CN217948246U

CN217948246U - 一种提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统

Info

Publication number: CN217948246U
Application number: CN202222103836.7U
Authority: CN
Inventors: 田广科; 李新宇; 柴培钊
Original assignee: Lanzhou Jiaotong University
Current assignee: Lanzhou Jiaotong University
Priority date: 2022-08-10
Filing date: 2022-08-10
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2032-08-10

Abstract

本实用新型属于磁控溅射镀膜技术领域，具体涉及一种提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统。本实用新型的技术方案如下：一种提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，包括空心电磁线圈、可变电流直流电源和线圈位置调节机构，线圈位置调节机构设置在磁控溅射镀膜机的基片台上，所述基片台上设有工件盘，空心电磁线圈安装在线圈位置调节机构上，空心电磁线圈放置在磁控溅射镀膜机的磁控靶与所述工件盘之间，空心电磁线圈与所述磁控靶同轴设置，可变电流直流电源与空心电磁线圈相连。本实用新型提供的提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，能够实现对等离子体束流的汇聚调控作用，提高溅射粒子收得率和靶材利用率。

Description

一种提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统

技术领域

本实用新型属于磁控溅射镀膜技术领域，具体涉及一种提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统。

背景技术

磁控溅射是一种重要的物理气相沉积镀膜方法。磁控溅射技术基本原理是在二极溅射阴极靶背面加装强力磁铁或电磁线圈，当高电压下Ar原子产生等离子辉光放电时，电子被靶磁场束缚在靶表面的等离子体区域内，不断撞击Ar原子使之电离，产生大量的Ar+离子，有效地提高了工作气体的电离率和电子的能量利用率。磁控溅射具有沉积速率高、基片温度低、对基片损伤小、可镀材料广泛、设备简单、形式多样、工艺易控、可重复性好等优点，在3C电子产品和其他现代功能薄膜制备中发挥着重要作用。但是磁控溅射镀膜技术也有不足之处，主要表现在溅射粒子呈喇叭状发散状态，部分从靶材上溅出的粒子沉积在基片台之外的地方，造成珍贵靶材资源的白白浪费。

由于等离子体本身具有荷能离子属性，在外加磁场作用下受洛伦兹力影响，可改变荷能离子的运动轨迹。如专利CN113463039A公开了一种线圈电磁挤压式磁过滤装置，采用磁挤压的方式，能完成从电源阴极至真空室的等离子体的偏转，完成大颗粒的过滤，使传统磁过滤等离子体非常集中的特点会有所改善，有利于大面积和均匀沉积。专利CN106591783A公开了一种磁约束真空离子镀膜装置，可解决椭圆谐振腔和圆柱多模谐振腔微波离子镀膜技术中存在的等离子体范围小、膜沉积速率慢、均匀性和一致性不够高的问题。专利CN113652674A公开了一种基于磁约束等离子体超双疏膜层的制备装置及方法，利用永磁体单元在腔室内产生磁场，对腔室内的等离子体中的自由电子进行约束，使其沿磁力线做螺旋形运动从而增大碰撞几率，由此产生的大量离子基团受鞘电压的作用，撞击基材表面而形成至少达到微米级的深度刻蚀，同时对基材表面进行活性化、洁净化处理，最终低成本、规模化、一次性完成超双疏界面涂层的制备。

实用新型内容

本实用新型提供一种提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，能够实现对等离子体束流的汇聚调控作用，提高溅射粒子收得率和靶材利用率。

本实用新型的技术方案如下：

一种提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，包括空心电磁线圈、可变电流直流电源和线圈位置调节机构，线圈位置调节机构设置在磁控溅射镀膜机的基片台上，所述基片台上设有工件盘，空心电磁线圈安装在线圈位置调节机构上，空心电磁线圈放置在磁控溅射镀膜机的磁控靶与所述工件盘之间，空心电磁线圈与所述磁控靶同轴设置，可变电流直流电源与空心电磁线圈相连。

进一步地，所述的提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，所述空心电磁线圈包括金属骨架和耐高温漆包线，所述金属骨架设有中心孔，耐高温漆包线缠绕在所述金属骨架上形成线包，耐高温漆包线的两个端头分别接在可变电流直流电源的输出端子上。

进一步地，所述的提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，所述磁控靶的截面形状为圆形，所述中心孔的形状为圆形，所述中心孔的直径为所述磁控靶的直径的1.1～2倍；所述空心电磁线圈与所述磁控靶之间的距离为靶基距的1/4～1/3。

