CN100355933C - 具有用于较大表面积的靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器 - Google Patents

具有用于较大表面积的靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电弧蒸发器，包括一阳极(1)和一阴极或靶(2)并用于产生准备施加到真空室内需涂覆部分(10)的蒸发材料。本发明的蒸发器还包括一磁引导装置，用于确保电弧以均匀的方式在靶的整个表面上运动。所述磁引导装置包括两个独立的磁系统，其中第一磁系统由一组永磁体(3)构成，该永磁体设置在阴极或靶(2)的周边并且以如下方式设置成或多或少地与靶(2)共面，即其磁化强度要垂直于所述靶(2)的表面；第二磁系统由一电磁体(4-5)构成，该电磁体设置在靶(2)的后部并且与所述靶间隔开一距离地放置在蒸发器电绝缘主体(6)内，其中至少一个磁极设置成与上述靶(2)的表面相平行。这样，两个磁系统的结合作用就确保了靶(2)被均匀地使用或消耗，同时又提高了蒸发器的稳定性。

Description

具有用于较大表面积的靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器
技术领域
本发明所涉及的电弧蒸发器是一种用于蒸发材料、电导体的设备，这样成蒸汽形式的蒸发材料转移到真空介质中从而沉积到需要涂覆的工件表面上。
本发明的目的是获得一种具有强力磁引导装置的电弧蒸发器，允许电弧的阴极点以可被单独选择的不同轨迹在无限大的范围内被引导，并包含了靶的整个表面积，从而获得均匀使用的目的。另外，所述强力磁引导装置抑制或缩小了所述阴极点，这样就增加了所发射材料的温度和电离作用，有助于获得良好质量的涂覆。
另外，所述强力磁引导装置通过使电弧蒸发器不可能偶然地将电弧移动到蒸发表面的不同点上，从而有助于蒸发器提高其稳定性。
背景技术
如上所述，电弧蒸发器是一种用于蒸发材料、电导体的设备，并将该成蒸汽形式的蒸发材料射入钟形真空玻璃罩中，从而能从中转移走。通常，需要蒸发的材料为板状，其中一面用水冷却，而另一面则指向钟形真空玻璃罩内部，面向需要沉积所发射材料的工件，通过在用作阳极的冷却电极和准备蒸发并用作阴极的所述导电板之间施加接近22伏80安培的直流电电弧来蒸发所述材料，通常需要额外地将用于维持电弧的少量气体引入所述真空室中。
更具体地，电弧以单点集中的方式作用在需被蒸发的板的表面上，任意移动到板的外表面上的阴极点会使所述板产生不均匀的消耗，或者同样地，不能很好地利用所述板的构成材料，这样成本会很高。
为解决在板的消耗过程中不均匀的问题，需要努力控制和引导电弧的运动，磁引导装置用来产生可以受控的方式调节电弧轨道的磁场的目的。
对于所磁引导装置目前有不同的解决方案，但所有的磁引导装置都用于控制电弧在阴极的运动，以便使均匀消耗最优化，如下是其中几个值得一提的方案：
美国专利US4673477公开了一种磁引导装置，其中利用机械装置将一永磁体放置到需被蒸发的板的后部，这样该永磁体产生的可变磁场就会在阴极上引导电弧。这种设备同样可选择地包括磁性绕组，围绕阴极板以便于强化或减弱在垂直于阴极工作面的方向内的磁场作用力。然而这个设备的问题在于可动永磁体的磁系统在机械结构上很复杂，因此容易发生故障。
美国专利US4724058公开了一种磁引导装置，包括一些放置在阴极板后部的线圈，用于在平行于线圈卷绕方向的单一方向内引导电弧。为了减小单一轨道内优先消耗所带来的效果，采用了一些方法，来努力减弱磁场的引导效果，这样一旦存在所述效果便叠加一任意的分量。简而言之，已经预想到线圈所产生的磁场会连接和断开，这样在大部分的时间内电弧会任意地分布在阴极上，很小的一部分会由磁场引导。最后，该设备的问题在于引导发生的时间很短，其余则是任意分布，由此不能保证阴极板消耗的精确和有效控制。
美国专利US5861088公开一种磁引导装置，包括设置在靶中心和后部的永磁体以及围绕所述永磁体的线圈，其组件构成一个磁场集中器。该系统是由放置在蒸发器外部上的第二线圈所实现的。而该设备的问题在于所产生的磁场很弱，因此作用在电弧上的引导作用也很弱。
