CN1066851C - 磁场阴极 - Google Patents
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Abstract
一种用于电弧放电蒸发器的磁场阴极，具有扁平结构的靶体和与其匹配的、至少有一个环形线圈和一个永久磁铁的装置，用于产生使电弧保持在靶体表面上的磁场，还具有一个位于内部配置在靶体中心的环形线圈和一个位于外部配置在靶体周围区域的环形线圈，位于内部的环形线圈围绕安装在靶体中心的永久磁铁，并与该永久磁铁一起组成磁力线聚焦器，一个用于再调整环形线圈所产生的磁场强度的装置依据靶体的侵蚀情况进行再调整。
Description
本发明涉及一种用于电弧放电蒸发器的磁场阴极，它具有扁平结构的靶体和一个附加于靶体的、具有至少一个环形线圈和一个永久磁铁的装置，用于产生一个使电弧保持在靶体表面的磁场。
对应用于电弧敷膜技术中电弧放电蒸发器的磁场阴极提出的要求主要是，均匀的靶体侵蚀，电弧稳定性，长期稳定性及避免在运行过程中出现靶体的毒化。
在实践中特别关键的靶体毒化，是以比较厚的甚至用肉眼可以清楚看到的沉淀形式出现在靶体或大或小的表面区域内，其中在出现这种毒化表面区域的情况下，在靶体上移动的电弧会避开这些区域，并且导致靶体的毒化进一步加剧形成这类更厚的沉淀，例如TiN或TiCn沉淀。这种形式的靶体毒化的出现是不可复制的并以很不利的方式影响淀积速率的恒定，等离子体的稳定以及敷层的特性和附着性能。
有人已经做过实验，减少电弧放电蒸发器中磁场阴极的这些缺点可以借助于不同机械式移动的磁场结构或者通过采用随时间变化的磁场使电弧的底点在靶体表面上运动。
然而，磁场结构的机械移动需要相当高的在实用中不能承受的费用，同样就欲取得的结果而言，使用随时间变化的磁场也需要改进，因为用这些方法不能保证达到长时间稳定性，侵蚀图形的均匀性和足够的电弧稳定性，特别是在强反应过程中，例如TiCn的淀积不能排除靶体的毒化。
美国专利4,401,539揭示了一种用平面型磁控管进行溅射的过程。平面型磁控管溅射是在10-2毫巴的工作压力下进行的，这个压力通常靠输入氩气维持下来。此溅射气体的等离子体由高电压产生。在磁铁系统安置在靶体下方的情况下，等离子体覆盖住靶体的大部分，保持处在靶体顶部表面的位置。氩离子从等离子体加速到靶体表面上，冲击电极表面，将电极粒子从电极表面击出。磁场的作用是促进电离子过程，从而提高沉积速率，因而磁场一般为几千高斯。尽管磁场如此强大，但是电离度却很低，显露出来的电离子粒子只有1-3％左右。实际上，磁场强度越大，沉积速率就越高。
本发明的目的在于克服已知的磁场阴极的缺点，并且创造一种改进的磁场阴极，这种阴极虽然结构简单，但是能满足各种实际需要，特别是能够保证淀积速率的稳定，等离子体和电弧的稳定，并能避免靶体的毒化，使磁场强度降低。
本发明提供了一种用于电弧放电蒸发器的磁场阴极，该磁场阴极具有一个扁平结构的靶体和一个与靶体匹配的、至少有一个环形线圈和一个永久磁铁的装置，用于产生一个使电弧保持在靶体表面上的磁场，还具有一个位于内部配置在靶体中心的环形线圈和一个位于外部配置在靶体周围区域的环形线圈，并且位于内部的环形线圈围绕一个安装在靶体中心的永久磁铁，并与该永久磁铁一起组成一个磁力线聚焦器，其中配置了一个用于再调整环形线圈所产生的磁场强度的装置，该装置依据靶体的侵蚀情况进行再调整。
另外，在本发明的磁场阴极中，垂直于靶体平面安置的永久磁铁的横截面面积小于围绕它的内部环形线圈相应的通电流的横截面面积。
靶体制成一长方形，环形线圈主要是沿靶体的外围绕制，并且永久磁铁具有棒形，其中棒形永久磁铁的横向尺寸相当于内部的环形线圈纵向截面相对的两边的距离。
特别是对于窄的、从而也是价格便宜的阴极，所提出的任务也可以按如下方式解决，即安装在靶体中心的，构成磁力线聚焦器的永久磁铁仅有一个唯一的围绕它的环形线圈，并且靶体的长度和宽度的尺寸至少基本上与由环形线圈和永久磁铁所产生的，通过靶体的平行磁力线区域相配合。
通过产生磁场部件的布置和相互作用以及它们相对于靶体的定位，并且适当选择电流强度与极性，可以产生一个具有每次所希望强度的磁场，此磁场实际上分布在整个靶体表面上，就是说由边缘区域到靶的中心具有最佳的磁力线平行分布，从而确保正在形成的电弧的底点不被磁场的垂直分量固定在靶的某些区域内而形成侵蚀痕迹。
