基於非平衡磁場的雙通道連續磁控濺射鍍膜設備的製作方法

2023-04-28 13:59:41

專利名稱：基於非平衡磁場的雙通道連續磁控濺射鍍膜設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及國際分類C23C濺射法的一般鍍覆技術及設備，尤其是基於非平衡磁場的雙通道連續磁控濺射鍍膜設備。
背景技術：
目前，幾乎任何材料都可以通過真空鍍膜工藝塗覆到其他材料的表面上，這就為真空鍍膜技術在各種工業領域中的應用開闢了更加廣闊的前景。在材料表面上，鍍上一層薄膜，就能使該種材料具有許多新的物理和化學性能。真空鍍膜法是一種新的鍍膜工藝，由於薄膜製備工藝是在真空條件下進行的，故稱真空鍍膜法。真空下製備薄膜，環境清潔，膜不易受汙染，可獲得緻密性好、純度高、膜厚均勻的塗層。膜與基體附著強度好，膜層牢固。 真空離子鍍的種類是多種多樣的，由於不同類型的離子鍍方法採用不同的真空鍍，鍍料氣化採用不同的加熱蒸發方式，蒸發粒子及反應氣體採用不同的電離及激發方式等，具體可分為氣體放電等離子體離子鍍、射頻放電離子鍍、空心陰極放電離子鍍、多孤離子鍍，即陰極電弧離子鍍。其中，磁控濺射離子鍍是電子在電場有作用下加速飛向基體的過程中與氬原子發生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基體，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沉積在基體上成膜；二次電子在加速飛向基體的過程中受到磁場洛侖磁力的影響，被束縛在靠近靶面的等離子體區域內，該區域內等離子體密度很高，二次電子在磁場的作用下圍繞靶面作圓周運動，該電子的運動路徑很長，在運動過程中不斷的與氬原子發生碰撞電離出大量的氬離子轟擊靶材，經過多次碰撞後電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛和延長電子的運動路徑，改變電子的運動方向，提高工作氣體的電離率和有效利用電子的能量。濺射是熱蒸發和彈性碰撞的綜合過程。由於氣體正離子轟擊陰極靶，使靶表面受轟擊的部位產生局部高溫區，該區靶材達到了蒸發溫度而產生蒸發，濺射速率是靶材升華熱和轟擊離子能量的函數，逸出的靶材原子將呈現正弦分布。當氣體正離子轟擊陰極靶時，直接將其能量傳給靶表面上某個原子或分子， 使該原子或分子脫離附近其它原子或分子的束縛而從靶表面彈射出來。如果轟擊離子的能量不足，則只能發生振動而不產生濺射。如果轟擊離子能量很高時，轟擊離子能量過高而發生離子注入現象。對於一般的濺射裝置，濺射鍍膜的形成是利用真空輝光放電，加速正離子使其轟擊靶材表面而引起的濺射現象，使靶材表面放出的粒子沉積到基體上而形成薄膜的。當離子轟擊固體表面時會產生許多效應，除了靶材的中性粒子，即原子和分子，最終沉積成膜之外，其它效應對薄膜的生長也會產生很大的影響。磁控濺射就是在普通的陰極濺射基礎上加上相互正交的磁場和電場中，利用磁場的約束來改變電子在氣體放電中的運動方向，並束縛和延長電子的運動軌跡，從而極大地提高電子對工作氣體分子或原子的碰撞電離機率及更充分的利用電子的能量。因此使氣體正離子對靶材的轟擊所引起的靶原子的濺射更有效。同時，受到正交電磁場束縛的電子只有在其能量耗儘是才能脫離靶表面附近。這樣沉積到基體上的電子傳給基體的能量很小， 使基體的溫升較慢而且低。
