CN105671509B - 一种球面靶阴极机构及溅射镀膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球面靶阴极机构及溅射镀膜装置，本发明的球面靶阴极机构主要是用来对半球面形状的基材进行溅射镀膜，因此，整个球面靶阴极机构的设计都是基于半球面形状的基材而设定的。具体来说，球面靶阴极机构包括水冷座，靶材，磁钢部件。水冷座的安装台外表面为半球形状表面，所述安装台的半球形状表面上对应安装有所述靶材，使得所述靶材形成球面靶；另外，在所述安装台的内部设置有密封体来密封磁钢部件，并且将磁钢部件排列在所述密封体的半球形状内表面上，用来对半球面形状的基材进行溅射镀膜。

Description

一种球面靶阴极机构及溅射镀膜装置

技术领域

本申请涉及磁控溅射镀膜领域，尤其涉及一种球面靶阴极机构及溅射镀膜装置。

背景技术

磁控溅射是物理气相沉积的一种，可用于制备金属、半导体、绝缘体等多种材料。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度，进而实现较高的溅射率。

磁控溅射设备中，常见的阴极主要有旋转阴极、平面阴极及扫描阴极。

这三种阴极的镀膜原理均是利用气体辉光放电产生正离子，这些正离子在电场的加速下撞击作为阴极的靶材，使其中的原子(分子)脱离阴极而在阳极(基片)沉积，实现薄膜的沉积，完成镀膜工序。

在常见的三种阴极结构中，平面阴极及扫描阴极对靶材刻蚀的区域面积小，因此，存在靶材利用率低的问题。从而，相应的增加了靶材的使用数量及靶材的更换次数，增大了磁控溅射镀膜的成本。另外，平面阴极的溅射会在靶材非溅射区形成很厚的电介质聚集，从而很容易产生电介质的击穿或电弧，从而影响镀膜质量。而旋转阴极问世，虽然极大地促进了镀膜工艺的发展，但是旋转阴极镀膜装置相对平面阴极装置更加复杂，靶材制作成本更高。

以上三种溅射阴极针对的都是平面基材，若对半球面形状的基材镀膜，则会造成镀膜厚度不均，镀膜质量差的问题出现。

因此，目前还未有针对半球面形状的基材镀膜的装置出现。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种球面靶阴极机构，用于对半球面形状的基材进行溅射镀膜，包括：水冷座、密封体、靶材、磁钢部件；

所述水冷座包括支撑台和安装台；所述支撑台固定在溅镀室内部；所述安装台外表面为半球形状表面；所述安装台上开设有凹槽；所述支撑台盖设于所述凹槽上，并固定在所述安装台上，以在所述安装台和所述支撑台之间形成一容置空间；

所述靶材对应安装在所述安装台的半球形状表面上，使得所述靶材形成球面靶；

所述密封体设置于所述容置空间内，且固定在所述支撑台上；所述密封体也为半球形状，且和所述安装台的外表面同球心，以将所述容置空间分隔为第一容置空间和第二容置空间；其中，所述第一容置空间位于所述密封体和所述支撑台之间；所述第二容置空间位于所述密封体和所述安装台之间，以供通入冷却液冷却所述靶材；

所述磁钢部件设置于所述第一容置空间内，且所述磁钢部件排列在所述密封体的内表面上。

优选的，所述球面靶和所述半球面形状的基材同球心。

优选的，所述磁钢部件排列在所述密封体的内表面上时，所述磁钢部件排列在所述密封体的内表面上时，所述磁钢排列形成的结构包括N个环形结构，N≥2且为整数，N个环形结构对应的圆心都在第一轴线上。

