专利名称：磁约束电弧汽相淀积的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及电弧汽相淀积技术领域。
电弧产生的等离子体所具有的能量，通常远远大于由电阻或感应加热或电子、离子轰击涂层材料等，物理汽相淀积方法产生的等离子体所具有的能量。因此电弧汽相淀积的方法，目前被广泛地应用。
GB2127043A，用于涂层的等离子体电弧装置(PLASMAARCAPPARAYUSFORAPPLYINGCOATINGS)以下称对比文件A。
对比文件A叙述的装置是1.直流电源用于建立并维持阴极与阳极之间的电弧;
2.由非磁性金属材料制成圆筒形阳极室，阴极的横截面与圆筒相似呈圆环形，阴极的侧表面面对阳极作为蒸发表面，该侧表面的宽度小于阳极的长度，阳极与阴极同轴放置;
3.触发电极可与阴极接触激发电弧;
4.阴极中心留有一定的空间用于放置基片;
5.基片施加一定的偏压，使离子可轰击到基片;
6.在阳极的外面装有磁系统，其磁场为静止的，使工作室内的带电粒子背离阳极表面转向基片方向。
上述装置可由多个同轴排列的阴极组成。
对比文件A中的阴极宽度小于阳极的长度，如果阴极宽度＞0.5倍的阳极的长度，则位于阴极中心的基片将被阴极包围，而很难得到离子地轰击，因此对比文件A中所述的阴极宽度小于阳极的长度其上限值为阳极长度的0.5倍，可见当＞0.5倍时对比文件A中所述的设备将失去实用性。对比文件A中提出阴极宽度为阳极的长度的0.05～0.5倍，当阴极的形状象对比文件A附图中所示呈圆环形，如果当基片所占空间大于阴极所占的空间，由于离子淀积是按一定的分布几率涂在基片上，在电磁场的作用下离子按最近的路径着落在基片上，所以涂层是不均匀的，为了解决这个不足之处，文件A提出了多个同轴排列的阴极系统，但没有根本改变基片均匀涂层问题，反而设备复杂化了。如果按对比文件A中所述的基片置于阴极中心，则基片所占据的空间相对于阴极与阳极之间的空间是狭小的，要解决上述不足之处，就必需把基片置于阴极和阳极之间，使阴极为柱形其长度基本与阳极相等，这样可围绕阴极的周围放置基片，充分利用阳极和阴极之间的空间，关于这方面的内容在与本说明书同期申请的发明专利文件中进行了叙述。
我们所关心的是当阴极为柱形其长度与阳极基本相等，并同轴放置时，虽然也能采用对比文件A中的磁场系统套在阳极外壁上来约束弧斑的运动，但这种约束不能人为的控制弧斑的运动，随时可能产生熄弧，或弧斑固定在一处刻蚀阴极，其后果是降低阴极的寿命，还使基片上的镀层不均匀。
本发明的目的是使作为涂层材料的阴极刻蚀均匀;工作室内放电稳定;基片镀膜均匀。
一种在真空室内利用阴极靶和阳极之间产生的电弧所形成的等离子体在基片表面进行汽相淀积的方法(1)建立阳极和阴极之间的电位差和电回路，并可维持阳极和阴极之间的电弧放电;
(2)阳极呈筒状或钟罩形，阴极呈柱形，阳极以阴极为轴，阳极和阴极按轴对称设置;
(3)用触发器激发阳极和阴极之间的电弧;
(4)基片置于阳极和阴极之间;
(5)基片施加的电位相对于阳极的电位为负值并可调来控制轰击到基片上的离子能量;
其特征是(6)在阳极和阴极之间的空间区域内，施加一个沿阴极柱面上下往复运动的磁场，运动的磁场的主方向与阴极柱轴平行、强度调整到可约束弧斑的运动。
(7)在阴极两端柱面的空间区域上施加一个与沿阴极柱面上下往复运动的磁场的主方向相反、强度略强的恒定磁场，并在恒定磁场有效区域内距离柱形阴极终端，以恒定磁场有效区域边境为起点大于二分之一的位置上设置阻挡壁，限制弧斑移到恒定磁场的磁场最强处。
上述的触发器是指触发电极[23]和使触发电极[23]和阴极[7]可接触的电磁驱动器[24]这两个而言。
