[发明专利]一种用于溅射镀膜的阴极

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜材料的制备装置，具体涉及一种用于磁场辅助实现溅射镀膜的阴极结构。

背景技术

直流溅射或射频溅射镀膜过程中时，飞行的电子与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和二次电子。其中，氩离子在电场的作用下加速、轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，中性的靶材原子(或分子)沉积在基片上形成薄膜。磁控溅射基本装置是在这些溅射装置基础上改进电极结构而形成的，参见附图1所示，现有技术中的平面磁控溅射阴极是利用放置在阴极内部的呈“山”字形磁铁N和S极在靶材表面附近的一部分区域产生一个平行于表面的非均匀横向磁场，二次电子在飞向基片的过程中受到该横向磁场的作用，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内作回旋运动，大大延长了电子到达阳极的行程，使在此行程中与氩原子发生碰撞电离的几率增加，轰击靶的正离子的浓度也因而增加，从而提高了溅射镀膜的速率。加上几乎所有的金属、合金、半导体和陶瓷等固体材料都可以作为靶材进行镀膜，磁控溅射镀膜技术已经成为广泛应用于科研和大面积镀膜生产各个领域。但现有的平面磁控溅射阴极还存在一些期待改进的明显缺点：一是阴极中采用的磁场结构的原因，靶材表面附近不均匀分布的磁场产生不均匀分布的等离子体导致靶材面上的不均匀刻蚀，靶材的利用率只有25～45％，造成资源利用的不充分；二是靶表面的横向磁场也对带电粒子起束缚作用，随着离开靶表面距离的增大，带电粒子浓度迅速降低，大部分是中性粒子才不受磁场的束缚飞向基片成膜，这些粒子活性不强、难以形成高品质薄膜；三是由于磁性靶材的磁屏蔽作用，磁性材料的镀膜速率不高。

为克服磁控溅射镀膜过程中的这些缺点，近二十年来，人们做了各种改进磁场分布方面的的努力。为提高等离子浓度，出现了非平衡磁控溅射技术，即采用使图1中的磁极S和磁极N取不相等的截面积的不对称磁极、或在图1所示的磁结构基础上附加一个电磁线圈，用以提高等离子浓度及其分布区域；为提高靶材利用率，主要是通过改变阴极中磁路的结构、附加辅助电磁线圈或磁铁增加额外磁场、镀膜过程中不断移动磁铁位置等，达到增大靶材面上横向磁场的分布面积和均匀性；为同时提高靶材利用率和等离子浓度，英国的PQL公司开发推出了配备等离子发射枪(Plasma Launch System)的研究实验用溅射镀膜系统。但所有这些技术都需要附加额外的结构或功能单元，设备构造更加复杂，难以普及推广到大面积镀膜的生产领域。

发明内容

本发明目的是提供一种用于溅射镀膜的阴极，以克服现有的磁控溅射镀膜方法中靶材利用率低，以及难以提高薄膜质量的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于溅射镀膜的阴极，包括靶材、内部设有腔体的阴极组件、磁铁，所述磁铁位于阴极组件的腔体内，所述磁铁的一个磁极朝向靶材方向，另一个磁极背向靶材方向设置，磁铁朝向靶材的磁极端面为内凹的曲面，使所述靶材位于由磁铁产生的磁场中，磁场的方向垂直于靶材表面。

上述技术方案中，在靶材表面附近的磁场强度分布比较均匀为宜。

本发明提供了一种由一个垂直于靶材表面的磁场辅助的平面溅射镀膜阴极，即安装在该阴极上的平面靶材处于由永久磁铁或电磁铁产生的磁场中，该磁场的方向垂直于靶材表面、且比较均匀地分布在整个靶材面。阴极可因用途分为用于圆形靶材或是用于矩形靶材等不同类型，对应的磁铁形状可分别采用圆柱体或扁长方体，其尺寸等于或大于圆形靶材的直径或矩形靶材的长宽，上端面设计成凹球面形或凹柱面形，利用几何界面对磁场分布的制约、产生一个在靶材整个表面分布比较均匀的、并与靶材表面垂直的磁场。磁铁凹面部分所对应的磁极可根据镀膜靶材的材质取N极或S极，下端面取平面或曲面皆可。

上述技术方案中，所用靶材为圆形时，该阴极外形为圆柱体形，所述磁铁为圆柱体；当磁铁的直径等于靶材的直径时，朝向靶材的磁极端面为内凹曲面，曲率半径为靶材直径的0.6倍～3倍；磁铁直径大于靶材的直径时，磁极端面内凹曲面的曲率半径大于靶材直径的0.6倍。

或者，所用靶材为矩形靶时，该阴极外形为长方体形，所述磁铁为扁长方体；当磁铁的宽度等于靶材的宽度时，朝向靶材的磁极端面为内凹柱面，曲率半径为靶材宽度的0.6倍～3倍；磁铁宽度大于靶材的宽度时，磁极端面内凹柱面的曲率半径大于靶材宽度的0.6倍。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：