[发明专利]一种新型孪生外置旋转阴极

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型孪生外置旋转阴极，尤其涉及一种采用平衡磁场设计的可以任意角度安装在各类真空腔体上的新型孪生外置旋转阴极。

背景技术

磁控溅射镀膜是大面积薄膜材料沉积领域中应用范围最广的镀膜技术。由于磁控溅射镀膜的工艺稳定性，而大量应用于大面积光学镀膜领域、大面积建筑玻璃镀膜领域、大面积导电膜领域和大面积半导体镀膜领域。也正因为此技术大量在幕墙装饰、大面积平板显示、半导体沉积、大面积建筑玻璃、汽车镀膜、太阳能电池、太阳能光热、大面积光学镀膜和大面积导电薄膜领域的广泛应用，磁控溅射技术也得到了充分的发展。

早期的溅射镀膜为直流溅射镀膜，靶材的种类主要为金属材料。溅射阴极的设计也取得了圆形阴极和矩形阴极，专利U.S.Pat.No.4,2785,528中，提出了一种矩形磁控溅射阴极设计，矩形阴极随后被广泛应用于各类大面积溅射镀膜工艺中。通常大面积磁控溅射沉积采用的是线性矩形阴极，可以实现单阴极的直流磁控溅射、射频磁控溅射和脉冲直流磁控溅射，也可以实现采用孪生阴极布置实现中频交流磁控溅射。然而矩形阴极最大的特点是结构简单，加工简单；但是有很多的不足之处，由于其磁场在一个平面上，溅射时产生的蚀刻沟道造成了磁场强度的变化和蚀刻区域的变化，因此溅射的沉积速率在不停渐进式的变化之中，从而造成工艺需要不停的调整，不适合长时间稳定的工作；不仅如此，由于反溅射的存在，在进行非导电的陶瓷材料膜层溅射时，长时间溅射会造成阳极表面的绝缘层覆盖，造成阳极消失的现象，终止溅射工艺。由于平面矩形阴极的溅射时的沟槽现象，造成的溅射靶材的利用率无法提高，一般线性矩形阴极的靶材利用率在30％左右。

为了解决平面线性矩形阴极的这些问题，发明了圆柱型磁控溅射靶(U.S.Pat.No.4,356,073和U.S.Pat.No.4,445,997)，使得靶材的利用率提高到了极高的水平；在工艺上发明了反应溅射绝缘介质薄膜(U.S.Pat.No.6,365,010)，同时实现了“金属模式”和“反应模式”的控制，“反应模式”进行不充分称为“靶中毒”，“靶中毒”实际上是反应在金属靶表面进行形成金属化合物绝缘介质薄膜，金属化合物的溅射速率低于纯金属的溅射速率，那么溅射变的更趋向于进入“金属工作模式”而不是“反应模式”，如果在这两种模式之间工作，则工艺非常不稳定，其中的一个原因为反应气体的偏压不稳定。现在的方法通常是采用金属氧化物通过掺杂的方式让其导电，再在溅射工艺进行的过程中补充损失的部分氧化成分的方式完成具有化学比的金属化合物溅射沉积。另外也可以通过对溅射区反应气氛的控制，试图达到工艺的稳定型性，例如在U.S.Pat.No.5,338,422和U.S.Pat.No.5,384,021中提到的“反应溅射各种氧化物”。甚至可以通过基片架的运动把沉积区域和反应区域完全分开，在中国专利公开号为CN1536098A中详细描述了采用这种工艺工作的设备结构和金属氧化物的膜的形成工艺，这种工艺首先在一个区域内采用溅射沉积金属，而在另外一个区域内进行反应形成化合物绝缘介质薄膜，虽然这样能够获得很高的金属沉积速率，但是也受到了金属化合物形成速率慢的影响。

磁控溅射镀膜工艺具有良好的工艺可控性，同时产品工艺可以保持长时间的稳定性，非常适合连续镀膜生产。然而由于溅射沉积工艺形成的等离子体具有一定的空间形状密度，并且等离子的空间形状和等离子密度取决于磁场的布置、磁场的强度、靶材溅射冷却状态、靶材料的状态、电源工作模式、工作气体的进入与分布等，所以磁控溅射阴极需要对阴极系统进行多方位的考虑。

因此有必要结合溅射工艺的特点，重新对溅射阴极进行设计，以改善溅射的工艺，使其更加广泛的应用于各个领域。在进行工业化的大面积沉积工艺时，对磁控溅射阴极的设计提出了非常高的要求，通常要设计好的磁控溅射阴极，需要达到以下几个方面的要求：

(1)溅射工艺长时间稳定工作，膜层工艺重复性好。显而易见适用于批量化生产的生产工艺，要求溅射沉积镀膜产品重复性好，溅射阴极需要长时间稳定的溅射沉积。

(2)实现大面积沉积。为了有效的提高产量增大沉积的面积是最有效的方法，设计增加线性溅射源的有效沉积宽度是扩大大面积生产的必要的。

(3)具有高沉积速率。溅射沉积为材料原子/分子级别的沉积膜层，速率非常慢，在可控的范围内有效的提高材料的合成速率也是可以提高产品产能的方法。