一种多溅射轨道的平面磁控溅射靶的制作方法
【专利摘要】一种多溅射轨道的平面磁控溅射靶，包括靶板、磁体组件，所述磁体组件安装在所述靶板后方，所述磁体组件中磁体的布置结构使其在所述靶板的靶面上形成两个以上的椭圆形或圆形溅射轨道。本实用新型平面磁控溅射靶通过在靶板的靶面上形成多个密集排布的溅射轨道，使平面磁控溅射靶靶材利用率高、发射的等离子体浓度高、发热相对较为分散、镀出的膜层均匀性好。
【专利说明】
一种多溅射轨道的平面磁控溅射靶
技术领域
[0001]本实用新型涉及磁控溅射技术领域，具体涉及一种平面磁控溅射靶。
【背景技术】
[0002]磁控溅射技术已广泛用于沉积功能薄膜、机械耐磨膜和装饰膜层。平面磁控溅射靶已大量用于大尺寸的镀膜设备中。当前的平面磁控溅射靶主要包括两种，矩形平面磁控溅射靶和圆形平面磁控溅射靶，其中矩形平面磁控溅射靶更为常见。在立式镀膜机中，传统的平面磁控溅射靶竖向安装于镀膜设备的镀膜室中，主要由用于提供溅射材料的平面靶材即靶板、用于带走靶板上热量的冷却系统、磁体组件和靶座构成，磁体组件和冷却系统安装在靶座内，靶板绝缘安装靶座上。
[0003]传统的平面磁控溅射靶靶板的有效尺寸和位于靶板后方的磁体组件的尺寸相近。矩形平面磁控溅射靶的溅射轨道普遍设计成一围绕靶板边缘的椭圆形溅射轨道，这种椭圆形溅射轨道的形成与其磁体组件中磁体的分布密切相关。磁体组件主要由永磁体和衔铁构成。矩形平面磁控溅射靶的磁体组件包括沿靶板的高度方向平行设置的三组条形磁体(条形磁体由若个磁体相连构成)，和设置在所述靶板的上下端的两组条形磁体，位于靶板上下端的两组条形磁体与前述位于两侧的两组条形磁体形成一个方形环，前述位于中间的条形磁体设置在方形环中，与方形环的各边均不相交，方形环上所有磁体的极性相同，且与方形环中部的磁体的极性相反。所述磁体的一端磁极指向所述靶板，另一端的磁极均与所述衔铁相连，使所述磁体组件的截面呈一个“山”字型。磁体与衔铁相连的一端的磁力线都聚集在衔铁内，指向靶板一端的磁力线穿过靶板表面，在靶板前方的镀膜室内形成拱型磁力线簇。
[0004]真空溅射镀膜时，向镀室内通入氩气，将平面磁控溅射靶的靶板与电源负极相连，镀膜室壁与电源正极连通后，镀膜室内会产生气体辉光放电，氩气被电离，氩离子被阴极靶板加速后碰击靶板，溅射出靶材原子和离子，同时发射出二次电子，二次电子在拱型磁力线的约束下，不断地与氩气碰撞电离而维持辉光放电，在拱型磁力线的“隧道”覆盖的靶面上持续进行靶材的溅射。
[0005]靶板上的溅射区受到其背后磁体组件的磁场限制，主要在特定的区域产生辉光溅射刻蚀，形成相对固定的宽度较窄的刻蚀区。现有的平面磁控溅射靶的磁场结构是在靶板上形成一圈椭圆形的溅射轨道(圆形平面磁控溅射靶的磁场结构为一圈圆形的轨道)，刻蚀区面积很小。另外，由于拱型磁力线的拱顶附近磁感应强度水平分量最大，约束二次电子能力最强，所以该处氩气被荷能电子碰撞电离的几率最大，靶板上与其相对应的靶面处受氩离子溅射最强烈，因此该处的靶面溅射刻蚀得最严重，靶板很快被溅薄，而溅薄后其下方的磁体就会更靠近于靶面，使靶面处的磁场更强，溅射也就更强烈，循环作用下，就在靶板上形成一 “V”型的刻蚀沟，很快就会把靶板刻蚀“穿透”，靶板在即将被刻蚀“穿透”时就不能再继续使用了。
