[发明专利]一种电弧离子镀铁磁性复合结构靶材及其应用

说明书

技术领域

本发明属于薄膜制备领域，具体地说是一种电弧离子镀铁磁性复合结构靶材及其应用。

背景技术

电弧离子镀(AIP)技术是采用阴极电弧蒸发源的一种离子镀技术。真空系统通入氩气至1-10^-1Pa时，在阴极靶材与阳极真空室之间引发弧光放电并产生高密度的金属蒸气等离子体。由于电子快速飞离阴极区，使靶材附近正电荷密度增加。弧斑稳定刻蚀阶段，正离子形成的电场强度增加到临界值后，不断促进了阴极电子的发射，使电流的欧姆加热效应增加，进一步提高蒸发离化率；同时，强电场为轰击阴极的正离子提供了足以加热阴极的轰击能，使阴极弧斑局部迅速高温蒸发离化。靶材金属正离子在负电压电场加速作用下，沉积到基体表面成膜。由于其结构简单，沉积速率高(0.1-50μm/min)，入射粒子能量高(约几十电子伏)，离化率高(60％-80％)，绕射性好等优点，使电弧离子镀技术得到快速发展，并成为20世纪80年代以来工业化应用较好的镀膜技术之一，近年来又获得快速发展。

磁性材料，是古老而又用途广泛的功能材料，早在3000年以前就被人们所认识和应用。现代磁性材料已经广泛的用在我们的生活之中，这其中就包括磁性材料薄膜。磁性材料薄膜由于具有高数据存储能力、磁屏蔽功能、高速记忆等优点，被广泛用于制造计算机存储，光通信中的磁光调制器、光隔离器和光环行器等，也用作磁记录薄膜介质和薄膜磁头，以及磁光记录盘等。可以说，磁性薄膜与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济的方方面面紧密相关。

电弧离子镀沉积薄膜过程中，靶材上的弧斑在没有外加磁场条件下在阴极表面作随机运动；在垂直于阴极表面的轴向磁场分量作用下，弧斑随机运动速度加快；弧斑在平行于阴极表面的横向磁场分量作用下，沿洛伦兹力的反方向运动，即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)。因此，需要通过控制阴极靶材表面磁场分布来影响阴极前方空间正离子分布，进而间接改变阴极靶材的刻蚀。但是，在使用电弧离子镀沉积磁性薄膜时就会遇到靶材表面磁场不受控的问题。居里温度以下使用铁磁性金属材料作为靶材时，由于外加磁场产生的大部分磁通量会通过靶材短路流通，干扰了阴极靶材表面磁场分布(甚至产生磁屏蔽，如图1所示)，铁磁性靶材总是不能稳定刻蚀，出现严重的跑弧及断弧现象。因此，如何利用铁磁性金属作为电弧离子镀靶材沉积磁性薄膜是本行业的瓶颈问题。

国内外同行为解决此问题也做过一些探索。如在铁磁性靶表面增加沟槽(增加漏磁)，克服磁性靶材的磁屏蔽问题和侵蚀后磁场分布不均问题，实现铁磁性靶材均匀刻蚀的目的，提高了靶材利用率。也有学者通过在靶面或基体附加耦合磁场，使更多磁通量穿过靶面，从而达到改变靶面磁力线分布目的，进而控制铁磁性靶材上弧斑的刻蚀轨迹。然而这些解决方案亦有不足之处：或降低了靶材使用寿命；或附加了额外结构或功能单元，结构更加复杂，不利于工业应用推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电弧离子镀铁磁性复合结构靶材及其应用。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种电弧离子镀铁磁性复合结构靶材：所述复合结构靶材包括高磁导率的软磁性材料靶壳与铁磁性材料靶材，所述铁磁性材料靶材与软磁性材料靶壳相连。

所述软磁性材料靶壳为筒状结构，铁磁性材料靶材位于软磁性材料靶壳内。

所述软磁性材料靶壳与铁磁性材料靶材通过螺栓固接。

所述软磁性材料靶壳与铁磁性材料靶材为间隙配合。

将所述复合结构靶材作为电弧离子镀材，进而得到沉积磁性薄膜。

所述软磁性材料靶壳(4)由最大磁导率μ_max＞10⁴的纯铁、铁硅合金(硅钢)、或铁镍合金(坡莫合金)等软磁性材料构成。

所述铁磁性材料可以为Fe，Co，Ni，Gd，Tb，Dy等元素或其合金、金属间化合物等构成。

本发明的技术原理：本发明采用高磁导率的软磁性靶壳与铁磁性材料复合，由于软磁性靶壳的高导磁能力强制磁力线穿过铁磁性靶材表面，改善了阴极靶材表面磁场分布，使外磁场突破磁性靶材的磁屏蔽干扰(如图2所示)，进而使弧斑受控于靶面横向磁场分量的作用刻蚀靶材，待铁磁性靶材突破其居里温度时，靶材短路流通的外磁场磁力线将全部穿出磁性靶表面(如图3所示)，控制弧斑运动轨迹。

本发明所具有的优点：