CN109295426A - 一种超宽且均匀的磁过滤系统和圆柱电弧靶及真空设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽且均匀磁过滤系统和圆柱电弧靶设备，包括宽磁过滤系统、真空室、圆柱靶、磁场等。其中，磁场分为控制磁场、强脉冲磁场以及过渡磁场；圆柱靶工作时为可旋转靶材。本发明圆柱靶高度不小于0.7m，圆柱的直径为110‑150mm，弧靶内永磁体磁场强度为10‑80mT；沉积镀膜时最大尺寸方向在高度80％的范围内均匀性好于±5％；在起弧电流为200A时圆柱靶材的工作寿命不低于150小时。采用该设计设备能够进行大规模的磁过滤沉积生产，表面无颗粒，弥补了常规磁过滤设备的均匀性差，沉积尺寸受限的关键技术瓶颈。

Description

一种超宽且均匀的磁过滤系统和圆柱电弧靶及真空设备

技术领域

本发明是提高磁过滤沉积设备均匀性和沉积尺寸。具体是基于离子束技术的大面积均匀性好的磁过滤沉积设备。

技术背景

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，处理工件尺寸受限以及温度敏感性基体不适用等等。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，但直流磁过滤沉积技术重要的缺点是膜层沉积时有效面积有限，有效面积在直径160mm以内，对一些大尺寸的工件表面不能实现表面均匀镀膜。

发明内容

针对上述问题，本发明基于原有的磁过滤沉积系统，针对真空室结构、弧源靶结构及镀件进行解构，提出了一种超宽且均匀的磁过滤系统和圆柱电弧靶及真空设备。

本发明实施例的目的之一是通过设计磁过滤系统和圆柱电弧靶对离子束流进行均匀调控，实现能处理更大的工件，同时能够大幅减低起弧时因温度过高而带来的颗粒喷射和大幅提高阴极寿命。

进一步来讲：

磁过滤系统所涉及的磁场包括：圆柱内靶永磁体磁场强度10-80mT；连接靶和弯管的控制磁场，磁场强度10-80mT；连接控制磁场的强脉冲磁场，其线包电流范围为50A-1kA；连接强脉冲磁场和真空室的过渡磁场，磁场强度为10-50mT；

圆柱电弧靶可为导磁或非导磁金属材料，圆柱靶高度可为任意高，圆柱靶的直径为110-150mm；

起弧工作的弧斑条数为2-5条，弧斑相互间无干扰，无因阴极靶高度过高同时弧斑运动速度有限而造成的沉积不均匀问题；

真空设备包括工件系统和内置永磁体系统。

磁过滤沉积系统过滤角度为0-30度，减少因大角度过滤而造成的离子损失，大大提高引出效率；

磁过滤系统内设置锯齿形凹槽，能够明显抑制大颗粒的逃逸，同时锯齿靠近阴极侧为小角度凹槽，靠近真空室为大角度凹槽，该形状能够明显抑制大颗粒的二次逃逸；

沉积镀膜时在其高度80％的范围内均匀性好于±5％，沉积膜层无颗粒。

电弧靶工作期间表面平均温度控制在25度以内，大幅抑制因温度过高而造成的颗粒喷射问题；

设置第一辅助阳极和第二辅助阳极，大幅降低起弧电压，使得阴极靶材可在无辅助气体下稳定、可靠工作，同时起弧电流可低至20A；

起弧电流为200A时，圆柱靶材的工作寿命不低于150小时。

真空设备采用分子泵和机械泵组合，镀膜时真空度好于10^-3pa，无相关辅助气体；

真空室正中央放置永磁体，永磁体强度100-200mT，能有效提高镀膜时在有效区域内的膜层均匀性。

永磁体布置在角度为90-135度的空间柱体内，保证弧斑运动在正对磁过滤管的引出面内进行烧蚀；

永磁体在圆柱靶上下端面磁场强度为弱磁场，强度为10-20mT，保证电弧不在两端进行长时间烧蚀；其余地方磁场强度控制在20-80mT。

相对于现有技术，本发明各实施例具有以下优势：

1、本发明实施例提出了一种大面积磁过滤沉积设备，最大引出尺寸可为任意长度，无直流磁过滤沉积阴极靶材的引出面积的限制，可根据样品尺寸大小进行靶材设计，大大方便了工业化应用；

2、相比现有直径为10mm阴极结构直流磁过滤沉积装置，该装置束流密度可为原来密度的1/3或更低，在相同起弧电流情况下，阴极弧靶单位面积的发热量更小，能够明显抑制因过热产生的微米级颗粒，磁过滤管道长度可以明显缩短，大幅提高产生的等离子体到达工件台的几率；

3、相比于现有的直流磁过滤沉积装置，该装置沉积膜层时可控制基体温度在40度以下，非常适合对温度极度敏感的基体的大面积表面改性；

4、相比于现有的直流磁过滤装置，因阴极靶材表面问题偏低，更容易避免因靶材中毒而发生断弧的状况出现，更方便实现氧化物膜层的沉积；

5、相比于现有的圆柱电弧技术，本专利起弧为多条弧斑同时工作，通过磁场的控制能够保证多条弧斑互不干扰的稳定的、可靠的工作；该项专利能够避免因弧斑本身运动速度所限所造成的沉积不均匀的问题；同时现有圆柱弧技术在电流的输入端容易发生优先烧蚀，严重影响其膜层均匀性，本专利通过两端磁场的强度控制实现两端的烧蚀均匀化，进一步推动其产业化批量生产；

