专利名称：一种用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材的制作方法
技术领域：
本实用新型属于薄膜制备领域，具体地说是一种用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材。
背景技术：
电弧离子镀(AIP)技术源于19世纪中后期Edison发现的电弧沉积涂层现象，真空系统通入氩气至1 10-1 时，使用在引弧电极与阴极之间加上一触发电脉冲或者使两者相短路的引弧方法，在蒸镀材料制成的阴极与真空室形成的阳极之间引发弧光放电并产生高密度的金属蒸气等离子体。由于电子快速飞离阴极区，使阴极靶材附近的正电荷密度增加。弧斑处于稳定刻蚀阶段，当正离子形成的电场强度增加到临界值后，不断促进了阴极电子的发射，使电流的欧姆加热效应增加，进一步提高了靶材蒸发离化率；同时，强电场为轰击阴极的正离子提供了足以加热阴极的轰击能，使阴极弧斑局部迅速高温蒸发离化。靶材金属正离子在负偏压电场的加速作用下，沉积到基体表面成膜。电弧离子镀由于其结构简单，可镀材料广，沉积速率快(O. 1 50 μ m/min)，镀层均勻致密、环保等优点，在20世纪八十年代就广泛应用于工业生产中，近年来又获得快速发展。磁性材料，是古老而又用途广泛的功能材料，早在3000年以前就被人们所认识和应用。现代磁性材料已经广泛的用在我们的生活之中，这其中就包括磁性功能薄膜材料。磁性功能薄膜由于具有高数据存储能力、磁屏蔽功能、高速记忆等优点，被广泛用于制造计算机存储，光通信中的磁光调制器、光隔离器和光环行器等，也用作磁记录薄膜介质和薄膜磁头，以及磁光记录盘等。可以说，磁性薄膜与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济的方方面面紧密相关。电弧离子镀沉积薄膜过程中，靶材上的弧斑在没有外加磁场条件下在阴极表面作随机运动；在垂直于阴极表面的轴向磁场分量作用下，弧斑随机运动速度加快；弧斑在平行于阴极表面的横向磁场分量作用下，沿洛伦兹力的反方向运动，即呈逆安培力的反向运动(Retrograde motion)，也就是运动方向和电流力的方向相反(_I XB)。因此，需要通过控制阴极靶材表面磁场分布来影响阴极前方空间正离子分布，进而间接改变阴极靶材的刻蚀。但是，如图1所示，在居里温度以下、空气3中使用高磁导率的铁磁性金属作为靶材时， 铁磁性材料靶材2在永磁铁1作用下，由外加磁场产生的大部分磁通量会通过靶材短路流通，干扰了阴极靶材表面磁场分布(甚至产生磁屏蔽，)，铁磁性靶材总是不能稳定刻蚀，出现跑弧及断弧现象。因此，如何利用铁磁性金属作为电弧离子镀靶材沉积磁性薄膜成为本行业的瓶颈问题。国内外同行为解决此问题也做过一些探索。如在铁磁性靶表面增加沟槽(增加漏磁)，克服磁性靶材的磁屏蔽问题和侵蚀后磁场分布不均问题，实现铁磁性靶材均勻刻蚀的目的，提高了靶材利用率。也有学者通过在靶面或基体附加耦合磁场，使更多磁通量穿过靶面，从而达到改变靶面磁力线分布目的，进而控制铁磁性靶材上弧斑的刻蚀轨迹。然而这些解决方案亦有不足之处或降低了靶材使用寿命；或附加了额外结构或功能单元，结构更加复杂，不利于工业应用推广。
实用新型内容本实用新型的目的之一在于提供一种结构简单、成本低廉、高使用效率的用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，为了解决铁磁性靶材表面增加沟槽克服磁屏蔽时，降低了靶材使用寿命，难以在工业上应用的问题。本实用新型的另一目的在于提供一种用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，解决了为改变靶面磁力线分布，在沉积系统中附加耦合磁场所带来的设备操作复杂及成本增加问题。