具有用於較大表面積的靶的強力磁引導裝置的電弧蒸發器的製作方法
2023-09-20 23:53:05 4
專利名稱：具有用於較大表面積的靶的強力磁引導裝置的電弧蒸發器的製作方法
技術領域：
本發明所涉及的電弧蒸發器是一種用於蒸發材料、電導體的設備，這樣所述材料就能以蒸汽的形式轉移到真空介質中從而沉積到需要塗覆的工件表面上。
本發明的目的是獲得一種具有強力磁引導裝置的電弧蒸發器，允許電弧的陰極點以可被單獨選擇的不同軌跡在無限大的範圍內被引導，並包含了靶的整個表面積，從而獲得均勻使用的目的。另外，所述強力磁引導裝置抑制或縮小了所述陰極點，這樣就增加了所發射材料的溫度和電離作用，有助於獲得良好質量的塗覆。
另外，所述強力磁引導裝置通過使電弧蒸發器不可能偶然地將電弧移動到蒸發表面的不同點上，從而有助於蒸發器提高其穩定性。
背景技術：
如上所述，電弧蒸發器是一種用於蒸發材料、電導體的設備，並將該材料以蒸汽形式射入鐘形真空玻璃罩中，從而能從中轉移走。通常，需要蒸發的材料為板狀，其中一面用水冷卻，而另一面則指向鐘形真空玻璃罩內部，面向需要沉積所發射材料的工件，通過在用作陽極的冷卻電極和準備蒸發並用作陰極的所述導電板之間施加接近22伏80安培的直流電電弧來蒸發所述材料，通常需要額外地將用於維持電弧的少量氣體引入所述真空室中。
更具體地，電弧以單點集中的方式作用在需被蒸發的板的表面上，任意移動到板的外表面上的陰極點會使所述板產生不均勻的消耗，或者同樣地，不能很好地利用所述板的構成材料，這樣成本會很高。
為解決在板的消耗過程中不均勻的問題，需要努力控制和引導電弧的運動，磁引導裝置用來產生可以受控的方式調節電弧軌道的磁場的目的。
對於所磁引導裝置目前有不同的解決方案，但所有的磁引導裝置都用於控制電弧在陰極的運動，以便使均勻消耗最優化，如下是其中幾個值得一提的方案美國專利US4673477公開了一種磁引導裝置，其中利用機械裝置將一永磁體放置到需被蒸發的板的後部，這樣該永磁體產生的可變磁場就會在陰極上引導電弧。這種設備同樣可選擇地包括磁性繞組，圍繞陰極板以便於強化或減弱在垂直於陰極工作面的方向內的磁場作用力。然而這個設備的問題在於可動永磁體的磁系統在機械結構上很複雜，因此容易發生故障。
美國專利US4724058公開了一種磁引導裝置，包括一些放置在陰極板後部的線圈，用於在平行於線圈卷繞方向的單一方向內引導電弧。為了減小單一軌道內優先消耗所帶來的效果，採用了一些方法，來努力減弱磁場的引導效果，這樣一旦存在所述效果便疊加一任意的分量。簡而言之，已經預想到線圈所產生的磁場會連接和斷開，這樣在大部分的時間內電弧會任意地分布在陰極上，很小的一部分會由磁場引導。最後，該設備的問題在於引導發生的時間很短，其餘則是任意分布，由此不能保證陰極板消耗的精確和有效控制。
美國專利US5861088公開一種磁引導裝置，包括設置在靶中心和後部的永磁體以及圍繞所述永磁體的線圈，其組件構成一個磁場集中器。該系統是由放置在蒸發器外部上的第二線圈所實現的。而該設備的問題在於所產生的磁場很弱，因此作用在電弧上的引導作用也很弱。
美國專利US5298136公開了一種用於圓形蒸發器中厚靶的磁引導裝置，包括兩個線圈和一個特殊構造的磁部件，該磁部件適合於將被蒸發的靶的邊緣，因此整體就利用一個磁部件和兩個磁極來工作。儘管這個設置允許電弧軌道偏移一定程度，但電弧軌道並不能偏移到靶的外邊緣或者距離該外邊緣較小的距離，鑑於此，為了有效使用陰極材料，所述引導作用必須很弱，以便能為磁力驅使的運動疊加任意分量。
