專利名稱：磁約束電弧汽相淀積的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電弧汽相淀積技術(shù)領(lǐng)域。
電弧產(chǎn)生的等離子體所具有的能量，通常遠遠大于由電阻或感應(yīng)加熱或電子、離子轟擊涂層材料等，物理汽相淀積方法產(chǎn)生的等離子體所具有的能量。因此電弧汽相淀積的方法，目前被廣泛地應(yīng)用。
GB2127043A，用于涂層的等離子體電弧裝置(PLASMAARCAPPARAYUSFORAPPLYINGCOATINGS)以下稱對比文件A。
對比文件A敘述的裝置是1.直流電源用于建立并維持陰極與陽極之間的電弧;
2.由非磁性金屬材料制成圓筒形陽極室，陰極的橫截面與圓筒相似呈圓環(huán)形，陰極的側(cè)表面面對陽極作為蒸發(fā)表面，該側(cè)表面的寬度小于陽極的長度，陽極與陰極同軸放置;
3.觸發(fā)電極可與陰極接觸激發(fā)電弧;
4.陰極中心留有一定的空間用于放置基片;
5.基片施加一定的偏壓，使離子可轟擊到基片;
6.在陽極的外面裝有磁系統(tǒng)，其磁場為靜止的，使工作室內(nèi)的帶電粒子背離陽極表面轉(zhuǎn)向基片方向。
上述裝置可由多個同軸排列的陰極組成。
對比文件A中的陰極寬度小于陽極的長度，如果陰極寬度＞0.5倍的陽極的長度，則位于陰極中心的基片將被陰極包圍，而很難得到離子地轟擊，因此對比文件A中所述的陰極寬度小于陽極的長度其上限值為陽極長度的0.5倍，可見當(dāng)＞0.5倍時對比文件A中所述的設(shè)備將失去實用性。對比文件A中提出陰極寬度為陽極的長度的0.05～0.5倍，當(dāng)陰極的形狀象對比文件A附圖中所示呈圓環(huán)形，如果當(dāng)基片所占空間大于陰極所占的空間，由于離子淀積是按一定的分布幾率涂在基片上，在電磁場的作用下離子按最近的路徑著落在基片上，所以涂層是不均勻的，為了解決這個不足之處，文件A提出了多個同軸排列的陰極系統(tǒng)，但沒有根本改變基片均勻涂層問題，反而設(shè)備復(fù)雜化了。如果按對比文件A中所述的基片置于陰極中心，則基片所占據(jù)的空間相對于陰極與陽極之間的空間是狹小的，要解決上述不足之處，就必需把基片置于陰極和陽極之間，使陰極為柱形其長度基本與陽極相等，這樣可圍繞陰極的周圍放置基片，充分利用陽極和陰極之間的空間，關(guān)于這方面的內(nèi)容在與本說明書同期申請的發(fā)明專利文件中進行了敘述。
我們所關(guān)心的是當(dāng)陰極為柱形其長度與陽極基本相等，并同軸放置時，雖然也能采用對比文件A中的磁場系統(tǒng)套在陽極外壁上來約束弧斑的運動，但這種約束不能人為的控制弧斑的運動，隨時可能產(chǎn)生熄弧，或弧斑固定在一處刻蝕陰極，其后果是降低陰極的壽命，還使基片上的鍍層不均勻。
本發(fā)明的目的是使作為涂層材料的陰極刻蝕均勻;工作室內(nèi)放電穩(wěn)定;基片鍍膜均勻。
一種在真空室內(nèi)利用陰極靶和陽極之間產(chǎn)生的電弧所形成的等離子體在基片表面進行汽相淀積的方法(1)建立陽極和陰極之間的電位差和電回路，并可維持陽極和陰極之間的電弧放電;
(2)陽極呈筒狀或鐘罩形，陰極呈柱形，陽極以陰極為軸，陽極和陰極按軸對稱設(shè)置;
(3)用觸發(fā)器激發(fā)陽極和陰極之間的電弧;
(4)基片置于陽極和陰極之間;
(5)基片施加的電位相對于陽極的電位為負值并可調(diào)來控制轟擊到基片上的離子能量;
其特征是(6)在陽極和陰極之間的空間區(qū)域內(nèi)，施加一個沿陰極柱面上下往復(fù)運動的磁場，運動的磁場的主方向與陰極柱軸平行、強度調(diào)整到可約束弧斑的運動。
