專利名稱：用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結(jié)構(gòu)靶材及應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于薄膜制備領(lǐng)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(jié)構(gòu)靶材的設計及其應用。
背景技術(shù)：
電弧離子鍍(AIP)技術(shù)源于19世紀中后期Edison發(fā)現(xiàn)的電弧沉積涂層現(xiàn)象，真空系統(tǒng)通入氬氣至1 KT1Pa時，使用在引弧電極與陰極之間加上一觸發(fā)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(fā)弧光放電并產(chǎn)生高密度的金屬蒸氣等離子體。由于電子快速飛離陰極區(qū)，使陰極靶材附近的正電荷密度增加?；“咛幱诜€(wěn)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(fā)射，使電流的歐姆加熱效應增加，進一步提高了靶材蒸發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)簡單，可鍍材料廣，沉積速率快(0. 1 50 μ m/min)，鍍層均勻致密、環(huán)保等優(yōu)點，在20世紀八十年代就廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，近年來又獲得快速發(fā)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(xiàn)代磁性材料已經(jīng)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(shù)據(jù)存儲能力、磁屏蔽功能、高速記憶等優(yōu)點，被廣泛用于制造計算機存儲，光通信中的磁光調(diào)制器、光隔離器和光環(huán)行器等，也用作磁記錄薄膜介質(zhì)和薄膜磁頭，以及磁光記錄盤等?？梢哉f，磁性薄膜與信息化、自動化、機電一體化、國防、國民經(jīng)濟的方方面面緊密相關(guān)。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(-IXB)。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(chǎn)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(chǎn)生磁屏蔽，)，鐵磁性靶材總是不能穩(wěn)定刻蝕，出現(xiàn)跑弧及斷弧現(xiàn)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(yè)的瓶頸問題。國內(nèi)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(xiàn)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(jié)構(gòu)或功能單元，結(jié)構(gòu)更加復雜，不利于工業(yè)應用推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)靶材及應用，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(yè)上應用的問題。本發(fā)明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(jié)構(gòu)靶材及應用，解決了為改變靶面磁力線分布，在沉積系統(tǒng)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(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結(jié)構(gòu)靶材，復合結(jié)構(gòu)靶材為靶殼及磁性材料靶材構(gòu)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(fā)射產(chǎn)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(huán)上形成的靶殼，可加工金屬環(huán)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(huán)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(jié)構(gòu)靶材，靶殼采用Ti、Mo、Nb 或Pb等金屬，其飽和蒸氣壓和二次電子發(fā)射產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(huán)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(jié)構(gòu)靶材，可加工金屬環(huán)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(jié)構(gòu)靶材，金屬靶殼或可加工金屬環(huán)的內(nèi)徑略大于磁性材料靶材的外徑，金屬靶殼或可加工金屬環(huán)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(huán)與磁性材料靶材通過螺栓連接固定。一種利用所述復合結(jié)構(gòu)靶材在電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的應用，采用復合結(jié)構(gòu)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(xiàn)的“跑弧”。本發(fā)明的技術(shù)原理本發(fā)明采用低飽和蒸氣壓和低二次電子發(fā)射產(chǎn)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。本發(fā)明根據(jù)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(zhuǎn)變?yōu)轫槾判蕴攸c。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(zhuǎn)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(xiàn)了磁性靶材穩(wěn)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，是解決磁性涂層穩(wěn)定沉積的關(guān)鍵。本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果為
1、本發(fā)明提出一種用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結(jié)構(gòu)靶材的設計方案，突破了傳統(tǒng)對靶表面加工溝槽和系統(tǒng)附加耦合磁場的技術(shù)沉積磁性涂層的思維限制， 克服了已有技術(shù)的缺點。2、本發(fā)明的復合結(jié)構(gòu)靶材裝置制作簡單，成本低廉，可以為實現(xiàn)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、本發(fā)明的復合結(jié)構(gòu)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、本發(fā)明的復合結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(yè)化成為可能。
5、本發(fā)明提出一種裝置制作簡單、成本低廉的復合結(jié)構(gòu)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(jié)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(qū)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(jié)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(qū)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(fā)射產(chǎn)額的金屬作靶殼，鐵磁性材料作靶材的復合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)靶材示意圖。圖5為實施例中鈦_鈷合金復合靶材實物圖。圖6為實施例中氧化鋯_鈷合金復合靶材實物圖。圖7為實施例中鈷合金靶材使用過程視頻截圖。圖8為實施例中鈦_鈷合金復合靶材使用過程視頻截圖。圖9為實施例中氧化鋯_鈷合金復合靶使用過程視頻截圖。圖10為實施例中使用鈦_鈷合金復合靶材沉積涂層的表面形貌及能譜結(jié)果。圖11為實施例中使用氧化鋯-鈷合金復合靶材沉積涂層的表面形貌及能譜結(jié)果。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(huán)；7金屬鈦靶殼；8鈷合金靶材；9等離子噴涂在不銹鋼環(huán)上的氧化鋯陶瓷靶殼。
