一種掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極。該掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極包括靶座、第一磁體和第二磁體，所述第一磁體設(shè)置在所述靶座四周的內(nèi)側(cè)壁上、靶座頂部平面的下方，所述第二磁體活動(dòng)設(shè)置在所述靶座的內(nèi)部中間、靶座頂部平面的下方；所述第二磁體圍繞所述靶座的縱向中心對(duì)稱軸做規(guī)則運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極還包括由靶材和靶座的側(cè)壁形成的冷卻水道。本發(fā)明的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，采用運(yùn)動(dòng)變化的磁場(chǎng)，能夠擴(kuò)大刻蝕區(qū)域，使得靶材被均勻刻蝕，而非集中在一個(gè)區(qū)域，提高了靶材的利用率；能夠減少工藝過程中靶的打弧頻次，改善膜層質(zhì)量；采用靶材直接水冷，能夠提高冷卻效果，減少停工冷卻，使得膜層品質(zhì)穩(wěn)定。
【專利說明】一種掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，屬于真空鍍膜【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 磁控濺射是一種重要的PVD涂層技術(shù)和方法，工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量受陰極影響明 顯。傳統(tǒng)的磁控濺射陰極采用永磁鐵結(jié)構(gòu)，且位置固定不變。
[0003] 傳統(tǒng)的磁控濺射陰極結(jié)構(gòu)如圖la所示，靶材1安裝在帶有背板的靶座2上，靶材 1設(shè)置在背板的平面上，背板和靶座形成用于冷卻的冷卻水道5,永磁鐵3-A固定設(shè)置在靶 材四周邊緣的下方、靶座的內(nèi)部,永磁鐵3-B固定設(shè)置在靶材軸心的下方、靶座的內(nèi)部，磁 力線4分布固定。
[0004] 這種固定磁體構(gòu)造的陰極使用結(jié)果如圖lb所示：靶材只在一個(gè)固定的區(qū)域刻蝕， 即圖lb中的靶材刻蝕區(qū)域6,對(duì)于這樣的一個(gè)固定的區(qū)域，隨著刻蝕的增加，會(huì)造成靶面磁 場(chǎng)變化、工藝的穩(wěn)定性變差、功率密度變化，且由于刻蝕只發(fā)生在一個(gè)相對(duì)較小且固定的區(qū) 域，靶材的刻蝕消耗集中，且越來越快，造成靶材過早報(bào)廢。另外，由于實(shí)際應(yīng)用的需要，靶 材往往要在高功率密度下長(zhǎng)時(shí)間工作，這時(shí)由于靶材間接冷卻（通過背板冷卻），不得不 采用間歇式工作，即工作一段時(shí)間必須停止工作，冷卻靶材一段時(shí)間，這樣導(dǎo)致生產(chǎn)效率降 低，薄膜生長(zhǎng)被迫中斷，往往會(huì)產(chǎn)生涂層分層等質(zhì)量事故。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是一種掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，能 夠擴(kuò)大刻蝕區(qū)域，使得靶材被均勻刻蝕，而非集中在一個(gè)區(qū)域，能夠降低打弧頻次。
[0006] 本發(fā)明的目的還在于通過提供本發(fā)明的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，同時(shí)能夠提高掃 描磁場(chǎng)磁控濺射陰極的冷卻效果，而減少停工冷卻。
[0007] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種掃描磁場(chǎng)磁控溉射陰極，該掃描磁場(chǎng)磁控溉射陰極包括祀座、第一磁體和第 二磁體，所述第一磁體設(shè)置在所述靶座四周的內(nèi)側(cè)壁上、靶座頂部平面的下方，所述第二磁 體活動(dòng)設(shè)置在所述靶座的內(nèi)部中間、靶座頂部平面的下方；所述第二磁體圍繞所述靶座的 縱向中心對(duì)稱軸做規(guī)則運(yùn)動(dòng)。
[0009] 上述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極中，優(yōu)選的，所述第二磁體根據(jù)靶座的形狀設(shè)置為 端點(diǎn)形磁體或長(zhǎng)條形磁體，所述端點(diǎn)形磁體的外形包括圓形、正多邊形或不規(guī)則多邊形，但 不限于此。
[0010] 上述的端點(diǎn)形磁體不會(huì)形成明顯的長(zhǎng)短軸。
[0011] 上述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極中，優(yōu)選的，當(dāng)靶座形狀為矩形時(shí)，所述第二磁體為 單一長(zhǎng)條形磁體，其對(duì)稱中心相對(duì)靶座的縱向中心對(duì)稱軸做環(huán)繞圓周運(yùn)動(dòng)。
[0012] 上述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極中，優(yōu)選的，當(dāng)靶座形狀為矩形時(shí)，所述第二磁體為 由至少兩個(gè)的單一磁體單元組合形成的長(zhǎng)條形磁體，所述磁體單元在與靶座頂部平面平行 的平面上做半徑相同的圓周運(yùn)動(dòng)，所有圓周運(yùn)動(dòng)的圓心集合與靶座的一條與第二磁體平行 的對(duì)稱軸線重合。
[0013] 上述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極中，優(yōu)選的，當(dāng)靶座形狀為圓形或正多邊形時(shí)，所述 第二磁體為端點(diǎn)形磁體，所述第二磁體相對(duì)靶座的縱向中心對(duì)稱軸做環(huán)繞圓周運(yùn)動(dòng)，其圓 周運(yùn)動(dòng)的軸心與自身幾何軸心不重合。
