CN104294227A - 动态磁场阴极电弧源 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种动态磁场阴极电弧源，包括靶材、靶座和磁场，所述磁场的芯轴上按照同一方向螺旋绕制有线圈，所述线圈接入直流电源，所述直流电源的电流大小呈周期性变化，所述电流大小的周期性变化的频率为5Hz-50Hz，所述直流电源的电流在0-10A范围内连续可调，产生在所述靶材表面的磁场强度在5Gs-350Gs之间连续周期性变化。本发明采用接通直流电源的线圈作为磁场，且直流电源的电流周期性变化，产生磁场的强度周期性变化，从而使得靶材表面的磁场强度周期性变化，弧斑在靶材表面时而发散运动在整个靶材表面，时而聚集在靶材表面磁场最强区域运动，靶材冷却充分，消除熔池的产生，抑制液滴，降低弧斑尺寸，涂层表面光滑，结构致密，并且靶材利用率增加。

Description

动态磁场阴极电弧源

技术领域

本发明属于真空镀膜技术领域，尤其涉及一种动态磁场阴极电弧源。

背景技术

阴极电弧是一种典型的离子镀膜技术，在实际工业生产中，所制备涂层表面颗粒大和靶材利用率不高是始终困扰技术进步的难题。大量研究表明，造成涂层表面颗粒大的直接原因是电弧液滴的产生，其根本原因是弧斑过于集中造成靶材过热，形成熔池产生熔液飞溅；而靶材利用率不高的原因主要是阴极磁场固定，造成弧斑运动区域过于集中所致。

如图1a所示，普通的电弧阴极采用永磁铁11，磁场强度固定不变，磁场在靶材12表面的分布固定不变，永磁铁11固定在靶座13内部，永磁铁11与靶座13之间注有冷却水14。如图1b所示，弧斑在靶材表面磁场最强的区域处烧蚀的几率最大，因此最先被刻蚀掉。当磁场最强的区域处的靶材被刻蚀掉后，这部分靶材表面的磁场变得比其它区域更强，弧斑在此区域处的烧蚀几率更大，此区域处的靶材消耗的速度更快，久而久之，靶材的刻蚀出现了如图1c所示的情况，靶材中央磁场强度最小的区域几乎没有消耗，而磁场强度最大的区域已经消耗完毕，从而形成了深深的刻蚀沟15。这样带来的结果是靶材的利用率低，弧斑总是集中在一个区域，冷却效果差，容易产生大液滴，造成涂层表面粗糙，涂层截面出现孔洞，膜层疏松，性能下降。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种动态磁场阴极电弧源。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：

一种动态磁场阴极电弧源，包括靶材、靶座和磁场，所述磁场的芯轴上按照同一方向螺旋绕制有线圈，所述线圈接入直流电源，所述直流电源的电流大小呈周期性变化，所述电流大小的周期性变化的频率为5Hz-50Hz，所述直流电源的电流在0-10A范围内连续可调，产生在所述靶材表面的磁场强度在5Gs-350Gs之间连续周期性变化。

优选的，上述的动态磁场阴极电弧源，其中：所述靶材安装在靶座上，所述线圈固定在所述靶座内部的中央，所述线圈的几何对称轴和所述靶座的几何对称轴重合。

优选的，上述的动态磁场阴极电弧源，其中：所述靶材为平面矩形靶，所述芯轴为多棱柱体，所述芯轴的外侧面上螺旋绕制所述线圈；所述平面矩形靶安装在矩形靶座上，所述线圈固定在所述矩形靶座内部的中央，所述线圈的几何对称轴和所述矩形靶座的几何对称轴重合。

优选的，上述的动态磁场阴极电弧源，其中：所述靶材为平面圆弧靶，所述芯轴为圆柱体，所述芯轴的圆柱面上螺旋绕制所述线圈；所述平面圆弧靶安装在圆柱形靶座上，所述线圈固定在所述圆柱形靶座内部的中央，所述线圈的轴心与所述芯轴的轴心重合，所述线圈的几何对称轴和所述圆柱形靶座的几何对称轴重合。