进一步地，所述的提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，所述磁控靶的截面形状为方形，所述中心孔的形状为方形，所述中心孔的长度为所述磁控靶的长度的1.1～2倍，所述中心孔的宽度为所述磁控靶的宽度的1.1～2倍；所述空心电磁线圈与所述磁控靶之间的距离为靶基距的1/4～1/3，靶基距即靶材到基片台之间的距离。

进一步地，所述的提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，所述可变电流直流电源的输出电流在0～20安培之间。

进一步地，所述的提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，所述线圈位置调节机构包括支杆、调节螺母和连接板，所述支杆的下端固定设置在所述基片台上，两个调节螺母螺接在所述支杆的上部，所述连接板的一端安装在所述支杆上且位于两个调节螺母之间，所述连接板的另一端与所述空心电磁线圈相连。

本实用新型的有益效果为：

1、磁控靶启辉之后产生的等离子体束流，可从空心电磁线圈的空心处完全穿过；通过调整空心电磁线圈电流方向、电流大小及线圈与磁控靶之间的相对位置，通过空心电磁线圈产生的外加磁场对等离子体束流进行有效调控，使其尽可能汇聚在工件表面。

2、可变电流直流电源是作为励磁电源为空心电磁线圈供电的，可通过调节电流的大小和方向来改变电磁线圈所产生磁场的强度大小与方向；通过调节可变电流直流电源的输出电流，使等离子体束斑由大变小，最后完全汇聚在工件的表面，实现对溅射粒子的高收得率沉积。

3、线圈位置调节机构是用来改变空心电磁线圈与磁控靶之间相对位置的，可通过该机构进一步调控空心电磁线圈所产生磁场的空间布局，实现对等离子体束流的灵活调控。

附图说明

图1为实施例1中圆形磁控靶在空心电磁线圈不通电情况下等离子体束流的发散形态示意图；

图2为实施例1中圆形磁控靶在空心电磁线圈通电情况下等离子体束流的汇聚形态示意图；

图3为实施例2中矩形磁控靶在空心电磁线圈不通电情况下等离子体束流的发散形态示意图；

图4为实施例2中矩形磁控靶在空心电磁线圈通电情况下等离子体束流的汇聚形态示意图。

具体实施方式

如图1-4所示，一种提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，包括空心电磁线圈2、可变电流直流电源3和线圈位置调节机构4，线圈位置调节机构4设置在磁控溅射镀膜机的基片台5上，所述基片台5上设有工件盘6，空心电磁线圈2安装在线圈位置调节机构4上，空心电磁线圈2放置在磁控溅射镀膜机的磁控靶1与所述工件盘6之间，空心电磁线圈2与所述磁控靶1同轴设置，可变电流直流电源3与空心电磁线圈2相连。所述空心电磁线圈2包括金属骨架和耐高温漆包线，所述金属骨架设有中心孔，耐高温漆包线缠绕在所述金属骨架上形成线包，耐高温漆包线的两个端头分别接在可变电流直流电源3的输出端子上。所述可变电流直流电源3的输出电流在0～10安培之间。所述线圈位置调节机构4包括支杆、调节螺母和连接板，所述支杆的下端固定设置在所述基片台5上，两个调节螺母螺接在所述支杆的上部，所述连接板的一端安装在所述支杆上且位于两个调节螺母之间，所述连接板的另一端与所述空心电磁线圈2相连。

实施例1

上述提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，其使用方法包括如下步骤：

步骤1、在磁控溅射镀膜机的磁控靶1上安装一只银靶，纯度99.99％，靶材尺寸φ76.2mm×6mm；

步骤2、如图1所示，在圆形磁控靶1与基片台5之间放置一个环形空心电磁线圈2；环形空心电磁线圈2的孔径为100mm，外径为200mm，厚度为25mm；在线圈位置调节机构4驱动下将空心电磁线圈2移动到距离靶面20mm处；空心电磁线圈2的漆包线两个端头分别接在可变电流直流电源3的输出端子上，可变电流直流电源3的开关K处于断开位置；

步骤3、在工件盘6上放置一张直径200mm、厚度0.5mm的抛光单晶硅基片作为工件；

步骤4、开启磁控溅射镀膜机，进行抽真空处理，至真空度优于1×10^-3Pa；打开质量流量计，向真空室内充入纯度99.999％氩气，流量120SCCM，使真空室压力维持在0.8Pa；

步骤5、开启磁控靶溅射直流电源，功率调节为200W，靶面启辉，形成如图1所示的等离子体束流7；可见此时溅射粒子不仅沉积在工件的表面，还沉积在工件周围的基片台5上；

