多模式可编程调制的旋转横向磁场控制的电弧离子镀装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及薄膜制备领域，具体地说是一种利用旋转磁场控制弧斑运动的多模式可编程调制的旋转横向磁场控制的电弧离子镀装置。该电弧离子镀装置设有靶材、旋转磁场装置、电磁线圈、绝缘套、法兰、真空室、基体夹座，真空室内设置基体夹座、靶材，靶材正面与基体夹座相对，靶材背面设有电磁线圈，置于真空室外的旋转磁场发生装置套在围绕于靶材之外的法兰套或者炉体管道上，与法兰套或者炉体管道之间通过绝缘保护。本发明专利技术通过多模式可编程调制的旋转横向磁场控制弧斑的运动，可以改善弧斑的放电形式和工作稳定性，提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率，减少靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜以及功能薄膜，拓展电弧离子镀的应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及薄膜制备领域，具体地说是一种利用旋转磁场控制弧斑运动的脉 宽调制叠加调幅的多模式可编程调制的旋转横向磁场控制的电弧离子镀装置，用 以改善弧斑的放电形式，控制弧斑的运动，提高靶材刻蚀均匀性，减少或抑制靶 材大颗粒的发射，用以制备髙质量的薄膜。
技术介绍
电弧离子镀是工业镀膜生产以及科学研究中最重要的技术之一，由于其结构简单，离化率高(70%-80%)，入射粒子能量高，绕射性好，可实现低温沉积等 一系列优点，使电弧离子镀技术得到快速发展并获得广泛应用，展示出很大的经 济效益和工业应用前景。电弧离子镀是基于气体放电等离子体物理气相沉积原理的镀膜技术。这种技 术依靠在真空镀膜室中阴极靶材表面上产生的电弧斑点的局部高温，使作为靶材 的阴极材料瞬时蒸发和离化，产生电离度高而且离子能量大的等离子体，在工件 上加上负电位，即可在工件加热温度比较低的条件下，在工件表面镀上一层硬度 高、组织致密而且结合性好的各种硬质薄膜。真空电弧的行为由阴极斑点所控制。真空弧光放电实际上是一系列电弧事件, 由于其快速地连续发生，以至于给人运动电弧的印象，阴极斑点及弧根的运动决 定了整个电弧的运动，相邻弧斑的次第燃起和熄灭构成了弧斑的运动。电弧离子 镀阴极斑点的尺寸很小(100~200,2),电流密度很高(105~107A/cm2)，具有非 常高的功率密度(l(^W/m2),因此阴极斑点在作为强烈的电子，金属原子、离子 和高速(1000m/s)金属蒸汽发射源的同时，也不断的喷射金属液滴(大颗粒)。电弧离子镀技术虽然有很多优点，但是由于电弧离子镀中大颗粒的存在，严 重影响了涂层和薄膜的性能和寿命。因此有关如何解决阴极电弧镀中大颗粒问题 对阴极电弧的发展影响很大，成为后期发展的主要论题，也成为阻碍电弧离子镀 技术更深入广泛应用的瓶颈问题。电弧离子镀的进一步发展要求在工艺设计中考虑对大颗粒的去处或抑制，目前应用较多的是磁过滤技术，主要是利用大颗粒与金属离子质荷比的差别将大颗 粒完全阻挡在沉积区外，这种方法虽然可以满足制备高质量薄膜的要求，但是磁 过滤技术降低了等离子的传输效率，大大降低了沉积速率，同时需要增加额外的 设备，占用很大的设备空间，结构复杂，不能实现大面积沉积这个工业要求，成 本很高，不利于应用推广。更重要的是磁过滤技术考虑的是等离子体传输过程中 将大颗粒排除掉的方法，是等症状出现以后用来治标而不治本的方法，因此是一 种消极的方法。更为积极的办法是考虑从源头解决问题的措施。改善弧斑的放电形式，提高 弧斑的运动速率，降低放电功率在阴极斑点处的集中，使放电功率分布在整个靶 面上，从而减少大颗粒的发射甚至没有颗粒的发射。国内外一直在致力于这方面的工作。由于真空电弧的物理特性，外加电磁场 是控制弧斑运动的有效方法，不同磁场分量对弧斑的运动影响规律不同，当施加平行于阴极靶面的磁场时(横向磁场，见图l(a)),电弧斑点做逆安培力的反向运 动(Retrograde motion),也就是运动方向和电流力的方向相反(-I x B ),见图1 (b )。弧斑的运动速度和横向磁场的强度成抛物线关系，因此可以用来提高弧斑的运动速度。当磁场与阴极表面相交呈一定角度e的时候(尖角磁场，磁感应强度B，见图l(c)),则电弧斑点l在反向运动上还叠加一个漂移运动(Robson drift),漂 移运动的方向指向磁力线于阴极靶面所夹的锐角6b区域，这就是锐角法则(Acute angle principle),图1 (d)。图l(d)中，OR代表弧斑运动的方向和磁力线与靶面相 交线之间的夹角，eB oR。