一种改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置的制作方法

专利名称：一种改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及薄膜制备领域，具体地说是一种改善电弧离子镀沉积工艺的 动态磁控弧源装置。
背景技术：
电弧离子镀是工业鄉莫生产以及科学研究中最重要的技术之一，由于其结构
和工艺简单，离化率高(70%-80%)，入射粒子能量高，绕射性好，可实现低温 沉积等一系列优点，使电弧离子镀技术得到快速发展并获得广泛应用，展示出很 大的经济效益和工业应用前景。
电弧离子镀是基于气体放电等离子体物理气相沉积原理的镀膜技术。这种技 术依靠在真空镀膜室中阴极靶材表面上产生的电弧斑点的局部高温，使作为靶材 的阴极材料瞬时蒸发和离化，产生电离度高而且离子能量大的等离子体，在工件 上加上负电位，即可在工件加热温度比较低的条件下，在工件表面镀上一层硬度 高、组织致密而且结合性好的各种硬质薄膜。
电弧离子镀所用的弧源结构是冷阴极弧源，电弧的行为被阴极表面许多快速 游动，高度明亮的阴极斑点所控制，阴极斑点的运动对电弧等离子体的物理特性 以及随后的働莫特性有很大的影响。真空弧光放电实际上是一系列电弧事件，由 于其快速地连续发生，以至于给人运动电弧的印象，阴极斑点及弧根的运动决定 了整个电弧的运动，相邻弧斑的次第燃起和熄灭构成了弧斑的运动。尽管对弧斑 内部结构的过程还没有确切的了解，但是为了更好的提高沉积薄膜的质量和有效 的利用靶材，提高放电稳定性，必须对弧斑的运动进行合理的控制。
由于真空电弧的物理特性，夕卜加电磁场是控制弧斑运动的有效方法，不同磁 场分量对弧斑的运动影响规律不同，当施加平行于阴极靶面的磁场时(横向磁场， 磁感应强度B,见图l(a))，电弧斑点做逆安培力的反向运动(Retrogrademotion), 也就是运动方向和电流力的方向相反(-IxB),见图l(b)。弧斑的运动速度和横向 磁场的强度成抛物线关系，因此可以用来提高弧斑的运动速度。当磁场与阴极表 面相交呈一定角度e的时候(尖角磁场，磁感应强度B,见图l(c)),则电弧斑点17在反向运动上还叠加一个漂移运动(Robson drift),漂移运动的方向指向磁力 线与阴极靶面所夹的锐角0b区域，这就是锐角法则(Acute angle principle),见图 l(d);图l(d)中，OR代表弧斑运动的方向和磁力线与靶面相交线之间的夹角，eB %。锐角法则可以用来限制弧斑的运动方向，控制弧斑在靶面上的出现的位置, 此法则对弧斑运动的控制、靶材刻蚀得均勻性非常重要。上述规律是磁场对弧斑 运动影响的 规律，也是磁场设计必须考虑的规律。
目前的电弧离子镀技术中靶材附近施加的磁场主要有在小尺寸圆柱靶下加轴 向磁场，如CN89200444.4、 US3,793,179、 US3,625,878等，大的平面乾施加拱形 磁场，如CN1157335A,以及俄罗斯弧源结构中的淹没整个乾材的纵向约東磁场。 这些在靶面附近施加的具有一定位形的磁场虽然可以有效地控制弧斑在耙面的运 动，但是根据上述不同磁场分量对弧斑的运动影响规律，弧斑在轴向磁场和拱形 磁场下的运动会被限制在靶面上一定范围内，长时间的刻蚀会在靶面形成明显的 刻蚀轨道，不利于靶材刻蚀均匀，造成了靶材浪费。而俄罗斯弧源中的磁场结构 虽然可以使弧斑在整个耙面刻蚀，有效的利用靶材，但是整个弧源结构复杂，操 作麻烦，靶材特殊的形状使得靶材加工困难，成本高，而且乾材尺寸小，综合利 用率低。由于这些控制弧斑运动的磁场都是静态的，因此很难突破相互之间影响 的限制。
