CN109989007A - 组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀 - Google Patents

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Abstract

组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀，属于材料表面处理技术领域，本发明为解决多级磁场过滤装置中大颗粒对薄膜的污染和等离子体传输过程中的损失问题。本发明的装置包括：偏压电源、电弧离子镀靶源及电源、多级磁场装置及电源、内衬偏压锥形管装置及偏压电源、活动线圈装置及电源、样品台、偏压电源波形示波器和真空室；薄膜沉积：连接装置，启动系统，待真空室内的真空度小于10‑4Pa时，通入工作气体，开启镀膜电源，利用偏压电源对电弧等离子体的能量进行调节，通过内衬偏压锥形管装置和多级磁场装置消除电弧等离子体中的大颗粒缺陷和提高在过滤装置的传输效率，减少在真空室中的损耗，设置工艺参数，进行薄膜制备。

Description

组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀
技术领域
本发明涉及组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀，属于材料表面处理技术领域。
背景技术
在电弧离子镀制备薄膜的过程中，由于弧斑电流密度高达2.5~5×1010A/m2，引起靶材表面的弧斑位置处出现熔融的液态金属，在局部等离子体压力的作用下以液滴的形式喷溅出来，附着在薄膜表面或镶嵌在薄膜中形成“大颗粒”（Macroparticles）缺陷（BoxmanR L, Goldsmith S. Macroparticle contamination in cathodic arc coatings:generation, transport and control [J]. Surf Coat Tech, 1992, 52(1): 39-50.）。在电弧等离子体中，由于电子的运动速度远远大于离子的运动速度，单位时间内到达大颗粒表面的电子数大于离子数，使大颗粒呈现负电性。相对于厚度级别为微米或亚微米的薄膜，尺寸在0.1-10微米的大颗粒缺陷就像PM2.5对空气质量的污染一样，对薄膜的质量和性能有着严重的危害。随着薄膜材料和薄膜技术应用的日益广泛，大颗粒缺陷问题的解决与否成为电弧离子镀方法进一步发展的瓶颈，严重制约了其在新一代薄膜材料制备中的应用。
目前，为了解决电弧离子镀方法在使用低熔点的纯金属或多元合金材料易产生大颗粒缺陷问题，目前主要采用磁过滤的办法过滤掉大颗粒，如中国专利用于材料表面改性的等离子体浸没离子注入装置（公开号：CN1150180，公开日期：1997年5月21日）中采用90°磁过滤弯管对脉冲阴极弧的大颗粒进行过滤，美国学者Anders等人(Anders S, Anders A,Dickinson M R, MacGill R A, Brown I G. S-shaped magnetic macroparticle filterfor cathodic arc deposition [J]. IEEE Trans Plasma Sci, 1997, 25(4): 670-674.)和河南大学的张玉娟等(张玉娟, 吴志国, 张伟伟等. 磁过滤等离子体制备TiN薄膜中沉积条件对薄膜织构的影响. 中国有色金属学报. 2004, 14(8): 1264-1268.)在文章中制作了“S”磁过滤弯管对阴极弧的大颗粒进行过滤，还有美国学者Anders等人（AndersA, MacGill R A. Twist filter for the removal of macroparticles from cathodicarc plasmas [J]. Surf Coat Tech, 2000, 133-134: 96-100.）提出的Twist filter的磁过滤，上海交通大学的戴华提出了可调开放式单通道和双通道电磁线圈过滤器（戴华.真空阴极电弧离子镀层中宏观颗粒去除技术研究 [D]; 上海交通大学, 2009），这些方法虽然在过滤和消除大颗粒方面有一定效果，但是等离子体的传输效率损失严重，使离子流密度大大降低。基于即能过滤大颗粒又能保证效率的基础上，中国专利真空阴极弧直管过滤器(公开号：CN1632905，公开日期：2005年6月29日)中提出直管过滤的方法，但是这又降低了过滤效果。总之，相关的研究人员通过对比各种磁过滤方法（Anders A. Approachesto rid cathodic arc plasmas of macro- and nanoparticles: a review [J]. SurfCoat Tech, 1999, 120-121319-330.和Takikawa H, Tanoue H. Review of cathodicarc deposition for preparing droplet-free thin films [J]. IEEE Trans PlasmaSci, 2007, 35(4): 992-999.）发现电弧离子镀等离子体通过磁过滤装置后保持高的传输效率和消除大颗粒非常难以兼顾，严重影响着该技术在优质薄膜沉积中的应用。另外在基体上采用偏压的电场抑制方法，当基体上施加负偏压时，电场将对带负电的大颗粒产生排斥作用，进而减少薄膜表面大颗粒缺陷的产生。