[发明专利]用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材及应用

说明书

技术领域

本发明属于薄膜制备领域，具体地说是一种用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材的设计及其应用。

背景技术

电弧离子镀(AIP)技术源于19世纪中后期Edison发现的电弧沉积涂层现象，真空系统通入氩气至1～10^-1Pa时，使用在引弧电极与阴极之间加上一触发电脉冲或者使两者相短路的引弧方法，在蒸镀材料制成的阴极与真空室形成的阳极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，使阴极靶材附近的正电荷密度增加。弧斑处于稳定刻蚀阶段，当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，进一步提高了靶材蒸发离化率；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偏压电场的加速作用下，沉积到基体表面成膜。电弧离子镀由于其结构简单，可镀材料广，沉积速率快(0.1～50μm/min)，镀层均匀致密、环保等优点，在20世纪八十年代就广泛应用于工业生产中，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，这其中就包括磁性功能薄膜材料。磁性功能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，如图1所示，在居里温度以下、空气3中使用高磁导率的铁磁性金属作为靶材时，铁磁性材料靶材2在永磁铁1作用下，由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，)，铁磁性靶材总是不能稳定刻蚀，出现跑弧及断弧现象。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成为本行业的瓶颈问题。

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

本发明的目的之一在于提供一种结构简单、成本低廉、高使用效率的用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材及应用，为了解决铁磁性靶材表面增加沟槽克服磁屏蔽时，降低了靶材使用寿命，难以在工业上应用的问题。

本发明的另一目的在于提供一种用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材及应用，解决了为改变靶面磁力线分布，在沉积系统中附加耦合磁场所带来的设备操作复杂及成本增加问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，复合结构靶材为靶壳及磁性材料靶材构成，靶壳紧固于磁性材料靶材外围；其中，靶壳选用相同温度时饱和蒸气压和二次电子发射产额均低于磁性材料靶材的金属；或者，靶壳为陶瓷相材料层依附于可加工金属环上形成的靶壳，可加工金属环紧固于磁性材料靶材外围，陶瓷相材料层依附于可加工金属环在与磁性材料靶材的靶面平行方向的面上。

所述的用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，靶壳采用Ti、Mo、Nb或Pb等金属，其饱和蒸气压和二次电子发射产额普遍低于相同温度时的铁磁性材料Co、Fe、Ni或其合金。

所述的用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，陶瓷相材料层通过气相沉积、喷涂或者真空热压方法固定于可加工金属环在与靶面平行方向的面上。

所述的用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，可加工金属环可以采用Al、Cr、Cu、Ti或不锈钢等金属。