磁控溅射镀膜阴极装置.pdf

本发明涉及一种磁控溅射镀膜阴极装置，包括靶筒和位于所述靶筒内的磁棒管材，所述靶筒包括靶材内筒和覆盖在所述靶材内筒外表面的溅射靶材，所述磁棒管材内部安装有提供溅射用磁场的磁铁并设有冷却水通道，所述冷却水通道包括进水通道、多个在磁场区附近沿磁棒管材长度方向分布的出水孔、回水孔及回水通道。通过在磁棒管材的溅射区附近表面设置多个出水孔，冷却水可以从进水通道通过出水孔均匀喷射到靶材内筒，相比传统的单端进水冷却，冷却水在长度方向上的冷却效果更均匀，旋转阴极磁棒管材沿长度方向上的磁场强度变化很小，溅射靶材在长度方向上温差很小，从而使镀膜均匀性得到显著提高。

1.  一种磁控溅射镀膜阴极装置，包括靶筒和位于所述靶筒内的磁棒管材，所述靶筒包括靶材内筒和覆盖在所述靶材内筒外表面的溅射靶材，所述磁棒管材内部安装有提供溅射用磁场的磁铁并设有冷却水通道，其特征在于，所述冷却水通道包括进水通道、回水通道、多个在磁场区附近沿磁棒管材长度方向分布的出水孔及在所述磁棒管材出水孔反向设置的回水孔；冷却水从磁棒管材内部的一端进入所述进水通道通过多个出水孔喷射到靶材内筒，再沿靶材内筒内壁流入所述回水孔从所述回水通道流出。

2.  如权利要求1所述的磁控溅射镀膜阴极装置，其特征在于，所述磁棒管材中设有磁铁座，所述磁铁安装在所述磁铁座上，所述磁铁座底面连接有多个可伸缩的连接杆，所述连接杆的一端与所述磁铁座连接，另一端通过固定块固定在所述磁棒管材上。

3.  如权利要求2所述的磁控溅射镀膜阴极装置，其特征在于，所述冷却水通道包括两个进水通道和两个回水通道，所述两个进水通道和两个回水通道分别在所述连接杆两侧对称设置。

4.  如权利要求1所述的磁控溅射镀膜阴极装置，其特征在于，所述磁棒管材内设有3个永久磁铁，所述3个永久磁铁倾斜或水平安装，位于中间的永久磁铁与两边的永久磁铁极性相反安装。

