CN111621751B - 一种多模式调制弧源装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电弧离子镀技术关键部件阴极弧源装备领域，具体是指一种多模式调制弧源装置，包括弧头组件、引弧组件、安装板，弧头组件与引弧组件均固定在安装板上；弧头组件与安装板之间设有绝缘密封组件，弧头组件与安装板之间形成密封腔室；弧头组件包括阴极座、阴极盖，阴极座、阴极盖可拆卸安装组成阴极组件；阴极座远离阴极盖的一侧表面上设有靶材安装部，靶材安装部内连接有靶材；阴极座与阴极盖之间设有水冷内腔；阴极座及阴极盖上可分别装配不同模式的永磁体组，可有效控制靶面的磁场强度，提升弧光放电过程中弧斑的运动速度，从而可以有效的降低弧光放电过程中的大颗粒。

Description

一种多模式调制弧源装置

技术领域

本发明属于电弧离子镀技术关键部件阴极弧源装备领域，具体是指一种多模式调制弧源装置。

背景技术

电弧离子镀膜技术是当今一种先进的真空镀膜技术，由于其结构简单，离化率高，入射粒子能量高，绕射性好，可实现低温沉积等一系列优点，使电弧离子镀技术得到快速发展并获得广泛应用，展示出很大的经济效益和工业应用前景。但是大颗粒的喷射造成了薄膜表面污染，导致表面的粗糙度增大而降低薄膜的光泽，对装饰及抗磨应用带来不利影响，严重影响薄膜的质量，导致镀层附着力降低并出现剥落现象，镀层严重不均匀等。但是电弧放电的特点使得大颗粒的存在成为工模具镀的阻碍，也成为阻碍电弧离子镀技术更深入广泛应用的瓶颈问题。

现阶段的常规弧源并不能很好的运用到部分放电异常的材料上，例如：石墨作为一种常见的导电低摩擦材料，其是制备导电及具有一定摩擦磨损性、超硬类金刚石的基础材料，但是石墨靶材在弧光放电时，电阻温度系数为负，温度越高，电阻越低，阴阳极放电等离子体阻抗也会降低，因此，放电过程中阴极弧斑易于静止，存在着弧斑聚集，运动速度低，刻蚀坑明显的缺点；纯金属锆的氮化物及氧化物都具有较为明亮的金属光泽，是一种较为常见的装饰性、功能性（陶瓷基材料）的表面涂层材料，但是锆在弧光放电过程中异于常见靶材（铬、钛），其对放电过程中的电子通道极为敏感，放电过程中弧斑极易发生跑弧现象，造成部分绝缘件损烧。

目前，应用比较多而且效果比较好的去除大颗粒的措施是磁过滤，磁过滤技术的采用，虽然有效地消除了大颗粒的污染，但由于等离子体在传输过程的损失，沉积速率也大幅度降低，目前等离子体的传输效率最高也仅有25％，导致了原材料的浪费和生产效率降低，电弧离子镀的优点就是沉积速率快，这也是该技术在工业领域广泛应用的原因之一，不能为了减少部分大颗粒而来损失这个突出的优点，这也是磁过滤技术不能工业化的重要原因。

现阶段对于弧源靶材有效利用的有效途径主要是通过手动调节单个磁组与靶材表面的距离，通过磁场的变化来控制弧斑的运动区域，这种方式为手动经验性操作，存在一定的不可控性，操作繁琐；另一种有效途径为电磁线圈控制弧靶弧斑的运动，但常用的电磁线圈其输出电压及频率为不可调，大部分仅仅为某个频率下的脉冲输出，不能实现输出电压、频率的线性的无极调节。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种多模式调制弧源装置。

本发明所采取的技术方案如下：一种多模式调制弧源装置，包括弧头组件、引弧组件、安装板，所述弧头组件与引弧组件均固定在安装板上；

所述弧头组件与安装板之间设有绝缘密封组件，通过所述绝缘密封组件使弧头组件与安装板之间形成密封腔室；

所述弧头组件包括阴极座、阴极盖，所述阴极座、阴极盖可拆卸安装组成阴极组件；所述阴极座远离阴极盖的一侧表面上设有靶材安装部，所述靶材安装部内连接有靶材；所述阴极座与阴极盖之间设有水冷内腔；

所述阴极座与阴极盖之间设有沿环状排列的若干永磁体安装孔，所述永磁体安装孔可拆卸安装有永磁体，且所述永磁体安装孔均位于靶材投射位置的外周；

所述阴极盖远离阴极座的一侧表面上可拆卸安装有永磁体安装件，所述永磁体安装件与阴极盖之间可拆卸安装有永磁体，所述永磁体安装件与阴极盖之间的永磁体位于靶材投射位置所在区域中。

所述水冷内腔内设有隔板，所述隔板将所述水冷内腔分隔形成螺旋状的水道，且水道的两端均接近阴极座的中心处；所述阴极盖包括阴极盖主体以及设置在阴极盖主体远离阴极座的一侧表面的进水管和出水管，所述进水管和出水管对应水道的两端设置且阴极盖主体上设有两个通孔使进水管和出水管分别与水道的两端相连通。