目前所用的磁控濺射技術及其生產設備多採用平衡式的磁產布置形式，薄膜沉積時一般要求基體需加溫到150°C以上，限制了有些不耐高溫的基材的應用；沉積速率不是很高；界面附著強度波動性較大，對於界面附著強度要求很高的時候，需特別高的沉積環境溫度；對膜的性質如高密度，針孔少，膜層較均勻等的要求沉積時，技術難度較大，工藝調控範圍窄，有的時候很難實現；對複雜表面的鍍敷能力難以滿足；對被沉積的基體的運動限制過多；沉積的靶材利用率較低，使磁控濺射的經濟效益難以得到進一步的提高 』受到多種條件的制約，現在的磁控濺射生產線都是單通道的形式，不能實現同時在不同的表面上沉積不同要求的薄膜；現在通用的磁控濺射技術，一般只能沉積很薄的薄膜，因而應用領域受到一定的限制；還不可避免出現背散射現象；大面積沉積時，薄膜的均勻性壽誕一定影響，特別是在基體的邊緣部，會出現薄膜厚度變化很大的情況；成膜速度比蒸發鍍膜低。例如，中國專利申請公開文獻中
申請號88216657 —種磁控濺射鍍膜機，它採用了與蝕刻區形狀相一致的靶面及用壓條鑲嵌的靶面安裝形式；
該類磁控濺射鍍膜，磁體的布局直接影響濺射靶的刻蝕均勻程度和沉積膜厚均勻性， 由於其採用平衡式的磁產布置形式，平衡式的磁場分布造成不均勻的等離子密度，導致靶原子的不均勻濺射和不均勻的沉積，因此，存在著膜厚不均勻的問題，由於濺射靶的不均勻濺射和基體的運動方式決定了薄膜沉積的不均勻性，同時，由於磁控濺射裝置中存在著諸如電場、磁場、氣氛、靶材、基體溫度及速度、幾何結構等參數間的相互影響，並且綜合地決定濺射薄膜的特性，因此在不同的濺射裝置上，或製備不同的薄膜時，應該對濺射工藝參數進行試驗選擇為宜。另外，在基本的濺射加工中，靶材被輝光放電中等離子體產生的高能離子轟擊，該輝光放電等離子體總是處於靶的前面，離子轟擊靶的表面同時產生二次電子的發射，二次電子的存在維持著濺射加工等離子體的形成，但是，這種濺射加工方法存在著低濺射率、等離子體中電離效率低和基底材料溫升過高等缺陷，在濺射加工中通過引入磁場，利用磁場來控制等離子體中帶電粒子，特別是電子的運動就可以克服這些缺陷；在傳統的平衡式磁控濺射中安裝的磁體使磁極間形成的閉合磁力線儘可能的接近於平行於靶的要濺射的表面，這樣二次電子的運動就能被嚴格的限制於靶表面的鄰近，在磁控濺射加工中傳統的平衡式磁控濺射中的磁場的布置是一個磁極被安置在靶非濺射面的中心，而另一相反的磁極則被放置在靶非濺射面的的周圍，兩個磁極在磁場強度上幾乎相等，即，所謂的「平衡式」， 由於兩個磁極在磁場強度上幾乎相等，這樣所有兩個磁極間的磁力線就幾乎完全自我封閉，也就很少有磁力線散開，從靶的表面延伸到基體。在平衡式磁控濺射中高密度的放電等離子體被嚴格的限制於靶的表面，高密度的等離子體的厚度基本上是分布在距靶表面左右的空間內。薄膜沉積時，基體只有放置在該距離以內，生長的薄膜才能沉浸在等離子體中， 也就可以利用等離子體中的離子的轟擊，改善薄膜結構和提高薄膜的性能。但是如果基體距靶過近，到達基體的離子能量可能較大，轟擊薄膜也會使膜層中的內應力較大，從而不利於薄膜的性質的提高。同時，靶與基體間的距離如此的近，也不可能沉積大面積的，或者是複雜的工件。