CN103498128B - 磁控溅射镀膜装置及镀膜方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控溅射镀膜装置及镀膜方法，包括镀膜设备主体、机架平台、挡板、冷却设施及泵组，所述镀膜设备主体包含套筒，至少一个离子源和至少一个阴极被固定在套筒上，所述镀膜设备主体的套筒与位于其外部的待镀机构之间形成密闭腔室，并通过磁控溅射的方法将设定的靶材镀覆在外部的待镀机构的内壁上。本发明可根据不同需求，多批次、多方位进行镀膜，保证了磁控溅射镀膜的均匀性和厚度要求，解决了大型及结构复杂设备的镀膜需求问题，操作简单，效率高，膜层均匀性好。

Description

磁控溅射镀膜装置及镀膜方法

技术领域

本发明涉及一种镀膜装置及镀膜方法，具体涉及一种在真空条件下利用磁控溅射为待镀设备镀膜的装置及方法。

背景技术

磁控溅射(magnetron-sputtering)是70年代迅速发展起来的一种“高速低温溅射技术”。磁控溅射是在阴极靶的表面上方形成一个正交电磁场。当溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速为高能电子后，并不直接飞向阳极，而是在正交电磁场作用下作来回振荡的近似摆线的运动。高能电子不断与气体分子发生碰撞并向后者转移能量，使之电离而本身变成低能电子。这些低能电子最终沿磁力线漂移到阴极附近的辅助阳极而被吸收，避免高能电子对极板的强烈轰击，消除了二极溅射中极板被轰击加热和被电子辐照引起损伤的根源，体现磁控溅射中极板“低温”的特点。由于外加磁场的存在，电子的复杂运动增加了电离率，实现了高速溅射。磁控溅射的技术特点是要在阴极靶面附件产生与电场方向垂直的磁场，一般采用永久磁铁实现。

该技术广泛应用于材料表面装饰、材料表面改型，光学器件制造等领域，其特点是成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好，可实现大面积镀膜。

中国专利申请CN102212779A公开了一种磁控溅射镀膜装置，包括一真空室，真空室的侧壁上设有至少一个磁控溅射阴极，真空室内设有圆形的基片转架，基片转架上竖直放置有至少一个的基片，基片的外侧的基片转架上套设有圆柱状的遮蔽罩；遮蔽罩上开设有与所述磁控溅射阴极对应的纵向开口。本发明使需要被涂层的基片始终处在磁控溅射阴极的均匀镀膜有效区域内，提高了平面矩形磁控溅射镀膜的纵向均匀性，解决来基片上薄膜厚度不均匀的问题，且结构简单，生产成本低，生产效率高，镀膜均匀性效果好。但该镀膜装置真空室空间有限，不能处理大型及结构复杂的设备，且无法实现多批次、多方位的镀膜。

因此急需一种磁控溅射镀膜装置及镀膜方法，满足大型及结构复杂设备的内壁镀膜要求，本发明的发明人经过精密的涉及和试验，从而完成了本发明。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种磁控溅射镀膜装置，在工作状态时，镀膜设备主体位于被镀膜设备的内部，用来满足大型及结构复杂设备的镀膜需求，且能够多批次、多方位进行镀膜，保证镀膜的均匀性和厚度要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种磁控溅射镀膜装置，包括镀膜设备主体1、机架平台7、冷却设施5及泵组8，其特征在于：所述镀膜设备主体1包含套筒2，至少一个离子源10和至少一个阴极靶材3，所述套筒2表面设有至少两个开口9，所述离子源10和阴极靶材3被固定在所述套筒2相对应的开口9位置，所述镀膜设备主体的套筒2与位于其外部的待镀机构之间形成密闭腔室。

在一个优选的实施方案中，还包括转动装置6，所述转动装置6与所述设备主体1连接，并能带动所述套筒2相对于待镀机构上下左右转动。

其中，所述待镀机构与所述设备主体的套筒2的形状相匹配。

在一个优选的实施方案中，还包括挡板4，所述挡板4固定于所述套筒2的外圈，所述挡板4在与阴极靶材3所处位置设有对应的开口，其尺寸与阴极靶材3尺寸相同。

其中，所述挡板4与所述套筒2之间的距离为10-70cm。

其中，所述套筒2的内壁安装有冷却设施5。

其中，所述的泵组8包含抽气系统，泵组8位于机架平台下方，可将所述镀膜设备主体的套筒2与位于其外部的待镀机构之间形成的密闭腔室抽真空。

其中，所述套筒2上设有一列离子源10和一列阴极靶材3，所述一列中设有多个离子源10和阴极靶材3。优选地，所述套筒2上设有一列离子源10和两列阴极靶材3，所述两列阴极靶材3分别为过渡层靶材和镀膜靶材。优选地，所述套筒2上的一列离子源10和两列阴极靶材3按120度对称分布。

