專利名稱：一種基于超導(dǎo)線圈的強磁場磁控濺射陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁控濺射設(shè)備，特別涉及超導(dǎo)強磁場磁控濺射陰極。
背景技術(shù)：
在過去的20年里，磁控濺射系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于鍍膜過程。為了獲得高質(zhì)量的薄 膜，高的沉積速率，高的靶材利用率，各種不同的磁控濺射裝置被開發(fā)出來。永磁強磁場 磁控濺射裝置可以在較低的陰極電壓下放電，強磁場可以抑制負(fù)離子對沉積薄膜的高能轟 擊，從而得到高質(zhì)量薄膜。然而，目前對強磁場磁控濺射裝置的研究和應(yīng)用非常少，一方面 是由于在通常的電壓和氣壓條件下，強磁場磁控濺射裝置靶材利用率非常低；另一方面，永 磁強磁場磁控濺射裝置的磁場不可能做得很強。2003年，日本名古屋大學(xué)的Mizutani首先 研制出了利用Sml23超導(dǎo)塊材激磁的強磁場圓形磁控濺射裝置，耙表面磁場比常規(guī)永磁磁 控濺射裝置高了一個數(shù)量級。Mizutani利用他們制作的超導(dǎo)磁控濺射裝置，在高電壓、低 氣壓和長靶基板間距的情況下實現(xiàn)了磁控放電，并先后制備了集成電路亞微米工藝中的Cu 種子膜、極紫外光刻技術(shù)中的Mo/Si多層膜和鎵摻雜ZnO薄膜。低的氣壓(10—2Pa)、長的靶 基板間距(> 300mm)可以使得基片免受等離子體熱輻射，因此可以獲得質(zhì)量更高的薄膜。 根據(jù)我們的前期研究，在高電壓下靶材利用率會增大，高磁場會使靶材利用率降低，因此， 通過強磁場和高電壓的配合使用，可以使得靶材利用率控制在一個合理的水平。
超導(dǎo)強磁場磁控濺射裝置由于需要加上制冷設(shè)備，因此磁體結(jié)構(gòu)不宜太復(fù)雜， Mizutani制作的磁控濺射陰極靶材位于背板上面，在濺射的過程中保持水在背板通道中流 動，以保持靶的溫度大約為300K。 Sml23超導(dǎo)塊材安裝在Permendur合金鐵軛上，由G_M制 冷機冷卻。對于60mm直徑的圓柱超導(dǎo)塊，超導(dǎo)塊的表面距離杜瓦的外表面為3mm。通過將 80mm外徑的圓柱杜瓦插入100mm 口徑的10T超導(dǎo)螺線管磁體內(nèi)，在大約100K的溫度下，將 沿著c軸方向4. 5T的磁場應(yīng)用于超導(dǎo)塊材充磁。在場冷模式下，在溫度降到52K之后，將 磁場降為0。磁化后的超導(dǎo)體進一步冷卻到40K，以抑制磁通蠕動。磁化后，將圓柱杜瓦插 入一個外磁軛環(huán)，以形成磁控濺射所需要的環(huán)狀磁力線。實驗測量發(fā)現(xiàn)，對于60mm直徑的 Sml23超導(dǎo)永磁體，在3mm厚的Cu耙材上(耙材表面距離磁體上表面11mm)，磁場水平分量 可以達(dá)到0. 63T，比常規(guī)NdFeB磁控濺射裝置的磁場大了一個數(shù)量級。 盡管Mizutani等人應(yīng)用超導(dǎo)塊材制作了磁控濺射裝置，但是由于超導(dǎo)塊材需要 在低溫容器中充磁，很難通過多塊超導(dǎo)塊材和鐵軛的拼接和配合以得到理想的磁場位型， 因此也就很難采用超導(dǎo)塊材制作大型的圓形和矩形平面磁控濺射裝置。另外，超導(dǎo)塊材經(jīng) 充磁后，磁場難以調(diào)節(jié)，因此也就無法通過調(diào)節(jié)磁場來優(yōu)化磁控濺射鍍膜工藝。