(7)在陰極兩端柱面的空間區(qū)域上施加一個與沿陰極柱面上下往復(fù)運動的磁場的主方向相反、強度略強的恒定磁場，并在恒定磁場有效區(qū)域內(nèi)距離柱形陰極終端，以恒定磁場有效區(qū)域邊境為起點大于二分之一的位置上設(shè)置阻擋壁，限制弧斑移到恒定磁場的磁場最強處。
上述的觸發(fā)器是指觸發(fā)電極[23]和使觸發(fā)電極[23]和陰極[7]可接觸的電磁驅(qū)動器[24]這兩個而言。
本發(fā)明的方法是基于磁場對等離子體具有約束能力的原理，在磁場的作用下，弧斑可圍繞柱形陰極的表面高速旋轉(zhuǎn)，同時移動永久磁鐵或電磁鐵[4]，使磁場可在柱形陰極表面上下往復(fù)運動，于是弧斑在陰極表面的運動軌跡呈螺旋線形上下運動，如圖1所示。這樣可均勻地刻蝕作為涂層材料的陰極表面，這時離子將上下往復(fù)地對基片表面進行轟擊，當(dāng)基片自轉(zhuǎn)則鍍膜的均勻度更好。在柱形陰極的兩端，陰極與陽極的距離最近，弧斑容易滯留在陰極的兩端而不隨磁場一起移動或出現(xiàn)熄弧。為了解決這一問題，本發(fā)明的方法是在陰極兩端處施加了恒定磁場和阻擋壁，使弧斑接近陰極兩端時，受到阻擋壁限制，同時由于恒定磁場的方向與運動的磁場最大值處的方向相反，使弧斑受到排斥力的作用，阻止弧斑掙脫運動的磁場約束，使工作室內(nèi)放電穩(wěn)定。本發(fā)明對磁場的要求，首先是能夠有效地將弧斑束縛在運動的磁場范圍之內(nèi)，使其在繞柱形陰極旋轉(zhuǎn)的同時隨該磁場一起沿陰極表面上下往復(fù)運動;其二，在運動的磁場范圍以外的弧斑能夠順利地過渡到運動的磁場范圍內(nèi)并隨該磁場一起運動;其三，磁場強度不能過強，過強的磁場會造成啟弧困難。
一種具有實施本發(fā)明的方法而構(gòu)制和設(shè)置的部件的電弧汽相淀積設(shè)備，柱形陰極為空心柱體，其特征是傳動軸[13]牽引著柱狀永久磁鐵或螺旋管電磁鐵沿陰極的內(nèi)壁[34]上下移動來產(chǎn)生運動的磁場，在陰極兩端內(nèi)壁中分別放置柱狀永久磁鐵或螺旋管電磁鐵來產(chǎn)生恒定磁場，阻擋壁用非磁性材料制成環(huán)形片[18]、[27]分別裝配在恒定磁場有效區(qū)域內(nèi)距離柱形陰極終端，以恒定磁場有效區(qū)域邊境為起點的三分之二的位置上，限制弧斑移到恒定磁場的磁場最強處。
根據(jù)本發(fā)明所述的設(shè)備，其中運動的磁場是由傳動軸[13]牽引著一塊柱狀永久磁鐵或一組螺旋管電磁鐵沿陰極的內(nèi)壁[34]上下移動來產(chǎn)生磁場分布[8];或由傳動軸[13]牽引著三塊柱狀永久磁鐵或三組螺旋管電磁鐵沿陰極的內(nèi)壁[34]上下移動來產(chǎn)生磁場分布[9];或由傳動軸[13]牽引著五塊柱狀永久磁鐵或五組螺旋管電磁鐵沿陰極的內(nèi)壁[34]上下移動來產(chǎn)生磁場分布[10]?？梢娺@些磁場分布是在陰極表面上整體上下往復(fù)運動，這也就是所述的“運動的磁場”含義。
根據(jù)本發(fā)明所述的設(shè)備，其中恒定磁場是在陰極兩端內(nèi)壁中分別放置一塊柱狀永久磁鐵或一組螺旋管電磁鐵來產(chǎn)生磁場分布[11]。這種“恒定磁場”在陰極兩端表面上是固定的。
這里所述的柱狀永久磁鐵的形狀應(yīng)包括圓盤形、環(huán)形;螺旋管電磁鐵應(yīng)包括無鐵心的螺旋管。
