CN107245700B - 一种离子镀弧斑控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离子镀弧斑控制装置及控制方法，控制装置包括：靶以及设置于靶前后两侧的极性相反的电磁场模块和永磁场模块，电磁场模块包括电磁线圈和控制模块，电磁线圈根据控制模块输入的控制参数的不同而改变电磁场的强度和方向。本发明的弧斑控制方法采用可编程逻辑控制器对输入到电磁线圈的扫描电压范围、扫描波形以及扫描频率进行设置，可使弧斑以靶中心为圆心做直径扩大或缩小的环形运动，可全面、均匀、精确地刻蚀靶材。通过设置极性相反的电磁场和永磁场，磁场耦合后靶面上的轴向磁场分量相互削弱，径向磁场分量相互叠加，可减小弧斑随机运动趋势，而且还会增加弧斑圆周运动的速度，使弧斑运动更加稳定，减少大颗粒的存在。

Description

一种离子镀弧斑控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电弧离子镀技术，尤其涉及一种离子镀弧斑控制装置及控制方法。

背景技术

电弧离子镀作为一种真空镀膜技术，已经在工、模具表面涂层强化、抗腐蚀及装饰领域得到了广泛的应用。这种技术依靠在真空镀膜室中阴极靶材表面上产生的电弧斑点的局部高温，使作为靶材的阴极材料瞬时蒸发和离化，产生电离度高而且离子能量大的等离子体，在工件上加上负电位，即可在工件加热温度比较低的条件下，在工件表面镀上一层硬度高、组织致密而且结合性好的各种硬质薄膜。真空电弧的行为被阴极表面许多快速移动的弧斑所控制，弧斑尺寸很小，但电流密度很高，是电子、离子、金属原子、蒸汽的强烈发射源，其喷发出的金属液滴沉积在工件表面形成大颗粒污染，严重影响涂层的寿命和使用性能。

为了解决这一问题，研究人员提出了通过外加磁场来加速弧斑运动，减少弧斑停留时间，从而减少大颗粒的发射。基于此种考虑，不同开发人员提出了不同的磁场结构及弧斑控制方法。

专利CN89200444.4公开了一种等离子体加速器法离子镀膜装置。该专利用圆柱状永久磁铁在靶面施加磁场，以此加速弧斑运动。但是，在这种静态磁场下弧斑将被约束在一个固定的轨迹上，长时间刻蚀会在靶面上刻蚀出一个深坑，靶材利用率低，而且弧斑长时间刻蚀，轨迹处温度积累严重，也会发射出大量的金属液滴。

专利CN90100946.6公开了一种采用电磁控阴极电弧源的镀渗设备。该专利通过改变电磁线圈的排布方式，在放电过程中改变电磁线圈中的电流大小和方向，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。该专利可以提高靶材的利用率，但有两点不足：首先该专利采用多线圈控制弧斑，这种方法复杂繁琐，成本较高；其次，该专利只是通过改变线圈电流大小和方向控制弧斑运动，控制手段比较单一、粗糙。

专利CN200710090254.7公开了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。该专利按设定程序调整电磁场，电磁场和永久磁场叠加成程控复合磁场，以此来控制弧斑在圆形阴极表面以靶面中心为轴心做直径不断扩大或收缩的环状运动。但是，在该专利对其磁场结构的描述中永磁与电磁均在靶面之后，且两者极性一致叠加或相反叠加，这样会造成两者产生磁场的径向分量和轴向分量就会相互叠加或相互削弱。如果磁场相互叠加，那么会造成靶面上的轴向磁场过大，而轴向磁场过大会造成弧斑运动随机性增加而变得不稳定；如果磁场相互削弱，那么会造成靶面上的径向分量过小，弧斑的周向运动速度会被削弱，弧斑的稳定性同样被削弱；其次，该专利所说的按程序控制，主要针对的是线圈电流和改变周期，这种控制依旧比较单一、粗糙，比如波形对弧斑运动的影响，针对不同的靶材、不同的气体，控制参数应该相应的变化，这些在该专利中没有表述。

