CN1021062C - 新型电磁控阴极电弧源 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型电磁控阴极电弧源，应用于真空镀膜、离子镀膜、离子渗金属领域的设备中，其特征在于控制电磁线圈的排布方式，在放电过程中不断改变线圈电流的方向和大小，在靶面产生的磁感应强度在10°-10^-ZT范围变化，阴极电弧弧斑在靶面上由小环到大环周期变化。靶材烧蚀均匀，靶材利用率高。

Description

本发明是一种新型电磁控阴极电弧源，应用于真空蒸发镀、离子镀和离子渗金属领域的设备中。

目前，采用阴极电弧源的镀膜设备中，所用的阴极电弧源有永磁控和电磁控两种方式控制电弧放电。永磁控型电弧源尺寸较小，一般小于φ100mm，在靶材后面安装环形、棒形、环块组合型永磁体，细化弧斑尺寸，提高电弧在靶面的移动速度;电磁控型电弧源尺寸较大，在靶材后面安装电磁线圈，通入直流电，靶面产生固定磁场，控制阴极电弧沿固定轨道运动。目前，美国Vac    Tec公司（真空技术公司）生产的ATC-400型镀膜机的靶材尺寸24″×8″，其弧源结构示意图如图1所示，方型靶材（1）后面安装两组空心线圈（3），固定在阴极靶座（2）上，每组只有一个线圈，由于两个线圈内均通入直流的同向固定电流值，在靶面上产生固定磁场，在弧电流和磁场的共同作用下电弧稳定燃烧，并沿一定的环行轨道运动，靶材的其他部位不产生电弧放电。产生电弧的部位因不断蒸发金属而烧蚀，很快在弧斑轨迹部位出现沟槽。这种结构的阴极电弧源有以下缺点：

1、靶材利用率低，只利用沟槽部分的金属，大部分靶材利用不上。当沟槽处即将穿透时必须更换靶材，大部分靶材被浪费掉。

2、蒸发角不合理，一般工件安置在靶对面，当靶材出现沟槽后，金属蒸汽向前方喷射量减少，有效沉积速率降低。

3、沿靶材长度方向膜厚分布不均匀。

以上缺点限制了大弧源应具有的沉积层厚度均匀、沉积速率高，镀膜面积大等优点的发挥。

本发明的任务是制造一种采用新型电磁控方式，使场致发射电 弧能在靶面上均匀放电、阴极弧斑轨迹在靶面上由小环到大环周期变化、靶材烧蚀均匀、靶材利用率高的阴极电弧源。

本发明的技术方案是通过改变电磁线圈的排布方式，在放电过程中，改变电磁线圈中电流大小和方向，在靶面产生的轴向磁场和径向磁场沿靶面不断变化，阴极电弧轨迹随之在靶面上呈环形或其他形状，由小环到大环不断变化。

本发明在每个靶材后面安装n组（n为整数）线圈，每组线圈可以由m个（m为整数）线圈组成，相邻线圈可以互相独立或抽头式的，线圈可以密排或有一定间隔，线圈可以沿靶面径向布满或绕成小截面线圈，每组线圈也可采用永磁体为辅、电磁线圈为主的组合结构。线圈的形状可以是园形、方形、其他形状的，通入线圈的电流可以一路变化或多路变化，可以改变电流的大小、方向，线圈的匝数P（P为整数）电流值均可改变，使靶面的轴向磁场分量，径向分量沿径向不断变化。磁感应强度B在10°-10^-2T（特斯拉）范围。

电磁线圈中通入的电流可以是直流的或脉动的。电流值的变化率可以是线性的或非线性的，电流的控制可以是手动的，调节自耦调压器控制整流电源输出一定电流，也可采用微机控制方式、控制可控硅整流电路的输出电压，控制电流值按一定程序变化。也可采用硬件电路控制，或三种方式的任意组合。

真空镀膜、离子镀膜、离子渗金属设备中可以安装S个（S为整数）电磁控阴极电弧源。电弧源可以安装在真空室（Ⅰ）内，也可安装在真空室侧壁上、顶盖上、底板上。

本发明控制阴极弧斑的运动轨迹，大面积均匀烧蚀靶材，提高 靶材利用率、提高膜层的沉积速率，膜层厚度的均匀性和多弧离子渗金属工件温度的均匀性。充分发挥了大面积弧源的优点。本发明适于获得较厚的镀层;适于镀细长工件或面积较大的板状，带状工件;适于塑料、陶瓷金属化，金属镀膜、离子镀、离子渗金属等方面。

