本發(fā)明涉及一種陰極電弧離子鍍的磁過濾裝置，用于減少制品表面大顆粒的密度，提高制品表面質(zhì)量。

背景技術(shù)：

陰極電弧離子鍍技術(shù)是一種在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的物理氣相沉積技術(shù)。與其他氣相沉積技術(shù)相比，它具有離化率高，沉積速率快，薄膜與基體結(jié)合力大等優(yōu)點。但是，陰極離子鍍制備的樣品表面常常會出現(xiàn)直徑在1-10μm的大顆粒。大顆粒缺陷的存在嚴(yán)重限制了陰極電弧離子鍍技術(shù)在制備光、電學(xué)薄膜，以及納米結(jié)構(gòu)膜方面的應(yīng)用。

為此，人們提出了包括，降低弧電流、采用脈沖弧源、加強(qiáng)靶的冷卻、增加陰極弧斑的移動速度、改變反應(yīng)氣體的送氣量等一系列工藝方法用以抑制大顆粒的產(chǎn)生。這些方法對于的顆粒的產(chǎn)生有一定的抑制效果，但并不能完全消除大顆粒缺陷。

為了徹底消除大顆粒，部分研究學(xué)者采用了磁過濾裝置。目前，常見的磁過濾裝置可分為兩類：彎管磁過濾裝置與直管磁過濾裝置。前者在大顆粒去除方面效果顯著，但是大量的等離子體會撞擊在過濾管壁上，造成原材料的損失并且影響沉積速率。后者，雖然等離子體的損失較少，但其大顆粒過濾效果有待提高。

本發(fā)明改進(jìn)了現(xiàn)有的陰極電弧離子鍍磁過濾裝置，制造出一種新型的直管磁過濾裝置，該裝置能夠很好的抑制大顆粒缺陷，制品表面大顆粒缺陷密度被降低至800mm^-2，且等離子的損耗較少，沉積速度較快。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

與現(xiàn)有的磁過濾裝置相比，本發(fā)明兼顧大顆粒抑制效果與沉積速率這兩個方面。裝置示意圖如圖1所示，該裝置共由四個主要部分組成，包括：1過濾管，2導(dǎo)磁環(huán)，3邊框(帶空氣隙)，4螺線管，通過通電螺線管產(chǎn)生磁場，并通過邊框(帶空氣隙)以及導(dǎo)磁環(huán)改變磁場的分布和磁場強(qiáng)度，該裝置使得磁場在大顆粒的富集區(qū)內(nèi)顯著增強(qiáng)，而在其他區(qū)域略有減弱，這樣在大顆粒的富集區(qū)內(nèi)，大顆粒將被加熱并發(fā)生蒸發(fā)，以此達(dá)到有效去除大顆粒缺陷的目的。導(dǎo)磁環(huán)的加入則會減少空氣隙與過濾管之間間隙處的漏磁，提高大顆粒過濾效果以及沉積速率。

在上述的磁過濾裝置中，過濾管采用順磁材料制成，可供選擇的材料包括鋁，不銹鋼等，管內(nèi)徑根據(jù)實際情況可選擇150-300mm之間。

在上述的磁過濾裝置中，邊框由軟磁材料制得，其上帶有空氣隙，空氣隙寬度為3-7mm。

在上述的磁過濾裝置中，導(dǎo)磁環(huán)共有兩個，采用軟磁材料制得，導(dǎo)磁環(huán)與過濾管過渡配合，兩導(dǎo)磁環(huán)的厚度均為1-10mm，兩環(huán)間距與空氣隙寬度一致，并與空氣隙的中心線處于同一直線上。

在上述的磁過濾裝置中，螺線管被軟磁材料邊框所包裹，螺線管匝數(shù)可以是500-2000匝，內(nèi)部電流2-10A。

附圖說明：

附圖1為所發(fā)明的磁過濾裝置。附圖標(biāo)記如下：1——過濾管，2——導(dǎo)磁環(huán)，3——邊框(帶空氣隙)，4——螺線管。(圖1本專利所述磁過濾裝置結(jié)構(gòu)示意)

附圖2為未采用磁過濾磁裝置與采用本發(fā)明磁過濾裝置制得的制品表面金相照片。(圖2未采用(a)與采用(b)本發(fā)明所述磁過濾裝置制備的TiN薄膜表面形貌圖)

附圖3采用本發(fā)明磁過濾裝置制得的試樣表面各尺寸大顆粒的密度。(圖3采用本磁過濾裝置制備的薄膜表面大顆粒的密度)

實施方式：

本發(fā)明提供的磁過濾裝置，能夠有效去除陰極電弧離子鍍過程中產(chǎn)生的大顆粒，同時它還具有沉積速率較高，裝置簡單的優(yōu)點。本發(fā)明所述的磁過濾裝置采用了帶有空氣隙的軟磁材料邊框，空氣隙有磁聚焦的功能，使得附近的磁場強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，即在近過濾管壁處產(chǎn)生強(qiáng)磁場區(qū)域，該強(qiáng)磁場區(qū)域同時又是大顆粒的富集區(qū)，強(qiáng)磁場加劇了等離子體的運動，使得等離子體與大顆粒的碰撞可能性大大增加，從而使得大顆粒被加熱，進(jìn)而發(fā)生蒸發(fā)，最終到達(dá)樣片表面的大顆粒數(shù)量顯著下降。此外，等離子體在磁場中會做螺線管運動，其回旋半徑隨磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小。因此，在近管壁處形成強(qiáng)磁場區(qū)域會減小在此處運動的等離子體的旋轉(zhuǎn)半徑，減少其撞擊到管壁上的可能性，減少材料的損失。導(dǎo)磁環(huán)在本發(fā)明的裝置中起到了在不改變磁場分布的情況下提高磁場強(qiáng)度，這使得磁場對于大顆粒的蒸發(fā)作用以及對于等離子的引導(dǎo)作用均有明顯提高。

下面為利用上述磁過濾裝置制備TiN薄膜的應(yīng)用實例。

1、過濾管：材料，硅鋼。尺寸，管內(nèi)徑為170mm，壁厚20mm，長度250mm。

2、導(dǎo)磁環(huán)：材料，工業(yè)純鐵。尺寸，內(nèi)徑210mm，壁厚5mm，長度4mm。

3、邊框：材料，工業(yè)純鐵。尺寸，內(nèi)徑220mm，外徑300mm，長度140mm，磁隙長度5mm，磁隙距離弧源的距離為135mm.

4、螺線管：材料，銅絲。1000匝，內(nèi)部通有3A電流。

5、其他試驗條件：弧電流80A，N₂氣氛0.6Pa，基片偏壓-200V與未采用磁過濾系統(tǒng)的制得的樣品相比，采用本發(fā)明裝置制得的樣片表面大顆粒數(shù)量明顯減少，如圖2所示。大顆粒的總密度可以低至800mm^-2，顆粒直徑大于5μm的大顆粒被完全消除如圖3所示。平均沉積速率可達(dá)20.4nm/min。