CN103526166B - 矩形平面阴极弧源和阴极靶材烧蚀装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矩形平面阴极弧源和阴极靶材烧蚀装置，该矩形平面阴极弧源包括：电磁线圈、中心永磁体组和与中心永磁体组极性相反的外围永磁体组；所述中心永磁体组放置于所述电磁线圈的中心；所述外围永磁体组放置于所述电磁线圈的外围。通过本发明所提供的矩形平面阴极弧源和阴极靶材烧蚀装置可以在提高制备涂层的质量的同时，保证阴极靶材的利用率和沉积速率。

Description

矩形平面阴极弧源和阴极靶材烧蚀装置

技术领域

本发明涉及物理气相沉积技术领域，特别涉及一种矩形平面阴极弧源和阴极靶材烧蚀装置。

背景技术

物理气相沉积（PVD），是指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程。它可以使某些有特殊性能的微粒喷涂在性能较低的母体上，使得母体具有更好的性能。PVD的基本方法有：真空蒸发、溅射、离子镀等。

阴极弧（CathodeArc）技术作为PVD方式的一种，被广泛应用于制备光电、耐腐蚀的涂层和薄膜，与其它的PVD方式相比，阴极弧不仅具有沉积速率高、等离子体束流能量高的优点，而且获得的薄膜内应力小、结合强度高、综合性能优异。阴极弧源是阴极弧沉积设备的核心部件，阴极弧源的束流品质的优劣，直接决定着制备薄膜的好坏，根据形状和结构的不同，阴极弧源可以分为圆形弧源、矩形平面大弧源及柱形弧源等。

矩形阴极弧源通常采用磁场来控制弧斑的运动，通过磁场可以在阴极靶材的表面对电子产生径向推力和周向力，使弧斑在阴极靶材的表面作周向旋转运动，同时从圆心向外作径向运动。阴极弧源的磁场强度和阴极弧源的设计会直接影响到涂层表面的质量和沉积速率：当磁场强度较高时，可获得高表面质量的涂层，但弧斑的运动范围会限制在较狭窄区域，造成沉积速率下降，阴极靶材烧蚀面积减小；然而，当磁场强度较低时，可获得较高沉积速率和阴极靶材利用率，但是由于蒸发出的大颗粒较多，涂层表面质量将很差。目前的控制方式很难在保证涂层质量的同时，保证阴极靶材的利用率和沉积速率。

目前，对矩形阴极弧源的设计方式主要有两种：

1）采用永磁体进行控制，采用永磁体进行控制主要是通过用手拉动永磁体离开阴极靶材的表面的远近来调节产生的磁场的强弱，可调范围比较小，不过优点是结构和操作较为简单；

2）采用电磁线圈进行控制，采用电磁线圈进行控制主要是通过改变电磁线圈的电流的幅度大小来调节磁场的强度，因此可变范围比较大，但是缺点是装置的结构较为复杂。

然而，受到永磁体和电磁线圈的形状和排列的限制，采用这两种方式都会出现弧斑运动面积较小的问题，同时会使得局部的阴极靶材的表面发热较高，易产生液滴飞溅，难以实现较大面积的扫描，很难在保证涂层质量的同时，保证阴极靶材的利用率和沉积速率。

