專利名稱：一種復(fù)合式磁控濺射陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁控濺射設(shè)備，特別涉及一種永磁電磁復(fù)合式磁控濺射陰極。
背景技術(shù)：
磁控濺射廣泛應(yīng)用于材料鍍膜領(lǐng)域，磁控濺射陰極靶從結(jié)構(gòu)上可分為平面磁控濺射靶及圓柱磁控濺射靶，從磁場分布上分為平衡靶和非平衡靶。平面磁控濺射靶所用的靶材容易加工制造，安裝方便，適于批量生產(chǎn)鍍膜產(chǎn)品，但由于平面靶材利用率較低，約20% 左右，特別是在基片上鍍制貴重金屬時，無疑生產(chǎn)成本比較高?，F(xiàn)在隨著低輻射膜的大量生產(chǎn)，其所用銀靶材每套售價一般都在幾十萬元以上。提高靶材利用率，對于降低生產(chǎn)成本具有十分積極的意義。傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)中，等離子區(qū)被限制在靶面附近，而非平衡磁控濺射技術(shù)通過附加的磁場，將陰極靶面的等離子體引到基片附近，使更多的離子轟擊基片，從而改善鍍膜結(jié)構(gòu)。非平衡磁控濺射系統(tǒng)目前已經(jīng)在功能薄膜制備領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。為了得到非平衡平面磁控濺射陰極所需要的非平衡磁場，荷蘭豪士公司采用電磁線圈放置在永磁磁控濺射陰極的外圍，通過改變電磁線圈的電流，可以方便調(diào)節(jié)磁場的非平衡度。與荷蘭豪士公司的產(chǎn)品不同，中國專利98120365. 5公開了一種非平衡平面磁控濺射靶，將電磁線圈放在真空腔的中心位置，電磁線圈的磁極與永磁磁極相對放置，且極性相反，以形成閉合磁場。荷蘭豪士公司的非平衡磁控濺射陰極以及專利98120365. 5申請公開的非平衡磁控濺射陰極都是采用單個電磁線圈放在陰極外部的不同位置，陰極磁場是永磁磁場和電磁線圈磁場的整體疊加，電磁線圈無論是放置在陰極外側(cè)，還是基板位置，產(chǎn)生的磁場均以垂直于靶面的磁場為主，陰極磁場為永磁體磁場的整體增大或減小，無法實現(xiàn)對內(nèi)磁極和外磁極磁場的獨立靈活調(diào)節(jié)，也難以實現(xiàn)在濺射過程中放電等離子體區(qū)的移動。中國專利85100096申請公開的磁控濺射靶，沒有采用永磁體，而采用兩個電磁線圈得到陰極磁場，電磁線圈安裝在外磁極的兩側(cè)，兩個電磁線圈產(chǎn)生的磁場區(qū)域?qū)?yīng)不同材料的靶材，通過改變兩個電磁線圈電流的比值，可以靈活控制靶材不同區(qū)域的磁場，從而改變材料的組分。該專利中靶材不同區(qū)域的磁場是不同的，即不同區(qū)域的放電等離子體密度也是不同的，這樣會引起等離子體的損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服常規(guī)永磁磁控濺射裝置在使用過程中磁場無法靈活調(diào)節(jié)的問題，提出了一種新的永磁電磁復(fù)合式磁控濺射陰極，與現(xiàn)有電磁式和復(fù)合式磁控濺射陰極不同的是，本發(fā)明可以比較靈活地對單個磁極的磁場強度和分布進行獨立控制。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明復(fù)合式磁控濺射陰極由平面靶材、水冷背板、外永磁體、內(nèi)永磁體、外電磁線圈、內(nèi)電磁線圈、外磁軛、內(nèi)磁軛、底磁軛和框架組成。水冷背板緊密安裝在靶材的下方；外永磁體、內(nèi)永磁體安裝在水冷背板下方；外磁軛和內(nèi)磁軛分別安裝在外永磁體和內(nèi)永磁體下方；底磁軛安裝在外磁軛和內(nèi)磁軛下方；外永磁體、內(nèi)永磁體、外電磁線圈、內(nèi)電磁線圈、外磁軛、內(nèi)磁軛，以及底磁軛安裝在框架中。所述的平面靶材通過電源線連接到陰極電源。所述的內(nèi)電磁線圈安裝在由外磁軛、內(nèi)磁軛和底磁軛包圍的空間中偏內(nèi)的位置，外電磁線圈安裝在由外磁軛、內(nèi)磁軛和底磁軛包圍的空間中偏外的位置。