CN109055900A - 一种用于阴极电弧沉积的复合靶及沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于阴极电弧沉积的复合靶及沉积方法。复合靶由多种不同材质的靶材组成，并且各靶材形成同轴套接的平面结构。通过控制阴极电弧源磁场分布，使弧斑处于指定靶材的靶面，能够在基体表面沉积该指定靶材，因此利用该复合靶能够进行靶材元素的选择性沉积，实现多成分、多结构涂层的制备。

Description

一种用于阴极电弧沉积的复合靶及沉积方法

技术领域

本发明属于阴极电弧镀膜技术领域，尤其涉及一种用于阴极电弧沉积的复合靶及沉积方法。

背景技术

真空镀是指在真空条件下，通过蒸发、溅射或离化等方式在产品表面沉积各种金属和非金属涂层的技术，其主要包括真空蒸镀、溅射镀和离子镀几种类型，其中离子镀中包含目前工业上应用最广泛的真空电弧离子镀技术，该技术主要通过阴极电弧源来实现。

阴极电弧源在工作时通过引弧针使靶材起弧，弧斑在磁场的控制下在靶面进行快速移动。弧斑具有尺寸小，电流密度高的特点，弧斑所在区域的材料温度迅速升高到沸点以上，产生强烈蒸发、喷溅和离化，从而沉积于基体，形成涂层。

随着涂层技术的发展，涂层体系逐渐由传统的成分、结构单一的二元涂层向成分多元化，结构复杂化发展。阴极电弧涂层的成分取决于靶材的成分，要制备多元多层复杂结构涂层，目前主要有两种途径，一种是借助多靶共同作用，然而由于弧源相互之间的距离限制，很难实现同炉样品的成分、结构均匀控制。另一种是采用复合靶材，将所需涂层的元素按原子或质量配比进行均匀复合，然而该方式靶材成分固定，无法对元素比例进行调控，对于复杂的涂层结构设计具有局限性，而且随着靶材使用时间的增加，靶材中元素的成分比例会发生改变，难以实现涂层工艺的可重复性。

发明内容

针对上述多靶以及复合靶制备多元、多层复杂结构涂层存在的问题，本发明提供一种用于阴极电弧沉积的复合靶，利用该复合靶能够实现多成分、多结构涂层。

本发明所采用的技术方案为：一种用于阴极电弧沉积的复合靶，包括两种以上靶材，每种靶材的材质不同，并且各靶材形成同轴套接的平面结构。即，所述复合靶由m种靶材组成，m≥2，并且每种靶材的材质不同；以第1种靶材为中心靶材，第n种靶材同轴套接在第n-1种靶材外围，其中2≤n≤m。

工作状态时，控制阴极电弧源磁场，使弧斑处于指定靶材的靶面，在基体表面沉积该指定靶材，通过指定靶材的调节，能够实现多成分、多结构涂层的制备。

所述靶材的靶面结构不限。作为优选，中心靶材的靶面呈圆形、其余靶材的靶面呈圆环形；或者，中心靶材的靶面呈椭圆形、其余靶材的靶面呈椭圆环形；或者，中心靶材的靶面呈规则的多边形、其余靶材的靶面呈空心的规则多边形。

作为优选，所述各靶材在厚度方向呈压环结构，即，在厚度方向，第n种靶材设置朝向其靶面方向的外凸部分，用于将该靶材压叠在第n-1种靶材上，2≤n≤m，从而有利于固定各靶材。

作为优选，所述阴极电弧源磁场由永磁铁和电磁线圈组成，永磁铁位于电磁线圈中心；作为优选，所述电磁线圈的中心轴线垂直于所述复合靶的靶面；作为进一步优选，所述复合靶靶面的中心轴线与电磁线圈的中心轴线重合。在这种结构中，可以通过调节电磁线圈的电流大小控制所述复合靶的靶面的磁场分布及大小，进而控制弧斑在指定靶材的靶面内运动。作为优选，所述阴极电弧源的永磁铁和电磁线圈产生的磁场方向相反。

所述永磁铁优选由汝铁硼制备而成，其在复合靶材表面的磁场强度分布优选为2G-20G。

所述电磁线圈的电流调节范围优选为0.5A～5.5A，对靶面磁场强度调节范围能够实现5G～60G。

所述靶材的成分不限，包括铬、铝、钛、锆、铜、银等。

作为优选，所述阴极电弧源为圆形弧源。

本发明将多种不同材质的靶材设计形成同轴套接的平面结构，具有如下有益效果：

(1)对于沉积复杂多层多元复合结构的涂层，仅用单靶就可以对每层所需的涂层成分进行自由调节；

(2)克服了多靶对于涂层均匀性的不利因素影响，保证了单炉样品不同位置所制备的涂层具有优异的成分和结构均匀性；

(3)克服了常规复合靶元素成分改变对于工艺重复性的不利因素影响，保证了每炉样品的涂层成分和结构的均匀性。

(4)通过控制磁场使弧斑在指定靶材的靶面运动，从而在基体表面沉积该制定靶材，当制定靶材为两种以上时，控制磁场使弧斑在这些指定靶材的靶面运动，能够在基体表面沉积该多种靶材，因此能够进行靶材元素的选择性沉积，实现多成分、多结构涂层的制备。

