CN102534513B - 一种组合磁场的矩形平面阴极电弧蒸发源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合磁场的矩形平面阴极电弧蒸发源，包括一矩形靶材平板，在靶材平板的正下方、间隔所述靶材平板一段距离处设有一中轴永磁体、四个端角永磁体和至少两个长圆形电磁线圈，所述电磁线圈沿所述靶材平板边缘平行环套设置且通过导线连接可调直流电源，其四个端角处分别设置有一所述端角永磁体，其中，最内侧的电磁线圈的内侧、沿其长轴方向设有所述中轴永磁体，所述中轴永磁体、端角永磁体和电磁线圈所形成的磁场的极性一致。本发明提供了一种无论磁化电流是否变化都能实现靶材利用率高、形成的膜层细腻的阴极电弧蒸发源。

Description

一种组合磁场的矩形平面阴极电弧蒸发源

技术领域

本发明涉及离子镀膜的真空阴极电弧沉积技术，特别涉及大面积矩形平面阴极电弧源的磁场结构设计。    

背景技术

阴极电弧沉积是当前离子镀硬质膜的主流技术之一，由于其等离子体浓度高、离化率高、粒子能量大、沉积速度快、膜基结合力好、成膜质量好，故得到广泛应用；其不足之处是膜层有镀料的宏观(大)颗粒，表面较粗糙。阴极电弧沉积是采用阴极电弧蒸发源蒸发靶料生成等离子体沉积成膜的，其原理是利用真空弧光放电在靶面上产生微细电弧弧斑，通过高温---场致效应机制令弧斑发射出靶材物质的等离子体，该等离子体束包含有靶材物质离子、原子、电子和挟带着未气化的液态原子团(液滴) ，等离子体束飞向工件表面沉积成膜。 

    阴极电弧蒸发源有小园平面型(直径60mm~150mm) 、矩形平面型和园柱型三类，以平面型电弧蒸发源为例，其最前方就是蒸发物料的靶块，它装在靶座上，在靶块的后面即靶座里面都有磁体，利用磁体产生的磁场控制靶块(管)表面上的弧斑运动。以往研究己证实：靶面上的弧斑视在运动方向和快慢受平行于靶面的磁场分量影响，与垂直靶面磁场分量无关。弧斑运动规律遵从：(1)锐角定则：弧斑沿着靶面与磁力线夹角锐角方向运动；(2)后退运动定则：弧斑沿电磁作用的罗仑兹力相反方向运动。综合上述弧斑运动规律，可以认为在贯穿磁力线的靶表面上，弧斑会集中在由磁力线构成的栱型墜道内的靶面上运动。如果磁力线呈扁平栱型，隧道洞越宽，弧斑运动范围越宽，靶的刻蚀面越宽，靶材利用率越高。水平磁场分量越大，弧斑运动越快，则弧斑驻留时间越短，弧斑高温在靶面上生成的微溶池越小，产生飞溅的液滴就越细越少。上述原理是电弧蒸发源磁场设计的依据。 

现有矩形大面积平面靶电弧蒸发源传统的磁场结构多用永磁体，也有用电磁线圈产生磁场代替。采用永磁体的结构简单，一般在靶座底板上置有衔铁板在其上用小块永磁体沿矩形长边方向排成三列，每列中间有适当间隔，呈〝山〞字型布置；中间一列两端头留空，而在两端头左右两列永磁体呈弧形合攏起来，左右两列磁体磁极性相同，而与中间一列磁体极性相反；于是〝山〞字型排列的磁体在其上方的靶材表面产生左右两个栱型磁力线，栱型磁力线覆蓋着靶面形成〝墜道涵洞〞。由于磁体尺寸占位和排列形状等限制，栱型隧道洞穴不会很宽，这就限制着弧斑运动的面积，即限制着刻蚀面积，致使靶材利用率较低。另外这种结构其磁场分布是固定不变的，若要变化磁场，有人采用拉动永磁体离开靶面远近来调整磁场分布，但可调范围较小。采用电磁线圈(螺线圈)可以改变供电的电流、电压，从而实现较大幅度地调整磁场強弱和分布，这是优点。但螺丝圈与永磁体一样，由其在靶面上产生的栱形磁力线包围的墜道洞宽受限制。 

