CN112048701A - 一种多磁场集成阴极弧源 - Google Patents
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Abstract
本发明属于真空镀膜技术关键部件阴极弧源技术装备领域，具体涉及一种多磁场集成阴极弧源，包括阴极组件、阳极组件，所述阳极组件套设在阴极组件外且之间绝缘设置；所述阳极组件中设有第一磁极；所述阴极组件一端固定有靶材，所述阴极组件内设有第一空腔，所述第一空腔内设有第二磁极安装座，所述第二磁极安装座在第一空腔内可沿靶材轴向方向位移，所述第二磁极安装座上设有第二磁极；所述阴极组件远离靶材的一端设有电磁线圈。本发明通过利用阳极组件中的第一磁极和阴极组件内的可调节距离的第二磁极及电磁线圈相互作用，可在靶材表面形成较高的水平分量磁场强度，从而有利于弧光放电过程中增加电子的运动行程，提升等离子体的浓度及强度。
Description
技术领域
本发明属于真空镀膜技术关键部件阴极弧源技术装备领域，具体涉及一种多磁场集成阴极弧源。
背景技术
电弧离子镀膜技术是当今一种先进的离子镀膜技术，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。目前，应用比较多而且效果比较好的措施是磁过滤，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，而提供一种多磁场集成阴极弧源。
本发明所采取的技术方案如下：一种多磁场集成阴极弧源，包括阴极组件、阳极组件，所述阳极组件套设在阴极组件外且之间绝缘设置；
所述阳极组件中设有第一磁极；
所述阴极组件一端固定有靶材，所述阴极组件内设有第一空腔，所述第一空腔内设有第二磁极安装座，所述第二磁极安装座在第一空腔内可沿靶材轴向方向位移，所述第二磁极安装座上设有第二磁极；
所述阴极组件远离靶材的一端设有电磁线圈。
本发明通过利用阳极组件中的第一磁极和阴极组件内的可调节距离的第二磁极及电磁线圈相互作用，可在靶材表面形成较高的水平分量磁场强度，从而有利于弧光放电过程中增加电子的运动行程，提升等离子体的浓度及强度。
进一步地，所述阴极组件包括阴极座，所述阴极座一端固定有靶材，所述阴极座远离靶材的一端连接有安装件，所述第二磁极安装座设置在阴极座与安装件之间，所述第二磁极安装座上设有连接杆，所述连接杆穿过安装件且连接有用于驱动第二磁极安装座沿轴向方向直线运动或周向旋转的驱动装置。
通过转动连接杆使第二磁极安装座沿靶材轴向方向位移。
进一步地，所述安装件与阴极座可拆卸连接，所述电磁线圈固定在安装件外周。
进一步地，所述阴极组件包括阴极座，所述阴极座一端固定有靶材，所述阴极座远离靶材的一端连接有阴极盖，所述阴极座与阴极盖之间形成第二空腔，所述阴极盖上设有连通第二空腔的用于进出水的通孔。
第二空腔内通入冷却水，带走装配在阴极座上的靶材表面的热量，减少大颗粒的迸射。
进一步地，所述阴极座与阴极盖之间设有隔水条，所述隔水条在第二空腔使第二空腔形成曲折的水道。
隔水条的设置加速冷却水的流速，使散热效果提升。
进一步地，所述阳极组件包括阳极筒以及固定在阳极筒端部的阳极环，所述阳极环与靶材同心设置且位于靶材远离阴极组件的一侧。
阳极环的设置可实现放电电子的吸附稳定弧光放电过程。
进一步地，所述阳极筒为在法兰上焊接内板和外板形成的，所述内板和外板之间焊接有盘管，所述法兰上设有连接盘管的水道以及连接水道的冷却水进出水管。
通过上述设置，对阳极组件中的第一磁极以及阳极环进行冷却。
进一步地，所述阳极筒上设有环形槽以及在环形槽底部设有若干第一磁极安装孔，所述第一磁极位于第一磁极安装孔内，所述环形槽内设有环形件，所述环形件与阳极筒通过紧固件连接固定。
进一步地，所述阳极组件上连接有屏蔽组件，所述屏蔽组件包括固定套和屏蔽罩，所述固定套与阳极组件连接且连接之处绝缘设置，所述屏蔽罩上设有卡槽，所述固定套上设有突出销，固定套和屏蔽罩通过突出销和卡槽配合相连接。
