CN108977787B - 一种磁控溅射镀膜阴极结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控溅射镀膜阴极结构，包括依次层叠的靶材结构、背板和磁性部件；磁性部件包括第一磁场产生结构和第二磁场产生结构，第一磁场产生结构为环形磁场结构，第二磁场产生结构位于环形磁场结构的中心区域，第一磁场产生结构和第二磁场产生结构形成一环形磁场区域；其中，第一磁场产生结构包括第一铁芯以及缠绕在第一铁芯外表面的第一励磁线圈；第二磁场产生结构包括第二铁芯以及缠绕在第二铁芯外表面的第二励磁线圈，从而在磁性部件产生的磁场强度随着使用时间的延长而发生衰减时，通过调节第一励磁线圈和/或第二励磁线圈中的电流大小，来调节磁性部件产生的磁场强度，解决由于磁场强度会发生衰减而导致镀膜的质量下降的问题。

Description

一种磁控溅射镀膜阴极结构

技术领域

本发明涉及磁控溅射镀膜领域，特别是涉及一种磁控溅射镀膜阴极结构。

背景技术

磁控溅射是PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)中一种沉积材料的方法，非常适用于光学薄膜、有机发光二极管 (OLED)、薄膜晶体管等的接触层的制作。而且，磁控溅射由于具有可大规模生产的特点，并且可以在保持元素组成的同时沉积氧化物或其他化合物，成为最常用的沉积方法之一。

具体的，磁控溅射镀膜是在真空室中辉光放电的两极之间引入磁场，利用电子在电场作用下与溅射气体的原子发生碰撞使之变成等离子体，等离子体中的离子在电场作用下轰击靶材，使靶材表面的原子逸出并飞向基板，沉积在诸如硅晶片的基板上并形成薄膜。其中，所述溅射气体通常为氩气等惰性气体。为了有效的传递动量，溅射气体的原子重量应该接近靶材的原子重量，例如：对于溅射轻元素，溅射气体可选择氖，对于溅射重元素，溅射气体可选择氪或氙。此外，活性气体也可用于溅射化合物。

需要说明的是，在溅射过程中，通过施加强磁场或电场，等离子体中的离子和电子被限制在更靠近靶材的指定区域，使得靠近靶材的等离子体密度较高，从而可以增加离子与靶材的碰撞频率，提高沉积速率。而且，溅射过程中，通过施加的磁场，可以使得等离子体中的离子和电子沿特定路线行进，避免与基板发声碰撞，有助于减少等离子体中的电子对基板上已沉积薄膜造成的损坏。另外，由于磁控溅射镀膜是由高能量离子轰击靶材形成，因此，利用磁控溅射可以形成具有较强粘附力和非常致密的薄膜。

还需要说明的是，在磁控溅射过程中，从靶材逸出的溅射原子具有很宽的能量分布，通常高达几十电子伏特，其中一小部分被电离(约为1％)形成溅射离子，该溅射离子可以直接从靶材弹道飞行并且在基板或真空室中大力冲击，引起再溅射，或者，在较高的气体压力下，与充当慢化剂的气体原子发生碰撞并扩散移动，到达基板或真空室壁，经历随机行走后冷凝。而且，通过改变气体压力，可以获得从高能弹道撞击到低能热运动整个范围内的溅射离子。

但是，目前磁控溅射镀膜过程中，靶材附近的磁场由磁铁产生，且随着使用时间延长，磁场强度会发生衰减，导致镀膜的质量下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁控溅射镀膜阴极结构，目的在于解决现有技术中磁场衰减的问题，以提高镀膜质量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁控溅射镀膜阴极结构，包括：

依次层叠的靶材结构、背板和磁性部件；

所述靶材结构包括第一靶材，所述靶材结构工作时形成有一跑道区；

所述磁性部件包括第一磁场产生结构和第二磁场产生结构，所述第一磁场产生结构为环形磁场结构，所述第二磁场产生结构位于所述环形磁场结构的中心区域，所述第一磁场产生结构和所述第二磁场产生结构形成一环形磁场区域，所述环形磁场区域与所述跑道区的形状相同；

