一种磁控溅射镀膜机的制作方法

技术背景

目前在真空镀膜领域应用的磁控溅射镀膜过程是在辉光放电中进行的。和在弧光放电镀膜技术相比，由于辉光放电的电流密度低，氩离子密度低，溅射速率低、镀膜室内的等离子体密度低。膜层粒子总体的能量不高，膜基结合力不高，沉积化合物膜层的工艺难度很大。

目前在真空镀膜领域应用的磁控溅射镀膜技术中，为了提高膜基结合力和磁控溅射镀膜空间的等离子体密度，有的采用阴极电弧源。阴极电弧源有小园靶形阴极电弧源、柱状靶形阴极电弧源。工作中，阴极电弧源产生冷场致弧光放电，发射高密度的弧光等离子体，其中含有高密度的电子、金属膜层离子和膜层原子。镀膜前，工件接弧电源的负极，加600V-800V左右的高压加速金属离子，金属离子以很高的能量轰击净化工件，轰击净化效果好。但是，较高的轰击能量会使工件表面受到损伤，而且在放电过程中阴极电弧源会喷发大熔滴，容易在工件表面积存大颗粒，降低工件表面的质量，也会使工件过热。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种磁控溅射镀膜机，既解决膜基结合力低的问题，又解决磁控溅射镀膜机中等离子体密度低的问题，还可以避免在用阴极电弧源轰击净化工件时，对工件表面造成损伤和积存大熔滴颗粒问题。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：一种磁控溅射镀膜机，镀膜室内沿镀膜室周边安装旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶和工件转架。工作状态时，旋靶管型柱状磁控溅射靶向工件转架上的工件进行镀膜。还包括：

直流弧电源和交变弧电源，镀膜室的中央安装两个柱状阴极电弧源。

在镀膜前，两个柱状阴极电弧源连接交变弧电源，两个柱弧源互为阴阳极。启动弧光放电以后，做为阳极的柱状阴极电弧源吸引电子，这些电子流把氩气电离，氩离子加速轰击工件表面，对工件进行轰击净化。做为阴极的柱状阴极电弧源把靶面上的污染层蒸发掉，清洗了自身的靶面。

在启用柱状磁控溅射靶进行镀膜的同时，把两个柱状阴极电弧源接直流弧电源的负极，镀膜室接正极。启动弧光放电以后，柱弧源连续蒸发出膜层原子，也向工件转架上的工件进行镀膜，两个柱弧源还参与镀膜过程。

进一步，镀膜室中央安装的两个柱状阴极电弧源，都是由靶管和管内的磁控结构以及用于组装靶管和磁控结构的靶封头组成。

镀膜室中央安装的两个柱状阴极电弧源，可以是靶管进行旋转，靶管内的磁控结构不动，构成旋靶管型柱状阴极电弧源。也可以是靶管不动，靶管内的磁控结构进行旋转，构成旋磁型柱状阴极电弧源。

其中，两个柱状阴极电弧源靶管内磁控结构中的磁钢采用铁氧体。磁钢的排布可以是直线形，也可以是螺旋线形。两个柱状阴极电弧源连接弧电源的负极，镀膜室接正极。启动弧光放电以后，两个柱状阴极电弧源产生弧光放电，靶管上的弧斑，前者的弧斑是直条形，后者的弧斑是螺旋线形。

当两个柱弧源连接电极性不断交替变化的弧电源时，两个柱弧源相间交替成为阳极吸引电子，镀膜室内始终有高密度的电子流产生把氩气电离，也就始终有氩离子对工件进行轰击净化。这是把原来用阴极电弧源的金属离子轰击净化工件的过程，转变为用氩离子轰击净化工件的过。由于氩离子流密度大，轰击净化工件所加的偏压可以降低。用低能量、高密度的氩离子流轰击净化工件的效果好，氩离子质粒小，对工件的损伤小，还不会积存大熔滴颗粒。

