一種旋轉(zhuǎn)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(lǐng)域，具體為一種旋轉(zhuǎn)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(nèi)設(shè)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(fā)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(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置套在靶材外側(cè)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(fā)生裝置套在真空室外側(cè)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(zhuǎn)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(fā)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(zhuǎn)橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于材料表面改性領(lǐng)域，具體為一種旋轉(zhuǎn)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(fā)射，提高薄膜的沉積速率與沉積均勻性。
【背景技術(shù)】
[0002]電弧離子作為工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的物理氣相沉積(PVD)技術(shù)之一，由于其離化率高，入射粒子能量高，繞射性好，可實現(xiàn)低溫沉積等一系列優(yōu)點，使電弧離子鍍技術(shù)得到快速發(fā)展并獲得廣泛應(yīng)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(guān)如何解決陰極電弧鍍中大顆粒問題對陰極電弧的發(fā)展影響很大，成為阻礙電弧離子鍍技術(shù)更深入廣泛應(yīng)用的瓶頸問題。而磁過濾技術(shù)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(xiàn)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(gòu)成了弧斑的運動。盡管對弧斑內(nèi)部結(jié)構(gòu)還沒有確切了解，但為了提高放電過程穩(wěn)定性及沉積薄膜質(zhì)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(chǎn)生大顆粒發(fā)射的主要原因。目前的電弧離子鍍技術(shù)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(wěn)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(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍裝置)，通過在靶材附近設(shè)置一個多模式可編程調(diào)制的旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置，利用該裝置產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)橫向磁場來改善弧斑的放電形式和工作穩(wěn)定性，減少靶材表面大顆粒的發(fā)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(shè)置兩套磁場發(fā)生裝置，一套放置于靶材后面，另一個放置于真空室內(nèi)，通過兩套耦合的磁場發(fā)生裝置產(chǎn)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(nèi)設(shè)置的電磁場線圈在電弧等離子體空間易發(fā)生電荷累積及薄膜沉積過程中帶來的高溫烘烤，其穩(wěn)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(fā)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(nèi)容
[0005]為了解決以上問題，本實用新型旨在提供一種旋轉(zhuǎn)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(fā)射，提高薄膜的沉積速率與沉積均勻性。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案是:
[0007]—種旋轉(zhuǎn)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(shè)有靶材、旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置、兩套軸向磁場發(fā)生裝置、真空室；真空室內(nèi)設(shè)置工件臺、靶材，靶材正面與工件臺相對；旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置放置于真空室外，套在靶材外側(cè)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(fā)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(fā)生裝置另一套置于等離子體傳輸通道的真空室外側(cè)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(zhuǎn)橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)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(shù)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(nèi)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(nèi)產(chǎn)生可調(diào)的旋轉(zhuǎn)橫向磁場。
[0009]所述的旋轉(zhuǎn)橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，軸向磁場發(fā)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(fā)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(shè)置鍍鎳純鐵作為鐵芯。
[0010]所述的旋轉(zhuǎn)橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置中，電流的頻率通過變頻器調(diào)節(jié)，電壓的大小通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)，在磁極包圍的空間內(nèi)、靶面上產(chǎn)生速度可調(diào)、強度可調(diào)的旋轉(zhuǎn)橫向磁場，速度通過勵磁電流頻率調(diào)節(jié)，強度通過勵磁電流大小調(diào)節(jié)。
[0011]所述的旋轉(zhuǎn)橫向磁場耦合軸向磁場輔助電弧離子鍍裝置，旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置為磁極均勻分布在主體導(dǎo)磁通道上，形成一個整體的電磁回路骨架，骨架采用高導(dǎo)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(nèi)或者套在磁極上，與磁極個數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置套在靶材外側(cè)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(cè)的軸向磁場發(fā)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(zhuǎn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)，所述空心結(jié)構(gòu)通冷卻水進行冷卻；旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置、軸向磁場發(fā)生裝置及法蘭或支撐圓筒與靶材之間同軸，旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置在法蘭或支撐圓筒上的位置可調(diào)。
[0014]所述的旋轉(zhuǎn)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(cè)的軸向磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場極性與放置于祀材后面的軸向磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場極性相同，其產(chǎn)生的磁場強度大小通過線圈電流大小調(diào)節(jié)。
