CN107151784B - 一种阴极磁控溅射靶装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阴极磁控溅射靶装置，包括磁性靶材及设于磁性靶材背面的磁体，所述磁性靶材正面设有矩形环状凹槽，所述磁性靶材背面设有与所述矩形环状凹槽对应的矩形环状凸起，所述磁体包括极性相反的中心磁体及外磁体，所述中心磁体设于所述矩形环状凸起的中心，所述外磁体设有四块并分设于所述矩形环状凸起的外周。本发明具有可加强靶材表面的磁场强度、提高靶材溅射的均匀性、减少更换靶材的频率、降低生产成本等优点。

Description

一种阴极磁控溅射靶装置
技术领域
本发明涉及磁控溅射镀膜设备，尤其涉及一种阴极磁控溅射靶装置。
背景技术
磁性材料经常采用磁控溅射镀膜，如在以硬盘驱动器为代表的磁记录领域，作为承担记录的磁性薄膜的材料，是一种采用强磁性金属的Co、Fe 或Ni 为基质的材料。
磁控溅射镀膜是在真空腔室内，在靶材的背侧安装磁体使得在靶材的表面沿与电场垂直的方向产生闭合磁场，闭合磁场与电场交互作用，使电子在靶材表面的闭合磁场内呈螺旋状运行。电子在运动过程中与通入真空腔室内的惰性气体原子发生碰撞，使其电离产生正离子，正离子撞击靶材表面，靶材表面的原子吸收正离子的动能而脱离原晶格束缚，飞向基片并在基片上沉积形成薄膜。
在磁控溅射中，非磁性材料靶的导磁率和磁通密度附图1所示，其中101为非磁性材料，（102，104）与103是极性相反的磁体。非磁性材料导磁率小，靶材表面的磁通密度增大。在靶材表面形成较大的闭合磁场，相应地，电子的运动范围较大，因此撞击形成等离子体的几率增加，沉积速度也较高。
而磁性材料靶的导磁率和磁通密度附图2所示，其中201为磁性材料，（202，204）与203是极性相反的磁体。磁性材料导磁率大，靶材表面的磁通密度减小，使得在靶材表面形成的闭合磁场很小，甚至不能在磁性靶材的放电面形成闭合磁场，相应地，电子的运动范围较小，随着溅射的进行，磁力线局部地集中于靶材表面，因此等离子体的扩展变小，沉积速度下降，从而溅射效率降低，同时侵蚀区域小，靶材仅小部分被溅射，靶材使用效率相对较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可加强靶材表面的磁场强度、提高靶材溅射的均匀性、减少更换靶材的频率、降低生产成本的阴极磁控溅射靶装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种阴极磁控溅射靶装置，包括磁性靶材及设于磁性靶材背面的磁体，所述磁性靶材正面设有矩形环状凹槽，所述磁性靶材背面设有与所述矩形环状凹槽对应的矩形环状凸起，所述磁体包括极性相反的中心磁体及外磁体，所述中心磁体设于所述矩形环状凸起的中心，所述外磁体设有四块并分设于所述矩形环状凸起的外周。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述矩形环状凹槽底面与所述磁性靶材背面的距离为L且L≤4mm。
所述磁体远离所述磁性靶材的一侧设有磁轭，所述磁轭将所述中心磁体和所述外磁体的磁极连接。
所述磁轭为板状。
所述磁性靶材背面设有靶材背板，所述靶材背板远离所述磁性靶材的一侧设有绝缘座，所述靶材背板与所述绝缘座配合形成密闭腔体，所述中心磁体、外磁体及所述磁轭均位于所述密闭腔体内，所述绝缘座设于靶基座上，所述靶基座上设有阳极罩，所述磁性靶材、靶材背板及所述绝缘座均位于所述阳极罩内。
所述密闭腔体与外部冷却水管路连通，所述中心磁体以及与中心磁体平行布置的外磁体均通过多个磁体固定块固定于所述磁轭上，沿冷却水的流动方向，所述中心磁体的磁体固定块和所述外磁体的磁体固定块交替布置。
所述中心磁体、所述外磁体及所述磁轭表面均设有铁氟龙涂层。
所述磁体固定块为L型块。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的阴极磁控溅射靶装置，在磁性靶材的正面（溅射面）设置矩形环状凹槽，在背面设置与矩形环状凹槽对应的矩形环状凸起，并将中心磁体设置于矩形环状凹槽的中心，将极性与中心磁体相反的外磁体分设于矩形环状凸起的外周，该种结构使得中心磁体与外磁体的磁路在通过磁性靶材内达到饱和状态，从而具有足够的磁漏，在磁性靶材的矩形环状凹槽上方形成较强的平行磁力线，保证磁场强度，提高靶材溅射的均匀性，同时磁性靶材溅射区域具有较大的厚度，减少了更换磁性靶材的频率，降低了生产成本。
