CN117467954A - 平面阴极和磁控溅射系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种平面阴极和磁控溅射系统。包括磁轭和至少一磁体阵列；磁体阵列包括外围磁体、中心磁体、第一平衡磁体组和第二平衡磁体组；外围磁体的磁极指向沿垂直于磁轭表面方向，中心磁体的磁极指向与外围磁体的磁极指向平行；第一平衡磁体组和第二平衡磁体组分别位于中心磁体的相对的两侧且位于中心磁体与外围磁体之间；第一平衡磁体组和第二平衡磁体组均包括至少两个平衡磁体，平衡磁体的磁极指向沿平行于磁轭表面方向且垂直于平衡磁体的延伸方向；与中心磁体相邻的平衡磁体，靠近中心磁体的磁极与中心磁体的远离磁轭的磁极相反；与外围磁体相邻的平衡磁体，靠近外围磁体的磁极与外围磁体的远离磁轭的磁极相反。提高了HiPIMS溅射成膜速率。

Description

平面阴极和磁控溅射系统

技术领域

本申请涉及磁控溅射技术领域，特别是涉及一种平面阴极和磁控溅射系统。

背景技术

物理气相沉积(Physical vapor deposition，PVD)技术已经成为制备功能薄膜材料的主要手段，在超硬薄膜、耐摩擦薄膜、光学薄膜、装饰膜等功能薄膜制备领域均有广泛应用。PVD技术主要分为蒸镀、磁控溅射、电弧离子镀，其中蒸镀因薄膜附着力小，一般应用于装饰膜、光学膜；电弧离子镀具有靶材粒子的高离化率以及高的沉积速率，但沉积过程存在较大液滴，影响薄膜性能。磁控溅射技术沉积薄膜无液滴形成，可以制备比较致密的薄膜，膜面光滑，在光学、光电器件等领域应用广泛。

传统的直流磁控溅射(DCMS)依靠磁场束缚电子而增强的等离子体辉光放电，从靶材溅射出的粒子大多以中性原子状态存在，其能量为1ev左右，离化率较低。研究表明，如果提高粒子离化率，沉积薄膜时，薄膜致密度提高、膜基结合力提高，同时离子绕射性能好，可实现对复杂形状工件的沉积。而在近年来发展的高离化率PVD技术中，高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)以其较高的金属离化率是当前薄膜制备领域的研究热点。

HiPIMS技术是在脉冲功率技术上发展起来的，具有放电频率低、占空比低、峰值电流密度与峰值功率高等放电特征。HiPIMS采用低的脉冲占空比获得高的脉冲峰值功率，使得靶材粒子具有高达50％以上的离化率，因此可施加偏压对离子进行加速，提高其离子能量。HiPIMS技术综合了磁控溅射低温沉积、表面光滑、无颗粒缺陷和电弧离子镀金属离化率高、膜基结合力强、涂层致密的优点，且离子束流不含大颗粒，在控制涂层微结构的同时获得优异的膜基结合力，在降低涂层内应力及提高涂层致密性、均匀性等方面具有显著的技术优势，被认为是PVD技术发展史上近30年来的最重要的一项技术突破，特别在硬质涂层的应用方面具有显著优势。

目前，应用于HiPIMS的阴极一般为平面磁控溅射阴极。平面磁控溅射阴极包括三道磁体，三道磁体放置于靶材与磁轭之间，相邻的磁体间构成闭合的磁路。这种设计的特点为磁场垂直于靶面的方向磁场分布区域广，磁场分布梯度大。在脉冲放电过程中，由于靶面垂直方向存在区域较大的磁场分布区域和强的磁场强度，束缚电子进行洛伦茨运动，靶前方空间存在强的等离子体电位梯度。在等离子体预鞘层，空间电场形成了较大的垂直于靶面方向的电位梯度，该电场导致靶材离子回吸，阻碍离子向基体扩散。同时靶面前方空间存在交叉场的离子传输，方位角电流(如霍尔电流)和磁场强度正相关，导致了交叉场离子的异常传输，离子径向扩散增多，也阻碍了离子向基体扩散。这上述两种因素，都导致离子向基体扩散的通量减小，造成成膜速率过低。为此，与传统的DCMS相比，HiPIMS磁控溅射成膜速率约为其速率的10％～50％左右。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高磁控溅射速率的平面阴极和磁控溅射系统。

