CN102586749A

CN102586749A - 一种多磁场的磁控溅射阴极

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Publication number: CN102586749A
Application number: CN2012100652650A
Authority: CN
Inventors: 王正安
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明公布了一种多磁场的磁控溅射阴极，其特点是应用若干个磁铁单元排列组合形成一个多磁场相互耦合的平面溅射阴极，并且磁铁单元的排列是沿着矩形阴极的长度方向。本发明相较于现有的技术，极大的提高了单个矩形平面阴极溅射系统的有效溅射时间和沉积距离，有效的改善平面阴极溅射镀膜的均匀性和提高平面靶材的利用率。整个发明设计简洁，制备工序简单，使平面阴极镀膜方式在工业生产中有了更大的应用领域。

Description

一种多磁场的磁控溅射阴极

[技术领域]

本发明涉及磁控溅射阴极，具体地说是一种高靶材利用率的多磁场分布的磁控溅射阴极

[背景技术]

磁控溅射是一种利用电场和磁场的真空镀膜技术，在磁场中，运动电子受到洛仑兹力作用，在电场力和洛伦兹力的共同作用下，电子就会产生螺旋运动，其运动路径变长，增加了与工作气体分子碰撞的次数，使等离子体密度增大，从而磁控溅射速率得到很大的提高，在较低的溅射电压和气压下工作，降低薄膜污染的倾向；另一方面提高了入射到衬底表面的原子的能量，在很大程度上改善薄膜的质量。同时，经过多次碰撞而丧失能量的电子到达阳极时，已变成低能电子，从而不会使基片过热。因此磁控溅射法具有“高速”、“低温”的优点。

磁控溅射真空镀膜技术已经经历了近百年的发展。然而在国内，真空镀膜设备制造的研究投入却是相当缺乏，技术落后，目前在国内市场上广泛使用高成本的进口机器和原料或是使用落后于西方发达企业10-15年的工艺设备进行生产，造成了巨大的资源浪费。

在传统的矩形磁控溅射阴极中，磁场的设计采用简单的单一环形结构，中心的柱形磁铁和周围的一套环形磁铁构成简单的磁路。这种设计方案下的磁场一方面均匀范围较小，直接导致靶材的轰击区域集中，利用率低下；另一方面，磁场环沿矩形阴极的长度方向分布，为了取得较好的镀膜均匀性，基板的运动方向沿阴极的宽度方向，这就极大限制了单矩形阴极磁控溅射镀膜的有效溅射长度和溅射时间，进而限制了单阴极溅射系统的应用领域。

本发明公布了一种新型的磁路设计方案以解决上述难题，在不改变阴极尺寸的前提下，一方面提高了靶材利用率和镀膜均匀性，另一方面极大的提高了磁控溅射过程中的有效溅射长度和溅射时间。使单阴极磁控溅射系统有更加广泛的应用领域。

[发明内容]

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种多磁场的磁控溅射阴极，其特征在于：由阴极底板、同轴电缆、绝缘体、轭铁、磁铁矩阵、阴极主体、冷却单元、靶材和阳极罩组成。绝缘体固定于阴极底板之上；阴极主体内部开有进水槽和出水槽，组成冷却单元；磁铁矩阵直接排列在轭铁上，二者组合体被置于阴极主体后端，阴极主体前端则直接和溅射靶材接触；阴极主体整体置于绝缘体上，通过绝缘体与阴极底板绝缘；阳极罩则直接固定于阴极底板之上。

所述的阴极底板使用316不锈钢材料加工制成，对阴极整体起一个支撑作用的同时也组成阳极。

所述的同轴电缆采用RG393型射频同轴电缆，该款电缆采用镀银铜芯作为内导体，双层镀银铜网作为外导体(屏蔽层)，内外导体之间使用厚度为7.21mm的聚四氟乙烯作为绝缘层，电缆外层使用9.91mm后的FEP材料。

所述的绝缘体由聚四氟乙烯材料加工而成，厚度为70mm。

所述的轭铁使用高质量的工业软铁DT4加工而成，材料纯度达99.9％，含碳量不超过0.04％，有高的感磁性的低的抗磁性。加工成型后做电镀Ni-Cu-Ni保护层。

所述的磁铁矩阵是由若干组同一方向上不同极性的磁铁排列组合而成。

所述的组成磁铁矩阵的磁铁使用高纯度的钕铁硼金属间化合物经过金属粉末冶金法制成，材料的只要成分是Nd2Fe14B，材料按照设计要求加工成型后，表面进行电镀Ni-Cu-Ni层保护并按设计方向充磁至饱和。

