專利名稱：平面式磁控濺射便攜插件式增磁裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁控濺射薄膜制備裝置，特別是一種平面式磁控濺射便攜插件式增磁裝置。
背景技術(shù)：
目前常用的磁控濺射薄膜制備技術(shù)中，平面式磁控濺射設(shè)備是一種重要的薄膜制備設(shè)備，其原理為用于增加氣氛電離程度的永磁強(qiáng)磁材料被封裝在陰極靶位的不銹鋼腔體內(nèi)，濺射過程中依靠通過腔體內(nèi)的水的流動來冷卻強(qiáng)磁體以防止過熱而磁性減弱甚至完全消磁。由于不銹鋼磁體封裝腔體有一定的厚度，且磁體又不能緊密地與腔體內(nèi)表面接觸，濺射靶材又有一定的厚度，當(dāng)靶材料放置于陰極靶位的不銹鋼平面上時，穿過靶材料的有效磁場強(qiáng)度往往很低，進(jìn)而在實(shí)際濺射過程中靠磁約束增加氣氛的電離程度會受到很大的限制，特別是射頻濺射非導(dǎo)電性介質(zhì)材料薄膜時，成膜率一般勻很低，要達(dá)到一定的薄膜厚度，濺射時間往往會很長，在不改變磁控濺射設(shè)備的前提下，如何提高薄膜的成膜率，大大縮短制備周期無疑是一項(xiàng)非常有益的工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，在現(xiàn)有平面式磁控濺射裝置的基礎(chǔ)上，在不對原裝置上的設(shè)備進(jìn)行改造的前提下，提供一種能夠使成膜率大大提高的平面式磁控濺射便攜插件式增磁裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是平面式磁控濺射便攜插件式增磁裝置，其特點(diǎn)在于包括附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體、附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體、內(nèi)散熱環(huán)和外散熱環(huán)、陰極罩和陽極罩，附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體分別和設(shè)備陰極靶位固有的內(nèi)置中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體和內(nèi)置環(huán)形永磁強(qiáng)磁體同極性相互加強(qiáng)對應(yīng)放置；在附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體之間放置內(nèi)散熱環(huán)，在附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體外放置外散熱環(huán)；靶材和外散熱環(huán)分別罩有陰極罩和陽極罩，用于固定保護(hù)靶材和外散熱環(huán)；附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體除了與陰極靶位平面接觸外，均不與內(nèi)散熱環(huán)、外散熱環(huán)和靶材接觸。
本發(fā)明的原理是在與濺射電壓相垂直的正交磁場的作用下，通過電離氣氛中的電子在靶表面上方在正交電場一磁場的共同作用下作近于擺線的環(huán)形軌道運(yùn)動，以此提高氣氛電離程度，進(jìn)而提高等離子體氣氛中的正離子Ar+等的濃度，正離子Ar+等在電場加速作用下轟擊靶材，通過動量轉(zhuǎn)移過程使靶材原子(或分子)以一定的定向動能飛向置于與靶材相對放置于陽極位置的基片來制備薄膜。顯然，穿過靶材在靶表面上方的與電場正交的磁場強(qiáng)度的不同對濺射效率有決定性的影響，本發(fā)明就是通過增加放置在位于陰級靶位上的一個增磁裝置，該裝置與設(shè)備原磁體材料極性配置相對應(yīng)一致，這樣濺射過程中，由于靶材表面上方的正交磁場大大增強(qiáng)了，氣氛電離率大大增加，進(jìn)而可大大提高成膜率。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明在不對原裝置上的設(shè)備進(jìn)行改造的前提下，在射頻濺射完全相同的濺射參數(shù)下，能大大提高薄膜成膜率。同時在直流濺射下，能大大降低濺射電壓，增大濺射板流，對制備低密度的功能薄膜材料帶來極大的方便。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為利用本發(fā)明裝置的對比效果實(shí)驗(yàn)圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體1、附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2、內(nèi)散熱環(huán)3、外散熱環(huán)4、陰極屏蔽罩5、陽極屏蔽罩6組成。附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體1和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2分別和設(shè)備陰極靶位固有的內(nèi)置中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體8和內(nèi)置環(huán)形永磁強(qiáng)磁體9同極性相互加強(qiáng)對應(yīng)放置，在附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體1和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2之間放置內(nèi)散熱環(huán)3，在附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體外放置外散熱環(huán)4，陰極罩5、陽極罩6用于固定、保護(hù)靶材7和外散熱環(huán)4。附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體1和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2除了與陰極靶位平面10接觸外，均不與內(nèi)散熱環(huán)3、散熱環(huán)4和靶材7接觸。
上述中的內(nèi)熱環(huán)3和外散熱環(huán)4的材料均為銅；陰極罩5和陽極罩6的材料均為不銹鋼。
利用附加磁體與原磁體的同極性相互加強(qiáng)，當(dāng)放置靶材后，穿過靶材7上方的有效橫向正交磁場能大大加強(qiáng)，提高了濺射氣氛的電離率，增加了氣氛電離后的正離子(Ar+等)對靶材7表面的轟擊強(qiáng)度，最終增加了濺射靶材料的被濺射出的原子或分子，使基片表面成膜率大大提高。
