CN105839065B - 一种磁控溅射镀膜装置及方法、纳米颗粒的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁控溅射镀膜装置，包括同轴设置的圆筒状的磁钢装置、圆筒状的溅射阴极和圆筒状的靶材，圆筒状靶材设置在圆筒状溅射阴极内表面，磁钢装置设置在圆筒状溅射阴极外表面以在靶材内表面形成了一封闭磁场。本发明还提供一种磁控溅射镀膜方法，磁控溅射镀膜方法包括步骤：在圆筒状靶材内表面提供一封闭磁场；提供一在靶材径向方向上具有分量的电场；将基底放置在靶材轴心处进行镀膜。本发明还提供一种纳米颗粒的制备方法，其包括步骤：提供一圆筒状的靶材；在靶材内表面提供一封闭磁场；提供一在靶材径向方向上具有分量的电场；在圆筒状靶材一端设置一分散液装置；靶材在电场和磁场的作用下发生溅射所产生的纳米颗粒落入分散液装置中。

Description

一种磁控溅射镀膜装置及方法、纳米颗粒的制备方法

【技术领域】

本发明涉及镀膜领域，尤其涉及一种磁控溅射镀膜装置及磁控溅射镀膜方法、纳米颗粒的制备方法。

【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。

磁控溅射法是将待镀基底置于真空室中，并通入工作气体(氩气、氧气和氮气等)，当在溅射阴极(靶材)、阳极(基底)间通电时，让阴极为负电位，由于高压电场的作用使工作气体分子电离，形成等离子体，以氩气为例，氩气在高压电场作用下电离形成带正电的氩粒子和电子，带正电的氩粒子将在电场的加速下，高速向阴极靶材表面撞击，将靶材表面的金属离子击出，金属离子在正交电磁场中的运动轨迹为摆线，其逐渐沉积在待镀基底表面形成薄膜。

一般的磁控溅射镀膜装置只能对平面基底进行镀膜，仅少数技术能够对曲面基底进行镀膜。如公开号为CN101418432B的中国发明专利《一种高功率平面磁控溅射阴极》，根据其公开内容，该方法是传统的磁控溅射镀膜方式，通过溅射靶材实现对基底的镀膜，该溅射方式要求基底形状为平面状，如线状的基底则无法通过该方式进行均匀镀膜。

又如公开号为CN105256281A的中国发明专利《磁控溅射镀膜装置及其靶装置》，根据其公开内容，该磁控溅射镀膜装置能让离子均匀撞击在靶材上面，使靶材整面均匀消耗掉，不会出现靶材两端消耗比中间消耗快的情况，并且镀膜均匀。但该技术还是只能对平面进行镀膜，无法对线状或者其他特殊形状的基底进行镀膜。

公开号CN104878361A的中国发明专利《磁控溅射镀膜设备》，根据其公开内容，该发明使用非平衡磁场和特殊的气路补偿，解决了现有技术使用均匀磁场和均匀气路导致镀膜不均匀的问题，提高了镀膜工艺的可重复性，使各个基板的镀层相同。但该技术同样适用于平面基底的镀膜。

【发明内容】

为克服目前磁控溅射镀膜装置无法对线状的基底进行镀膜的缺点，本发明提出了一种新的磁控溅射镀膜装置及方法，本发明还提供了一种纳米颗粒的制备方法。

本发明提供一种解决上述技术问题的技术方案：一种磁控溅射镀膜装置，包括同轴设置的圆筒状的磁钢装置、圆筒状的溅射阴极和圆筒状的靶材，圆筒状靶材设置在圆筒状溅射阴极内表面，磁钢装置设置在圆筒状溅射阴极外表面以在靶材内表面形成了一封闭磁场,基底设置在靶材轴心位置处,溅射阴极上加载电压产生电场，靶材在电场和磁场的作用下溅射产生的纳米颗粒沉积在基底上形成薄膜。

