一種改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置的製作方法

2023-06-17 08:51:36

專利名稱：一種改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及薄膜製備領域，具體地說是一種改善電弧離子鍍沉積工藝的 動態磁控弧源裝置。
背景技術：
電弧離子鍍是工業鄉莫生產以及科學研究中最重要的技術之一，由於其結構
和工藝簡單，離化率高(70%-80%)，入射粒子能量高，繞射性好，可實現低溫 沉積等一系列優點，使電弧離子鍍技術得到快速發展並獲得廣泛應用，展示出很 大的經濟效益和工業應用前景。
電弧離子鍍是基於氣體放電等離子體物理氣相沉積原理的鍍膜技術。這種技 術依靠在真空鍍膜室中陰極靶材表面上產生的電弧斑點的局部高溫，使作為靶材 的陰極材料瞬時蒸發和離化，產生電離度高而且離子能量大的等離子體，在工件 上加上負電位，即可在工件加熱溫度比較低的條件下，在工件表面鍍上一層硬度 高、組織緻密而且結合性好的各種硬質薄膜。
電弧離子鍍所用的弧源結構是冷陰極弧源，電弧的行為被陰極表面許多快速 遊動，高度明亮的陰極斑點所控制，陰極斑點的運動對電弧等離子體的物理特性 以及隨後的働莫特性有很大的影響。真空弧光放電實際上是一系列電弧事件，由 於其快速地連續發生，以至於給人運動電弧的印象，陰極斑點及弧根的運動決定 了整個電弧的運動，相鄰弧斑的次第燃起和熄滅構成了弧斑的運動。儘管對弧斑 內部結構的過程還沒有確切的了解，但是為了更好的提高沉積薄膜的質量和有效 的利用靶材，提高放電穩定性，必須對弧斑的運動進行合理的控制。
由於真空電弧的物理特性，夕卜加電磁場是控制弧斑運動的有效方法，不同磁 場分量對弧斑的運動影響規律不同，當施加平行於陰極靶面的磁場時(橫向磁場， 磁感應強度B,見圖l(a))，電弧斑點做逆安培力的反向運動(Retrogrademotion), 也就是運動方向和電流力的方向相反(-IxB),見圖l(b)。弧斑的運動速度和橫向 磁場的強度成拋物線關係，因此可以用來提高弧斑的運動速度。當磁場與陰極表 面相交呈一定角度e的時候(尖角磁場，磁感應強度B,見圖l(c)),則電弧斑點17在反向運動上還疊加一個漂移運動(Robson drift),漂移運動的方向指向磁力 線與陰極靶面所夾的銳角0b區域，這就是銳角法則(Acute angle principle),見圖 l(d);圖l(d)中，OR代表弧斑運動的方向和磁力線與靶面相交線之間的夾角，eB %。銳角法則可以用來限制弧斑的運動方向，控制弧斑在靶面上的出現的位置, 此法則對弧斑運動的控制、靶材刻蝕得均勻性非常重要。上述規律是磁場對弧斑 運動影響的 規律，也是磁場設計必須考慮的規律。
目前的電弧離子鍍技術中靶材附近施加的磁場主要有在小尺寸圓柱靶下加軸 向磁場，如CN89200444.4、 US3,793,179、 US3,625,878等，大的平面乾施加拱形 磁場，如CN1157335A,以及俄羅斯弧源結構中的淹沒整個乾材的縱向約東磁場。 這些在靶面附近施加的具有一定位形的磁場雖然可以有效地控制弧斑在耙面的運 動，但是根據上述不同磁場分量對弧斑的運動影響規律，弧斑在軸向磁場和拱形 磁場下的運動會被限制在靶面上一定範圍內，長時間的刻蝕會在靶面形成明顯的 刻蝕軌道，不利於靶材刻蝕均勻，造成了靶材浪費。而俄羅斯弧源中的磁場結構 雖然可以使弧斑在整個耙面刻蝕，有效的利用靶材，但是整個弧源結構複雜，操 作麻煩，靶材特殊的形狀使得靶材加工困難，成本高，而且乾材尺寸小，綜合利 用率低。由於這些控制弧斑運動的磁場都是靜態的，因此很難突破相互之間影響 的限制。
