CN111139438B - 一种磁路可控式真空阴极电弧离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁路可控式真空阴极电弧离子源，包括电弧离子源壳体，电弧离子源壳体内安装阴极靶座、阴极靶和磁铁，且阴极靶固定于阴极靶座；电弧离子源壳体外壁安装磁轭；所述磁轭由具有顶面的圆筒形磁轭A和圆环形磁轭B组成；磁轭B装在磁轭A内部，且二者接触；磁轭A与电弧离子源壳体之间为自由公差配合，可沿电弧离子源壳体滑动。该弧源的磁轭位置可以调整，通过调整磁轭位置可以调节阴极靶面的磁场强度，并可同步优化阴极靶面的磁场位形分布。

Description

一种磁路可控式真空阴极电弧离子源

技术领域

本发明属于真空镀膜技术领域，尤其涉及一种磁路可控式真空阴极电弧离子源。

背景技术

真空阴极电弧离子镀已成为当前工业领域物理气相沉积(PVD)镀膜的主导技术之一，广泛应用于刀具、模具、汽车零部件、小五金以及装饰品等表面耐磨、耐热、耐腐蚀防护涂层，它是在真空腔室内把金属材料作为阴极，通过与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发并离化，形成空间等离子体，把镀膜材料涂覆在工件表面，能大幅度地提高工件的性能和使用寿命。

阴极弧斑在工作时，除产生金属原子和离子外还产生金属的大颗粒，大颗粒问题是阻碍电弧离子镀技术进一步广泛深入应用的瓶颈问题。由于电弧等离子体具有良好的导电性，与磁场可作用性，为磁场控制电弧的位置、形状以及运动提供了可能。合理设计并利用磁场可以很好的控制弧斑运动，大幅度地减少液滴、减小液滴尺寸、提高涂层质量和使用寿命。当前常规的方法是在阴极电弧靶座的背面固定磁组件，或者通过机械运动方式变换磁组件的位置来控制弧斑运动。这种方式虽然可以根据靶面的烧蚀消耗，通过调整靶面与磁场组件的距离来保证靶面磁场强度的一致性，但是磁场的位形分布却难以调整变化，单一的磁场位形同样会导致弧斑在局部区域集中刻蚀，会引起靶材利用率降低，放电不均匀，产生弧电流不稳，沉积速率变化，涂层性能不一致等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种磁路可控式真空阴极电弧离子源，该弧源的磁轭位置可以调整，通过调整磁轭位置可以调节阴极靶面的磁场强度，并可同步优化阴极靶面的磁场位形分布。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种磁路可控式真空阴极电弧离子源，包括电弧离子源壳体，电弧离子源壳体内安装阴极靶座、阴极靶和磁铁，且阴极靶固定于阴极靶座；电弧离子源壳体外壁安装磁轭；所述磁轭由具有顶面的圆筒形磁轭A和圆环形磁轭B组成；磁轭B装在磁轭A内部，且二者接触；磁轭A与电弧离子源壳体之间为自由公差配合，可沿电弧离子源壳体滑动。

可选地，通过调节磁轭A的位置，使得磁轭A顶面外表面与阴极靶的靶面在同一水平面上。

可选地，磁轭B位置与磁铁尽量靠近。

可选地，磁轭B位置固定或可沿电弧离子源壳体滑动。

可选地，阴极靶座采用直冷冷却：阴极靶座的上表面开设有凹槽，在阴极靶座本体且位于凹槽下方开设冷水供应通道和冷水回流通道；所述凹槽内固定安装环状磁铁，环状磁铁的中心孔与冷水供应通道连通；环状磁铁与凹槽内侧壁之间留有间隙，间隙位置处的凹槽底部沿圆周均匀开设与冷水回流通道连通的多个回流孔；阴极靶通过密封圈与所述阴极靶座密封连接，从而在所述阴极靶下表面与所述环状的磁铁之间形成水冷内腔。

可选地，阴极靶座的凹槽的下方为中空结构，中空结构内安装冷却剂输送管道作为所述冷水供应通道；阴极靶座下表面开设两个开口，分别作为冷却水的入口和出口；其中入口通过所述冷却剂输送管道与环状磁铁的中心孔相连通。

可选地，所述阴极靶与所述阴极靶座之间通过固定件进行螺纹连接。

可选地，所述电弧离子源壳体上带有长度的刻度标识，用于度量磁轭A在电弧离子源壳体上的位置。

可选地，所述刻度标识的最小单元为0.5mm。

有益效果：

(1)本发明在阴极电弧镀膜过程中，根据靶面的放电情况，通过调整磁轭A的相对位置，灵活调节阴极靶面磁场分布，增加径向磁场强度，提高弧斑运动速度，改善靶面放电均匀性，也可在靶材消耗过程中，实时调节磁轭A的位置，从而保持靶面磁场强度的一致性，保证弧电流、沉积速率及膜层性能的稳定性。