附图说明
图1是非磁性材料的导磁率和磁通密度结构示意图。
图2是磁性材料的导磁率和磁通密度结构示意图。
图3是本发明阴极磁控溅射靶装置的结构示意图。
图4是本发明中磁体固定块的分布结构示意图。
图中各标号表示：101、磁性材料；（102、103、104、202、203、204）磁体；201、磁性材料；2、中心磁体；3、外磁体；300、磁性靶材；301、矩形环状凹槽；302、矩形环状凸起；4、磁轭；5、靶材背板；6、绝缘座；7、靶基座；8、阳极罩；9、密闭腔体；10、磁体固定块。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图3和图4所示，本实施例的阴极磁控溅射靶装置，包括磁性靶材300及设于磁性靶材300背面的磁体，磁性靶材300正面设有矩形环状凹槽301，磁性靶材300背面设有与矩形环状凹槽301对应的矩形环状凸起302，磁体包括极性相反的中心磁体2及外磁体3，中心磁体2设于矩形环状凸起302的中心，外磁体3设有四块并分设于矩形环状凸起302的外周。其中需要说明的是，磁性靶材300正面设有矩形环状凹槽301意味着磁性靶材300正面的中心和边缘位置均比凹槽处厚，与之相对，磁性靶材300背面设有矩形环状凸起302是指磁性靶材300背面的中心和边缘位置均比凸起处薄；本实施例中，中心磁体2上端磁极为S极，外磁体3上端磁极则为N极，在其他实施例中，中心磁体2和外磁体3的极性也可进行对调，保证极性相反即可；中心磁体2和外磁体3均为钕铁硼永磁材料。
该阴极磁控溅射靶装置，在磁性靶材300的正面（溅射面，附图中的上表面）设置矩形环状凹槽301，在背面设置与矩形环状凹槽301对应的矩形环状凸起302，并将中心磁体2设置于矩形环状凹槽301的中心，将极性与中心磁体2相反的外磁体3分设于矩形环状凸起302的外周，该种结构使得中心磁体2与外磁体3的磁路在通过磁性靶材300内达到饱和状态，从而具有足够的磁漏，在磁性靶材300的矩形环状凹槽301上方形成较强的平行磁力线，保证磁场强度，提高靶材溅射的均匀性，同时磁性靶材300的溅射区域具有较大的厚度，减少了更换磁性靶材300的频率，降低了生产成本。
矩形环状凹槽301底面与磁性靶材300背面的距离为L且L≤4mm。由于在磁性靶材300表面中与磁性靶材300表面平行的方向的磁通密度大的区域侵蚀深度深，在磁通密度小的区域侵蚀深度浅，因此L需要有一定的厚度，但是如果L大于4mm，磁场将难以从中心磁体2与外磁体3漏到磁性靶材300溅射面，作为优选的技术方案，本实施例中L=2mm，磁性靶材300的材料为镍，长宽尺寸为470mm×115mm、厚度为16mm，矩形环状凹槽301的宽深尺寸为30mm×4mm，矩形环状凸起302的宽厚尺寸为30mm×10mm。
磁体远离磁性靶材300的一侧（附图中为下侧）设有磁轭4（本身不产生磁场，在磁路中只起磁力线传输的软磁性材料，采用强磁体材料构成，如铁、SUS430），磁轭4将中心磁体2和外磁体3的磁极连接，可使得磁路短路，增加磁性靶材300的漏磁率，进一步增加磁场强度，提高靶材溅射的均匀性，本实施例中，磁轭4为板状，厚度为6mm。
本实施例中，磁性靶材300背面设有靶材背板5，靶材背板5远离磁性靶材300的一侧（附图中为下侧）设有绝缘座6，靶材背板5与绝缘座6配合形成密闭腔体9，中心磁体2、外磁体3及磁轭4均位于密闭腔体9内，中心磁体2、外磁体3上下两侧分别与靶材背板5、磁轭4相接，磁轭4设于绝缘座6上，绝缘座6设于靶基座7上，靶基座7上设有阳极罩8，磁性靶材300、靶材背板5及绝缘座6均位于阳极罩8内。其中靶基座7为防锈铝材料，绝缘座6为聚四氟乙烯材料，靶材背板5具有固定磁性靶材300和传导散热的作用，采用导热性能优良的材料，本实施例中为无氧铜，阳极罩8为1Cr18Ni9Ti不锈钢材料。
