CN110965036A

CN110965036A - 稀土永磁体表面真空镀膜设备

Info

Publication number: CN110965036A
Application number: CN201911365622.3A
Authority: CN
Inventors: 刘顺钢; 张浙军; 康振东; 顾建文; 曹磊; 王海平
Original assignee: Shenyang Guangtai Vacuum Technology Co ltd
Current assignee: Shenyang Guangtai Vacuum Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: CN110965036B

Abstract

本发明涉及稀土永磁体表面物理气相沉积稀土金属材料的设备，具体为稀土永磁体表面真空镀膜设备。解决现有稀土永磁体真空镀膜设备存在的沉积速率较低、电耗高以及靶材利用率较低的问题。该设备包括壳体，阴极板和设置于阴极板上的稀土金属靶材，靶材背部设置有磁性材料；靶材由多个分段靶材等距或不等距间隔排列而成且整体呈条形长方体状，每个分段靶材的长度L1是整体靶材长度L的2%－15%，相邻分段靶材之间的间隔L2是分段靶材长度L1的30%－50%；靶材背部设置的磁性材料形成的磁场强度为80GS～180GS；壳体内氩气的充入量使壳体内真空度保持在0.8Pa～3Pa。本发明提高了靶材利用率和沉积速率，电耗大幅度降低。

Description

稀土永磁体表面真空镀膜设备

技术领域

本发明涉及稀土永磁体表面物理气相沉积稀土金属材料的设备，具体为稀土永磁体表面真空镀膜设备。

背景技术

采用真空镀膜方式，把轻稀土金属（如钕或镨、镧、铈）或重稀土金属（镝或铽、钬、钆）从固态直接转化为等离子态，沉积到稀土永磁体的表面形成牢固的稀土膜层，然后把表面膜层的轻稀土或重稀土沿晶界扩散渗透到永磁体里，可以制作更高性能的稀土永磁体，并且能减少轻稀土（如钕或镨、镧、铈）或重稀土（镝或铽、钬、钆）在稀土永磁体的用量，从而实现成本降低。

现有的稀土永磁体真空镀膜设备包括壳体（镀膜工艺室），壳体内设有位置相对的阳极板和阴极板，阴极板上设置有单条或多条长方体状的条形稀土金属靶材（所谓条形指长方体的长宽比较大），基片（需镀膜的稀土永磁体）设置于阳极板上，靶材背部设置永磁材料形成磁场（永磁材料设置于阴极板和靶材之间，或者设置于阴极板背部）。工作时，对壳体（镀膜工艺室）进行抽真空，获得开始镀膜前的本底真空，本底真空达到后，向镀膜工艺室内充入工艺气体氩气（形成气场）；然后启动电源，在阳极板和阴极板之间施加电压，电能迅速转换为热能，此时稀土金属靶材在电场作用下，很快被加热到足够高的温度，产生电离效应，产出等离子体（外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，电子离开原子核，形成由带正电的原子核和带负电的电子组成的、总体近似电中性的一团均匀的离子浆，称为等离子体），等离子体在越过平均自由程后，沉积到基片（稀土永磁体）的表面，同时，等离子体的电子在电场的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使氩原子电离产生出氩正离子Ar⁺和氩电子；氩正离子Ar⁺在电场作用下加速飞向阴极板上的靶材，并以高能量轰击靶材表面，使靶材发生溅射，在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成镀膜。氩电子会受到磁场作用，被约束在靠近靶材表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出更大量的氩正离子Ar+来轰击靶材，从而可以再次提高沉积速率。随着碰撞次数的增加，氩电子的能量消耗殆尽，逐渐远离等离子体区域，并在电场的作用下最终沉积在基片上形成薄膜。

靶材在溅射过程中，受到磁场强度和磁场分布的影响（如图2所示），电子会沿着磁力线被集中约束在靶材表面的局部区域不断轰击靶材，原本规则的靶材会形成沟槽（称为靶材刻蚀），靶材刻蚀形貌决定了靶材利用率（靶材利用率即1－余留靶材重量÷靶材原重量×100％），当刻蚀沟槽深度接近靶材厚度时，就不能继续进行真空镀膜，需更换靶材。

