CN113846304A - 靶头、磁控溅射靶枪及磁控溅射系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种靶头、磁控溅射靶枪及磁控溅射系统，靶头包括：烟囱，与供气管路相连通，烟囱设置有用于监测磁控溅射靶枪工作状态的监测结构；磁体结构，安装于烟囱内，磁体结构用于产生各种磁场，磁体结构的上方安装有靶材；烟囱包括：烟囱中段，为导电材料制成，靶材位于烟囱中段内；烟囱下段和烟囱上段，均为绝缘材料制成，烟囱下段和烟囱上段分别与烟囱中段的两端相连接。本发明的靶头，溅射出的靶材原子不会沉积到烟囱上段和烟囱下段的内壁面上，从而减小了由于靶材原子沉积到烟囱的内壁面上形成的薄膜与靶材接触而造成短路的风险，并且等离子体会集中在烟囱中段即靶材的周围，从而避免等离子体撞击靶头的其他部件，而造成其他部件被污染。

Description

靶头、磁控溅射靶枪及磁控溅射系统

技术领域

本发明涉及薄膜沉积技术领域，特别的，涉及一种靶头、磁控溅射靶枪及磁控溅射系统。

背景技术

磁控溅射系统用于实现薄膜的沉积，因其沉积速率快、基片损伤和温升小等优点而广泛应用于半导体、微电子、红外探测、声表器件、航空航天、激光器、太阳能、机械、生物医药等工业场合。磁控溅射靶枪（又叫磁控溅射阴极）是磁控溅射系统的核心部件，以靶材作为阴极，基片作为阳极，在靶材与基片之间形成电场，通过内置的磁体向靶材施加磁场，实现对电子实现高效的利用，使电子不断地撞击氩气而形成等离子体，等离子体轰击靶材，从而溅射出靶材原子，靶材原子沉积在基片上而形成薄膜。现有的磁控溅射靶枪，为了更加容易起辉，通过在靶头上安装烟囱，烟囱与连接电源正极的真空腔室之间构成电气通路，烟囱与靶材之间形成电场，电场激发的电子最终通过烟囱经真空腔室回到电源。根据磁控溅射的特点，在磁控溅射靶枪工作时，靶材的一部分原子会落在烟囱的侧壁面上形成薄膜，长时间工作后该处的薄膜容易与靶材接触而造成短路，导致磁控溅射系统无法继续运行。此外，磁场的设计依赖于磁体的分布，合理的磁体分布可以提高靶材的利用率并且方便针对特定材料的需求实现不同的沉积，同时磁体的分布直接决定了等离子体的分布及密度，而等离子体的分布和密度直接决定了成膜的质量，因此通过对等离子体的监测从而指导磁体的分布设计和反馈薄膜的质量具有重要的意义。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明的目的是提供一种靶头、磁控溅射靶枪及磁控溅射系统，以解决现有的磁控溅射靶枪的烟囱的侧壁面上沉积的薄膜与靶材接触而造成短路的技术问题。

本发明的另一目的是解决现有的磁控溅射靶枪未通过对等离子体的分布和密度而指导磁体的分布设计的技术问题；以及未对磁体结构的温度进行监测，而导致磁体结构温度过高而退磁的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种靶头，安装在磁控溅射靶枪上，所述靶头包括：烟囱，与供气管路相连通，所述烟囱设置有用于监测所述磁控溅射靶枪的工作状态的监测结构；磁体结构，用于产生溅射过程中所需的各种磁场，所述磁体结构的上方安装有靶材；其中，所述烟囱包括：烟囱中段，为导电材料制成，所述靶材位于所述烟囱中段内；烟囱下段和烟囱上段，均为绝缘材料制成，所述烟囱下段和所述烟囱上段分别与所述烟囱中段的两端相连接。

本发明的实施方式中，所述监测结构包括至少一温度探测结构和至少一等离子体探测结构，至少一所述温度探测结构与所述烟囱上段和/或所述烟囱下段连接，至少一所述等离子体探测结构与所述烟囱上段连接。

本发明的实施方式中，所述烟囱上段和/或所述烟囱下段设有至少一与所述供气管路连通的气体引入接口。

本发明的实施方式中，所述烟囱上段位于所述靶材的上方，且所述烟囱上段的径向尺寸小于所述靶材的径向尺寸。

本发明的实施方式中，所述烟囱上段具有溅射口，所述溅射口处设有可活动的阴极挡板。

本发明的实施方式中，至少部分所述磁体结构位于所述烟囱下段内。

本发明的实施方式中，所述磁体结构包括多个磁柱和固定座，所述固定座设有靶材安装面，所述靶材固定于所述靶材安装面上，所述固定座上设有多个磁柱安装孔，所述磁柱安装孔延伸至所述靶材安装面，至少两个所述磁柱安装于至少两个所述磁柱安装孔中。

