CN101289737A - 一种圆形阴极表面弧斑受程控复合磁场控制的蒸发离化源 - Google Patents

Abstract

一种采用程控复合磁场，即按设定程序调整的电磁场和永久磁场叠加成的程控复合磁场，来控制圆形阴极表面上弧斑运动轨迹的蒸发离化源。

Description

一种圆形阴极表面弧斑受程控复合磁场控制的蒸发离化源

技术领域：

本发明采用设定程序调整的电磁场和永久磁场相叠加的程控复合磁场，用以约束和控制多弧弧斑的运动轨迹，属于物理气相沉积的等离子体放电多弧离子镀技术领域。

由于传统的安装圆形冷阴极Φ100×40的各型号多弧离子镀膜装置，为我公司1989年的发明专利，见专利申请号89200444，“等离子体加速器法离子镀膜装置”，以及2006年的实用新型专利，见专利号ZL200420066607.1，“使带状海绵聚合物导电化的等离子体沉积装置”，多年来，在多弧等离子镀技术领域发挥很大作用，传统采用的约束电弧等离子体的磁场均为永久磁场，且磁场强度不变，不可调整，故在阴极表面上存在弧斑烧蚀不均匀，存在金属“液滴”不够细化的缺点。

在本技术领域，经过实践，最近推出本发明，为了使阴极表面“烧蚀”均匀，设计电磁场按预定程序变化，与永久磁场叠加，以控制弧斑运动的轨迹，造成均匀烧蚀，大量减少金属“液滴”，并显著细化。

这种给出电磁线圈输入电流程序变化的模块，不仅是一种产品，而且也包含了设计方案，属于该领域中的创新发明项目。

背景技术：

本发明是我公司早期经典发明产品“等离子体加速器法离子镀膜装置”，见本公司发明专利：申请专利号89200444，授权日1989.11.29，的进一步创新延续。21世纪以来，本公司推出新颖离子镀膜装置，见本公司实用新型专利：申请专利号200320127771.4，见本公司实用新型专利：申请专利号200420066607.1，这两种等离子体沉积装置中均采用了具有永久磁场约束的等离子体电弧的蒸发离化源。

而本发明作出了台阶式的跳跃创新，采用设定程序调整的电磁场和永久磁场叠加的程控复合磁场，设计理论合理，实验结果证实，对改进烧蚀阴极的均匀性及细化金属颗粒，效果良好。

作为安装本发明的新颖蒸发离化源的新型离子镀膜机是本公司21世纪的新产品，经过有关这类技术及相邻技术的国内、外专利检索，例如，国外专利申请号：US 526989.8，US 5840163，中国专利申请号：90100946，94214661，97198178，200610045720，属于同类技术领域，但实际内容很不相同，主要不同点在于电磁场的配置不同，而且电磁场没有程控复合磁场控制功能，所以作用很不相同，现逐一评述如下：

国外专利：

◆US 5269898

专利名称：采用真空电弧蒸发镀覆基材的方法和装置

发明人：Richard P.Welty，1993.12.14

将在圆柱长阴极置于直径比阴极直径大些的螺旋形线圈内，改变通入的线圈电流，以改变轴向磁场，从而控制沿阴极表面母线的弧斑运动，以减少飞溅液滴的数量和尺寸。

显然与本项目很不相同，这里是螺旋线圈围绕在圆柱阴极外，且线圈电流不是程控的电流。

◆US 5840163

专利名称：矩形真空电弧等离子体源

发明人：Richard P.Welty，1998.11.24

矩形截面的呈90°弯管道将自阴极产生的等离子体引导到被镀基体区域。在弯管周围分布3个电磁线圈，主要作用是阴极产生等离子体中的液滴被过滤，从而减少了液滴对基体上膜层质量的损害，这是永久磁场控制等离子体，达到磁过滤目的，本发明是程控磁场控制弧斑运动轨迹，达到烧蚀均匀目的。

中国专利：

◆90100946

专利名称：新型电磁控阴极电弧源

发明人：王福贞、袁哲，1993.4.16

采用改变电磁线圈的排布方式，在放电过程中改变电磁线圈中电流大小和方向。使阴极电弧沿全靶面均匀放电、阴极电弧弧斑由小圈到大圈周期变化。

显然此专利与本发明明显不同，主要是采用多个电磁线圈排布在大面积镀渗靶的后面，再不断改变线圈中电流大小和方向来改变磁场分布。本发明是预先设计合适的模块，能及时供给按一定程序控制的线圈电流，采用的是设定程序调整的电磁线圈的电流与永久磁铁分别产生的可调电磁场和永久磁场，叠加形成程控复合磁场。

◆94214661

专利名称：真空镀膜中水动旋转磁场式溅射靶及多弧靶发明人：于书吉、王永光，1995.6.25

一种具有旋转磁场的新型溅射靶或多弧靶，利用冷却水作动力，将角向极化式磁场和复合不等场磁场应用在溅射靶和多弧源上，形成水动式旋转磁场的溅射靶和多弧源，其磁场均是永久磁钢排列而成，与本发明的程控复合磁场相差甚远。

