電弧離子鍍的旋轉(zhuǎn)橫向磁場弧源設(shè)計

　　電弧離子鍍工藝中電弧蒸發(fā)產(chǎn)生的大顆粒污染嚴重影響了所沉積涂層的性能。為了從源頭上解決大顆粒難題,本文提出了一種新的旋轉(zhuǎn)橫向磁場的設(shè)計思路, 通過頻率和強度可調(diào)且覆蓋整個靶面的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制弧斑的運動。通過有限元模擬磁場的分布, 對旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍弧源進行了優(yōu)化設(shè)計。并根據(jù)方案制作了旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置及其電源, 使該弧源的旋轉(zhuǎn)磁場具有多模式可調(diào)頻調(diào)幅的功能, 用以改善弧斑的放電形式, 提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率, 減少靶材大顆粒的發(fā)射, 用以制備高質(zhì)量的薄膜以及功能薄膜, 以拓展電弧離子鍍的應(yīng)用范圍。

　　電弧離子鍍作為工業(yè)鍍膜生產(chǎn)以及科學(xué)研究中最重要的技術(shù)之一, 由于其結(jié)構(gòu)簡單、離化率高、入射粒子能量高、繞射性好、可實現(xiàn)低溫沉積等一系列優(yōu)點, 使電弧離子鍍技術(shù)得到快速發(fā)展并獲得廣泛應(yīng)用, 展示出很大的經(jīng)濟效益和工業(yè)應(yīng)用前景。但是由于電弧離子鍍中大顆粒的存在, 嚴重影響了涂層和薄膜的性能和壽命。因此有關(guān)如何解決陰極電弧鍍中大顆粒問題對陰極電弧的發(fā)展影響很大,成為阻礙電弧離子鍍技術(shù)更深入廣泛應(yīng)用的瓶頸問題。而磁過濾等在等離子體傳輸過程中將大顆粒排除掉的方法, 是等癥狀出現(xiàn)以后用來治標(biāo)而不治本的方法, 因此是一種消極的方法。

　　由于電弧等離子體具有良好的導(dǎo)電性、電準(zhǔn)中性和與磁場的可作用性等特點, 因此為磁場控制電弧的位置、形狀以及運動提供了可能。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前國際上剛剛產(chǎn)生的受控電弧離子鍍膜, 從原理上說, 就是在弧源上加入一適當(dāng)?shù)拇艌? 來控制陰極弧斑在陰極表面的運動。國內(nèi)外一直在致力于這方面的工作, 主要集中在磁場控制的弧源設(shè)計上。由于真空電弧的物理特性, 外加電磁場是控制弧斑運動的有效方法, 不同磁場分量對弧斑的運動影響規(guī)律不同。人們對施加不同形式的磁場也進行了大量研究, 磁場的形式主要有縱向磁場、橫向磁場及尖角磁場等。當(dāng)外加縱向磁場時, 磁力線方向垂直于陰極表面, 弧斑隨機運動速度加快。當(dāng)外加橫向磁場時, 大量研究表明,真空電弧斑點在平行于陰極靶面的橫向磁場下呈逆安培力的反向運動( Retrograde motion) , 也就是運動方向和電流力的方向相反( - I × B ) �；“叩倪\動速度和橫向磁場的強度成拋物線關(guān)系 ,因此可以用來提高弧斑的運動速度。銳角法則可以用來限制弧斑的運動方向, 控制弧斑在靶面上的出現(xiàn)位置, 此法則對弧斑運動的控制、靶材刻蝕得均勻性非常重要。上述規(guī)律是磁場對弧斑運動影響的基本規(guī)律, 也是磁場設(shè)計必須考慮的兩個基本規(guī)律。國內(nèi)外在電弧離子鍍弧源的設(shè)計上幾乎都離不開磁場的設(shè)計, 雖然磁場的形式多種多樣, 但都離不開對這兩種規(guī)律的綜合運用。

