CN102634761A

CN102634761A - 截面为带状的真空阴极电弧等离子体的磁过滤方法

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Publication number: CN102634761A
Application number: CN2011102906483A
Authority: CN
Inventors: 李刘合
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: CN102634761B

Abstract

本发明提供一种截面为带状的真空阴极电弧等离子体中的电中性的液滴和宏观颗粒的去除方法，属于材料的真空表面改性领域。具体来讲是一种使用带状截面真空阴极电弧等离子体通道，通过施加在该通道内的磁场来弯曲带状的真空阴极电弧等离子体，过滤掉电中性的液滴和宏观颗粒的磁过滤方法。所述方法克服现有的弯管真空阴极电弧磁过滤方法沉积区域小、沉积膜不均匀、加上扫描系统设备复杂、昂贵、且不适合大规模工业镀膜应用等缺陷。该方法能够在长长的带状范围内提供镀膜用的等离子体，加上旋转工件靶台后，可以大大拓宽过滤电弧的使用领域。提高沉积效率，实现大空间镀膜，提高镀膜效率并节约成本。

Description

截面为带状的真空阴极电弧等离子体的磁过滤方法

技术领域

本发明涉及一种真空阴极电弧中的电中性的液滴和宏观颗粒的过滤方法，具体来讲是一种使用磁场来弯曲真空阴极电弧等离子体，过滤掉电中性的液滴和宏观颗粒的磁过滤方法，属于材料的真空表面改性领域。

背景技术

材料真空阴极电弧镀膜技术发展到今天，已经取得了令人瞩目的成果，成为表面改性领域应用最为广泛的镀膜技术。但是，该镀膜方法目前仍然存在有一些问题，主要表现在由于该方法依靠的是真空阴极电弧蒸发阴极材料获得电弧等离子体，在电弧阴极斑点处具有很大的电流密度(达10⁶-10⁸A/cm²)，因此，即使在真空下，真空电弧的阴极斑点也具有很高的温度，使得阴极材料熔化，在阴极斑点处形成微小的熔池，且在熔池中也产生的阴极材料蒸汽，因此在阴极斑点中心与外部有很大的压差，使得熔池中的液滴发生飞溅或者使得阴极靶材崩裂，从而产生一些液滴和宏观颗粒。这些液滴和宏观颗粒到达基片表面，将对膜层造成污染，影响改性层的应用效果，造成工件表面粗糙，膜的性能不均匀等不利因素。

近年来，世界上发展了很多除去液滴和宏观颗粒的方法，专利申请人对多种过滤液滴和宏观颗粒的方法进行了总结(见申请人发表在真空杂志上的文献《阴极弧离子镀磁过滤器》真空1999，3：14)，并将过滤方法分成直线式结构和曲线式结构。在各种液滴和宏观颗粒过滤方法中，采用磁结构约束并引导等离子体的过滤方法被广泛使用，也取得了很好的效果。在国内外也申请了一些专利，如陈宝清申请的专利，专利号01247038.4，该专利的名称是制备超硬薄膜的离子源装置的滤质器，专利内容是：一种制备超硬薄膜的离子源装置的滤质器，包括滤质管、设置于滤质管外部且与磁场电源相接的螺线管、设置于滤质管出口处的出口光阑，所述滤质管内设置有捕集器，所述螺线管由导线绕制而成，所述的滤质管为波纹管结构；所述的滤质管为弯管。Shi Xu申请的美国专利，专利号6031239，该专利的名称是过滤阴极电弧源，专利的内容是：使用异面双弯过滤器以及高能电/磁场过滤除多余液滴和宏观颗粒和不带电粒子。上述专利能够有效除去液滴及宏观颗粒，获得高质量的薄膜。但是，上述专利主要是针对的圆形小真空阴极电弧结构，磁场的加入，使得从真空阴极电弧源里面发散出来的等离子体带有强烈的方向性，被镀区域被大大缩小，因此，限制了过滤后的真空电弧蒸发源在大规模工业镀件上面的应用。且由于上述各弯曲磁过滤器中电子和离子受到的磁场的约束不同，而通常在弯管的外侧离子富裕，内侧离子不足，造成镀膜不均匀。因此，为了扩大被镀区域，一些弯曲电弧磁过滤装置还进行了改装，增加了等离子体聚焦机构和扫描机构，增加了设备的复杂性，结构复杂，成本高。针对这个特点，因此，为了使得拓宽过滤后的真空阴极电弧镀膜方法在工业上的应用，还需要发展新的液滴和宏观颗粒的过滤方法和装置。