第一方面，本申请提供了一种平面阴极，包括：

磁轭；

至少一组磁体阵列，所述磁体阵列设置于所述磁轭上，其中，所述磁体阵列包括：外围磁体、中心磁体、第一平衡磁体组和第二平衡磁体组；其中，所述外围磁体的磁极指向沿垂直于所述磁轭表面的方向，所述中心磁体的磁极指向与所述外围磁体的磁极指向平行；

所述第一平衡磁体组和所述第二平衡磁体组分别位于所述中心磁体的相对的两侧，且位于所述中心磁体与所述外围磁体之间；所述第一平衡磁体组和所述第二平衡磁体组均包括至少两个平衡磁体，所述平衡磁体的延伸方向与所述中心磁体的延伸方向平行，所述平衡磁体的磁极指向沿平行于所述磁轭表面的方向且垂直于所述平衡磁体的延伸方向；

其中，与所述中心磁体相邻的所述平衡磁体，靠近所述中心磁体的磁极与所述中心磁体的远离所述磁轭的磁极相反；与所述外围磁体相邻的所述平衡磁体，靠近所述外围磁体的磁极与所述外围磁体的远离所述磁轭的磁极相反；所述中心磁体远离所述磁轭的磁极与所述外围磁体远离所述磁轭的磁极相反。

在其中一个实施例中，所述第一平衡磁体组包括第一平衡磁体和第二平衡磁体，所述第一平衡磁体位于所述第二平衡磁体和所述中心磁体之间，所述第一平衡磁体靠近所述中心磁体的磁极与所述中心磁体的远离所述磁轭的磁极相反，所述第二平衡磁体靠近所述外围磁体的磁极与所述外围磁体的远离所述磁轭的磁极相反；

所述第二平衡磁体组包括第三平衡磁体和第四平衡磁体，所述第三平衡磁体位于所述第四平衡磁体和所述中心磁体之间，所述第三平衡磁体靠近所述中心磁体的磁极与所述中心磁体的远离所述磁轭的磁极相反，所述第四平衡磁体靠近所述外围磁体的磁极与所述外围磁体的远离所述磁轭的磁极相反。

在其中一个实施例中，所述中心磁体的远离所述磁轭的磁极为S极，所述外围磁体的远离所述磁轭的磁极为N极。

在其中一个实施例中，所述中心磁体的远离所述磁轭的磁极为N极，所述外围磁体的远离所述磁轭的磁极为S极。

在其中一个实施例中，包括多组所述磁体阵列；各所述磁体阵列沿第一方向排列设置，所述磁体阵列沿第二方向延伸，所述第二方向与所述第一方向垂直。

在其中一个实施例中，相邻设置的两个外围磁体中的相邻设置的磁体部共用。

在其中一个实施例中，所述外围磁体为环状磁体，所述中心磁体、所述第一平衡磁体组和所述第二平衡磁体组设在所述外围磁体形成的围合区域内。

在其中一个实施例中，所述中心磁体和所述平衡磁体的形状均呈长条状。

在其中一个实施例中，还包括：基体，所述基体开设有密封空腔，所述磁体阵列位于所述密封空腔内。

在其中一个实施例中，还包括：平面靶材，所述磁体阵列位于所述平面靶材和所述磁轭之间。

第二方面，本申请还提供了一种磁控溅射系统，包括：如第一方面所述的平面阴极。

上述平面阴极和磁控溅射系统，包括磁轭和至少一组磁体阵列。磁体阵列设置于磁轭上。磁体阵列包括外围磁体、中心磁体、第一平衡磁体组和第二平衡磁体组。外围磁体的磁体指向沿垂直于磁轭表面的方向，中心磁体的磁极指向与外围磁体的磁极指向平行。第一平衡磁体组和第二平衡磁体组分别位于中心磁体的相对的两侧，且位于中心磁体与外围磁体之间；第一平衡磁体组和第二平衡磁体组均包括至少两个平衡磁体，平衡磁体的延伸方向与中心磁体的延伸方向平行，平衡磁体的磁极指向沿平行于磁轭表面的方向且垂直于平衡磁体的延伸方向；其中，与中心磁体相邻的平衡磁体，靠近中心磁体的磁极与中心磁体的远离磁轭的磁极相反；与外围磁体相邻的平衡磁体，靠近外围磁体的磁极与外围磁体的远离磁轭的磁极相反；中心磁体远离磁轭的磁极与外围磁体远离磁轭的磁极相反。本申请实施例由此使得平面阴极产生的磁场，能够较好的被约束在平行于靶面的方向上，靶面磁场不是呈马鞍状或山峰状而是近似与靶面平行，从而减小了磁场在垂直于靶面方向的分布区域、强度以及梯度，进而减小了空间电场梯度分布和离子的径向扩散，提高了磁控溅射成膜速率。采用本申请实施例的平面阴极和磁控溅射系统，使得HiPIMS磁控溅射成膜速率约为DCMS的70％～90％左右。