优选的，上述的动态磁场阴极电弧源，其中：所述靶座内设有空腔，所述空腔内注有用于对所述靶材和所述线圈进行冷却的冷却水。

优选的，上述的动态磁场阴极电弧源，其中：所述芯轴的材料为铁磁性材料或非磁性材料。

本发明的突出效果为：本发明的动态磁场阴极电弧源通过采用接通直流电源的线圈作为磁场，且直流电源的电流周期性变化，产生磁场的强度周期性变化，从而使得靶材表面的磁场强度周期性变化，弧斑在靶材表面时而（磁场强度较小时）发散运动在整个靶材表面，时而（磁场强度较大时）聚集在靶材表面磁场最强区域运动，使弧斑具有更快的运动速度和分散的运动区域，弧斑随时随地改变运动方向，不总是在某一个区域运动，让其不重复的运动到靶材表面每一个地方，然后再次重复上次的运动轨迹，那么靶材就会均匀地消耗，不会出现跑道，而且由于弧斑总是周期性的经过靶材表面每一点，靶材表面每一点烧蚀时间相同，冷却时间也相同，那么靶材表面足够大时，就可以保证靶材表面每一点都能够得到充分冷却，不会形成熔池状态进而抑制产生飞溅的液滴；有利于降低弧斑尺寸，充分冷却靶材，消除熔池的产生，抑制液滴，改善涂层质量，其结果是靶材利用率增加，涂层表面光滑，结构致密。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1a是现有技术中电弧靶材使用前的截面图；

图1b是现有技术中电弧靶材表面沿截面的磁场强度分布图；

图1c是现有技术中电弧靶材使用后的截面图；

图2a是本发明实施例1和2中电弧靶材使用前的截面图；

图2b是本发明实施例1和2中电弧靶材表面沿截面的磁场强度分布图；

图2c是本发明实施例1和2中电弧靶材使用后的截面图；

图3a是本发明实施例1的磁场结构图

图3b是本发明实施例1的磁场分布图；

图4a是本发明实施例2的磁场结构图；

图4b是本发明实施例2的磁场分布图；

图5a是本发明实施例1的激励电流变化波形图；

图5b是本发明实施例1的磁场强度变化波形图；

图5c是本发明实施例2的激励电流变化波形图；

图5d是本发明实施例2的磁场强度变化波形图；

图6a是现有技术中电弧源涂层产品截面SEM照片；

图6b是本发明实施例1的电弧源涂层产品截面SEM照片；

图7a是现有技术中电弧源沉积的CrN涂层表面100倍放大图；

图7b是本发明实施例1的电弧源沉积的CrN涂层表面100倍放大图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种动态磁场阴极电弧源，包括靶材、靶座和磁场，如图3a所示，靶材为平面圆弧靶，磁场的芯轴31为圆柱体，芯轴31的材料为铁磁性材料，芯轴31的圆柱面上按照同一方向螺旋绕制线圈32；线圈32接入直流电源，直流电源的输出电流大小呈周期性变化并激励产生一个磁场强度也按照周期性变化的磁场，电流和磁场的变化规律为f（x）=A*∣sin(∏x/f)∣+b，其中：x为变量时间，f为变化频率，b为最小值。平面圆弧靶21安装在圆柱形靶座22上，线圈32固定在圆柱形靶座22内部的中央，线圈32的轴心与芯轴31的轴心重合，线圈32的几何对称轴和圆柱形靶座22的几何对称轴重合。圆柱形靶座22内设有空腔，空腔内注有用于对平面圆弧靶21和线圈32进行冷却的冷却水23，如图2a所示。

