CN108546920A - 一种阴极真空弧等离子体磁过滤装置及其应用 - Google Patents
一种阴极真空弧等离子体磁过滤装置及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种阴极真空弧等离子体磁过滤装置，包括阳极筒(2)，阳极筒(2)上依次设置有第一强脉冲线包(201)和抑制线包(202)。该阴极真空弧等离子体磁过滤装置弧斑运动速度高，能明显减少因局部温升造成的大颗粒的喷射；沉积速率为现有技术条件下沉积速度的1‑3倍；由传统磁过滤技术的高斯分布变成在束斑直径范围内的均匀分布，厚度差小于10％，可大幅提高膜层的均匀性；在磁场配合下，源靶材尺寸为100mm时，等离子体的束斑可以实现300mm以上尺寸工件镀膜。
Description
技术领域
本发明属于阴极真空弧磁过滤领域，具体涉及一种阴极真空弧等离子体磁过滤装置及其应用。
背景技术
随着科学技术的快速发展，对材料表面改性技术的要求越来越高，传统单一的表面改性技术已越来越难以满足工业生产上的技术要求；合成化、集成化以及多功能化成为技术发展的趋势。
近年来，一些表面改性复合技术不断问世并相继投入到产业中，并发挥着重要作用。例如磁控溅射技术与电弧离子镀技术的复合技术，兼容了磁控溅射技术可以沉积大面积和高均匀性的薄膜优点和离子镀技术制备高结合力薄膜的优点，提高了工艺实用性。再如多弧离子镀将多个弧源共同作用，不仅实现多元复合薄膜沉积，而且显著的提高了沉积效率，目前该技术在刀具、零部件加工产业中应用较为广泛。现表面沉积技术中多弧离子镀是其中非常重要的改性手段。但其存在一重要缺点，即沉积膜层的致密性不高，存在着微米级大颗粒，严重限制其进一步应用。磁过滤阴极真空弧沉积技术是近年来发展起来的一种新型离子束薄膜制备方法，它通过磁过滤技术，过滤掉弧源产生的大颗粒和中性原子，得到无大颗粒的纯等离子束，有效地克服了普通弧源沉积方法中由于大颗粒的存在而产生的问题，制备的薄膜具有优异的性能，但其也存在着一致命缺点那就是沉积速率慢很难应用于工业化生产。
发明内容
本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的目的是提供一种非传统的阴极真空弧等离子体磁过滤装置。通过在该装置上设置特定的磁场线包和磁场参数，该装置能明显提高膜层的沉积效率1-3倍，同时保持膜层的致密性，无大颗粒等特点。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种阴极真空弧等离子体磁过滤装置，包括阳极筒，所述阳极筒上依次设置有第一强脉冲线包和抑制线包。
其中，所述阴极真空弧等离子体磁过滤装置还包括弧头和磁过滤弯管，所述弧头与所述阳极筒的第一端连接，所述阳极筒的第二端与所述磁过滤弯管连接；
所述磁过滤弯管上依次设置有第二强脉冲线包、中间线包以及高脉冲散焦线包。
其中，
所述第一强脉冲线包的频率为10～200Hz，电流为5～50A；
所述抑制线包的频率为0.1～200Hz，电流为0.1～20A。
其中，
所述第二强脉冲线包的频率为20～80Hz，电流为5～30A；
所述中间线包为直流线包，电流为0.1～5A；
所述高脉冲散焦线包的频率为30～300Hz，电流为30～200A。
其中，所述高脉冲散焦线包的绕线方向与所述磁过滤弯管的中轴线呈130～140°。
其中，所述中间线包和所述高脉冲散焦线包之间，还设置有第三强脉冲线包；
所述第三强脉冲线包的频率为20～200Hz，电流为20～100A。
其中，所述第三强脉冲线包和所述高脉冲散焦线包之间还设置有高功率脉冲网格；
所述高功率脉冲网格的电压为-10～-100V，频率为1～20Hz。
其中，所述磁过滤弯管为90°弯管，或90°弯管和45°弯管的组合。
其中，所述阳极筒的内径Φ1为160-250mm，所述磁过滤弯管的内径Φ2为160-250mm。
根据本发明的另一个方面，提供一种前述阴极真空弧等离子体磁过滤装置在材料表面沉积膜层中的应用。
