一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置

摘要

本发明属于材料表面改性领域，具体为一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置。该装置的真空室内设置工件台、靶材，靶材正面与工件台相对；置于靶材后面的轴向磁场发生装置套在法兰或支撑圆筒上，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护；置于真空室外的旋转横向磁场发生装置套在靶材外侧的法兰或支撑圆筒上，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护；置于等离子体传输通道的轴向磁场发生装置套在真空室外侧的法兰或支撑圆筒上，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护。本发明通过旋转横向磁场控制弧斑的运动，改善弧斑的放电形式，提高弧斑运动速度及靶材表面大颗粒的发射，同时通过轴向磁场约束等离子体传输，提高等离子体的密度和利用率。

说明书

技术领域

本发明属于材料表面改性领域，具体为一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助 电弧离子镀装置，用以提高弧斑运动速度，减少靶材表面大颗粒发射，提高薄膜 的沉积速率与沉积均匀性。

背景技术

电弧离子作为工业应用最为广泛的物理气相沉积（PVD）技术之一，由于其 离化率高，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。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使用寿命。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，成为阻碍电弧离子镀技术更深入广泛应用的 瓶颈问题。而磁过滤技术是在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。

真空电弧放电实际上是一系列电弧事件，电弧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。尽管对弧斑内 部结构还没有确切了解，但为了提高放电过程稳定性及沉积薄膜质量，必须对弧 斑运动进行合理的控制。而弧斑的聚集与运动速度过慢是阴极靶材表面产生大颗 粒发射的主要原因。目前的电弧离子镀技术主要是采用在靶材附件施加磁场来控 制弧斑的运动，以提高电弧放电稳定性。

中国专利200810010762.4公开了一种新的电弧离子镀装置（多模式可编程调 制的旋转横向磁场控制的电弧离子镀装置），通过在靶材附近设置一个多模式可编 程调制的旋转横向磁场发生装置，利用该装置产生的旋转横向磁场来改善弧斑的 放电形式和工作稳定性，减少靶材表面大颗粒的发射。尽管利用该装置沉积的薄 膜表面大颗粒明显减少，但是不同位置处薄膜的沉积均匀性仍有待改善。中国专 利200710158829.4公开了一种磁场增强的电弧离子镀沉积工艺，通过设置两套磁 场发生装置，一套放置于靶材后面，另一个放置于真空室内，通过两套耦合的磁 场发生装置产生的耦合磁场辅助对基体进行沉积。利用该工艺使得薄膜表面大颗 粒明显减少，薄膜沉积均匀性也有改善，但是在真空室内设置的电磁场线圈在电 弧等离子体空间易发生电荷累积及薄膜沉积过程中带来的高温烘烤，其稳定性大 大降低。因此既要通过磁场控制弧斑运动以减少靶材表面大颗粒发射，又要解决 等离子体传输过程中的均匀性仍存在一定困难。

发明内容

为了解决以上问题，本发明旨在提供一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电 弧离子镀装置，用以提高弧斑运动速度，减少靶材表面大颗粒发射，提高薄膜的 沉积速率与沉积均匀性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，该电弧离子镀装置设 有靶材、旋转横向磁场发生装置、两套轴向磁场发生装置、真空室；真空室内设 置工件台、靶材，靶材正面与工件台相对；旋转横向磁场发生装置放置于真空室 外，套在靶材外侧的法兰或支撑圆筒上，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护； 轴向磁场发生装置一套放置于靶材后面，由放置于靶材后面的电磁线圈组成；轴 向磁场发生装置另一套置于等离子体传输通道的真空室外侧的法兰或支撑圆筒 上，由电磁线圈组成，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护。

所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，旋转横向磁场发生 装置为采用相差一定均匀角度、相互连接在一起的磁极均匀分布于同一圆周上， 磁极数量为4n或者3n，n≥1，形成一个整体的电磁回路骨架，励磁线圈镶嵌在相 邻磁极之间的插槽间隙内或者套在磁极上，采用相位差为90°的两相或者相位差 为120°的三相励磁顺序供电，在磁极包围的空间内产生可调的旋转横向磁场。

所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，轴向磁场发生装置 由电磁线圈组成，或者由单个或两个以上永磁铁组合磁轭组成；置于靶材后面的 轴向磁场发生装置由电磁线圈组成，并在电磁线圈法兰或支撑圆筒轴向中心设置 镀镍纯铁作为铁芯。

所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，旋转横向磁场发生 装置中，电流的频率通过变频器调节，电压的大小通过调压器调节，在磁极包围 的空间内、靶面上产生速度可调、强度可调的旋转横向磁场，速度通过励磁电流 频率调节，强度通过励磁电流大小调节。