本发明的实施方式中，多个所述磁柱安装孔包括中心孔和多个外围孔，所述中心孔与所述靶材的中心相对应，多个所述外围孔沿所述固定座的周向间隔排布成一磁柱安装圈。

本发明的实施方式中，所述靶材安装面上由内向外布设有多个所述磁柱安装圈。本发明的实施方式中，所述磁柱安装孔为内螺纹孔，所述磁柱上设有与所述内螺纹孔相配合的外螺纹段。

本发明的实施方式中，所述靶头还包括冷却结构，所述冷却结构包括冷却介质输入管和冷却介质输出管，所述固定座内设有冷却通道，且多个所述磁柱安装孔位于所述冷却通道的周围，所述冷却介质输入管、所述冷却通道以及所述冷却介质输出管依次连通。

本发明的实施方式中，所述靶头还包括密封结构，所述密封结构包括密封底座和固定罩，所述烟囱下段与所述密封底座连接，所述固定罩的两端分别与所述密封底座和所述磁体结构相连接，所述冷却介质输入管和所述冷却介质输出管穿过所述密封底座而伸入所述固定罩中。

本发明还提供一种磁控溅射靶枪，包括上述靶头，所述磁控溅射靶枪还包括：运动机构，与所述靶头连接，所述运动机构可带动所述靶头运动；真空连接机构，安装在真空腔室上，所述运动机构通过所述真空连接机构安装在所述真空腔室内；驱动机构，安装在所述真空连接机构上，且所述驱动机构穿过所述真空连接机构与所述运动机构连接。

本发明的实施方式中，所述运动机构包括移动结构，所述驱动机构包括与所述移动结构连接的移动驱动结构，所述移动结构在所述移动驱动结构的驱动下带动所述靶头沿其轴向移动。

本发明的实施方式中，所述移动结构包括安装座和至少一第一波纹管，所述安装座与所述靶头连接，所述第一波纹管的一端与所述安装座连接，所述第一波纹管的另一端穿过所述真空连接机构与所述移动驱动结构连接，与所述靶头连接的电线以及液体管路均依次穿过所述安装座和至少一所述第一波纹管而伸出所述真空腔室外。

本发明的实施方式中，所述运动机构包括转动结构，所述驱动机构包括与所述转动结构连接的转动驱动结构，所述移动结构通过所述转动结构与所述靶头连接，所述转动结构在所述转动驱动结构的驱动下带动所述靶头绕其径向转动。

本发明的实施方式中，所述转动结构包括传动件和至少一第二波纹管，所述传动件具有两连接端和一控制端，两所述连接端分别与所述靶头和所述移动结构连接，所述控制端与所述转动驱动结构连接，所述第二波纹管的两端分别与所述靶头和所述移动结构连接，与所述靶头连接的电线和液体管路均穿过所述第二波纹管而伸于所述移动结构内。

本发明还提供一种磁控溅射系统，包括上述磁控溅射靶枪。

本发明的特点及优点是：

本发明的靶头，通过将烟囱中段采用导电材料制成，通过向烟囱中段与靶材之间施加高电压，并通过供气管路向烟囱内充入氩气，使氩气在高电压和磁场的共同作用下电离形成等离子体，进而撞击靶材的原子而使其溅射至基片上，由于烟囱上段和烟囱下段均采用绝缘材料制成，因此，溅射出的靶材原子不会沉积到烟囱上段和烟囱下段的内壁面上，从而减小了由于靶材原子沉积到烟囱的内壁面上形成的薄膜与靶材接触而造成短路的风险，并且等离子体会集中在烟囱中段即靶材的周围，从而避免等离子体撞击靶头的其他部件，而造成其他部件被污染，此外，供气管路输出的氩气聚集在烟囱内，从而实现局部气压较高而降低真空腔室中最终沉积时的气压，进而实现高质量的薄膜沉积。

本发明的靶头，通过在烟囱上设置监测结构对磁控溅射靶枪的工作状态进行监测，进而根据监测的情况进行调控，其中，通过设置等离子体监测结构对烟囱内等离子体的密度和分布进行监测，通过设置温度监测结构对烟囱内温度进行监测，从而根据等离子体和温度的监测情况对磁场进行调控，保证磁控溅射镀膜工艺的稳定性，并提高沉积薄膜的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明的靶头的剖视图。