[0014] 上述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極中，由于中間的第二磁體做動(dòng)態(tài)重復(fù)運(yùn)動(dòng)，周圍磁 體固定不動(dòng)，等離子體對(duì)靶材的刻蝕濺射發(fā)生動(dòng)態(tài)往復(fù)掃描，最終表現(xiàn)在整個(gè)工作面面積 上靶材的均勻消耗。
[0015] 上述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極中，優(yōu)選的，該掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極還包括轉(zhuǎn)動(dòng) 機(jī)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在所述靶座的內(nèi)部與所述第二磁體相連接，在外部動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng) 第二磁體運(yùn)動(dòng)。
[0016] 上述的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以設(shè)置在靶座的縱向中心對(duì)稱軸的位置，帶動(dòng)第二磁體運(yùn)動(dòng)。
[0017] 上述的掃描磁場(chǎng)磁控溉射陰極中，優(yōu)選的，所述第一磁體和第二磁體包括永磁體 或電磁體，但不限于此；更優(yōu)選的，所述第一磁體和第二磁體為永磁體。
[0018] 上述的第一磁體和第二磁體的磁極是相對(duì)應(yīng)的，是本領(lǐng)域的常規(guī)設(shè)置。
[0019] 上述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極中，優(yōu)選的，所述靶座為頂部開口結(jié)構(gòu)，所述掃描磁 場(chǎng)磁控濺射陰極還包括靶材，所述靶材設(shè)置在所述靶座頂部，其邊緣與所述靶座的側(cè)壁相 連接；所述靶材與所述靶座的側(cè)壁形成冷卻水道。
[0020] 上述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極中，靶座和靶材是相對(duì)應(yīng)的，例如靶材的形狀為平 面矩形，那么靶座的形狀也是矩形的，即俯視狀態(tài)下靶座的形狀為矩形。
[0021] 上述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極中，形成的水冷通道可以直接對(duì)靶材進(jìn)行水冷冷 卻，增加了靶材的冷卻能力，能夠延長(zhǎng)靶材一次工作的時(shí)間，減少停工冷卻，提高了生產(chǎn)效 率、靶材的穩(wěn)定性和涂層的質(zhì)量。
[0022] 本發(fā)明采用動(dòng)態(tài)變化磁場(chǎng)及靶材直接冷卻設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)變化的磁場(chǎng)造成刻蝕區(qū)域?qū)?化、刻蝕區(qū)域不再集中在一個(gè)區(qū)域，而發(fā)生在整個(gè)靶材表面，大大增加了靶材利用率，而且 由于祀材表面均勻刻蝕，祀材表面的電磁場(chǎng)分布形態(tài)始終保持穩(wěn)定，工藝質(zhì)量穩(wěn)定，進(jìn)而減 少工藝過程中靶的打弧頻次。同時(shí)，靶材采用直接冷卻設(shè)計(jì)，靶可以長(zhǎng)時(shí)間工作，不僅提高 生產(chǎn)效率而且涂層質(zhì)量也得到保證。
[0023] 本發(fā)明的突出效果為：
[0024] 本發(fā)明的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，采用運(yùn)動(dòng)變化的磁場(chǎng)，能夠擴(kuò)大刻蝕區(qū)域，使得 靶材被均勻刻蝕，而非集中在一個(gè)區(qū)域，提高了靶材的利用率；能夠減少工藝過程中靶的打 弧頻次，改善膜層質(zhì)量；采用靶材直接水冷，能夠提高冷卻效果，減少停工冷卻，使得膜層品 質(zhì)穩(wěn)定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖la是傳統(tǒng)的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖lb是傳統(tǒng)的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極工作效果示意圖；
[0027] 圖2a是實(shí)施例1的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2b是實(shí)施例1的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極工作效果圖；
[0029] 圖2c是實(shí)施例1的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極的磁體分布圖；
[0030] 圖2d是實(shí)施例1的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極的第二永磁鐵13-B初始運(yùn)動(dòng)位置圖；
[0031] 圖2e是實(shí)施例1的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極的第二永磁鐵13-B運(yùn)動(dòng)1/4周期位置 圖；
[0032] 圖2f是實(shí)施例1的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極的第二永磁鐵13-B運(yùn)動(dòng)1/2周期位置 圖；
[0033] 圖3a是實(shí)施例2的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖3b是實(shí)施例2的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極工作效果圖；
