CN112176292A - 一种磁过滤弧镀膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁过滤弧镀膜装置，包括：阴极电弧源，它含电弧靶座、靶块、永磁体和永磁体调节机构，靶块安装在靶座前端面上，靠近靶块的靶座后端面中央安放柱状永磁体，永磁体后面连接永磁体调节机构；真空镀膜室，其室内为真空设置；磁过滤弯管，其一端为与所述阴极电弧源的前端连接的入口端，另一端为与真空镀膜室的内腔连通的出口端；还包括：第一励磁线圈，安装在靶块周边，并位于阴极电弧源的外侧；第一励磁线圈用于与所述永磁体相配合对磁场进行改变；多个线圈模组，其分别设置在所述磁过滤弯管的入口端、拐弯处以及出口端。本发明能够减少阴极电弧靶等离子体中的大颗粒产生，层膜的沉积速率高、均匀性好，质量好。

Description

一种磁过滤弧镀膜装置

技术领域

本发明涉及一种磁过滤弧镀膜装置。

背景技术

真空阴极电弧离子镀是在工模具和耐磨零部件上镀制超硬膜层，以及在日用品上镀制耐磨耐蚀的装饰膜层常用的表面改性方法之一。真空阴极电弧主要是通过在阴极弧靶表面上产生弧光放电，将阴极弧靶蒸发电离生成阴极弧靶等离子体，该方法的离化率高、能量高、浓度高，因此，它具有沉积速率高、膜层致密、硬度高和附着力好等优点。

由于传统的真空阴极电弧的弧光放电是从靶材面微弧斑区产生的，弧斑温度高导致阴极弧靶溶化成小溶池，同时蒸发出大量阴极弧靶金属蒸气，金属蒸气以从熔池内心向外猛烈喷射，会挟带着大量液滴飞向镀膜空间，在膜层上形成大颗粒，增加了膜层表面的粗糙度，降低了膜层的性能，限制了其在高性能领域的应用；如果提高电弧源的功率密度，可提高沉积速率，但是膜层上也会出现更密集、更大的颗粒；如果减小电弧源电流，可以降低大颗粒的数量和尺寸，但是也会降低阴极弧靶离子的传输效率，影响镀膜的整体效率。

针对上述问题，目前采用的解决方法之一就是在阴极电弧靶发射阴极弧靶等离子束的通道上安装由电磁场控制的弯管，使带电粒子在磁场作用下沿弯管轴线飞行进入镀膜区，不带电粒子包括大了颗粒仍按初始方向飞行，直到撞在弯管拐弯处的管壁上，从而有效地減少膜层大颗粒；但仍然存在以下问题：

(1)严重降低了层膜的沉积速度；

(2)为了去除大颗粒和提高膜层的均匀性，一般需在真空镀膜室的室内增加额外的部件，挤占了镀膜产品的空间，增加了真空镀膜室的制造成本和设计难度，也减少了产品的装载能力；

(3)在弯管的出口处增加过滤部件，虽然有效减少大颗粒数量，但也阻碍了部分阴极弧靶等离子体到达产品表面，也削弱了到达产品表面的阴极弧靶等离子体能量；

(4)膜层与基底的结合力弱。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种磁过滤弧镀膜装置，该镀膜装置的磁场经过改进，能够更有效地减少阴极弧靶等离子体中大颗粒的产生，从而提高了等离子体通过弯管的效率，并提高了层膜的沉积速率并提高膜层的均匀性。