优选的，所述密封体的球面顶点和球心组成第二轴线；所述第一轴线和所述第二轴线重合。

优选的，所述安装台的半球形状表面上对应安装有一个半球形状靶材，所述半球形状靶材和所述安装台的半球形状表面同球心。

优选的，所述安装台的外表面为半球形状多面体结构，每个面上安装一个子靶材，使得所有的子靶材共同构成所述球面靶。

优选的，所述球面靶的直径范围0.1m～3m。

优选的，所述第二容置空间和和冷却通道连接。

优选的，在所述N个环形结构中，第一环形结构中的所有磁钢部件的磁极和第二环形结构中的所有的磁钢部件的磁极相反，其中，第一环形结构和第二环形结构为相邻的环形结构。

在本发明的另一个技术方案中，公开了一种溅射镀膜装置，包括：溅镀室；在所述溅镀室中，设置有上述技术方案中所述的球面靶阴极机构。

通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：

在本发明的技术方案中，公开了一种球面靶阴极机构及溅射镀膜装置，本发明的球面靶阴极机构主要是用来对半球面形状的基材进行溅射镀膜，因此，整个球面靶阴极机构的设计都是基于半球面形状的基材而设定的。具体来说，球面靶阴极机构包括水冷座，靶材，磁钢部件。水冷座的安装台外表面为半球形状表面，所述安装台的半球形状表面上对应安装有所述靶材，使得所述靶材形成球面靶；另外，在所述安装台的内部设置有密封体来密封磁钢部件，并且将磁钢部件排列在所述密封体的半球形状内表面上，用来对半球面形状的基材进行溅射镀膜。

进一步的，磁钢部件排列在所述密封体的半球形状内表面上，所述磁钢排列形成的结构包括N个环形结构，N≥2且为整数，N个环形结构对应的圆心都在第一轴线上，而所述密封体的球面顶点和球心组成第二轴线，所述第一轴线和所述第二轴线重合，能够保证半球面形状的基材的镀膜的均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例中一种球面靶阴极机构的结构示意图；

图2A-图2B为本发明实施例水冷座的结构示意图；

图3A-图3B为本发明实施例磁钢部件在密封体内表面的排列示意图；

图4为本发明实施例磁钢部件和密封体的位置关系图。

附图标记说明：水冷座1、支撑台2、安装台3、靶材4、磁钢部件5、密封体6、第一容置空间8、第二容置空间7、半球面形状的基材9。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

本发明公开了一种球面靶阴极机构，主要针对半球面形状的基材9进行溅射镀膜。本发明涉及的半球面形状的基材9是内部中空的半球面形状的基材9。

本发明的球面靶阴极机构的整体形状和半球面形状的基材9的形状类似，在对半球面形状的基材9镀膜时，利用球面靶阴极机构对半球面形状的基材9的内表面进行沉积镀膜。

下面具体介绍球面靶阴极机构的具体结构。

在本发明实施中，参看图1，球面靶阴极机构包括：水冷座1，靶材4，磁钢部件5。

参看图2A-图2B，是水冷座1的结构示意图。

水冷座1主要包括支撑台2和安装台3。所述安装台3设置在所述支撑台2上。

所述支撑台2主要起固定作用，固定在溅镀室的内部。具体来说，支撑台2可通过螺钉、法兰等连接件固定在溅镀室的内部。

安装台3主要用来安装靶材4。靶材4在安装台3上可拆卸。参看图2A，为了和半球面形状的基材9的形状相对应，安装台3的外表面也设计成半球形状表面。而靶材4对应安装在所述安装台3的半球形状表面上，使得所述靶材4形成球面靶。球面靶的直径范围0.1m～3m。球面靶和半球面形状的基材9的形状类似，更佳的，球面靶和半球面形状的基材9同球心。因此在镀膜时，可轰击整个球面靶的靶面产生靶材原子对半球面形状的基材9进行镀膜，进而能够保证基材镀膜的均匀性，镀膜质量高。当然，基材的半球形状可以为规则的半圆球状也可以是半椭圆球状，在实际情况中，安装台3上的球面靶的形状需要和基材的形状对应，这是为了保证基材表面薄膜的均匀沉积，保证基材镀膜的均匀性。

具体来说，参看图2A，在安装台3的半球形状表面上可对应安装一个半球形状靶材，所述半球形状靶材和安装台3的半球形状的外表面同球心。该半球形状靶材即构成球面靶。当然，所述安装台3的外表面还可以是半球形状多面体结构，参看图2B。在这种结构形式中，在安装台3的半球形状多面体结构中，每个面上可安装一个子靶材，使得所有的子靶材共同构成对应的半球形状多面体结构，也就是共同形成球面靶。

在安装台3开设有凹槽。该凹槽可以是半球形的凹槽，也可以是其他形状的凹槽，凹槽的形状本发明不做限制。支撑台2盖设于所述凹槽上，并固定在所述安装台3上，使得所述安装台3的凹槽和所述支撑台2共同形成一容置空间。

