CN105039915B - 一种放电弧斑满布靶面的真空阴极电弧源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种放电弧斑满布靶面的真空阴极电弧源，包括一平板靶材，平板靶材底面设有一对应的靶座组件，平板靶材与靶座组件用紧固件紧密贴合连接；靶座组件由冷却水道构件和磁路构件上下层叠组成；冷却水道构件为包括冷却水道金属上盖薄板及冷却水道金属底板的扁形冷却水道并设有进、出水口；磁路构件由磁极分别为上、下端面的多个小圆柱形磁体同极同向(相同磁极朝向相同)竖直排列在一靶座底板上组成。本发明具有如下优点：放电面积大大增加，允许增加若干倍靶电流，有利于大幅度提高沉积速率；分散电弧放电几乎在整个靶面上放电，令靶面烧蚀更均匀，提高靶材利用率；有利于靶面导热和水冷帯走热量，有利于改善膜层质量。

Description

一种放电弧斑满布靶面的真空阴极电弧源

技术领域

本发明涉及一种真空阴极电弧源，尤其是涉及一种能使放电时弧斑满布靶面的真空阴极电弧源。

背景技术

真空阴极电弧沉积是目前制备工模具硬质保护膜和装饰性保护膜的离子镀膜主流技术之一，由于真空阴极电弧沉积具有离化率高、粒子能量大、膜/基结合力好、沉积速度快，可以沉积金属膜、合金膜，也可以反应镀合成氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、DLC等多种膜系，且靶位可以任意配置等优势，在工模具硬质保护膜沉积应用上特别受到重视，国内外都在开发真空阴极电弧技术上进行了大量工作，其中核心技术就是阴极电弧源的结构与磁场设计，其目的是提高电弧沉速率，降低大颗粒数量，提高镀层质量和靶材利用率。

真空阴极电弧是在真空下，靶材产生弧光放电发射出靶材等离子体的过程。阴极放电区是一簇电弧斑，阴极电弧斑点面积为100～200um，一个弧斑内存在若干个微弧(约10个)，每个微弧斑约为10～30um，微弧斑之间相隔1～几个自身尺度的距离，微弧斑只有1～5us的寿命，在寿命期中，比较稳定，几乎不变动，当微弧斑在燃烧期或熄灭后，新微弧斑可在弧斑内部或在其边沿区产生.阴极弧斑在阴极表面作跳跃式移动；阴极金属靶上的微弧有非常高的电流密度-达104～108A/cm²，具有非常高的功率密度(10¹⁶W/m²)，弧斑是强烈的电子发射区；同时，每约发射十个电子也发射一个金属原子，以高达约1000m/s速度发射金属蒸气，高速的蒸发气流夹带着微溶池内的金属熔液喷射到前方空间。也就是阴极弧斑是电子、金属离子、金属蒸气和金属液滴的发射源。

人们目视真空阴极电弧在阴极(靶)表面呈现一圈圈闪耀的亮线，它是由一个或多个不连续的电弧明亮斑点，生成—熄灭—再移位生成—熄灭一系列快速过程所显现的弧斑轨迹，人们眼睛错觉误认为像一个弧斑点在连续运动的路径，其实它是一系列的电弧生、灭、跳迁的过程。人们研究总结了真空电弧放电特征与弧斑运动规律：(1)电弧放电的“电压最小值”原则，即阴极电弧放电会自动选择电弧电压最小的通路；(2)磁场与弧斑相互作用，主要有两个方面：1、“后退运动”：在小电流真空电弧中，在一个平行于阴极表面的磁场(B)下，弧斑的运动方向垂直于B，并与电流力方向相反，即背离安培定律方向运动(即与罗仑兹力相反方向运动)；2、“锐角原则”：当磁场与阴极表面斜交时，阴极弧斑在垂直于B//max方向又向磁场与阴极平面成锐角方向偏离一定的角度运动，即在反向运动上还叠加一个漂移运动，漂移运动的方向指向磁力线与阴极表面所夹的锐角区域。(见附图1)以上斑弧运动的跃迁方向和运动规律成为阴极电弧源设计的重要依据。

现有技术的商业用电弧源主要采用磁场控制电弧斑的运动，其阴极弧源的磁场设计主要形式是在阴极表面形成拱形磁场，(如图2所示)根据反向运动原理和锐角法则，在阴极表面上电弧斑运动趋向对应磁场平行分量最大的地方，即趋向运动到拱型场形成的墜道洞里，在拱顶对应下方驱动弧斑运动也最快。现有技术的电弧源有小圆形、平面矩形、柱状体三种形式，其所用的磁体有永磁体、有电磁铁、也有永磁体与电磁铁结合，所有磁场设计都是形成拱型磁力线，让其穿过靶面並让拱形处在靶面的前方。

