CN1944707A - 磁控溅射镀膜机的永磁枪靶装置 - Google Patents

Abstract

一种磁控溅射镀膜机的永磁枪靶装置，包括溅射靶材阴极、阳极及磁铁部件，其特征在于所述的磁铁部件是由许多的小的具有保护套的按一定形状排列不直接与冷却水接触的圆柱形磁铁构成的。本发明既保证了磁铁散热良好，不被冷却水腐蚀，又保证磁场不受保护套的影响。该***有效延长了磁铁的使用寿命，提高了磁场的稳定性。对磁场分布进行了改进，有效提高了溅射靶上方的溅射粒子分布的均匀性和溅射靶材的利用率，该***适用于镀制超大规格的基片。

Description

磁控溅射镀膜机的永磁枪靶装置

技术领域

本发明涉及磁控溅射镀膜机，特别是一种磁控溅射镀膜机的永磁枪靶装置，为磁控溅射镀膜机的核心部分。

背景技术

目前，公知的磁控溅射镀膜机主要由真空***，磁控溅射枪靶装置，基片控制***组成。磁控溅射枪靶装置由阴阳电极，磁铁部件，溅射靶材和冷却回路构成。电子在电场作用下，加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞。若电子具有足够的能量时，则电离出Ar⁺并产生电子。电子飞向基片，Ar⁺在电场作用下加速飞向阴极(溅射靶)并以高能量轰击溅射靶的表面，使靶材产生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，即完成镀膜。

目前的永磁型磁控溅射枪靶装置，磁场都是仅由一对N，S极磁铁部件产生，对小尺寸基片镀膜可以达到均匀性要求，但是对超大尺寸基片镀膜就有困难，并且靶材利用率低。另外，由于溅射过程中，磁控溅射枪靶装置会产生热量，因此采取了冷却措施。目前，主要为循环水冷却。这就导致了与冷却水接触的部件，尤其是磁铁的迅速腐蚀，使磁铁的磁性衰退加速，造成磁场强度在工作中衰减严重，影响了磁控溅射镀膜***的稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了镀制超大尺寸的基片，克服上述现有技术的不足，提供一种磁控溅射永磁枪靶装置，该装置应有效地提高溅射粒子分布的均匀性和溅射靶材的利用率，延长磁铁的寿命，提高磁场稳定性，从而提高磁控溅射枪靶***的性能。

本发明的技术解决方案如下：

一种磁控溅射镀膜机的永磁枪靶装置，包括溅射靶材阴极、阳极及磁铁部件，其特征在于所述的磁铁部件是由许多的小的具有保护套的按一定形状排列不直接与冷却水接触的圆柱形磁铁构成的。

所述的溅射靶材由开口螺母压盖旋压在一溅射靶材支撑结构上，所述的溅射靶材支撑结构和溅射靶材之间形成一圆筒形空腔，该圆筒形空腔内置放所述的磁铁部件和冷却水，该圆筒形空腔的底部中央有冷却水出水通道和冷却水进水通道，在冷却水出水通道和冷却水进水通道)之***通过绝缘层设置开口螺母支撑结构，所述的阳极是一开口螺母式旋盖，所述的开口螺母式旋盖旋盖在所述的开口螺母支撑结构上，所述的磁铁部件是由多个置于磁铁保护套内的圆柱形磁铁并中心对称地分立地置于一非磁性圆环形金属片上，所述的磁铁部件置于所述的溅射靶材支撑结构和溅射靶材之间形成的圆筒形空腔中。

所述的磁铁部件的具体结构是：圆柱形磁铁放置在圆筒形保护套中，盖保护套下部带有外螺纹，将多个带保护套的圆柱形磁铁通过外螺纹呈三个圆层排布，中心对称地分立地旋固在一非磁性圆环形金属片上，且相邻两层磁铁的极性方向相反，各层磁铁顶部分别用磁性金属圆环盖住，并密封。

