CN101476106A - 无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源 - Google Patents

Abstract

一种无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源，在真空度10－10^－3Pa的范围内，在各种气体气氛下，采用圆形断面的圆柱形阴极，辅助阳极设置在阴极周围，在直流工作电流100－2000A，工作电压10－40V，连续可调情况下，在阴极断面上，实现无弧斑的真空电弧，以产生无液滴、高电离度、高密度的金属蒸气等离子体。

Description

无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源

技术领域

本发明是一种无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源，属于真空电弧等离子体技术领域。但主要应用于物理气相沉积(PVD)镀膜领域。

该种蒸发离化源属于阴极电弧蒸发沉积技术，由于无弧斑，能产生无液滴、高电离度、高密度的金属蒸气等离子体，一般适用于蒸发沸点1500°K以上的金属材料，如Zr、Ni、Cr、Ti等，根据http://www.lenntech.com/Periodic-Chart-elements/boiling-poi nt.htm下载，换算成绝对温度°K，则它们的沸点如下：Zr：4650°K，Ni：3005°K，Cr：2945°K，Ti：3560°K.

背景技术

本发明采用真空电弧等离子体技术，实现无弧斑的真空电弧放电，产生无液滴、高电离度、高密度的金属蒸汽等离子体，可在工件上沉积成膜。

经过相关技术和与它相邻的技术的国内、外专利检索，主要分3个方面：

(i)‘有弧斑或多弧斑的真空电弧阴极放电’，显然与本发明无弧斑显著不同。

(ii)是一般意义的‘金属等离子体源或金属蒸气真空弧离子源’多用作离子注入技术对材料改性用，而不是应用于镀膜领域。

(iii)再有一般的真空电弧等离子体沉积产生的有液滴的膜层，需要附加磁场过滤装置才能减少液滴；与本发明无弧斑，无液滴显著不同。

现分别对它们简述如下：

(i)有弧斑的相关专利：

Δ中国专利CN 91103541

          大电流多弧斑受控真空电弧蒸发源

          申请人：中科院电工所     发明人：吴振华等

采用电磁线圈磁场与大弧电流相匹配，从而使弧斑分裂成几个小弧斑，并在整个阴极表面作多轨迹旋转，从而使阴极表面烧蚀均匀，镀膜沉积速率提高2-3倍。此专利与本发明显著不同，它仍有多个小弧斑，可减少液滴，但不能消除液滴。

Δ中国专利CN 0122564

          真空电弧蒸发源及使用它的薄膜形成装置

          申请人：日新电机株式会社     发明人：村上浩

采用真空电弧蒸发，但属有弧斑的情况，难免有液滴产生，与本发明的无弧斑，无液滴显著不同。

Δ国外专利US 5269898

          采用真空电弧蒸发镀覆基材的方法和装置

          申请人：Vapor Technologies Inc.

          发明人：R.P.Welty

圆柱形长阴极置于大螺旋形线圈内，以改变线圈内轴向磁场，来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。显然与本发明是无弧斑不同。低温是它的优点，但它是有弧斑，有液滴的方法。

(ii)金属等离子体源相关专利：

Δ中国专利CN 92113717

          金属等离子体源离子注入方法及装置

          申请人：哈工大      发明人：夏立芳

该发明的金属等离子体源是作为材料改性的离子注入用源，产生量较小，与本发明的产生量大的金属等离子体蒸发离化源显著不同。

Δ中国专利CN 96201703

          一种金属蒸气真空弧离子源

          申请人：核工业西南物理研究所  发明人：高玉

该发明所述产生的金属蒸气，是作为传统意义上的离子源用的，所以与本发明产生量较大的镀膜用蒸发源很不相同。

Δ国外专利US 6244212 B1

          镀覆高度均匀薄膜的电子束蒸发装置

          申请人：Genvac Aerospace Corp.

          发明人：L.A.Takacs

采用电子束蒸发镀料，并用离子枪辅助加强离化率，使成为金属等离子体。显然与本发明采用的方法明显不同，它是采用电子束蒸发镀料，而不是电弧等离子体放电。

(iii)真空电弧等离子体相关专利：

Δ中国专利CN 200510004287

          由电弧等离子体高速淀积形成保护涂层的方法

          申请人：通用电气公司

          发明人：B.L-M，杨       S.M.加斯沃斯

一种利用电弧等离子体淀积作用在玻璃、金属和塑料基体上淀积粘附的氧化金属基保护涂层的方法。该方法主要用直流电弧等离子体喷入含氧真空室，使氧化形成反应性物质淀积在基体上，以起保护作用。该发明是一般的直流电弧等离子体参与的反应性薄膜，温度相当低的蒸发量小的金属氧化物保护层，与本发明高密度、高电离度、蒸发沸点较高的金属很不相同。

Δ中国专利CN 200710101111

          双向过滤电弧等离子体源

          申请人：Vapor Technologies Inc.

