新型高靶材利用率平面磁控溅射阴极的制作方法

本发明涉及磁控溅射技术领域，尤其涉及一种平面磁控溅射阴极。

背景技术：

目前，在磁控溅射镀膜技术应用领域中，使用最广泛的是平面磁控溅射阴极。请参考图1，图1是现有技术中平面磁控溅射阴极的工作原理示意图。如图1所示，现有的典型的平面磁控溅射阴极包括靶材1、铜背板2、磁铁装置以及导磁板4。具体地，靶材1设置在铜背板2上，其中，靶材1朝向外部空间的一面用于实现溅射。磁铁装置和导磁板4设置在铜背板2的另外一侧，其中，磁铁装置设置在背板2和导磁板4之间。磁铁装置进一步包括外圈磁铁3a和中心磁铁3b，其中，中心磁铁3b的设置位置对应于靶材1的中心区域，外圈磁铁3a的设置位置对应于靶材1的边缘区域，环绕于该中心磁铁3b。外圈磁铁3a和中心磁铁3b均采用永磁铁，且外圈磁铁3a朝向靶材的磁极与中心磁铁3b朝向靶材的磁极其二者极性相反，以便于在靶材1的用于实现溅射的表面上形成磁场7。最常见的两种平面磁控溅射阴极包括圆形靶磁控溅射阴极和矩形靶磁控溅射阴极。请参考图2，图2是现有技术中矩形靶磁控溅射阴极中磁铁装置的截面示意图。如图2所示，在矩形靶磁控溅射阴极中，靶材的形状为矩形，相应地，外圈磁铁3a的与靶材平行的截面其形状是矩形环，中心磁铁3b的与靶材平行的截面其形状是矩形。请参考图3，图3是现有技术中圆形靶磁控溅射阴极中磁铁装置的截面示意图。如图3所示，在圆形靶磁控溅射阴极中，靶材的形状为圆形，相应地，外圈磁铁3a的与靶材平行的截面其形状是圆环，中心磁铁3b的与靶材平行的截面其形状是圆形。

请继续参考图1，平面磁控溅射阴极工作时，溅射电源5与铜背板2连接，铜背板2在溅射电源5的作用下形成电场，该电场离化工艺气体原子(例如氩原子)产生等离子体(包括离子8和电子9)。电子9在电场和磁场7的作用下环绕磁力线运动，在运动过程中电子9与工艺气体原子发生碰撞，使工艺气体原子电离出新的离子8和电子9。新产生的电子9继续环绕磁力线运动并与工艺气体原子发生碰撞以生成更多的离子8和电子9。等离子体中的离子8在电场和磁场7的作用下加速飞向靶材1，轰击其表面，其中，能量较高的离子8可以将靶材1表面的原子10轰击出来。被轰击出来的原子10沉积至工件6的表面以形成镀膜11。

现有的上述平面磁控溅射阴极的缺点在于：

第一、请参考图4，图4是现有技术中平面磁控溅射阴极工作时在靶材上所形成的溅射跑道的结构剖视示意图。为了对溅射跑道进行说明，图4中仅仅保留了靶材1和磁铁装置而省略了其他部件。由于磁场7的作用使得离子8主要是沿着磁力线的法线方向飞向靶材1，因此，如图4所示，靶材1上的溅射主要位于外圈磁铁3a和中心磁铁3b之间的部分区域，而靶材1上靠近外圈磁铁3a和中心磁铁3b的区域几乎不会被溅射到。此外，靶材1上对应于外圈磁铁3a和中心磁铁3b的区域也不会被溅射到。由于靶材1上被溅射的区域其形状很像跑道，因此该区域也被称为溅射跑道12。对于溅射跑道12来说，由于溅射存在不均匀性所以导致溅射跑道12呈现为中部深两端浅的沟槽状，具体地，溅射跑道12的中心区域离子溅射速度高因此蚀刻深度深一些，其他区域离子溅射速度低因此蚀刻深度相对浅一些。请参考图5和图6，图5和图6分别是现有技术中矩形磁控溅射阴极和圆形磁控溅射阴极的工作照片，其中，工作照片中显示的白色环形区域即为溅射跑道。随着溅射的发生，一旦靶材上的溅射跑道被打穿，该靶材就不能再继续使用，而需要更换新的靶材，从而导致靶材的利用率很低，通常情况下只有30％～40％。而溅射靶材是磁控溅射的主要耗材，低利用率无疑会造成靶材的极大浪费，导致溅射成本的提高。

第二、在不改变溅射工艺条件的情况下，随着靶材1上溅射跑道12的逐步加深，溅射速率会逐步降低。这是因为靶材1溅射出来的原子，除了沉积在工件表面之外，还会有一部分沉积在溅射跑道12的侧壁上，从而导致溅射速率逐步降低。经过测试，同样工艺条件下，当靶材快要达到溅射极限时，溅射速率比新靶材降低约5％。在实际应用中镀膜工艺要求溅射保持稳定的速率，针对于这种情况，如果使用现有的平面磁控溅射阴极则会对镀膜工艺的品质造成一定的影响。

第三、靶材1上溅射跑道12之外未被离子轰击到的区域会累积一些杂质，在镀膜过程中，这些区域表面上的杂质由于温度升高或者被杂散离子轰击，也会部分释放出来，掺入薄膜中，会造成镀膜纯度的降低，形成污染。

基于上述不足之处，人们想出了多种方法进行解决，其中最为常见的方法有三种。

第一种方法是将靶材从平面改为异形，对溅射跑道处的靶材厚度进行加厚，对溅射跑道之外区域的靶材厚度进行减薄。这种方法是从靶材的结构着手，而不是从平面磁控溅射阴极的结构着手，虽然在一定程度上可以提高靶材的利用率，但是仍存在一定的问题。首先，由于靶材厚度受到磁场强度的限制，不能无限制地加厚，因此靶材利用率的提高也相应有限，提高程度约为5％-10％。其次，将靶材从平面改为异形，增加了靶材加工的工艺难度以及提高了靶材加工的成本。除此之外，这种方式仍然无法使前述溅射速率逐步降低以及形成污染的问题得到避免。

