CN109385607B - 弧源装置及该弧源装置的弧源磁场的调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种弧源装置，包括靶材、横置线圈、多个纵置线圈及电源，横置线圈平行于靶材且位于靶材之后，多个纵置线圈依次设置于横置线圈中，横置线圈、多个纵置线圈与靶材之间的垂直距离相同，电源与横置线圈、多个纵置线圈分别电性连接且能够分别调节横置线圈及多个纵置线圈的电流大小及方向。本发明还提出一种弧源磁场的调节方法。本发明的弧源装置通过调节多个磁极平行于靶材平面的纵置线圈的电流，来耦合出磁拱位置形状不同的磁场，从而增加了靶材的利用率。并且每个纵置线圈能够独立调节电流，从而保证耦合的磁拱即使位置形状不同，但耦合磁拱的顶部在靶材上的磁场强度保持近似，从而确保弧斑运动速度不减弱，从而保证液滴不增加。

Description

弧源装置及该弧源装置的弧源磁场的调节方法

技术领域

本发明涉及涂层制备领域，特别是一种能够增加靶材利用率的弧源装置及该弧源装置的弧源磁场的调节方法。

背景技术

电弧离子镀技术，因其离化率高、粒子沉积能量高，从而获得高硬度、高结合力的膜层及优秀的沉积效率，被广泛应用于镀膜处理。但电弧离子镀技术存在以下缺点：膜层有大颗粒，表面粗糙。因该技术是通过热-场致电子发射在靶面形成弧斑，从而喷射出电子、离子及液态原子团飞向工件表面沉积成膜，其中喷射出的液态原子团沉积到工件表面冷却后成为大颗粒嵌入涂层，影响涂层的稳定性。

大量研究证明加快弧斑运动速度能显着减少液滴产生，靶面弧斑的宏观运动方向及快慢受平行于靶面的磁场分量影响，即磁场横向分量。弧斑的运动规律遵从：(1)锐角法则：弧斑朝磁力线与靶面的锐角夹角方向漂移；(2)反安培力运动：弧斑沿安培力相反的方向运动，运动速度随磁场强度增大而加快。根据上述法则，矩形平面靶搭配的弧源磁场通常设计成横置拱形磁场。磁拱顶部最平缓，磁场横向分量最大，增大该部位磁场强度能加快弧斑运动速度，减少液滴，但生成的弧斑会漂移汇聚至此，该部位靶材烧蚀严重，消耗较大；磁拱边缘的弧斑因漂移离开，该部位消耗较少，长期使用会导致靶面出现V型槽，靶材利用率低。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种能够增加靶材利用率的弧源装置及该弧源装置的弧源磁场的调节方法，以解决上述问题。

一种弧源装置，所述弧源装置包括靶材、横置线圈、多个纵置线圈及多个电源，所述横置线圈平行于所述靶材且位于所述靶材之后，多个所述纵置线圈依次设置于所述横置线圈中，所述横置线圈、多个所述纵置线圈与所述靶材之间的垂直距离相同，所述横置线圈、每个所述纵置线圈分别电性连接一个所述电源，多个所述电源能够分别调节所述横置线圈及多个所述纵置线圈的电流大小及方向。

一种弧源磁场的调节方法，其包括以下步骤：提供一弧源装置；所述电源使用第一电流组合对所述横置线圈及多个所述纵置线圈进行供电，蚀刻所述靶材；所述电源使用第二电流组合对所述横置线圈及多个所述纵置线圈进行供电，蚀刻所述靶材，所述第二电流组合与所述第一电流组合产生的磁场的磁拱位置不同；所述电源使用第三电流组合对所述横置线圈及多个所述纵置线圈进行供电，蚀刻所述靶材，所述第三电流组合与所述第一电流组合及所述第二电流组合产生的磁场的磁拱位置不同；循环使用所述第一电流组合、所述第二电流组合及所述第三电流组合直至所述靶材消耗完。

上述弧源装置通过调节多个磁极平行于靶材平面的纵置线圈的电流，来耦合出磁拱位置形状不同的磁场，从而增加了靶材的利用率。并且本发明的弧源装置中每个纵置线圈能够独立调节电流，从而保证两个耦合的磁拱，即使位置形状不同，但耦合磁拱的顶部在靶材上的磁场强度保持近似，从而确保弧斑运动速度不减弱，从而保证液滴不增加。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中弧源装置的示意图。

