磁控濺射鍍膜機的永磁槍靶裝置的製作方法

2023-05-14 14:27:16 3

專利名稱：磁控濺射鍍膜機的永磁槍靶裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁控濺射鍍膜機，特別是一種磁控濺射鍍膜機的永磁槍靶裝置，為磁控濺射鍍膜機的核心部分。
背景技術：
目前，公知的磁控濺射鍍膜機主要由真空系統，磁控濺射槍靶裝置，基片控制系統組成。磁控濺射槍靶裝置由陰陽電極，磁鐵部件，濺射靶材和冷卻迴路構成。電子在電場作用下，加速飛向基片的過程中與氬原子發生碰撞。若電子具有足夠的能量時，則電離出Ar+並產生電子。電子飛向基片，Ar+在電場作用下加速飛向陰極(濺射靶)並以高能量轟擊濺射靶的表面，使靶材產生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，即完成鍍膜。
目前的永磁型磁控濺射槍靶裝置，磁場都是僅由一對N，S極磁鐵部件產生，對小尺寸基片鍍膜可以達到均勻性要求，但是對超大尺寸基片鍍膜就有困難，並且靶材利用率低。另外，由於濺射過程中，磁控濺射槍靶裝置會產生熱量，因此採取了冷卻措施。目前，主要為循環水冷卻。這就導致了與冷卻水接觸的部件，尤其是磁鐵的迅速腐蝕，使磁鐵的磁性衰退加速，造成磁場強度在工作中衰減嚴重，影響了磁控濺射鍍膜系統的穩定性。

發明內容
本發明的目的是為了鍍制超大尺寸的基片，克服上述現有技術的不足，提供一種磁控濺射永磁槍靶裝置，該裝置應有效地提高濺射粒子分布的均勻性和濺射靶材的利用率，延長磁鐵的壽命，提高磁場穩定性，從而提高磁控濺射槍靶系統的性能。
本發明的技術解決方案如下一種磁控濺射鍍膜機的永磁槍靶裝置，包括濺射靶材陰極、陽極及磁鐵部件，其特徵在於所述的磁鐵部件是由許多的小的具有保護套的按一定形狀排列不直接與冷卻水接觸的圓柱形磁鐵構成的。
所述的濺射靶材由開口螺母壓蓋旋壓在一濺射靶材支撐結構上，所述的濺射靶材支撐結構和濺射靶材之間形成一圓筒形空腔，該圓筒形空腔內置放所述的磁鐵部件和冷卻水，該圓筒形空腔的底部中央有冷卻水出水通道和冷卻水進水通道，在冷卻水出水通道和冷卻水進水通道)之外圍通過絕緣層設置開口螺母支撐結構，所述的陽極是一開口螺母式旋蓋，所述的開口螺母式旋蓋旋蓋在所述的開口螺母支撐結構上，所述的磁鐵部件是由多個置於磁鐵保護套內的圓柱形磁鐵並中心對稱地分立地置於一非磁性圓環形金屬片上，所述的磁鐵部件置於所述的濺射靶材支撐結構和濺射靶材之間形成的圓筒形空腔中。
所述的磁鐵部件的具體結構是圓柱形磁鐵放置在圓筒形保護套中，蓋保護套下部帶有外螺紋，將多個帶保護套的圓柱形磁鐵通過外螺紋呈三個圓層排布，中心對稱地分立地旋固在一非磁性圓環形金屬片上，且相鄰兩層磁鐵的極性方向相反，各層磁鐵頂部分別用磁性金屬圓環蓋住，並密封。
所述的保護套是由不鏽鋼、耐腐蝕鋁合金、黃銅、青銅、白銅和金屬防腐塗料構成。
本發明的有益效果是；可有效提高大尺寸磁控槍靶系統的鍍膜的均勻性，得到較大的可用均勻鍍膜區域，同時提高了靶材的利用率，保證了磁鐵不受冷卻水腐蝕，有效的延長了磁鐵的壽命，保證了磁場的穩定性。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1為本發明磁控濺射鍍膜機的永磁槍靶裝置的結構示意圖。