其中，所述第一磁场产生结构包括第一铁芯以及缠绕在所述第一铁芯外表面的第一励磁线圈；所述第二磁场产生结构包括第二铁芯以及缠绕在所述第二铁芯外表面的第二励磁线圈。

可选地，所述环形磁场区域为圆环形区域，所述靶材结构位于所述环形磁场区域内的部分为圆环形结构。

可选地，所述第一励磁线圈由漆包线构成；所述第二励磁线圈由漆包线构成。

可选地，所述第一铁芯为无铁损铁芯；所述第二铁芯为无铁损铁芯。

可选地，所述背板为铜背板。

可选地，还包括：

位于所述第一磁场产生结构与所述第二磁场产生结构之间的冷却装置。

可选地，所述冷却装置为循环水冷却装置。

可选地，还包括：

位于所述第一靶材背离所述背板一侧的至少一个第二靶材，所述第一靶材和所述第二靶材的材料磁性相同，所述第二靶材覆盖所述第一靶材位于所述跑道区的部分表面。

可选地，所述第一靶材背离所述背板一侧具有多个所述第二靶材，所述第二靶材在所述跑道区均匀分布。

可选地，所述第二靶材为金属圆片结构，所述第二靶材的直径与所述跑道区的宽度相同。

本发明所提供的磁控溅射镀膜阴极结构中，所述磁性部件由第一磁场产生结构和第二磁场产生结构组成，第一磁场产生结构由所述第一铁芯以及围绕在所述第一铁芯外表面的第一励磁线圈构成，所述第二磁场产生结构由第二铁芯与缠绕在所述第二铁芯外表面的第二励磁线圈构成，所述磁性部件的磁场通过向所述第一励磁线圈和所述第二线圈中通入电流产生，且所述磁性部件产生的磁场强度的大小由所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈中通入的电流的大小来控制，因此，本发明所提供的磁控溅射镀膜阴极结构，在所述磁性部件产生的磁场强度随着使用时间的延长而发生衰减时，可以通过调节所述第一励磁线圈和/或所述第二励磁线圈中的电流大小，来调节所述磁性部件产生的磁场强度，使靶材结构上跑道区的磁场强度保持较为稳定，使镀膜过程更加稳定，提高镀膜的质量，解决由于磁场强度会发生衰减而导致镀膜的质量下降的问题。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种磁控溅射镀膜阴极结构的剖面示意图；

图2为本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构中磁性部件的俯视图；

图3为本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构中背板的俯视图；

图4为本发明实施例所提供的另一种磁控溅射镀膜阴极结构中靶材结构的俯视图；

图5为本发明实施例所提供的又一种磁控溅射镀膜阴极结构中靶材结构的俯视图；

图6为靶材结构材料为铝时，不同靶材厚度的靶材结构水平磁通密度变化曲线示意图；

图7为靶材结构材料为铜时，不同靶材厚度的靶材结构水平磁通密度变化曲线示意图；

图8为靶材结构材料为碳时，不同靶材厚度的靶材结构水平磁通密度变化曲线示意图；

图9为靶材结构材料为钛时，不同靶材厚度的靶材结构水平磁通密度变化曲线示意图；

图10为靶材结构材料为铁时，不同靶材厚度的靶材结构水平磁通密度变化曲线示意图；

图11为本发明实施例所提供的钛和铝拼接靶材结构与纯钛靶材结构水平磁通密度分布曲线示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，目前磁控溅射镀膜过程中，靶材附近的磁场由磁铁产生，且随着使用时间延长，磁场强度会发生衰减，导致镀膜的质量下降。

而且，磁铁产生的磁场强度分布不均匀性较强，从而使得靶材的溅射跑道十分窄小，导致靶材的利用率较低。

发明人研究发现，在靶材和背板之间加装导磁材料层，可以在一定程度上使得磁力线更加散开，提高磁场强度分布的均匀性，拓宽溅射跑道的宽度，但是加装导磁材料层，会使得靶材表面的磁场强度降低，不利于电子动能的累积，使得溅射效率和沉积效率降低。

另外，在传统磁体布局的间隙加入两排磁性相反的条形磁铁，也可以使得靶材靶面磁场分布的均匀性得到优化，溅射跑道增宽，但是，加入新的磁体会使整个阴极磁场强度有所上升，导致靶材的冷却难度增加，不利于靶材利用率的提升。