[0035] 圖3c是實(shí)施例2的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極的磁體分布圖；
[0036] 圖4a是實(shí)施例中傳統(tǒng)陰極生產(chǎn)的涂層的金相顯微圖；
[0037] 圖4b是本發(fā)明實(shí)施例的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極生產(chǎn)的涂層的金相顯微圖。

【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行說明，以使本發(fā)明技術(shù)方案更易于理 解、掌握，但本發(fā)明并不局限于此。下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方 法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。
[0039] 實(shí)施例1
[0040] 本實(shí)施例提供一種掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，使用平面矩形靶，因此，其對(duì)應(yīng)的靶座 也是矩形，如圖2a、圖2c所示，該掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極包括靶材11、靶座12、第一永磁鐵 13-A、第二永磁鐵13-B和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17,所述靶材11為平面矩形，直接設(shè)置在靶座12的頂 部，其邊緣與所述靶座12的側(cè)壁相連接，所述靶座12的側(cè)壁與所述靶材11形成冷卻水道， 所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17設(shè)置在所述靶座12的縱向中心對(duì)稱軸的位置，與所述第二永磁鐵13-B相 連接。所述第一永磁鐵13-A固定設(shè)置在所述靶座12四周的內(nèi)側(cè)壁上、靶座12頂部平面 的下方，所述第二永磁鐵13-B活動(dòng)設(shè)置在所述靶座12的內(nèi)部中間、靶座12頂部平面的下 方；所述第二永磁鐵13-B為由至少兩個(gè)的磁鐵單元組合形成的長(zhǎng)條形磁體，所述磁鐵單元 在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17的帶動(dòng)下、在與靶座12頂部平面平行的平面上沿各自的中心做半徑相同的 圓周運(yùn)動(dòng)，如圖2d(第二永磁鐵13-B初始運(yùn)動(dòng)位置）、圖2e (第二永磁鐵13-B運(yùn)動(dòng)1/4周 期位置）、圖2f (第二永磁鐵13-B運(yùn)動(dòng)1/2周期位置）所示，所有圓周運(yùn)動(dòng)的圓心集合與靶 座的一條與第二永磁鐵平行的對(duì)稱軸線重合，其磁力線14相應(yīng)地變化。
[0041] 上述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極的使用效果如圖2b所示，靶材的濺射動(dòng)作在磁場(chǎng) 的驅(qū)動(dòng)下沿著靶材表面做規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，最終在靶材表面形成刻蝕區(qū)域16。
[0042] 實(shí)施例2
[0043] 本實(shí)施例提供一種掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，使用平面圓弧靶，因此，其對(duì)應(yīng)的靶座 也是圓形，如圖3a、圖3c所不，該掃描磁場(chǎng)磁控溉射陰極包括圓弧祀材21、祀座12、第一永 磁鐵13-A、第二永磁鐵13-B和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17,所述圓弧靶材21為平面圓形，直接設(shè)置在靶座 12的頂部，其邊緣與所述靶座12的側(cè)壁相連接，所述靶座12的側(cè)壁與所述圓弧靶材21形 成冷卻水道，所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17設(shè)置在所述靶座12的縱向中心對(duì)稱軸的位置，與所述第二永 磁鐵13-B相連接。所述第一永磁鐵13-A固定設(shè)置在所述靶座12四周的內(nèi)側(cè)壁上、靶座12 頂部平面的下方，所述第二永磁鐵13-B活動(dòng)設(shè)置在所述靶座12的內(nèi)部中間、靶座12頂部 平面的下方；所述第二永磁鐵在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17的帶動(dòng)下相對(duì)靶座12的縱向中心對(duì)稱軸做環(huán) 繞圓周運(yùn)動(dòng)，其圓周運(yùn)動(dòng)的軸心與自身幾何軸心不重合，其磁力線14相應(yīng)地變化。
[0044] 上述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極的使用效果如圖3b所示，靶材的濺射動(dòng)作在磁場(chǎng) 的驅(qū)動(dòng)下沿著靶材表面做規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，最終在靶材表面形成刻蝕區(qū)域26。
[0045] 實(shí)施例3
