CN111378946A - 提高溅射离化率的溅射阴极、真空镀膜系统及镀膜方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了提高溅射离化率的溅射阴极、真空镀膜系统及镀膜方法，其中溅射阴极包括：中空圆柱筒型靶套，所述靶套内设有靶材；冷却系统，置于所述靶套外壁；环形磁铁，均匀安装在靶材后侧并靠近靶材端口处，且与冷却系统相邻；所述环形磁铁及冷却系统外侧设有磁钢；磁钢外侧设置罩有屏蔽罩。所述环形磁铁在靶面形成闭合环形电子跑道，将电子有效地约束在等离子体内部，降低了起辉电压，提高了放电稳定性及溅射材料的离化率。

Description

提高溅射离化率的溅射阴极、真空镀膜系统及镀膜方法

技术领域

本公开涉及磁控溅射技术领域，尤其涉及的是提高溅射离化率的溅射阴极、真空镀膜系统及镀膜方法。

背景技术

传统磁控溅射阴极广泛用于刀具、模具等领域。目前，主流的镀膜技术主要以平面磁控溅射技术以及阴极弧离子镀技术为主。然而平面磁控溅射技术缺点有：材料离化率低、可控性差；而阴极弧离子镀虽有高的材料离化率，其束流的能量、方向可控性好，但是束流中存在大量金属“液滴”，在薄膜上形成“大颗粒”缺陷，对薄膜的质量产生严重影响。

专利号为201410268695.1和201410268732.9的专利中，对平面磁控溅射技术及阴极弧技术存在的问题进行改进，设计并保护了一种圆筒形金属等离子体源结构。圆筒形金属等离子体源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，离子扩散出来并沉积在工件表面，实现镀膜。采用这种方式使靶面“打弧”产生的“金属液滴”被限制在筒形靶内部。

但是公开的筒形金属等离子体源采用条形磁体提供磁场，形成电子跑道不闭合，电子容易从磁极端部“决堤”式逃逸，导致等离子体源起辉气压高，放电不稳定。筒形靶材内部的电子大量逃逸，不利于溅射材料的离化，进而影响引出束流的密度。

针对此，提出采用环形磁铁，形成闭合电子跑道，避免电子从磁极端部“决堤”式逃逸，从而将电子有效的约束在等离子体内部，降低起辉电压，提高放电稳定性及溅射材料的离化率。

发明内容

本公开要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供提高溅射离化率的溅射阴极、真空镀膜系统及镀膜方法，旨在解决现有技术中的电子容易从磁极端部“决堤”式逃逸，导致等离子体源起辉气压高的问题，进一步的解决了不能实现保持靶面放电区域的同时也保持溅射材料的离化率的问题。

本公开解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，包括：呈中空圆柱筒型靶套，所述靶套内设有靶材；冷却系统，置于所述靶套外壁；环形磁铁，均匀安装在靶材后侧并靠近靶材端口处，且与所述冷却系统相邻；所述环形磁铁及冷却系统外侧设有磁钢；所述磁钢外设置有屏蔽罩。

进一步地，所述环形磁铁的内环和外环分别是N极和S极，并且两个环形磁铁的磁极相反，磁极强度为200-600mT，所述环形磁铁的位置可调，使得靶面的横向磁场强度为15-80mT。

进一步地，所述环形磁铁为完整的环形或者多段弧形磁铁组合成的环形。

进一步地，所述冷却系统与磁钢之间还增设有平行于靶面的中央磁铁。

进一步地，所述环形磁铁外侧还增设有与所述环形磁铁磁极相同的补偿磁铁。

进一步地，所述溅射阴极上设有所述中央磁铁和补偿磁铁，所述中央磁铁和补偿磁铁的磁铁强度和位置可调，以调节靶面横向和纵向磁场分布，进而提高靶材溅射利用率。

进一步地，所述环形磁铁、中央磁铁和补偿磁铁为永久磁铁或电磁铁；所述永久磁铁的材料至少包括：钕铁硼合金材料、铁铬钴系永磁合金、铝镍钴系永磁合金、稀土钴永磁材料、铁氧体永磁合金、铁氧体材料或有机磁性材料其中的一种。