第二种方法是在外圈磁铁和中心磁铁之间增加磁铁以形成多个溅射跑道，这种方法可以增加一点溅射区域的面积，但是提高靶材利用率的效果也非常有限，通常不超过10％。此外，由于额外增加了磁铁，所以导致平面磁控溅射阴极的成本也相应增加。

第三种方法，也是这三种方法中最为有效的一种，就是将磁铁设计为异形，通过高速旋转磁铁(几十到几百转/分钟)的方式来提高靶材溅射的均匀性，进而提高靶材的利用率。这种方法的典型代表包括英国gencoa公司的ffe型阴极和美国angstromsciences公司的旋转磁场阴极。其中，英国gencoa公司的ffe型阴极工作所形成的溅射跑道不是一个圆环形，而是类似椭圆环形(如图7所示)，随着磁铁的高速旋转，圆形靶材的大部分区域可以被溅射到。该公司声称使用ffe型阴极可以使靶材的利用率超过50％，与此同时，由于靶材大部分表面被离子轰击所以可以保持干净状态。美国angstromsciences公司的旋转磁场阴极其外圈磁铁是纺锤形的(如图8所示)，相应地溅射跑道也呈现类似纺锤形状，并且磁铁也不是位于圆形靶材的中心，这种情况下将磁铁高速旋转(转速为20-500转/分钟)，可以比较均匀地溅射到整个靶材的表面。该公司声称使用旋转磁场阴极可以使靶材的利用率超过60％。

通过高速旋转磁铁的方式可以有效地提高靶材利用率，还解决了溅射速率随溅射跑道的加深而逐步降低的问题、以及解决了靶材表面杂质对镀膜造成污染的问题。但是，这种方式仍然存在一定的缺陷，该缺陷如下：

首先，由于高速旋转磁铁是通过机械方式实现的，因此容易出现旋转故障。此外，由于磁铁周围需要设置靶材所需要的冷却水，因此还容易出现水密封故障。与前述磁铁不发生运动的平面磁控溅射阴极相比，采用高速旋转磁铁方式的溅射阴极，其可靠性低、结构也更为复杂、成本也更为高昂。

其次，由于磁铁是通过机械方式实现旋转，同时又受到冷却水阻碍以及水密封的影响，所以磁铁的转速存在一定的限制，很难达到500转/分钟以上。在这种转速下，如果靶材的材质比较脆，例如一些化合物靶材(zns等)，对于靶材的某个区域来说，两次溅射之间的时间间隔比较长，容易造成靶材温度不一致从而导致靶材开裂无法使用。

再次，高速旋转磁铁的方式适用面不够广泛，只能适用于圆形磁控溅射阴极，而不能用在矩形磁控溅射阴极上。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种平面磁控溅射阴极，该平面磁控溅射阴极包括靶材、背板、磁体装置以及导磁板，所述靶材设置在所述背板的一侧，所述导磁板设置在所述背板的另一侧，所述磁体装置设置在所述背板和所述导磁板之间，其中：

所述磁体装置包括中间磁体和环绕该中间磁体的外圈磁体，所述中间磁体包括至少两个电磁铁，其中，所述外圈磁体和所述中间磁体朝向所述靶材的磁极其二者极性相反；

所述平面磁控溅射阴极还包括电磁铁电源，该电磁铁电源与所述至少两个电磁铁连接，为所述至少两个电磁铁依次供电以使所述外圈磁体和所述中间磁体之间的磁场分布不断发生变化。

根据本发明的一个方面，该平面磁控溅射阴极中，所述平面磁控溅射阴极为圆形磁控溅射阴极，所述靶材为圆形靶材；所述外圈磁体呈圆环形状，设置在与所述圆形靶材边缘对应的位置；所述至少两个电磁铁围绕所述外圈磁体的中心轴均匀分布。

根据本发明的另一个方面，该平面磁控溅射阴极中，所述外圈磁体是具有所述圆环形状的一整块永磁铁；或者所述外圈磁体包括多个永磁铁单元，该多个永磁铁单元排列形成所述圆环形状；所述电磁铁是圆形电磁铁或者方形电磁铁。

根据本发明的又一个方面，该平面磁控溅射阴极中，所述电磁铁与所述外圈磁体的中心轴之间的距离等于该中心轴与所述外圈磁体之间距离的1/3。

根据本发明的又一个方面，该平面磁控溅射阴极中，所述平面磁控溅射阴极为矩形磁控溅射阴极，所述靶材为矩形靶材；所述外圈磁体呈矩形环形状，设置在与所述矩形靶材边缘对应的位置；所述至少两个电磁铁均呈长条形状，平行于所述外圈磁体的轴截面并且关于所述轴截面对称分布。

根据本发明的又一个方面，该平面磁控溅射阴极中，所述外圈磁体是具有所述矩形环形状的一整块永磁铁；或者所述外圈磁体包括多个永磁铁单元，该多个永磁铁单元排列形成所述矩形环形状；所述电磁铁是具有所述长条形状的一整块电磁铁；或者所述电磁铁包括多个圆形电磁铁或多个方形电磁铁，该多个圆形电磁铁或多个方形电磁铁排列形成所述长条形状。

根据本发明的又一个方面，该平面磁控溅射阴极中，所述外圈磁体中平行于所述轴截面的两条边和所述至少两个电磁铁等间距设置。

根据本发明的又一个方面，该平面磁控溅射阴极中，所述电磁铁电源依次向所述至少两个电磁铁提供半正弦波电压或方波电压以使所述至少两个电磁铁依次与所述外圈磁体之间形成溅射磁场。

