CN108193174B - 大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置及溅射方法 - Google Patents

大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置及溅射方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置，包括阴极靶、屏蔽板、永久磁铁、聚焦线圈、固定装置和弧电源，固定装置中部竖直固定有靶座，靶座外壁上还安装有屏蔽板支撑基座，屏蔽板支撑基座下面连接有屏蔽板，屏蔽板为圆环形且内部中空，阴极靶为圆台形、上端面开设有一圆柱形凹槽，凹槽内设置有永久磁铁，阴极靶穿过屏蔽板中心安装在靶座上，固定装置的两端向下竖直方向固定有聚焦筒，聚焦筒外壁上均匀缠绕着聚焦线圈，弧电源正、负极分别连接到屏蔽板和阴极靶，溅射时阴极靶的侧面和小端面同时发生弧光放电，均匀溅射出阴极靶材离子，本发明所设计的稳弧装置具有结构简单、镀膜质量高、电弧弧斑稳定性好、工作效率高、易于控制的优点。

Description

大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置及溅射方法
技术领域
本发明属于高真空电弧离子镀技术领域，涉及一种大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置，还涉及一种利用大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置的溅射方法。
背景技术
多弧离子镀真空电弧沉积系统能够产生高质量的等离子体，该系统具有离化率高、离子纯度高、结构简单和能产生几乎所有金属的等离子体等特点，在航空航天、机械、化工、环保和生物工程等领域得到了迅速发展。等离子体的运动会受到磁场和电场的约束，阴极表面磁场和电场的合理布局才能够保证电弧的稳定，因此，提高电弧稳定性对于采用电弧离子镀方法来制备高质量的薄膜具有至关重要的作用，电弧弧斑在没有外加磁场和电场的条件下，将在阴极表面作随机运动，合理的磁场和电场布局、带凹面的阴极靶材形状、增加靶材表面面积及电弧电流等措施均有利于提高电弧的稳定性。在垂直于阴极表面的轴向磁场分量作用下，电弧弧斑随机运动速度加快，在平行于阴极表面的横向磁场分量和电场作用下，沿洛伦兹力的反方向运动，即呈逆安培力的反向运动，使得阴极靶材溅射出等离子体的运动方向不确定，导致电弧弧斑不稳定，影响镀膜质量，并且加速了阴极靶材的损耗，因此，需要通过控制阴极靶材表面磁场和电场的分布来影响阴极靶材前方空间正离子分布，进而间接改变阴极靶材的刻蚀，在实际的工程应用技术中，主要采用带凹面的阴极靶材形状来达到稳弧的目的，这种技术具有阴极靶材损耗较大、所制备的薄膜质量差和生产效率低下等缺点，本发明具有结构简单、镀膜质量高、电弧弧斑稳定性好、工作效率高、易于控制等特点，这些优点使得该发明在镀膜工业中具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置，解决现有技术中存在的阴极靶材表面消耗不均匀和电弧弧斑不稳定的问题。
本发明的目的还在于提供大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置的溅射方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置，包括阴极靶、固定装置和弧电源，固定装置中部竖直固定有靶座，靶座外壁上还安装有屏蔽板支撑基座，屏蔽板支撑基座下面连接有屏蔽板，屏蔽板为圆环形且内部中空，
阴极靶为圆台形，上端面直径大于下端面直径，阴极靶上端面开设有一圆柱形凹槽，凹槽内设置有一内部中空的圆环形支撑架，支撑架中心内设置有永久磁铁，
阴极靶穿过屏蔽板中心安装在靶座上，固定装置的两端向下竖直方向固定有聚焦筒，聚焦筒外壁上均匀缠绕着聚焦线圈，
弧电源负极连接于阴极靶，正极分别连接于真空室和屏蔽板，
靶座下端接近阴极靶处还设置有一密封胶圈。
本发明的特点还在于，
真空室接地。
屏蔽板的圆环内直径大于阴极靶上表面直径。
圆环形支撑架上表面还均匀设置有四个通孔。
本发明采用的第二种技术方案是，大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置的溅射方法，具体实施步骤如下：
准备制备薄膜时，在高真空条件下，接通弧电源，此时，屏蔽板带正电，阴极靶带负电，因此，屏蔽板作为阴极靶的辅助阳极，弧电源、屏蔽板和阴极靶就形成一个完整的电回路，屏蔽板与阴极靶之间存在指向阴极靶中心的电场，聚焦线圈将在阴极靶表面上产生垂直于靶面的磁场，该磁场与永久磁铁产生的永久磁场相耦合，在阴极靶的小端面及侧面上形成动态分布的耦合磁场，在耦合磁场和电场的共同控制下，电弧弧斑在阴极靶的小端面与侧面上有规律地运动，并且同时产生弧光放电，均匀溅射出阴极靶材离子，溅射出的阴极靶材离子最终沉积到工件上，完成薄膜的制备。
本发明的有益效果是，本发明的大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置的操作及维护简单，通过两组磁场发生装置与辅助阳极的配合使用，提高了大口径圆台形阴极靶材的电弧稳弧性能。该稳弧装置能够使阴极靶的侧面与小端面同时发生靶材离子的电离，使得阴极靶材被均匀消耗，提高了薄膜质量和阴极靶材的利用率，避免靶材浪费，节约成本。结合多弧离子镀发展期的火热状态，该产品可以很快的占有市场，发挥其作用。
附图说明
图1是本发明的大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置的结构示意图；
图2是本发明的大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置的阴极靶结构示意图；
图3是本发明的大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置的支撑架结构示意图。
图中，1.支撑架，2.永久磁铁，3.屏蔽板，4.阴极靶，5.弧电源，6.真空室，7.靶座，8.固定装置，9.聚焦筒，10.聚焦线圈，11.屏蔽板支撑基座，12.工件，13.密封胶圈。
具体实施方式
本发明提供的大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置结构如图1所示，包括阴极靶4、屏蔽板3、永久磁铁2、聚焦线圈10、固定装置8和弧电源5(如图2所示)，固定装置8中部竖直固定有靶座7，靶座7的外壁上还安装有屏蔽板支撑基座11，屏蔽板支撑基座11下面连接有屏蔽板3，屏蔽板3为圆环形且内部中空，
阴极靶4为圆台形，上端面直径大于下端面直径，阴极靶4上端面开设有一圆柱形凹槽，凹槽内设置有一内部中空的圆环形支撑架1(如图3所示)，支撑架1中心内设置有永久磁铁2，
阴极靶4穿过屏蔽板3中心安装在靶座7上，固定装置8的两端向下竖直方向固定有聚焦筒9，聚焦筒9外壁上均匀缠绕着聚焦线圈10，
弧电源5负极连接于阴极靶4，正极分别连接于真空室6和屏蔽板3。
靶座7下端接近阴极靶处还设置有一密封胶圈13。
真空室6接地。
屏蔽板3的圆环内直径大于阴极靶4上表面直径。
圆环形支撑架1上表面还均匀设置有四个通孔。
一种大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置的溅射方法，具体实施步骤如下：
在制备薄膜前，先将工件12放置在阴极靶4的正下方，在高真空条件下，接通弧电源5，此时，弧电源5、屏蔽板3和阴极靶4形成一个完整的电回路，屏蔽板3与阴极靶4之间存在指向阴极靶4中心的电场，聚焦线圈10在阴极靶4表面上产生垂直于阴极靶4表面的磁场，该磁场与永久磁铁2产生的永久磁场相耦合，在阴极靶4的小端面及侧面上形成动态分布的耦合磁场，在耦合磁场和电场的共同控制下，电弧弧斑在阴极靶4的侧面和小端面进行有规律性的运动，并且同时产生弧光放电，在阴极靶4的侧面和小端面均匀溅射出阴极靶材离子，溅射出的阴极靶材离子最终沉积到工件12上，完成薄膜的制备。

