一種放電弧斑滿布靶面的真空陰極電弧源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種真空陰極電弧源，尤其是涉及一種能使放電時(shí)弧斑滿布靶面的真空陰極電弧源。
【背景技術(shù)】
[0002]真空陰極電弧沉積是目前制備工模具硬質(zhì)保護(hù)膜和裝飾性保護(hù)膜的離子鍍膜主流技術(shù)之一，由于真空陰極電弧沉積具有離化率高、粒子能量大、膜/基結(jié)合力好、沉積速度快，可以沉積金屬膜、合金膜，也可以反應(yīng)鍍合成氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、DLC等多種膜系，且靶位可以任意配置等優(yōu)勢(shì)，在工模具硬質(zhì)保護(hù)膜沉積應(yīng)用上特別受到重視，國(guó)內(nèi)外都在開(kāi)發(fā)真空陰極電弧技術(shù)上進(jìn)行了大量工作，其中核心技術(shù)就是陰極電弧源的結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)設(shè)計(jì)，其目的是提高電弧沉速率，降低大顆粒數(shù)量，提高鍍層質(zhì)量和靶材利用率。
[0003]真空陰極電弧是在真空下，靶材產(chǎn)生弧光放電發(fā)射出靶材等離子體的過(guò)程。陰極放電區(qū)是一簇電弧斑，陰極電弧斑點(diǎn)面積為100?200um，一個(gè)弧斑內(nèi)存在若干個(gè)微弧(約10個(gè))，每個(gè)微弧斑約為10?30um，微弧斑之間相隔I?幾個(gè)自身尺度的距離，微弧斑只有I?5us的壽命，在壽命期中，比較穩(wěn)定，幾乎不變動(dòng)，當(dāng)微弧斑在燃燒期或熄滅后，新微弧斑可在弧斑內(nèi)部或在其邊沿區(qū)產(chǎn)生.陰極弧斑在陰極表面作跳躍式移動(dòng)；陰極金屬靶上的微弧有非常高的電流密度-達(dá)104?108A/cm2，具有非常高的功率密度(1016W/m2)，弧斑是強(qiáng)烈的電子發(fā)射區(qū)；同時(shí)，每約發(fā)射十個(gè)電子也發(fā)射一個(gè)金屬原子，以高達(dá)約1000m/s速度發(fā)射金屬蒸氣，高速的蒸發(fā)氣流夾帶著微溶池內(nèi)的金屬熔液噴射到前方空間。也就是陰極弧斑是電子、金屬離子、金屬蒸氣和金屬液滴的發(fā)射源。
[0004]人們目視真空陰極電弧在陰極(靶)表面呈現(xiàn)一圈圈閃耀的亮線，它是由一個(gè)或多個(gè)不連續(xù)的電弧明亮斑點(diǎn)，生成一熄滅一再移位生成一熄滅一系列快速過(guò)程所顯現(xiàn)的弧斑軌跡，人們眼睛錯(cuò)覺(jué)誤認(rèn)為像一個(gè)弧斑點(diǎn)在連續(xù)運(yùn)動(dòng)的路徑，其實(shí)它是一系列的電弧生、滅、跳迀的過(guò)程。人們研究總結(jié)了真空電弧放電特征與弧斑運(yùn)動(dòng)規(guī)律:(I)電弧放電的“電壓最小值”原則，即陰極電弧放電會(huì)自動(dòng)選擇電弧電壓最小的通路；⑵磁場(chǎng)與弧斑相互作用，主要有兩個(gè)方面:1、“后退運(yùn)動(dòng)”:在小電流真空電弧中，在一個(gè)平行于陰極表面的磁場(chǎng)(B)下，弧斑的運(yùn)動(dòng)方向垂直于B，并與電流力方向相反，即背離安培定律方向運(yùn)動(dòng)(即與羅侖茲力相反方向運(yùn)動(dòng));2、“銳角原則”:當(dāng)磁場(chǎng)與陰極表面斜交時(shí)，陰極弧斑在垂直于B//max方向又向磁場(chǎng)與陰極平面成銳角方向偏離一定的角度運(yùn)動(dòng)，即在反向運(yùn)動(dòng)上還疊加一個(gè)漂移運(yùn)動(dòng)，漂移運(yùn)動(dòng)的方向指向磁力線與陰極表面所夾的銳角區(qū)域。(見(jiàn)附圖1)以上斑弧運(yùn)動(dòng)的躍迀方向和運(yùn)動(dòng)規(guī)律成為陰極電弧源設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)的商業(yè)用電弧源主要采用磁場(chǎng)控制電弧斑的運(yùn)動(dòng)，其陰極弧源的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)主要形式是在陰極表面形成拱形磁場(chǎng)，(如圖2所示)根據(jù)反向運(yùn)動(dòng)原理和銳角法則，在陰極表面上電弧斑運(yùn)動(dòng)趨向?qū)?yīng)磁場(chǎng)平行分量最大的地方，即趨向運(yùn)動(dòng)到拱型場(chǎng)形成的墜道洞里，在拱頂對(duì)應(yīng)下方驅(qū)動(dòng)弧斑運(yùn)動(dòng)也最快。現(xiàn)有技術(shù)的電弧源有小圓形、平面矩形、柱狀體三種形式，其所用的磁體有永磁體、有電磁鐵、也有永磁體與電磁鐵結(jié)合，所有磁場(chǎng)設(shè)計(jì)都是形成拱型磁力線，讓其穿過(guò)靶面並讓拱形處在靶面的前方。
