CN117344278A - 一种磁场扫描圆柱形阴极靶 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁场扫描圆柱形阴极靶，该阴极靶包括磁场模块、套设在磁场模块外侧的靶材组件以及带动磁场模块转动的驱动模块；磁场模块包括旋转轴、固定设置在旋转轴外侧的磁座、固定设置在磁座上的磁体组件以及套设在磁体组件外侧的磁轭；靶材组件包括通过轴承与磁场模块相连的靶座以及套设在靶座外侧的靶材；靶座具有水冷夹层；所述磁场模块用于产生磁场，在所述驱动模块的带动下，所述磁场模块产生运动的磁场，该磁场对所述靶材表面进行扫描。该阴极靶能够解决现有技术中的不足，其磁体不与冷却水直接接触，极大地提高了磁体的使用寿命和靶材利用率。
Description
技术领域
本发明涉及磁控溅射技术领域，具体涉及一种工业化真空离子溅射镀膜用磁场扫描圆柱形阴极靶。
背景技术
磁控溅射是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)的一种，是上世纪70年代发展起来的一种薄膜制备方法，可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料。磁控溅射技术具有高速、低温、低损伤，节能环保、设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等特点。与一般的溅射方法相比，磁控溅射技术具有气体离化率和溅射率高等优点。目前，利用磁控溅射技术低成本、大面积、高效率地制备薄膜，逐渐成为镀膜领域的发展方向，与之相应对大尺寸、高质量的溅射靶材的需求也越来越大。
磁控溅射靶材的利用率是磁控溅射源的工程设计和生产工艺成本核算的一个重要参数。但是现有的真空离子镀膜机用靶存在很多问题，例如低靶材利用率(<50％)、冷却水与磁体接触会导致磁钢使用寿命短，需要经常更换等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁场扫描圆柱形阴极靶，该阴极靶能够解决现有技术中的不足，其磁场不与冷却水直接接触，极大地提高了磁体的使用寿命和靶材利用率。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种磁场扫描圆柱形阴极靶，该阴极靶包括磁场模块、套设在所述磁场模块外侧的靶材组件以及带动所述磁场模块转动的驱动模块；
所述磁场模块包括旋转轴、固定设置在所述旋转轴外侧的磁座、固定设置在所述磁座上的磁体组件以及套设在所述磁体组件外侧的磁轭；
所述靶材组件包括通过轴承与所述磁场模块相连的靶座以及套设在所述靶座外侧的靶材；所述靶座具有水冷夹层；
所述磁场模块用于产生磁场，在所述驱动模块的带动下，所述磁场模块产生运动的磁场，该磁场对所述靶材表面进行扫描，能够实现靶表面的均匀性溅射，有效提高靶材利用率。
进一步的，所述驱动模块为电机；
所述电机为伺服电动机。
进一步的，所述磁体组件包括多个沿所述旋转轴长度方向布置的条形的磁钢；相邻所述磁钢之间设置有磁钢间隙；
所述磁钢为NbFeB材质；
所述磁钢包括N极磁钢和S极磁钢。
进一步的，所述磁体组件的数量为多组，沿所述磁座的外周依次设置；
相邻磁体组件中的磁钢的长度不同；
相邻磁体组件中的磁钢间隙交错设置。
进一步的，所述水冷夹层为设置在所述靶座中间的冷却回路；
所述冷却回路上连接有冷却水入口和冷却水出口。
进一步的，该阴极靶还包括法兰和磁流体密封装置；
所述电机的输出轴与所述磁流体密封装置的输出轴相连；