然而，一旦基體的位置距離靶的表面大於，基體和沉積的薄膜就不能沉浸在等離子體中，從而很少的電子和離子能夠到達基體表面，僅有濺射出的靶的原子或分子沉積在基體表面，但是靶的原子或分子能量較低，直接沉積在基體上，膜與基體材料的結合強度較差，且低能量的沉積原子在基體表面遷移率低，易生成多孔粗糙的柱狀結構的薄膜。特別是對生長的薄膜的結構、組成成分和性質有著關鍵作用的離子流的密度和能量幾乎很小。在平衡式磁控濺射中，典型的離子電流密度一般是小於。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠顯著改善和提升現有磁控濺射鍍膜性能的相關技術各設備，也就是提供一種基於非平衡磁場的雙通道連續磁控濺射鍍膜設備。本發明的發明目的是通過如下技術措施實現的靶座安裝在腔體外側，靶座內側安裝靶材，在腔體內有相對安裝的靶材之間的磁力線穿過，腔體內安裝擋板機構，腔體內由擋板機構分割形成的通道中在相應靶座之間構成閉合或非閉合磁場。本發明中非平衡的閉合或非閉合磁場的布置形式使磁極之間的磁場強度由幾乎相等而改為磁場強度呈現變化，維持一部分磁力線能夠穿過中心磁極得到閉合，但另一部分非閉合的磁力線則發散開來，而且通過基體，濺射產生的部分二次電子將不再局限於靶的附近，並沿著擴散開來的磁力線朝著基體旋轉飛行，不斷與氣體分子碰撞使其電離，這些離子和電子在場的作用下飛向基體，轟擊基體上的薄膜，達到改善薄膜結構和提高薄膜性能的目的，同時，大量的二次電子聚集在基體，使基體有一個相對高的自我負偏壓，這既有利於離子加速轟擊基體薄膜，又可屏蔽掉過多電子對薄膜的損害，輝光等離子體也就得到充分的擴展，從靶的表面一直延伸到基體，這樣基體就能夠完全沉浸在等離子體中。本發明的有益效果是非平衡的閉合或非閉合磁場的布置形式可以由相向對面的或者單獨的靶構成，在同一個真空腔體內的多組靶相互組合或者單獨構成磁場，也可以根據所沉積薄膜類型、種類、層數和最理想的微觀結構自由的選擇真空腔體內的多組靶，或者單對靶或單個靶獨立的相互組合構成磁場，從而實現在靶材表面磁場強度和方式的自由控制和布置。


圖1是本發明的對合式實施例結構示意圖，圖2是圖1俯視示意圖
附圖標記包括腔體1，靶座2，靶材3，導軌4，周轉架5，左通道6，右通道7，磁力線8， 擋板機構9。
具體實施例方式
下面結合具體實施方式
，進一步闡述本發明。靶座2安裝在腔體1外側，靶座2內側安裝靶材3，在腔體1內有相對安裝的靶材 3之間的磁力線8穿過，腔體1內安裝擋板機構9，腔體1內由擋板機構9分割形成的通道中在相應靶座2之間構成閉合或非閉合磁場。腔體1內安裝導軌4和周轉架5。腔體1內安裝擋板機構9後形成左通道6和右通道7。本發明中非平衡的閉合或非閉合磁場的布置形式使磁極之間的磁場強度由幾乎相等而改為磁場強度呈現變化，維持一部分磁力線能夠穿過中心磁極得到閉合，但另一部分非閉合的磁力線則發散開來，而且通過基體，濺射產生的部分二次電子將不再局限於靶的附近，並沿著擴散開來的磁力線朝著基體旋轉飛行，不斷與氣體分子碰撞使其電離，這些離子和電子在場的作用下飛向基體，轟擊基體上的薄膜，達到改善薄膜結構和提高薄膜性能的目的，同時，大量的二次電子聚集在基體，使基體有一個相對高的自我負偏壓，這既有利於離子加速轟擊基體薄膜，又可屏蔽掉過多電子對薄膜的損害，輝光等離子體也就得到充分的擴展，從靶的表面一直延伸到基體，這樣基體就能夠完全沉浸在等離子體中。