本發(fā)明的方法和設(shè)備，與對比文件A相比，由于陰極為柱形，基片從陰極中心遷移到陽極和陰極之間，因此本發(fā)明所述的設(shè)備中放置基片的數(shù)量是對比文件A中同等工作室容積的數(shù)倍是可以理解的、效果是積極的。本發(fā)明提出的磁約束電弧汽相淀積的方法中所述的磁場分布可對柱形陰極的表面刻蝕均勻，這是由于弧斑的運動軌跡在陰極柱表面上按螺旋線上下往復(fù)刻蝕陰極表面，與此同時離子對基片也是上下往復(fù)地進行涂層，實現(xiàn)鍍膜均勻;由于在陰極兩端處施加了排斥磁場和阻擋壁使得工作室放電穩(wěn)定，保證了本發(fā)明的實用性。另外弧斑在磁場的約束下將圍繞柱形陰極高速放置，可細化大顆粒提高鍍膜的質(zhì)量，這是人們所希望的。本發(fā)明的設(shè)備是簡單的，對比文件A中的磁場是套在陽極外壁上的線圈來產(chǎn)生的，該線圈與本發(fā)明所述的螺旋管電磁鐵相比是龐大的;如果與柱狀永久磁鐵相比不僅龐大，而且還要消耗能量，可見本發(fā)明采用永久磁鐵材料作為磁源是一種物美價廉、簡單易行、積極有效的方式。


首先，我們把附圖中的標(biāo)號說明如下[1]弧斑在柱形陰極表面上的運動軌跡[2]磁力線[3]弧斑[4]永久磁鐵或電磁鐵[5]等離子體運動的方向[6]永久磁鐵或電磁鐵運動的方向[7]柱形陰極[8]～[11]沿柱形陰極表面的磁場分布
(磁場的方向與陰極柱軸平行)[12]冷卻水[13]傳動軸[14]傳動軸套[15]進氣孔[16]基片[17]冷卻系統(tǒng)[18]下阻擋壁環(huán)形片[19]支撐環(huán)[20]絕緣密封墊[21]基片架[22]抽氣孔[23]觸發(fā)電極[24]使觸發(fā)電極與陰極可接觸的電磁驅(qū)動器[25]、[26]絕緣密封墊[27]上阻擋壁環(huán)形片[28]陽極(形狀為鐘罩形)[29]屏蔽環(huán)[30]絕緣密封墊[31]、[32]法蘭[33]支撐環(huán)[34]空心柱形陰極內(nèi)壁[35]在陰極下端產(chǎn)生恒定磁場的永久磁鐵[36]～[40]產(chǎn)生運動磁場的永久磁鐵 在陰極上端產(chǎn)生恒定磁場的永久磁鐵[42]密封環(huán)圖1在磁場的作用下柱形陰極表面上的弧斑及等離子體的運動示意圖。
圖2～圖5沿陰極柱表面的磁場分布。
圖2～4的磁場分布系指運動的磁場，圖5的磁場分布系指恒定的磁場，其磁場的方向與柱形陰極的軸平行，圖中所見的鐘形為磁場的正方向，倒置的鐘形為磁場的負方向，這是人為的定義，反之也可以，只是改變弧斑的旋轉(zhuǎn)方向。圖2～5中座標(biāo)上所示的標(biāo)度是按圖6所示的實施例設(shè)備實測繪制的。本發(fā)明的方法中所述的磁場性質(zhì)不限于圖2～5所示的磁場分布。
圖6柱形陰極磁約束電弧汽相淀積設(shè)備示意圖。
圖7空心柱形陰極內(nèi)磁源構(gòu)制示意圖。
根據(jù)本發(fā)明的方法中所述運動的磁場性質(zhì)，一種施實例是沿陰極柱表面的磁場強度分布[8]為鐘形，如圖2。另一種施實例是沿陰極柱表面的磁場強度分布[9]為中心部分為鐘形，兩邊部分的磁場主方向與中心部分的磁場主方向相反、強度小于中心部分的磁場、形狀為倒置的鐘形，如圖3。最佳的施實例是沿陰極柱表面的磁場強度分布[10]為中心部分為鐘形，兩邊部分先是磁場的主方向與中心部分的磁場主方向相反、強度小于中心部分的磁場、形狀為倒置的鐘形，接著是磁場的主方向與中心部分的磁場主方向相同、強度小于中心部分的磁場、形狀為鐘形，如圖4。
根據(jù)本發(fā)明的方法中所述的恒定磁場性質(zhì)，一種施實例是磁場分布[11]為倒置的鐘形，強度略強于運動的磁場，如圖5。
