可调式对向磁控溅射源制造技术

可调式对向磁控溅射源及其镀膜方法是涉及材料的金属涂层领域。一种磁控溅射的新型装置，一对平面靶对向放置，二靶间形成垂直于靶面的磁场，两靶与激磁电流为各自电源分别连续可调。该装置除具有靶材消耗均匀，从而利用率高，可方便地溅射铁磁性材料等特点外，还具有在对称放电时，利用磁聚焦原理可获得最佳溅射速率；在非对称放电时，可在大幅度范围内连续调节薄膜成分的突出优点。本发明专利技术可用于薄膜制备，尤其是磁性材料，超导薄膜等特定合金成分的薄膜的制备。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料的金属涂层领域，为一种溅射镀膜装置及其镀膜方法。磁控溅射是一种在基体上镀膜的技术。其原理是把基体与靶材安装于真空室内，在处于低压状态(10-2～10-4乇)气体的辉光放电中形成正、负离子或离子及电子。正离子轰击作为阴极的靶材，使原子被溅射出来，在基体上形成薄膜，按溅射靶的结构来分类，目前磁控溅射有四种模式1.平面靶磁控溅射;2.圆柱靶磁控溅射;3.S-枪磁控溅射;4.对向靶磁控溅射。上述1、2、3种模式已广泛应用，但也存在着靶材利用率低，溅射速率随靶材的消耗而改变，不易溅射铁磁材料等缺点。第4种模式如日本专利昭62-188776及昭61-279674则克服了以上缺点，作了改进。但在这种模式中，由于上、下两靶共同用一电位，并使用固定的永磁体，使磁场固定，因而靶材一旦选定，所属薄膜的成分便无法改变，一对靶只能获得一种成分的薄膜，而制备不同靶时有时是很不方便的。另一方面，由于磁场无法改变，电子不能在聚集状态下运动，因而在给定真空度与靶电压条件下，所得一般不是最佳的溅射速率。本专利技术在第4种模式的基础上进行了很大的改进，其要点是在装置上1.用电磁代替永磁，使磁场连续可调，2.二靶分别加不同的可调电压(外壳为零电位);3.二靶中间加一个或多个补偿靶以排除二靶由于互溅射造成的污染及电参数的互干扰。在方法1.用磁聚集取得最佳溅射速率;2.用非对称放电以取得上、下靶材相差悬殊的溅射速率，从而大范围连续改变薄膜成分比例。通过以上改进，可在磁控溅射中通过改变电参数方便地连续改变(或调节)所得薄膜的成分，以达到预期的物理，化学、机械等方面的性能指标。专利技术的详细说明叙述如下参见附附图说明图1，用某种材料(包括铁磁性材料)制成的平面靶材(阴极)(5)，用纯铁制成的极靴(3)与电磁线圈(1)或(2)阳极屏蔽罩(4)等构成对向磁控源的一个靶。两个相同材料或不同材料制成的靶相对平行放置组成了对向磁控溅射源，其中一个靶的位置可沿靶轴线调节，以改变两靶间的距离。附图1中(7)是冷却水管，(8)是靶材支持装置，(6)是基片(即被镀物体)。两个靶及其电流线圈分别接上各自独立的电源(但作对称放电时，两个靶可用一个靶电源，两个线圈共用一个磁场电源)。这种对向磁控源的工作原理是在10-2～10-4托的真空容器中，由于气体辉光放电产生电子。磁场产生的磁力线垂直于靶面，被电场加速后的电子，在电磁场作用下以磁力线为轴作螺旋运动;这就延长了电子运动路程和寿命，增加了电子与气体分子的碰撞机会，因而增加了放电电流，在两靶之间形成高密度等离子体。等离子体中的正离子则被电场加速轰击靶面产生溅射效应，溅射出来的靶原子沉积在基片上产生薄膜。本专利技术中的磁场起电子聚焦作用。磁场强度适当时，可使尽可能多的电子飞向靶面受到反射。附图二是在两靶带相同电压即对称放电时，靶电压(V)取一定值，两靶放电电流之和(I)随激磁电流(IB)变化的曲线(氩气压为8×10-4托)。利用磁聚焦原理，改变磁场强度，便可在较低靶电压(300伏左右)或较高真空(5×10-4托)下发生放电，并可调节放电电流，也可获得最大放电电流。本专利技术的两个靶线圈(1)、(2)加激磁电流，在靶间形成连续可调的磁场与靶面垂直，或用其它方式，如在整个真空罩外加激磁线圈的办法，在两靶间形成垂直于靶面的可调电磁场。附图3和附图4为对称放电及非对称放电时等离子区形状变化对比。当两靶带相同电压即对称放电时，等离子区(15)形状如附图3，此时恰当地调节激磁电流，电子在靶面聚焦可得到最佳的溅射速率。