CN102653857A

CN102653857A - 闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备

Info

Publication number: CN102653857A
Application number: CN2012101422800A
Authority: CN
Inventors: 金广福
Original assignee: Ulvac Vacuum Furnace Shenyang Co Ltd
Current assignee: Ulvac Vacuum Furnace Shenyang Co Ltd
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2012-09-05

Abstract

一种闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备，主要应用于高离化率的反应磁控溅射镀膜领域。本发明包括镀膜室、镀膜室门、工件转架、圆柱磁控靶、充气系统、靶挡板及真空抽气口，镀膜室门通过铰链固定在镀膜室上，在镀膜室的外壁上设有真空抽气口，在镀膜室的下盖上设有工件转架，在镀膜室的上盖上设有圆柱磁控靶和充气系统，工件转架与偏压电源相连接；其特点是圆柱磁控靶的设置数量为大于或等于4的偶数个，圆柱磁控靶磁铁的磁极面向被镀工件设置，并使各圆柱磁控靶之间形成闭合的磁回路；奇数圆柱磁控靶的磁极是N-S-N，偶数圆柱磁控靶的磁极是S-N-S，或者奇数圆柱磁控靶的磁极是S-N-S，偶数圆柱磁控靶的磁极是N-S-N。

Description

闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备

技术领域

本发明涉及一种闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备，主要应用于高离化率的反应磁控溅射镀膜领域。

背景技术

磁控溅射作为一种低温、高速的镀膜方式被广泛应用于电子、机电、仪表、航天等各个领域。磁控溅射所镀薄膜的性能分为二大类：一种是功能性薄膜，另一种是装饰性薄膜；其中最重要的是功能性薄膜，功能性薄膜对成膜过程中的离化率指标要求很高，现有的磁控溅射镀膜方式的离化率不能满足某些功能性薄膜的要求，这样就限制了磁控溅射的应用范围。

磁控溅射的基本原理是在一定的真空下（10^-2pa），向镀膜室内充入工作气体到特定的真空度（10^-1pa），然后给磁控靶施加几百伏的负电压；由于磁控靶本身有磁场，在磁控靶与镀膜室之间形成了一个正交的电磁场，镀膜室中的游离电子在正交电磁场的作用下向正极(镀膜室)加速行进，在行进过程中与工作气体碰撞，把工作气体电离，产生正离子和电子，正离子在电场的作用下与靶材撞击，靶材原子被撞击出来，沉积在工件上，电子继续电离工作气体。这个过程称为溅射，磁控靶本身的磁场控制电子沿着磁力线螺旋形运动，来增加电子的行进路程，从而提高电子与工作气体的碰撞次数；电子行进路程越长、电子的数量越多，磁控靶的离化率就越高；这种靶表面带有正交电磁场的溅射叫做磁控溅射，这种靶叫磁控靶。

磁控靶是磁控溅射镀膜设备的核心，磁控靶的磁场布置和磁路设计是各个镀膜企业的核心技术。目前，现有的磁控溅射镀膜设备的磁控靶及磁路设计如图1所示，从图1中可以看出：磁控靶的磁路设计相同，每个磁控靶参与溅射的电子在能量耗尽后就直接落到阳极镀膜室上面；电子的利用率低，离化率自然也低。

现有提高磁控溅射镀膜设备的离化率的方法有：

1、在设备中增加灯丝组件，由灯丝组件为磁控靶提供更多的电子，由于有更多的电子参与到磁控靶的溅射当中，从而提高了磁控靶的离化率；但由于灯丝组件发射电子的能力有限，所以该种方法对离化率的提高帮助非常有限；

2、在设备中增加离子源，由离子源电离工作气体，直接为磁控靶提供大量的正离子，该种方法极大的提高了磁控靶的离化率；但是由于需要单独配备离子源和与之配套的电源，而离子源和配套的电源价格很高，整套设备操作复杂。

发明内容

针对现有的磁控溅射镀膜设备离化率偏低的问题，本发明提供一种离化率高的闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备，包括镀膜室、镀膜室门、工件转架、圆柱磁控靶、充气系统、靶挡板及真空抽气口，所述镀膜室门通过铰链固定在镀膜室上，在所述镀膜室的外壁上设有真空抽气口，在镀膜室的下盖上设有工件转架，在镀膜室的上盖上设有圆柱磁控靶和充气系统，所述工件转架与偏压电源相连接；其特点是，所述圆柱磁控靶的设置数量为大于或等于4的偶数个，圆柱磁控靶磁铁的磁极面向被镀工件设置，并使各圆柱磁控靶之间形成闭合的磁回路；其中，奇数圆柱磁控靶磁铁的磁极是N-S-N，偶数圆柱磁控靶磁铁的磁极是S-N-S，或者奇数圆柱磁控靶磁铁的磁极是S-N-S，偶数圆柱磁控靶磁铁的磁极是N-S-N。

