CN203700500U - 一种阴极装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种阴极装置，包括阴极组件和平移组件，所述阴极组件与平移组件固定连接且随所述平移组件的运动平动，其中所述阴极组件中的阴极为平面磁控溅射阴极。与现有技术相比，本实用新型提供的阴极装置不仅可维持平面阴极的低成本易维护的优点，亦实现了旋转阴极的靶材和轰击轨道可变这一优点，且实现平动的附加部件结构简单，不会影响真空密封性，同样也不会成为生产线中的不确定因素；因此，该阴极装置具有极大的经济价值，且环境友好，减少了靶材的浪费，故而其应用前景十分广阔。

Description

一种阴极装置

技术领域

本实用新型涉及真空镀膜生产线技术领域，具体来说，是涉及一种阴极装置。

背景技术

真空镀膜是一种在真空中制备膜层产生薄膜材料的技术，具体是在真空室内材料的原子从加热源离析出来打到被镀物体的表面上，包括镀制晶态的金属、半导体、绝缘体等单质或化合物膜。虽然化学汽相沉积也采用减压、低压或等离子体等真空手段，但一般真空镀膜是指用物理的方法沉积薄膜。真空镀膜有三种形式，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。

溅射镀膜是真空镀膜中最主要的方法，该技术是在真空中利用荷能粒子轰击靶表面，使被轰击出的粒子沉积在基片上。在磁控溅射镀膜工艺中，对磁控溅射镀膜设备的质量要求很高，而在磁控溅射镀膜设备中，磁控溅射阴极尤为重要。目前普遍采用平面磁控溅射阴极（后简称“平面阴极”）或旋转磁控溅射阴极（后简称“旋转阴极”）。平面阴极因其轰击轨道和靶材均是固定设置的这一结构上设计的缺点，靶材沉积利用率非常低（小于20%）；尤其在使用一段时间后，靶材表面会形成“跑道状”溅射凹坑，不仅会破坏镀膜层的均匀性，严重影响后期镀膜的稳定性和均匀性；而且需要经常更换靶材，给连续生产带来了极大的不便且造成靶材不能充分利用的资源。而后研发的旋转阴极相较上述平面阴极而言，提高了靶材利用率，有效减少了打弧和靶面掉渣，工艺稳定性更佳，可消除平面阴极较易形成的再沉积区等多重优点；由于技术不成熟，会出现漏水、漏气和阴极短路的现象，严重影响镀膜的质量和设备的使用寿命。尤其是：1、旋转阴极的结构更为复杂，附加部件多，且需要驱动系统配合，设备的投资要明显高于平面阴极；2、由于带有移动部件，生产中真空密封会出现泄漏，尽管采用最为简单、最小程度的更换密封，相较平面阴极仍需要更高的维护成本；3、旋转阴极增加了生产线中的不稳定因素，给生产线的稳定性带来了一定的影响。

目前应用最为广泛的平面阴极为矩形平面磁控阴极，是磁控溅射平面类靶材的主流结构。它的优点是靶的材质受到的限制少，对金属板材一般可以采用直冷结构，对其它的贵金属、难以加工的金属和脆性材料(如硅、石墨、ITO烧结靶等)可以采用间冷结构。此阴极的溅射面积大，整体制作和维护成本均较低。但是，矩形平面靶的最大劣势是由于磁控溅射的独特物理过程造成的低靶材利用率。其靶面的典型刻蚀形状如图1和图2所示，上面较宽，下面宽度连续收缩，到最后成一条深而细的沟槽。但提升平面阴极的利用率成为了平面阴极应用和研发中最为重要的研究内容。现有平面阴极产品中有采用在磁路结构中增加了高磁导率的分流片，以此改变阴极的磁场分布，提高了靶材表面平行感应强度分布的均匀性，即提高了靶材刻蚀的宽度，因此一定程度上提高了靶材的利用率。但该阴极装置受本身尺寸精度和强磁场吸引力的影响，尤其在安装时，装配精度很难满足设计精度的要求。中国专利CN201778106U公开了一种真空镀膜设备中的矩形平面磁控阴极结构，该阴极结构在一定程度上解决了上述问题，但其靶材利用率仍不能达到质的飞跃。中国专利CN201770767U公开了一种真空镀膜的阴极装置，该专利主要解决的技术问题是简化了更换靶材的工序，节约了更换靶材所需的时间，并没有解决靶材利用率低的技术问题。中国专利CN201981253U公开了一种矩形平面磁控溅射阴极，针对设有阳极框的溅射阴极的缺点，取消了阳极框，简化了结构；此外改进了屏蔽罩结构，避免屏蔽罩接地这一问题；该平面阴极的改进亦为能提高靶材的利用率。