所述磁流体密封装置的输出轴还与所述旋转轴相连；
所述法兰，用于连接阴极靶与真空腔。
进一步的，所述电机的输出轴通过减速器与所述磁流体密封装置的输出轴相连。
进一步的，所述靶材为单根金属管或陶瓷管，
或者，由多根金属管或陶瓷管拼接而成，拼接时，相邻的金属管或金属管的接口为斜口。
进一步的，所述靶材与所述靶座采用铟-锡合金连接。
进一步的，该阴极靶还包括溅射电源；
所述溅射电源为直流、脉冲、射频或中频电源，功率密度为5-30W/cm2。
和现有技术相比，本发明的优点为：
(1)本发明通过设置可以旋转的磁场模块，使磁场模块产生的磁场可以运动，实现了磁场对靶材表面的旋转扫描，保证溅射的过程中，表面各处均匀溅射，有效提高靶材利用率和辉光稳定性。
(2)本发明通过设置带有水冷夹层的靶座，使冷却水在靶座内部的水冷回路中流动，对磁场模块进行间接制冷，从而避免了冷却水与磁体直接接触，大幅提高了靶材的利用率、磁钢的使用寿命以及等离子体的稳定性。
(3)本发明中磁场模块所采用的磁体组件，相邻磁体组件中的磁钢的长度不同且相邻磁体组件中的磁钢间隙交错设置。由于相邻的磁钢之间有间隙，如果每一组磁体的长度都一样，那么在同样位置的间隙处，间隙处没有磁力线就没有磁场，在进行磁控溅射时就会有位置溅射不到或溅射率低，靶表面溅射不均匀，靶材利用率降低。因此，本发明通过使相邻组的磁钢的长度不同，那么在相邻的磁体之间的间隙就是交错设置的，这样磁场就不会存在死角，确保磁控溅射时保证每个位置都能够溅射到，提高靶材利用率。
(4)本发明所述的阴极靶，其靶材由多根金属管或陶瓷管拼接而成，拼接时，相邻的金属管或金属管的接口为斜口，这样在旋转的过程中，有材料的部分把没有材料的部分覆盖掉，从而保证薄膜的均匀性，保证每个地方都能溅射到。
附图说明
图1是本发明中圆柱形阴极靶的结构示意图；
图2是图1中圆柱形阴极靶沿A-A′面的剖面图；
图3是图1中圆柱形阴极靶沿B-B′面的剖面图；
图4是磁钢重叠磁场布局示意图；
图5是圆柱形阴极靶的靶材整体靶和拼接靶示意图；
图6是4组磁钢排布时，Comsol仿真靶表面刻蚀轮廓磁场分布示意图；
图7是8组磁钢排布时Comsol仿真靶表面刻蚀轮廓磁场分布示意图。
其中：
1、伺服电动机，2、法兰，3、冷却水入口，4、靶材，5、冷却水出口，6、旋转轴，7、靶座，8、磁流体密封装置，9、磁座，10、磁钢，11、磁轭，12、密封圈，13、靶材，14、轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1～图3所示的一种磁场扫描圆柱形阴极靶，该阴极靶包括磁场模块、套设在所述磁场模块外侧的靶材组件以及带动所述磁场模块转动的驱动模块。所述磁场模块包括旋转轴、固定设置在所述旋转轴外侧的磁座、固定设置在所述磁座上的磁体组件以及套设在所述磁体组件外侧的磁轭。所述磁场模块用于产生磁场，在所述驱动模块的带动下，所述磁场模块产生运动的磁场，该磁场对所述靶材表面进行扫描。该阴极靶还包括溅射电源；所述溅射电源为直流、脉冲、射频或中频电源，功率密度为5-30W/cm2。结合减速器、PLC和触摸屏，实现对磁场模块的旋转方向和转速的控制，磁场系统转速为5-30rpm，从而实现与靶表面平行的磁场对整个靶的扫描。通过设置可以旋转的磁场模块，能够实现靶表面的均匀性溅射，有效提高靶材利用率。
如图2所示，所述靶材组件包括通过轴承与所述磁场模块相连的靶座以及套设在所述靶座外侧的靶材。轴承的数量为两个，靶材组件的两端分别通过一个轴承与磁场模块相连。所述靶材与所述靶座采用铟-锡合金连接。
