CN114086127B - 一种磁场辅助阴极电弧离子镀蒸发源 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种磁场辅助阴极电弧离子镀蒸发源装置，包括包括极靴、永磁体、阴极靶、阳极、绝缘冷却底座、水冷入口管道、水冷出口管道、引弧针、引弧杆、电机马达、旋转轴、保护罩、屏蔽罩。主要通过极靴和永磁体的纵向旋转、整个装置的横向旋转以及阴极靶绝缘冷却底座的冷却降温作用来使得电弧在靶面均匀分布，加速弧斑移动速度，减少液滴或大颗粒的形成，细化弧斑，细化膜层组织，最终提高膜层质量。
Description
技术领域
本发明属于离子镀膜技术领域，具体提供了一种磁场辅助阴极电弧离子镀蒸发源。
背景技术
离子镀膜是指在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发离子的轰击下，将蒸发物质或其反应物沉积在基体上的方法。离子镀把辉光放电、等离子技术与真空蒸镀技术结合在一起，不仅明显地提高镀层的各种性能，而且大大扩充了镀膜技术的应用范围。
在众多离子镀膜技术中阴极电弧离子镀是其中的集大成者，目前已经逐步发展为硬质薄膜领域的主力，它采用冷弧光放电，沉积速率高，膜层粒子离化率可达60％～80％，在众多PVD镀膜技术中最高。
阴极电弧离子镀膜技术也存在一定的缺点，沉积时从靶表面飞溅出微细液滴，冷凝在所镀层的粗糙度增加。
液滴(或大颗粒)形成的原因主要有以下几个方面：阴极弧斑温度较高，一般超过金属熔点，形成微熔池并使金属强烈气化，金属蒸汽流冲向空间时带出液滴飞溅；在阴极位降区部分金属离子返回阴极弧斑区，在高动能离子轰击下产生高压，使熔融金属以微粒形式飞溅离开阴极；阴极表面含有气泡，或是多孔材料，有封闭的孔隙。在高温下，气体突然膨胀产生高压，导致附近微熔池的材料和表面密封层材料碎裂和飞溅；局部高电场作用使结合较弱的材料崩塌飞离。
针对以上原因，由于弧光放电的发射物主要是电子和离子，目前主要通过调整磁场排布方式，控制弧斑运行轨迹，使靶面均匀烧蚀，减少液滴(或大颗粒)的发射。另外对靶材的冷却降温也可以有效地减少液滴的形成。传统离子镀在靶后方设计磁铁用于控制离子运行方向；在阴极两侧设计磁场线圈以施加横向磁场或者施加于阴极表面垂直的纵向磁场。但这种单一的磁场有时并不能完全满足实际的使用。
发明内容
为进一步减少上诉阴极电弧离子镀膜中液滴的形成，本发明提供一种磁场辅助阴极电弧离子镀蒸发源装置。永磁体一端嵌在圆形极靴内侧中，另一端悬空，悬空端按照N-S-N-S排布，并且靶材放在其中心处以施加横向磁场，设计旋转机构使极靴以及永磁体纵向旋转，最终达到全方位磁场的覆盖，并且整个装置可以横向旋转，使得电弧在靶面均匀分布，使弧斑移动速度更快，从而进一步细化膜层组织，提高膜层质量。并且在阴极靶下方放置空心绝缘冷却底座，起到支撑以及充分冷却的作用，从而有效地减少了液滴的形成。
为实现上述目的，本发明提供如下设计方案：
一种磁场辅助阴极电弧离子镀蒸发源装置，包括极靴、永磁体、阴极靶、阳极、绝缘冷却底座、水冷入口管道、水冷出口管道、引弧针、引弧杆、电机马达、旋转轴、保护罩、屏蔽罩。
作为优选，本发明采用四个永磁体圆周嵌在极靴的内侧以获得较好的线性分布，另一端悬空按照N-S-N-S排布指向阴极靶。极靴的一外侧连接旋转轴，电机马达带动旋转轴、极靴以及永磁体实现纵向旋转。
作为优选，所诉阳极与阴极靶呈60°，并且阳极与保护罩连接。保护罩底部连接有旋转轴，从而电机马达带动整个装置旋转。
作为优选，所诉绝缘冷却底座为空心连接有水冷入口管道以及水冷出口管道，并且通过这两管道实现固定。一方面当靶材放入时起固定的作用，另一方面其内部构成冷却回路，不断带走阴极靶的热量。
作为优选，所诉屏蔽罩设在阴极靶外侧以及绝缘冷却底座上侧，使靶面侧边不能产生冷场致弧光放电，以防使绝缘冷却座绝缘度降低而造成击穿。