真空腔體內的其他部位增加可以自由裝配的各類擋板機構9等輔助構件。輝光等離子體也就得到充分的擴展，輝光等離子體從靶的表面一直延伸到基體，到達基體的離子電流密度可達到2 lOmA/cm2，甚至是更高。這樣基體就能夠完全沉浸在等離子體中了。在成膜過程中基體始終在等離子區中被清洗和激活，清除了附著力不強的濺射原子，淨化且激活基體表面，不僅提高膜厚的均勻度也就極大的提高和改善了濺射薄膜與基體的附著力。磁場的布置形式可以二進位送氣方式提供濺射所需的各種氣體，可以很便利的實現當兩個通道所沉積的薄膜需要相同的氣體時，就採用共同的供氣方式；當兩個通道所沉積的薄膜需要不相同的氣體時，就採用分開的的供氣方式，並能實現供氣量的區分。實施例1 相向對面的對合式的靶座2和靶材3構成非平衡的閉合或非閉合磁場。實施例2 在同一個真空腔體內的多組靶座2和靶材3相互組合或者單獨構成非平衡的閉合或非閉合磁場。根據所沉積薄膜類型、種類、層數和最理想的微觀結構自由的選擇真空腔體內的多組靶構成非平衡的閉合或非閉合磁場。實施例3 單對靶座2和靶材3或單個靶座2和靶材3獨立的相互組合構成非平衡的閉合或非閉合磁場。本發明中非平衡的閉合或非閉合磁場的布置形式所作的基本改動就是使磁極之間的磁場強度由幾乎相等而改為磁場強度不相等，由於磁極間的磁場強度不相等，只有一部分磁力線能夠穿過中心磁極得到閉合，但另一部分非閉合的磁力線則發散開來，而且通過基體，濺射產生的部分二次電子將不再局限於靶的附近，並沿著擴散開來的磁力線朝著基體旋轉飛行，不斷與氣體分子碰撞使其電離，這些離子和電子在場的作用下飛向基體，轟擊基體上的薄膜，達到改善薄膜結構和提高薄膜性能的目的，大量的二次電子聚集在基體， 使基體有一個相對高的自我負偏壓，這既有利於離子加速轟擊基體薄膜，又可屏蔽掉過多電子對薄膜的損害，輝光等離子體也就得到充分的擴展，從靶的表面一直延伸到基體，這樣基體就能夠完全沉浸在等離子體中了，由於採用了非平衡的閉合或非閉合磁場的布置形式，實現了部分非閉合的磁力線則發散開來，而且通過基體，濺射產生的部分二次電子將不再局限於靶的附近，並沿著擴散開來的磁力線朝著基體旋轉飛行，不斷與氣體分子碰撞使其電離，這些離子和電子在場的作用下飛向基體，轟擊基體上的薄膜，達到改善薄膜結構和提高薄膜性能的目的，這也就使得靶基距的調節空間範圍得到一定程度的擴大大，薄膜的沉積面積也相應的增大，從而也就可以保證靶基距的優化改善的自由度提高；再者，由於採用非平衡的閉合或非閉合磁場的布置形式，極大的保證了可沉積高品質的薄膜的多種工藝條件的實現可能，這也就能夠改變基體運動方式，使得在薄膜沉積時可以方便的實現雙通道同向或者是異向的基體運動方式、兩個不同通道的基體運動速度可以相同，也可以不同； 同時，在雙通道之間或真空腔體內的其他部位增加可以自由裝配的各類擋板機構等輔助構件。