图2为本发明的烟囱的结构示意图。

图3为本发明的固定座的结构示意图。

图4为本发明的磁控溅射靶枪的一视角的立体图。

图5为本发明的磁控溅射靶枪的另一视角的立体图。

图6为本发明的磁控溅射系统的示意图。

图7为本发明的磁控溅射系统沉积CoFeB/MgO薄膜的磁滞回线图。

图中：

100、磁控溅射靶枪；200、靶材；300、真空腔室；400、真空获得组件；500、真空测试组件；600、控制模块；601、PLC控制器；602、PC端；700、样品台；800、基片；900、气源；901、流量计；

1、靶头；11、烟囱；111、烟囱上段；1111、溅射口；112、烟囱中段；1121、环形面板；1122、环形侧板；113、烟囱下段；12、磁体结构；121、固定座；1211、磁柱安装孔；1212、磁柱安装圈；1213、中心孔；1214、外围孔；1215、冷却通道；1216、靶材安装面；122、磁柱；1221、内磁柱；1222、外磁柱；123、压盖；124、磁轭；13、冷却结构；131、冷却介质输入管；132、冷却介质输出管；14、密封结构；141、密封底座；142、密封罩；15、电线；16、温度探测结构；17、等离子体探测结构；18、气体引入接口；19、阴极挡板；

2、运动机构；21、移动结构；211、安装座；212、第一波纹管；22、转动结构；221、传动件；2211、直角齿轮组；2212、连杆结构；222、第二波纹管；3、驱动机构；31、移动驱动结构；311、直线驱动装置；312、电机；32、转动驱动结构；321、磁力转轴；322、电机；323、第一伸缩杆；33、第二伸缩杆；34、万向节；35、连接杆；36、限位套；37、气动转轴；38、第三波纹管；39、航空插头；4、真空连接机构；41、安装法兰；5、供气管路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

实施方式一

如图1和图2所示，本发明提供一种靶头1，安装在磁控溅射靶枪100上，靶头1包括：烟囱11，与供气管路5相连通；磁体结构12，安装于烟囱11内，磁体结构12用于安装靶材200；其中，烟囱11包括：烟囱中段112，为导电材料制成，靶材200位于烟囱中段112内；烟囱下段113和烟囱上段111，均为绝缘材料制成，烟囱下段113和烟囱上段111分别与烟囱中段112的两端相连接。

如图1、图2以及图6所示，本发明的靶头1，烟囱中段112采用导电材料制成，通过向烟囱中段112与靶材200之间施加高电压，并通过供气管路5向烟囱11内充入氩气，使氩气在高电压和磁场的共同作用下电离形成等离子体，进而撞击靶材200的原子而使其溅射至基片800上，由于烟囱上段111和烟囱下段113均采用绝缘材料制成，因此，溅射出的靶材200的原子不会沉积到烟囱上段111和烟囱下段113的内壁面上，从而降低了由于靶材200的原子沉积到烟囱11的内壁面上形成的薄膜与靶材200接触而造成短路的风险，并且等离子体会集中在烟囱中段112即靶材200的周围，从而避免等离子体撞击靶头1的其他部件，而造成其他部件被污染，此外，供气管路5输出的氩气聚集在烟囱11内，从而实现局部气压较高而降低真空腔室300中最终沉积时的气压，进而实现高质量的薄膜沉积。

具体的，靶材200被电源的阴极施加负电位，而烟囱中段112与零电位配件连接，从而使靶材200与烟囱中段112之间形成高电压。可选的，烟囱中段112与正电位配件连接。烟囱中段112可以选取但不局限于316不锈钢、304不锈钢、金、银、铜等导电材料制成，优选316不锈钢材料。烟囱上段111和烟囱下段113可以选取但不局限于陶瓷、氧化铝等绝缘材料制成，优选陶瓷材料。也可以采取导电材料外侧包裹一层绝缘材料的方式。烟囱中段112的两端通过螺纹连接的方式与烟囱上段111和烟囱下段113相连接，拆装方便。靶头1大体可呈圆柱形、椭圆柱形、正方体形、长方体形等形状，优选圆柱形。