根据本发明的又一个方面，该平面磁控溅射阴极中，所述电磁铁电源依次向所述至少两个电磁铁提供半正弦波电压时：若所述电磁铁的数量等于3，则相邻的两个半正弦波电压之间的相位差等于120度；若所述电磁铁的数量等于2，则相邻的两个半正弦波电压之间的相位差等于180度。

根据本发明的又一个方面，该平面磁控溅射阴极中，所述电磁铁电源依次向所述至少两个电磁铁提供方波电压时：相邻的两个方波电压在时域上存在毫秒量级的重合。

根据本发明的又一个方面，该平面磁控溅射阴极中，所述电磁铁电源的频率为50hz或60hz。

与现有技术中磁铁不发生运动的平面磁控溅射阴极相比，本发明提供的平面磁控溅射阴极的优点包括：

第一、本发明所提供的平面磁控溅射阴极其中间磁体包括至少两个电磁铁，当该平面磁控溅射阴极工作时，电磁铁电源对该至少两个电磁铁依次供电使得外圈磁体和中间磁体之间的磁场分布不断发生变化，相应地使靶材上受到离子轰击的区域也不断发生变化，如此一来，一方面可以有效地扩大靶材表面被离子轰击的区域，另一方面可以使靶材的几乎整个表面得到比较均匀地溅射，从而有效地提高了靶材的利用率。实验数据表明采用本发明所提供的平面磁控溅射阴极可以使靶材的利用率超过70％。

第二、由于本发明所提供的平面磁控溅射阴极可以在靶材的几乎整个表面实现比较均匀地溅射，因此不会像现有技术一样仅仅在靶材表面的部分区域形成中部深两端浅的溅射跑道，进而不会出现溅射跑道侧壁上沉积原子的情况。如此一来，在保持溅射工艺条件不发生改变的情况下，靶材的溅射速率可以在整个溅射过程中保持稳定，不会随着溅射过程的推移而逐步降低，从而有效地保持了溅射工艺的稳定性。

第三、由于本发明所提供的平面磁控溅射阴极可以在靶材的几乎整个表面实现比较均匀地溅射，因此在溅射过程中整个靶材的表面可以一直保持干净，避免了杂质累积的情况，从而不会出现现有技术中靶材表面沉积的杂质被溅射到工件表面的情况，进而不会对镀膜造成污染，有效地提高了镀膜的纯度。

与现有技术中磁铁发生旋转的平面磁控溅射阴极相比，本发明提供的平面磁控溅射阴极的优点包括：

第一、仅仅利用电磁铁和相应的电磁铁电源即可实现靶材利用率的提高，而无需像现有技术一样执行机械运动、也无需涉及水密封问题，进而也就不会出现旋转故障或者水密封故障。因此，与现有技术中磁铁发生旋转的平面磁控溅射阴极相比，本发明所提供的平面磁控溅射阴极具有结构简单、可靠性高、成本低的优势。

第二、通过调节电磁铁工作电压的频率即可控制磁场变化的频率，从几hz到几千hz甚至到几万hz都可以很容易地实现。在磁场变化的频率比较高的情况下，对于靶材上任一溅射区域来说，相邻两次溅射之间的间隔时间非常短，因此可以保证靶材受热均匀，使靶材不容易出现开裂的现象。

第三、不受平面磁控溅射阴极形状的限制，可以设计成圆形磁控溅射阴极或矩形磁控溅射阴极。

第四、电磁铁工作电压的大小和频率都很容易控制，因此，可以很方便地通过调节电磁铁工作电压的大小使电磁铁和外圈磁体磁场强度达到平衡，也可以很方便地通过调节工作电压的频率对靶材表面的溅射均匀性进行优化。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是现有技术中平面磁控溅射阴极的工作原理示意图；

图2是现有技术中矩形靶磁控溅射阴极中磁体装置的俯视示意图；

图3是现有技术中圆形靶磁控溅射阴极中磁体装置的俯视示意图；

图4是现有技术中平面磁控溅射阴极工作时在靶材上所形成的溅射跑道的结构剖视示意图；

图5是现有技术中矩形磁控溅射阴极的工作照片；

图6是现有技术中圆形磁控溅射阴极的工作照片；

图7是现有技术中gencoa公司ffe阴极的工作照片；

图8是现有技术中angstromsciences公司旋转磁场阴极的结构照片；

图9是根据本发明的平面磁控溅射阴极的一个具体实施方式的结构剖面示意图；

图10是根据本发明的矩形磁控溅射阴极其磁体装置的一个具体实施方式的俯视示意图；

图11是根据本发明的圆形磁控溅射阴极时其磁体装置的一个具体实施方式的俯视示意图；

图12是根据本发明的矩形磁控溅射阴极中磁体装置的另一个具体实施方式的俯视示意图；

图13是根据本发明的矩形磁控溅射阴极中磁体装置的又一个具体实施方式的俯视示意图；

图14是根据本发明的矩形磁控溅射阴极中磁体装置的又一个具体实施方式的俯视示意图；

图15是根据本发明的圆形磁控溅射阴极中磁体装置的另一个具体实施方式的俯视示意图；

图16是根据本发明的圆形磁控溅射阴极中磁体装置的又一个具体实施方式的俯视示意图；

图17是根据本发明的圆形磁控溅射阴极中磁体装置的又一个具体实施方式的俯视示意图；

图18是根据本发明的圆形磁控溅射阴极中磁体装置的又一个具体实施方式的俯视示意图；

图19是根据本发明的电磁铁电源向三个电磁铁所提供的半正弦波电压的波形示意图；

图20是根据本发明的矩形磁控溅射阴极在图19所示电压波形的作用下外圈磁体和中间磁体之间磁场分布变化过程的示意图；

图21是根据本发明的圆形磁控溅射阴极在图19所示电压波形的作用下外圈磁体和中间磁体之间磁场分布变化过程的示意图；

图22是根据本发明的电磁铁电源向三个电磁铁所提供的方波电压的波形示意图；

图23是本发明所提供的平面磁控溅射阴极工作时在靶材上所形成的溅射区域的结构剖视示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

