專利名稱：一種濺射鍍膜的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種薄膜材料的制備方法，具體涉及一種由磁場輔助實現濺射 鍍膜的方法。
背景技術：
從1870年開始，人們就已將濺射現象用于薄膜制備。濺射法鍍膜的原理 是髙速粒子(大多是由電場加速的正離子)轟擊靶表面，靶表面的原子和分 子與髙速粒子交換能量后從靶表面逸出，這種現象稱為濺射，濺射出的靶材 原子或分子與基片表面相遇時，會在基片表面發(fā)生凝聚沉積，沉積的原子或 分子在表面上發(fā)生擴散，成核以至成團，長大最終形成薄膜層。表征濺射特 性的主要參數有濺射閾值、濺射率、濺射粒子的速度和能量等。濺射鍍膜的 種類有許多，如直流二極濺射、三極和四極濺射、磁控濺射、射頻濺射、偏 壓濺射、離子束濺射和反應濺射等。磁控濺射的基本裝置是在直流濺射或射頻濺射裝置的基礎上，在陰極內部 放置永久磁鐵或電磁鐵，使得耙材表面的上方部分區(qū)域形成一個平行于表面 的橫向磁場。磁控濺射原理就是電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中 與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子和二次電子。其中，氬離子在電場 的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子(或分子) 沉積在基片上成膜。二次電子在飛向基片的過程中受到橫向磁場的作用，被 束縛在靠近耙面的等離子體區(qū)域內作回旋運動，大大延長了電子到達陽極的 行程，使在此行程中與氬原子發(fā)生碰撞電離的幾率大大增加，轟擊耙的正離 子的密度因而也大大提髙，從而提高了濺射的速率。磁控濺射鍍膜技術的主要優(yōu)點就是利用這種磁場輔助約束二次電子、提髙 電子和工作氣體的碰撞幾率，從而提髙電離效率、得到較髙的鍍膜沉積速率， 加上幾乎所有的金屬、合金和陶瓷都可以作為靶材進行鍍膜，磁控濺射鍍膜 已經被廣泛應用于科研和大面積鍍膜生產各個領域。但普通的磁控濺射鍍膜技術也存在一些明顯的缺點 一是陰極內采用的磁鐵結構的原因，靶材表面 附近不均勻分布的磁場產生不均勻分布的等離子體、導致靶材面上的不均勻 刻蝕，使用后的靶材面上會出現一條環(huán)狀溝槽， 一旦溝槽穿透靶材，就會導 致整塊耙材報廢，所以靶材的利用率通常只有25 45%，造成資源利用的不 充分；二是靶表面的橫向磁場束縛帶電粒子在靶表面附近，隨著離開靶面距 離的增大，帶電粒子濃度迅速降低，大部分的中性粒子才不受束縛飛向基片 成膜，這些粒子的化學活性不強、難以生成高品質薄膜；三是由于磁性靶材 的磁屏蔽作用，利用磁性材料的鍍膜速率不髙。為克服磁控濺射鍍膜過程中的這些缺點，近二十年來，人們做了各種改進 磁場分布方面的努力。為提髙靶材利用率，主要是通過改變陰極中磁路的結 構、附加輔助電磁線圈或磁鐵增加額外磁場、鍍膜過程中不斷移動磁鐵位置 等，達到增大耙材面上橫向磁場的分布面積和均勻性；為提髙等離子濃度， 出現了采用不對稱磁極或附加電磁線圈的非平衡磁控濺射技術，提髙等離子 濃度及其分布區(qū)域；為同時提髙靶材利用率和等離子濃度，英國的PQL公司 開發(fā)推出了配備等離子發(fā)射槍(Plasma Launch System)的研究實驗用濺射鍍 膜系統。但所有這些技術由于附加了額外結構或功能單元，結構更加復雜， 難以推廣到大面積鍍膜的生產領域。發(fā)明內容本發(fā)明目的是提供一種濺射鍍膜的方法，以克服現有的磁控濺射鍍膜方法 中耙材利用率低、難以提髙薄膜質量和難以濺射強磁性靶材等缺點。