锐角法则可以用来限制弧斑的运动方向，控制弧斑在 靶面上的出现的位置，此法则对弧斑运动的控制、靶材刻蚀得均匀性非常重要。 上述规律是磁场对弧斑运动影响的基本规律，也是磁场设计必须考虑的规律。国际上在电弧离子镀弧源的设计上几乎都离不开磁场的设计，虽然磁场的形 式多种多样，但都离不开对这两种规律的综合运用。其中应用最多最常见的方式 有俄罗斯弧源和受控弧源结构，这也是国外比较流行两种电弧离子4刻莫技术。虽 然这些结构可以实现对弧斑的有效控制，限制弧斑的运动轨迹，但是并没有有效 的改善弧斑的放电形式，达到比较满意的效果。其中俄罗斯弧源在靶材利用方面比较有效,但是由于磁场位形与靶材结构的特点，并不能很好的抑制颗粒的发射; 而受控弧源在减少颗粒发射方面也是有限的，因为它们并没有改变冷阴极弧斑电 弧斑点的放电形式，而且长时间刻蚀会在靶面形成刻蚀轨道，浪费靶材。所有的磁场设计都是考虑在靶面上形成一定的磁场位形，利用锐角法则限制 弧斑的运动，禾拥横向分量提高弧斑的运动速度。 一方面尽可能扩大横向向量的面积与强度， 一方面限制弧斑的运动。要达到比较满意的效果是很困难的。而且 所有的磁场设计都是静态的或者准静态的，磁场本身的变化(频率，速度)对弧 斑的影响考虑不多，因此是很难突破相互之间的影响的限制。Ramalingam在专利WO8503954和US4,673,477中提出了 一种动态的磁场设 计思路，可以基本实现弧斑在结构简单的大面积靶材上的均匀刻蚀，这种方法是 靠永磁体在耙背后的机械转动来改变磁场在耙面的分布，从而影响弧斑在靶面的 刻蚀位置的。但是这种方法需要增加一套复杂的机械控制机构；同时，磁场的位 性固定、强度难以调解，只是一种机械的运动引起磁场的分布的改变，可调性差，不能有效地改善弧斑的放电，抑制颗粒的发射；而且涉及到密封、冷却等诸多问题，因此难以推广应用。需要一种创新的、突破限制的、并且有效且易于推广的 动态旋转磁场控制的电弧离子镀沉积装置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于突破传统的静态或准静态的磁场设计以及机械式的动态磁 场设计思路，提供一种新型的、可调速调幅的、多模式可编程调制的、旋转横向 磁场控制弧斑运动的多模式可编程调制的旋转横向磁场控制的电弧离子镀装置， 用以改善弧斑的放电形式和工作稳定性，控制弧斑的运动轨迹，提高靶材刻蚀均 勾性和靶材利用率，减少靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜以及功能薄 膜，拓展电弧离子镀的应用范围。为了实现上述目的，本专利技术的技术要求是1. 根据不同磁场分量对弧斑运动的影响规律，为了提高弧斑的运动速度、降 低放电功率在阴极斑点处的集中，本专利技术必须能够提供可以调解的平行于靶面的 横向磁场分量。2. 为了提高弧斑的放电稳定性，保持放电的连续性，提高利用率，本专利技术必 须能够保持弧斑在靶面内运动而不会跑到靶面外造成熄弧。3. 为了提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率，本专利技术必须能够使得弧斑在整个 乾面刻蚀而不是限制在特定的位置处形成刻蚀轨道。4. 为了满足要求l、 3，降低放电功率集中，使放电功率分散的分布在整个乾 面上，本专利技术必须能够提供尽可能覆盖大面积靶面的横向磁场分量。5. 为了在满足上述要求的同时，不降低沉积速率和沉积均匀性，本专利技术必须 能够提供改善等离子体传输效率的辅助聚焦磁场。为了满足上述要求，本专利技术提出了控制弧斑运动的可调速调幅的多模式可编 程调制的旋转横向磁场的设计思路。本专利技术的技术原理是通过设计一种合理的旋转磁场结构，在靶面形成合理的旋转磁场位形，旋转 磁场在运动过程中，会对阴极斑点前的空间电荷层，离子云的分布进行作用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多模式可编程调制的旋转横向磁场控制的电弧离子镀装置，其特征在于：该电弧离子镀装置设有靶材、旋转磁场装置、电磁线圈、绝缘套、法兰、真空室、基体夹座，真空室内设置基体夹座、靶材，靶材正面与基体夹座相对，靶材背面设有电磁线圈，置于真空室外的旋转磁场发生装置套在围绕于靶材之外的法兰套或者炉体管道上，与法兰套或者炉体管道之间通过绝缘保护。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖金泉，郎文昌，孙超，宫骏，赵彦辉，闻立时，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]