CN103014632A

CN103014632A - 一种电弧离子镀铁磁性复合结构靶材及其应用

Info

Publication number: CN103014632A
Application number: CN2011102888678A
Authority: CN
Inventors: 孙超; 常正凯; 肖金泉; 宫骏; 华伟刚; 陈育秋
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: CN103014632B

Abstract

本发明属于薄膜制备领域，具体地说是一种电弧离子镀铁磁性复合结构靶材及其应用。所述复合结构靶材包括高磁导率的软磁性材料靶壳与铁磁性材料靶材，所述铁磁性材料靶材与软磁性材料靶壳相连。本发明复合结构靶材解决了由于铁磁性靶材表面增加沟槽克服磁屏蔽时，降低了靶材使用寿命，进而本发明复合结构靶材解决了为改变靶面磁力线分布，在沉积系统中附加耦合磁场所带来的设备操作复杂及成本增加问题。

Description

一种电弧离子镀铁磁性复合结构靶材及其应用

技术领域

本发明属于薄膜制备领域，具体地说是一种电弧离子镀铁磁性复合结构靶材及其应用。

背景技术

电弧离子镀(AIP)技术是采用阴极电弧蒸发源的一种离子镀技术。真空系统通入氩气至1-10^-1Pa时，在阴极靶材与阳极真空室之间引发弧光放电并产生高密度的金属蒸气等离子体。由于电子快速飞离阴极区，使靶材附近正电荷密度增加。弧斑稳定刻蚀阶段，正离子形成的电场强度增加到临界值后，不断促进了阴极电子的发射，使电流的欧姆加热效应增加，进一步提高蒸发离化率；同时，强电场为轰击阴极的正离子提供了足以加热阴极的轰击能，使阴极弧斑局部迅速高温蒸发离化。靶材金属正离子在负电压电场加速作用下，沉积到基体表面成膜。由于其结构简单，沉积速率高(0.1-50μm/min)，入射粒子能量高(约几十电子伏)，离化率高(60％-80％)，绕射性好等优点，使电弧离子镀技术得到快速发展，并成为20世纪80年代以来工业化应用较好的镀膜技术之一，近年来又获得快速发展。

磁性材料，是古老而又用途广泛的功能材料，早在3000年以前就被人们所认识和应用。现代磁性材料已经广泛的用在我们的生活之中，这其中就包括磁性材料薄膜。磁性材料薄膜由于具有高数据存储能力、磁屏蔽功能、高速记忆等优点，被广泛用于制造计算机存储，光通信中的磁光调制器、光隔离器和光环行器等，也用作磁记录薄膜介质和薄膜磁头，以及磁光记录盘等。可以说，磁性薄膜与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济的方方面面紧密相关。

电弧离子镀沉积薄膜过程中，靶材上的弧斑在没有外加磁场条件下在阴极表面作随机运动；在垂直于阴极表面的轴向磁场分量作用下，弧斑随机运动速度加快；弧斑在平行于阴极表面的横向磁场分量作用下，沿洛伦兹力的反方向运动，即呈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)。因此，需要通过控制阴极靶材表面磁场分布来影响阴极前方空间正离子分布，进而间接改变阴极靶材的刻蚀。但是，在使用电弧离子镀沉积磁性薄膜时就会遇到靶材表面磁场不受控的问题。居里温度以下使用铁磁性金属材料作为靶材时，由于外加磁场产生的大部分磁通量会通过靶材短路流通，干扰了阴极靶材表面磁场分布(甚至产生磁屏蔽，如图1所示)，铁磁性靶材总是不能稳定刻蚀，出现严重的跑弧及断弧现象。因此，如何利用铁磁性金属作为电弧离子镀靶材沉积磁性薄膜是本行业的瓶颈问题。

国内外同行为解决此问题也做过一些探索。如在铁磁性靶表面增加沟槽(增加漏磁)，克服磁性靶材的磁屏蔽问题和侵蚀后磁场分布不均问题，实现铁磁性靶材均匀刻蚀的目的，提高了靶材利用率。也有学者通过在靶面或基体附加耦合磁场，使更多磁通量穿过靶面，从而达到改变靶面磁力线分布目的，进而控制铁磁性靶材上弧斑的刻蚀轨迹。然而这些解决方案亦有不足之处：或降低了靶材使用寿命；或附加了额外结构或功能单元，结构更加复杂，不利于工业应用推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电弧离子镀铁磁性复合结构靶材及其应用。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种电弧离子镀铁磁性复合结构靶材：所述复合结构靶材包括高磁导率的软磁性材料靶壳与铁磁性材料靶材，所述铁磁性材料靶材与软磁性材料靶壳相连。