5.  如权利要求4所述的磁控溅射镀膜阴极装置，其特征在于，所述永久磁铁为钕铁硼材料或钐钴铁材料。

6.  如权利要求4所述的磁控溅射镀膜阴极装置，其特征在于，所述永久磁铁的截面形状为正方形、长方形、梯形或半圆形。

7.  如权利要求1所述的磁控溅射镀膜阴极装置，其特征在于，所述溅射靶材为金属、合金或化合物材料。

8.  如权利要求1所述的磁控溅射镀膜阴极装置，其特征在于，所述靶材内筒为不锈钢材料。

9.  如权利要求1所述的磁控溅射镀膜阴极装置，其特征在于，所述磁棒管材为不锈钢或铝合金材料。

磁控溅射镀膜阴极装置
【技术领域】
本发明涉及磁控溅射镀膜领域，尤其涉及一种磁控溅射镀膜阴极装置。
【背景技术】
磁控溅射镀膜工艺所使用的阴极按结构形状分成平面阴极和旋转阴极，由于旋转阴极的靶材利用率高、可加载的电功率大等优点，旋转阴极的使用越来越广泛。旋转阴极的靶材和靶材内筒固定在一起成为一个整体，一般简称为靶筒，在阴极工作时靶材旋转，磁棒固定不动位于靶筒的中心，从而磁棒提供固定的、稳定的磁场，使得溅射能稳定、持续的发生，靶材表面能够均匀刻蚀。
在溅射工艺过程中，大部分能量转变成热量，因此需要对真空室、阴极等部件进行水冷却。但传统的磁控溅射镀膜阴极装置都采用单端进水冷却，冷却水从一端流入，再从另一端流出，出口冷却水和入口冷却水的温差可达20℃，长时间工作，永久磁铁和靶材两端的温度差也可达20℃，从而磁棒沿长度方向上的磁场强度变化较大，磁场不均匀，根据磁控溅射原理，氩离子轰击靶材表面的原子而形成薄膜，如果靶材温度低，原子需要更多的轰击动能才能溅射出来，因此靶材两端温度的不同会造成薄膜的厚度不均匀，从而影响镀膜的均匀性。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种能显著提高镀膜均匀性的磁控溅射镀膜阴极装置。
一种磁控溅射镀膜阴极装置，包括靶筒和位于所述靶筒内的磁棒管材，所述靶筒包括靶材内筒和固定在所述靶材内筒外表面的溅射靶材，所述磁棒管材内部安装有提供溅射用磁场的磁铁并设有冷却水通道，所述冷却水通道包括进水通道、回水孔、回水通道及多个在磁场区附近沿磁棒管材长度方向分布的出水孔，冷却水从磁棒管材内部的一端进入所述进水通道通过多个出水孔喷射到靶材内筒，再沿靶材内筒内壁流入所述回水孔从所述回水通道流出。
优选的，所述磁铁安装在磁铁座上，所述磁铁座底面连接有多个可伸缩的连接杆，所述连接杆的一端与所述磁铁座连接，另一端通过固定块固定在所述磁棒管材上。
优选的，所述冷却水通道包括两个进水通道和两个回水通道，所述两个进水通道和两个回水通道分别在所述连接杆两侧对称设置。
优选的，所述磁棒管材内设有3个永久磁铁，所述3个永久磁铁倾斜或水平安装，位于中间的永久磁铁与两边的永久磁铁极性相反安装。
优选的，所述永久磁铁为钕铁硼材料或钐钴铁材料。
优选的，所述永久磁铁的截面形状为正方形、长方形、梯形或半圆形。
优选的，所述溅射靶材为金属、合金或化合物材料。
优选的，所述靶材内筒为不锈钢材料。
优选的，所述磁棒管材为不锈钢或铝合金材料。
通过在磁棒管材的溅射区附近表面设置多个出水孔，冷却水可以从进水通道通过出水孔均匀喷射到靶材内筒，相比传统的单端进水冷却，冷却水在长度方向上的冷却效果更均匀，旋转阴极磁棒管材沿长度方向上的磁场强度变化很小，溅射靶材在长度方向上温差很小，从而使镀膜均匀性得到显著提高。
同时，磁铁固定在可伸缩的连接杆上，可以通过调节连接杆来调整磁铁距溅射靶材表面的距离，使初始安装好的旋转阴极溅射靶材表面的磁场强度是均匀，进一步提高了镀膜的均匀性。
【附图说明】
图1为磁控溅射镀膜阴极装置的截面图。
图2为磁控溅射镀膜阴极装置冷却水循环及磁力线截面示意图。
【具体实施方式】
下面主要结合附图说明磁控溅射镀膜阴极装置(以下简称旋转阴极)的结构。通过对溅射区域进行均匀冷却，靶材两端没有温差，溅射过程中磁场稳定，可以使镀膜厚度均匀。
如图1所示为磁控溅射镀膜阴极装置的截面图，该磁控溅射镀膜阴极装置包括靶筒10和磁棒管材20。靶筒10为筒状结构，包括溅射靶材110和靶材内筒120，溅射靶材110均匀覆盖在靶材内筒120上，并与靶材内筒120构成一个整体。
磁棒管材20位于靶筒10内，磁棒管材20内部安装有磁铁210并设有冷却水通道220。磁铁210提供溅射用磁场，如图2所示的两个闭环磁场，旋转阴极工作时，氩离子等垂直于磁力线运动并刻蚀溅射靶材110表面。
优选的，磁铁210包括3个永久磁铁，可以为钕铁硼材料或钐钴铁材料；永久磁铁的截面形状可以是正方形、长方形、梯形或半圆形等。为了使永久磁铁的N极、S极形成的磁力线能在溅射靶材110表面形成两个相互倾斜的闭环磁场，永久磁铁可以倾斜安装，也可以水平安装，位于中间的永久磁铁与两边的永久磁铁极性相反安装，如图2所示。在等离子溅射区，磁场约束溅射用的氩离子轰击溅射靶材110表面，将溅射靶材110表面的原子撞击出来，沉积在基材表面而形成薄膜。
磁铁210安装在具有导磁性的磁铁座212上，优选的磁铁座212为电工纯铁材质。磁铁座212的底面连接有多个可伸缩的连接杆214，连接杆214的一端与磁铁座212相连，另一端通过固定块216固定在磁棒管材20上。安装在同一个旋转阴极上的形状相同的永久磁铁的初始剩磁是基本相同的，因此溅射靶材110表面磁场强度的均匀性与永久磁铁距溅射靶材110表面的距离相关。通过调节连接杆214来调整永久磁铁距溅射靶材110表面的距离，使初始安装好的旋转阴极溅射靶材110表面的磁场强度是均匀的。
冷却水通道220沿磁棒管材20的长度方向沿伸，将冷却水与磁铁210等设备隔离，包括进水通道222、出水孔224、回水孔226和回水通道228。冷却水从磁棒管材20内部的一端进入进水通道222，磁棒管材20在沿长度方向溅射区表面设有多个出水孔224，冷却水从进水通道222沿着出水孔224喷射到靶材内筒120，直接冷却溅射区域附近的靶材内筒120，冷却效果均匀。
由于磁棒管材20与靶筒10内壁之间的距离很小，冷却水在磁棒管材20长度方向上很难流动，故在磁棒管材20的出水孔224反向设有回水孔226，磁棒管材20与靶筒10之间的冷却水可以沿靶筒10的内壁流到回水孔226，从回水通道228流出，如图2所示。
冷却水在沿靶筒10的长度方向上均匀冷却，效果更好，从而旋转阴极磁棒管材20沿长度方向上的磁场强度变化很小，磁场强度偏差小于2％，进而使镀膜厚度均匀性得到提高。
在优选的实施方式中，冷却水通道220包括两个进水通道222和两个回水通道228，两进水通道222和两回水通道228分别在连接杆214两侧对称分布。
通过在磁棒管材的溅射区附近表面设置多个出水孔，冷却水可以从进水通道均匀喷射到靶材内筒，相比传统的单端进水冷却，冷却水在长度方向上冷却效果更均匀，旋转阴极磁棒管材沿长度方向上的磁场强度变化很小，靶材在长度方向上温差很小，从而使镀膜均匀性得到显著提高。
同时，磁铁固定在可伸缩的连接杆上，可以通过调节连接杆来调整磁铁距溅射靶材表面的距离，使初始安装好的旋转阴极溅射靶材表面的磁场强度是均匀，进一步提高了镀膜的均匀性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。