发明内容

本发明提供了一种矩形平面阴极弧源和阴极靶材烧蚀装置，以在保证涂层质量的同时，保证阴极靶材的利用率和沉积速率。

本发明实施例提供了一种矩形平面阴极弧源，包括：

电磁线圈、中心永磁体组和与中心永磁体组极性相反的外围永磁体组；

所述中心永磁体组放置于所述电磁线圈的中心；

所述外围永磁体组放置于所述电磁线圈的外围。

一个实施例中，所述中心永磁体组和/或所述外围永磁体组由多个磁柱排列而成。

一个实施例中，所述中心永磁体组由多个磁柱排列而成时，所述中心永磁体组由多个磁柱排成一列。

一个实施例中，所述中心永磁体组由多个磁柱排列而成时，所述中心永磁体组中的各磁柱之间的距离小于阈值。

一个实施例中，所述外围永磁体组由多个磁柱排列而成时，所述外围永磁体组由多个磁柱排成圆周。

一个实施例中，所述外围永磁体组由多个磁柱排列而成时，所述外围永磁体组中的各磁柱之间的距离小于阈值。

一个实施例中，上述矩形平面阴极弧源还包括：极靴，极靴的下表面为平面，上表面设置有多个凹槽，所述中心永磁体组和/或所述外围永磁体组中的各磁柱镶嵌在所述极靴的凹槽中。

一个实施例中，所述电磁线圈的参数是可变的，其中，所述参数包括以下一种或多种：电压、电流、频率。

一个实施例中，上述矩形平面阴极弧源还包括：与所述电磁线圈连接的线圈电流源，所述线圈电流源包括：

线圈电源，用于提供所述矩形平面阴极弧源工作时所述电磁线圈所需的电流；

波形发生器，与所述线圈电源相连，用于对线圈电源输出的电流的波形进行调节；

电源调幅装置，与所述波形发生器和所述电磁线圈相连，用于对所述波形发生器输出的电流进行幅度调节，并将幅度调节后的电流输出至所述电磁线圈。

一个实施例中，在所述外围永磁体组的外围设置有靶壳。

一个实施例中，在所述外围永磁体组和所述靶壳之间设置有绝缘材料。

本发明实施例还提供了一种阴极靶材烧蚀装置，包括：上述的矩形平面阴极弧源，和位于上述矩形平面阴极弧源上方预定距离内的阴极靶材。

一个实施例中，上述阴极靶材烧蚀装置还包括：冷却降温装置，与所述阴极靶材的下表面贴合，用于对所述阴极靶材进行冷却降温。

一个实施例中，所述冷却降温装置包括：冷水管。

在本发明实施例中，提供了一种矩形平面阴极弧源和阴极弧源靶材装置，该矩形平面阴极弧源中设置有电磁线圈、中心永磁体组和与中心永磁体组极性相反的外围永磁体组，且中心永磁体组放置于电磁线圈的中心，外围永磁体组放置于电磁线圈的外围。因为两个永磁体组中间放置了电磁线圈，在电磁线圈通电的情况下，会使得永磁体组原本的磁场产生微扰动，从而改变阴极靶材的磁场位形，使阴极靶材的表面的磁镜效应区域发生变化，进而使得阴极弧源所产生的燃烧轨迹发生变化，通过上述方式可以在提高制备涂层的质量的同时，保证阴极靶材的利用率和沉积速率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例的矩形平面阴极弧源的平面示意图；

图2是本发明实施例的矩形平面阴极弧源的截面示意图；

图3是本发明实施例的线圈电源的结构示意图；

图4是本发明实施例的电磁线圈电流为0A的磁场位形示意图；

图5是本发明实施例的电磁线圈电流为5A的磁场位形示意图；

图6是本发明实施例的电磁线圈电流为-5A的磁场位形示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

发明人发现，对于单独采用永磁体或者是单独采用电磁线圈这两种控制方式，会存在以下问题：在变化磁场时需要不断调节永磁体的位置或者是调节电磁线圈的电流，对于同一阴极靶材而言，不能实现变化电磁线圈电流和不变电磁线圈电流两种工作模式都能工作；受永磁体及电磁线圈的形状和排列的限制，弧斑运动面积较小，局部靶面发热较高，易产生液滴飞溅，不能实现较大面积上的燃烧轨迹的扫描。诸多研究证实弧斑运动受平行的阴极靶材的表面的磁场分量的影响，弧斑总是集中在靶材表面平行磁场分量最大处烧蚀，如果能通过一种方案，让阴极靶材表面的磁镜效应区在其上不断变换位置，就可以使燃烧轨迹产生扫描效果，不但可以精确控制弧斑运动，实现沿阴极靶材的表面均匀烧蚀，提高涂层质量，同时也可以在更大范围内烧蚀阴极靶材，提高靶材的利用率和沉积速率。