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服超導(dǎo)塊材磁控濺射裝置在實用化中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于 超導(dǎo)線圈的強磁場磁控濺射陰極，本發(fā)明可應(yīng)用于大型強磁場磁控濺射裝置，也可以比較 靈活地對靶材表面的磁場強度進行調(diào)節(jié)以優(yōu)化鍍膜工藝。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下 本發(fā)明超導(dǎo)平面磁控濺射陰極由靶材、水冷背板、超導(dǎo)線圈、磁軛和杜瓦組成。靶 材通過螺栓與水冷背板緊密安裝在一起，由外加直流電源、中頻脈沖電源、中頻交流電源或 射頻電源供電。超導(dǎo)線圈和磁軛安裝在杜瓦中，由液氮浸泡冷卻、液氮加制冷機冷卻或制冷 機直接冷卻。超導(dǎo)線圈根據(jù)不同應(yīng)用場合，可繞制成跑道形或圓形結(jié)構(gòu)，形成基于跑道形超 導(dǎo)線圈的矩形平面磁控濺射裝置和基于圓形超導(dǎo)線圈的圓形平面磁控濺射裝置。超導(dǎo)線圈 通過電流引線連接外加直流供電電源。磁軛由外磁軛、內(nèi)磁軛和底磁軛構(gòu)成，將超導(dǎo)線圈嵌 于內(nèi)外磁軛和底磁軛之中。杜瓦采用多層絕熱結(jié)構(gòu)。 超導(dǎo)線圈選用Bi系和Y系為代表的高溫超導(dǎo)線帶材。目前高溫超導(dǎo)帶材已實現(xiàn) 了較大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，其單根長度已達(dá)千米，臨界電流密度Jc已超過1. 5X108A/m2(77K，自 場)。設(shè)計線圈時，電流密度可取在lX108A/m2之內(nèi)。由于超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場很強，因此 磁軛需要選用高飽和磁密、高磁導(dǎo)率的軟磁材料，例如Permendur合金、Supermendur合金 等。在國內(nèi)，可以選用與Permendur合金相對應(yīng)的1J21、1J22鐵鈷釩軟磁材料。耙材材料 可選擇金屬、合金和陶瓷材料，以適合于多種鍍膜工藝。所述的陰極電源為直流、中頻脈沖、 中頻交流或射頻電源。所述的磁體供電電源為直流電源。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點 1.本發(fā)明的超導(dǎo)平面磁控濺射陰極，可以在耙表面產(chǎn)生強磁場，比常規(guī)永磁磁控 濺射裝置高了一個數(shù)量級，因此能夠克服常規(guī)磁控濺射靶無法制備某些特殊薄膜的難題。
2.本發(fā)明設(shè)計的超導(dǎo)線圈磁控濺射陰極，超導(dǎo)線圈通過直流電源供電，耗能很少； 同時，通過控制線圈電流，還可以方便地調(diào)整耙材表面磁場，相對于永磁和超導(dǎo)塊材磁控濺 射裝置更為靈活，可以方便地應(yīng)用于多種材料鍍膜工藝； 3.本發(fā)明結(jié)構(gòu)保持了磁控濺射工藝的優(yōu)點，并能夠改進其工藝性能，可適用于直 流、脈沖、交流及射頻磁控濺射工藝，可以對于金屬、合金、陶瓷等多種靶材進行濺射鍍膜， 具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。



以
圖 超導(dǎo)跑道型
圖
圖
圖
圖
圖
圖
圖
