阴极电磁场装置及镀膜设备的制作方法

本发明涉及涂层制备技术领域，尤其涉及一种阴极电磁场装置及应用该阴极电磁场装置的镀膜设备。

背景技术：

为电弧离子镀膜设备和磁控溅射镀膜设备的阴极添加磁场已成为行业通行的方法。给电弧离子镀膜设备的阴极添加磁场可控制弧斑运动速度和轨迹，以减少液滴；给磁控溅射镀膜设备的阴极添加磁场则可控制离化区域，以提高离化率。

电弧离子镀膜技术的优点是结合力高，膜层致密硬度高，缺点是会产生液滴嵌入涂层，影响涂层寿命。大量研究证明添加磁场可加快弧斑运动速度，减少液滴产生，弧斑运动速度主要由磁场横向分量决定。

弧斑的运动规律遵从：(1)锐角法则：弧斑朝磁力线与靶面的锐角夹角方向漂移；(2)反安培力运动：弧斑沿安培力相反的方向运动，运动速度随磁场强度增大而加快。

磁控溅射镀膜技术的优点是膜层光滑无液滴；缺点是离化率低，导致沉积效率较低。在溅射靶材附近构筑拱形磁场，将电子束缚于靶材前方，电子与ar原子发生碰撞，离化出ar⁺；ar⁺经电场加速后轰击靶材，溅射出原子或分子沉积到工件上。磁场约束靶面附近电子的能力强，该区域碰撞离化的ar⁺越多，进而有更多的离子轰击靶材产生溅射，提高沉积效率。

磁约束遵从磁镜理论，即在中心对称的横置拱形磁场内，电子沿跑道运动，则在拱形磁场内产生如镜子反射的左右来回运动。

根据上述弧斑运动和磁镜法则，传统的阴极电磁场装置通常采用图1和图2所示的设计方法，该设计方法使用中间与两边极性相反的三组磁铁3产生磁场，各磁铁3的磁极垂直于靶材的一表面，在该表面构筑拱形磁场，磁力线4分布如图3所示，磁场强度和位形固定不变。

对于电弧离子镀膜技术而言，如图1所示，弧斑5会漂移汇聚在拱形磁场顶部对应的靶面区域，此处磁场强度横向分量bx最大，增大该处磁场强度能加快弧斑5运动速度，减少液滴，但过于集中的弧斑5运动区域使该部位靶材1烧蚀严重，消耗较大；拱形磁场边缘的弧斑5因漂移离开，该部位消耗较少。

对于磁控溅射镀膜技术而言，如图2所示，拱形磁场顶部对应的靶面区域电子6浓度相对最高，因此该处的靶材1被轰击得最为严重，拱形磁场边沿电子6浓度相对较低，靶材1受离子轰击次数少。可见两种技术不同，但其靶材1在这样的磁场下长期使用，都会出现v型的凹槽，造成靶材1利用率低。

为解决以上问题，构筑顶部更平缓的拱形磁场来拓宽弧斑运动的轨迹，提高靶材利用率，成为业界阴极设计的一个重要研究方向。

技术实现要素：

本发明提供一种阴极电磁场装置，用于镀膜设备，所述镀膜设备包括相对设置的待镀基底和靶材，定义所述靶材靠近所述待镀基底的表面为靶面，所述阴极电磁场装置包括设置于所述靶材远离所述待镀基底的一侧的多个第一电磁线圈，各所述第一电磁线圈的磁极方向不垂直于所述靶材远离所述待镀基底的表面，多个所述第一电磁线圈在所述靶面耦合出两个磁力线方向相反的拱形磁场。

