一種陰極磁控濺射靶裝置的製作方法
2023-12-02 19:12:01
本發明涉及磁控濺射鍍膜設備，尤其涉及一種陰極磁控濺射靶裝置。
背景技術：
磁性材料經常採用磁控濺射鍍膜，如在以硬碟驅動器為代表的磁記錄領域，作為承擔記錄的磁性薄膜的材料，是一種採用強磁性金屬的co、fe或ni為基質的材料。
磁控濺射鍍膜是在真空腔室內，在靶材的背側安裝磁體使得在靶材的表面沿與電場垂直的方向產生閉合磁場，閉合磁場與電場交互作用，使電子在靶材表面的閉合磁場內呈螺旋狀運行。電子在運動過程中與通入真空腔室內的惰性氣體原子發生碰撞，使其電離產生正離子，正離子撞擊靶材表面，靶材表面的原子吸收正離子的動能而脫離原晶格束縛，飛向基片並在基片上沉積形成薄膜。
在磁控濺射中，非磁性材料靶的導磁率和磁通密度附圖1所示，其中101為非磁性材料，（102，104）與103是極性相反的磁體。非磁性材料導磁率小，靶材表面的磁通密度增大。在靶材表面形成較大的閉合磁場，相應地，電子的運動範圍較大，因此撞擊形成等離子體的機率增加，沉積速度也較高。
而磁性材料靶的導磁率和磁通密度附圖2所示，其中201為磁性材料，（202，204）與203是極性相反的磁體。磁性材料導磁率大，靶材表面的磁通密度減小，使得在靶材表面形成的閉合磁場很小，甚至不能在磁性靶材的放電面形成閉合磁場，相應地，電子的運動範圍較小，隨著濺射的進行，磁力線局部地集中於靶材表面，因此等離子體的擴展變小，沉積速度下降，從而濺射效率降低，同時侵蝕區域小，靶材僅小部分被濺射，靶材使用效率相對較低。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種可加強靶材表面的磁場強度、提高靶材濺射的均勻性、減少更換靶材的頻率、降低生產成本的陰極磁控濺射靶裝置。
為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案：一種陰極磁控濺射靶裝置，包括磁性靶材及設於磁性靶材背面的磁體，所述磁性靶材正面設有矩形環狀凹槽，所述磁性靶材背面設有與所述矩形環狀凹槽對應的矩形環狀凸起，所述磁體包括極性相反的中心磁體及外磁體，所述中心磁體設於所述矩形環狀凸起的中心，所述外磁體設有四塊並分設於所述矩形環狀凸起的外周。
作為上述技術方案的進一步改進：
所述矩形環狀凹槽底面與所述磁性靶材背面的距離為l且l≤4mm。
所述磁體遠離所述磁性靶材的一側設有磁軛，所述磁軛將所述中心磁體和所述外磁體的磁極連接。
所述磁軛為板狀。
所述磁性靶材背面設有靶材背板，所述靶材背板遠離所述磁性靶材的一側設有絕緣座，所述靶材背板與所述絕緣座配合形成密閉腔體，所述中心磁體、外磁體及所述磁軛均位於所述密閉腔體內，所述絕緣座設於靶基座上，所述靶基座上設有陽極罩，所述磁性靶材、靶材背板及所述絕緣座均位於所述陽極罩內。
所述密閉腔體與外部冷卻水管路連通，所述中心磁體以及與中心磁體平行布置的外磁體均通過多個磁體固定塊固定於所述磁軛上，沿冷卻水的流動方向，所述中心磁體的磁體固定塊和所述外磁體的磁體固定塊交替布置。
所述中心磁體、所述外磁體及所述磁軛表面均設有鐵氟龍塗層。
所述磁體固定塊為l型塊。
與現有技術相比，本發明的優點在於：本發明公開的陰極磁控濺射靶裝置，在磁性靶材的正面（濺射面）設置矩形環狀凹槽，在背面設置與矩形環狀凹槽對應的矩形環狀凸起，並將中心磁體設置於矩形環狀凹槽的中心，將極性與中心磁體相反的外磁體分設於矩形環狀凸起的外周，該種結構使得中心磁體與外磁體的磁路在通過磁性靶材內達到飽和狀態，從而具有足夠的磁漏，在磁性靶材的矩形環狀凹槽上方形成較強的平行磁力線，保證磁場強度，提高靶材濺射的均勻性，同時磁性靶材濺射區域具有較大的厚度，減少了更換磁性靶材的頻率，降低了生產成本。
附圖說明
圖1是非磁性材料的導磁率和磁通密度結構示意圖。
圖2是磁性材料的導磁率和磁通密度結構示意圖。
圖3是本發明陰極磁控濺射靶裝置的結構示意圖。
圖4是本發明中磁體固定塊的分布結構示意圖。
圖中各標號表示：101、磁性材料；（102、103、104、202、203、204）磁體；201、磁性材料；2、中心磁體；3、外磁體；300、磁性靶材；301、矩形環狀凹槽；302、矩形環狀凸起；4、磁軛；5、靶材背板；6、絕緣座；7、靶基座；8、陽極罩；9、密閉腔體；10、磁體固定塊。
具體實施方式
以下結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