德国学者Olbrich等人（Olbrich W,Fessmann J, Kampschulte G, Ebberink J. Improved control of TiN coatingproperties using cathodic arc evaporation with a pulsed bias [J]. Surf CoatTech, 1991, 49(1-3): 258-262.和Fessmann J, Olbrich W, Kampschulte G, EbberinkJ. Cathodic arc deposition of TiN and Zr(C, N) at low substrate temperatureusing a pulsed bias voltage [J]. Mat Sci Eng A, 1991, 140: 830-837.）采用脉冲偏压来取代传统的直流偏压，形成了一种新的物理气相沉积技术——脉冲偏压电弧离子镀技术，不但大大减少了薄膜表面大颗粒的数目，还克服了传统直流偏压引起的基体温度过高、薄膜内应力较大等问题。大连理工大学的林国强等人（林国强. 脉冲偏压电弧离子镀的工艺基础研究 [D]. 大连理工大学, 2008.和黄美东, 林国强, 董闯, 孙超, 闻立时. 偏压对电弧离子镀薄膜表面形貌的影响机理 [J]. 金属学报, 2003, 39(5): 510-515.）针对脉冲偏压引起大颗粒缺陷减少的机理进行了深入分析，通过对脉冲偏压幅值、频率和脉冲宽度等工艺参数的调整，可以改善电弧等离子体的鞘层运动特性，减少薄膜表面的大颗粒缺陷数目，提高薄膜的质量，在实际的生产中被广泛应用，但是仍不能完全消除大颗粒缺陷。国内学者（魏永强, 宗晓亚, 蒋志强, 文振华, 陈良骥. 多级磁场直管磁过滤与脉冲偏压复合的电弧离子镀方法, 公开号：CN103276362A，公开日期：2013年9月4日）提出了多级磁场直管磁过滤与脉冲偏压复合的电弧离子镀方法，通过多级磁场过滤装置来消除大颗粒缺陷并提升等离子体的传输效率，但是管内壁的污染问题和管内壁上等离子体的损失没有得到很好的解决，后期相关学者（魏永强, 宗晓亚, 侯军兴, 刘源, 刘学申, 蒋志强,符寒光. 内衬偏压直管的多级磁场电弧离子镀方法, 公开号：CN105925940A，公开日期：2016年9月7日）提出了内衬偏压直管的多级磁场电弧离子镀方法来解决对管内壁的污染问题。还有学者采用双层挡板装置（Zhao Y, Lin G, Xiao J, Lang W, Dong C, Gong J,Sun C. Synthesis of titanium nitride thin films deposited by a new shieldedarc ion plating [J]. Appl Surf Sci, 2011, 257(13): 5694-5697.），研究了挡板间距对薄膜表面形貌、大颗粒清除效果及沉积速率的影响规律。还有学者（张涛, 侯君达, 刘志国, 张一聪. 磁过滤的阴极弧等离子体源及其薄膜制备[J]. 中国表面工程, 2002, 02):11-15+20-12.）借鉴Bilek板的方法（Bilek M M M, Yin Y, McKenzie D R, Milne W I AM W I. Ion transport mechanisms in a filtered cathodic vacuum arc (FCVA)system [C]. Proceedings of the Discharges and Electrical Insulation inVacuum, 1996 Proceedings ISDEIV, XVIIth International Symposium on, 1996:962-966），在90度弯管磁过滤装置的弯管上施加正偏压来提高等离子体的传输效率。
发明内容
本发明目的是为了解决传统电弧离子镀方法采用高熔点靶材、低熔点的纯金属或多元合金材料和非金属材料（比如石墨）作为靶材易产生大颗粒缺陷、弯曲型磁过滤技术引起电弧等离子体传输效率低、靶材元素使用限制、靶材均匀烧蚀、薄膜沉积致密度及缺陷问题、真空室空间及沉积位置限制、工件形状限制及不同靶材在多级磁场装置中残留物二次溅射引起的薄膜成分污染等问题，结合多级磁场过滤方法和内衬偏压锥形管装置自身形状约束的机械屏蔽及偏压电场吸引的复合作用来消除电弧等离子体中含有的大颗粒缺陷，同时保证电弧等离子体以较高的传输效率通过内衬偏压锥形管装置和多级磁场过滤装置，再利用活动线圈装置控制从多级磁场装置和内衬偏压锥形管装置传输出来的电弧等离子体在真空室中的传输方向，实现对真空室内任意位置基体工件表面的薄膜沉积和薄膜成分的控制调节，克服由于真空室空间和靶源布局设计引起的沉积位置限制或者基体形状限制引起的薄膜沉积不均匀问题，彻底清除从多级磁场装置和内衬偏压锥形管装置中传输出来的电弧等离子体中有可能残留的大颗粒缺陷，使工件表面在施加负偏压的情况下调节离子能量，制备连续、致密的优质薄膜，同时实现对薄膜中靶材元素含量添加控制、降低使用合金靶的生产成本、提高电弧等离子体的传输效率、增加薄膜的沉积速度和减少甚至消除大颗粒缺陷对薄膜微观结构、连续致密沉积和使用性能的不利影响，提出了一种组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀。
本发明所使用的装置包括偏压电源（1）、弧电源（2）、电弧离子镀靶源（3）、多级磁场装置（4）、多级磁场电源（5）、内衬偏压锥形管装置（6）、内衬偏压电源（7）、活动线圈装置（8）、活动线圈装置电源（9）、变阻器装置（10）、样品台（11）、偏压电源波形示波器（12）和真空室（13）；
该装置中：