所述的保护套是由不锈钢、耐腐蚀铝合金、黄铜、青铜、白铜和金属防腐涂料构成。

本发明的有益效果是；

可有效提高大尺寸磁控枪靶***的镀膜的均匀性，得到较大的可用均匀镀膜区域，同时提高了靶材的利用率，保证了磁铁不受冷却水腐蚀，有效的延长了磁铁的寿命，保证了磁场的稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明磁控溅射镀膜机的永磁枪靶装置的结构示意图。

图2为本发明理论推导的模型示意图。

图3为模型中溅射靶上方L处圆面上的溅射粒子分布曲线。

图4为理论推导中的磁铁部件结构示意图。

图5为本实施例中的磁铁部件结构俯视图。

图6是本实施例中的磁铁部件

图中：1-开口螺母旋盖，2-开口螺母压盖，3-溅射靶材，4-磁铁部件，5-溅射靶材支撑结构，6-绝缘层，7-开口螺母支撑结构，8-冷却水出水通道，9-冷却水进水通道，10-磁铁保护套筒及磁铁，11-磁性金属外圆环，12-磁性金属内圆环，13-非磁性圆环形金属片，14-磁铁保护套筒，15-圆柱形磁铁

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本发明磁控溅射镀膜机的永磁枪靶装置的结构示意图，由图可见本发明磁控溅射镀膜机的永磁枪靶装置，包括溅射靶材3阴极、阳极及磁铁部件4，所述的磁铁部件4是由许多的小的具有保护套14的按一定形状排列不直接与冷却水接触的圆柱形磁铁15构成的。所述的溅射靶材3由开口螺母压盖2旋压在一溅射靶材支撑结构5上，所述的溅射靶材支撑结构5和溅射靶材3之间形成一圆筒形空腔，该圆筒形空腔内置放所述的磁铁部件4和冷却水，该圆筒形空腔的底部中央有冷却水出水通道8和冷却水进水通道9，在冷却水出水通道8和冷却水进水通道9之***通过绝缘层6设置开口螺母支撑结构7，所述的阳极是一开口螺母式旋盖1，所述的开口螺母式旋盖1旋盖在所述的开口螺母支撑结构7上，所述的磁铁部件4是由多个置于磁铁保护套14内的圆柱形磁铁15并中心对称地分立地置于一非磁性圆环形金属片13上，所述的磁铁部件4置于所述的溅射靶材支撑结构5和溅射靶材3之间的圆筒形空腔中。

参见图4、图5和图6，所述的磁铁部件4的具体结构是：圆柱形磁铁15放置在圆筒形保护套14中，保护套14下部带有外螺纹，将多个带保护套14的圆柱形磁铁15通过外螺纹呈三个圆层排布，中心对称地分立地旋固在一非磁性圆环形金属片13上，且相邻两层磁铁的极性方向相反，各层磁铁顶部分别用磁性金属外圆环11和磁性金属内圆环12盖住，并密封。

所述的保护套14是由不锈钢、耐腐蚀铝合金、黄铜、青铜、白铜和金属防腐涂料构成，本实施例的保护套14是由不锈钢制备的。

对于磁铁部件结构如图4所示的枪靶***，我们下面分析磁靶上方L处平面上的溅射粒子分布情况。

如图2所示，以圆形靶材的中心对称轴o1o2为纵坐标轴，分别以靶材半径方向r2，靶材上方L处的圆面的半径方向r1为横坐标轴，建立坐标系，r1和r2在同一平面。d为靶材的半径，x为靶材半径上任一点，r为r1轴上一点。由于磁靶结构的中心对称性，我们知道，磁靶上方任一圆面处溅射的靶材粒子分布也是中心对称的，对称点为靶材中心对称轴与磁靶上方该平面的交点o2，即在靶材上方任一圆面处溅射的粒子分布只沿半径方向变化。因此我们只需要分析沿半径方向溅射的靶材粒子分布规律。在靶材的表面溅射的粒子的分布ρ可用公式(1)表示：