利用前述磁控溅射镀膜装置镀膜的方法，包括a）开启泵组8的抽气系统，将所述镀膜设备主体的套筒2与位于其外部的待镀机构之间形成的密闭腔室抽真空；b）在所述密闭腔室内充入氩气，并开启离子源离子化，刻蚀待镀机构内壁表面；c）根据预设的阴极靶材采用磁控溅射在待镀机构表面镀膜形成镀层。

在一个优选的实施方案中，在步骤c之前还包括根据预设的过渡层靶材采用磁控溅射在待镀机构表面镀上过渡层的步骤。

其中，所述的镀膜靶材材质为金、银、铬、钽、铜、钯或其合金中的一种或几种。

其中，所述的过渡层材料为镍、钛、铬金属及其合金中的一种或几种。

其中，所述的镀膜厚度为0.1-10微米。

其中，所述的镀膜厚度为800纳米-5微米。

在一个优选的实施方案中，所述镀层或过渡层的镀膜方法包括以下步骤：a）先采用小电流模式在所述待镀机构的内壁表面沉积一层10nm~500nm的较薄目标膜层；b）再采用大电流模式快速沉积目标膜层至目标厚度。

其中，所述步骤a）中小电流为0.1~3A，步骤b）中大电流为5~20A。

在一个更为优选的实施方案中，在步骤b）之前还包括步骤c）对待镀机构的基底施加较高的负偏压，同时利用离子束对薄膜层进行轰击至少1次；以及步骤d）重复步骤a）和步骤c）至薄膜层达到合适的厚度。

其中，所述步骤a）和/或步骤b）的镀膜过程均可施加500~5000V的高偏压；优选地，所述施加高偏压的占空比为30%~80%。

本发明技术方案所提供的磁控溅射镀膜装置，在工作状态下，需要被镀膜设备始终位于镀膜设备主体的外部，且位于均匀镀膜有效区域内，与机架平台固定连接，再由泵组中的抽气系统将被镀膜设备内部抽真空。然后，可旋转或可移动的套筒根据镀膜需求，进行多批次、多方位镀膜，保证镀膜的均匀性。

该技术方案解决了大型及结构复杂设备的镀膜需求问题，操作简单，效率高，膜层均匀性好，厚度符合要求。

附图说明

图1是本实用新型所涉及的CVD反应器内壁镀膜装置示意图。

图2是本实用新型所涉及的CVD反应器内壁镀膜装置工作状态示意图。

图3是本实用新型所涉及的CVD反应器内壁镀膜装置一种具体实施方式示意图。

图4是图3所涉及的CVD反应器内壁镀膜装置一种具体实施方式的俯视图。

图5是本实用新型所涉及的CVD反应器内壁镀膜装置另一种具体实施方式示意图。

具体实施方式

以下通过具体的实施例并结合附图对本实用新型中CVD反应器内壁镀膜装置进行详细说明，但这些实施例仅仅是示例的目的，并不旨在对本实用新型的范围进行任何限定。

如图1所示，本实用新型所述的CVD反应器内壁镀膜装置，包括镀膜设备主体1、机架平台7、挡板4、冷却设施5及泵组8，其中，所述镀膜设备主体1包含套筒2，离子源10和阴极靶材3被固定在套筒2上，机架平台7含有多圈连接处，镀膜设备主体1与机架平台7的最内圈连接处相连接。位于套筒2外部的待镀机构与机架平台7的最外圈连接处相连接，所述镀膜设备主体的套筒2与位于其外部的待镀机构之间形成密闭腔室，以便能抽真空，提供磁控溅射所需的真空环境，使用状态时的装置示意图如图2所示，所述套筒2的形状与待镀机构的形状相匹配，例如为大小不同的两个钟罩型，通常为预留合适的靶基距，套筒2的大小可根据实际磁控溅射靶基距的要求决定套筒距离待镀机构的距离，从而选择合适的套筒大小。其中，离子源和阴极靶材的数量至少为一个，可根据待镀机构的大小合理选择，例如各为3个或更多，例如同为10个，10个离子源或阴极靶材呈竖直方向排列，可为竖直直线排列（如图3所示），也可不用排列在一条竖直直线上，只要分布较为规整即可，如图5所示，例如交错排列成两条竖直直线。值得注意的是，离子源的数量与阴极靶材的数量相对应较佳，且离子源的位置要与靶材的位置相对应，即呈对称的工整排列。