附图说明

图1为一个实施例中平面阴极的俯视结构示意图；

图2为图1沿截面线AA’的截面图；

图3为一个实施例中平面阴极的俯视结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请实施例提供的平面阴极可作为平面磁控溅射阴极，应用于HiPIMS。

在一个实施例中，结合图1与图2，提供了一种平面阴极，包括：磁轭20和至少一组磁体阵列10。其中，磁轭20本身不生产磁场(磁力线)。

磁体阵列10设置于磁轭20上。磁轭20对磁体阵列10具有支撑作用。可以是磁轭20开设有沟槽，各磁体阵列10容均纳于沟槽中。磁体阵列10包括：外围磁体110、中心磁体120、第一平衡磁体组130和第二平衡磁体组140。

外围磁体110的磁极指向沿垂直于磁轭20表面的方向(垂直于磁轭20表面的方向可以为z方向)，中心磁体120的磁极指向与外围磁体110的磁极指向平行，中心磁体120远离磁轭20的磁极与外围磁体110远离磁轭20的磁极相反。如此，便可以在外围磁体110与中心磁体120之间空间区域形成闭合磁场。图2中以带箭头的曲线线条示意磁力线。

其中，磁极指向可以理解为磁化极轴方向。外围磁体110与中心磁体120之间存在一定大小的间隔、间距，即外围磁体110与中心磁体120不接触。外围磁体110因其在磁体阵列10中是空间位置相对处于外侧的磁体，而命名为外围磁体110；中心磁体120因其在磁体阵列10中是空间位置相对处于中心的磁体，命名为中心磁体120。外围磁体110和中心磁体120的材质可以相同，也可以不同。

第一平衡磁体组130和第二平衡磁体组140分别位于中心磁体120的相对的两侧，且位于中心磁体120与外围磁体110之间；第一平衡磁体组130和第二平衡磁体组140均包括至少两个平衡磁体，平衡磁体的延伸方向与中心磁体120的延伸方向平行，平衡磁体的磁极指向沿平行于磁轭20表面的方向且垂直于平衡磁体的延伸方向；其中，与中心磁体120相邻的平衡磁体，靠近中心磁体120的磁极与中心磁体120的远离磁轭20的磁极相反；与外围磁体110相邻的平衡磁体，靠近外围磁体110的磁极与外围磁体110的远离磁轭20的磁极相反。其中，平衡磁体的延伸方向和中心磁体的延伸方向均可以是沿长度方向延伸的方向，例如图中x方向。即，外围磁体110和中心磁体120的磁极指向可以均沿z方向，平衡磁体的延伸方向与中心磁体120的延伸方向可均沿x方向，平衡磁体的磁极指向可沿y方向。

如此，第一平衡磁体组130和第二平衡磁体组140便可以改变外围磁体110与中心磁体120所产生磁场的磁场分布。平面阴极的靶材通常位于磁体阵列10的远离磁轭20的一侧，即磁体阵列10位于磁轭20与靶材之间，靶材位于磁体阵列10上方，磁轭20位于磁体阵列10下方。外围磁体110与中心磁体120所产生磁场，被第一平衡磁体组130和第二平衡磁体组140较好的拉回至平行于靶面的方向上，使得磁场在平行于靶面方向的分布区域、强度被增加，而磁场在垂直于靶面方向的分布区域、强度以及梯度被减小，靶面磁场不是呈马鞍状或山峰状而是近似与靶面平行，即平面阴极产生的磁场能够较好的被约束在平行于靶面的方向上，由此减小了空间电场梯度分布和离子的径向扩散，提高了磁控溅射速率。

采用本申请实施例的平面阴极，靶面水平磁场强度可以达到150Gs-500Gs；距离靶面30-50mm处，磁场衰减为靶面磁场强度的1/10～1/5。其中，第一平衡磁体组130和第二平衡磁体组140均与中心磁体120不接触，且均与中心磁体120之间存在一定大小的间隔、间距；第一平衡磁体组130和第二平衡磁体组140均与外围磁体110不接触，且均与外围磁体110之间存在一定大小的间隔、间距。第一平衡磁体组130和第二平衡磁体组140各自所包含的平衡磁体的数目可以相同，也可以不同。平衡磁体组中，两相邻的平衡磁体不接触，且两者之间存在一定大小的间隔、间距。以及，平衡磁体组中的两相邻的平衡磁体，两者之间相邻的磁极相反。平衡磁体因其在磁体阵列10中起到平衡磁场分布、强度的作用，而命名为平衡磁体。平衡磁体和中心磁体120的材质可以相同，也可以不同。

