细外径磁控旋转阴极及用于提高沉积速率的方法

摘要

本发明公开了一种细外径磁控旋转阴极及用于提高沉积速率的方法，所述细外径磁控旋转阴极包括靶管和设置在靶管内的靶芯，该靶芯包括磁芯座和磁铁，所述磁芯座上的水道孔偏心设置，该水道孔的回水口位于所述磁芯座的下端位置，若干磁铁分布在所述磁芯座的外壁上。本发明的结构设计巧妙，水道孔偏心位置以及磁铁位置布置合理，能有效且大幅度提高了靶面磁场强度，能够给沉积速率带来较高的提升；冷却水在磁芯座外部形成冷却，并带走热量，以热水形式经回水口流入水道孔上升流出，形成低进高出的冷却水路，冷却效果好，可以承受更高的使用功率，进一步提升沉积速率。另外整体结构紧凑，体积小，占用空间少，适用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及磁控溅射镀膜技术领域，具体涉及一种细外径磁控旋转阴极及用于提高沉积速率的方法。

背景技术

常见镀膜方式有PVD(物理气相沉积)、CVD(化学气相沉积)。而应用较多的是PVD，PVD里边较常见的镀膜手段是磁控溅射。磁控溅射镀膜也是较多工业应用场景下所采用的膜层沉积手段，其主要原理是采用磁控管的方式，实现大面积沉积，故而能够实现大批量薄膜沉积，以及工业生产。

一般来说，磁控溅射镀膜领域中的阴极有圆形阴极(也有称为圆饼阴极)、矩形阴极(也有称为平面阴极)和圆柱阴极(也有称为旋转阴极或旋转靶)。由于圆形阴极可沉积的区域有限，所以在微型及小型尺寸的产品使用较多，例如光通讯行业的各种滤光片、光纤通道面镀膜等；由于靶材刻蚀过程，平面阴极的刻蚀区会呈现跑道外形，且随着靶材冷却程度变化，靶电源施加功率大小变化，从而影响其均匀性较多，同时工艺变动也较为频繁；旋转阴极工作时，由于靶材能自转，从而使刻蚀区会覆盖整个靶面，故而实现工艺变动小，长时间连续生产稳定性高。

综上所述，基本上采用磁控溅射镀膜的薄膜制备领域，都已经采用旋转阴极替代矩形阴极来提高生产的稳定性。当然某些材料不能容易实现旋转靶材制备的情况，仍然还是采用平面靶材较多。

早期旋转阴极在大面积玻璃连续式镀膜设备中使用较多，靶材通过焊接或喷涂置于靶管外壁，靶管内径Φ125mm，外径Φ133m，行业俗称Φ133mm靶；进入国内后，随着单体式镀膜设备中使用，因成本考量，仅是简单修改为Φ70mm靶。同时在实际沉积速率测试过程中，发现Φ133mm靶和Φ70mm靶对沉积速率并无差别性体现，只是Φ133m靶的靶外径更大，同样厚度的靶材，所能使用的时间会更长，但对生产效率并无根本改善。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种结构紧凑，能提高靶面磁场强度的细外径磁控旋转阴极。

本发明的目的还在于，提供一种上述细外径磁控旋转阴极用于提高沉积速率的方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

一种细外径磁控旋转阴极，其包括靶管和设置在靶管内的靶芯，该靶芯包括磁芯座和磁铁，所述磁芯座上偏心设有水道孔，该水道孔的回水口位于所述磁芯座的下端位置，若干磁铁分布在所述磁芯座的外壁上。所述靶管的外径≤25mm。

作为本发明的一种优选方案，所述磁芯座的外壁上设有用来安装所述磁铁的装配槽，方便快速安装磁铁，且固定效果好。

作为本发明的一种优选方案，所述装配槽的开口两侧设有方便取放所述磁铁的缺口。所述缺口的宽度为1～2mm，形成供工具活动空间，利于磁铁的快速放取。

作为本发明的一种优选方案，直接在所述磁芯座上轴向开孔形成所述水道孔，该水道孔与磁芯座为一体结构，结构稳定性好。

作为本发明的一种优选方案，所述磁芯座的外壁上设有固置凹位，在该固置凹位上固置有金属空心管形成所述水道孔，该金属空心管与磁芯座为分体结构，利于加工实现，使得靶管外径进一步缩减成15mm，甚至更小。固置方式可以是点位焊接、滚面焊接或bonding等方式。

作为本发明的一种优选方案，所述水道孔的内孔壁与磁芯座的外壁之间距离为1.5～2mm。

作为本发明的一种优选方案，所述靶管的外径≤25mm。处于较小值状态，有效缩小磁铁与靶管内壁的距离，实现靶管外表面的磁场强度会优于一般阴极靶管。

作为本发明的一种优选方案，所述靶管上端通过固定套安装在靶管旋转轴上，所述靶管的下端设有密封盖，该密封盖的中心位置设有限位轴承，该限位轴承上设有磁芯旋转轴，该磁芯旋转轴的上端与所述磁芯座的下端相固定，所述磁芯座的上端与中空连接件相连接，该中空连接件上轴向设有与所述水道孔相连通的过水孔。