当两靶带不同电压即非对称放电时，等离子区(15)形状呈锥形，如附图4，此时配合调整两靶线圈(1)及(2)中的激磁电流，使两靶放电电流相差悬殊，可引起不同成份的上、下靶材相差悬殊的溅射，便可得到成分比例相差悬殊的薄膜。在本专利技术的溅射装置中，如附图5，在两靶间插入补偿靶，补偿靶接上另一电源，便可在相当宽的(近于0-100%)范围内调节薄膜的成分比例。以溅射铜，镍合金作为实施例。参看附图5，上靶(阴极)(5)材料为铜，下靶(阴极)(5)材料为镍，补偿靶(9)对应上、下靶的两面(11)及(12)亦分别为铜和镍。附图6为补偿靶的结构图，图中(11)与上靶材料相同，(12)与下靶材料相同，(13)为冷却水管，兼作支持架。补偿靶(9)接电源(10)，如附图5。选择一适当的补偿靶电压，并调节上靶及下靶电压，可使上、下靶的放电电流不同，两种合金的溅射速率也不同，于是获得某一成分的合金薄膜。本实施例得到了含铜7%(Wt%)～97%(Wt%)的铜镍合金薄膜。 补偿靶可避免一种靶材被溅射到另一种靶材上造成的污染，又由于电场的屏蔽作用也可使上下两部分的放电独立调节，互不干扰。若增加补偿靶的数目，还可调节两种以上成分。本专利技术的溅射装置对靶材的形状和厚度均无特殊要求。由于磁力线与靶面垂直，靶材已成为极靴的一部分，因而可以溅射铁磁性材料，且靶材的消耗均匀，利用率近100%。材料的各种性能，主要依赖于它的成分、组织与结构。在薄膜制备中，精确地控制材料的成分，方便地、大范围地改变成分是制备薄膜的重要手段。本专利技术将在磁性材料，特别是超导薄膜特定合金成分薄膜的制备中发挥重要作用。本专利技术的溅射装置中，由于被镀物体(基片)(6)是放在上、下靶四周的，参看附图1及附图5，适应增加上、下靶距，相应增大磁场，可使四周安放多个被镀物体，提高效率，可形成批量生产，在工业中应用。权利要求1.在真空容器中一对靶对向放置的磁控溅射装置，每个靶由平面靶材(阴极)(5)、极靴(3)、电磁线圈(1)或(2)以及阳极屏蔽罩(4)等部份组成，其特征在于各个靶分别加连续可调的电压，两靶间形成垂直于靶材平面的磁场。2.按照权利要求1所说的溅射装置，其特征在于两靶间可插入补偿靶(9)。3.按照权利要求1和2所说的溅射装置，其特征在于两靶间垂直于靶材平面的磁场，可用各靶线圈(1)、(2)通电流激磁而成，或用其它方式，如在整个真空罩外加激磁线圈的方法形成。4.按照权利要求1和2所说的溅射装置，其特征在于对称放电时，恰当调节激磁电流，电子在靶面聚焦可获得最佳溅射速率的镀膜方法。5.按照权利要求3所说的溅射装置，其特征在于对称放电时，恰当调节激磁电流，电子在靶面聚焦可获得最佳溅射速率的镀膜方法。6.按照权利要求1和2所说的溅射装置，其特征在于应用非对称放电时，调节线圈的激磁电流，使薄膜中不同成分的比例在近于0-100%的范围内变化的镀膜方法。7.按照权利要求3和5所说的溅射装置，其特征在于应用非对称放电时，调节线圈的激磁电流，使薄膜中不同成分的比例在近于0-100%的范围内变化的镀膜方法。全文摘要是涉及材料的金属涂层领域。文档编号C23C14/35GK1039070SQ88103800公开日1990年1月24日 申请日期1988年6月28日 优先权日1988年6月28日专利技术者张云汉, 唐希源, 刘利民 申请人:中国科学院北京真空物理实验室, 北京联合大学机械工程学院本文档来自技高网...

【技术保护点】
在真空容器中一对靶对向放置的磁控溅射装置，每个靶由平面靶材（阴极）（５）、极靴（３）、电磁线圈（１）或（２）以及阳极屏蔽罩（４）等部份组成，其特征在于各个靶分别加连续可调的电压，两靶间形成垂直于靶材平面的磁场。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张云汉，唐希源，刘利民，
申请(专利权)人：中国科学院北京真空物理实验室，北京联合大学机械工程学院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]