优选地，所述磁钢装置包括多个环状的第一磁体和第二磁体，所述第一磁体和第二磁体同轴相间排列，且靠近轴心侧的磁极极性相反。

优选地，在溅射过程中，所述靶材相对于溅射阴极可移动。

优选地，基底设置在靶材轴心位置处。

优选地，所述基底为线状，且可定向移动。

优选地，进一步包括监测机构和调速机构，监测机构监测影响溅射速度的参数，根据影响溅射速度的参数调节基底的移动速度。

优选地，进一步包括设置在靶材两端的上风端和下风端，下风端处设置有分散液装置，从上风端处进入磁控溅射镀膜装置内的气体带动靶材溅射产生的纳米颗粒定向移动至分散液装置中。

本发明还提供一种磁控溅射镀膜方法包括以下步骤：提供一圆筒状的靶材；在靶材内表面提供一封闭磁场；提供一在靶材径向方向上具有分量的电场，或在靶材入口设置一离子/电子发射装置；将基底放置在靶材轴心处进行镀膜，靶材在磁场和电场的作用下溅射产生的纳米颗粒沉积在基底上形成薄膜。

优选地，所述封闭磁场由一圆筒状磁钢装置产生，靶材与磁钢装置同轴设置，且靶材位于磁钢装置内，所述磁钢装置包括多个环状的第一磁体和第二磁体，所述第一磁体和第二磁体同轴相间排列，且靠近轴心侧的磁极极性相反

优选地，所述基底为线状，且可定向移动。

本发明还提供一种纳米颗粒的制备方法，其包括步骤：提供一圆筒状的靶材；在靶材内表面提供一封闭磁场；提供一在靶材径向方向上具有分量的电场；在圆筒状靶材一端设置一分散液装置；基底设置在靶材轴心位置处,靶材在电场和磁场的作用下发生溅射，靶材溅射的纳米颗粒部分沉积在基底上形成薄膜，未沉积在基底上的纳米颗粒落入分散液装置中。

与现有技术相比，本发明中磁控溅射镀膜装置具有如下优点：

1，磁控溅射镀膜装置采用圆筒状的靶材，靶材外围设置磁钢装置，磁钢装置在靶材内表面形成封闭磁场，由于封闭磁场对带电粒子具有束缚作用，如此可以大大增加溅射速率。靶材和磁钢装置均为圆筒状，靶材内表面产生封闭磁场且以磁钢装置的轴心为中心磁场强度按照中心对称分布，具有横截面内各向同性的均匀分布规律。靶材也同为圆筒状，其与磁钢装置同轴心设置，因此，在电场和均匀磁场的作用下，靶材溅射速率亦具有以轴心为中心的中心对称分布规律,故线状基底表面沉积薄膜均匀分布。

2，在溅射过程中，所述靶材相对于溅射阴极可移动，可以扩大靶材表面刻蚀轨道宽度，提高靶材利用率，靶材利用率的提升，本发明所揭示的磁控溅射镀膜装置比现有的磁控溅射镀膜装置的靶材利用效率提高了20％-50％。

3，线状的基底设置于上述圆筒状结构的轴心处，且在外力的带动下可定向移动，横穿圆筒状靶材内部，由于基底相对于靶材移动使，得基底各个部位因装置工艺条件等带来的差异化降低，基底各个部位处的薄膜一致性得到提升，故其表面沉积薄膜均匀分布。

4，磁控溅射镀膜装置内设置有监测机构和一调速机构，监测机构监测影响溅射速度的参数，通过监测结果确定溅射速度，从而提供最佳地基底运行速度，使靶材利用率最佳。

【附图说明】

图1A是本发明第一实施例磁控溅射镀膜装置的部分结构立体示意图。

图1B是本发明第一实施例磁控溅射镀膜装置内的磁体分布示意图。

图2A是图1B中Ⅰ–Ⅰ处的剖面结构示意图。

图2B是图1A中磁控溅射镀膜装置的俯视图。

图3是本发明第一实施例磁控溅射镀膜装置的镀膜原理结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1A，本发明第一实施例磁控溅射镀膜装置10用于磁控溅射镀膜，其合适给不同形状尺寸的待镀膜物体进行镀膜，如线状、长方体状、棱柱状或不规则形状等，但尤其适用于给线状待镀膜物体进行镀膜，如线缆，绳索等，所述线状待镀膜物体截面形状不限定为圆形，椭圆形或类圆形等，最优选为待镀膜物体截面为圆形。