　　所有的磁場設(shè)計都是考慮在靶面上形成一定的磁場位形, 利用銳角法則限制弧斑的運動, 利用橫向分量提高弧斑的運動速度。一方面盡可能擴大橫向分量的面積與強度, 一方面限制弧斑的運動, 要達到比較滿意的效果是很困難的。而且所有的磁場設(shè)計都是靜態(tài)的或者準(zhǔn)靜態(tài)的, 模式固定, 在提高弧斑速度和放電穩(wěn)定性的同時容易帶來靶材利用率低的問題。

　　為此, 動態(tài)的設(shè)計思路必然會出現(xiàn)。目前動態(tài)方法主要分電磁式和機械式, 主要原理都是動態(tài)地變換磁場在靶面的局域性分布, 從而改變靶面磁場橫向分量最大值的分布, 動態(tài)地擴大磁場橫向分量的面積以達到擴大弧斑的刻蝕區(qū)域, 提高靶材的利用率。其中機械式是通過移動磁體和移動靶材兩種方法, 其中移動模式又分為旋轉(zhuǎn)和往復(fù)移動兩種方式。動態(tài)的磁場可以基本實現(xiàn)弧斑在結(jié)構(gòu)簡單的大面積靶材上的均勻刻蝕, 但是這種方法往往需要增加一套復(fù)雜的電磁或者機械控制機構(gòu); 同時, 磁場的位形固定、強度和頻率難以調(diào)解, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 對很多材料不適用, 磁場本身的變化( 頻率, 強度) 對弧斑的影響考慮不多。通過磁場橫向分量位置的改變來擴大弧斑在靶面上分布的面積, 只是為了提高部分靶材利用率, 實現(xiàn)大面積均勻鍍膜而設(shè)計, 沒有從根本上改善電弧的放電方式, 弧斑還是隨著磁場位置的變化而局域性的移動, 依然是電流集中的弧斑放電,大顆粒的問題依然存在。而且磁場的大小在不斷的變化, 弧斑的運動速度不穩(wěn)定, 也在不斷的波動, 不能對大顆粒進行有效的控制, 不利于均勻性鍍膜。因此需要一種創(chuàng)新的、突破限制的、并且有效且易于推廣的動態(tài)旋轉(zhuǎn)磁場控制的電弧離子鍍弧源。

　　本文的目的在于突破傳統(tǒng)的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的磁場設(shè)計以及機械式的動態(tài)磁場設(shè)計思路, 提出一種新型的、可調(diào)速調(diào)幅的完全覆蓋整個靶面的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制弧斑運動的旋轉(zhuǎn)磁控電弧離子鍍弧源設(shè)計方案, 通過有限元模擬, 對旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制的電弧離子鍍弧源進行了優(yōu)化設(shè)計。通過系統(tǒng)的分析確定最終的方案。并根據(jù)方案制作了旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置, 旋轉(zhuǎn)磁場控制的離子鍍弧源, 使該弧源的旋轉(zhuǎn)磁場具有多模式可調(diào)速調(diào)頻的功能, 滿足多方面的應(yīng)用。用以改善弧斑的放電形式, 控制弧斑的運動軌跡, 提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率, 減少靶材大顆粒的發(fā)射, 用以制備高質(zhì)量的薄膜以及功能薄膜,拓展電弧離子鍍的應(yīng)用范圍。

　　結(jié)論

　　(1) 提出了旋轉(zhuǎn)橫向磁場的設(shè)計思路, 通過頻率和強度可調(diào)且覆蓋整個靶面的旋轉(zhuǎn)橫向磁場控制弧斑的運動。通過有限元模擬了其磁場位形, 可得到均勻分布于靶面的動態(tài)旋轉(zhuǎn)磁場。

　　(2) 旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置的磁極數(shù)對磁場的分布均勻性有很大的影響, 磁極越多, 分布越緊密均勻,產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場也越均勻。采用相位差為120°的三相正弦交流電供電比相位差為90°的兩相正弦交流電供電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場均勻。

　　(3) 旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生裝置、法蘭套與靶材三者之間同軸, 產(chǎn)生的磁場完全覆蓋并且平行于整個靶面。所用的靶材結(jié)構(gòu)具有一定的靶沿, 產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)橫向磁場會與靶沿相交, 形成指向靶面的銳角, 弧斑將會被限制在靶面內(nèi)而不至于跑到靶面外造成滅弧。