所述的阴极主体由高纯度的高真空无氧铜材料加工制成，该材料纯度为99.97％，氧含量小于0.003％，杂志总含量小于0.03％，具有优异的导电性能

所述的阳极罩有硬质铝材加工而成。

本发明同现有的技术相比，多磁铁单元按照一定规则排列组台成一个磁铁矩阵，使用磁铁矩阵产生的磁场代替传统的单一磁场，提高了靶材利用率和改善镀膜的均匀性；另外，本发明涉及的磁控溅射阴极，由于独特的磁场设计，镀膜方向则沿着矩形靶材的长度方向，增加了溅射镀膜的有效镀膜距离和镀膜时间，使得单矩形平面阴极溅射系统在工业生产中有着更加广阔的应用。

[附图说明]

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中磁场单元的结构示意图。

参见图1和图2，1为阳极罩；2为靶材；3为进水槽；4为阴极主体；5为出水槽；6为磁铁；7为轭铁；8为绝缘体；9为阴极底板；10为同轴电缆。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作进一步描述

如图所示，本发明所涉及的阴极包括支撑整体结构的阴极底板9、传输功率源功率的同轴电缆10、聚四氟乙烯绝缘体8、限制磁路的轭铁7、磁铁6、阴极主体4和集成于其上的冷却单元3和5、靶材2和阳极罩1组成。绝缘体8固定于阴极底板9之上；阴极主体1内部开有冷水槽(进水槽3和出水槽5)，组成冷却单元；磁铁6直接排列在轭铁7上组成磁场单元，整体固定在阴极主体1的后端，阴极主体4前端则直接和溅射靶材2接触，整体置于绝缘体8上，并通过绝缘体8与阴极底板9绝缘；阳极罩1则直接固定于阴极底板9之上；同轴电缆10则直接和阴极主体4相连。

本发明的阴极底板9使用质量良好的316不锈钢板材加工制成，加工底板厚度在15mm到20mm左右，底板中心位置开孔以方便水管、气管和同轴电缆的进出。

本发明的同轴电缆10采用RG393型射频同轴电缆，该款电缆采用镀银铜芯作为内导体，双层镀银铜网作为外导体(屏蔽层)，内外导体之间使用厚度为7.24mm的聚四氟乙烯作为绝缘层，电缆外层使用9.91mm后的FEP材料。该电缆的最高耐压值2.5Kv，0.01GHz时射频传输功率可达15KW。

本发明的绝缘体8采用整体结构的聚四乙烯材料经过机械加工制成。该材料的耐候性能良好，能够在能在+250℃至-180℃的温度下长期工作，除熔融金属钠和液氟外，能耐其它一切化学药品。其绝缘性能不受环境及频率的影响，体积电阻可达1018Ω.cm，介质损耗小，击穿电压高。

本发明的轭铁7采用性能良好的DT4工业软铁经过机械加工而成，并电镀Ni-Cu-Ni金属保护层。

本发明的磁铁6采用钕铁硼材料制得，具体为钕铁硼金属间化合物经过粉末冶金的工艺压制成型，并电镀Ni-Cu-Ni金属保护层，最后按照设计方案充磁至饱和。

本发明的阴极主体4使用的是高真空的无氧铜材料加工而成，材料内部开有冷水槽形成冷却单元。而阳极罩1则使用的是工业用硬质铝加工而成。

以下为本发明的磁场单元设计方案：

使用多个磁铁单元并排排列在轭铁之上形成磁阵，磁铁单元磁场相互耦合并为磁控溅射提供恒定磁场，磁阵中磁铁单元的排列方向采取沿着矩形阴极的长度方向，溅射镀膜的方向也是顺着阴极的长度方向。磁铁单元的长度以及磁铁单元的个数则有阴极的宽度和长度决定。对单阴极的磁控溅射系统，该发明的阴极极大的提高了磁控溅射的有效长度和溅射时间，提高了膜层的厚度可控性和均匀性。另外，由于磁铁单元磁场相互耦合，在阴极表面形成的磁场死区面积较小，磁控溅射的靶材利用率很高，一般能达到50％以上。