待处理基体工件置于真空室（13）内的样品台（11）上，多级磁场装置（4）、内衬偏压锥形管装置（6）、活动线圈装置（8）和真空室（13）之间相互绝缘，工件放置在样品台（11），样品台（11）接偏压电源（1）的负极输出端，电弧离子镀靶源（3）安装在真空室（13）上，接弧电源（2）的负极输出端，多级磁场装置（4）的各级磁场接多级磁场电源（5）的各个输出端，正负极接法可以依据输出磁场方向进行确定，内衬偏压锥形管装置（6）接内衬偏压电源（7）的正极输出端，活动线圈装置（8）通过法兰口上的正负极输入端连接活动线圈装置电源（9），变阻器装置（10）与活动线圈装置（8）串联，接入与活动线圈装置电源（9）的回路中，开启电源总控制开关和外部水冷循环系统；
薄膜沉积：将真空室（13）内抽真空，待真空室（13）内的真空度小于10-4Pa时，通入工作气体至0.01Pa～10Pa，开启偏压电源（1）和偏压电源波形示波器（12），偏压电源（1）可以为直流、单脉冲、多脉冲、直流脉冲复合或双极性脉冲偏压，输出的偏压幅值，脉冲频率和脉冲宽度调节，偏压电源（1）输出脉冲的峰值电压值为0～1.2kV，脉冲频率为0Hz～80kHz，脉冲宽度1~90%，工作电流0~400A，最大输出功率200kW；
开启弧电源（2），通过电弧的弧斑运动对电弧离子镀靶源（3）的表面进行清洗，调节需要的工艺参数，弧电源（2）输出的电流值为10~300A，最大输出功率12kW；
通过多级磁场电源（5）调节多级磁场装置（4），保持电弧等离子体在电弧离子镀靶源（3）稳定产生和对大颗粒缺陷进行过滤消除，保证靶材烧蚀的均匀性，提高靶材的利用效率，使电弧等离子体以较高的传输效率通过多级磁场装置（4），多级磁场装置（4）采用表面绝缘的紫铜线，依据通过电流和磁场强度确定线的直径和匝数，多级磁场电源（5）向各级磁场分别独立供电，实现各级磁场的独立可调，装置结构确定后，通过多级磁场电源（5）的输出电流来调节多级磁场装置（4）输出的各级磁场方向和强度；
内衬偏压锥形管装置（6）可以配合多级磁场装置（4）设计1级锥形管、2级锥形管、3级锥形管或者4级锥形管的结构和进出口布局，进口处锥形管的内径D 进大于电弧离子镀靶源（3）的外径，各级锥形管外径都小于多级磁场装置（4）的内径，每级锥形管之间通过无磁性的铆钉连接固定，便于拆解组装和清理污染物，内衬偏压锥形管装置（6）与多级磁场装置（4）之间活动绝缘装配在一起，可以视表面污染程度及时拆卸清理和安装，避免了无衬板状态下多级磁场装置（4）的管内壁污染和难于清理的问题，以及有效避免靶材更换后对多级磁场装置内壁表面污染物的二次溅射引起薄膜成分的污染；内衬偏压锥形管装置（6）的总长度H和多级磁场装置（4）的长度相同，根据不同靶材和工艺参数选择内衬偏压锥形管装置（6）的配置方案，利用自身形状约束的机械屏蔽作用实现对大颗粒的清除效果；
多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管装置（6）的材料选择无磁性、耐清理的304不锈钢材料，多级磁场装置（4）依据靶材的直径、冷却、传输距离来确定长度、内外径、厚度、磁场匝数和方向，内衬偏压锥形管装置（6）根据多级磁场装置（4）内径和电弧离子镀靶源（3）的外径确定进出口位置处锥形管的外径和内径，再根据长度和刚度需要选择合适的厚度，按照实际设计参数加工即可；
开启内衬偏压电源（7），内衬偏压锥形管装置（6）保持直流、单脉冲、多脉冲、直流脉冲复合或双极性脉冲偏压，其中单脉冲、多脉冲或双极性脉冲偏压类型可以调节脉冲频率、脉冲宽度和脉冲类型，输出电压的调整保证内衬偏压锥形管装置（6）对大颗粒进行吸引，对沉积离子进行排斥，减少电弧等离子体在管内传输过程中的损耗，降低甚至消除电弧等离子体中的大颗粒缺陷，提高电弧等离子体的传输效率和薄膜的沉积速度，内衬偏压电源（7）的电压参数为-200 ~ +200V，为直流、单脉冲、多脉冲、直流脉冲复合或双极性脉冲电源，其中脉冲类型可以调节脉冲频率、脉冲宽度和脉冲类型，在沉积过程中对大颗粒缺陷产生周期性或者持续稳定的吸引，大大减少大颗粒通过多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管装置（6）的机率；
开启活动线圈装置电源（9），调节活动线圈装置（8）的输入电流，同时实现对磁场方向和磁场强度的调节，活动线圈装置（8）的线圈匝数、线圈间距、形状和传输路径等调节来控制从多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管装置（6）传输出来的电弧等离子体，利用活动线圈装置的形状和磁场磁力线布局、方向的配合，活动线圈可以采用经典的90度弯曲型，也可以采用直线和弯曲、弯曲和直线组合（直线部分的磁力线与弯曲部分的磁力线相切、相交），直线和直线组合（两段直线部分的磁力线相交），直线、圆弧和直线的组合（三段相交和相切的组合）以及圆弧、直线和圆弧的组合（三者之间相切和相交）等典型的线圈结构组合，其中的圆弧和直线部分根据空间位置和传输路径的需要进行确定，使其以较高的传输效率到达基体表面，克服由于真空室空间和靶源布局设计引起的沉积位置限制或者基体形状限制引起的薄膜沉积不均匀问题，进行薄膜的快速沉积；调节变阻器装置（10）的输出电阻，实现活动线圈装置（8）上的正偏压变化，正偏压产生的电场可以实现对多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管装置（6）中传输出来的电弧等离子体中电子和残余大颗粒的吸引，进而增加活动线圈装置（8）中输出的电弧等离子体的离子数目增加，提升电弧等离子体在活动线圈装置（8）中的传输效率，消除残余的大颗粒缺陷；活动线圈装置（8）选择低电阻的紫铜管，铜管的直径、厚度和长度依据活动线圈装置（8）的匝数、线圈通道直径、线圈形状、线圈匝间距、真空室大小、电弧等离子体的传输路径和传输距离来确定；活动线圈装置电源（9）的正负极依据磁场强度、方向和冷却系统向活动线圈装置（8）提供合适的电流，电流的输入范围为0~2000A，保证整个真空系统的稳定性和活动线圈装置（8）输出合适的磁场，使电弧等离子体按照活动线圈装置（8）设定的路径传输，保证对残余的大颗粒清除的同时以高的传输效率达到基体表面，避免电弧等离子体在真空室（13）中损失，实现薄膜的快速沉积；
