磁极辅助非平衡磁控溅射装置的制作方法

本发明属于致密氧化物薄膜制备技术领域，具体涉及一种磁极辅助非平衡磁控溅射装置。

背景技术：

电解质薄膜是能源转换器件中重要的组成部分。目前，电解质薄膜普遍采用传统射频溅射制备的方法，但制备出的电解质膜无法达到致密结构的要求，这极大限制了能源转换器件的研究及发展。

传统的射频溅射装置采用平面平衡磁控电极，这种方式中沉积材料的能量较低，在薄膜增厚的界面上，沉积原子或原子团不能充分扩散，进而导致所沉积的薄膜在微观结构上有许多的孔隙，且厚度不均匀，不能满足对利用溅射装置制备高致密度电解质膜的需求。

技术实现要素：

本发明提供一种磁极辅助非平衡磁控溅射装置，以解决目前制备出的电解质膜及氧化物膜上存在孔隙的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种磁极辅助非平衡磁控溅射装置，

包括真空室、非平衡磁控电极、辅助磁极和衬底承载架，所述衬底承载架设置在所述真空室的下侧，所述非平衡磁控电极设置在所述真空室上侧的中心位置处，所述辅助磁极设置在所述非平衡磁控电极的两侧；或者

所述非平衡磁控电极均匀分布在以所述真空室上侧中心为圆心的同一圆周上，所述辅助磁极均匀分布在所述真空室内壁的等高线上和/或设置在所述真空室上侧的中心位置处，当存在偶数个所述非平衡磁控电极时，至少一对相对设置的非平衡磁控电极的两侧设置有所述辅助磁极，当存在奇数个所述非平衡磁控电极时，均匀分布在所述真空室内壁的等高线上的辅助磁极的个数等于所述非平衡磁控电极的个数。

在一种可选的实现方式中，每个辅助磁极与其相邻非平衡磁控电极的磁极相反，且每相邻两个非平衡磁控电极之间的磁极相反。

在另一种可选的实现方式中，所述衬底承载架为偏置电极，所述偏置电极用于承载衬底，并与偏置电源连接，以在所述偏置电极上形成电磁场。

在另一种可选的实现方式中，所述偏置电极还通过旋转轴与旋转装置连接，以使所述旋转装置带动所述偏置电极转动。

在另一种可选的实现方式中，所述装置还包括等离子体发生器，所述等离子发生器与所述真空室连通，用于对工作气体和反应气体进行等离子体化后输送给所述真空室。

在另一种可选的实现方式中，所述非平衡磁控电极包括阳极和阴极，其中所述阳极与所述阴极对应与电源的正负极连接，所述阴极包括极靶座和固定在所述极靶座正面的靶材，所述阳极包括磁轭、磁极座以及埋设在所述磁轭与所述磁极座构成空间内的一对磁极，该对磁极对称位于所述靶材中心轴的两侧并与该靶材中心轴平行，该对磁极中两磁极的极性相反且磁场强度不同。

在另一种可选的实现方式中，所述极靶座用于固定所述靶材的正面为弧面。

在另一种可选的实现方式中，所述极靶座内设置有位于其正面的下方的冷却池。

在另一种可选的实现方式中，所述阴极还包括一对导磁板，该对导磁板对称设置于所述靶材中心轴的两侧，并位于对应磁极的外侧。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在真空室内壁上设置位于非平衡磁控电极与衬底承载架之间的辅助磁极，并使辅助磁极对称设置在非平衡磁控电极的两侧，可以增强非平衡磁控电极与衬底承载架之间的磁力线分布，使真空室内的等离子体分布扩展到衬底附近，从而达到高密度等离子体轰击到衬底表面，使得沉积原子或原子团能够充分扩散，使其所沉积薄膜在成分、微观结构及厚度上的均匀性高(即微观结构无空隙，且厚度均匀)，最终制备出的薄膜具有高致密度及高力学性能；

2、本发明通过使使每个辅助磁极与其相邻非平衡磁控电极的磁极相反，每相邻两个非平衡磁控电极之间的磁极相反，可以进一步增强非平衡磁控电极与衬底承载架之间的磁力线分布，并可以保证真空室中心轴两侧的磁力线分布相同，从而可以进一步保证制备出的薄膜的均匀性；

