專利名稱：一種用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于薄膜制備領域，具體地說是一種用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材。
背景技術：
電弧離子鍍(AIP)技術源于19世紀中后期Edison發現的電弧沉積涂層現象，真空系統通入氬氣至1 10-1 時，使用在引弧電極與陰極之間加上一觸發電脈沖或者使兩者相短路的引弧方法，在蒸鍍材料制成的陰極與真空室形成的陽極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，使陰極靶材附近的正電荷密度增加。弧斑處于穩定刻蝕階段，當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，進一步提高了靶材蒸發離化率；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偏壓電場的加速作用下，沉積到基體表面成膜。電弧離子鍍由于其結構簡單，可鍍材料廣，沉積速率快(O. 1 50 μ m/min)，鍍層均勻致密、環保等優點，在20世紀八十年代就廣泛應用于工業生產中，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，這其中就包括磁性功能薄膜材料。磁性功能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，如圖1所示，在居里溫度以下、空氣3中使用高磁導率的鐵磁性金屬作為靶材時， 鐵磁性材料靶材2在永磁鐵1作用下，由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，)，鐵磁性靶材總是不能穩定刻蝕，出現跑弧及斷弧現象。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成為本行業的瓶頸問題。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。
實用新型內容本實用新型的目的之一在于提供一種結構簡單、成本低廉、高使用效率的用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材，為了解決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，難以在工業上應用的問題。本實用新型的另一目的在于提供一種用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材，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。為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是一種用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材，復合結構靶材為靶殼及磁性材料靶材構成，靶殼緊固于磁性材料靶材外圍；其中，靶殼選用相同溫度時飽和蒸氣壓和二次電子發射產額均低于磁性材料靶材的金屬；或者，靶殼為陶瓷相材料層依附于可加工金屬環上形成的靶殼，可加工金屬環緊固于磁性材料靶材外圍，陶瓷相材料層依附于可加工金屬環在與磁性材料靶材的靶面平行方向的面上。所述的用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材，靶殼采用Ti、Mo、Nb 或1 等金屬，其飽和蒸氣壓和二次電子發射產額普遍低于相同溫度時的鐵磁性材料Co、 Fe、Ni或其合金。所述的用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材，陶瓷相材料層通過氣相沉積、噴涂或者真空熱壓方法固定于可加工金屬環在與靶面平行方向的面上。所述的用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材，可加工金屬環可以采用Al、Cr、Cu、Ti或不銹鋼等金屬。所述的用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材，金屬靶殼或可加工金屬環的內徑略大于磁性材料靶材的外徑，金屬靶殼或可加工金屬環與磁性材料靶材通過螺紋固定，或者，金屬靶殼或可加工金屬環與磁性材料靶材通過螺栓連接固定。一種利用所述復合結構靶材在電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的應用，采用復合結構靶材用于沉積磁性材料涂層時，金屬靶殼或陶瓷相材料層用于改善引弧起始階段磁性靶材的磁短路，以及用于避免低于磁性靶材的居里溫度時出現的“跑弧”。