电弧离子镀靶源（3）、多级磁场装置（4）和活动线圈装置（8）采用直接水冷方式，避免工作过程中的温度升高问题，有外部水冷机系统提供足够的冷却水流量和冷却温度，来保证整个真空系统的正常运行。
根据薄膜制备的需要，调整相关的工艺参数进行纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜制备。
本发明的优点：a. 利用活动线圈装置的形状和磁场磁力线布局、方向的配合，活动线圈可以采用经典的90度弯曲型，也可以采用直线和弯曲、弯曲和直线组合（直线部分的磁力线与弯曲部分的磁力线相切、相交），直线和直线组合（两段直线部分的磁力线相交），直线、圆弧和直线的组合（三段相交和相切的组合）以及圆弧、直线和圆弧的组合（三者之间相切和相交）等典型的线圈结构组合，其中的圆弧和直线部分根据空间位置和传输路径的需要进行确定，实现对电弧等离子体传输路径的有效控制，对从多级磁场装置和内衬偏压锥形管装置中残余的大颗粒缺陷的进一步清除，减少电弧等离子体在真空室传输过程中的损耗，通过活动线圈磁场的引导，进一步提高电弧等离子体的传输效率和薄膜的沉积速度，可以在真空室的最佳位置实现薄膜的制备，还可以通过变阻器装置，调节活动线圈的串联电阻值，实现对活动线圈自身正偏压参数的调整，实现对电弧等离子体中的电子和残余大颗粒的吸引，来提升电弧等离子体在活动线圈中的传输效率，消除残余的大颗粒缺陷，克服由于真空室空间和靶源布局设计引起的沉积位置限制或者基体形状限制引起的薄膜沉积不均匀问题，增加薄膜的沉积速度；b.多级磁场过滤装置可以通过磁场的约束保证电弧在靶材表面的稳定运动，产生持续的电弧等离子体，并通过多级磁场的磁力线使电弧等离子体在多级磁场装置中的高效传输，还改变电弧等离子体和大颗粒缺陷的运动路径来实现两者的分离，进一步减少甚至消除电弧等离子体中的大颗粒缺陷；c.内衬偏压锥形管装置通过可以施加直流、脉冲或直流脉冲复合的正偏压，对大颗粒进行持续或周期性的有效吸引，对沉积离子进行持续或周期性的排斥，也可以通过正负偏压的双极性脉冲振荡，减少等离子体在管内传输过程中的损耗，进一步提高电弧等离子体的传输效率和薄膜的沉积速度；d. 内衬偏压锥形管装置根据多级磁场装置的内径和电弧离子镀靶源的外径确定锥形管的外径和内径，根据长度和刚度需要选择合适的厚度，通过自身形状约束的机械屏蔽作用限制大颗粒缺陷的运动路径，来消除电弧等离子体中的大颗粒缺陷，实现对大颗粒缺陷的清除效果，内衬偏压锥形管装置灵活拆卸，清理方便，避免了无衬板状态下多级磁场装置的管内壁污染清理的问题，可以有效避免靶材更换后，不同靶材对多级磁场装置内壁污染物的二次溅射引起薄膜成分的污染；e.脉冲偏压电源通过调整脉冲类型、脉冲幅值、脉冲宽度和脉冲频率，利用电场的抑制排斥效应实现对残留的大颗粒缺陷进行消除和对电弧等离子体能量的调节优化；f.所制备薄膜的微观结构和性能可以通过脉冲偏压参数进行调整，利用脉冲偏压的类型、幅值、脉冲宽度和频率实现高能离子对薄膜生长的钉扎效应，改善薄膜生长的晶体组织和应力状态，提高结合强度，改善薄膜的使用性能；g.通过利用组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀所制备的薄膜，消除了薄膜中的大颗粒缺陷，减少了电弧等离子体在过滤装置和真空室中的损耗，提高了电弧等离子体的使用效率，实现薄膜的快速制备，并可以保证薄膜晶体组织和微观结构更加致密，有利于进一步提高薄膜的使用性能。
组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀，该装置可以单套或者多套组合，并结合多级磁场装置（4）、内衬偏压锥形管装置（6）和活动线圈装置（8）的多种类型组合，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的薄膜，也可以采用单套或多套该装置并结合采用传统直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、传统电弧离子镀和脉冲阴极弧与直流偏压、脉冲偏压或直流脉冲复合偏压装置，实现两种或者两种以上沉积方式的复合来进行薄膜沉积，制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜。
附图说明
图1是本发明组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀的装配简图；图2是活动线圈的7种结构布局；图3是内衬偏压锥形管装置的结构简图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1、2和3说明本实施方式，本实施方式组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀所使用装置包括偏压电源（1）、弧电源（2）、电弧离子镀靶源（3）、多级磁场装置（4）、多级磁场电源（5）、内衬偏压锥形管装置（6）、内衬偏压电源（7）、活动线圈装置（8）、活动线圈装置电源（9）、变阻器装置（10）、样品台（11）、偏压电源波形示波器（12）和真空室（13）；
该装置中：