所述阴极盖主体远离阴极座的一侧表面设有连接套，所述进水管和出水管位于连接套的内腔，所述安装板上设有安装孔，所述连接套穿过安装孔，所述永磁体安装件套设在连接套外且位于阴极盖主体与安装板之间。

所述绝缘密封组件包括绝缘板、密封环、密封套、压紧螺母；

所述绝缘板、密封环同心叠加设置于阴极组件与安装板之间；

所述连接套远离阴极盖主体的端部外壁设有螺纹，密封环为L形密封件，所述密封环套设在连接套外，并通过压紧螺母与连接套螺纹连接压紧密封环。

还包括屏蔽组件，所述屏蔽组件包括阴极垫圈，所述阴极垫圈套设在靶材外且与阴极组件固定连接，所述阴极垫圈内侧套装靶屏蔽环，外环套装阴极屏蔽环，远离阴极组件的一侧侧面固定连接屏蔽压板，所述屏蔽压板对靶屏蔽环和阴极屏蔽环形成限位作用，所述屏蔽压板、靶屏蔽环、阴极屏蔽环均为绝缘材质制成。

所述安装板设有密封腔室的一侧设有防尘罩，所述防尘罩套设在弧头组件外。

所述安装板上可以可拆卸安装至少三种尺寸的电磁线圈；

定义靶材半径为r₁，防尘罩外径为r₂；

至少其中一种电磁线圈，其外径＜r₁；

至少其中一种电磁线圈，其内径＞r₁且外径≤r₂；

至少其中一种电磁线圈，其内径大于r₂。

所述电磁线圈加载可控多波形的交变电流或线性调节可编程控制的方波电流。

所述引弧组件包括驱动组件、引弧杆、引弧针、支架组件，所述支架组件连接在所述安装板相对于密封腔室的另一侧，所述驱动组件固定在支架组件上，所述引弧杆一端与支架组件连接，另一端穿过安装板连接引弧针，所述驱动组件可驱动引弧杆沿直线运动以及可驱动引弧杆旋转运动。

阴极上加载直流电源或脉冲弧电源，其中脉冲弧电源具体参数为：基值电流20-100A可调、峰值电流100-1000A可调，频率1-1kHZ可调，占空比1-80%可调。

本发明的有益效果如下：阴极座及阴极盖上可分别装配不同模式的永磁体组，可有效控制靶面的磁场强度，提升弧光放电过程中弧斑的运动速度，从而可以有效的降低弧光放电过程中的大颗粒。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为弧头组件、引弧组件安装到安装板上的结构示意图；

图2为阴极组件的结构示意图；

图3为图2中A-A剖视图；

图4为图2中B-B剖视图；

图5为阴极座的结构示意图；

图6为弧头组件的剖视图；

图7为图6中A的放大示意图；

图8为引弧组件的结构示意图；

图9为图8中A的放大示意图；

图10中，（a）为导向槽的一种结构；（b）为导向槽的另一种结构；

图11为图8中B的放大示意图；

图12是横向放置永磁体的结构示意图（a）和磁场模拟示意图（b）；

图13是中心增强磁场的结构示意图（a）和磁场模拟示意图（b）；纵向放置永磁体磁场模拟示意图；

图14是弧光增强磁场的结构示意图（a）和磁场模拟示意图（b）；

图15是线圈电流模式1输出示意图；

图16是多组电磁线圈叠加的结构示意图；

图17是纵向放置永磁体的结构示意图（a）和磁场模拟示意图（b）；

图18是电磁增强磁场的结构示意图（a）和磁场模拟示意图（b）；

图19是线圈电流模式2输出示意图；

图20是脉冲弧弧电源输出示意图。

图中，

1，弧头组件；11，阴极座；111，靶材安装部；12，阴极盖；121，进水管；122，出水管；123，连接套；124，阴极盖主体；131，永磁体安装孔；132，永磁体安装件；141，绝缘板；142，密封环；143，密封套；144，压紧螺母；15，靶材；161，阴极垫圈；162，屏蔽压板；163，靶屏蔽环；164，阴极屏蔽环；17，电磁线圈；18，水冷内腔；181，隔板；19，防尘罩；

2，引弧组件；21，引弧杆；2101，螺栓孔；2102，引弧针安装孔；2103，导向槽；2104，旋转导向槽；2105，接电区；2106，绝缘区；22，引弧针； 23，直线驱动装置；24，导向柱；25，关节球轴承；26，支架；261，轴肩；27，密封套筒；2701，环肩；28，第一油封；29，第二油封；210，固定螺栓；211，机架；212，靶材；

3，安装板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是 为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二” 仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再 一一说明。

