CN102260850A - 一种少液滴电弧靶及带少液滴电弧靶的等离子涂层系统 - Google Patents

一种少液滴电弧靶及带少液滴电弧靶的等离子涂层系统 Download PDF

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梁航
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Abstract

本发明涉及一种少液滴电弧靶及带少液滴电弧靶的等离子涂层系统；等离子涂层系统，由少液滴电弧靶、真空室、真空泵组、工作转盘、工艺气体和偏压电源构成；少液滴电弧靶的阴极靶和水冷座位于真空室的内腔，少液滴电弧靶的大电磁线圈、可编程直流电源、弧电流源及从水冷座的入水口处延伸出的冷却水管位于真空室外侧，少液滴电弧靶的电磁元件位于真空室的内腔或外侧。本发明通过线圈周期变化电流可以改变由电磁元件产生的拱形磁场半径，并呈现周期性变化，从而使得阴极靶表面的弧斑的运动速度加快，显著减少电弧离子镀大液滴的产生，并且使阴极靶表面均匀地烧蚀，充分利用靶材。同时具有结构简单合理，安装调节方便、冷却效果好的特点。

Description

一种少液滴电弧靶及带少液滴电弧靶的等离子涂层系统
技术领域
本发明涉及一种少液滴电弧靶及带少液滴电弧靶的等离子涂层系统。属于真空电弧离子镀技术领域。
背景技术
电弧离子镀技术，由于具有设备结构较简单，阴极靶既是阴极材料的蒸发源，又是离子源；离化率高(一般可达60％～80％)，沉积速率高；入射离子能量大，膜/基结合力高，涂层质量好等优点，因而应用面广，实用性强，作为硬质膜涂层手段，在刀具和各种工模具上已获得愈来愈广泛的应用。然而，现有的电弧离子镀系统，其镀制的涂层中存在大颗粒(macroparticles，microdroplets)污染，使涂层表面粗糙，孔隙率增加，涂层性能不稳定，这在一定程度上制约了电弧离子镀硬质涂层在精密工模具和高档零件上的应用。
电弧离子镀技术是基于冷阴极真空弧光放电理论的一种沉积技术。按照这种理论，沉积粒子(原子、离子)的迁移主要借助于场致电子发射和正离子流，这两种机制同时存在，而且相互制约。在电源启动后，引弧电极在与阴极靶表面接触与离开的瞬间引燃电弧。一旦电弧被引燃，低压大电流电源将维持阴极和阳极之间弧光放电过程。在放电过程中，阴极材料大量蒸发和离化，所产生的部分正离子被吸引在阴极表面附近很小的范围内，现成空间电荷层，由此产生强电场，使阴极表面功函数小的点开始场电子发射。在个别发射电子密度高的点，电流密度高，所产生的焦耳热使表面温度升高又产生热电子发射，这种正反馈作用导致电流局部集中。电流局部集中所产生的焦耳热使阴极材料局部微区爆发地等离子化，发射电子和离子，同时也放出熔融的阴极材料粒子(称颗粒或液滴)，然后留下放电痕迹。这些放电微区通常称为弧斑。而部分发射出的离子被吸引回阴极表面区附近的空间中，又形成新的空间电荷层，产生新的电场，又使新的功函数小的点开始发射电子。上述过程反复进行。弧斑不断形成又消失，它在阴极表面迅速迁移。
对离子镀涂层颗粒的形貌，已有不少研究者进行过仔细的观察。一般认为，颗粒是阴极靶熔融的物料，从阴极弧斑微熔池喷射出来的液滴所形成，在空间呈球状，固化在基材表面时变得扁平，常呈鹅卵状或球状颗粒。其大小不等，尺度从零点几微米到十几微米，个别的达几十微米。既然颗粒是阴极靶熔融所产生，那必然与熔融的温度有关，熔融的温度越高，产生的颗粒就越多越大。传统的阴极靶起弧后的弧斑一般是呈现不规则的自由运动，运动速度较慢，导致弧斑停留在阴极靶表面某一点的时间较长，靶面该点熔融的温度较高，因此颗粒就越多越大。
