磁極輔助非平衡磁控濺射裝置的制作方法

本發明屬于致密氧化物薄膜制備技術領域，具體涉及一種磁極輔助非平衡磁控濺射裝置。

背景技術：

電解質薄膜是能源轉換器件中重要的組成部分。目前，電解質薄膜普遍采用傳統射頻濺射制備的方法，但制備出的電解質膜無法達到致密結構的要求，這極大限制了能源轉換器件的研究及發展。

傳統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，沉積原子或原子團不能充分擴散，進而導致所沉積的薄膜在微觀結構上有許多的孔隙，且厚度不均勻，不能滿足對利用濺射裝置制備高致密度電解質膜的需求。

技術實現要素：

本發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膜及氧化物膜上存在孔隙的問題。

根據本發明實施例的第一方面，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，所述襯底承載架設置在所述真空室的下側，所述非平衡磁控電極設置在所述真空室上側的中心位置處，所述輔助磁極設置在所述非平衡磁控電極的兩側；或者

所述非平衡磁控電極均勻分布在以所述真空室上側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壁的等高線上和/或設置在所述真空室上側的中心位置處，當存在偶數個所述非平衡磁控電極時，至少一對相對設置的非平衡磁控電極的兩側設置有所述輔助磁極，當存在奇數個所述非平衡磁控電極時，均勻分布在所述真空室內壁的等高線上的輔助磁極的個數等于所述非平衡磁控電極的個數。

在一種可選的實現方式中，每個輔助磁極與其相鄰非平衡磁控電極的磁極相反，且每相鄰兩個非平衡磁控電極之間的磁極相反。

在另一種可選的實現方式中，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。

在另一種可選的實現方式中，所述偏置電極還通過旋轉軸與旋轉裝置連接，以使所述旋轉裝置帶動所述偏置電極轉動。

在另一種可選的實現方式中，所述裝置還包括等離子體發生器，所述等離子發生器與所述真空室連通，用于對工作氣體和反應氣體進行等離子體化后輸送給所述真空室。

在另一種可選的實現方式中，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應與電源的正負極連接，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、磁極座以及埋設在所述磁軛與所述磁極座構成空間內的一對磁極，該對磁極對稱位于所述靶材中心軸的兩側并與該靶材中心軸平行，該對磁極中兩磁極的極性相反且磁場強度不同。

在另一種可選的實現方式中，所述極靶座用于固定所述靶材的正面為弧面。

在另一種可選的實現方式中，所述極靶座內設置有位于其正面的下方的冷卻池。

在另一種可選的實現方式中，所述陰極還包括一對導磁板，該對導磁板對稱設置于所述靶材中心軸的兩側，并位于對應磁極的外側。

本發明的有益效果是：

1、本發明通過在真空室內壁上設置位于非平衡磁控電極與襯底承載架之間的輔助磁極，并使輔助磁極對稱設置在非平衡磁控電極的兩側，可以增強非平衡磁控電極與襯底承載架之間的磁力線分布，使真空室內的等離子體分布擴展到襯底附近，從而達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能夠充分擴散，使其所沉積薄膜在成分、微觀結構及厚度上的均勻性高(即微觀結構無空隙，且厚度均勻)，最終制備出的薄膜具有高致密度及高力學性能；

2、本發明通過使使每個輔助磁極與其相鄰非平衡磁控電極的磁極相反，每相鄰兩個非平衡磁控電極之間的磁極相反，可以進一步增強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的磁力線分布相同，從而可以進一步保證制備出的薄膜的均勻性；

3、本發明將用于承載襯底的襯底承載架設置為偏置電極，并使偏置電極在與偏置電源連通后在其上形成電磁場，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，并實現等離子體轟擊襯底；

4、本發明通過在薄膜制備過程中使旋轉襯底，可以進一步提高制備出的薄膜的均勻性；

6、本發明通過在沉積薄膜過程中，首先采用等離子體發生器對工作氣體和反應氣體進行等離子體化，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，從而使得單位時間內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量；

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

8、本發明通過在非平衡磁控電極的陰極正面的兩側間隔設置一對導磁板，并使該對導磁板相對于弧面對稱軸對稱，并與磁極平行，可以提高磁力線分布的均勻性；

9、本發明通過在非平衡磁控電極的陰極內開設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連接，可以對背板實現冷卻，從而可以提高背板的使用壽命；

