CN105908146B - 旋转式磁控靶及卧式磁控溅射镀膜设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种旋转式磁控靶及卧式磁控溅射镀膜设备，旋转式磁控靶包括靶材、磁芯和磁铁，磁芯设于靶材中部，磁芯外周设有至少一个磁铁，磁铁朝向靶材的一端呈锥形。卧式磁控溅射镀膜设备包括依次连接的前预抽室、前粗抽室、前精抽室、前缓冲室、镀膜室、后缓冲室、后精抽室、后粗抽室和后预抽室，镀膜室为一个或多个，各镀膜室中设有旋转式磁控靶，旋转式磁控靶位于工件上方。本旋转式磁控靶通过将磁铁末端设计为尖端，增强了磁力线在靶材表面的分布密度，可加大溅射出来的靶材粒子数量，从而提高了工件表面的镀膜效率。将其应用于卧式磁控溅射镀膜设备中，可有效提高工件的镀膜效率，缩短整个工艺线的生产周期，从而提高生产效率。

Description

旋转式磁控靶及卧式磁控溅射镀膜设备

技术领域

本发明涉及磁控溅射镀膜技术领域，特别涉及一种旋转式磁控靶及具有该旋转式磁控靶的卧式磁控溅射镀膜设备。

背景技术

在磁控溅射镀膜***中，镀膜室内一般采用平面式磁控靶或旋转式磁控靶对工件表面进行溅射镀膜。其中，旋转式磁控靶镀膜是靠电子碰击氩分子，使其变成氩离子，氩离子再在磁场和电场的作用下，高速轰击靶材表面，将所需的材料以离子、分子状态飞溅出来，镀制在工件表面。目前，通用的旋转式磁控靶中，磁铁的端部一般为平面结构，在实际生产中，其磁力线的分布较为分散，电子密度较低，因此溅射出来的靶材粒子数量也较少，镀膜效率无法得到提高，造成整个镀膜线生产效率低下，生产成本较高。

另外，在整个镀膜***中，对各真空室的抽真空处理，影响着各个工艺工序的效率和镀膜质量。工件进入镀膜室进行镀膜的前后，均需要先送入预抽室、粗抽室、精抽室等进行预处理或缓冲处理。在传统的真空镀膜***中，每个真空室分别设有独立的抽真空机组，各自独立使用。但在实际生产中，该结构的真空镀膜***的抽真空效果并不理想，尤其是针对粗抽室的抽真空，由于罗茨泵的前级抽气能力往往较差，粗抽室内难以达到低压强状态，使得工件在粗抽室内难以得到较好的缓冲处理，往往容易影响后续加工工序的加工效果；同时，对粗抽室进行抽真空时，其用时也长，因此也延长了整个真空镀膜***的镀膜周期，镀膜效率难以得到提高。

还有，在镀膜设备工作一段时间后，镀膜室内会有残留膜层，而且会越来越厚，即使清理也会有一部分残留在镀膜室内壁上，由于这些残留膜层的放气量会比较大，在对镀膜室进行抽气的过程中，残留在膜层内的气体会缓慢释放出来，这样既影响设备的抽真空时间，也影响新工件的镀膜效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能产生高密度磁力线、有效增加溅射出来的靶材粒子数量的旋转式磁控靶。

本发明的另一目的在于提供一种具有上述旋转式磁控靶的卧式磁控溅射镀膜设备。

本发明的技术方案为：一种旋转式磁控靶，包括靶材、磁芯和磁铁，磁芯设于靶材中部，磁芯外周设有至少一个磁铁，磁铁朝向靶材的一端呈锥形。

所述靶材为中空的圆柱状结构，磁芯和磁铁均位于靶材中部的空间内。

所述磁芯为中空的圆柱状结构，磁芯外周设有固定架，磁铁安装于固定架上。固定架可采用扇形结构或类似于扇形结构的支撑框架，其主要作用是用于安装磁铁，位于磁铁锥形端部外周的固定架部分可为开放式结构(即磁铁的锥形端部直接靠近靶材内壁)，也可为封闭式结构(即磁铁的锥形端部与靶材内壁之间还隔有支撑框架)。