发明内容

本发明实施例提出一种离子镀弧斑控制装置及控制方法，以解决现有技术中存在的靶材刻蚀不均匀、靶材利用率低以及镀得膜层存在大颗粒污染的问题。

本发明提供一种离子镀弧斑控制装置，所述离子镀弧斑控制装置包括：靶以及分别设置于所述靶前后两侧的电磁场模块和永磁场模块，所述电磁场模块的极性和永磁场模块的极性相反，所述电磁场模块由电磁线圈和控制模块组成，电磁线圈根据控制模块输入的控制参数的不同而改变电磁场的强度和方向，以实现对弧斑运动轨迹的控制。

在本发明的离子镀弧斑控制装置中，所述电磁场模块和永磁场模块以圆形靶轴心线为轴成轴对称形式设置。

在本发明的离子镀弧斑控制装置中，所述控制参数包括扫描电压范围、扫描波形以及扫描频率。

在本发明的离子镀弧斑控制装置中，所述永磁场模块包括多个磁钢、磁钢支架以及极靴；通过调整磁钢的数量、矫顽力、形状、放置方式、极靴位置和形状来改变永磁场的强度和方向。

在本发明的离子镀弧斑控制装置中，所述控制模块为可编程逻辑控制器。

本发明还提供了一种离子镀弧斑控制方法，包括：在靶前后两侧设置极性相反的电磁场模块和永磁场模块，电磁场模块包括电磁线圈和控制模块，调整控制模块输入的控制参数以改变电磁场的强度和方向，进而实现对弧斑运动轨迹的控制。

在本发明的离子镀弧斑控制方法中，以圆形靶轴心线为轴，使电磁场模块和永磁场模块成轴对称形式设置。

在本发明的离子镀弧斑控制方法中，所述调整控制模块输入的控制参数具体为：调整扫描电压范围、扫描波形以及扫描频率。

在本发明的离子镀弧斑控制方法中，通过设置多个磁钢、磁钢支架以及极靴组成永磁场模块；调整磁钢的数量、矫顽力、形状、放置方式、极靴位置和形状以改变永磁场的强度和方向。

在本发明的离子镀弧斑控制方法中，所述控制模块采用可编程逻辑控制器。

上述技术方案至少具有如下有益效果：本发明离子镀弧斑控制方法根据永久磁场结构、靶的材料、气体种类、具体用途，采用可编程逻辑控制对输入到电磁线圈的扫描电压范围、扫描波形以及扫描频率进行设置。可实现控制弧斑在靶面上以靶中心为圆心做直径扩大或缩小的环形运动，快速、均匀、精确、全面地刻蚀靶材。

通过设置极性相反的电磁场和永磁场，磁场耦合后使两磁场模块在靶面上的轴向磁场分量相互削弱，径向磁场分量相互叠加，这样不但会减小弧斑随机运动趋势，而且还会增加弧斑圆周运动的速度，使弧斑运动更加稳定，减少大颗粒的存在。

采用本发明的控制装置和控制方法，控制弧斑非常简便、精确，成本较低，弧斑运动速度快，电弧放电稳定，可以大量减少大颗粒污染；另外，本发明的电磁线圈产生的磁场还可以起到磁过滤作用，有利于减少金属液滴沉积到工件上。