本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。

如图1所示，一种多模式调制弧源装置，包括弧头组件1、引弧组件2、安装板3，所述弧头组件1与引弧组件2均固定在安装板3上；

所述弧头组件1与安装板3之间设有绝缘密封组件，通过所述绝缘密封组件使弧头组件1与安装板3之间形成密封腔室；

如图2-4所示，所述弧头组件1包括阴极座11、阴极盖12，所述阴极座11、阴极盖12可拆卸安装组成阴极组件；所述阴极座11远离阴极盖12的一侧表面上设有靶材安装部111，所述靶材安装部111内连接有靶材15；所述阴极座11与阴极盖12之间设有水冷内腔18；

所述阴极座11与阴极盖12之间设有沿环状排列的若干永磁体安装孔131，所述永磁体安装孔131可拆卸安装有永磁体，且所述永磁体安装孔131均位于靶材15投射位置的外周；

所述阴极盖12远离阴极座11的一侧表面上可拆卸安装有永磁体安装件132，所述永磁体安装件132与阴极盖12之间可拆卸安装有永磁体，所述永磁体安装件132与阴极盖12之间的永磁体位于靶材15投射位置所在区域中。永磁体安装件132为绝缘材料，其材质可以为：尼龙、四氟、聚苯酯，优选四氟。

其中，若干永磁体安装孔131中可放置横向（磁场方向为靶材径向）或纵向（磁场方向为垂直于靶面）的永磁体，永磁体安装件132上可以放置多个横向（磁场方向为靶材径向）的永磁体组成的环形磁靴，也可以放置单个纵向（磁场方向为垂直于靶面）的永磁体，也可以为多个纵向（磁场方向为垂直于靶面）的永磁体组成的环形磁靴。相互配合可以形成多模式的磁场，有效控制靶面的磁场强度，提升弧光放电过程中弧斑的运动速度，从而可以有效的降低弧光放电过程中的大颗粒。

图中，靶材安装部111为开槽，靶材15为通过螺纹连接方式安装于靶材安装部111内。

所述水冷内腔18内设有隔板181，所述隔板181将所述水冷内腔18分隔形成螺旋状的水道，且水道的两端均接近阴极座11的中心处；所述阴极盖12包括阴极盖主体124以及设置在阴极盖主体124远离阴极座11的一侧表面的进水管121和出水管122，所述进水管121和出水管122对应水道的两端设置且阴极盖主体124上设有两个通孔使进水管121和出水管122分别与水道的两端相连通。隔板181在水冷内腔18中可以实现冷却水在阴极内的高速流动，水冷散热效果更好。

如图5所示，图中，阴极座11背面设有圆形凹槽，与阴极盖12相连接时，圆形凹槽内部空间形成水冷内腔18，隔板181凸起于圆形凹槽底面，将与阴极盖12相连接形成的水冷内腔18隔成螺旋状的水道，且水道的两端在水冷内腔18的中心处，通过阴极盖12上设置的进水管121和出水管122进出水，水道的两端在水冷内腔18的中心处，这样进水管121和出水管122也位于中心处。若干永磁体安装孔131呈环状排列设置在圆形凹槽外。

阴极座11上设有若干螺孔，通过螺栓实现与阴极盖主体124可拆卸安装，这样实现永磁体安装孔131的永磁体为可替换的。

如图3所示，所述阴极盖主体124远离阴极座11的一侧表面设有连接套123，所述进水管121和出水管122位于连接套123的内腔，所述安装板3上设有安装孔，所述连接套123穿过安装孔，所述永磁体安装件132套设在连接套123外且位于阴极盖主体124与安装板3之间。

所述安装板3上设有安装孔，所述连接套123穿过安装孔，所述绝缘密封组件包括绝缘板141、密封环142、密封套143、压紧螺母144；

所述绝缘板141、密封环142同心叠加设置于阴极组件与安装板3之间；

所述连接套123远离阴极盖主体124的端部外壁设有螺纹，密封环142为L形密封件，所述密封环142套设在连接套123外，并通过压紧螺母144与连接套123螺纹连接压紧密封环142。绝缘板141、密封环142、密封套143、压紧螺母144所组成的绝缘密封组件使阴极组件与安装板连接更加简便且密封效果好，实现整个组件的真空密封，旋紧压紧螺母144时，密封环142和密封套143被挤压，密封效果好。绝缘板141的设置确保旋紧压紧螺母144时，阴极盖主体124与安装板3之间保留用于设置永磁体安装件132的距离。绝缘板141为密封结构绝缘件，其材料包括尼龙、聚四氟、聚苯酯等，优选聚苯酯。