如图1和图2所示，本发明的实施方式中，烟囱11设置有用于监测磁控溅射靶枪100的工作状态的监测结构。监测结构包括至少一温度探测结构16和至少一等离子体探测结构17，至少一温度探测结构16与烟囱上段111和/或烟囱下段113连接，至少一等离子体探测结构17与烟囱上段111连接。通过温度探测结构16对烟囱11内的温度进行监控，以防止磁体结构12的温度过高而退磁。通过等离子体探测结构17对烟囱11内等离子体的密度进行监控，以便于根据等离子体的分布对磁体结构12所施加的磁场进行调整，同时等离子体的密度也可以反映薄膜的性质。烟囱上段111和/或烟囱下段113设有至少一与供气管路5连通的气体引入接口18。通过气体引入接口18将供气管路5所提供的气体直接引入靶材200的表面，以形成局部高气压，以及电离产生的等离子体也聚集在靶材200的表面。此外，通过将等离子体探测结构17与烟囱上段111相连接，以及将温度探测结构16和供气管路5与烟囱上段111和/或烟囱下段113相连接，可避免等离子体撞击以及靶材200原子溅射至等离子体探测结构17、温度探测结构16以及气体引入接口18处而影响磁控溅射系统的运行。

具体的，温度探测结构16可以选取贴片式温度传感器，红外温度传感器等，优选贴片式温度传感器。等离子体探测结构17可以选取贴片式电极配合真空外探测装置，等离子体探针配合真空外探测装置等，优选贴片式电极。如图1、图2、图4以及图5所示，烟囱上段111连接有两个等离子体探测结构17以及一温度探测结构16，通过两个等离子体探测结构17监控烟囱上段111中不同区域的等离子体的密度，从而更准确地判断等离子体的分布情况；通过该温度探测结构16检测靶材200上方的温度。烟囱上段111设有一气体引入接口18，且该气体引入接口18靠近烟囱中段112设置，以将气体从靶材200的上方直接输送至靶材200的表面。烟囱下段113连接有一温度探测结构16，且该温度探测结构16位于磁体结构12的一侧，通过该温度探测结构16监控靶材200下方的磁体结构12的温度，以防止磁体结构12的温度过高而退磁；烟囱下段113也设有一气体引入接口18，该气体引入接口18引入的气体经靶材200的下方的烟囱下段113直接输送至靶材200的表面。通过两个气体引入接口18分别从靶材200的上方和下方引入气体，使气体更好地聚集在靶材200的附近，进而使得电离产生的等离子体也聚集在靶材200的附近。可选的，仅在烟囱上段111或烟囱下段113上设有气体引入结构18。

如图1和图2所示，本发明的实施方式中，烟囱上段111位于靶材200的上方，且烟囱上段111的径向尺寸小于靶材200的径向尺寸。通过将烟囱上段111的径向尺寸缩小，使烟囱11内更快地实现局部高气压，从而更快地产生等离子体。同时也增大了烟囱中段112与靶材200之间的作用面积，使烟囱中段112与靶材200之间电离产生的等离子体能够更有效地撞击靶材200。

如图2所示，具体的，烟囱11大体呈台阶状的柱体结构。烟囱中段112包括相连接的环形面板1121和环形侧板1122，且环形面板1121与烟囱上段111连接，环形侧板1122与烟囱下段113连接，环形面板1121布设于靶材200的上方，环形侧板1122位于靶材200的周围，因此，环形面板1121与靶材200的上表面之间以及环形侧板1122与靶材200的外周表面之间具有可施加高电压的作用。

如图1所示，烟囱上段111具有溅射口1111，溅射口1111处设有可活动的阴极挡板19。通过阴极挡板19将溅射口1111进行遮挡使烟囱11内更快地实现局部高气压，从而更快地产生等离子体，此外，阴极挡板19还可以避免最初等离子体分布不均匀时造成薄膜在基片800上不均匀沉积的缺陷，即当等离子体分布均匀且稳定后，再将阴极挡板19从溅射口1111处移开，使等离子体撞击靶材200产生的靶材200原子从溅射口1111溅射至基片800上，从而使沉积在基片800上的薄膜也更均匀。

本发明的实施方式中，至少部分磁体结构12位于烟囱下段113内。优选的，如图2所示，磁体结构12全部位于烟囱下段113中，磁体结构12也是被电源的阴极施加负电位，但由于烟囱下段113为绝缘材料制成，因此，磁体结构12与烟囱下段113之间的氩气不会受到高电压的作用而产生等离子体，从而避免等离子体而撞击磁体结构12。可选的，如图1所示，磁体结构12部分位于烟囱下段113中，以减少等离子体对磁体结构12的撞击。