          发明人：R.P.Welty

采用特殊的双向过滤装置，以大幅度减少液滴，与本发明的无弧斑、无液滴显著不同。

Δ国外专利US 6592726

          真空电弧蒸发方法，真空电弧蒸发系统和旋转切削

          刀具

该真空电弧蒸发方法是采用几个容积不同的连通的真空室，特别在镀膜室和蒸发室之间的连通管道是变截面的，以加大流通阻力，设计使阴极在较高的气压下蒸发，从而抑制了熔融颗粒的产生率。

显然，这种方法只是减少熔融颗粒的产生，而无法让它不产生，所以与本发明的无液滴的机理差别很大。

Δ国外专利US 6361663

          真空电弧蒸发器

在导电材料的阴极和阳极之间，由真空电弧放电使阴极材料蒸发产生等离子体，再将产生的等离子体通过作为等离子体过滤器的磁场，管道引入到工件上。

显然也需要磁场过滤掉熔滴，使等离子体引到工件，与本发明无弧斑、无液滴很不相同。

Δ国外专利US 5902462

          过滤阴极电弧沉积装置和方法

          申请号：081828026   发明人：Alan R.Krauss

采用横向磁场，使电弧偏转，从而使大颗粒液滴被过滤，沉积。产生高密度、耐磨、无大颗粒的镀层，显然，此发明专利与本发明专利显著不同。

Δ国外专利US 6692624

          真空镀膜装置

          申请人：International Technology Exchange，Inc.

          发明人：A.Y.Kolpakov等

此专利阴极为消耗的，阳极同时作为真空室，在电弧放电柱周围的管状室内壁，有肋条状锯齿片，以阻挡大颗粒金属液滴进入镀膜工件区，由设置的磁场使电弧柱偏转，更多液滴被甩掉。可见与本发明无液滴显著不同。

Δ国外专利US 6251233

          由固体蒸发、电弧放电和测量电离和蒸发量的系统

          组成的等离子体增强真空气相沉积系统

          申请人：The Coca-Cola Company

          发明人：G.Plester等

此专利涉及真空气相沉积的装置和方法，主要采用常规电阻加热熔融坩埚及蒸发坩埚连通的蒸发器，使硅Si蒸发；在上方再由消耗硅Si阴极进行电弧放电，以增加Si蒸气的电离度，再沉积到被镀的PET塑料瓶上。此专利有液态的盛于坩埚内的硅Si蒸发器，蒸发温度不高，然后进入到上方Si等离子体电弧放电中，一起强化电离，与本发明也可以直接采用液体阴极显著不同，本发明才可使用于高温的金属镀材。

在查询检索过程中，还经过专业文献的检索，没有发现在文献中有和本发明相重复的内容。

发明内容

本发明提供一种无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源，以圆形断面的圆柱形阴极为例表明该源的运行原理，见图1，在真空度10-10^-3Pa的范围内，通入Ar气、或O₂、或N₂、或C₂H₂、或空气，或其混合气体，作为背景气体或反应气体。

设计无弧斑真空电弧的阴极需采用沸点在1500°K以上的金属材料，如Zr、Ni、Cr、Ti等，直径为1-200mm，阳极材料采用在阴极周围任何形状的环状、非环状导体或真空材料制成的导电壳体。

设计的运行参数为：工作电流为直流100-2000A，工作电压范围为直流10-40V，连续可调。通入的电流的大小应与所采用的阴极直径相匹配，即在相同的条件下，设计的阴极直径大，所需的工作电流也相应增大，才能维持无弧斑真空电弧等离子体放电。

经过多次实际试验，作为镀材用的阴极材料的线性耗材速率可达0.5-5mm/min范围内。

本发明的无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源在起动阶段到正常工作阶段，需要有一定的控制程序，即起动电流的逐渐加大，使阴极断面上热电子发射，经高温熔池扩大从有弧斑发展成多弧斑，再形成更大量弧斑到无弧斑过渡。

附图说明

图1是无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源的工作原理图

其中 1.等离子体

     2.真空电弧

     3.阳极

     4.阴极

     5.真空室壳体

具体实施方式

按照本发明无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源，以圆形断面的圆柱形阴极为实例，已在我公司实验室试验，对镀覆的过程及结果，实际测量后确认无弧斑、无液滴。

首批9个此种蒸发源现已投入生产，用于装配环保型TGN-JKDD9型离子镀膜机，该机批量投入市场后，将逐步取代现存有严重环境污染的传统电镀生产。

Claims (6)

1.一种无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源，其特征是在真空度10-10^-3Pa范围内，多种工作气体气氛下，采用可消耗的金属阴极、异形金属阳极，分别耦合到电弧等离子体放电所需的直流弧电源上，使在作为蒸发面的阴极表面上，实现无弧斑的真空电弧等离子体放电，以产生无液滴、高电离度、高密度的金属蒸气等离子体。

2.根据权利要求1，一种无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源，其特征是电弧的固态或液态阴极表面温度，都在其阴极材料的沸点1500°K以上。

3.根据权利要求1，一种无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源，其特征是阴极通常采用圆柱金属导体，也可采用其他异形表面金属导体，圆柱断面直径φ1-200mm，或异形表面最大线性度为1-200mm，阳极采用在阴极周围任何形状的环状、非环状导体或适合于真空环境的材料制成的导电壳体。

4.根据权利要求1，一种无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源，其特征是工作电流范围为直流100-2000A，工作电压范围为直流10-40V，连续可调。

5.根据权利要求1，一种无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源，其特征是阴极材料的线性消耗速率为0.2-5mm/min。

6.根据权利要求1，一种无弧斑的真空电弧等离子体蒸发离化源，其特征是适合于该蒸发离化源的工作气体气氛为Ar，或O₂，或N₂，或C₂H₂，或空气等及其混合气体。