CN106756815A - 一种用于阴极电弧离子镀的磁过滤装置 - Google Patents

一种用于阴极电弧离子镀的磁过滤装置 Download PDF

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付志强
关智嵩
吴昊
岳�文
彭志坚
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
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    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
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Abstract

一种用于阴极电弧离子镀的磁过滤装置，该装置由1过滤管，2导磁环，3边框（带空气隙），4螺线管四部分构成，通过改变过滤管内的磁场分布来提高大颗粒缺陷的过滤效果。与现有的过滤装置相比，此过滤装置具有很好地大颗粒过滤效果，同时还具有比较高的沉积速率。

Description

一种用于阴极电弧离子镀的磁过滤装置
技术领域
本发明涉及一种阴极电弧离子镀的磁过滤装置，用于减少制品表面大颗粒的密度，提高制品表面质量。
背景技术
阴极电弧离子镀技术是一种在工业上广泛应用的物理气相沉积技术。与其他气相沉积技术相比，它具有离化率高，沉积速率快，薄膜与基体结合力大等优点。但是，阴极离子镀制备的样品表面常常会出现直径在1-10μm的大颗粒。大颗粒缺陷的存在严重限制了阴极电弧离子镀技术在制备光、电学薄膜，以及纳米结构膜方面的应用。
为此，人们提出了包括，降低弧电流、采用脉冲弧源、加强靶的冷却、增加阴极弧斑的移动速度、改变反应气体的送气量等一系列工艺方法用以抑制大颗粒的产生。这些方法对于的颗粒的产生有一定的抑制效果，但并不能完全消除大颗粒缺陷。
为了彻底消除大颗粒，部分研究学者采用了磁过滤装置。目前，常见的磁过滤装置可分为两类：弯管磁过滤装置与直管磁过滤装置。前者在大颗粒去除方面效果显著，但是大量的等离子体会撞击在过滤管壁上，造成原材料的损失并且影响沉积速率。后者，虽然等离子体的损失较少，但其大颗粒过滤效果有待提高。
本发明改进了现有的阴极电弧离子镀磁过滤装置，制造出一种新型的直管磁过滤装置，该装置能够很好的抑制大颗粒缺陷，制品表面大颗粒缺陷密度被降低至800mm-2，且等离子的损耗较少，沉积速度较快。
发明内容
与现有的磁过滤装置相比，本发明兼顾大颗粒抑制效果与沉积速率这两个方面。装置示意图如图1所示，该装置共由四个主要部分组成，包括：1过滤管，2导磁环，3边框(带空气隙)，4螺线管，通过通电螺线管产生磁场，并通过边框(带空气隙)以及导磁环改变磁场的分布和磁场强度，该装置使得磁场在大颗粒的富集区内显著增强，而在其他区域略有减弱，这样在大颗粒的富集区内，大颗粒将被加热并发生蒸发，以此达到有效去除大颗粒缺陷的目的。导磁环的加入则会减少空气隙与过滤管之间间隙处的漏磁，提高大颗粒过滤效果以及沉积速率。
在上述的磁过滤装置中，过滤管采用顺磁材料制成，可供选择的材料包括铝，不锈钢等，管内径根据实际情况可选择150-300mm之间。
在上述的磁过滤装置中，边框由软磁材料制得，其上带有空气隙，空气隙宽度为3-7mm。
在上述的磁过滤装置中，导磁环共有两个，采用软磁材料制得，导磁环与过滤管过渡配合，两导磁环的厚度均为1-10mm，两环间距与空气隙宽度一致，并与空气隙的中心线处于同一直线上。
在上述的磁过滤装置中，螺线管被软磁材料边框所包裹，螺线管匝数可以是500-2000匝，内部电流2-10A。
附图说明：
附图1为所发明的磁过滤装置。附图标记如下：1——过滤管，2——导磁环，3——边框(带空气隙)，4——螺线管。(图1本专利所述磁过滤装置结构示意)
附图2为未采用磁过滤磁装置与采用本发明磁过滤装置制得的制品表面金相照片。(图2未采用(a)与采用(b)本发明所述磁过滤装置制备的TiN薄膜表面形貌图)
附图3采用本发明磁过滤装置制得的试样表面各尺寸大颗粒的密度。(图3采用本磁过滤装置制备的薄膜表面大颗粒的密度)
实施方式：
本发明提供的磁过滤装置，能够有效去除阴极电弧离子镀过程中产生的大颗粒，同时它还具有沉积速率较高，装置简单的优点。本发明所述的磁过滤装置采用了带有空气隙的软磁材料边框，空气隙有磁聚焦的功能，使得附近的磁场强度显著增强，即在近过滤管壁处产生强磁场区域，该强磁场区域同时又是大颗粒的富集区，强磁场加剧了等离子体的运动，使得等离子体与大颗粒的碰撞可能性大大增加，从而使得大颗粒被加热，进而发生蒸发，最终到达样片表面的大颗粒数量显著下降。此外，等离子体在磁场中会做螺线管运动，其回旋半径随磁场强度的增强而减小。因此，在近管壁处形成强磁场区域会减小在此处运动的等离子体的旋转半径，减少其撞击到管壁上的可能性，减少材料的损失。导磁环在本发明的装置中起到了在不改变磁场分布的情况下提高磁场强度，这使得磁场对于大颗粒的蒸发作用以及对于等离子的引导作用均有明显提高。
下面为利用上述磁过滤装置制备TiN薄膜的应用实例。
1、过滤管：材料，硅钢。尺寸，管内径为170mm，壁厚20mm，长度250mm。
2、导磁环：材料，工业纯铁。尺寸，内径210mm，壁厚5mm，长度4mm。
3、边框：材料，工业纯铁。尺寸，内径220mm，外径300mm，长度140mm，磁隙长度5mm，磁隙距离弧源的距离为135mm.
4、螺线管：材料，铜丝。1000匝，内部通有3A电流。
5、其他试验条件：弧电流80A，N2气氛0.6Pa，基片偏压-200V与未采用磁过滤系统的制得的样品相比，采用本发明装置制得的样片表面大颗粒数量明显减少，如图2所示。大颗粒的总密度可以低至800mm-2，颗粒直径大于5μm的大颗粒被完全消除如图3所示。平均沉积速率可达20.4nm/min。

Claims (3)

1.一种磁过滤装置，用于防止离子镀过程中产生大颗粒缺陷，其特征在于：所述装置由四个主要部分组成，包括：1 过滤管，2 导磁环，3 边框（带空气隙），4 螺线管，痛过改变磁场分布达到大颗粒过滤的效果。
2.按照权利要求1所述的磁过滤装置，边框的主要作用是磁场的增强区域。
3.按照权利要求1所述的磁过滤装置，导磁环的加入则会减少空气隙与过滤管之间间隙处的漏磁，提高大颗粒过滤效果以及沉积速率。
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