待处理基体工件置于真空室（13）内的样品台（11）上，多级磁场装置（4）、内衬偏压锥形管装置（6）、活动线圈装置（8）和真空室（13）之间相互绝缘，工件放置在样品台（11），样品台（11）接偏压电源（1）的负极输出端，电弧离子镀靶源（3）安装在真空室（13）上，接弧电源（2）的负极输出端，多级磁场装置（4）的各级磁场接多级磁场电源（5）的各个输出端，正负极接法可以依据输出磁场方向进行确定，内衬偏压锥形管装置（6）接内衬偏压电源（7）的正极输出端，活动线圈装置（8）通过法兰口上的正负极输入端连接活动线圈装置电源（9），开启外部水冷循环系统和电源总控制开关；
薄膜沉积：将真空室（13）内抽真空，待真空室（13）内的真空度小于10-4Pa时，通入工作气体至0.01Pa～10Pa，开启偏压电源（1）和偏压电源波形示波器（12），偏压电源（1）可以为直流、单脉冲、多脉冲、直流脉冲复合或双极性脉冲偏压，输出的偏压幅值，脉冲频率和脉冲宽度调节，偏压电源（1）输出脉冲的峰值电压值为0～1.2kV，脉冲频率为0Hz～80kHz，脉冲宽度1~90%，工作电流0~400A，最大输出功率200kW；
开启弧电源（2），通过电弧的弧斑运动对电弧离子镀靶源（3）的表面进行清洗，调节需要的工艺参数，弧电源（2）输出的电流值为10~300A，最大输出功率12kW；
通过多级磁场电源（5）调节多级磁场装置（4），保持电弧等离子体在电弧离子镀靶源（3）稳定产生和对大颗粒缺陷进行过滤消除，保证靶材烧蚀的均匀性，提高靶材的利用效率，使电弧等离子体以较高的传输效率通过多级磁场装置（4），多级磁场装置（4）采用表面绝缘的紫铜线，依据通过电流和磁场强度确定线的直径和匝数，多级磁场电源（5）向各级磁场分别独立供电，实现各级磁场的独立可调，装置结构确定后，通过多级磁场电源（5）的输出电流来调节多级磁场装置（4）输出的各级磁场方向和强度；
内衬偏压锥形管装置（6）可以配合多级磁场装置（4）设计1级锥形管、2级锥形管、3级锥形管或者4级锥形管的结构和进出口布局，进口处锥形管的内径D 进大于电弧离子镀靶源（3）的外径，各级锥形管外径都小于多级磁场装置（4）的内径，每级锥形管之间通过无磁性的铆钉连接固定，便于拆解组装和清理污染物，内衬偏压锥形管装置（6）与多级磁场装置（4）之间活动绝缘装配在一起，可以视表面污染程度及时拆卸清理和安装，避免了无衬板状态下多级磁场装置（4）的管内壁污染和难于清理的问题，以及有效避免靶材更换后对多级磁场装置内壁表面污染物的二次溅射引起薄膜成分的污染；内衬偏压锥形管装置（6）的总长度H和多级磁场装置（4）的长度相同，根据不同靶材和工艺参数选择内衬偏压锥形管装置（6）的配置方案，实现利用自身形状约束的机械屏蔽作用实现对大颗粒的清除效果（如图3所示）；
多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管装置（6）的材料选择无磁性、耐清理的304不锈钢材料，多级磁场装置（4）依据靶材的直径、冷却、传输距离来确定长度、内外径、厚度、磁场匝数和方向，内衬偏压锥形管装置（6）根据多级磁场装置（4）内径和电弧离子镀靶源（3）的外径确定进出口位置处锥形管的外径和内径，再根据长度和刚度需要选择合适的厚度，按照实际设计参数加工即可；
开启内衬偏压电源（7），内衬偏压锥形管装置（6）保持直流、单脉冲、多脉冲、直流脉冲复合或双极性脉冲偏压，其中单脉冲、多脉冲或双极性脉冲偏压类型可以调节脉冲频率、脉冲宽度和脉冲类型，输出电压的调整保证内衬偏压锥形管装置（6）对大颗粒进行吸引，对沉积离子进行排斥，减少电弧等离子体在管内传输过程中的损耗，降低甚至消除电弧等离子体中的大颗粒缺陷，提高电弧等离子体的传输效率和薄膜的沉积速度，内衬偏压电源（7）的电压参数为-200 ~ +200V，为直流、单脉冲、多脉冲、直流脉冲复合或双极性脉冲电源，其中脉冲类型可以调节脉冲频率、脉冲宽度和脉冲类型，在沉积过程中对大颗粒缺陷产生周期性或者持续稳定的吸引，大大减少大颗粒通过多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管装置（6）的机率；
开启活动线圈装置电源（9），调节活动线圈装置（8）的输入电流，实现对磁场方向和磁场强度的调节，活动线圈装置（8）的线圈匝数、线圈间距、形状和传输路径等调节来控制从多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管装置（6）传输出来的电弧等离子体，利用活动线圈装置的形状和磁场磁力线布局、方向的配合（如图1-2所示），活动线圈可以采用经典的90度弯曲型，也可以采用直线和弯曲、弯曲和直线组合（直线部分的磁力线与弯曲部分的磁力线相切、相交），直线和直线组合（两段直线部分的磁力线相交），直线、圆弧和直线的组合（三段相交和相切的组合）以及圆弧、直线和圆弧的组合（三者之间相切和相交）等典型的线圈结构组合，其中的圆弧和直线部分根据空间位置和传输路径的需要进行确定，使其以较高的传输效率到达基体表面，克服由于真空室空间和靶源布局设计引起的沉积位置限制或者基体形状限制引起的薄膜沉积不均匀问题，进行薄膜的快速沉积；变阻器装置（10）调节输出电阻，实现活动线圈装置（8）上的正偏压变化，正偏压产生的电场可以实现对多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管装置（6）中传输出来的电弧等离子体中电子和残余大颗粒的吸引，进而增加活动线圈装置（8）中输出的电弧等离子体的离子数目增加，提升电弧等离子体在活动线圈装置（8）中的传输效率，消除残余的大颗粒缺陷；活动线圈装置（8）选择低电阻的紫铜管，铜管的直径、厚度和长度依据活动线圈装置（8）的匝数、线圈通道直径、线圈形状、线圈匝间距、真空室大小、电弧等离子体的传输路径和传输距离来确定；活动线圈装置电源（9）的正负极依据磁场强度、方向和冷却系统向活动线圈装置（8）提供合适的电流，电流的输入范围为0~2000A，保证整个真空系统的稳定性和活动线圈装置（8）输出合适的磁场，使电弧等离子体按照活动线圈装置（8）设定的路径传输，保证对残余的大颗粒清除的同时以高的传输效率达到基体表面，避免电弧等离子体在真空室（13）中损失，实现薄膜的快速沉积；
