CN109763112A - 一种非等径磁过滤系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非等径磁过滤系统，包括非等径磁过滤弯管、高脉冲磁场、压缩磁场和脉冲偏压电极，非等径磁过滤弯管分别设有上法兰盘和下法兰盘，下法兰盘的上方设置有上屏蔽罩，下法兰盘的下方设置有下屏蔽罩，压缩磁场临近位于下法兰盘，高脉冲磁场位于上法兰盘上，脉冲偏压电极位于非等径磁过滤弯管中部；利用金属等离子体作为电离源，同时添加一个等离子体的传输通道，增加电子或离子与气体的作用时间，含碳气体的电离效率有南的提升，大幅提高等离子体密度，同时解决膜层的均匀性问题。
Description
技术领域
本发明涉及材料镀膜技术领域，更具体地说是指一种非等径磁过滤系统。
背景技术
随着新材料技术是我国乃至全世界都非常重视的研究领域之一，从我国“863”计划设立起就是其中的一个重要的研究领域，而材料表面改性技术是新材料研究的一个重要的方向。通过合适的表面改性处理，可以显著提高材料表面的多种性能，例如材料表面的光洁度、硬度、抗磨损、抗氧化、抗腐蚀等性能，从而显著提高材料的使用寿命和工作效率，实现节约原材料、降低能源消耗等目的。
由于碳基薄膜具有硬度高和摩擦系数低的性能特点，是一种性能优异的耐磨损薄膜材料，吸引着许多薄膜材料研究工作者，成为世界各国争相研究的热点薄膜材料之一。碳基涂层如四面体类金刚石(ta-diamond-like carbon，简称ta-DLC)薄膜是以碳为基本元素构成的一种非晶材料。类金刚石薄膜(DLC)它在结构上属于非晶亚稳态结构的无定形碳，是由sp3杂化和sp2杂化碳组成：薄膜中sp3结构决定了类金刚石薄膜具有诸多类似于金刚石的优良特性，而sp2结构决定了类金刚石薄膜又具有很多石墨的特性，国际上将硬度超过金刚石硬度20％的绝缘硬质无定形碳膜称为类金刚石膜。碳基厚膜现阶段主要采用化学气相沉积法(CVD)。包括直流辉光放电等离子体CVD、射频辉光放电等离子体CVD、电子回旋CVD、高强度直流电弧等离子体沉积、激光等离子体沉积、直流等离子体辅助沉积和微波等离子体辅助沉积法等；据调研，现有利用磁控溅射或者离子镀的方法来沉积碳基膜层的速率不高于40nm/min，在工艺条件允许的情况下沉积得到30μm的碳基至少需要13小时的时间，但现实情况是利用这种方法很难重复稳定的制备超过20μm的碳基膜层，碳基膜层本身依然存在很高的内应力及沉积速率偏慢的问题。现CVD方法提高碳基膜层厚度减小内应力以及提高沉积速率的主要方式是提高含碳气体的进气量以及通入杂质气体(现掺杂的元素多为非金属元素，有极少种类的含金属元素的气体)，但在碳基膜层沉积速率方面提高幅度有限，而且由于气体的增加真空室特别容易污染；在应力改善方面金属元素的掺杂更能够释放膜层本身应力但局限于含金属气体种类少，同时含金属种类气体不易操作，安全系数偏低。
众所周知，如在进气量方面通常情况下CVD方法工作气压一般在1-103Pa之间，电子密度一般范围在1010-1024/m3之间，随着气量的增加体密度会达到饱和，同时电子的平均自由程会减小含碳气体的电离效率会趋于稳定，所以在增加等离离子体密度来碳基膜层的沉积速率方法是关键技术瓶颈。
现有技术为等径的磁过滤沉积系统，该方法缺点是：
1、镀膜均匀性差；
2、引出前金属等离子体密度偏低，在沉积氮化物，或者碳化物或者其他复合涂层时气体离化率低、膜层沉积质量偏差；
3、等离子体的引出效率偏低；
4、在长时间工作时仍存在微米级的大颗粒在工件表面。
因此，有必要开发出一种非等径磁过滤系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种非等径磁过滤系统，通过非等径磁过滤系统增加电子或离子与气体的作用时间，提升含碳气体的电离效率和等离离子体密度用于碳基膜层。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种非等径磁过滤系统，包括非等径磁过滤弯管、高脉冲磁场、压缩磁场和脉冲偏压电极，所述非等径磁过滤弯管分别设有上法兰盘和下法兰盘，所述下法兰盘的上方设置有上屏蔽罩，所述下法兰盘的下方设置有下屏蔽罩，所述压缩磁场临近位于所述下法兰盘，所述高脉冲磁场位于上法兰盘上，所述脉冲偏压电极位于非等径磁过滤弯管中部；