在一个实施例中，继续结合图1与图2，第一平衡磁体组130包括第一平衡磁体130_1和第二平衡磁体130_2。第一平衡磁体130_1位于第二平衡磁体130_2和中心磁体120之间，第一平衡磁体130_1靠近中心磁体120的磁极与中心磁体120的远离磁轭20的磁极相反，第二平衡磁体130_2靠近外围磁体110的磁极与外围磁体110的远离磁轭20的磁极相反。第二平衡磁体组140包括第三平衡磁体140_1和第四平衡磁体140_2。第三平衡磁体140_1位于第四平衡磁体140_2和中心磁体120之间，第三平衡磁体140_1靠近中心磁体120的磁极与中心磁体120的远离磁轭20的磁极相反，第四平衡磁体140_2靠近外围磁体110的磁极与外围磁体110的远离磁轭20的磁极相反。

如此，第一平衡磁体130_1和第二平衡磁体130_2将中心磁体120与外围磁体110的其中一侧磁体部(即与第二平衡磁体130_2相邻的磁体部)产生的磁场，拉回至平行于靶面的方向上，使得该磁场在平行于靶面方向的分布区域、强度被增加，而磁场在垂直于靶面方向的分布区域、强度以及梯度被减小，第三平衡磁体140_1和第四平衡磁体140_2将中心磁体120与外围磁体110的其中另一侧磁体部(即与第四平衡磁体140_2相邻的磁体部)产生的磁场，拉回至平行于靶面的方向上，使得该磁场在平行于靶面方向的分布区域、强度被增加，而磁场在垂直于靶面方向的分布区域、强度以及梯度被减小。由此，靶面磁场不是呈马鞍状或山峰状而是近似与靶面平行，即平面阴极产生的磁场能够较好的被约束在平行于靶面的方向上，由此减小了空间电场梯度分布和离子的径向扩散，提高了磁控溅射速率。

本申请实施例，第一平衡磁体组130包括第一平衡磁体和第二平衡磁体且第二平衡磁体组140包括第三平衡磁体和第四平衡磁体，不仅能够效果很佳的保证平面阴极产生的磁场被约束在平行于靶面的方向上，靶面磁场与靶面平行，减小空间电场梯度分布和离子的径向扩散，提高磁控溅射速率，而且使得第一平衡磁体组130和第二平衡磁体组140的磁体耗材较少，节省成本。

在一个实施例中，继续参考图2，中心磁体120的远离磁轭20的磁极为S极，外围磁体110的远离磁轭20的磁极为N极。

在一个实施例中，中心磁体120的远离磁轭20的磁极为N极，外围磁体110的远离磁轭20的磁极为S极。

在一个实施例中，参考图3，平面阴极包括多组磁体阵列10。每组磁体阵列10均对称分布。各磁体阵列10沿第一方向排列设置，且每个磁体阵列10沿第二方向延伸，第二方向与第一方向垂直。

在一个实施例中，继续参考图3，相邻设置的两个外围磁体110中的相邻设置的磁体部共用，从而节省平面阴极中的磁体耗材，节省成本。

在一个实施例中，相邻设置的两个外围磁体110中的相邻设置的磁体部一体设置，从而节省多个磁体阵列10所占空间，减小平面阴极的体积。

在一个实施例中，外围磁体110为环状磁体，中心磁体120、第一平衡磁体组130和第二平衡磁体组140设在外围磁体110形成的围合区域内。

示例性的，外围磁体110的形状呈圆环状。

示例性的，继续参考图1，外围磁体110的形状呈矩形边框状，以节省磁体耗材。

在一个实施例中，平衡磁体和中心磁体120的形状相同，以更好的将外围磁体110与中心磁体120所产生磁场，拉回至平行于靶面的方向上，使得磁场在平行于靶面方向的分布区域、强度被增加，而磁场在垂直于靶面方向的分布区域、强度以及梯度被减小，进而减小空间电场梯度分布和离子的径向扩散，提高磁控溅射速率。