所述的磁控溅射镀膜机，在开启柱状磁控溅射靶进行镀膜的过程中，把镀膜室中央安装的两个柱状阴极电弧源接直流弧电源的负极，镀膜室接正极。启动弧光放电以后，两个柱弧源连续蒸发出膜层原子件表面沉积进行镀膜。镀膜过程中，柱状阴极电弧源的作用是镀膜源。

所述的磁控溅射镀膜机，在开启柱状磁控溅射靶进行镀膜的过程中，把镀膜室中央安装的两个柱弧源接直流弧电源的负极，镀膜室接正极，启动弧光放电以后，两个柱弧源阴极电弧源发射的高密度的电子流，把金属膜层原子电离，提高膜层材料的离化率，进行辅助沉积。

所述的一种磁控溅射镀膜机，其特征在于：磁控溅射靶包括靶管、安装在靶管内的磁控结构和用于组装靶管和磁控结构的靶封头。

其中，靶管可以进行旋转，靶管内的磁控结构不动，组成旋靶管型柱状磁控溅射靶

所述安装在靶管内的磁控结构为非平衡结构，包括强磁钢钕铁硼和与强磁钢连接的弱磁极靴。

所述镀膜室内安装多个旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶，相邻两个靶管内安装磁钢的磁极性反向排

列在镀膜室内，形成闭合磁场。

所述镀膜室内，安装的旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶的数量是偶数个。

本实用新型的有益效果是：因为磁控溅射技术是在辉光放电中进行的，放电的电流密度低，为mA/mm²，镀膜空间的等离子体密度低，膜层原子的金属离化率低，大约10％范围。所镀的膜层质量较差，膜基结合力低，镀化合物膜的工艺难度大。本实用新型，在镀膜室中央安装两个柱状阴极电弧源。阴极电弧源放电的电流密度大，约为100A/mm²，镀膜空间的等离子体密度高。膜层原子的金属离化率在60％-90％范围。阴极电弧源放电后，镀膜空间又大量的电子、金属离子和膜层原子。把产生高密度等离子体的阴极电弧源引入到辉光放电的磁控溅射镀膜过程中来，有利于提高膜基结合力，有利于获得化合物膜层。

本实用新型在镀膜机中央设置两个柱状阴极电弧源。阴极电弧源产生冷场致弧光放电，产生高密度的弧光等离子体，其中有大量的电子和金属离子。工作状态中，首先两个柱状阴极电弧源连接交变弧电源以后，两个柱状阴极电弧源互为阴阳极。接通弧电源以后，两个柱弧源之间又大量的电子流。其中作为阳极的柱弧源吸引电子，高密度的电子流靶氩气电离，利用氩离子轰击净化工件。把原来用柱弧源的金属离子轰击净化工件的过程，转化为用气体离子轰击净化工件。氩离子比金属离子质量小，对工件的损伤小。由于采用了交变电源，两个柱弧源相间交替互为阴阳极。镀膜室内始终有高密度的电子流产生，也就始终有氩离子对工件进行轰击净化，轰击净效果好。用气体离子轰击净化工件，轰击的能量低，轰击过程缓和，对工件的损伤小，工件表面不会有大熔滴颗粒积存。

本实用新型中，在镀膜机中央设置两个柱状阴极电弧源，除了轰击净化工件的作用以外，在和柱状磁控溅射靶一起向工件上镀膜时还有以下作用：

1.从磁控溅射靶溅射下来的膜层粒子中多数是能量低的原子到达工件进行镀膜，很难反应程化合物膜，镀化合物膜的工艺难度很大。柱状阴极电弧源产生冷场致弧光放电后，镀膜空间还有大量的电子可以把溅射下来的膜层原子电离成为金属离子。这些金属离子在工件所加负偏压的吸引下，以很高能量到达工件进行镀膜，提高了膜层粒子的总体能量。可以提高膜层的致密度、容易形成化合物膜层。这种作用叫辅助沉积；