磁控溅射镀膜装置10包括一靶材13，一溅射阴极14，一磁钢阵列15及一隔磁层17，该靶材13，溅射阴极14和磁钢阵列15均呈一定厚度的圆筒状，靶材13，磁钢阵列15及溅射阴极14同轴心设置，圆筒状靶材13设置在圆筒状溅射阴极14内表面，磁钢装置15设置在圆筒状溅射阴极14外表面以在靶材13内表面形成了一封闭磁场。靶材13外表面和溅射阴极14内表面贴合，磁钢阵列15可以与溅射阴极14紧配合或间隙配合设置。隔磁层17也为圆筒状，其为隔磁材料涂覆于磁刚阵列15外表面所形成，或其为具有隔磁作用的隔磁材料形成圆筒状并套设在磁刚阵列15外表面。基底11为待镀膜物体，其在靶材13的轴心处即可以进行镀膜。

磁控溅射镀膜装置10还进一步包括一冷却装置19，所述冷却装置19可以设置在磁钢阵列15和隔磁层17之间，或靶材13与磁钢阵列15之间，其用于吸收或带走靶材13在镀膜时产生的热量，使靶材13在镀膜工艺中始终保持在10℃-40℃的温度，避免靶材13升温过高导致靶材13熔化等现象发生。冷却装置19优选设置为一水冷装置(均未图示)，水冷装置至少包括一进水口和一出水口，进水口源源不断提供低温冷水，低温冷水将磁控溅射镀膜装置10产生的热量吸收后从出水口排出，出水口水温不超过25℃。

所述靶材13可拆卸式安装于磁控溅射镀膜装置10，方便镀膜操作者随意更换靶材13。靶材13厚度为8-20mm，其进一步优选为8-10mm或8-12mm或10-12mm。靶材13可以是任何一种或多种金属靶材，如镍靶、钛靶、锌靶、铬靶、镁靶、锡靶、铝靶、铟靶、铁靶、锆铝靶、锆靶、铝硅靶、硅靶、铜靶、锗靶、银靶、钴靶、金靶、钇靶、铈靶钨靶、不锈钢靶、镍铬靶、钼靶、铁镍靶、钨靶等；靶材13也可以是一种或多种陶瓷靶材，如氧化铟锡靶、氧化镁靶、氧化铁靶、氮化硅靶、碳化硅靶、氮化钛靶、氧化铬靶、氧化锌靶、硫化锌靶、二氧化硅靶、氧化铈靶、二氧化锆靶、氧化镍靶等；靶材13还可以是一种或多种合金靶材，如铁钴靶、铝硅靶、钛硅靶、铬硅靶、锌铝靶、钛锌靶材、钛铝靶、钛锆靶、钛硅靶、钛镍靶、镍铬靶、镍铝靶、镍钒靶、镍铁靶等。

溅射阴极14采用导电材料制作，优选采用铜制作，其在镀膜时，加载电压以生产电场。

请参阅图1B和图2A(为了简化剖面视图，冷却装置19在该剖面视图中未展示)，所述磁钢阵列15包括从上至下依次同轴心设置的多个磁体(未标号)，该磁体包括至少一个第一磁体151和至少一个第二磁体152，第一磁体151和第二磁体152呈环状，数量相等。第一磁体151和第二磁体152相间设置，两两之间设置间隙为H，H大小为0.1mm-50mm。第一磁体151和第二磁体152轴向高度为L，L大小为5cm-10cm。第一磁体151和第二磁体152形状、尺寸大小及磁场强度均一致，但极性相反：第一磁铁151内侧(靠近轴心侧)的磁极为S极，第二磁铁152内侧(靠近轴心侧)的磁极为N极，如此，在磁钢阵列15内侧S极、N极相互交替。本发明中以第一磁体151、第二磁体152内侧磁极分别为S极和N极为例来进行说明，实际上，第一磁体151和第二磁体152内侧磁极可以相互置换为N极和S极，只要保证第一磁铁151和第二磁体152内侧磁极相反即可。