综上，本发明的阴极真空弧等离子体磁过滤装置，相较于现有传统的磁过滤沉积技术，具有以下优点：
1、弧斑运动速度高，能明显减少因局部温升造成的大颗粒的喷射；
2、因磁场配置等因素，沉积速率为现有技术条件下沉积速度的1-3倍；
3、大幅提高膜层的均匀性，由传统磁过滤技术的高斯分布变成在束斑直径范围内的均匀分布，厚度差小于10％；同时膜层质量接近于体材料；
4、在磁场配合下能够方便实现大面积工件的表面处理；
5、阴极靶材寿命为传统磁过滤靶材寿命3-5倍；
6、磁过滤沉积的束斑直径可在300-500mm，比传统相同尺寸的磁过滤束斑直径大1-2倍。
参照附图来阅读对于实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。
附图说明
并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理，在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的其中一个实施例的阴极真空弧等离子体磁过滤装置的俯视图；
图2示出了根据本发明的其中一个实施例的阴极真空弧等离子体磁过滤装置的俯视图；
其中，1为弧头、101为阴极靶材；2为阳极筒、201为第一强脉冲线包、202为抑制线包；3为磁过滤弯管、301为第二强脉冲线包、302为中间线包、303为高脉冲散焦线包、304为第三强脉冲线包、305为高功率脉冲网格、305a为高功率脉冲网格截面图、306为绕线槽；
图3示出了根据本发明的阴极真空弧等离子体磁过滤装置的阳极筒俯视图；
其中，L为阳极筒的长度，Φ1为阳极筒内径；
图4示出了根据本发明的阴极真空弧等离子体磁过滤装置的磁过滤弯管的正面视图；其中，Φ2指磁过滤弯管的内径；
图5示出了铜靶材在不同第一强脉冲线包参数下的弧斑图；
图6示出了TiAl靶材在不同第一强脉冲线包参数下的弧斑图；
图7示出了1-9号不同线包参数的束流强度图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明的阴极真空弧等离子体磁过滤装置，包括弧头1、阳极筒2和磁过滤弯管3；弧头1与阳极筒2的第一端连接，阳极筒2的第二端与磁过滤弯管3连接。
阳极筒2上依次设置有第一强脉冲线包201和抑制线包202；第一强脉冲线包201的电流为强脉冲电流，主要控制弧斑运动；该强脉冲磁场方向与阴极靶平面的角度0.01～90度之间，大于该范围弧斑运动不稳，该线包能够大幅减少长时间起弧点的局部烧蚀，大大降低液滴。
第一强脉冲线包201的频率为10～200Hz，电流为5～50A；通过将电流和频率控制在以上范围内，可以加剧弧斑运动，使弧斑条纹变细；避免了因为弧斑粗大，在烧蚀路径上容易喷射大颗粒对沉积膜层的致密性造成的不良影响。
抑制线包202为过渡线包，是连接第一强脉冲线包201和磁过滤弯管3的线包；本发明将其设置在第一强脉冲线包201和磁过滤弯管3的几何中心位置附近；偏离该位置磁过滤弯管3的线包对阴极靶材表面磁场影响会非常大，使得起弧不稳定。抑制线包202的频率为0.1～200Hz，电流为0.1～20A，可以很好地起到稳弧作用。
磁过滤弯管3上依次设置有第二强脉冲线包301、中间线包302以及高脉冲散焦线包303。其中，第二强脉冲线包301的电流为强脉冲电流，为5～30A，频率为20～80Hz，主要起到引出等离子体的作用。中间线包302为直流线包，其电流为0.1～5A，用于偏转等离子体，起到传输等离子体的作用。中间线包302为至少一组，可根据实际传输情况设置。第二强脉冲线包301和中间线包302匹配时，其磁场强度必须大于中间线包302磁场强度，否则会造成束流消失，或者急剧下降。