所述奇数圆柱磁控靶S极磁铁的磁场强度在6000～8000高斯范围内，N极磁铁的磁场强度在4000～6000高斯范围内。

所述奇数圆柱磁控靶S极磁铁的磁场强度为6500高斯或7500高斯，N极磁铁的磁场强度为4500高斯或5500高斯。

所述偶数圆柱磁控靶N极磁铁的磁场强度在6000～8000高斯范围内，S极磁铁的磁场强度在4000～6000高斯范围内。

所述偶数圆柱磁控靶N极磁铁的磁场强度为6500高斯或7500高斯，S极磁铁的磁场强度为4500高斯或5500高斯。

为了阻挡靶材溅射出来的靶材原子，在所述镀膜室的上盖上设有靶挡板。

如图2和图3所示，对于单个圆柱磁控靶而言，磁力线从N极出发回到S极，形成一个封闭的磁场；对于相邻的圆柱磁控靶而言，1号靶、3号靶的左右磁铁是N极面向靶材，2号靶、4号靶的左右磁铁是S极面向靶材，由于每个圆柱磁控靶采用的是非平衡磁场，其多余的磁力线就从1号靶、3号靶的N极出发回到2号靶和4号靶的S极，这样就在1到4号靶之间，由磁力线形成了一个封闭的圆环即闭合磁场；对于单个圆柱磁控靶而言，采用非平衡磁场，所以这种溅射方式是闭合磁场非平衡磁控溅射。

本发明的有益效果：

1、本发明的单个圆柱磁控靶的磁场采用非平衡磁场设计

对于所述奇数圆柱磁控靶S极磁铁的磁场强度在6000～8000高斯范围内，N极磁铁的磁场强度在4000～6000高斯范围内，如无特殊要求，S极磁铁的磁场强度为6500高斯或7500高斯，N极磁铁的磁场强度为4500高斯或5500高斯；对于偶数圆柱磁控靶N极磁铁的磁场强度在6000～8000高斯范围内，S极磁铁的磁场强度在4000～6000高斯范围内，如无特殊要求，N极磁铁的磁场强度为6500高斯或7500高斯，S极磁铁的磁场强度为4500高斯或5500高斯；对于单个圆柱磁控靶而言，磁力线从N极出发回到S极，自己形成一个封闭的磁场，由于N、S极的磁场强度不同，每个圆柱磁控靶本身的磁场是不平衡的，即奇数圆柱磁控靶S极磁场有剩余，偶数圆柱磁控靶N极磁场有剩余；

2、本发明的整个设备的圆柱磁控靶之间由磁力线形成闭合的磁回路

由于单个的圆柱磁控靶本身磁场是不平衡的，对于相邻的圆柱磁控靶而言，1号靶、3号靶剩余的磁力线就从1号靶、3号靶的N极出发回到2号靶和4号靶的S极，这样在1到4号靶之间，由磁力线形成了一个封闭的圆环。1号靶到4号靶之间的磁场相互连接，形成一个闭合磁场，这样在磁控溅射过程中，电子就在这个闭合磁场的控制下，沿着磁力线螺旋运动，在一个圆柱磁控靶参与溅射后，在电场的作用下又来到相邻的圆柱磁控靶参与溅射，直到电子的能量完全耗尽后，落到阳极（镀膜室）上，电子的行进路程提高了2～3倍，这样就最大限度的电离工作气体，从而提高了磁控溅射的离化率；由于离化率的提高，使在成膜过程中有更多的离子轰击膜层，使膜层的附着力、膜层质量有大幅度的提高；这就是闭合磁场非平衡磁控溅射；

3、本发明的圆柱磁控靶的布置方式灵活多样

图2、3所示只是本发明的一种应用形式，只要圆柱磁控靶的数量是大于或等于4的偶数，即4个、6个、8个、10个等都可以应用本发明；

4、被镀工件的温升低

由于电子是耗尽能量后才脱离溅射区域，电子与被镀工件撞击时的能量与普通的磁控溅射相比要低很多，被镀工件的温升只有几十度，这对一些对温度敏感的被镀工件是至关重要的。

附图说明

图1是现有的磁控溅射镀膜设备的结构示意图；

图2是本发明采用圆周镀膜方式的结构示意图；

图3是本发明采用直线镀膜方式的结构示意图；

图4是本发明的一个实施例的结构示意图；

图中：1-被镀工件，2-靶材，3-磁铁，4-磁力线，5-电子，6-镀膜室，7镀膜室门，8-工件转架，9-圆柱磁控靶，10-充气系统，11-靶挡板，12-真空抽气口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的解释说明：

如图4所示，一种闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备，包括镀膜室6、镀膜室门7、工件转架8、圆柱磁控靶9、充气系统10、靶挡板11及真空抽气口12，所述镀膜室门7通过铰链固定在镀膜室6上，在所述镀膜室6的外壁上设有真空抽气口12，在镀膜室6的下盖上设有工件转架8，在镀膜室6的上盖上设有圆柱磁控靶9和充气系统10，所述工件转架8与偏压电源相连接，偏压电源、工件转架8和圆柱磁控靶9构成了离子清洗轰击系统；所述圆柱磁控靶9的设置数量为大于或等于4的偶数个，圆柱磁控靶9磁铁的磁极面向被镀工件1设置，并使各圆柱磁控靶9之间形成闭合的磁回路；其中，奇数圆柱磁控靶9磁铁的磁极是N-S-N，偶数圆柱磁控靶9磁铁的磁极是S-N-S，或者奇数圆柱磁控靶9磁铁的磁极是S-N-S，偶数圆柱磁控靶9磁铁的磁极是N-S-N。为了阻挡靶材2溅射出来的靶材原子，在所述镀膜室6的上盖上设有靶挡板11。

