非平衡磁控溅射电极及系统的利记博彩app
【专利摘要】本发明提供一种非平衡磁控溅射电极及系统，该电极包括阳极、阴极和背板，其中阳极与阴极对应与电源的正负极连接，背板包括弧面以及位于弧面两侧的两平面，背板通过平面固定在阴极的正面上，在阴极内埋设有位于平面下方且与平面垂直的一对磁极，该对磁极中两磁极与弧面对称轴的距离相等，且极性相反，磁场强度不同。本发明通过在非平衡磁控溅射电极的阴极上只设置两个磁极，并使固定在阴极正面的背板的弧面与两个磁极形成的弧形的非平衡磁力线平行，可以使阴极表面形成一个正交的弧形电子阱，从而使阴极表面形成一个呈弧形均匀的等离子体区域，由此可以使靶材的溅射区域均匀分布，从而使得溅射速率和靶材的利用率显著提高。
【专利说明】
非平衡磁控溅射电极及系统
技术领域
[0001]本发明属于薄膜或涂层制备技术领域，具体涉及一种非平衡磁控溅射电极及系统。
【背景技术】
[0002]磁控溅射效应是一种通过环绕在阴极靶表面工作低气压气体辉光放电的方式而产生沉积到衬底上所需要的离子或原子物质。来自于阴极靶表面的离子、原子及原子团等物质通过阴极靶表面的电磁场正交的电子阱后，沉积到衬底表面，从而形成致密薄膜/涂层。磁控溅射可以通过增加磁场强度或电场强度来增强辉光放电的效应，增加的磁场强度直接导致磁力线捕获的电子增加行程，增加与其它原子碰撞的机会，增强等离子体的离化率。同时，增加电场强度同样可以增加辉光放电的效率。
[0003]近年来，非平衡磁控溅射沉积技术取得了极大的进展。然而，目前的磁控溅射技术都是基于Window型非平衡磁控阴极发展而来，这种磁控阴极存在一种明显的缺陷，既是阴极正面的电子阱仅仅限制离子轰击到跑道区域，整个非平衡阴极正面的等离子体分布呈非均匀分布，直接导致靶材的利用率低和溅射速率低。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种非平衡磁控溅射电极及系统，以解决目前非平衡磁控溅射技术存在的靶材利用率和溅射速度较低的问题。
[0005]根据本发明实施例的第一方面，提供一种非平衡磁控溅射电极，包括阳极、阴极和背板，其中所述阳极与所述阴极对应与电源的正负极连接，所述背板包括弧面以及位于所述弧面两侧的两平面，所述背板通过所述平面固定在所述阴极的正面上，在所述阴极内埋设有位于所述平面下方且与所述平面垂直的一对磁极，该对磁极中两磁极与所述弧面对称轴的距离相等，且极性相反，磁场强度不同大小不同。
[0006]在一种可选的实现方式中，所述阴极包括靶座和磁轭，所述靶座固定在所述磁轭上，在所述靶座内埋设有位于所述平面下方且与所述平面垂直的该对磁极，且该对磁极垂直设置在所述磁轭上。
[0007]在另一种可选的实现方式中，所述阳极包括阳极匡，所述阳极匡的一端通过绝缘板固定在所述磁轭上。
[0008]在另一种可选的实现方式中，所述电极还包括一对导磁板，该对导磁板中的两导磁板间隔设置在所述阴极正面的两侧，且相对于所述弧面对称轴对称，并与所述磁极平行。
[0009]在另一种可选的实现方式中，在所述阴极内开设有位于所述弧面下方的冷却池，所述冷却池通过冷却管与冷水机连接。
[0010]在另一种可选的实现方式中，所述背板与所述阴极之间设置有密封圈。
[0011]在另一种可选的实现方式中，该对磁极形成的最短弧形磁力线在所述阴极的弧面上，以构成完全正交的电磁场。
[0012]根据本发明实施例的第二方面，还提供一种非平衡磁控溅射系统，包括真空室、样品架以及上述非平衡磁控溅射电极，所述样品架设置在所述真空室内且位于所述非平衡磁控溅射电极的下方，所述非平衡磁控溅射电极的弧面朝所述真空室内的中心轴平行设置，且阳极与所述真空室连接。
[0013]在一种可选的实现方式中，所述非平衡磁控溅射电极中阴极等间距分布在所述真空室内壁并处于同一水平面上。
[0014]在另一种可选的实现方式中，相邻非平衡磁控溅射电极中相邻磁极的极性相反。
[0015]本发明的有益效果是:
[0016]1、本发明通过在非平衡磁控溅射电极的阴极上只设置两个磁极，并使固定在阴极正面的背板的弧面与两个磁极形成的弧形的非平衡磁力线平行，可以使阴极表面形成一个正交的弧形电子阱，从而使阴极表面形成一个呈弧形均匀的等离子体区域，由此可以使靶材的溅射区域均匀分布，从而使得溅射速率和靶材的利用率显著提高；
[0017]2、本发明通过在阴极正面的两侧间隔设置一对导磁板，并使该对导磁板相对于弧面对称轴对称，并与磁极平行，可以提高磁力线分布的均匀性；
[0018]3、本发明通过在阴极内开设位于背板弧面下方的冷却池，并使该冷却池通过冷却管与冷水机连接，可以对背板实现冷却，从而可以提高背板的使用寿命；
[0019]4、本发明通过使背板与阴极之间设置密封圈，可以避免冷却池中的冷却水渗透到背板，影响背板的工作性能；
[0020]5、本发明通过将非平衡磁控溅射电极等间距设置在真空室内壁，并使非平衡磁控溅射电极处于同一水平面上，且相邻非平衡磁控溅射电极中相邻磁极的极性相反，可以在真空室内构成闭合磁场，从而可以进一步增加溅射速率。
【附图说明】
[0021]图1是本发明非平衡磁控溅射电极的一个实施例结构示意图，其中左侧磁极中N极的磁场强度大于右侧磁极中S极的磁场强度；
[0022]图2是本发明非平衡磁控溅射电极的另一个实施例结构示意图，其中左侧磁极中N极的磁场强度小于右侧磁极中S极的磁场强度；
[0023]图3是图1的一个实施例俯视图；
[0024]图4是本发明非平衡磁控溅射系统的一个实施例结构示意图；
[0025]图5是图4的一个实施例俯视图；
[0026]图6是图4的另一个实施例俯视图。
【具体实施方式】
[0027]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
[0028]在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0029]参见图1，为本发明非平衡磁控溅射电极的一个实施例结构示意图。该非平衡磁控溅射电极可以包括阳极、阴极和背板104，其中所述阳极与所述阴极对应与电源的正负极连接，所述背板104包括弧面以及位于所述弧面两侧的两平面，所述背板104通过所述平面固定在所述阴极的正面上，在所述阴极内埋设有位于所述平面下方且与所述平面垂直的一对磁极103，该对磁极103中两磁极与所述弧面对称轴的距离相等，且极性相反，磁场强度不同。
[0030]本实施例中，该阴极可以包括磁轭101和靶座102，靶座102固定在磁轭101上，靶座102内埋设有位于背板104的平面下方且与该平面垂直的一对磁极103，且该对磁极103垂直设置在磁轭1I上。左磁极103的N极朝向弧面，右磁极103的S极朝向弧面，且两磁极的磁场强度大小不同，其中图1中左磁极103的磁场强度大于右磁极103的磁场强度，图2中左磁极103的磁场强度小于右磁极103的磁场强度。另外，在靶座102内可以开设有用于容纳磁极103的空腔，该空腔大小与磁极103的大小相匹配，在组装时，可以首先将磁极103放置于空腔内，再将靶座102通过螺钉106固定在磁轭101上。本发明通过在靶座内设置用于容纳磁极的空腔，可以在磁极磁力达不到预期效果时，更换磁极即可，从而可以降低非平衡磁控溅射电极的维护成本。
[0031]该阳极可以包括阳极匡113，该阳极匡113的一端可以通过绝缘板114固定在磁轭101上。本发明通过使阳极通过绝缘板固定在阴极上，可以提高非平衡磁控溅射电极的整体性，与此同时，可以保证阳极与阴极之间互不影响。另外，该电极还可以包括一对导磁板115，该对导磁板115中两导磁板115间隔设置在阴极正面(图1和图2中的顶面)的两侧，且相对于背板104的弧面对称轴对称，并与磁极103平行。本发明通过在阴极正面的两侧间隔设置一对导磁板，并使该对导磁板相对于弧面对称轴对称，并与磁极平行，可以提高磁力线分布的均匀性。其中，本实施例中该电极可以包括对称间隔设置在阳极正面两侧的一对阳极匡113，该对阳极匡113中的每个阳极匡113都可以包括两个水平段和一个竖直段，其中两个水平段分设在竖直段的两端，一个水平段可以通过绝缘板114固定在磁轭101上，导磁板115可以通过螺钉固定在竖直段面向阴极的一侧。
