CN115522172A - 一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁控溅射装置，尤其涉及一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置。其在直线运动区域进行溅射工作，可以提高靶材的溅射率和利用率。包括前后两磁体、靶材旋转机构、电场施加机构；几者均位于真空腔体内；其中，所述靶材旋转机构包括安装于柔性靶材固定架上的靶材，该柔性靶材固定架由皮带驱动机构带动旋转，柔性靶材固定架外部设置有用于降温的冷却箱，并通过电场施加机构为靶材施加电压；所述前磁体位于靶材旋转机构一侧，后磁体位于靶材旋转机构另一侧。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁控溅射装置，尤其涉及一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置。
背景技术
随着社会科学的进步，电子信息产业得到了迅猛的发展，而在这其中，像集成电路、平板显示、LED、光通讯、光学器件等一系列的高端电子信息产业关键器件及装备的功能性薄膜的制备就成为了科学研究的热点。现有的镀膜设备主要是磁控溅射镀膜，它是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的一种，PVD薄膜制成技术已经广泛应用于集成电路、机械加工、装饰领域、光学器件等电子信息产业关键器件及装备功能薄膜材料中。
磁控溅射的工作原理是指在电场E的作用下，电子与氩原子发生碰撞，电离产生出Ar正离子和新的电子，新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，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薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线，被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar来轰击靶材。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上形成薄膜。在这个过程中，由于技术发展的还不完善，还存在一些问题。靶材表面磁场的不均匀分布，一方面使得靶面溅射出形成类似“跑道”的表面轮廓，降低了靶材的利用率和溅射率；另一方面大量粒子被束缚在靶面附近，无法得到有效的利用，会降低薄膜沉积的速率和质量。在工作过程中，阴极靶材发热较为严重，由于缺乏合理的换热参数设置与结构设计，阴极冷却进行不充分，致使阴极靶体温升过高，影响溅射过程稳定性，破坏阴极系统气密性。磁控溅射装置真空腔体的密封性能不好，且密封失效导致泄漏后不能被及时发现，会使真空粒子混合外界空气，导致基体上镀膜的品质无法保证或者无效镀膜，更有甚者是无法进行磁控溅射镀膜。这些问题都尚待解决。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括前后两磁体、靶材旋转机构、电场施加机构。几者均位于真空腔体内；其中，所述靶材旋转机构包括安装于柔性靶材固定架上的靶材，该柔性靶材固定架由皮带驱动机构带动旋转，柔性靶材固定架外部设置有用于降温的冷却箱，并通过电场施加机构为靶材施加电压；所述前磁体位于靶材旋转机构一侧，后磁体位于靶材旋转机构另一侧。
进一步地，所述柔性靶材固定架为上、下两环形跑道式结构，所述靶材为长条形；多个靶材竖直安装于上、下两环形跑道式结构之间，且两两靶材间均留有间隙；多个靶材间通过靶材连接通道相连。
每个靶材的一端固定于上环形跑道式结构，每个靶材的一端固定于下环形跑道式结构；共同形成环形立体结构，该环形立体结构包括前后两半圆段及夹在两半圆段之间的两条直线段。
所述柔性靶材固定架与皮带驱动机构相连，通过带轮皮带旋转，固定在柔性靶材固定架的靶材也会随之旋转。
在柔性靶材固定架内部设置有竖直的左、右两隔离板，左、右两隔离板的底部均固定于真空腔体的底板上，左、右两隔离板之间设置有竖直的中间隔离板；中间隔离板一端固定于左隔离板上，中间隔离板另一端固定于右隔离板上；中间隔离板的前侧放置有一基体，中间隔离板的后侧放置有另一基体；且两基体均位于柔性靶材固定架内。