Ramalingam在专利WO8503954和US4,673,477中提出了 一种动态的磁场设 计思路，可以实现弧斑在结构简单的大面积靶材上的均匀刻蚀，这种方法是靠永 磁体在耙背后的析械转动来改变磁场在乾面的分布，从而影响弧斑在乾面的刻蚀 位置的。但是这种方法需要增加一套复杂的机械控制机构，而且涉及到密封、冷 却等诸多问题，因此难以推广应用。但是这种动态的磁场设计思路值得思考和借 鉴。

实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种新型的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控 弧源装置，用以改善电弧离子镀阴极弧斑的放电形式和工作稳定性，控制弧斑的 运动轨迹，提高靶材刻蚀均勻性和靶材利用率，减少靶材大颗粒的发射，用以制 备高质量的薄膜。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是
一种改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置，所述动态磁控弧源装置 设有动态控制磁场发生装置、靶材、靶材底座，靶材安装于靶材底座上，动态控制磁场发生装置为主控磁场发生装置和辅助磁场发生装置构成，主控磁场发生装 置放置于靶材后面，和靶材同轴放置，辅助磁场发生装置套在主控磁场发生装置 周围。
所述主控磁场发生装置为电磁线圈和磁轭构成，磁轭由外周的导磁简和中心 的导磁柱构成，导磁简和导磁柱的下端由同样的导磁材料连接或者做成一体的， 磁轭上端保持开口；电磁线圈套在磁轭中心的磁柱上，放置于导磁简和导磁柱中 间的空隙位置。
所述主控磁场发生装置中的电磁线圈和磁轭的形状是圆的或者方的，磁轭中 的导磁简和导磁柱以及线圈的形状保持一致，三者同轴。
所述主控磁场发生装置中的线圈的内径略大于导磁柱的直径，外径略小于导 磁简的内径，线圈的高度低于磁轭的高度。
所述主控磁场发生装置中的电磁线圈由漆包线绕制在线圈骨架上，线圈内外 通过绝缘保护，磁轭由高磁导率的镀镍纯铁或者其他材料制作。
所述主控磁场发生装置中的导磁简和导磁柱顶端是平的或者有斜面；导磁简 和导磁柱顶端是斜面时，导磁柱顶端的斜面为轴对称上窄下宽的凸台状，导磁简 顶端的斜面与导磁柱顶端的斜面对称，磁轭的斜面呈W形。
所述辅助磁场发生装置套在主控磁场发生装置中的导磁简的外周或者靶材底 座的靶材底柱外周，和主控磁场发生装置或者靶材底柱同轴，辅助磁场发生装置 与主控磁场发生装置或者靶材底柱之间通过绝缘保护，辅助磁场发生装置的位置 可调。
所述辅助磁场发生装置形状和主控磁场发生装置一致，由漆包线绕制的电磁 线圈组成。
所述主控磁场发生装置与辅助磁场发生装置中的线圈单独调节或者共同调 节，两者之间通反向电流；通过调节主控磁场发生装置与辅助磁场发生装置中线 圈电流大小调节动态磁场的强度，线圈的电流形式是直流、交流或者脉冲的，可 实现对弧斑的多种控制方式。
所述靶材直接水冷或者间接水冷，直接水冷的主控磁场发生装置放在靶材底 柱圆简之间冷却水中或者冷却水通道外靶材底柱圆简之间，间接水冷的主控磁场 发生装置放在冷却水通道外底柱圆简之间。
本实用新型的技术原理是
如图2所示，根据不同磁场分量对弧斑运动的影响规律，如果在靶面上形成一定曲率的拱形磁场15,在一定的磁场强度下可以将弧斑约東在拱形区域内，弧 斑优先刻蚀的地方是靶面纵向磁场为零，横向磁场最大的位置，也就是拱形的顶 点位置，在这种磁场位形下弧斑将约束在以这个位置为中心的附近的区域运动， 形成比较窄的固定刻蚀轨道16。如果能够合理的调节拱形磁场在靶面的位置，改 变其顶点(纵向磁场为零，横向磁场最大)的位置，使其动态的在整个乾面上移 动，而不再是固定在特定的位置不变，那么弧斑将会随着磁场的动态变化而在整 个乾面上不同的位置出现，而不是限制在特定的区域，从而实现耙材的均勻刻蚀， 在靶材1上形成均句的刻蚀轨道。