[0046] 本實(shí)施例提供一種掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，使用平面矩形靶，因此，其對(duì)應(yīng)的靶座 也是矩形，如圖2a、圖2c所示，該掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極包括靶材11、靶座12、第一永磁鐵 13-A、第二永磁鐵13-B和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17,所述靶材11為平面矩形，直接設(shè)置在靶座12的頂 部，其邊緣與所述靶座12的側(cè)壁相連接，所述靶座12的側(cè)壁與所述靶材11形成冷卻水道， 所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17設(shè)置在所述靶座12的縱向中心對(duì)稱軸的位置，與所述第二永磁鐵13-B相 連接。所述第一永磁鐵13-A固定設(shè)置在所述靶座12四周的內(nèi)側(cè)壁上、靶座12頂部平面的 下方，所述第二永磁鐵13-B活動(dòng)設(shè)置在所述靶座12的內(nèi)部中間、靶座12頂部平面的下方； 所述第二永磁鐵13-B為一個(gè)長(zhǎng)條形永磁鐵，在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)17的帶動(dòng)下，其對(duì)稱中心相對(duì)靶座 12的縱向中心對(duì)稱軸做環(huán)繞圓周運(yùn)動(dòng)，其磁力線14相應(yīng)地變化。
[0047] 上述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極的使用效果如圖2b所示，靶材的濺射動(dòng)作在磁場(chǎng) 的驅(qū)動(dòng)下沿著靶材表面做規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，最終在靶材表面形成刻蝕區(qū)域16。
[0048] 將實(shí)施例1和實(shí)施例2的掃描磁場(chǎng)磁控溉射陰極工作時(shí)，對(duì)祀材的刻蝕情況與傳 統(tǒng)掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極技術(shù)進(jìn)行比較，其結(jié)果見表1。表中靶材利用率通過稱量靶材使用 前后的重量計(jì)算得到；電流密度是按靶工作時(shí)的電源顯示的電流除以靶材的整個(gè)工作面外 形面積計(jì)算得到；打弧（靶材陰陽極之間瞬間電流過大）次數(shù)是以DC電源計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得 到。
[0049] 表 1
[0050]

【權(quán)利要求】
1. 一種掃描磁場(chǎng)磁控溉射陰極，其特征在于：該掃描磁場(chǎng)磁控溉射陰極包括祀座、第 一磁體和第二磁體，所述第一磁體設(shè)置在所述靶座四周的內(nèi)側(cè)壁上、靶座頂部平面的下方， 所述第二磁體活動(dòng)設(shè)置在所述靶座的內(nèi)部中間、靶座頂部平面的下方；所述第二磁體圍繞 所述靶座的縱向中心對(duì)稱軸做規(guī)則運(yùn)動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，其特征在于：所述第二磁體根據(jù)靶 座的形狀設(shè)置為端點(diǎn)形磁體或長(zhǎng)條形磁體，所述端點(diǎn)形磁體的外形包括圓形、正多邊形或 不規(guī)則多邊形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，其特征在于：當(dāng)靶座形狀為矩形時(shí)， 所述第二磁體為單一長(zhǎng)條形磁體，其對(duì)稱中心相對(duì)靶座的縱向中心對(duì)稱軸做環(huán)繞圓周運(yùn) 動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，其特征在于：當(dāng)靶座形狀為矩形時(shí)， 所述第二磁體為由至少兩個(gè)的單一磁體單元組合形成的長(zhǎng)條形磁體，所述磁體單元在與靶 座頂部平面平行的平面上做半徑相同的圓周運(yùn)動(dòng)，所有圓周運(yùn)動(dòng)的圓心集合與靶座的一條 與第二磁體平行的對(duì)稱軸線重合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，其特征在于：當(dāng)靶座形狀為圓形或 正多邊形時(shí)，所述第二磁體為端點(diǎn)形磁體，所述第二磁體相對(duì)靶座的縱向中心對(duì)稱軸做環(huán) 繞圓周運(yùn)動(dòng)，其圓周運(yùn)動(dòng)的軸心與自身幾何軸心不重合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描磁場(chǎng)磁控溉射陰極，其特征在于：該掃描磁場(chǎng)磁控溉射 陰極還包括轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在所述祀座的內(nèi)部與所述第二磁體相連接，在外部動(dòng) 力的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)第二磁體運(yùn)動(dòng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的掃描磁場(chǎng)磁控溉射陰極，其特征在于：所述第一磁 體和第二磁體包括永磁體或電磁體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，其特征在于：優(yōu)選的，所述第一磁體 和第二磁體為永磁體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極，其特征在于：所述靶座為頂部開口 結(jié)構(gòu)，所述掃描磁場(chǎng)磁控濺射陰極還包括靶材，所述靶材設(shè)置在所述靶座頂部，其邊緣與所 述靶座的側(cè)壁相連接；所述靶材與所述靶座的側(cè)壁形成冷卻水道。
【文檔編號(hào)】C23C14/35GK104109840SQ201410323751
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】樂務(wù)時(shí), 錢濤 申請(qǐng)人:星弧涂層新材料科技（蘇州）股份有限公司