如图1所示，所述驱动模块为电机；所述电机为伺服电动机。该阴极靶还包括法兰和磁流体密封装置；所述电机的输出轴与所述磁流体密封装置的输出轴相连；所述磁流体密封装置的输出轴还与所述旋转轴相连；所述法兰，用于连接阴极靶与真空腔。所述电机的输出轴通过减速器与所述磁流体密封装置的输出轴相连。磁流体密封装置为现有的标准件，在磁场模块的旋转过程中，起到动密封的作用。减速器，起到调整磁场模块转速的作用。电机转动，带动减速器转，减速器转动，带动磁流体密封装置转动，磁流体密封装置转动，带动磁场模块转动。
如图2和图3所示，所述磁体组件包括多个沿所述旋转轴长度方向布置的条形的磁钢；相邻所述磁钢之间设置有磁钢间隙；所述磁钢为NbFeB材质；所述磁钢包括N极磁钢和S极磁钢。每一组磁体组件中，N极磁钢和S极磁钢的长度相同。所述磁体组件的数量为多组，沿所述磁座的外周依次设置。如图3所示，多个磁体组件沿着圆柱形的轴线对称分布，4组、6组和8组磁钢的布局对应的夹角分布为90°，60°，45°。如图4所示，相邻磁体组件中的磁钢的长度不同；相邻磁体组件中的磁钢间隙交错设置。优选的，任意两组相邻的磁体组件中的磁钢的长度相差为2cm。相邻的磁钢之间有间隙，如果每一组磁体的长度都一样，那么在同样位置的间隙处，间隙处没有磁力线就没有磁场，在进行磁控溅射时就会有位置溅射不到或溅射率低，靶表面溅射不均匀，靶材利用率降低。通过使相邻组的磁钢的长度不同，那么在相邻的磁体之间的间隙就是交错设置的，这样磁场就不会存在死角，确保磁控溅射时保证每个位置都能够溅射到，提高靶材利用率。
如图2所示，所述靶座具有水冷夹层；所述水冷夹层为设置在所述靶座中间的冷却回路；所述冷却回路上连接有冷却水入口和冷却水出口。在本实施例中，阴极靶的冷却系统由循环水冷机，水压表、冷却水入口、冷却水出口和水冷回路组成，冷却回路中流动的冷却水温度为25-28℃、水压为2-2.5kg/cm2、流速为10-15L/min。如果磁体直接与冷却水接触的话，磁体会腐蚀掉，影响磁体的性能，本发明通过在设置带有水冷夹层的靶座，在靶座上开设水冷回路，既能够保证冷却的稳定性，又能够避免冷却水与磁体直接接触，延长磁体的使用寿命，保证磁体的性能稳定性。
如图5所示，所述靶材为如图5a所示的单根金属管或陶瓷管，或者，由多根金属管或陶瓷管拼接而成，拼接时，相邻的金属管或金属管的接口为斜口，如图5b所示。如果是圆柱形，旋转的时候中间有个间隙，没有靶材，影响制备过程中薄膜的均匀性。在本实施例中，靶材采用斜口拼接，这样在旋转的过程中，有材料的部分把没有材料的部分覆盖掉，从而保证薄膜的均匀性，保证每个地方都能溅射到。
下面以两个具体实施例介绍下本发明所述的阴极靶：
实施例1
在本实施例中，磁场模块中的磁钢为条形的NbFeB，如图3所示，磁钢围绕着圆柱轴线对称分布，相邻两个磁体组件之间的夹角θ为90°，对应4组磁钢直角分布的特殊布局，由如图4所示的任意两组长度相差为2cm的磁钢交替排布形成。驱动模块控制磁场系统转速为10rpm，实现与靶表面平行的磁场对整个靶的扫描。靶材由3段钛圆管按着图5b的方式拼接成；靶材和基座之间采用铟-锡合金连接。水冷回路中的冷却水的水温为28℃、水压为2.5kg/cm2、流速为10L/min。电源采用直流溅射电源，功率密度为10W/cm2,工作气体为Ar，工作气压0.8Pa时，离化率为45％，沉积速率为2μm/h，磁场不转时，靶材利用率为29，刻蚀轨道见图6所示；磁场转速为10rpm时，靶材利用率为95％。
实施例2