附图说明

图1本发明的控制装置的磁场结构示意图；

图2实施例1中靶面处耦和磁场磁感线分布示意图；

图3a不同线圈电压下靶面水平磁场强度分布折线图；

图3b不同线圈电压下靶面垂直磁场强度分布折线图；

图4不同线圈电压下弧斑运动轨迹图；

图5高速相机拍摄后用matlab处理的扫描弧斑轨迹图；

图6经本发明控制方法镀得TiN膜层1000倍和10000倍下扫描电镜形貌图；

图7未经本发明控制方法镀得TiN膜层1000倍和10000倍下扫描电镜形貌图；

图8经本发明控制方法镀膜表面的大颗粒尺寸、数量分布柱状图；

图9未经本发明控制方法镀膜表面的大颗粒尺寸、数量分布柱状图；

图10AlCr靶材修复前3D激光显微镜拍摄的深坑处深度变化图；

图11AlCr靶材修复后3D激光显微镜拍摄的深坑处深度变化图。

具体实施方式

本发明提供了一种离子镀弧斑控制装置，包括靶5、电磁场模块和永磁场模块。电磁场模块和永磁场模块分别设置在靶5前后两侧，且极性相反即极性为S-N-N-S或N-S-S-N。电磁场模块和永磁场模块以圆形靶5的轴心线为轴成轴对称形式设置。如图1所示，电磁场模块包括电磁线圈6、线圈电源7以及控制模块8。电磁线圈6根据控制模块8输入的控制参数的不同而改变电磁场的强度和方向，从而调整耦合磁场的强度和方向，以实现对弧斑运动轨迹的控制。

永磁场模块包括至少一个磁钢、磁钢支架2以及极靴1。磁钢布置在磁钢支架2中，并与磁钢支架2一起放置于水冷内套3和水冷外套4之后。通过调整磁钢的数量、矫顽力、形状、放置方式，调整极靴1位置和形状可实现改变永磁场的强度和方向。上述永磁场模块结构方案至少有如下有益效果：在不同弧源结构中应用本发明时，可以通过改变永磁模块的结构来减少电磁场模块的输入电压或电流，从而降低对电磁线圈输入电源性能的需求，达到降低成本的目的。

采用本发明的方法对弧斑进行控制时，靶5的直径可以为60mm、100mm、160mm等任意尺寸，靶5的材料可以为钛、铬、铝等金属，石墨等非金属，铬铝、钛铝等合金。通入气体可以为氩气、氮气、氧气、甲烷等气体。采用可编程逻辑控制器作为控制模块8，对输入到电磁线圈6的扫描电压范围、扫描波形、扫描频率以及占空比等控制参数进行设置，可使弧斑以靶5中心为圆心做直径扩大或缩小的环形运动，快速、均匀、精确、全面地刻蚀靶材。对扫描电压范围进行调整主要实现对弧斑的刻蚀区域的控制，扫描波形可以控制弧斑在一周期内刻蚀某区域的时间，扫描频率可以控制弧斑的扫描周期。具体实施时，扫描电压的范围应保证在其最高电压值下弧斑在靶面中心处运动，在其最低电压值下弧斑在靶面最边缘处运动；扫描频率不宜过大或过小，一般在1-50Hz之内，应保证弧斑可以在一个扫描周期内至少一次弧斑可以从靶面边缘运动到靶面中心再运动回靶面边缘；扫描波形选择可以为正弦波、三角波、锯齿波，方波等，其中方波等波形还可以通过调节占空比等参数更精确地控制弧斑的运动轨迹和区域。

下面以实施例的形式说明一下本发明的实施过程及实施效果。

实施例1：本发明的控制装置的磁场结构和控制方法在靶尺寸为160mm的大弧源上的应用实例。

在靶的材料为钛、尺寸为160mm的弧源上按图1所示布置磁场结构，其中永磁结构中所有永磁柱的N极面向靶面，永磁结构产生磁场磁感线从靶面穿出；电磁线圈通电后产生的磁场N极面向靶面，磁感线穿入靶面，电磁场与永磁场在靶面处耦合的磁场磁感线示意图如图2所示。此时永磁场的轴向分量被电磁场的轴向分量削弱，减小了弧斑的随机运动趋势；永磁场径向分量与电磁场的径向分量叠加，增加了弧斑的圆周运动速度，使靶面的弧光放电更稳定，不易灭弧。增大电磁线圈的输入电压，驱使靶面上耦合磁场的轴向分量零线从靶边缘向靶中心移动，弧斑的轨迹也逐渐从靶面边缘向靶面中心移动，改变了弧斑在靶面上的刻蚀区域。图3a和图3b分别为不同线圈电压下靶面水平磁场强度和垂直磁场强度分布折线图。图4a、图4b、图4c、以及图4d分别为电磁线圈电压为0V，20V，40V以及60V时弧斑的运动轨迹图。靶尺寸为160mm的大弧源在本发明磁场结构下放电稳定，且弧斑轨迹半径可以通过改变电磁线圈的电压进行控制，控制手段较为简便。

