CN210560702U - 一种磁控溅射靶枪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁控溅射靶枪，包括基座(1)、陶瓷绝缘板(2)和磁靶(3)；所述磁靶(3)设置在所述基座(1)上，所述陶瓷绝缘板(2)安装在所述基座(1)与所述磁靶(3)之间；本实用新型体积小，磁场足够大到可以溅射磁性材料的圆形磁控溅射靶枪，减小靶枪制造成本，可以在有限真空腔内装载多个靶枪，且结构简单，磁场均匀。

Description

一种磁控溅射靶枪

技术领域

本实用新型涉及一种磁控溅射靶枪，尤其涉及一种可以在超高真空腔体使用的磁控溅射靶枪。

背景技术

磁控溅射镀膜是一种物理气相沉积溅射的镀膜方法。可制备金属、半导体、绝缘体，磁性和非磁性等各种材料的薄膜，且具有设备相对简单、易于控制、镀膜速度快、均匀性好、密度高和附着力强等优点，是一种十分有效的薄膜物理沉积方法，在各个工业领域应用非常广泛，特别是半导体行业和下一代新型自旋电子学器件领域。

磁控溅射需要在真空腔内充入氩气或反应气体，基片放置在靶材正上方。在靶枪的阴阳极之间施加高压(500～1000V)，氩气或反应气体在高压下被电离成带电离子，这些带电的离子在电场的作用下加速后高速地轰击靶材，靶材受到这类高速离子的轰击后其表面材料以微小粒子被溅射出来，沉积在基片上成膜。磁控指的是在靶阴极表面引入具有平行磁场，利用磁场对带电离子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。根据靶材的形状，磁控溅射靶可分为圆形磁控溅射靶、平面磁控溅射靶和柱状磁控溅射靶。高校、研究所和一些高新科技公司的科研部都是采用小型圆形靶。

目前基于电磁铁产生局域磁场设计出来的大型磁控溅射靶枪，可以满足工业上大面积的物理沉积镀膜的要求。但是对于这类电磁铁型磁控溅射靶枪，由于多扎电磁线圈的使用，导致其装置结构复杂，所需辅助仪表电源及真空配件增多，安装体积增大，这不仅造成了整套镀膜设备的制造成本升高，还导致了设备的使用和维护成本的增加。另外，由于高校和研究所等科研单位是从事前沿的科学探索研究，不需要大面积镀膜，实验室一般都是使用1～2英尺左右的靶材；但是需要探索各种不同特性的功能材料，所以需要在有限的真空腔内装载尽可能多磁控靶腔来满足各种探索性实验的要求。除此之外，随着各类电子产品的智能化扩张和下一代新型自旋电子学器件的兴起，各种基于磁性薄膜的传感器、存储器和逻辑器件的需求日益增长。这些磁性功能器件都是基于各类强铁磁材料薄膜基础之上加工和制备，但由于铁磁材料具有高磁导率特性，磁控溅射靶产生的磁场大部分从铁磁性靶材内部通过，此类磁性靶材的磁屏蔽将会极大地减弱靶材上表面的磁场，从而导致磁控溅射靶枪无法起辉进行溅射镀膜，或者溅射效率极低等问题。目前国内的大尺寸电磁铁型溅射靶枪无法安装到各科科研单位实验室所拥有的小型高端镀膜仪和超高真空腔室上，另外，目前国内也存在一些小尺寸磁控溅射靶，但不是超高真空一体化设计，同时存在磁场强度不够，无法溅射强铁磁材料等缺点。

发明内容

发明目的：现有技术中一般磁控溅射靶枪大，结构复杂，难以溅射磁性物质。本实用新型技术克服以上问题，提供一种体积小，结构简单，受热影响小，使用方便，磁场足够大到可以溅射磁性材料的圆形磁控溅射靶枪，减小靶枪制造成本，可以在有限真空腔内装载多个靶枪。

