CN111394707A - 一种等离子体源及其用于镀膜的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种等离子体源及其用于镀膜的装置、系统和方法，等离子体源包括：中空圆柱筒状外壳，及层设于所述外壳内的冷却系统、绕制线圈、套筒和磁控靶，所述磁控靶嵌于所述套筒内，所述冷却系统靠近所述套筒设置。通过调节绕制线圈电流，进而调节靶面磁场强度使得靶面磁场始终保持不变，随着靶面刻蚀深度的增加，在靶面形成平行于轴线的均匀、可控的磁场。在靶面形成平行于轴线的磁场可以将电子束缚在靶面，增加等离子体源内部电子浓度，提高溅射材料的离化率和放电稳定性，有效解决靶材刻蚀不均匀、利用率低、磁铁高温退磁等问题。

Description

一种等离子体源及其用于镀膜的装置、系统和方法

技术领域

本公开涉及材料表面处理技术领域，尤其涉及的是一种等离子体 源及其用于镀膜的装置、系统和方法。

背景技术

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CN201410268695.1和CN201410268732.9 提出采用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，获得高质量的薄膜。采用这种方式可以使引出的束流 中接近100％为离子；同时靶面“打弧”产生的“金属液滴”被限制 在筒形靶内部；引出的束流离开了靶电压鞘层，不容易被回吸到靶面，可提高薄膜沉积速率。

而现有技术中常使用条形永磁体作为磁性元件，以形成垂直于磁 控靶轴向的磁场。此种方式致使等离子体源内部产生的等离子体不均 匀。一方面，在靶面形成明显的刻蚀条纹，随着靶面不断被刻蚀，会 造成靶面的磁场变化，进而影响溅射的稳定性；另一方面，致使部分 靶面并未被刻蚀，造成靶材利用率低。因此，现有技术存在缺陷，有 待改进与发展。

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 一种等离子体源及其用于镀膜的方法、系统和装置，旨在解决现有技 术中的基于磁控的筒形一种等离子体源及其用于镀膜的装置、系统和 方法。

本公开解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种等离子体源，其中，包括：中空圆柱筒状外壳，及层设于所 述外壳内的冷却系统、绕制线圈、套筒和磁控靶，所述磁控靶嵌于所 述套筒内，所述冷却系统靠近所述套筒设置。

进一步地，所述绕制线圈组合有其他磁性元件以调节靶面的磁场 强度。

进一步地，所述绕制线圈的输入电流大小和方向可固定或连续可 调。

进一步地，所述绕制线圈用于在靶面形成平行于轴线方向的磁场， 且磁场强度范围为5-80mT。

进一步地，所述冷却系统设于所述绕制线圈和套筒之间或所述套 筒内；所述冷却系统所采用的冷却方式为水冷或油冷。

进一步地，所述套筒所用材料为钢、Cu、Al、V、Ti、Cr、Mn、 Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au及其导电、导热性好且无 磁性的合金中的任意一种制备。

本公开还提供了一种镀膜装置，其中，包括如上所述的等离子体 源，在所述外壳外，设有用于放置待加工产品的加工台；在所述加工 台和等离子体源外侧罩设有用于提供溅射条件的真空室；所述磁控靶 连接磁控溅射电源。

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。

本公开还提供一种镀膜系统，其中，通过如上所述的镀膜装置提 供溅射条件，以及通过如上所述的等离子体源产生用于镀膜沉积的离 子束流。

本公开还提供一种镀膜方法，其中，通过如上所述的镀膜系统实 现，包括：放置待加工产品于加工台上；控制真空室的真空环境；控 制等离子体发出离子束流；对待加工产品进行涂层制备或表面改性。

本公开所提供的一种等离子体源及其用于镀膜的方法、系统和装 置，针对基于磁控的筒形等离子体源采用永磁体引起的靶材刻蚀不均 匀、利用率低、磁铁受热退磁的问题，提出采用绕制线圈作为等离子 体源的磁场产生装置，在磁控靶表面形成平行于轴线方向均匀、可控 的平行磁场，从而有效解决了靶材刻蚀不均匀、利用率低、磁铁退磁 的问题。同时，均匀的轴向磁场与电场正交可更加有效地将电子束缚 在靶面，增加等离子体源内部的电子浓度，同时调节电磁场强度可实 现可控刻蚀表面，可提高材料的离化率和放电稳定性，对进一步促进 该型金属等离子体源的产业化具有重要作用。