本发明的方法是基于磁场对等离子体具有约束能力的原理，在磁场的作用下，弧斑可围绕柱形阴极的表面高速旋转，同时移动永久磁铁或电磁铁[4]，使磁场可在柱形阴极表面上下往复运动，于是弧斑在阴极表面的运动轨迹呈螺旋线形上下运动，如图1所示。这样可均匀地刻蚀作为涂层材料的阴极表面，这时离子将上下往复地对基片表面进行轰击，当基片自转则镀膜的均匀度更好。在柱形阴极的两端，阴极与阳极的距离最近，弧斑容易滞留在阴极的两端而不随磁场一起移动或出现熄弧。为了解决这一问题，本发明的方法是在阴极两端处施加了恒定磁场和阻挡壁，使弧斑接近阴极两端时，受到阻挡壁限制，同时由于恒定磁场的方向与运动的磁场最大值处的方向相反，使弧斑受到排斥力的作用，阻止弧斑挣脱运动的磁场约束，使工作室内放电稳定。本发明对磁场的要求，首先是能够有效地将弧斑束缚在运动的磁场范围之内，使其在绕柱形阴极旋转的同时随该磁场一起沿阴极表面上下往复运动;其二，在运动的磁场范围以外的弧斑能够顺利地过渡到运动的磁场范围内并随该磁场一起运动;其三，磁场强度不能过强，过强的磁场会造成启弧困难。
一种具有实施本发明的方法而构制和设置的部件的电弧汽相淀积设备，柱形阴极为空心柱体，其特征是传动轴[13]牵引着柱状永久磁铁或螺旋管电磁铁沿阴极的内壁[34]上下移动来产生运动的磁场，在阴极两端内壁中分别放置柱状永久磁铁或螺旋管电磁铁来产生恒定磁场，阻挡壁用非磁性材料制成环形片[18]、[27]分别装配在恒定磁场有效区域内距离柱形阴极终端，以恒定磁场有效区域边境为起点的三分之二的位置上，限制弧斑移到恒定磁场的磁场最强处。
根据本发明所述的设备，其中运动的磁场是由传动轴[13]牵引着一块柱状永久磁铁或一组螺旋管电磁铁沿阴极的内壁[34]上下移动来产生磁场分布[8];或由传动轴[13]牵引着三块柱状永久磁铁或三组螺旋管电磁铁沿阴极的内壁[34]上下移动来产生磁场分布[9];或由传动轴[13]牵引着五块柱状永久磁铁或五组螺旋管电磁铁沿阴极的内壁[34]上下移动来产生磁场分布[10]。可见这些磁场分布是在阴极表面上整体上下往复运动，这也就是所述的“运动的磁场”含义。
根据本发明所述的设备，其中恒定磁场是在阴极两端内壁中分别放置一块柱状永久磁铁或一组螺旋管电磁铁来产生磁场分布[11]。这种“恒定磁场”在阴极两端表面上是固定的。
这里所述的柱状永久磁铁的形状应包括圆盘形、环形;螺旋管电磁铁应包括无铁心的螺旋管。
本发明的方法和设备，与对比文件A相比，由于阴极为柱形，基片从阴极中心迁移到阳极和阴极之间，因此本发明所述的设备中放置基片的数量是对比文件A中同等工作室容积的数倍是可以理解的、效果是积极的。本发明提出的磁约束电弧汽相淀积的方法中所述的磁场分布可对柱形阴极的表面刻蚀均匀，这是由于弧斑的运动轨迹在阴极柱表面上按螺旋线上下往复刻蚀阴极表面，与此同时离子对基片也是上下往复地进行涂层，实现镀膜均匀;由于在阴极两端处施加了排斥磁场和阻挡壁使得工作室放电稳定，保证了本发明的实用性。另外弧斑在磁场的约束下将围绕柱形阴极高速放置，可细化大颗粒提高镀膜的质量，这是人们所希望的。本发明的设备是简单的，对比文件A中的磁场是套在阳极外壁上的线圈来产生的，该线圈与本发明所述的螺旋管电磁铁相比是庞大的;如果与柱状永久磁铁相比不仅庞大，而且还要消耗能量，可见本发明采用永久磁铁材料作为磁源是一种物美价廉、简单易行、积极有效的方式。
首先，我们把附图中的标号说明如下[1]弧斑在柱形阴极表面上的运动轨迹[2]磁力线[3]弧斑[4]永久磁铁或电磁铁[5]等离子体运动的方向[6]永久磁铁或电磁铁运动的方向[7]柱形阴极[8]～[11]沿柱形阴极表面的磁场分布