解决上述技术问题，本发明所采用的具体技术方案如下。

一种磁过滤弧镀膜装置，包括：

阴极电弧源，它含电弧靶座、靶块、永磁体及其调节机构，靶块安装在靶座前端面上，靠近靶块的靶座后端面中央安放柱状永磁体，永磁体后面连接有永磁体调节机构；

真空镀膜室，其室内为真空设置；

磁过滤弯管，其一端为与所述阴极电弧源的前端连接的入口端，另一端为与真空镀膜室的内腔连通的出口端

其特征在于，还包括：

第一励磁线圈，安装在靶块周边，并位于阴极电弧源的外侧；所述第一励磁线圈用于与所述永磁体相配合对磁场进行改变，以达到对靶面弧斑的运动进行控制；

多个线圈模组，其分别设置在所述磁过滤弯管的入口端、拐弯处以及出口端。

在上述技术方案的基础上，本发明可以做如下改进：

本发明所述磁过滤弧镀膜装置还包括阳极筒，所述阳极筒的前端安装所述阴极电弧源，所述阳极筒的后端与所述磁过滤弯管连接，阳极筒上设有真空计和连通所述阳极筒内腔的布气管，从所述布气管输入的气体为施加了正电位的气体。

本发明所述布气管位于所述阳极筒内侧的部分沿所述阳极筒的内壁绕圈设置，并分布有若干出气孔。

本发明所述磁过滤弧镀膜装置还包括冷却管，所述冷却管绕设在所述磁过滤弯管的外壁上。

本发明所述磁过滤弧镀膜装置还包括第二励磁线圈，所述第二励磁线圈安装在所述磁过滤弯管的出口端与真空镀膜室的侧板之间。

本发明所述磁过滤弯管的入口端和出口端均设有一个所述线圈模组，磁过滤弯管的拐弯处设有至少两个所述线圈模组，每个线圈模组单独连接控制电源。

本发明所述线圈模组为环状的线圈模组，每个线圈模组套于所述磁过滤弯管上且通过螺栓固定。

本发明所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈的接入频率为1～50Hz的波形可调双极性脉冲电源，电流为1～5A。

本发明位于所述磁过滤弯管入口端和出口端的所述线圈模组连接波形可调的双极性脉冲电源，其电流为5～20A，位于磁过滤弯管拐弯处的所述线圈模组连接波形可调的双极脉冲电源，其电流为5～50A。

本发明所述阴极电弧源的永磁体的磁场强度为250～500mT。

与现有技术相比，本发明技术具有以下优点：

(1)本发明所述的磁过滤弧镀膜装置中，第一励磁线圈与永磁铁模块的磁场复合，共同控制阴极电弧源靶的靶材表面上的弧斑快速运动以及运动范围，有利于減少大颗粒产生，且调节更加灵活，靶表面烧蚀平整；

(2)本发明所述的磁过滤弧镀膜装置中，阳极筒上通过真空计能够精准测量阴极电弧源的靶前的真空度，并通过布气管供入电弧运行时所需合适气体量(气压)，並对气体提供相应的正电位，从而使电弧稳定运行，减少大颗粒发射以及细化己发射的大颗粒，制备出高均匀性的膜层；

(3)本发明所述的磁过滤弧镀膜装置中，在磁过滤弯管的入口端、拐弯处以及出口端设有多个独立线圈模组，它们分别接连波形电参数可调双极脉冲电源，可输出不对称波形电压、电流，可更精确地调控磁场分布，有利于弯管內带电的镀料粒子聚集沿弯管中轴线流动，从而提高层膜的沉积速率；

(4)本发明所述的磁过滤弧镀膜装置中，磁过滤弯管的外壁上绕设有冷却管，能够快速冷却磁过滤弯管，防止磁过滤弯管内壁粘附大颗粒后再蒸发，而且线圈模组也设有各自可调的水冷设施，防止线圈发热，可提高磁场稳定性，从而提高控制弯管内等离子体束流的稳定性，有利于提高镀膜质量；

(5)本发明所述的磁过滤弧镀膜装置中，在磁过滤弯管的出口端安装第二励磁线圈，有利于发射等离子体定向并均匀化。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明