所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，旋转横向磁场发生 装置为磁极均匀分布在主体导磁通道上，形成一个整体的电磁回路骨架，骨架采 用高导磁率的电工纯铁或者叠加的冲压硅钢片制作的骨架；励磁线圈镶嵌在相邻 磁极之间的插槽间隙内或者套在磁极上，与磁极个数相同的励磁线圈安装在磁极 上，形状和磁场的形状相同，励磁线圈与骨架之间通过绝缘保护。

所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，置于真空室外的旋 转横向磁场发生装置套在靶材外侧的法兰或支撑圆筒上，与法兰或支撑圆筒之间 通过绝缘保护；置于等离子体传输通道的真空室外侧的轴向磁场发生装置套在法 兰或支撑圆筒上，法兰或支撑圆筒与真空室之间通过绝缘保护。

所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，法兰或支撑圆筒采 用不导磁的不锈钢制作的法兰或支撑圆筒，法兰或支撑圆筒为空心结构，所述空 心结构通冷却水进行冷却；旋转横向磁场发生装置、轴向磁场发生装置及法兰或 支撑圆筒与靶材之间同轴，旋转横向磁场发生装置在法兰或支撑圆筒上的位置可 调。

所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，放置于真空室外侧 的轴向磁场发生装置产生的磁场极性与放置于靶材后面的轴向磁场发生装置产生 的磁场极性相同，其产生的磁场强度大小通过线圈电流大小调节。

本发明的核心思想是：

为了有效改善靶材表面大颗粒发射，在靶材后面设置电磁场发生装置，利用 电磁场对弧斑的运动进行控制，并将弧斑限制在靶面上运动；在靶材侧面设置旋 转横向磁场，改善弧斑的放电形式，提高弧斑运动速度；在等离子体束流从阴极 靶材表面喷射出来后，即采用磁场与等离子体的交互作用，对等离子体束流进行 聚焦与约束，以减少等离子体在传输过程中的损失程度，以实现等离子体对基体 表面薄膜沉积的均匀性。此外，为了加强离子与基体的良好结合，在基体表面设 置脉冲电场，在管壁施加脉冲负偏压对正离子进行加速，以保证薄膜与基体的良 好结合。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用三套磁场发生装置产生的耦合磁场，减少了靶材表面大颗粒 的发射和薄膜表面大颗粒的数量，提高了薄膜质量。同时还解决了传统工艺中等 离子体传输过程的不均匀性，提高了薄膜的沉积速率和沉积均匀性。

2、本发明中放置于靶材后面的磁场发生装置产生的磁场可以控制弧斑的运 动速度，提高靶面横向磁场分量的大小，将弧斑限制在靶面上运行，减少靶材表 面大颗粒的发射，并通过改变线圈电流的形式如交流电，可以使弧斑在整个靶面 上均匀运行，提高靶材利用率。

3、本发明中放置于靶材侧面的旋转横向磁场发生装置产生的旋转横向磁场， 可以改善弧斑的放电形式与工作稳定性，控制弧斑的运动轨迹和速度，提高靶材 刻蚀的均匀性和靶材利用率，减少靶材表面大颗粒的发射。

4、本发明中放置于真空室外侧的磁场发生装置，可以在等离子体从靶面喷 射出来后即进行聚焦约束，减少等离子体沉积到真空室壁的损失，提高等离子体 密度与空间分布均匀性，进而提高薄膜沉积速率及沉积均匀性。

5、本发明中三套磁场的耦合使用，可以改善弧斑的运动轨迹和速度，控制 等离子体在传输过程中的空间分布。通过调节放置于真空室外侧的磁场发生装置 产生的轴向磁场大小，可以改变基体处离子的密度及分布，提高薄膜沉积速率和 沉积均匀性，进而控制薄膜质量及性能。

6、本发明的磁控电弧离子镀复合沉积工艺配合在基体上施加脉冲偏压使用， 可以扩大工艺参数的调节范围，为制备不同性能的薄膜提供保障。同时，可以通 过优化工艺参数达到制备高质量薄膜的要求。

附图说明

图1是本发明的采用旋转横向磁场耦合均匀轴向磁场辅助电弧离子镀装置。 图中：1真空室，2等离子体约束轴向磁场发生装置支撑圆筒，3等离子体约束轴 向磁场发生装置，4靶材，5引弧针，6螺栓，7旋转横向磁场发生装置，8旋转 横向磁场支撑圆筒，9引弧线圈，10出水管，11进水管，12弧斑约束轴向磁场发 生装置，13弧斑约束轴向磁场发生装置支撑圆筒，14镀镍纯铁，15脉冲偏压电 源，16工件，17工件台。