电弧离子镀靶源（3）、多级磁场装置（4）和活动线圈装置（8）采用直接水冷方式，避免工作过程中的温度升高问题，有外部水冷机系统提供足够的冷却水流量和冷却温度，来保证整个真空系统的正常运行。
偏压电源（1）的输出波形为直流、单脉冲、直流脉冲复合、多脉冲复合或双极性脉冲。
弧电源（2）的输出直流、单脉冲、直流脉冲复合或多脉冲复合。
电弧离子镀靶源（3）采用高熔点靶材、低熔点的纯金属或多元合金材料和非金属材料（比如石墨），可以使用单个靶、多个靶或复合靶，进行纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜、多元多层、超晶格、具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜。
工作气体选用氩气，或工作气体选用氮气、乙炔、甲烷、硅烷或氧气中一种或多种的混合气体，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜、多元多层、超晶格、具有纳米多层或梯度结构的薄膜。
组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀，利用活动线圈装置的形状和磁场磁力线布局、方向的配合，实现对电弧等离子体传输路径的有效控制，利用活动线圈装置的形状和磁场磁力线布局、方向的配合，活动线圈可以采用经典的90度弯曲型，也可以采用直线和弯曲、弯曲和直线组合（直线部分的磁力线与弯曲部分的磁力线相切、相交），直线和直线组合（两段直线部分的磁力线相交），直线、圆弧和直线的组合（三段相交和相切的组合）以及圆弧、直线和圆弧的组合（三者之间相切和相交）等典型的线圈结构组合，其中的圆弧和直线部分根据空间位置和传输路径的需要进行确定，对从多级磁场装置和内衬偏压锥形管装置中残余的大颗粒缺陷的进一步清除，减少等离子体在真空室传输过程中的损耗，通过活动线圈磁场的引导，进一步提高电弧等离子体的传输效率和薄膜的沉积速度，克服由于真空室空间和靶源布局设计引起的沉积位置限制或者基体形状限制引起的薄膜沉积不均匀问题，可以在真空室的最佳位置实现薄膜的制备，还可以通过变阻器装置，调节活动线圈的串联电阻值，实现对活动线圈自身正偏压参数的调整，实现对电弧等离子体中的电子和残余大颗粒的吸引，来提升电弧等离子体在活动线圈中的传输效率，消除残余的大颗粒缺陷，增加薄膜的沉积速度；利用多级磁场过滤装置的通过磁场约束保证电弧在靶材表面的稳定运动，产生持续的电弧等离子体，并通过多级磁场的磁力线使电弧等离子体在多级磁场装置中的高效传输，还改变电弧等离子体和大颗粒缺陷的运动路径来实现两者的分离，进一步减少甚至消除电弧等离子体中的大颗粒缺陷；利用内衬偏压锥形管装置施加直流、脉冲或直流脉冲复合的正偏压，对大颗粒进行持续或周期性的有效吸引，有效避免低熔点材料所产生的大颗粒问题，对沉积离子进行持续或周期性的排斥，也可以通过正负偏压的双极性脉冲振荡，减少等离子体在管内传输过程中的损耗，进一步提高电弧等离子体的传输效率和薄膜的沉积速度，内衬偏压锥形管装置可以通过自身形状，根据多级磁场装置的内径和电弧离子镀靶源的外径确定锥形管的外径和内径，根据长度和刚度需要选择合适的厚度，通过自身形状约束的机械屏蔽作用限制大颗粒缺陷的运动路径，来消除电弧等离子体中的大颗粒缺陷，减少大颗粒通过内衬偏压锥形管装置到达沉积样品表面的概率；内衬偏压锥形管装置灵活拆卸，清理方便，避免了无衬板状态下多级磁场装置的管内壁污染清理的问题，可以有效避免靶材更换后，不同靶材对多级磁场装置内壁表面污染物的二次溅射引起薄膜成分的污染；脉冲偏压电源通过调整脉冲类型、脉冲幅值、脉冲宽度和脉冲频率，利用电场的抑制排斥效应实现对残留的大颗粒缺陷进行消除和对电弧等离子体能量的调节优化，改善基体附近等离子体的区间电势分布，充分吸引电弧等离子体向工件运动，实现薄膜的快速沉积；所制备薄膜的微观结构和性能可以通过脉冲偏压参数进行调整，利用脉冲偏压的类型、幅值、脉冲宽度和频率实现高能离子对薄膜生长的钉扎效应，改善薄膜生长的晶体组织和应力状态，提高结合强度，改善薄膜的使用性能；同时还利用电弧离子镀技术的产生稳定持续、离化率高的金属等离子体，有利于高离化率离子在工件表面的化学合成反应，制备不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜、多元多层、超晶格和具有梯度结构的薄膜或纯金属薄膜；通过利用组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀所制备的薄膜，消除了薄膜中的大颗粒缺陷，减少了电弧等离子体在过滤装置和真空室中的损耗，避免了不同靶材更换引起的内衬锥形管表面残余物对薄膜的污染，提高了电弧等离子体的使用效率，实现薄膜的快速制备，利用脉冲偏压优化了电弧等离子体的能量分布，并可以保证薄膜晶体组织和微观结构更加致密，有利于进一步提高薄膜的使用性能。