可见，真空镀膜是在电场、磁场和气场的共同作用下完成的，电场、磁场和气场的工艺参数不同，等离子体产额就会不同，相应的沉积速率就会不同，同时电耗和靶材的利用率也会不同。

现有稀土永磁体真空镀膜设备，由于电场、磁场和气场的工艺参数选择欠佳，靶材利用率较低，并且沉积速率较低、电耗高；而轻稀土金属（如钕或镨、镧、铈）或重稀土金属（镝或铽、钬、钆）靶材的费用昂贵，因此造成目前的稀土永磁体表面进行稀土金属真空镀膜成本较高。导致上述缺陷的原因：

首先，靶材背部设置永磁材料形成的磁场强度较高，一般达到了400GS以上，且磁场在长方体状的条形稀土金属靶材上的分布呈现两侧高、中间低的形态（见图2），在镀膜时磁场约束电子运动就主要刻蚀两侧，中间部分余留比例很大（见图3），导致靶材利用率低。

其次，在电场方面，虽然电场给予靶材的电功率很大，但由于靶材是整块的条形长方体（见图1），体积较大，作用在靶材上的功率密度（电功率和靶材体积的比值）实际是小的，约在0.002KW/cm³～0.004KW/cm³，这样使得电离出等离子体的产额不高，相应的沉积速率就低。而稀土金属材质的靶材有别于铜、铝等材质的靶材，导电率和导热率都低，如果想通过增大电功率来提高作用在靶材上的功率密度，没有具有经济性的适宜的电源来予以支持。

再次，工作时，镀膜室内充入的氩气浓度较低（充氩后镀膜工艺室内真空度一般在0.1Pa～0.01Pa），从而不能有效增加氩正离子Ar+产额；另一方面，在0.002KW/cm³～0.004KW/cm³的电功率密度条件下，即使是增加氩气浓度，由于受限于电功率密度较低，也不会明显增加氩正离子Ar+产额。

发明内容

本发明解决现有稀土永磁体真空镀膜设备存在的沉积速率较低、电耗高以及靶材利用率较低的问题，提供一种稀土永磁体真空镀膜设备。通过对电场、磁场和气场工艺参数的优化，以解决现有技术存在的问题。

本发明是采用如下技术方案实现的：稀土永磁体真空镀膜设备，包括壳体，阴极板和设置于阴极板上的稀土金属靶材，靶材背部设置有磁性材料；靶材由多个分段靶材等距或不等距间隔排列而成且整体呈条形长方体状，每个分段靶材的长度L1是整体靶材长度L的2%－15%，相邻分段靶材之间的间隔L2是分段靶材长度L1的30%－50%；靶材背部设置的磁性材料形成的磁场强度为80GS～180GS；工作时，先对壳体进行抽真空，达到真空度低于0.03Pa，以获得开始镀膜前的本底真空；本底真空达到后，向壳体内充入氩气，氩气的充入量使壳体内真空度保持在0.8Pa～3Pa。

增加氩气的浓度可以增加级联碰撞，提高氩正离子Ar+产额，但浓度太高时，由于等离子体平均自由程受到限制，反而会影响沉积的速度；本发明在增加氩气浓度的同时，通过改变靶材的分布，使得每个分段靶材的电功率密度提高到0.006KW/cm³～0.01KW/cm³之间；电功率密度的提高增加了等离子体的产额，又增加了等离子体的平均自由程。通过两者的均衡配合，实现了提高沉积速率的目的。靶材分布参数在提高电功率密度的同时，还降低了电耗，也兼顾了受镀工件（基片）镀层的均匀性。如果L1小于2%，单个分段靶材的电功率密度太大，稀土靶材导热率低，会产生高温度，导致设备部件变形，甚至破坏设备的真空密封圈；如果L1大于15%，单个分段靶材上的电功率密度太小，达不到提高等离子体产额，提高沉积速率的目的。L2决定分段靶材的间距，影响相邻分段靶材之间等离子体交叉区的大小，最终既影响沉积速率，也影响受镀工件镀层的均匀性；如果L2低于L1的30%，相邻分段靶材之间的等离子交叉区重叠部分比例太大，交叉区下方的受镀工件的镀层太厚，如果L2小于L1的20%，甚至会造成相邻分段靶材之间互镀；如果L2大于L1的50%，相邻分段靶材之间的等离子交叉区重叠部分比例太小，交叉区下方的受镀工件镀层太薄，甚至出现不受镀区。通过降低磁场强度，以实现在镀膜时，既保证了磁场约束电子运动功能，又使得磁场分布呈现扁平形态。实际上，稀土金属材质的靶材，属于感磁材料，因此，有别于隔磁性质的靶材，稀土金属材质的靶材背部的磁场在较低强度下就可以透过靶材实现约束电子运动功能，当磁场强度较低时，即使是磁场分布仍然是两侧高、中间低，但会呈现扁平形态，从而降低靶材中间部分余留比例（见图4），相应的就会增加靶材的利用率。