10、本發明通過使非平衡磁控電極的背板與陰極之間設置密封圈，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是本發明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置的一個實施例側視圖；

圖2A是本發明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置具有2個磁控濺射陰極靶的實施例側視圖；

圖2B是本發明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置具有2個磁控濺射陰極靶的實施例俯視圖；

圖3A是本發明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置具有2個磁控濺射陰極靶的另一實施例側視圖；

圖3B是本發明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置具有2個磁控濺射陰極靶的另一實施例俯視圖；

圖4是本發明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置具有4個磁控濺射陰極靶的實施例俯視圖；

圖5是本發明磁極輔助非平衡磁控濺射裝置具有3個磁控濺射陰極靶的實施例俯視圖；

圖6是本發明非平衡磁控濺射電極的一個實施例俯視圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明實施例中的技術方案，并使本發明實施例的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明實施例中技術方案作進一步詳細的說明。

在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。

在本發明的一個實施例中，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設置在所述真空室101的下側，所述非平衡磁控電極102設置在所述真空室101上側的中心位置處，所述輔助磁極103設置在所述非平衡磁控電極102的兩側，如圖1所示。本實施例中，非平衡磁控電極102上分布有磁性相反的一對磁極，且該對磁極之間的磁場強度不同，設置在非平衡磁控電極102兩側的輔助磁極103與其相鄰磁極的磁性相反。例如，對于左側輔助磁極103，其面向非平衡磁控電極102側的磁極為N極，而與其相鄰的非平衡磁控電極102，面向左側輔助磁極103的磁極為S極。

在本發明的另一個實施例中，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設置在所述真空室101的下側，所述非平衡磁控電極102均勻分布在以所述真空室101上側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內壁的等高線上和/或設置在所述真空室101上側的中心位置處，當存在偶數個所述非平衡磁控電極102時，至少一對相對設置的非平衡磁控電極102的兩側設置有所述輔助磁極103，當存在奇數個所述非平衡磁控電極102時，均勻分布在所述真空室101內壁的等高線上的輔助磁極103的個數等于所述非平衡磁控電極102的個數。

本實施例中，為了增加真空室內工作氣體和反應氣體的密度和活性，真空室101可以與等離子體發生器連通，由等離子體發生器對工作氣體和反應氣體進行等離子體化后輸送給真空室101。本發明通過在沉積薄膜過程中，首先采用等離子體發生器對工作氣體和反應氣體進行等離子體化，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，從而使得單位時間內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量。

當偶數個非平衡磁控電極102均勻分布在以真空室101上側中心點為圓心的同一圓周上，且輔助磁極103只均勻分布真空室101內壁等高線上時，如圖2A和2B所示。本實施例中，兩個非平衡磁控電極102均勻分布在以真空室101上側中心為圓心的同一圓周上，因此這兩個非平衡磁控電極102構成相對于真空室101上側中心點對稱的一對相對設置的非平衡磁控電極102，兩個輔助磁極103設置在該對相對設置的非平衡磁控電極102的兩側。其中，每個輔助磁極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，對于左側輔助電極103，其相鄰非平衡磁控電極為左側非平衡磁控電極102，該左側輔助電極103面向左側非平衡磁控電極102側的磁極為N極，左側非平衡磁控電極102面向左側輔助電極103側的磁極為S極；對于兩個相鄰的非平衡磁控電極102，左側非平衡磁控電極的右側磁極為“S-N”，右側非平衡磁控電極的左側磁極為“N-S”。

當偶數個所述非平衡磁控電極102均勻分布在以真空室101上側中心點為圓心的同一圓周上，且輔助磁極103均勻分布在真空室101內壁等高線上并設置在真空室101上側的中心位置處時，結合圖3A和3B所示，本實施例中，輔助磁極103設置在該對相對設置的非平衡磁控電極102的兩側，且在真空室101上側的中心位置處還設置有輔助磁極100。其中，每個輔助磁極與其相鄰非平衡磁控電極102的磁極相反。例如，對于中間輔助磁極100，其與左側非平衡磁極102和右側非平衡磁極102的磁極相反。另外，結合圖4所示，本實施例中，四個非平衡磁控電極102均勻分布在以真空室101上側中心為圓心的同一圓周上，因此這四個非平衡磁控電極102構成兩對相對于真空室101上側中心點對稱的非平衡磁控電極102，在每對相對設置的非平衡磁控電極102的兩側都設置有輔助磁極103，且在真空室101上側的中心位置處設置有輔助磁極100。其中，每個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所示實施例中，輔助磁極103也可以只設置在其中一對非平衡磁控電極102的兩側。

