内安装挡板机构(9)后形成左通道(6)和右通道(7)。
4.如权利要求1所述的基于非平衡磁场的双通道连续磁控溅射镀膜设备，其特征在于，相向对面的对合式的靶座( 和靶材C3)构成非平衡的闭合或非闭合磁场。
5.如权利要求1所述的基于非平衡磁场的双通道连续磁控溅射镀膜设备，其特征在于，在同一个真空腔体内的多组靶座( 和靶材C3)相互组合或者单独构成非平衡的闭合或非闭合磁场。
6.如权利要求1所述的基于非平衡磁场的双通道连续磁控溅射镀膜设备，其特征在于，单对靶座(2)和靶材C3)或单个靶座( 和靶材C3)独立的相互组合构成非平衡的闭合或非闭合磁场。
7.如权利要求1所述的基于非平衡磁场的双通道连续磁控溅射镀膜设备，其特征在于，辉光等离子体从靶的表面一直延伸到基体，到达基体的离子电流密度可达到2 IOmA/ cm2，甚至是更高。
全文摘要
基于非平衡磁场的双通道连续磁控溅射镀膜设备，其特征是靶座(2)安装在腔体(1)外侧，靶座(2)内侧安装靶材(3)，在腔体(1)内有相对安装的靶材(3)之间的磁力线(8)穿过，腔体(1)内安装挡板机构(9)，腔体(1)内由挡板机构(9)分割形成的通道中在相应靶座(2)之间构成闭合或非闭合磁场。非平衡的闭合或非闭合磁场的布置形式可以由相向对面的或者单独的靶构成，在同一个真空腔体内的多组靶相互组合或者单独构成非平衡的磁场，也可以根据所沉积薄膜类型、种类、层数和最理想的微观结构自由的选择真空腔体内的多组靶，或者单对靶或单个靶独立的相互组合构成非平衡的磁场，从而实现在靶材表面磁场强度和方式的自由控制和布置。
文档编号C23C14/35GK102168253SQ20111008733
公开日2011年8月31日 申请日期2011年4月8日 优先权日2011年4月8日
发明者周钧 申请人:周钧