CN204174268U - 一种扫描磁场磁控溅射阴极 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种扫描磁场磁控溅射阴极。该扫描磁场磁控溅射阴极包括靶座、第一磁体和第二磁体，所述第一磁体设置在所述靶座四周的内侧壁上、靶座顶部平面的下方，所述第二磁体活动设置在所述靶座的内部中间、靶座顶部平面的下方；所述第二磁体围绕所述靶座的纵向中心对称轴做规则运动。本实用新型的扫描磁场磁控溅射阴极还包括由靶材和靶座的侧壁形成的冷却水道。本实用新型的扫描磁场磁控溅射阴极，采用运动变化的磁场，能够扩大刻蚀区域，使得靶材被均匀刻蚀，而非集中在一个区域，提高了靶材的利用率；能够减少工艺过程中靶的打弧频次，改善膜层质量；采用靶材直接水冷，能够提高冷却效果，减少停工冷却，使得膜层品质稳定。

Description

一种扫描磁场磁控溅射阴极

技术领域

本实用新型涉及一种扫描磁场磁控溅射阴极，属于真空镀膜技术领域。

背景技术

磁控溅射是一种重要的PVD涂层技术和方法，工艺过程和产品质量受阴极影响明显。传统的磁控溅射阴极采用永磁铁结构，且位置固定不变。

传统的磁控溅射阴极结构如图1a所示，靶材1安装在带有背板的靶座2上，靶材1设置在背板的平面上，背板和靶座形成用于冷却的冷却水道5，永磁铁3-A固定设置在靶材四周边缘的下方、靶座的内部，永磁铁3-B固定设置在靶材轴心的下方、靶座的内部，磁力线4分布固定。

这种固定磁体构造的阴极使用结果如图1b所示：靶材只在一个固定的区域刻蚀，即图1b中的靶材刻蚀区域6，对于这样的一个固定的区域，随着刻蚀的增加，会造成靶面磁场变化、工艺的稳定性变差、功率密度变化，且由于刻蚀只发生在一个相对较小且固定的区域，靶材的刻蚀消耗集中，且越来越快，造成靶材过早报废。另外，由于实际应用的需要，靶材往往要在高功率密度下长时间工作，这时由于靶材间接冷却(通过背板冷却)，不得不采用间歇式工作，即工作一段时间必须停止工作，冷却靶材一段时间，这样导致生产效率降低，薄膜生长被迫中断，往往会产生涂层分层等质量事故。

实用新型内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本实用新型的目的是一种扫描磁场磁控溅射阴极，能够扩大刻蚀区域，使得靶材被均匀刻蚀，而非集中在一个区域，能够降低打弧频次。

本实用新型的目的还在于通过提供本实用新型的扫描磁场磁控溅射阴极，同时能够提高扫描磁场磁控溅射阴极的冷却效果，而减少停工冷却。

本实用新型的目的通过以下技术方案得以实现：

一种扫描磁场磁控溅射阴极，该扫描磁场磁控溅射阴极包括靶座、第一磁体和第二磁体，所述第一磁体设置在所述靶座四周的内侧壁上、靶座顶部平面的下方，所述第二磁体活动设置在所述靶座的内部中间、靶座顶部平面的下方；所述第二磁体围绕所述靶座的纵向中心对称轴做规则运动。

上述的扫描磁场磁控溅射阴极中，优选的，所述第二磁体根据靶座的形状设置为端点形磁体或长条形磁体，所述端点形磁体的外形包括圆形、正多边形或不规则多边形，但不限于此。

上述的端点形磁体不会形成明显的长短轴。

上述的扫描磁场磁控溅射阴极中，优选的，当靶座形状为矩形时，所述第二磁体为单一长条形磁体，其对称中心相对靶座的纵向中心对称轴做环绕圆周运动。

上述的扫描磁场磁控溅射阴极中，优选的，当靶座形状为矩形时，所述第二磁体为由至少两个的单一磁体单元组合形成的长条形磁体，所述磁体单元在与靶座顶部平面平行的平面上做半径相同的圆周运动，所有圆周运动的圆心集合与靶座的一条与第二磁体平行的对称轴线重合。