套筒2上设有开口9，离子源10与阴极靶材3分别被固定在开口9上。可以理解的是，开口9的开口尺寸应与所述离子源10和阴极靶材3尺寸相配合。待镀机构11为带有椭圆或椭球封头的圆柱形机件，套筒2的形状与其相匹配，且套筒2通过转轴与转动装置6连接，转动装置6能够带动套筒2整体相对于待镀机构转动。套筒2与机架平台7利用法兰相连接。套筒2的表面外围设有挡板4，挡板4可紧贴在套筒2的表面上，也可距离一定得距离，所述挡板4与所述套筒2之间的距离不高于所述离子源10和/或阴极靶材3高出所述套筒2表面的距离，当然，若控制磁场的偏转方向，使得溅射的粒子集中在靶材的正上方射出的状态下，挡板略微高出所述离子源10和/或阴极靶材3高出所述套筒2表面的距离也是可行的，本领域所述技术人员知悉的事，这适用等同的情形。所述挡板4在与所述离子源10和阴极靶材3所处位置设有对应的开口，其开口尺寸与所述离子源10和阴极靶材3尺寸相配合，即套筒2表面除了露出的离子源10和阴极靶材3，其余部位均被挡板4所遮蔽，避免磁控溅射沉积到套筒表面，也便于拆卸挡板4对镀层金属加以回收利用，其中，所述挡板4的材质为不锈钢，但不限于此。

一个优选的情况是，套筒上设有一列离子源、一列过渡层阴极靶材，一列镀层阴极靶材，且离子源、过渡层阴极靶材和目标镀膜靶材三列按圆周向120度夹角对称分布（如图3、4所示）。如此可在不吊起待镀机构的情况下，通过控制阴极靶材的电位情况来控制不同靶材工作与否，从而多批次地完成过渡层镀膜和目标靶材镀膜，一次性完成过渡层和镀层的镀膜操作。更优选的是，套筒上设有一列离子源、一列过渡层阴极靶材，一列镀层阴极靶材和一列保护层阴极靶材，且离子源、过渡层阴极靶材、目标镀膜靶材和保护层靶材四列按圆周向90度夹角对称分布。如此可在不吊起待镀机构的情况下，通过控制阴极靶材的电位情况来控制不同靶材工作与否，从而多批次地完成过渡层镀膜、目标靶材镀膜和保护层镀膜的操作步骤，一次性完成过渡层、镀层和保护层的镀膜操作。

工作状态下，冷却设施5经套筒2下方进入，对固定在套筒2上的离子源10和/或阴极靶材3进行冷却，避免离子源10或阴极靶材3温度过高。冷媒可以是冷却水，但不限于此，通过将冷却水引入离子源10和/或阴极靶材3的夹套冷却腔室，对其进行冷却。为保证较高的抽气效率，泵组8被设置于机架平台7下方，抽气系统负责将待镀机构的内部抽真空。而待镀固定在机架平台7的最外圈连接处，利用法兰相连接，镀膜设备主体1位于其的内部。

本实施例中的磁控溅射镀膜装置在套筒外圈设置挡板的目的在于，在工作状态下，由于原子散射的原因，会导致部分原子在镀膜设备主体的外壁形成薄膜，引起不必要的材料浪费。该挡板可以是整体的套筒形状，也可以是可以拆开的套筒形状，即由多块小挡板构成的套筒形状的挡板机构。通过在挡板上设置开口，从而在其上形成开口朝向靶材的空腔，使得靶材原子可以顺利通过该空腔进入到被镀膜设备内壁，以形成金属薄膜。

利用前述磁控溅射镀膜装置镀膜的方法，包括a）开启泵组8的抽气系统，将所述镀膜设备主体的套筒2与位于其外部的待镀机构之间形成的密闭腔室抽真空；b）在所述密闭腔室内充入氩气，并开启离子源进行离子化，刻蚀待镀机构内壁表面；c）根据预设的阴极靶材采用磁控溅射在待镀机构表面镀膜形成镀层的步骤。如此通过过渡层的作用，增加镀覆的涂层与待镀机构基底材料的结合力和稳定性，保证不会因为热膨胀系数的不同而脱落等。