(磁场的方向与阴极柱轴平行)[12]冷却水[13]传动轴[14]传动轴套[15]进气孔[16]基片[17]冷却系统[18]下阻挡壁环形片[19]支撑环[20]绝缘密封垫[21]基片架[22]抽气孔[23]触发电极[24]使触发电极与阴极可接触的电磁驱动器[25]、[26]绝缘密封垫[27]上阻挡壁环形片[28]阳极(形状为钟罩形)[29]屏蔽环[30]绝缘密封垫[31]、[32]法兰[33]支撑环[34]空心柱形阴极内壁[35]在阴极下端产生恒定磁场的永久磁铁[36]～[40]产生运动磁场的永久磁铁 在阴极上端产生恒定磁场的永久磁铁[42]密封环图1在磁场的作用下柱形阴极表面上的弧斑及等离子体的运动示意图。
图2～图5沿阴极柱表面的磁场分布。
图2～4的磁场分布系指运动的磁场，图5的磁场分布系指恒定的磁场，其磁场的方向与柱形阴极的轴平行，图中所见的钟形为磁场的正方向，倒置的钟形为磁场的负方向，这是人为的定义，反之也可以，只是改变弧斑的旋转方向。图2～5中座标上所示的标度是按图6所示的实施例设备实测绘制的。本发明的方法中所述的磁场性质不限于图2～5所示的磁场分布。
图6柱形阴极磁约束电弧汽相淀积设备示意图。
图7空心柱形阴极内磁源构制示意图。
根据本发明的方法中所述运动的磁场性质，一种施实例是沿阴极柱表面的磁场强度分布[8]为钟形，如图2。另一种施实例是沿阴极柱表面的磁场强度分布[9]为中心部分为钟形，两边部分的磁场主方向与中心部分的磁场主方向相反、强度小于中心部分的磁场、形状为倒置的钟形，如图3。最佳的施实例是沿阴极柱表面的磁场强度分布[10]为中心部分为钟形，两边部分先是磁场的主方向与中心部分的磁场主方向相反、强度小于中心部分的磁场、形状为倒置的钟形，接着是磁场的主方向与中心部分的磁场主方向相同、强度小于中心部分的磁场、形状为钟形，如图4。
根据本发明的方法中所述的恒定磁场性质，一种施实例是磁场分布[11]为倒置的钟形，强度略强于运动的磁场，如图5。
根据本发明所述的方法及设备，一种实施例，如图6所示，钟罩形阳极[28]高540mm、直径450mm，空心圆柱形阴极[7]长480mm、外径60mm、内径45mm，阳极和阴极按轴对称放置。在阴极内由五块直径为40mm的环形永久磁铁[36]～[40]组成一起，如图7所示，构成磁场分布[10]，如图4所示，其磁场强度的最大值为23mT，永久磁铁[36]～[40]由传动轴[13]牵引沿阴极的内壁上下往复运动;在阴极两端内壁中各放置环形永久磁铁[35]、[41]构成恒定磁场，形成磁场分布[11]，如图5所示，其磁场强度的最大值为30mT。这里所使用的环形永久磁铁是为了使传动轴[13]在该磁铁中心串过。如果在阴极内由一块环形永久磁铁形成磁场分布[8]，如图2所示，其磁场强度的最大值为23mT;或由三块环形永久磁铁形成磁场分布[9]，如图3所示，其磁场强度的最大值为23mT，也是可以的，但这两种磁场分布的效果不如磁场分布[10]。环形片[18]、[27]用非导磁材料制成，把它放置在磁场分布[11]有效区域内，距离阴极终端以该磁场的有效区域边境为起点的三分之二的位置上，限制弧斑移到该磁场的最强处。本设备要安装冷却系统，保证阳极和阴极不能过热。阳极[28]和阴极[7]之间施加一个直流电源，电压30V、可提供电流200A，触发电极[23]与阴极[7]之间施加一个直流电源，启动电磁驱动器[24]可激发阳极与阴极之间的电弧。基片位于阳极[28]和阴极[7]之间的基片架[21]上，基片架[21]上施加的电位相对于阳极[28]的电位为负值并可调，基片与基片架电位相同，这样可控制轰击到基片上的离子能量。基片架[21]可以是自转或固定不动的，这取决于基片的镀膜要求。进行镀膜时首先将工作室的真空度抽至0.01Pa以上。如果制备TiN，阴极[7]为Ti材料，工作室充入氮气体，其压强为0.1～1Pa，由触发电极[23]在阴极[7]上激发电弧放电，与此同时传动轴[13]牵引着永久磁铁[36]～[40]上下往复运动，由于运动的磁场存在，电弧围绕阴极[7]旋转并沿阴极[7]表面均匀地上下往复运动，这时调节基片架[21]上的偏压，可吸引离子轰击到基片上。这样就实现本发明所述的磁约束电弧汽相淀积。