技术方案：

一种磁控溅射靶枪，包括基座、绝缘板和磁靶；所述磁靶设置在所述基座上，所述绝缘板安装在所述基座与所述磁靶之间；

所述基座包括无氧铜水冷头、不锈钢管以及法兰；所述法兰焊接在所述不锈钢管中部位置，所述不锈钢管的底部连接有冷却水进水口，在所述不锈钢管的侧面位于所述法兰下方位置设置有冷却水出水口；所述法兰为圆环形结构，所述不锈钢管穿过所述法兰；在所述法兰上设置有真空电极，所述真空电极下端连接高压电源；在所述不锈钢管顶部焊接有无氧铜水冷头，在所述无氧铜水冷头设有若干通孔，在所述通孔中穿有螺丝杆，所述螺丝杆与所述通孔之间通过陶瓷绝缘端子绝缘；其中一所述螺丝杆与所述法兰上设置的所述真空电极上端通过导线连接；

所述磁靶包括磁靶基座、永磁体及靶材；所述磁靶基座由圆柱形的无氧铜加工而成，在所述磁靶基座内设有若干用于容纳用磁铁的凹槽，所述凹槽分布在所述磁靶基座中心位置以及围绕所述中心位置的圆周上；永磁铁设置在所述凹槽内，形成中心一个加外面一圈的永磁铁组成的永磁体组；所述靶材设置在所述永磁体组上方；在所述磁靶基座下端设有内螺纹孔，在所述绝缘板上设有相应的通孔，所述螺丝杆穿过所述陶瓷绝缘端子、无氧铜水冷头和绝缘板，固定在所述磁靶基座的内螺纹孔上。

所述无氧铜水冷头包括无氧铜冷头和无氧铜连接件两部分；所述无氧铜冷头为上端封闭的圆筒形结构，所述不锈钢管顶部与所述无氧铜冷头密封焊接；在所述无氧铜冷头上套设所述无氧铜连接件，所述无氧铜连接件为上端封闭的圆筒形结构，在所述无氧铜连接件顶部横向向外延伸形成连接阶梯，在所述连接阶梯上均匀设有若干通孔，其上设置有螺丝杆；其中一螺丝杆与所述法兰上设置的真空电极上端通过导线连接。

所述无氧铜冷头和无氧铜连接件一体化成型，形成所述无氧铜水冷头。

所述无氧铜水冷头为一体圆筒形结构，所述不锈钢管顶部与所述无氧铜水冷头密封焊接；在所述无氧铜水冷头顶部横向向外延伸形成连接阶梯，在所述连接阶梯上均匀设有若干通孔，其上设置有螺丝杆；其中一螺丝杆与所述法兰上设置的真空电极上端通过导线连接。

在所述磁靶基座下端设有一圈内螺纹孔，在所述绝缘板上设有相应的通孔，所述螺丝杆通过陶瓷绝缘端子，穿过无氧铜冷头连接件和绝缘板，固定在所述磁靶基座的内螺纹孔上，将所述基座、所述绝缘板和所述磁靶三部分连接成一体。

在所述磁靶上还设有靶罩，所述靶罩为不锈钢靶罩。

在所述靶材上方还设有用于将所述靶材固定在所述永磁体组上的靶材固定件。

所述法兰采用不锈钢CF类型接口法兰、KF法兰或者ISO法兰。

所述磁靶基座由圆柱形的无氧铜加工而成。

在所述不锈钢管内设置有冷却水管，所述冷却水管的顶端低于所述不锈钢管顶端。

本实用新型基于单一永磁体和无氧铜一体水冷却装置成功设计的超高真空磁控溅射靶枪，与目前磁控溅射靶枪相比，具有以下有益技术效果：

(1)体积小，可以在有限的真空腔内装置多个靶枪。本靶枪设计尺寸主要是装载一英尺左右或者更小的靶材，直径在7cm以内，还可以根据需要设计更小或者更大。目前在我们设计使用的磁控溅射系统中，一个真空腔装载了十个靶枪。