本实用新型动态控制磁场由两组磁场发生装置组成，主控磁场发生装置和辅 助磁场发生装置。主控磁场发生装置放置于靶材后面，和靶材同轴放置，主要用 以产生约束弧斑运动范围的拱形磁场。辅助磁场发生装置套在主控磁场发生装置 周围，主要用于调节拱形磁场的位形，改变靶面上磁场横向分量最大值和纵向分 量为零的位置，从而调节弧斑在靶面上的刻蚀区域。两组磁场发生装置配合使用， 在靶面上形成动态分布的拱形磁场，达到改善弧斑的放电形式和工作稳定性，控 制弧斑的运动轨迹，提高乾材刻蚀均句性和乾材禾拥率，减少靶材大颗粒的发射， 用以制备高质量的薄膜的目的。
本实用新型具有以下优点
1. 本实用新型通过主控磁场发生装置与辅助磁场发生装置产生的动态可调耦 合磁场，实现了对弧斑运动的动态控制，达到改善电弧离子镀阴极弧斑的放电形 式和工作稳定性，控制弧斑的运动轨迹，提高靶材刻蚀均匀性和乾材利用率，减 少靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜的目的。
2. 本实用新型中主控磁场通直流电，辅助磁场通不同形式和大小的反向电流， 可以实现对弧斑的多种控制方式，适应不同的条件和需要。
3. 本实用新型中两组磁场发生装置的耦合使用，不仅可以改变磁场的分布， 控制弧斑的运动轨迹，同时可以调节磁场的大小，控制弧斑的运动速度。
4. 本实用新型中两组磁场发生装置调节方便，操作简单，只需改变两者之间 的电流比就可以实现对弧斑的有效控制，满足工业生产以及科研中人性化操作的 要求。
5. 本实用新型中主控磁场发生装置中的线圈和磁轭独立制作，装卸容易，可 单独更换；辅助磁场发生装置线圈位置可调，也可以单独更换。
6. 本实用新型中磁场发生装置制作简单，调节范围大，成本低，易于推广。

图1 (a)-图1 (d)是不同磁场分量对弧斑运动的影响示意图。其中，图1 (a)为施加平行于阴极靶面的横向磁场；图1 (b)为横向磁场对弧斑的运动的 影响(反向运动)；图1 (c)为施加与阴极表面相交呈一定角度尖角磁场；图1 (d) 为尖角磁场对弧斑的运动的影响(尖角法则)。
图2为拱形磁场下弧斑的运动规律示意图。
图3是实施例1改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置示意图。
图4是实施例1辅助磁场发生装置线圈与主控磁场发生装置线圈的不同"电流
x匝数"比下磁力线的位形变化图。
图5是实施例2可调节静态磁控的电弧离子镀弧源装置示意图。
图6是实施例2不同磁场条件下弧斑的运动轨迹示意图。
图7是实施例3改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置示意图。
图8(a)-图8(b)是实施例3不同磁场条件下弧斑的运动轨迹示意图；其中，图
8(a)是指辅助磁场发生装置的交流电从小到大变化弧斑的螺旋扩展运动轨迹；图
8(b)是指辅助磁场发生装置的交流电从大到小变化弧斑的螺旋收缩运动轨迹。 图9(a)-图9 (d)是实施例1不同靶材厚度下、不同"电流x匝数"比下纵向磁场
分量的大小分布图，零点位置为刻蚀轨道位置；其中，图9(a)是指靶材的厚度为
lcm;图9 (b)是指靶材的厚度为2cm;图9 (c)是指靶材的厚度为3cm;图9 (d)