为了更好地理解和阐释本发明，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明提供了一种平面磁控溅射阴极。请参考图9，图9是根据本发明的平面磁控溅射阴极的一个具体实施方式的结构剖面示意图。如图9所示，该平面磁控溅射阴极包括靶材100、背板400、磁体装置以及导磁板300，所述靶材100设置在所述背板400的一侧，所述导磁板300设置在所述背板400的另一侧，所述磁体装置设置在所述背板400和所述导磁板300之间，其中：

所述磁体装置包括中间磁体220和环绕该中间磁体220的外圈磁体210，所述中间磁体220包括至少两个电磁铁，其中，所述外圈磁体210和所述中间磁体220朝向所述靶材100的磁极其二者极性相反；

所述平面磁控溅射阴极还包括电磁铁电源500，该电磁铁电源500与所述至少两个电磁铁连接，为所述至少两个电磁铁依次供电以使所述外圈磁体210和所述中间磁体220之间的磁场分布不断发生变化。

具体地，在本实施例中，靶材100可以是矩形靶材，也可以是圆形靶材。需要说明的是，适用于矩形靶材的平面磁控溅射阴极为矩形磁控溅射阴极，适用于圆形靶材的平面磁控溅射阴极为圆形磁控溅射阴极，图9所示的是矩形磁控溅射阴极的一个具体实施方式的结构剖面示意图，其中，图9是以垂直于靶材100的截面为剖面。靶材100的成分可以根据实际镀膜工艺的需求决定，例如可以是金属靶材、合金靶材、或陶瓷靶材等。如图9所示，靶材100设置在背板400的一侧，其中，靶材100用于实现溅射的表面背离背板400。导磁板300设置在背板400的另一侧，磁体装置设置在背板400和导磁板300之间。其中，背板400与射频电源(未示出)连接，用于形成电离工艺气体原子的电场。常用的背板300包括铜背板。磁体装置用于在靶材100的表面形成磁场。磁体装置进一步包括外圈磁体210和中间磁体220，其中，外圈磁体210环绕于中间磁体220。中间磁体220进一步又包括至少两个电磁铁。为了可以在靶材100用于溅射的表面上形成磁场，外圈磁体210和中间磁体220朝向靶材100的磁极其二者极性是相反的。举例说明，如图9所示，若外圈磁体210朝向靶材100的磁极是n极，那么电磁铁朝向靶材100的磁极则均是s极，反之亦然。导磁板300由导磁材料制作，例如纯铁等。导磁板300分别与外圈磁体210和中间磁体220背离靶材100的磁极连接，其作用在于将外圈磁体210和中间磁体220导通，对外圈磁体210和中间磁体220背离靶材100的磁极之间所形成的磁力线进行束缚。需要说明的是，本发明所提供的平面磁控溅射阴极还可以包括冷却装置，例如可以通入冷却水的铜管等，在平面磁控溅射阴极工作过程用于对靶材100和中间磁体220所包括的电磁铁进行冷却，以保证平面磁控溅射阴极的正常工作。

由于本发明所提供的平面磁控溅射阴极在工作时其外圈磁体210的磁场强度不需要变化，因此，在本实施例中外圈磁体210使用永磁铁实现。此外，在本实施例中，外圈磁体210采用一整块永磁铁实现。具体地，在矩形磁控溅射阴极中，外圈磁体210是磁极形状为矩形环形状的一整块永磁铁(下文称为矩形环磁铁)；在圆形磁控溅射阴极中，外圈磁体210是磁极形状为圆环形状的一整块永磁铁(下文称为圆环磁铁)。为了可以使磁场尽可能覆盖靶材100的整个表面，外圈磁体210优选设置在与靶材100边缘区域相对应的区域，这就需要矩形环磁铁其磁极的尺寸矩形靶材的尺寸相匹配、以及需要圆环磁铁其磁极的直径与圆形靶材的直径相匹配。在其他实施例中，外圈磁体210也可以由多个小块的永磁铁单元构成。具体地，在矩形磁控溅射阴极中，外圈磁体210包括多个永磁铁单元，该多个永磁铁单元排列形成矩形环形状；在圆形磁控溅射阴极中，外圈磁体210包括多个永磁铁单元，该多个永磁铁单元排列形成圆环形状。本领域技术人员可以理解的是，外圈磁铁210并不仅仅限于使用永磁铁实现，在其他实施例中，也可以使用电磁铁实现。

在本实施例中，在矩形磁控溅射阴极中，中间磁体220所包括的电磁铁采用磁极形状为长条形状的一整块矩形电磁铁(下文称为矩形电磁铁)实现；在圆形磁控溅射阴极中，中间磁体220所包括的电磁铁采用磁极形状为圆形的电磁铁(下文称为圆形电磁铁)或方形的电磁铁(下文称为方形电磁铁)实现。其中，中间磁体220所包括的电磁铁的数量至少是两个。针对于本发明来说，中间磁体220所包括的电磁铁的数量越多，平面磁控溅射阴极的使用效果越好。由于电磁铁数量越多平面磁控溅射阴极的结构越复杂，相应成本也就越高，因此在对各方面综合考虑后，通常将电磁铁的数量设置在2至5个之间。本领域技术人员可以理解的是，电磁铁的数量并不仅仅限定于2至5个，还可以是更多。需要注意的是，由于靶材100的面积是有限的，所以电磁铁的数量不可能无限增加。如果希望尽可能增加电磁铁的数量，可以通过减小电磁铁朝向靶材的磁极的面积、并相应提高电磁铁的工作电流以及增加电磁铁线圈匝数的方式实现。此外需要说明的是，在其他实施例中，在矩形磁控溅射阴极中，中间磁体220所包括电磁铁也可以由多个小块的圆形电磁铁或多个小块的方形电磁铁构成，其中，该多个小块的圆形电磁铁或多个小块的方形电磁铁排列形成长条形状。

