CN116288217A - 一种电子吸引装置、磁控溅射系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁控溅射领域，具体是涉及到一种电子吸引装置、磁控溅射系统及方法，其中电子吸引装置包括电源和相互连接的导电外壳和磁铁Ⅰ，所述电源用于给导电外壳提供正电压，本电子吸引装置用于吸引磁控溅射系统中加速冲向基材和真空腔体的自由电子，降低电子沉积于基材和真空腔体上的高能电子数量，有利于降低电子对基材的轰击和控制基材的温度，最终降低基材的变形和损伤，并提高基材镀膜质量和稳定性，提高磁控溅射工艺效率。

Description

一种电子吸引装置、磁控溅射系统及方法

技术领域

本发明属于磁控溅射领域，具体是涉及到一种电子吸引装置、磁控溅射系统及方法。

背景技术

现有的磁控溅射系统在溅射过程中，等离子体中的电子及二次电子(被电子运动轰击的氩分子离化释放的电子)在电场的作用下，会加速向阳极(一般接地)，最终轰击阳极并沉积。在传统系统里，基材作为阳极存在。电子的轰击会导致基材能量积累并升温。而升温限制了工艺过程中不同种类的基材使用；如PET等材料要求的温度一般低于100℃；另外高能的电子本身的轰击能量较高，轰击基材时会带来膜层损伤；这会导致磁控溅射工艺在一些器件制备使用上有所限制，例如异质结太阳能电池和钙钛矿太阳能电池制备过程中，传统的磁控溅射会造成一定器件功率损失或损坏器件。

目前已有新增辅助阳极吸引自由电子，以减少轰击基材的电子数量的方式，例如中国专利：CN202220472099.5-一种偏压辅助阳极装置及真空磁控溅射设备和CN210140622U-辅助阳极装置及具有其的真空磁控溅射设备，然而，上述提到的方式是利用电场吸引电子，其导向效果一般，吸引率仅能达到30-60％，基材上还是会受到40-70％的高能电子撞击。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种不影响原磁控溅射系统溅射效率和效果的前提下可高效吸引自由电子的电子吸引装置、磁控溅射系统及方法。

本发明提供一种电子吸引装置，包括电源和相互连接的导电外壳和磁铁Ⅰ，所述电源用于给导电外壳提供正电压。

更进一步地，所述电源用于给导电外壳提供的正电压为10-20伏特。

更进一步地，所述电源的负极接地。

更进一步地，所述导电外壳上设置有安装腔和连接安装腔的卡合口，所述磁铁Ⅰ一端伸入所述安装腔内，且磁铁Ⅰ的外壁与所述卡合口卡合。

本发明还提供一种磁控溅射系统，包括电子吸引装置、真空腔体以及依次设置在真空腔体内的磁控装置、靶材和基材安装位，所述电子吸引装置设置在靶材和基材安装位之间，所述电子吸引装置中磁铁Ⅰ朝向靶材设置，且电子吸引装置中磁铁Ⅰ与磁控装置中相对应的磁铁Ⅱ极性相异。

更进一步地，所述电子吸引装置设置有多组，多组电子吸引装置分别设置在基材安装位外侧和中间。

更进一步地，所述电子吸引装置数量与磁控装置中磁铁Ⅱ的组数一致，且电子吸引装置与磁铁Ⅱ组一一对应。

更进一步地，本磁控溅射系统还包括移动装置，所述电子吸引装置通过移动装置设置在真空腔体内。

更进一步地，所述基材安装位上设置有基材，所述基材和真空腔体接地。

本发明还提供一种磁控溅射方法，使用磁控溅射系统，包括如下步骤：

在磁控溅射过程中，当电子的速度降低到一定值后，磁控装置产生的磁场对电子的束缚能力减弱，电子在导流电场的作用下，脱离磁场束缚并在导流电场的作用下加速向电子吸引装置和真空腔体内壁运动；电子在加速的同时，受到电子吸引装置内部磁铁Ⅰ和磁控装置中磁铁Ⅱ共同产生的吸引磁场的作用，电子沿着吸引磁场的磁力线做螺线运动，沉积到电子吸引装置的导电外壳上。

