專利名稱：一種電弧離子鍍鐵磁性復合結構靶材及其應用的制作方法
一種電弧離子鍍鐵磁性復合結構靶材及其應用技術領域
本發明屬于薄膜制備領域，具體地說是一種電弧離子鍍鐵磁性復合結構靶材及其應用。
背景技術：
電弧離子鍍(AIP)技術是采用陰極電弧蒸發源的一種離子鍍技術。真空系統通入 IS氣至1-KT1Pa時,在陰極祀材與陽極真空室之間引發弧光放電并產生高密度的金屬蒸氣等離子體。由于電子快速飛離陰極區，使靶材附近正電荷密度增加。弧斑穩定刻蝕階段，正離子形成的電場強度增加到臨界值后，不斷促進了陰極電子的發射，使電流的歐姆加熱效應增加，進一步提高蒸發離化率；同時，強電場為轟擊陰極的正離子提供了足以加熱陰極的轟擊能，使陰極弧斑局部迅速高溫蒸發離化。靶材金屬正離子在負電壓電場加速作用下，沉積到基體表面成膜。由于其結構簡單，沉積速率高(O. 1-50μπι/π η)，入射粒子能量高(約幾十電子伏)，離化率高(60% -80% )，繞射性好等優點，使電弧離子鍍技術得到快速發展， 并成為20世紀80年代以來工業化應用較好的鍍膜技術之一，近年來又獲得快速發展。
磁性材料，是古老而又用途廣泛的功能材料，早在3000年以前就被人們所認識和應用。現代磁性材料已經廣泛的用在我們的生活之中，這其中就包括磁性材料薄膜。磁性材料薄膜由于具有高數據存儲能力、磁屏蔽功能、高速記憶等優點，被廣泛用于制造計算機存儲，光通信中的磁光調制器、光隔離器和光環行器等，也用作磁記錄薄膜介質和薄膜磁頭， 以及磁光記錄盤等。可以說，磁性薄膜與信息化、自動化、機電一體化、國防、國民經濟的方方面面緊密相關。
電弧離子鍍沉積薄膜過程中，靶材上的弧斑在沒有外加磁場條件下在陰極表面作隨機運動；在垂直于陰極表面的軸向磁場分量作用下，弧斑隨機運動速度加快；弧斑在平行于陰極表面的橫向磁場分量作用下，沿洛倫茲力的反方向運動，即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 XB)。因此,需要通過控制陰極靶材表面磁場分布來影響陰極前方空間正離子分布，進而間接改變陰極靶材的刻蝕。但是，在使用電弧離子鍍沉積磁性薄膜時就會遇到靶材表面磁場不受控的問題。居里溫度以下使用鐵磁性金屬材料作為靶材時，由于外加磁場產生的大部分磁通量會通過靶材短路流通，干擾了陰極靶材表面磁場分布(甚至產生磁屏蔽，如圖1所示)，鐵磁性靶材總是不能穩定刻蝕，出現嚴重的跑弧及斷弧現象。因此，如何利用鐵磁性金屬作為電弧離子鍍靶材沉積磁性薄膜是本行業的瓶頸問題。
國內外同行為解決此問題也做過一些探索。如在鐵磁性靶表面增加溝槽(增加漏磁)，克服磁性靶材的磁屏蔽問題和侵蝕后磁場分布不均問題，實現鐵磁性靶材均勻刻蝕的目的，提高了靶材利用率。也有學者通過在靶面或基體附加耦合磁場，使更多磁通量穿過靶面，從而達到改變靶面磁力線分布目的，進而控制鐵磁性靶材上弧斑的刻蝕軌跡。然而這些解決方案亦有不足之處或降低了靶材使用壽命；或附加了額外結構或功能單元，結構更加復雜，不利于工業應用推廣。發明內容·
本發明的目的在于提供一種電弧離子鍍鐵磁性復合結構靶材及其應用。為實現上述目的，本發明采用的技術方案為
一種電弧離子鍍鐵磁性復合結構靶材所述復合結構靶材包括高磁導率的軟磁性材料靶殼與鐵磁性材料靶材，所述鐵磁性材料靶材與軟磁性材料靶殼相連。
所述軟磁性材料靶殼為筒狀結構，鐵磁性材料靶材位于軟磁性材料靶殼內。
所述軟磁性材料靶殼與鐵磁性材料靶材通過螺栓固接。
所述軟磁性材料靶殼與鐵磁性材料靶材為間隙配合。
將所述復合結構靶材作為電弧離子鍍材，進而得到沉積磁性薄膜。