为了控制弧斑运动，扩大弧斑烧蚀均勻区，提高靶材利用率，人们对电弧蒸发源的磁场结构作了许多设计改进方案，各有特点。例如美国专利US4673477是利用蒸发源阴极靶块后装可移动的永磁体或电磁线圈，以改变靶面磁场达到扩大均匀刻蚀区，但传动结构复杂，易发生机械故障。美国专利US4724058是在阴极靶块后装有一些电磁线圈，在靶面产生磁场以推动电弧斑平行于线圈绕组方向作环绕运动，但这样刻蚀轨道窄，发明者通过一些方法会适时減弱对弧斑控制让其任意运动，以扩宽刻蚀轨道。这不是全时精确控制弧斑运动的方法。美国专利US5298136是针对园形电弧蒸发源设计，靠两个电磁线圈和一组磁部件来控制弧斑运动，其中一个电磁线圈装在电弧源外面。该结构有一定控制弧斑偏移作用，但控制效果较弱，而且外置线圈占径向空间致使结构宠大，若用于矩形源更加复杂化。中国专利公开号CN1494603A公开了一种由一组带软铁芯的电磁线圈和与靶面共面置于其外侧四周的永磁体(或用电磁线圈替代)构成的磁场结构，可通过调节磁化电流改变靶面磁场以控制弧斑运动，称能造成強力磁场来引导弧斑运动。该设计对引导弧斑到靶边沿有一定作用，但一定要不断地合理调节磁化电流才有效；另外对于大宽度的靶引导弧斑作用则受限制，靶中轴部位的刻蚀不理想，因为磁化电流不能过太，否则就破坏了弧光放电的机制；而且外置一磁体也使结构复杂化。美国专利US5861088采用一组永磁体和围绕它的两组电磁线圈产生磁场，利用磁场叠加拉平靶面上的磁力线，并主要靠置于蒸发源外第二组电磁线圈实现。该设计没有采用导磁材料，未能充分有效引导磁力线的叠加，对于大宽度蒸发源的效果受限制。 

上述专利各有优缺点，它们若用于大宽度平面电弧源都受到限制，有的一定要不停地调节磁化电流，不能实现既可不变磁化电流又可变化磁化电流两种运行模式；没有充分采用导磁材料有效导向磁力线，以控制磁力线在靶面形状；而且它们都没有注意到平面靶四边角的靶材利用问题。 

总的说来，传统的永磁体或电磁线圈结构设计，受磁体或线圈组件形状和排列的限制，都很难得到扁平栱型具有较宽墜道洞穴的磁力线形状，特别在靶面的中央区、四周边沿区、四边角区、都不在磁力线隧道内，弧斑很少能进入这些区域，因此靶材利用率较低，一般只有20--25%左右。由于弧斑运动面积不够大，靶面发热比较集中，靶面温升相对较高，飞溅的液滴较大较多，膜层较粗糙。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种无论磁化电流是否变化都能实现靶材利用率高、形成的膜层细腻的阴极电弧蒸发源。 

本发明所要解决的技术问题通过如下技术方案实现：一种组合磁场的矩形平面阴极电弧蒸发源，包括一矩形靶材平板，其特征在于：在靶材平板的正下方、间隔所述靶材平板一段距离处设有一中轴永磁体、四个端角永磁体和至少两个长圆形电磁线圈，所述电磁线圈沿所述靶材平板边缘平行环套设置且通过导线连接可调直流电源，其四个端角处分别设置有一所述端角永磁体，其中，最内侧的电磁线圈的内侧、沿其长轴方向设有所述中轴永磁体，所述中轴永磁体、端角永磁体和电磁线圈所形成的磁场的极性一致。 

如设置两个电磁线圈，处于内侧的电磁线圈产生的磁力线栱顶靠近靶材平板中轴，而处于外侧的电磁线圈沿靶材平板外沿设置，其产生的磁力线更靠近靶材平板的边沿，上述电磁线圈产生的磁力线叠加，拉平了其磁力线的栱顶。本发明在线圈的中空区间和线圈四角弧形位外留出的空间上，都填充永磁体即中轴永磁体和端角永磁体，其磁极与电磁线圈磁极方向一致，产生的磁力线叠加后扩展了贯穿靶材平板表面所形成的栱形的跨越范围。对于端角永磁体，利用其产生的磁场与外侧的电磁线圈产生的磁场叠加，向靶材平板的四个端角处扩展了磁力线。对于中轴永磁体，中轴永磁体产生的磁力线与内侧电磁线圈的磁力线叠加，合成的磁力线向中轴方向扩展。采用这些措施，可使弧斑在更宽的轨道上运动，使刻蚀沟更宽更平，靶材利用率更高，靶面发热较分散，从靶面飞溅出来的宏观颗粒细少。当靶面（靶材平板的上表面）更宽时，可以采用由内至外多个电磁线圈组合，得到沿靶宽扩展的平坦栱顶的磁力线，从而得到沿靶宽扩展的均勻的刻蚀沟。 