圖2為本發明理論推導的模型示意圖。
圖3為模型中濺射靶上方L處圓面上的濺射粒子分布曲線。
圖4為理論推導中的磁鐵部件結構示意圖。
圖5為本實施例中的磁鐵部件結構俯視圖。
圖6是本實施例中的磁鐵部件圖中1-開口螺母旋蓋，2-開口螺母壓蓋，3-濺射靶材，4-磁鐵部件，5-濺射靶材支撐結構，6-絕緣層，7-開口螺母支撐結構，8-冷卻水出水通道，9-冷卻水進水通道，10-磁鐵保護套筒及磁鐵，11-磁性金屬外圓環，12-磁性金屬內圓環，13-非磁性圓環形金屬片，14-磁鐵保護套筒，15-圓柱形磁鐵具體實施方式
先請參閱圖1，圖1是本發明磁控濺射鍍膜機的永磁槍靶裝置的結構示意圖，由圖可見本發明磁控濺射鍍膜機的永磁槍靶裝置，包括濺射靶材3陰極、陽極及磁鐵部件4，所述的磁鐵部件4是由許多的小的具有保護套14的按一定形狀排列不直接與冷卻水接觸的圓柱形磁鐵15構成的。所述的濺射靶材3由開口螺母壓蓋2旋壓在一濺射靶材支撐結構5上，所述的濺射靶材支撐結構5和濺射靶材3之間形成一圓筒形空腔，該圓筒形空腔內置放所述的磁鐵部件4和冷卻水，該圓筒形空腔的底部中央有冷卻水出水通道8和冷卻水進水通道9，在冷卻水出水通道8和冷卻水進水通道9之外圍通過絕緣層6設置開口螺母支撐結構7，所述的陽極是一開口螺母式旋蓋1，所述的開口螺母式旋蓋1旋蓋在所述的開口螺母支撐結構7上，所述的磁鐵部件4是由多個置於磁鐵保護套14內的圓柱形磁鐵15並中心對稱地分立地置於一非磁性圓環形金屬片13上，所述的磁鐵部件4置於所述的濺射靶材支撐結構5和濺射靶材3之間的圓筒形空腔中。
參見圖4、圖5和圖6，所述的磁鐵部件4的具體結構是圓柱形磁鐵15放置在圓筒形保護套14中，保護套14下部帶有外螺紋，將多個帶保護套14的圓柱形磁鐵15通過外螺紋呈三個圓層排布，中心對稱地分立地旋固在一非磁性圓環形金屬片13上，且相鄰兩層磁鐵的極性方向相反，各層磁鐵頂部分別用磁性金屬外圓環11和磁性金屬內圓環12蓋住，並密封。
所述的保護套14是由不鏽鋼、耐腐蝕鋁合金、黃銅、青銅、白銅和金屬防腐塗料構成，本實施例的保護套14是由不鏽鋼製備的。
對於磁鐵部件結構如圖4所示的槍靶系統，我們下面分析磁靶上方L處平面上的濺射粒子分布情況。
如圖2所示，以圓形靶材的中心對稱軸o1o2為縱坐標軸，分別以靶材半徑方向r2，靶材上方L處的圓面的半徑方向r1為橫坐標軸，建立坐標系，r1和r2在同一平面。d為靶材的半徑，x為靶材半徑上任一點，r為r1軸上一點。由於磁靶結構的中心對稱性，我們知道，磁靶上方任一圓面處濺射的靶材粒子分布也是中心對稱的，對稱點為靶材中心對稱軸與磁靶上方該平面的交點o2，即在靶材上方任一圓面處濺射的粒子分布只沿半徑方向變化。因此我們只需要分析沿半徑方向濺射的靶材粒子分布規律。在靶材的表面濺射的粒子的分布ρ可用公式(1)表示=kEXP(-(x-p)2(1)2)---(1)]]>式中ρ是濺射的粒子的密度，k是比例因子，x是靶材半徑d上任一點離中心o1的距離，p和σ1是跟磁靶結構有關的常量。