屏蔽组件的设置可有效解决弧光放电中弧斑向靶面后方结构件运动的趋势，屏蔽罩可快速拆装，方便后期的维护，大大提高工作效率。
进一步地，所述屏蔽罩为锥形结构，其锥度角为30-45°。
锥形设计，可提升屏蔽区域的纵深，提升弧光放电过程中电子运动范围，促使等离子体的浓度及强度成倍的增大。
本发明的有益效果如下：采用多磁场集成设计，极大的改善了弧光放电过程中的等离子分布，有效的提升了靶材的利用率。
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为本发明一种实施例的结构示意图；
图2为本发明一种实施例的剖视图；
图3为本发明一种实施例中手动驱动方式的阴极组件上设置第二磁极安装座及电磁线圈的结构示意图；
图4为本发明一种实施例中自动驱动方式的阴极组件上设置第二磁极安装座及电磁线圈的结构示意图；
图5为本发明一种实施例中第二磁极安装座的结构示意图；
图6为阴极座和阴极盖相配合的结构示意图；
图7为阴极盖和隔水条配合的结构示意图；
图8为阳极筒的立体视图；
图9为阳极筒的剖视图；
图10为固定套的结构示意图；
图11为屏蔽罩的结构示意图；
图中，10，屏蔽罩；101，卡槽；11，固定套；111，突出销；12，挡圈；
20，阳极筒；201，阳极筒法兰；202，内板；203，外板；204，冷却水道；205，第二冷却水进出水管；206，第一磁极安装孔； 208，环形槽；21，阳极环；22，环形件；
30，阴极座；31，阴极座后盖；32，隔水条；34，第一冷却水进出水管；
40，电磁线圈；41，安装件；
50，第二磁极安装座；51，连接杆；52，螺纹孔；53，第二磁极安装孔；54，绝缘盖帽；55，驱动装置；
60，靶材；
70，绝缘环。
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至图5所示，为本发明实施例中，为便于绘图，多磁场集成阴极弧源中阴极座通过螺栓固定在阳极筒上，为防止固定螺栓与钻杆陪在阴极铜座后盖上的电磁线圈发生电位导通，螺栓上套装绝缘套（未画出），以及其它部分部件未画出（磁铁、外接水冷管、外接电线）。
下面，对本发明中工件的具体工作方式进行说明。
多磁场集成阴极弧源基本结构参见图1、2、3所示：一种多磁场集成阴极弧源，包括屏蔽罩10、阳极筒20、阴极座30、电磁线圈40、第二磁极安装座50、靶材60。阳极筒20上焊接有法兰，从而实现在真空腔室的真空密封，其内侧后方固定阴极座30，外侧与腔体固定，内侧前方与屏蔽罩10固定，其相互之间存在绝缘部件实现电位绝缘；具体可以设置为：阳极筒20与阴极座30之间有聚四氟乙烯的绝缘环70及固定螺栓上的绝缘套，实现电位绝缘，阳极筒20与屏蔽罩10使用耐高温陶瓷进行电位绝缘，屏蔽罩10通过固定套11进行卡槽式连接固定，阳极筒20前方通过螺栓固定阳极环21，第二磁极安装座50通过连接杆51固定，连接杆51通过安装件41进行连接装配，安装件41上套装电磁线圈40。阴极座30后方连接阴极座后盖31，阴极座后盖31与安装件41之间形成第一空腔，第二磁极安装座50在第一空腔内活动。安装件41的材质为紫铜，一方面可套装电磁线圈。另一方面可实现阴极弧源外接负载的中心引入。电磁线圈施加的电流为脉冲低频的方波、正、余弦波及其他波形的电流。安装件41与阴极座30通过螺栓固定。
靶材通过外螺纹固定在阴极铜座上，靶材外螺纹线径与靶材工作直径相同。现有技术中，传统的阴极弧源靶材多采用靶材背面加工小于靶材直径的外螺纹，例如靶材100mm的小圆靶通常其螺纹为80mm，螺纹直径小于靶材一方面造成材料的浪费成本的提高，另一方面靶材刻蚀过程中，因螺纹直径小于靶材直径，靶材通常使用过程中，为保护靶材螺纹连接处，刻蚀深度较小，经常更换靶材，造成靶材的浪费。本实施例中，采用靶材同直径尺寸的外螺纹，有效的提高了靶材的使用范围，进一步提高靶材利用率。
如图5所示，第二磁极安装座50上设有若干等间距且呈环形排列的第二磁极安装孔53，第二磁极安装孔53内安装第二磁极，第二磁极为阴极弧源提供磁场从而影响放电过程中电子的运动轨迹，本发明中第二磁极安装座50为非导磁材料，第二磁极为钕铁硼永磁体，同时第二磁极安装座50中间有螺纹孔52，可固定在连接杆51上。