本方案的电磁线圈内的磁化电流可恒定也可变化，公开号为CN1494603A的中国专利主要靠一个电磁线圈产生磁力线，永磁体在靶材外周侧且与靶表面共面，永磁体产生的磁力线与线圈产生的磁力线相互作用，只有不断变化调节线圈磁化电流以便变化磁力线，才有利于不断地移动弧斑。本发明是只要磁化电流调节合适得到拉平的磁力线栱形，弧斑就在拉平栱形下处出现，不用不断调电流。 

所述的中轴永磁体为由若干块小永磁体顺排形成的长条形永磁体。 

当前强永磁体多用钕铁硼永磁体，由粉末压制烧结而成，若在磁场下压制成形性能会更好。本发明的长条形永磁体优选由若干块小永磁体拼成，是因为小尺寸的磁块即小永磁体工艺上容易实现，如工艺磁场压制成形、充磁等。 

作为对本发明的进一步改进：本发明还可进一步包括导磁衔铁和导磁铁片，所述导磁铁片为一薄铁片，所述的导磁衔铁上表面上设有若干个凹槽，所述的中轴永磁体、端角永磁体和电磁线圈分别嵌入相应的凹槽中且上端面取平并覆盖上所述导磁铁片。 

本发明在永磁体下方和电磁线圈下方、侧面都置有导磁衔铁，让各磁件产生的磁力线都受到导向和聚集，减少发散，更有利于相邻磁场的精确有效叠加。而且在永磁体和电磁线圈朝向靶面的极面上贴一薄的软导磁铁片，相当磁场分流片，磁力线从磁极发出就引导磁力线朝平行磁极表面方向行进，可使磁力线栱型形状趋向扁平，增加磁场水平分量。 

为了及时导走靶材平板上的热量：紧贴所述导磁铁片上端面设置有一冷却水槽板，所述靶材平板密封安装在所述冷却水槽板上端，两者之间形成一留有进、出水口的冷却水道。 

本发明还包括靶座底板，所述冷却水槽板边缘通过连接件连接所述靶座底板，所述导磁衔铁与导磁铁片夹装在所述冷却水槽板与靶座底板之间。 

所述的靶材平板两侧边通过压条紧固在冷却水槽板上。 

相对现有技术，本发明具有如下有益效果：本发明针对现有矩形大面积平面电弧蒸发源的缺点与不足，提出了永磁体和电磁线圈组合磁场设计方案，这种组合设计既利用了永磁体方案结构简单的特点，又利用了电磁线圈配上电源调控方便、可较大范围改变磁场分布的优点，特别突破了永磁体的传统布局，除把永磁体安置在靶中轴线外，还安置到靶的四角，提高了靶材利用率；本发明特别采用导磁材料即导磁衔铁与导磁铁片，有效控制磁力线聚集和导向，让永磁体的固定磁场与可调的电磁线圈的磁场叠加配合，在靶面上可得到充分扩展扁平的栱型磁力线，从而充分拓宽了磁力线围成的墜道洞穴，这样弧斑运动面积扩大，刻蚀面积增大，刻蚀轨道沟展平了，靶材利用率提高到35--40%；靶材利用率提高，靶面发热较为分散，靶面温升相对较低，飞溅的液滴较细较少，沉积后形成的膜层较细腻；本方案的电磁线圈内的磁化电流可恒定也可变化，可采用上述两种运行模式；另外本发明设置冷却水槽板并通冷却水，及时导走靶材平板和电磁线圈上产生的热量。 

附图说明

图1本发明较佳实施例的截面图； 

图2为沿图1 A-A处的剖视图；

图3为本发明的电磁线圈和永磁体磁力线叠加示意图；

图4为本发明的靶面上方叠加的磁力线和靶材平板的截面刻蚀沟示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述： 