下面，对中间磁体220所包括的至少两个电磁铁的具体设置方式进行说明。

在矩形磁控溅射阴极中，外圈磁体210呈现矩形环形状，中间磁体220所包括的电磁铁呈现长条形状。中间磁体220所包括的电磁铁平行于外圈磁体210的轴截面并且关于该轴截面对称分布。其中，将通过外圈磁体210横截面中心点并且垂直于外圈磁体210横截面的直线定义为该外圈磁体210的中心轴，并将通过该外圈磁体210中心轴并且垂直于该外圈磁体210两条对边的平面定义为该外圈磁体210的轴截面。若电磁铁的数量为偶数，则该电磁铁分别位于外圈磁体210的轴截面的两侧且对称分布；若电磁铁的数量为奇数，则其中一个电磁铁位于外圈磁体210的轴截面上(即与轴截面的距离为0)，剩下的电磁铁分别位于外圈磁体210的轴截面的两侧且对称分布。下面以电磁铁的数量为2至5个为例进行说明。首先，请参考图10，图10是根据本发明的矩形磁控溅射阴极其磁体装置的一个具体实施方式的俯视示意图，其中，外圈磁体210是矩形环磁铁，电磁铁是矩形电磁铁，俯视的方向是从靶材100垂直指向导磁板300的方向，俯视后的矩形环磁铁210的轴截面呈现为一条直线，在图10中以虚线表示。图10中所示的矩形电磁铁的数量为两个，分别以矩形电磁铁220a和矩形电磁铁220b表示。如图所示，在本实施例中，矩形环磁铁210的轴截面垂直于矩形环磁铁210的两个短边，矩形电磁铁220a和矩形电磁铁220b分别位于矩形环磁铁210轴截面的两侧，且矩形电磁铁220a和矩形电磁铁220b到轴截面的距离相等。请参考图12至图14，图12至图14分别是矩形电磁铁数量为3个、4个以及5个时磁体装置的俯视示意图，其中，俯视方向以及虚线的表示均与图10中相同。如图12所示，中间磁体220包括矩形电磁铁220a、矩形电磁铁220b以及矩形电磁铁220c，其中矩形电磁铁220b设置在矩形环磁铁210的轴截面上，矩形电磁铁220a和矩形电磁铁220c分别位于矩形环磁铁210轴截面的两侧，且矩形电磁铁220a和矩形电磁铁220c到轴截面的距离相等。中间磁体220包括4个或5个矩形电磁铁的情况可以依次类推，为了简明起见，在此不再对图13和图14进行赘述。

需要说明的是，电磁铁位置的具体设定很重要，针对于同一个矩形磁控溅射阴极来说，电磁铁设置的位置不同，会导致靶材的利用率也不同。在一个优选实施例中，外圈磁体210中平行于其轴截面的两条边和该至少两个电磁铁等间距设置时，矩形磁控溅射阴极的效果最佳。以中间磁体220所包括的电磁铁的数量等于2为例进行说明。请参考图10，矩形电磁铁220a和矩形电磁铁220b沿矩形环磁铁210的轴截面对称分布，其中，矩形电磁铁220a和矩形电磁铁220b之间的距离以l1表示，矩形电磁铁220a和矩形电磁铁220b与矩形环磁铁210之间的距离分别以l2和l3表示，矩形环磁铁210中与矩形电磁铁平行的两条边之间的距离以l表示。通过多次试验得到，针对于矩形电磁铁数量等于2的矩形磁控溅射阴极来说，当l1＝l2＝l3＝l/3时矩形磁控溅射阴极的效果最佳。对于中间磁体220所包括的电磁铁的数量大于2的情况与此类似，为了简明起见，在此不再赘述。

在圆形磁控溅射阴极中，外圈磁体210呈现圆环形状。中间磁体220所包括的电磁铁围绕圆环磁铁的中心轴均匀分布。其中，将通过外圈磁体210横截面中心点并且垂直于外圈磁体210横截面的直线定义为该外圈磁体210的中心轴。此外，在本实施例中，电磁铁围绕外圈磁体210中心轴均匀分布可以理解为，该电磁铁均匀分布在一个圆周上，外圈磁体210的中心轴垂直于该圆周所在平面并且通过该圆周的圆心。下面以电磁铁的数量为2至5个为例进行说明。首先，请参考图11，图11是根据本发明的圆形磁控溅射阴极时其磁体装置的一个具体实施方式的俯视示意图，其中，外圈磁体210是圆环磁铁，电磁铁是圆形电磁铁，俯视的方向是从靶材100垂直指向导磁板300的方向。俯视后的圆环磁铁210的中心轴呈现为一个点，在图11中以×表示。图11中所示的圆形电磁铁的数量为两个，分别以圆形电磁铁220a和圆形电磁铁220b表示。如图所示，在本实施例中，圆形电磁铁220a和圆形电磁铁220b到圆环磁铁210中心轴的距离相等，且圆形电磁铁220a和圆形电磁铁220b之间的连线经过该中心轴。请参考图15至图17，图15至图17分别是圆形电磁铁数量为3个、4个以及5个时磁体装置的俯视示意图，其中，俯视方向以及中心轴的表示均与图11中相同。如图15所示，三个圆形电磁铁呈品字形分布，具体地，圆形电磁铁220a、圆形电磁铁220b以及圆形电磁铁220c到圆环磁铁210中心轴的距离相等，且相邻两个电磁铁与中心轴连线的夹角均为120°。中间磁体220包括4个或5个圆形电磁铁的情况可以依次类推，为了简明起见，在此不再对图16和图17进行赘述。

