[發明專利]一種動態受控電弧離子鍍弧源

無效

• 申請號: 200710159289.1
• 申請日: 2007-12-28
• 公開（公告）號: CN101358328A
• 公開（公告）日: 2009-02-04
• 發明（設計）人: 肖金泉;郎文昌;孫超;宮駿;楊英;趙彥輝;杜昊;聞立時
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/35
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及薄膜制備領域，具體地說是一種利用動態磁場控制弧斑運動的電弧離子鍍弧源。

背景技術

電弧離子鍍是工業鍍膜生產以及科學研究中最重要的技術之一，由于其結構和工藝簡單，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并獲得廣泛應用，展示出很大的經濟效益和工業應用前景。

電弧離子鍍是基于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、組織致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游動，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后的鍍膜特性有很大的影響。真空弧光放電實際上是一系列電弧事件，由于其快速地連續發生，以至于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。盡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。

由于真空電弧的物理特性，外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，當施加平行于陰極靶面的磁場時(橫向磁場，磁感應強度B，見圖1(a))，電弧斑點做逆安培力的反向運動(Retrograde?motion)，也就是運動方向和電流力的方向相反(-I×B)，見圖1(b)。弧斑的運動速度和橫向磁場的強度成拋物線關系，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θ的時候(尖角磁場，磁感應強度B，見圖1(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θ_B區域，這就是銳角法則(Acute?angle?principle)，見圖1(d)；圖1(d)中，Φ_R代表弧斑運動的方向和磁力線與靶面相交線之間的夾角，θ_B≈Φ_R。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基本規律，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，大的平面靶施加拱形磁場，如CN1157335A，以及俄羅斯弧源結構中的淹沒整個靶材的縱向約束磁場。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靶面的運動，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范圍內，長時間的刻蝕會在靶面形成明顯的刻蝕軌道，不利于靶材刻蝕均勻，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靶面刻蝕，有效的利用靶材，但是整個弧源結構復雜，操作麻煩，靶材特殊的形狀使得靶材加工困難，成本高，而且靶材尺寸小，綜合利用率低。由于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靶背后的機械轉動來改變磁場在靶面的分布，從而影響弧斑在靶面的刻蝕位置的。但是這種方法需要增加一套復雜的機械控制機構，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鑒。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用動態磁場控制弧斑運動的動態受控電弧離子鍍弧源，用以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，用以制備高質量的薄膜。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：