[0006]从上面的介绍可知:I)现有平面磁控溅射靶上的刻蚀区面积本来就较小，再加上V型刻蚀沟的影响，所以导致现有平面磁控溅射靶的利用率很低，一般只有15%左右；
[0007]2)另外，现有平面磁控溅射靶溅射区面积较小，所以靶板前方发射出来的等离子体量也较少，等离子体浓度较低，真空溅射镀膜时膜层的沉积速度较慢，致密性也较差；
[0008]3)还有，现有平面磁控溅射靶在真空溅射镀膜时，辉光放电局限在较窄的刻蚀区内，溅射过程中电源功率用于溅射靶材的能耗只占总功率的20%左右，其余80%的能量都转化成了热能，再加之强烈的辉光放电局限在上述V型刻蚀沟处，由于热量非常集中，靶座内的冷却系统很难及时带走热量，使热量在辉光放电区不断积累，导致靶温很高，辐射热很大，这对某些工件的溅射镀膜非常不利，特别是对低熔点的工件；另外，辉光放电局限在较窄的刻蚀区内，还会造成镀膜不均匀的问题。
【实用新型内容】
[0009]针对现有平面磁控溅射靶存在靶材利用率低、发射的等离子体浓度低、靶面发热集中、镀膜不均匀的问题，本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种靶材利用率高、发射的等离子体浓度高、发热相对较为分散、镀出的膜层均匀性较好的多溅射轨道平面磁控溅射靶。
[0010]本实用新型的技术问题通过如下技术方案实现:一种多溅射轨道的平面磁控溅射靶，包括靶板、磁体组件，所述磁体组件安装在所述靶板后方，其特征在于，所述磁体组件中磁体的布置结构使其在所述靶板的靶面上形成两个以上的椭圆形或圆形溅射轨道。
[0011]作为本实用新型的【具体实施方式】:所述磁体组件由衔铁和多个磁体组成，所述磁体通过其一端磁极安装在所述衔铁上，另一端磁极指向所述靶板；
[0012]所述磁体在所述衔铁上组成两个以上的环，各环上相邻的磁体连在一起，各环中部也设置有所述磁体，各环中部的所述磁体与其所在环的各边上的磁体均不相交，所有环上的磁体的极性相同，且与环中的所述磁体的极性相反。
[0013]所述平面磁控溅射靶为矩形平面溅射靶，所述环为方形环，所述方形环组成网格状，相邻的方形环具有一条公共边。
[0014]所述平面磁控溅射靶为矩形平面溅射靶，所述环为圆环，由圆环状磁体构成，所述环中部的磁体为圆柱形磁体，所述圆环沿所述靶板的宽度、高度方向紧密排列。
[0015]作为本实用新型的一种改进，所述平面磁控溅射靶还包括磁分流片，所述磁分流片平行于所述靶板设置在所述靶板与所述磁体组件之间，贴装在所述磁体组件的磁体上，使磁体组件产生的磁力线穿过所述磁分流片后再作用到所述靶板上。
[0016]所述平面磁控溅射靶还包括用于带走靶板上热量的水冷箱，所述水冷箱设置在所述靶板与所述磁分流片之间，所述靶板贴装在所述水冷箱上。
[0017]所述水冷箱靠近靶板的冷却面为薄壁面，水冷箱内通入冷却水时，水流压力使所述冷却面发生形变鼓起而与所述靶板紧贴。薄壁的冷却面有利于更快的导走靶板上的热量。
[0018]所述水冷箱的进水管的出水口为扁口，且朝向靶板方向，使水流呈扇形快速喷向所述靶板方向。
[0019]所述平面磁控溅射靶还包括靶座，所述靶板边缘绝缘固定在所述靶座的前端，所述靶座将靶板后方的水冷箱、磁分流片、磁体组件包容其中。
