[发明专利]一种结构紧凑的多功能磁控离子镀弧源装置

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜制备领域，具体地说是一种结构紧凑的多功能磁控离子镀弧源装置，利用简单紧凑的结构，产生形式多样的旋转磁场，用以改善弧斑的放电形式，控制弧斑的运动轨迹，提高靶材利用率和刻蚀均匀性，减少或抑制靶材大颗粒的发射，用以制备高质量的薄膜，达到在一个弧源装置上实现多种形式的弧斑控制，拓展电弧离子镀的应用范围。

背景技术

电弧离子镀是工业镀膜生产以及科学研究中最重要的技术之一，由于其结构简单，离化率高(70％-80％)，入射粒子能量高，绕射性好，可实现低温沉积等一系列优点，使电弧离子镀技术得到快速发展并获得广泛应用，展示出很大的经济效益和工业应用前景。

电弧离子镀是基于气体放电等离子体物理气相沉积原理的镀膜技术。这种技术依靠在真空镀膜室中阴极靶材表面上产生的电弧斑点的局部高温，使作为靶材的阴极材料瞬时蒸发和离化，产生电离度高而且离子能量大的等离子体，在工件上加上负电位，即可在工件加热温度比较低的条件下，在工件表面镀上一层硬度高、组织致密而且结合性好的各种硬质薄膜。

电弧离子镀所用的弧源结构是冷阴极弧源，电弧的行为被阴极表面许多快速游动，高度明亮的阴极斑点所控制，阴极斑点的运动对靶材利用率及靶材刻蚀均匀性，电弧等离子体的物理特性以及随后的镀膜特性有很大的影响。真空弧光放电实际上是一系列电弧事件，由于其快速地连续发生，以至于给人运动电弧的印象，阴极斑点及弧根的运动决定了整个电弧的运动，相邻弧斑的次第燃起和熄灭构成了弧斑的运动。电弧离子镀阴极斑点的尺寸很小(100～200μm²)，电流密度很高(10⁵～10⁷A/cm²)，具有非常高的功率密度(10¹⁶W/m²)，因此阴极斑点在作为强烈的电子，金属原子、离子和高速(1000m/s)金属蒸汽发射源的同时，也不断的喷射金属液滴(大颗粒)。

电弧离子镀技术虽然有很多优点，但是由于电弧离子镀中大颗粒的存在，严重影响了涂层和薄膜的性能和寿命。因此有关如何解决阴极电弧镀中大颗粒问题对阴极电弧的发展影响很大，成为后期发展的主要论题，也成为阻碍电弧离子镀技术更深入广泛应用的瓶颈问题。

电弧离子镀的进一步发展要求在工艺设计中考虑对大颗粒的去处或抑制，目前应用较多的是磁过滤技术，主要是利用大颗粒与金属离子质荷比的差别将大颗粒完全阻挡在沉积区外，这种方法虽然可以满足制备高质量薄膜的要求，但是磁过滤技术降低了等离子的传输效率，大大降低了沉积速率，同时需要增加额外的设备，占用很大的设备空间，结构复杂，不能实现大面积沉积这个工业要求，成本很高，不利于应用推广。更重要的是磁过滤技术考虑的是等离子体传输过程中将大颗粒排除掉的方法，是等症状出现以后用来治标而不治本的方法，因此是一种消极的方法。

更为积极的办法是考虑从源头解决问题的措施。改善弧斑的放电形式，控制弧斑的运动轨迹，提高弧斑的运动速率，降低放电功率在阴极斑点处的集中，使放电功率分布在整个靶面上，从而减少大颗粒的发射甚至没有颗粒的发射。因此尽管对弧斑内部结构的过程还没有确切的了解，但是为了更好的提高沉积薄膜的质量和有效的利用靶材，提高放电稳定性，必须对弧斑的运动进行合理的控制。

由于真空电弧的物理特性，外加电磁场是控制弧斑运动的有效方法，不同磁场分量对弧斑的运动影响规律不同，当施加平行于阴极靶面的磁场时(横向磁场，见图1(a))，电弧斑点做逆安培力的反向运动(Retrograde motion)，也就是运动方向和电流力的方向相反(-I×B)，见图1(b)。弧斑的运动速度和横向磁场的强度成抛物线关系，因此可以用来提高弧斑的运动速度。当磁场与阴极表面相交呈一定角度θ的时候(尖角磁场，磁感应强度B，见图1(c))，则电弧斑点1在反向运动上还叠加一个漂移运动(Robson drift)，漂移运动的方向指向磁力线于阴极靶面所夹的锐角θ_B区域，这就是锐角法则(Acute angle principle)，图1(d)。图1(d)中，Φ_R代表弧斑运动的方向和磁力线与靶面相交线之间的夹角，θ_B≈Φ_R。锐角法则可以用来限制弧斑的运动方向，控制弧斑在靶面上的出现的位置，此法则对弧斑运动的控制、靶材刻蚀得均匀性非常重要，此法则和弧斑反向运动规律一起决定了弧斑的运动轨迹8。上述规律是磁场对弧斑运动影响的基本规律，也是磁场设计必须考虑的规律。