本公开还提供一种真空镀膜系统，其中，包括如上所述的溅射阴极，远离所述靶套端口一侧设置用于放置待加工工件的加工台；所述加工台和溅射阴极的外侧罩设有真空腔室，所述真空腔室连接有抽气系统和充气系统；所述靶套连接的磁控溅射电源。

本公开还提供一种真空镀膜系统，其特征在于，所述磁控溅射电源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、复合脉冲磁控溅射等方法中的一种或几种。

本公开还提供一种镀膜方法，其中，所述镀膜方法使用如上所述的真空镀膜系统实现，包括：抽气系统抽出所述真空腔室内的气体；充气系统充入工作气体于所述真空腔室内；启动溅射阴极，所述溅射阴极产生离子束；对待加工产品进行涂层制备或表面改性。

本公开提供了一种提高溅射离化率的溅射阴极、真空镀膜系统及镀膜方法，其中溅射阴极包括：中空圆柱筒型靶套，所述靶套内设有靶材；冷却系统，置于所述靶套外壁；环形磁铁均匀安装在靶材后侧并靠近靶材端口处，且与冷却系统相邻；在所述环形磁铁及冷却系统外侧设有磁钢；磁钢外侧设置有屏蔽罩。所述环形磁铁在靶面形成闭合环形电子跑道，将电子有效的约束在等离子体内部，降低起辉电压，提高放电稳定性及溅射材料的离化率。

附图说明

图1是本公开中溅射阴极的一种实施例的结构图；

图2是本公开中溅射阴极的较佳实施例的结构图；

图3是本公开中溅射阴极的另一较佳实施例的结构图；

图4是本公开中一种真空镀膜系统较佳实施例的结构图；

图5是本公开中一种镀膜方法较佳实施例的流程图。

标注说明：1、靶材；2、靶套；3、冷却系统；4、环形磁铁；5、屏蔽罩；6、中央磁铁；7、磁钢；8、补偿磁铁；9、加工台；10、真空腔室。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本公开进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本公开，并不用于限定本公开。

已知，现有的筒形磁控溅射阴极是在中空圆柱筒型外壳的内部依次层铺有磁钢、冷却系统和靶套，在所述磁钢上镶嵌有磁铁，其磁铁为条形永磁铁，从而在所述磁控溅射阴极中形成垂直于所述靶套的磁场，以对靶套上的靶材进行刻蚀。筒形金属等离子体源采用条形磁体提供磁场，形成电子跑道不闭合，电子容易从磁极端部“决堤”式逃逸，导致等离子体源起辉气压高，放电不稳定。筒形靶材内部的电子大量逃逸，不利于溅射材料的离化，进而影响引出束流的密度。针对此，提出采用环形磁铁，形成闭合电子跑道，避免电子从磁极端部“决堤”式逃逸，从而将电子有效的约束在等离子体内部，降低起辉电压，提高放电稳定性及溅射材料的离化率。而本公开中并未对磁钢和外壳进行改进，其结构以及作用方式可沿用现有技术，在本公开的具体实施例中并不对外壳和磁钢进行过多描述。

请参见图1，本公开中一种提高溅射离化率的溅射阴极。其中包括：呈中空圆柱筒型靶套2，所述靶套内设有靶材1；冷却系统3，置于所述靶套2外壁；环形磁铁4均匀安装在靶材后侧并靠近靶材1端口处，且与冷却系统3相邻；在所述环形磁铁及冷却系统外侧设有磁钢7；磁钢7外侧罩设置有屏蔽罩5。所述环形磁铁4产生的磁场可沿轴向(平行于靶面，下文皆用轴向表述)分布，也可沿径向分布(垂直于靶面，下文皆用径向表述)，当所述环形磁铁4产生沿轴向分布的磁场时，能够增大靶面的放电区域，提高靶材2利用率；当所述环形磁铁4产生沿径向分布的磁场时，能够形成闭合的电子跑道，避免了电子从磁极端部“决堤”式逃逸，能够将电子有效地约束在所述溅射阴极的内部，进而降低起辉气压，提高了放电稳定性及溅射材料的离化率。