所述軟磁性材料靶殼⑷由最大磁導率μ max > IO4的純鐵、鐵硅合金(硅鋼)、或鐵鎳合金(坡莫合金)等軟磁性材料構成。
所述鐵磁性材料可以為Fe，Co, Ni, Gd, Tb，Dy等元素或其合金、金屬間化合物等構成。
本發明的技術原理本發明采用高磁導率的軟磁性靶殼與鐵磁性材料復合，由于軟磁性靶殼的高導磁能力強制磁力線穿過鐵磁性靶材表面，改善了陰極靶材表面磁場分布，使外磁場突破磁性靶材的磁屏蔽干擾(如圖2所示)，進而使弧斑受控于靶面橫向磁場分量的作用刻蝕靶材，待鐵磁性靶材突破其居里溫度時，靶材短路流通的外磁場磁力線將全部穿出磁性靶表面(如圖3所示)，控制弧斑運動軌跡。
本發明所具有的優點
1.本發明復合結構靶材解決了由于鐵磁性靶材表面增加溝槽克服磁屏蔽時，降低了靶材使用壽命，進而本發明復合結構靶材解決了為改變靶面磁力線分布，在沉積系統中附加耦合磁場所帶來的設備操作復雜及成本增加問題。
2.本發明的復合靶材裝置制作簡單，成本低廉，進而實現沉積不同功能要求的磁性薄膜，同時應用到電弧離子鍍。
3.本發明的復合靶材不需要對靶材表面再加工，大大提高了靶材利用率。
4.本發明的復合靶材利用電弧離子鍍自加熱的特點來突破居里溫度，無需附加外加熱源及其它裝置，最大限度地減小對薄膜沉積的影響，實現了快速制備不同功能的磁性薄膜，使得電弧離子鍍磁性材料涂層工業化成為可能。
5.本發明利用軟磁性靶殼的高導磁能力的特點，強制磁力線穿過鐵磁性靶材表面，從而達到影響陰極前方空間正離子分布，解決了起始引弧弧斑出現的跑弧及斷弧問題。
6.本發明根據鐵磁性靶材磁性物理特點，利用鐵磁性材料在居里溫度時的鐵磁性轉變為順磁性特點。當弧斑刻蝕過程中的自加熱效應使磁性靶材突破居里點溫度時，即完成了鐵磁性向順磁性轉變，靶材短路流通的外磁場磁力線將穿出磁性靶表面，使靶材表面磁場位形獲得重新分布和可控(如圖3所示)，進而可以控制弧斑的運動軌跡，實現了磁性靶材穩定均勻刻蝕。
圖1為居里溫度以下時，普通鐵磁性靶材在永磁鐵作用下磁場分布的ANSYS有限元模擬結果圖，其中a圖為磁力線分布圖，b圖為磁通密度矢量圖，c圖為b圖標識區域靶材表面局部放大圖2為本發明實施例提供的復合結構靶材在居里溫度以下時，在永磁鐵作用下磁場分布的ANSYS有限元模擬結果圖，其中a圖為磁力線分布圖，b圖為磁通密度矢量圖，c圖為b圖標識區域靶材表面局部放大圖3為本發明實施例提供的復合結構靶材在居里溫度以上時，在永磁鐵作用下磁場分布的ANSYS有限元模擬結果圖，其中a圖為磁力線分布圖，b圖為磁通密度矢量圖，c圖為b圖標識區域靶材表面局部放大圖4為本發明實施例提供的高磁導率的軟磁材料作靶殼，鐵磁性材料作靶芯的復合靶材示意圖，其中a圖為剖面圖，b圖為俯視圖5為本發明實施例提供的鐵-鈷合金復合靶材實物圖6為本發明實施例提供的鈷合金靶材使用過程視頻截圖7為本發明實施例提供的鐵-鈷合金復合靶材使用過程視頻截圖8為本發明實施例提供的使用鈷合金靶材沉積涂層的表面形貌及能譜結果圖9為本發明實施例提供的使 用鐵-鈷合金復合靶材沉積涂層的表面形貌及能譜結果其中1為永磁鐵，2為鐵磁性材料靶材，3為空氣，4為高磁導率的軟磁材料靶殼， 5為鈷合金靶芯，6為工業純鐵。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明
如圖4所示，本發明的電弧離子鍍鐵磁性復合靶材，由高磁導率的軟磁材料靶殼4 及磁性材料靶材2所組成。
所述靶殼4的內徑略大于磁性材料靶材2的外徑，兩者通過螺紋固定，也可通過螺栓將復合靶材兩部分固定。