作为优选，所诉引弧针与阴极靶接触，引燃电弧，在靶材表面和阳极之间引发弧光放电，弧点经过的地方，靶材以等离子体形式喷射而出，在基体负电位的作用下，沉积到基体上形成薄膜。
一种磁场辅助阴极电弧离子镀蒸发源装置，通过极靴和永磁体的纵向旋转、整个装置的横向旋转以及阴极靶底座冷却降温的作用来使得电弧在靶面均匀分布，加速弧斑移动速度，最终提高膜层质量。
本发明磁场辅助阴极电弧离子镀蒸发源装置，与现有技术相比，具有以下明显优势：
第一、采用极靴和永磁体的纵向旋转实现全方位磁场的覆盖以及整个装置的横向旋转，使得电弧在阴极靶面上均匀分布并且加速弧斑移动速度。
第二、在阴极靶的绝缘支撑座上设置冷却回路，充分接触使得冷却降温效果更佳，有效减少液滴飞溅。
附图说明
图1为本发明装置的总装配刨面示意图。
图2为本发明装置的总装配示意图。
1—阳极，2—第一电机马达，3—第一旋转轴，4—保护罩，5—第二旋转轴，6—第二电机马达，7—引弧杆，8—引弧针，9—极靴，10—永磁体，11—阴极靶，12—屏蔽罩，13—绝缘冷却底座，14—水冷入口管道，15—水冷出口管道。
具体实施方式
如图1、2所示，阳极1安装在保护罩4的上侧并呈60°构成装置的主体，在保护罩4的底部安装有第二电机马达6和第二旋转轴5。极靴9一端安装有第一旋转轴3和第一电机马达2起固定以及旋转作用；极靴对应的另一端打孔并通入水冷入口管道14和水冷出口管道15，管道接入空心绝缘冷却底座13起固定和构成冷却回路的作用；在绝缘冷却底座13的上端安装有屏蔽罩12；引弧杆7一端连接装置外的弧源，另一端连接引弧针8。将阴极靶11放入绝缘冷却底座13上就可以开始整个装置的运行。
首先两个电机马达开始工作，使得整个装置横向旋转，极靴9和嵌在上面呈N-S-N-S排布的永磁体10纵向旋转，其目的在于使阴极靶处于一个全方位磁场中。
引弧针8与阴极靶11接触引燃电弧，阳极1和阴极靶11之间产生弧光放电，任一瞬间，只有弧点处靶材才会蒸发。电弧在靶面受到全方位磁场的约束和控制，可以使电弧在靶面均匀分布，并且驱动电弧加快其移动速度，弧斑在靶面的停留时间大大缩短。最终在基体负电位的作用下，靶材喷射出的等离子体沉积到基体上形成更加细化的薄膜。
在蒸发源工作的同时，绝缘冷却底座13、水冷入口管道14以及水冷出口管15道构成的水冷回路不断循环，高效并充分带走靶材的热量，使弧斑处的金属熔池减少，减少液滴或大颗粒的形成。
Claims (2)
1.一种磁场辅助阴极电弧离子镀蒸发源装置，其特征在于，所述装置包括：
阳极，所述阳极（1）安装在保护罩（4）的上侧并呈60°构成装置的主体；
保护罩，所述保护罩（4）的底部安装有第二电机马达（6）和第二旋转轴（5），实现装置的横向旋转；
极靴，所述极靴（9）一端安装有第一旋转轴（3）和第一电机马达（2），实现极靴的纵向旋转，对应的另一端打孔并通入水冷入口管道（14）和水冷出口管道（15）；
引弧杆，所述引弧杆（7）一端连接装置外的弧源，另一端连接引弧针（8）；
阴极靶，所述阴极靶（11）放入绝缘冷却底座（13）上，开始整个装置的运行；
绝缘冷却底座，所述绝缘冷却底座（13）的上端安装有屏蔽罩（12），所述绝缘冷却底座（13）为空心，对阴极靶起支撑和固定作用，其次水冷液从水冷入口管道（14）进入绝缘冷却底座（13）内部带走阴极靶（11）的热量，然后从水冷出口管道（15）流出，形成冷却循环，一体两用。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述极靴（9）内侧嵌有永磁体（10）并按照N-S-N-S排布，配合极靴（9）的横向和纵向旋转，给在极靴（9）中心的阴极靶（11）施加全方位磁场来约束和控制其表面电弧的运动。
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