发明内容

本发明针对背景技术中所存在的上述不足和缺陷，提供一种带状真空阴极电弧等离子体的磁过滤方法，使其克服现有的弯管真空阴极电弧磁过滤方法沉积区域小、沉积膜不均匀、不适合大规模工业镀膜应用的缺陷。该方法能够在真空腔体一侧，将真空阴极弧源所发出的等离子体以带状范围进入真空腔体，提供镀膜用的等离子体，配合旋转工件靶台，可以在整个腔体的镀膜区域，获得等离子体镀膜空间，从而大大拓宽过滤电弧的使用效率。实现大空间镀膜，提高效率节约成本。

本发明方法实现的步骤如下：

该方法的首先是在真空下面进行，抽背底真空气压小于5×10^-3Pa后，用机械的或高压或激光照射等公知的引弧方法引燃电弧，电弧电流在25A-1000A，电压在20-59V，进行镀膜。此时，可通入惰性气体、或惰性气体与其他气体的混合气体，至气压到真空度为Pa至10^-3Pa的数量级，进行镀膜。

需要进行弯曲过滤的真空阴极电弧源采用矩形长条或两端为椭圆形的带状真空阴极电弧源。其特征是带状长度的长轴1大于宽轴方向的长度w，l/w在1.5以上。需要进行弯曲过滤的真空阴极电弧源也可以采用排列在一起的多个圆柱形弧源，其特征是至少两个以上。

由带状真空阴极电弧源产生的等离子体最终也以带状向外发射。其带状可以是经由一个点状等离子经带状方向的扫描而成。

该真空阴极电弧源是在一个磁场的作用下，实现电弧在表面的均匀运动，其运动的控制可以是通过永磁铁产生的磁场控制，也可以是电磁铁产生的磁场控制。

在带状真空阴极电弧源的真空阴极电弧靶前面，放置一个截面同带状真空阴极电弧源一致的带状等离子体磁场弯曲通道。其特征是在等离子体弯曲通道外面，缠绕有磁场线圈，或者排布有永磁体，磁场线圈和永磁体在等离子体弯曲通道内部能够产生与带状等离子体弯曲磁过滤通道壁基本平行的磁场。磁场可以是长线结构，也可以是会切线结构。带状真空阴极电弧等离子体经由该弯曲电弧管道后，不带电的微观液滴和宏观颗粒以及中心粒子都被过滤到带状等离子体弯曲磁过滤通道壁上。

与带状等离子体弯曲磁过滤通道壁基本平行的磁场强度的范围是：采用电磁场时，磁场强度在10mT-100mT；采用永磁体时，磁场强度在10-400mT。

在带状等离子体弯曲磁过滤通道上所施加的磁场可以有两种形式：一是沿带状等离子体弯曲磁过滤通道的带状截面的长度方向上，磁场要均匀或者基本均匀分布，这样产生的等离子体才不会经过带状等离子体弯曲磁过滤通道时在带状截面的长度方向上发生偏转，扭曲而造成出口处沿着带状出口方向上分布不均匀；二是在带状的弯曲等离子体通过通道上，所施加的磁场可以采用磁场强度扫描分布，通过磁场沿着带状方向进行扫描，以此获得在出口处分布均匀的等离子体。