外電磁線圈和內(nèi)電磁線圈根據(jù)不同應(yīng)用場合，可繞制成跑道形或圓形結(jié)構(gòu)，構(gòu)成矩形平面磁控濺射裝置和圓形平面磁控濺射裝置。外永磁體和內(nèi)永磁體產(chǎn)生磁控濺射陰極所需要的主磁場，外電磁線圈和內(nèi)電磁線圈分別通過電流引線連接外電磁線圈和內(nèi)電磁線圈供電電源，產(chǎn)生磁控濺射陰極所需要的輔助磁場。通過調(diào)節(jié)內(nèi)、外線圈的電流流動方向和電流的大小，可以靈活對放電空間的磁場強度進行調(diào)節(jié)，以應(yīng)用于不同材料的鍍膜工藝。電磁線圈選用低電阻率、高通流能力的導(dǎo)線繞制，采用自然冷卻或水冷卻。永磁體選用高剩磁和矯頑力硬磁材料，磁軛選用高磁導(dǎo)率和高飽和磁密的軟磁材料。靶材材料可選擇金屬、合金和陶瓷材料，以適合于多種鍍膜工藝。所述的陰極電源根據(jù)不同鍍膜工藝的要求，可為直流、中頻脈沖、中頻交流或射頻電源。所述的磁體供電電源為可手動或自動控制正負極性的直流電源或直流脈沖電源。本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.本發(fā)明的永磁電磁復(fù)合式平面磁控濺射陰極，可以根據(jù)不同鍍膜場合，在靶表面產(chǎn)生不同強度和分布的磁場，可以很方便地調(diào)節(jié)磁場的強弱以及磁場的非平衡度，從而克服在鍍膜過程中，磁場無法調(diào)節(jié)的難題。2.本發(fā)明設(shè)計的永磁電磁復(fù)合式線圈磁控濺射陰極，通過分別控制兩個電磁線圈電流的流動方向，還可以方便地移動靶面放電等離子體的位置，從而提高靶材利用率；3.本發(fā)明結(jié)構(gòu)保持了磁控濺射工藝的優(yōu)點，并能針對具體靶材材料改進其工藝流程，可適用于直流、脈沖、交流及射頻磁控濺射工藝，可以對于金屬、合金、陶瓷等多種靶材進行濺射鍍膜，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
，對本發(fā)明作進一步說明。

圖1為永磁電磁復(fù)合式平面磁控濺射陰極截面圖，圖中1平面靶材，2水冷背板， 3、4外永磁體，5、6內(nèi)永磁體，7、8外電磁線圈，9、10內(nèi)電磁線圈，11、12外磁軛，13、14內(nèi)磁軛，15底磁軛，16為框架；圖2為永磁電磁復(fù)合式矩形平面磁控濺射陰極磁體結(jié)構(gòu)俯視圖；圖3為電磁線圈不通電時磁控濺射陰極截面磁力線分布圖；圖4為內(nèi)外磁極磁場同時增強時磁控濺射陰極截面磁力線分布圖；圖5為內(nèi)外磁極磁場同時減弱時磁控濺射陰極截面磁力線分布圖；圖6為內(nèi)磁極磁場增強、外磁極磁場減弱時磁控濺射陰極截面磁力線分布圖；圖7為外磁極磁場增強、內(nèi)磁極磁場減弱時磁控濺射陰極截面磁力線分布圖；圖8為永磁電磁復(fù)合式圓形平面磁控濺射陰極磁體結(jié)構(gòu)俯視圖。
具體實施方式
圖1為本發(fā)明復(fù)合式磁控濺射裝置。如圖1所示，所述的磁控濺射陰極為矩形，平面式，由平面靶材1、水冷背板2、外永磁體3和4、內(nèi)永磁體5和6、外電磁線圈7和8、內(nèi)電磁線圈9和10、外磁軛11和12、內(nèi)磁軛13和14、底磁軛15和框架16組成。水冷背板2為內(nèi)盛冷卻水的水冷框結(jié)構(gòu)，背板中留有水冷管道。水冷背板2上面放置平面靶材1，平面靶材1和水冷背板2緊密安裝在一起。水冷背板2的下方為磁體框架16?？蚣?6中包含外永磁體3和4、內(nèi)永磁體5和6、外電磁線圈7和8、內(nèi)電磁線圈9和10、外磁軛11和12、內(nèi)磁軛13和14、底磁軛15，其中，第一外磁軛11置于第一外永磁體3的下方，第二外磁軛12 置于第二外永磁體4的下方，第一內(nèi)磁軛13置于第一內(nèi)永磁體5的下方，第二內(nèi)磁軛14置于第二內(nèi)永磁體6的下方，底磁軛15置于外磁軛和內(nèi)磁軛的下方，外電磁線圈7和8、內(nèi)電磁線圈9和10置于外磁軛、內(nèi)磁軛和底磁軛所包圍的空間內(nèi)，電磁線圈采用自然冷卻或水冷卻方式。