Claims (5)

1.大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置，其特征在于，包括阴极靶(4)、固定装置(8)、屏蔽板(3)、永久磁铁(2)、聚焦线圈(10)和弧电源(5)，所述固定装置(8)中部竖直固定有靶座(7)，所述靶座(7)外壁上还安装有屏蔽板支撑基座(11)，所述屏蔽板支撑基座(11)下面连接有屏蔽板(3)，所述屏蔽板(3)为圆环形且内部中空，
所述阴极靶(4)为圆台形，上端面直径大于下端面直径，所述阴极靶(4)上端面开设有一圆柱形凹槽，所述凹槽内设置有一内部中空的圆环形支撑架(1)，所述支撑架(1)中心内设置有永久磁铁(2)，
所述阴极靶(4)穿过屏蔽板(3)中心安装在靶座(7)上，所述固定装置(8)的两端向下竖直方向固定有聚焦筒(9)，所述聚焦筒(9)外壁上均匀缠绕着聚焦线圈(10)，
所述弧电源(5)负极连接于阴极靶(4)，正极分别连接于真空室(6)和屏蔽板(3)，
所述靶座(7)下端接近阴极靶(4)处还设置有一密封胶圈(13)。
2.根据权利要求1所述的大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置，其特征在于，所述真空室(6)接地。
3.根据权利要求1所述的大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置，其特征在于，所述屏蔽板(3)的圆环内直径大于阴极靶(4)上表面直径。
4.根据权利要求1所述的大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置，其特征在于，所述圆环形支撑架(1)上表面还均匀设置有四个通孔。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的大口径圆台形靶材的高真空电弧稳弧装置的溅射方法，其特征在于，具体实施步骤如下：
在制备薄膜前，先将工件(12)放置在阴极靶(4)的正下方，在高真空条件下接通弧电源(5)，此时，屏蔽板(3)、阴极靶(4)和弧电源(5)形成一个完整的电回路，屏蔽板(3)与阴极靶(4)之间存在指向阴极靶(4)中心的电场，聚焦线圈(10)在阴极靶(4)表面上产生垂直于阴极靶(4)表面的磁场，该磁场与永久磁铁(2)产生的永久磁场相耦合，在阴极靶(4)的小端面及侧面上形成动态分布的耦合磁场，在耦合磁场和电场的共同控制下，电弧弧斑在阴极靶(4)的侧面和小端面同时发生弧光放电，均匀溅射出阴极靶材离子，溅射出的阴极靶材离子最终沉积到工件(12)上，完成薄膜的制备。
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