[0020]现有技术中平面磁控溅射靶在靶板前产生一圈椭圆形溅射轨道，是基于其靶板后方靶座内磁体呈“山”字形排列的磁体组件，它在靶板前方形成拱形磁力线，将二次电子约束在拱形隧道内，维持气体的辉光放电和靶材的溅射，拱形隧道顶部附近约束电子的能力最强，所以放电和溅射也最强，形成较窄的刻蚀区和V型刻蚀沟。上述磁场结构的设计原理经典合理，但采用单个椭圆形溅射轨道，没有充分利用靶板表面进行溅射，本实用新型在靶板上形成两个以上的圆形或椭圆形溅射轨道，采用小尺寸的椭圆形溅射轨道或圆形溅射轨道在同样面积靶板上密集排布的方式，扩大靶板的有效溅射面积。
[0021]本实用新型在磁体组件前方设置磁导流片，它是一块薄铁片，可以改变从磁极发出的磁力线的走向，目的是扩宽展平靶板上拱形磁力线的拱顶。当从磁极出来的磁力线遇到磁导流片时，部分磁力线进入磁导流片到另一磁体的磁极，而过饱和的大部分磁力线仍穿出所述磁导流片，在靶板上形成稍低矮具有较平坦拱顶的拱形。较平坦拱顶的磁力线在较大范围内有相对较强的约束二次电子能力，从而形成更大范围较均匀溅射区，使V形刻蚀沟沟底得到展平，减慢靶板被刻蚀穿透的速度，从而提高靶材的利用率。
[0022]相比于现有技术，本实用新型具有如下有益效果:I)本实用新型平面磁控溅射靶，采用多个小尺寸的椭圆形或圆形溅射轨道在靶板上密集排布的方案，相比于现有技术中，平面磁控溅射靶只有一个大椭圆形溅射轨道的方案，可扩大靶板的溅射面积和刻蚀面积，提高靶材的利用率:从一段等高度的靶板的溅射面积来看，现有技术中主要是采用两段竖立的溅射轨道来发射等离子体，而本实用新型在同一段高度的靶板上，排列着多于小椭圆形的溅射轨道，溅射轨道总面积大，发射出的等离子体量多，等离子体浓度较高，有利于加快镀层的沉积速度，加强镀层的致密性，改善镀层的质量；
[0023]2)本实用新型采用磁分流片以获得具有较平坦的拱顶的磁力线，有利于展平V形刻蚀沟的沟底，减缓靶板被刻蚀穿透的速度，从而提高靶板的利用率；另外，由于本实用新型溅射轨道面积较大，V形刻蚀沟的沟底由于被展平而变得宽阔，所以，溅射产生的热量较为分散，有利于降低靶面温度和辐射热，也有利于冷却水及时带走靶面上的热量，从而有利于对较低熔点的工件作低温沉积;另外，溅射轨道面积增大，V形刻蚀沟变平坦，有利于使工件的镀层均匀性更好；
[0024]3)本实用新型采用高速水流冷却措施，加强了对靶板的冷却效果，有利于放松靶板温度对靶板电流的限制，以便加大靶流从而进一步增大等离子体的发射浓度；
[0025]4)现有技术中主要由两段竖立的溅射轨道发射等离子体，对被镀工件沉积粒子的入射角相对单一，本实用新型在同一高度的靶板上排列有多个椭圆的或圆形的溅射轨道，溅射轨道竖着的、横着的、上弯弧形的、下弯弧形的都有，相对于被镀工件，沉积粒子来自四面八方，具有不同的入射角，对于异形工件有利于使沉积的镀层更加均匀，挠射能力更好。
【附图说明】
[0026]图1为本实用新型具体实施例的多溅射轨道平面磁控溅射靶磁体的排布结构示意图；
[0027]图2为本实用新型具体实施例的多溅射轨道平面磁控溅射靶靶板上的溅射轨道结构示意图；
[0028]图3为本实用新型具体实施例的多溅射轨道平面磁控溅射靶的A-A剖面图；
[0029]图4为有磁分流片时拱形磁力线的结构示意图；
[0030]图5为无磁分流片时拱形磁力线的结构示意图；
