CN1103677A

CN1103677A - 大面积可控电弧蒸发源

Info

Publication number: CN1103677A
Application number: CN 94115583
Authority: CN
Inventors: 袁哲; 张树林; 王振全; 高仰之
Original assignee: BEIJING ELECTRIC STOVE FACTORY
Current assignee: BEIJING ELECTRIC STOVE FACTORY
Priority date: 1994-09-05
Filing date: 1994-09-05
Publication date: 1995-06-14

Abstract

一种大面积可控电弧蒸发源。大平面靶2固定在阴极座7上，两者之间有密封圈6。阴极座7与真空室24的法兰通于绝缘件5及密封圈8密封，阴极座7中设有多组电弧线圈16，盖板17固定在阴极座上。压板12用螺栓固连在真空室24的法兰上。电磁线圈16通过接线柱14接直流电源。大平面靶2 上同心装有异种材料的圆环靶19、20或装有小圆柱靶1。本发明的优点是通过控制电弧线圈中电流的变化控制磁场变化使靶材烧蚀均匀，并可镀制多种成分的膜层。

Description

本发明涉及物理气相沉积技术专利设备，尤其是一种大面积可控电弧蒸发源。

在工件上镀制耐磨的超硬薄膜，或在工艺制品上镀制仿金或其他装饰膜层，一般采用阴极电弧源镀膜设备，其工作原理如图1所示。将清洗好的工件装入真空室24的工件架25上，用真空设备通过抽气口26将真空室抽真空。需加热的工件通过加热器32加热。抽至一定真空后，接通主弧电源29、偏压电源28，接通引弧电源开关K1及引弧线圈30的电源开关K2。当电弧引起之后，关断K1、K2，通过进气口27通入工作气体（N2），并调节进气量，使之维持一定的真空度，这样在磁场电源31作用下，蒸发源2发出的金属离子与氮气反应，生成所需要的膜层覆盖在零件表面上。

目前，已有技术中的电弧蒸发源2多为直径60-75mm的小圆柱形电弧蒸发源，采用永久磁钢产生磁场维持电弧放电，其不足之处是：1、永久磁钢在靶面处产生磁场可调范围小，电弧放电区域基本固定不变，靶材烧蚀不均匀;2、电弧工作稳定性差，特别是在较高真空下不易维持电弧放电;3、对工件轰击、清洗、加热均匀性差;4、只能镀制单一成分的膜层。

针对上述所述的电弧蒸发源存在的问题，有人设计了多元素填充式组合靶，可以镀制出合金薄膜，但其磁场仍靠永久磁钢产生。（中国专利91217202.9）另外还有人设计了采用电磁控阴极电弧源的设备，主要解决了靶材烧蚀不均和靶材利用率不高的问题。但不能有效地控制使用同一蒸发源镀制多种成分，多种颜色的膜层问题（中国专利90100946.6）。

本发明的目的是提供一种放电性能稳定，靶材烧蚀均匀，对工件清洗、轰击、加热均匀，可镀制多种成分、多种颜色的膜层，电弧放电容易控制的大面积可控电弧蒸发源。

本发明是这样实现的：大面积可控电弧蒸发源包括大平面靶、阴极座、电磁线圈和接线柱。大平面靶通过压环及螺栓固定在阴极座上，两者之间有密封圈。阴极座与真空室法兰通过绝缘件及密封圈绝缘并密封。屏蔽罩固定在绝缘件上。屏蔽罩与大平面靶侧面保持1.5-2mm间隙。密封圈用绝缘挡环固定。阴极座通过绝缘垫靠压板压紧。压板用螺栓固定在真空室法兰上。电磁线圈固定在阴极座与大平面靶形成的水冷空间内。电磁线圈为多组同心绕制的圆形线圈。其组数与靶材尺寸大小对应。电磁线圈通过接线柱与直流电源相接。接线柱通过绝缘密封垫与盖板绝缘并密封。导磁材料制成的盖板固定在阴极座上，通过密封圈密封。盖板上设有冷却水进出水嘴。大平面靶前面设引弧杆。大平面靶上同心装有异种材料的圆环靶。圆环靶可由小圆柱体构成。

