专利名称：大功率密度的磁控溅射阴极的制作方法
大功率密度的磁控溅射阴极[技术领域]
本发明涉及一种真空镀膜领域的磁控溅射阴极，具体说是一种大功率密度的磁控溅射阴极。[背景技术]
在工业极度进步和制造业广泛发展的今天，真空镀膜技术已经经历了近百年的发展。在国内外制造行业都有着相当广泛的应用。在国外，真空镀膜行业技术已经很成熟，先进设备的制造工艺和技术也已经相当成熟。然而在国内，真空镀膜设备制造的研究投入却是相当缺乏，技术落后，目前在国内市场上广泛使用高成本的进口机器和原料或是使用落后于西方发达企业10-15年的工艺设备进行生产，造成了巨大的资源浪费。
磁控溅射真空镀膜是一种常用的镀膜技术，在磁控溅射中，运动电子在磁场中受到洛仑兹力，在电场和洛伦兹力的共同作用下，电子会产生螺旋运动，其运动路径变长，增加了与工作气体分子碰撞的次数，使等离子体密度增大，从而磁控溅射速率得到很大的提高，在较低的溅射电压和气压下工作，降低薄膜污染的倾向；另一方面提高了入射到衬底表面的原子的能量，在很大程度上改善薄膜的质量。同时，经过多次碰撞而丧失能量的电子到达阳极时，已变成低能电子，从而不会使基片过热。因此磁控溅射法具有“高速”、“低温”的优点。
然而由于在磁控溅射电极中一般采用不均勻磁场会使靶材产生显著的不均勻刻蚀，导致靶材利用率低，一般仅为20% -30%。另外由于传统磁控溅射阴极的设计缺陷，导致磁控溅射的功率源功率较低，磁控溅射阴极存在着功率密度低下的特点。限制了磁控溅射镀膜技术的发展。
所以改善磁控溅射阴极性能，增加磁控溅射阴极的功率密度和提高磁控溅射阴极的靶材利用率对于提高磁控溅射镀膜的效率，降低镀膜的成本都有着极其重要的意义。[发明内容]
本发明为了克服现有技术的不足，提供了一种大功率密度的磁控溅射阴极，包括阴极主体，以及与阴极主体连接的同轴电缆，还包括安装在阴极主体上部的靶材，以及位于阴极主体下方的磁路系统，其特征在于；还包括一个阳极罩，所述阴极主体上开设进水槽和出水槽，并与靶材之间设有防水板，进水槽与出水槽的下方分别形成进水口和出水口，阴极主体的下方还有绝缘体，绝缘体的下方通过底板固定于阳极罩内，所述的阳极罩上方设有气路板，以及用于引入冷却水的铜管。
所述气路板上均分布有气路槽、进气孔及出气孔。
所述的同轴电缆采用机7/127-1 393型电缆线，该电缆采用7/0.79标准镀银铜作为内导体；7. 24mm聚四氟乙烯作为绝缘体；8. 71mm双层镀银铜网作为外导体；9. 91mm FEP 作为外绝缘层。
所述阴极主体采用高纯度真空无氧铜材料加工而成。
所述磁路由若干块磁铁排列拼接而成形成磁阵，磁阵下方采用高质量工业软铁 DT4作为轭铁来限制磁路。
所述绝缘体为整体的聚四氟乙烯绝缘体。
所述气路板采用316型不锈钢材料加工而成。
所述钕铁硼金属间化合物的主要成分为Ndfei4B。
所述高纯度真空无氧铜的纯度为99. 97%，氧含量不大于0. 003%，杂质总含量不大于0. 03%。
所述防水板的厚度为0. 8mm。
本发明同现有技术相比，改善磁控溅射阴极性能，增加磁控溅射阴极的功率密度和提高磁控溅射阴极的靶材利用率对于提高磁控溅射镀膜的效率，降低镀膜的成本。[
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图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中气路板的结构示意图。
