CN109504948A - 一种筒形溅射阴极及离子引出系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种筒形溅射阴极及离子引出系统，其中，筒形溅射阴极包括具有中空部的筒形壳体，所述筒形壳体内沿径向由外至内依次设置有：用于屏蔽所述筒形壳体以外的带电体的屏蔽罩、抵接在所述屏蔽罩上起绝缘隔离作用的定位套、抵接在所述定位套上的磁短路组件、两个咬合在所述磁短路组件上下两侧的环形磁铁，以及用于轴向固定靶材的靶材固定组件；两个所述环形磁铁相对的一侧磁极相反。本发明通过在筒形壳体中设置环形磁铁，并在环形磁铁的外侧依次设置有磁短路组件和屏蔽罩，解决了现有的等离子源系统中磁场不闭合、起辉及维持放电困难的问题。

Description

一种筒形溅射阴极及离子引出系统

技术领域

本发明涉及磁控溅射领域，尤其涉及一种筒形溅射阴极及离子引出系统。

背景技术

金属离子注入与沉积技术被广泛应用于传统的工程领域如：刀具、模具、机械防护等。同时，在新兴的半导体、新能源技术领域也体现出巨大的市场应用前景。目前，主要采用“MeVVA”源作为金属离子注入与沉积的主要手段，但其存在结构复杂、冷却条件苛刻、放电脉冲短、输出效率有限等缺陷，其大规模、高效率应用被严重制约。

研究人员对平面磁控溅射技术及阴极弧技术存在的问题进行改进，设计开发了一种筒形溅射阴极结构，如图1所示，包括壳体1a，壳体1a中平行布置有若干条形磁铁2a，相邻的两个条形磁铁2a相对的一侧磁极相反。筒形溅射阴极可将溅射约束在筒形靶材内部，溅射出来的材料在腔内与电子、Ar⁺、Ar、靶材料反复碰撞、离化，可有效提高离化率。

但是该筒形溅射阴极，磁力线方向为圆周方向，在金属等离子体源端部会出现明显的漏磁现象，其磁力线向外倾斜，而不是形成垂直于磁控靶的拱形磁力线；这导致金属等离子体源不封闭，磁控跑道上出现电子“决堤”效应，磁控靶发射的电子快速逃逸，最终导致金属等离子体源需要很高的起辉气压及工作气压，维持稳定放电困难且束流密度低。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种筒形溅射阴极及离子引出系统，旨在解决现有的筒形溅射阴极会出现漏磁现象。

本发明的技术方案如下：

一种筒形溅射阴极，包括具有中空部的筒形壳体，所述筒形壳体内沿径向由外至内依次设置有：用于屏蔽所述筒形壳体以外的带电体的屏蔽罩、抵接在所述屏蔽罩上起绝缘隔离作用的定位套、抵接在所述定位套上的磁短路组件、两个咬合在所述磁短路组件上下两侧的环形磁铁，以及设置在所述磁短路组件的末端、用于轴向固定靶材的靶材固定组件；

两个所述环形磁铁相对的一侧磁极相反。

所述的筒形溅射阴极，其中，两个所述环形磁铁之间的间距为20-50mm，所述环形磁铁的磁极场强为200-800mT。

所述的筒形溅射阴极，其中，所述磁短路组件、所述环形磁铁以及所述靶材固定组件围成了一个容纳腔，所述容纳腔内紧贴所述磁短路组件和所述环形磁铁的表面设置有靶座，所述容纳腔中容置有冷却液。

所述的筒形溅射阴极，其中，所述磁短路组件采用Fe基、Co基或Ni基合金制作而成。

所述的筒形溅射阴极，其中，所述磁短路组件包括磁短路套和两个磁短路环；

所述磁短路套的横截面为“凸”字形，凸台设置在所述磁短路套的内圈上；两个所述磁短路环分别位于所述磁短路套上下两侧、并抵接在厚度较厚的部分的表面；

两个所述环形磁铁分别咬合在所述凸台的两侧。

所述的筒形溅射阴极，其中，所述靶材固定组件包括靶套和两个靶材固定环；

两个所述靶材固定环分别咬合在所述磁短路环上远离所述磁短路套的一端，所述靶套扣接在两个所述靶材固定环上。

所述的筒形溅射阴极，其中，所述靶套和所述靶材固定环采用导电、导热性好、且无磁性的金属或合金制作而成。

所述的筒形溅射阴极，其中，所述溅射阴极的供电方式为高功率脉冲磁控溅射、直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射或复合脉冲磁控溅射。

一种离子引出系统，包括如上所述的筒形溅射阴极、线圈和两个喇叭形框架；

所述喇叭形框架包括一体化成型的喇叭缩口和张开部，两个所述喇叭形框架分别通过所述喇叭缩口连接在所述筒形溅射阴极的中空部的两端；

所述线圈设置在所述喇叭缩口的外圈。

所述的离子引出系统，其中，所述喇叭形框架的入口直径R₁为5-30mm，出口直径R₂为20-50mm，并且R₁＜R₂。

有益效果：本发明提供了一种如上所述的筒形溅射阴极，通过在筒形壳体中设置环形磁铁，并在环形磁铁的外侧依次设置有磁短路组件和屏蔽罩，解决了现有的等离子源系统中磁场不闭合、起辉及维持放电困难的问题。