有鉴于此，本发明提供了一种磁控溅射镀膜阴极结构，请参考图 1，图1为本发明所提供的一种磁控溅射镀膜阴极结构的剖面示意图，该磁控溅射镀膜阴极结构包括：

依次层叠的靶材结构1、背板2和磁性部件3，即靶材结构1、背板2和磁性部件3按照顺序依次叠加形成层状的结构；其中，

所述靶材结构1包括第一靶材11，所述靶材结构1工作时形成有一跑道区；

所述磁性部件3包括第一磁场产生结构31和第二磁场产生结构 32，所述第一磁场产生结构31为环形磁场结构，所述第二磁场产生结构32位于所述环形磁场结构的中心区域，所述第一磁场产生结构31 和所述第二磁场产生结构32形成一环形磁场区域33，所述环形磁场区域33与所述跑道区13的形状相同；

具体的，所述第一磁场产生结构31包括第一铁芯以及缠绕在所述第一铁芯外表面的第一励磁线圈；所述第二磁场产生结构包括第二铁芯以及缠绕在所述第二铁芯外表面的第二励磁线圈。

可选的，在本发明实施例中，所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈为纯励磁线圈，从而使得所述第一磁场产生结构和所述第二磁场产生结构产生的磁场全部依赖带电线圈，使得本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构可以根据实际需求通过控制第一励磁线圈和第二励磁线圈中电流的大小控制磁场强度，而不存在非带电线圈产生的磁场，以解决非带电线圈产生的磁场随着使用时间延长，磁场强度会发生衰减且难以调节的问题。

需要说明的是，本实施例对第一铁芯的形状和尺寸并不做具体限定，同理，对第二铁芯的形状和尺寸也不做具体限定，只要保证所述第一磁场产生结构31为环形磁场结构，所述第二磁场产生结构32位于所述第一磁场产生结构31的中心，从而可以形成一环形磁场区域 33，且所述环形磁场结构与所述跑道区13的形状相匹配，使得所述靶材结构1的被溅射区域位于所述环形磁场区域33内即可。

本发明所提供的磁控溅射镀膜阴极结构中，所述磁性部件3由第一磁场产生结构31和第二磁场产生结构32组成，第一磁场产生结构 31由所述第一铁芯以及围绕在所述第一铁芯外表面的第一励磁线圈构成，所述第二磁场产生结构32由第二铁芯与缠绕在所述第二铁芯外表面的第二励磁线圈构成，所述磁性部件3的磁场通过向所述第一励磁线圈和所述第二线圈中通入电流产生，且所述磁性部件3产生的磁场强度的大小由所述第一励磁线圈和所述第二线圈中通入的电流的大小来决定，因此，在本发明实施例中，当所述磁性部件3产生的磁场强度随着使用时间的延长而发生衰减时，可以通过调节所述第一励磁线圈和/或所述第二励磁线圈中的电流大小，来调节所述磁性部件3产生的磁场强度，使靶材结构1上跑道区13所在区域的磁场强度保持较为稳定，使镀膜过程更加稳定，提高镀膜的质量，磁场的调节较为便捷，解决了由于磁场强度会发生衰减而导致镀膜的质量下降的问题。

而且，本发明实施例所提供的磁控溅射阴极结构，所述磁性部件 3的磁场通过向所述第一励磁线圈和所述第二线圈中通入电流产生，且所述磁性部件3产生的磁场强度的大小由所述第一励磁线圈和所述第二线圈中通入的电流的大小来决定，磁场强度分布均匀性较高，跑道区较宽，靶材的利用率较高，且不会影响所述环形磁场区域的磁场强度，从而不会降低镀膜过程中的溅射效率和沉积效率，也不会增加靶材结构的冷却难度。

需要说明的是，本实施例并不对第一励磁线圈和第二励磁线圈的线圈匝数以及两者中通入电流的大小做限定，可以根据靶材结构1的厚度以及镀膜需求调整电流的大小。例如，当需要强度较大的磁场时，增大第一励磁线圈和第二励磁线圈中的电流大小，当需要强度较小的磁场时，减小第一励磁线圈和第二励磁线圈中的电流大小。

还需要说明的是，本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构，除了可以通过调整所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈中电流的大小，改变所述环形磁场区域33内的磁场强度外，还可以通过调整所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈中电流的大小，改变所述环形磁场区域33内的磁场类型。例如，当所述环形磁场区域33内的磁场类型为平衡磁场时，将第一励磁线圈中的电流调大或者将第二励磁线圈的电流调小，即可获得非平衡磁场。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述靶材结构1只包括一种靶材，即第一靶材11，在本发明实施例中，所述第一靶材11可以为顺磁性靶材，也可以为铁磁性靶材，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。具体的，当所述第一靶材11为顺磁性靶材时，所述第一靶材11可以为钛靶、铝靶、碳靶、铜靶等靶材中的任意一种；当所述第一靶材11为铁磁性靶材时，所述第一靶材11可以为铁靶，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。在本发明的其他实施例中，所述靶材结构1除包括第一靶材11外，还可以包括第二靶材、第三靶材等多种靶材，本发明对此并不做限定，需要说明的是，当所述靶材结构1包括至少两种靶材时，所述至少两种靶材的材料磁性相同，即所述至少两种靶材均为顺磁性靶材或均为铁磁性靶材。