一种上述的细外径磁控旋转阴极用于提高沉积速率的方法，磁控溅射镀膜设备采用所述的细外径磁控旋转阴极来作为阴极；以靶材材料为Ti为例，基片采用金属不锈钢片，靶基距设为97.5mm，以1m/min作直线运动；镀膜所使用气体为Ar，压力设为5.0E-1Pa，阴极使用的功率为10kW，沉积速率有明显提高。

本发明的有益效果为：本发明的结构设计巧妙，合理偏心设有水道孔以及布置磁铁的位置，能有效且大幅度提高了靶面磁场强度，能够给沉积速率带来较高的提升；冷却水在磁芯座外部形成冷却，并带走热量，以热水形式经回水口流入水道孔上升流出，形成低进高出的冷却水路，冷却效果好，可以承受更高的使用功率，进一步提升沉积速率。另外整体结构紧凑，体积小，占用空间少，适用性强。

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的全剖结构示意图。

图2是图1中的A-A剖视结构示意图。

图3是本发明的测试区域示意图。

图4是本发明的另一种结构剖视结构示意图。

具体实施方式

实施例1：参见图1至图3，本实施例提供的一种细外径磁控旋转阴极，其包括靶管1和设置在靶管1内的靶芯2，所述靶管1的外径≤25mm。

所述靶芯2包括磁芯座21和磁铁22，所述磁芯座21上偏心设有水道孔211，该水道孔211的回水口212位于所述磁芯座21的下端位置。冷却水在磁芯座21外部形成冷却，并带走热量，以热水形式经回水口212流入水道孔211上升流出，形成低进高出的冷却水路，冷却效果好，可以承受更高的使用功率。

若干磁铁22分布在所述磁芯座21的外壁上。本实施例中，为方便安装磁铁22，所述磁芯座21的外壁上设有用来安装所述磁铁22的装配槽，可以通过过盈配合、卡扣等方式将磁铁22定位固定在所述装配槽内。当然，为方便取放磁铁22，还在所述装配槽的开口两侧位置设有宽度为1～2mm的缺口213，该缺口213可以形成供工具活动空间，利于磁铁22的快速放取。

本实施例中，直接在所述磁芯座21上轴向开孔形成所述水道孔211，该水道孔211与磁芯座21为一体结构，结构稳定性好。

所述靶管1上端通过固定套3安装在靶管旋转轴8上，所述靶管1的下端设有密封盖4，该密封盖4的中心位置设有限位轴承5，该限位轴承5上设有磁芯旋转轴6，该磁芯旋转轴6的上端与所述磁芯座21的下端相固定，所述磁芯座21的上端与中空连接件7相连接，该中空连接件7上轴向设有与所述水道孔211相连通的过水孔。

以磁控旋转靶的外径为25mm为例和普通型Φ70mm磁控旋转靶来进行对比测量靶面磁场强度；Φ25mm磁控靶以图2所示靶管1外径Φ25mm，内径Φ17mm为例；靶管1长度为400mm，靶材材料是Ti，参见图3，在靶管1旁边设定测量区A和测量区B，分成两列A1～A9和B1～B9逐点测量靶面磁场强度，数据参见表1：

表1

通过表1可以看出，Φ25mm磁控旋转靶的靶面磁场强度基本高于Φ70mm磁控旋转靶强度一百多Gauss，更有利于功率提升以及沉积速率提高。

本实施例中，以细外径磁控旋转阴极的外径为25mm和传统Φ70mm磁控旋转阴极进行沉积速率对比，具体数据参见表2。

表2

通过表2可以看出Φ25mm细外径磁控旋转阴极的沉积膜层厚度比Φ70mm磁控旋转阴极提高34％；同时说明Φ25mm细外径磁控旋转阴极的沉积速率比Φ70mm磁控旋转阴极提高34％。可见，应用本发明细外径磁控旋转阴极能够给沉积速率带来较高的提升。

实施例2：参见图4，本实施例提供的一种细外径磁控旋转阴极，其与实施例1基本一致，区别点在于，实施例1是直接在所述磁芯座21上轴向开孔形成所述水道孔211，该水道孔211与磁芯座21为一体结构。而本实施例中，是在所述磁芯座21的外壁上轴向设有固置凹位，该固置凹位用来安装金属空心管23。将金属空心管23放置在固置凹位上并通过焊接工艺使该金属空心管23定位固定在所述固置凹位上形成所述水道孔211，该金属空心管23与磁芯座21为分体结构，更利于加工，而且直接采用金属空心管23形成水道孔211，可以将所述水道孔211的内孔壁与磁芯座21的外壁之间距离缩小至1.5～2mm，更利于整体的小型化，使得靶管1外径可以进一步缩减成15mm，甚至更小。

上述实施例仅为本发明较好的实施方式，本发明不能一一列举出全部的实施方式，凡采用上述实施例之一的技术方案，或根据上述实施例所做的等同变化，均在本发明保护范围内。本发明的结构设计巧妙，合理偏心设有水道孔211以及布置磁铁22的位置，能有效且大幅度提高了靶面磁场强度，能够给沉积速率带来较高的提升；冷却水在磁芯座21外部形成冷却，并带走热量，以热水形式经回水口212流入水道孔211上升流出，形成低进高出的冷却水路，冷却效果好，可以承受更高的使用功率，大大提升沉积速率。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似结构而得到的其它装置及方法，均在本发明保护范围内。