所述奇数圆柱磁控靶S极磁铁的磁场强度为6500高斯或7500高斯，N极磁铁的磁场强度为4500高斯或5500高斯；所述偶数圆柱磁控靶N极磁铁的磁场强度为6500高斯或7500高斯，S极磁铁的磁场强度为4500高斯或5500高斯。

所述充气系统10为现有技术，其包括质量流量计、质量流量计控制器、截止阀及管路等。

所述靶材2设置在圆柱磁控靶9磁铁的四周。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

首先，拉开镀膜室门7，将不锈钢管或不锈钢板安装在工件转架8上，关闭镀膜室门7，然后通过真空抽气口12对镀膜室6抽真空；达到规定的真空度后，工件转架8开始旋转，同时通过充气系统10向镀膜室6内充工作气体；达到规定的真空度后，开启偏压电源，在圆柱磁控靶9和工件转架8之间施加1-1000伏的电压。由于工作气体被电离而产生辉光放电，在圆柱磁控靶9和工件转架8之间形成等离子区，产生具有较低动能的正离子，正离子在电场的作用下轰击被镀工件1，对被镀工件1进行离子轰击清洗；清洗结束后，通过充气系统10向镀膜室6内通反应气体；达到规定真空度后，在圆柱磁控靶9和工件转架8之间施加几百伏的负电压，圆柱磁控靶9处于负电位，在圆柱磁控靶9和工件转架8之间形成等离子体区，等离子体区的正离子轰击圆柱磁控靶9，将所需要的靶材2原子溅射出来，靶材2原子与被电离的反应气体发生反应，然后沉积在被镀工件1上。本实施例共有六套圆柱磁控靶9，根据太阳能吸收膜层的需要，分别开启不同圆柱磁控靶9，在被镀工件1上沉积不同材质的膜层，这些不同材质的膜层共同组成所需要的太阳能吸收膜层。待最后一层膜层沉积完毕后，向镀膜室6中充大气，开启镀膜室门7，将被镀工件1从工件转架8上取下来，开始下一个工作循环。

目前国内普遍应用的是玻璃管太阳能热水器，最高耐温200℃，而使用太阳能发电，要求水温至少达到400℃，这就要求在不锈钢板或不锈钢管上镀太阳能吸收层。现有的太阳能吸收层在400℃下无法长期工作，解决的办法是在现有膜层的最外层镀高纯度的二氧化硅。但是现有的磁控溅射镀膜设备的离化率不够，需要增加离化源，这样就大幅度的增加了设备的投资和操作复杂性。应用本发明后，在不增加设备投资的情况下，成功的在不锈钢上镀出了耐高温的太阳能吸收层。样品在500℃加热炉内加热4小时后，膜层没有任何变化，达到了实际应用的要求。

Claims

1.一种闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备，包括镀膜室、镀膜室门、工件转架、圆柱磁控靶、充气系统、靶挡板及真空抽气口，所述镀膜室门通过铰链固定在镀膜室上，在所述镀膜室的外壁上设有真空抽气口，在镀膜室的下盖上设有工件转架，在镀膜室的上盖上设有圆柱磁控靶和充气系统，所述工件转架与偏压电源相连接；其特征在于所述圆柱磁控靶的设置数量为大于或等于4的偶数个，圆柱磁控靶磁铁的磁极面向被镀工件设置，并使各圆柱磁控靶之间形成闭合的磁回路；其中，奇数圆柱磁控靶磁铁的磁极是N-S-N，偶数圆柱磁控靶磁铁的磁极是S-N-S，或者奇数圆柱磁控靶磁铁的磁极是S-N-S，偶数圆柱磁控靶磁铁的磁极是N-S-N。

2.根据权利要求1所述的一种闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备，其特征在于所述奇数圆柱磁控靶S极磁铁的磁场强度在6000～8000高斯范围内，N极磁铁的磁场强度在4000～6000高斯范围内。

3.根据权利要求2所述的一种闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备，其特征在于所述奇数圆柱磁控靶S极磁铁的磁场强度为6500高斯或7500高斯，N极磁铁的磁场强度为4500高斯或5500高斯。

4.根据权利要求1所述的一种闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备，其特征在于所述偶数圆柱磁控靶N极磁铁的磁场强度在6000～8000高斯范围内，S极磁铁的磁场强度在4000～6000高斯范围内。

5.根据权利要求4所述的一种闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备，其特征在于所述偶数圆柱磁控靶N极磁铁的磁场强度为6500高斯或7500高斯，S极磁铁的磁场强度为4500高斯或5500高斯。

6.根据权利要求1所述的一种闭合磁场非平衡磁控溅射镀膜设备，其特征在于在所述镀膜室的上盖上设有靶挡板。