(5)作为一种优选的实现方式，当磁场由电磁线圈，以及位于电磁线圈中心的永磁铁组成时，通过线圈电流调节能够控制弧斑轨迹，当线圈电流较低时，磁场强度较低，弧斑在复合靶的整个靶面运动，复合靶中包含的多种靶材元素成分均能够被沉积到基材上，当增加线圈电流，磁场强度增大，弧斑开始向弧源的外圈运动，继续增加线圈电流和磁场强度，弧斑运动范围的圆环内径逐渐增大。

附图说明

图1是本发明实施例1中的复合靶的靶面结构示意图。

图2是本发明实施例1中的复合靶沿着厚度方向的截面结构示意图。

图3是本发明实施例1中的阴极电弧沉积装置示意图。

图4是本发明实施例1中电磁线圈电流为5.5A时的弧斑运动轨迹示意图。

图5是本发明实施例1中电磁线圈电流为3.5A时的弧斑运动轨迹示意图。

图6是本发明实施例1中电磁线圈电流为0.5A时的弧斑运动轨迹示意图。

图1-3中的附图标记为：阴极电弧源100、永磁铁10、电磁线圈11、靶材固定框20、靶材21、铜隔膜30、阴极底座31、第一靶材211、第一靶材212、第三靶材213。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，如图1所示，用于阴极电弧沉积的复合靶21由三种靶材构成，第一靶材211为Si靶，第二种靶材212为Al靶，第三种靶材213为Ti靶。如图2所示，以第一种靶材211为中心，各靶材形成同轴套接的平面结构。第一种靶材211的靶面呈直径为6cm的圆形结构；第二种靶材212同轴套接在第一种靶材211的外围，靶面呈内经为6cm，外径为9cm的圆环形；第三种靶材213同轴套接在第二种靶材212的外围，靶面呈内经为9cm，外径为12cm的圆环形。

为了固定各靶材，如图2所示，沿着厚度方向，各靶材呈压环结构，如图3所示。在厚度方向，第一种靶材211设置台阶结构，第二种靶材212设置朝向其靶面方向的外凸部分，用于将该靶材压叠在第一种靶材上，第三种靶材213设置朝向其靶面方向的外凸部分，用于将该靶材压叠在第二种靶材上。

如图3所示，将该复合靶21固定在靶材固定框20上，将靶材固定框20置于阴极底座31上，复合靶21与阴极底座31之间设置铜隔膜30。阴极底座31下方设置电磁线圈11与永磁铁10，永磁铁10位于电磁线圈11的中心位置。复合靶靶面的中心轴线与电磁线圈的中心轴线重合。

工作状态时，对电磁线圈11通电，电磁线圈11产生的磁场方向与永磁铁的磁场方向相反。通过调节电磁线圈的电流调节复合靶靶面的磁场大小，从而控制弧斑的运动，具体如下：

首先，调节电磁线圈的电流为5.5A，复合靶靶面的磁场大小范围为30G～60G，通入氩气，弧斑运动轨迹示意图如图4所示，即，弧斑在第三种靶材的靶面运动，在基体表面沉积Ti过渡层；

随后，调节线圈电流为3.5A，复合靶靶面的磁场大小范围为15G～30G，弧斑运动轨迹示意图如图5所示，即，弧斑在第二种靶材的靶面和第三种靶材的靶面运动，通入反应气体氮气，在Ti过渡层表面沉积TiAlN涂层；

接着，调节线圈电流为0.5A，复合靶靶面的磁场大小范围为5G～15G，弧斑运动轨迹示意图如图6所示，即，弧斑在整个复合靶的靶面运动，通入反应气体氮气，在TiAlN涂层表面沉积TiAlSiN涂层。

实施例2：

本实施例中，用于阴极电弧沉积的复合靶结构与实施例1中的复合靶结构基本相同，所不同的是第三种靶材213为Cr靶。

阴极电弧沉积装置与实施例1中的阴极电弧沉积装置相同，该复合靶的安装与实施例1中的安装结构基本相同。

工作状态时，对电磁线圈11通电，电磁线圈11产生的磁场方向与永磁铁的磁场方向相反。通过调节电磁线圈的电流调节复合靶靶面的磁场大小，从而控制弧斑的运动，具体如下：

首先，调节电磁线圈的电流为5.5A，复合靶靶面的磁场大小范围为30G～60G，通入氩气，弧斑运动轨迹示意图如图4所示，即，弧斑在第三种靶材的靶面运动，在基体表面沉积Cr过渡层；