本實用新型的技術原理本實用新型采用低飽和蒸氣壓和低二次電子發射產額的金屬或陶瓷作靶殼與鐵磁性靶材復合，約束起始引弧弧斑在靶面刻蝕，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穿出磁性靶表面，控制弧斑運動軌跡。本實用新型根據鐵磁性靶材磁性物理特點，突破性的利用了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2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。因此，如何將起始引弧弧斑約束在靶面刻蝕，并利用自加熱效應突破磁屏蔽限制，使鐵磁性靶材快速達到居里溫度使用，是解決磁性余層穩定沉積的關鍵。[0018]本實用新型的優點與積極效果為1、本實用新型提出一種用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材的設計方案，突破了傳統對靶表面加工溝槽和系統附加耦合磁場的技術沉積磁性余層的思維限制，克服了已有技術的缺點。2、本實用新型的復合結構靶材裝置制作簡單，成本低廉，可以為實現沉積不同功能要求的磁性薄膜提供了思路，拓展了電弧離子鍍的應用范圍。3、本實用新型的復合結構靶材思路適用于各種尺寸的靶材，不需要對靶材表面再加工，大大提高了靶材利用率。4、本實用新型的復合結構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，使得電弧離子鍍沉積磁性材料涂層工業化成為可能。5、本實用新型提出一種裝置制作簡單、成本低廉的復合結構靶材的設計思路，拓展了電弧離子鍍的應用范圍。
圖1為居里溫度以下時，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。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。圖2為居里溫度以上時，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。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。圖3為低飽和蒸氣壓和低二次電子發射產額的金屬作靶殼，鐵磁性材料作靶材的復合結構靶材示意圖。圖4為頂部附有一定厚度陶瓷的不銹鋼作靶殼，鐵磁性材料作靶材的復合結構靶材示意圖。圖中，1永磁鐵；2磁性材料靶材(磁性靶材)；3空氣；4金屬靶殼；5陶瓷相材料層；6可加工金屬環。
具體實施方式
本實用新型利用電弧離子鍍沉積磁性材料涂層是本行業的瓶頸問題，根據鐵磁性靶材的物理特性，突破性的利用了鐵磁性材料在居里溫度時鐵磁性轉變為順磁性的特點， 設計了一種電弧離子鍍鐵磁性復合靶材新結構及其應用。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明如圖3所示，本實用新型用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合靶材，可以由金屬靶殼4及鐵磁性材料靶材2構成，金屬靶殼4緊固于鐵磁性材料靶材2外圍。其中，金屬靶殼4選用相同溫度時飽和蒸氣壓和二次電子發射產額均低于鐵磁性材料靶材2的金屬，如Ti、Mo、Nb或1 等飽和蒸氣壓和二次電子發射產額普遍低于相同溫度時的鐵磁性材料Co、Fe、Ni或其合金的金屬。如圖4所示，本實用新型用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合靶材，還可由陶瓷相材料層5依附于可加工金屬環6上形成的靶殼及鐵磁性材料靶材2構成，可加工金屬環6位于鐵磁性材料靶材2外圍，陶瓷相材料層5位于可加工金屬環6頂部。陶瓷相材料層5依附于可加工金屬環6在與鐵磁性材料靶材2的靶面平行方向的面上，并將此可加工金屬環6緊固于鐵磁性材料靶材2外圍。其中，可加工金屬環可以采用Al、Cr、Cu、Ti或不銹鋼等金屬。所述金屬靶殼4或可加工金屬環6的內徑略大于鐵磁性材料靶材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。所述陶瓷相材料層5通過氣相沉積、噴涂或者真空熱壓等方法固定于可加工金屬環6在與靶面平行方向的面上。所述金屬靶殼4及陶瓷相材料層5解決并用于改善引弧起始階段鐵磁性材料靶材 2的磁短路難題，克服了低于鐵磁性材料靶材2的居里溫度時出現的“跑弧”和難于沉積磁性材料涂層的難題。采用本實施例的方法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實施例1 采用金屬鈦靶殼與金屬鈦靶殼內側的鈷合金靶材(Si:3 5wt. %，狗8 IOwt. %,Co 余量)所組成的復合靶材，金屬鈦靶殼與鈷合金靶材通過螺紋固定，與相同成分鈷合金普通靶材的使用進行對比。從鈷合金普通靶材使用過程可見，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-c)，且邊緣無低飽和蒸氣壓和低二次電子發射產額的金屬或陶瓷靶殼束縛弧斑于磁性靶材中心刻蝕，導致了 “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，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。