与矩形磁控溅射阴极相似，针对于同一个圆形磁控溅射阴极来说，电磁铁设置的位置不同，会导致靶材的利用率也不同。在本实施例中，当电磁铁与圆环磁铁210中心轴之间的距离等于该中心轴与圆环磁铁之间距离的1/3时，圆形磁控溅射阴极的效果最佳。以中间磁体所包括的电磁铁的数量等于3为例进行说明。请参考图15，圆形电磁铁220a、圆形电磁铁220b和圆形电磁铁220c围绕圆环磁铁210的中心轴均匀分布，其中，圆形电磁铁220a与圆环磁铁210中心轴之间的距离以l1表示，圆环磁铁210中心轴到圆环磁铁210的距离以l2表示(由于三个圆形电磁铁是沿圆周均匀分布，所以在此仅对圆形电磁铁220a的位置进行说明即可)。通过多次试验得到，当l1＝l2/3时，使用该圆形磁控溅射阴极可以令靶材利用率达到最优。

本领域技术人员可以理解的是，上述对于电磁铁的排布方式以及具体位置的设定只是优选实施方式，在其他实施例中，中间磁体所包括的至少两个电磁铁还可以采用其他的排布方式，该至少两个电磁铁的具体位置可以根据其排布方式进行相应设定，本发明对此并不做任何限定。以圆形磁控溅射阴极的中间磁体包括五个电磁铁为例说明，如图18所示，该五个电磁铁分别以电磁铁220a至电磁铁220e表示，与前述五个电磁铁围绕圆环磁铁210中心轴均匀分布不同，在本实施例中，电磁铁220a设置在圆环磁铁210的中心轴上，其他四个电磁铁围绕中心轴均匀分布。由于电磁铁的排布方式以及具体位置设定存在多种可能，为了简便起见，在此不再对该多种可能一一进行列举。

电磁铁电源500与中间磁体220所包括的至少两个电磁铁分别连接，用于为该至少两个电磁铁提供工作电压。其中，当平面磁控溅射阴极开始工作时，电磁铁电源500为该至少两个电磁铁依次提供工作电压，使该至少两个电磁铁依次与外圈磁体210之间形成溅射磁场。由于不同的电磁铁依次与外圈磁体210之间形成溅射磁场，因此，靶材100表面的磁场分布在不断地发生变化，相应地离子轰击靶材100的区域也在不断地发生变化。

在一个具体实施例中，电磁铁电源500依次向中间磁体220所包括的至少两个电磁铁提供半正弦波电压以使该至少两个电磁铁依次与外圈磁体210之间形成溅射磁场。其中，半正弦波电压可以通过对正弦波进行半波整流的方式得到，至于半正弦波电压的具体方向由电磁铁朝向靶材100的磁极的极性决定。需要说明的是，半正弦波电压其大小会发生变化(即电压首先逐步升高然后再逐步降低)，在该半正弦波电压的作用下电磁铁的磁场强度也随之变化。为了保证中间磁体220的磁场强度与外圈磁体210的磁场强度其二者可以基本保持平衡，需要令相邻工作的两个电磁铁其半正弦波电压在时域上存在一定的重叠。在一个优选实施例中，当中间磁体220包括3个电磁铁时，令相邻工作的两个电磁铁其半正弦波电压之间的相位差为120度。也就是说，当电磁铁电源500为一个电磁铁(以第一电磁铁表示)提供的工作电压逐步降低时，该第一电磁铁的磁场强度也相应降低，此时电磁铁电源500为下一个电磁铁(以第二电磁铁表示)开始提供工作电压，该工作电压逐步升高使得该第二电磁铁的磁场强度相应增强。在第一电磁铁磁场强度逐步降低、第二电磁铁磁场强度逐步增强的过程中，第一电磁铁和第二电磁铁的磁场强度之和与外圈磁体210的磁场强度保持平衡。当第一电磁铁的磁场强度降低至零时，第二电磁铁的磁场强度增强至可以与外圈磁体210的磁场强度保持平衡。当第二电磁铁的磁场强度逐步降低时，电磁铁电源500为下一个电磁铁(以第三电磁铁表示)开始提供工作电压，使得第二电磁铁和第三电磁铁的磁场强度之和和外圈磁体210的磁场强度保持平衡。依次类推，电磁铁电源500为该至少两个电磁铁依次不断地供电直至溅射结束。在另一个优选实施例中，当中间磁铁220包括2个电磁铁时，令相邻工作的两个电磁铁其半正弦波电压之间的相位差为180度。

在另一个具体实施例中，电磁铁电源500依次向中间磁体220所包括的至少两个电磁铁提供方波电压以使该至少两个电磁铁依次与外圈磁体210之间形成溅射磁场。其中，方波电压的具体方向由电磁铁朝向靶材100的磁极的极性决定。由于方波电压其大小是不变的，因此，相邻工作的两个电磁铁其方波电压在时域上有毫秒量级的重合即可，如此一来，可以有效地避免电子和离子在磁场变化的瞬间出现无束缚状态。