所述密封体6设置于所述容置空间内，且固定在所述支撑台2上；密封体6的主要用来对磁钢部件5进行密封保护。因为在容置空间内需要通入冷却液冷却靶材4，而磁钢部件5又不能够被浸湿。因此，在磁钢部件5的外围设置有密封体6，当冷却液经过时，不会因泄漏而造成磁钢部件5长期被浸泡而产生溅射磁场磁力逐渐衰退的现象。而关于密封体6的材料本发明不做限制。磁钢部件5可采用钐钴永久磁铁，当然并不以此为限。

所述密封体6也为半球形状，且密封体6的半球形状形状和所述安装台3的外表面的半球形状形状同球心。所述密封体6将所述容置空间分隔为第一容置空间8和第二容置空间7。

所述第一容置空间8位于所述密封体6和所述支撑台2之间，用于安装所述磁钢部件5。

所述第二容置空间7位于所述密封体6和所述安装台3之间，用于通入冷却液冷却所述靶材4。冷却液具体可以是液体水，当然也可以是其他可用作冷却液的物质。第二容置空间7和冷却通道相接，而外部冷却装置可以通过冷却通道为第二容置空间7提供冷却液。

所述磁钢部件5设置于所述第一容置空间8内，且所述磁钢部件5排列在所述密封体6的半球形状内表面上。

由于本发明的主要目的是对半球面形状的基材进行镀膜，而为了镀膜的均匀性，磁钢部件5的排列方式也有规定。

作为一种可选的实施方式，磁钢部件排列在所述密封体的内表面上时，排列形成的结构包括N个环形结构排列，其中N≥2且为整数，N个环形结构对应的圆心都在同一条轴线上，在此将其命名为第一轴线L1。参看图3A-图3B，是磁钢部件5在所述密封体6内表面的排列示意图。

另外，安装台3、球面靶、半球面形状的基材9、密封体6都是同球心的，因此为了进一步保证镀膜的均匀性，参看图4，可将第一轴线L1和所述第二轴线L2(所述密封体的球面顶点O₁和球心O₂组成第二轴线L2)重合，这样的设计使得N个环形结构对应的圆心和密封体6形成的半球形状的球心也在同一条轴线上。

另外，在所述N个环形结构中，第一环形结构中的所有磁钢部件的磁极和第二环形结构中的所有的磁钢部件的磁极相反，其中，第一环形结构和第二环形结构为相邻的环形结构。请继续参看图3A-图3B，第一环形结构A中的磁钢部件的磁极为S。而第二环形结构B中的磁钢部件为N，两个环形结构中的的磁钢部件5的磁极是相反的。

磁钢部件5的排列形式，会影响离子溅射的轨迹(也称作刻蚀轨道)。具体来说，刻蚀轨道的形状由磁钢部件5的布局决定的，磁钢部件5是产生电子运动轨迹的来源，进而影响离子溅射的轨迹，即为刻蚀轨道。由于本发明的磁钢部件5是环状的多环排列形式，各科室轨道溅射出的材料在空间中的分布轨迹会相互叠加，因此会在半球面形状的基材9的整个内部进行均匀的刻蚀。

以上便是本发明的球面靶阴极机构的具体结构。在该结构中，水冷座1的外表面是半球形状表面，因此安装在该表面的靶材4也形成半球形状，使得靶材4形成球面靶的结构，另外，在半球形状的密封体6的内表面，将磁钢部件5沿着密封体6的内表面设计环状排列的形式，可以用来对半球面形状的基材9进行镀膜。

下面介绍本发明的球面靶阴极机构的实施原理。

在溅镀前，将半球面形状的基材9放入溅镀室内，等待溅射镀膜处理。

在溅射镀膜开始后，对溅镀室抽真空处理，抽至一定压力之后，再通过溅镀室腔壁上设置的反应气体入口向溅镀室内充入一定流量的反应气体(例如Ar气体)并维持恒定压力。

接入电源，在正负电极高压的作用下，Ar气体大量电离，产生辉光放电；电子在高压电场的作用下飞向基材的过程中与Ar气体的原子发生碰撞，电离出更多的Ar+离子和电子。Ar+离子在电场的作用下加速轰击靶材4，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶材原子(或分子)沉积在基材上从而淀积成膜。由于靶材4采用球面靶的设计，并且由于磁钢部件5的排布会影响靶材原子(或分子)的运动轨迹，使得靶材原子(或分子)向着四周空间做环形运动，进而使靶材原子(或分子)最终刻蚀到半球面形状的基材9表面，并且厚度一致，保证了镀膜的均匀性。

