電弧離子鍍工藝中電弧蒸發(fā)產(chǎn)生的大顆粒污染嚴(yán)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(chǎng)的設(shè)計(jì)思路, 通過(guò)頻率和強(qiáng)度可調(diào)且覆蓋整個(gè)靶面的旋轉(zhuǎn)橫向磁場(chǎng)控制弧斑的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)有限元模擬磁場(chǎng)的分布, 對(duì)旋轉(zhuǎn)橫向磁場(chǎng)控制的電弧離子鍍弧源進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。并根據(jù)方案制作了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生裝置及其電源, 使該弧源的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jiǎn)單、離化率高、入射粒子能量高、繞射性好、可實(shí)現(xiàn)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(yīng)用, 展示出很大的經(jīng)濟(jì)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(yán)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(duì)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(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(xiàn)以后用來(lái)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(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(yùn)動(dòng)提供了可能。真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前國(guó)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(dāng)?shù)拇艌?chǎng), 來(lái)控制陰極弧斑在陰極表面的運(yùn)動(dòng)。國(guó)內(nèi)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(shè)計(jì)上。由于真空電弧的物理特性, 外加電磁場(chǎng)是控制弧斑運(yùn)動(dòng)的有效方法, 不同磁場(chǎng)分量對(duì)弧斑的運(yùn)動(dòng)影響規(guī)律不同。人們對(duì)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(dāng)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(jī)運(yùn)動(dòng)速度加快。當(dāng)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(yùn)動(dòng)( Retrograde motion) , 也就是運(yùn)動(dòng)方向和電流力的方向相反( - I × B ) 。弧斑的運(yùn)動(dòng)速度和橫向磁場(chǎng)的強(qiáng)度成拋物線(xiàn)關(guān)系 ,因此可以用來(lái)提高弧斑的運(yùn)動(dòng)速度。銳角法則可以用來(lái)限制弧斑的運(yùn)動(dòng)方向, 控制弧斑在靶面上的出現(xiàn)位置, 此法則對(duì)弧斑運(yùn)動(dòng)的控制、靶材刻蝕得均勻性非常重要。上述規(guī)律是磁場(chǎng)對(duì)弧斑運(yùn)動(dòng)影響的基本規(guī)律, 也是磁場(chǎng)設(shè)計(jì)必須考慮的兩個(gè)基本規(guī)律。國(guó)內(nèi)外在電弧離子鍍弧源的設(shè)計(jì)上幾乎都離不開(kāi)磁場(chǎng)的設(shè)計(jì), 雖然磁場(chǎng)的形式多種多樣, 但都離不開(kāi)對(duì)這兩種規(guī)律的綜合運(yùn)用。

　　所有的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng), 利用橫向分量提高弧斑的運(yùn)動(dòng)速度。一方面盡可能擴(kuò)大橫向分量的面積與強(qiáng)度, 一方面限制弧斑的運(yùn)動(dòng), 要達(dá)到比較滿(mǎn)意的效果是很困難的。而且所有的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)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(shí)容易帶來(lái)靶材利用率低的問(wèn)題。

　　為此, 動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)思路必然會(huì)出現(xiàn)。目前動(dòng)態(tài)方法主要分電磁式和機(jī)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?cái)U(kuò)大磁場(chǎng)橫向分量的面積以達(dá)到擴(kuò)大弧斑的刻蝕區(qū)域, 提高靶材的利用率。其中機(jī)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(zhuǎn)和往復(fù)移動(dòng)兩種方式。動(dòng)態(tài)的磁場(chǎng)可以基本實(shí)現(xiàn)弧斑在結(jié)構(gòu)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(fù)雜的電磁或者機(jī)械控制機(jī)構(gòu); 同時(shí), 磁場(chǎng)的位形固定、強(qiáng)度和頻率難以調(diào)解, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 對(duì)很多材料不適用, 磁場(chǎng)本身的變化( 頻率, 強(qiáng)度) 對(duì)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(kuò)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(xiàn)大面積均勻鍍膜而設(shè)計(jì), 沒(méi)有從根本上改善電弧的放電方式, 弧斑還是隨著磁場(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(yùn)動(dòng)速度不穩(wěn)定, 也在不斷的波動(dòng), 不能對(duì)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(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)設(shè)計(jì)以及機(jī)械式的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)思路, 提出一種新型的、可調(diào)速調(diào)幅的完全覆蓋整個(gè)靶面的旋轉(zhuǎn)橫向磁場(chǎng)控制弧斑運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁控電弧離子鍍弧源設(shè)計(jì)方案, 通過(guò)有限元模擬, 對(duì)旋轉(zhuǎn)橫向磁場(chǎng)控制的電弧離子鍍弧源進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)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(chǎng)發(fā)生裝置, 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制的離子鍍弧源, 使該弧源的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有多模式可調(diào)速調(diào)頻的功能, 滿(mǎn)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(yùn)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(yīng)用范圍。

　　結(jié)論

　　(1) 提出了旋轉(zhuǎn)橫向磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)思路, 通過(guò)頻率和強(qiáng)度可調(diào)且覆蓋整個(gè)靶面的旋轉(zhuǎn)橫向磁場(chǎng)控制弧斑的運(yùn)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(zhuǎn)磁場(chǎng)。

　　(2) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生裝置的磁極數(shù)對(duì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場(chǎng)均勻。

　　(3) 旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)具有一定的靶沿, 產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)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(nèi)而不至于跑到靶面外造成滅弧。