本领域技术人员可以理解的是，上述半正弦波电压和方波电压仅为优选实施方式，在其他实施例中，还可以采用其他形式的电压波形。

电磁铁电源500向电磁铁提供的工作电压的大小和频率根据实际溅射工艺要求进行设定。其中，工作电压的大小用于使电磁铁和外圈磁体210在磁场强度上达到平衡，而工作电压的频率则决定了靶材100表面上磁场变化的快慢。若磁场变化太慢，对于靶材100上的同一区域来说，两次溅射之间的时间间隔比较长，容易造成靶材100温度不一致从而导致靶材100开裂；若磁场变化太快，则来不及使离子完成对靶材100的轰击行为。本发明对电磁铁电源500工作电压的频率并不做任何限定。优选地，电磁铁电源500的频率范围设置在20hz-200hz之间。更优选地，将电磁铁电源500的频率设置为50hz或60hz以适应电力标准，即每个电磁铁在1秒内工作50次或60次。而现有技术中采用磁铁旋转方式的平面磁控溅射阴极，每分钟500转的速率已经成为磁铁旋转的极限，因此采用磁铁旋转方式的平面磁控溅射阴极在工作时，其磁场的变化速度远远低于本发明。

针对于现有技术中磁铁不发生运动的平面磁控溅射阴极来说，一方面，由于中心磁铁与外圈磁铁之间磁场分布不会发生变化，因此靶材表面与中心磁铁对应的区域永远不会被溅射到，另一方面，由于中心磁铁的磁场强度和外圈磁铁的磁场强度需要平衡，而中心磁铁采用的是永磁铁，因此中心磁铁朝向靶材的磁极的面积无法做的很小。这就导致了靶材表面总是存在一定的区域无法被离子轰击到，使得溅射区域的面积受到限制，进而影响靶材的利用率。而实施本发明所提供的平面磁控溅射阴极时，由于至少两个电磁铁依次工作，当一个电磁铁工作时，虽然靶材上与该电磁铁对应的区域不会被溅射到，但是当其他电磁铁工作时该区域则可以发生溅射，如此一来，有效地扩大了靶材上被离子轰击的区域，使靶材的几乎整个表面都可以被溅射到。请参考图23，图23是本发明所提供的平面磁控溅射阴极工作时在靶材上所形成的溅射区域的结构剖视示意图。如图所示，靶材100上除了与外圈磁体210所对应的区域没有被溅射到，其他区域均发生了溅射形成溅射区域110。

此外，针对于现有技术中磁铁不发生运动的平面磁控溅射阴极来说，由于其外圈磁铁和中心磁铁之间的磁场分布不会发生变化，因此靶材上各个区域的溅射速率也不会发生变化，也就是说，在溅射过程中，有的区域其溅射速率一直比较高，而有的区域其溅射速率则一直比较低，从而导致溅射不均匀。采用电磁铁时，和外圈磁体越近磁场强度越大、相应的溅射区域窄而溅射速率高，和外圈磁体越远磁场强度越小、相应的溅射区域宽而溅射速率低。在实施本发明所提供的平面磁控溅射阴极时，由于电磁铁是依次工作，因此中间磁体和外圈磁体之间的磁场分布是在不断地发生变化，如此一来，靶材上各个区域的磁场分布都是在不断地发生变化，相应地各个区域内的溅射速率都是在不断地波动，而且由于磁场分布的变化非常快，各个区域在短时间内的溅射速率波动被平均后基本相同，因此可以认为溅射是均匀的。其中，电磁铁的数量越多，磁场的变化越复杂，相应的溅射的均匀性就越好。请参考图23，图23是本发明所提供的平面磁控溅射阴极工作时在靶材上所形成的溅射区域的结构剖视示意图。如图所示，靶材100上所形成的溅射区域110其所有区域的蚀刻深度基本相同。

下面对本发明所提供的平面磁控溅射阴极的工作过程进行说明。其中，平面磁控溅射阴极的中间磁体220包括三个电磁铁，电磁铁电源500向该三个电磁铁提供的是半正弦波电压。请参考图19，图19是根据本发明的电磁铁电源向三个电磁铁所提供的半正弦波电压的波形示意图。为了便于区分，提供给电磁铁220a、电磁铁220b和电磁铁220c的半正弦波电压分别通过实线、虚线和点划线表示。从图19中可以看出，电磁铁电源500依次为电磁铁220a、电磁铁220b和电磁铁220c提供半正弦波电压，且相邻的两个半正弦波电压之间在时域上有一定的重叠。

首先，针对矩形磁控溅射阴极进行说明。在本实施例中，中间磁体220所包括的三个电磁铁如图12所示进行分布。请参考图20，图20是根据本发明的矩形磁控溅射阴极在图19所示电压波形的作用下外圈磁体和中间磁体之间磁场分布变化过程的示意图。其中，电磁铁220a、电磁铁220b、电磁铁220c与外圈磁体210之间所形成的磁场分别用实线、虚线和点划线进行表示。由于主要是为了说明外圈磁体和中间磁体之间磁场分布变化过程，因此，电磁铁电源500被省略并未示出，电磁铁电源500与电磁铁的连接关系请参考图9。