更进一步地，所述冷却箱包括两个：左冷却箱、右冷却箱，左冷却箱位于环形立体结构的前半圆段外，右冷却箱位于环形立体结构的后半圆段外；且两冷却箱不与柔性靶材固定架相接触，两冷却箱固定于真空腔体内壁。
更进一步地，所述电场施加机构通过紧固件固定于右隔离板上，电场施加机构包括加载电极、上下电刷安装板以及三个旋转电刷，通过柔性靶材固定架旋转，不断与三个电刷接触，对靶材进行施加电压，旋转电刷(内部)通过导线与基体相连，且基体接地，使基体与靶材间的区域形成电场。
进一步地，所述皮带驱动机构包括两组皮带轮，分置于柔性靶材固定架内两半圆段内，每组皮带轮均包括上下两皮带轮，且两皮带轮上下同轴安装，且其中一皮带轮组作为主动组，由驱动电机相连，另一皮带轮路作为从动组；主动组与从动组间通过皮带动力连接；且柔性靶材固定架与皮带驱动机构的皮带相连，皮带传动，带动柔性靶材固定架旋转。
进一步地，前后两磁体分别与对应磁轭配合安装在一起后，固定在真空腔体内壁，并面向柔性靶材固定架的直线段(直线运动区域)，用于产生靶材溅射所需的水平磁场。
与现有技术相比本发明有益效果。
本发明利用了一种环形跑道旋转机构带动靶材运动，在直线运动区域进行溅射工作，可以提高靶材的溅射率和利用率。在两个直线运动区域外部是由永磁体和磁轭组合提供磁场，由于磁轭的附加作用，可以有更多平行于靶面的磁场，使得增加磁控溅射装置在工作时的溅射均匀度和薄膜沉积的质量。并且，此磁控溅射装置是利用一个旋转机构使得有两个工作区域出现，可以提高薄膜溅射的工作效率。从而更好的满足各种功能性薄膜溅射的工作要求和需求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1是本发明一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置内部结构图。
图2是图1的磁控溅射装置阴极磁场的结构图。
图3是图2的阴极磁场沿I-I线的剖示图。
图4是本发明一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置顶部视图。
图5是本发明一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置底部视图。
图6是本发明一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置右侧内部视图。
图中，图中，1为永磁体，2为柔性靶材固定架，3为皮带轮，4为磁轭，5为中间隔离板，6为靶材，7为基体，8为皮带，9为左、右隔离板，10为皮带轮连接轴，11为左右冷却箱，12为真空腔体，13为磁通隔离板，14为柔性靶材固定架连接孔，15为靶材连接通道，16为旋转电刷，17为冷却箱固定孔，18为抽真空孔，19为左冷却箱进水孔，20为合页一，21为右冷却箱进水孔，22为基体7进口盖板，23为合页二，24为皮带轮3驱动连接轴，25为左冷却箱出水孔，26为基体7出口盖板，27为合页三，28为接地孔，29为右冷却箱出水孔，30为合页四，31为安装卡槽，32为电刷，33为导线通道，34为电极安装孔，35为靶材挡块，36为螺栓，37靶材压板。
具体实施方式
如图1-6所示，一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置，其包括真空腔体12、左右冷却箱11、前后磁体、靶材旋转机构、电场施加机构。
其中，整个装置内处于真空腔体12内。
靶材旋转机构包括柔性靶材固定架2、靶材6、旋转皮带、皮带轮3。而柔性靶材固定架2是一个类似环形跑道的形状，由两个半圆和两条直线构成，靶材6是长条形，利用靶材压板37竖直安装在柔性靶材固定架2上，通过带轮皮带旋转，固定在柔性靶材固定架2的靶材6也会随之旋转。在柔性靶材固定架2内部，有左右安装在真空腔体12上的隔离板，中间是基体7的放置区域，通过安装卡槽安装基体7。
左右冷却箱安装在靶材固定架2的左右半圆上，通过进出水循环冷却降低旋转靶材6在工作时产生的热量。
前后磁体是与磁轭4配合安装在一起，固定在真空腔体12上，面向旋转靶材6的直线运动区域，从而产生靶材6溅射所需的水平磁场。也即前后磁体作为磁极组合，位于磁控溅射靶外部，由永磁体1、磁轭4和磁通隔离板13组成。
磁极组合也即磁控装置，具有两个磁极组合，位于两个直线运动段的外部，磁体竖直放置，磁轭4位于磁体两边，通过独特的磁轭4形状控制着磁力线的分布，从而产生垂直于电场的均匀磁场，且通过磁通隔离板13安装在真空腔体12上。