还包括屏蔽组件，所述屏蔽组件包括阴极垫圈161，所述阴极垫圈161套设在靶材15外且与阴极组件固定连接，所述阴极垫圈161内侧套装靶屏蔽环163，外环套装阴极屏蔽环164，远离阴极组件的一侧侧面固定连接屏蔽压板162，所述屏蔽压板162对靶屏蔽环163和阴极屏蔽环164形成限位作用，所述屏蔽压板162、靶屏蔽环163、阴极屏蔽环164均为绝缘材质制成。屏蔽压板162、靶屏蔽环163、阴极屏蔽环164多个绝缘件将阴极全包裹，可有效的实现弧光放电中的阴极体全屏蔽，实现阴极与阳极之间的完全隔绝，有效的减少了阴阳极之间的异常放电通道，可以减少跑弧现象，特别是对于一些异常放电的材料，极大地提升了放电的稳定性。同时绝缘件形成的组件对阴极的全包覆可以有效的提升电子的运动行程，从而可以提升弧光放电的离化率，提升涂层质量；同时可完全隔绝弧光放电中因部分暴露阳极所造成的跑弧、短路现象（电子在电子回路中总会优先从电路阻抗最小的地方形成电子通路，当阳极或者阴极部分有暴露，放电过程中可能就会形成电子通路，因而可能会发生跑弧，跑弧严重甚至会出现烧靶，绝缘件碳化等）。具体的，屏蔽压板162、靶屏蔽环163、阴极屏蔽环164均为陶瓷绝缘件，其为耐高温陶瓷，材质为氮化硅、氮化硼、氧化铝、碳化硼、氧化锆，优选氧化铝。

所述安装板3设有密封腔室的一侧设有防尘罩19，所述防尘罩19套设在弧头组件1外。在图中，防尘罩19与密封环配合装配，其可以为螺栓紧固也可以为卡销组合，图中，为卡销组合连接。

所述安装板3上可以可拆卸安装至少三种尺寸的电磁线圈17；

定义靶材半径为r1，防尘罩外径为r2；

至少其中一种电磁线圈17，其外径＜r1；

至少其中一种电磁线圈17，其内径＞r1且外径≤r2；

至少其中一种电磁线圈17，其内径大于r2。

在安装板3上电磁线圈17，其不同的尺寸可产生不同的功能，当电磁线圈内径为密封套外径，外径小于靶面直径时，其线圈为中心磁靴增强磁场，可有效提升中心磁场的电磁强度，进一步提升水平磁场的强度，同时增大了靶面前的竖直方向的磁场强度，一方面有利于增加弧斑的运动速度，另一方面有利于提升远离靶面的电子的离化效果以及等离子体强度；当电磁线圈内径大于靶面直径，线圈外径小于等于防尘罩外径时，电磁线圈可以拉平磁场，拓宽弧光放电过程中的放电沟道，提高靶材利用率；当电磁线圈内径大于防尘罩外径时，其线圈磁场可以增强密封腔室内的磁场强度（磁场可外延至转架上），有效的增强了电子的绕射路径，提高了空间内的等离子体离化率。永磁体形成的组件与电磁线圈相互配合，有效提升靶材利用率。

所述电磁线圈17加载可控多波形的交变电流或线性调节可编程控制的方波电流。其中可控多波形的交变电流：电压为±40v任意设置，占空比1-80%可调，频率为0.01-1kHZ可调的直流偏置三角波、锯齿波、半正弦波、正弦波或其他形式的交变电流，交变电流电压幅度任意可调，偏置电流电压幅度可调。线性调节可编程控制的方波电流为可实现短期内多种线性输出变化，长期周期有序的方波电流，其具有两种模式，其中模式1为频率为0.01-1kHZ，电压为±40v，占空比1-80%，每组电压的变化周期为1-30min的可实现输出电压远程线性周期性调节；模式2为可周期性运行的任意电压程序，周期内可任意设置每一段的电压幅值和运行时间，通过设置不同的电压幅值和运行时间形成一组程序流，该程序流可周期性运行。电压设置范围为-60v-+60v，运行时间精度为0.001s。每组周期内可编程命令段0-1000段。可设置的命令组为100组，每组可记忆并单独调用。其中多波形交变电流，可通过不同波形及输出电压的选择，实现电磁线圈磁场强度的变化，以此提高或减弱靶面的磁场强度，从而实现靶面弧斑的运动轨迹的变化；而线性可编程控制的方波电流其所具有两种模式电流，可根据不同的靶材进行调整，对于金属靶材其可采用模式1可以有效的提升靶材利用率及离化率，而对于模式2，其对于部分放电异常的放电材料（石墨、锆）可以有效的改善弧斑的运动速度，实现弧斑的高效驱动，实现全靶面放电。

如图8-11所示，所述引弧组件2包括驱动组件、引弧杆21、引弧针22、支架组件，所述支架组件连接在所述安装板3相对于密封腔室的另一侧，所述驱动组件固定在支架组件上，所述引弧杆21一端与支架组件连接，另一端穿过安装板3连接引弧针22，所述驱动组件可驱动引弧杆21沿直线运动以及可驱动引弧杆21旋转运动。

目前，常用的引弧装置分为两种，一种是线圈引弧的电动引弧装置，通过线圈通电产生磁场来带动引弧针运动，引弧成功后，线圈断电并通过弹簧使引弧针复位，实现引弧往复运动，另一种则是采用气缸驱动引弧针作往复运动。上述两种结构，引弧针均放置于靶材前端相对靶材作往复运动，即引弧针始终在靶材面前，本发明发现，引弧结束后，虽然引弧针相对靶材远离，但仍然会沉积大量沉积物，沉积物包含金属化合物和纯金属，其中沉积的化合物大多不具有导电性，会影响引弧针的导电性，需要每次进行维护，对于部分沉积的化合物的一般还便于清理，而纯金属的沉积，一般很难清理，大部分都会直接丢弃，因此目前引弧针更换的频率较高。通过上述设置，可使引弧针有效避开靶材离化的金属离子直接沉积, 很大程度降低沉积于引弧针上的膜层厚度, 同时也提高了引弧针的导电性，增大了放电引弧的稳定性，减少引弧针的替换次数。引弧针远离靶面，靶面前无遮挡，更有利于靶面沉积膜层。