拱型磁力线与靶面好像组成隧道洞一样，所控制的电弧斑都集中在拱形墜道洞内运动，弧斑出现在拱顶下方的几率最高。这样可以看得到靶面呈现出非常耀眼的细小的闪烁弧斑线，对靶面烧蚀也集中在该运动轨迹上。有人采用变动电磁铁磁场强度与永磁体组合，或采用可变磁场強度的双电磁线圈设计，两组磁力线拱形相对变动，合成一个不断变化的拱形，驱动弧斑随拱顶横向位移而扩展横向运动范围，让靶面烧蚀面积扩大趋向均匀些。

现有技术的电弧源放电特征属分立电弧放电，弧斑都限制集中在细小的弧斑线区内进行强烈的放电；相对整个靶面积而言，在同一瞬间弧斑点放电的面积很小很小，其缺点是：(1)即使采用组合磁场扩大弧斑运动范围但改善有限，烧蚀面积仍较集中，靶材利用率低；(2)虽然弧斑区电流密度很高，但总放电面积有限，总放电电流受限制，从而沉积速率受限制；(3)同时，斑弧区面积小，功率集中，加热温度高，导致弧斑点处微熔池面积相对较大，熔液较多，当金属蒸汽猛烈蒸发时，仍然会夹带着较多和较大的液滴抛射到空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种放电弧斑满布靶面的真空阴极电弧源，能够使弧光放电布滿整个阴极靶面，放电面积大大增加，允许增加若干倍靶电流，有利于大幅度提高沉积速率；采用分散电弧放电取代分立电弧放电模式，弧斑不被限制在某些特定轨道上，而几乎在整个靶面上放电，令靶面烧蚀更均匀，提高靶材利用率；降低发射液滴的数量和大小，有利于改善膜层质量。

解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

一种放电弧斑满布靶面的真空阴极电弧源，包括一平板靶材，其特征是：所述平板靶材底面设有一对应的靶座组件，所述的平板靶材与靶座组件用紧固件紧密贴合连接；所述的靶座组件由冷却水道构件和磁路构件上下层叠组成；所述的冷却水道构件为包括冷却水道金属上盖薄板及冷却水道金属底板的扁形冷却水道并设有进、出水口；所述的磁路构件由磁极分别为上、下端面的多个小圆柱形磁体同极同向(相同磁极朝向相同)竖直排列在一靶座底板上组成。

所述的靶座底板为导磁衔铁，小圆柱形磁体通过自身磁力与导磁衔铁相吸定位并固定。

所述小圆柱形磁体的直径为5—6mm，排列方式为多排排列，同排相邻圆柱形磁体的间距相等且间距为12—18mm，排与排之间的间距为12—18mm，但相邻两排圆柱形磁体的位置相互错开半个间距。

所述的平板靶材为长方形或者圆形。

所述的小圆柱形磁体为钕铁硼材料制成。

所述的冷却水道金属上盖薄板、冷却水道金属底板均由紫铜制成。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)弧光放电布滿整个阴极靶面，放电面积大大增加，允许增加若干倍靶电流，有利于大幅度提高沉积速率；

(2)分散电弧放电，弧斑不被限制在某些特定轨道上，而几乎在整个靶面上放电，令靶面烧蚀更均匀，提高靶材利用率；

(3)在几乎整个靶面上放电，放电面积增大，有利于靶面导热和水冷帯走热量，有利于降低放电点靶面温度，有利于減少放电点微熔池面积和熔液量，降低发射液滴的数量和大小，有利于改善膜层质量。

附图说明

图1电弧斑运动的“锐角原则”示意图；

图2是拱形磁力线的电弧斑运动示意图；

图3是本发明的结构剖视图；

图4是本发明的小圆柱形磁体分布示意图；

图5是本发明的磁体磁力线示意图；

图6是本发明的靶面上磁力线投影示意图。

图中：1-靶材，2-冷却水道金属上盖薄板，3-扁形冷却水道，4-冷却水道金属底板，5-小圆柱形磁体，6-靶座底板，7-靶座组件，8-磁力线投影。

具体实施方式

下面结合附图用实施例对本发明作进一步说明。

如图3所示，一种弧斑满布靶面放电的真空阴极电弧源，包括一长方形的平板靶材1，平板靶材1的底面设有一靶座组件7，平板靶材1与靶座组件7用紧固件紧密贴合连接，在实际使用中，平板靶材1与靶座组件7之间保持电绝缘；靶座组件7由冷却水道组件和磁路构件上下层叠组成；冷却水道组件为包括冷却水道金属上盖薄板2及冷却水道金属底板4的扁形冷却水道3并设有进、出水口，冷却水道金属上盖薄板、冷却水道金属底板均由紫铜制成；磁路构件由磁极分别为上、下端面的多个小圆柱形磁体5同极同向(相同磁极朝向相同)竖直排列在一靶座底板6上组成；靶座底板6为导磁衔铁，小圆柱形磁体通过自身磁力与导磁衔铁相吸定位并固定；小圆柱形磁体的直径为5～6mm，排列方式为多排排列，同排相邻圆柱形磁体的间距相等且间距为12—18mm，排与排之间的间距为12—18mm，但相邻两排圆柱形磁体的位置相互错开半个间距。