3、本发明将用于承载衬底的衬底承载架设置为偏置电极，并使偏置电极在与偏置电源连通后在其上形成电磁场，这样在制备薄膜的过程中置于偏置电极上的衬底将能主动吸附非平衡磁控电极附近的等离子体，从而可以降低非平衡磁控电极表面的等离子体分布，增加接近衬底表面的等离子体密度，并实现等离子体轰击衬底；

4、本发明通过在薄膜制备过程中使旋转衬底，可以进一步提高制备出的薄膜的均匀性；

6、本发明通过在沉积薄膜过程中，首先采用等离子体发生器对工作气体和反应气体进行等离子体化，可以使非平衡磁控溅射阴极表面的等离子体密度显著增大，从而使得单位时间内轰击到阴极上和衬底上的等离子密度增大，有助于降低工作过程中的溅射气压及提高薄膜质量；

7、本发明通过在非平衡磁控溅射电极的阴极上只设置两个磁极，并使固定在阴极正面的背板的弧面与两个磁极形成的弧形的非平衡磁力线平行，可以使阴极表面形成一个正交的弧形电子阱，从而使阴极表面形成一个呈弧形均匀的等离子体区域，由此可以使靶材的溅射区域均匀分布，从而使得溅射速率和靶材的利用率显著提高；

8、本发明通过在非平衡磁控电极的阴极正面的两侧间隔设置一对导磁板，并使该对导磁板相对于弧面对称轴对称，并与磁极平行，可以提高磁力线分布的均匀性；

9、本发明通过在非平衡磁控电极的阴极内开设位于背板弧面下方的冷却池，并使该冷却池通过冷却管与冷水机连接，可以对背板实现冷却，从而可以提高背板的使用寿命；

10、本发明通过使非平衡磁控电极的背板与阴极之间设置密封圈，可以避免冷却池中的冷却水渗透到背板，影响背板的工作性能。

附图说明

图1是本发明磁极辅助非平衡磁控溅射装置的一个实施例侧视图；

图2A是本发明磁极辅助非平衡磁控溅射装置具有2个磁控溅射阴极靶的实施例侧视图；

图2B是本发明磁极辅助非平衡磁控溅射装置具有2个磁控溅射阴极靶的实施例俯视图；

图3A是本发明磁极辅助非平衡磁控溅射装置具有2个磁控溅射阴极靶的另一实施例侧视图；

图3B是本发明磁极辅助非平衡磁控溅射装置具有2个磁控溅射阴极靶的另一实施例俯视图；

图4是本发明磁极辅助非平衡磁控溅射装置具有4个磁控溅射阴极靶的实施例俯视图；

图5是本发明磁极辅助非平衡磁控溅射装置具有3个磁控溅射阴极靶的实施例俯视图；

图6是本发明非平衡磁控溅射电极的一个实施例俯视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明的一个实施例中，该磁极辅助非平衡磁控溅射装置可以包括真空室101、非平衡磁控电极102、辅助磁极103和衬底承载架104，所述衬底承载架104设置在所述真空室101的下侧，所述非平衡磁控电极102设置在所述真空室101上侧的中心位置处，所述辅助磁极103设置在所述非平衡磁控电极102的两侧，如图1所示。本实施例中，非平衡磁控电极102上分布有磁性相反的一对磁极，且该对磁极之间的磁场强度不同，设置在非平衡磁控电极102两侧的辅助磁极103与其相邻磁极的磁性相反。例如，对于左侧辅助磁极103，其面向非平衡磁控电极102侧的磁极为N极，而与其相邻的非平衡磁控电极102，面向左侧辅助磁极103的磁极为S极。

在本发明的另一个实施例中，该磁极辅助非平衡磁控溅射装置可以包括真空室101、非平衡磁控电极102、辅助磁极103和衬底承载架104，所述衬底承载架104设置在所述真空室101的下侧，所述非平衡磁控电极102均匀分布在以所述真空室101上侧中心为圆心的同一圆周上，所述辅助磁极103均匀分布在所述真空室101内壁的等高线上和/或设置在所述真空室101上侧的中心位置处，当存在偶数个所述非平衡磁控电极102时，至少一对相对设置的非平衡磁控电极102的两侧设置有所述辅助磁极103，当存在奇数个所述非平衡磁控电极102时，均匀分布在所述真空室101内壁的等高线上的辅助磁极103的个数等于所述非平衡磁控电极102的个数。