如图3所示，本实施例可以为手动调节第二磁极位置的结构，具体如下：连接杆51与安装件41中心的螺纹孔连接固定，连接杆后方固定绝缘盖帽54，第二磁极安装座50在调解时只需调节连接杆，就可实现改变第二磁极安装座50与靶材60之间的相对距离，不用对弧源的后方进行拆卸，大大的提高了工作效率。
如图4所述，本实施例可以为自动调节第二磁极位置的结构，实现沿轴向方向直线运动或周向旋转运动的自动化控制。连接杆51与安装件41通过轴承连接，连接杆51后段连接驱动装置55，驱动装置具体可以为以下几种：旋转电机、直线电机、直线电磁驱动装置、旋转电磁驱动装置、液压缸、气缸等。也可以采用旋转步进电机、丝杆、丝杆螺母配合的结构实现直线驱动。本实施例可以在驱动装置上设置周期性驱动编程，使第二磁极位置呈周期性变化，从而形成周期性变化的复杂磁场，可以实现驱动弧斑使弧斑在靶面上运动，提高弧斑在阴极靶材表面的运动速度，减少了大颗粒的发射，提升靶材利用率，从而使制备得到的镀膜质量提高。
电磁线圈40套装在阴极弧源中固定在阴极座30上的安装件41上，可与第二磁极安装座50及阳极筒30内镶嵌的永磁体形成复合磁场，可通过调节线圈磁场的电流、波形、频率来调节电磁场，从而改善弧光放电过程中的弧斑运动轨迹及频率，通过调节通过磁场的电流大小来调节磁场的强度。
参见图6、图7所示：阴极座30与阴极座后盖31之间具有3-6mm的间隙，形成第二空腔，即水冷腔，其中阴极座30前端与靶材60通过螺纹连接贴合，阴极座30前端至水冷腔的距离为2-3mm；阴极座30与阴极座后盖31之间机械加工有隔水条32通过将冷却水嘴将冷却水冷导通，弧光放电过程中的靶材60通过热传导及热交换进行冷却。其中阴极座后盖31上装配两个第一冷却水进出水管34，同时两个第一冷却水进出水管34间留有第二磁极安装座50的活动空间。
阳极筒20可通过螺栓固定在真空腔室上，其内部设计有盘管式水冷，阳极筒法兰201内预埋第一磁体，阳极筒20前端固定有阳极环21，通过盖型螺母与阳极筒20延伸出来的螺杆连接固定；阳极筒内的盘管式水冷一方面通过盘管冷却阳极筒及装配在阳极上的阳极环21，另一方面也将会对镶嵌在阳极筒内的第一磁体进行水冷。阳极筒20为在阳极筒法兰201上焊接内板202和外板203形成的，内板202和外板203之间焊接盘管，阳极筒法兰201设有连接盘管的冷却水道204以及连接冷却水道204的第二冷却水进出水管205。
如图8所示，阳极筒法兰201后端表面设有环形槽208以及在环形槽208底部设有若干第一磁极安装孔206，所述第一磁极位于第一磁极安装孔206内，所述环形槽208内设有环形件22，所述环形件22与阳极筒20通过紧固件连接固定。第一磁极为钕铁硼磁铁。
参见图9-11所示：屏蔽罩10可通过卡槽式连接装配在固定套11上，固定套11通过绝缘部件及螺栓固定在阳极筒法兰201的前端，屏蔽罩与阳极及阴极座靶材之间电位绝缘，并装配云母、陶瓷等绝缘绝热材料。屏蔽罩10与固定套11通过卡槽式连接，固定套11固定在阳极筒上，屏蔽罩10的L型的卡槽101与固定套11的突出销111配合，装配维护时，将屏蔽罩10的卡槽10放入固定套的突出销111，旋转一定角度即可实现屏蔽罩10的固定，卡槽式设置可极大的节省阴极维护过程中的工作时间提升工作效率。
所述屏蔽罩为锥形结构，其锥度角为30-45°。
屏蔽罩10的前端加盖挡圈12，通过螺丝固定，用于保护屏蔽罩10与阳极筒20之间的缝隙。
现有技术中，现阶段对于弧光放电过程中的吸收放电电子的阳极，并没有做很好的屏蔽，大部分仅仅为放置弧光放电过程中弧斑向靶面背部的结构件运动，进行简单的屏蔽；这种屏蔽造成弧光放电过程中的大量电子很容易的就可被阳极吸收，因而等离子体浓度及强度都较低，同时大量弧源蒸发出来的粒子会沉积在阳极上，降低了沉积速率。本实施例中，屏蔽罩一方面可有效解决弧光放电中弧斑向靶面后方结构件运动的趋势，另一方面采用锥形设计，可提升屏蔽区域的纵深，提升弧光放电过程中电子运动范围，促使等离子体的浓度及强度成倍的增大。