所述磁铁相对的两端分别为锥形端和平面端，平面端安装于固定架上，锥形端朝向靶材内壁。

在靶材的同一轴向截面中(即工件输送方向的垂直方向上)，所述磁铁为一体式结构或分体式结构；

当磁铁为一体式结构时，磁铁为长方体状，磁铁的锥形端呈三棱柱状；

当磁铁为分体式结构时，磁铁由并排分布的多个分块组成，各分块为圆柱状结构或长方体结构；当各分块为圆柱状结构时，各分块的锥形端呈圆锥状；当各分块为长方体结构时，各分块的锥形端呈四棱锥状。

所述靶材和磁芯同心设置，磁铁位于靶材和磁芯之间形成的环形空间内；在靶材的同一径向截面中(即工件输送方向的平行方向上)，磁芯外周设有三个磁铁，三个磁铁并排安装于固定架上。即该结构中，当轴向截面上的磁铁为一体式结构时，整个旋转靶中设有三个磁铁；当轴向截面上的磁铁为分体式结构时，整个旋转靶中设有三组由分块组成的磁铁。另外，根据旋转靶的实际尺寸大小，磁铁的数量可以灵活设置。

本旋转式磁控靶使用时，其原理是：由于磁铁朝向靶材的一端呈锥形，使用时，磁力线从磁铁的尖端引出，增强了磁力线在靶材表面的分布密度，而靶材表面的磁场强度密度越高，对电子的束缚能力也就越强，电子密度增大后，靶材表面的等离子密度会越来越高，因此溅射出来的靶材粒子数量会越来越大，从而提高了工件表面的镀膜效率。

一种具有上述旋转式磁控靶的卧式磁控溅射镀膜设备，按照工件的输送方向，包括依次连接的前预抽室、前粗抽室、前精抽室、前缓冲室、镀膜室、后缓冲室、后精抽室、后粗抽室和后预抽室，镀膜室为一个或多个，各镀膜室中设有旋转式磁控靶，旋转式磁控靶位于工件上方。除此之外，按照工件的输送方向，前预抽室的前端还设有进片平台，后预抽室的后端还设有出片平台。

所述镀膜室中还设有加热器，加热器位于工件下方。

所述加热器包括加热管和加热管接头，加热管呈水平放置的U型状，加热管两侧的端部通过接头螺母与加热管接头固定连接，加热管接头与镀膜室的内壁固定连接，加热管与加热管接头的连接处还设有密封圈，加热管的端部外接热源。其中，加热管可采用不锈钢加热管；密封圈的主要作用是保护加热管接头不受热力损坏。加热器的设置，可在镀膜室抽真空前或抽真空时对镀膜室进行加热，可以加快残留在膜层中的气体快速释放出来，从而缩短设备抽真空的时间，提高设备的使用效率。

所述前预抽室和前粗抽室设有第一抽气机组，前精抽室设有第二抽气机组，前缓冲室、镀膜室和后缓冲室设有第三抽气机组，后精抽室设有第四抽气机组，后粗抽室和后预抽室设有第五抽气机组；