[0006]拱型磁力線與靶面好像組成隧道洞一樣，所控制的電弧斑都集中在拱形墜道洞內(nèi)運(yùn)動(dòng)，弧斑出現(xiàn)在拱頂下方的幾率最高。這樣可以看得到靶面呈現(xiàn)出非常耀眼的細(xì)小的閃爍弧斑線，對(duì)靶面燒蝕也集中在該運(yùn)動(dòng)軌跡上。有人采用變動(dòng)電磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度與永磁體組合，或采用可變磁場(chǎng)強(qiáng)度的雙電磁線圈設(shè)計(jì)，兩組磁力線拱形相對(duì)變動(dòng)，合成一個(gè)不斷變化的拱形，驅(qū)動(dòng)弧斑隨拱頂橫向位移而擴(kuò)展橫向運(yùn)動(dòng)范圍，讓靶面燒蝕面積擴(kuò)大趨向均勻些。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)的電弧源放電特征屬分立電弧放電，弧斑都限制集中在細(xì)小的弧斑線區(qū)內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)烈的放電；相對(duì)整個(gè)靶面積而言，在同一瞬間弧斑點(diǎn)放電的面積很小很小，其缺點(diǎn)是:(1)即使采用組合磁場(chǎng)擴(kuò)大弧斑運(yùn)動(dòng)范圍但改善有限，燒蝕面積仍較集中，靶材利用率低；(2)雖然弧斑區(qū)電流密度很高，但總放電面積有限，總放電電流受限制，從而沉積速率受限制；(3)同時(shí)，斑弧區(qū)面積小，功率集中，加熱溫度高，導(dǎo)致弧斑點(diǎn)處微熔池面積相對(duì)較大，熔液較多，當(dāng)金屬蒸汽猛烈蒸發(fā)時(shí)，仍然會(huì)夾帶著較多和較大的液滴拋射到空間。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題，就是提供一種放電弧斑滿布靶面的真空陰極電弧源，能夠使弧光放電布滿整個(gè)陰極靶面，放電面積大大增加，允許增加若干倍靶電流，有利于大幅度提高沉積速率；采用分散電弧放電取代分立電弧放電模式，弧斑不被限制在某些特定軌道上，而幾乎在整個(gè)靶面上放電，令靶面燒蝕更均勻，提高靶材利用率；降低發(fā)射液滴的數(shù)量和大小，有利于改善膜層質(zhì)量。
[0009]解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用以下的技術(shù)方案:
[0010]一種放電弧斑滿布靶面的真空陰極電弧源，包括一平板靶材，其特征是:所述平板靶材底面設(shè)有一對(duì)應(yīng)的靶座組件，所述的平板靶材與靶座組件用緊固件緊密貼合連接；所述的靶座組件由冷卻水道構(gòu)件和磁路構(gòu)件上下層疊組成；所述的冷卻水道構(gòu)件為包括冷卻水道金屬上蓋薄板及冷卻水道金屬底板的扁形冷卻水道并設(shè)有進(jìn)、出水口 ；所述的磁路構(gòu)件由磁極分別為上、下端面的多個(gè)小圓柱形磁體同極同向(相同磁極朝向相同)豎直排列在一靶座底板上組成。
[0011]所述的靶座底板為導(dǎo)磁銜鐵，小圓柱形磁體通過(guò)自身磁力與導(dǎo)磁銜鐵相吸定位并固定。
[0012]所述小圓柱形磁體的直徑為5—6_，排列方式為多排排列，同排相鄰圓柱形磁體的間距相等且間距為12 — 18mm，排與排之間的間距為12 — 18mm，但相鄰兩排圓柱形磁體的位置相互錯(cuò)開(kāi)半個(gè)間距。
[0013]所述的平板靶材為長(zhǎng)方形或者圓形。
[0014]所述的小圓柱形磁體為釹鐵硼材料制成。
[0015]所述的冷卻水道金屬上蓋薄板、冷卻水道金屬底板均由紫銅制成。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0017](I)弧光放電布滿整個(gè)陰極靶面，放電面積大大增加，允許增加若干倍靶電流，有利于大幅度提高沉積速率；
[0018](2)分散電弧放電，弧斑不被限制在某些特定軌道上，而幾乎在整個(gè)靶面上放電，令靶面燒蝕更均勻，提高靶材利用率；
[0019](3)在幾乎整個(gè)靶面上放電，放電面積增大，有利于靶面導(dǎo)熱和水冷帯走熱量，有利于