专利名称：圆形铁磁性靶材多圆周ptf检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于PTF检测设备领域，具体涉及一种圆形铁磁性靶材多圆周PTF检 测装置。
背景技术：
电子信息技术的快速发展对磁性薄膜、磁性元器件产生了巨大需求，磁性薄膜及 磁性元器件的制备离不开原料Fe、Co、Ni等铁磁性金属及合金。作为当今镀膜的主流技术 之一，磁控溅射在沉积磁性薄膜上得到广泛应用。但磁控溅射沉积磁性薄膜存在着铁磁性 靶材(成分包括Fe、Co、Ni中一种或多种元素)难以正常溅射等问题，如难以起辉光等。原 因在于铁磁材料具有高导磁性，靶材背面的永久磁铁或电磁铁产生的磁场大部分从靶材内 部通过，很少一部分透到靶材溅射面一侧，即造成了磁屏蔽。严重的磁屏蔽将会导致靶材溅 射面的磁感应强度过小，不能满足正常溅射要求的强度，致使无法进行磁控溅射。此外，相 对于其它材料的靶材，铁磁性靶材在溅射时，靶材表面的“跑道”现象更严重。磁控溅射原 理决定了靶材表面各区域难以等速率进行溅射刻蚀，局部区域优先被溅射，通常会形成环 状“V”字刻蚀沟道，俗称“跑道”。当跑道达到一定深度，靶材将难以再使用。因此，跑道现 象降低了靶材利用率。对于铁磁性靶材，跑道处较其它区域更薄，磁力线从跑道处透出，跑 道越深，透出的磁力线越多，溅射的速率越大，最终导致跑道处越快被溅射穿，大大降低了 靶材利用率。此外，当跑道过深后，还会出现点源溅射现象，导致镀膜均勻性变差。解决铁磁性靶材以上所述问题的途径通常包括靶材设计与改进(如减小靶材厚 度)、增强源磁感应强度、设计新的磁控溅射系统等，各途径互有优缺点。当溅射系统、靶材 厚度、靶材成分等都一定的情况下，通过优化铁磁性靶材生产工艺，使其具有高的透磁能力 及透磁均勻性是靶材生产的目标，可以一定程度地降低上述问题的发生。测量铁磁性靶材 透磁及均勻性的装置及方法，美国材料与试验协会(ASTM)先后制定了标准ASTM-F2086-01 及 ASTM-F1761-00，其中 ASTM-F2086-01 在 2005 年已作废。在 ASTM-F1761-00 中，透磁 检测装置包括马蹄形永久磁铁为磁源、样品台、霍尔探头/高斯计等。其中，透磁(Pass ThroughFlux，PTF，也称漏磁)定义为磁源从检测靶材一面(接触样品台一面)透到另一面 的磁感应强度，单位为Gauss ；参考磁场定义为撤去检测靶材，保持霍尔探头高度等都不变 情况下，霍尔探头/高斯计检测到的磁感应强度，单位为Gauss ；源磁定义为样品台表面的 磁感应强度，单位为Gauss，要求达到825 士 50GauSS。PTF表示透磁，透磁率(％PTF)定义为 透磁除以参考磁场再乘以100%。可检测的靶材包括圆片状靶材(0125mm-205mm)或环形 靶材(外径127mm，内径63. 5mm)。检测过程为将检测靶材放在样品台后，手动旋转靶材分别 到0°、30°、60°……330°十二个角度处，检测各角度处的PTF、参考磁场，计算％ PTF， 评价透磁均勻性。该装置缺点表现为(1)手动操作，通常只采集1/2半径圆周上的PTF，且 采集的位置点较少，难以检测到特定位置的缺陷异常，不能全面评价靶材PTF均勻性。若增 加数据采集，劳动强度大，很难满足工业批量靶材PTF检测。(2)没有靶材固定装置，在检测 时需旋转靶材及调整霍尔探头，费时费力，且易引来各检测角度处不同心、霍尔探头位置改变等问题，造成检测条件不一致。(3)在检测时，靶材在样品台旋转，易造成靶材及样品台表 面相互擦伤。针对ASTM-F1761-00中装置的不足，专利CN200979591Y对装置进行了简化，且在 样品台上设了凹孔、校准套、定位轴承，对检测靶材进行定位；专利CN101187648A在样品台 上方安装至少两个惰轮和一个驱动轮，使靶材保持转动，且霍尔探头数据采集连接到计算 机上实现自动化采集。专利CN101206250A改进了霍尔探头固定装置。本实用新型涉及到 用于检测磁控溅射用圆形铁磁性靶材透磁(PTF)及全面评价PTF均勻性的装置及方法，可 以解决ASTM-F1761-00中装置的不足，且结构装置不同于以上专利。
