本發(fā)明屬于致密氧化物薄膜制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磁極輔助非平衡磁控濺射裝置。

背景技術(shù)：

電解質(zhì)薄膜是能源轉(zhuǎn)換器件中重要的組成部分。目前，電解質(zhì)薄膜普遍采用傳統(tǒng)射頻濺射制備的方法，但制備出的電解質(zhì)膜無法達(dá)到致密結(jié)構(gòu)的要求，這極大限制了能源轉(zhuǎn)換器件的研究及發(fā)展。

傳統(tǒng)的射頻濺射裝置采用平面平衡磁控電極，這種方式中沉積材料的能量較低，在薄膜增厚的界面上，沉積原子或原子團(tuán)不能充分?jǐn)U散，進(jìn)而導(dǎo)致所沉積的薄膜在微觀結(jié)構(gòu)上有許多的孔隙，且厚度不均勻，不能滿足對(duì)利用濺射裝置制備高致密度電解質(zhì)膜的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種磁極輔助非平衡磁控濺射裝置，以解決目前制備出的電解質(zhì)膜及氧化物膜上存在孔隙的問題。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第一方面，提供一種磁極輔助非平衡磁控濺射裝置，

包括真空室、非平衡磁控電極、輔助磁極和襯底承載架，所述襯底承載架設(shè)置在所述真空室的下側(cè)，所述非平衡磁控電極設(shè)置在所述真空室上側(cè)的中心位置處，所述輔助磁極設(shè)置在所述非平衡磁控電極的兩側(cè)；或者

所述非平衡磁控電極均勻分布在以所述真空室上側(cè)中心為圓心的同一圓周上，所述輔助磁極均勻分布在所述真空室內(nèi)壁的等高線上和/或設(shè)置在所述真空室上側(cè)的中心位置處，當(dāng)存在偶數(shù)個(gè)所述非平衡磁控電極時(shí)，至少一對(duì)相對(duì)設(shè)置的非平衡磁控電極的兩側(cè)設(shè)置有所述輔助磁極，當(dāng)存在奇數(shù)個(gè)所述非平衡磁控電極時(shí)，均勻分布在所述真空室內(nèi)壁的等高線上的輔助磁極的個(gè)數(shù)等于所述非平衡磁控電極的個(gè)數(shù)。

在一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，每個(gè)輔助磁極與其相鄰非平衡磁控電極的磁極相反，且每相鄰兩個(gè)非平衡磁控電極之間的磁極相反。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述襯底承載架為偏置電極，所述偏置電極用于承載襯底，并與偏置電源連接，以在所述偏置電極上形成電磁場(chǎng)。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述偏置電極還通過旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)裝置連接，以使所述旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)所述偏置電極轉(zhuǎn)動(dòng)。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述裝置還包括等離子體發(fā)生器，所述等離子發(fā)生器與所述真空室連通，用于對(duì)工作氣體和反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體化后輸送給所述真空室。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述非平衡磁控電極包括陽極和陰極，其中所述陽極與所述陰極對(duì)應(yīng)與電源的正負(fù)極連接，所述陰極包括極靶座和固定在所述極靶座正面的靶材，所述陽極包括磁軛、磁極座以及埋設(shè)在所述磁軛與所述磁極座構(gòu)成空間內(nèi)的一對(duì)磁極，該對(duì)磁極對(duì)稱位于所述靶材中心軸的兩側(cè)并與該靶材中心軸平行，該對(duì)磁極中兩磁極的極性相反且磁場(chǎng)強(qiáng)度不同。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述極靶座用于固定所述靶材的正面為弧面。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述極靶座內(nèi)設(shè)置有位于其正面的下方的冷卻池。

在另一種可選的實(shí)現(xiàn)方式中，所述陰極還包括一對(duì)導(dǎo)磁板，該對(duì)導(dǎo)磁板對(duì)稱設(shè)置于所述靶材中心軸的兩側(cè)，并位于對(duì)應(yīng)磁極的外側(cè)。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明通過在真空室內(nèi)壁上設(shè)置位于非平衡磁控電極與襯底承載架之間的輔助磁極，并使輔助磁極對(duì)稱設(shè)置在非平衡磁控電極的兩側(cè)，可以增強(qiáng)非平衡磁控電極與襯底承載架之間的磁力線分布，使真空室內(nèi)的等離子體分布擴(kuò)展到襯底附近，從而達(dá)到高密度等離子體轟擊到襯底表面，使得沉積原子或原子團(tuán)能夠充分?jǐn)U散，使其所沉積薄膜在成分、微觀結(jié)構(gòu)及厚度上的均勻性高(即微觀結(jié)構(gòu)無空隙，且厚度均勻)，最終制備出的薄膜具有高致密度及高力學(xué)性能；

