CN116288218B - 一种溅射阴极及磁控溅射设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种溅射阴极及溅射沉积组件，所述溅射阴极包括：圆柱靶材，所述圆柱靶材具有内腔；磁场组件，至少两个所述磁场组件位于所述圆柱靶材的内腔内；其中，所述磁场组件包括磁轭、第一磁体和第二磁体，所述第一磁体和所述第二磁体与所述磁轭固定连接，所述第一磁体的剩磁强度与所述第二磁体的剩磁强度不同，从而使得该磁场组件形成的磁场为非平衡磁场，并且磁力线能够延伸到磁控溅射设备的腔体内部的基材表面，提高磁控溅射设备的腔体内的等离子体的密度，进而改善沉积涂层的质量。

Description

一种溅射阴极及磁控溅射设备

技术领域

本申请涉及薄膜制备技术领域，尤其涉及一种溅射阴极及磁控溅射设备。

背景技术

磁控溅射技术是真空镀膜领域内最为常用的薄膜制备技术之一，广泛应用于各种装饰镀以及功能镀，例如刀具涂层、玻璃涂层、耐蚀涂层、导电涂层等。在进行磁控溅射时，真空环境中，电子在电场和磁场的交互作用下进行螺旋运动，并与环境中的中性氩原子发生碰撞，生成带正电的氩离子以及二次电子，带正电的氩气离子在电场作用下与阴极靶材发生碰撞，轰击产生靶材原子沉积在基材上，从而实现在基材上镀膜的目的。

磁控溅射阴极是磁控溅射技术中最为重要的装置之一，目前广泛采用圆柱阴极，该圆柱阴极的磁场均包括三道磁体结构，N极和S极交错排列，形成闭合的平衡磁场，这种磁场形式下大部分电子和离子聚集在靶材表面，粒子活性较低，随着离开靶材表面距离增大，粒子浓度显著下降，到达基材表面时已损失大部分能量，难以形成高质量高致密薄膜。

发明内容

本申请实施例提供一种溅射阴极，所述溅射阴极包括：

圆柱靶材，所述圆柱靶材具有内腔；

磁场组件，至少两个所述磁场组件位于所述圆柱靶材的内腔内；

其中，所述磁场组件包括磁轭、第一磁体和第二磁体，所述第一磁体和所述第二磁体与所述磁轭固定连接，所述第一磁体的剩磁强度与所述第二磁体的剩磁强度不同。

在一种具体实施例中，所述第一磁***于所述第二磁体的远离所述圆柱靶材的中心的一侧；

第一磁体的剩磁强度高于所述第二磁体的剩磁强度。

在一种具体实施例中，所述第一磁体具有远离所述磁轭的第一表面，所述第二磁体具有远离所述磁轭的第二表面，所述第一表面和所述第二表面均倾斜设置，且倾斜方向相反。

在一种具体实施例中，所述第一表面朝向远离所述第二磁体的一侧倾斜，所述第二表面朝向远离所述第一磁体的一侧倾斜，且所述第一表面和所述第二表面均朝向远离所述圆柱靶材的内壁的方向倾斜。