Ramalingam在專利WO8503954和US4,673,477中提出了 一種動態的磁場設 計思路，可以實現弧斑在結構簡單的大面積靶材上的均勻刻蝕，這種方法是靠永 磁體在耙背後的析械轉動來改變磁場在乾面的分布，從而影響弧斑在乾面的刻蝕 位置的。但是這種方法需要增加一套複雜的機械控制機構，而且涉及到密封、冷 卻等諸多問題，因此難以推廣應用。但是這種動態的磁場設計思路值得思考和借 鑑。

實用新型內容
本實用新型的目的在於提供一種新型的改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控 弧源裝置，用以改善電弧離子鍍陰極弧斑的放電形式和工作穩定性，控制弧斑的 運動軌跡，提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，減少靶材大顆粒的發射，用以制 備高質量的薄膜。
為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是
一種改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置，所述動態磁控弧源裝置 設有動態控制磁場發生裝置、靶材、靶材底座，靶材安裝於靶材底座上，動態控制磁場發生裝置為主控磁場發生裝置和輔助磁場發生裝置構成，主控磁場發生裝 置放置於靶材後面，和靶材同軸放置，輔助磁場發生裝置套在主控磁場發生裝置 周圍。
所述主控磁場發生裝置為電磁線圈和磁軛構成，磁軛由外周的導磁簡和中心 的導磁柱構成，導磁簡和導磁柱的下端由同樣的導磁材料連接或者做成一體的， 磁軛上端保持開口；電磁線圈套在磁軛中心的磁柱上，放置於導磁簡和導磁柱中 間的空隙位置。
所述主控磁場發生裝置中的電磁線圈和磁軛的形狀是圓的或者方的，磁軛中 的導磁簡和導磁柱以及線圈的形狀保持一致，三者同軸。
所述主控磁場發生裝置中的線圈的內徑略大於導磁柱的直徑，外徑略小於導 磁簡的內徑，線圈的高度低於磁軛的高度。
所述主控磁場發生裝置中的電磁線圈由漆包線繞制在線圈骨架上，線圈內外 通過絕緣保護，磁軛由高磁導率的鍍鎳純鐵或者其他材料製作。
所述主控磁場發生裝置中的導磁簡和導磁柱頂端是平的或者有斜面；導磁簡 和導磁柱頂端是斜面時，導磁柱頂端的斜面為軸對稱上窄下寬的凸臺狀，導磁簡 頂端的斜面與導磁柱頂端的斜面對稱，磁軛的斜面呈W形。
所述輔助磁場發生裝置套在主控磁場發生裝置中的導磁簡的外周或者靶材底 座的靶材底柱外周，和主控磁場發生裝置或者靶材底柱同軸，輔助磁場發生裝置 與主控磁場發生裝置或者靶材底柱之間通過絕緣保護，輔助磁場發生裝置的位置 可調。
所述輔助磁場發生裝置形狀和主控磁場發生裝置一致，由漆包線繞制的電磁 線圈組成。
所述主控磁場發生裝置與輔助磁場發生裝置中的線圈單獨調節或者共同調 節，兩者之間通反向電流；通過調節主控磁場發生裝置與輔助磁場發生裝置中線 圈電流大小調節動態磁場的強度，線圈的電流形式是直流、交流或者脈衝的，可 實現對弧斑的多種控制方式。
所述靶材直接水冷或者間接水冷，直接水冷的主控磁場發生裝置放在靶材底 柱圓簡之間冷卻水中或者冷卻水通道外靶材底柱圓簡之間，間接水冷的主控磁場 發生裝置放在冷卻水通道外底柱圓簡之間。
本實用新型的技術原理是