[0032]结合图3所示，该阴极内开设有位于背板104的弧面下方的冷却池，该冷却池可以通过入水口 107与冷水机的出水口连通，通过出水口 108与冷水机的入水口连通。由于背板固定在阴极上，因此本发明通过在阴极内开设位于背板弧面下方的冷却池，并使该冷却池通过冷却管与冷水机连接，可以对背板实现冷却，从而可以提高背板的使用寿命。另外，由于冷却水有可能从冷却池渗透到背板上，从而影响背板的工作，因此本发明通过使背板104与阴极之间设置密封圈112，可以提高背板的工作性能。
[0033]需要注意的是:阴极可以在磁轭101上设置电极接头109，以使该电极接头109与电源负极连接，其中该电源可以为直流电、中频交流电或高频交流电。阳极的阳极匡113可以与电源正极连接，且可以固定在真空室内，由此真空室通电。此外，磁极103的材质可以为NdFe35或其他强磁性材料，靶座102、磁轭101及导磁板115的材质可以为不锈钢SS430，背板104的材质可以为铜，阳极匡113的材质可以为不锈钢，绝缘板114的材质可以为陶瓷材料。
[0034]另外，该对磁极103形成的最短弧形磁力线在所述靶材118的弧面上(即该最短弧形磁力线与该弧面重叠)，以构成完全正交的电磁场。
[0035]由上述实施例可见，本发明通过在非平衡磁控溅射电极的阴极上只设置两个磁极，并使固定在阴极正面的背板的弧面与两个磁极形成的弧形的非平衡磁力线平行，可以使阴极表面形成一个正交的弧形电子阱，从而使阴极表面形成一个呈弧形均匀的等离子体区域，由此可以使靶材的溅射区域均匀分布，从而使得溅射速率和靶材的利用率显著提高。
[0036]参见图4，为本发明非平衡磁控溅射系统的一个实施例结构示意图。该非平衡磁控溅射系统可以包括真空室110、样品架111以及上述非平衡磁控溅射电极100，样品架111设置在真空室110内且位于非平衡磁控溅射电极100的下方，非平衡磁控溅射电极100的弧面朝真空室110内的中心轴平行设置，且阳极与真空室110连接。其中，非平衡磁控溅射电极100中阴极可以等间距分布在真空室110内壁并处于同一水平面上，且相邻非平衡磁控溅射电极100中相邻磁极的极性相反。如图5所示，在真空室110的内壁上设置有两个处于同一水平面的非平衡磁控溅射电极100，两个非平衡磁控溅射电极100呈180°排列，且相邻磁极的极性相反;例如，图5中上侧非平衡磁控溅射电极左侧磁极面向真空室110的极性为N极，对应于与其相邻的下侧非平衡磁控溅射电极左侧磁极面向真空室110的极性为S极。又如图6所示，在真空室110的内壁上设置有四个处于同一水平面的非平衡磁控溅射电极100，四个非平衡磁控溅射电极100呈90°排列，且相邻磁极的极性相反;例如，图6中上侧非平衡磁控溅射电极左侧磁极面向真空室110的极性为N极，对应于与其相邻的左侧非平衡磁控溅射电极上侧磁极面向真空室110的极性为S极。本发明通过将非平衡磁控溅射电极等间距设置在真空室内壁，并使非平衡磁控溅射电极处于同一水平面上，且相邻非平衡磁控溅射电极中相邻磁极的极性相反，可以在真空室内构成闭合磁场，从而可以进一步增加溅射速率。
[0037]另外，该非平衡磁控溅射系统还可以包括等离子体发生器301和初级旋转轴302，其中等离子体发生器301与真空室100连通，初级旋转轴302用于带动样品架111旋转，并与直流脉冲电源连接，以使直流脉冲电源通过初级旋转轴302向样品架111提供负向偏置电压，从而使固定在样品架111上的衬底处于负电势状态下。该非平衡磁控溅射系统中真空室100可以与真空栗303连通。
[0038]本发明通过在沉积薄膜过程中，首先采用等离子体发生器对工作气体和反应气体进行等离子体化，可以使非平衡磁控溅射阴极表面的等离子体密度显著增大，从而使得单位时间内轰击到样品架上衬底表面的等离子密度增大，由此可以提高薄膜质量;经研究发现，在沉积薄膜过程中真空室内的气压越高，沉积获得的薄膜的致密度越低，本发明由于输入到真空室的工作气体和反应气体均为等离子体，因此在沉积薄膜过程中真空室内气压较低，从而可以提高薄膜的致密度;另外，经研究发现，虽然非平衡磁控溅射阴极也能对气体进行等离子体化，但是受到工艺和材料的限制，非平衡磁控溅射阴极的等离子体化能力较低(通常在向真空室内通入气体后60%以上的气体都不能被等离子体化)；本发明通过采用等离子体发生器对工作气体和反应气体进行等离子体化，可以降低工作气体和反应气体的使用量，从而可以降低沉积薄膜的成本。