图1为本实施例的磁过滤弧镀膜装置结构示意图；

图2为本实施例阴极电弧源结构示意图；

图3为本实施例关闭第一励磁线圈时靶面垂直磁场分布的高斯计测量图；

图4为本实施例开启第一励磁线圈时靶面垂直磁场分布的高斯计测量图；

图5为本实施例的弧斑运动的受力情况图；

图6a为本实施例的靶面石墨靶烧蚀1小时后实物图；

图6b为本实施例的靶面石墨靶烧蚀9小时后实物图；

图7为本实施例的环形架结构示意图；

图8为本实施例的线圈模组的横截面结构示意图。

附图上的标记：1-阴极电弧源、101-靶块、102-靶座、103-永磁铁、104-永磁铁调节机构、2-第一励磁线圈4-阳极筒、5-真空计、6-布气管、7-真空镀膜室、8-转架、9-磁过滤弯管、10-冷却管、11-第二励磁线圈、12-线圈模组、12a-环形架、12b-导线、12c-进水口、12d-出水口。

具体实施方式

实施例一

参见图1和图2，本实施例的一种磁过滤弧镀膜装置，该装置包括：

阴极电弧源1，包括靶座102、靶块101、永磁体103和永磁体调节机构104，靶块101安装在靶座102前端面上，靠近靶块101的靶座102后端面中央安放柱状永磁体103，永磁体后面连接永磁体调节机构104；

真空镀膜室7，其室内为真空设置且安装有工件转架8；

磁过滤弯管9，其一端为与阴极电弧源1的前端连接的入口端，另一端为与真空镀膜室7的内腔连通的出口端；

磁过滤弧镀膜装置还包括：

第一励绒线圈2，安装在靶块101周边，并位于阴极电弧源1的外侧，第一励磁线圈2用于与永磁体103相配合对应磁场进行改变，以达到对靶面弧斑的运动进行控制，第一励绒线圈2连接波形可调双极性脉冲电源；

多个线圈模组12，其分别设置在磁过滤弯管9的入口端、拐弯处以及出口端。

第一励磁线圈2与永磁铁模块103的磁场复合，共同控制靶材面上的弧斑运动以及运动范围，加速弧斑运动，且调节更加灵活，第一励磁线圈2所产生的磁场强度和方向，可以调制永磁铁模块103的磁场强度和方向，从而控制弧斑在整个靶材面上进行旋转运动和径向伸缩运动；

参见图3，关闭第一励磁线圈2时靶面垂直磁场分布的高斯计测量图，中心永磁体S极朝向靶，图中只见S极向、未见N极向，即靶面磁力线作B横向和B竖向分量分解，所有B竖向分量方向均朝下；从靶面引弧产生的弧斑，在永磁铁的磁场水平分量B作用下，根据弧斑后退运动法则，弧斑沿靶面作快速圆周运动，该圆周运动的弧斑(即作圆周运动电流)同时受到向下的B竖向分量作用，会受到从中心向靶外边缘方向的作用力，驱使弧斑向靶外边缘移动；靶面的磁场越强，作用力越大，弧斑的运动速度越快，因此弧斑在靶表面某个位置上的停留时间就越短，蒸发出来的大颗粒就越少越细。但弧斑受向下的B竖向分量作用越強，向外扫描运动过快，容易跑出靶面而灭弧。

第一励磁线圈2产生磁场与永磁体的磁场叠加成复合磁场，令它在靠近靶外缘的一定范围内出现N极向，使磁力线分解出现朝上的B竖向分量，对作圆周运动的弧斑产生由靶外缘指向靶面中心的作用力，限制了快速圆周运动弧斑向外移动，避免了弧斑脱离靶面而灭弧的现象；具体设计如下所述，采用具有适合安培匝的励磁线圈，连接脉冲直流电源，输出波形为矩形方波，也可以选择三角波或正弦波，频率f＝50Hz，占空比P＝50％的。产生可变的磁场，与永磁体磁场叠加，能够灵活的调制复合磁力线的形状和强弱，从而灵活控制对弧斑的驱动力的方向和大小。

