CN111893440A - 电弧离子镀膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电弧离子镀技术领域，特别涉及一种电弧离子镀膜装置。本发明的电弧离子镀膜装置，包括：基体支架，用于支撑基体；电弧源，包括阴极靶，阴极靶用于释放等离子体，以为基体镀膜；和辅助阳极，设置于阴极靶与基体支架之间，辅助阳极内设有允许阴极靶所释放等离子体通过的通道，且辅助阳极与阴极靶之间形成电场，辅助阳极和阴极靶分别与电源的正极和负极电连接。基于此，可减少大颗粒在膜层上的沉积，从而有效改善膜层质量。

Description

电弧离子镀膜装置

技术领域

本发明涉及电弧离子镀技术领域，特别涉及一种电弧离子镀膜装置。

背景技术

作为物理气相沉积技术之一，电弧离子镀技术是一种先进的真空镀膜技术，其基于电弧放电原理，在电弧源的阴极靶表面局部起弧，使阴极靶微区熔化并离化，释放等离子体，所释放的等离子体在偏压作用下轰击基体表面并生长成膜。由于具有结构简单，阴极靶离化率高，绕射性能好，制备膜层致密度高，在镀制过程中电弧源可以任意放置等多方面的优点，电弧离子镀技术被广泛应用于装饰镀行业以及刀具薄膜等机械加工行业。

但相关技术中的电弧离子镀技术，容易出现熔融大液滴污染问题，大颗粒的沉积造成膜层质量严重下降，导致这一技术在高质量，尤其是纳米级薄膜上的应用严重受限。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是：改善膜层质量。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电弧离子镀膜装置，其包括：

基体支架，用于支撑基体；

电弧源，包括阴极靶，阴极靶用于释放等离子体，以为基体镀膜；和

辅助阳极，设置于阴极靶与基体支架之间，辅助阳极内设有允许阴极靶所释放等离子体通过的通道，且辅助阳极与阴极靶之间形成电场，辅助阳极和阴极靶分别与电源的正极和负极电连接。

在一些实施例中，辅助阳极包括本体部，本体部围设于通道四周，且本体部具有非连续的表面。

在一些实施例中，本体部包括至少两根杆件，至少两根杆件沿着通道的周向间隔布置。

在一些实施例中，至少两根杆件沿着通道的周向均匀布置。

在一些实施例中，辅助阳极还包括支撑部，支撑部支撑本体部。

在一些实施例中，支撑部包括第一支撑环和第二支撑环，第一支撑环和第二支撑环沿着由基体支架至阴极靶的方向依次布置，本体部连接于第一支撑环和第二支撑环之间。

在一些实施例中，辅助阳极通过第一支撑环与电源的正极电连接；和/或，辅助阳极通过第一支撑环与电弧离子镀膜装置的真空腔体连接。

在一些实施例中，第一支撑环的环径大于第二支撑环的环径。

在一些实施例中，辅助阳极与阴极靶的朝向基体支架的表面之间的距离为50mm。

在一些实施例中，辅助阳极与阴极靶同轴布置。

在一些实施例中，电弧离子镀膜装置还包括基体偏压装置，基体偏压装置与基体支架电连接，用于为基体施加偏压。

在一些实施例中，基体偏压装置包括基体脉冲偏压装置，基体脉冲偏压装置用于为基体施加脉冲偏压。

通过在电弧离子镀膜装置中增设加载正电位的辅助阳极，利用辅助阳极与阴极靶之间的电场，使大颗粒带负电，并沉积在辅助阳极上，可以有效过滤大颗粒，减少大颗粒在膜层上的沉积，从而有效改善膜层质量。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一些实施例中电弧离子镀膜装置的结构简图。

图2为图1中辅助阳极的立体示意图。

图中：

100、电弧离子镀装置；

1、真空腔体；11、真空室；

2、基体支架；21、基体；22、涂层；

3、电弧源；31、阴极靶；32、引弧极；33、阴极靶支架；

4、辅助阳极；41、本体部；42、支撑部；43、通道；411、杆件；421、第一支撑环；422、第二支撑环；423、连接孔；

51、电源；52、导线；53、绝缘件；

6、基体偏压装置；61、基体脉冲偏压装置；611、偏压电源；

7、等离子体；71、大颗粒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1-图2示例性地示出了本发明电弧离子镀膜装置的结构。