附图说明

图1为现有技术的筒形溅射阴极的结构图。

图2是本发明的一种筒形溅射阴极的实施例的俯视图。

图3是沿图2的A-A线的剖面图。

图4是图3的筒形溅射阴极的磁感线分布模拟图。

图5是本发明的一种离子引出系统的实施例的剖视图。

图6是图5的离子引出系统的磁感线分布模拟图。

图7是图5的离子引出系统中靶材表面横向磁场强度展开模拟图。

图8是线圈电流的大小对引出离子的密度分布的影响图。

图9是线圈电流的方向对引出离子的密度分布的影响图。

具体实施方式

本发明提供了一种筒形溅射阴极及离子引出系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。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。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种筒形溅射阴极的较佳实施例，如图2和图3所示，包括筒形壳体1、屏蔽罩2、定位套3、磁短路组件4、环形磁铁5以及靶材固定组件6。筒形壳体1的中间设置有中空部11。各零部件均设置于筒形壳体1内，屏蔽罩2靠筒形壳体1的最外侧设置，用于屏蔽筒形壳体1以外的带电体，防止其它部件起辉；定位套3抵接在屏蔽罩2上，起绝缘隔离作用；磁短路组件4抵接在所述定位套3上，两个环形磁铁5分别咬合在磁短路组件4上下两侧，两个环形磁铁相对的一侧磁极相反。靶材固定组件6设置在磁短路组件4的末端，用于轴向固定靶材72。本发明中阳极71可以设置在筒形壳体1的上下端面，同时能够起到屏蔽筒形壳体以外的带电体。

本发明的筒形溅射阴极的磁感线分布模拟图如图4所示，磁场沿轴线方向，在靶材内表面形成一个闭合的环形磁场，有效提高了放电的稳定性。解决了现有的等离子源系统中磁场不闭合、起辉及维持放电困难的问题。本发明中靶材72可以是Li、Na、K、Rb、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Tr、Ni、Pb、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、B、Al、Ga、In、Tl、C、Si、Ge、Sn、Pb、N、P、As、Sb、O、S、Se、Te、F、Cl、Br、I、所有镧系金属、锕系金属及其组成的金属或化合物中的一种或多种。

具体的，可以通过调节两个磁铁的间距及磁极到靶材72表面的距离，来控制靶面横向磁场的强度，优选的控制靶面横向磁场强度为20-100 mT。例如，将两个环形磁铁之间的间距设置为20-50 mm，磁铁选择磁极场强为200-800 mT。为了降低环形磁铁5的加工难度，可以采用多段磁铁拼接成环形。

本发明中，可以磁短路组件4、环形磁铁5以及靶材固定组件6围成一个容纳腔，容纳腔内紧贴所述磁短路组件4和所述环形磁铁5的表面设置有靶座，靶座采用导电、导热性良好但不导磁材料制作，例如Al、V、Ti、Cr、Mn、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au及其导电且无磁性的合金，优选采用铜。容纳腔中容置有冷却液（水或油），本发明通过靶座将环形磁铁与冷却液分隔开，可防止磁铁被腐蚀，提高溅射阴极的使用寿命。屏蔽罩2、阳极71都可以采用上述材料。

本发明还具体提供了一种磁短路组件4的较佳实施例，如图3所示，包括磁短路套41和两个磁短路环42；磁短路套41的横截面为“凸”字形，凸台设置在磁短路套41的内圈上；两个磁短路环42分别位于磁短路套41上下两侧、并抵接在厚度较厚的部分的表面；两个环形磁铁5分别咬合在凸台的两侧。磁短路套41及磁短路环42均采用Fe、Co、Ni基等导磁性、导热性良好的合金材料制作。优选的，环形磁铁5的N、S极伸出磁短路环42以外，不被完全覆盖。磁短路套41及磁短路环42能够防止漏磁，增强磁极强度。

本发明还具体提供了一种靶材固定组件6的较佳实施例，如图3所示，包括靶套61和两个靶材固定环62；两个靶材固定环62分别咬合在磁短路环42上远离磁短路套41的一端，靶套61扣接在两个靶材固定环62上。优选的，靶套61和靶材固定环62采用导电、导热性好、且无磁性的金属或合金制作而成，例如不锈钢、Al、V、Ti、Cr、Mn、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au等。

本发明中，溅射阴极的供电方式可以是高功率脉冲磁控溅射、直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射或复合脉冲磁控溅射。