[0031 ]衔铁I，磁体2，环上的磁体2-1，环中部的磁体2-2，磁分流片3，水冷箱4，靶板5，磁力线6，靶座8，辉光放电溅射区9，辉光放电溅射区外边沿9-1，辉光放电溅射区内边沿9-2。
【具体实施方式】
[0032]本实施例的平面磁控溅射靶为矩形平面磁控溅射靶，它的磁体组件中的磁体2-1、2-2排布结构如图1所示(图1只显示了平面磁控溅射靶的一部分)，磁体2-1、2_2通过其一端磁极安装在衔铁(下文讲到)上，另一端磁极指向靶板(下文讲到)。图示磁体2-1、2-2在衔铁上组成六个方形环，六个方形环组成一个3*2的网格(该处只显示了一部分，实际的平面磁控溅射靶形成更多网格)，相邻的方形环具有一条公共边，如图1所示。各方形环上相邻的磁体2-1连在一起，以形成一个磁体。各方形环中部也设置有一个磁体2-2，各方形环中部的磁体2-2与其所在方形环的各边上的磁体2-1均不相交。所有方形环上的磁体2-1的极性相同，都为N极，且与方形环中部的磁体2-2的极性相反，它们为S极。
[0033]图2为图1中磁体组件在靶板5上形成的溅射轨道的结构示意图，如图所示，不同于现有技术中，仅只有一个围绕靶板边缘的大椭圆形溅射轨道，本实用新型采用多个小尺寸的椭圆形溅射轨道在靶板5上密集排布的方案，每个方形环在靶板5上形成一个小尺寸的椭圆形溅射轨道，有利于扩大总的溅射面积和刻蚀面积，提高靶材的利用率，还有利于靶板5的散热，同时，因为溅射面积增大了，发射的等离子体浓度较高，镀层的沉积速度、致密性和均匀性都可以得到改善。
[0034]图3为本实用新型具体实施例的多溅射轨道平面磁控溅射靶的A-A剖视图，图1中A-A仅用于指示剖切位置，图3没有局限在图1中所示的结构。由图3可以看到本实施例的平面磁控溅射靶的其它部件的结构，如图所示，本实施例的平面磁控溅射靶主要由靶板5、磁体组件(由衔铁I及安装在衔铁I上的磁体2-1、2-2构成)、磁分流片3、水冷箱4、靶座(未画出)构成。磁体组件安装在靶板5后方(后方对应图3中的下方)，磁分流片4平行于靶板5设置在靶板5与磁体组件之间，贴装在磁体组件的磁体2-1、2-2上，使磁体组件产生的磁力线穿过磁分流片3后再作用到靶板5上，水冷箱4设置在靶板5与磁分流片3之间，靶板5贴装在水冷箱4上，边缘绝缘固定在靶座的前端，靶座将靶板5后方的水冷箱4、磁分流片3、磁体组件包容其中。
[0035]本实用新型除改变现有平面磁控溅射靶溅射轨道的设计外，还加设了磁分流片3，它是一块薄铁片，磁体2-2、2-2前端的磁力线少部分进入该磁分流片3内，而大部分过饱和磁力线仍然穿过磁分流片3，在靶板5前方形成由拱形磁力线构成的溅射轨道。由于磁分流片3的影响，上述拱形磁力线形状发生了变化，如图4、5所示，设置磁分流片3后，拱形磁力线6的跨度变大，拱顶变得平坦，这就使得平面磁控溅射靶的溅射轨道得到进一步增大，同时也使得V形刻蚀沟的沟底得到展平，从而更好的提升靶材的利用率。
[0036]传统设计的磁体组件是浸泡在冷却水流中的，磁体组件长期浸泡在水冷箱4内工作，磁体会被腐蚀粉化，磁力降低，粉化的磁粉也会造成冷却水道堵塞。本实用新型的水冷箱4独立于磁体组件设置，有利于保持磁体的性能，也有利于保持水冷箱4内部的清洁度，减少水冷箱4堵塞故障的发生。