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是一种用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，复合结构靶材为靶壳及磁性材料靶材构成，靶壳紧固于磁性材料靶材外围；其中，靶壳选用相同温度时饱和蒸气压和二次电子发射产额均低于磁性材料靶材的金属；或者，靶壳为陶瓷相材料层依附于可加工金属环上形成的靶壳，可加工金属环紧固于磁性材料靶材外围，陶瓷相材料层依附于可加工金属环在与磁性材料靶材的靶面平行方向的面上。所述的用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，靶壳采用Ti、Mo、Nb 或1 等金属，其饱和蒸气压和二次电子发射产额普遍低于相同温度时的铁磁性材料Co、 Fe、Ni或其合金。所述的用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，陶瓷相材料层通过气相沉积、喷涂或者真空热压方法固定于可加工金属环在与靶面平行方向的面上。所述的用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，可加工金属环可以采用Al、Cr、Cu、Ti或不锈钢等金属。所述的用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，金属靶壳或可加工金属环的内径略大于磁性材料靶材的外径，金属靶壳或可加工金属环与磁性材料靶材通过螺纹固定，或者，金属靶壳或可加工金属环与磁性材料靶材通过螺栓连接固定。一种利用所述复合结构靶材在电弧离子镀沉积磁性材料涂层的应用，采用复合结构靶材用于沉积磁性材料涂层时，金属靶壳或陶瓷相材料层用于改善引弧起始阶段磁性靶材的磁短路，以及用于避免低于磁性靶材的居里温度时出现的“跑弧”。本实用新型的技术原理本实用新型采用低饱和蒸气压和低二次电子发射产额的金属或陶瓷作靶壳与铁磁性靶材复合，约束起始引弧弧斑在靶面刻蚀，待铁磁性靶材突破其居里温度时，靶材短路流通的外磁场磁力线将穿出磁性靶表面，控制弧斑运动轨迹。本实用新型根据铁磁性靶材磁性物理特点，突破性的利用了铁磁性材料在居里温度时的铁磁性转变为顺磁性特点。当弧斑刻蚀过程中的自加热效应使磁性靶材突破居里点温度时，即完成了铁磁性向顺磁性转变，靶材短路流通的外磁场磁力线将穿出磁性靶表面， 使靶材表面磁场位形获得重新分布和可控(如图2所示)，进而可以控制弧斑的运动轨迹， 实现了磁性靶材稳定均勻刻蚀。因此，如何将起始引弧弧斑约束在靶面刻蚀，并利用自加热效应突破磁屏蔽限制，使铁磁性靶材快速达到居里温度使用，是解决磁性余层稳定沉积的关键。[0018]本实用新型的优点与积极效果为1、本实用新型提出一种用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材的设计方案，突破了传统对靶表面加工沟槽和系统附加耦合磁场的技术沉积磁性余层的思维限制，克服了已有技术的缺点。2、本实用新型的复合结构靶材装置制作简单，成本低廉，可以为实现沉积不同功能要求的磁性薄膜提供了思路，拓展了电弧离子镀的应用范围。3、本实用新型的复合结构靶材思路适用于各种尺寸的靶材，不需要对靶材表面再加工，大大提高了靶材利用率。4、本实用新型的复合结构靶材利用电弧离子镀自加热的特点来突破居里温度，无需附加外加热及其它装置，最大限度地减小对薄膜沉积的影响，实现了快速制备不同功能的磁性薄膜，使得电弧离子镀沉积磁性材料涂层工业化成为可能。5、本实用新型提出一种装置制作简单、成本低廉的复合结构靶材的设计思路，拓展了电弧离子镀的应用范围。
