專利名稱：一種多磁場的磁控濺射陰極的制作方法
一種多磁場的磁控濺射陰極本發(fā)明涉及磁控濺射陰極，具體地說是一種高靶材利用率的多磁場分布的磁控濺射陰極磁控濺射是一種利用電場和磁場的真空鍍膜技術，在磁場中，運動電子受到洛侖茲力作用，在電場力和洛倫茲力的共同作用下，電子就會產(chǎn)生螺旋運動，其運動路徑變長， 增加了與工作氣體分子碰撞的次數(shù)，使等離子體密度增大，從而磁控濺射速率得到很大的提高，在較低的濺射電壓和氣壓下工作，降低薄膜污染的傾向；另一方面提高了入射到襯底表面的原子的能量，在很大程度上改善薄膜的質(zhì)量。同時，經(jīng)過多次碰撞而喪失能量的電子到達陽極時，已變成低能電子，從而不會使基片過熱。因此磁控濺射法具有“高速”、“低溫” 的優(yōu)點。磁控濺射真空鍍膜技術已經(jīng)經(jīng)歷了近百年的發(fā)展。然而在國內(nèi)，真空鍍膜設備制造的研究投入?yún)s是相當缺乏，技術落后，目前在國內(nèi)市場上廣泛使用高成本的進口機器和原料或是使用落后于西方發(fā)達企業(yè)10-15年的工藝設備進行生產(chǎn)，造成了巨大的資源浪費。在傳統(tǒng)的矩形磁控濺射陰極中，磁場的設計采用簡單的單一環(huán)形結(jié)構(gòu)，中心的柱形磁鐵和周圍的一套環(huán)形磁鐵構(gòu)成簡單的磁路。這種設計方案下的磁場一方面均勻范圍較小，直接導致靶材的轟擊區(qū)域集中，利用率低下；另一方面，磁場環(huán)沿矩形陰極的長度方向分布，為了取得較好的鍍膜均勻性，基板的運動方向沿陰極的寬度方向，這就極大限制了單矩形陰極磁控濺射鍍膜的有效濺射長度和濺射時間，進而限制了單陰極濺射系統(tǒng)的應用領域。本發(fā)明公布了一種新型的磁路設計方案以解決上述難題，在不改變陰極尺寸的前提下，一方面提高了靶材利用率和鍍膜均勻性，另一方面極大的提高了磁控濺射過程中的有效濺射長度和濺射時間。使單陰極磁控濺射系統(tǒng)有更加廣泛的應用領域。本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足而提供的一種多磁場的磁控濺射陰極，其特征在于由陰極底板、同軸電纜、絕緣體、軛鐵、磁鐵矩陣、陰極主體、冷卻單元、靶材和陽極罩組成。絕緣體固定于陰極底板之上；陰極主體內(nèi)部開有進水槽和出水槽，組成冷卻單元； 磁鐵矩陣直接排列在軛鐵上，二者組合體被置于陰極主體后端，陰極主體前端則直接和濺射靶材接觸；陰極主體整體置于絕緣體上，通過絕緣體與陰極底板絕緣；陽極罩則直接固定于陰極底板之上。所述的陰極底板使用316不銹鋼材料加工制成，對陰極整體起一個支撐作用的同時也組成陽極。所述的同軸電纜采用RG393型射頻同軸電纜，該款電纜采用鍍銀銅芯作為內(nèi)導體，雙層鍍銀銅網(wǎng)作為外導體(屏蔽層)，內(nèi)外導體之間使用厚度為7. 21mm的聚四氟乙烯作為絕緣層，電纜外層使用9. 91mm后的FEP材料。所述的絕緣體由聚四氟乙烯材料加工而成，厚度為70mm。所述的軛鐵使用高質(zhì)量的工業(yè)軟鐵DT4加工而成，材料純度達99. 9%，含碳量不超過O. 04%，有高的感磁性的低的抗磁性。加工成型后做電鍍Ni-Cu-Ni保護層。所述的磁鐵矩陣是由若干組同一方向上不同極性的磁鐵排列組合而成。