电场施加机构是通过安装孔固定在靶材6旋转机构右侧的隔离板上，包括加载电极、上下电刷安装板以及三个旋转电刷，通过柔性靶材固定架2旋转，不断与三个电刷接触，从而对靶材6进行施加电压，内部通过导线与基体7相连，基体7接地，就可以使基体7与靶材6间的区域形成电场。具体地，为旋转溅射靶施加电压的旋转电刷，位于右侧带轮组的中间，安装于中间隔离板5的右侧上，里面有三个电刷，同时与旋转溅射靶进行接触，保证电压的施加，使其在直线运动区域产生均匀的电场。
具体地，包括两大部分，都放置于真空腔体12里面。
实施例1：一部分是由以下部件组合而成：柔性靶材固定架2、皮带轮3、皮带8、左、右冷却箱11、皮带轮连接轴10、靶材6、左、右隔离板9、中间隔离板5、基体7、旋转电刷16。其中，柔性靶材固定架2通过柔性靶材固定架连接孔14于皮带8相连，左、右冷却箱11通过冷却箱固定孔17固定在真空腔体12上，并且左、右冷却箱11紧紧贴着柔性靶材固定架2，皮带轮3一共有四个，两个一组，置于左右两边，左边的一组是通过皮带轮连接轴10进行连接，并于皮带8进行啮合，并且左边的皮带轮连接轴10为驱动轴，与外部的驱动机构连接，而且旋转电刷16竖直穿过皮带轮连接轴10，右边的一组通过皮带轮连接轴10进行连接，并于皮带8进行啮合，然后皮带轮连接轴10固定在真空腔体12上。中间的是左右两个隔离板9、中间隔离板5、基体7，旋转电刷16通过尾部安装于左侧的隔离板上。
实施例2：另一部分是磁极组合，其分为前后两个，分别置于靶材6做旋转运动的直线运动区域处，是由永磁体1、磁轭4、磁通隔离板13，其中，N、S磁极是上下放置，磁轭6也是分为两块，紧贴着N、S磁极上下两边，后面是一个磁通隔离板13，并且通过磁通隔离板13安装于真空腔体12上。
实施例3、如图2-图5所示，整个装置需要形成真空区域，是利用抽真空孔18进行的。磁控溅射待镀膜工件是利用合页一20、基体进口盖板22、合页二23的组合控制进入的，磁控溅射已镀膜工件是利用合页三27、合页四30、基体出口盖板26的组合控制出去的。冷却水通过左冷却箱进水孔19和右冷却箱进水孔21进入到左、右冷却箱11中，然后通过左冷却箱出水孔25和右冷却箱出水孔29出去，这样可以实现冷却水的循环，更好的降低靶材6在工作时产生的高温。基体7和靶材6是通过接地孔28进行接地。
如图6所示，待镀基体7通过安装卡槽31安装在中间隔离板5上，中间隔离板5和左右隔离板9都竖直安装在真空腔体12的底部，靶材6是放置于柔性靶材固定架2的靶材挡块35上，再利用靶材压板37就可以将靶材6安装在柔性靶材固定架2上，右侧的旋转电极16通过电极安装孔34安装在右侧隔离板9上，在旋转电极16内部有三个电刷32，他们一边是与旋转的靶材6接触，一边通过内部安装的导线与基体7接触，从而使靶材6和基体7之间产生电场。
工作过程如下：
首先，将待镀膜工件基体7通过上端口放入到磁控溅射装置内的中间隔离板5两边，然后需要将基体进口盖板22和基体出口盖板26进行密封盖好，在通过抽真空孔18将装置内变成真空区域，是装置内部的阴极磁场区域充满Ar粒子，外部驱动装置利用皮带轮驱动连接轴24带动皮带轮3运动，皮带轮3使得皮带8旋转运动，安装在柔性靶材固定架2上的靶材6也会跟随着运动起来，此时，靶材6和基体7通过接地孔28接地，利用旋转电刷16使每一靶材6加载负压，靶材6通过靶材连接通道15连接起来，保证每时每刻靶材6上都有电压存在，这样就可以使靶材6在直线运动段和基体7之间形成稳定的电场。同时，直线运动段外的磁极组合会在靶材6的表面形成垂直于电场的磁场，并且，由于磁轭4的存在，会使产生的磁场更加均匀。
此时，在电场的作用下，电子会与阴极磁场中的氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子，新电子飞向基体7，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极6，并以高能量轰击靶材6的表面，使靶材6发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基体7上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线，电子会被束缚在靠近靶材6表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar离子来轰击靶材6，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶材6表面，并在电场E的作用下最终沉积在基体7上形成薄膜。