電弧離子鍍的旋轉橫向磁場(chǎng)弧源設計

　　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橫向磁場(chǎng)的設計思路, 通過(guò)頻率和強度可調且覆蓋整個(gè)靶面的旋轉橫向磁場(chǎng)控制弧斑的運動(dòng)。通過(guò)有限元模擬磁場(chǎng)的分布, 對旋轉橫向磁場(chǎng)控制的電弧離子鍍弧源進(jìn)行了優(yōu)化設計。并根據方案制作了旋轉磁場(chǎng)發(fā)生裝置及其電源, 使該弧源的旋轉磁場(chǎng)具有多模式可調頻調幅的功能, 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, 由于其結構簡(jiǎn)單、離化率高、入射粒子能量高、繞射性好、可實(shí)現低溫沉積等一系列優(yōu)點(diǎn), 使電弧離子鍍技術(shù)得到快速發(fā)展并獲得廣泛應用, 展示出很大的經(jīng)濟效益和工業(yè)應用前景。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(wèn)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)更深入廣泛應用的瓶頸問(wèn)題。而磁過(guò)濾等在等離子體傳輸過(guò)程中將大顆粒排除掉的方法, 是等癥狀出現以后用來(lái)治標而不治本的方法, 因此是一種消極的方法。

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

　　所有的磁場(chǎng)設計都是考慮在靶面上形成一定的磁場(chǎng)位形, 利用銳角法則限制弧斑的運動(dòng), 利用橫向分量提高弧斑的運動(dòng)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(dòng), 要達到比較滿(mǎn)意的效果是很困難的。而且所有的磁場(chǎng)設計都是靜態(tài)的或者準靜態(tài)的, 模式固定, 在提高弧斑速度和放電穩定性的同時(shí)容易帶來(lái)靶材利用率低的問(wèn)題。

　　為此, 動(dòng)態(tài)的設計思路必然會(huì )出現。目前動(dòng)態(tài)方法主要分電磁式和機械式, 主要原理都是動(dòng)態(tài)地變換磁場(chǎng)在靶面的局域性分布, 從而改變靶面磁場(chǎng)橫向分量最大值的分布, 動(dòng)態(tài)地擴大磁場(chǎng)橫向分量的面積以達到擴大弧斑的刻蝕區域, 提高靶材的利用率。其中機械式是通過(guò)移動(dòng)磁體和移動(dòng)靶材兩種方法, 其中移動(dòng)模式又分為旋轉和往復移動(dòng)兩種方式。動(dòng)態(tài)的磁場(chǎng)可以基本實(shí)現弧斑在結構簡(jiǎn)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雜的電磁或者機械控制機構; 同時(shí), 磁場(chǎng)的位形固定、強度和頻率難以調解, 結構復雜, 對很多材料不適用, 磁場(chǎng)本身的變化( 頻率, 強度) 對弧斑的影響考慮不多。通過(guò)磁場(chǎng)橫向分量位置的改變來(lái)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(shí)現大面積均勻鍍膜而設計, 沒(méi)有從根本上改善電弧的放電方式, 弧斑還是隨著(zhù)磁場(chǎng)位置的變化而局域性的移動(dòng), 依然是電流集中的弧斑放電,大顆粒的問(wèn)題依然存在。而且磁場(chǎng)的大小在不斷的變化, 弧斑的運動(dòng)速度不穩定, 也在不斷的波動(dòng), 不能對大顆粒進(jìn)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(dòng)態(tài)旋轉磁場(chǎng)控制的電弧離子鍍弧源。

　　本文的目的在于突破傳統的靜態(tài)或準靜態(tài)的磁場(chǎng)設計以及機械式的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)設計思路, 提出一種新型的、可調速調幅的完全覆蓋整個(gè)靶面的旋轉橫向磁場(chǎng)控制弧斑運動(dòng)的旋轉磁控電弧離子鍍弧源設計方案, 通過(guò)有限元模擬, 對旋轉橫向磁場(chǎng)控制的電弧離子鍍弧源進(jìn)行了優(yōu)化設計。通過(guò)系統的分析確定最終的方案。并根據方案制作了旋轉磁場(chǎng)發(fā)生裝置, 旋轉磁場(chǎng)控制的離子鍍弧源, 使該弧源的旋轉磁場(chǎng)具有多模式可調速調頻的功能, 滿(mǎn)足多方面的應用。用以改善弧斑的放電形式, 控制弧斑的運動(dòng)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用范圍。

　　結論

　　(1) 提出了旋轉橫向磁場(chǎng)的設計思路, 通過(guò)頻率和強度可調且覆蓋整個(gè)靶面的旋轉橫向磁場(chǎng)控制弧斑的運動(dòng)。通過(guò)有限元模擬了其磁場(chǎng)位形, 可得到均勻分布于靶面的動(dòng)態(tài)旋轉磁場(chǎng)。

　　(2) 旋轉磁場(chǎng)發(fā)生裝置的磁極數對磁場(chǎng)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)生的旋轉磁場(chǎng)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)生的旋轉磁場(chǎng)均勻。

　　(3) 旋轉磁場(chǎng)發(fā)生裝置、法蘭套與靶材三者之間同軸, 產(chǎn)生的磁場(chǎng)完全覆蓋并且平行于整個(gè)靶面。所用的靶材結構具有一定的靶沿, 產(chǎn)生的旋轉橫向磁場(chǎng)會(huì )與靶沿相交, 形成指向靶面的銳角, 弧斑將會(huì )被限制在靶面內而不至于跑到靶面外造成滅弧。