图2是本发明的采用旋转横向磁场耦合梯度轴向磁场辅助电弧离子镀装置， 其中梯度磁场由两个以上电磁线圈组成，磁场强度分别调整，且其大小沿着等离 子体束流方向逐渐减小。图中：1真空室，2等离子体约束轴向磁场发生装置支撑 圆筒，3等离子体约束轴向磁场发生装置，4靶材，5引弧针，6螺栓，7旋转横 向磁场发生装置，8旋转横向磁场支撑圆筒，9引弧线圈，10出水管，11进水管， 12弧斑约束轴向磁场发生装置，13弧斑约束轴向磁场发生装置支撑圆筒，14镀 镍纯铁，15脉冲偏压电源，16工件，17工件台。

图3是实施例3采用三相六磁极的旋转横向磁场发生装置结构示意图。

图4（a）-（f）是实施例3采用的旋转横向磁场发生装置在半个电流周期内 不同时刻的瞬态磁场分布模拟图，t为时间，T为电流周期。其中，（a）图t=0； （b）图$t=\frac{1}{12}T;$（c）图$t=\frac{1}{6}T;$（d）图$t=\frac{1}{4}T;$（e）图$t=\frac{1}{3}T;$（f）图$t=\frac{5}{12}T.$

图5是实施例4中采用的频率相同而相位不同的三相正弦交流电控制的多极 （一般为6n，n≥2）旋转横向磁场发生装置示意图。其中，（a）图为采用相位差 120°的三相正弦交流电控制的旋转磁场发生装置的结构模型图（a图上半部分） 及其三相正弦交流电波形示意图（a图下半部分）。（b）图为绕组线圈，嵌入到（a） 图所示的插槽间隙中。图中，18磁轭；19插槽；20气隙；21阴极；22绕组线圈。

图6是实施例4采用的旋转横向磁场发生装置在半个电流周期内不同时刻的 瞬态磁场分布模拟图，t为时间，T为电流周期。其中，（a）图t=0；（b）图（c）图$t=\frac{1}{6}T;$（d）图$t=\frac{1}{4}T;$（e）图$t=\frac{1}{3}T;$（f）图$t=\frac{5}{12}T.$

具体实施方式

本发明旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置设有靶材、旋转横向 磁场发生装置、两套轴向磁场发生装置、真空室，真空室内设置工件台、靶材， 靶材正面与工件台相对；旋转横向磁场发生装置放置于真空室外，套在靶材外侧 的法兰或支撑圆筒上，可以产生旋转横向磁场，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘 保护；一套轴向磁场发生装置放置于靶材后面，由放置于靶材后面的电磁线圈组 成，可以产生弧斑约束轴向磁场；另一套轴向磁场发生装置放置于等离子体传输 通道的真空室外侧的法兰或支撑圆筒上，由电磁线圈组成，可以产生等离子体约 束轴向磁场，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护。从而，通过在电弧离子镀过 程中采用弧斑约束磁场控制弧斑的运动速度及运动轨迹，以减少靶材表面大颗粒 发射；采用等离子体约束磁场以约束等离子体的传输及等离子体束流运动轨迹， 以提高等离子体的传输效率、薄膜沉积速率及沉积均匀性；利用电场对等离子体 实现加速定向流动，以提高膜基结合强度，从而实现等离子体在工件表面沉积高 质量薄膜的目的。

下面通过实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

电弧离子镀的一个重要特点就是弧斑放电在其附近形成高温区域，同时会辐 射到真空室的其它位置，而且受到真空室空间的限制，靶材周围的空间也是有限 的，因此在进行弧源设计时，如果把思路局限于真空室内有限的空间内将很难有 所突破。特别是对于控制弧斑运动的旋转横向磁场设计，将旋转横向磁场发生装 置放置于真空室内靶材周围的话，会受到尺寸、材料等的限制，虽然在条件允许 的情况下能够取得比较好的效果，但对于工业生产所需的大面积沉积，长期工作 时会受到限制。因此，面对更广泛的应用，需要创新和突破。

图1是实施例1针对小尺寸靶材发明的采用旋转横向磁场耦合均匀轴向磁场 辅助电弧离子镀装置结构示意图，从图可以看出，该电弧离子镀装置主要包括： 真空室1、等离子体约束轴向磁场发生装置支撑圆筒2、等离子体约束轴向磁场发 生装置3、靶材4、引弧针5、螺栓6、旋转横向磁场发生装置7、旋转横向磁场 支撑圆筒8、引弧线圈9、出水管10、进水管11、弧斑约束轴向磁场发生装置12、 弧斑约束轴向磁场发生装置支撑圆筒13、镀镍纯铁14、脉冲偏压电源15、工件 16、工件台17等，具体结构如下：