高脉冲散焦线包303为等离子体出口线包，其主要起到扩展等离子体的作用。磁过滤弯管3设置有绕线槽306，各线包按照绕线槽306方向绕制；其中，高脉冲散焦线包303的绕线方向与磁过滤弯管3的中轴线呈130～140°，优选的，为135°。在散焦的过程当中，通过磁场线包绕线方式的改变，使其在等离子体运动的垂直方向产生磁力线，可以使等离子体能够在横向方向发生均匀扩展，同时等离子体能够均匀布满整个引出端口。有别于传统的磁过滤管道中等离子体只是均匀的分布在靶材直径的1.5倍的范围内，剩余空间内等离子体密度几乎为零的情况。高脉冲散焦线包频率为30～300Hz，电流为30～200A。
在某些实施方案中，还设置有第三脉冲线包304，第三强脉冲线包304的频率为20～200Hz，电流为20～100A。通过设置第三脉冲线包304可以大幅提高等离子体的传输效率；同时对等离子体发散角能大幅减小，提高等离子体的能量均匀性，在沉积镀膜时，因沉积能量一致而保证获得的膜层结构的一致性。中间线包302与第二强脉冲线包301、第三强脉冲线包304进行耦合匹配，可达最大的引出效率。
在某些实施方案中，还可以设置高功率脉冲网格305，其电压-10～-100V，频率1～20Hz。由于高功率脉冲网格305为负压，其可以在抑制电子的同时也能通过库仑力提高等离子体的传输效率；并且脉冲网格为中间密两边疏，可大幅减小束流的不均匀性，得到的束流非传统的高斯分布，而是在束流直径上均匀性非常好的离子强度；同时，网格也会阻挡阴极表面喷射的碳大颗粒，大幅度提高膜层的致密性。
同时对磁过滤弯管3施加脉冲式正偏压，脉冲式正偏压频率20～100Hz，电压10～30V。
通过研究各线包的位置设置，综合考虑各线包以及正偏压参数之间的相互作用，各参数之间相互影响。在以上参数范围内阴极弧源能够正常稳定工作，且引出的等离子体束流强度高，发散小。其中，以上各线包分别缠绕在阳极筒2或磁过滤弯管3上。
阳极筒2的长度L为40-60mm，内径Φ1为160-250mm，优选为185mm；磁过滤弯管3的内径Φ2为160-250mm，优选为185mm。磁过滤弯管3为90°弯管，或90°弯管和45°弯管的组合。
现有技术的磁场分布在源靶材尺寸为100mm情况下，很难实现内径为250mm内均充满等离子体，同时镀膜直径为300mm。而通过本发明的阴极真空弧等离子体磁过滤装置，在源靶材尺寸为100mm情况下，等离子体的束流可以实现300mm以上尺寸工件镀膜。
实施例
下面列出本发明的其中一个实施例的阴极真空弧等离子体磁过滤装置结构。
阴极真空弧等离子体磁过滤装置，包括弧头1、阳极筒2和磁过滤弯管3；弧头1与阳极筒2的第一端连接，阳极筒2的第二端与磁过滤弯管3连接。连接方式均为法兰连接。
阳极筒2上依次设置有第一强脉冲线包201和抑制线包202；磁过滤弯管3为90°弯管和45°弯管的组合，磁过滤弯管3上依次设置有第二强脉冲线包301、中间线包302以及高脉冲散焦线包303；其中，中间线包302数量为三组。高脉冲散焦线包303的绕线方向与磁过滤弯管3的中轴线呈135°在中间线包302和高脉冲散焦线包303还设置有第三脉冲线包304；在第三强脉冲线包304和高脉冲散焦线包303之间还设置有高功率脉冲网格305。
阳极筒2的内径Φ1为185mm；磁过滤弯管3的内径Φ2为185mm。
下面列出各线包的磁场参数，具体数据如表1所示。
表1具体实施例的线包磁场参数列表
对比例
对比例1
为了进一步体现第一强脉冲线包对弧斑运动的影响，分别就铜靶材、TiAl靶材在不同第一强脉冲线包参数下弧斑的运动情况进行了测试。
1、铜靶材
表2示出了第一强脉冲线包的不同磁场参数列表，图5则示出了相对应的弧斑运动情况。
表2第一强脉冲线包的磁场参数
| 参数 | 5a | 5b | 5c |
| 电流(A) | 4 | 13 | 20 |
| 频率(Hz) | 20 | 5 | 50 |
从图5中可以看到，在本发明的第一强脉冲线包的磁场参数5c下，弧斑运动剧烈，弧斑条纹较细；而在5a、5b参数下，弧斑运动很慢，弧斑很粗大，在烧蚀路径上很容易喷射大颗粒，会对沉积膜层的致密性造成很大影响。
2、TiAl靶材
表3示出了第一强脉冲线包的不同磁场参数列表，图6则示出了相对应的弧斑运动情况。
表3第一强脉冲线包的磁场参数