如图1和图3所示，本发明的实施方式中，磁体结构12包括多个磁柱122和固定座121，固定座121设有靶材安装面1216，靶材200铺设于靶材安装面1216上，固定座121上设有多个磁柱安装孔1211，磁柱安装孔1211延伸至靶材安装面1216，至少两个磁柱122安装于至少两个磁柱安装孔1211中。根据靶材200的材料、尺寸以及溅射的部位，通过改变磁柱122的安装数量、安装位置和/或更换不同长度的磁柱122，从而改变磁场的分布，构建磁控溅射过程中所需的各种磁场，包括但不限于平衡磁场和非平衡磁场，以适用不同的磁控溅射镀膜工艺，并改善所沉积的薄膜的性能，此外，由于靶材200的消耗快的部位与磁柱122的安装位置相对应，因此，通过改变磁柱122的安装位置，可使靶材200的各个部位均被充分消耗，从而提高了靶材200的利用率。

具体的，多个磁柱安装孔1211包括中心孔1213和多个外围孔1214，中心孔1213与靶材200的中心相对应，多个外围孔1214沿固定座121的周向间隔排布成一磁柱安装圈1212。多个磁柱122包括多个外磁柱1222和一个内磁柱1221。在磁柱安装圈1212中安装一圈N极朝向靶材200而S极远离靶材200的外磁柱1222，并在中心孔1213内安装一个磁性较强的内磁柱1221且S极朝向靶材200而N极远离靶材200，从而构成闭合的平衡磁场。通过提高外磁柱1222的强度，则可构成非平衡磁场。如果是普通靶材，可通过在磁柱安装圈1212中间隔安装多个外磁柱1222，即减少了外磁柱1222的数量以及增大了多个外磁柱1222之间的间距，磁场的强度减弱。如果是强磁靶材，如CoFeB/MgO，需要较高强度的磁场，则在磁柱安装圈1212中均安装上外磁柱1222，如图7所示，为磁控溅射靶枪100在磁柱安装圈1212中均安装上外磁柱1222，生长的CoFeB/MgO薄膜的磁滞回线测试结果，该结果采用的详细膜堆是Ta(5nm)/ MgO(2nm)CoFeB(1.2nm)/Mo(0.4nm)/CoFeB(1.2nm)/MgO(2nm)/Ta(3nm)的磁性测试结果，其中，“垂直”表示使用震动样品磁强计给样品施加垂直方向的磁场， “面内”表示使用震动样品磁强计给样品施加面内方向的磁场，可判断样品磁性的翻转情况，可以看出即使是测试沉积非常薄（≤2nm）的薄膜，也能够测到非常好的面内磁场和垂直磁场下的磁性信号，从而证明了所沉积的薄膜的精度高、性能高，即通过利用磁体结构12对磁场进行优化，从而沉积出高精度、高性能的磁性薄膜。

如图3所示，靶材安装面1216上由内向外布设有多个磁柱安装圈1212。根据靶材200上所需溅射的部位，选择不同的磁柱安装圈1212，即当靶材200溅射一段时间后若变得厚薄不均，则可通过更改外磁柱1222的安装位置，使靶材200上较厚的部位的磁场强度变高，而靶材200上较薄的部位的磁场强度变低，从而提高靶材200的利用率。具体的，磁柱安装孔1211的孔径大于2mm。每个磁柱安装圈1212中相邻的两个磁柱安装孔1211之间的间距L₁大于2mm。相邻的两个磁柱安装圈1212之间的间距L₂大于5mm。

如图1所示，本发明的实施方式中，磁柱安装孔1211为内螺纹孔，磁柱122上设有与内螺纹孔相配合的外螺纹段。磁柱122与磁柱安装孔1211螺纹连接，便于拆装和移动。具体的，磁柱122采用磁性材料制备，可以选取合金永磁材料、稀土永磁材料（钕铁硼Nd2Fe14B）、钐钴(SmCo)、铝镍钴（AlNiCo）或铁氧体永磁材料（Ferrite），优选钕铁硼材料。磁柱122的两端充磁，分别为N极和S极，并且可以灵活地选择充磁的大小。