为了解决上述问题，实现在扩大阴极靶材的烧蚀范围的同时，提高涂层表面的质量的目的，在本发明实施例中提供了一种矩形平面阴极弧源，采用永磁体及电磁线圈复合控制的方式，利用电磁线圈电流的变化，使永磁体的磁场与电磁线圈产生的磁场相互作用，改变阴极弧靶的磁场位形，使靶面的磁镜效应区域发生变化，进而实现烧蚀区域的扫描方式的变化，从而在扩大阴极靶材烧蚀范围的同时，提高涂层的表面质量。如图1所示是矩形平面阴极弧源的平面图，该矩形平面阴极弧源包括：

电磁线圈1、中心永磁体组2和与中心永磁体组2极性相反的外围永磁体组3；

中心永磁体组2放置于电磁线圈1的中心；

外围永磁体组3放置于电磁线圈1的外围。

在本实施例中，提供了一种矩形平面阴极弧源和阴极靶材烧蚀装置，该矩形平面阴极弧源中设置有电磁线圈、中心永磁体组和与中心永磁体组极性相反的外围永磁体组，且中心永磁体组放置于电磁线圈的中心，外围永磁体组放置于电磁线圈的外围。因为两个永磁体组中间放置了电磁线圈，在电磁线圈通电的情况下，会使得永磁体组原本的磁场产生微扰动，从而改变阴极靶材的磁场位形，使阴极靶材的表面的磁镜效应区域发生变化，进而使得阴极弧源所产生的燃烧轨迹发生变化，通过上述方式可以在提高制备涂层的质量的同时，保证阴极靶材的利用率和沉积速率。

如图2所示是矩形平面阴极弧源的截面示意图，中心永磁体组2和外围永磁体组3由多个磁柱排列而成，中心永磁体组2由多个磁柱排成一列，外围永磁体组3由多个磁柱排成圆周，其中，中心永磁体组和外围永磁体组中的各磁柱之间的距离小于阈值。

为了使得在矩形平面阴极弧源工作过程中，中心永磁体组2与外围永磁体组3和电磁线圈1可以移动以实现磁镜效应位置的变化，在矩形平面阴极弧源中，如图2所示，该矩形平面阴极弧源中还设置有：极靴5，极靴5的下表面为平面，上表面设置有多个凹槽，中心永磁体组2和外围永磁体组3中的各磁柱镶嵌在极靴5的凹槽中。

在一个实施例中，电磁线圈的参数是可控的，该参数主要包括：电压、电流、频率等，因为参数可控，从而可以通过对电磁线圈的参数（例如电流）的调整，使得阴极弧源的燃烧轨迹在阴极靶材的表面不断做收缩及扩展运动，从而在提高制备涂层的质量的同时，提高了靶材的利用率。

本发明实施例中还提供了一种阴极靶材烧蚀装置，如图2所示，包括：图1所示的矩形平面阴极弧源以及位于所述矩形平面阴极弧源上方预定距离内的阴极靶材9，待腐蚀的阴极靶材9位于电磁线圈1、中心永磁体组2和外围永磁体组3所形成的平面的上方。为了防止阴极靶材9过热，可以如图2所示，在设阴极靶材的下表面贴合设置有冷却降温装置，用于对阴极靶材9进行冷却降温，如图2所示，该冷却降温装置可以是进水管7和出水管8，冷却水由进水管7进入，从另一侧的出水管8流出，为阴极靶材9提供实时冷却。

如图2所示，矩形平面阴极弧源中外围永磁体组3的外围设置有靶壳6，为了保证安全性和可靠性，在外围永磁体组3和靶壳6中间填充有陶瓷绝缘材料4。

在一个实施例中，可以在阴极靶材9的上表面连接引弧针，在下方的背面连接靶电源。电弧等离子体镀膜的基本原理是在真空条件下，用引弧针引弧，使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电，阴极表面快速移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发，因此需要在阴极靶材9的上表面连接引弧针进行引弧。