[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(fā)射，在靶材后面設(shè)置電磁場發(fā)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(cè)面設(shè)置旋轉(zhuǎn)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(xiàn)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(jié)合，在基體表面設(shè)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(jié)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(fā)生裝置產(chǎn)生的耦合磁場，減少了靶材表面大顆粒的發(fā)射和薄膜表面大顆粒的數(shù)量，提高了薄膜質(zhì)量。同時還解決了傳統(tǒng)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(fā)生裝置產(chǎn)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(fā)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(cè)面的旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)橫向磁場，可以改善弧斑的放電形式與工作穩(wěn)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(fā)射。
[0021]4、本實用新型中放置于真空室外側(cè)的磁場發(fā)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(diào)節(jié)放置于真空室外側(cè)的磁場發(fā)生裝置產(chǎn)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(zhì)量及性能。
[0023]6、本實用新型的磁控電弧離子鍍復(fù)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(shù)的調(diào)節(jié)范圍，為制備不同性能的薄膜提供保障。同時，可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)達到制備高質(zhì)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(zhuǎn)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(fā)生裝置支撐圓筒，3等離子體約束軸向磁場發(fā)生裝置，4靶材，5引弧針，6螺栓，7旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置，8旋轉(zhuǎn)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(fā)生裝置，13弧斑約束軸向磁場發(fā)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(zhuǎn)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(diào)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(fā)生裝置支撐圓筒，3等離子體約束軸向磁場發(fā)生裝置，4祀材,5引弧針,6螺栓,7旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置，8旋轉(zhuǎn)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(fā)生裝置，13弧斑約束軸向磁場發(fā)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(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖4 (a) - (f)是實施例3采用的旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置在半個電流周期內(nèi)不同時刻的瞬態(tài)磁場分布模擬圖，t為時間，T為電流周期。其中，
【權(quán)利要求】
1.一種旋轉(zhuǎn)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(shè)有靶材、旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置、兩套軸向磁場發(fā)生裝置、真空室；真空室內(nèi)設(shè)置工件臺、靶材，靶材正面與工件臺相對；旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置放置于真空室外，套在靶材外側(cè)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(fā)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(fā)生裝置另一套置于等離子體傳輸通道的真空室外側(cè)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(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)橫向磁場發(fā)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(shù)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(nèi)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(nèi)產(chǎn)生可調(diào)的旋轉(zhuǎn)橫向磁場。
3.按照權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)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(shè)置鍍鎳純鐵作為鐵芯。
4.按照權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置中，電流的頻率通過變頻器調(diào)節(jié)，電壓的大小通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)，在磁極包圍的空間內(nèi)、靶面上產(chǎn)生速度可調(diào)、強度可調(diào)的旋轉(zhuǎn)橫向磁場，速度通過勵磁電流頻率調(diào)節(jié)，強度通過勵磁電流大小調(diào)節(jié)。
5.按照權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置為磁極均勻分布在主體導(dǎo)磁通道上，形成一個整體的電磁回路骨架，骨架采用高導(dǎo)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(nèi)或者套在磁極上，與磁極個數(shù)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(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置套在靶材外側(cè)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(cè)的軸向磁場發(fā)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(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)，所述空心結(jié)構(gòu)通冷卻水進行冷卻；旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置、軸向磁場發(fā)生裝置及法蘭或支撐圓筒與靶材之間同軸，旋轉(zhuǎn)橫向磁場發(fā)生裝置在法蘭或支撐圓筒上的位置可調(diào)。
8.按照權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)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(cè)的軸向磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場極性與放置于靶材后面的軸向磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場極性相同，其產(chǎn)生的磁場強度大小通過線圈電流大小調(diào)節(jié)。
【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(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】趙彥輝, 肖金泉, 于寶海 申請人:中國科學院金屬研究所