CN111074222B - 一种应用于pvd镀膜的弧光电子源增强辉光放电加热工艺 - Google Patents

Abstract

一种应用于PVD镀膜的弧光电子源增强辉光放电加热工艺：在真空镀膜室内，脉冲偏压电源的正极接连密封容器外壳并接地、负极连接工件转架；室内通入氩气，保持在0.1‑‑5Pa，接通脉冲偏压电源，在工件与室壁之间施加偏压；打开弧光电子源的阴极电弧源，产生弧光放电等离子体，接通辅助阳极施加正电位，从弧光电子源的阴极电弧前挡板侧旁的长条形侧缝开口引导弧光放电等离子体的电子流进入室内，引发氩辉光放电产生增强氩辉光放电等离子体进行加热；通过控制弧光电子源阴极电弧源和辅助阳极电流以及偏压电压和占空比控制加热温度。本发明利用弧光放电的电子束增强辉光放电等离子体进行工件加热，减少产品被污染的概率，提升产品良率。

Description

一种应用于PVD镀膜的弧光电子源增强辉光放电加热工艺

技术领域

本发明涉及一种应用于PVD镀膜设备中对工件进行加热的工艺，尤其是涉及一种应用于PVD镀膜的弧光电子源增强辉光放电加热工艺。

背景技术

一般PVD镀膜设备都配有加热单元，常用的加热单元是设有不锈钢外套的电阻发热管，其有直管、U形管或盘式管。采用若干支发热管均布在炉壁或装在炉中央，利用其辐射热加热炉内空间的器件和工件，有利于把所吸附的水份、潮气解吸，提高抽真空效率，清洁工件表面，提高镀层质量。但置于炉内的不锈钢外套发热管，其表面在镀膜阶段也会镀上镀层。且经多次镀膜作业后，这些残留镀层越来越厚，在后续镀膜作业时，受热胀冷缩作用，这些残留镀层容易破裂成碎片或粉尘，飞溅到工件表面，会生成如白点或甚至斑状掉膜等镀层缺陷，这是难以避免的。有人采用热弧(热灯丝强电流等离子弧)源或空心阴极电弧源引出粒子流，再采用磁场控制离子流飞行轨迹与工件碰撞，对工件进行加热。这种方法可以避免工件受上述残留镀层二次污染，但热弧源和空心阴极电弧源制备技术较复杂，使用维护要求较高，成本也高较高，难以推广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种应用于PVD镀膜的弧光电子源增强辉光放电加热工艺，利用弧光放电的电子束增强辉光放电等离子体进行工件加热，减少产品被污染的概率，提升产品良率。

解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种应用于PVD镀膜的弧光电子源增强辉光放电加热工艺，其特征是包括以下步骤：

1.在抽真空的真空镀膜室内，连接脉冲偏压电源两个电极，正极接连密封容器外壳并接地、负极连接工件转架，即工件置负极上；

2.工件所在的腔体中通入氩气，保持在0.1--5Pa，接通脉冲偏压电源，在工件与真空镀膜室壁之间施加偏压；

3.打开弧光电子源的阴极电弧源，产生弧光放电等离子体，阴极电弧源发射弧光等离子体的前方和侧旁均置有遮挡板，而在一侧旁开有长条形侧缝开口；接通辅助阳极施加正电位，从弧光电子源的电弧挡板侧旁长条形侧缝开口引导弧光放电等离子体的电子流进入真空镀膜室空间，引发氩辉光放电产生增强氩辉光放电等离子体，对产品进行加热；

4.通过控制弧光电子源阴极电弧源和辅助阳极电流以及脉冲偏压电压与占空比控制加热温度。

工艺参数范围如下：

偏压：100-300V，占空比：50％-80％，真空度：0.1-5Pa，加热时间：10-180分钟，弧光电子源参数：-阴极电流/辅助阳极电流范围：60-80A/20-50A。