溅镀完成后，将半球面形状的基材9输出溅镀室，并进入下一工序进行处理。

在本发明的另一个实施例中，介绍一种溅射镀膜装置，包括：溅镀室；而在所述溅镀室中，设置有上面的实施例描述的球面靶阴极机构。由于球面靶阴极机构在上述实施例已经说明，在此不再赘述。

通过本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

在本发明实施例中，公开了一种球面靶阴极机构及溅射镀膜装置，本发明的球面靶阴极机构主要是用来对半球面形状的基材进行溅射镀膜，因此，整个球面靶阴极机构的设计都是基于半球面形状的基材而设定的。具体来说，球面靶阴极机构包括水冷座，靶材，磁钢部件。水冷座的安装台外表面为半球形状表面，所述安装台的半球形状表面上对应安装有所述靶材，使得所述靶材形成球面靶；另外，在所述安装台的内部设置有密封体来密封磁钢部件，并且将磁钢部件排列在所述密封体的半球形状内表面上，用来对半球面形状的基材进行溅射镀膜。

进一步的，磁钢部件排列在所述密封体的半球形状内表面上，所述磁钢排列形成的结构包括N个环形结构，N≥2且为整数，N个环形结构对应的圆心都在第一轴线上，而所述密封体的球面顶点和球心组成第二轴线，所述第一轴线和所述第二轴线重合，能够保证半球面形状的基材的镀膜的均匀性。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种球面靶阴极机构，用于对半球面形状的基材进行溅射镀膜，其特征在于，包括：水冷座、密封体、靶材、磁钢部件；

所述水冷座包括支撑台和安装台；所述支撑台固定在溅镀室内部；所述安装台外表面为半球形状表面；所述安装台开设有凹槽；所述支撑台盖设于所述凹槽上，并固定在所述安装台上，以在所述安装台和所述支撑台之间形成一容置空间；

所述靶材对应安装在所述安装台的半球形状表面上，使得所述靶材形成球面靶；

所述密封体设置于所述容置空间内，且固定在所述支撑台上；所述密封体也为半球形状，且和所述安装台的外表面同球心；所述密封体将所述容置空间分隔为第一容置空间和第二容置空间；其中，所述第一容置空间位于所述密封体和所述支撑台之间；所述第二容置空间位于所述密封体和所述安装台之间，以供通入冷却液冷却所述靶材；

所述磁钢部件设置于所述第一容置空间内，且所述磁钢部件排列在所述密封体的内表面上。

2.如权利要求1所述的一种球面靶阴极机构，其特征在于，所述球面靶和所述半球面形状的基材同球心。

3.如权利要求1所述的一种球面靶阴极机构，其特征在于，所述磁钢部件排列在所述密封体的内表面上时，所述磁钢排列形成的结构包括N个环形结构，N≥2且为整数，N个环形结构对应的圆心都在第一轴线上。

4.如权利要求3所述的一种球面靶阴极机构，其特征在于，所述密封体的球面顶点和球心组成第二轴线；

所述第一轴线和所述第二轴线重合。

5.如权利要求1所述的一种球面靶阴极机构，其特征在于，所述安装台的半球形状表面上对应安装有一个半球形状靶材，所述半球形状靶材和所述安装台的半球形状表面同球心。

6.如权利要求1所述的一种球面靶阴极机构，其特征在于，所述安装台的外表面为半球形状多面体结构，每个面上安装一个子靶材，使得所有的子靶材共同构成所述球面靶。

7.如权利要求1所述的一种球面靶阴极机构，其特征在于，所述球面靶的直径范围0.1m～3m。

8.如权利要求1所述的一种球面靶阴极机构，其特征在于，所述第二容置空间和和冷却通道连接。

9.如权利要求3所述的一种球面靶阴极机构，其特征在于，在所述N个环形结构中，第一环形结构中的所有磁钢部件的磁极和第二环形结构中的所有的磁钢部件的磁极相反，其中，第一环形结构和第二环形结构为相邻的环形结构。

10.一种溅射镀膜装置，其特征在于，包括：

溅镀室；

在所述溅镀室中，设置有如权利要求1-9任一权项所述的球面靶阴极机构。