本说明书和权利要求书中所述的基片系指工件。
权利要求
1.一种在真空室内利用阴极靶和阳极之间产生的电弧所形成的等离子体在基片表面进行汽相淀积的方法(1)建立阳极和阴极之间的电位差和电回路，并可维持阳极和阴极之间的电弧放电；(2)阳极呈筒状或钟罩形，阴极呈柱形，阳极以阴极为轴，阳极和阴极按轴对称设置；(3)用触发器激发阳极和阴极之间的电弧；(4)基片置于阳极和阴极之间；(5)基片施加的电位相对于阳极的电位为负值并可调来控制轰击到基片上的离子能量；其特征是(6)在阳极和阴极之间的空间区域内，施加一个沿阴极柱面上下往复运动的磁场，运动的磁场的主方向与阴极柱轴平行、强度调整到可约束弧斑的运动。(7)在阴极两端柱面的空间区域上施加一个与沿阴极柱面上下往复运动的磁场的主方向相反、强度略强的恒定磁场，并在恒定磁场有效区域内距离柱形阴极终端，以恒定磁场有效区域边境为起点大于二分之一的位置上设置阻挡壁，限制弧斑移到恒定磁场的磁场最强处。
2.根据权利要求1所述的沿阴极柱面上下往复运动的磁场，其特征是沿阴极柱表面的磁场强度分布[8]为钟形。
3.根据权利要求1所述的沿阴极柱面上下往复运动的磁场，其特征是沿阴极柱表面的磁场强度分布[9]为中心部分为钟形，两边部分的磁场主方向与中心部分的磁场主方向相反、强度小于中心部分的磁场、形状为倒置的钟形。
4.根据权利要求1所述的沿阴极柱面上下往复运动的磁场，其特征是沿阴极柱表面的磁场强度分布[10]为中心部分为钟形，两边部分先是磁场的主方向与中心部分的磁场主方向相反、强度小于中心部分的磁场、形状为倒置的钟形，接着是磁场的主方向与中心部分的磁场主方向相同、强度小于中心部分的磁场、形状为钟形。
5.根据权利要求1所述的在阴极两端柱面的空间区域上施加一个与沿阴极柱面上下往复运动的磁场的主方向相反、强度略强的恒定磁场，其特征是该磁场分布[11]为倒置的钟形。
6.根据权利要求1所述的阻挡壁位置，其特征是在恒定磁场有效区域内距离柱形阴极终端，以恒定磁场有效区域边境为起点的三分之二的位置上设置。
7.一种具有实施权利要求1方法而构制和设置的部件的电弧汽相淀积设备，柱形阴极为空心柱体，其特征是传动轴[13]牵引着柱状永久磁铁或螺旋管电磁铁沿阴极的内壁[34]上下移动来产生运动的磁场，在阴极两端内壁中分别放置柱状永久磁铁或螺旋管电磁铁来产生恒定磁场，阻挡壁用非磁性材料制成环形片[18]、[27]分别装配在权利要求6所述的位置上。
8.根据权利要求7所述的运动的磁场，其特征是由传动轴[13]牵引着一块柱状永久磁铁或一组螺旋管电磁铁沿阴极的内壁[34]上下移动来产生的;或由传动轴[13]牵引着三块柱状永久磁铁或三组螺旋管电磁铁沿阴极的内壁[34]上下移动来产生的;或由传动轴[13]牵引着五块柱状永久磁铁或五组螺旋管电磁铁沿阴极的内壁[34]上下移动来产生的。
9.根据权利要求7所述的恒定磁场，其特征是在阴极两端内壁中分别放置一块柱状永久磁铁或一组螺旋管电磁铁来产生的。
全文摘要
磁约束电弧汽相淀积的方法和设备涉及电弧汽相淀积技术领域。本发明解决了阴极刻蚀均匀；工作室内放电稳定；基片镀膜均匀的技术问题。本发明的主要技术特征是阳极呈筒状或钟罩形，阴极呈柱形，它们之间同轴放置，长度基本一致，基片位于阳极和阴极之间，在阳极和阴极之间的区城内施加一运动的磁场，用来约束和移动阴极表面上的弧斑，为了防止息弧，在阴极两端处施加了一个恒定磁场和阻挡壁。这种方法和设备可用于TiN膜的制备，也可用于制备其它膜。
文档编号C23C14/32GK1069776SQ91105729
公开日1993年3月10日 申请日期1991年8月21日 优先权日1991年8月21日
发明者刘维一 申请人:南开大学