阴极座与大平面靶靠近的一侧可为封闭结构。

大平面靶可为圆形或方形，其直径或边长为200-400mm，厚度为10-30mm。

大平面靶中心装有小圆柱形靶，其直径最好为30-70mm，长度为20-70mm。

大平面靶上的同心圆环靶直径为100-330mm，径向宽度为5-20mm。构成圆环靶的小圆柱直径为5-30mm。

为改变靶面磁场的分布以控制靶面电弧的放电位置，各线圈中设有带铁芯调节杆的铁芯。

工作时，改变靶面磁场分布，就可改变靶面的不同放弧位置。因此，调节通过电磁线圈的电流大小、方向及通电方式来改变磁场分布，便可实现电弧在小圆柱靶的端面及侧面均匀放弧，且可在大平面靶上的任意大小环形区域放弧，并通过电路控制电弧在靶面某处放弧时间的长短。由于本发明采用大平面靶与小圆柱靶相结合，且在大平面靶上镶嵌多种异类材料。利用可控电磁场控制弧斑在靶面的运动，便可实现整个靶面均匀放弧，均匀烧蚀，且可控制膜层成分，得到多种成分、多种颜色的膜层。

本发明与已有技术相比，优点是：

1、靶材利用率高，可达80%以上，靶材表面均匀放弧，均匀烧蚀。

2、利用调节电磁场在靶面的分布，可实现靶面任一位置稳定放弧，改善了镀膜时靶材粒子的蒸发角度。

3、在同一炉次内，使用同一蒸发源可镀制多种成分膜层，可镀制单一膜层，合金膜层，也可镀制复合膜层。

4、镀膜成分易控制。

5、电弧放电稳定性好，可在高真空下恒定工作，对工件轰击、清洗、加热均匀性效果好。

图1为阴极电弧源镀膜设备原理图;

图2为大面积可控电弧蒸发源实施例之一结构图;

图3为带有小圆柱靶及一个异种材料圆环靶的平面靶;

图4为带有两个异种材料圆环靶的平面靶;

图5为带有一个由小圆柱异种材料组成的圆环靶的平面靶;

图6为带有可调铁芯的线圈示意图;

图7为大面积可控电弧蒸发源实施例之二的结构图;

图8为电磁线圈的电路方框图;

图9、图10、图11为电磁线圈的电路图及其控制电路图。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

大面积可控电弧蒸发源包括大平面靶2、阴极座7、电磁线圈16和接线柱4。大平面靶2通过压环4固定在阴极座7上，两者之间装有密封圈6。阴极座7与真空室24法兰通过绝缘件5及密封圈8密封。阴极座7可选用磁性材料，也可选用非磁性材料。屏蔽罩3固定在绝缘件5上，相对阴极靶及真空室壁为电中性。屏蔽罩3与大平面靶2侧面保持1.5-2mm的间隙。挡环9用来绝缘及固定密封圈8。阴极座7通过绝缘垫11靠压板压紧。压板12用螺柱固连在真空室24的法兰上。电磁线圈16固定在阴极座7与大平面靶2形成的水冷空间内。电弧线圈16为多组同心绕制的圆形线圈，其组数可根据需要及靶材尺寸大小确定。各线圈中设有带铁芯调节杆23的铁芯22。电磁线圈16通过接线柱14接直流电源。电源范围为0-10A，连续可调。其通电方式通过电路控制，根据工艺要求，实现多组线圈同时得电，部分线圈同时得电及多组线圈轮流得电，并可控制每组线圈得电时间长短。接线柱14通过绝缘密封垫15与盖板17绝缘密封。导磁材料制成的盖板17固定在阴极座7上，并通过密封圈10密封。冷却水通过水咀13进出。引弧杆18可通过气动或电动方法动作，与平面靶2瞬间起弧。大平面靶2上可镶嵌多种动或电动方法动作，与平面靶2瞬间起弧。大平面靶2上可镶嵌多种异类材料19、20、21。镶嵌的异类材料可以是圆环形的，也可以是小圆柱形的。圆环形材料19、20的径向宽度为5-20mm，圆环直径100-330mm。构成圆环的小圆柱形材料21直径为5-30mm。若以Ti为大平面靶2，其镶嵌的异类材料可以是Ag、Cu、Au、Zr、Al、Cr、Ni、Mo、Ta、W、Pd等中的一种或几种。这些环形和小圆柱形异种材料与大平面靶2同心镶嵌。

例1：镀制TiN仿金膜及纯金膜层的复合膜。

采用图2或图7的靶源结构。大平面靶2用Ti材料制成，小圆柱靶1用黄金制成，开始起弧时对工件进行轰击、清洗、加热时控制电弧在大平面靶2上放弧，控制弧斑沿一定轨迹运动。这一过程为1-3分钟。然后通入N₂气开始进行镀膜，使工件表面形成近黄金色的TiN膜层。这一过程为2-10分钟。最后控制弧斑在小圆柱靶上放弧，蒸发黄金，使工件表面镀上一层薄薄的纯金膜层。这一过程为1分钟左右。