具体地，所述靶套2可为一体设置可以为拼接设置；所述靶套2可由不锈钢、Cu、Al、V、Ti、Cr、Mn、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt和Au中的至少一种材料制备。

在一具体实施例中，如图1所示，用于产生沿轴向分布磁场的环形磁铁4设置于所述冷却系统3的两端，进而增强了溅射阴极轴向磁场的强度。

在另一具体实施例中，如图1所示，用于产生径向分布磁场的环形磁铁4分均匀设置于所述冷却系统3的外侧，其内环和外环分别为N极和S极，两个环形磁铁的磁极相反，磁极强度为200-600mT，进而形成闭合跑道。具体地，所述环形磁铁4设置于所述磁钢7的内壁上，其磁极正对靶套2。而环形磁铁4距所述靶套2的距离可调节，使得磁场强度在15-80mT之间。

进一步地，所述环形磁铁4可为完整环形，可也为多段弧形磁铁组合成的环形，可以理解地，凡是能够产生闭合电子跑道的磁铁，均可用于本公开中所述实施例中，均属于本公开的保护范围。通过形成闭合的电子跑道，能够避免电子从磁极端部“决堤”式逃逸。可知，多段弧形磁铁从加工以及安装角度来说更易实现，能降低生产成本，但由于其多段磁铁存在相配合的问题，其会影响形成电子跑道的闭合性，进而影响径向磁场强度；当然地，在具体使用过程中不论选用完整环形磁铁4还是多段式磁铁，可视具体的使用场景而定，此处并不做限定。

可以理解地，上述环形磁铁4的尺寸、大小均可调节，以适应使用需求，产生对应的磁场强度，此处并不做限定。

在一实施例中，如图2所示，在冷却系统3的两端设置环形磁铁4以形成轴向磁场时，还可在所述冷却系统3背离所述靶套2一端的中间位置设置中央磁铁6，以进一步提高轴向磁场，进而增大靶面的放电面积，提高靶材1的利用率。可以理解地，中央磁铁6设置的目的是增加轴向的磁场强度，而中央磁铁6无论设置在沿所述冷却系统3侧面的任何位置，均可产生沿轴向的磁场，即，在轴向方向，中央磁铁6可靠近所述环形磁铁4设置，也可设置在冷却系统3的中间，在径向方向，中央磁铁6可靠近也可远离所述冷却系统3设置，只要不影响其增加轴向的磁场强度可随意调节中央磁铁6相对冷却系统3侧面的位置。

进一步地，当所述中央磁铁6的磁极正对靶面时，其效果相当于上述的产生径向分布磁场的环形磁铁4，而具体的可如上所述，此处需要说明的是，中央磁铁6可设置为电磁铁，也可设置为条形磁铁，当为电磁铁时可产生沿径向分布的磁场，当为条形磁铁时可产生沿轴向分布的磁场，具体可视情况而选用。

在一具体实施例中，如图3所示，为增强沿径向分布磁场的强度，在用于产生径向分布的环形磁铁4周围还设置有补偿磁铁8，所述补偿磁铁8设置在所述环形磁铁4至少一端处，且与环形磁铁4的磁极相同。通过设置补偿磁铁8能够增大径向磁场的强度，约束离子从溅射阴极端部溢出，增加粒子、电子与离子之间的碰撞，进一步提高溅射材料的离化率；而提高溅射材料的离化率，能够更加容易控制离子的能量，从而提高薄膜的质量。