发明内容本实用新型针对以上装置的不足，提供了一种圆形铁磁性靶材多圆周PTF检测装 置，可快速实现铁磁性靶材上多个圆周上的PTF数据采集，通过对考察每个圆周上的PTF数 据波动，衡量靶材整体的PTF均勻性。本实用新型的结构为在第一层平台长方形厚板底座上固定两条平行导轨、位于 两条平行导轨的中间的马蹄形永久磁铁、位于两条平行导轨外且与平行导轨平行布置的水 平数显千分尺、位于长方形厚板底座一端的竖直数显千分尺、与两条平行导轨配合的手动 平移齿轮、以及与手动平移齿轮连接的摇柄；在两条平行导轨上方设置第二层平台圆盘，在 圆盘的边缘圆周上间隔交叉固定多个限位轴承和滚动轴承、以及步进电机和蜗杆；在滚动 轴承上布置用来盛放检测靶材的第三层平台样品台，样品台的外圆涡轮与蜗杆咬合；在马 蹄形永久磁铁的正上方、第三层平台样品台的上方设置与个人计算机连接的霍尔探头/高 斯计，马蹄形永久磁铁与霍尔探头/高斯计的相对位置在PTF测试中保持不变。所述圆盘的底面通过V型滑槽与平行导轨配合，通过齿条与手动平移齿轮配合； 圆盘中间位置设置矩形孔，在平移过程中避免与马蹄形永久磁铁相撞。所述限位轴承和滚动轴承的数量相同，为3-5个，以等夹角间隔交叉方式固定。所述滚动轴承在同一圆周上，高度相同且转动方向垂直圆盘的半径。所述限位轴承在同一圆周上，且高度低于滚动轴承。所述样品台的表面上在0°、120°、240°三条半径上设有间隔为1mm的刻度线。所述样品台的表面上设有以样品台的中心为圆心，25mm直径间隔的同心圆。所述样品台的表面上在60°、180°、300°三条半径上加工有滑槽。所述霍尔探头/高斯计通过悬臂安装在固定于长方形厚板底座上的竖直数显千 分尺上。所述霍尔探头/高斯计只能沿B' -B方向运动。所述第二层平台圆盘及第三层平台样品台可整体沿平行导轨在A' -A方向上平 移。所述第三层平台样品台可沿C' -C方向旋转。所述整个装置材质主要采用非磁性材料，如A1合金、Cu合金、功能塑料，以避免对 马蹄形永久磁铁的磁场干扰。长方形厚板底座采用A1合金或Cu合金或大理石板，一方面 起到承重其它部件作用，另一方面在PTF检测过程中起到减震作用。所述个人计算机可实现PTF数据采集与样品台旋转角度实时对应，控制步进电机的转速及方向，对采集的PTF进行存储、处理，计算出PTF最大值、PTF最大值、PTF平均值、 PTF波动，绘制出多圆周的角度-PTF曲线。本实用新型的有益效果为在PTF检测过程中，霍尔探头位于马蹄形永久磁铁正 上方，两者位置固定；圆形铁磁性靶材固定在样品台上，两者无相对位移，可避免靶材及样 品台表面相互擦伤。通过平移可使霍尔探头定位在圆形铁磁性靶材任一圆周上，再通过步 进电机驱动样品台旋转，霍尔探头/高斯计即能够采集到整个圆周上各点的PTF值。采用 该实用新型涉及到装置，可实现圆形铁磁性靶材多个圆周上的PTF值快速采集，当圆周个 数增加到一定程度，即可近似为对整个铁磁性靶材PTF进行面扫描检测，全面检测靶材缺 陷异常及评价靶材PTF均勻性。此外，通过输入/输出接口技术，步进电机及霍尔探头/高 斯计与个人计算机连接，通过个人计算机控制可实现PTF数据采集与样品台旋转角度实时 对应，还可对采集的PTF数据的存储、处理，大大提高了 PTF检测效率。
图1为本实用新型整个装置的正视示意图，示意了装置由三层结构构成；图2为本实用新型整个装置的俯视示意图，示意了各部件相对位置及样品台面布 置；图3为本实用新型整个装置的第二层俯视示意图，示意了第二层各部件相对位置。图中标号101-长方形厚板底座；102-马蹄形永久磁铁；103-平行导轨；104-竖直数显千分 尺；105-水平数显千分尺；106-手动平移齿轮；107-摇柄；108-悬臂；109-霍尔探头/高斯 计；201-圆盘；202-步进电机；203-蜗杆；204-限位轴承；205-滚动轴承；206-齿条；207-V 型滑槽；301-样品台；302-刻度线；303-滑槽。
具体实施方式
本实用新型提供了一种圆形铁磁性靶材多圆周PTF检测装置，下面通过附图说明 和具体实施方式