在一种具体实施例中，所述第一表面与水平面的夹角为α，所述第二表面与水平面的夹角为β；

0＜α≤45°，和/或，0＜β≤45°。

在一种具体实施例中，所述第一表面与水平面的夹角α为30°，和/或，所述第二表面与水平面的夹角β为30°。

在一种具体实施例中，所述第一磁***于所述第二磁体的远离所述圆柱靶材的中心的一侧；

所述第一磁体的最大高度低于所述第二磁体的最大高度。

在一种具体实施例中，所述磁场组件还包括位于所述第一磁体和所述第二磁体之间的电磁线圈，所述电磁线圈用于与外接电源电连接。

在一种具体实施例中，所述溅射阴极还包括位于所述圆柱靶材的外侧的屏蔽罩，所述屏蔽罩由不导磁材料制成。

在一种具体实施例中，所述屏蔽罩在所述磁场组件的位置设置有开口。

在一种具体实施例中，所述第一磁体的材料为铷铁硼或者铁氧体材料，和/或，所述第二磁体的材料为铷铁硼或者铁氧体材料。

在一种具体实施例中，所述磁轭的材料为铁磁材料。

本申请实施例还提供一种磁控溅射设备，所述磁控溅射设备包括至少两个溅射阴极，所述溅射阴极为以上所述的溅射阴极。

在一种具体实施例中，至少两个所述溅射阴极阵列排布。

本申请实施例中，该磁场组件包括磁轭、第一磁体和第二磁体，第一磁体和第二磁体与磁轭固定连接，从而使得第一磁体、第二磁体和磁轭形成一个组件，且该磁场组件与其他磁场组件不存在共用的磁体，从而降低相邻磁场组件的磁力线绕设的风险，有助于形成稳定的等离子体，进而提高镀膜效果。另外，第一磁体的剩磁强度与第二磁体的剩磁强度不同，从而使得该磁场组件形成的磁场为非平衡磁场，并且磁力线能够延伸到磁控溅射设备的腔体内部的基材表面，提高磁控溅射设备的腔体内的等离子体的密度，进而改善沉积涂层的质量。另外，本申请实施例中，磁场组件形成非平衡磁场无需通过在圆柱靶材的外侧增加永磁体或线圈实现，从而无需占据圆柱靶材外侧的空间，便于实现磁控溅射设备的腔体中多个溅射阴极的阵列布置，并降低多个溅射阴极的磁场存在互相干扰的风险，以在磁控溅射设备的腔体中形成稳定的高能等离子体，提高等离子体的密度，进一步改善对基材的镀膜效果。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请所提供磁控溅射设备中的溅射阴极在一种具体实施例中的阵列排布示意图；

图2为图1中溅射阴极在一种具体实施例中的结构示意图；

图3为图2中磁场组件在一种具体实施例中的结构示意图。

附图标记：

1-溅射阴极；

11-圆柱靶材；

12-磁场组件；

121-第一磁体；

121a-第一表面；

122-第二磁体；

122a-第二表面；

123-磁轭；

124-电磁线圈；

13-屏蔽罩；

131-开口；

2-等离子体。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

需要注意的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。

本申请实施例提供一种磁控溅射设备及其溅射阴极，如图1所示，该磁控溅射设备包括溅射阴极1，如图2所示，该溅射阴极1包括圆柱靶材11和磁场组件12，该磁场组件12位于圆柱靶材11的内腔内。该磁控溅射设备采用真空溅射的原理进行镀膜。用几十电子伏或更高动能的荷能粒子轰击靶材表面，使其原子获得足够高的能量而溅出进入气相，这种溅出的、复杂的粒子散射过程称为溅射。其中，被轰击的材料称为靶材（例如图2所示的圆柱靶材11）。由于离子易于在电磁场中加速或偏转，因此荷能粒子一般为离子。基于上述溅射远离的真空溅射镀膜指在真空室中利用荷能粒子轰击靶材（例如图2所示的圆柱靶材11）表面，使被轰击出的粒子在待镀膜卷材上沉积的技术，实现利用磁控溅射现象达到制取各种薄膜的目的。

在该磁控溅射设备中，溅射阴极1为重要的部件，用于产生磁场以形成等离子体2。当该溅射阴极1的磁场组件12形成闭合的平衡磁场时，该磁场形式使得大部分电子和粒子集中在圆柱靶材11的表面，粒子活性较低，且沿远离圆柱靶材11的方向，粒子的浓度逐渐降低，在待镀膜的基材表面的粒子已损失大部分的能量，导致镀膜的致密性较低。本申请实施例中，通过改变磁场组件12的结构，使磁场组件12产生非平衡磁场，从而将电子和粒子引到整个磁控溅射设备的腔室内部，提高等离子体2的密度和活性，进而提高基材上镀膜的致密性。

目前，针对溅射阴极1中磁场组件12的非平衡磁场设计，一种方式是通过调整磁场组件12的三道永磁体来形成非平衡磁场，但是，该方式形成的非平衡磁场中，平行于圆柱靶材11的表面的磁力线区域狭小，电子在电磁场作用下沿着磁力线运动更容易与圆柱靶材11碰撞而湮灭，导致无法激发更多的等离子体，从而导致圆柱靶材11起辉困难，且会因为磁力线的绕设造成不必要的靶材溅射，影响基材的镀膜效果。另一种方式是通过在圆柱靶材11外部施加额外的永磁体或者线圈，将圆柱靶材11的磁力线引申至腔体内部，进而提高磁控溅射设备的腔体空间内等离子体密度和活性，但该方式在圆柱靶材11外侧增加的永磁体或者线圈会占据磁控溅射设备的腔体内的空间，影响磁控溅射设备的腔体中多个溅射阴极1的排布，且多个溅射阴极1的磁场存在相互干扰的风险，难以形成稳定的高能等离子体，影响基材的镀膜效果。

