一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置制造方法
【专利摘要】本实用新型属于材料表面改性领域，具体为一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置。该装置的真空室内设置工件台、靶材，靶材正面与工件台相对；置于靶材后面的轴向磁场发生装置套在法兰或支撑圆筒上，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护；置于真空室外的旋转横向磁场发生装置套在靶材外侧的法兰或支撑圆筒上，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护；置于等离子体传输通道的轴向磁场发生装置套在真空室外侧的法兰或支撑圆筒上，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护。本实用新型通过旋转横向磁场控制弧斑的运动，改善弧斑的放电形式，提高弧斑运动速度及靶材表面大颗粒的发射，同时通过轴向磁场约束等离子体传输，提高等离子体的密度和利用率。
【专利说明】一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于材料表面改性领域，具体为一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，用以提高弧斑运动速度，减少靶材表面大颗粒发射，提高薄膜的沉积速率与沉积均匀性。
【背景技术】
[0002]电弧离子作为工业应用最为广泛的物理气相沉积(PVD)技术之一，由于其离化率高，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。但是由于电弧离子镀中大颗粒的存在，严重影响了涂层和薄膜的性能和使用寿命。因此有关如何解决阴极电弧镀中大颗粒问题对阴极电弧的发展影响很大，成为阻碍电弧离子镀技术更深入广泛应用的瓶颈问题。而磁过滤技术是在等离子体传输过程中将大颗粒排除掉的方法，是等症状出现以后用来治标而不治本的方法，因此是一种消极的方法。
[0003]真空电弧放电实际上是一系列电弧事件，电弧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还没有确切了解，但为了提高放电过程稳定性及沉积薄膜质量，必须对弧斑运动进行合理的控制。而弧斑的聚集与运动速度过慢是阴极靶材表面产生大颗粒发射的主要原因。目前的电弧离子镀技术主要是采用在靶材附件施加磁场来控制弧斑的运动，以提高电弧放电稳定性。
[0004]中国专利200810010762.4公开了一种新的电弧离子镀装置(多模式可编程调制的旋转横向磁场控制的电弧离子镀装置)，通过在靶材附近设置一个多模式可编程调制的旋转横向磁场发生装置，利用该装置产生的旋转横向磁场来改善弧斑的放电形式和工作稳定性，减少靶材表面大颗粒的发射。尽管利用该装置沉积的薄膜表面大颗粒明显减少，但是不同位置处薄膜的沉积均匀性仍有待改善。中国专利200710158829.4公开了一种磁场增强的电弧离子镀沉积工艺，通过设置两套磁场发生装置，一套放置于靶材后面，另一个放置于真空室内，通过两套耦合的磁场发生装置产生的耦合磁场辅助对基体进行沉积。利用该工艺使得薄膜表面大颗粒明显减少，薄膜沉积均匀性也有改善，但是在真空室内设置的电磁场线圈在电弧等离子体空间易发生电荷累积及薄膜沉积过程中带来的高温烘烤，其稳定性大大降低。因此既要通过磁场控制弧斑运动以减少靶材表面大颗粒发射，又要解决等离子体传输过程中的均匀性仍存在一定困难。
实用新型内容
[0005]为了解决以上问题，本实用新型旨在提供一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，用以提高弧斑运动速度，减少靶材表面大颗粒发射，提高薄膜的沉积速率与沉积均匀性。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是:
[0007]—种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，该电弧离子镀装置设有靶材、旋转横向磁场发生装置、两套轴向磁场发生装置、真空室；真空室内设置工件台、靶材，靶材正面与工件台相对；旋转横向磁场发生装置放置于真空室外，套在靶材外侧的法兰或支撑圆筒上，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护；轴向磁场发生装置一套放置于靶材后面，由放置于靶材后面的电磁线圈组成；轴向磁场发生装置另一套置于等离子体传输通道的真空室外侧的法兰或支撑圆筒上，由电磁线圈组成，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护。
[0008]所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，旋转横向磁场发生装置为采用相差一定均匀角度、相互连接在一起的磁极均匀分布于同一圆周上，磁极数量为4η或者3η，η ^ 1，形成一个整体的电磁回路骨架，励磁线圈镶嵌在相邻磁极之间的插槽间隙内或者套在磁极上，采用相位差为90°的两相或者相位差为120°的三相励磁顺序供电，在磁极包围的空间内产生可调的旋转横向磁场。