还需要说明的是，本发明实施例除了对靶材结构1的材料不作限定外，对所述靶材结构1的形状和厚度也不做具体的限定，具体视情况而定。

由于本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构，可以通过调节所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈中的电流大小，来调节所述环形磁场区域的磁场强度。相较于产生固定磁场的磁控溅射镀膜阴极结构，产生固定磁场的磁控溅射镀膜阴极结构只能在某些厚度下获得性能较好的膜层，而本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构对所述靶材结构的厚度无要求，可以基于所述靶材结构的厚度调节所述磁性部件产生的磁场强度，从而在很多厚度下均获得性能较好的膜层。

可选的，在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述靶材结构为圆柱形结构，所述靶材结构的直径为91.6mm，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，背板2 和磁性部件3的形状相同，则各处的曲率相同，电荷密度相同，电场强度也相同，可以避免出现尖端放电现象。

可选的，在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一磁场产生结构31包括一个环状的第一铁芯以及缠绕在所述第一铁芯外表面的第一励磁线圈；在本发明的另一个实施例中，所述第一磁场产生结构包括多个磁场产生元件，所述多个磁场产生元件形成一环形结构，每个所述磁场产生部件包括一个第一铁芯及缠绕在所述第一铁芯外表面的第一励磁线圈。可选的，所述第二磁场产生结构32为单个第二励磁线圈及第二铁芯缠绕结构。

具体的，在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述跑道区的宽度为17mm，所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈中电流值的取值范围为1.6-2.2A，所述第二铁芯为圆柱形铁芯，所述第二铁芯的直径取值范围为25mm-30mm，包括端点值。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一铁芯为无铁损铁芯，所述第二铁芯为无铁损铁芯。相较于采用有铁损的铁芯，本发明实施例所提供的阴极结构中，所述第一磁场产生结构31和第二磁场产生结构32采用无铁损的铁芯，可以减少所述第一磁场产生结构31和第二磁场产生结构32工作过中热量的产生，延长第一励磁线圈和第二励磁线圈的使用寿命。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述背板2为铜背板。使用铜背板一方面可以为靶材结构1提供良好的支撑作用，另一方面利用其较好的导热性能，及时散出所述靶材结构1在溅射过程中产生的热量，同时利用其低成本，降低所述背板的成本，从而降低所述磁控溅射镀膜阴极结构的成本。但本发明对此并不做限定，具体视情况而定，需要说明的是，本实施例除对背板2的材料不作限定外，对所述背板2的形状和尺寸也不做具体的限定，可以根据实际情况进行设定。

可选的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述背板为圆柱形结构，所述背板的直径为91.6mm，高度为6.5mm，以提高所述靶材结构跑道区的水平磁场密度分布的均匀性。但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一励磁线圈由漆包线构成，以保证所述第一励磁线圈中的导线与外界环境绝缘，从而有利于后续冷却装置的设置，避免所述第一励磁线圈中的导线与外界环境发生短路；所述第二励磁线圈由漆包线构成，以保证所述第二励磁线圈中的导线与外界环境绝缘，从而有利于后续冷却装置的设置，避免所述第二励磁线圈中的导线与外界环境发生短路。

需要说明的是，本实施例中对第一励磁线圈和第一励磁线圈中的漆包线的直径以及电导率并不做具体限定，视具体情况而定。

可选的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈中的电流大小为2A，线圈匝数为 3500匝，导线直径为1mm，导线导电率为6×10⁷S/m；所述第二铁芯直径为27mm，所述第一铁芯内径为71.6mm，外径为91.6mm，所述第一铁芯和所述第二铁芯的高度均为25mm，以提高所述靶材结构跑道区的水平磁场密度分布的均匀性。