本发明还提供应用上述阴极电磁场装置的镀膜设备，该镀膜设备包括相对设置的待镀基底和靶材，所述阴极电磁场装置设置于所述靶材远离所述待镀基底一侧。

本发明提供的阴极电磁场装置及镀膜设备，通过设置磁极方向不垂直于靶材远离所述待镀基底的表面的多个第一电磁线圈，可构筑出更平缓的拱形磁场，有利于提高靶材利用率。

附图说明

图1为传统的电弧离子镀膜设备的阴极电磁场装置的作用下的靶材刻蚀示意图。

图2为传统的磁控溅射镀膜设备的阴极电磁场装置的作用下的靶材刻蚀示意图。

图3为传统的阴极电磁场装置的磁场分布的示意图。

图4为应用本发明第一实施例的阴极电磁场装置的镀膜设备的结构示意图。

图5为图4所示的阴极电磁场装置的磁力线分布示意图。

图6为图5所示的磁力线与靶面的夹角随该磁力线与靶面的高度的变化曲线和传统的阴极电磁场装置的磁力线与靶面的夹角随该磁力线与靶面的高度的变化曲线。

图7为图4所示的阴极电磁场装置的作用下的靶材刻蚀示意图。

图8为应用本发明第二实施例的阴极电磁场装置的镀膜设备的结构示意图。

图9为图8所示的阴极电磁场装置的磁力线分布示意图。

图10为图9所示的磁力线与靶面的夹角随该磁力线与靶面的高度的变化曲线和传统的阴极电磁场装置的磁力线与靶面的夹角随该磁力线与靶面的高度的变化曲线。

图11为应用本发明第三实施例的阴极电磁场装置的镀膜设备的结构示意图。

图12为图11所示的阴极电磁场装置的磁力线分布示意图。

图13为图12所示的磁力线与靶面的夹角随该磁力线与靶面的高度的变化曲线和传统的阴极电磁场装置的磁力线与靶面的夹角随该磁力线与靶面的高度的变化曲线。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将连接本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它能够以是直接连接到另一个组件或者能够能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它能够以是直接设置在另一个组件上或者能够能同时存在居中设置的组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

第一实施例

请参阅图4，图4为应用本发明第一实施例的阴极电磁场装置10的镀膜设备100的结构示意图。该镀膜设备100包括相对设置的待镀基底12和靶材11，定义靶材11靠近待镀基底12的表面为靶面11a。镀膜设备100可以为电弧镀膜设备或磁控溅射镀膜设备。

阴极电磁场装置10包括设置于靶材11远离待镀基底12的一侧的多个第一电磁线圈17，各第一电磁线圈17的磁极方向不垂直于靶材11远离待镀基底12的表面，多个第一电磁线圈17在靶面11a耦合出两个磁力线14方向相反的拱形磁场。本文所述的拱形磁场是指多个第一电磁线圈17在靶面11a上方耦合出的磁场的磁力线呈拱形。

该阴极电磁场装置10及镀膜设备100，通过设置磁极方向不垂直于靶材11远离待镀基底12的表面的多个第一电磁线圈17，可构筑出更平缓的拱形磁场，有利于提高靶材11利用率。

本实施例中，如图4所示，每一第一电磁线圈17垂直于靶材11远离待镀基底12的表面间隔设置，每一第一电磁线圈17的磁极方向(平行于如图4所示的虚线)平行于靶材11远离待镀基底12的表面。每一拱形磁场由两个或两个以上第一电磁线圈17耦合产生，产生一个拱形磁场的每一第一电磁线圈17缠绕于一个独立的铁芯18上，以提高拱形磁场的磁场强度。铁芯18的材料为导磁材料。于其他实施例中，产生一个拱形磁场的两个或两个以上第一电磁线圈17全部缠绕于同一个铁芯18上。在又一实施例中，每一拱形磁场也可由单个第一电磁线圈17产生，此时第一电磁线圈17的数量为两个，每一第一电磁线圈17缠绕于一个铁芯18上。

本实施例中，靶材11宽度为180mm，第一电磁线圈17的宽度为15mm。每一第一电磁线圈17与靶面11a同中轴线。第一电磁线圈17包括用于耦合产生一个拱形磁场的第一电磁线圈l1与第一电磁线圈l2以及用于耦合产生另一拱形磁场的第一电磁线圈r1与第一电磁线圈r2。第一电磁线圈l1与第一电磁线圈l2相距30mm，第一电磁线圈r1与第一电磁线圈r2相距30mm，第一电磁线圈l2与第一电磁线圈r2相距60mm。于其他实施例中，可根据磁场的设计需求，调节第一电磁线圈17之间的相对位置及通入各第一电磁线圈17的电流大小等。

表1

表1为图4所示的阴极电磁场装置10中，各第一电磁线圈的电流参数表。各第一电磁线圈17按表1所示电流参数通电，产生磁极平行靶材11远离待镀基底12的表面的磁场。图5为图4所示的阴极电磁场装置10的磁力线14分布示意图。图6为图5所示的磁力线14与靶面11a的夹角随该磁力线14与靶面11a的高度的变化曲线和传统的阴极电磁场装置10的磁力线14与靶面11a的夹角随该磁力线14与靶面11a的高度的变化曲线。拱形磁场顶部对应图中角度为0°的位置。结合图5和图6可知，相比传统的阴极电磁场装置10，该实施例的拱形磁场顶部角度变化更为平缓。图7为图4所示的阴极电磁场装置10的作用下的靶材11刻蚀示意图。如图7所示，拱形磁场顶部对应的靶面11a区域消耗更平均，提高了靶材11利用率。

第二实施例

请参阅图8，图8为应用本发明第二实施例的阴极电磁场装置20的镀膜设备200的结构示意图。该镀膜设备200包括相对设置的待镀基底12和靶材11，定义靶材11靠近待镀基底12的表面为靶面11a。镀膜设备200可以为电弧镀膜设备或磁控溅射镀膜设备。阴极电磁场装置20与本发明第一实施例的阴极电磁场装置10基本相同，均包括设置于靶材11远离待镀基底12的一侧的多个第一电磁线圈17，各第一电磁线圈17的磁极方向不垂直于靶材11远离待镀基底12的表面，多个第一电磁线圈17在靶面11a耦合出两个磁力线14方向相反的拱形磁场。

