[實用新型]一種離子鍍弧斑控制裝置

無效

• 申請號: 200820013110.1
• 申請日: 2008-05-23
• 公開（公告）號: CN201190180Y
• 公開（公告）日: 2009-02-04
• 發明（設計）人: 肖金泉;郎文昌;孫超;宮駿;趙彥輝;華偉剛;聞立時
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C23C14/54
• 分類號: C23C14/54;C23C14/24
• 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

本實用新型涉及薄膜制備領域，具體地說是一種新型離子鍍弧斑控制裝置，利用簡單緊湊的結構，產生形式多樣的旋轉磁場，用以改善弧斑的放電形式，控制弧斑的運動軌跡，提高靶材利用率和刻蝕均勻性，減少或抑制靶材大顆粒的發射，用以制備高質量的薄膜，達到在一個弧斑控制裝置上實現多種形式的弧斑控制，拓展電弧離子鍍的應用范圍。

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。

真空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，陰極斑點的運動對靶材利用率及靶材刻蝕均勻性，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。電弧離子鍍陰極斑點的尺寸很小(100～200μm²)，電流密度很高(10⁵～10⁷A/cm²)，具有非常高的功率密度(10¹⁶W/m²)，因此陰極斑點在作為強烈的電子，金屬原子、離子和高速(1000m/s)金屬蒸汽發射源的同時，也不斷的噴射金屬液滴(大顆粒)。

電弧離子鍍技術雖然有很多優點，但是由于電弧離子鍍中大顆粒的存在，嚴重影響了涂層和薄膜的性能和壽命。因此有關如何解決陰極電弧鍍中大顆粒問題對陰極電弧的發展影響很大，成為后期發展的主要論題，也成為阻礙電弧離子鍍技術更深入廣泛應用的瓶頸問題。

電弧離子鍍的進一步發展要求在工藝設計中考慮對大顆粒的去處或抑制，目前應用較多的是磁過濾技術，主要是利用大顆粒與金屬離子質荷比的差別將大顆粒完全阻擋在沉積區外，這種方法雖然可以滿足制備高質量薄膜的要求，但是磁過濾技術降低了等離子的傳輸效率，大大降低了沉積速率，同時需要增加額外的設備，占用很大的設備空間，結構復雜，不能實現大面積沉積這個工業要求，成本很高，不利于應用推廣。更重要的是磁過濾技術考慮的是等離子體傳輸過程中將大顆粒排除掉的方法，是等癥狀出現以后用來治標而不治本的方法，因此是一種消極的方法。

更為積極的辦法是考慮從源頭解決問題的措施。改善弧斑的放電形式，控制弧斑的運動軌跡，提高弧斑的運動速率，降低放電功率在陰極斑點處的集中，使放電功率分布在整個靶面上，從而減少大顆粒的發射甚至沒有顆粒的發射。因此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，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1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于陰極靶面所夾的銳角θ_B區域，這就是銳角法則(Acute?angle?principle)，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，此法則和弧斑反向運動規律一起決定了弧斑的運動軌跡8。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。