附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體1和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2的材料為銣鐵硼強(qiáng)磁性材料，附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體1的直徑與設(shè)備固有內(nèi)置中心圓柱形強(qiáng)磁體8的直徑相同，附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2的內(nèi)徑大于或等于設(shè)備固有內(nèi)置環(huán)形強(qiáng)磁體9的內(nèi)徑，附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2的外徑小于或等于設(shè)備固有環(huán)形永磁強(qiáng)磁體9的外徑。附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體1與附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2的高度相同且均不小于設(shè)備固有的內(nèi)置中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體8和環(huán)形永磁強(qiáng)磁體9的高度(本設(shè)備均采用10.0mm)，附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體1和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2的尺寸選擇基于下列考慮，第一附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體1和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2的尺寸選擇應(yīng)給內(nèi)銅散熱環(huán)3、外散熱環(huán)4留出在陰極靶平面上足夠的放置空間，以利于濺射過程中產(chǎn)生的熱量及時傳給陰極靶表面并由陰極靶腔體內(nèi)的水流及時帶走，同時該兩個附加磁體與內(nèi)、外銅材料散熱環(huán)處于不接觸狀態(tài)，以保證不使該兩個附加磁體過熱而消(或退)磁。第二附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2的外徑應(yīng)小于濺射靶材料的直徑以避免在濺射成膜過程中陰極不銹鋼罩的成分被濺射出而污染靶材。第三該兩個附加磁體的高度不應(yīng)過小以保證濺射靶材表面的橫向正交磁場有足夠的增強(qiáng)。第四該兩個附加磁體的高度應(yīng)略小于內(nèi)散熱環(huán)5、外散熱環(huán)6的高度以避免由于靶材7與兩個附加磁體的直接接觸而造成濺射過程中靶材的升溫產(chǎn)生的熱量直接傳給兩個附加磁體，進(jìn)而造成兩個附加磁體消(或退)磁。
基于上述原則，根據(jù)使用的磁控濺射設(shè)備的具體情況，在圖1中，附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體1與平面式磁控濺射設(shè)備靶位固有內(nèi)置中心磁體8尺寸一致(直徑20.0mm，高10.0mm)，附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2外直徑，在略小于靶材7直徑(60.0mm)的前提下盡可能與靶位固有內(nèi)置原環(huán)形磁體9尺寸相一致，使用的磁控濺射設(shè)備的靶材直徑為60.0mm，附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2的外直徑為57.0mm，內(nèi)直徑為44.0mm，高10.0mm；內(nèi)散熱環(huán)3的尺寸為內(nèi)徑22.0mm，外徑42.0mm、高11.0mm，外散熱環(huán)4由兩部分構(gòu)成，第一部分尺寸為內(nèi)直徑59.0mm，外直徑75.0mm，高為11.0mm，第二部分尺寸為內(nèi)直徑61.0mm，外直徑75.0mm，高5.0mm；陰極罩5尺寸與原設(shè)備的陰極罩的橫向尺寸完全一致，縱向尺寸(高度)相應(yīng)增加11.0mm。陽極罩6尺寸與原設(shè)備的陽極罩的橫向尺寸完全一致，縱向尺寸(高度)相應(yīng)增加11.0mm。
如圖1所示，附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體1、附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2分別與與設(shè)備固有的內(nèi)置中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體8和設(shè)備固有的環(huán)形永磁強(qiáng)磁體9同極性對應(yīng)放置，兩個附加磁體除了與原設(shè)備陰極不銹鋼表面接觸外，與靶材7及內(nèi)散熱環(huán)3、外散熱環(huán)4均不接觸，且兩個附加磁體分別與設(shè)備固有原磁體相互吸引的作用下，與陰極不銹鋼表面接觸非常緊密，這樣在濺射過程中由于濺射氣體氣氛壓強(qiáng)比大氣環(huán)境下要低的多，氣氛內(nèi)部靠氣體對流和碰撞產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)能力非常低，熱量的傳遞僅主要靠氣氛等離子體的熱輻射效應(yīng)，而氣氛的電離僅發(fā)生于靶材料7表面上方，靶材7受到離子、電子等的轟擊產(chǎn)生的熱量通過內(nèi)、外銅材料散熱環(huán)及陰一陽極罩在陰極靶位腔體內(nèi)的水流動下被及時帶走，這樣兩個附加磁體不會因過熱而消(退)磁，靶材7也不會過熱而變形，甚至熔化。
由于附加磁體與原磁體的對應(yīng)相互加強(qiáng)，也由于此時靶材7下表面與附加磁體上表面的距離僅1.0mm，這要比不用本發(fā)明裝置，將靶材7直接放置于陰極不銹鋼表面上時，靶材下表面與內(nèi)置固有原磁體上表面的距離近的多，這樣利用本發(fā)明裝置時靶材7表面上方由附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體1發(fā)出指向附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2(或由附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2指向附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體1)的有效磁場強(qiáng)度大大增強(qiáng)了，這樣在濺射過程中可大大提高在靶材表面上方做近似于封閉擺線運(yùn)動的電子數(shù)密度，通過這些電子與濺射氣氛(Ar氣等)的碰撞電離，從而大大增加陰陽極罩之間的Ar+離子等的正離子數(shù)密度，在陰陽極之間加速電場的作用下轟擊靶材表面的Ar+等正離子數(shù)密度大大增加，最終飛向與靶材對向放置的基片的被濺射靶材成分原子(或分)流通量密度大大增加，從而可大大提高薄膜制備效率。
如圖2所示，通過ITO靶材的對比實(shí)驗(yàn)表明，在射頻濺射完全相同的濺射參數(shù)下，使用本發(fā)明裝置的成膜率為不使用時的成膜率的3-4倍。
