一种改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及薄膜制备领域，具体地说是一种新型的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置。所述改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置设有动态控制磁场发生装置、靶材、靶材底座，靶材安装于靶材底座上，动态控制磁场发生装置为主控磁场发生装置和辅助磁场发生装置构成，主控磁场发生装置放置于靶材后面，和靶材同轴放置，辅助磁场发生装置套在主控磁场发生装置周围。本实用新型专利技术通过两组磁场发生装置配合使用，在靶面上形成动态分布的拱形磁场，达到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的目的。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及薄膜制备领域，具体地说是一种改善电弧离子镀沉积工艺的 动态磁控弧源装置。
技术介绍
电弧离子镀是工业鄉莫生产以及科学研究中最重要的技术之一，由于其结构和工艺简单，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，阴极斑点的运动对电弧等离子体的物理特性 以及随后的働莫特性有很大的影响。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。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，夕卜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， 磁感应强度B,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l(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17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 线与阴极靶面所夹的锐角0b区域，这就是锐角法则(Acute angle principle),见图 l(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 %。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、靶材刻蚀得均勻性非常重要。上述规律是磁场对弧斑 运动影响的 规律，也是磁场设计必须考虑的规律。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，大的平面乾施加拱形 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耙面的运 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耙面刻蚀，有效的利用靶材，但是整个弧源结构复杂，操 作麻烦，靶材特殊的形状使得靶材加工困难，成本高，而且乾材尺寸小，综合利 用率低。由于这些控制弧斑运动的磁场都是静态的，因此很难突破相互之间影响 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 磁体在耙背后的析械转动来改变磁场在乾面的分布，从而影响弧斑在乾面的刻蚀 位置的。但是这种方法需要增加一套复杂的机械控制机构，而且涉及到密封、冷 却等诸多问题，因此难以推广应用。但是这种动态的磁场设计思路值得思考和借 鉴。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种新型的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控 弧源装置，用以改善电弧离子镀阴极弧斑的放电形式和工作稳定性，控制弧斑的 运动轨迹，提高靶材刻蚀均勻性和靶材利用率，减少靶材大颗粒的发射，用以制 备高质量的薄膜。为了实现上述目的，本技术的技术方案是一种改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置，所述动态磁控弧源装置 设有动态控制磁场发生装置、靶材、靶材底座，靶材安装于靶材底座上，动态控制磁场发生装置为主控磁场发生装置和辅助磁场发生装置构成，主控磁场发生装 置放置于靶材后面，和靶材同轴放置，辅助磁场发生装置套在主控磁场发生装置 周围。所述主控磁场发生装置为电磁线圈和磁轭构成，磁轭由外周的导磁简和中心 的导磁柱构成，导磁简和导磁柱的下端由同样的导磁材料连接或者做成一体的， 磁轭上端保持开口；电磁线圈套在磁轭中心的磁柱上，放置于导磁简和导磁柱中 间的空隙位置。所述主控磁场发生装置中的电磁线圈和磁轭的形状是圆的或者方的，磁轭中 的导磁简和导磁柱以及线圈的形状保持一致，三者同轴。所述主控磁场发生装置中的线圈的内径略大于导磁柱的直径，外径略小于导 磁简的内径，线圈的高度低于磁轭的高度。所述主控磁场发生装置中的电磁线圈由漆包线绕制在线圈骨架上，线圈内外 通过绝缘保护，磁轭由高磁导率的镀镍纯铁或者其他材料制作。所述主控磁场发生装置中的导磁简和导磁柱顶端是平的或者有斜面；导磁简 和导磁柱顶端是斜面时，导磁柱顶端的斜面为轴对称上窄下宽的凸台状，导磁简 顶端的斜面与导磁柱顶端的斜面对称，磁轭的斜面呈W形。所述辅助磁场发生装置套在主控磁场发生装置中的导磁简的外周或者靶材底 座的靶材底柱外周，和主控磁场发生装置或者靶材底柱同轴，辅助磁场发生装置 与主控磁场发生装置或者靶材底柱之间通过绝缘保护，辅助磁场发生装置的位置 可调。所述辅助磁场发生装置形状和主控磁场发生装置一致，由漆包线绕制的电磁 线圈组成。所述主控磁场发生装置与辅助磁场发生装置中的线圈单独调节或者共同调 节，两者之间通反向电流；通过调节主控磁场发生装置与辅助磁场发生装置中线 圈电流大小调节动态磁场的强度，线圈的电流形式是直流、交流或者脉冲的，可 实现对弧斑的多种控制方式。所述靶材直接水冷或者间接水冷，直接水冷的主控磁场发生装置放在靶材底 柱圆简之间冷却水中或者冷却水通道外靶材底柱圆简之间，间接水冷的主控磁场 发生装置放在冷却水通道外底柱圆简之间。本技术的技术原理是如图2所示，根据不同磁场分量对弧斑运动的影响规律，如果在靶面上形成一定曲率的拱形磁场15,在一定的磁场强度下可以将弧斑约東在拱形区域内，弧 斑优先刻蚀的地方是靶面纵向磁场为零，横向磁场最大的位置，也就是拱形的顶 点位置，在这种磁场位形下弧斑将约束在以这个位置为中心的附近的区域运动， 形成比较窄的固定刻蚀轨道16。如果能够合理的调节拱形磁场在靶面的位置，改 变其顶点(纵向磁场为零，横向磁场最大)的位置，使其动态的在整个乾面上移 动，而不再是固定在特定的位置不变，那么弧斑将会随着磁场的动态变化而在整 个乾面上不同的位置出现，而不是限制在特定的区域，从而实现耙材的均勻刻蚀， 在靶材1上形成均句的刻蚀轨道。本技术动态控制磁场由两组磁场发生装置组成，主控磁场发生装置和辅 助本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置，其特征在于：所述动态磁控弧源装置设有动态控制磁场发生装置、靶材、靶材底座，靶材安装于靶材底座上，动态控制磁场发生装置为主控磁场发生装置和辅助磁场发生装置构成，主控磁场发生装置放置于靶材后面，和靶材同轴放置，辅助磁场发生装置套在主控磁场发生装置周围。

【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，杜昊，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：实用新型
国别省市：89[中国|沈阳]