◆97198178

专利名称：阴极电弧源和石墨靶

发明人：X·史、B·K·塔伊、H·S·谭、D·I·弗莱恩，

1995.6.25

一种阴极电弧源包括石墨靶和用于在基本垂直于靶的方向产生具有零场强的磁场的装置，而在零点处平行于靶的场强很强。是利用两个永久磁场的相互作用获得上述效果，本发明与此专利明显不同，在于磁场的模式和效果极不相同。

◆200610045720

专利名称：一种电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的设备和方法

发明人：林国强，尚未授权，2006.7.19公开

采用双磁场结构：一级电磁线圈安装在一级线圈支撑圆筒，二级电磁线圈安装在二级线圈支撑圆筒，利用电磁场过滤减少金属液滴大颗粒数量。所有与本发明的很大差别在原则方法上，即此双电磁场是过滤和减少阴极已产生的液滴数量，即控制飞溅出的等离子体，而本发明是从阴极产生液滴的源头上，通过程控复合磁场，使阴极弧斑“烧蚀”阴极均匀，且使飞出液滴细化。

发明内容：

本发明提供一种采用程控复合磁场控制弧斑运动轨迹的蒸发离化源，特点是圆形阴极表面上弧斑轨迹受控运行。

在阴极表面后面，配置有永久圆柱状磁铁，在永久磁铁产生的永久磁场周围，配置中心线与圆柱状磁铁中心线一致的电磁线圈，见图1。

该电磁线圈的直径大小及通入该线圈的程控电流的变化规律的设计原则如下：

(1)电磁线圈的直径大小影响通过阴极表面电磁场的水平分量，较大程度影响表面平面上的扩散运动，直接影响弧斑“烧蚀”阴极的均匀性。

(2)输入线圈程控的电流随时间变化规律，能产生随时间变化的电磁场。

(3)输入线圈的程控电流由程序预先设定的模块给出。

(4)设定程序调整的电磁场与永久磁场叠加成程控复合磁场，利用程控复合磁场来控制弧斑轨迹，使其不均匀扫描阴极表面，使原先由于永久磁场造成的阴极表面烧蚀不均匀性改善成均匀烧蚀，并使飞溅金属颗粒细化。

可以设计永久磁铁N极面接近阴极的，也可以设计S极面接近阴极的模式，无论哪一种情况，永久磁铁产生的磁场和设定程序调整的电磁场叠加的程控复合磁场总是可设计成与永久磁场一致的极性。

附图说明：

下面结合附图加以说明。

图1是本发明的原理图。

图中1.电磁线圈  2.永久磁铁      3.圆形阴极

4.冷却水套      5.给出程控电流的模块

6.线圈电流供给电源

具体实施方式：

按照本发明的方法：制造程控复合磁场控制圆形阴极表面弧斑运动轨迹的蒸发离化源的产品，安装在我公司的TGN系列新型离子镀膜机的真空室内，可配置多个蒸发离化源，如8个，14个均可，相应型号为TGN8型或TGN14型离子镀膜机。

本发明的新设计的蒸发离化源是以大量实验为基础推出的新产品，它将拟配置在出口南美的TGN-系列离子镀膜机真空室内，不仅大为改进镀膜质量，而且更扩大了多弧离子镀的使用范围，在低温电弧离子镀方面占据重要一席。

Claims (4)

1.一种采用程控复合磁场，即按设定程序调整的电磁场和永久磁场叠加成程控复合磁场，来控制弧斑运动的蒸发离化源，其特征是圆形阴极表面上以圆形表面中心为轴心的环状弧斑呈现直径不断扩大或收缩的环状弧斑轨迹，使弧斑对表面烧蚀均匀。

又由于环状弧斑的扩大或收缩速率受设定程序调整的电磁场和永久磁场叠加成程控复合磁场的控制，可调节到使该速率限制在较低速范围内，也可调节到在需要多些烧蚀的径向位置上令弧斑多些时间逗留，从而使蒸发离化的金属粒子细化，并使阴极表面上烧蚀均匀。

2.根据权利要求1，一种圆形阴极表面弧斑受程控复合磁场控制的蒸发离化源，其特征是可调电磁场由电磁线圈输入可调电流产生，可调电流的调整规律由设计的模块给出。

3.根据权利要求1，一种圆形阴极表面弧斑受程控复合磁场控制的蒸发离化源，其特征是可调电磁场与永久磁场叠加成程控复合磁场，设定程序调整的电磁场的极性与永久磁场的极性一致叠加或相反叠加均可，模块中的设定程序按如下要求设计：当程控复合磁场的调整规律随时间周期地增加和减少时，程控复合磁场的大小和分布也相应发生变化，总的会使圆形阴极表面烧蚀均匀，并使蒸发液滴细化达到最佳，数量最少。

4.根据权利要求1，一种圆形阴极表面弧斑受程控复合磁场控制的蒸发离化源，其特征是依据阴极材料是钛、锆、铝、铜、不锈钢，弧电流在小于30A范围内，使蒸发离化源适用于多种金属材料的阴极。

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