2.柱状阴极电弧源自身还发射出大量的膜层离子，很容易形成化合物膜层。阴极电弧源是当今常用真空镀膜技术中，金属离化率最高的技术。当阴极电弧源和磁控溅射靶一起镀膜时，比只用磁控溅射靶镀膜，所镀膜层的膜基结合力大、膜层质量致密高、容易镀出化合物薄膜材料。

3.当柱状阴极电弧源和柱状磁控溅射靶一起镀膜时，如果两种柱状镀膜源的靶材成分相同，得到相同成分的膜，柱状阴极电弧源的作用是增加同种成分的膜层厚度。如果两种柱状镀膜源的靶材成分不相同，工件的某一个位置在转到柱状磁控溅射靶前面时，镀上的是柱状磁控溅射靶成分的膜，又转到柱状阴极电弧源前面的时候，镀上的是柱状阴极电弧源靶材成分的膜。连续旋转，连续镀膜，最后得到成分相间的一层一层的多层膜或层间成分很难分清的多元合金膜。

在旋靶管柱状非平衡磁控溅射靶闭合磁场的磁控溅射镀膜机中，配置两个柱弧源，既是气体离子轰击源、辅助沉积源，又是镀膜源。两个柱状阴极电弧源产生的弧光等离子体，提高了镀膜空间的等离子体密度，为旋靶管型柱状非平衡闭合磁场的磁控溅射镀膜的全过程服务。使在辉光放电中进行的磁控溅射镀膜过程，始终处在弧光放电等离子体的作用中进行。镀出来的膜层质量进一步提高。

两个柱弧源安装在镀膜室中央，与两个柱弧源安装在镀膜室侧边相比，轰击净化工件的效果均匀、轰击效率高。在参与镀膜时，两个柱弧源安装在镀膜室中央，比安装在镀膜室侧边时，所镀膜层的厚度均匀。这一点在镀多层膜和多元合金膜时非常重要。

以下结合附图以实施例具体说明

本实用新型是一种磁控溅射镀膜机。

在磁控溅射镀膜机中，沿镀膜室的周边安装旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶，进行镀膜。在镀膜室中央安装的两个柱状阴极电弧源，在镀膜前利用弧光电子流把氩气电离，用高密度的氩离子流对工件进行轰击净化，显著提高膜基结合力。在镀膜过程中，利用弧光等离子体进行辅助沉积，可以提高溅射下来的膜层原子的离化率。两个柱弧源还参与镀纳米多层膜和多元合金膜。镀膜机结构示意图，如图所示。

图1中是镀膜机的正视图，图2是A-A抛视图。1-镀膜室，2-工件转架，3-沿镀膜室周边安装的旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶，4-镀膜室中央安装的两个柱状阴极弧源，5-交变弧电源，6-直流弧电源，7-磁控溅射电源，8-工件偏压电源。

图2是镀膜室A-A抛视图，图中可以进一步看清镀膜机内的布局。可以看到镀膜室周边安装的旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶内，磁钢的结构和相邻两个磁控溅射靶的磁极性反向排列，形成闭合磁场。

具体实施例

本实用新型旨在提供一种磁控溅射镀膜机，镀膜室内沿镀膜室周边安装的旋靶管型柱状磁控溅射靶和工件转架。工作状态时，旋靶管型柱状磁控溅射靶向工件转架上的工件进行镀膜。还包括：

直流弧电源和交变弧电源，镀膜室的中央安装两个柱状阴极电弧源。

在镀膜前，两个柱状阴极电弧源连接交变弧电源，两个柱弧源互为阴阳极。启动弧光放电以后，做为阳极的柱状阴极电弧源吸引电子，电子流把氩气电离，氩离子加速轰击工件表面，对工件进行轰击净化。

在启用镀膜室周边的柱状磁控溅射靶进行镀膜的同时，把两个柱状阴极电弧源接直流弧电源的负极，镀膜室接正极。启动弧光放电以后，柱弧源连续蒸发出膜层原子，也向工件转架上的工件进行镀膜，两个柱弧源也参与镀膜过程。