美国专利US5298136公开了一种用于圆形蒸发器中厚靶的磁引导装置，包括两个线圈和一个特殊构造的磁部件，该磁部件适合于将被蒸发的靶的边缘，因此整体就利用一个磁部件和两个磁极来工作。尽管这个设置允许电弧轨道偏移一定程度，但电弧轨道并不能偏移到靶的外边缘或者距离该外边缘较小的距离，鉴于此，为了有效使用阴极材料，所述引导作用必须很弱，以便能为磁力驱使的运动叠加任意分量。
综上，现有的所有磁引导装置系统都具有这样一个问题，即如果希望在阴极整个表面上实现均匀地消耗，电弧必须能以一定自由度地运动，因此需要使用较弱的引导作用(即减弱的磁场强度)，由此就不能在所有的时间内维持对电弧轨道的控制。
如果相反使用很强力的磁引导装置，便不可能实现对靶或阴极整个表面的均匀消耗。
发明内容
本发明提出的电弧蒸发器以令人完全满意的方式、从各个方面解决了上述问题：该电弧蒸发器包括强力磁引导装置，但由于其特殊构造又允许电弧的阴极点以可单独选择的不同轨迹在无限大的范围内被引导，并包含了包括靶边缘以及中心在内的整个表面积，从而获得均匀使用靶或阴极的目的。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种具有用于较大表面积的靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器，包括封装在一钟形真空玻璃罩中的一阳极和一阴极，其中还放置着一工件，准备利用阳极和阴极间产生的电弧涂覆上由阴极蒸发的材料，还包括一磁引导装置，用于控制和引导电弧的运动，其特征在于，所述磁引导装置由两个独立的磁系统构成，即四个磁极，用于允许所获得的磁场强度任意变化以便使电弧在靶上遵循理想的轨迹，其中一个磁系统由一组永磁体构成，该永磁体设置在蒸发器的周边并且设置成与阴极共面，其磁化强度垂直于所述阴极的表面；第二磁系统由一个电磁体构成，该电磁体设置在阴极的后部并与所述靶间隔开一距离，上部的磁极或者是更靠近阴极的磁极设置成与上述阴极的表面相平行。
这样通过该保证电弧在靶的所有点都得到引导的系统，就可以使用强力磁系统，允许在每个轨道上应用高磁场强度、非常重要地缩小了阴极点并由此意味着温度和电离作用极大地增加，极大地有助于获得良好质量的涂覆。同样由于所述强力磁引导装置紧密地固定电弧施加在所选择轨道的点，因此避免了在一些意外区域内偶然偏移的可能性。
具体地，构成磁引导装置的两个磁系统可以是一个非常强力的永磁体和一个同样强力、以便确保高磁场强度以及对电弧良好控制的电磁体系统，同时也作用电磁体使其改变强度，这样就在整个靶上产生变化的电弧轨道。所以，利用这样的系统，就可获得一个允许变化以及对靶上电弧轨道进行控制的强力磁引导装置，这样就可以均匀地消耗靶的整个表面。
为实现本发明的目的，本发明还提供了一种具有用于较大表面积的靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器，包括封装在一钟形真空玻璃罩中的一阳极和一阴极，其中还放置着一工件，准备利用阳极和阴极间产生的电弧涂覆上由阴极蒸发的材料，还包括一磁引导装置，用于控制和引导电弧的运动，其特征在于，所述磁引导装置由两个独立的磁系统构成，即四个磁极，用于允许所获得的磁场强度任意变化以便使电弧在靶上遵循理想的轨迹，其中一个磁系统由一组电磁体构成，该电磁体设置在蒸发器的周边并且设置成与阴极共面，其磁化强度垂直于所述阴极的表面；第二磁系统由另一个电磁体构成，该电磁体设置在阴极的后部并与所述靶间隔开一距离，上部的磁极或者是更靠近阴极的磁极设置成与上述阴极的表面相平行。
附图说明
为实现所述方案以及有助于更好地理解本发明特征，以下根据本发明的一个最佳实施例并结合一组附图整体地来描述本发明，其中附图所示仅仅是为了例举而并非限制性的。
图1为具有根据本发明目的的强力磁引导装置的矩形电弧蒸发器的截面示意图；
图2为同样根据示意实例、上述附图中蒸发器的平面图；
图3、4和5重现了图1中的截面图，其中图3中增加了一个曲线图，表示在外部设置的永磁体所产生的磁场强度的垂直分量；图4中也增加了一个相似的曲线图，但对应于设置在靶后部的电磁体在施加不同电流时所产生的磁场强度的垂直分量；图5中为表示外部设置的永磁体所加上设置在靶后部的电磁体在施加不同电流时所产生的磁场强度；
图6是与图1相似的、根据另一实施例的截面图，其中改变了导磁材料的形式。
最后图7示出与图1中相似、但却对应于本发明另一实施例的另一个截面图，其中位于蒸发器外部的永磁体都被电磁体代替。
具体实施方式