为了解决该技术问题，本申请实施例中，如图3所示，该磁场组件12包括磁轭123、第一磁体121和第二磁体122，第一磁体121和第二磁体122与磁轭123固定连接，从而使得第一磁体121、第二磁体122和磁轭123形成一个组件，且该磁场组件12与其他磁场组件12不存在共用的磁体，从而降低相邻磁场组件12的磁力线绕设的风险，有助于形成稳定的等离子体2，进而提高镀膜效果。另外，第一磁体121的剩磁强度与第二磁体122的剩磁强度不同，从而使得该磁场组件12形成的磁场为非平衡磁场，并且磁力线能够延伸到磁控溅射设备的腔体内部的基材表面，提高磁控溅射设备的腔体内的等离子体2的密度，进而改善沉积涂层的质量。另外，本申请实施例中，磁场组件12形成非平衡磁场无需通过在圆柱靶材11的外侧增加永磁体或线圈实现，从而无需占据圆柱靶材11外侧的空间，便于实现磁控溅射设备的腔体中多个溅射阴极1的阵列布置，并降低多个溅射阴极1的磁场存在互相干扰的风险，以在磁控溅射设备的腔体中形成稳定的高能等离子体2，提高等离子体2的密度，进一步改善对基材的镀膜效果。

其中，剩磁强度指磁体经磁化至饱和以后，撤去外磁场，在原来外磁场方向上仍能保持一定的磁化强度，剩磁的极限值为饱和磁化强度。永磁材料的剩磁主要受材料中各个晶粒取向和磁畴结构的影响。

具体地，如图3所示，第一磁体121位于第二磁体122的远离圆柱靶材11的中心的一侧，第一磁体121的剩磁强度高于第二磁体122的剩磁强度，如图1所示，使得第一磁体121的磁力线向外延伸至基材表面，并和与该溅射阴极1相对设置的另一溅射阴极1形成完整的闭合回路，从而提升两个溅射阴极1之间的区域的等离子2的密度。

更具体地，如图3所示，该第一磁体121具有远离磁轭123的第一表面121a，第二磁体122具有远离磁轭123的第二表面122a，第一表面121a和表面均倾斜设置，且倾斜方向相反，使得第一磁体121与第二磁体122的磁力线能够延伸到圆柱阴极11的外侧，并降低相邻磁场组件12的磁力线绕设的风险，有助于形成稳定的等离子体2，进而提高镀膜效果。

其中，第一磁体121位于第二磁体122的远离圆柱靶材11的中心的一侧，第一表面121a朝向背离第二磁体122的一侧倾斜，第二表面122a朝向背离第一磁体121的一侧倾斜，即第一表面121a和第二表面122a均朝向磁场组件12的外侧倾斜，此时，第一磁体121与第二磁体122之间的磁力线向外延伸，覆盖范围较大，从而有助于形成稳定的等离子体2，进而提高镀膜效果。另外，第一表面121a和第二表面122a均朝向远离圆柱靶材11的内壁的方向倾斜，从而防止磁场组件12安装于圆柱靶材11的内腔时与圆柱靶材11的内壁干涉。

具体地，如图2所示，当磁场组件12安装于圆柱靶材11内时，对于第一磁体121和第二磁体122来说，位于第二磁体122的远离圆柱靶材11的中心的一侧的第一磁体121比第二磁体122更加容易与圆柱靶材11的内壁干涉，因此，第一磁体121的最大高度低于第二磁体122的最大高度，从而避免磁场组件12安装于圆柱靶材11内时第一磁体121与圆柱靶材11的内壁干涉。同时，该高度不同的第一磁体121和第二磁体122还能够在第一表面121a和第二表面122a形成大小不同的磁场强度，进而实现溅射阴极1的非平衡磁场。

在一种具体实施例中，如图3所示，第一表面121a与水平面的夹角为α，第二表面122a与水平面的夹角为β；0＜α≤45°，和/或，0＜β≤45°。例如，α可以为10°、20°、30°、40°、45°等，和/或，β可以为10°、20°、30°、40°、45°等。

此时，该第一表面121a和第二表面122a使得第一磁体121和第二磁体122能够在圆柱靶材11的表面形成均匀的水平磁场，提高溅射沉积镀膜过程中的稳定性。

在一种优选实施例中，第一表面121a与水平面的夹角α和第二表面122a与水平面的夹角β可以为30°，此时，尽可能使得第一磁体121与第二磁体122的磁力线与圆柱靶材11的表面平行，进一步提高溅射沉积镀膜过程中的稳定性。

以上各实施例中，第一磁体121的材料可以为铷铁硼或者铁氧体材料，和/或，第二磁体122的材料可以为铷铁硼或者铁氧体材料。本申请实施例对第一磁体121和第二磁体122的材料不作限定，只要满足第一磁体121的剩磁强度高于第二磁体122的剩磁强度即可。