[0039]本发明通过在薄膜沉积过程中由初级旋转轴带动样品架旋转，从而带动样品架上衬底旋转，可以保证衬底上沉积的等离子体的均匀度;通过向样品架提供负向偏置电压，可以使样品架上衬底处于负电势状态下，从而可以主动吸引真空室内等离子体中的正离子轰击衬底表面，进一步提高薄膜致密度。
[0040]本发明新型非平衡磁控溅射系统可以溅射金属靶材及化合物靶材，以制备氮化物、碳化物及氧化物薄膜或涂层体系。
[0041]由上述实施例可见，本发明通过在非平衡磁控溅射电极的阴极上只设置两个磁极，并使固定在阴极正面的背板的弧面与两个磁极形成的弧形的非平衡磁力线平行，可以使阴极表面形成一个正交的弧形电子阱，从而使阴极表面形成一个呈弧形均匀的等离子体区域，由此可以使靶材的溅射区域均匀分布，从而使得溅射速率和靶材的利用率显著提高。
[0042]本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
[0043]应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
【主权项】
1.一种非平衡磁控溅射电极，其特征在于，包括阳极、阴极和背板，其中所述阳极与所述阴极对应与电源的正负极连接，所述背板包括弧面以及位于所述弧面两侧的两平面，所述背板通过所述平面固定在所述阴极的正面上，在所述阴极内埋设有位于所述平面下方且与所述平面垂直的一对磁极，该对磁极中两磁极与所述弧面对称轴的距离相等，且极性相反，磁场强度不同。2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述阴极包括靶座和磁轭，所述靶座固定在所述磁轭上，在所述靶座内埋设有位于所述平面下方且与所述平面垂直的该对磁极，且该对磁极垂直设置在所述磁轭上。3.根据权利要求2所述的电极，其特征在于，所述阳极包括阳极匡，所述阳极匡的一端通过绝缘板固定在所述磁轭上。4.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述电极还包括一对导磁板，该对导磁板中的两导磁板间隔设置在所述阴极正面的两侧，且相对于所述弧面对称轴对称，并与所述磁极平行。5.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，在所述阴极内开设有位于所述弧面下方的冷却池，所述冷却池通过冷却管与冷水机连接。6.根据权利要求5所述的电极，其特征在于，所述背板与所述阴极之间设置有密封圈。7.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，该对磁极形成的最短弧形磁力线在所述阴极弧面上，以构成完全正交的电磁场。8.—种非平衡磁控溅射系统，其特征在于，包括真空室、样品架以及权利要求1至7中任意一项所述的非平衡磁控溅射电极，所述样品架设置在所述真空室内且位于所述非平衡磁控溅射电极的下方，所述非平衡磁控溅射电极的弧面朝所述真空室内的中心轴平行设置，且阳极与所述真空室连接。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述非平衡磁控溅射电极中阴极等间距分布在所述真空室内壁并处于同一水平面上。10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，相邻非平衡磁控溅射电极中相邻磁极的极性相反。
【文档编号】C23C14/35GK105908147SQ201610533761
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】石永敬
【申请人】重庆科技学院