该阴极电磁场装置20与本发明第一实施例的阴极电磁场装置10的区别在于：第一实施例中，每一第一电磁线圈17垂直于靶材11远离待镀基底12的表面间隔设置，每一第一电磁线圈17的磁极方向平行于靶材11远离待镀基底12的表面；而本实施例中，每一第一电磁线圈17与靶材11远离待镀基底12的表面成一定夹角α间隔设置，每一第一电磁线圈17的磁极方向与靶材11远离待镀基底12的表面成一定夹角α。

本实施例中，通过设置磁极方向与靶材11远离待镀基底12的表面成一定夹角α的多个第一电磁线圈17，可构筑出更平缓的拱形磁场，有利于提高靶材11利用率。

于一实施例中，每一第一电磁线圈17的磁极方向与靶材11远离待镀基底12的表面的夹角α的范围为0到45°。

本实施例中，第一电磁线圈17的磁极方向与靶材11远离待镀基底12的表面成一定夹角α为10°。靶材11宽度为180mm，第一电磁线圈17的宽度为15mm。每一第一电磁线圈17与靶面11a同中轴线。第一电磁线圈17包括用于耦合产生一个拱形磁场的第一电磁线圈l1与第一电磁线圈l2以及用于耦合产生另一拱形磁场的第一电磁线圈r1与第一电磁线圈r2。第一电磁线圈l1与第一电磁线圈l2相距35mm，第一电磁线圈r1与第一电磁线圈r2相距35mm，第一电磁线圈l2与第一电磁线圈r2相距60mm。于其他实施例中，可根据磁场的设计需求，调节第一电磁线圈17之间的相对位置及通入各第一电磁线圈17的电流大小等。

各第一电磁线圈17同第一实施例一样，按表1所示电流参数通电。通电后，各第一电磁线圈17磁极与靶材11远离待镀基底12的表面成一定夹角α。图9为图8所示的阴极电磁场装置20的磁力线14分布示意图。图10为图9所示的磁力线14与靶面11a的夹角随该磁力线14与靶面11a的高度的变化曲线和传统的阴极电磁场装置10的磁力线14与靶面11a的夹角随该磁力线14与靶面11a的高度的变化曲线。结合图9和图10可知，相比传统的阴极电磁场装置20，该实施例的拱形磁场顶部角度变化更为平缓。如此，拱形磁场顶部对应的靶面11a区域消耗更平均，有利于提高靶材11利用率。

第三实施例

请参阅图11，图11为应用本发明第三实施例的阴极电磁场装置30的镀膜设备300的结构示意图。该镀膜设备300包括相对设置的待镀基底12和靶材11，定义靶材11靠近待镀基底12的表面为靶面11a。镀膜设备300可以为电弧镀膜设备或磁控溅射镀膜设备。阴极电磁场装置30与本发明第一实施例的阴极电磁场装置10基本相同，均包括设置于靶材11远离待镀基底12的一侧的多个第一电磁线圈17，各第一电磁线圈17的磁极方向不垂直于靶材11远离待镀基底12的表面，多个第一电磁线圈17在靶面11a耦合出两个磁力线14方向相反的拱形磁场。

该阴极电磁场装置30与与本发明第一实施例的阴极电磁场装置10的区别在于：第一实施例中，阴极电磁场装置10仅包括磁极方向平行于靶材11远离待镀基底12的表面的多个第一电磁线圈17；而本实施例中，阴极电磁场装置30包括磁极方向平行于靶材11远离待镀基底12的表面的多个第一电磁线圈17(图11中仅示意性画出两个第一电磁线圈，分别为第一电磁线圈l和第一电磁线圈r)，还包括环绕多个第一电磁线圈17的第二电磁线圈19，第二电磁线圈19的磁极方向垂直于靶材11远离待镀基底12的表面，第二电磁线圈19形成衔接多个第一电磁线圈17形成的直道磁场的弯道磁场。如此，若该镀膜设备300为电弧镀膜设备，该弯道磁场可增加电弧镀膜时，弧斑15在靶材11的两端的运动速度。若该镀膜设备300为磁控溅射镀膜设备，该弯道磁场可使得磁控溅射的电子16不会经历过直道磁场后，在靶材11的两端逸出磁场的束缚。

表2

表2为图11所示的阴极电磁场装置30中，各电磁线圈的电流参数表。各电磁线圈按表2所示电流参数通电，产生磁极平行靶材11远离待镀基底12的表面的磁场。图12为图11所示的阴极电磁场装置30的磁力线14分布示意图。结合图12和图13可知，相比传统的阴极电磁场装置30，该实施例的拱形磁场顶部角度变化更为平缓。如此，拱形磁场顶部对应的靶面11a区域消耗更平均，有利于提高靶材11利用率。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。