第一抽气机组和第二抽气机组结构相同，分别包括预抽阀、粗抽阀、旁路阀、第一罗茨泵和第一机械泵，前预抽室和后预抽室上分别设有预抽管，前粗抽室和后粗抽室上分别设有粗抽管；预抽管上设置预抽阀，粗抽管上设置粗抽阀和第一罗茨泵，预抽管和粗抽管之间还通过旁路管连通，旁路管上设有至少一台第一机械泵(根据预抽室的容积大小及实际需要，第一机械泵的数量可灵活设置，当需要设置多台时，各第一机械泵并联于旁路管上即可)；其中，预抽管、预抽阀和第一机械泵组成第一抽气管路，粗抽管、粗抽阀、旁路阀、旁路管、第一罗茨泵和第一机械泵组成第二抽气管路。此外，前预抽室和后预抽室上还分别设有放气管，放气管上设有放气阀。使用时，以第一抽气机组为例，其原理是：第一机械泵在镀膜设备的整个工作过程中保持开启状态，工件从工作平台进入预抽室后，开启预抽阀，第一机械泵对预抽室进行抽气，当预抽室内的真空度达到2000Pa时，打开前预抽室与前粗抽室之间的真空锁、粗抽阀和旁路阀，关闭预抽阀，通过第一罗茨泵和第一机械泵对前粗抽室进行抽真空，并将工件送入粗抽室，之后关闭前预抽室与前粗抽室之间的真空锁，并打开放气阀，对前预抽室进行放气，当前预抽室内的压力与大气压平衡时，再向前预抽室送入新的工件，如此循环。该过程中，前预抽室与前粗抽室之间的真空锁的开启压强可以大幅度提高，可到达2000Pa以上，主要是因为第一罗茨泵前级的第一机械泵抽速比较大，抽气能力强，能将罗茨泵前级的气体及时抽走，这样罗茨泵的工作压强可在较高的范围(高于2000Pa)内；前预抽室的真空压强抽到小于2000Pa后，可以不需要再抽气，这时可利用预抽室的第一机械泵，将第一机械泵接入前粗抽室的第一罗茨泵前级，这样可以利用第一机械泵的抽气功能，有效地将各泵的利用率达到最高水平，同时可以提高抽气效率，节约能耗。第二抽气机组的工作过程与第一抽气机组相反。

前精抽室、前缓冲室、各镀膜室、后缓冲室和后精抽室的外侧分别设有扩散泵，前精抽室上的扩散泵与第二抽气机组连接，前缓冲室、各镀膜室和后缓冲室上的扩散泵与第三抽气机组连接，后精抽室上的扩散泵与第四抽气机组连接。第二抽气机组、第三抽气机组和第四抽气机组的结构相同，分别包括抽气管、抽气阀、第二罗茨泵和第二机械泵，抽气管与扩散泵连接，安装气体流向，抽气管上依次设置抽气阀、第二罗茨泵和第二机械泵。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本旋转式磁控靶通过将磁铁末端设计为尖端，增强了磁力线在靶材表面的分布密度，使其加强了对电子的束缚能力，提高靶材表面的等离子密度，加大溅射出来的靶材粒子数量，从而提高了工件表面的镀膜效率。

将本旋转式磁控靶应用于卧式磁控溅射镀膜设备中，可有效提高工件的镀膜效率，缩短整个工艺线的生产周期，从而提高生产效率。

本卧式磁控溅射镀膜设备中，还在镀膜室中增设加热器，可在镀膜室抽真空前或抽真空时对镀膜室进行加热，可以加快残留在膜层中的气体快速释放出来，从而缩短设备抽真空的时间，提高设备的使用效率。

本卧式磁控溅射镀膜设备中，针对传统镀膜设备中抽气***的缺陷，还对前预抽室、前粗抽室、后预抽室、后粗抽室的抽气***进行了改进，可实现多个机械泵串联对粗抽室的罗茨泵出口进行抽气，可以使罗茨泵出口的压强大大降低，从而满足罗茨泵在入口压强较高的情况下也能正常运行工作。其结构简单，改造成本低，但对于粗抽室的抽真空需求来说，具有较好的抽真空效果，同时可实现快速抽真空，缩短抽真空的循环周期，进一步缩短工件镀膜周期。