请参考图2，图2为本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构的结构中磁性部件的俯视图。在本发明的一个实施例中，所述第一铁芯为环形结构，所述第二铁芯为柱形结构，所述第一磁场产生结构 31和所述第二磁场产生结构32所形成的环形磁场区域33为圆环形区域，所述靶材结构1位于所述环形磁场区域33内的部分为圆环形结构，以使得所述第一磁场产生结构和所述第二磁场产生结构之间的距离处处相同，从而使得所述靶材结构1位于所述环形磁场区域33内的水平磁通密度分布较为均匀，不存在边缘区域磁场强度较弱的现象，从而不会造成靶材结构1的边缘部分异常刻蚀，避免产生转角效应，延长靶材结构1使用寿命。但本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述环形磁场区域33还可以为矩形或其他形状，具体视情况而定。

可选的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述靶材结构1的平面形状为圆形，所述背板2与所述磁性部件3的平面形状也为圆形，第一磁场产生结构31的外径与靶材结构1的直径相等时，第一磁场产生结构31和第二磁场产生结构32形成的磁场区域与靶材结构1上的跑道区13为大小相等的圆环形。但本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述靶材结构1、所述背板2和/ 或所述磁性部件3还可以为矩形或其他形状，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一磁场产生结构的内径大于所述第二磁场产生结构的外径，可选的，在本发明实施例中，所述磁控溅射镀膜阴极结构还包括：

位于所述第一磁场产生结构31与所述第二磁场产生结构32之间的冷却装置，以加速所述靶材结构1在溅射过程中产生的热量的散热速度。

具体的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述冷却装置为循环水冷却装置。请参考图3，图3为本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构中背板的俯视图。在所述背板2上还设有与所述循环水冷却装置相连的循环水通入接口4。

本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构，通过加装冷却装置，使溅射过程中在靶材结构1上产生的热量更加快速的散发出去，延长靶材结构1的使用寿命。

由前述可知，在本发明实施例中，所述靶材结构1可以只包括第一靶材11一种靶材，还可以包括第二靶材、第三靶材等多种靶材，下面以所述靶材结构1包括第一靶材11和第二靶材12两种靶材为例，对本发明实施例所提供的磁控溅射阴极结构进行描述。

请参考图4，图4为本发明实施例所提供的另一种磁控溅射镀膜阴极结构中靶材结构的俯视图。在上述实施例的基础上，磁控溅射镀膜阴极结构除包括第一靶材11外，还包括：

位于所述第一靶材11背离所述背板2一侧的至少一个第二靶材 12，所述第一靶材11和所述第二靶材12的材料磁性相同，所述第二靶材12覆盖所述第一靶材11位于所述跑道区13的部分表面，以使得利用本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构镀的膜为所述第一靶材11的材料和所述第二靶材12的材料形成的复合膜，解决镀膜设备自身阴极结构数量对镀膜材料种数的限制。

具体地，本实施例中磁性相同是指第一靶材11的材料和第二靶材 12的材料同属于顺磁性材料或者第一靶材11的材料和第二靶材12的材料同属于铁磁性材料。

需要说明的是，虽然上述实施例是以所述靶材结构1包括第一靶材11和第二靶材12为例进行描述的，但对于所述靶材结构1还包括第三靶材、第四靶材、第五靶材等更多种靶材同样适用，本实施例对此并不做具体限定，可以根据镀膜成分的需要自行设定。

本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构，通过在第一靶材 11的表面跑道区13的部分表面添加第二靶材12，即可实现在单个靶材结构1工作时，得到具有复合材料的膜层，操作过程简单，实施的灵活性增强。

另外，本发明实施例还提供了的磁控溅射镀膜阴极结构，还可以在靶材结构1发生破裂时，通过在破裂处覆盖第二靶材12，溅射形成复合膜层材料，解决靶材结构1破裂后的浪费问题，提高靶材结构的利用率。

请参考图5，图5为本发明实施例所提供的又一种磁控溅射镀膜阴极结构中靶材结构的俯视图。在上述实施例的基础上，磁控溅射镀膜阴极结构的结构在所述第一靶材11背离所述背板2一侧具有多个所述第二靶材12，所述第二靶材12在所述跑道区13均匀分布。

可选的，第二靶材12的数量选择为四个，以满足复合膜层材料均匀性良好的同时，在后续软件模拟计算的时间又不会太长，提升效率。但本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述第二靶材的数量还可以选取2个或8个等其他数值，所述第二靶材的数量越多，所述复合膜层中材料的均匀性就越好，相应的，在后续软件模拟计算的时间也会相对较长。

