电弧离子镀的旋转横向磁场弧源设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院金属研究所材料表面工程研究部 作者:赵彦辉

  电弧离子镀工艺中电弧蒸发产生的大颗粒污染严重影响了所沉积涂层的性能。为了从源头上解决大颗粒难题,本文提出了一种新的旋转横向磁场的设计思路, 通过频率和强度可调且覆盖整个靶面的旋转横向磁场控制弧斑的运动。通过有限元模拟磁场的分布, 对旋转横向磁场控制的电弧离子镀弧源进行了优化设计。并根据方案制作了旋转磁场发生装置及其电源, 使该弧源的旋转磁场具有多模式可调频调幅的功能, 用以改善弧斑的放电形式, 提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率, 减少靶材大颗粒的发射, 用以制备高质量的薄膜以及功能薄膜, 以拓展电弧离子镀的应用范围。

  电弧离子镀作为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、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。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。而磁过滤等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。

  由于电弧等离子体具有良好的导电性、电准中性和与磁场的可作用性等特点, 因此为磁场控制电弧的位置、形状以及运动提供了可能。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)经过调研发现目前国际上刚刚产生的受控电弧离子镀膜, 从原理上说, 就是在弧源上加入一适当的磁场, 来控制阴极弧斑在阴极表面的运动。国内外一直在致力于这方面的工作, 主要集中在磁场控制的弧源设计上。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。人们对施加不同形式的磁场也进行了大量研究, 磁场的形式主要有纵向磁场、横向磁场及尖角磁场等。当外加纵向磁场时, 磁力线方向垂直于阴极表面, 弧斑随机运动速度加快。当外加横向磁场时, 大量研究表明,真空电弧斑点在平行于阴极靶面的横向磁场下呈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 ) 。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。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。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两个基本规律。国内外在电弧离子镀弧源的设计上几乎都离不开磁场的设计, 虽然磁场的形式多种多样, 但都离不开对这两种规律的综合运用。

  所有的磁场设计都是考虑在靶面上形成一定的磁场位形, 利用锐角法则限制弧斑的运动, 利用横向分量提高弧斑的运动速度。一方面尽可能扩大横向分量的面积与强度, 一方面限制弧斑的运动, 要达到比较满意的效果是很困难的。而且所有的磁场设计都是静态的或者准静态的, 模式固定, 在提高弧斑速度和放电稳定性的同时容易带来靶材利用率低的问题。

  为此, 动态的设计思路必然会出现。目前动态方法主要分电磁式和机械式, 主要原理都是动态地变换磁场在靶面的局域性分布, 从而改变靶面磁场横向分量最大值的分布, 动态地扩大磁场横向分量的面积以达到扩大弧斑的刻蚀区域, 提高靶材的利用率。其中机械式是通过移动磁体和移动靶材两种方法, 其中移动模式又分为旋转和往复移动两种方式。动态的磁场可以基本实现弧斑在结构简单的大面积靶材上的均匀刻蚀, 但是这种方法往往需要增加一套复杂的电磁或者机械控制机构; 同时, 磁场的位形固定、强度和频率难以调解, 结构复杂, 对很多材料不适用, 磁场本身的变化( 频率, 强度) 对弧斑的影响考虑不多。通过磁场横向分量位置的改变来扩大弧斑在靶面上分布的面积, 只是为了提高部分靶材利用率, 实现大面积均匀镀膜而设计, 没有从根本上改善电弧的放电方式, 弧斑还是随着磁场位置的变化而局域性的移动, 依然是电流集中的弧斑放电,大颗粒的问题依然存在。而且磁场的大小在不断的变化, 弧斑的运动速度不稳定, 也在不断的波动, 不能对大颗粒进行有效的控制, 不利于均匀性镀膜。因此需要一种创新的、突破限制的、并且有效且易于推广的动态旋转磁场控制的电弧离子镀弧源。

  本文的目的在于突破传统的静态或准静态的磁场设计以及机械式的动态磁场设计思路, 提出一种新型的、可调速调幅的完全覆盖整个靶面的旋转横向磁场控制弧斑运动的旋转磁控电弧离子镀弧源设计方案, 通过有限元模拟, 对旋转横向磁场控制的电弧离子镀弧源进行了优化设计。通过系统的分析确定最终的方案。并根据方案制作了旋转磁场发生装置, 旋转磁场控制的离子镀弧源, 使该弧源的旋转磁场具有多模式可调速调频的功能, 满足多方面的应用。用以改善弧斑的放电形式, 控制弧斑的运动轨迹, 提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率, 减少靶材大颗粒的发射, 用以制备高质量的薄膜以及功能薄膜,拓展电弧离子镀的应用范围。

  结论

  (1) 提出了旋转横向磁场的设计思路, 通过频率和强度可调且覆盖整个靶面的旋转横向磁场控制弧斑的运动。通过有限元模拟了其磁场位形, 可得到均匀分布于靶面的动态旋转磁场。

  (2) 旋转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。

  (3) 旋转磁场发生装置、法兰套与靶材三者之间同轴, 产生的磁场完全覆盖并且平行于整个靶面。所用的靶材结构具有一定的靶沿, 产生的旋转横向磁场会与靶沿相交, 形成指向靶面的锐角, 弧斑将会被限制在靶面内而不至于跑到靶面外造成灭弧。

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