如圖2所示，根據不同磁場分量對弧斑運動的影響規律，如果在靶面上形成一定曲率的拱形磁場15,在一定的磁場強度下可以將弧斑約東在拱形區域內，弧 斑優先刻蝕的地方是靶面縱向磁場為零，橫向磁場最大的位置，也就是拱形的頂 點位置，在這種磁場位形下弧斑將約束在以這個位置為中心的附近的區域運動， 形成比較窄的固定刻蝕軌道16。如果能夠合理的調節拱形磁場在靶面的位置，改 變其頂點(縱向磁場為零，橫向磁場最大)的位置，使其動態的在整個乾面上移 動，而不再是固定在特定的位置不變，那麼弧斑將會隨著磁場的動態變化而在整 個乾面上不同的位置出現，而不是限制在特定的區域，從而實現耙材的均勻刻蝕， 在靶材1上形成均句的刻蝕軌道。
本實用新型動態控制磁場由兩組磁場發生裝置組成，主控磁場發生裝置和輔 助磁場發生裝置。主控磁場發生裝置放置於靶材後面，和靶材同軸放置，主要用 以產生約束弧斑運動範圍的拱形磁場。輔助磁場發生裝置套在主控磁場發生裝置 周圍，主要用於調節拱形磁場的位形，改變靶面上磁場橫向分量最大值和縱向分 量為零的位置，從而調節弧斑在靶面上的刻蝕區域。兩組磁場發生裝置配合使用， 在靶面上形成動態分布的拱形磁場，達到改善弧斑的放電形式和工作穩定性，控 制弧斑的運動軌跡，提高乾材刻蝕均句性和乾材禾擁率，減少靶材大顆粒的發射， 用以製備高質量的薄膜的目的。
本實用新型具有以下優點
1. 本實用新型通過主控磁場發生裝置與輔助磁場發生裝置產生的動態可調耦 合磁場，實現了對弧斑運動的動態控制，達到改善電弧離子鍍陰極弧斑的放電形 式和工作穩定性，控制弧斑的運動軌跡，提高靶材刻蝕均勻性和乾材利用率，減 少靶材大顆粒的發射，用以製備高質量的薄膜的目的。
2. 本實用新型中主控磁場通直流電，輔助磁場通不同形式和大小的反向電流， 可以實現對弧斑的多種控制方式，適應不同的條件和需要。
3. 本實用新型中兩組磁場發生裝置的耦合使用，不僅可以改變磁場的分布， 控制弧斑的運動軌跡，同時可以調節磁場的大小，控制弧斑的運動速度。
4. 本實用新型中兩組磁場發生裝置調節方便，操作簡單，只需改變兩者之間 的電流比就可以實現對弧斑的有效控制，滿足工業生產以及科研中人性化操作的 要求。
5. 本實用新型中主控磁場發生裝置中的線圈和磁軛獨立製作，裝卸容易，可 單獨更換；輔助磁場發生裝置線圈位置可調，也可以單獨更換。
6. 本實用新型中磁場發生裝置製作簡單，調節範圍大，成本低，易於推廣。

圖1 (a)-圖1 (d)是不同磁場分量對弧斑運動的影響示意圖。其中，圖1 (a)為施加平行於陰極靶面的橫向磁場；圖1 (b)為橫向磁場對弧斑的運動的 影響(反向運動)；圖1 (c)為施加與陰極表面相交呈一定角度尖角磁場；圖1 (d) 為尖角磁場對弧斑的運動的影響(尖角法則)。
圖2為拱形磁場下弧斑的運動規律示意圖。
圖3是實施例1改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置示意圖。
圖4是實施例1輔助磁場發生裝置線圈與主控磁場發生裝置線圈的不同"電流
x匝數"比下磁力線的位形變化圖。
圖5是實施例2可調節靜態磁控的電弧離子鍍弧源裝置示意圖。
圖6是實施例2不同磁場條件下弧斑的運動軌跡示意圖。
圖7是實施例3改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置示意圖。
圖8(a)-圖8(b)是實施例3不同磁場條件下弧斑的運動軌跡示意圖；其中，圖
8(a)是指輔助磁場發生裝置的交流電從小到大變化弧斑的螺旋擴展運動軌跡；圖
8(b)是指輔助磁場發生裝置的交流電從大到小變化弧斑的螺旋收縮運動軌跡。 圖9(a)-圖9 (d)是實施例1不同靶材厚度下、不同"電流x匝數"比下縱向磁場
分量的大小分布圖，零點位置為刻蝕軌道位置；其中，圖9(a)是指靶材的厚度為
lcm;圖9 (b)是指靶材的厚度為2cm;圖9 (c)是指靶材的厚度為3cm;圖9 (d)