在励磁线圈不通电的周期内，主要由永磁体的磁场驱动弧斑运动；而在励磁线圈通电的周期内，由励磁线圈和永磁铁共同产生的复合磁场控制弧斑的运动，通过调节激励了电压峰值高低可控制励磁线圈的磁场大小和极性，使得靶面中心与靶边缘的径向某选定的位置(通常选定在两者中点)处的复合垂直磁场B竖向几乎为零，从该处靠向靶中心侧B竖向均向下的，而从该处靠靶外缘侧B竖向均向上的。

参见图4，开启第一励磁线圈2时靶面垂直磁场分布的高斯计测量图，S10表示极性为S极，磁场强度10Gs；N 13表示极性为N极，磁场强度13Gs；由图可见，在弧斑在靶中心至靶B竖向为零的点的区域内，由永磁体和励磁线圈一起形成的复合磁场朝下的B竖向分量，对运动弧斑的产生一个向靶外缘方向作用力，把弧斑外推。当弧斑越过B竖向零点处后，从该处至靶外缘区运动弧斑受到向上B竖向分量的作用，产生把弧斑反向推回靶面中心的作用力，使得弧斑减速；当弧斑的速度降为零后，弧斑在复合磁场向上B竖向分量的作用下继续向靶面中心方向移动；弧斑一边作圆周(B横向驱动)运动，一边在上述范围内往复来回移动(随位置变向的B竖向驱动)，避免了弧斑外溢灭弧。

参见图5，弧斑运动在靶面中心到复合磁场垂直分量为零的位置，弧斑受到的径向作用力指向靶边缘；在复合磁场垂直分量为零的位置到靶边缘，弧斑受到的径向作用力指向靶中心；参见图6a，为Φ95mm的石墨靶烧蚀1小时，参见图6b，为Φ95mm的石墨靶烧蚀9小时，通过对比可知，靶面烧蚀比较均匀。

因此，本实施例中的磁过滤弧镀膜装置能够减少阴极电弧源靶等离子体束中大颗粒的产生，从而提高层膜的沉积速率以及膜层的均匀性。

本实施例中的磁过滤弧镀膜装置还包括阳极筒4，阳极筒4的前端安装阴极电弧源靶1，阳极筒4的后端与磁过滤弯管9连接，阳极筒4上设有真空计5和连通阳极筒4内腔的布气管6，布气管6与筒壁绝缘并施加正电位；该布气管6位于阳极筒4内侧的部分沿阳极筒4的内壁绕圈设置，并分布有若干出气孔。

阳极筒4上通过真空计5能够精准测量阴极弧靶的真空度，并通过布气管6供入电弧运行时所需气体量(气压)，该气体为氩气，避免反应性气体导入生产化合物，降低颗粒输出效率。布气管6采用导电性不锈钢制作而成，当进行镀膜时，布气管6施加正电位，阳极筒4与阴极电弧源1的靶块101之间形成由布气管6指向阴极电弧靶面的正电场，氩离子(Ar⁺)在电场的作用下加速，形成对阴极电弧源靶1的靶材101表面轰击，增加阴极弧靶的溅射效应，细化弧斑蒸发出来的等离子体中大颗粒，并且提高等离子的出射效率，电场对氩离子的加速也相应增加了靶材面附近气体的激发碰撞效率，对靶材表面附近空间的大颗粒产生分解和细化作用。