优选地，所述的弧光电子源设在真空镀膜室6内，真空镀膜室6安装有真空管道2外连真空抽气机组1，真空镀膜室6内设有由下方的中空磁流体密封轴组件14支承并带转的水平的工件架的公转盘11，工件架的公转盘11上竖有若干工件自转轴10，工件自转轴10用于装挂工件，工件架公转盘11通过中空磁流体密封轴组件14与真空镀膜腔室外的偏压电源12的负极连接，偏压电源12的正极则连接真空镀膜腔室室壁并接地；

所述的弧光电子源包括：

一旋转柱状电弧阴极4(图1的弧光电子源阴极)，竖立在真空镀膜腔室6内且靠近室壁，其朝向室内中心的前面和四周设有一用于遮挡向炉内喷射的金属等离子体流的电弧前挡板4-1，电弧前挡板侧旁开有长条形侧缝开口；

一电弧电源3，设在真空镀膜腔室6外，其负极连接旋转阴极4、正极接真空镀膜腔室6室壁并接地；

一辅助阳极捧8，竖立在旋转柱状阴极电弧4的一侧旁，其正电位通过电弧的前挡板侧旁的长条形侧缝开口把其内的弧光等离子体中的电子流吸拉出来；

一炉外辅助阳极电源9，其正极连接所述的辅助阳极捧8、负极接真空镀膜腔室6室壁并接地；

第一第二镀膜用的旋转柱状中频磁控溅射阴极5和7，悬挂竖立在所述的真空镀膜腔室6内(不与公转盘相连)并分别连接设在炉外的中频磁控溅射电源的输出电极(未画出)；当然上述旋转柱状中频磁控溅射阴极也可采用多对组合；

一PLC控制器16，分别与所述的偏压电源12、炉外弧光电子源的辅助阳极电源9以及柱状阴极电弧电源3电连接。

弧光电子源加热工件工作原理：利用一个真空阴极电弧源产生弧光放电，在电弧阴极靶前方设挡板，挡住其发射的弧光等离子体中的金属离子，而在弧光电子源侧旁设置辅助阳极，吸引上述弧光等离子体中的电子流朝辅助阳极方向定向移动，并进而被引导进入镀膜腔室，与其内的辉光放电氩等离子体碰撞，增强氩的离化率和能量；同时在工件上施加负偏压，在负偏压作用下增强的氩离子流与炉内工件碰撞和能量交换，当控制氩离子流的能量在一定范围内末达到对工件表面粒子反溅射的程度，则不发生离子刻蚀效应，只对工件产生加热作用。利用上述原理开发出对多种材质工件的弧光电子源加热工艺，其技术特点：

1)利用弧光放电引出强大高能电子流到氩气辉光放电空间，大量高能电子参与碰撞和能量交换，增强了辉光放电生成氩等离子体过程，并使氩等离子体可以在较高的真空度(0.1-1Pa)稳定工作；

2)利用弧光放电引出强大高能电子流增强氩辉光放电等离子体，弧光电子源的电子流强度和能量可调，即增强氩辉光放电等离子体的效应强弱可控，亦即最终对工件轰击产生温升可控。

在上述基础上，本发明还可以进一步改进一落所述的弧光电子源还设有：

一公转探温杆13，竖立在工件自转轴10的旁边、在工件架公转盘11上随同公转；

若干探温组件34、35、36，竖直排列地安装在公转探温杆13上，信号线引至下方从中空磁流体密封轴组件14引出真空镀膜腔室外后与一温度监控仪表15电连接；

温度监控仪表15与所述PLC控制器16电连接。

有益效果：

本工艺粒子能量可调，加热工件温度可控。由于挡住电弧弧光放电的发射挟带着金属靶材液滴的金属离子流，故工件表面不会有粗糙颗粒状物。同时不采用不锈钢管加热器，避免在加热器表面的残留涂层因热胀冷缩产生崩裂，形成碎屑飞溅，对工件镀层造成缺陷。