本发明的有益效果是，本发明所提供的电子吸引装置，通过设置导电外壳和磁铁Ⅰ，并在导电外壳上提供一个正电压，磁铁Ⅰ可以与磁控装置中的磁铁Ⅱ相互形成一个吸引磁场，吸引磁场会结合导流电场吸引电子，在吸引过程中，电子的加速运动方向主要是由于导流电场方向起主导，吸引磁场对电子运动起一定的束缚作用，随着电子速度的增加，磁场的束缚作用也同步增强。具体地，电子在加速的同时，受到吸引磁场的作用，会沿着吸引磁场的磁力线做螺线运动，最终沉积到具有正电压的导电外壳上，以此减少沉积于基材和真空腔体上的高能电子数量。

本电子吸引装置用于吸引磁控溅射系统中加速冲向基材和真空腔体的自由电子，降低电子沉积于基材和真空腔体上的高能电子数量，有利于降低电子对基材的轰击和控制基材的温度，最终降低基材的变形和损伤，并提高基材镀膜质量和稳定性，提高磁控溅射工艺效率。

相对于常规仅通过电场吸引自由电子的方式而言，本电子吸引装置通过增设吸引磁场于导流电场结合，在不会影响原磁控溅射系统的溅射效率和溅射效果的前提下，吸引电子的效果极大的提高。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图。

在图中，1-电子吸引装置；11-导电外壳；111-安装腔；112-卡合口；12-磁铁Ⅰ；2-磁控装置；21-磁铁Ⅱ；22-安装板；3-靶材；4-基材安装位；5-基材；6-磁场；7-吸引磁场；8-真空腔体。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如附图1所示，本发明提供一种电子吸引装置，包括电源和相互连接的导电外壳11和磁铁Ⅰ12，所述电源用于给导电外壳11提供正电压。

本发明所提供的电子吸引装置1，通过设置导电外壳11和磁铁Ⅰ12，并在导电外壳11上提供一个正电压，磁铁Ⅰ12可以与磁控装置2中的磁铁Ⅱ21相互形成一个吸引磁场7，吸引磁场7会结合导流电场(导流电场是指靶材3与导电外壳11之间形成的电场)吸引电子，在吸引过程中，电子的运动方向主要是由于导流电场方向起主导，吸引磁场7对电子运动起一定的束缚作用，具体地，电子在加速的同时，受到吸引磁场7的作用，会沿着吸引磁场7的磁力线做螺线运动，最终沉积到具有正电压的导电外壳11上，以此减少沉积于基材5和真空腔体8上的高能电子数量。

本电子吸引装置1用于吸引磁控溅射系统中加速冲向基材5和真空腔体8的自由电子，降低电子沉积于基材5和真空腔体8上的高能电子数量，有利于降低电子对基材5的轰击和控制基材5的温度，最终降低基材5的变形和损伤，并提高基材5镀膜质量和稳定性，提高磁控溅射工艺效率。

相对于常规仅通过电场吸引自由电子的方式而言，本电子吸引装置1通过增设吸引磁场7于导流电场结合，在不会影响原磁控溅射系统的溅射效率和溅射效果的前提下，吸引电子的效果极大的提高。

常规电场吸引方式下，电子的收集率只能达到30％-60％，本发明在直流溅射条件下电子收集率接近100％，实现了电子的完全收集。

在其中一个实施例中，所述电源用于给导电外壳11提供的正电压为10-20伏特，电压过低，导电外壳11与真空腔体8之间的电势差小，电子的电子运动导向性差。电压过高导电外壳11与真空腔体8之间会产生附加的溅射作用。一般会根据设备的尺寸选择合适的电压，10-20伏特较为合适。

在其中一个实施例中，所述电源的负极接地，可以将导电外壳11吸引的电子传导至大地。

在其中一个实施例中，所述导电外壳11上设置有安装腔111和连接安装腔111的卡合口112，所述磁铁Ⅰ12一端伸入所述安装腔111内，且磁铁Ⅰ12的外壁与所述卡合口112卡合，本实施例中，磁铁Ⅰ12与导电外壳11卡合连接，可以简化连接难度，同事磁铁Ⅰ12会吸住导电外壳11，提高连接稳定性，而将磁铁Ⅰ12的一端伸入安装腔111内，可以避免电子轰击磁铁Ⅰ12。