在磁控溅射工作时，由于柔性靶材固定架2带动靶材6做旋转运动，会产生高温，需要将冷却水通过左冷却箱进水孔19和右冷却箱进水孔21进入到左、右冷却箱11中，使靶材6得到更好的工作效果，然后通过左冷却箱出水孔25和右冷却箱出水孔29把水排出去，这样可以实现冷却水的循环，更好的降低靶材6在工作时产生的高温。
当工件基体7完成镀膜后，就可以使旋转电刷16停止施加电压，关闭外部旋转驱动装置，通过打开基体出口盖板26，将已镀膜完成的工件基体7取出，完成整个溅射工艺。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置，包括前后两磁体、靶材旋转机构、电场施加机构；其特征在于：几者均位于真空腔体内；其中，
所述靶材旋转机构包括安装于柔性靶材固定架上的靶材，该柔性靶材固定架由皮带驱动机构带动旋转，柔性靶材固定架外部设置有用于降温的冷却箱，并通过电场施加机构为靶材施加电压；
所述前磁体位于靶材旋转机构一侧，后磁体位于靶材旋转机构另一侧。
2.根据权利要求1所述的一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置，其特征在于：所述柔性靶材固定架为上、下两环形跑道式结构，所述靶材为长条形；多个靶材竖直安装于上、下两环形跑道式结构之间，且两两靶材间均留有间隙；多个靶材间通过靶材连接通道相连；
每个靶材的一端固定于上环形跑道式结构，每个靶材的一端固定于下环形跑道式结构；共同形成环形立体结构，该环形立体结构包括前后两半圆段及夹在两半圆段之间的两条直线段；
所述柔性靶材固定架与皮带驱动机构相连，通过带轮皮带旋转，固定在柔性靶材固定架的靶材也会随之旋转；
在柔性靶材固定架内部设置有竖直的左、右两隔离板，左、右两隔离板的底部均固定于真空腔体的底板上，左、右两隔离板之间设置有竖直的中间隔离板；中间隔离板一端固定于左隔离板上，中间隔离板另一端固定于右隔离板上；中间隔离板的前侧放置有一基体，中间隔离板的后侧放置有另一基体；且两基体均位于柔性靶材固定架内。
3.根据权利要求2所述的一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置，其特征在于：所述冷却箱包括两个：左冷却箱、右冷却箱，左冷却箱位于环形立体结构的前半圆段外，右冷却箱位于环形立体结构的后半圆段外；且两冷却箱不与柔性靶材固定架相接触，两冷却箱固定于真空腔体内壁。
4.根据权利要求2所述的一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置，其特征在于：所述电场施加机构通过紧固件固定于右隔离板上，电场施加机构包括加载电极、上下电刷安装板以及三个旋转电刷，通过柔性靶材固定架旋转，不断与三个电刷接触，对靶材进行施加电压，旋转电刷通过导线与基体相连，且基体接地，使基体与靶材间的区域形成电场。
5.根据权利要求1所述的一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置，其特征在于：所述皮带驱动机构包括两组皮带轮，分置于柔性靶材固定架内两半圆段内，每组皮带轮均包括上下两皮带轮，且两皮带轮上下同轴安装，且其中一皮带轮组作为主动组，由驱动电机相连，另一皮带轮路作为从动组；主动组与从动组间通过皮带动力连接；且柔性靶材固定架与皮带驱动机构的皮带相连，皮带传动，带动柔性靶材固定架旋转。
6.根据权利要求2所述的一种旋转靶磁控溅射阴极磁场装置，其特征在于：前后两磁体分别与对应磁轭配合安装在一起后，固定在真空腔体内壁，并面向柔性靶材固定架的直线段，用于产生靶材溅射所需的水平磁场。
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- 2022-11-09 CN CN202211396306.4A patent/CN115522172A/zh active Pending
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