所述的組成磁鐵矩陣的磁鐵使用高純度的釹鐵硼金屬間化合物經(jīng)過金屬粉末冶金法制成，材料的只要成分是Nd2Fel4B，材料按照設計要求加工成型后，表面進行電鍍 Ni-Cu-Ni層保護并按設計方向充磁至飽和。所述的陰極主體由高純度的高真空無氧銅材料加工制成，該材料純度為99. 97%, 氧含量小于O. 003%,雜志總含量小于O. 03%,具有優(yōu)異的導電性能所述的陽極罩有硬質(zhì)鋁材加工而成。本發(fā)明同現(xiàn)有的技術相比，多磁鐵單元按照一定規(guī)則排列組臺成一個磁鐵矩陣， 使用磁鐵矩陣產(chǎn)生的磁場代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一磁場，提高了靶材利用率和改善鍍膜的均勻性； 另外，本發(fā)明涉及的磁控濺射陰極，由于獨特的磁場設計，鍍膜方向則沿著矩形靶材的長度方向，增加了濺射鍍膜的有效鍍膜距離和鍍膜時間，使得單矩形平面陰極濺射系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著更加廣闊的應用。圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖I中磁場單元的結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖I和圖2,1為陽極罩；2為祀材；3為進水槽；4為陰極主體；5為出水槽；6 為磁鐵；7為軛鐵；8為絕緣體；9為陰極底板；10為同軸電纜。下面結(jié)合附圖
對本發(fā)明作進一步描述如圖所示，本發(fā)明所涉及的陰極包括支撐整體結(jié)構(gòu)的陰極底板9、傳輸功率源功率的同軸電纜10、聚四氟乙烯絕緣體8、限制磁路的軛鐵7、磁鐵6、陰極主體4和集成于其上的冷卻單元3和5、靶材2和陽極罩I組成。絕緣體8固定于陰極底板9之上；陰極主體I 內(nèi)部開有冷水槽(進水槽3和出水槽5)，組成冷卻單元；磁鐵6直接排列在軛鐵7上組成磁場單元，整體固定在陰極主體I的后端，陰極主體4前端則直接和濺射靶材2接觸，整體置于絕緣體8上，并通過絕緣體8與陰極底板9絕緣；陽極罩I則直接固定于陰極底板9之上；同軸電纜10則直接和陰極主體4相連。本發(fā)明的陰極底板9使用質(zhì)量良好的316不銹鋼板材加工制成，加工底板厚度在 15mm到20mm左右，底板中心位置開孔以方便水管、氣管和同軸電纜的進出。本發(fā)明的同軸電纜10采用RG393型射頻同軸電纜，該款電纜采用鍍銀銅芯作為內(nèi)導體，雙層鍍銀銅網(wǎng)作為外導體(屏蔽層)，內(nèi)外導體之間使用厚度為7. 24mm的聚四氟乙烯作為絕緣層，電纜外層使用9. 91mm后的FEP材料。該電纜的最高耐壓值2. 5Kv,0. OlGHz時射頻傳輸功率可達15KW。
本發(fā)明的絕緣體8采用整體結(jié)構(gòu)的聚四乙烯材料經(jīng)過機械加工制成。該材料的耐候性能良好，能夠在能在+250°C至_180°C的溫度下長期工作，除熔融金屬鈉和液氟外，能耐其它一切化學藥品。其絕緣性能不受環(huán)境及頻率的影響，體積電阻可達1018Ω. cm，介質(zhì)損耗小，擊穿電壓聞。本發(fā)明的軛鐵7采用性能良好的DT4工業(yè)軟鐵經(jīng)過機械加工而成，并電鍍 Ni-Cu-Ni金屬保護層。本發(fā)明的磁鐵6采用釹鐵硼材料制得，具體為釹鐵硼金屬間化合物經(jīng)過粉末冶金的工藝壓制成型，并電鍍Ni-Cu-Ni金屬保護層，最后按照設計方案充磁至飽和。