例2：镀制AITiN合金膜层。

采用图4所示的靶材镶嵌结构。大平面靶用Ti制成，环形镶嵌物19、20用AI材制成（也可将大平面靶用AI材制成，环形镶嵌物19、20用Ti制成）。工作时控制电弧在两材料交界处放弧，也可控制电弧在两材料上交替放弧，且控制各自的放弧时间，就可镀制出任意比例的AITiN膜层。

例3：镀制单一成分的TiN膜层。

采用图2或图7的靶源结构。大平面靶2及小圆柱靶1均选用Ti材。镀膜时根据靶面的烧蚀情况控制电弧的放弧位置，使靶材均匀放弧，均匀烧蚀，提高靶材利用率。

本发明电弧线圈的电流可采用图9、图10、图11所示的电路控制。图8为电路方框图。

电路包括电源、恒流给定、换向和磁场控制四部分。

第一部分由变压器和全桥整流电路组成，提供磁场工作需要的工作电源。

第二部分由两个场效应管和可调电阻组成。本电路为一可调的高性能恒流源。如图9所示，初始正偏置电压产生流入Q₁的电流，Q₁栅极正偏，Q₁导通。当有电流过时，R₂和R₃上的压降达到Q₂栅极的门限电压，于是Q₂导通，Q₁栅极供出电流，调节Q₁源极电流。调节R₃的阻值大小，改变Q₂栅极门限电压，从而调节Q₁流出的电流大小。

本电路Q₁、Q₂，为场效应管，型号2RF448，R₁＝51K，R₂＝0.5Ω，10w，R₃＝10Ω10w。电路电流可调范围为0.25-5A。

第三部分为换向电路。主回路由四个场效应管组成，控制电路由一个4011与非门电路和光耦组成。如图9，四个场效应管组成桥式电路。控制电路如图10。当“1”脚输入为低电平时，“2”脚输入状态不起作用。A、B、C、D均截止。当“1”脚输入高电平时，“2”脚输入高电平，A、B、导通，C、D截止。“2”脚为低电平时，A、B、截止，C、D导通，达到控制光耦或C、D的成对导通，相应的场效应管导通的目的。当QA、QB成对导通，QC、QD截止时，电路输出上正、下负。当QA、QB截止，QC、QD导通时，电路输出上负、下正，实现电源极性的转换。

第四部分为磁场控制单元。如图11所示，选用十进制译码器CD4017和施密特触发器CD40106构成矩阵。NE555构成一无稳态多谐振荡器产生低频脉冲方波，直接藕合至4017的计数端。4017依次输出高电平。4017输出端有10位本电路用其四位。矩阵纵线为4017输出，横线为40106输入。4017输出的高电平通过矩阵的排列组合，输入至40106，使相应的施密特触发器呈高电平，并驱动相应光耦导通，推动执行元件动作，即场效应管的通断。不同的排列组合获得不同磁场形式。可根据离子镀工艺的不同要求，间捷地在现场对磁场进行调节，获得理想的形式。

Claims

1、一种大面积可控电弧蒸发源，包括大平面靶、阴极座、电磁线圈和接线柱，其特征在于大平面靶通过压环及螺栓固定在阴极底座上，两者之间装有密封圈；阴极座与真空室法兰通过绝缘件及密封圈绝缘并密封；屏蔽罩固定在绝缘件上，屏蔽罩与大平面靶侧面保持1.5-2mm的间隙；密封圈用绝缘挡环固定；阴极座通过绝缘垫靠压板压紧；压板用螺栓固定在真空室发兰上；电磁线圈固定在阴极座与大平面靶形成的水冷空间内；电磁线圈为多组同心绕制的圆磁线圈；其组数与靶材尺寸大小对应；电磁线圈通过接线柱与直流电源相接；接线柱通过绝缘密封垫与盖板绝缘密封；导磁材料制成的盖板固定在阴极座上，通过密封圈密封；盖板上设有冷却水进出水嘴；大平面靶前面设有引弧杆；大平面靶上同心装有异种材料的圆环靶；圆环靶可由小圆柱构成。

2、按权利要求1所述的大面积可控电弧蒸发源，其特征在于所说的阴极座与大平面靶靠近的一侧为封闭结构。

3、按权利要求1所述的大面积可控电弧蒸发源，其特征在于大平面靶可以是圆形或方形，其直径或边长为200-400mm，厚度为10-30mm，大平面靶中心装有小圆柱形靶，其直径为30-70mm，长度为20-70mm。

4、按权利要求1或2所述的大面积可控电弧蒸发源，其特征在于大平面靶上的同心圆环靶直径为100-330mm，径向宽为5-20mm;构成圆环靶的小圆柱直径为5-30mm。

5、按权利要求1所述的大面积可控电弧蒸发源，其特征在于电磁线圈中设有带铁芯调节杆的铁芯。