在本实施例中，磁场模块中磁钢为条形的NbFeB，磁钢围绕着圆柱轴线对称分布，如图3所示，相邻两个磁体组件之间的夹角θ为45°，对应8组磁钢直角分布的特殊布局，由意两组长度相差为2cm的磁钢交替排布形成，如图4所示。驱动模块控制磁场模块的转速为10rpm，实现与靶表面平行的磁场对整个靶的扫描。靶材由3段钛圆管按着图5b的方式拼接成；靶材和基座之间采用铟-锡合金连接。冷却系统中的冷却水的水温为28℃、水压为2.5kg/cm2、流速为10L/min。电源采用直流溅射电源，功率密度为10W/cm2,工作气体为Ar，工作气压0.8Pa时，离化率为61％，沉积速率为3μm/h，磁场不转时，靶材利用率为38％(刻蚀轨道见图7)；磁场转速为10rpm时，靶材利用率为96％。
综上所述，本发明通过设置可以旋转的磁场模块，实现了磁场的旋转扫描。本发明通过设置带有水冷夹层的靶座，使冷却水在靶座内部的水冷回路中流动，对磁场模块进行间接制冷，从而避免了冷却水与磁体直接接触，大幅提高了靶材的利用率、磁钢的使用寿命以及等离子体的稳定性。
以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种磁场扫描圆柱形阴极靶，其特征在于，该阴极靶包括磁场模块、套设在所述磁场模块外侧的靶材组件以及带动所述磁场模块转动的驱动模块；
所述磁场模块包括旋转轴、固定设置在所述旋转轴外侧的磁座、固定设置在所述磁座上的磁体组件以及套设在所述磁体组件外侧的磁轭；
所述靶材组件包括通过轴承与所述磁场模块相连的靶座以及套设在所述靶座外侧的靶材；所述靶座具有水冷夹层；
所述磁场模块用于产生磁场，在所述驱动模块的带动下，所述磁场模块产生运动的磁场，该磁场对所述靶材表面进行扫描。
2.根据权利要求1所述的磁场扫描圆柱形阴极靶，其特征在于，
所述驱动模块为电机；
所述电机为伺服电动机。
3.根据权利要求1所述的磁场扫描圆柱形阴极靶，其特征在于，
所述磁体组件包括多个沿所述旋转轴长度方向布置的条形的磁钢；相邻所述磁钢之间设置有磁钢间隙；
所述磁钢为NbFeB材质；
所述磁钢包括N极磁钢和S极磁钢。
4.根据权利要求1所述的磁场扫描圆柱形阴极靶，其特征在于，
所述磁体组件的数量为多组，沿所述磁座的外周依次设置；
相邻磁体组件中的磁钢的长度不同；
相邻磁体组件中的磁钢间隙交错设置。
5.根据权利要求1所述的磁场扫描圆柱形阴极靶，其特征在于，
所述水冷夹层为设置在所述靶座中间的冷却回路；
所述冷却回路上连接有冷却水入口和冷却水出口。
6.根据权利要求2所述的磁场扫描圆柱形阴极靶，其特征在于，
该阴极靶还包括法兰和磁流体密封装置；
所述电机的输出轴与所述磁流体密封装置的输出轴相连；
所述磁流体密封装置的输出轴还与所述旋转轴相连；
所述法兰，用于连接阴极靶与真空腔。
7.根据权利要求6所述的磁场扫描圆柱形阴极靶，其特征在于，
所述电机的输出轴通过减速器与所述磁流体密封装置的输出轴相连。
8.根据权利要求1所述的磁场扫描圆柱形阴极靶，其特征在于，
所述靶材为单根金属管或陶瓷管，
或者，由多根金属管或陶瓷管拼接而成，拼接时，相邻的金属管或金属管的接口为斜口。
9.根据权利要求1所述的磁场扫描圆柱形阴极靶，其特征在于，
所述靶材与所述靶座采用铟-锡合金连接。
10.根据权利要求1所述的磁场扫描圆柱形阴极靶，其特征在于，
该阴极靶还包括溅射电源；
所述溅射电源为直流、脉冲、射频或中频电源，功率密度为5-30W/cm2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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