2、本發(fā)明通過使使每個(gè)輔助磁極與其相鄰非平衡磁控電極的磁極相反，每相鄰兩個(gè)非平衡磁控電極之間的磁極相反，可以進(jìn)一步增強(qiáng)非平衡磁控電極與襯底承載架之間的磁力線分布，并可以保證真空室中心軸兩側(cè)的磁力線分布相同，從而可以進(jìn)一步保證制備出的薄膜的均勻性；

3、本發(fā)明將用于承載襯底的襯底承載架設(shè)置為偏置電極，并使偏置電極在與偏置電源連通后在其上形成電磁場(chǎng)，這樣在制備薄膜的過程中置于偏置電極上的襯底將能主動(dòng)吸附非平衡磁控電極附近的等離子體，從而可以降低非平衡磁控電極表面的等離子體分布，增加接近襯底表面的等離子體密度，并實(shí)現(xiàn)等離子體轟擊襯底；

4、本發(fā)明通過在薄膜制備過程中使旋轉(zhuǎn)襯底，可以進(jìn)一步提高制備出的薄膜的均勻性；

6、本發(fā)明通過在沉積薄膜過程中，首先采用等離子體發(fā)生器對(duì)工作氣體和反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體化，可以使非平衡磁控濺射陰極表面的等離子體密度顯著增大，從而使得單位時(shí)間內(nèi)轟擊到陰極上和襯底上的等離子密度增大，有助于降低工作過程中的濺射氣壓及提高薄膜質(zhì)量；

7、本發(fā)明通過在非平衡磁控濺射電極的陰極上只設(shè)置兩個(gè)磁極，并使固定在陰極正面的背板的弧面與兩個(gè)磁極形成的弧形的非平衡磁力線平行，可以使陰極表面形成一個(gè)正交的弧形電子阱，從而使陰極表面形成一個(gè)呈弧形均勻的等離子體區(qū)域，由此可以使靶材的濺射區(qū)域均勻分布，從而使得濺射速率和靶材的利用率顯著提高；

8、本發(fā)明通過在非平衡磁控電極的陰極正面的兩側(cè)間隔設(shè)置一對(duì)導(dǎo)磁板，并使該對(duì)導(dǎo)磁板相對(duì)于弧面對(duì)稱軸對(duì)稱，并與磁極平行，可以提高磁力線分布的均勻性；

9、本發(fā)明通過在非平衡磁控電極的陰極內(nèi)開設(shè)位于背板弧面下方的冷卻池，并使該冷卻池通過冷卻管與冷水機(jī)連接，可以對(duì)背板實(shí)現(xiàn)冷卻，從而可以提高背板的使用壽命；

10、本發(fā)明通過使非平衡磁控電極的背板與陰極之間設(shè)置密封圈，可以避免冷卻池中的冷卻水滲透到背板，影響背板的工作性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置的一個(gè)實(shí)施例側(cè)視圖；

圖2A是本發(fā)明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置具有2個(gè)磁控濺射陰極靶的實(shí)施例側(cè)視圖；

圖2B是本發(fā)明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置具有2個(gè)磁控濺射陰極靶的實(shí)施例俯視圖；

圖3A是本發(fā)明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置具有2個(gè)磁控濺射陰極靶的另一實(shí)施例側(cè)視圖；

圖3B是本發(fā)明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置具有2個(gè)磁控濺射陰極靶的另一實(shí)施例俯視圖；

圖4是本發(fā)明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置具有4個(gè)磁控濺射陰極靶的實(shí)施例俯視圖；

圖5是本發(fā)明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置具有3個(gè)磁控濺射陰極靶的實(shí)施例俯視圖；