本实施例的线圈32形成的磁场分布图如图3b所示，施加在线圈32上的电流为直流，其电流大小按周期性变化如图5a所示，频率f=50，A=2.7，b=0.3，则输出电流的变化规律I (t)=2.7*|sin(∏t/50)|+0.3，输出电流大小在0.3-3A范围周期变化；由此激励电流产生一个按照相同规律变化的磁场，如图5b所示，磁场强度大小按照相同的周期规律变化，B(t)=45*|sin(∏t/50)|+5，磁场在靶材表面的强度在5Gs-50Gs范围周期变化。这个变化的磁场控制弧斑的运动方式，在靶材表面形成收放式扫描，频率f表示收放的快慢。当电流I=0.3A时在靶材表面产生磁场的最大值为5Gs，靶材表面磁场分布如图2b中曲线II，此时弧斑刚好被束缚在靶材外圆范围内而不烧蚀靶材以外的材料，由于弧斑受到的约束很小，弧斑能够在整个靶材表面随机运动，平均结果是靶材整体被消耗，但此时弧斑运动速度最慢，弧斑尺寸最大，如果长时间按此方式工作，虽然靶材利用率增加但由于弧斑本身尺寸较大，涂层细腻程度和硬度得不到保证。当电流最大到I=3A时，激励产生的磁场在靶材表面的强度最大达到50Gs，靶材表面磁场分布如图2b中曲线I，弧斑的运动被很大约束，此时弧斑的运动被限制在磁场强度最大的区域，弧斑运动速度最大，尺寸最小，但此时弧斑运动过于集中导致靶材产生熔池，涂层表面出现液滴，靶材出现跑道，如图1c所示。

当输出电流I(t)=2.7*|sin(∏t/50)|+0.3时，激励产生磁场在靶材表面磁场B(t)=45*|sin(∏t/50)|+5，如图2b所示，平面圆弧靶21表面上任一点磁场强度的变化都在曲线I和曲线II之间。随着激励电流的减小，激励的磁场强度也减小，弧斑运动越来越分散，直到分散到整个靶材表面，靶材局部刻蚀渐渐消除，刻蚀的位置得到及时冷却，待到下一次刻蚀到来，已经完全冷却下来，消除了由于材料得不到充分冷却而处于熔融状态导致的液滴产生；当激励电流由0.3A渐渐增加到3A时，激励的磁场强度也增加，情况和上述相反，弧斑运动范围从整个靶材表面渐渐集中到靶材表面磁场最强的区域。如此往复周期变化，最终靶材的刻蚀状况得到明显改善，如图2c所示，刻蚀区域24平坦，消耗均匀。

经测定，普通平面圆弧靶的靶材利用率为40%，而本实施例的靶材利用率为80%。如图6a所示，现有技术中普通电弧源的涂层中存在大液滴；而如图6b所示，本实施例的涂层产品中不存在大液滴，是典型的柱状晶结构，结构致密。如图7a所示，现有技术中普通电弧源沉积的涂层表面有很多大坑点；而如图7b所示，本实施例的电弧源沉积的涂层表面没有大坑点，其表面表现为针状点，宏观表现光滑。

实施例2：

本实施例的一种动态磁场阴极电弧源，包括靶材、靶座和磁场，如图4a所示，靶材为平面矩形靶，磁场的芯轴41为圆柱体，芯轴41的材料为非磁性材料，芯轴41的圆柱面上按照同一方向螺旋绕制线圈42；线圈42接入直流电源，直流电源的输出电流大小呈周期性变化并激励产生一个磁场强度也按照周期性变化的磁场，电流和磁场的变化规律为f（x）=A*∣sin(∏x/f)∣+b，其中：x为变量时间，f为变化频率，b为最小值。平面矩形靶安装在矩形靶座上，线圈42固定在矩形靶座内部的中央，线圈42的几何对称轴和矩形靶座的几何对称轴重合。矩形靶座内设有空腔，空腔内注有用于对平面矩形靶和线圈42进行冷却的冷却水。