如图3、4所示，在使用时向进水口通入冷却水，冷却水道金属上盖薄板很薄，受到冷却水压力将其推向靶材平板背面，排走夹层之间的空气，即冷却水道金属上盖薄板与靶材背面全面积紧贴接触，以传导方法传热具有最佳的导热效果，较高压力的冷却水流过扁形冷却水道的狭窄截面，大大提高流速，有利于帯走靶材产生的热量，这为容许增大电弧电流创造条件。然后接通阴极电弧源的电源，电弧靶材处于负极电位，起动引燃电弧装置(未划出)，让引燃电弧装置的正电位引弧针撞击阴极电弧靶面，令其瞬间短路从而引燃电弧，随即拉开引弧针，阴极电弧源即可进行自持弧光放电。如图5、6所示，由于电弧靶面下方密排着小圆柱磁体，每个小圆柱磁体磁极端面的上方磁力线都构成一个环状拱型图案，那么在电弧靶面上对应每个小圆柱磁体的磁力线投影8就象一朵菊花一样，众多菊花状的环状拱型磁力线密排滿布在靶面上，弧光放电的弧斑受环状拱型磁场的控制，由于磁场水平分量足够大，电弧斑环绕着各磁体中轴作快速跃迁、旋转运动。此时可增大靶电流，由于各环状拱型磁场密布互相交集，可驱动相邻磁体所控制弧斑运动互相窜行，最终导致原各磁体控制的电弧分立放电模式转变成为各磁体联合控制的电弧分散放电模式，非集中在有限的弧斑运动亮线区域进行弧光放电，而是在整个电弧靶面处处都进行弧光放电，弧光放电布滿整个阴极靶面，放电面积大大增加，同时允许增加若干倍靶电流并有利于大幅度提高沉积速率；分散式电弧放电，使得弧斑不被限制在某些特定轨道上，而几乎在整个靶面上放电，令靶面烧蚀更均匀，提高靶材利用率；电弧在几乎整个靶面上放电，放电面积增大，有利于靶面分散发热区和提高水冷却效果，有利于冷却水帯走热量，有利于降低放电点的靶面温度，有利于減少放电点微熔池面积和熔液量，降低发射液滴的数量和大小，有利于改善膜层质量。实践证实：长方形平面的阴极电弧源分散放电模式的靶电流比分立放电模式的靶电流可增大到2倍以上，例如：对于规格为200mmx1600mm的平面阴极电弧源而言，原来分立放电模式的靶流为150A，而分散放电模式的靶电流可增至400A，沉积速率提高1至2倍，还有镀层宏观颗粒细化且大幅減少，镀层质量显著提高，靶材表面烧蚀更均匀，大大提高靶材利用率。

Claims (4)

1.一种放电弧斑满布靶面的真空阴极电弧源，包括一平板靶材，其特征是：所述平板靶材底面设有一对应的靶座组件，所述的平板靶材与靶座组件用紧固件紧密贴合连接；所述的靶座组件由冷却水道构件和磁路构件上下层叠组成；所述的冷却水道构件为包括冷却水道金属上盖薄板及冷却水道金属底板的扁形冷却水道并设有进、出水口；所述的磁路构件由磁极分别为上、下端面的多个小圆柱形磁体同极同向竖直排列在一靶座底板上组成；

所述的靶座底板为导磁衔铁，小圆柱形磁体通过自身磁力与导磁衔铁相吸定位并固定；

所述小圆柱形磁体的直径为5—6mm，排列方式为多排排列，同排相邻圆柱形磁体的间距相等且间距为12—18mm，排与排之间的间距为12—18mm，但相邻两排圆柱形磁体的位置相互错开半个间距。

2.根据权利要求1所述的放电弧斑满布靶面的真空阴极电弧源，其特征是：所述的平板靶材为长方形或者圆形。

3.根据权利要求1所述的放电弧斑满布靶面的真空阴极电弧源，其特征是：所述的小圆柱形磁体为钕铁硼材料制成。

4.根据权利要求1所述的放电弧斑满布靶面的真空阴极电弧源，其特征是：所述的冷却水道金属上盖薄板、冷却水道金属底板均由紫铜制成。