[发明专利]一种放电弧斑满布靶面的真空阴极电弧源

说明书

技术领域

本发明涉及一种真空阴极电弧源，尤其是涉及一种能使放电时弧斑满布靶面的真空阴极电弧源。

背景技术

真空阴极电弧沉积是目前制备工模具硬质保护膜和装饰性保护膜的离子镀膜主流技术之一，由于真空阴极电弧沉积具有离化率高、粒子能量大、膜/基结合力好、沉积速度快，可以沉积金属膜、合金膜，也可以反应镀合成氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、DLC等多种膜系，且靶位可以任意配置等优势，在工模具硬质保护膜沉积应用上特别受到重视，国内外都在开发真空阴极电弧技术上进行了大量工作，其中核心技术就是阴极电弧源的结构与磁场设计，其目的是提高电弧沉速率，降低大颗粒数量，提高镀层质量和靶材利用率。

真空阴极电弧是在真空下，靶材产生弧光放电发射出靶材等离子体的过程。阴极放电区是一簇电弧斑，阴极电弧斑点面积为100～200um，一个弧斑内存在若干个微弧(约10个)，每个微弧斑约为10～30um，微弧斑之间相隔1～几个自身尺度的距离，微弧斑只有1～5us的寿命，在寿命期中，比较稳定，几乎不变动，当微弧斑在燃烧期或熄灭后，新微弧斑可在弧斑内部或在其边沿区产生.阴极弧斑在阴极表面作跳跃式移动；阴极金属靶上的微弧有非常高的电流密度-达104～108A/cm²，具有非常高的功率密度(10¹⁶W/m²)，弧斑是强烈的电子发射区；同时，每约发射十个电子也发射一个金属原子，以高达约1000m/s速度发射金属蒸气，高速的蒸发气流夹带着微溶池内的金属熔液喷射到前方空间。也就是阴极弧斑是电子、金属离子、金属蒸气和金属液滴的发射源。

人们目视真空阴极电弧在阴极(靶)表面呈现一圈圈闪耀的亮线，它是由一个或多个不连续的电弧明亮斑点，生成—熄灭—再移位生成—熄灭一系列快速过程所显现的弧斑轨迹，人们眼睛错觉误认为像一个弧斑点在连续运动的路径，其实它是一系列的电弧生、灭、跳迁的过程。人们研究总结了真空电弧放电特征与弧斑运动规律：(1)电弧放电的“电压最小值”原则，即阴极电弧放电会自动选择电弧电压最小的通路；(2)磁场与弧斑相互作用，主要有两个方面：1、“后退运动”：在小电流真空电弧中，在一个平行于阴极表面的磁场(B)下，弧斑的运动方向垂直于B，并与电流力方向相反，即背离安培定律方向运动(即与罗仑兹力相反方向运动)；2、“锐角原则”：当磁场与阴极表面斜交时，阴极弧斑在垂直于B//max方向又向磁场与阴极平面成锐角方向偏离一定的角度运动，即在反向运动上还叠加一个漂移运动，漂移运动的方向指向磁力线与阴极表面所夹的锐角区域。(见附图1)以上斑弧运动的跃迁方向和运动规律成为阴极电弧源设计的重要依据。

现有技术的商业用电弧源主要采用磁场控制电弧斑的运动，其阴极弧源的磁场设计主要形式是在阴极表面形成拱形磁场，(如图2所示)根据反向运动原理和锐角法则，在阴极表面上电弧斑运动趋向对应磁场平行分量最大的地方，即趋向运动到拱型场形成的墜道洞里，在拱顶对应下方驱动弧斑运动也最快。现有技术的电弧源有小圆形、平面矩形、柱状体三种形式，其所用的磁体有永磁体、有电磁铁、也有永磁体与电磁铁结合，所有磁场设计都是形成拱型磁力线，让其穿过靶面並让拱形处在靶面的前方。

拱型磁力线与靶面好像组成隧道洞一样，所控制的电弧斑都集中在拱形墜道洞内运动，弧斑出现在拱顶下方的几率最高。这样可以看得到靶面呈现出非常耀眼的细小的闪烁弧斑线，对靶面烧蚀也集中在该运动轨迹上。有人采用变动电磁铁磁场强度与永磁体组合，或采用可变磁场強度的双电磁线圈设计，两组磁力线拱形相对变动，合成一个不断变化的拱形，驱动弧斑随拱顶横向位移而扩展横向运动范围，让靶面烧蚀面积扩大趋向均匀些。

现有技术的电弧源放电特征属分立电弧放电，弧斑都限制集中在细小的弧斑线区内进行强烈的放电；相对整个靶面积而言，在同一瞬间弧斑点放电的面积很小很小，其缺点是：(1)即使采用组合磁场扩大弧斑运动范围但改善有限，烧蚀面积仍较集中，靶材利用率低；(2)虽然弧斑区电流密度很高，但总放电面积有限，总放电电流受限制，从而沉积速率受限制；(3)同时，斑弧区面积小，功率集中，加热温度高，导致弧斑点处微熔池面积相对较大，熔液较多，当金属蒸汽猛烈蒸发时，仍然会夹带着较多和较大的液滴抛射到空间。

发明内容