同时，旋转直线复合驱动改变常规引弧装置的引弧针长度的限定（常规引弧，引弧针过长容易受热脆性增强，易断裂，螺旋引弧就没有这个问题），从而可以有较大的技术空间来设定阴极弧头上的电磁线圈，可以实现电磁线圈的不同功能（线圈内外径的变化可以实现稳弧、降低颗粒、增强离化不同的功能）。结合中心进出水设计也有效的降低了电磁线圈内径的限制，因此，本发明实现电磁线圈的有效设计尺寸范围相比常规结构要大很多。

如图9所示，所述驱动组件包括直线驱动装置23、与直线驱动装置23联动配合的导向柱24，所述引弧杆1上设有导向槽2103，所述导向柱24的端部位于导向槽2103内，所述直线驱动装置23驱动引弧针22沿直线运动以及所述引弧针22相对直线驱动装置23可转动，所述导向槽2103至少部分为旋转导向槽2104（可以采用螺旋槽）。通过直线驱动装置23驱动引弧杆21沿直线作往复运动，同时，由于导向柱24和导向槽2103中的旋转导向槽2104的相互配合，所以在引弧杆21沿直线从一端移动到另一端时，引弧杆21会在其中的部分路径或全部路径中同时作旋转运动。旋转导向槽2104使引弧柱21旋转的角度由实际需求设置。引弧杆旋转的角度可以为0-360°，图中为30-120°。

导向槽2103的结构可以为图10（a）所示的，由直线导向部分和旋转导向部分衔接构成，其中直线部分相对更接近引弧针22，当直线驱动装置23往靶材方向驱动引弧杆21时，先使引弧针22做旋转运动，使引弧针22转到靶材中心附近，然后进行直线引弧运动，此结构适用用靶面陷于内部的弧源。

导向槽2103的结构也可以为图10（b）所示的，整体为旋转导向槽2104构成，在直线驱动装置23驱动引弧杆21直线往复运动的同时做旋转运动，这种适用于平面弧源的引弧装置。

图中，直线驱动装置23采用的是气缸组件。

图中，导向柱24端部为球面或锥面，凹槽内壁为与导向柱24端部配合，便于更好的接触导向以及减少摩擦力。

所述引弧杆21和驱动组件上设有随所述引弧杆21沿直线往返运动而使引弧针22的电流闭合/断开的接电组件。

目前引弧针在引弧过程中，引弧针放置在阴极靶面前，作为接地端与阴极瞬间短路，产生大电流，从而引起弧光放电，引弧针在阴极稳定放电无任何影响，但常规的引弧针通常是通过保护电阻接地，在放电过程中，引弧针作为阳极，大量电子受电场影响，会轰击引弧针的前端，前端受热会加速引弧针材料的老化，降低实用寿命。现阶段对于引弧针的吸收电子受热老化主要有以下两种处理方式：1、隐藏式，通过弹力组件将引弧针引弧后隐藏，缺点结构复杂，成本高，稳定性差。2、电位悬浮，将引弧针电位悬浮，其电路上加装延时开关并配合PLC控制实现引弧针的电位悬浮，缺点：成本高、大电流的延时开关使用寿命有限、PLC控制设计复杂。接电组件的设置可以实现：引弧针接近靶材中心时，在引弧接触瞬间通电，引弧针远离靶材时，为电路分离，实现引弧针与靶材远离的同时断开电流，这样可以使引弧针电位悬浮，将现有技术中的两种处理方式的优势结合，既能隐藏又能电位悬浮，从而避免引弧针的老化，极大的减少了弧光放电中的热量堆积以及提升引弧针的使用寿命（引弧针高温硬化不可逆，会变脆发生断裂）。

所述导向柱24接电，如图10所示，所述导向槽2103包括接电区2105和绝缘区2106，所述接电区2105设置在导向槽2103的一端端部，当导向柱24与接电区2105相接触时，所述导向柱24与引弧针22之间形成电连接，当导向柱24与绝缘区2106相接触时，所述导向柱24与引弧针22之间的电流断开。在图中，实现导向柱24接电结构为通过接线螺栓将接电导线的接线鼻与导向柱24连接固定。这样结构更加简单紧凑，导向柱24既起到导向使引弧杆旋转的作用，又作为导电接头。接电区2105设置在导向槽2103的一端端部，因此，导向柱24仅在导向槽2103终点处可与引弧针22接电。这样保证引弧杆在非工作状态时处于电位悬浮状态。