图1为居里温度以下时，铁磁性靶材在永磁铁作用下磁场分布的ANSYS有限元模拟结果。其中a图为磁力线分布图，b图为磁通密度矢量图，c图为b图标识区域靶材表面局部放大图。图2为居里温度以上时，铁磁性靶材在永磁铁作用下磁场分布的ANSYS有限元模拟结果。其中，a图为磁力线分布图，b图为磁通密度矢量图，c图为b图标识区域靶材表面局部放大图。图3为低饱和蒸气压和低二次电子发射产额的金属作靶壳，铁磁性材料作靶材的复合结构靶材示意图。图4为顶部附有一定厚度陶瓷的不锈钢作靶壳，铁磁性材料作靶材的复合结构靶材示意图。图中，1永磁铁；2磁性材料靶材(磁性靶材)；3空气；4金属靶壳；5陶瓷相材料层；6可加工金属环。
具体实施方式
本实用新型利用电弧离子镀沉积磁性材料涂层是本行业的瓶颈问题，根据铁磁性靶材的物理特性，突破性的利用了铁磁性材料在居里温度时铁磁性转变为顺磁性的特点， 设计了一种电弧离子镀铁磁性复合靶材新结构及其应用。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明如图3所示，本实用新型用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合靶材，可以由金属靶壳4及铁磁性材料靶材2构成，金属靶壳4紧固于铁磁性材料靶材2外围。其中，金属靶壳4选用相同温度时饱和蒸气压和二次电子发射产额均低于铁磁性材料靶材2的金属，如Ti、Mo、Nb或1 等饱和蒸气压和二次电子发射产额普遍低于相同温度时的铁磁性材料Co、Fe、Ni或其合金的金属。如图4所示，本实用新型用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合靶材，还可由陶瓷相材料层5依附于可加工金属环6上形成的靶壳及铁磁性材料靶材2构成，可加工金属环6位于铁磁性材料靶材2外围，陶瓷相材料层5位于可加工金属环6顶部。陶瓷相材料层5依附于可加工金属环6在与铁磁性材料靶材2的靶面平行方向的面上，并将此可加工金属环6紧固于铁磁性材料靶材2外围。其中，可加工金属环可以采用Al、Cr、Cu、Ti或不锈钢等金属。所述金属靶壳4或可加工金属环6的内径略大于铁磁性材料靶材2的外径，两者通过螺纹固定，也可通过螺栓将复合靶材两部分固定。所述陶瓷相材料层5通过气相沉积、喷涂或者真空热压等方法固定于可加工金属环6在与靶面平行方向的面上。所述金属靶壳4及陶瓷相材料层5解决并用于改善引弧起始阶段铁磁性材料靶材 2的磁短路难题，克服了低于铁磁性材料靶材2的居里温度时出现的“跑弧”和难于沉积磁性材料涂层的难题。采用本实施例的方法与普通磁性材料靶材沉积涂层进行对比实验，实验情况及结果描述如下实施例1 采用金属钛靶壳与金属钛靶壳内侧的钴合金靶材(Si:3 5wt. %，狗8 IOwt. %,Co 余量)所组成的复合靶材，金属钛靶壳与钴合金靶材通过螺纹固定，与相同成分钴合金普通靶材的使用进行对比。从钴合金普通靶材使用过程可见，弧斑在引弧后迅速运动到靶边刻蚀。其原因是由于较低温度时(低于居里温度)，靶材边缘的横向磁场密集(见图la-c)，且边缘无低饱和蒸气压和低二次电子发射产额的金属或陶瓷靶壳束缚弧斑于磁性靶材中心刻蚀，导致了 “跑弧”现象。并且，弧斑可能会集中刻蚀普通磁性靶材边缘一点，导致阴极靶材边缘局部温升过高，使之熔融、变形而接触周围阳极炉壳，造成电源短路。如图加-c所示，在空气3中使用高磁导率的铁磁性金属作为靶材，铁磁性材料靶材2在永磁铁1作用下。当弧斑刻蚀过程中的自加热效应使磁性靶材突破居里点温度时， 即完成了铁磁性向顺磁性转变，靶材短路流通的外磁场磁力线将穿出磁性靶表面，使靶材表面磁场位形获得重新分布和可控，进而可以控制弧斑的运动轨迹，实现了磁性靶材稳定均勻刻蚀。从钛-钴合金复合靶材使用过程可见，在工作温度下，金属钛的饱和蒸气压和二次电子发射产额均低于钴合金的饱和蒸气压和二次电子发射产额。因此，相较于钛金属靶壳，弧斑更易于在钴合金靶材上稳定刻蚀，从而将弧斑强制约束在磁性靶材中心产生。直至弧斑的自加热效应使磁性靶材突破居里温度后，靶材短路流通的外磁场磁力线将穿出磁性靶表面，控制弧斑运动轨迹。