具體實施例方式本發(fā)明利用電弧離子鍍沉積磁性材料涂層是本行業(yè)的瓶頸問題，根據(jù)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(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘奶攸c，設計了一種電弧離子鍍鐵磁性復合靶材新結(jié)構(gòu)及其應用。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明如圖3所示，本發(fā)明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(gòu)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(fā)射產(chǎn)額均低于鐵磁性材料靶材2的金屬，如 Ti、Mo、Nb或Pb等飽和蒸氣壓和二次電子發(fā)射產(chǎn)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，本發(fā)明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(huán)6上形成的靶殼及鐵磁性材料靶材2構(gòu)成，可加工金屬環(huán) 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(huán)6頂部。陶瓷相材料層5 依附于可加工金屬環(huán)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(huán)6緊固于鐵磁性材料靶材2外圍。其中，可加工金屬環(huán)可以采用Al、Cr、Cu、Ti或不銹鋼等金屬ο所述金屬靶殼4或可加工金屬環(huán)6的內(nèi)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(huán)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(xiàn)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(jié)果描述如下實施例1 如圖5所示，采用金屬鈦靶殼7與金屬鈦靶殼7內(nèi)側(cè)的鈷合金靶材8(Si :3 5wt. %，F(xiàn)e :8 IOwt. %, Co 余量)所組成的復合靶材，金屬鈦靶殼7與鈷合金靶材8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。圖7a_h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-c)，且邊緣無低飽和蒸氣壓和低二次電子發(fā)射產(chǎn)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(xiàn)象。并且，弧斑可能會集中刻蝕普通磁性靶材邊緣一點 (見圖7a)，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2a_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(zhuǎn)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(xiàn)了磁性靶材穩(wěn)定均勻刻蝕。圖8a_h為鈦-鈷合金復合靶材使用過程視頻截圖，由圖中可見，在工作溫度下，金屬鈦的飽和蒸氣壓和二次電子發(fā)射產(chǎn)額均低于鈷合金的飽和蒸氣壓和二次電子發(fā)射產(chǎn)額。 因此，相較于鈦金屬靶殼，弧斑更易于在鈷合金靶材上穩(wěn)定刻蝕，從而將弧斑強制約束在磁性靶材中心產(chǎn)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。圖10為使用鈦-鈷合金復合靶材沉積涂層的表面形貌及能譜結(jié)果，由此可見涂層成分即為靶材成分，并未發(fā)現(xiàn)Ti元素成分，鈦靶殼未對涂層造成污染。實施例2 如圖6所示，采用等離子噴涂在不銹鋼環(huán)上的氧化鋯陶瓷靶殼9與等離子噴涂在不銹鋼環(huán)上的氧化鋯陶瓷靶殼9內(nèi)側(cè)的鈷合金靶材8 (Si 3 5wt. %，F(xiàn)e :8 IOwt. %, Co 余量)所組成的復合靶材，等離子噴涂在不銹鋼環(huán)上的氧化鋯陶瓷靶殼9與鈷合金靶材 8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。圖9a_h為氧化鋯-鈷合金復合靶材使用過程視頻截圖。在工作溫度下，氧化鋯陶瓷為絕緣體，二次電子發(fā)射產(chǎn)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(wěn)定刻蝕，從而將弧斑強制約束在磁性靶材中心產(chǎn)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。圖11為使用氧化鋯-鈷合金復合靶材沉積涂層的表面形貌及能譜結(jié)果，由此可見涂層成分即為靶材成分，并未發(fā)現(xiàn)Zr、0元素成分，氧化鋯陶瓷相未對涂層造成污染。
權(quán)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(jié)構(gòu)靶材，其特征在于，復合結(jié)構(gòu)靶材為靶殼及磁性材料靶材構(gòu)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(fā)射產(chǎn)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(huán)上形成的靶殼，可加工金屬環(huán)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(huán)在與磁性材料靶材的靶面平行方向的面上。
2.按照權(quán)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(jié)構(gòu)靶材，其特征在于，靶殼采用Ti、Mo、Nb或Pb金屬，其飽和蒸氣壓和二次電子發(fā)射產(chǎn)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(quán)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(jié)構(gòu)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(huán)在與靶面平行方向的面上。
4.按照權(quán)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(jié)構(gòu)靶材，其特征在于，可加工金屬環(huán)采用Al、Cr、Cu、Ti或不銹鋼金屬。
5.按照權(quán)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(jié)構(gòu)靶材，其特征在于，金屬靶殼或可加工金屬環(huán)的內(nèi)徑略大于磁性材料靶材的外徑，金屬靶殼或可加工金屬環(huán)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(huán)與磁性材料靶材通過螺栓連接固定。
6.一種利用權(quán)利要求1所述復合結(jié)構(gòu)靶材在電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的應用。
7.按照權(quán)利要求6所述的用于電弧離子鍍沉積磁性材料涂層的復合結(jié)構(gòu)靶材的應用， 其特征在于，采用復合結(jié)構(gòu)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(xiàn)的 “跑弧”。
全文摘要
本發(fā)明屬于薄膜制備領(lǐng)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(jié)構(gòu)靶材的設計及其應用。復合結(jié)構(gòu)靶材為靶殼及磁性材料靶材構(gòu)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(fā)射產(chǎn)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(huán)上形成的靶殼，可加工金屬環(huán)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(huán)在與磁性材料靶材的靶面平行方向的面上。本發(fā)明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(yè)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(jié)構(gòu)靶材的設計思路，拓展了電弧離子鍍的應用范圍。
文檔編號C23C14/06GK102330060SQ20111028897
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)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