本发明的控制方法应用于160mm弧源，若所镀膜层是TiN，选择扫描参数时，扫描范围的最小值需小于或等于20V、最大值大于或等于50V，扫描波形可以选择方波、三角波、正弦波等，扫描频率选择小于等于5Hz，此时弧斑会在靶面上以靶中心为圆心做直径不断变大或缩小的环形运动，如图5为高速相机拍摄后经matlab处理的弧斑一周期内的刻蚀轨迹图。本发明的控制方法极大地增加160mm弧源的靶材利用率，同时提高TiN膜层的表面质量和沉积速度。

实施例2：本发明的控制装置的磁场结构在维持电弧放电稳定性方面的实例。

在靶材尺寸为160mm的弧源上按本专利要求安装调试好磁场结构，选用CrAl合金靶。通过对比仅用永磁场时弧斑可以稳定放电的最小电流和本发明的电磁场与永磁场耦合磁场时弧斑可以稳定放电的最小电流，展示本发明的轴对称耦合磁场弧源结构在稳定弧光放电方面的效果。

实验过程：首先将真空室抽至1.5×10^-2Pa，然后向真空室内通入氮气使真空室的压力保持在1.8Pa。引燃电弧，此时电磁线圈电压为0V，靶面上磁场由永磁场提供。调节靶电流，将电流调低至弧斑突然熄灭。然后重新引弧，调至比刚才灭弧电流值稍大的电流值，观察弧斑放电。若能保持20分钟不灭弧，则视为弧斑可以在该靶电流下稳定放电，接着调低电流值，直到弧斑无法稳定放电，则该电流的前一电流值为永久磁场下维持稳定放电的最小电流值；若弧斑在20分钟之内灭弧，则视为弧斑无法在该电流值下稳定放电，重新引弧后将电流值调高，直到弧斑可以稳定放电则该电流为永久磁场下维持稳定放电的最小电流值。实验结果表明在真空室压力为1.8Pa时，仅用永磁场时维持弧斑稳定放电的最小电流值为30A。然后开启电磁线圈，重复上述实验，结果发现电磁线圈电压升高后弧斑最小稳定放电电流变小，最小可低至19A。实验结果表明，本发明的磁场结构具有稳定弧光放电的作用。

实施例3：本发明的控制装置的磁场结构和控制方法，提高镀膜质量方面的实例。

在基片上镀氮化钛膜，通过对比使用本发明控制方法和仅使用静磁场方法所镀膜层质量，展示本发明在减少大颗粒污染提高镀膜质量方面的效果。

实验过程：将不锈钢基片进行打磨抛光后，分别用丙酮和酒精各超声清洗20min，然后吹干放入真空室。抽气至真空度3×10^-2Pa，通入氩气至2.0Pa，开偏压500V，进行辉光清洗20min。然后抽气至1.5×10^-2Pa，通入氮气工作压力达到1.0Pa，打开偏压200V，引燃电弧，靶电流调至100A，使用本发明控制方法开始镀膜。通过可编程逻辑控制器设置控制参数：扫描电压范围0-50V，频率3Hz，波形为方波，占空比50％，镀膜1h后取出基片。对照样的制备参数为：电磁线圈电压调至50V，不开启扫描模式，重复上述步骤，镀膜1h取出基片。对两组样片做SEM表面形貌分析，结果如图6、图7所示。使用图像处理软件进行处理，分析样片表面大颗粒的尺寸、数量分布，如表1所示。柱状图如图8、图9所示。分析结果表明：使用本发明的控制方法镀膜后样品表面大颗粒尺寸分布主要集中在1μm以下，影响涂层性能的微米级颗粒数量很少而且尺寸也相对较小；而不使用本发明控制方法镀得的膜层质量较差，大颗粒尺寸主要集中于微米级，而且有许多超大尺寸的颗粒(7μm以上)出现。因此，使用本发明的控制方法可以显著减少大颗粒的数目和尺寸，显著提高膜层表面质量。另外，在本发明的控制方法下经弧斑刻蚀10h后靶材靶面最高点和最低点垂直距离相差0.6mm，靶面基本平整，靶材利用率提高。表1为使用本发明控制方法和不使用本发明控制方法所镀膜层表面大颗粒尺寸和数量分布表。