因此，如何充分利用平面阴极在真空镀膜领域中优势，尤其是其低成本、易维护，提高靶材利用率以及镀膜的稳定性均匀性，仍是一个亟待解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的是提供一种大为提高平面阴极靶材利用率，且结构简单低成本的阴极装置。

为实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种阴极装置，包括阴极组件和平移组件，阴极组件与平移组件固定连接且随平移组件的运动平动，其中阴极为平面磁控溅射阴极；阴极组件与平移组件通过一绝缘件连接。

优选地，阴极组件包括靶材、靶背板、磁铁和轭铁，靶背板四周围有绝缘垫，靶材固定连接靶背板，磁铁固定于轭铁上，且轭铁连接绝缘件；当靶背板溅射时进入电为阴极，此时生产线中的镀膜腔室的箱体为阳极，该绝缘垫同现有技术中用于实现靶背板与箱体绝缘，且整个阴极装置中仅靶背板带电。

更优选地，靶背板与磁铁相对面开有一凹槽，磁铁位于所述凹槽内但不接触所述靶背板。

更优选地，磁铁随平移组件在凹槽内平动，从而实现阴极组件中磁场宽度增加，增加靶材刻蚀区域，提高靶材利用率，以克服现有技术中平面阴极的轰击轨道固定这一缺陷；且通过将磁铁阵在靶背板开有的凹槽内平动，即能维持原有平面阴极中的靶基距和靶面磁场强度，且使得该阴极装置空间结构紧凑，整个阴极装置的厚度可与未改进前接近，无需因为本实用新型的阴极装置而调整镀膜腔室乃至整个生产线；此外，该阴极装置中靶材仍为固定，从而可以避免由于靶材移动带来的不确定因素而导致生产线的不稳定。

作为一种优选方案，平移组件由外至内依次为移动件、滑轨件、安装件和支撑件，其中移动件分别与绝缘件和滑轨件中的滑块连接，安装件与滑轨件中的滑轨连接，且安装件与支撑件连接；此时移动件在滑轨件中滑块平移时将随之一并平动，故而平动绝缘件，继而平动阴极组件，从而实现阴极组件的平动，尤其是磁铁的平动。

作为另一种优选方案，平移组件由外至内依次为移动件、滚珠丝杠件、安装件和支撑件，其中移动件分别与绝缘件和滚珠丝杠件中的螺母连接，安装件与滚珠丝杠件中的固定件连接，且安装件与支撑件连接；此时移动件在滚珠丝杠件中螺母随螺杆旋转传动平移时将随之一并平动，故而平动绝缘件，继而平动阴极组件，从而实现阴极组件的平动，尤其是磁铁的平动。

本实用新型的另一目的是提供一种阴极装置，以实现结构更为稳定且坚固，尤其是平移组件支撑力更佳，且阴极组件的平动更为稳定，其中平移组件包括一移动件、一滑轨件、一滚珠丝杠件、安装件和支撑件；与上述结构不同的是，滑轨件包括一滑块和一滑轨，滑块与滑轨配合，滑块在滑轨上滑动；滚珠丝杠件包括一螺母、一螺杆和一安装座，螺杆安装在安装座上，螺杆与螺母配合，螺杆转动时，螺母可沿螺杆移动；移动件上分别连接滑轨件中的滑块和滚珠丝杠件的螺母，安装件分别连接滑轨件中的滑轨和滚珠丝杠件的安装座；此时移动件在滑轨件和滚珠丝杠件的共作用下平动，其中滚珠丝杠件作为移动件平动的主驱动，滑轨件作为移动件平动的从驱动和成承重支撑。