参照图1，电弧离子镀膜装置100包括真空腔体1、基体支架2和电弧源3等。

真空腔体1内设有真空室11，为电弧离子镀过程提供真空环境。一些实施例中，电弧离子镀膜装置100还包括抽真空装置(图中未示出)，与真空室11连通，用于对真空室11抽真空，使得真空室11内形成真空环境。

基体支架2与真空腔体1连接，用于支撑基体21。基体21为待镀膜的工件。参照图1，一些实施例中，基体支架2的第一端插入真空室11中，同时，基体支架2的与第一端相对的第二端位于真空室11外部。基体21设置在基体支架2的第一端，这样，基体21位于真空室11中。基体支架2的第二端与基体偏压装置6电连接。基体偏压装置6包括偏压电源611，偏压电源611的负极和正极分别与基体支架2的第二端及真空腔体1电连接，用于对基体2施加偏压。并且，基体支架2的第一端与真空腔体1之间设有绝缘件53，绝缘件53实现基体支架2第一端与真空腔体1之间的绝缘。

电弧源3与真空腔体1连接，用于基于电弧放电原理，为基体21镀膜。参照图1，一些实施例中，电弧源3包括阴极靶31和引弧极32。阴极靶31位于真空室11中，用作等离子体源，用于释放等离子体7，以为基体21镀膜。引弧极32与阴极靶31可分离地结合，用于控制阴极靶31是否释放等离子体7。其中，阴极靶31和引弧极32分别与电源51的负极和正极电连接。在引弧极32与阴极靶31接触时，阴极靶31和引弧极32之间的电路导通，瞬时间产生很大的电流，引发阴极靶31表面微区域电弧发射，形成电弧斑，使阴极靶31相应区域瞬时蒸发并离子化，激发出包括电子、离子和中性原子的等离子体7。所激发出的等离子体7在基体偏压装置6的作用下轰击基体21的表面，在基体21表面沉积，形成涂层22，实现镀膜过程。图1中箭头I表示等离子体7的整体运动方向，其沿着由阴极靶31至基体支架2的方向。

其中，如图1所示，一些实施例中，引弧极32与阴极靶31的朝向基体21的表面可分离地接触。此时，阴极靶31的朝向基体21的表面为激发面，等离子体7由该表面激发，并朝基体21运动，对基体21进行轰击。

继续参照图1，一些实施例中，阴极靶31被阴极靶支架33支撑于真空室11中，并通过阴极靶支架33与电源51的负极电连接。而引弧极32位于真空室11中，并通过导线52等导电件与电源51的正极电连接。其中，阴极靶支架33一端伸至真空室11中，另一端露于真空室11外部。且阴极靶支架33与真空腔体1之间设有绝缘件53，绝缘件53实现阴极靶支架33与真空腔体1之间的绝缘。另外，在电连接电源51正极与引弧极32的导线52等导电件与真空腔体1之间设有绝缘件53，绝缘件53实现阴极靶支架33和导线52等导电件与真空腔体1之间的绝缘，以使阴极靶支架33和引弧极32与真空腔体1之间绝缘。

为了使所释放的等离子体7更充分地轰击基体21，如图1所示，一些实施例中，阴极靶支架33和基体支架2布置于真空腔体1相对两侧的侧壁上，且阴极靶支架33和基体支架2大致同轴地设置，这样，阴极靶31和基体21能够彼此相对地布置，使得阴极靶31所释放的等离子体7能够更充分高效地轰击基体21，提高镀膜效率。

如背景技术部分所提及的，相关技术中，在电弧离子镀膜过程中，会产生熔融大液滴，形成大颗粒71，且大颗粒71会沉积在基体21表面，影响膜层质量，限制电弧离子镀技术在高质量膜层，尤其是纳米级膜层上的应用。

为了减轻大颗粒污染问题，参照图1，在本发明的一些实施例中，电弧离子镀装置100还包括辅助阳极4。该辅助阳极4设置于阴极靶31与基体支架2之间。辅助阳极4内设有允许阴极靶31所释放等离子体7通过的通道43。同时，辅助阳极4与阴极靶31之间形成电场，辅助阳极4和阴极靶31分别与电源51的正极和负极电连接。其中，与辅助阳极4电连接的电源51可以与前述与引弧极32电连接的电源51为同一个电源，或不同的两个电源。且电源51对辅助阳极4的加载方式可以为直流加载方式或脉冲加载方式。

通过在阴极靶31的下游(即阴极靶31的靠近基体21的一侧)增设辅助阳极4，并在辅助阳极4上施加高于电弧源3的正电位，使得能在阴极靶31所激发的等离子体7的运动路径上形成电场，辅助阴极靶31电弧放电，改善膜层质量。