$\mathrm{\ρ}=k\·\mathrm{EXP}\left(\frac{-{(x-p)}^2}{{\left(\mathrm{\σ}1\right)}^2}\right)---\left(1\right)$

式中：ρ是溅射的粒子的密度，k是比例因子，x是靶材半径d上任一点离中心o1的距离，p和σ₁是跟磁靶结构有关的常量。在磁靶上任意一点x的微小段Δx出射的粒子分布y是与出射角θ有关的函数，为了简化模型，我们假设溅射的靶材粒子只在r2与中心对称轴o1o2形成的平面内运动，并且粒子之间的碰撞不考虑，y的表达式为：

$y=q\·\mathrm{EXP}\left(\frac{-{\left(\mathrm{\θ}\right)}^2}{{\left({\mathrm{\σ}}_2\right)}^2}\right)---\left(2\right)$

式中：y是沿θ方向的粒子分布密度，q是比例因子，σ₂是与磁靶结构有关的常量，θ是粒子出射方向与中心对称轴的夹角。θ的取值为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{|x-r1|}{L}\right)---\left(3\right)$

式中L是靶材与其上方要计算溅射的粒子分布的圆面的距离。

则靶材上方L处圆面上一点r₁所接受的粒子相对数为：

$h={\∫}_0^d\mathrm{kq}\·\mathrm{EXP}(-\frac{{\left(\arctan \left(\frac{x-r1}{L}\right)\right)}^2}{{\left(\mathrm{\σ}2\right)}^2}-\frac{{(x-p)}^2}{{\left(\mathrm{\σ}1\right)}^2})\mathrm{dx}+---\left(4\right)$

${\∫}_0^d\mathrm{kq}\·\mathrm{EXP}(-\frac{{\left(\arctan \left(\frac{x+r1}{L}\right)\right)}^2}{{\left(\mathrm{\σ}2\right)}^2}-\frac{{(x-p)}^2}{{\left(\mathrm{\σ}1\right)}^2})\mathrm{dx}$

由公式(4)进行数值模拟，我们可以得到距离溅射靶上方L处圆面上的溅射粒子分布曲线，模拟得到的溅射粒子分布曲线如图3所示。

由图3可以看出，粒子密度从中心o2沿半径r方向先增加后减小。我们主要是利用粒子密度变化平缓的部分，即从中心o2开始向外一定的范围。对于小尺寸的溅射靶，我们可以通过调整结构参数，加上基片的转动等来达到镀膜的均匀性要求，但是对于大尺寸的溅射靶，从中心o2沿半径r方向粒子密度变化很快，很难达到均匀性要求。为了获得尽可能大的均匀镀膜区域，我们在图4所示的磁铁结构中再增加一定数量层的磁铁，就如同把多个尺寸不同的磁控溅射靶复合起来，因此这种溅射靶上方的溅射粒子分布，就相当于多个类似图3所示粒子分布的叠加，这样就可以通过调整设计参数，把这些类似图3所示的粒子分布的峰值点调到一定的位置，使叠加后的粒子分布达到均匀性要求。

为了使磁铁部件散热良好，利用许多的小磁铁按圆形排列来产生需要的磁场，用保护套把磁铁保护起来，使磁铁不直接与冷却水接触。但是，要求保护层导热良好，耐冷却水腐蚀，耐100℃左右的高温，不影响磁铁的磁场分布。可以利用不锈钢，耐腐蚀铝合金，黄铜，青铜，白铜，金属防腐涂料等符合要求的材料做保护层，这样就可以有效的保护磁铁不受冷却水腐蚀，保证磁场的稳定性。