带状等离子体弯曲磁过滤通道的弯曲可以是弧形或者膝形或者U形或者S形或者是多弯等曲折形状，其特征是内部有大体与带状等离子体弯曲管道内壁相平行的弯曲磁场。另外一个主要特征是从带状等离子体从出口处到真空阴极电弧源的距离大于100mm。

在与该带状等离子体弯曲磁过滤通道壁基本平行的磁场作用下，从带状真空阴极电弧源中蒸发出来的电弧等离子体中的电子和离子将受到罗伦次力的束缚。

液滴和宏观颗粒和中性粒子因为不带电，因此其运动不会受到磁场的干扰，继续保持直线运动状态，而碰到壁上。但仍有可能在带状弯曲等离子体过滤通道壁上多次反弹而进入镀膜室造成污染，为了防止这种情况，可以在带状等离子体弯曲磁过滤通道内壁上加入腹板或者辐条，捕获这些反弹的中性粒子、宏观颗粒和液滴，增加过滤效果。

以下对本发明作做进一步的补充说明，具体内容如下：

这种磁场中电子和离子分离区域的存在，在通用的圆形弯管式弯曲电弧磁过滤方法中，会引起镀膜厚度不均匀等缺点，但是在本方法中，由于采用的是带状横截面的带状等离子体弯曲管道，因此，这种不均匀分布将是在带状出口处宽度方向上的不均匀分布，工件的旋转靶台的旋转方向与该不均匀方向一致，因此这种不均匀分布，不会对本发明方法的使用造成危害。

因此，本发明具有以下优点：方法简单，能够适合大批量工业生产。能够沉积无颗粒，高表面光洁度薄膜。

附图说明

图1圆弧形弯曲的带状等离子体弯曲磁过滤通道实例

图2圆弧形弯曲的带状等离子体弯曲磁过滤通道磁场的另外一种施加方式。

图3带状等离子体弯曲磁过滤通道的不同弯曲方法实例

图4膝形带状等离子体弯曲磁过滤通道会切磁场施加方式实例

具体实施方式

以下结合附图和本发明方法的内容提供实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的理解。

图1给出了利用本方法对矩形真空阴极电弧源所产生的带状等离子体利用圆弧形弯曲的带状等离子体弯曲磁过滤通道进行磁过滤的装置示意图。电弧等离子体经由真空阴极电弧靶1产生后，进入带状等离子体弯曲磁过滤通道2。在圆弧形弯曲的带状等离子体弯曲磁过滤通道外面，缠绕有铜质导线缠绕的电磁线圈3，电磁线圈3围绕在带状等离子体弯曲磁过滤通道2外面，在带状等离子体弯曲磁过滤通道内部形成沿着弯曲方向与带状等离子体弯曲磁过滤通道2内壁大体平行的磁力线(图中未给出)。在此磁力线约束的下，由带状等离子体弯曲磁过滤通道出口4，进入真空室，为镀膜提供真空阴极电弧带状的等离子体。因此，该真空阴极电弧等离子体过滤方法能够为镀膜、离子注入等表面改性方法提供的长带状的等离子体，提高表面改性质量。

缠绕在带状等离子体弯曲磁过滤通道2上面的电磁线圈的缠绕方法可以是连续式，也可以采用图2所示的断续方式缠绕线圈5，其基本特征是可以在带状等离子体弯曲磁过滤通道内部形成在弯曲方向上与带状等离子体弯曲磁过滤通道内壁基本平行的均匀分布的磁场。

为了防止液滴和宏观颗粒以及中心粒子的二次反弹，可以在带状等离子体弯曲磁过滤通道中加入腹板或者辐条6。

带状等离子体弯曲磁过滤通道的弯曲，不局限于图1和图2以所给出弧状弯曲，弯曲的角度也不局限于图中给出的80度。还可以采用如图3所示的S形带状等离子体弯曲磁过滤通道7，或者U形带状等离子体弯曲磁过滤通道8，或者膝形带状等离子体弯曲磁过滤通道9，以及其他未给出的弯曲方式的带状等离子体弯曲磁过滤通道。这些带状等离子体弯曲磁过滤通道都需要具有共同的特征，即从带状等离子体弯曲磁过滤通道出口处，不能直视真空阴极电弧源的阴极靶材。