靶材4设置在真空室1端部，在靶材4侧面设有引弧针5，引弧针5与真空 室1外的引弧线圈9连接；弧斑约束轴向磁场发生装置12置于靶材4的后面，弧 斑约束轴向磁场发生装置12由其内侧的弧斑约束轴向磁场发生装置支撑圆筒13 支撑，弧斑约束轴向磁场发生装置12的中心轴向放置镀镍纯铁14作为铁芯；在 靶材4的正面真空室1外设置有等离子体约束轴向磁场发生装置3，等离子体约 束轴向磁场发生装置3由其内侧的等离子体约束轴向磁场发生装置支撑圆筒2支 撑。在靶材4的侧面真空室1外设置有旋转横向磁场发生装置7，旋转横向磁场 发生装置7由其内侧的旋转横向磁场支撑圆筒8支撑，旋转横向磁场支撑圆筒8 内侧与真空室1之间相连。在旋转横向磁场支撑圆筒8内侧与真空室1之间设置 螺栓6，通过螺栓6连接旋转横向磁场支撑圆筒8与真空室1。

靶材4后端部设置有冷却水管：进水管11和出水管10，用于对靶材4的冷 却。在正对靶材4的位置设有工件台17，工件台17上放置工件16，脉冲偏压电 源15的负极与工件台连接，脉冲偏压电源15的正极与真空室1的外壁连接。

本实施例中，弧斑约束轴向磁场发生装置12产生的磁场强度控制在20～60 高斯，旋转横向磁场中的电磁线圈可通交流电，与静态弧斑约束轴向磁场发生装 置12产生的轴向磁场形成动态耦合磁场。交流电形式为低频可调（0.01～1kHz） 的半正弦波或直流偏置三角波，交变电压值可调（0～50V），偏置电流电压幅度 可调（0～15V）。本发明中，交流电发生电源可采用数字合成任意波信号发生器 和功率放大器组成。等离子体约束轴向磁场发生装置3采用均匀磁场，磁场强度 控制在100～5000高斯。

该实施例可以有效解决电弧离子镀大颗粒问题，同时提供等离子体的传输效 率和薄膜沉积均匀性，以及提供靶材利用率，使得电弧离子镀能够制备各种高性 能防护薄膜甚至功能薄膜，拓宽电弧离子镀的应用范围。

实施例2

图2是实施例2针对小尺寸靶材发明的采用旋转横向磁场耦合梯度轴向磁场 辅助电弧离子镀装置，其中梯度磁场由两个以上电磁线圈组成，磁场强度分别调 整，且其大小沿着等离子体束流方向逐渐减小。本实施例与实施例1不同的是， 等离子体约束轴向磁场发生装置采用的是梯度磁场，该梯度磁场由两个以上电磁 线圈组成，电磁线圈的匝数随着与靶材距离的增加而呈梯度减小。在这种条件下， 各个电磁线圈可以串联组成一个大的线圈，在线圈中通电时各个电磁线圈中的电 流相同，但由于不同线圈的匝数不同，因而可产生随着电磁线圈位置变化而变化 的梯度磁场，磁场强度的大小随着与靶材距离的增加而逐渐减小。在等离子体约 束轴向磁场采用梯度磁场可以更加精细控制等离子体传输的横截面直接及传输效 率，更利于实现薄膜沉积的均匀性。

实施例3

与实施例1不同的是，本实施例中的旋转横向磁场发生装置采用三相六磁极 的旋转横向磁场发生装置，图3是本实施例采用的三相六磁极的旋转横向磁场发 生装置结构示意图，有六个磁极（A、Y、C、X、B、Z）均匀的分布在圆形封闭 的主体导磁通道上，形成一个整体的电磁回路骨架，电磁回路骨架的中心为阴极。 旋转横向磁场发生装置与靶材也是同轴放置，位置可以调解，以靶面形成有效的 旋转磁场区域为宜。每个磁极的顶端端部为直边或者弧形，对称地指向靶材表面 中心。旋转横向磁场发生装置中有六个线圈分别安装在六个磁极上，线圈与骨架 之间通过绝缘保护。相对的磁极和线圈为一组，六个磁极和线圈分为三组，同组 的线圈串联成一个导电回路，使得同组相对的线圈的电流反向，产生极性相反的 磁场，不同组的串联方式一样，也就是不同组的相对的线圈的电流方向反向。三 组线圈可以采用Y型或者△接法，剩余的三个接头通过频率可调，幅值可调、相 位差为120°的三相正弦交流电供电，通过调解就可以得到速度可调，强度可调的 旋转磁场。