綜上，現有的所有磁引導裝置系統都具有這樣一個問題，即如果希望在陰極整個表面上實現均勻地消耗，電弧必須能以一定自由度地運動，因此需要使用較弱的引導作用(即減弱的磁場強度)，由此就不能在所有的時間內維持對電弧軌道的控制。
如果相反使用很強力的磁引導裝置，便不可能實現對靶或陰極整個表面的均勻消耗。
發明內容
本發明提出的電弧蒸發器以令人完全滿意的方式、從各個方面解決了上述問題該電弧蒸發器包括強力磁引導裝置，但由於其特殊構造又允許電弧的陰極點以可單獨選擇的不同軌跡在無限大的範圍內被引導，並包含了包括靶邊緣以及中心在內的整個表面積，從而獲得均勻使用靶或陰極的目的。
為此，更確切地，所述蒸發器的重點在於如下的特徵其磁引導裝置由兩個獨立的磁系統、即四個磁極構成，該裝置允許磁場強度值變化並去除了所獲得磁場在靶表面理想點處的垂直分量，由此從靶的中心到外邊緣實現了根據任意軌道對電弧的引導。
這樣通過該保證電弧在靶的所有點都得到引導的系統，就可以使用強力磁系統，允許在每個軌道上應用高磁場強度、非常重要地縮小了陰極點並由此意味著溫度和電離作用極大地增加，極大地有助於獲得良好質量的塗覆。同樣由於所述強力磁引導裝置緊密地固定電弧施加在所選擇軌道的點，因此避免了在一些意外區域內偶然偏移的可能性。
具體地，構成磁引導裝置的兩個磁系統可以是一個非常強力的永磁體和一個同樣強力、以便確保高磁場強度以及對電弧良好控制的電磁體系統，同時也作用電磁體使其改變強度，這樣就在整個靶上產生變化的電弧軌道。所以，利用這樣的系統，就可獲得一個允許變化以及對靶上電弧軌道進行控制的強力磁引導裝置，這樣就可以均勻地消耗靶的整個表面。
永磁體系統也能由第二電磁體系統代替，因此它們的操作是相似的。
為實現所述方案以及有助於更好地理解本發明特徵，以下根據本發明的一個最佳實施例並結合一組附圖整體地來描述本發明，其中附圖所示僅僅是為了例舉而並非限制性的。
圖1為具有根據本發明目的的強力磁引導裝置的矩形電弧蒸發器的截面示意圖；圖2為同樣根據示意實例、上述附圖中蒸發器的平面圖；圖3、4和5重現了圖1中的截面圖，其中圖3中增加了一個曲線圖，表示在外部設置的永磁體所產生的磁場強度的垂直分量；圖4中也增加了一個相似的曲線圖，但對應於設置在靶後部的電磁體在施加不同電流時所產生的磁場強度的垂直分量；圖5中為表示外部設置的永磁體所加上設置在靶後部的電磁體在施加不同電流時所產生的磁場強度；圖6是與圖1相似的、根據另一實施例的截面圖，其中改變了導磁材料的形式。
最後圖7示出與圖1中相似、但卻對應於本發明另一實施例的另一個截面圖，其中位於蒸發器外部的永磁體都被電磁體代替。
具體實施例方式
藉助上述附圖，尤其是圖1和2可以觀察到本發明的電弧蒸發器，其具有一個陽極1和一個陰極或靶2以及一個磁引導裝置，這樣邏輯上在陽極1和作為所述電弧陰極的靶2之間可形成直流電弧，因此從陰極表面發射材料。
為了確保電弧作用在靶2上的點(即磁場的垂直分量為零的點)以一種均勻的方式在靶的整個表面上位移，使用一個磁引導裝置，該磁引導裝置包括兩個獨立的磁系統，即由位於蒸發器周邊的一組永磁體3構成的第一磁系統，從而其磁化垂直於靶的表面；由一個位於靶後部且距離靶一定距離的電磁體4-5構成的第二磁系統，最靠近靶2的磁極平行於上述靶的表面。
位於靶2後部的電磁體4-5是由具有高磁導率和低矯頑力的材料(例如鍛鐵)製成的磁芯4構成，該磁芯被用於產生磁化鍛鐵所需磁通量的電磁線圈5包圍，所述磁芯4具有矩形斷面，如圖1所示，兩個磁極被布置成平行於靶2的表面。