步骤6、将可变电流直流电源3的开关K转动至连通状态，调节电位器R，使输出电流由0安培逐渐增大到3安培，可见随电流增大，等离子体束斑由大变小；再在线圈位置调节机构4驱动下将空心电磁线圈2移动到距离靶面35mm处，此时等离子体束流7完全汇聚在工件的表面，如图2所示；通过该磁约束系统应用可实现对溅射银粒子高收得率沉积；

步骤7、保持上述磁约束溅射镀膜状态10分钟之后，关闭溅射电源，关闭可变电流直流电源3，关闭抽真空系统，真空室充入大气，取出镀膜工件，完成在单晶硅基片表面沉积银膜的工艺过程。

实施例2

步骤1、在磁控溅射镀膜机的矩形磁控靶1上安装一只铽靶，纯度99.5％，靶材尺寸300mm×100mm×10mm；

步骤2、如图3所示，在矩形磁控靶1与基片台5之间放置一个矩形空心电磁线圈2；矩形空心电磁线圈2内孔尺寸为380mm×180mm，外围尺寸为480mm×280mm，厚度为30mm；在线圈位置调节机构4驱动下将空心电磁线圈2移动到距离靶面20mm处；空心电磁线圈2的漆包线两个端头分别接在可变电流直流电源3的输出端子上，可变电流直流电源3的开关K处于断开位置；

步骤3、在工件盘6上平齐摆放8列4排钕铁硼磁块，工件盘6尺寸为560mm×260mm，钕铁硼磁块尺寸为70mm×65mm×5mm；

步骤4、开启磁控溅射镀膜机，进行抽真空处理，至真空度优于1×10^-3Pa；打开质量流量计，向真空室内充入纯度99.999％氩气，流量200SCCM，使真空室压力维持在0.8Pa；

步骤5、开启磁控靶溅射直流电源，功率调节为1000W，靶面启辉，形成如图3所示的等离子体束流7；可见此时溅射粒子不仅沉积在工件盘6上面的钕铁硼磁块表面，还沉积在工件盘6周围的基片台5上；

步骤6、将可变电流直流电源3的开关K转动至连通状态，调节电位器R，使输出电流由0安培逐渐增大到5安培，可见随电流增大，等离子体束斑由大变小；再在线圈位置调节机构4驱动下将空心电磁线圈2移动到距离靶面40mm处，此时等离子体束流7完全汇聚在工件盘6上面的钕铁硼磁块表面，如图4所示，实现在钕铁硼磁块表面溅射铽粒子的高收得率沉积；

步骤7、保持上述磁约束溅射镀膜状态30分钟之后，关闭溅射电源，关闭可变电流直流电源3，关闭抽真空系统，真空室充入大气，取出镀膜钕铁硼磁块，完成在钕铁硼磁块表面沉积铽膜的工艺过程。

Claims

1.一种提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，其特征在于，包括空心电磁线圈、可变电流直流电源和线圈位置调节机构，线圈位置调节机构设置在磁控溅射镀膜机的基片台上，所述基片台上设有工件盘，空心电磁线圈安装在线圈位置调节机构上，空心电磁线圈放置在磁控溅射镀膜机的磁控靶与所述工件盘之间，空心电磁线圈与所述磁控靶同轴设置，可变电流直流电源与空心电磁线圈相连。

2.根据权利要求1所述的提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，其特征在于，所述空心电磁线圈包括金属骨架和耐高温漆包线，所述金属骨架设有中心孔，耐高温漆包线缠绕在所述金属骨架上形成线包，耐高温漆包线的两个端头分别接在可变电流直流电源的输出端子上。

3.根据权利要求2所述的提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，其特征在于，所述磁控靶的截面形状为圆形，所述中心孔的形状为圆形，所述中心孔的直径为所述磁控靶的直径的1.1～2倍；所述空心电磁线圈与所述磁控靶之间的距离为靶基距的1/4～1/3。

4.根据权利要求2所述的提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，其特征在于，所述磁控靶的截面形状为方形，所述中心孔的形状为方形，所述中心孔的长度为所述磁控靶的长度的1.1～2倍，所述中心孔的宽度为所述磁控靶的宽度的1.1～2倍；所述空心电磁线圈与所述磁控靶之间的距离为靶基距的1/4～1/3。

5.根据权利要求1所述的提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，其特征在于，所述可变电流直流电源的输出电流在0～20安培之间。

6.根据权利要求1所述的提高磁控溅射镀膜机溅射粒子收得率的磁约束系统，其特征在于，所述线圈位置调节机构包括支杆、调节螺母和连接板，所述支杆的下端固定设置在所述基片台上，两个调节螺母螺接在所述支杆的上部，所述连接板的一端安装在所述支杆上且位于两个调节螺母之间，所述连接板的另一端与所述空心电磁线圈相连。