借助上述附图，尤其是图1和2可以观察到本发明的电弧蒸发器，其具有一个阳极1和一个阴极2或靶以及一个磁引导装置，这样逻辑上在阳极1和作为所述电弧阴极2的靶之间可形成直流电弧，因此从阴极表面发射材料。
为了确保电弧作用在阴极2上的点(即磁场的垂直分量为零的点)以一种均匀的方式在阴极的整个表面上位移，使用一个磁引导装置，该磁引导装置包括两个独立的磁系统，即由位于蒸发器周边的一组永磁体3构成的第一磁系统，从而其磁化垂直于靶的表面；由一个位于阴极的后部且距离阴极一定距离的电磁体构成的第二磁系统，最靠近阴极2的磁极平行于上述阴极的表面。
位于阴极2后部的电磁体包括由具有高磁导率和低矫顽力的材料(例如锻铁)制成的磁芯4，该磁芯被用于产生磁化锻铁所需磁通量的电磁线圈5包围，所述磁芯4具有矩形断面，如图1所示，两个磁极被布置成平行于阴极2的表面。
更具体地，电磁体被容纳并完好地装配在蒸发器的主体6中，主体的形式为一个杯形，阴极2固定在所述的杯形的嘴上，该阴极或靶被螺栓(未示出)协同固定，电磁体位于阴极下部并与阴极间隔一定距离以确保在阴极表面上的磁场足够均匀，在靶2和电磁体之间以这样的方式限定一个室11，可以用于放置确保合适冷却阴极2的系统和其余的蒸发器部件。如上提到的，冷却室的高度由在永磁芯的上表面和蒸发表面之间所需的一定距离决定，从而在蒸发表面上的磁场是足够均匀的。
由后基底9，一些侧面和外面的悬架8和绝缘板条7构成一组件，从而形成一个框架，用于保护将阴极2固定在本体6上的螺栓并用于将电弧限定在阴极内，从而限定蒸发表面积。随后，绝缘板条7由合适的电绝缘螺栓7’固定。所有这些元件，绝缘板条7，悬架8和后基底9都是由在高温下电绝缘的材料制成例如氧化铝、玻璃陶瓷、氮化硼或聚四氟乙烯制成，它们将阻碍在不理想的表面上形成电弧。由于在电弧操作中这些部件逐渐被涂覆上导电材料，因此这些部件需要周期性维护，由此将这些避免形成电弧的效力消除。
而且，在阴极2的同一平面上并在蒸发器主体6周边构成第一磁系统的永磁体3由具有如下特点的外部永磁体3构成，即该永磁体有比阴极较小的高度、并被设置成其中心线与一个在阴极2的最初表面和该阴极在使用寿命最后所形成的表面之间所限定的中间平面重合，还有该永磁体应该具有最大可能的能量，由此应具有最大的宽度并且应由具有较高矫顽力的材料(例如SmCo，NdFeB或硬铁氧体)而制成。
所述的机构是由一真空室或钟形玻璃罩(未在图中示出)构成，在其内部安装有准备涂覆从阴极2所蒸发材料的工件10。
在图3中示出一个曲线图12，该曲线图对应于由设置于蒸发器主体外部并与阴极2表面处于同一平面的永磁体3所产生的磁场的垂直分量。
在图4中示出曲线图13、14和15，这些曲线图对应于由设置于蒸发器主体6内部的阴极2表面后方的电磁体在被施加不同电流时所产生的磁场的垂直分量。
最后在图5中示出曲线图16、17和18，这些曲线图对应与在阴极2的表面上、同时由位于阴极2表面上并设置于蒸发器主体外部的永磁体3以及由设置于阴极2后方的电磁体在被施加不同电流时所产生的磁场的垂直分量。
应该知道，这些曲线图是电磁体所产生磁场与永磁体3所产生磁场的叠加结果，由此使得对应于永磁体的曲线图垂直平移，这样现在所述曲线图的一部分位于纵轴的正部分内。本质上，阴极点在靶的表面上遵循一条由磁场垂直分量为零的点所构成的轨迹，这样例如如果施加到电磁体上的能量被调整成使得对应的曲线图如标号16所示时，阴极点在靶的表面上的轨迹将经过点19和20，同时如果电流被调整成使得对应的曲线图如标号18所示时，阴极点在靶的表面上的轨迹将经过点23和24，在中间轨道17中阴极点是21和22。
从图6中可看出，在另一个实施例中，磁芯4能具有一个T型部分，其一个磁极平行于阴极2而另一个则垂直于所述阴极，这样一个构造允许在蒸发器表面获得一个更高的磁场强度，以及在水平面获得一个更大的磁场范围，这样就能减小在磁芯4上表面和阴极2之间的距离。
最后，需要指出永磁体3可以由一些具有如上述电磁体相似结构的电磁体3’构成，这一点可参见图7所示的实施例。

Claims (10)