本发明还提供一种磁控溅射系统，包括电子吸引装置1、真空腔体8以及依次设置在真空腔体8内的磁控装置2、靶材3和基材安装位4，其中基材安装位4用于安装待镀膜的基材5，所述电子吸引装置1设置在靶材3和基材安装位4之间，用于吸引将朝向基材5移动的电子，所述电子吸引装置1中磁铁Ⅰ12朝向靶材3设置，且电子吸引装置1中磁铁Ⅰ12与磁控装置2中相对应的磁铁Ⅱ21极性相异，进而使磁铁Ⅰ12和磁铁Ⅱ21形成吸引磁场7。

本发明所提供的磁控溅射系统，仅在常规的磁控溅射系统新增电子吸引装置1，电子吸引装置1中的磁铁Ⅰ12与磁控装置2中相对应的磁铁Ⅱ21形成吸引磁场7，用于吸引加速冲向基材5的电子，可以降低电子沉积于基材5和真空腔体8上的高能电子数量，有利于降低电子对基材5的轰击和控制基材5的温度，最终降低基材5的变形和损伤，并提高基材5镀膜质量和稳定性，提高磁控溅射工艺效率。

在其中一个实施例中，所述电子吸引装置1设置有多组，多组电子吸引装置1分别设置在基材安装位4外侧和中间，本实施例中，考虑到磁控装置2所产生的磁场6外溢性的特点，电子吸引装置1分别在磁控装置2中心磁铁Ⅱ21外溢磁场和边缘磁铁Ⅱ21外溢磁场的位置进行配置，最大限度的将外溢磁场上的电子导向电子吸引装置1，提高吸引电子的效果。

在其中一个实施例中，所述电子吸引装置1数量与磁控装置2中磁铁Ⅱ21的组数一致，且电子吸引装置1与磁铁Ⅱ21组一一对应。在一个实施例中，所述导电外壳11、磁铁Ⅰ12和磁铁Ⅱ21均为长条形。

本磁控溅射系统还包括移动装置，所述电子吸引装置1通过移动装置设置在真空腔体8内，本实施例中，电子吸引装置1可以根据磁场6的变化调整电子吸引装置1的位置，提高吸引效果，增加实用性。

在其中一个实施例中，所述基材安装位4上设置有基材5，所述基材5和真空腔体8接地，使基材5和真空腔体8形成阳极区，同时接地可以保证设备安全，本实施例中，基材5和真空腔体8接地形成阳极区，且同时与溅射电源的正极连接，溅射电源的负极与靶材3连接，形成阴极区，电场的方向从阴极区指向阳极区。

本发明还提供一种磁控溅射方法，使用磁控溅射系统，包括如下步骤：

在磁控溅射过程中，当电子的速度降低到一定值后，磁控装置2产生的磁场6的束缚减弱，电子在导流电场的作用下，脱离磁场6束缚并在导流电场的作用下加速向电子吸引装置1和真空腔体8内壁运动；电子在加速的同时，受到电子吸引装置1内部磁铁Ⅰ12和磁控装置2中磁铁Ⅱ21共同产生的吸引磁场7的作用，电子沿着吸引磁场7的磁力线做螺线运动，沉积到电子吸引装置1的导电外壳11上。

本发明还提供一个具体实施例：

磁控溅射系统中磁控装置2、靶材3、电子吸引装置1和基材5依次设置，其中磁控装置2包括安装板22和按照要求一定排布的多个磁铁Ⅱ21，多个磁铁Ⅱ21的磁场6穿过靶材3到达靶材3表面，并按照N极发出，S极终止的原则在靶材3表面形成磁场的水平分量(磁场方向平行与靶材表面)，进行磁控溅射。其中，电子吸引装置1中的电源正极连接导电外壳11并给导电外壳11一个10伏特到20伏特的正电压，电源的负极接地；

该实施例中，具体工作包括如下步骤；

S1，靶材3和磁铁Ⅱ21接入溅射电源，溅射电源的负极向靶材3输出一个-500到-1000伏特负高压，形成阴极区，且溅射电源的正极与基材5与真空腔体8连接并直接接地，置于0点位形成阳极区；