所述软磁性材料靶壳为筒状结构，铁磁性材料靶材位于软磁性材料靶壳内。

所述软磁性材料靶壳与铁磁性材料靶材通过螺栓固接。

所述软磁性材料靶壳与铁磁性材料靶材为间隙配合。

将所述复合结构靶材作为电弧离子镀材，进而得到沉积磁性薄膜。

所述软磁性材料靶壳(4)由最大磁导率μ_max＞10⁴的纯铁、铁硅合金(硅钢)、或铁镍合金(坡莫合金)等软磁性材料构成。

所述铁磁性材料可以为Fe，Co，Ni，Gd，Tb，Dy等元素或其合金、金属间化合物等构成。

本发明的技术原理：本发明采用高磁导率的软磁性靶壳与铁磁性材料复合，由于软磁性靶壳的高导磁能力强制磁力线穿过铁磁性靶材表面，改善了阴极靶材表面磁场分布，使外磁场突破磁性靶材的磁屏蔽干扰(如图2所示)，进而使弧斑受控于靶面横向磁场分量的作用刻蚀靶材，待铁磁性靶材突破其居里温度时，靶材短路流通的外磁场磁力线将全部穿出磁性靶表面(如图3所示)，控制弧斑运动轨迹。

本发明所具有的优点：

1.本发明复合结构靶材解决了由于铁磁性靶材表面增加沟槽克服磁屏蔽时，降低了靶材使用寿命，进而本发明复合结构靶材解决了为改变靶面磁力线分布，在沉积系统中附加耦合磁场所带来的设备操作复杂及成本增加问题。

2.本发明的复合靶材装置制作简单，成本低廉，进而实现沉积不同功能要求的磁性薄膜，同时应用到电弧离子镀。

3.本发明的复合靶材不需要对靶材表面再加工，大大提高了靶材利用率。

4.本发明的复合靶材利用电弧离子镀自加热的特点来突破居里温度，无需附加外加热源及其它装置，最大限度地减小对薄膜沉积的影响，实现了快速制备不同功能的磁性薄膜，使得电弧离子镀磁性材料涂层工业化成为可能。

5.本发明利用软磁性靶壳的高导磁能力的特点，强制磁力线穿过铁磁性靶材表面，从而达到影响阴极前方空间正离子分布，解决了起始引弧弧斑出现的跑弧及断弧问题。

6.本发明根据铁磁性靶材磁性物理特点，利用铁磁性材料在居里温度时的铁磁性转变为顺磁性特点。当弧斑刻蚀过程中的自加热效应使磁性靶材突破居里点温度时，即完成了铁磁性向顺磁性转变，靶材短路流通的外磁场磁力线将穿出磁性靶表面，使靶材表面磁场位形获得重新分布和可控(如图3所示)，进而可以控制弧斑的运动轨迹，实现了磁性靶材稳定均匀刻蚀。

附图说明

图1为居里温度以下时，普通铁磁性靶材在永磁铁作用下磁场分布的ANSYS有限元模拟结果图，其中a图为磁力线分布图，b图为磁通密度矢量图，c图为b图标识区域靶材表面局部放大图；

图2为本发明实施例提供的复合结构靶材在居里温度以下时，在永磁铁作用下磁场分布的ANSYS有限元模拟结果图，其中a图为磁力线分布图，b图为磁通密度矢量图，c图为b图标识区域靶材表面局部放大图；

图3为本发明实施例提供的复合结构靶材在居里温度以上时，在永磁铁作用下磁场分布的ANSYS有限元模拟结果图，其中a图为磁力线分布图，b图为磁通密度矢量图，c图为b图标识区域靶材表面局部放大图；