本实施例的线圈42形成的磁场分布图如图4b所示，施加在线圈42上的电流为直流，其电流大小按周期性变化如图5c所示，频率f=10，A=4.5，b=1.5，则输出电流的变化规律I (t)=4.5*|sin(∏t/10)|+1.5，输出电流大小在1.5-6A范围周期变化；由此激励电流产生一个按照相同规律变化的磁场，如图5d所示，磁场强度大小按照相同的周期规律变化，B(t)=200*|sin(∏t/10)|+100，磁场在靶材表面的强度在100Gs-300Gs范围周期变化。这个变化的磁场控制弧斑的运动方式，在靶材表面形成收放式扫描，频率f表示收放的快慢。当电流I=1.5A时在靶材表面产生磁场的最大值为100Gs，靶材表面磁场分布如图2b中曲线II，此时弧斑刚好被束缚在靶材外圆范围内而不烧蚀靶材以外的材料，由于弧斑受到的约束很小，弧斑能够在整个靶材表面随机运动，平均结果是靶材整体被消耗，但此时弧斑运动速度最慢，弧斑尺寸最大，如果长时间按此方式工作，虽然靶材利用率增加但由于弧斑本身尺寸较大，涂层细腻程度和硬度得不到保证。当电流最大到I=6A时，激励产生的磁场在靶材表面的强度最大达到300Gs，靶材表面磁场分布如图2b中曲线I，弧斑的运动被很大约束，此时弧斑的运动被限制在磁场强度最大的区域，弧斑运动速度最大，尺寸最小，但此时弧斑运动过于集中导致靶材产生熔池，涂层表面出现液滴，靶材出现跑道，如图1c所示。

当输出电流I(t)=4.5*|sin(∏t/10)|+1.5时，激励产生磁场在靶材表面磁场B(t)=200*|sin(∏t/10)|+100，如图2b所示，平面矩形靶材21表面上任一点磁场强度的变化都在曲线I和曲线II之间。随着激励电流的减小，激励的磁场强度也减小，弧斑运动越来越分散，直到分散到整个靶材表面，靶材局部刻蚀渐渐消除，刻蚀的位置得到及时冷却，待到下一次刻蚀到来，已经完全冷却下来，消除了由于材料得不到充分冷却而处于熔融状态导致的液滴产生；当激励电流由1.5A渐渐增加到6A时，激励的磁场强度也增加，情况和上述相反，弧斑运动范围从整个靶材表面渐渐集中到靶材表面磁场最强的区域。如此往复周期变化，最终靶材的刻蚀状况得到明显改善，如图2c所示，刻蚀区域24平坦，消耗均匀。

经测定，普通平面矩形靶的靶材利用率为20%，而本实施例的靶材利用率为60%。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种动态磁场阴极电弧源，包括靶材、靶座和磁场，其特征在于：所述磁场的芯轴上按照同一方向螺旋绕制有线圈，所述线圈接入直流电源，所述直流电源的电流大小呈周期性变化，所述电流大小的周期性变化的频率为5Hz-50Hz，所述直流电源的电流在0-10A范围内连续可调，产生在所述靶材表面的磁场强度在5Gs-350Gs之间连续周期性变化。

2.根据权利要求1所述的动态磁场阴极电弧源，其特征在于：所述靶材安装在靶座上，所述线圈固定在所述靶座内部的中央，所述线圈的几何对称轴和所述靶座的几何对称轴重合。

3.根据权利要求2所述的动态磁场阴极电弧源，其特征在于：所述靶材为平面矩形靶，所述芯轴为多棱柱体，所述芯轴的外侧面上螺旋绕制所述线圈；所述平面矩形靶安装在矩形靶座上，所述线圈固定在所述矩形靶座内部的中央，所述线圈的几何对称轴和所述矩形靶座的几何对称轴重合。

4.根据权利要求2所述的动态磁场阴极电弧源，其特征在于：所述靶材为平面圆弧靶，所述芯轴为圆柱体，所述芯轴的圆柱面上螺旋绕制所述线圈；所述平面圆弧靶安装在圆柱形靶座上，所述线圈固定在所述圆柱形靶座内部的中央，所述线圈的轴心与所述芯轴的轴心重合，所述线圈的几何对称轴和所述圆柱形靶座的几何对称轴重合。

5.根据权利要求1所述的动态磁场阴极电弧源，其特征在于：所述靶座内设有空腔，所述空腔内注有用于对所述靶材和所述线圈进行冷却的冷却水。

6.根据权利要求1所述的动态磁场阴极电弧源，其特征在于：所述芯轴的材料为铁磁性材料或非磁性材料。