更具體地，電磁體4-5被容納並完好地裝配在蒸發器的主體6中，其形式為一個槽到嘴的類型，所述嘴被連接在陰極或靶2上，該陰極或靶被螺栓(未示出)協同固定，電磁體4-5位於靶下部並與靶間隔一定距離以確保在靶表面上的磁場足夠均勻，在靶2和電磁體4-5之間以這樣的方式限定一個室11，可以用於放置確保合適冷卻靶2的系統和其餘的蒸發器部件。如上提到的，冷卻室的高度由在鐵磁芯的上表面和蒸發表面之間所需的一定距離決定，從而在蒸發表面上的磁場是足夠均勻的。
由外基底9，一些側面和外面的懸架8和板條屏障13構成一組件，從而形成一個框架，用於保護將靶2固定在本體6上的螺栓並用於將電弧限定在靶內，從而限定蒸發表面積。隨後，絕緣板條13由合適的電絕緣螺栓7』固定。所有這些元件，板條13，懸架8和基底9都是由在高溫下電絕緣的材料獲得，例如氧化鋁、玻璃陶瓷、氮化硼或聚四氟乙烯，它們將阻礙在不理想的表面上形成電弧。由於在電弧操作中這些部件逐漸被塗覆上導電材料，因此這些部件需要周期性維護，由此將這些避免形成電弧的效力消除。
而且，在靶2的同一平面上並在蒸發器主體6周邊構成第一磁系統的磁體3由具有如下特點的外部永磁體3構成，即該永磁體需具有較小的高度、並被設置成其中心線與一個在靶2的最初表面和該靶在使用壽命最後所形成的表面之間所限定的中間平面重合，還有該永磁體應該具有最大可能的能量，由此應具有最大的寬度並且應由具有較高矯頑力的材料(例如SmCo，NdFeB或硬鐵氧體)而製成。
所述的機構是由一真空室或鐘形玻璃罩(未在圖中示出)構成，在其內部安裝有準備塗覆從靶2所蒸發材料的工件10。
在圖3中示出一個曲線圖12，該曲線圖對應於由設置於蒸發器主體外部並與靶2表面處於同一平面的永磁體3所產生的磁場的垂直分量。
在圖4中示出曲線圖13、14和15，這些曲線圖對應於由設置於蒸發器主體6內部的靶2表面後方的電磁體4-5在被施加不同電流時所產生的磁場的垂直分量。
最後在圖5中示出曲線圖16、17和18，這些曲線圖對應與在靶2的表面上、同時由位於靶2表面上並設置於蒸發器主體外部的永磁體3以及由設置於靶2後方的電磁體4-5在被施加不同電流時所產生的磁場的垂直分量。
應該知道，這些曲線圖是電磁體4-5所產生磁場與永磁體3所產生磁場的疊加結果，由此使得對應於永磁體的曲線圖垂直平移，這樣現在所述曲線圖的一部分位於縱軸的正部分內。本質上，陰極點在靶的表面上遵循一條由磁場垂直分量為零的點所構成的軌跡，這樣例如如果施加到電磁體上的能量被調整成使得對應的曲線圖如標號16所示時，陰極點在靶的表面上的軌跡將經過點19和20，同時如果電流被調整成使得對應的曲線圖如標號18所示時，陰極點在靶的表面上的軌跡將經過點23和24，在中間軌道17中陰極點是21和22。
從圖6中可看出，在另一個實施例中，磁芯4能具有一個T型部分，其一個磁極平行於靶2而另一個則垂直於所述靶，這樣一個構造允許在蒸發器表面獲得一個更高的磁場強度，以及在水平面獲得一個更大的磁場範圍，這樣就能減小在鐵磁芯4上表面和靶2之間的距離。
最後，需要指出永磁體3可以由一些具有如上述電磁體4-5相似結構的電磁體3』構成，這一點可參見圖7所示的實施例。
權利要求