作为进一步优选方案，为了实现平移组件的自动化运动，滚珠丝杠件电连接一电机，由电机驱动滚珠丝杠件中的螺母平动，继而传动滑轨件中的滑块，以实现阴极组件的平动。

作为更进一步优选方案，电机为一伺服电机，通过一同步带传动滚珠丝杠件。

作为进一步优选方案，平移组件至少包括两个滑轨件且分布于滚珠丝杠件的两侧，以更好的承重阴极组件，使该阴极装置平动更为稳定均匀。

作为更进一步优选方案，平移组件还包括一光电感应器，分设于滚珠丝杠件的螺杆的两侧，以实现螺母在螺杆上自动往返平动；具体通过由光电感应器通过感应螺母位置信号后控制螺杆的转动方向实现。

作为一种优选方案，阴极组件中的磁铁可选用现有技术中的各种磁铁阵，或多个磁铁排布而成，或定制成型磁铁而成。

本实用新型的另一目的是提供一种阴极装置，以实现该阴极装置易安装于该生产线中，且可根据生产线需求配置所需的阴极，该阴极装置还包括一连接件，该连接件与真空镀膜生产线中的镀膜腔室的箱体活动连接，且平移组件连接该连接件。

作为一种优选方案，所述活动连接为铰接，具体可通过一铰链实现。

作为一种优选方案，当该阴极装置为多个时，该连接件为同一连接件，此时，多个阴极装置共连接于该连接件上。

作为进一步优选方案，连接件为一支撑板。

作为更进一步优选方案，绝缘件和绝缘垫采用的绝缘材料选自为聚四氟乙烯、有机玻璃或尼龙。

与现有技术相比，本实用新型首创的实现平面阴极在溅射镀膜过程的平动，从而避免了由于其靶材和轰击轨道的固定这一设计上的缺陷，显著提高了靶材的利用率，经检测该阴极装置的靶材利用率可达35～40%，靶材线上更换周期延长为7～10天，明显优于其他结构的平面阴极，且可突破现有技术中的平面阴极利用率难以超过30%的极值，仍能维持较佳的镀膜稳定性和均匀性；此外，该阴极装置结构简单，无需特殊复杂的加工工艺，所用的各功能元件均可采用市售零件，且各部件间结构合理，拆装简便。综上述，本实用新型提供的阴极装置不仅可维持平面阴极的低成本易维护的优点，亦实现了旋转阴极的靶材和轰击轨道可变这一优点，且实现平动的附加部件结构简单，不会影响真空密封性，同样也不会成为生产线中的不确定因素；因此，该阴极装置具有极大的经济价值，且环境友好，减少了靶材的浪费，故而其应用前景十分广阔。

附图说明

图1为现有技术中平面阴极的靶面的典型刻蚀形状图；

图2为现有技术中平面阴极的靶面的典型刻蚀形状图；

图3为本实用新型提供的阴极装置的装配示意图；

图4为本实用新型提供的阴极装置的俯视剖视图；

图5为本实用新型提供的阴极装置的左视剖视图；

图6为本实用新型提供的阴极装置中移动部分A-A的放大图；

图7为本实用新型提供的阴极装置中靶面的刻蚀形状图；

图8为现有技术中平面阴极的靶面的刻蚀形状图；

图9为本实用新型提供的阴极装置与现有技术平面阴极的靶材剖面图。

具体实施方式

下面结合实施方式及附图对本实用新型作进一步详细、完整地说明。

图3～6为本实用新型提供的阴极装置的结构示意图。其中，图3为该阴极装置的装配示意图，如图3所示，该阴极装置包括：阴极组件10和平移组件20，阴极组件10与平移组件20固定连接且随平移组件20的运动平动，其中阴极为平面磁控溅射阴极阴极组件与平移组件通过一绝缘件30连接。