这样，成功地创造了一种磁场阴极，它具有所要求的价格便宜、长期工艺稳定性、电弧稳定性、无毒化现象以及靶体电弧侵蚀的均匀性。
与靶体平面至少基本上平行的平面内的环形线圈可以安置在靶体下面的一个相同的平面内，但是也可以把环形线圈定位在相互错位的平行平面内以及环形线圈相对于靶体平面和/或相互之间彼此错位安置，因为这种方式可以影响靶体表面区域内的磁场分布并通过相应的线圈定位来防止形成不希望有的垂直磁场分量，而且其在靶体中心和边缘的存在相对于靶体表面而言可以减至最小。
与内部线圈一起组成位于中心区的磁力线聚焦器的永久磁铁优先是由铁氧体，钐-钴，钕-铁-硼，铁-铬-钴或者铝-镍-钴组成，藉此有可能把永久磁铁的体积减至最小，从而在阴极中心得到一个由永久磁铁与内部环形线圈组成的非常紧凑的装置，这些可以进一步保证最佳利用靶体表面。
在优先使用两个环形线圈，即使用一个内线圈和一个外线圈的情况下，这些线圈最好有同样的结构并且用铜丝绕制，但是这并不表示必须这样做，因为，例如当选择不同的线圈数和/或不同的导线截面时，也可以得到需要产生的具有平行于靶体表面的磁力线的磁场。也有可能这些环形线圈仅以一匝导线绕制而成，从而得到体积特别小的结构，因为在这种情况下消除了一个绕制线圈各个匝之间的空隙。
主要的是两个环形线圈中的每一个均可以分别通不同的电流，为此最好给每个线圈配以分立的电源，从而可以对每个线圈如此通电流，即在同时考虑各种实际情况下，例如靶体厚度，通过适当地选择电流强度和极性产生当时所希望的最佳合成磁场结构。
然而，在考虑到已调整好的磁场的情况下，总要注意按如下方式选择电弧电流，即为了达到最佳的侵蚀图形和为了避免靶体的毒化，以一个确定的旋转方向运动的电弧在靶面上所产生的轨迹总是在分成的主枝和副枝之间交替变化，其中，在此电弧底点运动的过程中副枝变成主枝和主枝变成副枝。
与此相关，在本发明的范围内还具有重要意义的是，电弧电压和磁场强度预先给予确定，其中，最好每种薄层类型与某一特定的磁场强度连系在一起。
本发明的另一个特点在于，由环形线圈所产生的磁场强度的再调整依赖当时靶体侵蚀的情况而定，其中，特别是在这样的情况下进行再调整，即当出现某一预先确定的，同时也与薄层类型相关的电弧电压上升的时候。
按本发明，为了装入永久磁铁在靶体的下部配有一个槽，这样做特别是对使用较厚的靶体时有利。在靶体下部的这个槽位于靶体不受侵蚀的中心区域，因而不会对靶体的充分利用产生不良影响，更重要的是在较厚靶体的情况下由于永久磁铁接近靶体的表面从而对靶体的利用具有正面效应。
按照本发明的另一种实施例，如果位于外部的环形线圈不是在靶体的下部而是在靶体侧面的外部，则以这种方式可进一步改善靶体的利用，因为侵蚀区域可以直接延伸到当时的靶体边缘。
按本发明也可以把磁场阴极按一种非平衡磁控管的形式运行，在这种情况下，其中至少另装一个围绕磁场阴极及其所属环形线圈的磁场线圈，该磁场线圈是这样运行的，即形成一个促使阴极前空间内的等离子体传输的磁场，其中，在这种结构的情况下，通过调整按本发明配置的内、外环形磁铁线圈也能保证实现在靶体范围内形成一个与其表面平行的磁场分布。
下面借助附图进一步阐述本发明的实施例，附图包括：
图1：本发明磁场阴极结构示意图；
图2：图1所示磁场阴极靶体的典型侵蚀图形；
图3：图1所示在靶体中装有永久磁铁的磁场阴极实施结构示意图；
图4：本发明磁场阴极另一种实施方案示意图；
图5：按本发明磁场阴极另一种适用于窄阴极的实施方案示意图。
图1示出了一种靶体1，这种靶体涉及的是例如一种钛靶体，其平面图具有长方形形状。
靶体1配备有一个产生磁场的装置，此装置由一个位于内部的线圈2，一个位于外部的线圈3和一个装在中心的永久磁铁4组成。
这两个线圈2、3与靶体的形状相匹配并且基本上延伸到整个靶体长度，其中在内线圈2沿着靶体纵向延伸的两条腿之间留有容纳永久磁铁4的空间。
永久磁铁4制作成尽可能窄的棒状体，从而使内线圈2和永久磁铁4在靶体1的中心区域内尽可能相互紧密地安装在一起。
永久磁铁优先使用这样的磁性材料，它们适用于在小的体积内产生强磁场，为此，适宜优先采用铁氧体、钐-钴、钕-铁-硼、铁-铬-钴或者铝-镍-钴制成的磁铁。
这两个线圈2、3和磁铁4安装在一个外壳5内，此外壳最好选用塑料材料并制成扁槽形状。这个外壳5的内部空间6同时构成一个冷却剂室，就是说冷却剂可以通过外壳5，靶1可以构成外壳5的盖子。