下結(jié)合附圖和具體實施方式
，對本發(fā)明作進一步說明。
1為超導(dǎo)強磁場平面磁控濺射陰極截面圖。其中1為靶材，2為水冷背板，3為
線圈，4為外磁軛，5為內(nèi)磁軛，6為底磁軛，7為杜瓦。 2為超導(dǎo)矩形平面磁控濺射陰極磁體結(jié)構(gòu)俯視請寸陰極截面處磁力線分布圖； 請寸陰極截面靶材表面磁場分布圖； 請寸陰極靶表面磁場分布圖； 請寸陰極磁體結(jié)構(gòu)俯視圖； 請寸陰極截面處磁力線分布圖； 請寸陰極靶材表面磁場分布圖。
3為超導(dǎo)矩形平面磁控i 4為超導(dǎo)矩形平面磁控i 5為超導(dǎo)矩形平面磁控i 6為超導(dǎo)圓形平面磁控i 7為超導(dǎo)圓形平面磁控i 8為超導(dǎo)圓形平面磁控i
具體實施例方式圖1為本發(fā)明基于跑道形超導(dǎo)線圈的矩形平面磁控濺射裝置。如圖1所示，本發(fā)明超導(dǎo)矩形磁控濺射陰極由平面靶材1、水冷背板2、超導(dǎo)線圈3、外磁軛4、內(nèi)磁軛5、底磁 軛6和杜瓦7組成，如圖1所示。水冷背板2為內(nèi)盛冷卻水的水冷框結(jié)構(gòu)，水冷背板2中留 有水冷管道。水冷背板2上面放置平面靶材l，平面靶材1和水冷背板2緊密安裝在一起。 水冷背板2的下方為杜瓦7。超導(dǎo)線圈3和外磁軛4、內(nèi)磁軛5、底磁軛6放在杜瓦7內(nèi)，超 導(dǎo)線圈3置于在由外磁軛4、內(nèi)磁軛5和底磁軛6包圍的空間內(nèi)，由液氮循環(huán)冷卻、液氮加制 冷機冷卻或制冷機直接冷卻。 所述的超導(dǎo)線圈3由多匝的Bi系或Y系超導(dǎo)帶材繞制而成。對于矩形磁控濺射 陰極，超導(dǎo)線圈需繞制成跑道型結(jié)構(gòu)，如圖2所示，超導(dǎo)線圈3嵌在由外磁軛4、內(nèi)磁軛5和 底磁軛6包圍的空間內(nèi)。外磁軛4、內(nèi)磁軛5和底磁軛6構(gòu)成閉合磁路。
本發(fā)明所述的矩形平面磁控濺射靶尺寸為500X 125mm2，通過對磁體的磁場計算 可以發(fā)現(xiàn)，在線圈電流密度取lX108A/m2時，得到矩形平面磁控濺射裝置截面處磁力線分 布如圖3所示，與常規(guī)磁控濺射裝置磁力線分布類似?？梢钥闯?，在靶表面距離磁體表面 15mm(大于Mizutani設(shè)計的llmm)時，耙表面磁場水平分量可以超過0. 4T，如圖4和圖5 所示，接近Mizutani采用Sml23超導(dǎo)塊材所達(dá)到的磁場強度。 本發(fā)明磁控濺射陰極磁體與永磁和超導(dǎo)塊材磁控濺射磁體的設(shè)計不同，采用電流 激磁，因此可以方便地對耙表面的磁場進行調(diào)整。由于超導(dǎo)線圈在直流條件下電阻很小，因 此，采用超導(dǎo)線圈激磁的磁控濺射陰極，能耗較低。與超導(dǎo)塊材磁控濺射陰極不同，超導(dǎo)線 圈磁控濺射裝置需要采用電流弓I線與外部直流電源連接。 矩形平面磁控濺射陰極應(yīng)用廣泛，大型矩形平面磁控濺射裝置通常應(yīng)用于工業(yè)生 產(chǎn)線上，用于大面積鍍膜。中小型矩形平面磁控濺射陰極在實驗室中也得到了越來越多的 應(yīng)用。矩形平面磁控濺射陰極相對于圓形平面磁控濺射陰極的優(yōu)點是可以獲得厚度均勻的 薄膜。 圖6為本發(fā)明超導(dǎo)圓形平面磁控濺射陰極磁體結(jié)構(gòu)的俯視圖。圓形陰極由平面靶 材1、水冷背板2、超導(dǎo)線圈3、外磁軛4、內(nèi)磁軛5和底磁軛6和杜瓦7組成。超導(dǎo)圓形平面 磁控濺射陰極截面的結(jié)構(gòu)與矩形平面磁控濺射陰極類似，它們的區(qū)別在于對于圓形平面 磁控濺射陰極，超導(dǎo)線圈3繞制成圓形結(jié)構(gòu)，如圖6所示。圓形超導(dǎo)線圈3嵌在由外磁軛4、 內(nèi)磁軛5和底磁軛6包圍的空間內(nèi)，外磁軛4、內(nèi)磁軛5和底磁軛6構(gòu)成閉合磁路。