参见图1和图2，1为阴极主体；2为靶材；3为磁铁；4为进水槽；5为防水板；6为阳极罩；7为气路板；8为气路槽；9为进气孔；10为出气孔；11为绝缘体；12为底板；13为同轴电缆；14出水槽；15为进水口 ；16为出水口 ；17为铜管；18为轭铁。[具体实施方式
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下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，包括阴极主体1，以及与阴极主体1连接的同轴电缆13，还包括安装在阴极主体1上部的靶材2，以及位于阴极主体1下方的磁路系统。还包括一个阳极罩6， 阴极主体1上开设进水槽4和出水槽14，并与靶材2之间设有防水板5，进水槽4与出水槽 14的下方分别形成进水口 15和出水口 16，阴极主体1的下方还设有绝缘体11，并在绝缘体 11的下方通过底板12固定于阳极罩6内，阳极罩6上方设有气路板，还设有用于引入冷却水的铜管17。
本发明的同轴电缆13采用M17/127-RG393型电缆线，该电缆采用7/0. 79标准镀银铜作为内导体、7. 24mm聚四氟乙烯作为绝缘体、8. 71mm双层镀银铜网作为外导体、9. 91mm FEP作为外绝缘层，其最高耐压2. 5KV，0. OlGHz射频功率源时可传输15KW的功率。
阴极主体1使用无氧铜材经过机械加工而成，该款铜材纯度达到99. 97%，氧含量不大于0. 003 %，杂质总含量不大于0.03%。
磁路系统为若干块采用钕铁硼金属间化合物制成的磁铁3，钕铁硼金属间化合物经过热压工艺加工和机械加工后，按照设计充磁方向充磁至饱和状态。磁铁下方采用高质量工业软铁作为轭铁18限制磁路，磁铁3粘合在轭铁18上形成磁阵。
绝缘体11采用整体结构的聚四乙烯材料经过机械加工制成。该材料的耐候性能良好，能够在能在+250°C至_180°C的温度下长期工作，除熔融金属钠和液氟外，能耐其它一切化学药品。其绝缘性能不受环境及频率的影响，体积电阻可达1018 Ω . cm，介质损耗小， 击穿电压高。
本发明的磁路设计采用多排磁铁排列的方式，通过调节磁铁所处的高度和位置来调节靶材表面处的磁场强度和磁场均勻性，加宽靶材表面有效的轰击宽度以提高磁控溅射镀膜过程中的，溅射效率、镀膜均勻性和靶材利用率。
如图2所示本发明的气路板采用集成到阳极罩之中的设计方案，将气路板直接置于阳极罩的上方，直接将磁控溅射的溅射气体Ar气引入到阳极罩内，通过气路板上八个均勻分布的进气孔，在靶材表面形成一个均勻的气场分布。
以下是本发明水路设计采用直接水冷的设计方案
将溅射阴极用的冷却水通过进水口 15直接引入到靶材2的背面，在无氧铜阴极主体1靠近靶材2端的面上直接加工出一定宽度的进水槽4和出水槽14，在溅射的过程中，冷却水直接通过一层0.8mm后的防水板5对高温的靶材进行冷却。在阳极罩上，使用IOmm的薄铜管17引入冷却水对阳极罩和气路板进行冷却。
以下是本发明磁控溅射阴极的制作过程
(a)在规格为Φ 130mmX Φ IOmm的阴极主体1上加工宽度为32mm，深度为3mm的进水槽4和出水槽14，并开设进水口 15和出水口 16。
(b)加工规格为Φ 130mmX Φ 56mm的高质量聚四氟乙烯绝缘体。绝缘高度为50mm。
(c)将高质量的工业软铁D1M材料加工成型，加工后规格为Φ95πιπιΧ Φ 15mm，并按要求在轭铁19上铣出数条深度不一的方槽作为磁路的磁阵基础，达到调节磁铁高度的作用。加工结束后磁铁表面进行电镀Ni-Cu-Ni处理，并按照特定要求的方向进行充磁至饱， 随后将加工好的磁铁按要求排列在轭铁19上。