附图说明

图1为本旋转式磁控靶的结构示意图。

图2为本卧式磁控溅射镀膜设备的结构示意图。

图3为图2的A-A截面视图。

图4为图2中第一抽气机组和第二抽气机组的结构示意图。

图5为单个加热管的结构示意图。

图6为图5中加热管与加热管接头连接处的结构放大图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例一种旋转式磁控靶，如图1所示，包括靶材1、磁芯2和磁铁3，磁芯设于靶材中部，磁芯外周设有至少一个磁铁，磁铁朝向靶材的一端呈锥形。

靶材为中空的圆柱状结构，磁芯和磁铁均位于靶材中部的空间内。

磁芯为中空的圆柱状结构，磁芯外周设有固定架4，磁铁安装于固定架上。固定架可采用扇形结构或类似于扇形结构的支撑框架，其主要作用是用于安装磁铁，位于磁铁锥形端部外周的固定架部分可为开放式结构(即磁铁的锥形端部直接靠近靶材内壁)，也可为封闭式结构(即磁铁的锥形端部与靶材内壁之间还隔有支撑框架)。

磁铁相对的两端分别为锥形端和平面端，平面端安装于固定架上，锥形端朝向靶材内壁。

在靶材的同一轴向截面中(即工件输送方向的垂直方向上)，磁铁为一体式结构，磁铁呈长方体状，磁铁的锥形端呈三棱柱状。

靶材和磁芯同心设置，磁铁位于靶材和磁芯之间形成的环形空间内；在靶材的同一径向截面中(即工件输送方向的平行方向上)，磁芯外周设有三个磁铁，三个磁铁并排安装于固定架上，即该结构中，整个旋转靶中设有三个磁铁。但在实际应用中，根据旋转靶的实际尺寸大小，磁铁的数量可以灵活设置。

本旋转式磁控靶使用时，其原理是：由于磁铁朝向靶材的一端呈锥形，使用时，磁力线5从磁铁的尖端引出，增强了磁力线在靶材表面的分布密度，而靶材表面的磁场强度密度越高，对电子6的束缚能力也就越强，电子密度增大后，靶材表面的等离子(本实施例中为氩离子7)密度会越来越高，因此溅射出来的靶材粒子数量会越来越大，从而提高了工件表面的镀膜效率。

实施例2

本实施例一种旋转式磁控靶，与实施例1相比较，其不同之处在于：在靶材的同一轴向截面中(即工件输送方向的垂直方向上)，磁铁为分体式结构时，磁铁由并排分布的多个分块组成，各分块为圆柱状结构，各分块的锥形端呈圆锥状。

靶材和磁芯同心设置，磁铁位于靶材和磁芯之间形成的环形空间内；在靶材的同一径向截面中(即工件输送方向的平行方向上)，磁芯外周设有三组磁铁，三组磁铁并排安装于固定架上，即该结构中，整个旋转靶中设有三组由分块组成的磁铁。但在实际应用中，根据旋转靶的实际尺寸大小，磁铁的组数以及每组磁铁中分块的数量可以灵活设置。

实施例3

本本实施例一种旋转式磁控靶，与实施例1相比较，其不同之处在于：在靶材的同一轴向截面中(即工件输送方向的垂直方向上)，磁铁为分体式结构时，磁铁由并排分布的多个分块组成，各分块为长方体结构，各分块的锥形端呈四棱锥状。

靶材和磁芯同心设置，磁铁位于靶材和磁芯之间形成的环形空间内；在靶材的同一径向截面中(即工件输送方向的平行方向上)，磁芯外周设有三组磁铁，三组磁铁并排安装于固定架上，即该结构中，整个旋转靶中设有三组由分块组成的磁铁。但在实际应用中，根据旋转靶的实际尺寸大小，磁铁的组数以及每组磁铁中分块的数量可以灵活设置。