本發(fā)明的陰極主體4使用的是高真空的無氧銅材料加工而成，材料內(nèi)部開有冷水槽形成冷卻單元。而陽極罩I則使用的是工業(yè)用硬質(zhì)鋁加工而成。以下為本發(fā)明的磁場單元設計方案使用多個磁鐵單元并排排列在軛鐵之上形成磁陣，磁鐵單元磁場相互耦合并為磁控濺射提供恒定磁場，磁陣中磁鐵單元的排列方向采取沿著矩形陰極的長度方向，濺射鍍膜的方向也是順著陰極的長度方向。磁鐵單元的長度以及磁鐵單元的個數(shù)則有陰極的寬度和長度決定。對單陰極的磁控濺射系統(tǒng)，該發(fā)明的陰極極大的提高了磁控濺射的有效長度和濺射時間，提高了膜層的厚度可控性和均勻性。另外，由于磁鐵單元磁場相互耦合，在陰極表面形成的磁場死區(qū)面積較小，磁控濺射的靶材利用率很高，一般能達到50%以上。以下是本發(fā)明磁控濺射陰極的制作過程a)在規(guī)格為1222mmX360mmX25mm的316不鎊鋼板材中心位置開Φ50_的通孔作為水管、氣管和同軸電纜的進出口 ；銑出6_X4mm兩條槽，分別作為密封槽和屏蔽槽。b)在規(guī)格為1030mmX176mmX70mm的聚四氟乙烯板材的一面銑出 936mmX128mmX54mm的槽子；并在底部中心位置開Φ 50mm的通孔作為水管、氣管和同軸電纜的進出口 ；在正反兩面分別按圖紙銑出規(guī)格為6_X4_的密封槽；按圖紙所示位置打出固定孔。c)使用DT4型工業(yè)軟鐵材料加工出規(guī)格為962mmX 126mmX Ilmm軛鐵，并按照設計圖紙，統(tǒng)出若干個規(guī)格為126mmX50mmX5mm凸臺作為磁鐵單元的基礎，并打孔作為螺絲固定孔，工件表面電鍍Ni-Cu-Ni保護層d)使用欽鐵砸材料加工規(guī)格為40_X 10_X 10mm、38_X 5_X 10mm、 R23mmXR20mmX IOmm和<i)8mmX8mm的磁鐵若干，表面電鍍Ni-Cu-Ni保護層并按高度方向充磁至飽和。e)在規(guī)格為1032mmX 176mmX20mm的真空無氧銅材的一側(cè)統(tǒng)出 966mmX 130mmX 2mm的淺槽，在另一側(cè)則統(tǒng)出截面規(guī)格為50mmX5mm的水槽，水槽上面使用厚3_的紫銅板密封并焊接成一體；按圖紙規(guī)定位置加工通孔和螺絲孔。f)在規(guī)格為1044mmX 16mmX 102mm的硬質(zhì)招材上統(tǒng)出半徑為O. 75mm的半圓槽， 長度貫穿整個鋁材，并在槽內(nèi)使用激光打出3個Φ I. 5mm的通孔作為氣孔?？组g距260mm。 按圖紙要求位置加工通孔和螺絲孔。g)按圖紙加工祀材固定環(huán)和陽極罩。h)按照設計方案，將加工好的磁鐵排列在軛鐵上，磁鐵單元組成為一條中心磁鐵和一個環(huán)形磁鐵構(gòu)成，中心磁鐵使用規(guī)格為40mmX IOmmX IOmm和<i)8mmX8mm的磁鐵拼接
5而成，而環(huán)形磁鐵則由38_X 5_X IOmm的條形磁鐵和R23_X R20_X IOmm瓦型磁鐵拼接而成。磁鐵單元間距為32. 5_。整個磁陣則由9個磁鐵單元組成。i)組裝陰極主體和磁陣單元，并使用密封膠將磁陣單元進行封鑄。j)焊接零件并組裝陰極。按照此款設計方案制造的平面磁控濺射陰極可以進行大功率密度的磁控濺射鍍膜，常態(tài)濺射功率密度可在0W/Cm2-40W/Cm2之間可調(diào)，短時峰值濺射功率密度可達到55W/ cm2-60W/cm2，靶材利用率達到55%以上。經(jīng)過180天工作測試，磁場無衰減，陰極性能穩(wěn)定。