一方面，辅助阳极4与阴极靶31之间的电场，能加快电子的热运动速率，实现电子在大颗粒71表面的快速积累，使大颗粒71带负电，并将带负电的大颗粒71吸引至辅助阳极4上，起到过滤大颗粒71的作用，减少运动至基体21表面的大颗粒71的数量，减少大颗粒71在基体21上的沉积，减轻大颗粒71对涂层22的污染，这有利于改善膜层质量，为电弧离子镀技术在纳米级膜层等更高质量膜层上的应用提供基础。

另一方面，辅助阳极4与阴极靶31之间的电场，还可以强化场致电子发射作用，加速电子运动，引导弧斑均匀分布，提高整体离化率，这些也有助于改善膜层质量。

其中，在辅助阳极4与阴极靶31之间的电场的作用下，阴极靶31表面发射的等离子体7中更多的离子可以重新返回阴极靶31表面，对阴极靶31表面进行轰击，使得等离子体7轰击阴极靶31的能量更强，促进阴极靶31表面弧斑均匀分布，有效增强等离子体7的激发连续性，减少大颗粒71形成，改善膜层质量。

同时，在辅助阳极4与阴极靶31之间的电场的作用下，激发得到的等离子体7中的电子能获得加速，强化对所激发等离子体7中的中性原子的碰撞离化作用，使中性原子进一步电离，有效提高整体离化率，改善膜层质量。

可见，所增设的与阴极靶31之间形成电场，并带正电位的辅助阳极4，可以通过减少大颗粒71的形成，对大颗粒71进行过滤，并对等离子体7进行加速，来有效改善膜层质量。

并且，所增设的辅助阳极4，也不影响基体偏压装置6的加载，与基体偏压装置6配合，可以进一步降低大颗粒71在膜层表面的沉积数量，进一步提高膜层质量。例如，参见图1，一些实施例中，基体偏压装置6包括基体脉冲偏压装置61，基体脉冲偏压装置61用于对基体21施加脉冲偏压。这样，可以在基体21表面形成不断激荡的鞘层，强化对大颗粒71的排斥能力，进一步减少大颗粒71沉积，从而与辅助阳极4一起，更有效地提升膜层质量。其中，在基体偏压装置6包括基体脉冲偏压装置61时，偏压电源611包括脉冲偏压电源(图中未标示)。脉冲偏压电源的正极和负极分别与基体支架2和真空腔体1电连接。

作为辅助阳极4的一种实现方式，参照图1和图2，一些实施例中，辅助阳极4包括本体部41。本体部41围设于通道43四周。这样，本体部41形成通道43的侧壁，使得带负电的大颗粒71可以被吸引沉积在本体部41上。

其中，本体部41可以具有连续表面，例如，本体部41可以为连续的圆柱侧面。或者，本体部41也可以具有非连续表面。例如，参照图1和图2，一些实施例中，本体部41包括至少两根杆件411，这至少两根杆件411沿着通道43的周向间隔布置。此时，本体部41具有非连续表面，其在相邻两根杆件411之间具有间隔。

相对于本体部41具有连续表面的情况，主体部41具有非连续表面时，更有利于减少大颗粒污染。因为，在主体部41具有非连续表面的情况下，大颗粒71在经过辅助阳极4的过程中，可以从主体部41的非连续表面的缝隙(例如相邻两根杆件411之间的缝隙)中通过，这可以降低大颗粒71因受到主体部41撞击作用而继续朝基体21运动的风险，从而可以减少大颗粒71在基体21上的沉积，进一步改善镀膜质量。

在上述实施例中，所设置的至少两根杆件411可以沿着通道43的周向均匀布置。例如，一些实施例中，多根杆件411沿着通道43的周向均匀分布。

将各杆件41沿着通道43的周向均匀布置，有利于在阴极靶31表面建立更加均匀的电场，从而通过引导弧斑更均匀地分布等，来更有效地提升所镀膜层质量。

另外，为了改善辅助阳极4在阴极靶31表面所建立电场的均匀性，参照图1，一些实施例中，通道43的轴线与阴极靶31的轴线共线。此时，辅助阳极4与阴极靶31同轴布置，辅助阳极4能在阴极靶31表面建立相对均匀的电场，从而可以更有效地改善膜层质量。