所述的外電磁線圈7和8、內(nèi)電磁線圈9和10由多匝導(dǎo)線繞制而成。對于矩形磁控濺射陰極磁體，內(nèi)外永磁體、內(nèi)外磁軛、以及內(nèi)外電磁線圈都需制作成跑道型結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，內(nèi)電磁線圈安裝在由外磁軛、內(nèi)磁軛和底磁軛包圍的空間中偏內(nèi)的位置，外電磁線圈安裝在由外磁軛、內(nèi)磁軛和底磁軛包圍的空間中偏外的位置。外磁軛、內(nèi)磁軛和底磁軛構(gòu)成半閉合磁路。兩個外電磁線圈7、8構(gòu)成一閉合線圈，兩個內(nèi)電磁線圈9、10構(gòu)成一閉合線圈。本發(fā)明磁控濺射陰極磁體與傳統(tǒng)永磁和電磁式磁控濺射磁體的設(shè)計不同，采用永磁體產(chǎn)生磁控濺射所需要的主磁場，采用電磁線圈產(chǎn)生輔助磁場對磁場的強度和分布形狀進行調(diào)整。由于電磁線圈僅產(chǎn)生輔助磁場而非主磁場，因此，本發(fā)明永磁電磁復(fù)合式磁控濺射陰極的能耗較低。電磁線圈需要采用電流引線與外部直流電源或脈沖直流電源連接。在電磁線圈不通電流時，磁控濺射陰極截面處磁力線分布如圖3所示。在內(nèi)、外電磁線圈所通電流方向為沿紙面向內(nèi)流動時，陰極截面處磁力線分布如圖4所示。在內(nèi)、外電磁線圈所通電流方向為沿紙面向外流動時，陰極截面處磁力線分布如圖5所示。因此，通過調(diào)節(jié)內(nèi)、外線圈的電流流動方向和電流的大小，可以靈活對放電空間的磁場強度進行調(diào)節(jié)，以應(yīng)用于不同靶材材料的鍍膜工藝。本發(fā)明永磁電磁復(fù)合式磁控濺射陰極也可實現(xiàn)對外磁極、內(nèi)磁極磁場的獨立調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)磁場的非平衡度和放電等離子體聚集位置的調(diào)節(jié)。在內(nèi)電磁線圈所通電流方向沿紙面向內(nèi)流動、外電磁線圈所通電流方向沿紙面向外流動時，陰極截面處磁力線分布如圖6所示，由圖可以看出，內(nèi)磁極的磁場增強，而外磁極的磁場減弱，同時，磁場的非平衡程度得到加強。而在內(nèi)電磁線圈所通電流方向沿紙面向外流動、外電磁線圈所通電流方向沿紙面向內(nèi)流動時，陰極截面處磁力線分布如圖7所示，由圖可以看出，內(nèi)磁極的磁場減弱， 而外磁極的磁場增強，磁場向外發(fā)散分布，更適合在對溫度敏感的基片上制備薄膜。同時， 由圖6和圖7還可以看出，當內(nèi)外電磁線圈的電流方向發(fā)生互換時，放電等離子體的聚集位置(對應(yīng)于磁力線與靶表面相切的位置)發(fā)生了很大的變化，這意味著通過控制電源的電流極性，可以實現(xiàn)對靶材刻蝕形貌的控制，從而提高靶材的利用率。矩形平面磁控濺射裝置通常應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線上，用于大面積鍍膜，而圓形平面磁控濺射陰極則更多地在高校和科研院所的實驗室中得到應(yīng)用。圖8為本發(fā)明永磁電磁復(fù)合式圓形平面磁控濺射陰極磁體結(jié)構(gòu)的俯視圖。圓形陰極磁體由外永磁體3和4、內(nèi)永磁體 5和6、外電磁線圈7和8、內(nèi)電磁線圈9和10、以及磁軛結(jié)構(gòu)構(gòu)成。圓形平面磁控濺射陰極結(jié)構(gòu)與矩形平面磁控濺射陰極類似，它們的區(qū)別在于對于圓形平面磁控濺射陰極，內(nèi)外永磁體、內(nèi)外磁軛以及內(nèi)外電磁線圈都需要做成圓環(huán)結(jié)構(gòu)。圓形電磁線圈安裝在由外磁軛、內(nèi)磁軛和底磁軛包圍的空間內(nèi)，以構(gòu)成半閉合磁路。