图4为本实用新型提供的阴极装置的俯视剖视图；图5为本实用新型提供的阴极装置的左视剖视图。如图4和图5所示，阴极组件10由外至内依次为靶材11、靶背板12、磁铁13和轭铁14，靶背板12与磁铁13间设有绝缘垫15，靶材11固定连接靶背板12，磁铁13固定于轭铁14上，且轭铁14连接绝缘件30。当靶背板12溅射时进入电为阴极，此时生产线中的镀膜腔室的箱体为阳极，该绝缘垫15同现有技术中用于实现靶背板12与箱体绝缘，且整个阴极装置中仅靶背板12带电。

绝缘件30和绝缘垫15优选采用的绝缘材料选自为聚四氟乙烯、有机玻璃或尼龙。

靶背板12与磁铁13相对面开有一凹槽121，磁铁13位于凹槽121内但不接触所述靶背板12。

图7为本实用新型提供的阴极装置中靶面的刻蚀形状图。磁铁13随平移组件20在凹槽121内平动，从而实现阴极组件10中磁场宽度增加，增加靶材刻蚀区域（如7所示），提高靶材利用率，以克服现有技术中平面阴极的轰击轨道固定这一缺陷；且通过将磁铁阵在靶背板12开有的凹槽内平动，即能维持原有平面阴极中的靶基距和靶面磁场强度，且使得该阴极装置空间结构紧凑，整个阴极装置的厚度可与未改进前接近，无需因为本实用新型的阴极装置而调整镀膜腔室乃至整个生产线；此外，该阴极装置中靶材仍为固定，从而可以避免由于靶材移动带来的不确定因素而导致生产线的不稳定。

阴极组件10中的磁铁13可选用现有技术中的各种磁铁阵，或多个磁铁排布而成，或定制成型磁铁而成。靶材11与靶背板12的固定连接，磁条13与轭铁14的固定连接通过沉头螺栓实现。

图6为本实用新型提供的阴极装置中移动部分A-A的放大图。如图2至图6所示，平移组件20包括一移动件21、一滑轨件22、一滚珠丝杠件23、一安装件24和支撑件25；滑轨件22包括一滑块221和一滑轨222，滑块221与滑轨222配合，滑块221在滑轨222上滑动；滚珠丝杠件23包括一螺母231、一螺杆232和一安装座233，螺杆232安装在安装座233上，螺杆232与螺母231配合，螺杆232转动时，螺母231可沿螺杆232移动；移动件21上分别连接滑轨件22中的滑块221和滚珠丝杠件23的螺母231，当滚珠丝杠23的螺母231平动时，移动件21平动，移动件21与滑块221连接，这样移动件21带动滑块221在滑轨222上移动；安装件24分别连接滑轨件22中的滑轨222和滚珠丝杠件23的安装座233；移动件21在滑轨件22和滚珠丝杠23的共作用下平动，其中滚珠丝杠件23作为移动件21平动的主驱动，滑轨件22作为移动件21平动的从驱动和成承重支撑。

为了防止该阴极装置中除阴极组件10外其他组件带电，尤其是平移组件20带电，该阴极装置进一步包括一绝缘件30，阴极组件10与平移组件20通过一绝缘件30连接。绝缘件30同时与阴极组件10的轭铁14和平移组件20的移动件21连接。优选，绝缘件30与阴极组件10的轭铁14和平移组件20的移动件21通过沉头螺栓连接。

为了实现平移组件20的自动化运动，平移组件20进一步包括一电机26，滚珠丝杠件23电连接一电机26，由电机26驱动滚珠丝杠件23中的螺杆232转动，继而使螺杆232上的螺母231平动，继而传动滑轨件22中的滑块221，以实现阴极组件10的平动。电机26优选为一伺服电机，通过一同步带传动滚珠丝杠件23。