如图1所示，本发明的实施方式中，靶头1还包括冷却结构13，冷却结构13包括冷却介质输入管131和冷却介质输出管132，固定座121内设有冷却通道1215，且多个磁柱安装孔1211位于冷却通道1215的周围，冷却介质输入管131、冷却通道1215以及冷却介质输出管132依次连通。通过冷却介质输入管131不断地向冷却通道1215内输送冷却介质，使得任一磁柱安装孔1211中的磁柱122均可以被冷却，从而避免磁柱122因高温而退磁。具体的，冷却介质可为冷却水。冷却通道1215大体呈环形，并位于中心孔1213与磁柱安装圈1212之间，使得安装于中心孔1213内的内磁柱1221以及安装在磁柱安装圈1212中的所有外磁柱1222均可以被冷却。此外，根据温度探测结构16所获取的温度信息调节冷却水的温度和/或流速，从而更准确地控制磁柱122的温度。

如图1所示，靶头1还包括密封结构14，密封结构14包括密封底座141和固定罩142，烟囱下段113与密封底座141连接，固定罩142的两端分别与密封底座141和磁体结构12相连接，冷却介质输入管131和冷却介质输出管132穿过密封底座141而伸入固定罩142中。通过固定罩142实现绝缘，以防止等离子体撞击冷却介质输入管131和冷却介质输出管132。此外，固定罩142的外壁面与烟囱下段113的内壁面之间形成引气通道，该引气通道的一端与烟囱下段113的气体引入接口18相连通，该引气通道的另一端与烟囱中段112相连通，从而将气体引入烟囱中段112中靶材200的附近。

如图1和图3所示，具体的，固定罩142采用绝缘材料制成，优选陶瓷材料。磁体结构12还包括压盖123和磁轭124，靶材200通过压盖123被压紧固定于靶材安装面1216上，磁轭124安装于固定座121上，磁轭124和靶材200分别位于固定座121的两端。磁轭124通过电线15连接电源的阴极，从而使靶材200被施加负电位。磁轭124和密封底座141相对的面上设有连接凸台，固定罩142的两端分别套接于两个连接凸台上。

实施方式二

如图4和图5所示，本发明还提供一种磁控溅射靶枪100，包括上述靶头1，磁控溅射靶枪100还包括：运动机构2，与靶头1连接，运动机构2可带动靶头1运动；真空连接机构4，安装在真空腔室300上，运动机构2通过真空连接机构4安装在真空腔室300内；驱动机构3，安装在真空连接机构4上，且驱动机构3穿过真空连接机构4与运动机构2连接。其中，靶头1与实施方式一中的靶头1的结构、工作原理以及有益效果相同，在此不再赘述。此外，本发明的磁控溅射靶枪100，通过运动机构2带动靶头1运动，从而改变靶头1中靶材200的溅射角度、溅射距离等。

具体的，驱动机构3具有位于真空腔室300外部的外伸部以及位于真空腔室300内部的内伸部，该外伸部与磁控溅射系统的控制模块600电连接，该内伸部与运动机构2连接。真空连接机构4上设有用于驱动机构3穿设并与驱动结构3密封连接的密封连接结构。

如图4所示，本发明的实施方式中，运动机构2包括移动结构21，驱动机构3包括与移动结构21连接的移动驱动结构31，移动结构21在移动驱动结构31的驱动下带动靶头1沿其轴向移动。通过移动结构21调整靶头1中靶材200与基片800之间的距离，确保靶材200的原子能溅射到基片800上。

如图4和图5所示，移动结构21包括安装座211和至少一第一波纹管212，安装座211与靶头1连接，第一波纹管212的一端与安装座211连接，第一波纹管212的另一端穿过真空连接机构4与移动驱动结构31连接，与靶头1连接的电线15以及液体管路均依次穿过安装座211和至少一第一波纹管212而伸出真空腔室300外。具体的，液体管路包括冷却介质输入管131和冷却介质输出管132。真空连接机构4包括安装法兰41。移动驱动结构31包括与第一波纹管212连接的直线驱动装置311以及与直线驱动装置311连接的电机312。通过电机312配合直线驱动装置311压缩或拉伸第一波纹管212，从而实现靶头1沿其轴向移动。供气管路5依次穿过安装座211和安装法兰41，且供气管路5具有呈螺旋状布设的螺旋段，该螺旋段位于安装座211与安装法兰41之间，以与第一波纹管212同步伸缩。安装座211与安装法兰41之间还穿设有第三波纹管38，等离子体探测结构17和温度探测结构16均依次穿过安装座211和第三波纹管38而伸出真空腔室300外，并通过航空插头39与控制模块600连接，以分别将检测信号传输至控制模块600。

如图4所示，本发明的实施方式中，运动机构2包括转动结构22，驱动机构3包括与转动结构22连接的转动驱动结构32，移动结构21通过转动结构22与靶头1连接，转动结构22在转动驱动结构32的驱动下带动靶头1绕其径向转动。通过转动结构22调整靶头1中靶材200的角度，从而改变靶材200的原子的溅射角度。