对本实用新型做进一步说明。如图1、2、3所示，在第一层平台长方形厚板底座101上固定两条平行导轨103、位 于两条平行导轨103的中间的马蹄形永久磁铁102、位于两条平行导轨103外且与平行导轨 平行布置的样品台平移显示用水平数显千分尺105、位于长方形厚板底座101 —端的竖直 数显千分尺104、与两条平行导轨103配合的手动平移齿轮106、以及与手动平移齿轮106 连接的摇柄107。在两条平行导轨103上方设置第二层平台圆盘201，圆盘201的底面通过V型滑槽 207与平行导轨103配合，通过齿条206与手动平移齿轮106配合，实现第二层与第一层的 配合定位；圆盘201中间位置设置矩形孔，在平移过程中避免与马蹄形永久磁铁102相撞。 在圆盘201的边缘圆周上间隔交叉固定多个限位轴承204和滚动轴承205、以及步进电机 202和蜗杆203。其中，限位轴承204和滚动轴承205的数量均为3个，以60°夹角间隔交 叉方式固定；3个滚动轴承205在同一圆周上，高度相同且转动方向垂直圆盘201的半径，3 个限位轴承204在同一圆周上，且高度低于滚动轴承205。
5[0029]在滚动轴承205上布置第三层平台样品台301，通过3个限位轴承204卡位，样品 台301的外圆涡轮与蜗杆203咬合，实现第三层平台与第二层平台的配合。样品台301的表 面上在0°、120°、240°三条半径上设有间隔为1mm的刻度线302;样品台301的表面上设 有以样品台的中心为圆心，25mm直径间隔的同心圆；样品台301的表面上还在60°、180°、 300°三条半径上加工有滑槽303。在马蹄形永久磁铁102的正上方、第三层平台样品台301的上方设置与个人计算 机连接的霍尔探头/高斯计109，马蹄形永久磁铁102与霍尔探头/高斯计109的相对位置 在PTF测试中保持不变。所述霍尔探头/高斯计109通过悬臂108安装在固定于长方形厚 板底座101上的竖直数显千分尺104上。第二层平台圆盘201及第三层平台样品台301可整体沿平行导轨在A' -A方向上 平移；第三层平台样品台301可沿C' -C方向旋转；霍尔探头/高斯计109只能沿B' -B 方向运动。以下以①200mmX 6mm铁磁性靶材举例检测PTF过程及评价PTF均勻性的方法(1)将铁磁性靶材批号、编号、厚度、材质等信息输入个人计算机控制软件操作界 面，且由个人计算机控制样品台301的旋转以及采集霍尔探头/高斯计109检测的数据。(2)将样品台301向左平移远离马蹄形永久磁铁302，避免固定靶材过程中马蹄形 永久磁铁的吸引作用。将①200mmX6mm靶材置于样品台301上，靶材“0点”(可在靶材外 圆某点标记，以便于定位)与样品台0°半径重合，借助样品台的刻度线302及同心圆使靶 材中心与样品台同心，用锁紧螺钉顶紧靶材外圆。在PTF检测过程，样品与靶材无相对位 移，避免相互间的擦伤。(3)平移样品台301，使靶材中心位于霍尔探头109正下方；通过竖直数显千分尺 104调整霍尔探头高度，使霍尔探头底端靠近靶材表面但不接触靶面，以避免检测过程中损 坏，固定间距为0. 5mm，此时马蹄形永久磁铁102两磁极中心、样品台301圆心、霍尔探头 109位于同条竖直线上，并调整霍尔探头角度，使马蹄形永久磁铁102两磁极间磁力线垂直 穿过横向霍尔片。然后通过悬臂108上的锁紧螺钉将霍尔探头高度固定，在后续PTF检测 及同一厚度批量靶材检测时，不需调整霍尔探头高度，从而保持了检测条件的严格一致性。(4)平移样品台301到样品50mm直径处，通过水平数显千分尺105上的锁紧螺钉 将样品台301固定在该直径处，避免在样品台301旋转过程中发生A' -A方向上的移动。 选择适当的旋转角速度，启动软件磁化按钮，靶材随样品台301自动逆时针旋转5圈(也可 顺势针，但磁化和PTF检测应一致)，完成铁磁性靶材磁化处理。启动PTF测量按钮，靶材逆 时针旋转一周，计算机自动存储下靶材每个角度位置所对应PTF值，计算出最大PTF值、最 小PTF值、PTF波动，并绘制出角度-PTF值坐标曲线呈现给操作员，并且可通过相应链接， 调出相应的参考磁场值，绘制出角度_PTF%坐标曲线。同时，采集的PTF数据间隔0-30° 可调，采集的PTF数据连续性强，可针对角度-PTF值曲线上的异常点，在靶材上一一对应， 以便发现缺陷、异常。