平移组件的滑轨件22至少包括两个滑轨件222且分布于滚珠丝杠件23的两侧。

平移组件20还包括一光电感应器27，分设于滚珠丝杠件23的螺杆232的两侧，以实现螺母221在螺杆222上自动往返平动；具体通过由光电感应器27通过感应螺母221位置信号后控制螺杆222的转动方向实现。

为了实现该阴极装置易安装于该生产线中，且可根据生产线需求配置所需的阴极，该阴极装置10还包括一连接件16，该连接件16与真空镀膜生产线中的镀膜腔室的箱体活动连接，且平移组件20连接该连接件16。该连接件16与真空镀膜生产线中的镀膜腔室的箱体活动连接，该活动连接优选为铰接，具体可通过一铰链28实现。当该阴极装置为多个时，该连接件16为同一连接件，此时，多个阴极装置共连接于该连接件16上，连接件16优选为一支撑板161。作为一种较佳的实施方式，该支撑板161与支撑件25通过螺栓连接。值得注意的是，支撑板161与支撑件25之间的间隙与阴极溅射强度成正比，当支撑板161与支撑件25之间的距离越大时，阴极溅射强度增强，当支撑板161与支撑件25之间的距离越小时，阴极溅射强度减弱。因此，该阴极装置可根据靶材的磁性强度微调支撑板161与支撑件25间距h从而保证生产线中的镀膜均匀性和稳定性，此外，当靶材使用一段时间后，可通过减少h而不必更换靶材仍能维持靶材的所需的磁性强度，提升了靶材的利用率。

该阴极装置的动作过程为：电机26驱动滚珠丝杠件23中的螺杆232转动，滚珠丝杠23中的螺母231沿着螺杆232平移，螺母231与移动件21连接，螺母231带动移动件21移动，移动件21通过绝缘件30与阴极组件10连接，这样移动件21带动阴极组件10移动；由于滚珠丝杠件23的螺母231不能承受阴极组件10的重量，移动件21上连接有滑轨件22的滑块221，滑块221与滑轨222配合，这样当螺母231带动移动件21移动时，移动件21上的滑块221沿着滑轨222移动，减轻螺母231承受的重量。

靶材利用率及镀膜稳定性和均匀性检测实验

如上述结构装配本实用新型提供的阴极装置后，采用金属靶材-铌靶为例，采用现有技术中计算靶材利用率的方法(赵嘉学等，常见磁控溅射靶材利用率及其计算方法的探讨，核聚变与等离子体物理，2007年3月)，计算不同生产线的多个阴极装置中的同一靶材利用率及靶材更换周期，具体数据如表1所示：

表1

编号	靶材利用率	更换周期
			生产线1	35%	7天
生产线2	38%	9天
			生产线3	35%	8天
生产线4	36%	9天
			生产线5	40%	10天

图7为上述生产线1的靶面的刻蚀图（使用3～4天后），图8为采用固定式平面阴极的相同金属靶材的靶面刻蚀图，图7与图8相比，该阴极装置中的靶材的刻蚀区域明显增加，整个靶面均能发生溅射；图9为上述两阴极需更换靶材时的靶材剖面对比示意图(A区域为现有技术靶材剖面，B区域为本发明靶材剖面)，如图9所示，本发明提供的阴极装置的靶材利用率明显优于现有技术中平面阴极（经称重对比，本发明的靶材使用的更完全），且整个刻蚀区域更为均匀，靶材的刻蚀曲线坡度明显降低，溅射更为均匀稳定。此外，分别检测上述生产线中的镀膜效果，与现有技术的平面阴极相比，无明显差异，该阴极装置的真空镀膜生产线的镀膜的稳定性和均匀性佳。