现有技术中的电弧蒸发源存在金属颗粒大、沉积膜层质量差、对靶材的利用率较低以及结构复杂、安装调节麻烦、冷却效果差的缺点。
发明内容
本发明的第一个目的，是为了解决现有技术中的真空电弧离子镀设备制备的涂层中金属颗粒大、沉积膜层质量差、对靶材的利用率较低以及结构复杂、安装调节麻烦、冷却效果差的缺点，提供一种少液滴电弧靶，它能够显著减少电弧离子镀大液滴的产生，并且使阴极靶表面均匀地烧蚀，有效提高靶材的利用效率。
本发明的第二个目的，是为了提供一种带少液滴电弧靶的等离子涂层系统，它具有结构简单合理，安装调节方便、冷却效果好的特点。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种少液滴电弧靶，其特征是：在阴极靶的背面设有水冷座，从水冷座的入水口处延伸出一段冷却水管，在水冷座的内腔或冷却水管的表面设置有永磁体电磁元件，在所述永磁体电磁元件的背面设有大电磁线圈，大电磁线圈连接有可编程直流电源；冷却水管连接有弧电流源；大电磁线圈套接在冷却水管上；大电磁线圈产生的磁场极性与所述永磁体电磁元件的极性必须相反，在阴极靶表面形成由永磁体电磁元件与大电磁线圈两者产生的叠加磁场，该磁场强度随大电磁线圈的电流周期变化而变化，相应地阴极靶的阴极弧斑的运动半径随之而周期变化。
本发明的一种实施方案是：在阴极靶表面形成由永磁体电磁元件与大电磁线圈两者产生的叠加磁场，叠加磁场为拱形弯曲磁场B，该拱形弯曲磁场由相对于阴极靶面的平行磁场B1和垂直磁场B2两个分量叠加而成，即：B＝B1+B2。。
本发明的一种实施方案是：永磁体电磁元件由永久磁铁或小电磁线圈构成。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种带少液滴电弧靶的等离子涂层系统，其特征是：
1)由少液滴电弧靶、真空室、真空泵组、工作转盘、工艺气体和偏压电源构成；
2)少液滴电弧靶的阴极靶及其水冷座位于真空室的内侧，少液滴电弧靶的大电磁线圈、可编程直流电源、弧电流源及从水冷座的入水口处延伸出的冷却水管位于真空室外侧，少液滴电弧靶的永磁体电磁元件位于真空室的内侧或外侧；永磁体电磁元件可由永久磁铁或小电磁线圈构成；
3)设置在真空室内腔的工作转盘，连接偏压电源的输出端；真空泵组的抽气口连通真空室的内腔，工艺气体通过管道与真空室进行连接。
本发明的第一个目的还可以通过采取如下技术方案达到：
本发明的一种实施方案是：所述水冷座包括靶座水套、与靶座水套的内腔连通的冷却水管；靶座水套安装在真空室中，冷却水管穿过真空室的侧壁向外伸出、并与外部冷却水接口连通，冷却水管与弧电流源连接；阴极靶固定在靶座水套的右端开口处；永久磁铁安装在位于真空室内的靶座水套的内腔中；或者是永久磁铁或小电磁线圈安装在位于真空室外的冷却水管上。
本发明的一种实施方案是：靶座水套的内腔分隔成相互连通的前水冷腔和后水冷腔；靶座水套的通过靶体安装法兰与真空室侧壁上的接口法兰密封固定连接；冷却水管由进水管和出水管构成；进水管的一端与前水冷腔连通、其另一端穿过真空室侧壁与外部冷却水管接口连接，出水管的一端与后水冷腔连通、其另一端穿过真空室侧壁与外部冷却水管接口连接。
本发明的一种实施方案是：在进水管或出水管上设有与弧电流源连接的接线端子。