作为一种具体实施方式，所述第二靶材12为金属圆片结构，所述第二靶材12的直径与所述跑道区13的宽度相同。需要说明的是，在第二靶材12数量一定的条件下，第二靶材12的直径与跑道区13 的宽度相同可以增加复合膜层中含有第二靶材12的材料的比例，使得复合膜层中不同材料的均匀性增强。

本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构，将多个第二靶材 12均匀分布在跑道区13中，可以使得到的复合膜的成分更加均匀。

下面结合具体实施例对本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构进行描述。

实施例一

具体的，所述背板2的直径为91.6mm，厚度为6.5mm，所述第一磁场产生结构31中第一铁芯为环形结构，其内径为71.6mm，外径为91.6mm，高度为25mm，第一励磁线圈中导线的直径为1mm，导电率为6×10⁷S/m，匝数为3500匝，第二磁场产生结构32中第二铁芯为柱形结构，其高度为25mm，直径为27mm，第二励磁线圈中导线的直径为1mm，导电率为6×107S/m，匝数为3500匝，靶材结构1的平面图形为直径为91.6mm圆形。

对上述阴极结构进行几何建模，对空气的物理属性进行定义，将所述第一靶材11设定为钛靶材，第一靶材厚度设定为5mm，即对靶材成分选择为钛并对钛靶材的物理属性进行定义，将所述背板2设定为铜背板，即对背板2成分选择为铜并对铜背板的物理属性进行定义，给所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈通电，产生环形磁场区域 33，然后采用粗化的自由四面体剖分对所述环形磁场区域33进行网格划分，即采用粗化的网格，利用自由四面体剖分技术，对所述环形磁场区域33进行网格划分，并对各网格处的磁通密度进行稳态计算，然后对计算结果进行处理，通过对计算结果的处理得到靶材结构1靶面的磁通密度分布、磁通密度模分布以及沿平行靶面方向(x轴)靶材结构1半径长度内磁通密度分布。

具体的，利用COMSOL Multiphysics软件对上述磁控溅射阴极结构进行磁场模拟，分别对第一励磁线圈和第二励磁线圈中通入0.5～3A 范围的电流(包括边界值)，所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈中通入的电流大小相等，电流方向相反，可选的，所述电流大小可以具体选择为0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A和3A的电流，观察所述靶材结构的靶面水平磁通密度在各个励磁电流数值下的分布变化可知，当电流依次为0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A时，靶材结构1上表面出现最大水平磁通密度的位置均为17.20mm，其最大水平磁通密度分别为0.01369T、0.02783T、0.04107T、0.05477T、0.06846T、0.08215T。由此可以看出，电流为0.5A时磁通密度值最小，3A时磁通密度值最大，即通过增加所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈中的电流，可以增大所述磁性部件3所产生的磁场强度，但对靶材结构1背离所述背板2一侧表面的最大水平磁通密度的位置、水平度和均匀性都没有影响。可选的，在本发明的一个实施例中，考虑到磁控溅射阴极结构磁场的选取范围为0.04～0.06T，所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈中的最佳电流选取值为2A。

实施例二

在本发明实施例中，所述靶材结构1只包括第一靶材11一种靶材，所述靶材结构1和所述背板2的俯视图为圆形，且所述背板2为铜背板，具体的，所述背板2的直径为91.6mm，厚度为6.5mm，所述第一磁场产生结构31中第一铁芯的内径为71.6mm，外径为91.6mm，高度为25mm，第一励磁线圈中导线的直径为1mm，导电率为 6×10⁷S/m，匝数为3500匝，第二磁场产生结构32中第二铁芯的高度为25mm，直径为27mm，第二励磁线圈中导线的直径为1mm，导电率为6×10⁷S/m，匝数为3500匝，靶材结构1的平面图形为直径为 91.6mm圆形。

具体的，利用COMSOL Multiphysics软件对上述磁控溅射阴极结构进行磁场模拟，固定所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈中的电流为2A，将所述第一靶材11的材料先后设置为铁磁性材料和非铁磁性材料(即顺磁性材料)，研究不同磁性材料的靶材结构1在同一厚度下，靶材结构1上的水平磁通密度的分布情况，并通过改变所述第一靶材11的厚度，研究同一磁性材料的靶材结构1在不同靶材结构1 厚度下，靶材结构1上表面水平磁通密度分布情况。