以下是本发明磁控溅射阴极的制作过程：

a)在规格为1222mm×360mm×25mm的316不锈钢板材中心位置开φ50mm的通孔作为水管、气管和同轴电缆的进出口；铣出6mm×4mm两条槽，分别作为密封槽和屏蔽槽。

b)在规格为1030mm×176mm×70mm的聚四氟乙烯板材的一面铣出936mm×128mm×54mm的槽子；并在底部中心位置开φ50mm的通孔作为水管、气管和同轴电缆的进出口；在正反两面分别按图纸铣出规格为6mm×4mm的密封槽；按图纸所示位置打出固定孔。

c)使用DT4型工业软铁材料加工出规格为962mm×126mm×11mm轭铁，并按照设计图纸，铣出若干个规格为126mm×50mm×5mm 凸台作为磁铁单元的基础，并打孔作为螺丝固定孔，工件表面电镀Ni-Cu-Ni保护层

d)使用钕铁硼材料加工规格为40mm×10mm×10mm、38mm×5mm×10mm、R23mm×R20mm×10mm和φ8mm×8mm的磁铁若干，表面电镀Ni-Cu-Ni保护层并按高度方向充磁至饱和。

e)在规格为1032mm×176mm×20mm的真空无氧铜材的一侧铣出966mm×130mm×2mm的浅槽，在另一侧则铣出截面规格为50mm×5mm的水槽，水槽上面使用厚3mm的紫铜板密封并焊接成一体；按图纸规定位置加工通孔和螺丝孔。

f)在规格为1044mm×16mm×102mm的硬质铝材上铣出半径为0.75mm的半圆槽，长度贯穿整个铝材，并在槽内使用激光打出3个φ1.5mm的通孔作为气孔。孔间距260mm。按图纸要求位置加工通孔和螺丝孔。

g)按图纸加工靶材固定环和阳极罩。

h)按照设计方案，将加工好的磁铁排列在轭铁上，磁铁单元组成为一条中心磁铁和一个环形磁铁构成，中心磁铁使用规格为40mm×10mm×10mm和φ8mm×8mm的磁铁拼接而成，而环形磁铁则由38mm×5mm×10mm的条形磁铁和R23mm×R20mm×10mm瓦型磁铁拼接而成。磁铁单元间距为32.5mm。整个磁阵则由9个磁铁单元组成。

i)组装阴极主体和磁阵单元，并使用密封胶将磁阵单元进行封铸。

j)焊接零件并组装阴极。

按照此款设计方案制造的平面磁控溅射阴极可以进行大功率密度的磁控溅射镀膜，常态溅射功率密度可在0w/cm²-40w/cm²之间可调，短时峰值溅射功率密度可达到55W/cm²-60W/cm²，靶材利用率达到55％以上。经过180天工作测试，磁场无衰减，阴极性能稳定。

Claims

1.一种多磁场的磁控溅射阴极，由阴极底板、同轴电缆、绝缘体、轭铁、磁铁矩阵、阴极主体、冷却单元、靶材和阳极罩组成其特征在于：绝缘体通过不锈钢螺丝固定于底板上；所述的磁铁矩阵和粘合在一起的轭铁组成磁场单元，并使用黄铜螺丝将其固定于阴极主体的后端；所述阴极主体前端开有进水槽和出水槽，组成冷却单元；阴极主体的后端同时又与绝缘体固定；所述的阳极置直接固定于阴极底板上；所述的同轴电缆则直接和阴极主体相连接，靶材则置于阴极主体前端。

2.根据权利要求1所述的多磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述的阴极底板采用高质量的316不锈钢材料加工而成，对整个阴极起一个支撑作用。

3.根据权利要求1所述的多磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述的同轴电缆采用RG393型电缆线，该电缆采用7/0.79标准镀银铜作为内导体；7.21mm聚四氟乙烯作为绝缘体；8.71mm双层镀银铜网作为外导体；9.91mm FEP作为外绝缘层。

4.根据权利要求1所述的多磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述的绝缘体使用厚度为70mm的聚四氟乙烯材料经加工而成。

5.根据权利要求1所述的多磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述的轭铁材料为高质量的工业软铁DT4板材，根据磁场的设计要求，在其表面铣出高度不一的凸台作为磁铁的基础，达到高节磁场的目的。

6.根据权利要求1所述的多磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述的磁铁矩阵由若干块磁铁排列组合而成。

7.根据权利要求1所述的多磁场磁控溅射阴极，具特征在于：所述的阴极主体使用高质量的真空无氧铜加工而成。该材料纯度为99.97％，氧含量小于等于0.003％，杂质总含量小于等于0.03％。

8.根据权利要求1所述的多磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述的冷却单元由开在阴极主体前端的进水槽和出水槽组成。

9.根据权利要求1所述的多磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述的阳极罩使用高质量的硬质铝材加工而成。

10.根据权利要求6所述的多磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述的磁铁则由钕铁硼金属间化合物组成，其主要成分是Nd₂Fe₁₄B。使用粉末冶金法成型并在特定方向上充磁至饱和。