圖6是本發(fā)明非平衡磁控濺射電極的一個(gè)實(shí)施例俯視圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，并使本發(fā)明實(shí)施例的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該磁極輔助非平衡磁控濺射裝置可以包括真空室101、非平衡磁控電極102、輔助磁極103和襯底承載架104，所述襯底承載架104設(shè)置在所述真空室101的下側(cè)，所述非平衡磁控電極102設(shè)置在所述真空室101上側(cè)的中心位置處，所述輔助磁極103設(shè)置在所述非平衡磁控電極102的兩側(cè)，如圖1所示。本實(shí)施例中，非平衡磁控電極102上分布有磁性相反的一對(duì)磁極，且該對(duì)磁極之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，設(shè)置在非平衡磁控電極102兩側(cè)的輔助磁極103與其相鄰磁極的磁性相反。例如，對(duì)于左側(cè)輔助磁極103，其面向非平衡磁控電極102側(cè)的磁極為N極，而與其相鄰的非平衡磁控電極102，面向左側(cè)輔助磁極103的磁極為S極。

在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，該磁極輔助非平衡磁控濺射裝置可以包括真空室101、非平衡磁控電極102、輔助磁極103和襯底承載架104，所述襯底承載架104設(shè)置在所述真空室101的下側(cè)，所述非平衡磁控電極102均勻分布在以所述真空室101上側(cè)中心為圓心的同一圓周上，所述輔助磁極103均勻分布在所述真空室101內(nèi)壁的等高線上和/或設(shè)置在所述真空室101上側(cè)的中心位置處，當(dāng)存在偶數(shù)個(gè)所述非平衡磁控電極102時(shí)，至少一對(duì)相對(duì)設(shè)置的非平衡磁控電極102的兩側(cè)設(shè)置有所述輔助磁極103，當(dāng)存在奇數(shù)個(gè)所述非平衡磁控電極102時(shí)，均勻分布在所述真空室101內(nèi)壁的等高線上的輔助磁極103的個(gè)數(shù)等于所述非平衡磁控電極102的個(gè)數(shù)。

本實(shí)施例中，為了增加真空室內(nèi)工作氣體和反應(yīng)氣體的密度和活性，真空室101可以與等離子體發(fā)生器連通，由等離子體發(fā)生器對(duì)工作氣體和反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體化后輸送給真空室101。本發(fā)明通過在沉積薄膜過程中，首先采用等離子體發(fā)生器對(duì)工作氣體和反應(yīng)氣體進(jìn)行等離子體化，可以使非平衡磁控濺射陰極表面的等離子體密度顯著增大，從而使得單位時(shí)間內(nèi)轟擊到陰極上和襯底上的等離子密度增大，有助于降低工作過程中的濺射氣壓及提高薄膜質(zhì)量。

當(dāng)偶數(shù)個(gè)非平衡磁控電極102均勻分布在以真空室101上側(cè)中心點(diǎn)為圓心的同一圓周上，且輔助磁極103只均勻分布真空室101內(nèi)壁等高線上時(shí)，如圖2A和2B所示。本實(shí)施例中，兩個(gè)非平衡磁控電極102均勻分布在以真空室101上側(cè)中心為圓心的同一圓周上，因此這兩個(gè)非平衡磁控電極102構(gòu)成相對(duì)于真空室101上側(cè)中心點(diǎn)對(duì)稱的一對(duì)相對(duì)設(shè)置的非平衡磁控電極102，兩個(gè)輔助磁極103設(shè)置在該對(duì)相對(duì)設(shè)置的非平衡磁控電極102的兩側(cè)。其中，每個(gè)輔助磁極103與其相鄰非平衡磁控電極102的磁極相反，且相鄰非平衡磁控電極102之間的磁極也相反。例如，對(duì)于左側(cè)輔助電極103，其相鄰非平衡磁控電極為左側(cè)非平衡磁控電極102，該左側(cè)輔助電極103面向左側(cè)非平衡磁控電極102側(cè)的磁極為N極，左側(cè)非平衡磁控電極102面向左側(cè)輔助電極103側(cè)的磁極為S極；對(duì)于兩個(gè)相鄰的非平衡磁控電極102，左側(cè)非平衡磁控電極的右側(cè)磁極為“S-N”，右側(cè)非平衡磁控電極的左側(cè)磁極為“N-S”。