6、相比于现有的直流磁过滤系统，在后续磁场的配合下该系统能够使靶材料实现更高价态的离子激发，即等离子体中引出离子的平均电荷态更高，有利于膜层的沉积，同时阴极弧靶的寿命更高，基本在200小时以上，为现有直流磁过滤沉积寿命的25倍以上，省去了换靶材的人工成本，更容易实现大规模的产业化；

7、相对于现有的磁过滤沉积系统，本专利采用导磁阳极筒，在该导磁阳极筒系统配合下后续强脉冲磁场强度基本不影响弧靶弧斑的运动，能够实现靶磁场、磁过滤弯管磁场的隔绝，达到稳定、可控的弧斑起弧状态。

需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，

本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必需的。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，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。

本发明实施例的更多特点和优势将在之后的具体实施方式予以说明。

附图说明

构成本发明实施例一部分的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明超宽束磁过滤沉积设备侧视图及俯视图；

图2为本发明圆柱靶侧视图；

图3为本发明实施例1弧斑图；

图4为本发明实施例2弧斑图；

图5为本发明实施例3弧斑图；

附图标记说明

101 阴极圆柱弧靶

102 圆柱弧真空腔室

103 导磁阳极筒

104 直筒过滤管

105 大角度凹槽

106 小角度凹槽

107 真空室门

108 真空室观察窗

109 进气口

110 控制磁场

111 强脉冲磁场

112 引导磁场

201 圆柱弧真空腔室

202 水冷通道

203 永磁体

204 弱导磁屏蔽体

205 自转电机

206 O圈槽

207 第一辅助阳极

208 第二辅助阳极

209 触发电极

实施例

实施例1

电弧靶高度为0.8m，直径为110mm，各线包磁场参数如下：

110：直流电流30A；

111：脉冲电流频率50Hz，电流12A；

112：脉冲叠加直流电流，脉冲频率80HZ，电流2A；直流电流5A；

实施例2

电弧靶高度为1.5m，直径为110mm，各线包磁场参数如下：

110：直流电流30A；

111：脉冲电流频率50Hz，电流12A；

112：脉冲叠加直流电流，脉冲频率80HZ，电流2A；直流电流5A；

实施例3

电弧靶高度为2m，直径为110mm，各线包磁场参数如下：

110：直流电流30A；

111：脉冲电流频率50Hz，电流12A；

112：脉冲叠加直流电流，脉冲频率80HZ，电流2A；直流电流5A；

图3，4和5为不同圆柱靶高度的沉积效果图。可以很明显的发现不同的圆柱靶高度膜层的可镀区域的高度也不一致。电弧靶高度为2m时电弧可镀的均匀区域为1.67m；电弧靶高度为1.5m时，电弧靶可镀均匀区域为1.2m；电弧靶高度为0.8m时，电弧靶可镀均匀区域为0.8m。图中证明利用该技术能够使得磁过滤沉积的沉积区域变得大幅度提高，由原来的0.18m提高至1.67m，均匀范围提高10倍左右，因此该项设备和技术能够大幅提高磁过滤沉积的可镀范围，弥补磁过滤沉积在产业化大规模生产过程中的尺寸问题的空白。

Claims (6)

1.一种超宽且均匀磁过滤系统和圆柱电弧靶及真空设备，其特征包括：

主要部件：圆柱电弧靶、宽磁过滤系统、阳极筒系统、工件系统、磁场系统、真空系统以及进气系统；

宽磁过滤系统所涉及的磁场包括：圆柱内靶永磁体磁场强度10-80mT；连接靶和弯管的控制磁场，磁场强度10-80mT；连接控制磁场的强脉冲磁场，其线包电流范围为50A-1kA；连接强脉冲磁场和真空室的过渡磁场，磁场强度为10-50mT；

圆柱电弧靶可为导磁、非导磁金属材料，圆柱靶高度可为任意高，圆柱靶的直径为110-150mm；

阳极筒为导磁阳极筒，其相对磁导率为200-2000；

起弧工作的弧斑条数为2-5条，设置两个辅助阳极系统，膜沉积不均匀度不大于±15％；

工件系统内包括永磁体和公自转系统。

2.根据权利要求书1所述的磁过滤系统，其特征包括：

磁过滤沉积系统过滤角度为0-30°，离子损失为0-35％；

磁过滤系统内设置锯齿形凹槽，微米级颗粒数小于5个/微米²，同时锯齿靠近阴极侧为小角度凹槽角度为0-50°，靠近真空室为大角度凹槽为50-90°；

沉积镀膜时在其高度80％的范围内均匀性好于±5％。

3.根据权利要求书1所述的电弧靶，其特征包括：

电弧靶工作期间表面平均温度5-25°；

设置两个辅助阳极，第一辅助阳极距阴极靶材2-3mm，第二辅助阳极距第一辅助阳极1-5mm，第二辅助阳极电位为第一辅助阳极电位高0-20V；

起弧电流为200A时，圆柱靶材的工作寿命不低于150h。

4.根据权利要求书1所述的真空系统，其特征包括：

真空设备采用分子泵和机械泵组合，镀膜时真空度好于1×10^-3Pa，无相关辅助气体；

工件正中央内设置永磁体，永磁体高度与圆柱靶高度一致，永磁体强度100-200mT。

5.根据权利要求书1所述圆柱靶内永磁体，其特征为：

永磁体布置在角度为90--135°的空间柱体内；

永磁体在圆柱靶上下端面磁场强度为弱磁场，强度为10-20mT；其余地方磁场强度20-80mT。

6.一种宽束电弧磁过滤沉积系统，其特征为采用权1至5所述方法所组装获得。