本發明中的非平衡的閉合或非閉合磁場的雙通道連續磁控濺射鍍膜為實現沉積高品質的薄膜提供條件。薄膜的氣相沉積，無論是物理氣相法還是化學氣相法，都是熱力學不平衡的加工過程，導致薄膜微觀上存在驟冷的無序狀態，這些無序狀態與薄膜的缺陷相聯繫，也與薄膜的本徵應力相聯繫，薄膜的本徵應力對基體的類型和薄膜的厚度最敏感。薄膜沉積時，在基體擴散的熱量使基體的溫度快速上升，由於在基體和薄膜間存在彈性模量和熱膨脹係數的差異，也就是最終冷卻後的薄膜與基體間存在應力。本發明可以製成單腔體鍍膜機，也可以製成大型串列式的自動生產線。本發明採用非平衡的閉合或非閉合磁場的布置形式拓寬靶刻蝕區和改善靶原子的沉積分布是最經濟的優選方案，使得改進磁路布置能夠得到改善磁場，而且可以做到包括改進磁體、極靴、間隙、形狀等改善磁場的機構措施。採用非平衡的閉合或非閉合磁場的布置形式在成膜過程中基體始終在等離子區中被清洗和激活，清除了附著力不強的濺射原子，淨化且激活基體表面，不僅提高膜厚的均勻度也就極大的提高和改善了濺射薄膜與基體的附著力。膜厚均勻度是衡量薄膜質量和鍍膜裝置性能的一項重要指標。為提高膜厚均勻度，採用非平衡的閉合或非閉合磁場的布置形式拓寬靶刻蝕區和改善靶原子的沉積分布並配合改進磁體、極靴、間隙、形狀改善磁場的機構措施，同時，由於採用非平衡的閉合或非閉合磁場的布置形式，也就使得採取優化靶基距、改變基體運動方式、增加擋板機構等眾多對鍍膜設備進行結構性的改變成為可能。濺射靶刻蝕區尺寸及其功率密度、靶一基距、靶材、氣壓、磁路及磁物等參數均是影響沉積速率的因素。目前所用的磁控濺射技術及其生產設備多採用平衡式的磁產布置形式，為儘可能地提高沉積速率，基體應儘量靠近濺射靶，但必須保證穩定地異常輝光放電。 但是如果基體距靶過近，到達基體的離子能量可能較大，轟擊薄膜也會使膜層中的內應力較大，從而不利於薄膜的性質的提高。同時，靶與基體間的距離如此的近，也不可能沉積大面積的，或者是複雜的工件。本發明實施例在工作時，濺射產生的部分二次電子將不再局限於靶的附近，並沿著擴散開來的磁力線朝著基體旋轉飛行，在薄膜沉積的整個過程中，基體表面都將受到氣體離子的穩定轟擊，清除可能進入薄膜表面的氣體，提高薄膜的純度，注入到基體表面層的離子，不但可以改變基體表面層的化學組成，而且也改變了該層的結晶結構，從而使基體材料表面層的性能發生了變化，使薄膜沉積的溫度在室溫附近。在薄膜沉積時，運用離子轟擊的辦法就能達到既能增加薄膜原子的遷移率又不顯著提高機體的溫度。在各種離子輔助的薄膜沉積方法中，到達基體的離子能量和和離子對沉積原子的到達比是兩個對沉積的薄膜的生長動力、結構和性能起決定性作用的要素；並且，部分高能量的濺射原子產生不同程度的注入現象，在基體上形成一層濺射原子與基體原子相互溶合的偽擴散層，並且也可以清除附著力較差的沉積粒子，加之在沉積之前可以對基體進行轟擊清洗，淨化表面，從而提高了薄膜的附著力。還可以改變沉積薄膜的結構，提高了濺射參數的可控性和工藝重複性。薄膜的化學組成和微觀結構主要決定於沉積原子的數量和能量以及基體的溫度， 而離子轟擊能夠使基體在相對較低的溫度下沉積非常緻密的薄膜。本發明中磁場的布置形式可以二進位送氣方式提供濺射所需的各種氣體，可以很便利的實現當兩個通道所沉積的薄膜需要相同的氣體時，就採用共同的供氣方式；當兩個通道所沉積的薄膜需要不相同的氣體時，就採用分開的的供氣方式，並能實現供氣量的區分。在供氣時將氣體均勻的一路分為二路，二路均分為四路，如此均分為多路後送入真空室，從而實現均勻送氣，而膜層厚度和氣壓的關係使調節氣壓的均勻性來補償膜層厚度不均勻成為可能，另外，還可以同時配合調整靶基距和工作氣體壓強的方法在一定程度上使膜層均勻。