本实施例中，为了增加真空室内工作气体和反应气体的密度和活性，真空室101可以与等离子体发生器连通，由等离子体发生器对工作气体和反应气体进行等离子体化后输送给真空室101。本发明通过在沉积薄膜过程中，首先采用等离子体发生器对工作气体和反应气体进行等离子体化，可以使非平衡磁控溅射阴极表面的等离子体密度显著增大，从而使得单位时间内轰击到阴极上和衬底上的等离子密度增大，有助于降低工作过程中的溅射气压及提高薄膜质量。

当偶数个非平衡磁控电极102均匀分布在以真空室101上侧中心点为圆心的同一圆周上，且辅助磁极103只均匀分布真空室101内壁等高线上时，如图2A和2B所示。本实施例中，两个非平衡磁控电极102均匀分布在以真空室101上侧中心为圆心的同一圆周上，因此这两个非平衡磁控电极102构成相对于真空室101上侧中心点对称的一对相对设置的非平衡磁控电极102，两个辅助磁极103设置在该对相对设置的非平衡磁控电极102的两侧。其中，每个辅助磁极103与其相邻非平衡磁控电极102的磁极相反，且相邻非平衡磁控电极102之间的磁极也相反。例如，对于左侧辅助电极103，其相邻非平衡磁控电极为左侧非平衡磁控电极102，该左侧辅助电极103面向左侧非平衡磁控电极102侧的磁极为N极，左侧非平衡磁控电极102面向左侧辅助电极103侧的磁极为S极；对于两个相邻的非平衡磁控电极102，左侧非平衡磁控电极的右侧磁极为“S-N”，右侧非平衡磁控电极的左侧磁极为“N-S”。

当偶数个所述非平衡磁控电极102均匀分布在以真空室101上侧中心点为圆心的同一圆周上，且辅助磁极103均匀分布在真空室101内壁等高线上并设置在真空室101上侧的中心位置处时，结合图3A和3B所示，本实施例中，辅助磁极103设置在该对相对设置的非平衡磁控电极102的两侧，且在真空室101上侧的中心位置处还设置有辅助磁极100。其中，每个辅助磁极与其相邻非平衡磁控电极102的磁极相反。例如，对于中间辅助磁极100，其与左侧非平衡磁极102和右侧非平衡磁极102的磁极相反。另外，结合图4所示，本实施例中，四个非平衡磁控电极102均匀分布在以真空室101上侧中心为圆心的同一圆周上，因此这四个非平衡磁控电极102构成两对相对于真空室101上侧中心点对称的非平衡磁控电极102，在每对相对设置的非平衡磁控电极102的两侧都设置有辅助磁极103，且在真空室101上侧的中心位置处设置有辅助磁极100。其中，每个辅助磁极与其相邻非平衡磁控电极102的磁极相反。需要注意的是：图4所示实施例中，辅助磁极103也可以只设置在其中一对非平衡磁控电极102的两侧。

当奇数个非平衡磁控电极102均匀分布在以真空室101上侧中心点为圆心的同一圆周上，且辅助磁极103均匀分布在真空室101内壁等高线上并设置在真空室101上侧的中心位置处时，如图5所示。本实施例中，三个非平衡磁控电极102均匀分布在以真空室101上侧中心点为圆心的同一圆周上，且三个辅助磁极103均匀分布在真空室101内壁等高线上，一个辅助磁极100设置在真空室101上侧的中心位置处。其中，每个辅助磁极与其相邻非平衡磁控电极102的磁极相反。

本发明通过使每个辅助磁极与其相邻非平衡磁控电极的磁极相反，每相邻两个非平衡磁控电极之间的磁极相反，可以进一步增强非平衡磁控电极与衬底承载架之间的磁力线分布，并可以保证真空室中心轴两侧的磁力线分布相同，从而可以进一步保证制备出的薄膜的均匀性。需要注意的是：本实施例中，位于真空室上侧的磁极的极性与真空室侧壁上同侧磁极的极性相反，构成闭合磁场，由此可以进一步增强非平衡磁控电极与衬底承载架之间的磁力线分布，此外，真空室上侧的磁极的极性方向可以为竖直方向，真空室侧壁上辅助磁极的极性方向可以为水平方向，由此可以进一步增强非平衡磁控电极与衬底承载架之间的磁力线分布。