(2)结构简单。靶枪的设计包括四个部件：基座、绝缘板、磁靶和靶罩。一般靶枪需要转动轴设计，增加镀膜的均匀性。本靶枪采用的是永磁体作为磁体，跟一般靶枪比较不需要线圈加励磁电流。此外，靶枪一般设计都有转动轴，提供镀膜均匀度。本靶枪体积小，单个腔体需要装载多个靶枪的需要，所以本靶枪舍弃转动轴设计，如其他靶枪设计加上转动轴，则每个靶枪都要单独一套转轴周装置，而在整个磁控设备中，转动轴被移到放置样品的部位，这样整个系统就只需要一套转轴装置。整个设计结构简化了很多，镀膜均匀性也同样达到。

(3)此外本设计中，水冷却装置也是焊接成一体，这样结构更加精简，水冷却效果更好，能够保证整个磁控镀膜的稳定性和均匀性。

(4)磁场均匀，强度强。本靶枪，永铁磁的排列经过模拟计算，使得磁场尽可能均匀。进一步，靶材下面还有导磁片。这样磁场可以进一步得到加强，同时均匀性也得到更好的提高。磁场均匀，有利于提高靶材的利用率，保证镀膜均匀性。此外，本靶枪磁场比一般的靶枪磁场强，可以溅射一些铁磁性靶材，例如Fe、Co、Ni等材料。

附图说明

图1是本实用新型的磁控溅射靶枪整体剖面图。

图2是本实用新型的磁控溅射靶枪基座的示意图。

图3是本实用新型的磁控溅射靶枪磁靶的示意图。

其中，1为基座，2为绝缘板，3为磁靶，4为靶罩，5为冷却水进水口，6为冷却水出水口，7为真空电极，8为法兰，9为不锈钢管，10为导线，11为无氧铜冷头，12为无氧铜连接件，13为磁靶基座，14为永磁体组，15为靶材，16为靶材固定件，17为螺丝杆，18为陶瓷绝缘端子，19为内螺纹孔。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

为了使本实用新型的结构、特征和优点更加清晰，结合附图对本实用新型的磁控溅射靶枪进行更为详细的说明。图1是本实用新型的磁控溅射靶枪整体剖面图。如图1所示，本实用新型的磁控溅射靶枪包括基座1、绝缘板2、磁靶3和靶罩4。所述磁靶3设置在所述基座1上，所述绝缘板2安装在所述基座1与所述磁靶3之间。在所述磁靶3上还设有靶罩4。在本实用新型中，绝缘板2采用陶瓷绝缘板，可以承受高温，但也可以换成其他承受高温，导热性能不错的绝缘板，例如蓝宝石材料等。

图2是本实用新型的磁控溅射靶枪基座的示意图。如图2所示，所述基座1包括无氧铜水冷头、不锈钢管9以及法兰8。所述法兰8焊接在所述不锈钢管9中部位置，所述不锈钢管9的底部连接有冷却水进水口5，在所述不锈钢管9的侧面位于所述法兰8下方位置设置有冷却水出水口6。在本实用新型中，在所述不锈钢管9内设置有冷却水管，所述冷却水管的顶端低于所述不锈钢管9顶端，所述冷却水管及所述冷却水管和所述不锈钢管9之间空间形成了冷却水通道。所述冷却水管连接所述冷却水进水口5。所述法兰8为圆环形结构，所述不锈钢管9穿过所述法兰8；在所述法兰8上设置有真空电极7，所述真空电极7下端连接高压电源。在所述不锈钢管9顶部焊接有无氧铜冷头11，所述无氧铜冷头11为上端封闭的圆筒形结构，所述不锈钢管9顶部插入所述无氧铜冷头11下方；本实用新型为了在真空腔体能够装载尽可能多的靶枪，在所述无氧铜冷头11上套设有无氧铜连接件12，所述无氧铜连接件12为上端封闭的圆筒形结构，所述无氧铜连接件(12)套设在所述无氧铜冷头11外，在所述无氧铜连接件12顶部横向向外延伸形成连接阶梯，在所述连接阶梯上均匀设有若干螺孔，其上设置有螺丝杆17；其中一螺丝杆17与所述法兰8上设置的真空电极7上端通过导线10连接。本实用新型这种水冷方式结构简单，冷却效率高，完全避免其他靶枪在水冷设计中安装而可能导致漏水引起的安全问题。在本实用新型中，如果真空腔装载空间允许，所述无氧铜冷头11和所述无氧铜连接件12可以做成一体，更加方便，冷却效率也更有效。