1.一种具有用于较大表面积的靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器，包括封装在一钟形真空玻璃罩中的一阳极(1)和一阴极(2)，其中还放置着一工件(10)，准备利用阳极(1)和阴极(2)间产生的电弧涂覆上由阴极(2)蒸发的材料，还包括一磁引导装置，用于控制和引导电弧的运动，其特征在于，所述磁引导装置由两个独立的磁系统构成，即四个磁极，用于允许所获得的磁场强度任意变化以便使电弧在靶上遵循理想的轨迹，其中一个磁系统由一组永磁体(3)构成，该永磁体设置在蒸发器的周边并且设置成与阴极(2)共面，其磁化强度垂直于所述阴极(2)的表面；第二磁系统由一个电磁体构成，该电磁体设置在阴极(2)的后部并与所述阴极间隔开一距离，上部的磁极或者是更靠近阴极(2)的磁极设置成与上述阴极(2)的表面相平行。
2.如权利要求1所述的、具有用于较大表面积靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器，其特征在于，对应于上述第二磁系统的电磁体封装在该蒸发器的主体(6)内，主体(6)构成一杯形，阴极(2)固定到所述的杯形的嘴上，阴极(2)与电磁体间隔一定距离以便允许在这些元件之间设置阴极(2)的冷却系统，所述阴极借助相关的螺栓固定到蒸发器的主体(6)，主体(6)上形成一周边框架，该周边框架包括高温绝缘材料制成的绝缘板条(7)，主体(6)末端的多个悬架(8)和后基底(9)，所有这些元件都是由在高温下电绝缘的材料制成。
3.如权利要求2所述的、具有用于较大表面积靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器，其特征在于，所述的绝缘板条(7)、多个悬架(8)和后基底(9)由氧化铝、玻璃陶瓷、氮化硼或聚四氟乙烯制成。
4.如权利要求1所述的、具有用于较大表面积靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器，其特征在于，构成第二磁系统的电磁体是基于由设置在蒸发表面中心区域的对应位置并具有高磁导率和低矫顽力的磁芯(4)而制成，电磁线圈(5)围绕所述磁芯设置，用于为该磁芯产生所需的磁通量。
5.如权利要求4所述的、具有用于较大表面积靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器，其特征在于，所述的磁芯(4)由锻铁材料制成。
6.如权利要求4所述的、具有用于较大表面积靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器，其特征在于，上述磁芯(4)具有矩形横截面并且其两个磁极平行于阴极(2)的表面。
7.如权利要求1-3中任一所述的、具有用于较大表面积靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器，其特征在于，上述电磁体的磁芯(4)具有一个T型横截面，这样其一个磁极平行于阴极(2)而另一个则垂直于所述阴极(2)。
8.如权利要求1所述的、具有用于较大表面积靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器，其特征在于，上述永磁体(3)被设置成其中心线与一个在阴极(2)的最初表面和该阴极在使用寿命最后所具有的表面之间所限定的中间平面相重合，并具有最大可能的宽度，以便获得最大能量，该永磁体由具有较高矫顽力的材料制成。
9.如权利要求1所述的、具有用于较大表面积靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器，其特征在于，所述永磁体由SmCo，NdFeB或硬铁氧体制成。
10.一种具有用于较大表面积的靶的强力磁引导装置的电弧蒸发器，包括封装在一钟形真空玻璃罩中的一阳极(1)和一阴极(2)，其中还放置着一工件(10)，准备利用阳极(1)和阴极(2)间产生的电弧涂覆上由阴极(2)蒸发的材料，还包括一磁引导装置，用于控制和引导电弧的运动，其特征在于，所述磁引导装置由两个独立的磁系统构成，即四个磁极，用于允许所获得的磁场强度任意变化以便使电弧在靶上遵循理想的轨迹，其中一个磁系统由一组电磁体(3′)构成，该电磁体设置在蒸发器的周边并且设置成与阴极(2)共面，其磁化强度垂直于所述阴极(2)的表面；第二磁系统由另一个电磁体构成，该电磁体设置在阴极(2)的后部并与所述阴极间隔开一距离，上部的磁极或者是更靠近阴极(2)的磁极设置成与上述阴极(2)的表面相平行。
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