上述的扫描磁场磁控溅射阴极中，优选的，当靶座形状为圆形或正多边形时，所述第二磁体为端点形磁体，所述第二磁体相对靶座的纵向中心对称轴做环绕圆周运动，其圆周运动的轴心与自身几何轴心不重合。

上述的扫描磁场磁控溅射阴极中，由于中间的第二磁体做动态重复运动，周围磁体固定不动，等离子体对靶材的刻蚀溅射发生动态往复扫描，最终表现在整个工作面面积上靶材的均匀消耗。

上述的扫描磁场磁控溅射阴极中，优选的，该扫描磁场磁控溅射阴极还包括转动机构，所述转动机构在所述靶座的内部与所述第二磁体相连接，在外部动力的驱动下带动第二磁体运动。

上述的转动机构可以设置在靶座的纵向中心对称轴的位置，带动第二磁体运动。

上述的扫描磁场磁控溅射阴极中，优选的，所述第一磁体和第二磁体包括永磁体或电磁体，但不限于此；更优选的，所述第一磁体和第二磁体为永磁体。

上述的第一磁体和第二磁体的磁极是相对应的，是本领域的常规设置。

上述的扫描磁场磁控溅射阴极中，优选的，所述靶座为顶部开口结构，所述扫描磁场磁控溅射阴极还包括靶材，所述靶材设置在所述靶座顶部，其边缘与所述靶座的侧壁相连接；所述靶材与所述靶座的侧壁形成冷却水道。

上述的扫描磁场磁控溅射阴极中，靶座和靶材是相对应的，例如靶材的形状为平面矩形，那么靶座的形状也是矩形的，即俯视状态下靶座的形状为矩形。

上述的扫描磁场磁控溅射阴极中，形成的水冷通道可以直接对靶材进行水冷冷却，增加了靶材的冷却能力，能够延长靶材一次工作的时间，减少停工冷却，提高了生产效率、靶材的稳定性和涂层的质量。

本实用新型采用动态变化磁场及靶材直接冷却设计，运动变化的磁场造成刻蚀区域宽化、刻蚀区域不再集中在一个区域，而发生在整个靶材表面，大大增加了靶材利用率，而且由于靶材表面均匀刻蚀，靶材表面的电磁场分布形态始终保持稳定，工艺质量稳定，进而减少工艺过程中靶的打弧频次。同时，靶材采用直接冷却设计，靶可以长时间工作，不仅提高生产效率而且涂层质量也得到保证。

本实用新型的突出效果为：

本实用新型的扫描磁场磁控溅射阴极，采用运动变化的磁场，能够扩大刻蚀区域，使得靶材被均匀刻蚀，而非集中在一个区域，提高了靶材的利用率；能够减少工艺过程中靶的打弧频次，改善膜层质量；采用靶材直接水冷，能够提高冷却效果，减少停工冷却，使得膜层品质稳定。

附图说明

图1a是传统的扫描磁场磁控溅射阴极结构示意图；

图1b是传统的扫描磁场磁控溅射阴极工作效果示意图；

图2a是实施例1的扫描磁场磁控溅射阴极结构示意图；

图2b是实施例1的扫描磁场磁控溅射阴极工作效果图；

图2c是实施例1的扫描磁场磁控溅射阴极的磁体分布图；

图2d是实施例1的扫描磁场磁控溅射阴极的第二永磁铁13-B初始运动位置图；

图2e是实施例1的扫描磁场磁控溅射阴极的第二永磁铁13-B运动1/4周期位置图；

图2f是实施例1的扫描磁场磁控溅射阴极的第二永磁铁13-B运动1/2周期位置图；

图3a是实施例2的扫描磁场磁控溅射阴极结构示意图；

图3b是实施例2的扫描磁场磁控溅射阴极工作效果图；

图3c是实施例2的扫描磁场磁控溅射阴极的磁体分布图；

图4a是实施例中传统阴极生产的涂层的金相显微图；

图4b是本实用新型实施例的扫描磁场磁控溅射阴极生产的涂层的金相显微图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型的方法进行说明，以使本实用新型技术方案更易于理解、掌握，但本实用新型并不局限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1