为使得镀层与待镀机构的基底接触更好，通常采用以下的镀膜工艺：a）先采用0.1~3A小电流模式在所述待镀机构的内壁表面沉积一层10nm~500nm的较薄目标膜层；b）再采用5~20A大电流模式快速沉积目标膜层至目标厚度。优选地，在所述步骤a）和/或步骤b）的镀膜过程均可施加500~5000V的高偏压；优选地，所述施加高偏压的占空比为30%~80%。所述施加高偏压的占空比是指施加高偏压的时间占总共沉积时间的比例。

进一步优选地，在步骤b）之前还包括步骤c）对待镀机构的基底施加较高的负偏压，同时利用离子束对薄膜层进行轰击至少1次；以及步骤d）重复步骤a）和步骤c）至薄膜层达到合适的厚度。所述较高的负偏压为500~5000V；所述达到合适的厚度没有任何限制，根据不同的溅射靶材可选择不同的厚度，比如重复步骤a）和步骤c）3次或4次或5次或6次或7次或8次或9次等等所达到的膜层厚度，又或者达到膜层目标厚度的十分之一或九分之一或八分之一或七分之一或六分之一或五分之一的厚度。

采用这种前期小电流模式所得薄膜层致密均匀，缺陷较少，成膜质量高，有助于提高结合力；后期增大电流可得到较高的沉积速率，利于厚膜层的制备；采用离子束轰击前期沉积的薄膜层，一方面可增强膜层与基底材料间的物理嵌合，另一方面可将结合力相对较弱的粒子去除，因此能够显著增强膜基结合力。

镀层金属要求为具有高的红外反射率材料或硬质材料（可保持抛光后的镜面），具体地，所述的镀层靶材材质为金、银、铬、钨、钒及其合金、氮化钛、氧化锆中的一种或几种，但并不限于此。镀层为氮化钛的磁控溅射制备采用钛为靶材，溅射过程中通入氮气生成氮化钛涂层；同理，氧化锆涂层制备过程中通入氧气反应溅射生成氧化锆涂层，其他制备单质涂层时均通入氩气作为保护气。过渡层材料可根据基底材料和镀层材料进行适当选择，选择与基底和镀层材料结合力较好的过渡层材料，例如银镀层的过渡层通常为钛、铬、镍。通常，所述的过渡层材料为钛、铬、镍、钨、铜、锌、铝及其合金中的一种或几种，但并不限于此。所述的保护层材料为DLC、二氧化硅、氧化钛中的一种或几种，但不限于此。采用本发明的镀膜装置及镀膜方法可形成一定厚度的均匀致密的镀层和/或过渡层，所述的镀层厚度为0.1-10μm，优选为800nm-5μm。所述的过渡层厚度为10nm-5μm，优选为200nm-3μm。所述的保护层厚度为10-800nm，优选为20-200nm。磁控溅射的工艺，例如电流、电压、靶基距、氩气流量等参数均可参考现有技术，这是本领域技术人员所熟知的，例如电流为电流1.5-8A，电压400-700V，靶基距5-15cm，氩气流量30-100sccm，离子刻蚀的电压800-1400V，开始磁控溅射工艺操作时的真空度10^-3~10^-4，优选地，磁控溅射涂层时真空度10^-1~4×10^-1。磁控溅射装置配套使用的电源柜和电脑控制系统可参考现有技术，只不过由于涂覆大尺寸反应器电流和电压较大，需要选用较大电流和电压的电源柜，电脑控制系统参考现有技术，这是本领域技术人员所熟知的，在此不加赘述。当然，说明书中所描述的溅射装置，其连接方式中部排除为工艺需要再管道中间增设压力控制阀、阀门、压力表等常规仪器仪表，这是本领域技术人员所常见的，在此不加赘述。