所述高脉冲磁场用于控制弧源靶材弧斑运动，使靶材均匀消耗，同时在弯管传输方向提供电场；
所述脉冲偏压电极压缩等离子体，提高等离子体的传输效率；
所述压缩磁场用于压缩等离子体，通入的气体能够在压缩段进行充分电离，提高等离子体密度和气体的电离度。
进一步方案为，所述高脉冲磁场电流10-200A，频率为10-100Hz。
进一步方案为，所述高脉冲磁场与所述压缩磁场方向相反，对等离子体进行散焦，提高等离子体的出射宽度，所述出射宽度为300-400mm。
进一步方案为，所述压缩磁场的强度为100-1000A。
进一步方案为，所述脉冲偏压电极的电压为1-100V，频率为20-100Hz，提高等离子体的传输效率和压缩等离子体。
进一步方案为，所述脉冲偏压电极的传输效率比传统的磁过滤电极提高了10-50％。
进一步方案为，所述上屏蔽罩与所述下法兰盘面的交角为50-90度，长度为5-10mm。
进一步方案为，所述下屏蔽罩与所述下法兰盘面的交角为60-90度，长度为8-12mm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明磁过滤沉积技术中，金属作为阴极发生弧光放电过程中，由阴极产生等离子体，在阴极附近等离子体中的离子密度最高可超过1027/m3，考虑到金属的多价态，其中电子密度一般比离子密度更高，这比化学气相沉积过程中等离子体浓度要高3-10个数量级，利用金属等离子体作为电离源，同时添加一个等离子体的传输通道，增加电子或离子与气体的作用时间，含碳气体的电离效率有南的提升，大幅提高等离子体密度，同时解决膜层的均匀性问题；领域内无金属等离子体密度增加的技术。
附图说明
图1为本发明具体实施例非等径磁过滤系统的结构示意图；
图2为本发明具体实施例的工作原理示意图。
附图标记
101、高脉冲磁场；102、上屏蔽罩；103、下屏蔽罩；104、压缩磁场；105、脉冲偏压电极；106、弯管外壳；107、高脉冲磁场；108、上法兰盘。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明的具体实施例，包括非等径磁过滤弯管、高脉冲磁场(101、107)、压缩磁场104和脉冲偏压电极105，非等径磁过滤弯管分别设有上法兰盘108和下法兰盘，下法兰盘的上方设置有上屏蔽罩102，下法兰盘的下方设置有下屏蔽罩103，压缩磁场104临近位于下法兰盘，高脉冲磁场(101、107)位于上法兰盘108上，脉冲偏压电极105位于非等径磁过滤弯管中部；
高脉冲磁场(101、107)用于控制弧源靶材弧斑运动，使靶材均匀消耗，同时在弯管传输方向提供电场；
脉冲偏压电极105压缩等离子体，提高等离子体的传输效率；
压缩磁场104用于压缩等离子体，通入的气体能够在压缩段进行充分电离，提高等离子体密度和气体的电离度。
进一步地，高脉冲磁场(101、107)的电流10-200A，频率为10-100Hz。
进一步地，高脉冲磁场(101、107)与压缩磁场104方向相反，对等离子体进行散焦，提高等离子体的出射宽度，出射宽度为300-400mm。
进一步地，压缩磁场104的强度为100-1000A。
进一步地，脉冲偏压电极105的电压为1-100V，频率为20-100Hz，提高等离子体的传输效率和压缩等离子体。
进一步地，脉冲偏压电极105的传输效率比传统的磁过滤电极提高了10-50％。
进一步地，上屏蔽罩102与所述下法兰盘面的交角为50-90度，长度为5-10mm。
进一步地，下屏蔽罩103与下法兰盘面的交角为60-90度，长度为8-12mm。
本发明一种非等径的弯管磁过滤系统，包括高脉冲磁场(101、107)、压缩磁场104、短屏蔽罩、长屏蔽罩、脉冲偏压极等。
高脉冲磁场101的电流10-200A，频率为10-100Hz，该磁场与压缩磁场104方向相反，对等离子体进行散焦，提高等离子体的出射宽度，该宽度可为300-400mm。
上屏蔽罩102和下屏蔽罩103的长度不一致，上屏蔽罩102与下法兰面交角为50-90度，长度为5-10mm；下屏蔽罩103与法兰面交角为60-90度，长度为8-12mm；长度主要用来控制等离子体的均匀性，对于磁过滤系统而言，因为磁场上强下弱，所以在屏蔽罩设计时充分考虑磁场的不均匀性带来的沉积膜层的不均匀性，从而整体提高均匀性。