本发明的一种实施方案是：靶座水套上位于阴极靶的侧面设有屏蔽罩。
本发明的一种实施方案是：所述永磁体电磁元件通过调节螺丝安装在靶座水套的后冷水腔中。
本发明的有益效果：
1、本发明所述的少液滴电弧靶通过在阴极靶后面安装一组永磁体电磁元件或小电磁线圈，能够加快弧斑的运动速度，显著减少电弧离子镀大液滴的产生；通过在永磁体电磁元件或小电磁线圈的后面，再安装一个大电磁线圈，通过可编程直流电源在电磁线圈上加入特殊周期变化的直流电流，其产生的磁场极性与永磁体电磁元件的极性相反，通过线圈周期变化电流可以改变由永磁体电磁元件产生的拱形磁场半径，并呈现周期性变化，从而使得阴极靶表面的弧斑的运动速度加快，显著减少电弧离子镀大液滴的产生，并且使阴极靶表面均匀地烧蚀，充分利用靶材。
2、本发明的靶座水套包括前水冷腔和后水冷腔，靶座水套的进水管和出水管穿过真空室的侧壁与外部冷却水管连接；大电磁线圈安装在真空室外面的进水管上，永磁体电磁元件或小电磁线圈可以根据需要选择安装在位于真空室内的靶座水套的后水冷腔中，或者是安装在位于真空室外面的冷却水管上。因此，本发明具有结构简单合理，安装调节方便、冷却效果好的优点。同时，可以通过调节螺丝来调整永磁体电磁元件的轴向位置，使阴极弧斑的运动半径在合适的范围。通过本发明的阴极靶，其表面可以很均匀烧蚀，利用率很高。
附图说明
图1是本发明具体实施例1所述的带少液滴电弧靶的等离子涂层系统的结构示意图。
图2是本发明具体实施例1所述的一种少液滴电弧靶的结构示意图。
图3是本发明具体实施例2所述带少液滴电弧等离子涂层系统的结构示意图。
图4是本发明具体实施例3所述带少液滴电弧等离子涂层系统的结构示意图。
图5是本发明具体实施例4所述带少液滴电弧等离子涂层系统的结构示意图。
具体实施方式
具体实施例：
参照图1，本实施例所述的一种带少液滴电弧靶的等离子涂层系统：
1)由少液滴电弧靶、真空室1、真空泵组2、用于放置工件3的工作转盘4、工艺气体15和偏压电源14构成；
2)少液滴电弧靶的阴极靶6和水冷座5位于真空室1的内腔，少液滴电弧靶的大电磁线圈10、可编程直流电源11、弧电流源12及从水冷座5的入水口处延伸出的冷却水管5-2位于真空室外侧，少液滴电弧靶的永磁体电磁元件位于真空室1的内腔或外侧；永磁体电磁元件由永久磁铁8构成。
3)工作转盘4设置在真空室1的内腔，工作转盘4连接偏压电源11的输出端；真空泵组2的抽气口连通真空室1的内腔，工艺气体15通过管道连通真空室1。
参照图2，本实施例所述的一种少液滴电弧靶，包括阴极靶6，在阴极靶6的背面设有水冷座5-1，从水冷座5-1的入水口处延伸出一段冷却水管5-2，在水冷座5的内腔设有永磁体电磁元件，在所述永磁体电磁元件的背面设有大电磁线圈10，大电磁线圈10连接有可编程直流电源11；冷却水管连接有弧电流源12；大电磁线圈10套接在冷却水管上；大电磁线圈10产生的磁场极性与所述永磁体电磁元件的极性必须相反，在阴极靶6表面形成由永磁体电磁元件与大电磁线圈10两者产生的叠加磁场，该磁场强度随大电磁线圈10的电流周期变化而变化，阴极靶6的阴极弧斑的运动半径随之而周期变化。在阴极靶6的一侧设有起弧电极7。
本实施例中：
在阴极靶6表面形成由永磁体电磁元件与大电磁线圈10两者产生的叠加磁场，叠加磁场为拱形弯曲磁场B，该拱形弯曲磁场由相对于阴极靶面的平行磁场B1和垂直磁场B2两个分量叠加而成，即：B＝B1+B2。永磁体电磁元件由永久磁铁8构成。
