[发明专利]一种磁控管溅射装置

说明书

技术领域

本发明涉及真空镀膜磁控溅射沉积技术，更具体地，涉及一种在真空溅射镀膜时使用的磁控管溅射装置，以及使用这种装置磁控溅射的方法。

背景技术

磁控溅射镀膜是工业镀膜生产中最主要的技术之一，尤其适合于大面积镀膜生产。生产中需特别关注靶材利用率、沉积薄膜均匀性、基片区域等离子体密度等方面的问题。

通常磁控管是分平衡态和非平衡态的，平衡态磁控管内外磁体磁通量大致相等，磁力线在磁控靶面闭合，将等离子体(主要是电子)约束于靶面附近，增加碰撞几率，提高了离化效率，因而能在较低的工作气压和电压下就能起弧和维持辉光放电，而且同时减少等离子体对基片的轰击，基片所受离子轰击小，饱和离子电流密度小，通常约在～10^-1mA/cm²量级，利于实现低温沉积；另一方面，有时镀膜需要增强基片区域的等离子体密度以及反应气体的离化率。为了满足这个需要，人们发明了非平衡磁控溅射技术，即让磁控靶表面的磁力线不闭合，磁力线可沿靶的边缘扩展到基片区域，从而部分电子以及离子可以沿着磁力线扩展到基片，增加了基片区域的电离率和等离子体密度，基片处饱和离子电流密度大，通常可以达到～1-10mA/cm²量级。但是也存在一些问题：一方面，为了增加基片区域电离率和等离子体密度，过度发散磁控靶表面的磁力线，有可能不能有效地将电子/等离子体约束在磁控靶面之前，也即离化工作气体的能力较低，因而造成磁控管的阻抗较高，磁控管起辉困难和功率密度过小；另一方面，磁控管内永磁体所产生的磁场强度衰减很快，在距离靶面几个厘米之外的基片区域的场强只有几个高斯，难以对基片区域电子和离子运动产生较大影响；最后，要满足沉积不同薄膜，可能需要不同非平衡度的磁控靶(也即基片区域不同等离子体密度)，而用同一固定磁控溅射靶有时难以满足要求。

变化磁控管的非平衡度主要通过改变磁控管磁场结构，如调节磁控管内外永磁铁磁场强度比值，或者用电磁线圈代替磁体，如德国SINGULUSTECHNOLOGIES公司的“智能阴极”技术，在电极室中设计了两个电磁线圈，通过调节溅射功率，溅射时间和流过电磁线圈的电流，可以优化整个溅射过程。通过调节两步中的电磁线圈电流，几乎可以优化任何一种新材料的镀制。但是由于磁控管内部空间的限制，电磁线圈尺寸大小有限制，相应的磁场强度也得到限制，此外为了达到对溅射过程的有效控制，整个设备的设计和制造有一定难度。

此外磁控管的非均匀等离子体溅射也本质上决定了靶材的非均匀刻蚀，靶材利用率不高；以及沉积粒子流量(大致表现为薄膜沉积速率)和能量分布的空间非均匀性，造成大面积沉积薄膜的厚度和性能在空间上的不均匀。提高靶材利用率的方法也大致分为静态方法和动态方法：前者主要是优化磁控管的磁路结构设计；后者动态方法主要是通过移动磁轭和移动磁体(移动方式又分旋转和往复)，主要原理都是动态的改变靶面磁场，改变靶面局域等离子体刻蚀区域，达到增加靶材刻蚀范围，有效的提高靶材利用率，但是同时也存在增加了磁控管的结构复杂性以及制造难度等问题。

需要一种装置、方法既可以方便的根据不同镀膜需要，随时改变磁控靶的非平衡度，增强或者减弱基片处的离子轰击强度、等离子体密度，此外同时也可以增加靶材利用率，改善大面积沉积薄膜的厚度和性能在空间上的不均匀。

发明内容

为了满足这种需要，本发明提供一种磁控管溅射装置及其使用方法，采用外加电磁线圈一方面可以方便有效的根据镀膜需要调整磁控管的非平衡度，增强或者减弱基片处的离子轰击，可以放置在磁控管附近，或基片处，或磁控管与基片之间的某一位置等，并通过改变电磁线圈电流大小和方向可以方便的控制实现；另一方面对放置在磁控管附近电磁线圈，通以低频交流电，可以简单有效的提高靶材利用率，并同时改善大面积沉积薄膜的厚度和性能在空间上的不均匀。

本发明的技术方案是：

一种用于在真空溅射区内使用的溅射装置类型A：