为了增强电场的作用，还可以在布气管6上安装环型金属带，使其与靶表面成一定的角度；当进行抽真空或工艺时，磁过滤弯管9的靶面附近的真空与真空镀膜室7的真空状况存在较大的差异；当炉体本底真空到达0.0055Pa时，靶面附近的本底真空才0.008Pa；而当向炉体冲入一定量(250sccm)的氩气后，炉体压力为0.19Pa，靶面附近压力为0.38Pa，并且冲入炉体的工艺气体也很难有效到达靶面附近以及及时补充靶面附近气体的消耗；现有的磁过滤装置一般是通过改变靶形状，磁场设置和弯管的形状等形式来达到消減磁过滤装置大颗粒的目的，而很少考虑靶面附近的布气方式和气压状况对消減大颗粒的作用，但事实上这些对等离子体放电存在很大的影响；因此，本实施例中配置真空计5和附加正电位的布气管6，能够准确控制靶面的放电状况，改善放电效率和均匀性。

本实施例中的磁过滤弧镀膜装置还包括冷却管10，冷却管10绕设在磁过滤弯管9的外壁上，能够快速冷却磁过滤弯管9，防止磁过滤弯管9内壁粘附大颗粒等离子后再蒸发，提高镀膜质量，同时，还可以通过调节水温，避免破真空时出现冷凝水珠。

本实施例中的磁过滤弧镀膜装置还包括第二励磁线圈11，第二励磁线圈11安装在磁过滤弯管9的出口端与真空镀膜室7的侧板之间，第二励磁线圈11连接波形可调双极性脉冲电源，有利于发射等离子体定向并均匀化。

本实施例中的第二励磁线圈11与真空镀膜室7的侧板之间设有绝缘垫片。

本实施例中的磁过滤弯管9的入口端和出口端均设有一个线圈模组12，磁过滤弯管9的拐弯处设有三个线圈模组12，每个线圈模组12分别单独连接输出波形和电参数可调的双极脉冲控制电源，可输出不对称波形的电压、电流，从而可单独控制每个线圈模组12的磁场，使等离子体准确变向，减少传输损失。

参见图7和图8，本实施例中的线圈模组12为环状的线圈模组，每个线圈模组12套于磁过滤弯管9上且通过螺栓固定；线圈模组包括环形架12a，环形架12a周面上设有凹槽，凹槽内绕设有导线12b。

本实施例中的每个线圈模组12上连接有独立的冷却模块，能够快速吸收并带走线圈产生的热量，从而保持线圈磁场的稳定；该冷却模块为设置在线圈模组上的水冷回路以及与水冷回路连通的进水口12c和出水口12d，进水口12c和出水口12d外接散热设备。

优选的，本实施例中的磁过滤弯管的弯曲角度为90°。

阴极电弧源靶1的靶材101为Cr靶，直径为95mm，长厚度为27mm，接入电流为200～250A；

第一励磁线圈2接入频率为50Hz波形可调双极性脉冲电源。电流为3A；第二励磁线圈11接入频率为50Hz波形可调双极性脉冲电源，电流为4A；

位于磁过滤弯管9入口端的线圈模组12设有一个，输入三角形波，电流为15A；位于磁过滤弯管9拐弯处的线圈模组12设有三个，输入三角形波，电流依次为16A、30A、25A；位于磁过滤弯管9出口端的线圈模组12设有一个，三角形波，电流为10A；

永磁铁模块3的磁场强度为400mT；

进行镀膜的时，真空压力通过真空计进行测量，抽真空至3.0×10^-3Pa，从布气管6通入氩气，控制工作气压为0.5Pa；在磁过滤弯管9与真空镀膜室7之间加上30V的正偏压；电弧靶电源输出电流设为150A，工件施加中频脉冲负偏压80V，进行Cr金属膜层的沉积。

实施例二

本实施例二与实施例一的区别在于：

阴极电弧源1的靶材为石墨(C)靶，直径为95mm，厚度为20mm，接入电流为50～150A；靶材的烧蚀效果见图5，靶面烧蚀均匀。

永磁铁103的磁场强度为500mT，磁场强度的提高可以加快弧斑的运动速度，减少大颗粒的产生数量。

为了防止弧斑脱离靶材面而灭弧，第一励磁线圈2接入频率为50Hz，电流为6A；布气管6与阳极筒4绝缘，在布气管6上接入300V的脉冲正偏压，辅助电弧靶蒸发放电；磁过滤弯管9加上30V的正偏压，位于过滤弯管9拐弯处的三个线圈模组12相互并联，从而节省电源数量，降低设备成本，每个线圈模组12的电流为14A。