随后，调节线圈电流为3.5A，复合靶靶面的磁场大小范围为15G～30G，弧斑运动轨迹示意图如图5所示，即，弧斑在第二种靶材的靶面和第三种靶材的靶面运动，通入反应气体氮气，在Cr过渡层表面沉积CrAlN涂层；

接着，调节线圈电流为0.5A，复合靶靶面的磁场大小范围为5G～15G，弧斑运动轨迹示意图如图6所示，即，弧斑在整个复合靶的靶面运动，通入反应气体氮气，在CrAlN涂层表面沉积CrAlSiN涂层。

实施例3：

本实施例中，用于阴极电弧沉积的复合靶结构与实施例1中的复合靶结构基本相同，所不同的是第一种靶材211为B靶，第二种靶材211为C靶。

阴极电弧沉积装置与实施例1中的阴极电弧沉积装置相同，该复合靶的安装与实施例1中的安装结构基本相同。

工作状态时，对电磁线圈11通电，电磁线圈11产生的磁场方向与永磁铁的磁场方向相反。通过调节电磁线圈的电流调节复合靶靶面的磁场大小，从而控制弧斑的运动，具体如下：

首先，调节电磁线圈的电流为5.5A，复合靶靶面的磁场大小范围为30G～60G，通入氩气，弧斑运动轨迹示意图如图4所示，即，弧斑在第三种靶材的靶面运动，在基体表面沉积Ti过渡层；

随后，调节线圈电流为3.5A，复合靶靶面的磁场大小范围为15G～30G，弧斑运动轨迹示意图如图5所示，即，弧斑在第二种靶材的靶面和第三种靶材的靶面运动，在Ti过渡层表面沉积TiC涂层；

接着，调节线圈电流为0.5A，复合靶靶面的磁场大小范围为5G～15G，通入反应气体氮气，弧斑运动轨迹示意图如图6所示，即，弧斑在整个复合靶的靶面运动，通入反应气体氮气，在TiC涂层表面沉积TiBCN涂层。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于阴极电弧沉积的复合靶，其特征是：所述复合靶由m种靶材组成，m≥2，并且每种靶材的材质不同；以第1种靶材为中心靶材，第n种靶材同轴套接在第n-1种靶材外围，其中2≤n≤m。

2.如权利要求1所述的用于阴极电弧沉积的复合靶，其特征是：所述中心靶材的靶面呈圆形、其余靶材的靶面呈圆环形；或者，中心靶材的靶面呈椭圆形、其余靶材的靶面呈椭圆环形；或者，中心靶材的靶面呈规则的多边形、其余靶材的靶面呈空心的规则多边形。

3.如权利要求1所述的用于阴极电弧沉积的复合靶，其特征是：在厚度方向，第n种靶材设置朝向其靶面方向的外凸部分，用于将该靶材压叠在第n-1种靶材上，2≤n≤m。

4.如权利要求1所述的用于阴极电弧沉积的复合靶，其特征是：所述靶材的成分是铬、铝、钛、锆、铜，或者银。

5.如权利要求1至5中任一权利要求所述的用于阴极电弧沉积的复合靶的沉积方法，其特征是：控制阴极电弧源磁场分布，使弧斑处于指定靶材的靶面，在基体表面沉积该指定靶材。

6.如权利要求5所述的用于阴极电弧沉积的复合靶的沉积方法，其特征是：所述阴极电弧源磁场由永磁铁和电磁线圈组成，永磁铁位于电磁线圈中心。

7.如权利要求6所述的用于阴极电弧沉积的复合靶，其特征是：所述电磁线圈的中心轴线垂直于所述复合靶的靶面；作为进一步优选，所述复合靶靶面的中心轴线与电磁线圈的中心轴线重合。

8.如权利要求6所述的用于阴极电弧沉积的复合靶的沉积方法，其特征是：所述阴极电弧源的永磁铁和电磁线圈产生的磁场方向相反。

9.如权利要求6所述的用于阴极电弧沉积的复合靶的沉积方法，其特征是：所述永磁铁在复合靶材表面的磁场强度分布为2G-20G。

10.如权利要求6所述的用于阴极电弧沉积的复合靶的沉积方法，其特征是：通过调节电磁线圈的电流大小控制所述复合靶的靶面的磁场分布；

作为优选，所述电磁线圈的电流调节范围为0.5A～5.5A，对靶面磁场强度调节范围为5G～60G。