示例性的，继续参考图1，中心磁体120和平衡磁体的形状均呈长条状。

在一个实施例中，平面阴极还包括基体。基体开设有密封空腔，各磁体阵列10位于密封空腔内，以对磁体阵列10产生的磁场进行保护。

在一个实施例中，平面阴极还包括气路系统，用于通入工艺气体。

在一个实施例中，平面阴极还包括平面靶材。平面靶材位于磁体阵列10的远离磁轭20的一侧，即磁体阵列10位于磁轭20与平面靶材之间，平面靶材位于磁体阵列10上方，磁轭20位于磁体阵列10下方。

基于相同的发明构思，本申请实施例还提供一种磁控溅射系统。磁控溅射系统包括如上述任意实施例提供的平面阴极。本申请实施例提供的磁控溅射系统和平面阴极，两者属于相同的发明构思，能够解决相同的技术问题，并实现相同的技术效果，重复内容此处不再赘述。磁控溅射系统可以是HiPIMS系统，采用本申请实施例的平面阴极和磁控溅射系统，使得HiPIMS磁控溅射成膜速率约为DCMS的70％～90％左右。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种平面阴极，其特征在于，包括：

磁轭；

至少一组磁体阵列，所述磁体阵列设置于所述磁轭上，其中，所述磁体阵列包括：外围磁体、中心磁体、第一平衡磁体组和第二平衡磁体组；其中，所述外围磁体的磁极指向沿垂直于所述磁轭表面的方向，所述中心磁体的磁极指向与所述外围磁体的磁极指向平行；

所述第一平衡磁体组和所述第二平衡磁体组分别位于所述中心磁体的相对的两侧，且位于所述中心磁体与所述外围磁体之间；所述第一平衡磁体组和所述第二平衡磁体组均包括至少两个平衡磁体，所述平衡磁体的延伸方向与所述中心磁体的延伸方向平行，所述平衡磁体的磁极指向沿平行于所述磁轭表面的方向且垂直于所述平衡磁体的延伸方向；

其中，与所述中心磁体相邻的所述平衡磁体，靠近所述中心磁体的磁极与所述中心磁体的远离所述磁轭的磁极相反；与所述外围磁体相邻的所述平衡磁体，靠近所述外围磁体的磁极与所述外围磁体的远离所述磁轭的磁极相反；所述中心磁体远离所述磁轭的磁极与所述外围磁体远离所述磁轭的磁极相反。

2.根据权利要求1所述的平面阴极，其特征在于，所述第一平衡磁体组包括第一平衡磁体和第二平衡磁体，所述第一平衡磁体位于所述第二平衡磁体和所述中心磁体之间，所述第一平衡磁体靠近所述中心磁体的磁极与所述中心磁体的远离所述磁轭的磁极相反，所述第二平衡磁体靠近所述外围磁体的磁极与所述外围磁体的远离所述磁轭的磁极相反；

所述第二平衡磁体组包括第三平衡磁体和第四平衡磁体，所述第三平衡磁体位于所述第四平衡磁体和所述中心磁体之间，所述第三平衡磁体靠近所述中心磁体的磁极与所述中心磁体的远离所述磁轭的磁极相反，所述第四平衡磁体靠近所述外围磁体的磁极与所述外围磁体的远离所述磁轭的磁极相反。

3.根据权利要求1或2任一项所述的平面阴极，其特征在于，所述中心磁体的远离所述磁轭的磁极为S极，所述外围磁体的远离所述磁轭的磁极为N极；

或者，所述中心磁体的远离所述磁轭的磁极为N极，所述外围磁体的远离所述磁轭的磁极为S极。

4.根据权利要求1所述的平面阴极，其特征在于，包括多组所述磁体阵列；各所述磁体阵列沿第一方向排列设置，所述磁体阵列沿第二方向延伸，所述第二方向与所述第一方向垂直。

5.根据权利要求4所述的平面阴极，其特征在于，相邻设置的两个外围磁体中的相邻设置的磁体部共用。

6.根据权利要求1所述的平面阴极，其特征在于，所述外围磁体为环状磁体，所述中心磁体、所述第一平衡磁体组和所述第二平衡磁体组设在所述外围磁体形成的围合区域内。

7.根据权利要求1所述的平面阴极，其特征在于，所述中心磁体和所述平衡磁体的形状均呈长条状。

8.根据权利要求1所述的平面阴极，其特征在于，还包括：

基体，所述基体开设有密封空腔，所述磁体阵列位于所述密封空腔内。

9.根据权利要求1所述的平面阴极，其特征在于，还包括：

平面靶材，所述磁体阵列位于所述平面靶材和所述磁轭之间。

10.一种磁控溅射系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的平面阴极。