在本发明中仅以三个第一磁体151和三个第二磁体152为例来进行说明，实际上，第一磁体151和第二磁体152数量不做限制，其可以是一个或多个，可以根据实际需要进行调整。本发明中第一磁体151和第二磁体152采用永磁体制作，尤其采用的是钕铁硼永磁体。作为一种变形实施例，所述磁钢阵列15也可以置换为其他磁钢装置，如多个独立的磁体围绕靶材13设置或采用一体制作的磁铁绕靶材13设置,上述第一磁体151和第二磁体152可以是由多个分立小磁体环形排列组成或一体制作成型，磁钢装置在靶材13内表面产生一封闭磁场，该封闭磁场对位于靶材13内表面附近的带电粒子具有束缚作用。

隔磁层17采用隔磁材料制作，起隔磁作用，防止磁钢阵列15产生的磁场对外界设备产生影响。

如图2A所示，第一磁体151和第二磁体152之间产生磁场B，其为封闭磁场。由于第一磁体151和第二磁体152除了内侧磁极极性相反外，其他磁性特征相一致，故，靶材13内的磁场相对均匀，距离靶材13轴心距离相等的位置处的磁场强度一致。图2A中仅示例性的画出了部分磁场的部分磁感线，实际上，磁场和磁感线的数量远远多于图示。所述磁场B的磁场强度由第一磁体151和第二磁体152的磁性特征决定。在本发明中，为保证镀膜工艺的稳定可靠进行，磁控溅射镀膜装置10优选磁场强度200高斯以上。

请参阅图2B，以基底11为阳极，靶材13为阳极，溅射阴极14为阴极，在阳极和阴极之间加载电压产生一高压电场E，作为一种实施例，阳极接地，加载电压至阴极，在阴极和阳极之间形成高压电场E，该电场E的电场方向在朝向靶材13的径向方向上产生至少一分量，能够使电子在电场E的作用下向靶材13轴心移动即可，即电场E方向与朝向靶材13的径向方向所呈夹角为锐角。优选电场E的方向与靶材13表面垂直。作为另一种变形实施例，阳极位置不限制于设置在基底11上，加载一电场E，使电场E的电场方向在朝向靶材13的径向方向上产生至少一分量即可。作为又一种变形实施例，直接靶材13一端设置一离子/电子发射装置。

请参阅图3，磁控溅射镀膜装置10进一步包括一基底供料机构111和基底收料机构112，基底供料机构111提供待镀膜材料基底11，基底11在经过镀膜工艺后由基底收料机构112回收。基底11位于靶材13的轴心位置，在圆筒状的靶材13的两端分别设置有一上风端181和一下风端182。在靶材13内部形成一真空腔R，在所述下风端182处还设置有一分散液装置180。通关过上风端181向真空腔R中通入气体，本发明中以氩气(Ar)为例来进行说明，Ar在电场E的作用下，电离产生Ar正离子和电子，Ar正离子在电场作用下加速飞向靶材13，并以高能量轰击靶材13表面，使靶材13发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基底11上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E(电场)×B(磁场)所指的方向漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。二次电子在以近似摆线的形式在靶材13表面做圆周运动，且被封闭磁场束缚在靠近靶材13表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar正离子来轰击靶材13，从而实现了高速沉积。

作为一种较佳实施例，靶材13相对于溅射阴极14可移动，最佳为靶材13相对于溅射阴极14持续或周期性地做匀速往复相对运动。往复相对运动包括但不局限于溅射阴极14相对于靶材13做直线和/或旋转往复运动。所述往复相对运动优选为溅射阴极14靶材13固定，靶材13相对于基底11移动，作为另一种实施例：靶材13固定，溅射阴极14移动。优选靶材13与溅射阴极14相对移动的距离为0<d<L。