是指靶材的厚度為4cm。
圖10(a)-圖10 (b)是實施例1同一"電流x匝數"比下、不同厚度靶材表面的橫
向磁場分量大小分布圖；其中，圖10問是"電流><匝數"比為-0.5;圖10(b)是指"電
流x匝數"比為-1.5。
圖11是實施例1-實施例3同一"電流x匝數"比下、不同磁軛結構的磁場位形 分布圖。
圖12是實施例1-實施例3同一"電流x匝數"比不同磁軛結構下相同厚度靶材 表面的縱向磁場大小分布圖。
圖中，l靶材；2耙材底座；3靶材底柱；4絕緣環；5磁軛；6主控磁場發生 裝置線圈；7進水口； 8出水口； 9引弧線圈；IO引弧針；11輔助磁場發生裝置 線圈；12屏蔽罩；13螺栓；14動態磁力線；15拱形磁場；16固定刻蝕軌道；17 電弧斑點；18靜態磁力線；19導磁柱；20導磁簡；21絕緣薄板；22位置變化的 圓形刻蝕軌道；23動態螺旋刻蝕軌道。
具體實施方式

本實用新型的改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置主要包括動態控 制磁場發生裝置、靶材、靶材底座，靶材安裝於靶材底座上，動態控制磁場發生
裝置的主要結構如下
1. 本實用新型放置於靶材後面的主控磁場發生裝置由兩部分組成，電磁線圈 和磁軛。磁軛由外周的導磁簡和中心的導磁柱組成，導磁簡和導磁柱的下端由同 樣的導磁材料連接或者做成一體的，上端保持開口。電磁線圈套在磁軛中心的磁 柱上，放置於導磁簡和導磁柱中間的空隙位置。通過調節線圈電流的大小來調節 磁感應強度的大小，通過調節電流的方向來改變磁極的方向。
2. 本實用新型主控磁場發生裝置中的電磁線圈和磁軛的形狀是圓的或者方 的，磁軛中的導磁簡和導磁柱以及線圈的形狀保持一致，三者同軸。
3. 本實用新型主控磁場發生裝置中的電磁線圈和磁軛的大小不受限制，根據 具體乾材製作。線圈的內徑略大於導磁柱的直徑，夕卜徑略小於導磁簡的內徑，線 圈的高度低於磁軛的高度。磁軛中的導磁簡的厚度大約是導磁柱直徑的一半。
4. 本實用新型主控磁場發生裝置中的電磁線圈由漆包線繞制在線圈骨架上， 漆包線的型號沒有限制，線圈內外通過絕緣保護。磁軛由高磁導率的鍍鎳純鐵或 者其他材料製作。
5. 本實用新型主控磁場發生裝置中的導磁簡和導磁柱頂端是平的或者有一 定角度的斜面，導磁柱頂端的斜面為軸對稱的凸臺狀(上窄下寬)，導磁筒頂端的 斜面與導磁柱頂端的斜面對稱，磁軛的斜面呈W形，斜面的角度不受限制。
6. 本實用新型輔助磁場發生裝置套在主控磁場發生裝置中的導磁簡的外周 或者靶材底柱的外周，和主控磁場發生裝置或者靶材底柱同軸，與主控磁場發生 裝置或者靶材底柱之間通過絕緣保護。
7. 本實用新型輔助磁場發生裝置形狀和主控磁場發生裝置一致，大小不受限 制，由漆包線繞制的電磁線圈組成。輔助磁場發生裝置的位置可以調節，通過調 節電流的大小來改變主控磁場的分布。
8. 本實用新型主控磁場發生裝置與輔助磁場發生裝置中的線圈可以單獨調 節或者共同調節，兩者之間通反向電流。為了達到不同的效果，電磁線圈的電流 形式可以是直流，交流或者脈衝的，電流大小可以通過調壓電源調節。
(l)主控磁場通一定大小的直流電形成固定位形的拱形磁場，輔助磁場發生裝 置可以通反向的直流電，通過調節電流的大小，改變兩者之間不同的"電流x匝數"比，從而改變拱形磁場的分布，達到弧斑在不同位置的刻蝕。
(2)主控磁場通一定大小的直流電形成固定位形的拱形磁場，輔助磁場發生 裝置可以通反向的方向不變大小變化的交流電(頻率可以調節)，從而使兩者之間 的"電流X匝數"比連續變化，動態連續的改變弧斑的運動。