是指靶材的厚度为4cm。
图10(a)-图10 (b)是实施例1同一"电流x匝数"比下、不同厚度靶材表面的横
向磁场分量大小分布图；其中，图10问是"电流><匝数"比为-0.5;图10(b)是指"电
流x匝数"比为-1.5。
图11是实施例1-实施例3同一"电流x匝数"比下、不同磁轭结构的磁场位形 分布图。
图12是实施例1-实施例3同一"电流x匝数"比不同磁轭结构下相同厚度靶材 表面的纵向磁场大小分布图。
图中，l靶材；2耙材底座；3靶材底柱；4绝缘环；5磁轭；6主控磁场发生 装置线圈；7进水口； 8出水口； 9引弧线圈；IO引弧针；11辅助磁场发生装置 线圈；12屏蔽罩；13螺栓；14动态磁力线；15拱形磁场；16固定刻蚀轨道；17 电弧斑点；18静态磁力线；19导磁柱；20导磁简；21绝缘薄板；22位置变化的 圆形刻蚀轨道；23动态螺旋刻蚀轨道。
具体实施方式

本实用新型的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置主要包括动态控 制磁场发生装置、靶材、靶材底座，靶材安装于靶材底座上，动态控制磁场发生
装置的主要结构如下
1. 本实用新型放置于靶材后面的主控磁场发生装置由两部分组成，电磁线圈 和磁轭。磁轭由外周的导磁简和中心的导磁柱组成，导磁简和导磁柱的下端由同 样的导磁材料连接或者做成一体的，上端保持开口。电磁线圈套在磁轭中心的磁 柱上，放置于导磁简和导磁柱中间的空隙位置。通过调节线圈电流的大小来调节 磁感应强度的大小，通过调节电流的方向来改变磁极的方向。
2. 本实用新型主控磁场发生装置中的电磁线圈和磁轭的形状是圆的或者方 的，磁轭中的导磁简和导磁柱以及线圈的形状保持一致，三者同轴。
3. 本实用新型主控磁场发生装置中的电磁线圈和磁轭的大小不受限制，根据 具体乾材制作。线圈的内径略大于导磁柱的直径，夕卜径略小于导磁简的内径，线 圈的高度低于磁轭的高度。磁轭中的导磁简的厚度大约是导磁柱直径的一半。
4. 本实用新型主控磁场发生装置中的电磁线圈由漆包线绕制在线圈骨架上， 漆包线的型号没有限制，线圈内外通过绝缘保护。磁轭由高磁导率的镀镍纯铁或 者其他材料制作。
5. 本实用新型主控磁场发生装置中的导磁简和导磁柱顶端是平的或者有一 定角度的斜面，导磁柱顶端的斜面为轴对称的凸台状(上窄下宽)，导磁筒顶端的 斜面与导磁柱顶端的斜面对称，磁轭的斜面呈W形，斜面的角度不受限制。
6. 本实用新型辅助磁场发生装置套在主控磁场发生装置中的导磁简的外周 或者靶材底柱的外周，和主控磁场发生装置或者靶材底柱同轴，与主控磁场发生 装置或者靶材底柱之间通过绝缘保护。
7. 本实用新型辅助磁场发生装置形状和主控磁场发生装置一致，大小不受限 制，由漆包线绕制的电磁线圈组成。辅助磁场发生装置的位置可以调节，通过调 节电流的大小来改变主控磁场的分布。
8. 本实用新型主控磁场发生装置与辅助磁场发生装置中的线圈可以单独调 节或者共同调节，两者之间通反向电流。为了达到不同的效果，电磁线圈的电流 形式可以是直流，交流或者脉冲的，电流大小可以通过调压电源调节。
(l)主控磁场通一定大小的直流电形成固定位形的拱形磁场，辅助磁场发生装 置可以通反向的直流电，通过调节电流的大小，改变两者之间不同的"电流x匝数"比，从而改变拱形磁场的分布，达到弧斑在不同位置的刻蚀。
(2)主控磁场通一定大小的直流电形成固定位形的拱形磁场，辅助磁场发生 装置可以通反向的方向不变大小变化的交流电(频率可以调节)，从而使两者之间 的"电流X匝数"比连续变化，动态连续的改变弧斑的运动。