由上，可知补偿磁铁8可对称设置，也可单侧设置，在设置为单侧时，只在靠近靶套2一端的有较强的径向磁场，而靶套2的另一端由于未在其周围设置补偿磁铁8，并没有较强的径向磁场，故此处磁场对电子及离子的约束力较小，利于离子的引出，常将待加工工件靠近此端设置。

可以理解地，补偿磁铁8设置在环形磁铁4周围的方式有多种，包括并不限于设置于靠近环形磁铁4任意一侧处或绕环形磁铁4分布，而补偿磁铁8相对靶套2的距离同上述中央磁铁6，可靠近靶套2也可远离靶套2设置，具体可视情况而定，此处并不做限定。

当然地，本公开中所述的补偿磁铁8相对环形磁铁4的设置方式并不限于用于本公开中，也可用于平面矩形磁控溅射阴极、平面圆形磁控溅射、柱状磁控溅射阴极、电弧-磁控两用的复合结构磁控溅射阴极，只要是能够用到本公开中补偿磁铁8和中央磁铁6之间排列方式的，均为本公开所要求的保护范围。

在一较佳实施例中，如图4所示，在含有环形磁铁4的溅射阴极上可同时设置用于加强轴向磁场强度的所述中央磁铁6及补偿磁铁8，所述中央磁铁6和补偿磁铁8的磁铁强度和位置可调，以调节靶面横向和纵向磁场分布，使得靶材1利用率达到最高，同时溅射材料的离化率也最高。

在另一实施例中，也可在溅射阴极上只设置用于增加轴向磁场强度的所述环形磁铁4，和用于增加径向磁场强度的所述补偿磁铁8，同样可达到既提高靶材利用率，也提高溅射材料离化率的效果。虽然未设置中央磁铁6以增加轴向磁场强度，但由于补偿磁铁8与环形磁铁4的磁极相同，可以增加环形磁铁4的磁性，进而辅助增加轴向磁场强度，亦可实现同时提高靶材利用率和溅射材料离化率。当然地，所述补偿磁铁8与环形磁铁4的磁极也可相反，同样也能够用于增强靶材利用率和溅射材料离化率。

在另一实施例中，可在溅射阴极上只设置中央磁铁6，设置中央磁铁6可同时增加轴向和径向的磁场强度，仅是增强效果不明显而已，具体的实施如上所述。

在一实施例中，上述环形磁铁4、中央磁铁6和补偿磁铁8为永久磁铁或电磁铁。当为永久磁铁时，永久磁铁的材料可为钕铁硼合金材料、铁铬钴系永磁合金、铝镍钴系永磁合金、稀土钴永磁材料、铁氧体永磁合金、铁氧体材料或有机磁性材料中的一种或几种的组合。

进一步地，上述环形磁铁4、中央磁铁6和补偿磁铁8的磁场强度范围为50-500mT。

在一具体实施例中，上述环形磁铁4、中央磁铁6和补偿磁铁8之间磁隔离设置，具体地，通过设置磁短路组件连接固定环形磁铁4、中央磁铁6和补偿磁铁8。

进一步地，所述冷却系统3可为水冷系统或油冷系统，优选使用能够达到快速冷却效果的循环水冷系统。

在一具体实施例中，所述溅射阴极还包括罩设于所述靶套2、冷却系统3、环形磁铁4、中央磁铁6、补偿磁铁8、磁短路组件和磁钢7外的屏蔽罩5，所述用于屏蔽靶面其他带电部分，防止其他部件起辉，且不与靶套2、磁钢7、环形磁铁4、中央磁铁6和补偿磁铁8导通，其中，屏蔽罩5与靶套2绝缘连接。

本公开还提供了一种真空镀膜系统，如图4所示，其中，包括上所述的溅射阴极，远离所述靶套端口一侧设置有用于放置待加工工件的加工台；所述加工台和溅射阴极的外侧设有真空腔室，所述真空腔室连接有抽气系统和充气系统；所述靶套连接有磁控溅射电源。