也可以在驱动组件和导向柱24上分别固定电极触片，当引弧针接近靶材中心时，两个电极触片闭合，当引弧针远离靶材时两个电极触片断开，但这样相比结构更加复杂。且引弧杆21相对驱动组件旋转，电极触片之间的磨损会较常规的只有直线运动实现闭合/断开的结构大很多。

所述导向槽2103中的绝缘区表面附着一层绝缘材质。具体地，可以在绝缘区表面做DLC膜或其它任意一种不导电涂料膜层。对引弧杆的旋转沟槽内进行表面处理，其表面涂层为绝缘涂层材料，其沟槽的端点处不进行处理，在引弧杆旋转到最终角度时，导向柱将与沟槽端点（非绝缘处）接触，从而实现引弧杆接地，以此来实现引弧功能，同时保证引弧杆在非工作状态时处于电位悬浮状态。

如图9所示，所述直线驱动装置23与引弧杆21之间通过关节球轴承25连接。关节球轴承利用螺纹连接直线驱动装置23的驱动轴和引弧杆，保证驱动轴直线运动的同时引弧杆可以做直线和旋转复合运动。

所述驱动组件包括支架26，所述直线驱动装置23和导向柱24固定在支架26上。具体地，可以如图9所示，支架上设有一螺孔，导向柱24螺纹连接于螺孔内。

所述引弧杆21上设有绝缘密封组件，所述绝缘密封组件固定在支架26上。

图中，所述绝缘密封组件包括密封套筒27，所述密封套筒27套设在引弧杆21外且与支架26固定连接，所述支架26设有凸起的轴肩2601，所述轴肩2601伸入密封套筒27内，所述密封套筒27内壁上设有凸起的环肩2701，所述轴肩2601与环肩2701之间设有第一油封28和第二油封29，所述轴肩2601与第一油封28、环肩2701与第二油封29形成双向轴密封结构。这样轴做轴向即径向运动的同时可保持密封状态，满足旋转引弧的要求。支架26和密封套筒27在图中为法兰连接，也可以采用其它连接结构连接。

如图11所示，所述引弧杆21端部沿垂直轴向的方向设有至少两个与引弧针22适配的引弧针安装孔2102，以及，沿轴向方向设有螺栓孔2101，所述螺栓孔2101与所有的引弧针安装孔2102相通，所述螺栓孔2101内螺纹连接有固定螺栓210。便于调节引弧针位置，更实际耐用。

阴极上加载直流电源或脉冲弧电源，其中脉冲弧电源具体参数为：基值电流20-100A可调、峰值电流100-1000A可调，频率1-1kHZ可调，占空比1-80%可调。脉冲弧是指以一定的基值电流作为稳弧电流，峰值电流为脉冲强流，可以在靶面上瞬间施加强电流，强流的施加一方面增大了靶面的磁场强度，从而造成靶面上弧斑的分叉，形成劈裂弧，减少了大颗粒的产生，另一方面瞬间强流的叠加，可以大大降低稳弧基值电流的大小（直流电源稳弧电流45A以上，脉冲弧电流20A也可以正常工作），从而可以降低大颗粒的产生，同时强流的叠加增强了电子浓度和碰撞，可以提升弧光放电过程中的等离子体强度，提高阴极的离化率。

以下为不同实施例对同一紧凑结构实现不同磁场模式的弧源进行具体阐述：

实施例一 中心横向边缘纵向复合周期性电磁模式

本模式是通过设置中心横向磁场模式，如图12所示：永磁体安装件132上将放置横向永磁体，其永磁体横向放置，其将产生较强的水平分量磁场，有利于提高电子的水平方向绕射性，可离化出更多的电子，提升靶材离化率；阴极座11上的一圈永磁体安装孔131上将会装入纵向永磁体，一方面增加靶材前面的纵向磁场分量，提高等离子体的密度，以及提高等离子体向工件输运的能力；另一方面与横向磁场耦合，形成覆盖面积更大的横向磁场分布，提高靶材的利用率，进一步降低弧斑的功率密度，减少大颗粒。通过中心横向边缘纵向磁场耦合，既提高了弧斑的运动速度，减少颗粒发射，又提高了等离子体输运效率，提高了沉积速率，和离子的能量，提升膜层的品质。

在以上中心横向边缘纵向永磁体组合的基础上，进一步增加周期性电磁模式复合，如图13所示：密封套142上套装电磁线圈或者在线圈电流作用下磁场不仅水平分量磁场得到加强，垂直分量的磁场也会增强，这样不仅进一步增大了靶材的离化率，也提升了等离子体中电子向待镀工件运动的饶射性，进一步增强了等离子体的浓度及强度。通过施加可控多波形的交变线圈电流，如图15所示，可以进而大幅度提高靶材的利用率。