9. 本實用新型靶材直接水冷或者間接水冷，直接水冷的靶材後的主控磁場發 生裝置放在靶材底柱圓簡之間冷卻水中或者冷卻水通道外靶材底柱圓簡之間，間 接水冷的乾材後的主控磁場發生裝置放在冷卻水通道外底柱圓簡之間，放在冷卻 水中的主控磁場的磁軛釆用不易生鏽的高磁導率材料製作，或者進行鍍鎳防護。 放在冷卻水通道外的主控磁場發生裝置與靶材底座之間絕緣固定。
10. 本實用新型直接水冷的靶材與靶材底座之間釆用螺紋連接，間接水冷的 靶材與靶材底座之間可以採用螺紋連接或者其他方式固定，比如鉚釘或者螺栓固 定。
11. 本實用新型靶材底座與靶材底柱以及冷卻水通道採用不導磁的不鏽鋼製 作，與磁場發生裝置之間通過絕緣保護。
下面通過實施例和附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
實施例1:
附圖3是本實用新型的實施例1改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝 置示意圖。
改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置主要包括:靶材1;靶材底座2; 乾材底柱3;絕緣環4;磁軛5;主控磁場發生裝置線圈6;進水口 7;出水口 8; 引弧線圈9;引弧針10;輔助磁場發生裝置線圈11;屏蔽罩12;螺栓13;動態 磁力線14。絕緣環4用於靶材底柱3和輔助磁場發生裝置線圈11之間的絕緣， 主控磁場發生裝置線圈6套在磁軛5中的導磁柱19上並一起放置於靶材1後,輔 助磁場發生裝置線圈11套在靶材底座2圓簡外。循環水通過進水口 7、出水口 8 進行循環，對靶材l進行冷卻。螺栓13用於固定磁軛5在靶材底座上。引弧針 10連至靶材底座2外的引弧線圈9，引弧線圈9帶動引弧針10與靶材1接觸進行 引弧。屏蔽罩12安裝於靶材1外側，其作用是約東弧斑，防止弧斑向靶材側面跑 弧；主控磁場發生裝置線圈6通直流電，產生約東弧斑運動範圍的拱形磁場；輔 助磁場發生裝置線圈11通大小變化的直流電或者交流電,其產生變化的磁場主要 用於調節拱形磁場的位形，兩種磁場耦合產生動態磁力線14。動態磁場約東控制 弧斑的運動，產生高密度的顆粒較少的等離子體，在基體負偏壓的作用下沉積成膜。
靶材l為直徑200mm的圓柱狀金屬靶，靶材底座2為不導磁的不鏽鋼。靶 材1與靶材底座2之間釆用螺紋連接，直接水冷。主控磁場發生裝置線圈6放置 於冷卻水通道外靶材底柱3圓簡之間，與靶材底柱3之間通過絕緣環4 (絕緣薄 管)保護。主控磁場發生裝置中的磁軛5和主控磁場發生裝置線圈6都為圓柱狀, 磁軛5中心導磁柱19直徑30mm，導磁簡20外徑130mm,內徑100mm。導磁 簡20和導磁柱19的下端做成一體的，上端平齊，保持開口，磁軛5由鍍鎳純鐵 製作。主控磁場發生裝置線圈6套在磁軛5中心的導磁柱19上，放置於導磁簡 20和導磁柱19中間的空隙位置。主控磁場發生裝置線圈6的內徑為35mm，外 徑95mm,高度35mm，主控磁場發生裝置通過底端的套在冷卻水管上的絕緣薄 板21保護，通過螺栓13固定在靶材底座2上。
輔助磁場發生裝置套在靶材底座2圓簡外，與靶材底柱3之間通過絕緣環4 (絕緣薄管)保護，輔助磁場發生裝置線圈11外徑220mm，內徑170mm，高 度40mm。輔助磁場發生裝置的位置可以調節。所用輔助磁場發生裝置線圈ll釆 用線徑為1.25mm的QZY-2漆包線纏繞在線圈骨架上製作而成。