装有两个线圈2、3的塑料外壳5位于一个由金属、例如由铜、不锈钢和类似的材料制成的槽8内，其上盖一侧是开着的并且作用靶的载体。在金属槽8与靶体1之间装有真空密封圈9。
图2示出了一个典型的侵蚀图，这是使用图1所示的磁场阴极时得到的。这个侵蚀图清楚地表明侵蚀区10在靶体中心区与靶体边缘区之间以特别均匀的方式展开，就是说靶体得到非常好的利用。
图3所示实施结构与图1所示磁场阴极的实施结构区别在于，在靶1下侧其中心区域配置一个能装入永久磁铁4的槽11。此槽11可以是这样的结构，即永久磁铁4以微小的活动余地或是以锁定方式固定在槽11内，在此永久磁铁4全部或部分进入槽11。
此种实施结构主要适用于较厚的靶体1，其中，一方面平行分布的磁力线7在较厚的靶体情况下也进入靶体中心，而另一方面一如图2所示-实际上没有被侵蚀的靶体区域也被利用了。
图4所示实施结构清晰地表明，位于外侧的环形线圈3＇也可以安置在靶1的外部，并且位于内部的环形线圈2如同位于外部的环形线圈3′一样可以彼此相对，也可以与靶体1相对调位，就是说通过预先给定由环形线圈2和3′确定的两个平面相互之间和相对于靶体平面的位置，可以这样确定和影响所产生的磁场，即其与永久磁铁4一起作用，实际上可以在整个靶体表面上实现磁力线7的平行分布，而且对类型极不相同的靶体和在运行时出现靶体剥蚀的过程中也能保证磁力线的平行分布。
位于内部线圈2和位于外部的线圈3′调位的可能性在图4中是用双箭头标出的。
为了保证实现在位于外部的线圈3′与靶体1之间尽可能好的磁流过渡，在某些情况下这个位于外部的环形线圈3′的耦合可以经一个软铁垫片来实现。
由图4也可以清楚地看到，藉助于一个位于靶体1外部的环形线圈3′，靶体1侵蚀区有益的向外扩展至其边缘是可能的，这点与图2所示的侵蚀图相比展示了进一步的改进。
当然，在图4所示的磁场阴极中，永久磁铁4也可以与图3所示的实施结构相似，全部或部分地进入一个靶体槽中。
通过适当选择两个线圈2、3中的电流强度与紧凑制作的、和特殊定位的永久磁铁4的特殊定位相结合，成功地产生一个适合于特定薄层类型的、具有所希望强度的磁场，此磁场具有与几乎整个靶体表面平行的磁力线，该磁场不仅适用于厚的靶体也适用于薄的靶体，就是说在不断进行侵蚀的情况下也是如此。
图5示出本发明的一种实施结构，它特别适用于窄的阴极而且造价低廉。在此，产生磁场的装置是由一个单一的线圈2组成的，它与安装在中心的永久磁铁4相邻并把此磁铁围起来。通过线圈2和仍然构成磁场聚焦器的永久磁铁4的共同作用在靶体1中产生平行磁力线7，其延伸面积至少基本上确定了靶体的尺寸。以这种方式即使是在这样窄和廉价的靶体的情况下，也能保证得到上述实施例中所阐述的所有优点，其中在有内部线圈与外部线圈的实施方案中所描述的各项改进以相似方式也可应用于这种窄靶体。
通过所实现的磁场结构以及所选择的电弧电流强度可以确保电弧的底点总是处在运动中，不对靶体的任何区域向深处侵蚀，不形成起干扰作用的侵蚀轨迹以及不导致不希望形成的较大液滴，这些液滴有可能被溅出来并且可能严重地损害薄层的质量。
按本发明制成的靶体不仅可以保证实现一个极好的基本上延伸在整个靶体表面的磁场平行性，而且也可以灵活地调整磁场强度，并且是在靶的整个寿命期间灵活地调整。
由本发明磁场电极的结构和功能所产生的优点主要在于，
可以保证实现一个最佳的均匀的侵蚀从而保证相应靶体的最佳利用，
根据坚硬材料薄层的特殊类型，例如TiN、TiCn或CrN等，可以对相应的磁场强度灵活地进行调整。
基于已经建立的恒定的平行磁场可以排除靶体的毒化，从而可以达到靶体的整个寿命期间质量的恒定，其结果是也可以达到长期工艺稳定性。
通过排除靶体的毒化，特别是创造了钛极材料的相继沉淀的可能性，
由于结构简单，实际上勿需维修费用，从而获得高经济效益，这一点也在下面情况表现出来，即借助一个单一靶体可以进行非常多次的敷膜，例如用一个大约25mm厚的靶可达500次。
Claims (19)
1．用于电弧放电蒸发器的磁场阴极，具有一个扁平结构的靶体和一个与靶体匹配的、至少有一个环形线圈和一个永久磁铁的装置，用于产生一个使电弧保持在靶体表面上的磁场，还具有一个内部配置在靶体中心的环形线圈(2)和一个外部配置在靶体周围区域的环形线圈(3)，并且内部的环形线圈(2)围绕一个安装在靶体中心的永久磁铁(4)，并与该永久磁铁(4)一起组成一个磁力线聚焦器，其特征在于：
配置了一个用于再调整环形线圈(2、3)所产生的磁场强度的装置，该装置依据靶体的侵蚀情况进行再调整。