當奇數個非平衡磁控電極102均勻分布在以真空室101上側中心點為圓心的同一圓周上，且輔助磁極103均勻分布在真空室101內壁等高線上并設置在真空室101上側的中心位置處時，如圖5所示。本實施例中，三個非平衡磁控電極102均勻分布在以真空室101上側中心點為圓心的同一圓周上，且三個輔助磁極103均勻分布在真空室101內壁等高線上，一個輔助磁極100設置在真空室101上側的中心位置處。其中，每個輔助磁極與其相鄰非平衡磁控電極102的磁極相反。

本發明通過使每個輔助磁極與其相鄰非平衡磁控電極的磁極相反，每相鄰兩個非平衡磁控電極之間的磁極相反，可以進一步增強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的磁力線分布相同，從而可以進一步保證制備出的薄膜的均勻性。需要注意的是：本實施例中，位于真空室上側的磁極的極性與真空室側壁上同側磁極的極性相反，構成閉合磁場，由此可以進一步增強非平衡磁控電極與襯底承載架之間的磁力線分布，此外，真空室上側的磁極的極性方向可以為豎直方向，真空室側壁上輔助磁極的極性方向可以為水平方向，由此可以進一步增強非平衡磁控電極與襯底承載架之間的磁力線分布。

由上述實施例可見，本發明通過在真空室內壁上設置位于非平衡磁控電極與襯底承載架之間的輔助磁極，并使輔助磁極對稱設置在非平衡磁控電極的兩側，可以增強非平衡磁控電極與襯底承載架之間的磁力線分布，使真空室內的等離子體分布擴展到襯底附近，從而達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能夠充分擴散，使其所沉積薄膜在成分、微觀結構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性能。

另外，所述襯底承載架104可以為由導電材料制成的偏置電極，所述偏置電極104用于承載襯底，并通過導電材料制成的旋轉軸105與偏置電源連接，以在所述偏置電極104上形成電磁場。所述偏置電極104還通過旋轉軸105與旋轉裝置連接，以使所述旋轉裝置在薄膜制備過程中帶動所述偏置電極104轉動。本發明將用于承載襯底的襯底承載架設置為偏置電極，并使偏置電極在與偏置電源連通后在其上形成電磁場，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，并實現等離子體轟擊襯底。此外，本發明通過在薄膜制備過程中使旋轉襯底，可以進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行，在真空室101上還設置有抽氣口106、進氣管和冷卻管(圖1中未示出)，該抽氣口106與真空泵連接，用于對真空室101抽真空，進氣管用于向真空室101中輸送工作氣體和反應氣體，冷卻管與冷卻機連接，用于對真空室101進行冷卻處理。

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應與電源的正負極連接，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以及埋設在所述磁軛115與所述磁極座109構成空間內的一對磁極117，該對磁極117對稱位于所述靶材108中心軸的兩側并與該靶材108中心軸平行，該對磁極117中兩磁極的極性相反且磁場強度不同。本發明在使用該非平衡磁控電極時，其極靶座116的正面朝所述真空室101內側設置。

本實施例中，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之間形成的弧形電子阱相配合，可以使靶材濺射區域均勻分布。此外，在所述極靶座116內設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，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導磁板107，該對導磁板對稱設置于所述靶材108中心軸的兩側，并位于對應磁極117的外側，與磁極117平行。本發明通過在陰極正面的兩側間隔設置一對導磁板，并使該對導磁板相對于靶材中心軸對稱，并與磁極平行，可以提高磁力線分布的均勻性。其中，該對導磁板107中的每個導磁板107都可以包括一個水平段和一個豎直段，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的材質可以為NdFe35或其他強磁性材料，極靶座116、磁軛115及導磁板107的材質可以為不銹鋼SS430，導磁板107的材質可以為不銹鋼。另外，該對磁極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)，以構成完全正交的電磁場。

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

應當理解的是，本發明并不局限于上面已經描述并在附圖中示出的精確結構，并且可以在不脫離其范圍進行各種修改和改變。本發明的范圍僅由所附的權利要求來限制。