例如选择钛单质作为过渡层金属材料，选择银为镀膜材料，待停工后，所得钛过渡层厚度为200纳米，银镀层厚度为1μm，均匀性好。

尽管上文对本实用新型的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本实用新型的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种磁控溅射镀膜装置，包括镀膜设备主体（1）、机架平台（7）、冷却设施（5）及泵组（8），其特征在于：所述镀膜设备主体（1）包含套筒（2），至少一个离子源（10）和至少一个阴极靶材（3），所述套筒（2）表面设有至少两个开口（9），所述离子源（10）和阴极靶材（3）被固定在所述套筒（2）相对应的开口（9）位置，所述镀膜设备主体的套筒（2）与位于其外部的待镀机构之间形成密闭腔室。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于还包括转动装置（6），所述转动装置（6）与所述设备主体（1）连接，并能带动所述套筒（2）相对于待镀机构转动。

3.根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述待镀机构与所述设备主体的套筒（2）的形状相匹配。

4.根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于还包括挡板（4），所述挡板（4）固定于所述套筒（2）的外圈，所述挡板（4）在与所述离子源（10）和与阴极靶材（3）所处位置设有对应的开口，其开口尺寸与所述离子源（10）和阴极靶材（3）尺寸相配合。

5.根据权利要求4所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述挡板（4）与所述套筒（2）之间的距离不高于所述离子源（10）和/或阴极靶材（3）高出所述套筒（2）表面的距离。

6.根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述离子源（10）和阴极靶材（3）均设有冷却设施（5）。

7.根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述的泵组（8）包含抽气系统，泵组（8）位于机架平台下方，可将所述镀膜设备主体的套筒（2）与位于其外部的待镀机构之间形成的密闭腔室抽真空。

8.根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述套筒（2）上设有一列离子源（10）和一列阴极靶材（3），所述一列中设有多个离子源（10）和阴极靶材（3）。

9.根据权利要求8所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述套筒（2）上设有一列离子源（10）和两列阴极靶材（3），所述两列阴极靶材（3）分别为过渡层靶材和镀膜靶材。

10.根据权利要求9所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述套筒（2）上的一列离子源（10）和两列阴极靶材（3）按120度夹角对称分布。

11.根据权利要求1-10任一项磁控溅射镀膜装置镀膜的方法，包括a）开启泵组（8）的抽气系统，将所述镀膜设备主体的套筒（2）与位于其外部的待镀机构之间形成的密闭腔室抽真空；b）在所述密闭腔室内充入氩气，并开启离子源离子化，刻蚀待镀机构内壁表面；c）根据预设的阴极靶材采用磁控溅射在待镀机构表面镀膜形成镀层。

12.根据权利要求11所述的磁控溅射镀膜装置镀膜的方法，其特征在于，在步骤c）之前还包括根据预设的过渡层靶材采用磁控溅射在待镀机构表面镀上过渡层的步骤。

13.根据权利要求11或12所述的磁控溅射镀膜装置镀膜的方法，其特征在于，所述的镀膜靶材材质为金、银、铬、钽、铜、钯或其合金中的一种或几种。

14.根据权利要求12所述的磁控溅射镀膜装置镀膜的方法，其特征在于，所述的过渡层材料为镍、钛、铬金属及其合金中的一种或几种。

15.根据权利要求11所述的磁控溅射镀膜装置镀膜的方法，其特征在于，所述的镀膜厚度为0.1-10微米。

16.根据权利要求11所述的磁控溅射镀膜装置镀膜的方法，其特征在于，所述的镀膜厚度为500nm-5微米。

17.根据权利要求12所述的磁控溅射镀膜装置镀膜的方法，其特征在于，所述镀层或过渡层的镀膜方法包括以下步骤：a）先采用小电流模式在所述待镀机构的内壁表面沉积一层10nm~500nm的较薄目标膜层；b）再采用大电流模式快速沉积目标膜层至目标厚度。

18.根据权利要求17所述的磁控溅射镀膜装置镀膜的方法，其特征在于，在步骤b）之前还包括步骤c）对待镀机构的基底施加较高的负偏压，同时利用离子束对薄膜层进行轰击至少1次；以及步骤d）重复步骤a）和步骤c）至薄膜层达到合适的厚度。

19.根据权利要求17所述的磁控溅射镀膜装置镀膜的方法，其特征在于，所述步骤a）和/或步骤b）的镀膜过程均可施加500~5000V的高偏压。

20.根据权利要求17所述的磁控溅射镀膜装置镀膜的方法，其特征在于，所述步骤a）中小电流为0.1~3A，步骤b）中大电流为5~20A。

21.根据权利要求19所述的磁控溅射镀膜装置镀膜的方法，其特征在于，所述施加高偏压的占空比为30%~80%。