具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，该装置还可实现另外功能：可以结合传统直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、传统电弧离子镀和脉冲阴极弧的一种或者两种以上方法组合，再在工件上施加直流偏压、脉冲偏压、直流脉冲复合偏压或双极性脉冲偏压装置进行薄膜沉积，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式二的不同之处在于，组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀连接，开启弧电源（2），开启多级磁场电源（5）调节多级磁场装置（4），开启内衬偏压电源（7），内衬偏压锥形管装置（6）保持直流正偏压，开启偏压电源（1），开启活动线圈装置电源（9）调节活动线圈装置（8），调节变阻器装置（10）的输出电阻，工艺参数调整，进行薄膜沉积，制备具有不同应力状态、微观结构和元素比例的多层结构薄膜，其他与实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀连接，开启弧电源（2），开启多级磁场电源（5）调节多级磁场装置（4），开启内衬偏压电源（7），内衬偏压锥形管装置（6）保持直流正偏压，开启偏压电源（1），开启活动线圈装置电源（9）调节活动线圈装置（8），调节变阻器装置（10）的输出电阻，工艺参数调整，进行薄膜沉积，并结合传统直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、传统电弧离子镀和脉冲阴极弧的一种或者两种以上方法组合，再在工件上施加直流偏压、脉冲偏压、直流脉冲复合偏压或双极性脉冲偏压装置进行薄膜沉积，其他与实施方式二相同。
具体实施方式五：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，可以使用2套或者以上的电弧离子镀靶源（3）、多级磁场装置（4）、内衬偏压锥形管装置（6）和活动线圈装置（8）组合的组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀进行以各种纯金属元素和多元合金材料为靶材的薄膜沉积，并结合传统直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、传统电弧离子镀和脉冲阴极弧的一种或者两种以上方法组合，再在工件上施加直流偏压、脉冲偏压或直流脉冲复合偏压装置进行薄膜沉积，制备具有不同应力状态、微观结构和元素比例的多层结构薄膜。

Claims (5)

1.组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀，其特征在于，该装置包括偏压电源（1）、弧电源（2）、电弧离子镀靶源（3）、多级磁场装置（4）、多级磁场电源（5）、内衬偏压锥形管装置（6）、内衬偏压电源（7）、活动线圈装置（8）、活动线圈装置电源（9）、变阻器装置（10、）样品台（11）、偏压电源波形示波器（12）和真空室（13）；
该装置中：
待处理基体工件置于真空室（13）内的样品台（11）上，多级磁场装置（4）、内衬偏压锥形管装置（6）、活动线圈装置（8）和真空室（13）之间相互绝缘，工件放置在样品台（11），样品台（11）接偏压电源（1）的负极输出端，电弧离子镀靶源（3）安装在真空室（13）上，接弧电源（2）的负极输出端，多级磁场装置（4）的各级磁场接多级磁场电源（5）的各个输出端，正负极接法依据输出磁场方向进行确定，内衬偏压锥形管装置（6）接内衬偏压电源（7）的正极输出端，活动线圈装置（8）通过法兰口上的正负极输入端连接活动线圈装置电源（9），变阻器装置（10）与活动线圈装置（8）串联，接入与活动线圈装置电源（9）的回路中，开启电源总控制开关和外部水冷循环系统；
薄膜沉积：将真空室（13）内抽真空，待真空室（13）内的真空度小于10-4Pa时，通入工作气体至0.01Pa～10Pa，开启偏压电源（1）和偏压电源波形示波器（12），偏压电源（1）为直流、单脉冲、多脉冲、直流脉冲复合或双极性脉冲偏压，输出的偏压幅值，脉冲频率和脉冲宽度调节，偏压电源（1）输出脉冲的峰值电压值为0～1.2kV，脉冲频率为0Hz～80kHz，脉冲宽度1~90%，工作电流0~400A，最大输出功率200kW；
开启弧电源（2），通过电弧的弧斑运动对电弧离子镀靶源（3）的表面进行清洗，调节需要的工艺参数，弧电源（2）输出的电流值为10~300A，最大输出功率12kW；
通过多级磁场电源（5）调节多级磁场装置（4），保持电弧等离子体在电弧离子镀靶源（3）稳定产生和对大颗粒缺陷进行过滤消除，保证靶材烧蚀的均匀性，提高靶材的利用效率，使电弧等离子体以较高的传输效率通过多级磁场装置（4），多级磁场装置（4）采用表面绝缘的紫铜线，依据通过电流和磁场强度确定线的直径和匝数，多级磁场电源（5）向各级磁场分别独立供电，实现各级磁场的独立可调，装置结构确定后，通过多级磁场电源（5）的输出电流来调节多级磁场装置（4）输出的各级磁场方向和强度；
内衬偏压锥形管装置（6）可以配合多级磁场装置（4）设计1级锥形管、2级锥形管、3级锥形管或者4级锥形管的结构和进出口布局，进口处锥形管的内径D 进大于电弧离子镀靶源（3）的外径，各级锥形管外径都小于多级磁场装置（4）的内径，每级锥形管之间通过无磁性的铆钉连接固定，便于拆解组装和清理污染物，内衬偏压锥形管装置（6）与多级磁场装置（4）之间活动绝缘装配在一起，可以视表面污染程度及时拆卸清理和安装，避免了无衬板状态下多级磁场装置（4）的管内壁污染和难于清理的问题，以及有效避免靶材更换后对多级磁场装置内壁表面污染物的二次溅射引起薄膜成分的污染；内衬偏压锥形管装置（6）的总长度H和多级磁场装置（4）的长度相同，根据不同靶材和工艺参数选择内衬偏压锥形管装置（6）的配置方案，实现利用自身形状约束的机械屏蔽作用实现对大颗粒的清除效果；