作为一种较佳实施例，基底11可移动，基底11移动的形式不局限于单向运动，如，基底11通过动力机构驱动从基底供料机构111端向基底收料机构112移动，在其经过磁控溅射镀膜装置10内部的真空腔R时，其表面被均匀地镀上一层薄膜。在镀膜时，基底11还可以是持续或周期性地做匀速往复相对运动。往复相对运动包括但不局限于基底11做直线和/或旋转往复运动。

更进一步，设置一监测机构和一调速机构(均未图示视)，所述监测机构和调速机构连接。所述监测机构监测薄膜沉积速率，当靶材13逐渐变薄时，溅射表面更靠近磁钢阵列15，溅射表面磁场B强度增大使得溅射速度加快，为了使基底11表面薄膜沉积均匀，调速机构调节基底11的运动速度。作为一种实施例，调速机构与基底11连接，调速机构根据靶材13调节基底11运动速度。作为另一种实施例，调速机构与靶材13连接，调速机构根据薄膜沉积速率调节靶材13运动速度。作为一个更优实施例，所述监测机构还可以监测影响溅射速度的其他参数，如真空腔R内的压强等，根据监测溅射速度，进而通过调速机构调节靶材13和/或基底11的运动速度。监测机构优选为石英晶体微天平或光学实时监测装置。

分散液装置180中盛有分散液，该分散液热稳定性好，例如脂肪酸类、脂肪族酰胺类、酯类、水、酒精或者乙二醇等任意一种或多种。

在磁控溅射镀膜装置10中无基底11通过时，被溅射出的纳米材料颗粒由于没有基底11沉积，其会在上风端181处进入磁控溅射镀膜装置10内的气体带动下定向移动至分散液装置180中。采用磁控溅射镀膜装置10制备的纳米材料颗粒大小均匀，成分一致。实际上，当磁控溅射镀膜装置10中有基底11通过时，部分被溅射出的纳米材料颗粒由于没有基底11沉积，其会在上风端181处进入磁控溅射镀膜装置10内的气体带动下定向移动至分散液装置180中。在无气体带动纳米材料颗粒定向移动时，所述纳米材料颗粒由于重力作用也会落入分散液装置180中。如此可以利用所述装置进行纳米材料的保存。

与现有技术相比，本发明中磁控溅射镀膜装置10具有如下优点：

1，磁控溅射镀膜装置10采用圆筒状的靶材13，靶材13外围设置磁钢装置，磁钢装置在靶材13内表面形成封闭磁场，由于封闭磁场对带电粒子具有束缚作用，如此可以大大增加溅射速率。靶材13和磁钢装置均为圆筒状，靶材13内表面产生封闭磁场且以磁钢装置的轴心为中心，磁场强度按照中心对称分布，具有横截面内沿径向方向各向同性的均匀分布规律，故在基底11表面沉积薄膜均匀分布。

2,在溅射过程中，所述靶材13相对于溅射阴极14可移动，可以扩大靶材13表面刻蚀轨道宽度，提高靶材13利用率，靶材13利用率的提升，本发明所揭示的磁控溅射镀膜装置10比现有的磁控溅射镀膜装置的靶材利用效率提高了20％-50％。

3,靶材13也同为圆筒状，其与磁钢装置同轴心设置，因此，在电场和均匀磁场的作用下，靶材13溅射速率亦具有以轴心为中心的中心对称分布规律，同时线状的基底11设置于上述圆筒状结构的轴心处，且在外力的带动下做自动化定向移动，横穿圆筒状靶材13内部，由于基底11相对于靶材13可定向移动，使得基底11各个部位因装置工艺条件等带来的差异化降低，基底11各个部位处的薄膜一致性得到提升