[0009]所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，轴向磁场发生装置由电磁线圈组成，或者由单个或两个以上永磁铁组合磁轭组成；置于靶材后面的轴向磁场发生装置由电磁线圈组成，并在电磁线圈法兰或支撑圆筒轴向中心设置镀镍纯铁作为铁芯。
[0010]所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，旋转横向磁场发生装置中，电流的频率通过变频器调节，电压的大小通过调压器调节，在磁极包围的空间内、靶面上产生速度可调、强度可调的旋转横向磁场，速度通过励磁电流频率调节，强度通过励磁电流大小调节。
[0011]所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，旋转横向磁场发生装置为磁极均匀分布在主体导磁通道上，形成一个整体的电磁回路骨架，骨架采用高导磁率的电工纯铁或者叠加的冲压硅钢片制作的骨架；励磁线圈镶嵌在相邻磁极之间的插槽间隙内或者套在磁极上，与磁极个数相同的励磁线圈安装在磁极上，形状和磁场的形状相同，励磁线圈与骨架之间通过绝缘保护。
[0012]所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，置于真空室外的旋转横向磁场发生装置套在靶材外侧的法兰或支撑圆筒上，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护；置于等离子体传输通道的真空室外侧的轴向磁场发生装置套在法兰或支撑圆筒上，法兰或支撑圆筒与真空室之间通过绝缘保护。
[0013]所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，法兰或支撑圆筒采用不导磁的不锈钢制作的法兰或支撑圆筒，法兰或支撑圆筒为空心结构，所述空心结构通冷却水进行冷却；旋转横向磁场发生装置、轴向磁场发生装置及法兰或支撑圆筒与靶材之间同轴，旋转横向磁场发生装置在法兰或支撑圆筒上的位置可调。
[0014]所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，放置于真空室外侧的轴向磁场发生装置产生的磁场极性与放置于祀材后面的轴向磁场发生装置产生的磁场极性相同，其产生的磁场强度大小通过线圈电流大小调节。
[0015]本实用新型的核心思想是:
[0016]为了有效改善靶材表面大颗粒发射，在靶材后面设置电磁场发生装置，利用电磁场对弧斑的运动进行控制，并将弧斑限制在靶面上运动；在靶材侧面设置旋转横向磁场，改善弧斑的放电形式，提高弧斑运动速度；在等离子体束流从阴极靶材表面喷射出来后，即采用磁场与等离子体的交互作用，对等离子体束流进行聚焦与约束，以减少等离子体在传输过程中的损失程度，以实现等离子体对基体表面薄膜沉积的均匀性。此外，为了加强离子与基体的良好结合，在基体表面设置脉冲电场，在管壁施加脉冲负偏压对正离子进行加速，以保证薄膜与基体的良好结合。
[0017]本实用新型的有益效果是:
[0018]1、本实用新型采用三套磁场发生装置产生的耦合磁场，减少了靶材表面大颗粒的发射和薄膜表面大颗粒的数量，提高了薄膜质量。同时还解决了传统工艺中等离子体传输过程的不均匀性，提高了薄膜的沉积速率和沉积均匀性。
[0019]2、本实用新型中放置于靶材后面的磁场发生装置产生的磁场可以控制弧斑的运动速度，提高靶面横向磁场分量的大小，将弧斑限制在靶面上运行，减少靶材表面大颗粒的发射，并通过改变线圈电流的形式如交流电，可以使弧斑在整个靶面上均匀运行，提高靶材利用率。
[0020]3、本实用新型中放置于靶材侧面的旋转横向磁场发生装置产生的旋转横向磁场，可以改善弧斑的放电形式与工作稳定性，控制弧斑的运动轨迹和速度，提高靶材刻蚀的均匀性和靶材利用率，减少靶材表面大颗粒的发射。
[0021]4、本实用新型中放置于真空室外侧的磁场发生装置，可以在等离子体从靶面喷射出来后即进行聚焦约束，减少等离子体沉积到真空室壁的损失，提高等离子体密度与空间分布均匀性，进而提高薄膜沉积速率及沉积均匀性。
[0022]5、本实用新型中三套磁场的耦合使用，可以改善弧斑的运动轨迹和速度，控制等离子体在传输过程中的空间分布。通过调节放置于真空室外侧的磁场发生装置产生的轴向磁场大小，可以改变基体处离子的密度及分布，提高薄膜沉积速率和沉积均匀性，进而控制薄膜质量及性能。
[0023]6、本实用新型的磁控电弧离子镀复合沉积工艺配合在基体上施加脉冲偏压使用，可以扩大工艺参数的调节范围，为制备不同性能的薄膜提供保障。同时，可以通过优化工艺参数达到制备高质量薄膜的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本实用新型的采用旋转横向磁场耦合均匀轴向磁场辅助电弧离子镀装置。图中:1真空室，2等离子体约束轴向磁场发生装置支撑圆筒，3等离子体约束轴向磁场发生装置，4靶材，5引弧针，6螺栓，7旋转横向磁场发生装置，8旋转横向磁场支撑圆筒，9引弧线圈，10出水管，11进水管，12弧斑约束轴向磁场发生装置，13弧斑约束轴向磁场发生装置支撑圆筒，14镀镍纯铁，15脉冲偏压电源，16工件，17工件台。