当各杆件41沿着通道43的周向均匀布置，且辅助阳极4与阴极靶31同轴布置时，辅助阳极4与阴极靶31之间可以形成分布更加均匀的柱状电场，对膜层质量的改善效果更好。

另外，除了包括本体部41，参照图1-2，一些实施例中，辅助阳极4还包括支撑部42，支撑部42支撑本体部41。本体部41与支撑部42之间可以采用焊接等方式连接。

在本体部41的基础上，进一步设置支撑部42，对本体部41进行支撑，有利于提高辅助阳极4的结构稳定性。

并且，在本体部41的基础上，进一步设置支撑部42，也更方便本体部41，尤其是具有非连续表面的本体部41的安装固定以及与电源51正极的电连接。

例如，一些实施例中，支撑部42连接真空腔体1与本体部41，使得本体部41通过支撑部42与真空腔体1连接，实现本体部41在真空腔体1上的安装固定。

再例如，一些实施例中，支撑部42电连接本体部41与电源51的正极。使得本体部41通过支撑部42与电源51的正极电连接，实现本体部41与电源51正极的电连接。

具体地，参照图1-2，一些实施例中，支撑部42包括第一支撑环421和第二支撑环422，第一支撑环421和第二支撑环422沿着由基体支架2至阴极靶31的方向依次布置，本体部41连接于第一支撑环421和第二支撑环422之间。并且，辅助阳极4通过第一支撑环421与电源51的正极电连接。同时，辅助阳极4通过第一支撑环421与真空腔体1连接。

在本体部41的轴向两端分别设置第一支撑环421和第二支撑环422对本体部41进行支撑，可以实现对本体部41更稳定可靠地支撑，且结构简单。

而利用第一支撑环421和第二支撑环422中，更靠近基体21的第一支撑环421来实现辅助阳极4与电源51正极的电连接，可以在不改变辅助阳极4与基体支架2及阴极靶31之间距离的基础上，增大辅助阳极4的电位加载位置(即辅助阳极4的与电源51正极电连接的位置)与阴极靶31之间的距离，延长电子向辅助阳极4集结过程中的路径，使电子获得更多能量，并离化更多中性离子，更有效地提高整体离化率。

同时，由于第一支撑环421一侧的空间相对于第二支撑环422与阴极靶31之间的空间更大，因此，利用第一支撑环421来实现辅助阳极4在真空腔体1上的安装固定，也使得安装操作更加方便。

其中，第一支撑环421和第二支撑环422的环径(即内外径之差)可以相等。或者，第一支撑环421的环径可以大于第二支撑环422的环径，此时，尤其适合利用第一支撑环421来实现本体部41的安装固定以及电位加载，因为第一支撑环421具有较大的面积，可以更方便地实现辅助阳极4的安装固定以及电位加载，且安装固定效果更加牢固。

接下来对图1-2所示的实施例予以进一步介绍。

如图1-2所示，在该实施例中，辅助阳极4布置于阴极靶31与基体21之间，与阴极靶31之间的距离为50mm，且辅助阳极4由不锈钢等金属材料制成，并大致呈鼠笼式结构，其包括本体部41和支撑部42，且本体部41包括多根(例如40根)杆件411，支撑部42包括第一支撑环421和第二支撑环422，各杆件411沿着第一支撑环421和第二支撑环422的周向均匀地间隔布置，使得各杆件411之间围成圆柱空腔，该圆柱空腔与第一支撑环421和第二支撑环422的镂空部连通，形成圆柱形的通道43。

其中，第一支撑环421和第二支撑环422均与阴极靶31同轴，使得通道43与阴极靶31同轴，实现辅助阳极4与阴极靶31同轴布置。且第一支撑环421和第二支撑环422沿着由阴极靶31至基体21的方向依次布置，第一支撑环421相对于支撑部41朝径向外侧凸出，同时第二支撑环422与支撑部41在径向上平齐，使得第一支撑环421的内径与第二支撑环422的内径相等，第一支撑环421的外径大于第二支撑环422的外径，第一支撑环421具有大于第二支撑环422的环径。

由图2可知，在该实施例中，第一支撑环421上设有连接孔423，用于与螺纹连接件等连接件配合，实现辅助阳极4在真空腔体1上的安装固定。连接孔423的数量可以为多个，且这多个连接孔423可以沿着第一支撑环421的周向均匀分布，以实现辅助阳极4在真空腔体1上更平稳牢固的安装。

另外，由图1可知，在该实施例中，第一支撑环421通过导线52等导电件与电源51的正极电连接，以实现辅助阳极4与电源51正极的电连接。此处的电源51为与引弧极32电连接的电源51之外的另一电源，此时，为了方便区分，可以将与辅助阳极4电连接的电源51称为第一电源，并将与引弧极32电连接的电源51称为第二电源。