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是 一種濺射鍍膜方法，采用磁 場輔助濺射方式鍍膜，靶材和基片平行設置于兩電極之間的電場中，靶材位 于陰極表面，基片位于陽極，使靶材和基片之間形成等離子區(qū)，離子轟擊靶 材產生濺射，濺射出的靶材成分粒子沉積在基片上形成薄膜，所述靶材位于 由永久磁鐵或電磁鐵產生的磁場中，磁場的方向垂直于耙材表面，磁場的強 度沿靶材表面呈均勻或近均勻分布。上述技術方案中，所述方向垂直于靶材表面設置的磁場的產生方法是，在 陰極內設置永久磁鐵或電磁鐵，或在圓柱形陰極外側設置電磁線圈，使整個4耙材處于磁鐵或線圈產生的磁場中，且耙材表面處的磁場的方向與靶材表面 垂直。本發(fā)明的濺射鍍膜方法中，由永久磁鐵或電磁鐵在垂直于靶材表面的方向 產生一個均勻或比較均勻的磁場，整個靶材處于該磁場中。磁鐵的形狀依據 鍍膜設備上采用圓形靶或矩形靶的不同，可采用圓柱體或長方體，靶材一側 的磁極可根據鍍膜靶材的材質取N極或S極。由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現有技術相比具有下列優(yōu)點1. 本發(fā)明改變了現有技術中利用正交電磁場維持平面磁控濺射的做法， 創(chuàng)造性地提出了 "設置磁場的方向垂直于靶材表面"的技術特征。實驗表明， 采用這種方法能夠大幅度提髙濺射鍍膜的速率，大幅度提髙鍍膜的結晶質量；2. 本發(fā)明通過構建垂直于耙材表面的磁場，在耙材表面形成近似均勻的 磁場分布，能整體比較均勻地刻蝕靶材，靶材的利用率可以提髙到85 90%;3. 本發(fā)明的陰極磁場設置，對磁性和非磁性靶材都能獲得更高的濺射速 率和同樣的濺射效果；4. 本發(fā)明的方法可以通過對現有濺射鍍膜陰極進行改造實現，在較低的 成本下提髙鍍膜系統的效能。


圖1是本發(fā)明實施例一的裝置和磁場分布示意圖； 圖2是實施例一中圓形靶材的示意圖； 圖3是實施例一中矩形耙材的示意圖；圖4是濺射Cu靶時，實施例一方法與普通磁控濺射方法產生的輝光形狀 分布和強度的比較照片；圖5是實施例一方法與普通磁控濺射方法獲得的銅薄膜結晶狀況的掃描 電子顯微鏡比較照片圖6是實施例一方法與普通磁控濺射方法靶材刻蝕程度比較照片。其中1、耙材；2、基片；3、磁鐵；4、陰極；5、冷卻水進口； 6、冷卻 水出口 。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述實施例一 一種濺射鍍膜方法，釆用磁場輔助濺射方式鍍膜，參見附圖l 所示，耙材1和基片2平行設置于電場中，靶材1位于陰極4表面，使靶材l 和基片2之間形成等離子區(qū)，離子轟擊靶材l產生濺射，濺射出的靶材原子或 分子沉積在基片2上形成薄膜，所述靶材1位于由磁鐵3產生的磁場中，磁場 的方向垂直于靶材表面設置。本實施例中，所述方向垂直于靶材表面設置的磁場的產生方法是，在濺射 鍍膜陰極4內設置磁鐵3，該磁鐵3可以采用永久磁鐵或電磁鐵，磁鐵3的一 極指向靶材l，使整個靶材1處于該磁鐵3形成的磁場中，且靶材表面處的磁 場的方向與靶材表面垂直。在實際制作中，磁鐵位于陰極內腔中，并采用冷 卻水冷卻，在陰極結構上設置有冷卻水進口 5和冷卻水出口 6。參見附圖1所 示，本發(fā)明的磁場方向垂直于靶材表面設置；附圖2為釆用圓柱體靶材時的示 意圖；附圖3為采用長方體耙材時的示意圖。采用上述方法可以明顯地增強等離子體的強度和可擴大等離子體的分布 范圍到基片(被鍍件)的表面，產生的效果是能夠大幅度提髙濺射鍍膜的 速率；大幅度提高鍍膜的結晶質量；大幅度提高靶材的利用率；對磁性靶材 有與非磁性靶材同樣的濺射效果。圖4是濺射Cu靶時，本濺射方法與普通磁 控濺射方法產生的輝光形狀分布和強度的比較照片(注意兩者取照的距離不 同)。左圖是普通射頻磁控濺射，輝光呈發(fā)散形，上方的靶表面附近的輝光最 亮，距離靶表面越遠輝光的亮度越弱，到下方的基片處已基本看不到輝光。 右圖是本濺射方法，靶材表面處很強的輝光一直延伸至基片的表面。另外， 更換靶材重復實驗還發(fā)現，對于同一個磁鐵，輝光外形不隨靶材種類的改變 而改變。