实施例4

本实施例一种旋转式磁控靶的卧式磁控溅射镀膜设备，如图2或图3所示，按照工件的输送方向，包括依次连接的前预抽室8、前粗抽室9、前精抽室10、前缓冲室11、镀膜室12、后缓冲室13、后精抽室14、后粗抽室15和后预抽室16，镀膜室为一个或多个，各镀膜室中设有旋转式磁控靶，旋转式磁控靶位于工件上方。除此之外，按照工件的输送方向，前预抽室的前端还设有进片平台17，后预抽室的后端还设有出片平台18。镀膜室中设有实施例1、实施例2或实施例3所述结构的旋转式磁控靶19。

实施例5

本实施例一种旋转式磁控靶的卧式磁控溅射镀膜设备，与实施例4相比较，其不同之处在于，如图2或图4所示，前预抽室和前粗抽室设有第一抽气机组，前精抽室设有第二抽气机组，前缓冲室、镀膜室和后缓冲室设有第三抽气机组，后精抽室设有第四抽气机组，后粗抽室和后预抽室设有第五抽气机组；

第一抽气机组和第二抽气机组结构相同，分别包括预抽阀20、粗抽阀21、旁路阀22、第一罗茨泵23和第一机械泵24，前预抽室和后预抽室上分别设有预抽管25，前粗抽室和后粗抽室上分别设有粗抽管26；预抽管上设置预抽阀，粗抽管上设置粗抽阀和第一罗茨泵，预抽管和粗抽管之间还通过旁路管37连通，旁路管上设有至少一台第一机械泵(根据预抽室的容积大小及实际需要，第一机械泵的数量可灵活设置，当需要设置多台时，各第一机械泵并联于旁路管上即可)；其中，预抽管、预抽阀和第一机械泵组成第一抽气管路，粗抽管、粗抽阀、旁路阀、旁路管、第一罗茨泵和第一机械泵组成第二抽气管路。此外，前预抽室和后预抽室上还分别设有放气管27，放气管上设有放气阀28。使用时，以第一抽气机组为例，其原理是：第一机械泵在镀膜设备的整个工作过程中保持开启状态，工件从工作平台进入预抽室后，开启预抽阀，第一机械泵对预抽室进行抽气，当预抽室内的真空度达到2000Pa时，打开前预抽室与前粗抽室之间的真空锁、粗抽阀和旁路阀，关闭预抽阀，通过第一罗茨泵和第一机械泵对前粗抽室进行抽真空，并将工件送入粗抽室，之后关闭前预抽室与前粗抽室之间的真空锁，并打开放气阀，对前预抽室进行放气，当前预抽室内的压力与大气压平衡时，再向前预抽室送入新的工件，如此循环。该过程中，前预抽室与前粗抽室之间的真空锁的开启压强可以大幅度提高，可到达2000Pa以上，主要是因为第一罗茨泵前级的第一机械泵抽速比较大，抽气能力强，能将罗茨泵前级的气体及时抽走，这样罗茨泵的工作压强可在较高的范围(高于2000Pa)内；前预抽室的真空压强抽到小于2000Pa后，可以不需要再抽气，这时可利用预抽室的第一机械泵，将第一机械泵接入前粗抽室的第一罗茨泵前级，这样可以利用第一机械泵的抽气功能，有效地将各泵的利用率达到最高水平，同时可以提高抽气效率，节约能耗。第二抽气机组的工作过程与第一抽气机组相反。

前精抽室、前缓冲室、各镀膜室、后缓冲室和后精抽室的外侧分别设有扩散泵34，前精抽室上的扩散泵与第二抽气机组连接，前缓冲室、各镀膜室和后缓冲室上的扩散泵与第三抽气机组连接，后精抽室上的扩散泵与第四抽气机组连接。第二抽气机组、第三抽气机组和第四抽气机组的结构相同，分别包括抽气管29、抽气阀30、第二罗茨泵31和第二机械泵32，抽气管与扩散泵连接，安装气体流向，抽气管上依次设置抽气阀、第二罗茨泵和第二机械泵。

