提高溅射离化率的溅射阴极、真空镀膜系统及镀膜方法技术方案

本公开提供了提高溅射离化率的溅射阴极、真空镀膜系统及镀膜方法，其中溅射阴极包括：中空圆柱筒型靶套，所述靶套内设有靶材；冷却系统，置于所述靶套外壁；环形磁铁，均匀安装在靶材后侧并靠近靶材端口处，且与冷却系统相邻；所述环形磁铁及冷却系统外侧设有磁钢；磁钢外侧设置罩有屏蔽罩。所述环形磁铁在靶面形成闭合环形电子跑道，将电子有效地约束在等离子体内部，降低了起辉电压，提高了放电稳定性及溅射材料的离化率。

【技术实现步骤摘要】
提高溅射离化率的溅射阴极、真空镀膜系统及镀膜方法
本公开涉及磁控溅射
，尤其涉及的是提高溅射离化率的溅射阴极、真空镀膜系统及镀膜方法。
技术介绍
传统磁控溅射阴极广泛用于刀具、模具等领域。目前，主流的镀膜技术主要以平面磁控溅射技术以及阴极弧离子镀技术为主。然而平面磁控溅射技术缺点有：材料离化率低、可控性差；而阴极弧离子镀虽有高的材料离化率，其束流的能量、方向可控性好，但是束流中存在大量金属“液滴”，在薄膜上形成“大颗粒”缺陷，对薄膜的质量产生严重影响。专利号为201410268695.1和201410268732.9的专利中，对平面磁控溅射技术及阴极弧技术存在的问题进行改进，设计并保护了一种圆筒形金属等离子体源结构。圆筒形金属等离子体源可将溅射约束在筒形靶材内部，溅射出来的材料在腔内与电子、Ar+、Ar、靶材料反复碰撞、离化，可有效提高离化率，离子扩散出来并沉积在工件表面，实现镀膜。采用这种方式使靶面“打弧”产生的“金属液滴”被限制在筒形靶内部。但是公开的筒形金属等离子体源采用条形磁体提供磁场，形成电子跑道不闭合，电子容易从磁极端部“决堤”式逃逸，导致等离子体源起辉气压高，放电不稳定。筒形靶材内部的电子大量逃逸，不利于溅射材料的离化，进而影响引出束流的密度。针对此，提出采用环形磁铁，形成闭合电子跑道，避免电子从磁极端部“决堤”式逃逸，从而将电子有效的约束在等离子体内部，降低起辉电压，提高放电稳定性及溅射材料的离化率。
技术实现思路
本公开要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供提高溅射离化率的溅射阴极、真空镀膜系统及镀膜方法，旨在解决现有技术中的电子容易从磁极端部“决堤”式逃逸，导致等离子体源起辉气压高的问题，进一步的解决了不能实现保持靶面放电区域的同时也保持溅射材料的离化率的问题。本公开解决技术问题所采用的技术方案如下：一种提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，包括：呈中空圆柱筒型靶套，所述靶套内设有靶材；冷却系统，置于所述靶套外壁；环形磁铁，均匀安装在靶材后侧并靠近靶材端口处，且与所述冷却系统相邻；所述环形磁铁及冷却系统外侧设有磁钢；所述磁钢外设置有屏蔽罩。进一步地，所述环形磁铁的内环和外环分别是N极和S极，并且两个环形磁铁的磁极相反，磁极强度为200-600mT，所述环形磁铁的位置可调，使得靶面的横向磁场强度为15-80mT。进一步地，所述环形磁铁为完整的环形或者多段弧形磁铁组合成的环形。进一步地，所述冷却系统与磁钢之间还增设有平行于靶面的中央磁铁。进一步地，所述环形磁铁外侧还增设有与所述环形磁铁磁极相同的补偿磁铁。进一步地，所述溅射阴极上设有所述中央磁铁和补偿磁铁，所述中央磁铁和补偿磁铁的磁铁强度和位置可调，以调节靶面横向和纵向磁场分布，进而提高靶材溅射利用率。进一步地，所述环形磁铁、中央磁铁和补偿磁铁为永久磁铁或电磁铁；所述永久磁铁的材料至少包括：钕铁硼合金材料、铁铬钴系永磁合金、铝镍钴系永磁合金、稀土钴永磁材料、铁氧体永磁合金、铁氧体材料或有机磁性材料其中的一种。本公开还提供一种真空镀膜系统，其中，包括如上所述的溅射阴极，远离所述靶套端口一侧设置用于放置待加工工件的加工台；所述加工台和溅射阴极的外侧罩设有真空腔室，所述真空腔室连接有抽气系统和充气系统；所述靶套连接的磁控溅射电源。本公开还提供一种真空镀膜系统，其特征在于，所述磁控溅射电源为高功率脉冲磁控溅射、直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射、复合脉冲磁控溅射等方法中的一种或几种。本公开还提供一种镀膜方法，其中，所述镀膜方法使用如上所述的真空镀膜系统实现，包括：抽气系统抽出所述真空腔室内的气体；充气系统充入工作气体于所述真空腔室内；启动溅射阴极，所述溅射阴极产生离子束；对待加工产品进行涂层制备或表面改性。本公开提供了一种提高溅射离化率的溅射阴极、真空镀膜系统及镀膜方法，其中溅射阴极包括：中空圆柱筒型靶套，所述靶套内设有靶材；冷却系统，置于所述靶套外壁；环形磁铁均匀安装在靶材后侧并靠近靶材端口处，且与冷却系统相邻；在所述环形磁铁及冷却系统外侧设有磁钢；磁钢外侧设置有屏蔽罩。所述环形磁铁在靶面形成闭合环形电子跑道，将电子有效的约束在等离子体内部，降低起辉电压，提高放电稳定性及溅射材料的离化率。