阴极靶31与第一电源的负极电连接。这样，辅助阳极4与阴极靶31分别与同一电源51的正极和负极电连接，辅助阳极4与阴极靶31之间形成电场。其中，电连接于第一支撑环421与电源51正极之间的导线52等导电件与真空腔体1之间设有绝缘件53，由绝缘件53实现彼此之间的绝缘。

基于上述设置，辅助阳极4与阴极靶31之间形成均匀分布的柱状电场，能够强化阴极靶31表面的场致电子发射，促进阴极靶31表面弧斑的均匀分布，减少大颗粒71形成，加速电子运动速度，提高阴极靶31离化率，同时，所形成的匀强电场能够吸引等离子体7中的电子和带负电的大颗粒液滴，起到大颗粒过滤作用，减少运动到基体21表面的大颗粒数量，有效改善镀膜质量，拓宽电弧离子镀技术的应用范围。

同时，所设置的辅助阳极4，结构简单，易于安装，适用于各种尺寸的阴极靶31，且可以与基体脉冲偏压装置61配合使用，进一步减少大颗粒71在镀膜表面的沉积数量，从而进一步提高镀膜质量。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，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 (12)

1.一种电弧离子镀膜装置(100)，其特征在于，包括：

基体支架(2)，用于支撑基体(21)；

电弧源(3)，包括阴极靶(31)，所述阴极靶(31)用于释放等离子体(7)，以为所述基体(21)镀膜；和

辅助阳极(4)，设置于所述阴极靶(31)与所述基体支架(2)之间，所述辅助阳极(4)内设有允许所述阴极靶(31)所释放等离子体(7)通过的通道(43)，且所述辅助阳极(4)与所述阴极靶(31)之间形成电场，所述辅助阳极(4)和所述阴极靶(31)分别与电源(51)的正极和负极电连接。

2.根据权利要求1所述的电弧离子镀膜装置(100)，其特征在于，所述辅助阳极(4)包括本体部(41)，所述本体部(41)围设于所述通道(43)四周，且所述本体部(41)具有非连续的表面。

3.根据权利要求2所述的电弧离子镀膜装置(100)，其特征在于，所述本体部(41)包括至少两根杆件(411)，所述至少两根杆件(411)沿着所述通道(43)的周向间隔布置。

4.根据权利要求3所述的电弧离子镀膜装置(100)，其特征在于，所述至少两根杆件(411)沿着所述通道(43)的周向均匀布置。

5.根据权利要求2所述的电弧离子镀膜装置(100)，其特征在于，所述辅助阳极(4)还包括支撑部(42)，所述支撑部(42)支撑所述本体部(41)。

6.根据权利要求5所述的电弧离子镀膜装置(100)，其特征在于，所述支撑部(42)包括第一支撑环(421)和第二支撑环(422)，所述第一支撑环(421)和所述第二支撑环(422)沿着由所述基体支架(2)至所述阴极靶(31)的方向依次布置，所述本体部(41)连接于所述第一支撑环(421)和所述第二支撑环(422)之间。

7.根据权利要求6所述的电弧离子镀膜装置(100)，其特征在于，所述辅助阳极(4)通过所述第一支撑环(421)与所述电源(51)的正极电连接；和/或，所述辅助阳极(4)通过所述第一支撑环(421)与所述电弧离子镀膜装置(100)的真空腔体(1)连接。

8.根据权利要求6所述的电弧离子镀膜装置(100)，其特征在于，所述第一支撑环(421)的环径大于所述第二支撑环(422)的环径。

9.根据权利要求1所述的电弧离子镀膜装置(100)，其特征在于，所述辅助阳极(4)与所述阴极靶(31)的朝向所述基体支架(2)的表面之间的距离为50mm。

10.根据权利要求1-9任一所述的电弧离子镀膜装置(100)，其特征在于，所述辅助阳极(4)与所述阴极靶(31)同轴布置。

11.根据权利要求1-9任一所述的电弧离子镀膜装置(100)，其特征在于，所述电弧离子镀膜装置(100)还包括基体偏压装置(6)，所述基体偏压装置(6)与所述基体支架(2)电连接，用于为所述基体(21)施加偏压。

12.根据权利要求11所述的电弧离子镀膜装置(100)，其特征在于，所述基体偏压装置(6)包括基体脉冲偏压装置(61)，所述基体脉冲偏压装置(61)用于为所述基体(21)施加脉冲偏压。

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