压缩磁场104的强度为100-1000A，主要用于压缩等离子体，在反应镀膜时，通入的气体能够在压缩段进行充分电离，提高等离子体密度的同时提高了气体的电离度。
脉冲偏压电极105的电压为1-100V，频率为20-100Hz，该脉冲电极主要是提高等离子体的传输效率，通过设置脉冲偏压电极105，能起到压缩等离子体的目的，同时传输效率能比传统的磁过滤电极提高10-50％。脉冲偏压电极105连接位于弯管外壳106内，构成本发明的系统。
高脉冲磁场107，电流为-10A-30A，频率为10-30Hz，主要用于控制弧源靶材弧斑运动，使靶材均匀消耗，同时在弯管传输方向提供电场(交变磁场产生电场)，电场控制等离子体的引出，提高引出效率10-30％。
本发明磁过滤沉积技术中，在阴极表面发生弧光放电的过程中产生等离子体。等离子体经上法兰盘108进入被磁场磁化，沿着磁力线运动均匀发散。高脉冲磁场107用于控制弧源靶材弧斑运动，使弧斑在阴极靶材整个上表面规则运动，靶材均匀消耗。在等离子体的传输过程当中，脉冲偏压电极105在弯管外壳106内的传输方向提供电场，将等离子体沿图2中箭头所示方向加速引出，同时压缩等离子体，提高等离子体的传输效率。在反应镀膜时，压缩磁场104可以使等离子体与通入的气体更好的在压缩段进行充分电离，提高等离子体密度的同时提高了气体的电离度。而后，等离子体通过高脉冲磁场101引出，该磁场对等离子体进行散焦，提高等离子体的出射宽度，获得大面积束斑，最终均匀沉积在样品表面。图2工作原理示意图中示意了等离子体的运动方向以及发散情况。
本发明磁过滤沉积技术中，金属作为阴极发生弧光放电过程中，由阴极产生等离子体，在阴极附近等离子体中的离子密度最高可超过1027/m3，考虑到金属的多价态，其中电子密度一般比离子密度更高，这比化学气相沉积过程中等离子体浓度要高3-10个数量级，利用金属等离子体作为电离源，同时添加一个等离子体的传输通道，增加电子或离子与气体的作用时间，含碳气体的电离效率有南的提升，大幅提高等离子体密度，同时解决膜层的均匀性问题；领域内无金属等离子体密度增加的技术。
以上所述仅为本专利优选实施方式，并非限制本专利范围，凡是利用说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均属于本专利保护范围。
Claims (8)
1.一种非等径磁过滤系统，其特征在于：包括非等径磁过滤弯管、高脉冲磁场、压缩磁场和脉冲偏压电极，所述非等径磁过滤弯管分别设有上法兰盘和下法兰盘，所述下法兰盘的上方设置有上屏蔽罩，所述下法兰盘的下方设置有下屏蔽罩，所述压缩磁场临近位于所述下法兰盘，所述高脉冲磁场位于上法兰盘上，所述脉冲偏压电极位于非等径磁过滤弯管中部；
所述高脉冲磁场用于控制弧源靶材弧斑运动，使靶材均匀消耗，同时在弯管传输方向提供电场；
所述脉冲偏压电极压缩等离子体，提高等离子体的传输效率；
所述压缩磁场用于压缩等离子体，通入的气体能够在压缩段进行充分电离，提高等离子体密度和气体的电离度。
2.如权利要求1所述的非等径磁过滤系统，其特征在于：所述高脉冲磁场电流10-200A，频率为10-100Hz。
3.如权利要求1所述的非等径磁过滤系统，其特征在于：所述高脉冲磁场与所述压缩磁场方向相反，对等离子体进行散焦，提高等离子体的出射宽度，所述出射宽度为300-400mm。
4.如权利要求1所述的非等径磁过滤系统，其特征在于：所述压缩磁场的强度为100-1000A。
5.如权利要求1所述的非等径磁过滤系统，其特征在于：所述脉冲偏压电极的电压为1-100V，频率为20-100Hz，提高等离子体的传输效率和压缩等离子体。
6.如权利要求1所述的非等径磁过滤系统，其特征在于：所述脉冲偏压电极的传输效率比传统的磁过滤电极提高了10-50％。
7.如权利要求1所述的非等径磁过滤系统，其特征在于：所述上屏蔽罩与所述下法兰盘面的交角为50-90度，长度为5-10mm。
8.如权利要求1所述的非等径磁过滤系统，其特征在于：所述下屏蔽罩与所述下法兰盘面的交角为60-90度，长度为8-12mm。
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