多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管装置（6）的材料选择无磁性、耐清理的304不锈钢材料，多级磁场装置（4）依据靶材的直径、冷却、传输距离来确定长度、内外径、厚度、磁场匝数和方向，内衬偏压锥形管装置（6）根据多级磁场装置（4）内径和电弧离子镀靶源（3）的外径确定进出口位置处锥形管的外径和内径，再根据长度和刚度需要选择合适的厚度，按照实际设计参数加工即可；
开启内衬偏压电源（7），内衬偏压锥形管装置（6）保持直流、单脉冲、多脉冲、直流脉冲复合或双极性脉冲偏压，其中单脉冲、多脉冲或双极性脉冲偏压类型通过调节脉冲频率、脉冲宽度和脉冲类型，输出电压的调整保证内衬偏压锥形管装置（6）对大颗粒进行吸引，对沉积离子进行排斥，减少电弧等离子体在管内传输过程中的损耗，降低甚至消除电弧等离子体中的大颗粒缺陷，提高电弧等离子体的传输效率和薄膜的沉积速度，内衬偏压电源（7）的电压参数为-200 ~ +200V，为直流、单脉冲、多脉冲、直流脉冲复合或双极性脉冲电源，其中脉冲类型可以调节脉冲频率、脉冲宽度和脉冲类型，在沉积过程中对大颗粒缺陷产生周期性或者持续稳定的吸引，大大减少大颗粒通过多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管装置（6）的机率；
开启活动线圈装置电源（9），调节活动线圈装置（8）的输入电流，同时实现对磁场方向和磁场强度的调节，活动线圈装置（8）的线圈匝数、线圈间距、形状和传输路径等调节来控制从多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管装置（6）传输出来的电弧等离子体，利用活动线圈装置的形状和磁场磁力线布局、方向的配合，活动线圈可以采用经典的90度弯曲型，也可以采用直线和弯曲、弯曲和直线组合（直线部分的磁力线与弯曲部分的磁力线相切、相交），直线和直线组合（两段直线部分的磁力线相交），直线、圆弧和直线的组合（三段相交和相切的组合）以及圆弧、直线和圆弧的组合（三者之间相切和相交）等典型的线圈结构组合，其中的圆弧和直线部分根据空间位置和传输路径的需要进行确定，使其以较高的传输效率到达基体表面，克服由于真空室空间和靶源布局设计引起的沉积位置限制或者基体形状限制引起的薄膜沉积不均匀问题，进行薄膜的快速沉积；调节变阻器装置（10）的输出电阻，实现活动线圈装置（8）上的正偏压变化，正偏压产生的电场可以实现对多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管装置（6）中传输出来的电弧等离子体中电子和残余大颗粒的吸引，进而增加活动线圈装置（8）中输出的电弧等离子体的离子数目增加，提升电弧等离子体在活动线圈装置（8）中的传输效率，消除残余的大颗粒缺陷；活动线圈装置（8）选择低电阻的紫铜管，铜管的直径、厚度和长度依据活动线圈装置（8）的匝数、线圈通道直径、线圈形状、线圈匝间距、真空室大小、电弧等离子体的传输路径和传输距离来确定；活动线圈装置电源（9）的正负极依据磁场强度、方向和冷却系统向活动线圈装置（8）提供合适的电流，电流的输入范围为0~2000A，保证整个真空系统的稳定性和活动线圈装置（8）输出合适的磁场，使电弧等离子体按照活动线圈装置（8）设定的路径传输，保证对残余的大颗粒清除的同时以高的传输效率达到基体表面，避免电弧等离子体在真空室（13）中损失，实现薄膜的快速沉积；
电弧离子镀靶源（3）、多级磁场装置（4）和活动线圈装置（8）采用直接水冷方式，避免工作过程中的温度升高问题，有外部水冷机系统提供足够的冷却水流量和冷却温度，来保证整个真空系统的正常运行。
2.根据权利要求1所述的组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀，其特征在于，所使用装置还包括偏压电源波形示波器（12），显示偏压电源（1）发出的脉冲电压和电流波形，通过调整偏压电源（1）的输出波形，对从组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀中传输过来的镀膜离子进行有效吸引，进行样品表面薄膜的沉积和控制沉积靶材元素在薄膜中的比例，实现对等离子体能量的调节和有可能残留的大颗粒缺陷进行电场排斥清除。
3.根据权利要求1所述的组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀，其特征在于，该装置采用单套或者多套组合，并结合多级磁场装置（4）、内衬偏压锥形管装置（6）和活动线圈装置（8）的多种类型组合，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的薄膜。
4.根据权利要求1所述的组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀，其特征在于，采用单套或多套该装置并结合采用传统直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、传统电弧离子镀和脉冲阴极弧的一种或者两种以上方法组合，再在工件上施加直流偏压、脉冲偏压或直流脉冲复合偏压装置，实现两种或者两种以上沉积方式的复合来进行薄膜沉积，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的薄膜。
5.根据权利要求1所述的组合磁场与内衬偏压锥形管复合型过滤的电弧离子镀，其特征在于，工作气体选用氩气，或工作气体选用氮气、乙炔、甲烷、硅烷或氧气中一种或多种的混合气体，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的薄膜。
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