| 参数 | 6a | 6b | 6c |
| 电流(A) | 1 | 10 | 20 |
| 频率(Hz) | 10 | 5 | 30 |
从图6中可以看到，在本发明的第一强脉冲线包的磁场参数6c下，弧斑运动剧烈，弧斑条纹较细；而在6a、6b参数下，弧斑运动很慢，弧斑很粗大，在烧蚀路径上很容易喷射大颗粒，会对沉积膜层的致密性造成很大影响。
对比例2
为了进一步的展示本发明阴极真空弧等离子体磁过滤装置上不同线包的磁场参数设置对束流强度的影响，通过调节各线包的参数来观测束流强度的变化。表2示出了1-9号的线包磁场参数。
表2各线包的磁场参数
通过图7可以看到，不同线包参数下引出的束流强度是截然不同的。在1号的线包参数下束流引出效率极低，束流强度为50mA；4-9号的线包参数下束流引出效率很高；其中，在5号的线包参数下束流强度最高，可高达480mA。以上可以看出，不同线包的磁场参数对束流强度均会产生影响。在本发明的线包磁场参数下可以引出明显高的束流强度。
综上所述，本发明的阴极真空弧等离子体磁过滤装置，弧斑运动速度高，能明显减少因局部温升造成的大颗粒的喷射；沉积速率为现有技术条件下沉积速度的1-3倍；大幅提高膜层的均匀性，由传统磁过滤技术的高斯分布变成在束斑直径范围内的均匀分布，厚度差小于10％；同时膜层质量接近于体材料；在磁场配合下能够方便实现大面积工件的表面处理；阴极靶材寿命为传统磁过滤靶材寿命3-5倍。
上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种阴极真空弧等离子体磁过滤装置，其特征在于，包括阳极筒(2)，所述阳极筒(2)上依次设置有第一强脉冲线包(201)和抑制线包(202)。
2.如权利要求1所述的阴极真空弧等离子体磁过滤装置，其特征在于，所述阴极真空弧等离子体磁过滤装置还包括弧头(1)和磁过滤弯管(3)，所述弧头(1)与所述阳极筒(2)的第一端连接，所述阳极筒(2)的第二端与所述磁过滤弯管(3)连接；
所述磁过滤弯管(3)上依次设置有第二强脉冲线包(301)、中间线包(302)以及高脉冲散焦线包(303)。
3.如权利要求1所述的阴极真空弧等离子体磁过滤装置，其特征在于，
所述第一强脉冲线包(201)的频率为10～200Hz，电流为5～50A；
所述抑制线包(202)的频率为0.1～200Hz，电流为0.1～20A。
4.如权利要求2所述的阴极真空弧等离子体磁过滤装置，其特征在于，
所述第二强脉冲线包(301)的频率为20～80Hz，电流为5～30A；
所述中间线包(302)为直流线包，电流为0.1～5A；
所述高脉冲散焦线包(303)的频率为30～300Hz，电流为30～200A。
5.如权利要求2或4所述的阴极真空弧等离子体磁过滤装置，其特征在于，所述高脉冲散焦线包(303)的绕线方向与所述磁过滤弯管(3)的中轴线呈130～140°。
6.如权利要求2所述的阴极真空弧等离子体磁过滤装置，其特征在于，所述中间线包(302)和所述高脉冲散焦线包(303)之间，还设置有第三强脉冲线包(304)；
所述第三强脉冲线包(304)的频率为20～200Hz，电流为20～100A。
7.如权利要求6所述的阴极真空弧等离子体磁过滤装置，其特征在于，所述第三强脉冲线包(304)和所述高脉冲散焦线包(303)之间还设置有高功率脉冲网格(305)；
所述高功率脉冲网格(305)的电压为-10～-100V，频率为1～20Hz。
8.如权利要求2所述的阴极真空弧等离子体磁过滤装置，其特征在于，所述磁过滤弯管(3)为90°弯管，或90°弯管和45°弯管的组合。
9.如权利要求2所述的阴极真空弧等离子体磁过滤装置，其特征在于，所述阳极筒(2)的内径Φ1为160-250mm，所述磁过滤弯管(3)的内径Φ2为160-250mm。
10.一种如权利要求1～9任一项所述的阴极真空弧等离子体磁过滤装置在材料表面沉积膜层中的应用。
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