如图1所示，开口螺母旋盖1作为电极阳极，旋在支撑结构7上，支撑机构7与阴极通过绝缘材料层6绝缘。溅射靶材被开口螺母压盖2旋压在支撑结构5上，压紧溅射靶材，同时作为阴极。溅射靶材与其支撑结构5之间还应加上密封圈以防止漏水。磁铁部件4置于溅射靶材支撑结构5之中，由溅射靶材支撑结构5的，与磁铁部件4底部接触面上的突出支撑点支撑。支撑结构5是一个密封元件，仅与冷却水通道连通。如图1中的箭头所示，冷却水通过冷却水进水通道9到达支撑结构5中，由冷却水的压力使冷却水充满支撑结构5的内部，冷却溅射靶材和磁铁部件，最后通过冷却水出水通道8流出磁控溅射枪靶***。

其中，磁铁部件4的结构俯视图如图5所示，圆柱形磁铁15放置在保护套结构14中，保护套是圆筒形，下部带有外螺纹，通过螺纹旋紧在圆环形金属片上。磁铁保护套筒及磁铁结构10如图6所示。把许多的图6所示的带保护套的磁铁10排成圆形旋紧在圆环形金属片上，分三层排列。但是，相邻两层磁铁的极性放置相反。即：如果一层磁铁的N极朝上，那么相邻层磁铁的N极就朝下；如果一层磁铁的N极朝下，那么相邻层磁铁的N极就朝上。各层磁铁顶部分别用磁性金属圆环(如铁做的圆环片)盖住，并密封。可以用防水的，耐一定温度(一百度左右)的密封胶粘合起来。

本实施例中的磁铁部件4排布了三圈磁铁，相当于两个简单磁溅射靶的复合。模拟表明，对半径为20cm的磁靶可以在上方10cm处获得半径为26cm左右的溅射粒子均匀分布区域。

Claims (4)

1、一种磁控溅射镀膜机的永磁枪靶装置，包括溅射靶材(3)阴极、阳极及磁铁部件(4)，其特征在于所述的磁铁部件(4)是由许多的小的具有保护套(14)的按一定形状排列不直接与冷却水接触的圆柱形磁铁(15)构成的。

2、根据权利要求1所述的磁控溅射镀膜机的永磁枪靶装置，其特征在于所述的溅射靶材(3)由开口螺母压盖(2)旋压在一溅射靶材支撑结构(5)上，所述的溅射靶材支撑结构(5)和溅射靶材(3)之间形成一圆筒形空腔，该圆筒形空腔内置放所述的磁铁部件(4)和冷却水，该圆筒形空腔的底部中央有冷却水出水通道(8)和冷却水进水通道(9)，在冷却水出水通道(8)和冷却水进水通道(9)之***通过绝缘层(6)设置开口螺母支撑结构(7)，所述的阳极是一开口螺母式旋盖(1)，所述的开口螺母式旋盖(1)旋盖在所述的开口螺母支撑结构(7)上，所述的磁铁部件(4)是由多个置于磁铁保护套(14)内的圆柱形磁铁(15)并中心对称地分立地置于一非磁性圆环形金属片(13)上，所述的磁铁部件(4)置于所述的溅射靶材支撑结构(5)和溅射靶材(3)之间的圆筒形空腔中。

3、根据权利要求2所述的磁控溅射镀膜机的永磁枪靶装置，其特征在于所述的磁铁部件(4)的具体结构是：圆柱形磁铁(15)放置在圆筒形保护套(14)中，保护套(14)下部带有外螺纹，将多个带保护套(14)的圆柱形磁铁(15)通过外螺纹呈三个圆层排布，中心对称地分立地旋固在一非磁性圆环形金属片(13)上，且相邻两层磁铁的极性方向相反，各层磁铁顶部分别用磁性金属圆环(11、12)盖住，并密封。

4、根据权利要求1至3任一项所述的磁控溅射镀膜机的永磁枪靶装置，其特征在于所述的保护套(14)是由不锈钢、耐腐蚀铝合金、黄铜、青铜、白铜和金属防腐涂料构成。

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