具体的，所述第一靶材11的材料分别选取铝(Al)、铜(Cu)、碳(C)、钛(Ti)、铁(Fe)五种常用的靶材材料，所述靶材结构1 厚度的变化范围为5mm～20mm，变化步长可选为2.5mm，即所述靶材结构1的厚度依次为5mm、7.5mm、10mm、12.5mm、15mm、17.5mm 和20mm，重复上述模拟实验得到：靶材结构材料为铝时，不同靶材厚度的靶材结构水平磁通密度变化曲线如图6所示；靶材结构材料为铜时，不同靶材厚度的靶材结构水平磁通密度变化曲线如图7所示；靶材结构材料为碳时，不同靶材厚度的靶材结构水平磁通密度变化曲线如图8所示；靶材结构材料为钛时，不同靶材厚度的靶材结构水平磁通密度变化曲线如图9所示；靶材结构材料为铁时，不同靶材厚度的靶材结构水平磁通密度变化曲线如图10所示。

从图6-图10可以看出，同一靶材结构1的厚度下，Al、Cu、C、 Ti四种材料靶材结构1上表面的水平磁通密度分布趋于一致，唯有Fe 靶材结构的水平磁通密度分布与上述四种靶材结构1不同，且相差较大。

发明人研究发现，这是因为Al、Cu、C、Ti这四种靶材结构均为顺磁性材料，而Fe靶材结构为铁磁性材料，对磁路具有阻碍作用，所以有较大差别。对这两类靶材结构1的上表面水平磁通密度的分布进行研究得出，不同顺磁性材料的靶材结构1上表面水平磁通密度的大小及分布均匀性与水平度并无不同，而相较于铁磁性靶材结构，顺磁性材料的靶材结构上表面的水平磁通密度的大小明显要小得多，但其分布均匀性与水平度要优于铁磁性靶材结构。因此，本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构中，当所述靶材结构包括至少两种靶材时，只要所述至少两种靶材的材料磁性相同，即对所述磁性部件产生的磁场的水平磁通密度的大小及分布均匀性与水平度影响不大，可以用于形成复合膜层，也即磁性相同的靶材可以拼接成一个靶材结构进行复合膜层的制备。

从图6-图10还可以看出，靶材结构1厚度为5mm时，所述靶材结构1的水平磁通密度均匀分布的范围为15.2mm～32.2mm，即跑道区 13宽度为17mm。由此可见，本发明所提供的磁控溅射镀膜阴极结构中靶面的水平磁场密度分布较为均匀的区域较大，即第一磁场产生结构31和第二磁场产生结构32形成的环形磁场区域33的宽度较宽，所以，本发明提供的磁控溅射镀膜阴极结构中靶材结构1上跑道区13 的宽度较宽。

实施例三

在本发明实施例中，所述靶材结构1包括第一靶材11和第二靶材 12两种靶材，即靶材结构1为拼接靶材结构，所述靶材结构1和所述背板的形状2为圆形，且所述背板2为铜背板，具体的，第二靶材12 的形状为圆片状，在第一靶材11的部分跑道区13上对称粘贴若干第二靶材12，所述背板2的直径为91.6mm，厚度为6.5mm，所述第一磁场产生结构31中第一铁芯的内径为71.6mm，外径为91.6mm，高度为25mm，第一励磁线圈中导线的直径为1mm，导电率为6×10⁷S/m，匝数为3500匝，第二磁场产生结构32中第二铁芯的高度为25mm，直径为27mm，第二励磁线圈中导线的直径为1mm，导电率为 6×10⁷S/m，匝数为3500匝，靶材结构1的平面图形为直径为91.6mm 圆形。

具体的，选择所述第一靶材11的材料为Ti，选择所述第二靶材 12的材料为Al，第二靶材12的数量选择为四个。

利用COMSOL Multiphysics软件对上述磁控溅射阴极结构进行磁场模拟，固定所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈中的电流为2A，研究靶材结构靶面的水平磁通密度分布情况。

由上述模拟实验得到，当靶材结构1为Ti和Al的拼接靶材结构时，拼接靶材结构靶面水平磁通密度分布曲线如图11中所示。由图 11可以看出，与只包括第一靶材Ti的靶材结构相比，在Ti和Al两种靶材组成的拼接靶材结构中，在第一靶材Ti靶和第二靶材Al靶的分界区域和第一靶材Ti靶和第二靶材Al靶的拼接部位，会出现水平磁通密度大小的浮动，其余部位水平磁通密度大小与只包括第一靶材Ti 靶的靶材结构时完全吻合，对靶材结构的靶面的水平磁通密度分布无较大影响，此结果显示了靶材结构1拼接的可行性。相较常规合金靶而言，拼接的靶材结构1制备更加方便，实施灵活性更大，实现了靶材破裂后的再利用，经济性能优异。