另外，磁轭123的材料可以为铁磁材料，该磁轭123能够减少圆柱靶材11的背面的磁力线扩散。

以上各实施例中，该磁场组件12还可以包括位于第一磁体121和第二磁体122之间的电磁线圈124，该电磁线圈124可以安装于磁轭123或其他部件，电磁线圈124用于与外接电源电连接，通过改变通入电磁线圈124的电流的大小和/或方向，能够动态调整磁场组件12的磁场的非平衡度，以满足不同类型涂层的制备需求，且该磁场延伸出来的磁力线能够将电子引至待镀膜的基材表面，提高磁控溅射设备的腔体内的等离子体密度，进而实现涂层的高质量沉积。

其中，如图3所示，第一磁体121、第二磁体122、磁轭123以及电磁线圈124形成模块化的磁场组件12，在实际使用时，仅需在圆柱阴极1内安装特定个数的磁场组件12即可，从而简化溅射阴极1和磁控溅射设备的结构和装配难度。

如图2所示的实施例中，溅射阴极1还包括位于圆柱靶材11的外侧的屏蔽罩13，屏蔽罩13由不导磁材料制成，降低低能粒子沉积扩散至基材表面的风险，进一步提高镀膜的质量。

其中，如图1和图2所示，屏蔽罩13在磁场组件12的位置设置有开口131，从而使得磁场组件12的磁力线能够经该开口131向外延伸，防止屏蔽罩13影响磁场组件12的磁力线向外扩散，使得磁场组件12的磁场覆盖范围较大，从而有助于形成稳定的等离子体2，进而提高镀膜效果。

该磁控溅射设备包括至少两个以上所述的溅射阴极1，如图1所示为磁控溅射设备中多个溅射阴极1的阵列排布结构以及磁力线分布，其中阵列排布的溅射阴极1数量可以根据实际沉积涂层的需要为两组或两组以上，磁控溅射设备的腔体内的多组溅射阴极1形成闭合的非平衡磁场结构，并且磁力线能够延伸到磁控溅射设备腔体内部的基材表面，提高腔体内的等离子体2的密度，进而改善沉积涂层的质量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种溅射阴极，其特征在于，所述溅射阴极包括：

圆柱靶材，所述圆柱靶材具有内腔；

磁场组件，至少两个所述磁场组件位于所述圆柱靶材的内腔内；

其中，所述磁场组件包括磁轭、第一磁体和第二磁体，所述第一磁体和所述第二磁体与所述磁轭固定连接，所述第一磁体的剩磁强度与所述第二磁体的剩磁强度不同，以使所述磁场组件形成的磁场为非平衡磁场；

所述第一磁体具有远离所述磁轭的第一表面，所述第二磁体具有远离所述磁轭的第二表面，所述第一表面和所述第二表面均倾斜设置，且倾斜方向相反，所述第一表面朝向远离所述第二磁体的一侧倾斜，所述第二表面朝向远离所述第一磁体的一侧倾斜，且所述第一表面和所述第二表面均朝向远离所述圆柱靶材的内壁的方向倾斜。

2.根据权利要求1所述的溅射阴极，其特征在于，所述第一磁***于所述第二磁体的远离所述圆柱靶材的中心的一侧；

第一磁体的剩磁强度高于所述第二磁体的剩磁强度。

3.根据权利要求1所述的溅射阴极，其特征在于，所述第一表面与水平面的夹角为α，所述第二表面与水平面的夹角为β；

0＜α≤45°，和/或，0＜β≤45°。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的溅射阴极，其特征在于，所述第一磁***于所述第二磁体的远离所述圆柱靶材的中心的一侧；

所述第一磁体的最大高度低于所述第二磁体的最大高度。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的溅射阴极，其特征在于，所述磁场组件还包括位于所述第一磁体和所述第二磁体之间的电磁线圈，所述电磁线圈用于与外接电源电连接。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的溅射阴极，其特征在于，所述溅射阴极还包括位于所述圆柱靶材的外侧的屏蔽罩，所述屏蔽罩由不导磁材料制成。

7.根据权利要求6所述的溅射阴极，其特征在于，所述屏蔽罩在所述磁场组件的位置设置有开口。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的溅射阴极，其特征在于，所述第一磁体的材料为铷铁硼或者铁氧体材料，和/或，所述第二磁体的材料为铷铁硼或者铁氧体材料。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的溅射阴极，其特征在于，所述磁轭的材料为铁磁材料。

10.一种磁控溅射设备，其特征在于，所述磁控溅射设备包括至少两个溅射阴极，所述溅射阴极为权利要求1-9中任一项所述的溅射阴极；

至少两个所述溅射阴极阵列排布。