如圖3和圖4所示，本實施例的陰極磁控濺射靶裝置，包括磁性靶材300及設於磁性靶材300背面的磁體，磁性靶材300正面設有矩形環狀凹槽301，磁性靶材300背面設有與矩形環狀凹槽301對應的矩形環狀凸起302，磁體包括極性相反的中心磁體2及外磁體3，中心磁體2設於矩形環狀凸起302的中心，外磁體3設有四塊並分設於矩形環狀凸起302的外周。其中需要說明的是，磁性靶材300正面設有矩形環狀凹槽301意味著磁性靶材300正面的中心和邊緣位置均比凹槽處厚，與之相對，磁性靶材300背面設有矩形環狀凸起302是指磁性靶材300背面的中心和邊緣位置均比凸起處薄；本實施例中，中心磁體2上端磁極為s極，外磁體3上端磁極則為n極，在其他實施例中，中心磁體2和外磁體3的極性也可進行對調，保證極性相反即可；中心磁體2和外磁體3均為釹鐵硼永磁材料。
該陰極磁控濺射靶裝置，在磁性靶材300的正面（濺射面，附圖中的上表面）設置矩形環狀凹槽301，在背面設置與矩形環狀凹槽301對應的矩形環狀凸起302，並將中心磁體2設置於矩形環狀凹槽301的中心，將極性與中心磁體2相反的外磁體3分設於矩形環狀凸起302的外周，該種結構使得中心磁體2與外磁體3的磁路在通過磁性靶材300內達到飽和狀態，從而具有足夠的磁漏，在磁性靶材300的矩形環狀凹槽301上方形成較強的平行磁力線，保證磁場強度，提高靶材濺射的均勻性，同時磁性靶材300的濺射區域具有較大的厚度，減少了更換磁性靶材300的頻率，降低了生產成本。
矩形環狀凹槽301底面與磁性靶材300背面的距離為l且l≤4mm。由於在磁性靶材300表面中與磁性靶材300表面平行的方向的磁通密度大的區域侵蝕深度深，在磁通密度小的區域侵蝕深度淺，因此l需要有一定的厚度，但是如果l大於4mm，磁場將難以從中心磁體2與外磁體3漏到磁性靶材300濺射面，作為優選的技術方案，本實施例中l=2mm，磁性靶材300的材料為鎳，長寬尺寸為470mm×115mm、厚度為16mm，矩形環狀凹槽301的寬深尺寸為30mm×4mm，矩形環狀凸起302的寬厚尺寸為30mm×10mm。
磁體遠離磁性靶材300的一側（附圖中為下側）設有磁軛4（本身不產生磁場，在磁路中只起磁力線傳輸的軟磁性材料，採用強磁體材料構成，如鐵、sus430），磁軛4將中心磁體2和外磁體3的磁極連接，可使得磁路短路，增加磁性靶材300的漏磁率，進一步增加磁場強度，提高靶材濺射的均勻性，本實施例中，磁軛4為板狀，厚度為6mm。
本實施例中，磁性靶材300背面設有靶材背板5，靶材背板5遠離磁性靶材300的一側（附圖中為下側）設有絕緣座6，靶材背板5與絕緣座6配合形成密閉腔體9，中心磁體2、外磁體3及磁軛4均位於密閉腔體9內，中心磁體2、外磁體3上下兩側分別與靶材背板5、磁軛4相接，磁軛4設於絕緣座6上，絕緣座6設於靶基座7上，靶基座7上設有陽極罩8，磁性靶材300、靶材背板5及絕緣座6均位於陽極罩8內。其中靶基座7為防鏽鋁材料，絕緣座6為聚四氟乙烯材料，靶材背板5具有固定磁性靶材300和傳導散熱的作用，採用導熱性能優良的材料，本實施例中為無氧銅，陽極罩8為1cr18ni9ti不鏽鋼材料。
由於陰極磁控靶在工作時會產生大量的熱，需要冷卻水將熱量帶走，維持永磁體和導磁體部件（具體為中心磁體2、外磁體3及磁軛4）的溫度，因此本實施例中，密閉腔體9與外部冷卻水管路（圖中未示出）連通，中心磁體2以及與中心磁體2平行布置的外磁體3均通過多個l型磁體固定塊10固定於磁軛4上，沿冷卻水的流動方向，中心磁體2的磁體固定塊10和外磁體3的磁體固定塊10交替布置。本發明採用湍流技術，工作時，冷卻水流經密閉腔體9，受到磁體固定塊10的阻礙，形成湍流，會有一定時間的停留，從而吸收足夠的熱量，有效地降低陰極磁控靶的溫度。如果冷卻水直接流過密閉腔體9，那麼帶走的熱量非常有限。其中磁體固定塊10為非磁體，如鋁、非磁體的不鏽鋼等，本實施例中為後者。
本實施例中，中心磁體2、外磁體3及磁軛4表面均設有0.2mm厚的鐵氟龍塗層進行表面防鏽處理，避免中心磁體2、外磁體3及磁軛4在高溫下被冷卻水腐蝕。
本發明的工作原理如下：
濺射靶材處於陰極負電位，空載電位為800～1200v，磁性靶材300置於鍍膜室腔壁（圖未示出）內，靶基座7為地電位，磁性靶材300的濺射面朝向需鍍膜的基片，通水冷卻，濺射室維持在一定的真空狀態下，通入定流量的工藝氣體（如ar）到腔內，從而形成規定的壓力，磁性靶材300濺射面區域產生放電並進行濺射鍍膜，利用磁性靶材300背側安裝的中心磁體2、外磁體3在磁性靶材300的正面沿與電場垂直的方向產生閉合磁場，電子在磁性靶材300表面的閉合磁場內呈螺旋狀運行，電子在運動過程中與ar氣體原子發生碰撞，使其電離產生ar+，ar+撞擊磁性靶材300表面，磁性靶材300表面的原子吸收ar+的動能而脫離原晶格束縛，飛向基片並在基片上沉積形成薄膜。放電電壓降為300至500v，放電電流為1至10a(視放電功率而定)，調節送氣流量、放電功率可控制濺射率。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍的情況下，都可利用上述揭示的技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發明技術方案保護的範圍內。