专利名称：一种用于超高真空的磁控溅射靶以及靶中磁体的制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁控溅射真空镀膜技术，尤指一种磁控溅射靶以及靶 体中磁体的制备工艺。
背景技术：
真空镀膜技术在各种工业和科研领域中有着很广泛的应用，特别 在涉及到高科技行业的领域如磁盘制造、太阳能电池、微加工器件制
造、IC电子行业等。》兹控溅射工艺具有成膜效率高、成膜致密、薄膜
与衬底结合力强、适合于生长各种材料薄膜、沉积温度低、可以在很 长时间内维持稳定的成膜速率、成膜可重复性高、适合于大批量工业 生产等优点。
磁控賊射在永磁体产生的静磁场作用下，阴极发射出的电子被约 束在靶面附近的区域内，极大的增强了靶面附近的电离能力，提高了 靶面附近等离子体浓度，因此可以大大提高溅射的效率，是目前使用 最为广泛的溅射方法之一。但由于受f兹场的限制，只有在靶面附近A兹 场平行分量较强的区域电离度增强，因此靶面上只有部分区域被集中 溅射，賊射过后在靶面上留下一道环形"跑道"状的凹坑，导致靶材
的利用率较低， 一般在10~30°/。之间。移动^兹体的方法可以将靶材的利 用率提高到40~50%,但降低了溅射的稳定性和可靠性，且设计结构复 杂，难于推广应用。而将磁控溅射靶应用到超高真空，更需要考虑靶 的精简设计，复杂的靶结构会造成很多真空死角，并且会增加靶的真 空放气率，从而无法获取超高真空，同时影响到溅射成膜的质量。
磁控'减射耙一般由耙阴极、接地保护鞘(阳极)、磁体、水冷部分、 电极和密封部分等组成。阴极与阳极之间必须绝缘以保证溅射能正常 工作， 一般的做法是在阴极与阳极之间加一层绝缘材料，例如聚四氟 乙烯、陶瓷等。绝缘层与阴极、阳极之间均需要做真空密封，而由于 金属密封必须使用无氧铜圏或金属丝并用金属(一般为不锈钢)螺钉紧固，这些都是电良导体，所以在密封绝缘层时不能使用， 一般采用0 型圏来完成真空密封，加上水冷槽的密封， 一般一个靶需要使用2~4 个0型圏。O型圈数量的增加在超高真空应用中是应该尽量避免的，因 为它具有非常持久和大量的放气，并且不能做较高温度的烘烤，直接 影响到真空室超高真空的获取。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种适用 于超高真空的磁控溅射靶。
本发明的另 一 目的在于提供一种磁控溅射靶体中磁体的制备工
艺
本发明的磁控'减射耙体中磁体的制备工艺，具体步骤为l)建 立磁体几何模型；2)对几何模型进行网格化；3)确定磁体的物理参 数，包括相对磁导率和矫顽力；4)确定有限元分析的边界条件，根 据有限元分析算法得出磁场在空间中的分布图像；5)从步骤4)中 的分布图像中抽取磁体极面以上3~6mm区域内的磁场平行分量并绘 制曲线；6)改变磁体尺寸、大小，重新进行计算，得到一个最适合 所需应用到的靶材尺寸；7)改变磁体磁极面的锥角角度，重新进行 计算，得到一个最佳的角度，^f吏得^磁场平行分量在;兹体极面以上3-6mm区域内分布尽可能宽广而均匀；8 )选用合适的永磁体材料，根 据所设计的尺寸和形状加工磁体并充磁。
进一步，步骤l)中所述磁体为对称结构时，取所述磁体中心截 面来建立二维模型。
进一步，所述永磁体材料为钕4失硼或者铝镊钴烧结合金。
进一步，所述耙体釆用无氧铜或紫铜一体加工。
进一步，所述^兹体的形状为圓柱、圆环或矩形。
进一步，所述有限元的边界条件为远场边界条件。