濺射產生的部分二次電子將不再局限於靶的附近，並沿著擴散開來的磁力線朝著基體旋轉飛行，在薄膜沉積的整個過程中，基體表面都將受到氣體離子的穩定轟擊，可以實現基體運動形式在雙通道內根據所沉積的薄膜種類、性質和結構要求等，所採用的基體材料種類差異，自由的調節。不僅可以實現不同的基體在沉積相同的薄膜時在雙通道內同向、 同速運行；而且可以實現不同的基體在沉積不相同的薄膜時在雙通道內同向、不同速運行； 也可以可以實現相同的基體在沉積相同的薄膜時在雙通道內同向、同速運行；而且還可以實現不同的基體在沉積不相同的薄膜時在雙通道內相向、不同速運行。同樣也可以做到在相同的基體的不同表面同時沉積相同或不同的薄膜。這些實施例僅用於說明本發明，而不用於限制本發明的範圍。此外，本領域技術人員在閱讀了本發明的內容之後，以等同替代或變劣進行對本發明作各種改動或修改，同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。
權利要求
1.基於非平衡磁場的雙通道連續磁控濺射鍍膜設備，其特徵是靶座( 安裝在腔體 ⑴外側，靶座⑵內側安裝靶材(3)，在腔體⑴內有相對安裝的靶材⑶之間的磁力線 ⑶穿過，腔體⑴內安裝擋板機構(9)，腔體⑴內由擋板機構(9)分割形成的通道中在相應靶座( 之間構成閉合或非閉合磁場。
2.如權利要求1所述的基於非平衡磁場的雙通道連續磁控濺射鍍膜設備，其特徵在於，腔體(1)內安裝導軌(4)和周轉架(5)。
3.如權利要求1所述的基於非平衡磁場的雙通道連續磁控濺射鍍膜設備，其特徵在於，腔體(1)內安裝擋板機構(9)後形成左通道(6)和右通道(7)。
4.如權利要求1所述的基於非平衡磁場的雙通道連續磁控濺射鍍膜設備，其特徵在於，相向對面的對合式的靶座( 和靶材C3)構成非平衡的閉合或非閉合磁場。
5.如權利要求1所述的基於非平衡磁場的雙通道連續磁控濺射鍍膜設備，其特徵在於，在同一個真空腔體內的多組靶座( 和靶材C3)相互組合或者單獨構成非平衡的閉合或非閉合磁場。
6.如權利要求1所述的基於非平衡磁場的雙通道連續磁控濺射鍍膜設備，其特徵在於，單對靶座(2)和靶材C3)或單個靶座( 和靶材C3)獨立的相互組合構成非平衡的閉合或非閉合磁場。
7.如權利要求1所述的基於非平衡磁場的雙通道連續磁控濺射鍍膜設備，其特徵在於，輝光等離子體從靶的表面一直延伸到基體，到達基體的離子電流密度可達到2 IOmA/ cm2，甚至是更高。
全文摘要
基於非平衡磁場的雙通道連續磁控濺射鍍膜設備，其特徵是靶座(2)安裝在腔體(1)外側，靶座(2)內側安裝靶材(3)，在腔體(1)內有相對安裝的靶材(3)之間的磁力線(8)穿過，腔體(1)內安裝擋板機構(9)，腔體(1)內由擋板機構(9)分割形成的通道中在相應靶座(2)之間構成閉合或非閉合磁場。非平衡的閉合或非閉合磁場的布置形式可以由相向對面的或者單獨的靶構成，在同一個真空腔體內的多組靶相互組合或者單獨構成非平衡的磁場，也可以根據所沉積薄膜類型、種類、層數和最理想的微觀結構自由的選擇真空腔體內的多組靶，或者單對靶或單個靶獨立的相互組合構成非平衡的磁場，從而實現在靶材表面磁場強度和方式的自由控制和布置。
文檔編號C23C14/35GK102168253SQ20111008733
公開日2011年8月31日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者周鈞 申請人:周鈞