因为电磁线圈1是参数可控的电磁线圈，在实施的过程中，电磁线圈的参数的变化，主要是通过为其提供电源的线圈电流源所提供的电源的变化而变化的，在一个实施例中，线圈电流源可以如图3所示包括：线圈电源301，用于提供所述矩形平面阴极弧源工作所需的电流；波形发生器302，与线圈电源301相连，用于对线圈电源301输出的电流的波形进行调节；电源调幅装置303，与波形发生器302和电磁线圈相连，用于对波形发生器302输出的电流进行幅度调节，并将幅度调节后的电流输出至电磁线圈。通过对线圈电流源输出的电流的调整来实现对电磁线圈的控制，同时可以根据所制备的薄膜的需要，来选择线圈电流源的电流大小，波形及幅值。对于不同熔点的材料，可以对电磁线圈输入不同波形的电流，从而扩大靶材的使用范围。

具体的，在实际的使用过程中，可以通过调节线圈电流源的电流在预定的电流范围内变化，对阴极靶材进行腐蚀。例如，可以使得线圈电流源输出的电流在5A到-5A之间进行变化，从而使得阴极靶材的燃烧轨迹在靶面中心到边缘之间扫描，从而提高了阴极靶材的利用率，同时对燃烧轨迹进行实时控制，也避免了阴极靶材局部燃烧的可能，减少了宏观液滴的喷溅。

在本实施例中，针对矩形平面阴极弧源的磁路设计的问题，尤其是矩形阴极弧的磁场控制问题，提出了一种矩形平面阴极弧源，采用磁场微扰技术，在两个永磁体组中间放置电磁线圈，使永磁体组的磁场产生微扰动，从而改变了阴极弧源的磁场位形，使在阴极靶材的磁镜效应区域发生变化，进而使得阴极弧源的燃烧轨迹发生变化，通过可编程式线圈电源给线圈提供正负幅度、频率、波形等可调的电流及电压信号，最终使得燃烧轨迹在阴极靶材的表面产生扫描效果。燃烧轨迹在阴极靶材的表面不断做收缩及扩展运动，不但避免了局部过热带来的液滴喷溅的问题，也提高了制备涂层的质量，而且这种弧斑控制方式也提高了阴极靶材的利用率。同时，可根据不同材料的阴极靶材的需要，调节电磁线圈的电流、电压、波形和幅度，使的阴极靶材的表面的烧蚀更均匀，弧斑运动更稳定。

下面结合一个具体的实施例进行说明，在本实施例中，线圈电源所提供的电流变化范围为5A到-5A：

1）在电磁线圈1的电流为0A时，磁场位形如图4所示，此时电磁线圈暂时不起作用，中心永磁体组2和外围永磁体组3为阴极弧磁场源，电子在磁镜效应下被约束在磁力拱形线区域，在NS两磁极中间部位，磁力线平行于阴极靶材的表面，电子绕磁力线做螺旋运动。根据磁矩守恒原理，此处电子平行磁力线的速度分量较弱，垂直于磁力线（即，阴极靶材的表面）方向速度较强，因此对阴极靶材的表面的轰击碰撞剧烈，可以引起弧斑燃烧，所以阴极靶材烧蚀区域为两级中间。

2）在电磁线圈1的电流为5A时，磁场位形如图5所示，此时电磁线圈将对中心永磁体组2和外围永磁体组3的磁场产生微扰，阴极靶材表面的磁场加强（60G+40G），阴极靶材表面的磁场位形发生变形，中心永磁体组处磁力线位形被拉平，而此处平行阴极靶材的表面磁场又最强，因此电子垂直阴极靶材的表面速度最大，引起弧斑燃烧，阴极靶材的燃烧轨迹被推移到阴极靶材的中间位置。