图2是图1所示弧源装置的立体示意图。

图3A是第一电流组合时弧源装置的磁力线分布示意图。

图3B是第一电流组合时靶材的消耗示意图。

图4A是第二电流组合时弧源装置的磁力线分布示意图。

图4B是第二电流组合时靶材的消耗示意图。

图5A是第三电流组合时弧源装置的磁力线分布示意图。

图5B是第三电流组合时靶材的消耗示意图。

主要元件符号说明

弧源装置	100
		靶材	10
横置线圈	20
		纵置线圈	30
电源	40
		铁芯	50

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中设置的元件。当一个元件被认为是“设置在”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中设置的元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请同时参阅图1和图2，本发明提供一种磁场强度位形可变的弧源装置100。弧源装置100能够调节磁场分布，从而提高靶材的利用率。弧源装置100包括靶材10、横置线圈20、多个纵置线圈30及电源40。横置线圈20平行于靶材10且位于靶材10之后。多个纵置线圈30依次设置于横置线圈20中。横置线圈20、多个纵置线圈30与靶材10之间的垂直距离相同。电源40与横置线圈20、多个纵置线圈30分别电性连接且可分别调节横置线圈20及多个纵置线圈30的电流大小及方向。本实施例中，纵置线圈30的数目为8个，但不限于此。

本实施例中，靶材10为长方形板状的金属靶，但不限于此，在其他实施例中，靶材10的形状可根据电镀需求而选择不同形状，如圆柱状，椭圆状等。

横置线圈20与靶材10具有相同的中轴线且横置线圈20的磁极垂直于靶材10。本实施例中，横置线圈20为长圆形电磁线圈。优选的，横置线圈20的外围面积大于靶材平面的面积且靶材平面的投影完全位于横置线圈20内。

多个纵置线圈30平行且间隔设置。本实施例中，纵置线圈30为方形电磁线圈。多个纵置线圈30垂直于靶材10且设置于横置线圈20中。纵置线圈30的磁极平行于靶材10。八个纵置线圈30在靶材平面上的投影间隔相同且对称。

本实施例中，纵置线圈30表面涂覆有绝缘漆。弧源装置100还包括多个铁芯50。每个纵置线圈30分别缠绕于相应的一个铁芯50上。铁芯50为导磁材料。

至少一个靠近所述横置线圈20的所述纵置线圈30的电流方向与所述横置线圈20相同。本实施例中，靠近横置线圈20的两个纵置线圈30的电流大小及方向与横置线圈20相同。

横置线圈20及多个纵置线圈30可根据所需磁场的有效区域及强度等要求，调整线圈的尺寸、相对位置及匝数。

可以理解的，在其他实施例中，所述弧源装置100还可包括冷却件。冷却件用以对靶材10、横置线圈20及纵置线圈30进行冷却。

电源40分别控制横置线圈20及多个纵置线圈30的电流大小及方向以控制横置线圈20及多个纵置线圈30产生磁场的强度及位置。在使用一段时间后，调节纵置线圈30的电流大小以改变靶材平面上磁场的位置及形状，从而调节靶材10上刻蚀的位置，使得靶材10消耗更均匀。

具体地，请一并参阅图3A至图5B，本实施例中弧源装置100的使用步骤：

首先使用第一电流组合，横置线圈20及八个纵置线圈30的磁势大小依次为800AN(安匝)、800AN、300AN、800AN、800AN、800AN、800AN、300AN及800AN。其电磁线圈耦合产生的磁场如图3A所示，在靶材平面上形成轴对称的反向磁拱。在使用一段时间后，靶材10的消耗情况如图3B所示，在靶材10上刻蚀形成两个对称的凹槽。

然后调节电源40使用第二电流组合，使得横置线圈20及八个纵置线圈30的磁势大小依次为800AN、800AN、300AN、800AN、800AN、0AN、0AN、500AN及800AN。其电磁线圈耦合产生的磁场如图4A所示，相对第一电流组合，第二电流组合在靶材平面上形成的磁拱边沿和磁拱顶部向右偏移。使用一段时间后的靶材10消耗情况如图4B所示，在靶材10上形成的凹槽与第一电流组合形成的凹槽叠加后如图4B中阴影线所示。

最后调节电源40使用第三电流组合，使得横置线圈20及八个纵置线圈30的磁势大小依次为800AN、800AN、500AN、0AN、0AN、800AN、800AN、300AN及800AN。其电磁线圈耦合产生的磁场如图5A所示，相对第一电流组合，第三电流组合在靶材平面上形成的磁拱边沿和磁拱顶部向左偏移。使用一段时间后的靶材10消耗情况如图5B所示，在靶材10上形成的凹槽与第一电流组合及第二电流组合形成的凹槽叠加后如图5B中阴影线所示。

参阅图5B，经过第一电流组合、第二电流组合及第三电流组合后，靶材10消耗会分散在多处，从而使靶材10中凸起部位刻蚀增多，凹槽底部被拓宽，靶材10消耗更均匀，提高了靶材10的利用率。同时在第一电流组合、第二电流组合及第三电流组合的使用过程中，两个磁拱顶部的磁感应强度均在7mT左右，提高了弧斑的运动速度，减少了电弧液滴的产生。

