一種旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型屬于材料表面改性領域，具體為一種旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置。該裝置的真空室內設置工件臺、靶材，靶材正面與工件臺相對；置于靶材后面的軸向磁場發生裝置套在法蘭或支撐圓筒上，與法蘭或支撐圓筒之間通過絕緣保護；置于真空室外的旋轉橫向磁場發生裝置套在靶材外側的法蘭或支撐圓筒上，與法蘭或支撐圓筒之間通過絕緣保護；置于等離子體傳輸通道的軸向磁場發生裝置套在真空室外側的法蘭或支撐圓筒上，與法蘭或支撐圓筒之間通過絕緣保護。本實用新型通過旋轉橫向磁場控制弧斑的運動，改善弧斑的放電形式，提高弧斑運動速度及靶材表面大顆粒的發射，同時通過軸向磁場約束等離子體傳輸，提高等離子體的密度和利用率。
【專利說明】一種旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于材料表面改性領域，具體為一種旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，用以提高弧斑運動速度，減少靶材表面大顆粒發射，提高薄膜的沉積速率與沉積均勻性。
【背景技術】
[0002]電弧離子作為工業應用最為廣泛的物理氣相沉積(PVD)技術之一，由于其離化率高，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。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使用壽命。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，成為阻礙電弧離子鍍技術更深入廣泛應用的瓶頸問題。而磁過濾技術是在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。
[0003]真空電弧放電實際上是一系列電弧事件，電弧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還沒有確切了解，但為了提高放電過程穩定性及沉積薄膜質量，必須對弧斑運動進行合理的控制。而弧斑的聚集與運動速度過慢是陰極靶材表面產生大顆粒發射的主要原因。目前的電弧離子鍍技術主要是采用在靶材附件施加磁場來控制弧斑的運動，以提高電弧放電穩定性。
[0004]中國專利200810010762.4公開了一種新的電弧離子鍍裝置(多模式可編程調制的旋轉橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置)，通過在靶材附近設置一個多模式可編程調制的旋轉橫向磁場發生裝置，利用該裝置產生的旋轉橫向磁場來改善弧斑的放電形式和工作穩定性，減少靶材表面大顆粒的發射。盡管利用該裝置沉積的薄膜表面大顆粒明顯減少，但是不同位置處薄膜的沉積均勻性仍有待改善。中國專利200710158829.4公開了一種磁場增強的電弧離子鍍沉積工藝，通過設置兩套磁場發生裝置，一套放置于靶材后面，另一個放置于真空室內，通過兩套耦合的磁場發生裝置產生的耦合磁場輔助對基體進行沉積。利用該工藝使得薄膜表面大顆粒明顯減少，薄膜沉積均勻性也有改善，但是在真空室內設置的電磁場線圈在電弧等離子體空間易發生電荷累積及薄膜沉積過程中帶來的高溫烘烤，其穩定性大大降低。因此既要通過磁場控制弧斑運動以減少靶材表面大顆粒發射，又要解決等離子體傳輸過程中的均勻性仍存在一定困難。
實用新型內容
[0005]為了解決以上問題，本實用新型旨在提供一種旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，用以提高弧斑運動速度，減少靶材表面大顆粒發射，提高薄膜的沉積速率與沉積均勻性。
[0006]為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是:
[0007]—種旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，該電弧離子鍍裝置設有靶材、旋轉橫向磁場發生裝置、兩套軸向磁場發生裝置、真空室；真空室內設置工件臺、靶材，靶材正面與工件臺相對；旋轉橫向磁場發生裝置放置于真空室外，套在靶材外側的法蘭或支撐圓筒上，與法蘭或支撐圓筒之間通過絕緣保護；軸向磁場發生裝置一套放置于靶材后面，由放置于靶材后面的電磁線圈組成；軸向磁場發生裝置另一套置于等離子體傳輸通道的真空室外側的法蘭或支撐圓筒上，由電磁線圈組成，與法蘭或支撐圓筒之間通過絕緣保護。
[0008]所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，旋轉橫向磁場發生裝置為采用相差一定均勻角度、相互連接在一起的磁極均勻分布于同一圓周上，磁極數量為4η或者3η，η ^ 1，形成一個整體的電磁回路骨架，勵磁線圈鑲嵌在相鄰磁極之間的插槽間隙內或者套在磁極上，采用相位差為90°的兩相或者相位差為120°的三相勵磁順序供電，在磁極包圍的空間內產生可調的旋轉橫向磁場。