圖5是用本濺射方法和普通磁控濺射方法制備的銅薄膜結晶狀況的比 較。兩種薄膜中銅顆粒的大小明顯不同，即薄膜的結晶程度差別很大。圖6 是本濺射方法與普通磁控濺射方法時，靶材刻蝕均勻程度的比較。圖左是普 通平面磁控濺射形成的典型溝狀環(huán)形刻蝕，圖右顯示本濺射對靶材整體比較 均勻的刻蝕，靶材的利用率明顯提髙。采用本實施例的方法與普通的平面磁控濺射方法進行對比試驗，試驗情況 描述如下濺射半導體硅薄膜氬氣工作氣壓3Pa，耙材和基片間距25mm，磁鐵的 直徑50mm、磁感應強度1500髙斯，射頻濺射功率70瓦，薄膜的沉積速率是 6.96 nm/min。而在同樣條件下用普通的平面磁控濺射，鍍膜速率是2.4nm/min。濺射金屬銅薄膜氬氣工作氣壓0.5Pa,靶材和基片間距35mm，磁鐵的 直徑50mm、磁感應強度3500髙斯，射頻濺射功率65瓦，薄膜的沉積速率是 21.5 nm/min。而在同樣條件下用普通的平面磁控濺射，鍍膜速率是7.3nm/min。濺射金屬鋁薄膜氬氣工作氣壓0.5Pa，靶材和基片間距35mm,磁鐵的 直徑50mm、磁感應強度3500髙斯，射頻濺射功率70瓦時薄膜的沉積速率是 12.5 nm/min。而用普通的平面磁控濺射，濺射功率70瓦時薄膜的沉積速率幾 乎為零。濺射金屬鐵薄膜氬氣工作氣壓3Pa，靶材和基片間距25mm，磁鐵的直 徑25mm、磁感應強度2000髙斯，射頻濺射功率150瓦，薄膜的沉積速率是 19.8 nm/mhi。而在同樣條件下用普通的平面磁控濺射，鍍膜速率是6.2 nm/min 。濺射金屬銅薄膜氬氣和氮氣混合比例為8:1，工作氣壓0.5Pa，靶材和 基片間距25mm，磁鐵的直徑25mm、磁感應強度2000髙斯，射頻濺射功率 150瓦，薄膜的沉積速率是45nm/mii1。而在同樣條件下用普通的平面磁控濺 射,鍍膜速率是32nm/min。反應濺射氮化鐵薄膜氬氣工作氣壓3Pa，靶材和基片間距25mm,磁鐵 的直徑25mm、磁感應強度2000髙斯，射頻濺射功率160瓦。普通磁控濺射 得到的薄膜，需要再進行額外的熱處理才能有氮化鐵結晶和較好的磁性，而 用本方法濺射得到的薄膜已經有很好的氮化鐵結晶和更強的磁性。
權利要求
1.一種濺射鍍膜方法，采用磁場輔助濺射方式鍍膜，靶材和基片平行設置于兩電極之間的電場中，靶材位于陰極表面，基片位于陽極，使靶材和基片之間形成等離子區(qū)，離子轟擊靶材產生濺射，濺射出的靶材成分粒子沉積在基片上形成薄膜，其特征在于所述靶材位于由永久磁鐵或電磁鐵產生的磁場中，磁場的方向垂直于靶材表面，磁場的強度沿靶材表面呈均勻或近均勻分布。
2. 根據權利要求1所述的濺射鍍膜方法，其特征在于所述方向垂直于 耙材表面設置的磁場的產生方法是，在陰極內設置永久磁鐵或電磁鐵，或在 圓柱形陰極外側設置電磁線圈，使整個靶材處于磁鐵或線圏產生的磁場中， 且耙材表面處的磁場的方向與靶材表面垂直。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種濺射鍍膜方法，采用磁場輔助濺射方式鍍膜，靶材和基片平行設置于兩電極之間的電場中，靶材位于陰極表面，基片位于陽極，使靶材和基片之間形成等離子區(qū)，離子轟擊靶材產生濺射，濺射出的靶材成分粒子沉積在基片上形成薄膜，其特征在于所述靶材位于由永久磁鐵或電磁鐵或電磁線圈產生的磁場中，磁場的方向垂直于靶材表面。本發(fā)明的方法能夠大幅度提高濺射鍍膜的速率，大幅度提高鍍膜的結晶質量；能整體比較均勻地刻蝕靶材，靶材的利用率可以提高到85～90％；并且對磁性和非磁性靶材都能獲得更高的濺射速率和同樣的濺射效果。
文檔編號C23C14/35GK101565818SQ20091002704
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月25日 優(yōu)先權日2009年5月25日
發(fā)明者狄國慶 申請人:蘇州大學