而且，本发明结构简单，极易操作，调节方便灵活、快捷安全，镀膜质量高。

(2)本发明设计了一种直冷冷却结构，通过密封圈和凹槽的配合，形成水冷内腔，提高冷却效率。

(3)令磁轭B位置与磁铁尽量靠近，可以更好的约束磁场，削弱退磁场效应。

(4)阴极靶与所述阴极靶座之间的固定连接通过固定件进行螺纹连接，方便更换阴极靶。

(5)电弧离子源壳体上带有长度的刻度标识，依据长度刻度标示调节磁轭A的位置，从而精确控制每次调整的距离。

(6)阴极靶通过密封圈与所述阴极靶座密封连接，从而在所述阴极靶下表面与所述环状的磁铁之间形成水冷内腔，从而令冷却水直接作用于阴极靶，从而提高制冷效率。

附图说明

图1为本发明实施例的剖视图；

图2为本发明实施例的磁场回路结构示意图；

图3为本发明实施例的电弧离子源壳体(6)上刻度标识的结构示意图；

其中，1-阴极靶座，12-冷水供应通道，13-冷水回流通道，14-回流孔，2-磁铁，3-磁轭B，5-磁轭A，6-电弧离子源壳体，7-阴极靶，8-水冷内腔，9-凹槽，10-磁场线。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种磁路可控式真空阴极电弧离子源，如图1所示，包括阴极靶座1、磁铁2、磁轭A 5、磁轭B 3、电弧离子源壳体6和阴极靶7。电弧离子源壳体6是非导磁的不锈钢材料。电弧离子源壳体6内安装阴极靶座1、阴极靶7和磁铁2。电弧离子源壳体6外壁安装磁轭A和磁轭B。

磁轭A和磁轭B的结构和特点是本发明的重要发明点。本发明实施例中，磁轭A为具有顶面的圆筒形，磁轭B为圆环形。磁轭B可以装在磁轭A的内腔，二者都套在电弧离子源壳体6的外壁上。磁轭A和磁轭B相接触，可形成完整的磁回路。为了实现磁轭A的移动，磁轭A与电弧离子源壳体6之间为自由公差配合，使得磁轭A可沿电弧离子源壳体滑动。磁轭B位置与磁铁2尽量靠近，削弱退磁场效应。磁轭B位置可以固定或者像磁轭A一样可沿电弧离子源壳体滑动，磁轭B调整好位置后，在后续使用中位置一般不做变化。

阴极靶座1、阴极靶7和磁铁2的设计根据所使用的冷却方式有所不同。本发明优选实施例采用了直冷冷却方式。如图1所示，阴极靶座1的上表面开设有凹槽9。阴极靶座体的凹槽9轴心下方开设有冷水供应通道12和冷水回流通道13。本实施例中，阴极靶座的凹槽下方为中空结构，中空空腔内安装水冷管道，该管道即为冷水供应通道12，管道周围的空间为冷水回流通道13，该结构更为简单，易加工。阴极靶座1下表面开设两个开口，分别作为冷却水的入口和出口。其中，入口与冷水供应通道12连接，出口与冷水回流通道13连通，这种结构简单，且空间利用率高。阴极靶座的凹槽处是为了向磁铁2提供安装支撑座，该安装支撑座可以与阴极靶座主体分别加工，后期焊接而成。

阴极靶座1的凹槽9内固定安装一环状的磁铁2(以下称为磁环2)，磁环2中心孔与冷水供应通道12连通。磁环2与凹槽内侧壁之间留有间隙，间隙位置处的凹槽底部沿圆周均匀开设多个与冷水回流通道13连通的回流孔14。阴极靶7通过密封圈4与所述阴极靶座1密封连接，在阴极靶7下表面与磁环2之间形成水冷内腔8，该水冷内腔为换热区。上述冷水供应通道12、磁环2中心孔、水冷内腔8、回流孔14、冷水回流通道13形成冷却水的流通通道，实现对阴极靶的直接冷却。冷水通过进水管道流入靶材下方换热区，然后通过回流孔14回流到靶座的空腔，再通过出水口流出。