附图说明

图1是本公开中一种等离子体源另一较佳实施例的结构图；

图2是本公开中一种等离子体源另一较佳实施例的结构图；

图3是本公开中一种镀膜装置的较佳实施例的结构图；

图4是本公开中一种镀膜方法的较佳实施例的流程图。

标注说明：1、冷却装置；2、冷却液；3、绕制线圈；4、套筒； 5、磁控靶；6、中空圆柱筒状外壳；7、加工台；8、磁控溅射电源； 9、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。

请参见图1，图1是本公开中的一种等离子体源的结构示意图。 本公开实施例所述的一种等离子体源包括：中空圆柱筒状外壳6，和 依次层设于所述中空圆柱筒状外壳6上的绕制线圈3、冷却系统2、 套筒4和磁控靶5，所述磁控靶5嵌在所述套筒4上；其中，所述冷 却系统2可位于所述套筒4与所述绕制线圈3之间，也可位于所述套 筒4内。

本公开通过以绕制线圈代替条形永磁铁作为磁性元件，可在磁控 靶表面形成平行于轴线的均匀、可控磁场，磁场与电场正交，将电子 有效地约束在等离子体源内部，提高溅射材料的离化率。通过控制绕 制线圈内通入电流的大小可调节靶面磁场强度，随着靶面刻蚀深度的 增加，调节电流使得靶面磁场始终保持不变，对于等离子体源的放电 稳定性具有重要作用，为等离子体源的进一步开发利用提供了良好的 基础。

进一步地，如图3所示，对所述绕制线圈3可通入直流电或连续 可调的电流，进而通过控制所述绕制线圈3中的电流，能够控制绕制 线圈3所产生的磁场强度，保持靶面磁场强度始终保持不变，保证了 等离子体源内部磁场强度的稳定性，提高了等离子体源的放电稳定性， 使得磁控靶5表面形成完整的刻蚀，保证了磁控靶5的利用率；同时， 还避免了现有技术中使用条形永磁体造成磁铁受热退磁的问题。

所述绕制线圈3为漆包线圈，其线径为0.5mm，而所述绕制线圈 3产生的磁场平行于所述套筒4的轴线方向、且平行于磁控靶5的靶 面，其磁场强度范围为5-80mT，优选为40mT。

当然地，所述绕制线圈3还可以组合有其他磁性元件以调节靶面 的磁场强度，进而提高产生电子束流的效率。

可以理解地，所述冷却系统2可设置于所述绕制线圈3和套筒4 之间，如图1。当设置于所述绕制线圈3和套筒4之间时，即绕制线 圈3缠设在冷却系统2外侧，所述冷却系统2用于为磁控靶5以及绕 制线圈3散热，既可以保证绕制线圈3以及磁控靶5的散热，同时也不会造成因散发的热量过高而导致绕制线圈3电阻增大或绕制线圈3 的绝缘层破坏，保证了绕制线圈3所产生的磁场稳定，能够对磁控靶 5形成均匀刻蚀；其冷却原理可为水冷或油冷。

其中，所述套筒4为采用金属等导热材质制备的圆筒，其所用材 料具体为钢、Cu、Al、V、Ti、Cr、Mn、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au及其导电、导热性好且无磁性的合金中的任意一种。

不论冷却系统2和绕制线圈3的具体位置设置如何，其两者必然 相邻设置，因而，可优选地使用紫铜作为制备所述套筒4的材质，能 够更好地散热，也利于磁控靶5、绕制线圈3、和冷却系统2间的导 电及导热。

在另一具体实施例中，如图2所示，还可将所述冷却系统2位于 绕制线圈3外部，通过将冷却系统2置于绕制线圈3外部，既可以保 证绕制线圈3的散热，不会造成因散发的热量过高而导致绕制线圈3 电阻增大或绕制线圈3绝缘层破坏，同时方便绕制线圈3的安装，减 少由所述绕制线圈产生磁场的损失。