在本实用新型中，所述法兰8采用不锈钢CF35接口法兰，不溅射时，气密性可以维持超高真空3*10^(-10)mbar的要求，杜绝漏气的问题造成靶材中毒的问题。在本实用新型中，所述法兰8的大小取决于需要装载的靶材的大小，一般的1英尺的靶材，CF35是够用的。如果对于真空度要求不高，也可以采用其他类型真空法兰接口，例如KF法兰或者ISO法兰。

图3是本实用新型的磁控溅射靶枪磁靶的示意图。如图3所示，本实用新型的所述磁靶3包括磁靶基座13、永磁体14、靶材15以及靶材固定件16；所述磁靶基座13由圆柱形的无氧铜加工而成，在所述磁靶基座13内设有若干用于容纳用磁铁的凹槽，所述凹槽分布在所述磁靶基座13中心位置以及围绕所述磁靶基座13中心位置的圆周上。永磁铁设置在所述凹槽内，形成中心一个加外面一圈的永磁铁组成的永磁体组14。所述凹槽的排列经过模拟计算，使得磁场尽可能均匀，并且磁场足够强来溅射磁性材料。所述模拟计算基于物理模型，用数值计算软件comsol，进行限元数值进行模拟计算。所述靶材15设置在所述永磁体14上方，并通过靶材固定件16固定。所述靶罩4为不锈钢靶罩，所述不锈钢靶罩罩在所述磁靶3外，有效防止靶材溅射时污染临近靶材。

在所述磁靶基座13下端设有一圈螺纹孔19，在所述绝缘板2上设有相应的通孔，所述螺丝杆17穿过瓷绝缘端子18，无氧铜冷头连接件12和绝缘板2，固定在所述磁靶基座13的螺纹孔19上，将所述基座1、所述绝缘板2和所述磁靶3三部分连接成一体，可以有效把溅射时产生的热量用水冷却，而通过导线10和螺丝杆17连接磁靶3和真空电极7，可以通过电极7给磁靶3加高的负电压，而与无氧铜冷头绝缘。

本实用新型是一个以永磁为基础的磁控溅射靶枪，通过法兰可以连接高真腔体内使用。磁控溅射的靶枪是圆柱型的靶枪，包括基座、绝缘板、磁靶和靶罩四部分组成，结构简单，加工价格便宜，自己组装拆卸简单方便。基座是在法兰基础上做的，用来完全隔绝大气和内部真空腔，同时还有连通电源和冷却的作用。溅射时，磁靶需要加高电压，绝缘板是使磁靶与真空腔体完全绝缘。磁靶是圆形的磁靶上均匀排列的永磁铁块，形成中心一个加外面一圈的永磁铁组成的整体磁靶。永磁体的排列经过模拟计算，使得磁场尽可能均匀，并且磁场足够强来溅射磁性材料。不锈钢靶罩则有效防止靶材溅射时污染临近靶材。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (10)

1.一种磁控溅射靶枪，其特征在于：包括基座（1）、绝缘板（2）和磁靶（3）；所述磁靶（3）设置在所述基座（1）上，所述绝缘板（2）安装在所述基座（1）与所述磁靶（3）之间；

所述基座（1）包括无氧铜水冷头、不锈钢管（9）以及法兰（8）；所述法兰（8）焊接在所述不锈钢管（9）中部位置，所述不锈钢管（9）的底部连接有冷却水进水口（5），在所述不锈钢管（9）的侧面位于所述法兰（8）下方位置设置有冷却水出水口（6）；所述法兰（8）为圆环形结构，所述不锈钢管（9）穿过所述法兰（8）；在所述法兰（8）上设置有真空电极（7），所述真空电极（7）下端连接高压电源；在所述不锈钢管（9）顶部焊接有无氧铜水冷头，在所述无氧铜水冷头设有若干通孔，在所述通孔中穿有螺丝杆（17），所述螺丝杆（17）与所述通孔之间通过陶瓷绝缘端子（18）绝缘；其中一所述螺丝杆（17）与所述法兰（8）上设置的所述真空电极（7）上端通过导线（10）连接；