本发明的磁控溅射靶，包括靶阴极和靶阳极，所述靶阳极包括靶 顶法兰和接地外鞘，靶顶法兰与接地外鞘相连，靶阳极的上部密封， 靶阴极包括靶体，耙体通过靶阳极上设置的绝缘连接件与靶阳极不接 触的设置在接地外鞘中，并且靶体上表面与靶阳极之间通过一道0型圏密封，所述靶体下表面上紧密固定靶材，靶材下部的接地外鞘上设 置有与靶材大小相配的通孔。
进一步，所述绝缘连接件包括螺钉和绝缘陶资保护套，螺钉上部
容置在所述靶顶法兰上设置的与螺^r上端相配的卡槽中，螺^f丁与卡槽 接触的外表面上设置有绝缘陶资保护套，螺钉下部的螺紋端与所述靶 体螺紋连接。
进一步，所述耙体上设置有靶电极柱，靶体内设置有水冷装置和 磁体，耙体上表面设置有通孔，该通孔以下部分的耙体内设置有容置 水冷装置和磁体的凹槽，所述通孔与凹槽连通，该通孔上设置封盖将 所述靶体内密封，封盖上设置有将所述^兹体固定在所述凹槽中的调整 螺钉。
进一步，所述磁体由中心i兹体和外围磁体构成，中心磁体设置在 所述耙体中部，夕卜围磁体设置在中心磁体两侧，夕卜围磁体和中心《兹体 之间设置有所述水冷装置，该水冷装置与所述封盖之间设置有o形密 封圈。
进一步，所述靶顶法兰上部设置有金属刀口密封法兰，金属刀口 密封法兰上设置靶顶盖，并且金属刀口密封法兰与乾顶盖之间密封， 靶顶盖上设置有所述水冷装置的水管接头和所述靶电极柱的电极接 头，靶顶盖上还设置有与抽真空装置相连的抽嘴。
本发明的磁体的制备工艺，通过建立数学模型，对磁体的尺寸与 形状进行有限元优化，使得靶面附近磁场平行分量分布更均匀且宽 广，提高了溅射时耙材面的使用范围，有效的提高了靶材的利用率。 本发明的磁控溅射靶在超高真空环境下的密封只采用了一道o形密 封圈，满足了靶的超高真空要求，保证了磁控溅射靶在超高真空环境 下的稳定工作。
图la为本发明的磁控溅射靶的磁体模型及其磁力线分布图lb为磁体的立体图2a为本发明磁控溅射靶的中心剖视图2b为本发明磁控溅射靶的俯视图；图3为图2a中A部放大图4为利用有限元分析方法获得的靶面附近磁场平行分量分布曲
线；
图5为本发明的磁控溅射靶的装配示意图。
具体实施例方式
如图2a所示，本发明的磁控賊射耙，包括耙阴极、把阳极和耙 材13，耙阴极为耙体6，耙体6为无氧铜或紫铜一体加工，因为无氧 铜或紫铜具有非常良好的导热性能，且不具有磁性，可以在超高真空 中使用。靶阳极由接地外鞘14、靶顶法兰4、金属刀口密封法兰2和 輩巴顶盖l构成，其中，接地外鞘14的上部与靶顶法兰4螺紋连接， 靶顶法兰4上卡坐有金属刀口密封法兰2，金属刀口密封法兰2上部 通过螺钉固定有封盖1,通过封盖1和在封盖.1与金属刀口密封法兰 2的接触面之间设置的0型圈，将靶阳极内密封。
如图2a和3所示，靶顶法兰4上设置有供螺钉卡坐的通孔，螺 钉上端卡坐在该通孔中，并且螺钉与靶顶法兰4接触的外表面上设置 有绝缘陶覺外套18,避免由于螺钉导电而造成耙阳极与阴极短路， 耙体6容置在接地外鞘14的空腔中，通过螺钉将耙体6固定在靶顶 法兰4上，把体6与耙顶法兰4和接地外鞘13均不接触，靶体6的 上表面与靶顶法兰4之间有一定间隙，并通过一道0型圏8将靶阳极 与乾阴极之间密封，0型圈8容置在靶顶法兰4上设置的圈槽中，其 中O型圏槽的深度需要根据密封所需要的压力进行估算， 一般不得小 于0型圈8的半径，不得大于D-Ad，其中D为O型圏直径，Ad为 O型圈8在密封所需压力(一般为》13MPa)下的形变量。O型圈8 — 方面起到密封的作用，另一方面也将靶的阴极和阳极绝缘开，因此O 型圏槽的深度略浅以保证O型圏8形变之后靶阴极和阳极之间还能够 维持约0. 1-0. 5mm的间距。0型圈8为Viton橡胶密封圏具有放气率 低、可以正常^f吏用到200。C或以上高温的优点，可以用于>1 x l(T8Pa 的超高真空。