在磁靶上任意一點x的微小段Δx出射的粒子分布y是與出射角θ有關的函數，為了簡化模型，我們假設濺射的靶材粒子只在r2與中心對稱軸o1o2形成的平面內運動，並且粒子之間的碰撞不考慮，y的表達式為y=qEXP(-2(2)2)---(2)]]>式中y是沿θ方向的粒子分布密度，q是比例因子，σ2是與磁靶結構有關的常量，θ是粒子出射方向與中心對稱軸的夾角。θ的取值為=arctan(|x-r1|L)---(3)]]>式中L是靶材與其上方要計算濺射的粒子分布的圓面的距離。
則靶材上方L處圓面上一點r1所接受的粒子相對數為h=0dkqEXP(-(arctan(x-r1L))2(2)2-(x-p)2(1)2)dx+---(4)]]>0dkqEXP(-(arctan(x+r1L))2(2)2-(x-p)2(1)2)dx]]>由公式(4)進行數值模擬，我們可以得到距離濺射靶上方L處圓面上的濺射粒子分布曲線，模擬得到的濺射粒子分布曲線如圖3所示。
由圖3可以看出，粒子密度從中心o2沿半徑r方向先增加後減小。我們主要是利用粒子密度變化平緩的部分，即從中心o2開始向外一定的範圍。對於小尺寸的濺射靶，我們可以通過調整結構參數，加上基片的轉動等來達到鍍膜的均勻性要求，但是對於大尺寸的濺射靶，從中心o2沿半徑r方向粒子密度變化很快，很難達到均勻性要求。為了獲得儘可能大的均勻鍍膜區域，我們在圖4所示的磁鐵結構中再增加一定數量層的磁鐵，就如同把多個尺寸不同的磁控濺射靶複合起來，因此這種濺射靶上方的濺射粒子分布，就相當於多個類似圖3所示粒子分布的疊加，這樣就可以通過調整設計參數，把這些類似圖3所示的粒子分布的峰值點調到一定的位置，使疊加後的粒子分布達到均勻性要求。
為了使磁鐵部件散熱良好，利用許多的小磁鐵按圓形排列來產生需要的磁場，用保護套把磁鐵保護起來，使磁鐵不直接與冷卻水接觸。但是，要求保護層導熱良好，耐冷卻水腐蝕，耐100℃左右的高溫，不影響磁鐵的磁場分布。可以利用不鏽鋼，耐腐蝕鋁合金，黃銅，青銅，白銅，金屬防腐塗料等符合要求的材料做保護層，這樣就可以有效的保護磁鐵不受冷卻水腐蝕，保證磁場的穩定性。
如圖1所示，開口螺母旋蓋1作為電極陽極，旋在支撐結構7上，支撐機構7與陰極通過絕緣材料層6絕緣。濺射靶材被開口螺母壓蓋2旋壓在支撐結構5上，壓緊濺射靶材，同時作為陰極。濺射靶材與其支撐結構5之間還應加上密封圈以防止漏水。磁鐵部件4置於濺射靶材支撐結構5之中，由濺射靶材支撐結構5的，與磁鐵部件4底部接觸面上的突出支撐點支撐。支撐結構5是一個密封元件，僅與冷卻水通道連通。如圖1中的箭頭所示，冷卻水通過冷卻水進水通道9到達支撐結構5中，由冷卻水的壓力使冷卻水充滿支撐結構5的內部，冷卻濺射靶材和磁鐵部件，最後通過冷卻水出水通道8流出磁控濺射槍靶系統。