在镀膜腔体壁与工件转架之间加上中频脉冲(30kHz)负偏压(80V)，由于从磁过滤弯管出来的大颗粒的速度较小，并且在传输过程中带上了一定的电量，而脉冲偏压会使等离子体发生涨缩，阻止了速度较小的大颗粒到达基片，同时在脉冲偏压的作用下，Ar等离子体对基片的溅射轰击可以有效抑制基片上大颗粒的形成；因此，不但可以进一步降低到达基片的大颗粒，而且可以提高膜层与基片之间的结合力。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁过滤弧镀膜装置，包括：

阴极电弧源，它含电弧靶座、靶块、永磁体和永磁体调节机构，靶块安装在靶座前端面上，靠近靶块的靶座后端面中央安放柱状永磁体，永磁体后面连接永磁体调节机构；

真空镀膜室，其室内为真空设置；

磁过滤弯管，其一端为与所述阴极电弧源的前端连接的入口端，另一端为与真空镀膜室的内腔连通的出口端

其特征在于，还包括：

第一励磁线圈，安装在靶块周边，并位于阴极电弧源的外侧；所述第一励磁线圈用于与所述永磁体相配合对磁场进行改变，以达到对靶面弧斑的运动进行控制；

多个线圈模组，其分别设置在所述磁过滤弯管的入口端、拐弯处以及出口端。

2.根据权利要求1所述的磁过滤弧镀膜装置，其特征在于，所述磁过滤弧镀膜装置还包括阳极筒，所述阳极筒的前端安装在所述阴极电弧源，所述阳极筒的后端与所述磁过滤弯管连接，阳极筒上设有真空计和连通所述阳极筒内腔的布气管，从所述布气管输入的气体为施加了正电位的气体。

3.根据权利要求2所述的磁过滤弧镀膜装置，其特征在于，所述布气管位于所述阳极筒内侧的部分沿所述阳极筒的内壁绕圈设置，并分布有若干出气孔。

4.根据权利要求1所述的磁过滤弧镀膜装置，其特征在于，所述磁过滤弧镀膜装置还包括冷却管，所述冷却管绕设在所述磁过滤弯管的外壁上。

5.根据权利要求1所述的磁过滤弧镀膜装置，其特征在于，所述磁过滤弧镀膜装置还包括第二励磁线圈，所述第二励磁线圈安装在所述磁过滤弯管的出口端与真空镀膜室的侧板之间。

6.根据权利要求1所述的磁过滤弧镀膜装置，其特征在于，所述磁过滤弯管的入口端和出口端均设有一个所述线圈模组，磁过滤弯管的拐弯处设有至少两个所述线圈模组，每个线圈模组单独连接控制电源。

7.根据权利要求6所述的磁过滤弧镀膜装置，其特征在于，所述线圈模组为环状的线圈模组，每个线圈模组套于所述磁过滤弯管上且通过螺栓固定。

8.根据权利要求5所述的磁过滤弧镀膜装置，其特征在于，所述第一励磁线圈和所述第二励磁线圈的接入频率为1～50Hz的波形可调双极性脉冲电源，电流为1～5A。

9.根据权利要求1所述的磁过滤弧镀膜装置，其特征在于，位于所述磁过滤弯管入口端和出口端的所述线圈模组连接波形可调的双极性脉冲电源，其电流为5～20A，位于磁过滤弯管拐弯处的所述线圈模组连接波形可调的双极脉冲电源，其电流为5～50A。

10.根据权利要求1所述的磁过滤弧镀膜装置，其特征在于，所述阴极电弧源的永磁体的磁场强度为250～500mT。

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