如图2a和图.2b所示，耙体6内设置有》兹体安装槽和冷却水槽 12,中心磁体10和外围磁体9分别对应放置在磁体安装槽中，草巴体6上表面加盖封盖7将靶体6密封，为了防止冷却水槽12中的水流 出，冷却水槽12处通过两道0型圏密封，封盖7上设置有调整螺钉， 用于顶紧磁体，避免磁体发生位移。封盖7上设置靶电极柱和与冷却 水槽12连通的循环水管接头，与靶顶盖1上设置的同轴电极线接头 17和水管接头15对应，靶顶盖1上还设置有用于与抽真空装置相连 的抽嘴16，在进行靶溅射之前通过抽真空装置对靶阳极内抽取粗真 空。耙体6的底面通过耙材压环11将靶材13与耙体6底面紧密接触。 如图la和lb所示，外围-兹体9为与耙材13面直径相当的环形 磁体，其中磁极内边倒锥角，中心磁体10为圆柱形磁体，磁极顶部
倒锥角。
本发明磁控賊射靶的安装步骤如下
a) 将O型圈安装到靶顶法兰的0型圈槽内，紧固。用于紧固的 螺钉外面套有可加工陶覺加工而成的绝缘外套；
b) 检验靶顶法兰和靶体之间的绝缘性，以及通过真空检漏确定 0型圈密封漏率小于检漏仪灵敏度以下后，安装耙材和接地外鞘；
c) 靶材安装靶材通过一个靶材压环紧压在靶体的靶材接触面 上，通过一组螺钉紧固；
d) 接地外鞘通过螺丝扣安装到靶顶法兰上，接地外鞘端面与革巴 材之间的距离通过旋转的螺扣数来控制；
e) 将靶安装到真空室上，紧固金属密封刀口法兰，真空检漏以 确保密封漏率小于检漏仪灵敏度以下；
f) 将磁体安装入磁体安装槽内，并密封水槽，水槽的密封通过 两道0型圈实现。水槽密封盖上同时还有一组螺钉用于顶紧磁体避免 ;兹体发生位移。
g) 安装循环水管和电极引线；
h) 安装靶顶盖；
i) 整个靶安装完成之后，便可以进行直流磁控溅射。溅射时， 耙体、靶材、靶材压环处在靶的阴极，而接地外鞘、靶顶法兰、金属 刀口法兰等部件接地并作为靶的阳极，'践射时在耙的阴极上加一个数 百伏的负高压。溅射时必须保证循环水连续供应以冷却^兹体和靶材。
耙体6上方的靶顶法兰4为桶状结构有一空腔，耙体6中的磁体需要更换时，可以将磁体从溅射靶上部取出，而不破坏溅射靶的超高 真空气氛。
本发明的磁体制备工艺，包括以下步骤
1. 建立磁体几何模型，对称结构的》兹体取中心截面来建立二维 模型；
2. 对几何模型进行网格化；
3. 确定磁体的物理参lt,包括相对》兹导率和矫顽力；
4. 确定有限元分析的边界条件，采用远场边界条件，即认为在 无穷远处磁场为零；
5. 求解，得出磁场在空间中的分布图像，如图la所示；
6. 抽取磁体极面以上3~6mm区域内的i兹场平行分量并绘制曲 线；
7. 改变磁体尺寸、大小，重新进行计算，得到一个最适合所需 应用到的靶体尺寸；
8. 改变磁体磁极面的锥角角度，重新进行计算，傳剖一个最.佳: 的角度，使得磁场平行分量在磁体极面以上3 ~ 6mm区域内分 布尽可能宽广而均匀；如附图4所示；
9. 选用合适的永磁体材料，根据所设计的尺寸和形状加工磁体 并充磁。
如图5所示，本发明的金属刀口密封法兰2的下部安^fc超高 空室中，超高真空与粗真空之间只通过一道O型圏密封。粗真空的存 在可以进一步降低0型圏的漏气，同时保护磁体并防止水气凝结造成 耙短路的现象。
需要指出的是本发明根据具体实施方式
所做出的任何变形，均不 脱离本发明的精神以及权利要求保护的范围。
权利要求