本實例中，主控磁場發生裝置與輔助磁場發生裝置中的線圈通過調壓電源單 獨調節，主控磁場發生裝置線圈通2A的直流電在靶面上形成固定位形的拱形磁 場，輔助磁場發生裝置線圈逸反向的直流電或者交流電，改變電流的大小可以改 變兩者之間不同的"電流x匝數"比，從而改變拱形磁場的分布，達到弧斑在不同位 置的刻蝕。附圖4是實施例l輔助磁場發生裝置線圈與主控磁場發生裝置線圈的 不同"電流x匝數"比下磁力線的位形變化圖。可以看出，隨著輔助磁場反向電流的 增加(0,5A， 1A, 1.5A, 2A),拱形磁場位形發生變化,其頂點(縱向磁場為零, 橫向磁場最大)在靶面的位置不斷從耙材邊緣向乾材中心移動，而不再是固定在 特定的位置不變，那麼弧斑將會隨著磁場的動態變化而在整個乾面上不同的位置 出現，而不是限制在特定的區域，從而實現靶材的均句刻蝕。圖4中的動態磁力 線示意圖表示了弧斑刻蝕區域的變化，通過調節磁場強度的大小可以改變弧斑的 運動速度，提高弧斑的運動速度可以減少顆粒的發射，提高沉積薄膜的表面質量。
實施例2:
附圖5是本實用新型的實施例2可調節靜態磁控的電弧離子鍍弧源裝置示意 圖。基本結構與實施例1相同，所不同的是磁軛5的導磁簡20頂端內側釆用向外 15。的斜面結構，導磁柱19頂端的斜面為軸對稱的凸臺狀(上窄下寬)，導磁筒頂端的斜面與導磁柱頂端的斜面對稱，磁軛的斜面呈W形。主控磁場發生裝置線圈
6通直流電，產生一定的拱形磁場；輔助磁場發生裝置線圈ll通不同大小的直流 電，產生一定的反向磁場，兩種磁場耦合產生位置變化的靜態磁力線18。
主控磁場發生裝置與輔助磁場發生裝置中的線圈通過調壓電源單獨調節，主 控磁場發生裝置線圈通2A的直流電在靶面上形成固定位形的拱形磁場，輔助磁 場發生裝置線圈通反向的直流電，調節拱形磁場的分布。工作一段時間後，改變 輔助磁場發生裝置線圈電流的大小，從而改變與主控磁場發生裝置線圈之間的"電 流x匝數"比，改變拱形磁場的分布，達到弧斑在不同位置的刻蝕，避免長時間在 固定位置刻蝕在靶面上形成明顯的刻蝕軌道。附圖6是輔助磁場發生裝置線圈通 不同大小的直流電下弧斑的刻蝕位置的變化示意圖。不同電流值下弧斑的刻蝕軌 道為圓形，隨著電流的變化引起的磁場位形的變化，軌道的位置會發生變化(即 圖6中位置變化的圓形刻蝕軌道22)。
實施例3:
附圖7是本實用新型的實施例3改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝 置示意圖。基本結構與實施例2相同，所不同的是磁軛5的導磁簡20頂端內側釆 用向外30。的斜面結構。
主控磁場發生裝置與輔助磁場發生裝置中的線圈通過調壓電源單獨調節，主 控磁場發生裝置線圈通2A的直流電在靶面上形成固定位形的拱形磁場，輔助磁 場發生裝置線圈通反向的交流電調節拱形磁場的分布，交流電的大小連續變化 (0—2A),方向不變，從而連續的改變與主控磁場發生裝置線圈之間的"電流x 匝數"比，改變拱形磁場的分布，使其頂點(縱向磁場為零，橫向磁場最大)在靶 面的上位置不斷的在靶材邊緣與靶材中心連續移動，而不再是固定在特定的位置 不變，從而使弧斑隨著磁場的動態變化而在整個乾面上不同的位置出現，而不是 限制在特定的區域，從而實現靶材的均勾刻蝕以及放電形式的變化。圖8(a)-圖8(b) 是輔助磁場發生裝置線圈通大小變化，方向不變的交流電下弧斑的刻蝕位置的變 化示意圖。弧斑將會隨著磁場位形的連續改變呈螺旋狀的刻蝕軌跡(即圖8(a)-圖 8(b)中的動態螺旋刻蝕軌道23)，不斷的螺旋擴展(圖8(a))和收縮(圖8(b)), 均勻的刻蝕乾材。
實施例4:靶材厚度的要求
為了更好的利用本實用新型的產生的磁場動態控制弧斑的運動，達到有效的 利用靶材的效果。實施例4結合有限元模擬結果對本實用新型的磁場分布作詳細的分析說明。本模擬針對實施例1中的裝置結構進行，本分析對輔助磁場發生裝 置線圈通反向的直流電和交流電的結果一樣。