由上述结果可见：本实用新型提供的阴极装置，可极大的提升靶材的利用率，且镀膜的稳定性和均匀性好；相比于以固定式的平面阴极的现有技术，具有显著性有益效果。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本实用新型的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域的技术人员根据本实用新型的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本实用新型的保护范围。

Claims (19)

1.一种阴极装置，其特征在于：包括阴极组件和平移组件，所述阴极组件与平移组件固定连接且随所述平移组件的运动平动，其中所述阴极组件中的阴极为平面磁控溅射阴极；所述阴极组件与平移组件通过一绝缘件连接。 

2.如权利要求1所述的阴极装置，其特征在于：所述平移组件由外至内依次为移动件、滑轨件、安装件和支撑件，其中所述移动件分别与所述绝缘件和滑轨件中的滑块连接，所述安装件与滑轨件中的滑轨连接，且所述安装件与支撑件连接。 

3.如权利要求1所述的阴极装置，其特征在于：所述平移组件包括移动件、滚珠丝杠件、安装件和支撑件，其中所述移动件分别与绝缘件和滚珠丝杠件中的螺母连接，所述安装件与滚珠丝杠件中的固定件连接，且所述安装件与支撑件连接。 

4.如权利要求1所述的阴极装置，其特征在于：其中平移组件包括移动件、滑轨件、滚珠丝杠件、安装件和支撑件；所述移动件分别连接滑轨件中的滑块和滚珠丝杠件的螺母，安装件分别连接滑轨件中的滑轨和滚珠丝杠件的固定件。 

5.如权利要求3或4所述的阴极装置，其特征在于：所述滚珠丝杠件经电机驱动，由电机电驱动滚珠丝杠件中螺杆旋转。 

6.如权利要求5所述的阴极装置，其特征在于：所述电机为一伺服电机，包括一转轴，并通过一同步带啮合所述转轴和滚珠丝杠件中的螺杆，传动滚珠丝杠件。 

7.如权利要求6所述的阴极装置，其特征在于：所述平移组件至少包括两个滑轨件且分布于滚珠丝杠件的两侧。 

8.如权利要求1所述的阴极装置，其特征在于：平移组件还包括一光电感应器，分设于滚珠丝杠件的螺杆的两侧。 

9.如权利要求1所述的阴极装置，其特征在于：所述阴极组件包括靶材、靶背板、磁铁和轭铁，所述靶背板四周围有绝缘垫，所述靶材固定连接靶背板，所述磁铁固定于轭铁上，且所述轭铁连接绝缘件。 

10.如权利要求9所述的阴极装置，其特征在于：所述靶背板与磁铁相对面开有一凹槽，所述磁铁位于所述凹槽内但不接触所述靶背板。 

11.如权利要求10所述的阴极装置，其特征在于：所述磁铁随所述平移组件于所述凹槽内平动。 

12.如权利要求1所述的阴极装置，其特征在于：阴极组件中的磁铁选用现有技术中的 磁铁阵。 

13.如权利要求12所述的阴极装置，其特征在于：所述磁铁阵经多个磁铁排布而成，或定制成型磁铁而成。 

14.如权利要求1所述的阴极装置，其特征在于：所述阴极装置还包括一连接件，该连接件与真空镀膜生产线中的镀膜腔室的箱体活动连接，且平移组件连接所述连接件。 

15.如权利要求14所述的阴极装置，其特征在于：所述活动连接为铰接。 

16.如权利要求2、3或4任一所述的阴极装置，其特征在于：当所述阴极装置为多个时，相应的连接件为同一连接件；此时，多个所述阴极装置共连接于所述连接件上。 

17.如权利要求15所述的阴极装置，其特征在于：所述连接件为一支撑板。 

18.如权利要求1所述的阴极装置，其特征在于：所述绝缘件所用的绝缘材料选自聚四氟乙烯、有机玻璃或尼龙。 

19.如权利要求9所述的阴极装置，其特征在于：所述绝缘垫所用的绝缘材料选自聚四氟乙烯、有机玻璃或尼龙。