1.一种磁控溅射靶体中磁体的制备工艺，具体步骤为1)根据靶材尺寸，确定磁体尺寸并建立磁体几何模型；2)对几何模型进行网格化；3)确定磁体的物理参数，包括相对磁导率和矫顽力；4)确定有限元分析的边界条件，根据有限元算法得出磁场在空间中的分布图像；5)从步骤4)中的分布图像中抽取磁体极面以上3～6mm区域内的磁场平行分量并绘制曲线；6)改变磁体磁极面的锥角角度，重新进行计算，得到一个最佳的角度，使得磁场平行分量在磁体极面以上3～6mm区域内分布尽可能宽广而均匀；7)根据所设计的磁体尺寸和形状加工磁体并充磁。
2. 如权利要求1所述的磁控溅射靶体中磁体的制备工艺，其特征在于， 步骤1)中所述磁体为对称结构时，取所述磁体中心截面来建立二 维模型。
3. 如权利要求1所述的磁控溅射靶体中磁体的制备工艺，其特征在于， 所述磁体材料为钕铁硼或者铝镊钴烧结合金。
4. 如权利要求1所述的磁控溅射靶体中磁体的制备工艺，其特征在于 所述耙体采用无氧铜或紫铜一体加工。
5. 如权利要求1所述的磁控賊射耙体中磁体的制备工艺，其特征在于， 所述有限元边界条件为远场边界条件。
6. —种磁控賊射耙，其特征在于，包括靶阴极和靶阳极，所述靶阳极 包括靶顶法兰和接地外鞘，靶顶法兰与接地外鞘相连，靶阳极的上 部密封；靶阴极包括靶体，耙体通过靶阳极上设置的绝缘连接件与 耙阳极不接触的设置在接地外鞘中，并且耙体上表面与靶阳极之间 通过一道0型圏密封，所述靶体下表面上紧密固定靶材，靶材下部 的接地外鞘上设置有与靶材大小相配的通孔。
7. 如权利要求6所述的》兹控溅射靶，其特征在于，所述绝纟彖连4妻件包 括螺钉和绝缘陶瓷保护套，螺钉上部容置在所述靶顶法兰上设置的 与螺钉上端相配的卡槽中，螺钉与卡槽接触的外表面上设置有绝缘 陶瓷保护套，螺钉下部的螺紋端与所述耙体螺紋连接。
8. 如权利要求6所述的i兹控溅射靶，其特征在于，所述革巴体上i殳置有靶电极柱，耙体内设置有水冷装置和磁体，耙体上表面设置有通孑u 该通孔以下部分的耙体内设置有容置水冷装置和》兹体的凹槽，所述 通孔与凹槽连通，该通孔上设置封盖将所述靶体内密封，封盖上设 置有将所述磁体固定在所述凹槽中的调整螺钉。
9. 如权利要求8所述的磁控溅射靶，其特征在于，所述磁体由中心磁 体和外風磁体构成，中心磁体设置在所述耙体中部，外围磁体设置 在中心》兹体两侧，夕卜围v 兹体和中心i兹体之间i殳置有所述水冷装置， 该水冷装置与所述封盖之间设置有0形密封圏，外围》兹体为与所述 靶材面直径相当的环形磁体，其中》兹极内边倒锥角，中心磁体为圆 柱形》兹体，^兹极顶部倒锥角。
10. 如权利要求8所述的磁控賊射靶，其特征在于，所述靶顶法兰为桶 状结构，其上部设置有金属刀口密封法兰，金属刀口密封法兰上设 置靶顶盖，并且金属刀口密封法兰与靶顶盖之间密封，靶顶盖上设 置有所述水冷装置的水管接头和所述靶电极柱的电极接头，耙顶盖 上还设置有与抽真空装置相连的抽嘴。
全文摘要
本发明公开了一种用于超高真空的磁控溅射靶以及靶中磁体的制备工艺，其中磁控溅射靶的靶阴极和靶阳极之间采用一道O型圈密封，大大减少了密封O型圈的数量，可以满足超高真空要求。本发明的靶中磁体的制备工艺，通过建立数学模型，对磁体的尺寸与形状进行有限元优化，使得靶面附近磁场平行分量分布更均匀且宽广，提高了溅射时靶材面的使用范围，有效的提高了靶材的利用率。
文档编号C23C14/35GK101550538SQ20091008448
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月15日 优先权日2009年5月15日
发明者张殿琳, 董世迎, 金贻荣 申请人:中国科学院物理研究所