进一步，镀膜室中央安装的两个柱状阴极电弧源，都是由靶管和管内的磁控结构以及用于组装靶管和磁控结构的靶封头组成。

镀膜室中央安装的两个柱状阴极电弧源，可以是靶管进行旋转，靶管内的磁控结构不动，构成旋靶管型柱状阴极电弧源。也可以是靶管不动，靶管内的磁控结构进行旋转，构成旋磁型柱状阴极电弧源。

其中，两个柱状阴极电弧源靶管内磁控结构中的磁钢采用铁氧体，磁钢的排布可以是直线形，也可以是螺旋线形。两个柱状阴极电弧源接弧电源的负极，镀膜室接正极。启动弧光放电以后，两个柱状阴极电弧源产生弧光放电，靶管上的弧斑，前者的弧斑是直条形，后者的弧斑是螺旋线形。

当两个柱弧源连接电极性不断交替变化的弧电源时，两个柱弧源相间交替成为阳极吸引电子，镀膜室内始终有高密度的电子流把氩气电离，也就始终有氩离子对工件进行轰击净化。这是把原来阴极用阴极电弧源的金属离子轰击净化工件的过程，转变为用氩离子轰击净化工件的过程。由于氩离子流密度大，轰击净化工件所加的偏压可以降低。用低能量、高密度的氩离子流轰击净化工件的效果好，氩离子质粒小，对工件的损伤小，还不会积存大熔滴颗粒。

所述的一种磁控溅射镀膜机中的磁控溅射靶包括靶管、安装在靶管内的磁控结构和用于组装靶管和磁控结构的靶封头。

其中，靶管可以进行旋转，靶管内的磁控结构不动，组成旋靶管型柱状磁控溅射靶。

所述安装在靶管内的磁控结构为非平衡结构，包括强磁钢钕铁硼和与强磁钢连接的弱磁极靴。

所述镀膜室内安装多个旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶，相邻两个靶管内安装磁钢的磁极性反向排列在镀膜室内，形成闭合磁场。

所述镀膜室内，安装的旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶的数量是偶数个。

进一步，所述磁控溅射镀膜机，当柱状磁控靶和柱状阴极电弧源一起进行镀膜的时候，如果旋磁型柱状非平衡磁控溅射靶靶管的成分和柱状阴极电弧源靶管的成分相同，柱状弧的作用是参与镀出相同成分的膜，增加膜层的厚度。当两个柱状弧源的靶材成分不同，部分旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶的靶管成分也不同时，可以镀出成分相间的纳米多层膜或多元合金膜。

实施例1，参照附图

图1中，在磁控溅射镀膜机中，沿镀膜室1周边安装旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶3。旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶3接磁控溅射电源7。柱状磁控溅射靶由靶管、靶管内的磁控结构和靶的封头组成。靶封头把靶管和靶管内的磁控结构连接成一个整体后，安装到镀膜室上。靶封头的功能，是保证靶管不旋转，靶管内的磁控机构进行旋转。这个整体叫旋靶管型柱状磁控溅射靶。靶的封头保证旋靶管型柱状磁控溅射靶与镀膜室之间既绝缘又密封。

本实用新型，在旋靶管柱状非平衡磁控溅射靶3内，磁控结构选用的磁体材料强度不同。强磁钢采用钕铁硼，与之相连的磁极靴是弱磁体材料，即S弱-N强-S弱，或N弱-S强-N弱。这种磁控结构的靶叫非平衡磁控溅射靶。非平衡的磁控结构使靶面前的磁场分布发生了改变，磁场向靶的前面推移，向靶的周边扩展。与平衡磁控溅射靶的磁控结构相比，扩大了磁场在镀膜空间的磁场控制范围，使电子可以和更多的氩气产生碰撞电离，和更多的金属膜层原子产生碰撞电离，提高了镀膜空间的等离子体密度。