(d)在规格为Φ 148mmX Φ 5mm的316不锈钢材料上加工如图2所示的气路板，开设气路槽，气路槽的尺寸为ImmX 1mm。
(e)使用厚度为0. 8mm的黄铜板加工防水板。
(f)按设计要求分别加工阴极的阳极罩、阴极主体底板等。
(g)焊接密封口并装配阴极。
按照此款设计方案制造的平面磁控溅射阴极可以进行大功率密度的磁控溅射镀膜，常态溅射功率密度可在0W/Cm2-40W/Cm2之间可调，短时峰值溅射功率密度可达到60W/ cm2，靶材利用率达到55% -65%。经过180天工作测试，磁场无衰减，阴极性能稳定。
权利要求
1.一种大功率密度的磁控溅射阴极，包括阴极主体，以及与阴极主体连接的同轴电缆，还包括安装在阴极主体上部的靶材，以及位于阴极主体下方的磁路系统，其特征在于；还包括一个阳极罩，所述阴极主体上开设进水槽和出水槽，并与靶材之间设有防水板，进水槽与出水槽的下方分别形成进水口和出水口，阴极主体的下方还设有绝缘体，并在绝缘体的下方通过底板固定于阳极罩内，所述的阳极罩上方设有气路板，以及用于引入冷却水的铜管。
2.根据权利要求1所述的大功率密度的磁控溅射阴极，其特征在于所述气路板上均分布有气路槽、进气孔及出气孔。
3.根据权利要求1或2所述的大功率密度的磁控溅射阴极，其特征在于所述的同轴电缆采用M17/127-RG393型电缆线，该电缆采用7/0. 79标准镀银铜作为内导体；7. 24mm聚四氟乙烯作为绝缘体；8. 71mm双层镀银铜网作为外导体；9. 91mm FEP作为外绝缘层。
4.根据权利要求1或2所述的大功率密度的磁控溅射阴极，其特征在于所述阴极主体采用高纯度真空无氧铜材料加工而成。
5.根据权利要求1或2所述的大功率密度的磁控溅射阴极，其特征在于所述磁路由若干块磁铁排列拼接而成形成磁阵，磁阵下方采用高质量工业软铁DT4作为轭铁来限制磁路。
6.根据权利要求1或2所述的大功率密度的磁控溅射阴极，其特征在于所述绝缘体为整体的聚四氟乙烯绝缘体。
7.根据权利要求1或2所述的大功率密度的磁控溅射阴极，其特征在于所述气路板采用316型不锈钢材料加工而成。
8.根据权利要求5所述的大功率密度的磁控溅射阴极，其特征在于所述钕铁硼金属间化合物的主要成分为NdJe14B。
9.根据权利要求4所述的大功率密度的磁控溅射阴极，其特征在于所述高纯度真空无氧铜的纯度为99. 97 %，氧含量不大于0. 003 %，杂质总含量不大于0.03%。
10.根据权利要求1所述的大功率密度的磁控溅射阴极，其特征在于所述防水板为黄铜材料，厚度为0. 8mm。
全文摘要
本发明涉及一种真空镀膜领域的磁控溅射阴极，具体说是一种大功率密度的磁控溅射阴极，包括阴极主体，以及与阴极主体连接的同轴电缆，还包括安装在阴极主体上部的靶材，以及位于阴极主体下方的磁路系统，其特征在于；还包括一个阳极罩，所述阴极主体上开设进水槽和出水槽，并与靶材之间设有防水板，进水槽与出水槽的下方分别形成进水口和出水口，阴极主体的下方还有绝缘体，绝缘体的下方通过底板固定于阳极罩内，所述的阳极罩上方设有气路板，以及用于引入冷却水的铜管。本发明同现有技术相比，改善磁控溅射阴极性能，增加磁控溅射阴极的功率密度和提高磁控溅射阴极的靶材利用率对于提高磁控溅射镀膜的效率，降低镀膜的成本。
文档编号C23C14/35GK102560401SQ20121005388
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年3月1日
发明者李 杰, 王正安, 谭新, 郑战伟, 钱鹏亮, 韩子水 申请人:上海福宜新能源科技有限公司