从使用钛-钴合金复合靶材沉积涂层的表面形貌及能谱结果可见，涂层成分即为靶材成分，并未发现Ti元素成分，钛靶壳未对涂层造成污染。实施例2 采用等离子喷涂在不锈钢环上的氧化锆陶瓷靶壳与等离子喷涂在不锈钢环上的氧化锆陶瓷靶壳内侧的钴合金靶材(Si 3 5wt. %，！^ :8 IOwt. %, Co 余量)所组成的复合靶材，等离子喷涂在不锈钢环上的氧化锆陶瓷靶壳与钴合金靶材通过螺栓将复合靶材两部分固定，与相同成分钴合金普通靶材的使用进行对比。从氧化锆-钴合金复合靶材使用过程可见，在工作温度下，氧化锆陶瓷为绝缘体， 二次电子发射产额极低，并且其饱和蒸气压也远低于钴合金的饱和蒸气压。因此，弧斑更易于在钴合金靶材上稳定刻蚀，从而将弧斑强制约束在磁性靶材中心产生。直至弧斑的自加热效应使磁性靶材突破居里温度后，靶材短路流通的外磁场磁力线将穿出磁性靶表面，控制弧斑运动轨迹。从使用氧化锆-钴合金复合靶材沉积涂层的表面形貌及能谱结果可见，涂层成分即为靶材成分，并未发现Zr、0元素成分，氧化锆陶瓷相未对涂层造成污染。
权利要求1.一种用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，其特征在于，复合结构靶材为靶壳及磁性材料靶材构成，靶壳紧固于磁性材料靶材外围；其中，靶壳选用相同温度时饱和蒸气压和二次电子发射产额均低于磁性材料靶材的金属；或者，靶壳为陶瓷相材料层依附于可加工金属环上形成的靶壳，可加工金属环紧固于磁性材料靶材外围，陶瓷相材料层依附于可加工金属环在与磁性材料靶材的靶面平行方向的面上。
2.按照权利要求1所述的用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，其特征在于，靶壳采用Ti、Mo、Nb或1 金属，其饱和蒸气压和二次电子发射产额普遍低于相同温度时的铁磁性材料Co、Fe、Ni或其合金。
3.按照权利要求1所述的用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，其特征在于，陶瓷相材料层通过气相沉积、喷涂或者真空热压方法固定于可加工金属环在与靶面平行方向的面上。
4.按照权利要求1所述的用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，其特征在于，可加工金属环采用Al、Cr、Cu、Ti或不锈钢金属。
5.按照权利要求1所述的用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材，其特征在于，金属靶壳或可加工金属环的内径略大于磁性材料靶材的外径，金属靶壳或可加工金属环与磁性材料靶材通过螺纹固定；或者，金属靶壳或可加工金属环与磁性材料靶材通过螺栓连接固定。
专利摘要本实用新型属于薄膜制备领域，具体地说是一种用于电弧离子镀沉积磁性材料涂层的复合结构靶材。复合结构靶材为靶壳及磁性材料靶材构成，靶壳紧固于磁性材料靶材外围；其中，靶壳为低饱和蒸气压和低二次电子发射产额的金属靶壳；或者，靶壳为陶瓷相材料层依附于可加工金属环上形成的靶壳，可加工金属环紧固于磁性材料靶材外围，陶瓷相材料层依附于可加工金属环在与磁性材料靶材的靶面平行方向的面上。本实用新型解决了电弧离子镀难于沉积磁性材料涂层的难题，以及铁磁性靶材表面增加沟槽克服磁屏蔽时，降低了靶材使用寿命，难以在工业上应用的问题等，提出一种装置制作简单、成本低廉的复合结构靶材的设计思路，拓展了电弧离子镀的应用范围。
文档编号C23C14/32GK202226910SQ201120363968
公开日2012年5月23日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月27日
发明者华伟刚, 孙超, 宫骏, 常正凯, 肖金泉, 陈育秋 申请人:中国科学院金属研究所