本方案可实现无污染对工件加热。

附图说明

图1为本发明实施例的弧光电子源加热工件原理示意图；

图2为本发明实施例的应用于PVD镀膜机中弧光电子源加热装置的组成和结构示意图。

附图的另部件标注

1-真空获得系统，2-真空管道，3-弧光电子源的阴极电弧电源，4-弧光电子源的旋转柱状阴极电弧靶，4-1弧光电子源的旋转柱状阴极电弧前挡板，5-中频磁控溅射旋转柱状阴极，6-真空腔体，7-镀膜用中频磁控溅射旋转柱状阴极，8-弧光电子源的辅助阳极棒，9-弧光电子源的辅助阳极电源，10-工件自转轴，11-工件架公转盘，12-偏压电源，13-公转探温杆(装探温组件与信号线)，14-工件架主轴与磁流体，15-温度监控仪表，16-镀膜机的PLC控制器。

本发明的应用于PVD镀膜的弧光电子源增强辉光放电加热工艺，包括以下步骤：

1.在抽真空密封容器内，连接脉冲偏压电源两个电极，正极接连密封容器外壳并接地、负极连接工件转架，即工件置负极上；

2.工件所在的腔体中通入氩气，保持在0.1-5Pa，接通脉冲偏压电源，在工件与炉壁之间施加电压，下面表1为各工艺的工艺参数范围。

3.打开弧光电子源的阴极电弧源，产生弧光放电等离子体，阴极电弧源发射弧光等离子体的前方和侧旁均置有遮挡板，而在一侧旁开有长条形侧缝开口。接通辅助阳极施加正电位，从弧光电子源前挡板侧窗引导弧光放电等离子体的电子流进入镀膜室空间，引发氩辉光放电产生增强氩辉光放电等离子体，对产品进行加热10-180分钟；

4.通过控制弧光电子源阴极电弧源和辅助阳极电流以及偏压电压和占空比控制加热温度。

所述的弧光电子源的阴极电弧靶，可以是任意结构的电弧靶，不限于圆饼靶或者平面矩形靶、还可选用旋转柱状电弧靶。在本发明实例中优先采用旋转柱状阴极电弧源，它产生的电子流沿高度分布幅度宽且均匀，因而随后碰撞产生增强氩离子流分布范围大也均匀。

下面表1列出PVD镀膜时采用弧光电子源增强辉光放电加热工艺的工艺参数范围。

表1PVD镀膜弧光电子源增强辉光放电表面活化工艺参数范围

下面结合实施例对本发明进一步描述。

实施例一

M2高速钢加热工艺，使用HC380离子镀膜机，采用弧光电子源加热工艺，原理如图1具体步骤如下

包括以下步骤：

1)前处理：将热处理后HRC62-65的M2高速钢试样进行抛光处理后在酒精中进行超声清洗10分钟，充分干燥后放入镀膜机真空室；

2)抽真空：真空室本底真空5.0×10^-3Pa；

3)弧光电子源加热：通入氩气，调节气压为0.6Pa，开启弧光电子源：开启弧光电子源的阴极电弧源，电流调至60--80A，开启弧光电子源的辅助阳极，调节至电流20--40A；再开启偏压调节偏压至100V，占空比50％，加热到200℃；加热时间30分钟；(分2步)

4)调节弧光电子源阳极电流至50A，调节偏压至150V，占空比50％，保温30min；

5)关闭弧光电子源，关闭气体，关闭脉冲偏压，加热过程结束，进入涂层阶段。

实施例二

304不锈钢加热，使用HC1912离子镀膜机，采用弧光电子源加热工艺，具体步骤如下

包括以下步骤：

1)前处理：将304钢试样进行抛光处理后在酒精中进行超声清洗10分钟，充分干燥后放入镀膜机真空室；

2)抽真空：真空室本底真空3.0×10^-3Pa；

3)弧光电子源清洗：通入氩气，调节气压为0.8Pa，开启弧光电子源：开启弧光电子源阴极，电流调至80A，开启弧光电子源阳极，调节至电流40A；再开启偏压调节偏压至300V，占空比50％，加热到150摄氏度；保温时间30--60分钟

4)关闭弧光电子源，关闭气体，关闭脉冲偏压，加热过程结束，进入涂层阶段。5本发明的益处：

1)采用自行研发的新型弧光电子源作加热源，可以实现较大范围无污染地对工件实施加热，技术要求较简易，制造成本较低；新型弧光电子源还可一源两用，它可用作加热源还可用作离子刻蚀源，只要调整弧光电子源运行参数就可要产生离子刻蚀效果。