權利要求
1.一種多磁場的磁控濺射陰極，由陰極底板、同軸電纜、絕緣體、軛鐵、磁鐵矩陣、陰極主體、冷卻單元、靶材和陽極罩組成其特征在于絕緣體通過不銹鋼螺絲固定于底板上；所述的磁鐵矩陣和粘合在一起的軛鐵組成磁場單元，并使用黃銅螺絲將其固定于陰極主體的后端；所述陰極主體前端開有進水槽和出水槽，組成冷卻單元；陰極主體的后端同時又與絕緣體固定；所述的陽極置直接固定于陰極底板上；所述的同軸電纜則直接和陰極主體相連接，靶材則置于陰極主體前端。
2.根據(jù)權利要求I所述的多磁場磁控濺射陰極，其特征在于所述的陰極底板采用高質(zhì)量的316不銹鋼材料加工而成，對整個陰極起一個支撐作用。
3.根據(jù)權利要求I所述的多磁場磁控濺射陰極，其特征在于所述的同軸電纜采用 RG393型電纜線，該電纜采用7/0. 79標準鍍銀銅作為內(nèi)導體；7. 21mm聚四氟乙烯作為絕緣體；8. 71mm雙層鍍銀銅網(wǎng)作為外導體；9. 91mm FEP作為外絕緣層。
4.根據(jù)權利要求I所述的多磁場磁控濺射陰極，其特征在于所述的絕緣體使用厚度為70mm的聚四氟乙烯材料經(jīng)加工而成。
5.根據(jù)權利要求I所述的多磁場磁控濺射陰極，其特征在于所述的軛鐵材料為高質(zhì)量的工業(yè)軟鐵DT4板材，根據(jù)磁場的設計要求，在其表面銑出高度不一的凸臺作為磁鐵的基礎，達到聞節(jié)磁場的目的。
6.根據(jù)權利要求I所述的多磁場磁控濺射陰極，其特征在于所述的磁鐵矩陣由若干塊磁鐵排列組合而成。
7.根據(jù)權利要求I所述的多磁場磁控濺射陰極，具特征在于所述的陰極主體使用高質(zhì)量的真空無氧銅加工而成。該材料純度為99. 97%，氧含量小于等于O. 003%，雜質(zhì)總含量小于等于O. 03%。
8.根據(jù)權利要求I所述的多磁場磁控濺射陰極，其特征在于所述的冷卻單元由開在陰極主體前端的進水槽和出水槽組成。
9.根據(jù)權利要求I所述的多磁場磁控濺射陰極，其特征在于所述的陽極罩使用高質(zhì)量的硬質(zhì)鋁材加工而成。
10.根據(jù)權利要求6所述的多磁場磁控濺射陰極，其特征在于所述的磁鐵則由釹鐵硼金屬間化合物組成，其主要成分是Nd2Fe14B15使用粉末冶金法成型并在特定方向上充磁至飽和。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種多磁場的磁控濺射陰極，其特點是應用若干個磁鐵單元排列組合形成一個多磁場相互耦合的平面濺射陰極，并且磁鐵單元的排列是沿著矩形陰極的長度方向。本發(fā)明相較于現(xiàn)有的技術，極大的提高了單個矩形平面陰極濺射系統(tǒng)的有效濺射時間和沉積距離，有效的改善平面陰極濺射鍍膜的均勻性和提高平面靶材的利用率。整個發(fā)明設計簡潔，制備工序簡單，使平面陰極鍍膜方式在工業(yè)生產(chǎn)中有了更大的應用領域。
文檔編號C23C14/35GK102586749SQ20121006526
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權日2012年3月12日
發(fā)明者王正安 申請人:王正安