由上述实施例可见，本发明通过在真空室内壁上设置位于非平衡磁控电极与衬底承载架之间的辅助磁极，并使辅助磁极对称设置在非平衡磁控电极的两侧，可以增强非平衡磁控电极与衬底承载架之间的磁力线分布，使真空室内的等离子体分布扩展到衬底附近，从而达到高密度等离子体轰击到衬底表面，使得沉积原子或原子团能够充分扩散，使其所沉积薄膜在成分、微观结构及厚度上的均匀性高，最终制备出的薄膜具有高致密度及高力学性能。

另外，所述衬底承载架104可以为由导电材料制成的偏置电极，所述偏置电极104用于承载衬底，并通过导电材料制成的旋转轴105与偏置电源连接，以在所述偏置电极104上形成电磁场。所述偏置电极104还通过旋转轴105与旋转装置连接，以使所述旋转装置在薄膜制备过程中带动所述偏置电极104转动。本发明将用于承载衬底的衬底承载架设置为偏置电极，并使偏置电极在与偏置电源连通后在其上形成电磁场，这样在制备薄膜的过程中置于偏置电极上的衬底将能主动吸附非平衡磁控电极附近的等离子体，从而可以降低非平衡磁控电极表面的等离子体分布，增加接近衬底表面的等离子体密度，并实现等离子体轰击衬底。此外，本发明通过在薄膜制备过程中使旋转衬底，可以进一步提高制备出的薄膜的均匀性。

为了保证薄膜制备的正常进行，在真空室101上还设置有抽气口106、进气管和冷却管(图1中未示出)，该抽气口106与真空泵连接，用于对真空室101抽真空，进气管用于向真空室101中输送工作气体和反应气体，冷却管与冷却机连接，用于对真空室101进行冷却处理。

为了提高非平衡磁控电极的靶材利用率和溅射速度，本发明可以采用图6所示的非平衡磁控电极。该非平衡磁控电极包括阳极和阴极，其中所述阳极与所述阴极对应与电源的正负极连接，所述阴极包括极靶座116和固定在所述极靶座116正面的靶材108，所述阳极包括磁轭115、磁极座109以及埋设在所述磁轭115与所述磁极座109构成空间内的一对磁极117，该对磁极117对称位于所述靶材108中心轴的两侧并与该靶材108中心轴平行，该对磁极117中两磁极的极性相反且磁场强度不同。本发明在使用该非平衡磁控电极时，其极靶座116的正面朝所述真空室101内侧设置。

本实施例中，磁极座109可以通过紧固装置110和114固定在磁轭115上。为了进一步提高非平衡磁控电极的靶材利用率和溅射速度，所述极靶座116用于固定所述靶材108的正面为弧面，该弧面与阳极上磁极对之间形成的弧形电子阱相配合，可以使靶材溅射区域均匀分布。此外，在所述极靶座116内设置有位于其正面下方的冷却池，该冷却池通过冷水入口端111和冷水出口端分别连接冷却机，由此可以避免靶材工作温度过高，保证靶材正常工作；且极靶座116通过紧固装置112固定在磁轭115上。

该阴极还可以包括一对导磁板107，该对导磁板对称设置于所述靶材108中心轴的两侧，并位于对应磁极117的外侧，与磁极117平行。本发明通过在阴极正面的两侧间隔设置一对导磁板，并使该对导磁板相对于靶材中心轴对称，并与磁极平行，可以提高磁力线分布的均匀性。其中，该对导磁板107中的每个导磁板107都可以包括一个水平段和一个竖直段，其中该水平段可以固定在磁轭115上，该竖直段与磁极117平行。

此外，磁极117的材质可以为NdFe35或其他强磁性材料，极靶座116、磁轭115及导磁板107的材质可以为不锈钢SS430，导磁板107的材质可以为不锈钢。另外，该对磁极117形成的最短弧形磁力线在所述靶材108的弧面上(即该最短弧形磁力线与该弧面重叠)，以构成完全正交的电磁场。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。