其中，磁鐵部件4的結構俯視圖如圖5所示，圓柱形磁鐵15放置在保護套結構14中，保護套是圓筒形，下部帶有外螺紋，通過螺紋旋緊在圓環形金屬片上。磁鐵保護套筒及磁鐵結構10如圖6所示。把許多的圖6所示的帶保護套的磁鐵10排成圓形旋緊在圓環形金屬片上，分三層排列。但是，相鄰兩層磁鐵的極性放置相反。即如果一層磁鐵的N極朝上，那麼相鄰層磁鐵的N極就朝下；如果一層磁鐵的N極朝下，那麼相鄰層磁鐵的N極就朝上。各層磁鐵頂部分別用磁性金屬圓環(如鐵做的圓環片)蓋住，並密封。可以用防水的，耐一定溫度(一百度左右)的密封膠粘合起來。
本實施例中的磁鐵部件4排布了三圈磁鐵，相當於兩個簡單磁濺射靶的複合。模擬表明，對半徑為20cm的磁靶可以在上方10cm處獲得半徑為26cm左右的濺射粒子均勻分布區域。
權利要求
1.一種磁控濺射鍍膜機的永磁槍靶裝置，包括濺射靶材(3)陰極、陽極及磁鐵部件(4)，其特徵在於所述的磁鐵部件(4)是由許多的小的具有保護套(14)的按一定形狀排列不直接與冷卻水接觸的圓柱形磁鐵(15)構成的。
2.根據權利要求1所述的磁控濺射鍍膜機的永磁槍靶裝置，其特徵在於所述的濺射靶材(3)由開口螺母壓蓋(2)旋壓在一濺射靶材支撐結構(5)上，所述的濺射靶材支撐結構(5)和濺射靶材(3)之間形成一圓筒形空腔，該圓筒形空腔內置放所述的磁鐵部件(4)和冷卻水，該圓筒形空腔的底部中央有冷卻水出水通道(8)和冷卻水進水通道(9)，在冷卻水出水通道(8)和冷卻水進水通道(9)之外圍通過絕緣層(6)設置開口螺母支撐結構(7)，所述的陽極是一開口螺母式旋蓋(1)，所述的開口螺母式旋蓋(1)旋蓋在所述的開口螺母支撐結構(7)上，所述的磁鐵部件(4)是由多個置於磁鐵保護套(14)內的圓柱形磁鐵(15)並中心對稱地分立地置於一非磁性圓環形金屬片(13)上，所述的磁鐵部件(4)置於所述的濺射靶材支撐結構(5)和濺射靶材(3)之間的圓筒形空腔中。
3.根據權利要求2所述的磁控濺射鍍膜機的永磁槍靶裝置，其特徵在於所述的磁鐵部件(4)的具體結構是圓柱形磁鐵(15)放置在圓筒形保護套(14)中，保護套(14)下部帶有外螺紋，將多個帶保護套(14)的圓柱形磁鐵(15)通過外螺紋呈三個圓層排布，中心對稱地分立地旋固在一非磁性圓環形金屬片(13)上，且相鄰兩層磁鐵的極性方向相反，各層磁鐵頂部分別用磁性金屬圓環(11、12)蓋住，並密封。
4.根據權利要求1至3任一項所述的磁控濺射鍍膜機的永磁槍靶裝置，其特徵在於所述的保護套(14)是由不鏽鋼、耐腐蝕鋁合金、黃銅、青銅、白銅和金屬防腐塗料構成。
全文摘要
一種磁控濺射鍍膜機的永磁槍靶裝置，包括濺射靶材陰極、陽極及磁鐵部件，其特徵在於所述的磁鐵部件是由許多的小的具有保護套的按一定形狀排列不直接與冷卻水接觸的圓柱形磁鐵構成的。本發明既保證了磁鐵散熱良好，不被冷卻水腐蝕，又保證磁場不受保護套的影響。該系統有效延長了磁鐵的使用壽命，提高了磁場的穩定性。對磁場分布進行了改進，有效提高了濺射靶上方的濺射粒子分布的均勻性和濺射靶材的利用率，該系統適用於鍍制超大規格的基片。
文檔編號C23C14/35GK1944707SQ20061011657
公開日2007年4月11日 申請日期2006年9月27日 優先權日2006年9月27日
發明者呂超, 易葵, 範正修 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所