如图4和图5所示，转动结构22包括传动件221和至少一第二波纹管222，传动件221具有两连接端和一控制端，两连接端分别与靶头1和移动结构21连接，控制端与转动驱动结构32连接，第二波纹管222的两端分别与靶头1和移动结构21连接，与靶头1连接的电线15和液体管路均穿过第二波纹管222而伸于移动结构21内。

具体的，第二波纹管222的两端分别与密封底座141和安装座211相连接。传动件221包括直角齿轮组2211以及两个连杆结构2212，连杆结构2212的两端分别与密封底座141和安装座211相连接，两个连杆结构2212分别位于第二波纹管222的两侧。转动驱动结构32包括第一伸缩杆323、与第一伸缩杆323连接的磁力转轴321以及与磁力转轴321连接的电机322，第一伸缩杆323的一端穿过安装法兰41与磁力转轴321连接，第一伸缩杆323的另一端穿过安装座211并通过直角齿轮组2211与一连杆结构2212连接。通过该电机322配合磁力转轴321带动第一伸缩杆323转动，进而通过直角齿轮组2211带动连杆结构2212转动，从而使靶头1绕其径向转动，靶头1的角度发生改变。此外，第一伸缩杆323随移动结构21同步伸缩。

如图4和图5所示，磁控溅射靶枪100还包括第二伸缩杆33、连接杆35、万向节34以及气动转轴37，第二伸缩杆33的一端穿过安装法兰41与真空腔室300外的气动转轴37连接，第二伸缩杆33的另一端穿过安装座211并通过万向节34与连接杆35的一端连接，另一连杆结构2212上设有限位套36，连接杆35的另一端穿过限位套36与阴极挡板19连接，通过气动转轴37驱动第二伸缩杆33转动，从而带动连接杆35转动，进而使阴极挡板19朝溅射口1111的侧方转动。此外，第二伸缩杆33随移动结构21同步伸缩。万向节34随转动结构22转动。

实施方式三

如图6所示，本发明还提供一种磁控溅射系统，包括上述磁控溅射靶枪100。该磁控溅射靶枪100与实施方式二中的磁控溅射靶枪100的结构、工作原理以及有益效果相同，在此不再赘述。

本发明的实施方式中，磁控溅射系统还包括真空腔室300、真空获得组件400、真空测试组件500、样品台700以及控制模块600，真空获得组件400包括与真空腔室300连通的泵组以及安装在连通管路上的阀门，以控制真空腔室300的真空度符合要求。真空测试组件500包括与真空腔室300连通的真空计，以检测真空腔室300的真空度。样品台700伸于真空腔室300内，以安装基片800。供气管路5连通提供氩气的气源900，且供气管路5上设有流量计901。控制模块600采用PC端602和PLC控制器601进行两级控制，其中，PLC控制器601实现温度探测结构16、等离子体探测结构17以及电机312、电机322的信号的读取和控制，PLC控制器601还控制移动驱动结构31、转动驱动结构32、冷却结构13中冷却水的流速开关以及气动转轴37。PC端602集成磁控溅射系统控制软件，可以控制电源的施加、基片800的旋转、气体的输入以及真空获得组件400调整真空腔室300的真空度。PC端602可以实现反馈控制，例如，根据PLC控制器601所获取的温度探测结构16的温度升高的信号控制冷却水的流速，降低沉积时的温度，从而保证沉积时气压稳定；根据PLC控制器601所获取的等离子体探测结构17的等离子体密度异常变化的信号提示磁场分布存在问题或者靶材200局部使用率较高，以便于运行维护人员进行相关的维护和调整，从而实现磁控溅射系统中磁控溅射靶枪100的闭环控制。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种靶头，其特征在于，安装在磁控溅射靶枪上，所述靶头包括：

烟囱，与供气管路相连通，所述烟囱设置有用于监测所述磁控溅射靶枪的工作状态的监测结构；

磁体结构，用于产生溅射过程中所需的各种磁场，所述磁体结构的上方安装有靶材；

其中，所述烟囱包括：

烟囱中段，为导电材料制成，所述靶材位于所述烟囱中段内；

烟囱下段和烟囱上段，均为绝缘材料制成，所述烟囱下段和所述烟囱上段分别与所述烟囱中段的两端相连接。

2.根据权利要求1所述的靶头，其特征在于，

所述监测结构包括至少一温度探测结构和至少一等离子体探测结构，至少一所述温度探测结构与所述烟囱上段和/或所述烟囱下段连接，至少一所述等离子体探测结构与所述烟囱上段连接。