带状等离子体弯曲磁过滤通道磁过滤用的磁场，也可以通过永磁体施加，图4给出了膝形带状等离子体弯曲磁过滤通道通过永磁体10的N极与S极相互首尾连接构成近视平行于膝形带状等离子体弯曲磁过滤通道内壁的会切磁场11的实例。该会切磁场11也可以在管壁的方向上防止进入通道的带状等离子体中的带电粒子向管壁的扩散，将等离子体传送到镀膜室(图中未给出)。

Claims

1.本发明是一种对截面或运动区域截面为带状的真空阴极电弧等离子体，进行磁过滤，去除其中宏观颗粒及中性粒子的磁过滤方法。需要进行弯曲过滤的真空阴极电弧源采用长条形或者矩形或者椭圆形等的可以产生带状真空阴极电弧或可以为真空电弧提供带状运动空间。其特征是带状长度的长轴l大于宽轴方向的长度w，l/w在1.5以上。由带状真空阴极电弧源产生的等离子体最终也以带状横截面向外发射。

2.根据权利要求1，所述的截面为带状的真空阴极电弧等离子的形成可以是经由一个电弧斑点产生的一束等离子体，经带状方向的扫描而成。

3.根据权利要求1，所述的宏观颗粒及中性粒子的磁过滤方法是在真空阴极电弧源的真空阴极电弧靶前面，放置一个截面同带状真空阴极电弧源一致的带状等离子体磁场弯曲通道。

4.根据权利要求3，所述的截面为带状的等离子体磁场弯曲通道的特征是在等离子体弯曲通道外面，缠绕有磁场线圈，或者排布有永磁体，磁场线圈和永磁体在等离子体弯曲通道内部能够产生与带状等离子体弯曲磁过滤通道壁基本平行的磁场。磁场可以是长线结构，也可以是会切线结构。在带状等离子体弯曲磁过滤通道上所施加的磁场可以有两种形式：一是沿带状等离子体弯曲磁过滤通道的带状截面的长度方向上，磁场要均匀或者基本均匀分布。二是在带状的弯曲等离子体通过通道上，所施加的磁场可以采用磁场强度扫描分布，通过磁场沿着带状方向进行扫描，以此获得在出口处分布均匀的等离子体。

5.根据权利要求4所述的截面为带状的等离子体弯曲磁过滤通道磁场施加的方法，与通道壁基本平行的磁场强度的范围在采用电磁方式时10mT-100mT。采用永磁体时，磁场强度在10-400mT。

6.根据权利要求3，所述的带状等离子体弯曲磁过滤通道的弯曲可以是弧形或者膝形或者U形或者S形或者是多弯等曲折形状，其特征是内部有大体与带状等离子体弯曲管道内壁相平行的弯曲磁场。

7.根据权利要求3，所述的带状等离子体弯曲磁过滤通道的另外一个主要特征是从带状等离子体管道出口处到真空阴极电弧源的距离大于100mm。

8.根据权利要求3，所述的磁过滤通道，为了避免液滴和宏观颗粒和中性粒子在过滤通道壁上经多次反弹而进入镀膜室造成污染，可以在带状等离子体弯曲磁过滤通道内壁上加入腹板或者辐条，捕获这些反弹的中性粒子、宏观颗粒和液滴，增加过滤效果。

9.根据权利要求1，所述的方法的实现首先是在真空下面进行，抽背底极限真空到5×10³Pa后，加入惰性气体或者惰性气体或者惰性气体与其他气体的混合气体，至气压到真空度为Pa至10³Pa的数量级，用机械的或者电子的或者激光照射等公知的引弧方法引燃电弧，电弧电流在25A-1000A，电压在20-59V。