[0037]本实用新型水冷箱4为由铜板制成的扁平状箱体，其靠近靶板的冷却面为薄壁面，其壁面薄到内部水流的压力足以使其变形鼓起从而压贴在靶板上，薄壁冷却面的设计有利于靶板热量更好的传导到水冷箱4。水冷箱4的进水管(未画出)的出水口为扁口，且朝向靶板方向，使水流呈扇形快速喷向靶板方向，让冷却水有效地带走靶板上传导来的热量。
[0038]不同于现有技术中厚壁的水冷箱和圆管状的进水管的设计，本实用新型水冷箱比传统水冷箱导热量高一倍以上。
[0039]矩形平面磁控溅射靶上也能形成多个密排的小尺寸的圆形溅射轨道，其磁体组件可如下设计，在衔铁上设置多个磁环，让它们沿靶板的宽度、高度方向紧密排列，并在每个圆环中部设置一个圆柱形磁体，其它结构与上述矩形平面磁控溅射靶基本相同，即可在矩形平面磁控溅射靶的靶板上形成多个圆形溅射轨道。
【主权项】
1.一种多溅射轨道的平面磁控溅射靶，包括靶板、磁体组件，所述磁体组件安装在所述靶板后方，其特征在于，所述磁体组件中磁体的布置结构使其在所述靶板的靶面上形成两个以上的椭圆形或圆形溅射轨道。2.根据权利要求1所述的多溅射轨道的平面磁控溅射靶，其特征在于，所述磁体组件由衔铁和多个磁体组成，所述磁体通过其一端磁极安装在所述衔铁上，另一端磁极指向所述靶板； 所述磁体在所述衔铁上组成两个以上的环，各环上相邻的磁体连在一起，各环中部也设置有所述磁体，各环中部的所述磁体与其所在环的各边上的磁体均不相交，所有环上的磁体的极性相同，且与环中的所述磁体的极性相反。3.根据权利要求2所述的多溅射轨道的平面磁控溅射靶，其特征在于，所述平面磁控溅射靶为矩形平面溅射靶，所述环为方形环，所述方形环组成网格状，相邻的方形环具有一条公共边;或 所述平面磁控溅射靶为矩形平面溅射靶，所述环为圆环，由圆环状磁体构成，所述环中部的磁体为圆柱形磁体，所述圆环沿所述靶板的宽度、高度方向紧密排列。4.根据权利要求1?3任一项权利要求所述的多溅射轨道的平面磁控溅射靶，其特征在于，所述平面磁控溅射靶还包括磁分流片，所述磁分流片平行于所述靶板设置在所述靶板与所述磁体组件之间，贴装在所述磁体组件的磁体上，使磁体组件产生的磁力线穿过所述磁分流片后再作用到所述靶板上。5.根据权利要求4所述的多溅射轨道的平面磁控溅射靶，其特征在于，所述平面磁控溅射靶还包括用于带走靶板上热量的水冷箱，所述水冷箱设置在所述靶板与所述磁分流片之间，所述靶板贴装在所述水冷箱上。6.根据权利要求5所述的多溅射轨道的平面磁控溅射靶，其特征在于，所述水冷箱靠近靶板的冷却面为薄壁面，水冷箱内通入冷却水时，水流压力使所述冷却面发生形变鼓起而与所述靶板紧贴。7.根据权利要求6所述的多溅射轨道的平面磁控溅射靶，其特征在于，所述水冷箱的进水管的出水口为扁口，且朝向靶板方向，使水流呈扇形快速喷向所述靶板方向。8.根据权利要求7所述的多溅射轨道的平面磁控溅射靶，其特征在于，所述平面磁控溅射靶还包括靶座，所述靶板边缘绝缘固定在所述靶座的前端，所述靶座将靶板后方的水冷箱、磁分流片、磁体组件包容其中。
【文档编号】C23C14/35GK205443437SQ201620124930
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年2月17日
【发明人】李志荣, 李志方, 罗志明
【申请人】东莞市汇成真空科技有限公司