3.根据权利要求1所述的靶头，其特征在于，

所述烟囱上段和/或所述烟囱下段设有至少一与所述供气管路连通的气体引入接口。

4.根据权利要求1所述的靶头，其特征在于，

所述烟囱上段位于所述靶材的上方，且所述烟囱上段的径向尺寸小于所述靶材的径向尺寸。

5.根据权利要求3所述的靶头，其特征在于，

所述烟囱上段具有溅射口，所述溅射口处设有可活动的阴极挡板。

6.根据权利要求1所述的靶头，其特征在于，

至少部分所述磁体结构位于所述烟囱下段内。

7.根据权利要求1所述的靶头，其特征在于，

所述磁体结构包括多个磁柱和固定座，所述固定座设有靶材安装面，所述靶材固定于所述靶材安装面上，所述固定座上设有多个磁柱安装孔，所述磁柱安装孔延伸至所述靶材安装面，至少两个所述磁柱安装于至少两个所述磁柱安装孔中。

8.根据权利要求7所述的靶头，其特征在于，

多个所述磁柱安装孔包括中心孔和多个外围孔，所述中心孔与所述靶材的中心相对应，多个所述外围孔沿所述固定座的周向间隔排布成一磁柱安装圈。

9.根据权利要求8所述的靶头，其特征在于，

所述靶材安装面上由内向外布设有多个所述磁柱安装圈。

10.根据权利要求7所述的靶头，其特征在于，

所述磁柱安装孔为内螺纹孔，所述磁柱上设有与所述内螺纹孔相配合的外螺纹段。

11.根据权利要求7所述的靶头，其特征在于，

所述靶头还包括冷却结构，所述冷却结构包括冷却介质输入管和冷却介质输出管，所述固定座内设有冷却通道，且多个所述磁柱安装孔位于所述冷却通道的周围，所述冷却介质输入管、所述冷却通道以及所述冷却介质输出管依次连通。

12.根据权利要求11所述的靶头，其特征在于，

所述靶头还包括密封结构，所述密封结构包括密封底座和固定罩，所述烟囱下段与所述密封底座连接，所述固定罩的两端分别与所述密封底座和所述磁体结构相连接，所述冷却介质输入管和所述冷却介质输出管穿过所述密封底座而伸入所述固定罩中。

13.一种磁控溅射靶枪，其特征在于，包括权利要求1-12中任一项所述的靶头，所述磁控溅射靶枪还包括：

运动机构，与所述靶头连接，所述运动机构可带动所述靶头运动；

真空连接机构，安装在真空腔室上，所述运动机构通过所述真空连接机构安装在所述真空腔室内；

驱动机构，安装在所述真空连接机构上，且所述驱动机构穿过所述真空连接机构与所述运动机构连接。

14.根据权利要求13所述的磁控溅射靶枪，其特征在于，

所述运动机构包括移动结构，所述驱动机构包括与所述移动结构连接的移动驱动结构，所述移动结构在所述移动驱动结构的驱动下带动所述靶头沿其轴向移动。

15.根据权利要求14所述的磁控溅射靶枪，其特征在于，

所述移动结构包括安装座和至少一第一波纹管，所述安装座与所述靶头连接，所述第一波纹管的一端与所述安装座连接，所述第一波纹管的另一端穿过所述真空连接机构与所述移动驱动结构连接，与所述靶头连接的电线以及液体管路均依次穿过所述安装座和至少一所述第一波纹管而伸出所述真空腔室外。

16.根据权利要求14所述的磁控溅射靶枪，其特征在于，

所述运动机构包括转动结构，所述驱动机构包括与所述转动结构连接的转动驱动结构，所述移动结构通过所述转动结构与所述靶头连接，所述转动结构在所述转动驱动结构的驱动下带动所述靶头绕其径向转动。

17.根据权利要求16所述的磁控溅射靶枪，其特征在于，

所述转动结构包括传动件和至少一第二波纹管，所述传动件具有两连接端和一控制端，两所述连接端分别与所述靶头和所述移动结构连接，所述控制端与所述转动驱动结构连接，所述第二波纹管的两端分别与所述靶头和所述移动结构连接，与所述靶头连接的电线和液体管路均穿过所述第二波纹管而伸于所述移动结构内。

18.一种磁控溅射系统，其特征在于，包括权利要求13-17中任一项所述的磁控溅射靶枪。

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