进一步的，将Ti和Al的拼接靶材结构上表面水平磁通密度分布曲线与只包括第一靶材Ti靶的靶材结构1上表面水平磁通密度分布曲线进行比较，可以得出：Ti和Al拼接的靶材结构1上表面最大水平磁通密度出现在x＝19.61mm处，其数值为0.05469T，而只包括第一靶材Ti靶的靶材结构1上表面最大水平磁通密度出现在x＝17.20mm处，其数值为0.05477T；Ti和Al的拼接靶材结构1的上表面水平磁通密度分布不再沿着Ti和Al的拼接靶材结构1的上表面半径的中点对称分布。由此可见，靶材结构1拼接后，由于成分和结构的不均匀性，会使得在第一靶材11和第二靶材12的突变处出现水平磁通密度的不均匀性分布。

综上，本发明实施例所提供的磁控溅射镀膜阴极结构中，所述磁性部件由第一磁场产生结构和第二磁场产生结构组成，第一磁场产生结构由所述第一铁芯以及围绕在所述第一铁芯外表面的第一励磁线圈构成，所述第二磁场产生结构由第二铁芯与缠绕在所述第二铁芯外表面的第二励磁线圈构成，所述磁性部件的磁场通过向所述第一励磁线圈和所述第二线圈中通入电流产生，且所述磁性部件产生的磁场强度的大小由所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈中通入的电流的大小来控制，因此，本发明所提供的磁控溅射镀膜阴极结构，在所述磁性部件产生的磁场强度随着使用时间的延长而发生衰减时，可以通过调节所述第一励磁线圈和/或所述第二励磁线圈中的电流大小，来调节所述磁性部件产生的磁场强度，使靶材结构上跑道区的磁场强度保持较为稳定，使镀膜过程更加稳定，提高镀膜的质量，解决由于磁场强度会发生衰减而导致镀膜的质量下降的问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本发明所提供的磁控溅射镀膜阴极结构进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种磁控溅射镀膜阴极结构，其特征在于，包括：依次层叠的靶材结构、背板和磁性部件；

所述靶材结构包括第一靶材以及位于所述第一靶材背离所述背板一侧的至少一个第二靶材，所述第一靶材和所述第二靶材的材料磁性相同，所述第二靶材覆盖所述第一靶材位于跑道区的部分表面，所述靶材结构工作时形成有一跑道区；

所述磁性部件包括第一磁场产生结构和第二磁场产生结构，所述第一磁场产生结构为环形磁场结构，所述第二磁场产生结构位于所述环形磁场结构的中心区域，所述第一磁场产生结构和所述第二磁场产生结构形成一环形磁场区域，所述环形磁场区域与所述跑道区的形状相同；

其中，所述第一磁场产生结构包括第一铁芯以及缠绕在所述第一铁芯外表面的第一励磁线圈；所述第二磁场产生结构包括第二铁芯以及缠绕在所述第二铁芯外表面的第二励磁线圈；所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈为纯励磁线圈。

2.根据权利要求1所述的阴极结构，其特征在于，所述环形磁场区域为圆环形区域，所述靶材结构位于所述环形磁场区域内的部分为圆环形结构。

3.根据权利要求1所述的阴极结构，其特征在于，所述第一励磁线圈由漆包线构成；所述第二励磁线圈由漆包线构成。

4.根据权利要求1所述的阴极结构，其特征在于，所述第一铁芯为无铁损铁芯；所述第二铁芯为无铁损铁芯。

5.根据权利要求1所述的阴极结构，其特征在于，所述背板为铜背板。

6.根据权利要求5所述的阴极结构，其特征在于，还包括：

位于所述第一磁场产生结构与所述第二磁场产生结构之间的冷却装置。

7.根据所述权利要求6所述的阴极结构，其特征在于，所述冷却装置为循环水冷却装置。

8.根据权利要求1所述的阴极结构，其特征在于，所述第一靶材背离所述背板一侧具有多个所述第二靶材，所述第二靶材在所述跑道区均匀分布。

9.根据权利要求8所述的阴极结构，其特征在于，所述第二靶材为金属圆片结构，所述第二靶材的直径与所述跑道区的宽度相同。