[发明专利]磁极辅助非平衡磁控溅射装置

说明书

技术领域

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。

发明内容

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；