本发明还提供一种弧源磁场的调节方法，包含以下步骤。

步骤1：提供一弧源装置100。所述弧源装置100包括靶材10、横置线圈20、多个纵置线圈30及电源40。

步骤2：电源40使用第一电流组合对横置线圈20、多个纵置线圈30进行供电，蚀刻靶材10，第一电流组合如前所述。

步骤3：电源40使用第二电流组合对横置线圈20、多个纵置线圈30进行供电，蚀刻靶材10，第二电流组合如前所述。

步骤4：电源40使用第三电流组合对横置线圈20、多个纵置线圈30进行供电，蚀刻靶材10，第三电流组合如前所述。

步骤4：循环使用第一电流组合、第二电流组合及第三电流组合直至靶材10消耗完。

本发明的弧源磁场调节方法可以结合靶材10的材料和其他工艺参数，对横置线圈20及多个纵置线圈30的电流大小进行调节，从而获得合适的磁场强度，使弧斑快速运动且不灭弧。

本发明的弧源磁场调节方法可以根据实际需要设置不同数目的纵置线圈30及多组电流组合，每组电流组合使用一定炉次或较长时间后切换另一组电流组合进行使用，使得每组电流组合产生的耦合磁场位形不同，造成靶面上磁场位置形状不固定，从而使得靶材蚀刻最快及最慢的位置均不同，从而在多个电流组合接替使用后，靶材10消耗更均匀，提高了靶材的利用率。

本发明的弧源装置100改变了现有技术中磁场位置形状固定不变的缺点，通过调节多个磁极平行于靶材平面的纵置线圈30的电流，来耦合出磁拱位置形状不同的磁场，从而增加了靶材10的利用率。并且本发明的弧源装置100中每个纵置线圈30能够独立调节电流，从而保证两个耦合的磁拱，即使位置形状不同，但耦合磁拱的顶部在靶材10上的磁场强度保持近似，从而确保弧斑运动速度不减弱，从而保证液滴不增加。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种弧源装置，其特征在于：所述弧源装置包括靶材、横置线圈、多个纵置线圈及多个电源，所述横置线圈平行于所述靶材且位于所述靶材之后，多个所述纵置线圈依次设置于所述横置线圈中，所述横置线圈、多个所述纵置线圈与所述靶材之间的垂直距离相同，所述横置线圈、每个所述纵置线圈分别电性连接一个所述电源，多个所述电源能够分别调节所述横置线圈及多个所述纵置线圈的电流大小及方向，所述横置线圈与所述靶材具有相同的中轴线且所述横置线圈的磁极垂直于所述靶材；多个所述纵置线圈平行且间隔设置，多个所述纵置线圈垂直于所述靶材且设置于所述横置线圈中，所述纵置线圈的磁极平行于所述靶材。

2.如权利要求1所述的弧源装置，其特征在于：至少一个靠近所述横置线圈的所述纵置线圈的电流方向与所述横置线圈相同。

3.如权利要求1所述的弧源装置，其特征在于：所述弧源装置还包括多个铁芯，每个所述纵置线圈分别缠绕于相应的一个所述铁芯上。

4.如权利要求3所述的弧源装置，其特征在于：所述铁芯为导磁材料。

5.如权利要求1所述的弧源装置，其特征在于：所述弧源装置还包括冷却件，所述冷却件用以对所述靶材、所述横置线圈及所述纵置线圈进行冷却。

6.一种弧源磁场的调节方法，其包括以下步骤：

提供一如权利要求1-5中任一所述的弧源装置；

所述电源使用第一电流组合对所述横置线圈及多个所述纵置线圈进行供电，蚀刻所述靶材；

所述电源使用第二电流组合对所述横置线圈及多个所述纵置线圈进行供电，蚀刻所述靶材，所述第二电流组合与所述第一电流组合产生的磁场的磁拱位置不同；

所述电源使用第三电流组合对所述横置线圈及多个所述纵置线圈进行供电，蚀刻所述靶材，所述第三电流组合与所述第一电流组合及所述第二电流组合产生的磁场的磁拱位置不同；

循环使用所述第一电流组合、所述第二电流组合及所述第三电流组合直至所述靶材消耗完。

7.如权利要求6所述的弧源磁场的调节方法，其特征在于：所述横置线圈与所述靶材具有相同的中轴线，多个所述纵置线圈平行且间隔设置且多个所述纵置线圈垂直于所述靶材，使得所述第一电流组合在靶材平面上形成轴对称的反向磁拱，所述第二电流组合在靶材平面上形成的磁拱相对所述第一电流组合产生的磁拱向右偏移，所述第三电流组合在靶材平面上形成的磁拱相对所述第一电流组合产生的磁拱向左偏移。

8.如权利要求7所述的弧源磁场的调节方法，其特征在于：所述纵置线圈为八个，第一电流组合中所述横置线圈及八个所述纵置线圈的磁势依次为800AN、800AN、300AN、800AN、800AN、800AN、800AN、300AN及800AN，第二电流组合中所述横置线圈及八个所述纵置线圈的磁势依次为800AN、800AN、300AN、800AN、800AN、0AN、0AN、500AN及800AN，第三电流组合中所述横置线圈及八个所述纵置线圈的磁势依次为800AN、800AN、500AN、0AN、0AN、800AN、800AN、300AN及800AN。

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