图4为本发明实施例提供的高磁导率的软磁材料作靶壳，铁磁性材料作靶芯的复合靶材示意图，其中a图为剖面图，b图为俯视图；

图5为本发明实施例提供的铁-钴合金复合靶材实物图；

图6为本发明实施例提供的钴合金靶材使用过程视频截图；

图7为本发明实施例提供的铁-钴合金复合靶材使用过程视频截图；

图8为本发明实施例提供的使用钴合金靶材沉积涂层的表面形貌及能谱结果图；

图9为本发明实施例提供的使用铁-钴合金复合靶材沉积涂层的表面形貌及能谱结果图；

其中：1为永磁铁，2为铁磁性材料靶材，3为空气，4为高磁导率的软磁材料靶壳，5为钴合金靶芯，6为工业纯铁。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图4所示，本发明的电弧离子镀铁磁性复合靶材，由高磁导率的软磁材料靶壳4及磁性材料靶材2所组成。

所述靶壳4的内径略大于磁性材料靶材2的外径，两者通过螺纹固定，也可通过螺栓将复合靶材两部分固定。

所述金属靶壳4具有高导磁能力的特点，强制磁力线穿过铁磁性靶材表面(如图2所示)，改善阴极靶材表面磁场分布，进而解决磁性靶材2在低于居里温度的引弧起始阶段时出现的“跑弧”问题。

复合结构靶材包括高磁导率的软磁性材料靶壳4与铁磁性材料靶材2，所述铁磁性材料靶材2与软磁性材料靶壳4相连。

软磁性材料靶壳4为筒状结构，铁磁性材料靶材2位于软磁性材料靶壳4内。软磁性材料靶壳4与铁磁性材料靶材2通过螺栓固接。所述软磁性材料靶壳4与铁磁性材料靶材2为间隙配合。

将通过上述得到的复合靶材与普通磁性材料靶材沉积涂层进行对比实验，实验情况及结果描述如下：

采用工业纯铁靶壳与钴合金(Si：3-5wt.％，Fe：8-10wt.％，Co：余量)磁性靶材所组成的复合靶材(如图4所示)，与相同成分钴合金普通靶材的使用进行对比。图6为钴合金普通靶材使用过程视频截图，由图中可见弧斑在引弧后迅速运动到靶边刻蚀。其原因是由于较低温度时(低于居里温度)，靶材边缘的横向磁场密集(见图1a，b)，受横向磁场洛伦兹力作用，弧斑优先在横向磁场密集处刻蚀，产生了“跑弧”现象。并且弧斑可能会集中刻蚀普通磁性靶材边缘一点(见图6a)，导致阴极靶材边缘局部温升过高，使之熔融、变形而接触周围阳极炉壳，造成电源短路。图7为铁-钴合金复合靶材使用过程视频截图。在引弧起始阶段，工作温度低于磁性材料的居里温度，工业纯铁的高磁导率“诱发”了部分短路磁力线穿过钴合金靶材表面，通过铁靶壳形成回路(见图2)。因此，弧斑在靶面横向磁场洛伦兹力作用下优先在钴合金靶材上稳定刻蚀，见图7。直至弧斑的自加热效应使磁性靶材突破居里温度后，靶材短路流通的外磁场磁力线将全部穿出磁性靶表面(见图3)，控制弧斑运动轨迹。图8为使用钴合金靶材沉积涂层的表面形貌及能谱结果，图9为使用铁-钴合金复合靶材沉积涂层的表面形貌及能谱结果，由此可见使用工业纯铁作靶壳的复合靶材所涂层与原始钴合金靶材沉积涂层成分一致，铁靶壳未改变涂层成分比例造成污染。

Claims

1.一种电弧离子镀铁磁性复合结构靶材，其特征在于：所述复合结构靶材包括高磁导率的软磁性材料靶壳(4)与铁磁性材料靶材(2)，所述铁磁性材料靶材(2)与软磁性材料靶壳(4)相连。

2.按权利要求1所述电弧离子镀铁磁性复合结构靶材，其特征在于：所述软磁性材料靶壳(4)为筒状结构，铁磁性材料靶材(2)位于软磁性材料靶壳(4)内。

3.按权利要求1或2所述电弧离子镀铁磁性复合结构靶材，其特征在于：所述软磁性材料靶壳(4)与铁磁性材料靶材(2)通过螺栓固接。

4.按权利要求1所述电弧离子镀铁磁性复合结构靶材，其特征在于：所述软磁性材料靶壳(4)与铁磁性材料靶材(2)为间隙配合。

5.按权利要求1所述电弧离子镀铁磁性复合结构靶材的应用，其特征在于：将所述复合结构靶材作为电弧离子镀材，进而得到沉积磁性薄膜。