[实用新型]一种改善电弧离子镀沉积工艺的动态磁控弧源装置

说明书

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

电弧离子镀是工业镀膜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镀膜特性有很大的影响。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，外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1(a))，电弧斑点做逆安培力的反向运动(Retrograde motion)，也就是运动方向和电流力的方向相反(-I×B)，见图1(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θ的时候(尖角磁场，磁感应强度B，见图1(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θ_B区域，这就是锐角法则(Acute angle principle)，见图1(d)；图1(d)中，Φ_R代表弧斑运动的方向和磁力线与靶面相交线之间的夹角，θ_B≈Φ_R。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、靶材刻蚀得均匀性非常重要。上述规律是磁场对弧斑运动影响的基本规律，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，大的平面靶施加拱形磁场，如CN1157335A，以及俄罗斯弧源结构中的淹没整个靶材的纵向约束磁场。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靶面的运动，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靶面刻蚀，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，而且靶材尺寸小，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靶背后的机械转动来改变磁场在靶面的分布，从而影响弧斑在靶面的刻蚀位置的。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。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：