表1

实施例4：本发明磁场结构和控制方法在靶材修复方面的应用实例。

大多数弧源由于磁场结构不合理致使弧斑在靶面的轨迹固定，长时间刻蚀会在靶材表面刻蚀出深坑，这样的靶材就无法继续使用而被废弃，造成极大的浪费。通过本发明的控制方法可以精确地控制弧斑在靶面未使用的区域继续刻蚀，提高靶材的利用率，降低成本。现有一靶材边缘处被刻蚀出深坑的CrAl靶，首先用3D测量激光显微镜记录深坑处的深度并将数据进行处理，从图10中可以看出修复前深坑处深度达到3.3mm。然后利用本发明专利的控制方法进行靶材修复式使用，通过可编程逻辑控制器设置控制参数继续刻蚀靶面：电磁线圈电压范围30-50V、频率为5Hz、波形为三角波，刻蚀3小时后再次用3D测量激光显微镜记录原深坑处深度，此时靶材表面原深坑处深度降至2.1mm，靶材表面形貌得到明显的改善，如图11所示。

本发明的控制装置通过设置电磁场和永磁场构成一种可调节的轴对称耦合磁场，基于这种磁场开发的控制方法能够很大程度上解决电弧离子镀技术中常见的大颗粒污染问题，镀得的膜层质量好，而且弧斑放电稳定不易灭弧，靶材利用率高。还可根据需要在靶材表面实现局部刻蚀，实现靶材表面修复，扩大电弧离子镀的适用范围。本发明的磁场结构与控制方法可以适用于任何圆形靶弧源，磁场布置简单，通过可编程逻辑控制器进行参数控制控制方式简便、精确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种离子镀弧斑控制装置，其特征在于，所述离子镀弧斑控制装置包括：靶以及分别设置于所述靶前后两侧的电磁场模块和永磁场模块，所述电磁场模块的极性和永磁场模块的极性相反，所述电磁场模块和永磁场模块以圆形靶轴心线为轴成轴对称形式设置，形成靶面上耦合磁场的轴向分量强度削弱，径向分量强度叠加的效果，所述电磁场模块包括电磁线圈和控制模块，电磁线圈根据控制模块输入的控制参数的不同而改变电磁场的强度和方向，使靶面上耦合磁场的轴向分量强度为零的位置不断变化，以实现对弧斑运动轨迹的控制，使弧斑做直径扩大或缩小的环形运动，所述控制参数包括扫描电压范围、扫描波形以及扫描频率。

2.如权利要求1所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于，所述永磁场模块包括多个磁钢、磁钢支架以及极靴；通过调整磁钢的数量、矫顽力、形状、放置方式、极靴位置和形状来改变永磁场的强度和方向。

3.如权利要求1所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于，所述控制模块为可编程逻辑控制器。

4.一种离子镀弧斑控制方法，其特征在于，包括：在靶前后两侧以轴对称形式设置极性相反的电磁场模块和永磁场模块，电磁场模块包括电磁线圈和控制模块，调整控制模块输入的控制参数以改变电磁场的强度和方向，使靶面上耦合磁场的轴向分量强度为零的位置不断变化，进而实现对弧斑运动轨迹的控制，使弧斑做直径扩大或缩小的环形运动，控制参数扫描电压范围、扫描波形以及扫描频率。

5.如权利要求4所述的离子镀弧斑控制方法，其特征在于，通过设置多个磁钢、磁钢支架以及极靴组成永磁场模块；调整磁钢的数量、矫顽力、形状、放置方式、极靴位置和形状以改变永磁场的强度和方向。

6.如权利要求4所述的离子镀弧斑控制方法，其特征在于，所述控制模块采用可编程逻辑控制器。