图4是本实施例中采用的旋转横向磁场发生装置在半个电流周期内不同时刻 的瞬态磁场分布模拟图。采用2极磁场，磁场随着电流的周期变化不断的在进行 旋转。磁场的分布更加均匀，特别是在旋转横向磁场发生装置的中心、靶材的位 置，磁场形态几乎不变，分布均匀。本实施例中的旋转横向磁场发生装置产生的 旋转磁场与靶面平行，形成覆盖靶面的均匀的旋转横向磁场，可以用于科研领域 研究旋转横向磁场对沉积工艺以及薄膜性能的影响或者大部分工业领域。

实施例4

旋转横向磁场发生装置的磁极数对磁场的分布均匀性有很大的影响，磁极越 多，分布越紧密均匀，产生的旋转磁场也越均匀。采用相位差为120°的三相正弦 交流电供电比相位差为90°的两相正弦交流电供电产生的旋转磁场均匀，相位差 为90°的两相电需要单相裂相（斯考特变压器不需要，但成本高），存在很大的误 差，使得产生的旋转磁场形态多变、不均匀。相位差为120°的三相正弦交流电可 以直接取于电网，分布对称，满足了产生均匀旋转磁场的条件。

图5是本实施例中采用的频率相同而相位不同的三相正弦交流电控制的多极 （一般为6n，n≥2）旋转横向磁场发生装置示意图。对于极数比较多的情况，采 用缠绕线圈套在磁极上的方案是不可行的，必须采用按电机定子绕组分布规律嵌 在相邻磁极之间的插槽19间隙内。

图5(a)是本方案的采用相位差120°的三相正弦交流电控制的旋转横向磁场发 生装置的结构模型图及其三相正弦交流电波形示意图。旋转横向磁场发生装置与 靶材也是同轴放置，位置可以调节，以靶面形成有效的旋转磁场区域为宜。本设 计实施例中的旋转横向磁场发生装置的骨架有24个磁极和插槽19间隙。骨架（磁 轭18）一般采用铁损小、导磁性能好、厚度为0.35～0.5mm的硅钢片冲槽叠压而 成，硅钢片的表面涂有绝缘漆，磁轭18的内圆表面冲有均匀分布的插槽19，绕 组线圈22（图5(b)）嵌放在插槽19间隙中。磁轭18中心为阴极21，阴极21与 磁轭18的内圆表面之间为气隙20，插槽19形状有开口、半开口或半闭口等形式 （图中为开口）。将绕组图5(b)嵌入图5(a)所示的骨架中，绕组嵌线的形式很多， 在插槽19间隙的布置可以采用单层、双层或单双层混合等布置；绕组端部的接线 方式可以采用叠式或者波式；绕组的端部形状可以采用链式、交叉式、同心式或 叠式等，不同的嵌线方式可以产生不同极数（2、4、6、8极）和形态的旋转磁场。

图6是本实施例发明的旋转横向磁场发生装置在半个电流周期内不同时刻的 瞬态磁场分布模拟图。随着电流周期性的变化，在骨架的空间内可以产生非常均 匀、形态不变的旋转磁场。而且由于本设计的旋转横向磁场发生装置与靶材同轴， 产生的磁场完全覆盖并且平行于整个靶面，也就是该磁场是均匀的完全覆盖靶面 的平行于靶面的旋转横向磁场。由不同磁场对弧斑的影响规律可知，横向磁场可 以使弧斑做逆安培力的反向运动，由于本设计的横向磁场在不断的旋转，而且速 度和强度大小可以调节，因此能够使弧斑在整个靶面上螺旋运动。弧斑运动的速 度可以由磁场的旋转速度和磁场的大小调节控制。本设计实现了弧斑在整个靶面 的刻蚀运动，提高了靶材刻蚀均匀性和利用率。同时，有效地改善了弧斑的放电 形式，如果控制得当，可以实现新的放电形式，有效地分散了放电的集中，减少 了液滴大颗粒的发射。

实施例结果表明，本发明通过旋转横向磁场控制弧斑的运动，改善弧斑的放 电形式，提高弧斑运动速度及靶材表面大颗粒的发射，同时通过轴向磁场约束等 离子体传输，提高等离子体的密度和利用率，用于制备高质量的硬质薄膜及功能 薄膜，拓宽电弧离子镀的应用领域及范围。