阴极靶7与所述阴极靶座1之间的固定连接通过固定件进行螺纹连接，从而方便阴极靶的更换。

电弧离子源壳体6上带有长度的刻度标识，如图3所示，用于度量磁轭A在电弧离子源壳体上的位置以及度量其沿电弧离子源壳体滑动的距离。优选地，电弧离子源壳体6上的刻度标识的最小单元为0.5mm。

应用本实施例，磁路结构如图2所示，磁场线10从磁环2发出经过阴极靶7，被引导进入磁轭A，再依次经由磁轭A和磁轭B，最终回到磁环2。为了增大径向(水平)磁场强度，减小轴向(垂直)磁场强度，即靶面磁场位形尽量平行于靶面，通过滑动套在电弧离子源壳体6上的磁轭A，使磁轭A水平端面(顶面外表面)保持在与靶面的同一水平位置，可获得径向磁场在靶面的分布最大不超过20Gs，轴向磁场在靶面的分布最大不超过10Gs。随着阴极靶7的靶材表面不断被消耗，磁环2的端面与阴极靶7工作端面之间的距离发生变化，为了保持阴极靶7的工作端面的磁场强度和磁场位形的一致性，通过滑动套在电弧离子源壳体6上的磁轭A，依据电弧离子源壳体6上的刻度标识，可精确调节磁轭A的位置。滑动距离可以通过测量靶面的消耗深度获知。

本实施例通过精确调节磁轭A，优化了磁场位形，增大了径向磁场强度，保持阴极靶面磁场强度的一致性，提高了弧斑运动速度，改善靶面放电均匀性和稳定性，进而保证弧电流，沉积速率，膜层性能的生产批次稳定性，调节方便灵活，快捷安全，镀膜质量高。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。

Claims (9)

1.一种磁路可控式真空阴极电弧离子源，包括电弧离子源壳体(6)，电弧离子源壳体(6)内安装阴极靶座(1)、阴极靶(7)和磁铁(2)，且阴极靶(7)固定于阴极靶座(1)；电弧离子源壳体(6)外壁安装磁轭；其特征在于，所述磁轭由具有顶面的圆筒形磁轭A(5)和圆环形磁轭B(3)组成；磁轭B(3)装在磁轭A(5)内部，且二者接触；磁轭A(5)与电弧离子源壳体(6)之间为自由公差配合，可沿电弧离子源壳体滑动。

2.如权利要求1所述的磁路可控式真空阴极电弧离子源，其特征在于，通过调节磁轭A(5)的位置，使得磁轭A(5)顶面外表面与阴极靶(7)的靶面在同一水平面上。

3.如权利要求1所述的磁路可控式真空阴极电弧离子源，其特征在于，磁轭B(3)位置与磁铁(2)尽量靠近。

4.如权利要求1所述的磁路可控式真空阴极电弧离子源，其特征在于，磁轭B(3)位置固定或可沿电弧离子源壳体滑动。

5.如权利要求1所述的磁路可控式真空阴极电弧离子源，其特征在于，阴极靶座(1)采用直冷冷却：阴极靶座的上表面开设有凹槽(9)，在阴极靶座本体且位于凹槽下方开设冷水供应通道(12)和冷水回流通道(13)；所述凹槽内固定安装环状磁铁(2)，环状磁铁(2)的中心孔与冷水供应通道(12)连通；环状磁铁(2)与凹槽内侧壁之间留有间隙，间隙位置处的凹槽底部沿圆周均匀开设与冷水回流通道(13)连通的多个回流孔(14)；阴极靶(7)通过密封圈(4)与所述阴极靶座(1)密封连接，从而在所述阴极靶(7)下表面与所述环状的磁铁(2)之间形成水冷内腔(8)。

6.如权利要求5所述的磁路可控式真空阴极电弧离子源，其特征在于，阴极靶座(1)的凹槽(9)的下方为中空结构，中空结构内安装冷却剂输送管道作为所述冷水供应通道(12)；阴极靶座(1)下表面开设两个开口，分别作为冷却水的入口和出口；其中入口通过所述冷却剂输送管道与环状磁铁(2)的中心孔相连通。

7.如权利要求1所述的磁路可控式真空阴极电弧离子源，其特征在于，所述阴极靶(7)与所述阴极靶座(1)之间通过固定件进行螺纹连接。

8.如权利要求1所述的磁路可控式真空阴极电弧离子源，其特征在于，所述电弧离子源壳体(6)上带有长度的刻度标识，用于度量磁轭A在电弧离子源壳体上的位置。

9.如权利要求8所述的磁路可控式真空阴极电弧离子源，其特征在于：所述刻度标识的最小单元为0.5mm。

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