當(dāng)偶數(shù)個(gè)所述非平衡磁控電極102均勻分布在以真空室101上側(cè)中心點(diǎn)為圓心的同一圓周上，且輔助磁極103均勻分布在真空室101內(nèi)壁等高線上并設(shè)置在真空室101上側(cè)的中心位置處時(shí)，結(jié)合圖3A和3B所示，本實(shí)施例中，輔助磁極103設(shè)置在該對(duì)相對(duì)設(shè)置的非平衡磁控電極102的兩側(cè)，且在真空室101上側(cè)的中心位置處還設(shè)置有輔助磁極100。其中，每個(gè)輔助磁極與其相鄰非平衡磁控電極102的磁極相反。例如，對(duì)于中間輔助磁極100，其與左側(cè)非平衡磁極102和右側(cè)非平衡磁極102的磁極相反。另外，結(jié)合圖4所示，本實(shí)施例中，四個(gè)非平衡磁控電極102均勻分布在以真空室101上側(cè)中心為圓心的同一圓周上，因此這四個(gè)非平衡磁控電極102構(gòu)成兩對(duì)相對(duì)于真空室101上側(cè)中心點(diǎn)對(duì)稱的非平衡磁控電極102，在每對(duì)相對(duì)設(shè)置的非平衡磁控電極102的兩側(cè)都設(shè)置有輔助磁極103，且在真空室101上側(cè)的中心位置處設(shè)置有輔助磁極100。其中，每個(gè)輔助磁極與其相鄰非平衡磁控電極102的磁極相反。需要注意的是：圖4所示實(shí)施例中，輔助磁極103也可以只設(shè)置在其中一對(duì)非平衡磁控電極102的兩側(cè)。

當(dāng)奇數(shù)個(gè)非平衡磁控電極102均勻分布在以真空室101上側(cè)中心點(diǎn)為圓心的同一圓周上，且輔助磁極103均勻分布在真空室101內(nèi)壁等高線上并設(shè)置在真空室101上側(cè)的中心位置處時(shí)，如圖5所示。本實(shí)施例中，三個(gè)非平衡磁控電極102均勻分布在以真空室101上側(cè)中心點(diǎn)為圓心的同一圓周上，且三個(gè)輔助磁極103均勻分布在真空室101內(nèi)壁等高線上，一個(gè)輔助磁極100設(shè)置在真空室101上側(cè)的中心位置處。其中，每個(gè)輔助磁極與其相鄰非平衡磁控電極102的磁極相反。

本發(fā)明通過使每個(gè)輔助磁極與其相鄰非平衡磁控電極的磁極相反，每相鄰兩個(gè)非平衡磁控電極之間的磁極相反，可以進(jìn)一步增強(qiáng)非平衡磁控電極與襯底承載架之間的磁力線分布，并可以保證真空室中心軸兩側(cè)的磁力線分布相同，從而可以進(jìn)一步保證制備出的薄膜的均勻性。需要注意的是：本實(shí)施例中，位于真空室上側(cè)的磁極的極性與真空室側(cè)壁上同側(cè)磁極的極性相反，構(gòu)成閉合磁場(chǎng)，由此可以進(jìn)一步增強(qiáng)非平衡磁控電極與襯底承載架之間的磁力線分布，此外，真空室上側(cè)的磁極的極性方向可以為豎直方向，真空室側(cè)壁上輔助磁極的極性方向可以為水平方向，由此可以進(jìn)一步增強(qiáng)非平衡磁控電極與襯底承載架之間的磁力線分布。

由上述實(shí)施例可見，本發(fā)明通過在真空室內(nèi)壁上設(shè)置位于非平衡磁控電極與襯底承載架之間的輔助磁極，并使輔助磁極對(duì)稱設(shè)置在非平衡磁控電極的兩側(cè)，可以增強(qiáng)非平衡磁控電極與襯底承載架之間的磁力線分布，使真空室內(nèi)的等離子體分布擴(kuò)展到襯底附近，從而達(dá)到高密度等離子體轟擊到襯底表面，使得沉積原子或原子團(tuán)能夠充分?jǐn)U散，使其所沉積薄膜在成分、微觀結(jié)構(gòu)及厚度上的均勻性高，最終制備出的薄膜具有高致密度及高力學(xué)性能。