9. 本实用新型靶材直接水冷或者间接水冷，直接水冷的靶材后的主控磁场发 生装置放在靶材底柱圆简之间冷却水中或者冷却水通道外靶材底柱圆简之间，间 接水冷的乾材后的主控磁场发生装置放在冷却水通道外底柱圆简之间，放在冷却 水中的主控磁场的磁轭釆用不易生锈的高磁导率材料制作，或者进行镀镍防护。 放在冷却水通道外的主控磁场发生装置与靶材底座之间绝缘固定。
10. 本实用新型直接水冷的靶材与靶材底座之间釆用螺紋连接，间接水冷的 靶材与靶材底座之间可以采用螺紋连接或者其他方式固定，比如铆钉或者螺栓固 定。
11. 本实用新型靶材底座与靶材底柱以及冷却水通道采用不导磁的不锈钢制 作，与磁场发生装置之间通过绝缘保护。
下面通过实施例和附图对本实用新型作进一步详细说明。
实施例1:
附图3是本实用新型的实施例1改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装 置示意图。
改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置主要包括:靶材1;靶材底座2; 乾材底柱3;绝缘环4;磁轭5;主控磁场发生装置线圈6;进水口 7;出水口 8; 引弧线圈9;引弧针10;辅助磁场发生装置线圈11;屏蔽罩12;螺栓13;动态 磁力线14。绝缘环4用于靶材底柱3和辅助磁场发生装置线圈11之间的绝缘， 主控磁场发生装置线圈6套在磁轭5中的导磁柱19上并一起放置于靶材1后,辅 助磁场发生装置线圈11套在靶材底座2圆简外。循环水通过进水口 7、出水口 8 进行循环，对靶材l进行冷却。螺栓13用于固定磁轭5在靶材底座上。引弧针 10连至靶材底座2外的引弧线圈9，引弧线圈9带动引弧针10与靶材1接触进行 引弧。屏蔽罩12安装于靶材1外侧，其作用是约東弧斑，防止弧斑向靶材侧面跑 弧；主控磁场发生装置线圈6通直流电，产生约東弧斑运动范围的拱形磁场；辅 助磁场发生装置线圈11通大小变化的直流电或者交流电,其产生变化的磁场主要 用于调节拱形磁场的位形，两种磁场耦合产生动态磁力线14。动态磁场约東控制 弧斑的运动，产生高密度的颗粒较少的等离子体，在基体负偏压的作用下沉积成膜。
靶材l为直径200mm的圆柱状金属靶，靶材底座2为不导磁的不锈钢。靶 材1与靶材底座2之间釆用螺紋连接，直接水冷。主控磁场发生装置线圈6放置 于冷却水通道外靶材底柱3圆简之间，与靶材底柱3之间通过绝缘环4 (绝缘薄 管)保护。主控磁场发生装置中的磁轭5和主控磁场发生装置线圈6都为圆柱状, 磁轭5中心导磁柱19直径30mm，导磁简20外径130mm,内径100mm。导磁 简20和导磁柱19的下端做成一体的，上端平齐，保持开口，磁轭5由镀镍纯铁 制作。主控磁场发生装置线圈6套在磁轭5中心的导磁柱19上，放置于导磁简 20和导磁柱19中间的空隙位置。主控磁场发生装置线圈6的内径为35mm，外 径95mm,高度35mm，主控磁场发生装置通过底端的套在冷却水管上的绝缘薄 板21保护，通过螺栓13固定在靶材底座2上。
辅助磁场发生装置套在靶材底座2圆简外，与靶材底柱3之间通过绝缘环4 (绝缘薄管)保护，辅助磁场发生装置线圈11外径220mm，内径170mm，高 度40mm。辅助磁场发生装置的位置可以调节。所用辅助磁场发生装置线圈ll釆 用线径为1.25mm的QZY-2漆包线缠绕在线圈骨架上制作而成。