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合式磁控濺射陰極，其特征在于所述的磁控濺射陰極由平面靶材(1)、水冷背板O)、兩個外永磁體(3、4)、兩個內(nèi)永磁體(5、6)、兩個外電磁線圈(7、8)、兩個內(nèi)電磁線圈(9、10)、兩對外磁軛(11、12)、兩對內(nèi)磁軛(13、14)、底磁軛(15)和框架(16)構(gòu)成；水冷背板( 緊密安裝在靶材(1)的下方；外永磁體(3、4)、內(nèi)永磁體(5、6)安裝在水冷背板 (2)下方；第一外磁軛(11)安裝在第一外永磁體(3)的下方，第二外磁軛(1 安裝于第二外永磁體的下方，第一內(nèi)磁軛(1 安裝于第一內(nèi)永磁體(5)的下方，第二內(nèi)磁軛(14) 安裝于第二內(nèi)永磁體(6)的下方；底磁軛(1 位于外磁軛和內(nèi)磁軛下方；所述的外永磁體、內(nèi)永磁體、外電磁線圈、內(nèi)電磁線圈、外磁軛、內(nèi)磁軛和底磁軛安裝在框架(16)中；所述的平面靶材⑴通過電源線連接到陰極電源；所述的兩個內(nèi)電磁線圈(9、10)安裝在由外磁軛(11、12)、內(nèi)磁軛(13、14)和底磁軛(15)包圍的空間中偏內(nèi)的位置，外電磁線圈(7、8)安裝在由外磁軛(11、12)、內(nèi)磁軛(13、14)和底磁軛(5)包圍的空間中偏外的位置；外永磁體 (3,4)和內(nèi)永磁體(5、6)產(chǎn)生磁控濺射陰極的主磁場，外電磁線圈(7、8)和內(nèi)電磁線圈(9、 10)產(chǎn)生磁控濺射陰極的輔助磁場。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合式磁控濺射陰極，其特征在于所述的水冷背板(2)為非導(dǎo)磁材料制作、水冷背板O)內(nèi)盛有冷卻水。
3.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合式磁控濺射陰極，其特征在于所述的第一外永磁體(3) 和第二外永磁體以相同的極性安裝，第一內(nèi)永磁體( 和第二內(nèi)永磁體(6)以相同的極性安裝，外永磁體和內(nèi)永磁體的安裝極性相反。
4.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合式磁控濺射陰極，其特征在于外電磁線圈(7、8)為一閉合線圈，內(nèi)電磁線圈(9、10)為一閉合線圈，外電磁線圈和內(nèi)電磁線圈通過引線分別連接到電磁線圈供電電源；
5.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合式磁控濺射陰極，其特征在于所述的平面靶材(1)為金屬或合金或陶瓷靶材；所述的外磁軛(11、12)、內(nèi)磁軛(13、14)、以及底磁軛(1 采用軟磁材料制作。
6.如權(quán)利要求4所述的復(fù)合式磁控濺射陰極，其特征在于所述的外電磁線圈為跑道形或圓形結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求4所述的復(fù)合式磁控濺射陰極，其特征在于所述的供電電源為直流電源或脈沖直流電源。
全文摘要
一種復(fù)合式磁控濺射陰極，由平面靶材(1)、水冷背板(2)、外永磁體(3、4)、內(nèi)永磁體(5、6)、外電磁線圈(7、8)、內(nèi)電磁線圈(9、10)、外磁軛(11、12)、內(nèi)磁軛(13、14)、底磁軛(15)和框架(16)構(gòu)成。外永磁體(3、4)的極性相同，內(nèi)永磁體(5、6)的極性相同，外永磁體和內(nèi)永磁體的極性相反。兩個外電磁線圈(7、8)構(gòu)成一閉合線圈，兩個內(nèi)電磁線圈(9、10)構(gòu)成一閉合線圈，外電磁線圈和內(nèi)電磁線圈通過引線分別連接到供電電源。通過調(diào)節(jié)外電磁線圈和內(nèi)電磁線圈通電電流的大小和方向，實現(xiàn)磁控濺射陰極磁場強度和磁場分布形狀的變化，從而調(diào)節(jié)濺射速率、磁場平衡度和靶材利用率。
文檔編號H01J37/32GK102420091SQ20111037950
公開日2012年4月18日 申請日期2011年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月24日
發(fā)明者丁發(fā)柱, 古宏偉, 張志豐, 戴少濤, 邱清泉 申請人:中國科學(xué)院電工研究所