本发明有如下附图：

图1为ATC-400型设备的阴极电弧源结构示意图。靶材（1）安装在阴极靶座（2）上，靶材后安放两组线圈（3）。每组线圈只有一个空心线圈。靶面上的弧班轨迹（4）为固定的两个环，靶材烧蚀出很深的沟槽（5）。

图中·表示电流流出线圈，x表示电流流入线圈。

图2为采用本发明电磁控阴极电弧源的真空镀膜、离子镀膜、离子渗金属设备示意图。图中（Ⅰ）真空室，（Ⅱ）抽气系统，（Ⅲ）工件转动机构，（Ⅳ）进气系统，（Ⅴ）阴极电弧源，（Ⅵ）弧源电源，（Ⅶ）偏压电源。弧源中靶材（1）安装在阴极靶座（2）上，靶材后安放电磁线圈（3）。靶座（2）通过绝缘件（4）固定在真空室（Ⅰ）上。镀膜时通过引弧极（5）引燃弧光。

图3为本发明一种实施例的阴极电弧源结构示意图。靶材（1）安装在阴极靶座（2）上，靶材后安放两组线圈（3），每组线圈由两个独立的空心线圈组成。两线圈绕制方向相同，紧密排列。电磁线圈外形尺寸200×200×20mm，内腔空心尺寸30×30×20mm。两个线圈径向宽度相同。线圈由线径0.3-3mm铜线绕成。通入电流0.5-15A。分别由两个直流电源供电。两线圈中通入反向电流。通过微机控制两路电流的变化。阴极电弧班轨迹（4）为小圈到大圈在靶面上扫描。靶材烧蚀均匀，没有明显沟痕（5）。

图4为上一种实施例的电流控制框图。两组电路均采用微机控 制方式。单板机（1）通过接口（2）、D/A转换器（3）控制可控硅触发脉冲移相电路（4），去调整可控硅整流电路（5）的输出电压，分别控制两个线圈（6）中的电流。

图5为本发明第二种实施例的阴极电弧源结构示意图。靶材（1）安装在阴极靶座（2）上，靶材后安放一组电磁线圈（3），由两个有一定间隔的线圈组成。线圈外形尺寸φ200mm，内腔尺寸φ50mm。两线圈径向宽度相同，间隔为20mm。内层线圈用手控方式调整固定电流，外层线圈由图4所述的微机控制方式控制电流变化。电流方向如图中电流方向所示。线径0.5-5mm，通入电流0-20A变化。

图6为本发明的第二种实施例中的电流手动调节方式框图。手调自耦调压器（1），通过整流电路（2），接到第二种实施例的内层线圈上。

图7为本发明的第三种实施例的阴极电弧源结构示意图。靶材（1）安装在阴极靶座（2）上，靶材后安放一组电磁线圈（3）。由一个线圈组成，中间抽头。线圈布满靶面径向，在半径1/2处抽头，用一个电源控制线圈电流。接线方式如图所示。线圈外形尺寸为120×120×30mm，线径0.5-5mm，通入电流0-20A，电流手动，微机控制方式均可。

图8为本发明的第四种实施例的阴极电弧源结构示意图。靶材（1）安装在阴极靶座（2）上，靶材后安放一个空心电磁线圈（3）和一个永磁棒（或圈）（4），线圈外形尺寸φ150×20mm，内腔直径φ100×20mm，线径0.3-3mm，通入电流0-15A。永磁体尺寸φ30×50mm。

Claims (6)

1、一种应用于真空蒸镀、离子镀、离子渗金属领域设备中的新型电磁控阴极电弧源、由靶材(1)、阴极靶座(2)和安放在靶材后面的电磁线圈(3)组成，其特征在于所述的电磁线圈是一种在靶面产生的轴向磁场和径向磁场沿靶面不断变化的电磁线圈。

2、如权利要求1所述的新型电磁控阴极电弧源，其特征在于每个靶材后面安装1组或多组电磁线圈。

3、如权利要求2所述的电磁线圈，其特征在于每组线圈由一个或多个线圈组成。

4、如权利要求3所述的电磁线圈，其特征在于每组线圈中相邻线圈可以是抽头式的或是互相独立的。

5、如权利要求1所述的电磁线圈，其特征在于相邻线圈可以是绕成小截面的空心线圈，或是沿靶面径向布满。

6、如权利要求1所述的电磁线圈，其特征在于线圈的形状可以是圆形、方形、其他形状的。

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