本实例中，主控磁场发生装置与辅助磁场发生装置中的线圈通过调压电源单 独调节，主控磁场发生装置线圈通2A的直流电在靶面上形成固定位形的拱形磁 场，辅助磁场发生装置线圈逸反向的直流电或者交流电，改变电流的大小可以改 变两者之间不同的"电流x匝数"比，从而改变拱形磁场的分布，达到弧斑在不同位 置的刻蚀。附图4是实施例l辅助磁场发生装置线圈与主控磁场发生装置线圈的 不同"电流x匝数"比下磁力线的位形变化图。可以看出，随着辅助磁场反向电流的 增加(0,5A， 1A, 1.5A, 2A),拱形磁场位形发生变化,其顶点(纵向磁场为零, 横向磁场最大)在靶面的位置不断从耙材边缘向乾材中心移动，而不再是固定在 特定的位置不变，那么弧斑将会随着磁场的动态变化而在整个乾面上不同的位置 出现，而不是限制在特定的区域，从而实现靶材的均句刻蚀。图4中的动态磁力 线示意图表示了弧斑刻蚀区域的变化，通过调节磁场强度的大小可以改变弧斑的 运动速度，提高弧斑的运动速度可以减少颗粒的发射，提高沉积薄膜的表面质量。
实施例2:
附图5是本实用新型的实施例2可调节静态磁控的电弧离子镀弧源装置示意 图。基本结构与实施例1相同，所不同的是磁轭5的导磁简20顶端内侧釆用向外 15。的斜面结构，导磁柱19顶端的斜面为轴对称的凸台状(上窄下宽)，导磁筒顶端的斜面与导磁柱顶端的斜面对称，磁轭的斜面呈W形。主控磁场发生装置线圈
6通直流电，产生一定的拱形磁场；辅助磁场发生装置线圈ll通不同大小的直流 电，产生一定的反向磁场，两种磁场耦合产生位置变化的静态磁力线18。
主控磁场发生装置与辅助磁场发生装置中的线圈通过调压电源单独调节，主 控磁场发生装置线圈通2A的直流电在靶面上形成固定位形的拱形磁场，辅助磁 场发生装置线圈通反向的直流电，调节拱形磁场的分布。工作一段时间后，改变 辅助磁场发生装置线圈电流的大小，从而改变与主控磁场发生装置线圈之间的"电 流x匝数"比，改变拱形磁场的分布，达到弧斑在不同位置的刻蚀，避免长时间在 固定位置刻蚀在靶面上形成明显的刻蚀轨道。附图6是辅助磁场发生装置线圈通 不同大小的直流电下弧斑的刻蚀位置的变化示意图。不同电流值下弧斑的刻蚀轨 道为圆形，随着电流的变化引起的磁场位形的变化，轨道的位置会发生变化(即 图6中位置变化的圆形刻蚀轨道22)。
实施例3:
附图7是本实用新型的实施例3改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装 置示意图。基本结构与实施例2相同，所不同的是磁轭5的导磁简20顶端内侧釆 用向外30。的斜面结构。
主控磁场发生装置与辅助磁场发生装置中的线圈通过调压电源单独调节，主 控磁场发生装置线圈通2A的直流电在靶面上形成固定位形的拱形磁场，辅助磁 场发生装置线圈通反向的交流电调节拱形磁场的分布，交流电的大小连续变化 (0—2A),方向不变，从而连续的改变与主控磁场发生装置线圈之间的"电流x 匝数"比，改变拱形磁场的分布，使其顶点(纵向磁场为零，横向磁场最大)在靶 面的上位置不断的在靶材边缘与靶材中心连续移动，而不再是固定在特定的位置 不变，从而使弧斑随着磁场的动态变化而在整个乾面上不同的位置出现，而不是 限制在特定的区域，从而实现靶材的均勾刻蚀以及放电形式的变化。图8(a)-图8(b) 是辅助磁场发生装置线圈通大小变化，方向不变的交流电下弧斑的刻蚀位置的变 化示意图。弧斑将会随着磁场位形的连续改变呈螺旋状的刻蚀轨迹(即图8(a)-图 8(b)中的动态螺旋刻蚀轨道23)，不断的螺旋扩展(图8(a))和收缩(图8(b)), 均匀的刻蚀乾材。
实施例4:靶材厚度的要求
为了更好的利用本实用新型的产生的磁场动态控制弧斑的运动，达到有效的 利用靶材的效果。实施例4结合有限元模拟结果对本实用新型的磁场分布作详细的分析说明。本模拟针对实施例1中的装置结构进行，本分析对辅助磁场发生装 置线圈通反向的直流电和交流电的结果一样。