4，磁控溅射镀膜装置10内设置有监测机构和一调速机构，监测机构监测影响溅射速度的参数，通过监测结果确定溅射速度，从而提供最佳地基底11运行速度，使靶材13利用率最佳。

本发明第二实施例提供一种磁控溅射镀膜方法，具体方法包括如下步骤：

步骤1：提供一圆筒状的靶材；

步骤2：在靶材内表面提供一封闭磁场；

步骤3：提供一电场，电场方向在朝向靶材的径向方向上产生至少一分量，或在靶材一端设置一离子/电子发射装置；

步骤4：将基底放置在靶材轴心处进行镀膜。

在步骤2中，所述基底在靶材轴心处定向移动，最佳为持续或周期性匀速往复相对运动。该方法中优选采用第一实施例中所述的磁控溅射镀膜装置10。

所述电场可以是在靶材一端设置一离子/电子发射装置，或加载电压至靶材上所形成。

本发明第三实施例提供一种纳米颗粒的制备方法，具体方法包括如下步骤：

步骤1：提供一圆筒状的靶材；

步骤2：在靶材内表面提供一封闭磁场；

步骤3：提供一在靶材径向方向上具有分量的电场，；

步骤4：在圆筒状靶材一端设置一分散液装置。

所述电场可以是在靶材一端设置一离子/电子发射装置，或加载电压至靶材上所形成。

靶材在电场和磁场的作用下发生溅射，溅射的纳米颗粒在重力或通入靶材内部气体的带动下进入分散液装置中。采用该方法制备的纳米材料颗粒大小均匀，成分一致。该方法中优选采用第一实施例中所述的磁控溅射镀膜装置10。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁控溅射镀膜装置，其特征在于：包括同轴设置的圆筒状的磁钢装置、圆筒状的溅射阴极和圆筒状的靶材，圆筒状靶材设置在圆筒状溅射阴极内表面，磁钢装置设置在圆筒状溅射阴极外表面以在靶材内表面形成了一封闭磁场,基底设置在靶材轴心位置处,溅射阴极上加载电压产生电场，靶材在电场和磁场的作用下溅射产生的纳米颗粒沉积在基底上形成薄膜。

2.如权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于：所述磁钢装置包括多个环状的第一磁体和第二磁体，所述第一磁体和第二磁体同轴相间排列，且靠近轴心侧的磁极极性相反。

3.如权利要求2所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于：在溅射过程中，所述靶材相对于溅射阴极移动。

4.如权利要求1所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于：基底设置在靶材轴心位置处。

5.如权利要求4所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于：所述基底为线状，且可定向移动。

6.如权利要求1-5任一项所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于：进一步包括监测机构和调速机构，监测机构监测影响溅射速度的参数，根据影响溅射速度的参数调节基底的移动速度。

7.如权利要求1-5任一项所述的磁控溅射镀膜装置，其特征在于：进一步包括设置在靶材两端的上风端和下风端，下风端处设置有分散液装置，从上风端处进入磁控溅射镀膜装置内的气体带动靶材溅射的纳米颗粒定向移动至分散液装置中。

8.一种磁控溅射镀膜方法，其特征在于包括以下步骤：提供一圆筒状的靶材；在靶材内表面提供一封闭磁场；提供一在靶材径向方向上具有分量的电场；将基底放置在靶材轴心处进行镀膜，靶材在磁场和电场的作用下溅射产生的纳米颗粒沉积在基底上形成薄膜。

9.如权利要求8所述的磁控溅射镀膜方法，其特征在于：所述基底为线状，且可定向移动。

10.一种纳米颗粒的制备方法，其特征在于包括步骤：提供一圆筒状的靶材；在靶材内表面提供一封闭磁场；提供一在靶材径向方向上具有分量的电场；在圆筒状靶材一端设置一分散液装置；基底设置在靶材轴心位置处,靶材在电场和磁场的作用下发生溅射，靶材溅射的纳米颗粒部分沉积在基底上形成薄膜，未沉积在基底上的纳米颗粒落入分散液装置中。