[發(fā)明專利]一種放電弧斑滿布靶面的真空陰極電弧源

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510450277.9
• 申請日: 2015-07-28
• 公開（公告）號: CN105039915B
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李志榮;羅志明;李志方;袁鎮(zhèn)海
• 申請（專利權(quán)）人: 東莞市匯成真空科技有限公司
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32
• 代理公司: 廣州知友專利商標(biāo)代理有限公司44104
• 代理人: 周克佑

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種真空陰極電弧源，尤其是涉及一種能使放電時弧斑滿布靶面的真空陰極電弧源。

背景技術(shù)

真空陰極電弧沉積是目前制備工模具硬質(zhì)保護(hù)膜和裝飾性保護(hù)膜的離子鍍膜主流技術(shù)之一，由于真空陰極電弧沉積具有離化率高、粒子能量大、膜/基結(jié)合力好、沉積速度快，可以沉積金屬膜、合金膜，也可以反應(yīng)鍍合成氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、DLC等多種膜系，且靶位可以任意配置等優(yōu)勢，在工模具硬質(zhì)保護(hù)膜沉積應(yīng)用上特別受到重視，國內(nèi)外都在開發(fā)真空陰極電弧技術(shù)上進(jìn)行了大量工作，其中核心技術(shù)就是陰極電弧源的結(jié)構(gòu)與磁場設(shè)計，其目的是提高電弧沉速率，降低大顆粒數(shù)量，提高鍍層質(zhì)量和靶材利用率。

真空陰極電弧是在真空下，靶材產(chǎn)生弧光放電發(fā)射出靶材等離子體的過程。陰極放電區(qū)是一簇電弧斑，陰極電弧斑點(diǎn)面積為100～200um，一個弧斑內(nèi)存在若干個微弧(約10個)，每個微弧斑約為10～30um，微弧斑之間相隔1～幾個自身尺度的距離，微弧斑只有1～5us的壽命，在壽命期中，比較穩(wěn)定，幾乎不變動，當(dāng)微弧斑在燃燒期或熄滅后，新微弧斑可在弧斑內(nèi)部或在其邊沿區(qū)產(chǎn)生.陰極弧斑在陰極表面作跳躍式移動；陰極金屬靶上的微弧有非常高的電流密度-達(dá)104～108A/cm²，具有非常高的功率密度(10¹⁶W/m²)，弧斑是強(qiáng)烈的電子發(fā)射區(qū)；同時，每約發(fā)射十個電子也發(fā)射一個金屬原子，以高達(dá)約1000m/s速度發(fā)射金屬蒸氣，高速的蒸發(fā)氣流夾帶著微溶池內(nèi)的金屬熔液噴射到前方空間。也就是陰極弧斑是電子、金屬離子、金屬蒸氣和金屬液滴的發(fā)射源。

人們目視真空陰極電弧在陰極(靶)表面呈現(xiàn)一圈圈閃耀的亮線，它是由一個或多個不連續(xù)的電弧明亮斑點(diǎn)，生成—熄滅—再移位生成—熄滅一系列快速過程所顯現(xiàn)的弧斑軌跡，人們眼睛錯覺誤認(rèn)為像一個弧斑點(diǎn)在連續(xù)運(yùn)動的路徑，其實(shí)它是一系列的電弧生、滅、跳遷的過程。人們研究總結(jié)了真空電弧放電特征與弧斑運(yùn)動規(guī)律：(1)電弧放電的“電壓最小值”原則，即陰極電弧放電會自動選擇電弧電壓最小的通路；(2)磁場與弧斑相互作用，主要有兩個方面：1、“后退運(yùn)動”：在小電流真空電弧中，在一個平行于陰極表面的磁場(B)下，弧斑的運(yùn)動方向垂直于B，并與電流力方向相反，即背離安培定律方向運(yùn)動(即與羅侖茲力相反方向運(yùn)動)；2、“銳角原則”：當(dāng)磁場與陰極表面斜交時，陰極弧斑在垂直于B//max方向又向磁場與陰極平面成銳角方向偏離一定的角度運(yùn)動，即在反向運(yùn)動上還疊加一個漂移運(yùn)動，漂移運(yùn)動的方向指向磁力線與陰極表面所夾的銳角區(qū)域。(見附圖1)以上斑弧運(yùn)動的躍遷方向和運(yùn)動規(guī)律成為陰極電弧源設(shè)計的重要依據(jù)。

現(xiàn)有技術(shù)的商業(yè)用電弧源主要采用磁場控制電弧斑的運(yùn)動，其陰極弧源的磁場設(shè)計主要形式是在陰極表面形成拱形磁場，(如圖2所示)根據(jù)反向運(yùn)動原理和銳角法則，在陰極表面上電弧斑運(yùn)動趨向?qū)?yīng)磁場平行分量最大的地方，即趨向運(yùn)動到拱型場形成的墜道洞里，在拱頂對應(yīng)下方驅(qū)動弧斑運(yùn)動也最快。現(xiàn)有技術(shù)的電弧源有小圓形、平面矩形、柱狀體三種形式，其所用的磁體有永磁體、有電磁鐵、也有永磁體與電磁鐵結(jié)合，所有磁場設(shè)計都是形成拱型磁力線，讓其穿過靶面並讓拱形處在靶面的前方。

拱型磁力線與靶面好像組成隧道洞一樣，所控制的電弧斑都集中在拱形墜道洞內(nèi)運(yùn)動，弧斑出現(xiàn)在拱頂下方的幾率最高。這樣可以看得到靶面呈現(xiàn)出非常耀眼的細(xì)小的閃爍弧斑線，對靶面燒蝕也集中在該運(yùn)動軌跡上。有人采用變動電磁鐵磁場強(qiáng)度與永磁體組合，或采用可變磁場強(qiáng)度的雙電磁線圈設(shè)計，兩組磁力線拱形相對變動，合成一個不斷變化的拱形，驅(qū)動弧斑隨拱頂橫向位移而擴(kuò)展橫向運(yùn)動范圍，讓靶面燒蝕面積擴(kuò)大趨向均勻些。

現(xiàn)有技術(shù)的電弧源放電特征屬分立電弧放電，弧斑都限制集中在細(xì)小的弧斑線區(qū)內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)烈的放電；相對整個靶面積而言，在同一瞬間弧斑點(diǎn)放電的面積很小很小，其缺點(diǎn)是：(1)即使采用組合磁場擴(kuò)大弧斑運(yùn)動范圍但改善有限，燒蝕面積仍較集中，靶材利用率低；(2)雖然弧斑區(qū)電流密度很高，但總放電面積有限，總放電電流受限制，從而沉積速率受限制；(3)同時，斑弧區(qū)面積小，功率集中，加熱溫度高，導(dǎo)致弧斑點(diǎn)處微熔池面積相對較大，熔液較多，當(dāng)金屬蒸汽猛烈蒸發(fā)時，仍然會夾帶著較多和較大的液滴拋射到空間。

發(fā)明內(nèi)容