本公开还提供了一种将上述等离子体源用于镀膜的镀膜装置，其 中，如图4所示，所述镀膜装置包括上述等离子体源，以及真空腔室 9、磁控溅射电源8和用于放置待加工产品的加工台7，所述等离子 体源设置于所述真空腔室9内，所述磁控溅射电源8均设置于所述真 空腔室9外，所述加工台7设置于所述等离子体源的一侧；所述磁控 溅射电源8与所述等离子体源的磁控靶5相连。当所述磁控溅射电源 8作用于所述磁控靶5时，所述等离子体源内部产生离子束流，作用 于加工台7上的待加工件上，以完成对所述待加工件的表面加工，具 体如上所述。

进一步地，为了保证待加工产品的表面镀膜均匀，可在加工台上 设置调节机构，以使得待加工产品可相对离子束流的引出端转动或移 动。

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。

本公开还提供一种镀膜系统，其中，通过如上所述的镀膜装置提 供溅射条件，以及通过如上所述的等离子体源产生用于镀膜沉积的离 子束流；具体如上所述。

本公开还提供了一种镀膜方法，所述方法通过如上所述的镀膜系 统实现，其中，当执行所述镀膜方法时，具体执行以下步骤：

S100、放置待加工产品于加工台上；

S200、控制真空室的真空环境；

S300、控制等离子体发出离子束流；

S400、对待加工产品进行涂层制备或表面改性。

具体地，当控制真空室的真空环境时，可为真空室连接抽气系统 以及注气系统，通过抽气系统抽出镀膜装置中的气体，防止所产生的 离子束流与气体发生反应而影响镀膜，之后，通过注气系统通入惰性 气体于装置中，保证离子束流落于待加工产品表面，完成镀膜或表面 处理，可以理解地，通过注气系统所注入的惰性气体有多种，由于该 气体为现有已知气体，此处不再举例，均属于本公开所要求的保护范 围。

综上所述，本公开公开的一种等离子体源及其用于镀膜的装置、 系统和方法，等离子体源包括：中空圆柱筒状外壳，及层设于所述外 壳内的冷却系统、绕制线圈、套筒和磁控靶，所述磁控靶嵌于所述套 筒内，所述冷却系统靠近所述套筒设置。这种结构可在磁控靶表面形 成平行于轴线的磁场，调节线圈电流可控制靶面磁场强度，保证刻蚀 的均匀性，在溅射过程中磁场与电场正交，可有效地将电子约束在等 离子体源内部，有利于提高靶材利用率和溅射材料的离化率，同时也 避免了现有技术中使用条形永磁体造成磁铁受热而产生退磁的问题。

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)

1.一种等离子体源，其特征在于，包括：中空圆柱筒状外壳，及层设于所述外壳内的冷却系统、绕制线圈、套筒和磁控靶，所述磁控靶嵌于所述套筒内，所述冷却系统靠近所述套筒。

2.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，所述绕制线圈组合其他磁性元件以调节靶面的磁场强度。

3.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，所述绕制线圈的输入电流大小和方向可固定或连续可调。

4.根据权利要求3所述的等离子体源，其特征在于，所述绕制线圈用于在靶面形成平行于轴线方向的磁场，且磁场强度范围为5-80mT。

5.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，所述冷却系统设于所述绕制线圈和套筒之间或所述套筒内；所述冷却系统所采用的冷却方式为水冷或油冷。

6.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，所述套筒所用材料为钢、Cu、Al、V、Ti、Cr、Mn、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au及其导电、导热性好且无磁性的合金中的任意一种制备。

7.一种镀膜装置，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的等离子体源，在所述外壳外，设有用于放置待加工产品的加工台；在所述加工台和等离子体源外侧罩设有用于提供溅射条件的真空室；所述磁控靶连接磁控溅射电源。

8.根据权利要求7所述的镀膜装置，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。

9.一种镀膜系统，其特征在于，通过如权利要求7或8所述的镀膜装置提供溅射条件，以及通过如权利要求1-6任一项所述的等离子体源产生用于镀膜沉积的离子束流。

10.一种镀膜方法，其特征在于，通过如权利要求9所述的镀膜系统实现，包括：放置待加工产品于加工台上；控制真空室的真空环境；控制等离子体发出离子束流；对待加工产品进行涂层制备或表面改性。

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