[0009]所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，軸向磁場發生裝置由電磁線圈組成，或者由單個或兩個以上永磁鐵組合磁軛組成；置于靶材后面的軸向磁場發生裝置由電磁線圈組成，并在電磁線圈法蘭或支撐圓筒軸向中心設置鍍鎳純鐵作為鐵芯。
[0010]所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，旋轉橫向磁場發生裝置中，電流的頻率通過變頻器調節，電壓的大小通過調壓器調節，在磁極包圍的空間內、靶面上產生速度可調、強度可調的旋轉橫向磁場，速度通過勵磁電流頻率調節，強度通過勵磁電流大小調節。
[0011]所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，旋轉橫向磁場發生裝置為磁極均勻分布在主體導磁通道上，形成一個整體的電磁回路骨架，骨架采用高導磁率的電工純鐵或者疊加的沖壓硅鋼片制作的骨架；勵磁線圈鑲嵌在相鄰磁極之間的插槽間隙內或者套在磁極上，與磁極個數相同的勵磁線圈安裝在磁極上，形狀和磁場的形狀相同，勵磁線圈與骨架之間通過絕緣保護。
[0012]所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，置于真空室外的旋轉橫向磁場發生裝置套在靶材外側的法蘭或支撐圓筒上，與法蘭或支撐圓筒之間通過絕緣保護；置于等離子體傳輸通道的真空室外側的軸向磁場發生裝置套在法蘭或支撐圓筒上，法蘭或支撐圓筒與真空室之間通過絕緣保護。
[0013]所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，法蘭或支撐圓筒采用不導磁的不銹鋼制作的法蘭或支撐圓筒，法蘭或支撐圓筒為空心結構，所述空心結構通冷卻水進行冷卻；旋轉橫向磁場發生裝置、軸向磁場發生裝置及法蘭或支撐圓筒與靶材之間同軸，旋轉橫向磁場發生裝置在法蘭或支撐圓筒上的位置可調。
[0014]所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，放置于真空室外側的軸向磁場發生裝置產生的磁場極性與放置于祀材后面的軸向磁場發生裝置產生的磁場極性相同，其產生的磁場強度大小通過線圈電流大小調節。
[0015]本實用新型的核心思想是:
[0016]為了有效改善靶材表面大顆粒發射，在靶材后面設置電磁場發生裝置，利用電磁場對弧斑的運動進行控制，并將弧斑限制在靶面上運動；在靶材側面設置旋轉橫向磁場，改善弧斑的放電形式，提高弧斑運動速度；在等離子體束流從陰極靶材表面噴射出來后，即采用磁場與等離子體的交互作用，對等離子體束流進行聚焦與約束，以減少等離子體在傳輸過程中的損失程度，以實現等離子體對基體表面薄膜沉積的均勻性。此外，為了加強離子與基體的良好結合，在基體表面設置脈沖電場，在管壁施加脈沖負偏壓對正離子進行加速，以保證薄膜與基體的良好結合。
[0017]本實用新型的有益效果是:
[0018]1、本實用新型采用三套磁場發生裝置產生的耦合磁場，減少了靶材表面大顆粒的發射和薄膜表面大顆粒的數量，提高了薄膜質量。同時還解決了傳統工藝中等離子體傳輸過程的不均勻性，提高了薄膜的沉積速率和沉積均勻性。
[0019]2、本實用新型中放置于靶材后面的磁場發生裝置產生的磁場可以控制弧斑的運動速度，提高靶面橫向磁場分量的大小，將弧斑限制在靶面上運行，減少靶材表面大顆粒的發射，并通過改變線圈電流的形式如交流電，可以使弧斑在整個靶面上均勻運行，提高靶材利用率。
[0020]3、本實用新型中放置于靶材側面的旋轉橫向磁場發生裝置產生的旋轉橫向磁場，可以改善弧斑的放電形式與工作穩定性，控制弧斑的運動軌跡和速度，提高靶材刻蝕的均勻性和靶材利用率，減少靶材表面大顆粒的發射。
[0021]4、本實用新型中放置于真空室外側的磁場發生裝置，可以在等離子體從靶面噴射出來后即進行聚焦約束，減少等離子體沉積到真空室壁的損失，提高等離子體密度與空間分布均勻性，進而提高薄膜沉積速率及沉積均勻性。
[0022]5、本實用新型中三套磁場的耦合使用，可以改善弧斑的運動軌跡和速度，控制等離子體在傳輸過程中的空間分布。通過調節放置于真空室外側的磁場發生裝置產生的軸向磁場大小，可以改變基體處離子的密度及分布，提高薄膜沉積速率和沉積均勻性，進而控制薄膜質量及性能。
[0023]6、本實用新型的磁控電弧離子鍍復合沉積工藝配合在基體上施加脈沖偏壓使用，可以擴大工藝參數的調節范圍，為制備不同性能的薄膜提供保障。同時，可以通過優化工藝參數達到制備高質量薄膜的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是本實用新型的采用旋轉橫向磁場耦合均勻軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置。圖中:1真空室，2等離子體約束軸向磁場發生裝置支撐圓筒，3等離子體約束軸向磁場發生裝置，4靶材，5引弧針，6螺栓，7旋轉橫向磁場發生裝置，8旋轉橫向磁場支撐圓筒，9引弧線圈，10出水管，11進水管，12弧斑約束軸向磁場發生裝置，13弧斑約束軸向磁場發生裝置支撐圓筒，14鍍鎳純鐵，15脈沖偏壓電源，16工件，17工件臺。