圖9(a)-圖9 (d)是實施例1中不同靶材厚度下、不同"電流x匝數"比下縱向磁 場分量的大小分布圖，零點位置為刻蝕軌道位置。靶材的厚度分別為lcm, 2cm, 3cm, 4cm。同一靶材厚度下，縱向磁場的零點位置會隨著"電流x匝數"比的變化 而改變，而縱向磁場的零點位置是弧斑優先刻蝕的位置，也就是刻蝕軌道的位置。 隨著靶材的厚度的增加，縱向磁場的零點位置隨"電流x匝數"比的變化愈大，說明 靶材越厚，弧斑的刻蝕面積越大，越有利於靶材的利用。但是，控制弧斑運動還 有一個重要的參數就是橫向磁場分量的大小，橫向磁場可以改變弧斑的運動速度。 圖9(a)-圖9 (d)中，noVnili為輔助磁場發生裝置線圈的"電流x匝數"與主控磁場 發生裝置線圈的"電流x匣數"之比。
圖10(a)-圖10 (b)是實施例1同一"電流x匝數"比下、不同厚度靶材表面的橫 向磁場分量大小分布圖。可以看出，橫向磁場分量的大小隨著靶材厚度的增加下 降很快，而這對靶材的有效刻蝕以及提高弧夢遞度減少顆粒的發射都是不利的， 因此靶材的厚度不宜太大。
綜上所述，靶材的厚度必須控制在一定的範圍內，才能達到既大面積刻蝕提 高靶材利用率，又提高弧斑的運動it^減少顆粒發射提高薄膜表面質量的綜合效 果。實施例1中靶材厚度為2.5cm最宜。
實施例5:不同磁軛結構的影響
實施例1-實施例3分別釆用了三種不同的磁軛結構，磁軛在磁場發生裝置中 對磁場的位形影響很大，因此必須釆取合理的磁軛結構。下面結合有限元模擬結 果對不同磁軛結構的影響進行說明。
附圖11是實施例1-實施例3同一"電流x匝數"比下、不同磁軛結構的磁場位 形分布圖，"電流x匝數"比為-l。可以看出，隨著磁軛頂端結構的變化，磁場的位 形有一定的變化。具有一定斜面結構的磁軛，可以減小拱形磁場的曲率。圖12 是實施例1-實施例3同一"電流x匝數"比不同磁軛結構下相同厚度靶材表面的縱 向磁場大小分布圖。可以看出縱向磁場的"V"形分布角度隨著磁軛頂端結構的變 化有所改變，具有一定斜面結構的磁軛產生的縱向磁場"V，形分布角度大一些。 拱形磁場曲率的減小，"V"形分布角的度擴大，對於直流調節的磁場，可以拓寬 刻蝕軌道的面積，增大刻蝕效率。對於交流調節的磁場，影響不大。
權利要求1、一種改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置，其特徵在於所述動態磁控弧源裝置設有動態控制磁場發生裝置、靶材、靶材底座，靶材安裝於靶材底座上，動態控制磁場發生裝置為主控磁場發生裝置和輔助磁場發生裝置構成，主控磁場發生裝置放置於靶材後面，和靶材同軸放置，輔助磁場發生裝置套在主控磁場發生裝置周圍。
2. 按照權利要求1所述的改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置，其 特徵在於所述主控磁場發生裝置為電磁線圈和磁軛構成，磁軛由外周的導磁簡 和中心的導磁柱構成，導磁簡和導磁柱的下端由同樣的導磁材料連接或者做成一 體的，磁軛上端保持開口；電磁線圈套在磁軛中心的磁柱上，放置於導磁簡和導 磁柱中間的空隙位置。
3. 按照權利要求2所述的改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置，其 特徵在於所述主控磁場發生裝置中的電磁線圈和磁軛的形狀是圓的或者方的， 磁軛中的導磁簡和導磁柱以及線圈的形狀保持一致，三者同軸。