附图说明图1是本公开中溅射阴极的一种实施例的结构图；图2是本公开中溅射阴极的较佳实施例的结构图；图3是本公开中溅射阴极的另一较佳实施例的结构图；图4是本公开中一种真空镀膜系统较佳实施例的结构图；图5是本公开中一种镀膜方法较佳实施例的流程图。标注说明：1、靶材；2、靶套；3、冷却系统；4、环形磁铁；5、屏蔽罩；6、中央磁铁；7、磁钢；8、补偿磁铁；9、加工台；10、真空腔室。具体实施方式为使本公开的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本公开进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本公开，并不用于限定本公开。已知，现有的筒形磁控溅射阴极是在中空圆柱筒型外壳的内部依次层铺有磁钢、冷却系统和靶套，在所述磁钢上镶嵌有磁铁，其磁铁为条形永磁铁，从而在所述磁控溅射阴极中形成垂直于所述靶套的磁场，以对靶套上的靶材进行刻蚀。筒形金属等离子体源采用条形磁体提供磁场，形成电子跑道不闭合，电子容易从磁极端部“决堤”式逃逸，导致等离子体源起辉气压高，放电不稳定。筒形靶材内部的电子大量逃逸，不利于溅射材料的离化，进而影响引出束流的密度。针对此，提出采用环形磁铁，形成闭合电子跑道，避免电子从磁极端部“决堤”式逃逸，从而将电子有效的约束在等离子体内部，降低起辉电压，提高放电稳定性及溅射材料的离化率。而本公开中并未对磁钢和外壳进行改进，其结构以及作用方式可沿用现有技术，在本公开的具体实施例中并不对外壳和磁钢进行过多描述。请参见图1，本公开中一种提高溅射离化率的溅射阴极。其中包括：呈中空圆柱筒型靶套2，所述靶套内设有靶材1；冷却系统3，置于所述靶套2外壁；环形磁铁4均匀安装在靶材后侧并靠近靶材1端口处，且与冷却系统3相邻；在所述环形磁铁及冷却系统外侧设有磁钢7；磁钢7外侧罩设置有屏蔽罩5。所述环形磁铁4产生的磁场可沿轴向(平行于靶面，下文皆用轴向表述)分布，也可沿径向分布(垂直于靶面，下文皆用径向表述)，当所述环形磁铁4产生沿轴向分布的磁场时，能够增大靶面的放电区域，提高靶材2利用率；当所述环形磁铁4产生沿径向分布的磁场时，能够形成闭合的电子跑道，避免了电子从磁极端部“决堤”式逃逸，能够将电子有效地约束在所述溅射阴极的内部，进而降低起辉气压，提高了放电稳定性及溅射材料的离化率。具体地，所述靶套2可为一体设置可以为拼接设置；所述靶套2可由不锈钢、Cu、Al、V、Ti、Cr、Mn、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt和Au中的至少一种材料制备。在一具体实施例中，如图1所示，用于产生沿轴向分布磁场的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，包括：呈中空圆柱筒型靶套，所述靶套内设有靶材；冷却系统，置于所述靶套外壁；环形磁铁，均匀安装在靶材后侧并靠近靶材端口处，且与所述冷却系统相邻；所述环形磁铁及冷却系统外侧设有磁钢；所述磁钢外设置有屏蔽罩。/n

【技术特征摘要】
1.一种提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，包括：呈中空圆柱筒型靶套，所述靶套内设有靶材；冷却系统，置于所述靶套外壁；环形磁铁，均匀安装在靶材后侧并靠近靶材端口处，且与所述冷却系统相邻；所述环形磁铁及冷却系统外侧设有磁钢；所述磁钢外设置有屏蔽罩。


2.根据权利要求1所述的提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，所述环形磁铁的内环和外环分别是N极和S极，并且两个环形磁铁的磁极相反，磁极强度为200-600mT，所述环形磁铁的位置可调，使得靶面的横向磁场强度为15-80mT。


3.根据权利要求1所述的提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，所述环形磁铁为完整的环形或者多段弧形磁铁组合成的环形。


4.根据权利要求1-3任一项所述的提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，所述冷却系统与磁钢之间还增设有平行于靶面的中央磁铁。


5.根据权利要求1-3任一项所述的提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，所述环形磁铁外侧还增设有与所述环形磁铁磁极相同的补偿磁铁。


6.根据权利要求4或5所述的提高溅射离化率的溅射阴极，其特征在于，所述中央磁铁和补偿磁铁的磁铁强度和位置可...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴忠振，李体军，崔岁寒，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44