3）在电磁线圈的电流为-5A时，磁场位形如图6所示，此时电磁线圈1同样也会对中心永磁体组和外围永磁体组的磁场产生微扰，但阴极靶材的表面的磁场被削弱（60G-δ40G），外围永磁体组处磁力线被拉平，阴极靶材的燃烧轨迹被推移到阴极靶材的边缘处，此时此处平行阴极靶材表面的磁场最强，电子垂直阴极靶材的表面处速度最大。

从上述几个电磁线圈的电流边界值磁场位形分析可以推测出，当其电流在5A到-5A之间变化时，其阴极靶材的燃烧轨迹在阴极靶材的表面的中心到边缘之间扫描，这将提高阴极靶材的利用率，同时对燃烧轨迹的实时控制，也避免了阴极靶材局部燃烧的可能，减少了宏观液滴的喷溅，另一方面对于不同熔点的材料，可以对电磁线圈输入不同波形电流，从而也扩大了阴极靶材的使用范围。

通过本例的方法可以实现弧斑燃烧轨迹在阴极靶材的表面较大范围内进行扫描，从而提高了阴极靶材的利用率，解决了阴极弧宏观液滴喷溅问题，提高了制备涂层的质量；电磁线圈的电流源采用可编程式设计，可实现电磁线圈电流的频率、幅度及波形等的调节，可根据不同材料物理特性对线圈输入的电流信号进行编程，从而提高了适用阴极靶材的范围；采用了可移动式永磁体组和可编程式电磁线圈复合控制磁场技术，扩大了磁场控制的范围和灵活性，既可采用永磁体组单独进行磁场控制，也可采用永磁体组和电磁线圈复合控制的方式，使得该阴极弧源的适用范围更广。

下面给出了两个具体的应用实例：

实例1：永磁体磁场控制下的氮化铬薄膜制备

基于图1所示的弧源结构，采用永磁体磁路进行控制，利用如图4所示的装置进行阴极弧法沉积氮化铬薄膜的技术进行制备实验，其操作步骤如下：

1）零件的清洗

将零件用丙酮超声波清洗30min后，用电吹风吹干后，放入真空室，抽至0.004Pa，通入氩气，调节氩气流量至8sccm，气压控制在0.08Pa，开启气体离子源，进行氩离子轰击清洗，清洗时间控制在45min。

2）Cr过渡层制备

调节氩气流量至50sccm，气压控制在0.6Pa，手动调节阴极弧靶永磁铁组与靶面距离，使其在靶面产生40G磁场，打开弧电源，调节弧靶电流至90A，打开偏压电源使工件偏压为-100V，进行Cr层沉积，沉积时间为30min。

3）沉积CrN

保持其他条件不变，打开氮气并调节氮气气流量至50sccm，总气压控制在0.6Pa，调节弧靶电流至100A，工件偏压仍为-100V。进行CrN层沉积，沉积时间为60min。

实例2：永磁体和电磁线圈复合磁场控制下的氮化钛薄膜制备

基于图1所示的弧源结构，采用永磁体组和电磁线圈复合的磁路控制方式，利用如图6所示的装置进行阴极弧法沉积氮化钛薄膜的技术进行制备实验，其操作步骤如下：

1）零件的清洗

将零件用丙酮超声波清洗30min后，用电吹风吹干后，放入真空室，抽至0.004Pa，通入氩气，调节氩气流量至8sccm，气压控制在0.08Pa，开启气体离子源，进行氩离子轰击清洗，清洗时间控制在45min。

2）Ti过渡层制备

调节氩气流量至50sccm，气压控制在0.6Pa，手动调节阴极弧靶永磁铁组与靶面距离，使其在靶面产生60G磁场，打开弧电源，调节弧靶电流至90A，打开偏压电源使工件偏压为-100V。打开电磁线圈扫描电源，编程，使电流信号为正弦波（幅值±5A，频率120Hz），此时靶面磁场为60±δ40G，进行Ti层沉积，沉积时间为20min。