在以上中心横向边缘纵向复合周期性电磁场的基础上，进一步通过调制脉冲弧放电，如图16所示，通过施加可调制脉冲弧，采用脉冲弧可以在靶面上瞬间施加强电流，强流的施加一方面增大了靶面的磁场强度，从而造成靶面上弧斑的分叉，形成劈裂弧，减少了大颗粒的产生，另一方面瞬间强流的叠加，可以大大降低稳弧基值电流的大小（直流电源稳弧电流45A以上，脉冲弧电流20A也可以正常工作），从而可以降低大颗粒的产生，同时强流的叠加，可以提升弧光放电过程中的等离子体强度，提高阴极的离化率。可有效的实现金属类靶材的全靶面放电，同时利用脉冲弧的瞬间峰值电流可有效抑制大颗粒的产生。

实施例二 中心边缘双纵向复合可编程电磁模式

本模式通过中心边缘双纵向永磁体，形成耦合磁场模式，如图17所示：永磁体安装件132上将放置纵向永磁体，其永磁体纵向放置，其将产生较强的纵向磁场，可有效的提升到达待镀基体表面的等离子体的强度；阴极座11上的一圈永磁体安装孔131上将会装入纵向永磁体，一方面与中心纵向磁场叠加，进一步提高靶材前面纵向磁场分量强度，进一步提高等离子体的密度，以及提高等离子体向工件输运的能力；另一方面与中心纵向磁场耦合，形成靶面的拱形磁场，可以约束弧斑的运动，将弧斑控制在一定的运动范围内，同时提高弧斑的运动速度，降低弧斑的功率密度，减少大颗粒。

上述模式，可以大幅度提高等离子体的输运效率，提高弧斑的运动速度，减少颗粒发射，但是弧斑容易形成刻蚀轨道。为了提高靶材利用率，避免刻蚀轨道的产生，进一步设置了电磁线圈，如图19所示，电磁套装在阴极体法兰板内侧，通过施加线性调节可编程控制的方波电流，如图20所示，形成可编程的复合磁场模式，可以调控拱形磁场的位置，可以进而大幅度提高靶材的利用率。同时，可进一步增强纵向磁场的强度，增大了电子的绕射速度，降低了电子在磁场中的绕射半径，可极大地增加碰撞次数，从而离化出更多的离子。

在以上可编程的复合磁场模式的基础上，进一步通过调制脉冲弧放电，如图20所示，通过施加可调制脉冲弧，采用脉冲弧可以在靶面上瞬间施加强电流，强流的施加一方面增大了靶面的磁场强度，从而造成靶面上弧斑的分叉，形成劈裂弧，减少了大颗粒的产生，另一方面瞬间强流的叠加，可以大大降低稳弧基值电流的大小（直流电源稳弧电流45A以上，脉冲弧电流20A也可以正常工作），从而可以降低大颗粒的产生，同时强流的叠加，可以提升弧光放电过程中的等离子体强度，提高阴极的离化率。可有效的实现了碳靶的全靶面放电，同时利用脉冲弧的瞬间峰值电流可有效提升碳粒子的离化率。

实施例三 多组电磁增强模式

通过实施例一和实施例二可知，通过外加电磁线圈的磁场模拟示意图可知，外加电磁线圈可增强腔室内的电磁强度，从而使得飞向待镀工件的等离子体中的电子离化更多的工艺气体粒子，可有效的提升反应沉积中的粒子能量，从而获得更优质的涂层。同时，通过线圈上加载可控多波形的交变电流或线性调节可编程控制的方波电流，可以有效的控制弧斑的运动，增加放电的面积，提高靶材利用率。因此，可以通过本发明的结构紧凑，实现多组线圈的安装，如图16，多组线圈套装在阴极弧头上，线圈171及线圈172安装在安装板3上，其中线圈都将会套装绝缘套通过绝缘套上的紧固螺丝与法兰连接以此实现线圈与法兰之间的电位绝缘，线圈171为内径大于防尘罩的弧光增强磁场线圈，线圈172为中心增强磁场线圈，其外径与靶面尺寸相近，线圈173套装在安装板3内侧，其处于真空密封件密封环142及永磁体安装件132之间，可有效提升靶材利用率，实现全靶面放电。

本发明中，其中不同组的线圈可以设置不同模式的电流，本发明线圈的电流可设置可控多波形的交变电流：电压为±40v任意设置，占空比1-80%可调，频率为0.01-1kHZ可调的直流偏置三角波、锯齿波、半正弦波、正弦波或其他形式的交变电流，交变电流电压幅度任意可调，偏置电流电压幅度可调。也可设置线性调节可编程控制的方波电流，为可实现短期内多种线性输出变化，长期周期有序的方波电流，其具有两种模式，其中模式1为频率为0.01-1kHZ，电压为±40v，占空比1-80%，每组电压的变化周期为1-30min的可实现输出电压远程线性周期性调节；模式2为可周期性运行的任意电压程序，周期内可任意设置每一段的电压幅值和运行时间，通过设置不同的电压幅值和运行时间形成一组程序流，该程序流可周期性运行。电压设置范围为-60v-+60v，运行时间精度为0.001s。每组周期内可编程命令段0-1000段。可设置的命令组为100组，每组可记忆并单独调用。