如图所示，当电磁铁电源500向电磁铁220a提供半正弦波电压1时，电磁铁220a和外圈磁体210之间形成磁场400-1(请参考图20中的(a))。随着半正弦波电压1逐步降低，电磁铁电源500向电磁铁220b提供半正弦波电压2，该半正弦波电压2逐步升高，电磁铁220b和外圈磁体210之间形成磁场400-2，在电磁铁220a和电磁铁220b的作用下中间磁体220和外圈磁体210的磁场强度平衡(请参考图20中的(b))。当半正弦波电压1降低至零后，半正弦波电压2升高至可以令电磁铁220b和外圈磁铁210的磁场强度保持平衡的程度，此时只有电磁铁220b工作(请参考图20中的(c))。随着半正弦波电压2逐步降低，电磁铁电源500向电磁铁220c提供半正弦波电压3，该半正弦波电压3逐步升高，电磁铁220c和外圈磁体210之间形成磁场400-3，在电磁铁220b和电磁铁220c的作用下中间磁体220和外圈磁体210的磁场强度平衡(请参考图20中的(d))。当半正弦波电压2降低至零后，半正弦波电压3升高至可以令电磁铁220c和外圈磁铁210的磁场强度保持平衡的程度，此时只有电磁铁220c工作(请参考图20中的(e))。随着半正弦波电压3逐步降低，电磁铁电源500向电磁铁220a提供半正弦波电压4，该半正弦波电压4逐步升高，电磁铁220a和外圈磁体210之间形成磁场400-3，在电磁铁220c和电磁铁220a的作用下中间磁体220和外圈磁体210的磁场强度平衡(请参考图20中的(e))。当半正弦波电压3降低至零后，半正弦波电压4升高至可以令电磁铁220a和外圈磁铁210的磁场强度保持平衡的程度，此时只有电磁铁220a工作(请参考图20中的(a))。电磁铁电源500和三个电磁铁重复上述步骤直至溅射结束。

接着，针对圆形磁控溅射阴极进行说明。在本实施例中，中间磁体220所包括的三个电磁铁如图15所示进行分布。请参考图21，图21是根据本发明的圆形磁控溅射阴极在图19所示电压波形的作用下外圈磁体和中间磁体之间磁场分布变化过程的示意图。其中，电磁铁220a、电磁铁220b、电磁铁220c与外圈磁体210之间所形成的磁场分别用实线、虚线和点划线进行表示。鉴于圆形磁控溅射阴极与矩形磁控溅射阴极的工作过程相同，为了简明起见，此处就不再对图21进行详细说明。

此处需要说明的是，工业三相电输出的是频率等于50hz、相位差为120度的正弦波电压，因此，只需要对工业三相电进行简单地半波整流和变压处理后，即可用于包括三个电磁铁的平面磁控溅射阴极，而无需额外生产电磁铁电源。如此一来，电磁铁数量等于三的平面磁控溅射阴极可以非常方便实现。

除了半正弦波电压之外，在其他实施例中，电磁提电源500还可以提供方波电压。请参考图22，图22是根据本发明的电磁铁电源向三个电磁铁所提供的半正弦波电压的波形示意图。其中，为了便于区分，提供给电磁铁220a、电磁铁220b和电磁铁220c的半正弦波电压分别通过实线、虚线和点划线表示。从图22中可以看出，电磁铁电源500依次为电磁铁220a、电磁铁220b和电磁铁220c提供方波电压，且相邻的两个半正弦波电压之间在时域上存在毫秒量级的重叠。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个部件、单元或装置也可以由一个部件、单元或装置通过软件或者硬件来实现。

与现有技术中磁铁不发生运动的平面磁控溅射阴极相比，本发明提供的平面磁控溅射阴极的优点包括：

第一、本发明所提供的平面磁控溅射阴极其中间磁体包括至少两个电磁铁，当该平面磁控溅射阴极工作时，电磁铁电源对该至少两个电磁铁依次供电使得外圈磁体和中间磁体之间的磁场分布不断发生变化，相应地使靶材上受到离子轰击的区域也不断发生变化，如此一来，一方面可以有效地扩大靶材表面被离子轰击的区域，另一方面可以使靶材的几乎整个表面得到比较均匀地溅射，从而有效地提高了靶材的利用率。实验数据表明采用本发明所提供的平面磁控溅射阴极可以使靶材的利用率超过70％。

第二、由于本发明所提供的平面磁控溅射阴极可以在靶材的几乎整个表面实现比较均匀地溅射，因此不会像现有技术一样仅仅在靶材表面的部分区域形成中部深两端浅的溅射跑道，进而不会出现溅射跑道侧壁上沉积原子的情况。如此一来，在保持溅射工艺条件不发生改变的情况下，靶材的溅射速率可以在整个溅射过程中保持稳定，不会随着溅射过程的推移而逐步降低，从而有效地保持了溅射工艺的稳定性。

第三、由于本发明所提供的平面磁控溅射阴极可以在靶材的几乎整个表面实现比较均匀地溅射，因此在溅射过程中整个靶材的表面可以一直保持干净，避免了杂质累积的情况，从而不会出现现有技术中靶材表面沉积的杂质被溅射到工件表面的情况，进而不会对镀膜造成污染，有效地提高了镀膜的纯度。

与现有技术中磁铁发生旋转的平面磁控溅射阴极相比，本发明提供的平面磁控溅射阴极的优点包括：

第一、仅仅利用电磁铁和相应的电磁铁电源即可实现靶材利用率的提高，而无需像现有技术一样执行机械运动、也无需涉及水密封问题，进而也就不会出现旋转故障或者水密封故障。因此，与现有技术中磁铁发生旋转的平面磁控溅射阴极相比，本发明所提供的平面磁控溅射阴极具有结构简单、可靠性高、成本低的优势。

第二、通过调节电磁铁工作电压的频率即可控制磁场变化的频率，从几hz到几千hz甚至到几万hz都可以很容易地实现。在磁场变化的频率比较高的情况下，对于靶材上任一溅射区域来说，相邻两次溅射之间的间隔时间非常短，因此可以保证靶材受热均匀，使靶材不容易出现开裂的现象。

第三、不受平面磁控溅射阴极形状的限制，可以设计成圆形磁控溅射阴极或矩形磁控溅射阴极。

第四、电磁铁工作电压的大小和频率都很容易控制，因此，可以很方便地通过调节电磁铁工作电压的大小使电磁铁和外圈磁体磁场强度达到平衡，也可以很方便地通过调节工作电压的频率对靶材表面的溅射均匀性进行优化。

以上所揭露的仅为本发明的一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。