本发明针对稀土金属靶材的材质特性，合理协同搭配磁场、气场和电场工艺参数，设计合理，既提高了靶材利用率，能够保障稀土膜层的实现，也无需新增复杂的流程；同时沉积速率大幅度提高，电耗大幅度降低，实现生产成本大幅度降低。与现有技术相比，本发明的沉积速率提高约1.8-2倍，电耗低约34%，靶材利用率提高22%左右，可实现批量化生产时成本大幅度降低，生产效率大幅度提高。

附图说明

图1为现有稀土永磁体真空镀膜设备的阴极板及其上的靶材结构示意图；

图2为靶材受磁场分布影响的示意图；

图3为现有稀土永磁体真空镀膜设备的靶材形成刻蚀后的示意图；

图4为本发明稀土永磁体真空镀膜设备的靶材形成刻蚀后的示意图；

图5为本发明稀土永磁体真空镀膜设备的阴极板及其上的靶材结构示意图。

具体实施方式

稀土永磁体真空镀膜设备，包括壳体，阴极板和设置于阴极板上的稀土金属靶材，靶材背部设置有磁性材料；靶材由多个分段靶材等距或不等距间隔排列而成且整体呈条形长方体状，每个分段靶材的长度L1是整体靶材长度L的2%－15%（如，2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、8.5%、9%、10%、11.3%、12%、13%、14%、15%），相邻分段靶材之间的间隔L2是分段靶材长度L1的30%－50%（如30%、35%、38%、40%、43%、45%、48%、50%）；靶材背部设置的磁性材料形成的磁场强度为80GS～180GS（如，80 GS、90 GS、100 GS、105 GS、120 GS、130 GS、150 GS、165GS、170 GS、180 GS）；工作时，先对壳体进行抽真空，达到真空度低于0.03Pa，以获得开始镀膜前的本底真空；本底真空达到后，向壳体内充入氩气，氩气的充入量使壳体内真空度保持在0.8Pa～3Pa（如，0.8 Pa、0.9 Pa、1.0 Pa、1.5 Pa、2 Pa、2.5 Pa、3 Pa）。作为优选，每个分段靶材的长度L1是是整体靶材长度L的的6%－15%。具体实施时，分段靶材为长方形或正方形，且各分段靶材的宽度相同，这样，各分段靶材的宽度就是整体靶材的宽度，各分段靶材的厚度一致，且与现有设备上的靶材相比，厚度不变。

Claims

1.一种稀土永磁体真空镀膜设备，包括壳体，阴极板和设置于阴极板上的稀土金属靶材，靶材背部设置有磁性材料；其特征在于，靶材由多个分段靶材等距或不等距间隔排列而成且整体呈条形长方体状，每个分段靶材的长度L1是整体靶材长度L的2%－15%，相邻分段靶材之间的间隔L2是分段靶材长度L1的30%－50%；靶材背部设置的磁性材料形成的磁场强度为80GS～180GS；工作时，先对壳体进行抽真空，达到真空度低于0.03Pa，以获得开始镀膜前的本底真空；本底真空达到后，向壳体内充入氩气，氩气的充入量使壳体内真空度保持在0.8Pa～3Pa。

2.根据权利要求1所述的稀土永磁体真空镀膜设备，其特征在于，分段靶材为长方形或正方形，且各分段靶材的宽度相同。

3.根据权利要求1或2所述的稀土永磁体真空镀膜设备，其特征在于，每个分段靶材的长度L1是是整体靶材长度L的的6%－15%。