本实用新型的旋靶管型非平衡磁控溅射靶3在镀膜室1内的排布方式，是相邻两个旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶3内磁钢的磁极性方向相反。即一个是S-N-S排列，另一个是N-S-N排列。相邻两个靶侧边的磁场是N-S或S-N，相邻两个靶之间有磁力线交联。在两个靶之间有磁场控制电子运动。如果镀膜机中安装多个磁极性反向排列的非平衡磁控溅射靶，则整个镀膜室内的磁力线都相互交联起来，整个镀膜室内的磁场就形成了完整的的闭合磁场。由图2可以看到沿镀膜室周边安装的旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶3之间的磁场闭合排列的情况。这种闭合磁场可以使镀膜室内各个角落的电子都受到磁场的控制，和更多的氩气、更多的金属原子产生碰撞电离，产生更多的氩离子和金属离子。这种磁控结构叫ì非平衡闭合磁控。本实用新型就是旋靶管型柱状非平衡闭合磁场的磁控溅射靶镀膜机。这种镀膜机内的等离子体密度提高。本实用新型采用的旋靶管型柱状非平衡闭合磁场的磁控溅射靶3的个数是偶数个。但仍然是在辉光放电中进行镀膜的过程，整体的等离子体密度仍然不够高。

本实用新型磁控溅射镀膜机的镀膜室2内安装的两个柱状阴极电弧源4，可以是旋靶管型柱弧源，柱状阴极电弧源，也可以是旋磁型柱弧源。柱状阴极电弧源4发射的弧光放电等离子体密度大，镀膜空间的电子流密度大、氩离子流密度大、金属离子流密度大。

在镀膜前，将两个柱状阴极电弧源4接电极性交替变化弧电源5时，放电后两个柱状阴极电弧源4交替互为阴阳极。其中一个是阳极，吸引电子，弧光放电的高密度的电子流在向阳极柱弧源运动的过程中，把镀膜室1通入的氩气电离，得到高密度的氩离子轰击工件2，轰击效果好。当两个柱状阴极电弧源4的电位交替变化，镀膜室内始终有高密度的氩离子流轰击工件2。这是一种把金属离子源转化为气体离子源的技术。

在之后的镀膜过程中，首先把两个柱状阴极电弧源4都接直流弧电源6的负极，镀膜室接正极。同时开启磁控溅射靶电源7和直流弧源电源6，两种类型的柱状镀膜源同时放电。柱状磁控溅射靶3连续向工件2进行镀膜。两个柱状弧源4也向工件2进行镀膜。当两种柱状镀膜源靶材的成分相同时，柱状弧源镀出的膜层材料还可以增加膜层厚度，两个柱弧源参与镀膜。当两种靶材的成分不相同时，可以镀出多层膜中的间隔层膜，也可以镀多元合金膜。如果再改变部分旋靶管型柱状非平衡磁控溅靶材的成分，控制工艺参数，可以镀出成分相间的多层纳米膜或多元合金膜。本实用新型镀膜机，采用两个柱状阴极电弧源4，可以使原本是辉光放电中进行镀膜的过程，始终在弧光放电中进行。增加了镀膜空间的等离子体密度，有利于提高膜基结合力，有利于改善膜层组织结构，有利于沉积化合物膜，可以沉积出优异的薄膜材料。柱状弧源不单是轰击净化源又是镀膜源。

在镀膜室1的中央安装的两个柱状阴极电弧源4，可以向周围360度方向发射氩离子流和金属膜层原子，氩离子流对周围360度方向的工件2进行轰击净化，两个柱弧源可以向周围360度方向镀膜。和安装在镀膜室侧边的两个柱弧源相比，氩离子轰击的效率更高。参与镀膜时膜层均匀性更好，有利于沉积多层纳米膜或多元合金膜。

本实用新型是配置两个柱状阴极电弧源的旋靶管型柱状非平衡闭合磁场的磁控溅射镀膜机，镀膜室配有抽真空系统，进气系统、辅助加热系统、工件转架系统。镀膜室形状可以是圆形、多边形、可以是镀膜室加工出耳室型。镀膜机形式可以是单机或连续生产线。

本实用新型采用的磁控溅射电源以及工件偏压电源可以是直流电源，也可以是交变电源。柱弧电源是直流弧电源和电极性不断变化的弧电源。