本实施例提供一种扫描磁场磁控溅射阴极，使用平面矩形靶，因此，其对应的靶座也是矩形，如图2a、图2c所示，该扫描磁场磁控溅射阴极包括靶材11、靶座12、第一永磁铁13-A、第二永磁铁13-B和转动机构17，所述靶材11为平面矩形，直接设置在靶座12的顶部，其边缘与所述靶座12的侧壁相连接，所述靶座12的侧壁与所述靶材11形成冷却水道，所述转动机构17设置在所述靶座12的纵向中心对称轴的位置，与所述第二永磁铁13-B相连接。所述第一永磁铁13-A固定设置在所述靶座12四周的内侧壁上、靶座12顶部平面的下方，所述第二永磁铁13-B活动设置在所述靶座12的内部中间、靶座12顶部平面的下方；所述第二永磁铁13-B为由至少两个的磁铁单元组合形成的长条形磁体，所述磁铁单元在转动机构17的带动下、在与靶座12顶部平面平行的平面上沿各自的中心做半径相同的圆周运动，如图2d(第二永磁铁13-B初始运动位置)、图2e(第二永磁铁13-B运动1/4周期位置)、图2f(第二永磁铁13-B运动1/2周期位置)所示，所有圆周运动的圆心集合与靶座的一条与第二永磁铁平行的对称轴线重合，其磁力线14相应地变化。

上述的扫描磁场磁控溅射阴极的使用效果如图2b所示，靶材的溅射动作在磁场的驱动下沿着靶材表面做规律的运动，最终在靶材表面形成刻蚀区域16。

实施例2

本实施例提供一种扫描磁场磁控溅射阴极，使用平面圆弧靶，因此，其对应的靶座也是圆形，如图3a、图3c所示，该扫描磁场磁控溅射阴极包括圆弧靶材21、靶座12、第一永磁铁13-A、第二永磁铁13-B和转动机构17，所述圆弧靶材21为平面圆形，直接设置在靶座12的顶部，其边缘与所述靶座12的侧壁相连接，所述靶座12的侧壁与所述圆弧靶材21形成冷却水道，所述转动机构17设置在所述靶座12的纵向中心对称轴的位置，与所述第二永磁铁13-B相连接。所述第一永磁铁13-A固定设置在所述靶座12四周的内侧壁上、靶座12顶部平面的下方，所述第二永磁铁13-B活动设置在所述靶座12的内部中间、靶座12顶部平面的下方；所述第二永磁铁在转动机构17的带动下相对靶座12的纵向中心对称轴做环绕圆周运动，其圆周运动的轴心与自身几何轴心不重合，其磁力线14相应地变化。

上述的扫描磁场磁控溅射阴极的使用效果如图3b所示，靶材的溅射动作在磁场的驱动下沿着靶材表面做规律的运动，最终在靶材表面形成刻蚀区域26。

实施例3

本实施例提供一种扫描磁场磁控溅射阴极，使用平面矩形靶，因此，其对应的靶座也是矩形，如图2a、图2c所示，该扫描磁场磁控溅射阴极包括靶材11、靶座12、第一永磁铁13-A、第二永磁铁13-B和转动机构17，所述靶材11为平面矩形，直接设置在靶座12的顶部，其边缘与所述靶座12的侧壁相连接，所述靶座12的侧壁与所述靶材11形成冷却水道，所述转动机构17设置在所述靶座12的纵向中心对称轴的位置，与所述第二永磁铁13-B相连接。所述第一永磁铁13-A固定设置在所述靶座12四周的内侧壁上、靶座12顶部平面的下方，所述第二永磁铁13-B活动设置在所述靶座12的内部中间、靶座12顶部平面的下方；所述第二永磁铁13-B为一个长条形永磁铁，在转动机构17的带动下，其对称中心相对靶座12的纵向中心对称轴做环绕圆周运动，其磁力线14相应地变化。

上述的扫描磁场磁控溅射阴极的使用效果如图2b所示，靶材的溅射动作在磁场的驱动下沿着靶材表面做规律的运动，最终在靶材表面形成刻蚀区域16。

将实施例1和实施例2的扫描磁场磁控溅射阴极工作时，对靶材的刻蚀情况与传统扫描磁场磁控溅射阴极技术进行比较，其结果见表1。表中靶材利用率通过称量靶材使用前后的重量计算得到；电流密度是按靶工作时的电源显示的电流除以靶材的整个工作面外形面积计算得到；打弧(靶材阴阳极之间瞬间电流过大)次数是以DC电源计数统计结果得到。