(5)打开数显千分尺105上的锁紧螺钉，将样品台301沿A' _A方向上向左平移 到样品直径100mm处并固定。启动PTF测量按钮，同样可以自动采集下直径100mm圆周的 PTF 值。(6)重复步骤⑷和(5)，可以进行靶材其它圆周的PTF自动采集，快速高效，得到多个圆周上PTF数据。当圆周个数增加到一定程度(如10mm直径间隔)，可达到近似为对 整个铁磁性靶材PTF进行面扫描检测，实现全面检测靶材缺陷异常及评价靶材PTF均勻性。 通过步骤(4)_(6)采集到的数据进行汇总，将各直径对应的角度-PTF值曲线在一 软件界面显示，呈现在操作员面前。
权利要求一种圆形铁磁性靶材多圆周PTF检测装置，其特征在于，在第一层平台长方形厚板底座(101)上固定两条平行导轨(103)、位于两条平行导轨(103)的中间的马蹄形永久磁铁(102)、位于两条平行导轨(103)外且与平行导轨平行布置的水平数显千分尺(105)、位于长方形厚板底座(101)一端的竖直数显千分尺(104)、与两条平行导轨(103)配合的手动平移齿轮(106)、以及与手动平移齿轮(106)连接的摇柄(107)；在两条平行导轨(103)上方设置第二层平台圆盘(201)，在圆盘(201)的边缘圆周上间隔交叉固定多个限位轴承(204)和滚动轴承(205)、以及步进电机(202)和蜗杆(203)；在滚动轴承(205)上布置第三层平台样品台(301)，样品台(301)的外圆涡轮与蜗杆(203)咬合；在马蹄形永久磁铁(102)的正上方、第三层平台样品台(301)的上方设置与个人计算机连接的霍尔探头/高斯计(109)，马蹄形永久磁铁(102)与霍尔探头/高斯计(109)的相对位置在PTF测试中保持不变。
2.根据权利要求1所述的一种圆形铁磁性靶材多圆周PTF检测装置，其特征在于，所述 圆盘(201)的底面通过V型滑槽(207)与平行导轨(103)配合，通过齿条(206)与手动平 移齿轮(106)配合；圆盘(201)中间位置设置矩形孔。
3.根据权利要求1所述的一种圆形铁磁性靶材多圆周PTF检测装置，其特征在于，所述 限位轴承(204)和滚动轴承(205)的数量相同，为3-5个，以等夹角间隔交叉方式固定。
4.根据权利要求3所述的一种圆形铁磁性靶材多圆周PTF检测装置，其特征在于，所述 滚动轴承(205)在同一圆周上，高度相同且转动方向垂直圆盘(201)的半径。
5.根据权利要求3所述的一种圆形铁磁性靶材多圆周PTF检测装置，其特征在于，所述 限位轴承(204)在同一圆周上，且高度低于滚动轴承(205)。
6.根据权利要求1所述的一种圆形铁磁性靶材多圆周PTF检测装置，其特征在于，所述 样品台(301)上设有刻度线(302)。
7.根据权利要求1所述的一种圆形铁磁性靶材多圆周PTF检测装置，其特征在于，所述 霍尔探头/高斯计(109)通过悬臂(108)安装在固定于长方形厚板底座(101)上的竖直数 显千分尺(104)上。
8.根据权利要求7所述的一种圆形铁磁性靶材多圆周PTF检测装置，其特征在于，所述 霍尔探头/高斯计(109)只能沿B' -B方向运动。
专利摘要本实用新型属于PTF检测设备领域，具体涉及一种圆形铁磁性靶材多圆周PTF检测装置。其结构主要包括做为磁源的马蹄形永久磁铁，既能平移又能旋转的样品台，与马蹄形永久磁铁位置相对固定且能竖直移动的霍尔探头/高斯计，控制样品台旋转及进行PTF数据存储处理的个人计算机。在检测过程中，圆形铁磁性靶材固定在样品台上，通过样品台平移，可使霍尔探头定位在圆形铁磁性靶材任一圆周上，再经样品台旋转，即能够采集到整个圆周上各点的PTF值。因此，采用该装置，可采集到圆形铁磁性靶材多个圆周上的PTF值，当圆周个数增加到一定程度，即可近似为对整个铁磁性靶材PTF进行面扫描检测，全面检测靶材缺陷异常及评价靶材PTF均匀性。
文档编号G01R33/10GK201600443SQ20092035067
公开日2010年10月6日 申请日期2009年12月28日 优先权日2009年12月28日
发明者丁照崇, 万小勇, 范亮, 董亭义, 蒋宇晖 申请人:北京有色金属研究总院;有研亿金新材料股份有限公司