[0025]图2是本实用新型的采用旋转横向磁场耦合梯度轴向磁场辅助电弧离子镀装置，其中梯度磁场由两个以上电磁线圈组成，磁场强度分别调整，且其大小沿着等离子体束流方向逐渐减小。图中:1真空室，2等离子体约束轴向磁场发生装置支撑圆筒，3等离子体约束轴向磁场发生装置，4祀材,5引弧针,6螺栓,7旋转横向磁场发生装置，8旋转横向磁场支撑圆筒，9引弧线圈，10出水管，11进水管，12弧斑约束轴向磁场发生装置，13弧斑约束轴向磁场发生装置支撑圆筒，14镀镍纯铁，15脉冲偏压电源，16工件，17工件台。
[0026]图3是实施例3采用三相六磁极的旋转横向磁场发生装置结构示意图。
[0027]图4 (a) - (f)是实施例3采用的旋转横向磁场发生装置在半个电流周期内不同时刻的瞬态磁场分布模拟图，t为时间，T为电流周期。其中，
【权利要求】
1.一种旋转横向磁场I禹合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，其特征在于，该电弧离子镀装置设有靶材、旋转横向磁场发生装置、两套轴向磁场发生装置、真空室；真空室内设置工件台、靶材，靶材正面与工件台相对；旋转横向磁场发生装置放置于真空室外，套在靶材外侧的法兰或支撑圆筒上，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护；轴向磁场发生装置一套放置于靶材后面，由放置于靶材后面的电磁线圈组成；轴向磁场发生装置另一套置于等离子体传输通道的真空室外侧的法兰或支撑圆筒上，由电磁线圈组成，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护。
2.按照权利要求1所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，其特征在于:旋转横向磁场发生装置为采用相差一定均匀角度、相互连接在一起的磁极均匀分布于同一圆周上，磁极数量为4n或者3η，η > 1，形成一个整体的电磁回路骨架，励磁线圈镶嵌在相邻磁极之间的插槽间隙内或者套在磁极上，采用相位差为90°的两相或者相位差为120°的三相励磁顺序供电，在磁极包围的空间内产生可调的旋转横向磁场。
3.按照权利要求1所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，其特征在于:轴向磁场发生装置由电磁线圈组成，或者由单个或两个以上永磁铁组合磁轭组成；置于靶材后面的轴向磁场发生装置由电磁线圈组成，并在电磁线圈法兰或支撑圆筒轴向中心设置镀镍纯铁作为铁芯。
4.按照权利要求2所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，其特征在于:旋转横向磁场发生装置中，电流的频率通过变频器调节，电压的大小通过调压器调节，在磁极包围的空间内、靶面上产生速度可调、强度可调的旋转横向磁场，速度通过励磁电流频率调节，强度通过励磁电流大小调节。
5.按照权利要求2所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，其特征在于:旋转横向磁场发生装置为磁极均匀分布在主体导磁通道上，形成一个整体的电磁回路骨架，骨架采用高导磁率的电工纯铁或者叠加的冲压硅钢片制作的骨架；励磁线圈镶嵌在相邻磁极之间的插槽间隙内或者套在磁极上，与磁极个数相同的励磁线圈安装在磁极上，形状和磁场的形状相同，励磁线圈与骨架之间通过绝缘保护。
6.按照权利要求1所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，其特征在于:置于真空室外的旋转横向磁场发生装置套在靶材外侧的法兰或支撑圆筒上，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护；置于等离子体传输通道的真空室外侧的轴向磁场发生装置套在法兰或支撑圆筒上，法兰或支撑圆筒与真空室之间通过绝缘保护。
7.按照权利要求6所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，其特征在于:法兰或支撑圆筒采用不导磁的不锈钢制作的法兰或支撑圆筒，法兰或支撑圆筒为空心结构，所述空心结构通冷却水进行冷却；旋转横向磁场发生装置、轴向磁场发生装置及法兰或支撑圆筒与靶材之间同轴，旋转横向磁场发生装置在法兰或支撑圆筒上的位置可调。
8.按照权利要求1所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，其特征在于:放置于真空室外侧的轴向磁场发生装置产生的磁场极性与放置于靶材后面的轴向磁场发生装置产生的磁场极性相同，其产生的磁场强度大小通过线圈电流大小调节。
【文档编号】C23C14/35GK203569181SQ201320765133
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】赵彦辉, 肖金泉, 于宝海 申请人:中国科学院金属研究所