根據(jù)本發(fā)明所述的方法及設(shè)備，一種實施例，如圖6所示，鐘罩形陽極[28]高540mm、直徑450mm，空心圓柱形陰極[7]長480mm、外徑60mm、內(nèi)徑45mm，陽極和陰極按軸對稱放置。在陰極內(nèi)由五塊直徑為40mm的環(huán)形永久磁鐵[36]～[40]組成一起，如圖7所示，構(gòu)成磁場分布[10]，如圖4所示，其磁場強度的最大值為23mT，永久磁鐵[36]～[40]由傳動軸[13]牽引沿陰極的內(nèi)壁上下往復(fù)運動;在陰極兩端內(nèi)壁中各放置環(huán)形永久磁鐵[35]、[41]構(gòu)成恒定磁場，形成磁場分布[11]，如圖5所示，其磁場強度的最大值為30mT。這里所使用的環(huán)形永久磁鐵是為了使傳動軸[13]在該磁鐵中心串過。如果在陰極內(nèi)由一塊環(huán)形永久磁鐵形成磁場分布[8]，如圖2所示，其磁場強度的最大值為23mT;或由三塊環(huán)形永久磁鐵形成磁場分布[9]，如圖3所示，其磁場強度的最大值為23mT，也是可以的，但這兩種磁場分布的效果不如磁場分布[10]。環(huán)形片[18]、[27]用非導(dǎo)磁材料制成，把它放置在磁場分布[11]有效區(qū)域內(nèi)，距離陰極終端以該磁場的有效區(qū)域邊境為起點的三分之二的位置上，限制弧斑移到該磁場的最強處。本設(shè)備要安裝冷卻系統(tǒng)，保證陽極和陰極不能過熱。陽極[28]和陰極[7]之間施加一個直流電源，電壓30V、可提供電流200A，觸發(fā)電極[23]與陰極[7]之間施加一個直流電源，啟動電磁驅(qū)動器[24]可激發(fā)陽極與陰極之間的電弧?；挥陉枠O[28]和陰極[7]之間的基片架[21]上，基片架[21]上施加的電位相對于陽極[28]的電位為負值并可調(diào)，基片與基片架電位相同，這樣可控制轟擊到基片上的離子能量?；躘21]可以是自轉(zhuǎn)或固定不動的，這取決于基片的鍍膜要求。進行鍍膜時首先將工作室的真空度抽至0.01Pa以上。如果制備TiN，陰極[7]為Ti材料，工作室充入氮氣體，其壓強為0.1～1Pa，由觸發(fā)電極[23]在陰極[7]上激發(fā)電弧放電，與此同時傳動軸[13]牽引著永久磁鐵[36]～[40]上下往復(fù)運動，由于運動的磁場存在，電弧圍繞陰極[7]旋轉(zhuǎn)并沿陰極[7]表面均勻地上下往復(fù)運動，這時調(diào)節(jié)基片架[21]上的偏壓，可吸引離子轟擊到基片上。這樣就實現(xiàn)本發(fā)明所述的磁約束電弧汽相淀積。
本說明書和權(quán)利要求書中所述的基片系指工件。
權(quán)利要求
1.一種在真空室內(nèi)利用陰極靶和陽極之間產(chǎn)生的電弧所形成的等離子體在基片表面進行汽相淀積的方法(1)建立陽極和陰極之間的電位差和電回路，并可維持陽極和陰極之間的電弧放電；(2)陽極呈筒狀或鐘罩形，陰極呈柱形，陽極以陰極為軸，陽極和陰極按軸對稱設(shè)置；(3)用觸發(fā)器激發(fā)陽極和陰極之間的電?。?4)基片置于陽極和陰極之間；(5)基片施加的電位相對于陽極的電位為負值并可調(diào)來控制轟擊到基片上的離子能量；其特征是(6)在陽極和陰極之間的空間區(qū)域內(nèi)，施加一個沿陰極柱面上下往復(fù)運動的磁場，運動的磁場的主方向與陰極柱軸平行、強度調(diào)整到可約束弧斑的運動。(7)在陰極兩端柱面的空間區(qū)域上施加一個與沿陰極柱面上下往復(fù)運動的磁場的主方向相反、強度略強的恒定磁場，并在恒定磁場有效區(qū)域內(nèi)距離柱形陰極終端，以恒定磁場有效區(qū)域邊境為起點大于二分之一的位置上設(shè)置阻擋壁，限制弧斑移到恒定磁場的磁場最強處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沿陰極柱面上下往復(fù)運動的磁場，其特征是沿陰極柱表面的磁場強度分布[8]為鐘形