基于本发明的溅射阴极，本发明还提供了一种离子引出系统的较佳实施例，如图5所示，在筒形溅射阴极的中空部上下两侧，分别连接喇叭形框架9，喇叭形框架9最好采用不导磁材料制作，例如钛、铜、铝、不锈钢等。喇叭形框架9包括喇叭缩口91和张开部92，两者一体化成型。喇叭缩口91的外圈缠绕有线圈8。

具体的可以在喇叭缩口91的外壁上设置绕线槽，优选的，缠绕匝数大于100匝，线圈8优先采用铜、铝和银等导电性导热性较好的材料，缠绕方式可以是均匀的或者非均匀的。优选的，喇叭形框架9的入口直径R₁为5-30mm，出口直径R₂为20-50mm，并且R₁＜R₂。

离子引出系统中，靶材表面横向磁场强度展开模拟结果如图6所示，磁感线分布及原理图如图7所示，离子由喇叭缩口91进入喇叭形框架9，进入后在磁场的作用下沿磁感线运动，最终从张开部92流出。该方案利用电磁铁的可控性好、磁感线分布均匀的原理，可控制穿过基片表面的磁感线的疏密程度，提高沉积速率，改善薄膜均匀性。本发明的离子引出系统，可有效改善离子引出的可控性，减少离子浪费，使沉积速率可达到改善前的3倍以上。

线圈8的供电方式可以是直流或交流。其电流密度还可以是0到导线所能承受的最大限度之内的任何值。改变电流的大小，会对离子的密度分布有一定的影响，进而可控制离子引出的速率，如图8所示。线圈8的电流密度还可以为负值，即改变电流方向，在该引出模式下，离子发散引出，可用于大范围的均匀沉积。即改变电流的方向，可控制离子引出的范围，如图9所示。

综上所述，本发明提供了一种筒形溅射阴极及离子引出系统，本发明的筒形溅射阴极，磁场沿轴线方向，在靶材内表面形成一个闭合的环形磁场，有效提高了放电的稳定性。解决了现有的等离子源系统中磁场不闭合、起辉及维持放电困难的问题；并且本发明的环形磁铁与冷却液是分隔开的，可防止磁铁被腐蚀，提高溅射阴极的使用寿命。本发明还提供了一种喇叭形离子引出系统，可有效改善离子引出的可控性，减少离子浪费，使沉积速率可达到改善前的3倍以上。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种筒形溅射阴极，包括具有中空部的筒形壳体，其特征在于，所述筒形壳体内沿径向由外至内依次设置有：用于屏蔽所述筒形壳体以外的带电体的屏蔽罩、抵接在所述屏蔽罩上起绝缘隔离作用的定位套、抵接在所述定位套上的磁短路组件、两个咬合在所述磁短路组件上下两侧的环形磁铁，以及设置在所述磁短路组件的末端、用于轴向固定靶材的靶材固定组件；

两个所述环形磁铁相对的一侧磁极相反。

2.根据权利要求1所述的筒形溅射阴极，其特征在于，两个所述环形磁铁之间的间距为20-50mm，所述环形磁铁的磁极场强为200-800mT。

3.根据权利要求1所述的筒形溅射阴极，其特征在于，所述磁短路组件、所述环形磁铁以及所述靶材固定组件围成了一个容纳腔，所述容纳腔内紧贴所述磁短路组件和所述环形磁铁的表面设置有靶座，所述容纳腔中容置有冷却液。

4.根据权利要求1所述的筒形溅射阴极，其特征在于，所述磁短路组件采用Fe基、Co基或Ni基合金制作而成。

5.根据权利要求1所述的筒形溅射阴极，其特征在于，所述磁短路组件包括磁短路套和两个磁短路环；

所述磁短路套的横截面为“凸”字形，凸台设置在所述磁短路套的内圈上；两个所述磁短路环分别位于所述磁短路套上下两侧、并抵接在厚度较厚的部分的表面；

两个所述环形磁铁分别咬合在所述凸台的两侧。

6.根据权利要求5所述的筒形溅射阴极，其特征在于，所述靶材固定组件包括靶套和两个靶材固定环；

两个所述靶材固定环分别咬合在所述磁短路环上远离所述磁短路套的一端，所述靶套扣接在两个所述靶材固定环上。

7.根据权利要求6所述的筒形溅射阴极，其特征在于，所述靶套和所述靶材固定环采用导电、导热性好、且无磁性的金属或合金制作而成。

8.根据权利要求1-7任一项所述的筒形溅射阴极，其特征在于，所述溅射阴极的供电方式为高功率脉冲磁控溅射、直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射或复合脉冲磁控溅射。

9.一种离子引出系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的筒形溅射阴极、线圈和两个喇叭形框架；

所述喇叭形框架包括一体化成型的喇叭缩口和张开部，两个所述喇叭形框架分别通过所述喇叭缩口连接在所述筒形溅射阴极的中空部的两端；

所述线圈设置在所述喇叭缩口的外圈。

10.根据权利要求9所述的离子引出系统，其特征在于，所述喇叭形框架的入口直径R₁为5-30mm，出口直径R₂为20-50mm，并且R₁＜R₂。