所述磁靶（3）包括磁靶基座（13）、永磁体组（14）及靶材（15）；所述磁靶基座（13）由圆柱形的无氧铜加工而成，在所述磁靶基座（13）内设有若干用于容纳用磁铁的凹槽，所述凹槽分布在所述磁靶基座（13）中心位置以及围绕所述中心位置的圆周上；永磁铁设置在所述凹槽内，形成中心一个加外面一圈的永磁铁组成的永磁体组（14）；所述靶材（15）设置在所述永磁体组（14）上方；在所述磁靶基座（13）下端设有内螺纹孔（19），在所述绝缘板（2）上设有相应的通孔，所述螺丝杆（17）穿过所述陶瓷绝缘端子（18）、无氧铜水冷头和绝缘板（2），固定在所述磁靶基座（13）的内螺纹孔（19）上。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射靶枪，其特征在于：所述无氧铜水冷头包括无氧铜冷头（11）和无氧铜连接件（12）两部分；所述无氧铜冷头（11）为上端封闭的圆筒形结构，所述不锈钢管（9）顶部与所述无氧铜冷头（11）密封焊接；在所述无氧铜冷头（11）上套设所述无氧铜连接件（12），所述无氧铜连接件（12）为上端封闭的圆筒形结构，在所述无氧铜连接件（12）顶部横向向外延伸形成连接阶梯，在所述连接阶梯上均匀设有若干通孔，其上设置有螺丝杆（17）；其中一螺丝杆（17）与所述法兰（8）上设置的真空电极（7）上端通过导线（10）连接。

3.根据权利要求2所述的磁控溅射靶枪，其特征在于：所述无氧铜冷头（11）和无氧铜连接件（12）为分开两部分或一体化成型，形成所述无氧铜水冷头。

4.根据权利要求1所述的磁控溅射靶枪，其特征在于：所述无氧铜水冷头为一体圆筒形结构，所述不锈钢管（9）顶部与所述无氧铜水冷头密封焊接；在所述无氧铜水冷头顶部横向向外延伸形成连接阶梯，在所述连接阶梯上均匀设有若干通孔，其上设置有螺丝杆（17）；其中一螺丝杆（17）与所述法兰（8）上设置的真空电极（7）上端通过导线（10）连接。

5.根据权利要求2所述的磁控溅射靶枪，其特征在于：在所述磁靶基座（13）下端设有一圈内螺纹孔（19），在所述绝缘板（2）上设有相应的通孔，所述螺丝杆（17）通过陶瓷绝缘端子（18），穿过所述无氧铜连接件（12）和所述绝缘板（2），固定在所述磁靶基座（13）的内螺纹孔（19）上，将所述基座（1）、所述绝缘板（2）和所述磁靶（3）三部分连接成一体。

6.根据权利要求1所述的磁控溅射靶枪，其特征在于：在所述磁靶（3）上还设有靶罩（4），所述靶罩（4）为不锈钢靶罩。

7.根据权利要求1所述的磁控溅射靶枪，其特征在于：在所述靶材（15）上方还设有用于将所述靶材固定在所述永磁体组（14）上的靶材固定件（16）。

8.根据权利要求1所述的磁控溅射靶枪，其特征在于：所述法兰（8）采用不锈钢CF类型接口法兰、 KF法兰或者ISO法兰。

9.根据权利要求1所述的磁控溅射靶枪，其特征在于：所述磁靶基座（13）由圆柱形的无氧铜加工而成。

10.根据权利要求1所述的磁控溅射靶枪，其特征在于：在所述不锈钢管（9）内设置有冷却水管，所述冷却水管的顶端低于所述不锈钢管（9）顶端。

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