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沿陰極柱面上下往復(fù)運動的磁場，其特征是沿陰極柱表面的磁場強度分布[9]為中心部分為鐘形，兩邊部分的磁場主方向與中心部分的磁場主方向相反、強度小于中心部分的磁場、形狀為倒置的鐘形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沿陰極柱面上下往復(fù)運動的磁場，其特征是沿陰極柱表面的磁場強度分布[10]為中心部分為鐘形，兩邊部分先是磁場的主方向與中心部分的磁場主方向相反、強度小于中心部分的磁場、形狀為倒置的鐘形，接著是磁場的主方向與中心部分的磁場主方向相同、強度小于中心部分的磁場、形狀為鐘形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在陰極兩端柱面的空間區(qū)域上施加一個與沿陰極柱面上下往復(fù)運動的磁場的主方向相反、強度略強的恒定磁場，其特征是該磁場分布[11]為倒置的鐘形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻擋壁位置，其特征是在恒定磁場有效區(qū)域內(nèi)距離柱形陰極終端，以恒定磁場有效區(qū)域邊境為起點的三分之二的位置上設(shè)置。
7.一種具有實施權(quán)利要求1方法而構(gòu)制和設(shè)置的部件的電弧汽相淀積設(shè)備，柱形陰極為空心柱體，其特征是傳動軸[13]牽引著柱狀永久磁鐵或螺旋管電磁鐵沿陰極的內(nèi)壁[34]上下移動來產(chǎn)生運動的磁場，在陰極兩端內(nèi)壁中分別放置柱狀永久磁鐵或螺旋管電磁鐵來產(chǎn)生恒定磁場，阻擋壁用非磁性材料制成環(huán)形片[18]、[27]分別裝配在權(quán)利要求6所述的位置上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的運動的磁場，其特征是由傳動軸[13]牽引著一塊柱狀永久磁鐵或一組螺旋管電磁鐵沿陰極的內(nèi)壁[34]上下移動來產(chǎn)生的;或由傳動軸[13]牽引著三塊柱狀永久磁鐵或三組螺旋管電磁鐵沿陰極的內(nèi)壁[34]上下移動來產(chǎn)生的;或由傳動軸[13]牽引著五塊柱狀永久磁鐵或五組螺旋管電磁鐵沿陰極的內(nèi)壁[34]上下移動來產(chǎn)生的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的恒定磁場，其特征是在陰極兩端內(nèi)壁中分別放置一塊柱狀永久磁鐵或一組螺旋管電磁鐵來產(chǎn)生的。
全文摘要
磁約束電弧汽相淀積的方法和設(shè)備涉及電弧汽相淀積技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明解決了陰極刻蝕均勻；工作室內(nèi)放電穩(wěn)定；基片鍍膜均勻的技術(shù)問題。本發(fā)明的主要技術(shù)特征是陽極呈筒狀或鐘罩形，陰極呈柱形，它們之間同軸放置，長度基本一致，基片位于陽極和陰極之間，在陽極和陰極之間的區(qū)城內(nèi)施加一運動的磁場，用來約束和移動陰極表面上的弧斑，為了防止息弧，在陰極兩端處施加了一個恒定磁場和阻擋壁。這種方法和設(shè)備可用于TiN膜的制備，也可用于制備其它膜。
文檔編號C23C14/32GK1069776SQ91105729
公開日1993年3月10日 申請日期1991年8月21日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月21日
發(fā)明者劉維一 申請人:南開大學(xué)