4. 按照權利要求2所述的改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置，其 特徵在於所述主控磁場發生裝置中的線圈的內徑略大於導磁柱的直徑，夕卜徑略 小於導磁簡的內徑，線圈的高度低於磁軛的高度。
5. 按照權利要求2所述的改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置，其 特徵在於所述主控磁場發生裝置中的電磁線圈由漆包線繞制在線圈骨架上，線 圈內外通過絕緣保護，磁軛由高磁導率的鍍鎳純鐵或者其他材料製作。
6. 按照權利要求2所述的改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置，其 特徵在於所述主控磁場發生裝置中的導磁簡和導磁柱頂端是平的或者有斜面； 導磁簡和導磁柱頂端是斜面時，導磁柱頂端的斜面為軸對稱上窄下寬的凸臺狀， 導磁簡頂端的斜面與導磁柱頂端的斜面對稱，磁軛的斜面呈W形。
7. 按照權利要求2所述的改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置，其 特徵在於所述輔助磁場發生裝置套在主控磁場發生裝置中的導磁簡的外周或者 靶材底座的靶材底柱外周，和主控磁場發生裝置或者靶材底柱同軸，輔助磁場發 生裝置與主控磁場發生裝置或者靶材底柱之間通過絕緣保護，輔助磁場發生裝置 的位置可調。
8. 按照權利要求l所述的改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置，其特徵在於所述輔助磁場發生裝置形狀和主控磁場發生裝置一致，由漆包線繞制的電磁線圈組成。
9. 按照權利要求l所述的改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置，其 特徵在於所述主控磁場發生裝置與輔助磁場發生裝置中的線圈單獨調節或者共 同調節，兩者之間通反向電流；通過調節主控磁場發生裝置與輔助磁場發生裝置 中線圈電流大小調節動態磁場的強度，線圈的電流形式是直流、交流或者脈衝的， 可實現對弧斑的多種控制方式。
10.按照權利要求l所述的改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置，其 特徵在於所述靶材直接水冷或者間接水冷，直接水冷的主控磁場發生裝置放在 靶材底柱圓簡之間冷卻水中或者冷卻水通道外靶材底柱圓簡之間，間接水冷的主 控磁場發生裝置放在冷卻水通道外底柱圓簡之間。
專利摘要本實用新型涉及薄膜製備領域，具體地說是一種新型的改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置。所述改善電弧離子鍍沉積工藝的動態磁控弧源裝置設有動態控制磁場發生裝置、靶材、靶材底座，靶材安裝於靶材底座上，動態控制磁場發生裝置為主控磁場發生裝置和輔助磁場發生裝置構成，主控磁場發生裝置放置於靶材後面，和靶材同軸放置，輔助磁場發生裝置套在主控磁場發生裝置周圍。本實用新型通過兩組磁場發生裝置配合使用，在靶面上形成動態分布的拱形磁場，達到改善弧斑的放電形式和工作穩定性，控制弧斑的運動軌跡，提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，減少靶材大顆粒的發射，用以製備高質量的薄膜的目的。
文檔編號C23C14/35GK201158702SQ20082001015
公開日2008年12月3日 申請日期2008年1月11日 優先權日2008年1月11日
發明者超 孫, 駿 宮, 昊 杜, 英 楊, 肖金泉, 趙彥輝, 郎文昌, 聞立時 申請人:中國科學院金屬研究所