所述水冷座5包括靶座水套5-1、与靶座水套5-1的内腔连通的冷却水管5-2；靶座水套5-1安装在真空室1中，冷却水管5-2穿过真空室1的侧壁向外伸出、并与外部冷却水接口连通，冷却水管5-2与弧电流源12连接；阴极靶6固定在靶座水套5-1的左端开口处；磁铁8安装在位于真空室1内的靶座水套5-1的内腔中。
靶座水套5-1的通过靶体安装法兰5-3与真空室1侧壁上的接口法兰密封固定连接；冷却水管5-2由进水管5-2-1和出水管5-2-2构成；进水管5-2-1的一端与外部冷却水管接口连接，出水管5-2-2的一端与外部冷却水管接口连接。
在出水管5-2-2上设有与弧电流源12连接的接线端子13。
靶座水套5-1上位于阴极靶6的侧面设有屏蔽罩5-4。可以限制阴极靶6表面的弧斑运动到侧面。
所述永久磁铁8通过调节螺丝5-5安装在靶座水套5-1的冷水腔5-1-1中。对于永久磁铁8所产生平行磁场B1，可以通过调节螺丝5-5来调整磁铁的轴向位置，使阴极弧斑的运动半径控制在合适的范围。
本发明的工作原理：
1、工作时，冷却水从进水管5-2-1直接到达水冷腔冷却阴极靶的背面，然后冷却永磁体电磁元件，再通过出水管5-2-2排出，弧电源12连接在弧电源接线端子13上，弧电流12通过出水管5-2、水冷腔外壳5-1、传递到阴极靶6，弧斑通过在阴极靶6侧面的起弧电极7进行点燃。
2、本发明为了加快阴极靶面弧斑的运动速度，本发明在阴极靶6后面安装一组特殊排列的永磁体电磁元件，通过永磁体电磁元件在阴极靶6表面产生拱形弯曲磁场B，该拱形弯曲磁场由相对于阴极靶面的平行磁场B1和垂直磁场B2两个分量叠加而成，即：B＝B1+B2；在垂直磁场B2的作用下，弧斑的运动速度将加快。在水平磁场B1作用下，迫使阴极弧斑在阴极靶面作相应的圆周运动，其运动半径受洛伦兹力F所影响：F＝Iz×B1；其中，Iz为弧电流，一般通过配套的弧电源12调整。对于永磁体电磁元件所产生B1，可以通过调整永磁体电磁元件的轴向位置进行适当的调节，使阴极弧斑的运动半径在合适的范围。在水平磁场B1的作用下，阴极弧斑的运动半径只能固定不动，这样阴极靶的烧蚀会很不均匀，影响阴极靶材的利用率。为提高阴极靶6的利用率，本发明在永磁体电磁元件的后面，再安装一个大电磁线圈10，通过可编程直流电源在电磁线圈上加入特殊周期变化的直流电流，其产生的磁场极性与磁铁的极性必须相反，这样阴极靶6表面的磁场将由磁铁与电磁线圈两者产生的磁场叠加而成，该磁场强度也将随电磁线圈的电流周期变化而变化，阴极弧斑的运动半径也将随之而周期变化。所以，通过本发明的阴极靶，其表面可以很均匀烧蚀，利用率很高。
具体实施例2：
参照图3，本实施例的特点是：永磁体电磁元件由永久磁铁8构成。磁铁8安装在位于真空室1外的进水管5-2-1上。其他与具体实施例1相同。
具体实施例3：
参照图4，本实施例的特点是：永磁体电磁元件由小型电磁线圈9构成，小型电磁线圈9安装在位于真空室1中的靶座水套5-1中。其他与具体实施例1相同。
具体实施例4：