1.一種具有用於較大表面積的靶的強力磁引導裝置的電弧蒸發器，包括封裝在一鐘形真空玻璃罩中的一陽極(1)和一陰極或靶(2)，其中還放置著一工件(10)，準備利用陽極(1)和陰極(2)間產生的電弧塗覆上由靶(2)蒸發的材料，還包括一磁引導裝置，用於控制和引導電弧的運動，其特徵在於，所述磁引導裝置由兩個獨立的磁系統構成，即四個磁極，用於允許所獲得的磁場強度任意變化以便使電弧在靶上遵循理想的軌跡，其中一個磁系統由一組永磁體(3)構成，該永磁體設置在蒸發器的周邊並且設置成與靶(2)共面，其磁化強度垂直於所述靶(2)的表面；第二磁系統由一個電磁體(4-5)構成，該電磁體設置在靶(2)的後部並與所述靶間隔開一距離，上部的磁極或者是更靠近靶(2)的磁極設置成與上述靶(2)的表面相平行。
2.如權利要求1所述的、具有用於較大表面積靶的強力磁引導裝置的電弧蒸發器，其特徵在於，對應於上述第二磁系統的電磁體(4-5)封裝在該蒸發器的主體(6)內，構成一槽到嘴的類型並連接在陰極或靶(2)上，並與電磁體(4-5)間隔一定距離以便允許在靶(2)的冷卻系統的這些元件之間進行設置，所述靶藉助相關的螺栓固定到蒸發器的主體(6)，其上形成一周邊框架，高溫絕緣材料製成的板條屏障(7)，主體(6)末端的多個懸架(8)和後基底(9)，所有這些元件都是由在高溫下電絕緣的材料，例如氧化鋁、玻璃陶瓷、氮化硼或聚四氟乙烯製成。
3.如權利要求1所述的、具有用於較大表面積靶的強力磁引導裝置的電弧蒸發器，其特徵在於，構成第二磁系統的電磁體(4-5)是基於由設置在蒸發表面中心區域的對應位置並具有高磁導率和低矯頑力的、例如鍛鐵等材料製成的磁芯(4)而製成，電子線圈(5)圍繞所述磁芯設置，用於為該磁芯產生所需的磁通量。
4.如權利要求1所述的、具有用於較大表面積靶的強力磁引導裝置的電弧蒸發器，其特徵在於，上述磁芯(4)具有矩形橫截面並且其兩個磁極平行於靶(2)的表面。
5.如權利要求1-3中任一所述的、具有用於較大表面積靶的強力磁引導裝置的電弧蒸發器，其特徵在於，上述電磁體的磁芯(4)具有一個T型橫截面，這樣其一個磁極平行於靶(2)而另一個則垂直於所述靶(2)。
6.如權利要求1所述的、具有用於較大表面積靶的強力磁引導裝置的電弧蒸發器，其特徵在於，上述永磁體(3)具有較小的高度、並被設置成其中心線與一個在靶(2)的最初表面和該靶在使用壽命最後所具有的表面之間所限定的中間平面相重合，並具有最大可能的寬度，以便獲得最大能量，該永磁體由具有較高矯頑力的材料、例如SmCo，NdFeB或硬鐵氧體而製成。
7.如權利要求1所述的、具有用於較大表面積靶的強力磁引導裝置的電弧蒸發器，其特徵在於，上述兩個磁系統由電磁體構成。
全文摘要
本發明涉及一種電弧蒸發器，包括一陽極(1)和一陰極或靶(2)並用於產生準備施加到真空室內需塗覆部分(10)的蒸發材料。本發明的蒸發器還包括一磁引導裝置，用於確保電弧以均勻的方式在靶的整個表面上運動。所述磁引導裝置包括兩個獨立的磁系統，其中第一磁系統由一組永磁體(3)構成，該永磁體設置在陰極或靶(2)的周邊並且以如下方式設置成或多或少地與靶(2)共面，即其磁化強度要垂直於所述靶(2)的表面；第二磁系統由一電磁體(4－5)構成，該電磁體設置在靶(2)的後部並且與所述靶間隔開一距離地放置在蒸發器電絕緣主體(6)內，其中至少一個磁極設置成與上述靶(2)的表面相平行。這樣，兩個磁系統的結合作用就確保了靶(2)被均勻地使用或消耗，同時又提高了蒸發器的穩定性。
文檔編號C23C14/35GK1494603SQ01823097
公開日2004年5月5日 申請日期2001年3月27日 優先權日2001年3月27日
發明者霍蘇·戈伊卡特克薩·拉裡尼亞加, 霍蘇 戈伊卡特克薩 拉裡尼亞加 申請人:特克尼克基業