图9(a)-图9 (d)是实施例1中不同靶材厚度下、不同"电流x匝数"比下纵向磁 场分量的大小分布图，零点位置为刻蚀轨道位置。靶材的厚度分别为lcm, 2cm, 3cm, 4cm。同一靶材厚度下，纵向磁场的零点位置会随着"电流x匝数"比的变化 而改变，而纵向磁场的零点位置是弧斑优先刻蚀的位置，也就是刻蚀轨道的位置。 随着靶材的厚度的增加，纵向磁场的零点位置随"电流x匝数"比的变化愈大，说明 靶材越厚，弧斑的刻蚀面积越大，越有利于靶材的利用。但是，控制弧斑运动还 有一个重要的参数就是横向磁场分量的大小，横向磁场可以改变弧斑的运动速度。 图9(a)-图9 (d)中，noVnili为辅助磁场发生装置线圈的"电流x匝数"与主控磁场 发生装置线圈的"电流x匣数"之比。
图10(a)-图10 (b)是实施例1同一"电流x匝数"比下、不同厚度靶材表面的横 向磁场分量大小分布图。可以看出，横向磁场分量的大小随着靶材厚度的增加下 降很快，而这对靶材的有效刻蚀以及提高弧梦遞度减少颗粒的发射都是不利的， 因此靶材的厚度不宜太大。
综上所述，靶材的厚度必须控制在一定的范围内，才能达到既大面积刻蚀提 高靶材利用率，又提高弧斑的运动it^减少颗粒发射提高薄膜表面质量的综合效 果。实施例1中靶材厚度为2.5cm最宜。
实施例5:不同磁轭结构的影响
实施例1-实施例3分别釆用了三种不同的磁轭结构，磁轭在磁场发生装置中 对磁场的位形影响很大，因此必须釆取合理的磁轭结构。下面结合有限元模拟结 果对不同磁轭结构的影响进行说明。
附图11是实施例1-实施例3同一"电流x匝数"比下、不同磁轭结构的磁场位 形分布图，"电流x匝数"比为-l。可以看出，随着磁轭顶端结构的变化，磁场的位 形有一定的变化。具有一定斜面结构的磁轭，可以减小拱形磁场的曲率。图12 是实施例1-实施例3同一"电流x匝数"比不同磁轭结构下相同厚度靶材表面的纵 向磁场大小分布图。可以看出纵向磁场的"V"形分布角度随着磁轭顶端结构的变 化有所改变，具有一定斜面结构的磁轭产生的纵向磁场"V，形分布角度大一些。 拱形磁场曲率的减小，"V"形分布角的度扩大，对于直流调节的磁场，可以拓宽 刻蚀轨道的面积，增大刻蚀效率。对于交流调节的磁场，影响不大。
权利要求1、一种改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置，其特征在于所述动态磁控弧源装置设有动态控制磁场发生装置、靶材、靶材底座，靶材安装于靶材底座上，动态控制磁场发生装置为主控磁场发生装置和辅助磁场发生装置构成，主控磁场发生装置放置于靶材后面，和靶材同轴放置，辅助磁场发生装置套在主控磁场发生装置周围。
2. 按照权利要求1所述的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置，其 特征在于所述主控磁场发生装置为电磁线圈和磁轭构成，磁轭由外周的导磁简 和中心的导磁柱构成，导磁简和导磁柱的下端由同样的导磁材料连接或者做成一 体的，磁轭上端保持开口；电磁线圈套在磁轭中心的磁柱上，放置于导磁简和导 磁柱中间的空隙位置。
3. 按照权利要求2所述的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置，其 特征在于所述主控磁场发生装置中的电磁线圈和磁轭的形状是圆的或者方的， 磁轭中的导磁简和导磁柱以及线圈的形状保持一致，三者同轴。
4. 按照权利要求2所述的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置，其 特征在于所述主控磁场发生装置中的线圈的内径略大于导磁柱的直径，夕卜径略 小于导磁简的内径，线圈的高度低于磁轭的高度。