另外，所述襯底承載架104可以為由導(dǎo)電材料制成的偏置電極，所述偏置電極104用于承載襯底，并通過導(dǎo)電材料制成的旋轉(zhuǎn)軸105與偏置電源連接，以在所述偏置電極104上形成電磁場(chǎng)。所述偏置電極104還通過旋轉(zhuǎn)軸105與旋轉(zhuǎn)裝置連接，以使所述旋轉(zhuǎn)裝置在薄膜制備過程中帶動(dòng)所述偏置電極104轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明將用于承載襯底的襯底承載架設(shè)置為偏置電極，并使偏置電極在與偏置電源連通后在其上形成電磁場(chǎng)，這樣在制備薄膜的過程中置于偏置電極上的襯底將能主動(dòng)吸附非平衡磁控電極附近的等離子體，從而可以降低非平衡磁控電極表面的等離子體分布，增加接近襯底表面的等離子體密度，并實(shí)現(xiàn)等離子體轟擊襯底。此外，本發(fā)明通過在薄膜制備過程中使旋轉(zhuǎn)襯底，可以進(jìn)一步提高制備出的薄膜的均勻性。

為了保證薄膜制備的正常進(jìn)行，在真空室101上還設(shè)置有抽氣口106、進(jìn)氣管和冷卻管(圖1中未示出)，該抽氣口106與真空泵連接，用于對(duì)真空室101抽真空，進(jìn)氣管用于向真空室101中輸送工作氣體和反應(yīng)氣體，冷卻管與冷卻機(jī)連接，用于對(duì)真空室101進(jìn)行冷卻處理。

為了提高非平衡磁控電極的靶材利用率和濺射速度，本發(fā)明可以采用圖6所示的非平衡磁控電極。該非平衡磁控電極包括陽極和陰極，其中所述陽極與所述陰極對(duì)應(yīng)與電源的正負(fù)極連接，所述陰極包括極靶座116和固定在所述極靶座116正面的靶材108，所述陽極包括磁軛115、磁極座109以及埋設(shè)在所述磁軛115與所述磁極座109構(gòu)成空間內(nèi)的一對(duì)磁極117，該對(duì)磁極117對(duì)稱位于所述靶材108中心軸的兩側(cè)并與該靶材108中心軸平行，該對(duì)磁極117中兩磁極的極性相反且磁場(chǎng)強(qiáng)度不同。本發(fā)明在使用該非平衡磁控電極時(shí)，其極靶座116的正面朝所述真空室101內(nèi)側(cè)設(shè)置。

本實(shí)施例中，磁極座109可以通過緊固裝置110和114固定在磁軛115上。為了進(jìn)一步提高非平衡磁控電極的靶材利用率和濺射速度，所述極靶座116用于固定所述靶材108的正面為弧面，該弧面與陽極上磁極對(duì)之間形成的弧形電子阱相配合，可以使靶材濺射區(qū)域均勻分布。此外，在所述極靶座116內(nèi)設(shè)置有位于其正面下方的冷卻池，該冷卻池通過冷水入口端111和冷水出口端分別連接冷卻機(jī)，由此可以避免靶材工作溫度過高，保證靶材正常工作；且極靶座116通過緊固裝置112固定在磁軛115上。

該陰極還可以包括一對(duì)導(dǎo)磁板107，該對(duì)導(dǎo)磁板對(duì)稱設(shè)置于所述靶材108中心軸的兩側(cè)，并位于對(duì)應(yīng)磁極117的外側(cè)，與磁極117平行。本發(fā)明通過在陰極正面的兩側(cè)間隔設(shè)置一對(duì)導(dǎo)磁板，并使該對(duì)導(dǎo)磁板相對(duì)于靶材中心軸對(duì)稱，并與磁極平行，可以提高磁力線分布的均勻性。其中，該對(duì)導(dǎo)磁板107中的每個(gè)導(dǎo)磁板107都可以包括一個(gè)水平段和一個(gè)豎直段，其中該水平段可以固定在磁軛115上，該豎直段與磁極117平行。

此外，磁極117的材質(zhì)可以為NdFe35或其他強(qiáng)磁性材料，極靶座116、磁軛115及導(dǎo)磁板107的材質(zhì)可以為不銹鋼SS430，導(dǎo)磁板107的材質(zhì)可以為不銹鋼。另外，該對(duì)磁極117形成的最短弧形磁力線在所述靶材108的弧面上(即該最短弧形磁力線與該弧面重疊)，以構(gòu)成完全正交的電磁場(chǎng)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說明書及實(shí)踐這里公開的發(fā)明后，將容易想到本發(fā)明的其它實(shí)施方案。本申請(qǐng)旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識(shí)或慣用技術(shù)手段。說明書和實(shí)施例僅被視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由下面的權(quán)利要求指出。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié)構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求來限制。