[发明专利]真空阴极弧离子镀装置及控制弧斑刻蚀区域的方法

说明书

本发明提供一种真空阴极弧离子镀装置及控制弧斑刻蚀区域的方法，装置包括靶座系统、磁过滤系统、控制电路以及真空室，磁过滤系统包括磁过滤弯管和至少一组线圈；靶座系统包括靶材、控制弧斑沿着跑道型轨迹运动的靶磁场、稳弧线圈产生的稳弧磁场，这两种磁场共同形成该靶材表面的靶面磁场；控制电路包括控制线圈电流大小的线圈电流控制器，线圈电流控制器通过改变电流来改变磁过滤磁场与靶面磁场形成的叠加磁场，以控制靶材的刻蚀区域和刻蚀轨迹。本发明实现了弧斑运动的可控性，提高了靶材的利用率，尤其使大尺寸矩形靶镀膜设备可以有效得对小面积镀膜件进行镀膜，而不会形成靶材的浪费，且刻蚀区域的缩小，也能够使离子聚焦，沉积效率大大提高。

技术领域

本发明涉及一种真空阴极弧离子镀装置以及一种真空阴极弧离子镀控制弧斑刻蚀区域的方法。

背景技术

真空阴极弧离子镀技术是结合了蒸发与溅射技术而发展起来的一种PVD技术。它对产品，特别是刀具等工具表面起着装饰和提高寿命的作用。真空阴极弧离子镀由美国Multi-arc公司和Vac-Tec公司联合开发，并于1981年达到工业实用化阶段，它的发明使薄膜技术进入了一个崭新的阶段。在随后的几十年的时间里，该技术有了突飞猛进的发展，至今欧美国家仍在大力发展真空阴极弧离子镀膜技术。

阴极真空弧放电在产生金属等离子体的同时，往往伴随有宏观大颗粒的产生，对于阴极来说，宏观颗粒通常以固体碎屑或中性原子团的形式存在。这些宏观颗粒的尺寸在0.02～100μm之间，近期的一些研究表明阴极弧放电过程中也同时产生少量的纳米颗粒(<l00nm)。在简单的冶金学涂层或者工具涂层中，可以允许宏观颗粒的存在，但是宏观颗粒的存在严重阻碍了真空阴极弧放电等离子体技术在精密的光学及电子学仪器制备领域的应用。基于此原因，近年来研究者们进行了大量的研究工作，利用不同的宏观颗粒过滤器来减少或消除宏观颗粒的影响。迄今为止，磁过滤弯管是广泛采用的简单而有效的滤除宏观颗粒的方法，并有较大的等离子体输出量。

磁过滤器分为直线形磁过滤器和曲线形磁过滤器。

图7为直线形磁过滤器结构示意图。该结构中，宏观颗粒的数目随着磁场的增大而减小。该结构的工作机理概括如下：(a)在阴极前加入的磁场起到了导向离子流的作用，相对减小了宏观颗粒的比例；(b)在磁场的约束下等离子体内部的碰撞作用加强，中性粒子进一步转变为离子，使得宏观颗粒减少；(c)由于宏观颗粒相对于阴极表面的发射角较小，电弧管道起到机械挡板的作用；(d)在磁场的作用下，阴极斑点在阴极表面的运动速度加快，减小了阴极斑点尺寸，从而减少了宏观颗粒的数目。

直线形磁过滤器的优点是与传统真空阴极弧离子镀方法相比膜的沉积速率基本保持不变，克服了其他方法带来的效率大大降低的问题。但是对宏观颗粒的过滤效果不是很理想，该种方法可以使宏观颗粒数目减少到原来的10％左右。Treglio发明了一种与环形阴极等离子体源结合的直线形磁过滤器，如图8所示，两者结合之后，阴极和基体之间的直接视线连接消失了。

曲线形磁过滤器的工作原理如下所述。磁过滤器产生的轴向磁场使带电粒子在磁场中作拉莫尔运动，一方面绕磁力线作圆周运动，另一方面又以磁力线为轴作漂移运动，电子由于质量很小，因此旋转半径很小，旋转频率很高，所以几乎紧贴磁力线运动；而离子由于质量大，因此旋转半径很大，频率很低。由于等离子体是电中性或准中性的，在空间电荷力的作用下，离子的拉莫尔运动就无法完全展示出来，而是被电子牵扯着也沿着磁力线运动，所以，在弯转的轴向磁场中运动的等离子体，沿着轴向弯转的磁力线走了一条弯曲的路线，液滴走的却是直线路径，从而在磁过滤器之中被分离出来，并最终打在磁导管管壁上，磁过滤器起了过滤与传输的双重作用。

图9-13为现有技术的五种曲线形磁过滤器的示意图。其中，图9示出45°弯管磁过滤器的结构示意图。图10示出U形磁过滤器的结构示意图。图11示出90°弯管磁过滤器的结构示意图。图12示出S形磁过滤器的结构示意图。图13示出轴对称磁过滤器的结构示意图。