进一步地，所述磁控溅射电源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、复合脉冲磁控溅射等方法中的一种或几种。

本公开还提供了一种镀膜方法，如图5所示，所述镀膜方法采用上述的真空镀膜系统实现，在进行镀膜时，具体执行以下步骤：

S100、抽气系统抽出所述真空腔室10内的气体；

S200、充气系统充入工作气体于所述真空腔室10内；

S300、启动溅射阴极，所述溅射阴极产生离子束；

S400、对待加工产品进行涂层制备或表面改性。具体如上所述。

具体地，所述工作气体包括：He、Ne、Ar、Kr中的任意一种或其组合的惰性气体，以及O2、N2、CH4、C2H2、H2S、SiH4、BH3、HF、HCl、HBr中的任意一种或其组合的反应气体，优先使用Ar。

综上所述，本公开提供了一种提高溅射离化率的溅射阴极、真空镀膜系统及镀膜方法，其中溅射阴极包括：中空圆柱筒型靶套，所述靶套内设有靶材；冷却系统，置于所述靶套外壁；环形磁铁均匀安装在靶材后侧并靠近靶材端口处，且与冷却系统相邻；在所述环形磁铁及冷却系统外侧设有磁钢；磁钢外侧设置有屏蔽罩。所述环形磁铁在靶面形成闭合环形电子跑道，将电子有效的约束在等离子体内部，降低起辉电压，提高放电稳定性及溅射材料的离化率。

应当理解的是，本公开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公开所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，包括：呈中空圆柱筒型靶套，所述靶套内设有靶材；冷却系统，置于所述靶套外壁；环形磁铁，均匀安装在靶材后侧并靠近靶材端口处，且与所述冷却系统相邻；所述环形磁铁及冷却系统外侧设有磁钢；所述磁钢外设置有屏蔽罩。

2.根据权利要求1所述的提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，所述环形磁铁的内环和外环分别是N极和S极，并且两个环形磁铁的磁极相反，磁极强度为200-600mT，所述环形磁铁的位置可调，使得靶面的横向磁场强度为15-80mT。

3.根据权利要求1所述的提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，所述环形磁铁为完整的环形或者多段弧形磁铁组合成的环形。

4.根据权利要求1-3任一项所述的提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，所述冷却系统与磁钢之间还增设有平行于靶面的中央磁铁。

5.根据权利要求1-3任一项所述的提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，所述环形磁铁外侧还增设有与所述环形磁铁磁极相同的补偿磁铁。

6.根据权利要求4或5所述的提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，所述中央磁铁和补偿磁铁的磁铁强度和位置可调，以调节靶面横向和纵向磁场分布，进而提高靶材溅射利用率。

7.根据权利要求6所述的提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，所述环形磁铁、中央磁铁和补偿磁铁为永久磁铁或电磁铁；所述永久磁铁的材料至少包括：钕铁硼合金材料、铁铬钴系永磁合金、铝镍钴系永磁合金、稀土钴永磁材料、铁氧体永磁合金、铁氧体材料或有机磁性材料其中的一种。

8.一种真空镀膜系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的溅射阴极，远离所述靶套端口一侧设置有用于放置待加工工件的加工台；所述加工台和溅射阴极的外侧罩设有真空腔室，所述真空腔室连接有抽气系统和充气系统；所述靶套连接有磁控溅射电源。

9.根据权利要求8所述的真空镀膜系统，其特征在于，所述磁控溅射电源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、复合脉冲磁控溅射等方法中的一种或几种。

10.一种镀膜方法，其特征在于，所述镀膜方法使用如权利要求8所述的真空镀膜系统实现，包括：抽气系统抽出所述真空腔室内的气体；充气系统充入工作气体于所述真空腔室内；启动溅射阴极，所述溅射阴极产生离子束；对待加工产品进行涂层制备或表面改性。

Images