所述金屬靶殼4具有高導磁能力的特點，強制磁力線穿過鐵磁性靶材表面(如圖 2所示)，改善陰極靶材表面磁場分布，進而解決磁性靶材2在低于居里溫度的引弧起始階段時出現的“跑弧”問題。
復合結構靶材包括高磁導率的軟磁性材料靶殼4與鐵磁性材料靶材2，所述鐵磁性材料靶材2與軟磁性材料靶殼4相連。
軟磁性材料靶殼4為筒狀結構，鐵磁性材料靶材2位于軟磁性材料靶殼4內。軟磁性材料靶殼4與鐵磁性材料靶材2通過螺栓固接。所述軟磁性材料靶殼4與鐵磁性材料靶材2為間隙配合。
將通過上述得到的復合靶材與普通磁性材料靶材沉積涂層進行對比實驗，實驗情況及結果描述如下
采用工業純鐵靶殼與鈷合金(Si 3-5wt. %, Fe 8-10wt. %, Co :余量)磁性靶材所組成的復合靶材(如圖4所示)，與相同成分鈷合金普通靶材的使用進行對比。圖6為鈷合金普通靶材使用過程視頻截圖，由圖中可見弧斑在引弧后迅速運動到靶邊刻蝕。其原因是由于較低溫度時(低于居里溫度)，靶材邊緣的橫向磁場密集(見圖la，b)，受橫向磁場洛倫茲力作用，弧斑優先在橫向磁場密集處刻蝕，產生了“跑弧”現象。并且弧斑可能會集中刻蝕普通磁性靶材邊緣一點(見圖6a)，導致陰極靶材邊緣局部溫升過高，使之熔融、變形而接觸周圍陽極爐殼，造成電源短路。圖7為鐵-鈷合金復合靶材使用過程視頻截圖。在引弧起始階段，工作溫度低于磁性材料的居里溫度，工業純鐵的高磁導率“誘發”了部分短路磁力線穿過鈷合金靶材表面，通過鐵靶殼形成回路(見圖2)。因此，弧斑在靶面橫向磁場洛倫茲力作用下優先在鈷合金靶材上穩定刻蝕，見圖7。直至弧斑的自加熱效應使磁性靶材突破居里溫度后，靶材短路流通的外磁場磁力線將全部穿出磁性靶表面(見圖3)，控制弧斑運動軌跡。圖8為使用鈷合金靶材沉積涂層的表面形貌及能譜結果，圖9為使用鐵-鈷合金復合靶材沉積涂層的表面形貌及能譜結果，由此可見使用工業純鐵作靶殼的復合靶材所涂層與原始鈷合金靶材沉積涂層成分一致，鐵靶殼未改變涂層成 分比例造成污染。
權利要求
1.一種電弧離子鍍鐵磁性復合結構靶材，其特征在于所述復合結構靶材包括高磁導率的軟磁性材料靶殼(4)與鐵磁性材料靶材(2)，所述鐵磁性材料靶材(2)與軟磁性材料靶殼⑷相連。
2.按權利要求1所述電弧離子鍍鐵磁性復合結構靶材，其特征在于所述軟磁性材料靶殼(4)為筒狀結構，鐵磁性材料靶材(2)位于軟磁性材料靶殼(4)內。
3.按權利要求1或2所述電弧離子鍍鐵磁性復合結構靶材，其特征在于所述軟磁性材料靶殼(4)與鐵磁性材料靶材(2)通過螺栓固接。
4.按權利要求1所述電弧離子鍍鐵磁性復合結構靶材，其特征在于所述軟磁性材料靶殼(4)與鐵磁性材料靶材(2)為間隙配合。
5.按權利要求1所述電弧離子鍍鐵磁性復合結構靶材的應用，其特征在于將所述復合結構靶材作為電弧離子鍍材，進而得到沉積磁性薄膜。
全文摘要
本發明屬于薄膜制備領域，具體地說是一種電弧離子鍍鐵磁性復合結構靶材及其應用。所述復合結構靶材包括高磁導率的軟磁性材料靶殼與鐵磁性材料靶材，所述鐵磁性材料靶材與軟磁性材料靶殼相連。本發明復合結構靶材解決了由于鐵磁性靶材表面增加溝槽克服磁屏蔽時，降低了靶材使用壽命，進而本發明復合結構靶材解決了為改變靶面磁力線分布，在沉積系統中附加耦合磁場所帶來的設備操作復雜及成本增加問題。
文檔編號C23C14/32GK103014632SQ20111028886
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者孫超, 常正凱, 肖金泉, 宮駿, 華偉剛, 陳育秋 申請人:中國科學院金屬研究所