3）沉积TiN

保持其他条件不变，打开氮气并调节氮气流量至50sccm，总气压控制在0.6Pa，调节弧靶电流至100A，工件偏压仍为-100V，打开电磁线圈扫描电源，编程，使电流信号为三角波（幅值±5A，频率140Hz），此时靶面磁场为60±δ40G，进行TiN层沉积，沉积时间为40min。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例实现了如下技术效果：提供了一种矩形平面阴极弧源和阴极靶材烧蚀装置，该矩形平面阴极弧源中设置有电磁线圈、中心永磁体组和与中心永磁体组极性相反的外围永磁体组，且中心永磁体组放置于电磁线圈的中心，外围永磁体组放置于电磁线圈的外围。因为两个永磁体组中间放置了电磁线圈，在电磁线圈通电的情况下，会使得永磁体组原本的磁场产生微扰动，从而改变阴极靶材的磁场位形，使阴极靶材的表面的磁镜效应区域发生变化，进而使得阴极弧源所产生的燃烧轨迹发生变化，通过上述方式可以在提高制备涂层的质量的同时，保证阴极靶材的利用率和沉积速率。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种矩形平面阴极弧源，其特征在于，包括：

电磁线圈、中心永磁体组和与中心永磁体组极性相反的外围永磁体组；

所述中心永磁体组放置于所述电磁线圈的中心；

所述外围永磁体组放置于所述电磁线圈的外围。

2.如权利要求1所述的矩形平面阴极弧源，其特征在于，

所述中心永磁体组和/或所述外围永磁体组由多个磁柱排列而成。

3.如权利要求2所述的矩形平面阴极弧源，其特征在于，所述中心永磁体组由多个磁柱排列而成时，所述中心永磁体组由多个磁柱排成一列。

4.如权利要求2或3所述的矩形平面阴极弧源，其特征在于，所述中心永磁体组由多个磁柱排列而成时，所述中心永磁体组中的各磁柱之间的距离小于阈值。

5.如权利要求2所述的矩形平面阴极弧源，其特征在于，所述外围永磁体组由多个磁柱排列而成时，所述外围永磁体组由多个磁柱排成圆周。

6.如权利要求2或5所述的矩形平面阴极弧源，其特征在于，所述外围永磁体组由多个磁柱排列而成时，所述外围永磁体组中的各磁柱之间的距离小于阈值。

7.如权利要求2所述的矩形平面阴极弧源，其特征在于，还包括：

极靴，极靴的下表面为平面，上表面设置有多个凹槽，所述中心永磁体组和/或所述外围永磁体组中的各磁柱镶嵌在所述极靴的凹槽中。

8.如权利要求1所述的矩形平面阴极弧源，其特征在于，所述电磁线圈的参数是可变的，其中，所述参数包括以下一种或多种：电压、电流、频率。

9.如权利要求1所述的矩形平面阴极弧源，其特征在于，还包括：与所述电磁线圈连接的线圈电流源，所述线圈电流源包括：

线圈电源，用于提供所述矩形平面阴极弧源工作时所述电磁线圈所需的电流；

波形发生器，与所述线圈电源相连，用于对线圈电源输出的电流的波形进行调节；

电源调幅装置，与所述波形发生器和所述电磁线圈相连，用于对所述波形发生器输出的电流进行幅度调节，并将幅度调节后的电流输出至所述电磁线圈。

10.如权利要求1所述的矩形平面阴极弧源，其特征在于，在所述外围永磁体组的外围设置有靶壳。

11.如权利要求10所述的矩形平面阴极弧源，其特征在于，在所述外围永磁体组和所述靶壳之间设置有绝缘材料。

12.一种阴极靶材烧蚀装置，包括：上述权利要求1至11中任一项所述的矩形平面阴极弧源，和位于所述矩形平面阴极弧源上方预定距离内的阴极靶材。

13.如权利要求12所述的阴极靶材烧蚀装置，其特征在于，还包括：冷却降温装置，与所述阴极靶材的下表面贴合，用于对所述阴极靶材进行冷却降温。

14.如权利要求13所述的阴极靶材烧蚀装置，其特征在于，所述冷却降温装置包括：冷水管。