参照图5，本实施例的特点是：永磁体电磁元件由小电磁线圈9构成，小电磁线圈9安装在位于真空室1外的进水管5-2-1上。其他与具体实施例1相同。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种少液滴电弧靶，其特征是：包括阴极靶(6)，在阴极靶(6)的背面设有水冷座(5)，从水冷座(5)的入水口处延伸出一段冷却水管，在水冷座(5)的内腔或冷却水管的表面设有永磁体电磁元件，在所述电磁元件的背面设有大电磁线圈(10)，大电磁线圈(10)连接有可编程直流电源(11)；冷却水管连接有弧电流源(12)；大电磁线圈(10)套接在冷却水管上；大电磁线圈(10)产生的磁场极性与所述永磁体电磁元件的极性必须相反，在阴极靶(6)表面形成由永磁体电磁元件与大电磁线圈(10)两者产生的叠加磁场，该磁场强度随大电磁线圈(10)的电流周期变化而变化，阴极靶(6)的阴极弧斑的运动半径随之而周期变化。
2.根据权利要求1所述的一种少液滴电弧靶，其特征是：在阴极靶(6)表面形成由永磁体电磁元件与大电磁线圈(10)两者产生的叠加磁场，叠加磁场为拱形弯曲磁场B，该拱形弯曲磁场由相对于阴极靶面的平行磁场B1和垂直磁场B2两个分量叠加而成，即：B＝B1+B2。
3.根据权利要求1或2所述的一种少液滴电弧靶，其特征是：永磁体电磁元件由永久磁铁(8)或小电磁线圈(9)构成。
4.根据权利要求1所述的一种带少液滴电弧靶的等离子涂层系统，其特征是：
1)由少液滴电弧靶、真空室(1)、真空泵组(2)、工作转盘(4)、工艺气体(15)和偏压电源(14)构成；
2)少液滴电弧靶的阴极靶(6)和有水冷座(5)位于真空室(1)的内腔，少液滴电弧靶的大电磁线圈(10)、可编程直流电源(11)、弧电流源(12)及从水冷座(5)的入水口处延伸出的冷却水管位于真空室外侧，少液滴电弧靶的永磁体电磁元件位于真空室(1)的内腔或外侧；永磁体电磁元件可由永久磁铁(8)或小电磁线圈(9)构成；
3)工作转盘(4)设置在真空室(1)的内腔，工作转盘(4)的电源输入端连接偏压电源(14)的输出端；真空泵组(2)的抽风口连通真空室(1)的内腔，工艺气体(15)连通真空室(1)的进气口。
5.根据权利要求4所述的一种带少液滴电弧靶的等离子涂层系统，其特征是：所述水冷座(5)包括靶座水套(5-1)、与靶座水套(5-1)的内腔连通的冷却水管(5-2)；靶座水套(5-1)安装在真空室(1)中，冷却水管(5-2)穿过真空室(1)的侧壁向外伸出、并与外部冷却水接口连通，冷却水管(5-2)与弧电流源(12)连接；阴极靶(6)固定在靶座水套(5-1)的右端开口处；永久磁铁(8)安装在位于真空室(1)内的靶座水套(5-1)的内腔中；或者是永久磁铁(8)或小电磁线圈(9)安装在位于真空室(1)外的冷却水管(5-2)上。
6.根据权利要求5所述的一种带少液滴电弧靶的等离子涂层系统，其特征是：靶座水套(5-1)通过靶体安装法兰(5-3)与真空室(1)侧壁上的接口法兰密封固定连接；冷却水管(5-2)由进水管(5-2-1)和出水管(5-2-2)构成；进水管(5-2-1)的一端穿过真空室(1)侧壁与外部冷却水管接口连接，出水管(5-2-2)穿过真空室(1)侧壁与外部冷却水管接口连接。
7.根据权利要求6所述的一种带少液滴电弧靶的等离子涂层系统，其特征是：在进水管(5-2-1)或出水管(5-2-2)上设有与弧电流源(12)连接的接线端子(13)。
8.根据权利要求5所述的一种带少液滴电弧靶的等离子涂层系统，其特征是：靶座水套(5-1)上位于阴极靶(6)的侧面设有屏蔽罩(5-4)。
9.根据权利要求6所述的一种带少液滴电弧靶的等离子涂层系统，其特征是：所述永久磁铁(8)通过调节螺丝(5-5)安装在靶座水套(5-1)的冷水腔(5-1-1)中。
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