如圖加-c所示，在空氣3中使用高磁導率的鐵磁性金屬作為靶材，鐵磁性材料靶材2在永磁鐵1作用下。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，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。從鈦-鈷合金復合靶材使用過程可見，在工作溫度下，金屬鈦的飽和蒸氣壓和二次電子發射產額均低于鈷合金的飽和蒸氣壓和二次電子發射產額。因此，相較于鈦金屬靶殼，弧斑更易于在鈷合金靶材上穩定刻蝕，從而將弧斑強制約束在磁性靶材中心產生。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穿出磁性靶表面，控制弧斑運動軌跡。從使用鈦-鈷合金復合靶材沉積涂層的表面形貌及能譜結果可見，涂層成分即為靶材成分，并未發現Ti元素成分，鈦靶殼未對涂層造成污染。實施例2 采用等離子噴涂在不銹鋼環上的氧化鋯陶瓷靶殼與等離子噴涂在不銹鋼環上的氧化鋯陶瓷靶殼內側的鈷合金靶材(Si 3 5wt. %，！^ :8 IOwt. %, Co 余量)所組成的復合靶材，等離子噴涂在不銹鋼環上的氧化鋯陶瓷靶殼與鈷合金靶材通過螺栓將復合靶材兩部分固定，與相同成分鈷合金普通靶材的使用進行對比。從氧化鋯-鈷合金復合靶材使用過程可見，在工作溫度下，氧化鋯陶瓷為絕緣體， 二次電子發射產額極低，并且其飽和蒸氣壓也遠低于鈷合金的飽和蒸氣壓。因此，弧斑更易于在鈷合金靶材上穩定刻蝕，從而將弧斑強制約束在磁性靶材中心產生。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穿出磁性靶表面，控制弧斑運動軌跡。從使用氧化鋯-鈷合金復合靶材沉積涂層的表面形貌及能譜結果可見，涂層成分即為靶材成分，并未發現Zr、0元素成分，氧化鋯陶瓷相未對涂層造成污染。
權利要求1.一種用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材，其特征在于，復合結構靶材為靶殼及磁性材料靶材構成，靶殼緊固于磁性材料靶材外圍；其中，靶殼選用相同溫度時飽和蒸氣壓和二次電子發射產額均低于磁性材料靶材的金屬；或者，靶殼為陶瓷相材料層依附于可加工金屬環上形成的靶殼，可加工金屬環緊固于磁性材料靶材外圍，陶瓷相材料層依附于可加工金屬環在與磁性材料靶材的靶面平行方向的面上。
2.按照權利要求1所述的用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材，其特征在于，靶殼采用Ti、Mo、Nb或1 金屬，其飽和蒸氣壓和二次電子發射產額普遍低于相同溫度時的鐵磁性材料Co、Fe、Ni或其合金。
3.按照權利要求1所述的用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材，其特征在于，陶瓷相材料層通過氣相沉積、噴涂或者真空熱壓方法固定于可加工金屬環在與靶面平行方向的面上。
4.按照權利要求1所述的用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材，其特征在于，可加工金屬環采用Al、Cr、Cu、Ti或不銹鋼金屬。
5.按照權利要求1所述的用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材，其特征在于，金屬靶殼或可加工金屬環的內徑略大于磁性材料靶材的外徑，金屬靶殼或可加工金屬環與磁性材料靶材通過螺紋固定；或者，金屬靶殼或可加工金屬環與磁性材料靶材通過螺栓連接固定。
專利摘要本實用新型屬于薄膜制備領域，具體地說是一種用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結構靶材。復合結構靶材為靶殼及磁性材料靶材構成，靶殼緊固于磁性材料靶材外圍；其中，靶殼為低飽和蒸氣壓和低二次電子發射產額的金屬靶殼；或者，靶殼為陶瓷相材料層依附于可加工金屬環上形成的靶殼，可加工金屬環緊固于磁性材料靶材外圍，陶瓷相材料層依附于可加工金屬環在與磁性材料靶材的靶面平行方向的面上。本實用新型解決了電弧離子鍍難于沉積磁性材料涂層的難題，以及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，難以在工業上應用的問題等，提出一種裝置制作簡單、成本低廉的復合結構靶材的設計思路，拓展了電弧離子鍍的應用范圍。
文檔編號C23C14/32GK202226910SQ201120363968
公開日2012年5月23日 申請日期2011年9月27日 優先權日2011年9月27日
發明者華偉剛, 孫超, 宮駿, 常正凱, 肖金泉, 陳育秋 申請人:中國科學院金屬研究所