圓形平面磁控濺射陰極由于結(jié)構(gòu)簡單，占地小，非常適合于制作實驗室中應(yīng)用的 中小型平面磁塊濺射裝置。本發(fā)明所述的圓形平面磁控濺射陰極尺寸為①250mm，在靶表面 距磁體表面15mm，線圈電流密度取lX108A/m2時，圓形平面磁控濺射陰極截面處的磁力線 分布如圖7所示，耙表面的磁場水平分量超過0. 3T，如圖8所示，可以滿足強磁場磁控濺射 裝置的磁場需求。
權(quán)利要求
一種基于超導(dǎo)線圈的強磁場磁控濺射陰極，其特征在于所述陰極由靶材(1)、水冷背板(2)、超導(dǎo)線圈(3)、外磁軛(4)、內(nèi)磁軛(5)和底磁軛(6)、杜瓦(7)和陰極電源構(gòu)成；靶材(1)與水冷背板(2)緊密安裝在一起；超導(dǎo)線圈(3)置于在由外磁軛(4)、內(nèi)磁軛(5)和底磁軛(6)包圍的空間內(nèi)，超導(dǎo)線圈(3)和外磁軛(4)、內(nèi)磁軛(5)和底磁軛(6)安裝在杜瓦(7)中，由液氮循環(huán)冷卻、液氮加制冷機冷卻或制冷機直接冷卻；杜瓦(7)采用多層絕熱結(jié)構(gòu)；超導(dǎo)線圈(3)通過電流引線與磁體供電電源連接。
2. 如權(quán)利要求l所述的強磁場磁控濺射陰極，其特征在于超導(dǎo)線圈(3)根據(jù)不同應(yīng)用場合，繞制成跑道形或圓形結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求1所述的強磁場磁控濺射陰極，其特征在于所述的水冷背板(2)為內(nèi)盛冷卻水的水冷框結(jié)構(gòu)。
4. 如權(quán)利要求1所述的強磁場磁控濺射陰極，其特征在于所述的平面靶材(1)是金屬、合金或陶瓷靶材；所述的超導(dǎo)線圈(3)采用Bi系線(帶)材或Y系帶材；所述的外磁軛(4)、內(nèi)磁軛(5)和底磁軛(6)采用軟磁材料Permendur、Supermendur、lJ21或1J22。
5. 按權(quán)利要求1所述的強磁場磁控濺射陰極，其特征在于所述的陰極電源為直流、中頻脈沖、中頻交流或射頻電源。所述的磁體供電電源為直流電源。
全文摘要
一種基于超導(dǎo)線圈的強磁場磁控濺射陰極。由平面靶材(1)、水冷背板(2)超導(dǎo)線圈(3)、外磁軛(4)、內(nèi)磁軛(5)和底磁軛(6)、杜瓦(7)和陰極電源構(gòu)成；超導(dǎo)線圈(3)置于在由外磁軛(4)、內(nèi)磁軛(5)和底磁軛(6)包圍的空間內(nèi)，超導(dǎo)線圈(3)和外磁軛(4)、內(nèi)磁軛(5)和底磁軛(6)安裝在杜瓦(7)中，由液氮循環(huán)冷卻、液氮加制冷機冷卻或制冷機直接冷卻。超導(dǎo)線圈(3)根據(jù)不同應(yīng)用場合，可繞制成跑道形或圓形結(jié)構(gòu)，通過電流引線連接到外部直流電源。
文檔編號H01J37/34GK101719457SQ200910093159
公開日2010年6月2日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者張國民, 李曉航, 肖立業(yè), 邱清泉, 黃天斌 申請人:中國科學(xué)院電工研究所