如图1、2所示，本发明的组合磁场的矩形平面阴极电弧蒸发源，包括一矩形靶材平板8、冷却水槽板7、导磁铁片6、导磁衔铁2、靶座底板1、中轴永磁体9、四个端角永磁体13、至少两个长圆形电磁线圈；靶座底板1支承着整个电弧蒸发源，靶座底板1上设置导磁衔铁2，导磁衔铁2面向靶座底板1的一面是平面，另一面为凸凹状，导磁衔铁2上表面上设有若干个凹槽，中轴永磁体9、端角永磁体13和电磁线圈分别嵌入相应的凹槽中且上端面与导磁衔铁2取平，导磁衔铁2上覆盖着导磁铁片6，导磁铁片6为一软而薄的铁片，若铁片太厚，大多磁力线都封闭在铁片内，那在靶材表面沒有〝漏出〞多少磁力线，就无法约束弧斑。铁片的具体厚度与其下方的磁场強度、要求漏出磁力线多少、磁力线栱型形状有关。导磁铁片6上紧贴设置冷却水槽板7，冷却水槽板7边缘通过连接件5连接靶座底板1，导磁衔铁2与导磁铁片6夹装在冷却水槽板7与靶座底板1之间,电弧源通过冷却水槽板7绝缘固连在镀膜机壁上；靶材平板8两侧边通过压条12紧固在冷却水槽板7上，靶材平板8下侧通过密封垫11密封安装在冷却水槽板7上端，两者之间形成一留有进、出水口的冷却水道10，让冷却水无死角顺畅地流动，带走在靶材平板8上因电弧放电时所产生的热量。

中轴永磁体9为由若干块小永磁体顺排形成的长条形永磁体，本实施例中的电磁线圈为两个，内电磁线圈3和外电磁线圈4，电磁线圈3、4平行环套设置，各自通过导线连接可调直流电源（未画出），长圆形的内电磁线圈(螺线圈)3和外电磁线圈4是产生磁场的主要部件，两电磁线圈在靶材平板8上的投影覆盖其大部分面积，其四个端角处分别设置有一端角永磁体13，其中，内电磁线圈3的内侧、沿其长轴方向设有中轴永磁体9，中轴永磁体9、端角永磁体13和电磁线圈3、4所形成的磁场的极性一致。 

当电磁线圈3、4通入直流电流，产生磁场，连同永磁体9、13向空间发散磁力线。这些磁力线首先遇到导磁铁片6，它起着分流磁力线并改变磁力线形状的作用，小部分磁力线进入导磁铁片6，而过饱和的其余大部分磁力线贯穿跨越导磁铁片6，受导磁铁片6的导向作用，使这些磁力线趋向平行磁体表面行进，即让其弯曲的栱型变得较扁平，有较多平行靶面的磁场分量。在永磁体9、13和电磁线圈3、4下方和内、外线圈3、4侧面都置有导磁衔铁2，让各磁件产生的磁力线都被导向和聚集，有利于控制磁力线最佳形状減少发散，更有利于相邻磁场的有效叠加，使磁力线栱形的扩宽拱顶展平更好。 

可调直流电源输出电压和输出电流都可调控，输出电压由0~ 100V，输出电流从0~20 A ，也可以恆功率模式输出。通过调节输出电流大小，可调节弧斑运动扩宽轨迹区域，最终达到扩宽靶面均勻刻蚀面积，提高靶材的利用率。 

电磁线圈的供电电流可调，虽然可以增強或削弱磁场，但若采用单个电磁线圈，由于线圈结构的对称性，即使调控供电电流大小，其所产生的拱形磁力线形状都相似，其磁力线平行靶面最大磁场分量始终位于栱形弧线的顶点处，都对应着靶面同一位置上。根据弧斑运动的〝锐角定则〞，弧斑运动主要约束在上述两组栱形磁力线包围的墜道洞内的靶材平板8的表面上，在栱弧形的中心即栱形顶点对应下方靶材平板8表面相应位置上弧斑出现的几率最高；另外，在栱弧形顶点处平行靶面的磁场強度分量最大，依据弧斑运动〝后退定则〞，弧斑受该磁场水平分量作用，在靶面上沿着栱形隧道洞內其顶点对应的轨迹上运动，相当于往墜道洞里钻，如图4所示，在靶面上看即沿着其上以长圆形的跑道运动；即使改变供电电流大小，磁场随着变強变弱，但其磁力线栱形对称性不变，即栱形顶点位置基本不变，那么弧斑运动轨迹基本不变，隨着磁场强弱变化主要改变弧斑运动快慢。所以单个电磁线圈产生磁场，即使改变供电电流大小，弧斑在靶面上运动面积相对固定，刻蚀面积受到限制。 

为了改善此缺点，如图2所示，采用电磁圈线3、4与永磁体组合，中轴永磁体9置于内电磁线圈3的中空区，即在靶材平板8的中轴线正下方，如图3、4所示，电磁线圈3、4和中轴永磁体9两者的栱形磁力线叠加，拉宽了栱形顶部的形状，磁力线拱型区向中轴方向扩展，相应地刻蚀沟向中轴方向扩宽。而且随着电磁圈线3、4供电电流由小至大，合成的磁场栱形磁力线栱顶位置由较靠近中轴永磁体9到稍离开，成动态移位，可以控制推动弧斑在较宽的轨道上运动，展平刻蚀沟。同样原理，通过电磁线圈与四个端角永磁体13的磁力线叠加，可以向靶材平板8四角扩展磁力线拱型范围，也相应向靶材平板8四边角展宽了刻蚀沟。 