S2、在真空腔体8中通入一定量的高纯气体；(一般为Ar气)

S3、溅射电源在阳极区和阴极区之间产生电场，真空腔体8中的自由电子在电场的作用下加速向阳极区运动；

S4、加速运动的电子轰击氩气分子，使氩气分子电离为氩离子(Ar+)并释放一个电子；(俗称二次电子)

S5、自由电子和二次电子在电场下加速，重复S4这个过程；

S7、电离的氩离子在电场的作用下加速向靶材3运动，并轰击靶材3；

S8、靶材3被轰击，溅射出一定数量的靶材分子或是分子团，沉积在基材5和真空腔体8的阳极结构上，完成镀膜；

S9、绝大部分的高能电子(具有一定速度)在电场和磁场6的作用下，被束缚在靶材3表面附件，并不停的重复S4这个过程；在电子的速度降低到一定值后，磁场6的束缚减弱，电子在导流电场的作用下，脱离磁场6束缚并在导流电场的作用下加速向阳极区运动；

S10、此时，电子吸引装置1中的磁铁Ⅰ12与磁控装置2中的磁铁Ⅱ21相互作用形成吸引磁场7，吸引磁场7和导流电场结合对S9中脱离磁场6束缚的电子进行导向，导电外壳11吸引该部分电子，该部分电子在加速的同时受到磁场6的作用，沿着磁场6的磁力线做螺线运动，并最终沉积到导电外壳11上，被引导至大地。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种电子吸引装置，其特征是，包括电源和相互连接的导电外壳(11)和磁铁Ⅰ(12)，所述电源用于给导电外壳(11)提供正电压。

2.如权利要求1所述的电子吸引装置，其特征是，所述电源用于给导电外壳(11)提供的正电压为10-20伏特。

3.如权利要求1所述的电子吸引装置，其特征是，所述电源的负极接地。

4.如权利要求1所述的电子吸引装置，其特征是，所述导电外壳(11)上设置有安装腔(111)和连接安装腔(111)的卡合口(112)，所述磁铁Ⅰ(12)一端伸入所述安装腔(111)内，且磁铁Ⅰ(12)的外壁与所述卡合口(112)卡合。

5.一种磁控溅射系统，其特征是，包括如权利要求1-4任一项所述的电子吸引装置(1)、真空腔体(8)以及依次设置在真空腔体(8)内的磁控装置(2)、靶材(3)和基材安装位(4)，所述电子吸引装置(1)设置在靶材(3)和基材安装位(4)之间，所述电子吸引装置(1)中磁铁Ⅰ(12)朝向靶材(3)设置，且电子吸引装置(1)中磁铁Ⅰ(12)与磁控装置(2)中相对应的磁铁Ⅱ(21)极性相异。

6.如权利要求5所述的磁控溅射系统，其特征是，所述电子吸引装置(1)设置有多组，多组电子吸引装置(1)分别设置在基材安装位(4)外侧和中间。

7.如权利要求6所述的磁控溅射系统，其特征是，所述电子吸引装置(1)数量与磁控装置(2)中磁铁Ⅱ(21)的组数一致，且电子吸引装置(1)与磁铁Ⅱ(21)组一一对应。

8.如权利要求5所述的磁控溅射系统，其特征是，还包括移动装置，所述电子吸引装置(1)通过移动装置设置在真空腔体(8)内。

9.如权利要求5所述的磁控溅射系统，其特征是，所述基材安装位(4)上设置有基材(5)，所述基材(5)和真空腔体(8)接地。

10.一种磁控溅射方法，其特征是，使用如权利要求9所述磁控溅射系统，包括如下步骤：

在磁控溅射过程中，当电子的速度降低到一定值后，磁控装置(2)产生的磁场(6)对电子的束缚能力减弱，电子在导流电场的作用下，脱离磁场(6)束缚并在导流电场的作用下加速向电子吸引装置(1)和真空腔体(8)内壁运动；电子在加速的同时，受到电子吸引装置(1)内部磁铁Ⅰ(12)和磁控装置(2)中磁铁Ⅱ(21)共同产生的吸引磁场(7)的作用，电子沿着吸引磁场(7)的磁力线做螺线运动，沉积到电子吸引装置(1)的导电外壳(11)上。

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