該對比實(shí)驗(yàn)參數(shù)均為靶基距10cm，Ar氣流量50，濺射壓強(qiáng)1.0Pa，所用ITO靶材直徑60.0mm，厚為5.0mm。圖中橫坐標(biāo)為濺射功率(W)，縱坐標(biāo)為成膜率(nm/min)。圖中“■”表示不用本發(fā)明時的成膜率，“●”表示用本發(fā)明后的成膜率。可以看出，采用本發(fā)明裝置后的成膜率大大提高。
在此指出的是，通過加大附加磁體的高度，濺射成膜率還會繼續(xù)提高，因此，本發(fā)明是一種成本低廉且對原裝置無須作任何改動下的提高設(shè)備使用效率的有效手段。
權(quán)利要求
1.平面式磁控濺射便攜插件式增磁裝置，其特征在于包括附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體(1)、附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體(2)、內(nèi)散熱環(huán)(3)和外散熱環(huán)(4)、陰極罩(5)和陽極罩(6)，附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體(1)和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體(2)分別和設(shè)備陰極靶位固有的內(nèi)置中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體(8)和內(nèi)置環(huán)形永磁強(qiáng)磁體(9)同極性相互加強(qiáng)對應(yīng)放置；在附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體(1)和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體(2)之間放置內(nèi)散熱環(huán)(3)，在附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體(2)外放置外散熱環(huán)(4)；靶材(7)和外散熱環(huán)(4)分別罩有陰極罩(5)和陽極罩(6)，用于固定保護(hù)靶材(7)和外散熱環(huán)(4)；附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體(1)和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體(2)與陰極靶位平面(10)接觸，不與內(nèi)散熱環(huán)(3)、外散熱環(huán)(4)和靶材(7)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面式磁控濺射便攜插件式增磁裝置，其特征在于所述的附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體(1)和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體(2)的材料為銣鐵硼強(qiáng)磁性材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面式磁控濺射便攜插件式增磁裝置，其特征在于所述的附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體(1)的直徑與設(shè)備陰極靶位固有內(nèi)置中心圓柱形強(qiáng)磁體(8)的直徑相同；附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體(2)的內(nèi)徑大于或等于設(shè)備陰極靶位固有內(nèi)置環(huán)形強(qiáng)磁體(9)的內(nèi)徑，附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體2的外徑小于或等于設(shè)備陰極靶位固有環(huán)形永磁強(qiáng)磁體(9)的外徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面式磁控濺射便攜插件式增磁裝置，其特征在于所述的附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體(1)與附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體(2)的高度相同且均不小于設(shè)備固有的內(nèi)置中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體(8)和環(huán)形永磁強(qiáng)磁體(9)的高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面式磁控濺射便攜插件式增磁裝置，其特征在于內(nèi)熱環(huán)(3)和外散熱環(huán)(4)的材料為銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面式磁控濺射便攜插件式增磁裝置，其特征在于所述的陰極罩(5)和陽極罩(6)的材料均為不銹鋼。
全文摘要
平面式磁控濺射便攜插件式增磁裝置，包括附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體、附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體、內(nèi)散熱環(huán)和外散熱環(huán)、陰極罩和陽極罩，附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體分別和設(shè)備陰極靶位固有的內(nèi)置中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體和內(nèi)置環(huán)形永磁強(qiáng)磁體同極性相互加強(qiáng)對應(yīng)放置；在附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體之間放置內(nèi)散熱環(huán)，在附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體外放置外散熱環(huán)；靶材和外散熱環(huán)分別罩有陰極罩和陽極罩，用于固定保護(hù)靶材和外散熱環(huán)；附加中心圓柱形永磁強(qiáng)磁體和附加環(huán)形永磁強(qiáng)磁體除了與陰極靶位平面接觸外，均不與內(nèi)散熱環(huán)、外散熱環(huán)和靶材接觸。本發(fā)明在現(xiàn)有平面式磁控濺射裝置的基礎(chǔ)上，在不對原裝置上的設(shè)備進(jìn)行改造的前提下，成膜率大大提高。
文檔編號C23C14/35GK101050520SQ20071009949
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月23日
發(fā)明者刁訓(xùn)剛, 王懷義, 杜心康, 楊海剛, 郝維昌, 王天民 申請人:北京航空航天大學(xué)