5. 按照权利要求2所述的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置，其 特征在于所述主控磁场发生装置中的电磁线圈由漆包线绕制在线圈骨架上，线 圈内外通过绝缘保护，磁轭由高磁导率的镀镍纯铁或者其他材料制作。
6. 按照权利要求2所述的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置，其 特征在于所述主控磁场发生装置中的导磁简和导磁柱顶端是平的或者有斜面； 导磁简和导磁柱顶端是斜面时，导磁柱顶端的斜面为轴对称上窄下宽的凸台状， 导磁简顶端的斜面与导磁柱顶端的斜面对称，磁轭的斜面呈W形。
7. 按照权利要求2所述的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置，其 特征在于所述辅助磁场发生装置套在主控磁场发生装置中的导磁简的外周或者 靶材底座的靶材底柱外周，和主控磁场发生装置或者靶材底柱同轴，辅助磁场发 生装置与主控磁场发生装置或者靶材底柱之间通过绝缘保护，辅助磁场发生装置 的位置可调。
8. 按照权利要求l所述的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置，其特征在于所述辅助磁场发生装置形状和主控磁场发生装置一致，由漆包线绕制的电磁线圈组成。
9. 按照权利要求l所述的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置，其 特征在于所述主控磁场发生装置与辅助磁场发生装置中的线圈单独调节或者共 同调节，两者之间通反向电流；通过调节主控磁场发生装置与辅助磁场发生装置 中线圈电流大小调节动态磁场的强度，线圈的电流形式是直流、交流或者脉冲的， 可实现对弧斑的多种控制方式。
10.按照权利要求l所述的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置，其 特征在于所述靶材直接水冷或者间接水冷，直接水冷的主控磁场发生装置放在 靶材底柱圆简之间冷却水中或者冷却水通道外靶材底柱圆简之间，间接水冷的主 控磁场发生装置放在冷却水通道外底柱圆简之间。
专利摘要本实用新型涉及薄膜制备领域，具体地说是一种新型的改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置。所述改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置设有动态控制磁场发生装置、靶材、靶材底座，靶材安装于靶材底座上，动态控制磁场发生装置为主控磁场发生装置和辅助磁场发生装置构成，主控磁场发生装置放置于靶材后面，和靶材同轴放置，辅助磁场发生装置套在主控磁场发生装置周围。本实用新型通过两组磁场发生装置配合使用，在靶面上形成动态分布的拱形磁场，达到改善弧斑的放电形式和工作稳定性，控制弧斑的运动轨迹，提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率，减少靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜的目的。
文档编号C23C14/35GK201158702SQ20082001015
公开日2008年12月3日 申请日期2008年1月11日 优先权日2008年1月11日
发明者超 孙, 骏 宫, 昊 杜, 英 杨, 肖金泉, 赵彦辉, 郎文昌, 闻立时 申请人:中国科学院金属研究所