通过以上多组线圈的组合，可以达到既提高弧斑的运动速度，减少颗粒发射，又提高等离子体输运效率，提高了沉积速率和离子的能量，提升膜层的品质的综合效果。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种多模式调制弧源装置，其特征在于：包括弧头组件（1）、引弧组件（2）、安装板（3），所述弧头组件（1）与引弧组件（2）均固定在安装板（3）上；

所述弧头组件（1）与安装板（3）之间设有绝缘密封组件，通过所述绝缘密封组件使弧头组件（1）与安装板（3）之间形成密封腔室；

所述弧头组件（1）包括阴极座（11）、阴极盖（12），所述阴极座（11）、阴极盖（12）可拆卸安装组成阴极组件；所述阴极座（11）远离阴极盖（12）的一侧表面上设有靶材安装部（111），所述靶材安装部（111）内连接有靶材（15）；

所述阴极座（11）与阴极盖（12）之间设有沿环状排列的若干永磁体安装孔（131），所述永磁体安装孔（131）可拆卸安装有永磁体，且所述永磁体安装孔（131）均位于靶材安装部（111）投射位置的外周；

所述阴极盖（12）远离阴极座（11）的一侧表面上可拆卸安装有永磁体安装件（132），所述永磁体安装件（132）与阴极盖（12）之间可拆卸安装有永磁体，所述永磁体安装件（132）与阴极盖（12）之间的永磁体位于靶材安装部（111）投射位置所在区域中；

所述安装板（3）设有密封腔室的一侧设有防尘罩（19），所述防尘罩（19）套设在弧头组件（1）外；

所述安装板（3）上可以可拆卸安装至少三种尺寸的电磁线圈（17）；

定义靶材半径为r₁，防尘罩外径为r₂；

至少其中一种电磁线圈（17），其外径＜r₁；

至少其中一种电磁线圈（17），其内径＞r₁且外径≤r₂；

至少其中一种电磁线圈（17），其内径大于r_2；

所述电磁线圈（17）加载可控多波形的交变电流或线性调节可编程控制的方波电流。

2.根据权利要求1所述的多模式调制弧源装置，其特征在于：所述阴极座（11）与阴极盖（12）之间设有水冷内腔（18）；所述水冷内腔（18）内设有隔板（181），所述隔板（181）将所述水冷内腔（18）分隔形成螺旋状的水道，且水道的两端均接近阴极座（11）的中心处；所述阴极盖（12）包括阴极盖主体（124）以及设置在阴极盖主体（124）远离阴极座（11）的一侧表面的进水管（121）和出水管（122），所述进水管（121）和出水管（122）对应水道的两端设置且阴极盖主体（124）上设有两个通孔使进水管（121）和出水管（122）分别与水道的两端相连通。

3.根据权利要求2所述的多模式调制弧源装置，其特征在于：所述阴极盖主体（124）远离阴极座（11）的一侧表面设有连接套（123），所述进水管（121）和出水管（122）位于连接套（123）的内腔，所述安装板（3）上设有安装孔，所述连接套（123）穿过安装孔，所述永磁体安装件（132）套设在连接套（123）外且位于阴极盖主体（124）与安装板（3）之间。

4.根据权利要求3所述的多模式调制弧源装置，其特征在于：所述安装板（3）上设有安装孔，所述连接套（123）穿过安装孔，所述绝缘密封组件包括绝缘板（141）、密封环（142）、密封套（143）、压紧螺母（144）；

所述绝缘板（141）、密封环（142）同心叠加设置于阴极组件与安装板（3）之间；

所述连接套（123）远离阴极盖主体（124）的端部外壁设有螺纹，密封环（142）为L形密封件，所述密封环（142）套设在连接套（123）外，并通过压紧螺母（144）与连接套（123）螺纹连接压紧密封环（142）。

5.根据权利要求1所述的多模式调制弧源装置，其特征在于：还包括屏蔽组件，所述屏蔽组件包括阴极垫圈（161），所述阴极垫圈（161）套设在靶材（15）外且与阴极组件固定连接，所述阴极垫圈（161）内侧套装靶屏蔽环（163），外环套装阴极屏蔽环（164），远离阴极组件的一侧侧面固定连接屏蔽压板（162），所述屏蔽压板（162）对靶屏蔽环（163）和阴极屏蔽环（164）形成限位作用，所述屏蔽压板（162）、靶屏蔽环（163）、阴极屏蔽环（164）均为绝缘材质制成。

6.根据权利要求1所述的多模式调制弧源装置，其特征在于：所述引弧组件（2）包括驱动组件、引弧杆（21）、引弧针（22）、支架组件，所述支架组件连接在所述安装板（3）相对于密封腔室的另一侧，所述驱动组件固定在支架组件上，所述引弧杆（21）一端与支架组件连接，另一端穿过安装板（3）连接引弧针（22），所述驱动组件可驱动引弧杆（21）沿直线运动以及可驱动引弧杆（21）旋转运动。

7.根据权利要求1所述的多模式调制弧源装置，其特征在于：阴极上加载直流电源或脉冲弧电源，其中脉冲弧电源具体参数为：基值电流20-100A可调、峰值电流100-1000A可调，频率1-1kHZ可调，占空比1-80%可调。

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