一种结构紧凑的多功能磁控离子镀弧源装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及薄膜制备领域，具体地说是一种结构简单紧凑的多功能多控制模式磁控离子镀弧源装置，磁控离子镀弧源装置的靶材底座后面设有由小型直流电机或者交流电机驱动的旋转磁场发生装置，电机驱动固定在电机转轴上的磁轭带动合理分布在磁轭上的永磁体转动，不同的永磁体分布便产生不同位形结构的旋转磁场，实现多控制模式的目的。本发明专利技术利用简单紧凑的弧源结构和不同的永磁体分布方式，产生不同位形的动态旋转磁场，用以改善弧斑的放电形式，控制弧斑的运动轨迹，提高靶材利用率和刻蚀均匀性，减少或抑制靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜，达到在一个弧源装置上实现多种形式的弧斑控制，满足不同方面的需求，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，具体地说是一种结构紧凑的多功能磁控离子镀弧 源装置，利用简单紧凑的结构，产生形式多样的旋转磁场，用以改善弧斑的放电 形式，控制弧斑的运动轨迹，提高靶材禾拥率和刻蚀均匀性，减少或抑制靶材大 颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜，达到在一个弧源装置上实现多种形式的弧 斑控制，拓展电弧离子镀的应用范围。
技术介绍
电弧离子镀是工业働莫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。电弧离子镀所用的弧源结构是冷阴极弧源，电弧的行为被阴极表面许多快速 游动，高度明亮的阴极斑点所控制，阴极斑点的运动对靶材利用率及靶材刻蚀均 匀性，电弧等离子体的物理特性以及随后的镀膜特性有很大的影响。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 200pm2)，电流密度 很高(105 107A/cm2),具有非常高的功率密度(1016W/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，控制 弧斑的运动轨迹，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耙面上，从而减少大颗粒的发射甚至没有颗粒的发射。因此 尽管对弧斑内部结构的过程还没有确切的了解，但是为了更好的提高沉积薄膜的 质量和有效的利用靶材，提高放电稳定性，必须对弧斑的运动进行合理的控制。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(Retrogrademotion),也就是运动方向 和电流力的方向相反(-IxB)，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(Robsondrift),漂移运动的方向指向磁力线于阴极靶面 所夹的锐角0b区域，这就是锐角法则(Acute angle principle),图1 (d)。图l(d)中，a^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，此法则和弧斑反向运动规律一起决定了 弧斑的运动轨迹8。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。国内外在电弧离子镀弧源的设计上几乎都离不开磁场的设计，目前的电弧离 子镀技术中靶材附近施加的磁场主要有在小尺寸圆柱靶下加轴向磁场，如CN89200444.4、 US3,793,179、 US3,625,878等，大的平面靶施加拱形磁场，如 CN1157335A，以及俄罗斯弧源结构中的淹没整个乾材的纵向约東磁场。这些在 靶面附近施加的具有一定位形的磁场虽然可以有效地控制弧斑在靶面的运动，但 是根据上述不同磁场分量对弧斑的运动影响规律，弧斑在轴向磁场和拱形磁场下 的运动会被限制在靶面上一定范围内，长时间的刻蚀会在靶面形成明显的刻蚀轨 道，不利于靶材刻蚀均匀，造成了靶材浪费。而俄罗斯弧源中的磁场结构虽然可 以使弧斑在整个乾面刻蚀，有效的利用靶材，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，而且整个弧源结构复杂，操作麻烦，靶材特 殊的形状使得靶材加工困难，成本高，而且靶材尺寸小，综合利用率低。由于这 些控制弧斑运动的磁场都是静态或者准静态的，磁场本身的变化(速度、强度) 对弧斑的影响考虑不多，因此很难突破相互之间影响的限制。同时在一种弧源结 构中只能实现一种控制模式，不同的控制方式需要不同的弧源结构，磁场位形单 一，弧斑的控制功能少，不利于推广以及满足不同的需求。需要一种创新的、突破限制的、结构简单紧凑的、多功能多控制模式并且有 效且易于推广的动态旋转磁场控制的电弧离子镀弧源。
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结构复杂功能少 弧斑控制模式单一的设计思路，提供一种结构简单紧凑的多功能多控制模式磁控 离子镀弧源装置，利用简单紧凑的结构和不同的永磁体分布方式，在靶面形成不 同位形结构不同模式的合理的动态旋转磁场位形，用以改善弧斑的放电形式，控 制弧斑的运动轨迹，提高靶材利用率和刻蚀均匀性，降低放电功率在阴极斑点处 的集中，减少或抑制靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜，达到在一个弧 源装置上实现多种形式的弧斑控制，满足不同方面的需求，拓展电弧离子镀的应 用范围。本专利技术的技术原理是通过设计，在一个结构简单紧凑的弧源装置上釆用多种合理的动态旋转磁场 结构，在靶面形成不同模式的合理的动态旋转磁场位形，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，使得离子云的密度最大处(弧斑存在或者重燃的关键)随着磁场的分布而分布，运动而运动，从而使得 弧斑的位置也发生同步的改变。合理的动态旋转磁场可以实现对弧斑的有效控制， 使得弧斑在整个耙面上均匀刻蚀而不是限制在特定的位置处形成刻蚀轨道，提高 靶材利用率。在磁场的速度，强度达到一定的程度时，有可能实现离子云在整个 靶面的均匀分布，使具有阴极斑点的分立式的电弧转变为分布式的电弧，降低放 电功率在阴极斑点处的集中，使放电功率分散的分布在整个耙面上，减少本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构紧凑的多功能磁控离子镀弧源装置，其特征在于：所述磁控离子镀弧源装置设有旋转磁场发生装置、靶材、靶材底座，靶材安装于靶材底座上，在靶材底座的后面设有旋转磁场发生装置，旋转磁场发生装置由驱动电机、固定在电机转轴上的磁轭、分布在磁轭上的永磁体组成。

【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，杨英，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]