2)采用弧光电子源作加热源，与直接用阴极电弧加热比较，避免在工件表面上出现阴极电弧发射的粗糙的宏观颗粒，导致镀层表面粗糙化。

3)采用弧光电子源作加热源，与不锈钢管加热器比较，避免不锈钢管加热器表面的残留涂层因热胀冷缩产生崩裂，形成碎屑飞溅，对工件镀层造成污染。

Claims (1)

1.一种应用于PVD镀膜的弧光电子源增强辉光放电加热工艺，其特征是包括以下步骤：

S1.在抽真空的真空镀膜室内，连接脉冲偏压电源两个电极，正极接连密封容器外壳并接地、负极连接工件转架，即工件置负极上；

S2.工件所在的腔体中通入氩气，保持在0.1--5Pa，接通脉冲偏压电源，在工件与真空镀膜室壁之间施加偏压；

S3.打开弧光电子源的阴极电弧源，产生弧光放电等离子体；阴极电弧源发射弧光等离子体的前方和侧旁均置有遮挡板，而在一侧旁开有长条形侧缝开口；接通辅助阳极施加正电位，从弧光电子源的电弧挡板长条形侧缝开口引导弧光放电等离子体的电子流进入真空镀膜室空间，引发氩辉光放电产生增强氩辉光放电等离子体，对产品进行加热；

S4.通过控制弧光电子源阴极电弧源和辅助阳极电流以及脉冲偏压电压与占空比控制加热温度；

其中各工艺参数范围如下：

偏压：100-300V，占空比：50％-80％，真空度：0.1-5Pa，加热时间：10-180分钟，弧光电子源参数：-阴极电流/辅助阳极电流范围：60-80A/20-50A；

所述的弧光电子源设在真空镀膜室(6)内，真空镀膜室安装有真空管道(2)外连真空抽气机组(1)，真空镀膜室内设有由下方的中空磁流体密封轴组件(14)支承并带转的水平的工件架的公转盘(11)，工件架的公转盘上竖有若干工件自转轴(10)用于装挂工件，工件架公转盘通过中空磁流体密封轴组件与真空镀膜腔室外的偏压电源(12)的负极连接，偏压电源的正极连接真空镀膜腔室室壁并接地；

所述的弧光电子源包括：

一旋转柱状电弧阴极(4)，竖立在真空镀膜腔室内且靠近室壁，其朝向室内中心的前面和四周设有一用于遮挡向炉内喷射的金属等离子体流的电弧前挡板(4-1)，电弧前挡板侧旁开有长条形侧缝开口；

一电弧电源(3)，设在真空镀膜腔室外，其负极连接旋转阴极、正极接真空镀膜腔室室壁并接地；

一辅助阳极捧(8)，竖立在旋转柱状阴极电弧的一侧旁，其正电位通过遮挡板侧旁的长条形侧缝开口把其内的弧光等离子体中的电子流吸拉出来；

一炉外辅助阳极电源(9)，其正极连接所述的辅助阳极捧、负极接真空镀膜腔室室壁并接地；

第一和第二镀膜用旋转柱状中频磁控溅射阴极(5)和(7)，悬挂竖立在所述的真空镀膜腔室内，并分别连接设在炉外的中频磁控溅射电源的输出电极；

一PLC控制器(16)，分别与所述的偏压电源(12)、炉外弧光电子源的辅助阳极电源(9)以及柱状阴极电弧电源(3)电连接；

所述的真空镀膜室(6)内还设有一公转探温杆(13)，竖立在工件自转轴(10)的旁边、在工件架公转盘(11)上随同公转；

若干探温组件(34、35、36)，竖直排列地安装在公转探温杆上，信号线引至下方从中空磁流体密封轴组件(14)引出真空镀膜腔室外后与一温度监控仪表(15)电连接；

温度监控仪表(15)与所述PLC控制器(16)电连接。

Images