表1

由上可见，本实用新型实施例的扫描磁场磁控溅射阴极能够扩大刻蚀区域，提高靶材的利用率，能够减少工艺过程中靶的打弧频次，同时能够提高冷却效果，能够保持扫描磁场磁控溅射阴极连续工作。

将本实用新型实施例1或实施例2所得的扫描磁场磁控溅射阴极生产的产品涂层与传统阴极生产的产品涂层进行比较分析，其中，表面质量测试的产品涂层为以经过抛光处理的55HRC的SKD11试片为基材，在其上镀制500nm氧化铟锡(ITO)薄膜涂层；测试方法为在金相显微镜下100X观察。结合力测试的产品涂层为在55HRC的SKD11试片基材上镀制1000nm金属Ni薄膜涂层；测试方法为用划痕仪测试。其结果见表2和图4a、图4b所示。

表2

由上表可见，本实用新型的扫描磁场磁控溅射阴极所生产的涂层未出现针孔和麻点，不会对涂层耐久性、外观和使用性能如透光、导电、摩擦等产生不利影响。且涂层结合力较强。

由上可见，本实用新型的扫描磁场磁控溅射阴极，采用运动变化的磁场，能够扩大刻蚀区域，使得靶材被均匀刻蚀，而非集中在一个区域，提高了靶材的利用率；能够减少工艺过程中靶的打弧频次，改善膜层质量；采用靶材直接水冷，能够提高冷却效果，减少停工冷却，使得膜层品质稳定。

Claims (9)

1.一种扫描磁场磁控溅射阴极，其特征在于：该扫描磁场磁控溅射阴极包括靶座、第一磁体和第二磁体，所述第一磁体设置在所述靶座四周的内侧壁上、靶座顶部平面的下方，所述第二磁体活动设置在所述靶座的内部中间、靶座顶部平面的下方；所述第二磁体围绕所述靶座的纵向中心对称轴做规则运动。

2.根据权利要求1所述的扫描磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述第二磁体根据靶座的形状设置为端点形磁体或长条形磁体，所述端点形磁体的外形包括圆形、正多边形或不规则多边形。

3.根据权利要求2所述的扫描磁场磁控溅射阴极，其特征在于：当靶座形状为矩形时，所述第二磁体为单一长条形磁体，其对称中心相对靶座的纵向中心对称轴做环绕圆周运动。

4.根据权利要求2所述的扫描磁场磁控溅射阴极，其特征在于：当靶座形状为矩形时，所述第二磁体为由至少两个的单一磁体单元组合形成的长条形磁体，所述磁体单元在与靶座顶部平面平行的平面上做半径相同的圆周运动，所有圆周运动的圆心集合与靶座的一条与第二磁体平行的对称轴线重合。

5.根据权利要求2所述的扫描磁场磁控溅射阴极，其特征在于：当靶座形状为圆形或正多边形时，所述第二磁体为端点形磁体，所述第二磁体相对靶座的纵向中心对称轴做环绕圆周运动，其圆周运动的轴心与自身几何轴心不重合。

6.根据权利要求1所述的扫描磁场磁控溅射阴极，其特征在于：该扫描磁场磁控溅射阴极还包括转动机构，所述转动机构在所述靶座的内部与所述第二磁体相连接，在外部动力的驱动下带动第二磁体运动。

7.根据权利要求1-6任一项所述的扫描磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述第一磁体和第二磁体包括永磁体或电磁体。

8.根据权利要求7所述的扫描磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述第一磁体和第二磁体为永磁体。

9.根据权利要求1所述的扫描磁场磁控溅射阴极，其特征在于：所述靶座为顶部开口结构，所述扫描磁场磁控溅射阴极还包括靶材，所述靶材设置在所述靶座顶部，其边缘与所述靶座的侧壁相连接；所述靶材与所述靶座的侧壁形成冷却水道。