多磁场集成阴极弧源通过利用装配在阴极座后盖上的可调节距离的磁组及预埋在阳极筒法兰中的永磁铁及电磁线圈相互作用，可在靶材表面形成较高的水平分量磁场强度，从而有利于弧光放电过程中增加电子的运动行程，提升等离子体的浓度及强度；同时通过利用阴极座及阴极座后盖之间形成的空腔及阴极座上的隔条形成冷却水道，可高效的带走装配在阴极座上的靶材表面的热量，减少大颗粒的迸射；阳极筒上装配的屏蔽罩一方面可有效解决弧光放电中弧斑向靶面后方结构件运动的趋势，另一方面采用锥形设计，可提升屏蔽区域的纵深，提升弧光放电过程中电子运动范围，促使等离子体的浓度及强度成倍的增大；同时阳极筒上套装的阳极环可实现放电电子的吸附稳定弧光放电过程，阳极筒内设计有冷却预埋的永磁体及阳极筒的冷却水道，可对永磁体及阳极环进行冷却；此外采用靶材连接外螺纹与靶材直径相同，可不用顾虑刻蚀过程中为保护螺纹连接处从而更换靶材；多种技术的相互作用，共同促使本发明中的阴极弧源在放电过程中减少了大颗粒，并具有较高等离子体浓度强度及较高沉积速率的高效的阴极弧源。
其中，绝缘的相关部件所采用的材料可以为陶瓷、尼龙、氧化锆、云母、聚四氟乙烯等，其根据阴极弧源不同功能及温度使用不同材质的的绝缘件。
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 (10)
1.一种多磁场集成阴极弧源，其特征在于：包括阴极组件、阳极组件，所述阳极组件套设在阴极组件外且之间绝缘设置；
所述阳极组件中设有第一磁极；
所述阴极组件一端固定有靶材，所述阴极组件内设有第一空腔，所述第一空腔内设有第二磁极安装座，所述第二磁极安装座在第一空腔内可沿靶材轴向方向位移，所述第二磁极安装座上设有第二磁极；
所述阴极组件远离靶材的一端设有电磁线圈。
2.根据权利要求1所述的多磁场集成阴极弧源，其特征在于：所述阴极组件包括阴极座，所述阴极座一端固定有靶材，所述阴极座远离靶材的一端连接有安装件，所述第二磁极安装座设置在阴极座与安装件之间，所述第二磁极安装座上设有连接杆，所述连接杆穿过安装件且连接有用于驱动第二磁极安装座沿轴向方向直线运动或周向旋转的驱动装置。
3.根据权利要求2所述的多磁场集成阴极弧源，其特征在于：所述安装件与阴极座可拆卸连接，所述电磁线圈固定在安装座外周。
4.根据权利要求1所述的多磁场集成阴极弧源，其特征在于：所述阴极组件包括阴极座，所述阴极座一端固定有靶材，所述阴极座远离靶材的一端连接有阴极盖，所述阴极座与阴极盖之间形成第二空腔，所述阴极盖上设有连通第二空腔的用于进出水的通孔。
5.根据权利要求4所述的多磁场集成阴极弧源，其特征在于：所述阴极座与阴极盖之间设有隔水条，所述隔水条在第二空腔使第二空腔形成曲折的水道。
6.根据权利要求1所述的多磁场集成阴极弧源，其特征在于：所述阳极组件包括阳极筒以及固定在阳极筒端部的阳极环，所述阳极环与靶材同心设置且位于靶材远离阴极组件的一侧。
7.根据权利要求6所述的多磁场集成阴极弧源，其特征在于：所述阳极筒为在法兰上焊接内板和外板形成的，所述内板和外板之间焊接有盘管，所述法兰上设有连接盘管的连接水道以及连接水道的冷却水进出水管。
8.根据权利要求6所述的多磁场集成阴极弧源，其特征在于：所述阳极筒上设有环形槽以及在环形槽底部设有若干第一磁极安装孔，所述第一磁极位于第一磁极安装孔内，所述环形槽内设有环形件，所述环形件与阳极筒通过紧固件连接固定。
9.根据权利要求1所述的多磁场集成阴极弧源，其特征在于：所述阳极组件上连接有屏蔽组件，所述屏蔽组件包括固定套和屏蔽罩，所述固定套与阳极组件连接且连接之处绝缘设置，所述屏蔽罩上设有卡槽，所述固定套上设有突出销，固定套和屏蔽罩通过突出销和卡槽配合相连接。
10.根据权利要求9所述的多磁场集成阴极弧源，其特征在于：所述屏蔽罩为锥形结构，其锥度角为30-45°。
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