对于更宽的靶面可以采用更多重电磁线圈代替内外两电磁线圈，与上述思路一样，在靶材平板的中轴和四角正下方安置永磁体，且与多重电磁线圈有相同极性，同样在永磁体和电磁线圈下方和各线圈侧面都设置导磁衔铁，在永磁体和电磁线圈朝向靶材平板的端面上贴一薄的软导磁铁片，采用这种磁件设计，永磁体与多重电磁线圈的磁力线叠加，其合成的磁力线栱型向中轴、靶的边沿和四角同时展宽，磁力线栱型跨越范围更加扩大，栱顶也拉平，这样弧斑在更宽的轨道运动，刻蚀沟更宽更平了，靶材利用率更高，即可实现更宽靶面均勻的刻蚀。 

 本发明的电磁线圈与永磁体的组合磁场结构，利用两者磁力线叠加合成相连，实现磁力线栱弧形顶的扩宽展平，让磁力线栱弧形区覆盖面积扩展到靶材平板的中轴附近和四边角区域，有利于弧斑运动区域扩展，扩大靶的均勻刻蚀区。 

本发明采用内、外电磁线圈与永磁体组合的磁场结构，通过它们的磁力线叠加合成，不仅向靶中轴方向扩展了磁力线弧形区，还向靶材平板边沿处扩展了磁力线栱弧区，使磁力线栱形区覆盖面积更宽，栱顶扁平区更大，更有利于弧斑运动区域扩展和扩大靶的均匀刻蚀区。 

本发明通过电磁线圈与永磁体的组合，利用电磁线圈供电可调整电磁圈磁场强弱，所合成的磁场的磁力线栱弧形的形状可以变化，通过合理调控可得到最佳的磁力线栱顶扩宽和展平，即可调控弧斑在较宽的轨迹上运动，可加宽均匀刻蚀沟，靶材利用率从25%提高到37%。 

本发明可以调节电磁线圈的最佳磁化电流，一来扩宽弧斑范围运动，二来加速斑弧运动速率，上述这些因素都有利于缩短弧斑在靶面某位置的驻留时间，从而降低在某位置的温升集中，有利于靶面冷却散热，进而有利于缩细靶面电弧产生的微溶池，让电弧产生的宏观颗粒(靶材的微液滴)变细变小，使镀层更光滑致密。

Claims (6)

1.一种组合磁场的矩形平面阴极电弧蒸发源，包括一矩形靶材平板，其特征在于：在靶材平板的正下方、间隔所述靶材平板一段距离处设有一中轴永磁体、四个端角永磁体和至少两个长圆形电磁线圈，所述电磁线圈沿所述靶材平板边缘平行环套设置且通过导线连接可调直流电源，最外侧的电磁线圈四个端角处分别设置有一所述端角永磁体，其中,最内侧的电磁线圈的内侧、沿其长轴方向设有所述中轴永磁体,所述中轴永磁体、端角永磁体和电磁线圈所形成的磁场的极性一致。

2.根据权利要求1所述的组合磁场的矩形平面阴极电弧蒸发源，其特征在于：所述的中轴永磁体为由若干块小永磁体顺排形成的长条形永磁体。

3.根据权利要求1或2所述的组合磁场的矩形平面阴极电弧蒸发源，其特征在于：所述电弧蒸发源还包括导磁衔铁和导磁铁片，所述导磁铁片为一薄铁片，所述的导磁衔铁上表面上设有若干个凹槽，所述的中轴永磁体、端角永磁体和电磁线圈分别嵌入相应的凹槽中且上端面取平并覆盖上所述导磁铁片。

4.根据权利要求3所述的组合磁场的矩形平面阴极电弧蒸发源，其特征在于：紧贴所述导磁铁片上端面设置有一冷却水槽板，所述靶材平板密封安装在所述冷却水槽板上端，两者之间形成一留有进、出水口的冷却水道。

5.根据权利要求4所述的组合磁场的矩形平面阴极电弧蒸发源，其特征在于：所述电弧蒸发源还包括靶座底板，所述冷却水槽板边缘通过连接件连接所述靶座底板，所述导磁衔铁与导磁铁片夹装在所述冷却水槽板与靶座底板之间。

6.根据权利要求5所述的组合磁场的矩形平面阴极电弧蒸发源，其特征在于：所述的靶材平板两侧边通过压条紧固在冷却水槽板上。

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