2．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
环形线圈(2、3)安置在与靶体平面平行的平面内。
3．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
环形线圈(2、3)安置在一个位于靶体(1)下面的和基本上平行于靶体(1)的平面内。
4．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
所安装的环形线圈(2、3)至少其中之一相对于靶体平面是可调整的。
5．根据权利要求3所述的磁场阴极，其特征在于：
在平行于靶体(1)的平面内所安装的环形线圈(2、3)在垂直于靶体平面的方向是彼此相对可调整的。
6．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
位于内部的环形线圈(2)，在所有侧面均以很小的间距围绕永久磁铁(4)。
7．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
位于外部的环形线圈(3)安置在靶体(1)边缘区域的下方。
8．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
位于外部的环形线圈(3)安置在靶体(1)的外部。
9．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
永久磁铁(4)安装在靠近靶体下侧，并且其几何尺寸在靶体横向上应尽可能小。
10．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
永久磁铁(4)安装在靶体下侧配置的一个槽(11)中。
11．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
从以下材料中选取一种材料构成所述永久磁铁(4)：铁氧体、钐-钴、钕-铁-硼、铁-铬-钴和铝-镍-钴。
12．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
垂直于靶体平面安置的永久磁铁(4)的横截面面积小于围绕它的内部环形线圈(2)相应的通电流的横截面面积。
13．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
靶体(1)制成一长方形，环形线圈(2、3)主要是沿靶体的外围绕制，并且永久磁铁(4)具有棒形，其中棒形永久磁铁(4)的横向尺寸相当于内部的环形线圈(2)纵向截面相对的两边的距离。
14．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
两个环形线圈(2，3)具有相同的结构，并且具有相同的电特性。
15．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
每个环形线圈(2、3)各配有一个独立的电源而且各线圈磁场强度可以彼此独立调整。
16．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
环形线圈(2、3)和永久磁铁(4)安装在一个共同的载体外壳(5)内，靶体(1)靠近其上盖或者其上盖直接用靶体(1)构成，其中载体外壳(5)制成扁槽形并可用于通导冷却剂。
17．根据权利要求16所述的磁场阴极，其特征在于：
载体外壳(5)是用塑料材料制成的并安装在一个开盖的金属槽(8)内，此槽与靶体下侧边缘区域密封连接。
18．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
在预先确定的磁场强度下电弧电流是这样选择的，即沿某一旋转方向运动的电弧底点在靶体表面产生的侵蚀轨迹不断地在分出的主枝轨迹与副枝轨迹之间交替交换，即此时副枝变主枝和主枝变副枝。
19．根据权利要求1所述的磁场阴极，其特征在于：
在靶体中心安装的、构成磁力线聚焦器的永久磁铁(4)只配置一个单一的围绕它的环形线圈(2)，并且靶体(1)长、宽几何尺寸与由环形线圈(2)和永久磁铁(4)产生的通过靶体(1)的平行磁力线(7)区域相配合。
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