实施例6

本实施例一种旋转式磁控靶的卧式磁控溅射镀膜设备，与实施例5相比较，其不同之处在于，如图3所示，镀膜室中还设有加热器33，加热器位于工件下方。如图5或图6所示，加热器包括加热管38和加热管接头35，加热管呈水平放置的U型状，加热管两侧的端部通过接头螺母39与加热管接头固定连接，加热管接头与镀膜室的内壁固定连接，加热管与加热管接头的连接处还设有密封圈36，加热管的端部外接热源。其中，加热管可采用不锈钢加热管；密封圈的主要作用是保护加热管接头不受热力损坏。加热器的设置，可在镀膜室抽真空前或抽真空时对镀膜室进行加热，可以加快残留在膜层中的气体快速释放出来，从而缩短设备抽真空的时间，提高设备的使用效率。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (7)

1.一种旋转式磁控靶，其特征在于，包括靶材、磁芯和磁铁，磁芯设于靶材中部，磁芯外周设有至少一个磁铁，磁铁朝向靶材的一端呈锥形；

所述靶材为中空的圆柱状结构，磁芯和磁铁均位于靶材中部的空间内；

所述磁芯为中空的圆柱状结构，磁芯外周设有固定架，磁铁安装于固定架上；

所述靶材和磁芯同心设置，磁铁位于靶材和磁芯之间形成的环形空间内；在靶材的同一径向截面中，磁芯外周设有三个磁铁，三个磁铁并排安装于固定架上。

2.根据权利要求1所述一种旋转式磁控靶，其特征在于，所述磁铁相对的两端分别为锥形端和平面端，平面端安装于固定架上，锥形端朝向靶材内壁。

3.根据权利要求2所述一种旋转式磁控靶，其特征在于，在靶材的同一轴向截面中，所述磁铁为一体式结构或分体式结构；

当磁铁为一体式结构时，磁铁为长方体状，磁铁的锥形端呈三棱柱状；

当磁铁为分体式结构时，磁铁由并排分布的多个分块组成，各分块为圆柱状结构或长方体结构；当各分块为圆柱状结构时，各分块的锥形端呈圆锥状；当各分块为长方体结构时，各分块的锥形端呈四棱锥状。

4.一种具有权利要求1～3任一项所述旋转式磁控靶的卧式磁控溅射镀膜设备，其特征在于，按照工件的输送方向，包括依次连接的前预抽室、前粗抽室、前精抽室、前缓冲室、镀膜室、后缓冲室、后精抽室、后粗抽室和后预抽室，镀膜室为一个或多个，各镀膜室中设有旋转式磁控靶，旋转式磁控靶位于工件上方。

5.根据权利要求4所述一种卧式磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述镀膜室中还设有加热器，加热器位于工件下方。

6.根据权利要求5所述一种卧式磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述加热器包括加热管和加热管接头，加热管呈水平放置的U型状，加热管两侧的端部通过接头螺母与加热管接头固定连接，加热管接头与镀膜室的内壁固定连接，加热管与加热管接头的连接处还设有密封圈，加热管的端部外接热源。

7.根据权利要求4所述一种卧式磁控溅射镀膜设备，其特征在于，所述前预抽室和前粗抽室设有第一抽气机组，前精抽室设有第二抽气机组，前缓冲室、镀膜室和后缓冲室设有第三抽气机组，后精抽室设有第四抽气机组，后粗抽室和后预抽室设有第五抽气机组；

第一抽气机组和第二抽气机组结构相同，分别包括预抽阀、粗抽阀、旁路阀、第一罗茨泵和第一机械泵，前预抽室和后预抽室上分别设有预抽管，前粗抽室和后粗抽室上分别设有粗抽管；预抽管上设置预抽阀，粗抽管上设置粗抽阀和第一罗茨泵，预抽管和粗抽管之间还通过旁路管连通，旁路管上设有至少一台第一机械泵；其中，预抽管、预抽阀和第一机械泵组成第一抽气管路，粗抽管、粗抽阀、旁路阀、旁路管、第一罗茨泵和第一机械泵组成第二抽气管路。