由于阴极磁控靶在工作时会产生大量的热，需要冷却水将热量带走，维持永磁体和导磁体部件（具体为中心磁体2、外磁体3及磁轭4）的温度，因此本实施例中，密闭腔体9与外部冷却水管路（图中未示出）连通，中心磁体2以及与中心磁体2平行布置的外磁体3均通过多个L型磁体固定块10固定于磁轭4上，沿冷却水的流动方向，中心磁体2的磁体固定块10和外磁体3的磁体固定块10交替布置。本发明采用湍流技术，工作时，冷却水流经密闭腔体9，受到磁体固定块10的阻碍，形成湍流，会有一定时间的停留，从而吸收足够的热量，有效地降低阴极磁控靶的温度。如果冷却水直接流过密闭腔体9，那么带走的热量非常有限。其中磁体固定块10为非磁体，如铝、非磁体的不锈钢等，本实施例中为后者。
本实施例中，中心磁体2、外磁体3及磁轭4表面均设有0.2mm厚的铁氟龙涂层进行表面防锈处理，避免中心磁体2、外磁体3及磁轭4在高温下被冷却水腐蚀。
本发明的工作原理如下：
溅射靶材处于阴极负电位，空载电位为800～1200V，磁性靶材300置于镀膜室腔壁（图未示出）内，靶基座7为地电位，磁性靶材300的溅射面朝向需镀膜的基片，通水冷却，溅射室维持在一定的真空状态下，通入定流量的工艺气体（如Ar）到腔内，从而形成规定的压力，磁性靶材300溅射面区域产生放电并进行溅射镀膜，利用磁性靶材300背侧安装的中心磁体2、外磁体3在磁性靶材300的正面沿与电场垂直的方向产生闭合磁场，电子在磁性靶材300表面的闭合磁场内呈螺旋状运行，电子在运动过程中与Ar气体原子发生碰撞，使其电离产生Ar+，Ar+撞击磁性靶材300表面，磁性靶材300表面的原子吸收Ar+的动能而脱离原晶格束缚，飞向基片并在基片上沉积形成薄膜。放电电压降为300 至500V，放电电流为1 至10A( 视放电功率而定)，调节送气流量、放电功率可控制溅射率。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种阴极磁控溅射靶装置，包括磁性靶材（300）及设于磁性靶材（300）背面的磁体，其特征在于：所述磁性靶材（300）正面设有矩形环状凹槽（301），所述磁性靶材（300）背面设有与所述矩形环状凹槽（301）对应的矩形环状凸起（302），所述磁体包括极性相反的中心磁体（2）及外磁体（3），所述中心磁体（2）设于所述矩形环状凸起（302）的中心，所述外磁体（3）设有四块并分设于所述矩形环状凸起（302）的外周。
2.根据权利要求1所述的阴极磁控溅射靶装置，其特征在于：所述矩形环状凹槽（301）底面与所述磁性靶材（300）背面的距离为L且L≤4mm。
3.根据权利要求1或2所述的阴极磁控溅射靶装置，其特征在于：所述磁体远离所述磁性靶材（300）的一侧设有磁轭（4），所述磁轭（4）将所述中心磁体（2）和所述外磁体（3）的磁极连接。
4.根据权利要求3所述的阴极磁控溅射靶装置，其特征在于：所述磁轭（4）为板状。
5.根据权利要求3所述的阴极磁控溅射靶装置，其特征在于：所述磁性靶材（300）背面设有靶材背板（5），所述靶材背板（5）远离所述磁性靶材（300）的一侧设有绝缘座（6），所述靶材背板（5）与所述绝缘座（6）配合形成密闭腔体（9），所述中心磁体（2）、外磁体（3）及所述磁轭（4）均位于所述密闭腔体（9）内，所述绝缘座（6）设于靶基座（7）上，所述靶基座（7）上设有阳极罩（8），所述磁性靶材（300）、靶材背板（5）及所述绝缘座（6）均位于所述阳极罩（8）内。
6.根据权利要求5所述的阴极磁控溅射靶装置，其特征在于：所述密闭腔体（9）与外部冷却水管路连通，所述中心磁体（2）以及与中心磁体（2）平行布置的外磁体（3）均通过多个磁体固定块（10）固定于所述磁轭（4）上，沿冷却水的流动方向，所述中心磁体（2）的磁体固定块（10）和所述外磁体（3）的磁体固定块（10）交替布置。
7.根据权利要求6所述的阴极磁控溅射靶装置，其特征在于：所述中心磁体（2）、所述外磁体（3）及所述磁轭（4）表面均设有铁氟龙涂层。
8.根据权利要求6所述的阴极磁控溅射靶装置，其特征在于：所述磁体固定块（10）为L型块。
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