[0025]圖2是本實用新型的采用旋轉橫向磁場耦合梯度軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，其中梯度磁場由兩個以上電磁線圈組成，磁場強度分別調整，且其大小沿著等離子體束流方向逐漸減小。圖中:1真空室，2等離子體約束軸向磁場發生裝置支撐圓筒，3等離子體約束軸向磁場發生裝置，4祀材,5引弧針,6螺栓,7旋轉橫向磁場發生裝置，8旋轉橫向磁場支撐圓筒，9引弧線圈，10出水管，11進水管，12弧斑約束軸向磁場發生裝置，13弧斑約束軸向磁場發生裝置支撐圓筒，14鍍鎳純鐵，15脈沖偏壓電源，16工件，17工件臺。
[0026]圖3是實施例3采用三相六磁極的旋轉橫向磁場發生裝置結構示意圖。
[0027]圖4 (a) - (f)是實施例3采用的旋轉橫向磁場發生裝置在半個電流周期內不同時刻的瞬態磁場分布模擬圖，t為時間，T為電流周期。其中，
【權利要求】
1.一種旋轉橫向磁場I禹合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，其特征在于，該電弧離子鍍裝置設有靶材、旋轉橫向磁場發生裝置、兩套軸向磁場發生裝置、真空室；真空室內設置工件臺、靶材，靶材正面與工件臺相對；旋轉橫向磁場發生裝置放置于真空室外，套在靶材外側的法蘭或支撐圓筒上，與法蘭或支撐圓筒之間通過絕緣保護；軸向磁場發生裝置一套放置于靶材后面，由放置于靶材后面的電磁線圈組成；軸向磁場發生裝置另一套置于等離子體傳輸通道的真空室外側的法蘭或支撐圓筒上，由電磁線圈組成，與法蘭或支撐圓筒之間通過絕緣保護。
2.按照權利要求1所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，其特征在于:旋轉橫向磁場發生裝置為采用相差一定均勻角度、相互連接在一起的磁極均勻分布于同一圓周上，磁極數量為4n或者3η，η > 1，形成一個整體的電磁回路骨架，勵磁線圈鑲嵌在相鄰磁極之間的插槽間隙內或者套在磁極上，采用相位差為90°的兩相或者相位差為120°的三相勵磁順序供電，在磁極包圍的空間內產生可調的旋轉橫向磁場。
3.按照權利要求1所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，其特征在于:軸向磁場發生裝置由電磁線圈組成，或者由單個或兩個以上永磁鐵組合磁軛組成；置于靶材后面的軸向磁場發生裝置由電磁線圈組成，并在電磁線圈法蘭或支撐圓筒軸向中心設置鍍鎳純鐵作為鐵芯。
4.按照權利要求2所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，其特征在于:旋轉橫向磁場發生裝置中，電流的頻率通過變頻器調節，電壓的大小通過調壓器調節，在磁極包圍的空間內、靶面上產生速度可調、強度可調的旋轉橫向磁場，速度通過勵磁電流頻率調節，強度通過勵磁電流大小調節。
5.按照權利要求2所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，其特征在于:旋轉橫向磁場發生裝置為磁極均勻分布在主體導磁通道上，形成一個整體的電磁回路骨架，骨架采用高導磁率的電工純鐵或者疊加的沖壓硅鋼片制作的骨架；勵磁線圈鑲嵌在相鄰磁極之間的插槽間隙內或者套在磁極上，與磁極個數相同的勵磁線圈安裝在磁極上，形狀和磁場的形狀相同，勵磁線圈與骨架之間通過絕緣保護。
6.按照權利要求1所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，其特征在于:置于真空室外的旋轉橫向磁場發生裝置套在靶材外側的法蘭或支撐圓筒上，與法蘭或支撐圓筒之間通過絕緣保護；置于等離子體傳輸通道的真空室外側的軸向磁場發生裝置套在法蘭或支撐圓筒上，法蘭或支撐圓筒與真空室之間通過絕緣保護。
7.按照權利要求6所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，其特征在于:法蘭或支撐圓筒采用不導磁的不銹鋼制作的法蘭或支撐圓筒，法蘭或支撐圓筒為空心結構，所述空心結構通冷卻水進行冷卻；旋轉橫向磁場發生裝置、軸向磁場發生裝置及法蘭或支撐圓筒與靶材之間同軸，旋轉橫向磁場發生裝置在法蘭或支撐圓筒上的位置可調。
8.按照權利要求1所述的旋轉橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，其特征在于:放置于真空室外側的軸向磁場發生裝置產生的磁場極性與放置于靶材后面的軸向磁場發生裝置產生的磁場極性相同，其產生的磁場強度大小通過線圈電流大小調節。
【文檔編號】C23C14/35GK203569181SQ201320765133
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年11月28日 優先權日:2013年11月28日
【發明者】趙彥輝, 肖金泉, 于寶海 申請人:中國科學院金屬研究所