CN115216741B - 一种提高沉积速率的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高沉积速率的设备，包括安装在敲击机构上的敲击探头和安装在安装座上的靶材，靶材和敲击探头在靶面敲击时为面接触。本发明提供的上述方案，通过改变靶材和敲击探头在靶面敲击时的接触状态，提高沉积速率。

Description

一种提高沉积速率的设备

技术领域

本发明涉及磁过滤电弧离子镀技术领域，具体涉及一种提高沉积速率的设备。

背景技术

众所周知，电弧离子镀技术因其具有极高的离化率，制备出来的膜层具有致密度高、结合力好等优异的性能。然而，在镀膜过程中，电弧激发形成的液滴是造成膜层表面粗糙的根本原因，一定程度上限制了其应用范围和性能。

磁过滤电弧离子镀技术，一般是在带有一定角度的弯管外圈缠绕金属线圈并通以电流，在弯管内外形成环形磁场。当电弧激发后靶面附近产生等离子体束流，束流中含有不带电的液滴和带电的离子，回转半径较小的带电离子受磁场的约束可以顺利通过弯管从而可以到达产品表面成膜，不带电的液滴或回转半径较大的带电离子直接撞击到弯管内壁，从而实现了过滤大颗粒的作用。传统磁过滤电弧离子镀技术磁过滤装置在降低表面粗糙度的同时，大幅度降低了镀膜的沉积速率，使得生产效率显著下降。在实际生产中，对于超过10μm的超硬Ta-C厚膜需求量大，使用传统磁过滤电弧离子镀技术在效率上已经不能满足要求，且会产生诸多技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高沉积速率的设备，其可以用于解决上述技术问题。

本发明采取的技术方案具体如下：

一种提高沉积速率的设备，其特征在于：包括安装在敲击机构上的敲击探头和安装在安装座上的靶材，靶材和敲击探头在靶面敲击时为面接触。

具体的方案为：敲击机构包括敲击杆，敲击杆的一端转动安装，敲击探头安装在敲击杆的另一端，敲击探头远离敲击杆一侧表面记为A表面，A表面为平面，在敲击杆的转动范围内，该A表面具有与靶材上表面相贴合接触的状态。

还包括调节靶材进行升降的升降机构。

敲击探头在A平面上的投影呈直角梯形状，所述的A平面为垂直于敲击杆转动的转轴布置的平面，A表面在A平面上的投影组成直角梯形的斜边，直角梯形的两底边垂直于敲击杆布置，且靠近转轴一侧的底边长度小于远离转轴一侧的底边长度。

靶材上表面和安装座上表面的间距为2～20m。

安装座的上表面为氮化硼环或陶瓷环构成。

敲击探头对靶材进行敲击的时间间隔为7～9s。

靶材连接弧电源的阴极，敲击探头连接弧电源的阳极，设置弧电源的弧电流为150～170A。

靶材为碳靶，敲击探头由高纯石墨制得。

本发明提供的上述方案，通过改变靶材和敲击探头在靶面敲击时的接触状态，提高沉积速率。

附图说明

图1为传统敲击探头和靶材在靶面敲击时的接触示意图。

图2为本发明敲击探头和靶材在靶面敲击时的接触示意图。

图3为敲击间隔时间和沉积速率的变化示意图。

图4为弧电流和沉积速率的变化示意图。

附图标号和部件对应关系如下。

10-敲击杆10、11-敲击探头11、20-安装座20、21-靶材21、22-氮化硼环或陶瓷环22。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。如在本文中所使用，术语“平行”和“垂直”不限于其严格的几何定义，而是包括对于机加工或人类误差合理和不一致性的容限。

敲击探头11和靶面短路的瞬间可以改变原有弧斑的运动轨迹，可以将弧斑引导到敲击接触点处燃烧。靶材21的烧蚀速率和镀膜的沉积速率是正比例关系。如图1所示为传统敲击探头11和靶材21的接触示意图，敲击探头11是长方形结构，和靶面敲击的时候始终是点（线）状接触，靶材21是固定式结构不能上下运动，随着靶材21消耗高度下降，敲击探头11与靶面接触的位置不固定，靶面的烧蚀形状和沉积速率在不停的变化，从而影响沉积速率的稳定性。敲击探头11和靶面接触为点接触时，弧斑只是单弧斑在跑动燃烧，沉积速率较低。本发明采用如图2所示的技术方案进行实施，一种提高沉积速率的设备，包括安装在敲击机构上的敲击探头11和安装在安装座20上的靶材21，靶材21和敲击探头11在靶面敲击时为面接触。将敲击探头11和靶面设置为面接触，可以实现多弧斑燃烧，且可以烧蚀到点接触无法触及的靶面中心区域，使得沉积速率得以大幅提升。

进一步的方案为：敲击机构包括敲击杆10，敲击杆10的一端转动安装，敲击探头11安装在敲击杆10的另一端，敲击探头11远离敲击杆10一侧表面记为A表面，A表面为平面，在敲击杆10的转动范围内，该A表面具有与靶材21上表面相贴合接触的状态。还包括调节靶材21进行升降的升降机构。敲击探头11在A平面上的投影呈直角梯形状，所述的A平面为垂直于敲击杆10转动的转轴布置的平面，A表面在A平面上的投影组成直角梯形的斜边，直角梯形的两底边垂直于敲击杆10布置，且靠近转轴一侧的底边长度小于远离转轴一侧的底边长度。

将敲击探头11设置为梯形结构，敲击探头和靶面敲击的时候保持面接触，根据单位时间靶材21的消耗速率，采用升降机构对靶材21的高度进行弥补，确保了敲击探头11和靶面始终保持平行，使弧斑始终在靶面烧蚀，确保了沉积速率的高速率和一致性。

靶材21在弧光放电时，伴随着烧蚀时间的增加弧光会逐渐变弱，这时需要敲击探头11与靶瞬间接触形成短路，短路的瞬间将弧斑引导到靶面燃烧且提供了弧光的能量，使得弧光强度变强。敲击探头11的敲击过于频繁会造成一系列的问题，如探头消耗过快、敲击杆10烧蚀概率增加、敲击短路的一瞬间灭弧一定程度上影响沉积速率。敲击探头11间隔敲击时间太长，会造成弧光强度明显变弱，沉积速率降低。如图3所示，为磁过滤型离子镀设备中敲击探头11的敲击间隔时间与沉积速率的对应关系的实验结果，通过分析实验结果发现，在敲击间隔时间为9s时沉积速率达到最大化1.7A/s。而随着敲击时间的进一步延长，弧光变弱后没有得到能量补充，造成沉积速率急剧下降。因此设置敲击探头11对靶材21进行敲击的时间间隔为7～9s。

靶材21连接弧电源的阴极，敲击探头11连接弧电源的阳极，阳极接地，靶材21为碳靶，敲击探头11由高纯石墨制得。提高弧电流有助于产生更多的镀膜粒子，加速靶材21的消耗，可以显著提升沉积速率。图4是不同弧电流下沉积速率的对应图。可见，随着弧电流的增大，沉积速率呈现先增加后减少的趋势，弧电流在70～170A之间，沉积速率基本上和弧电流成正比关系，随着弧电流的进一步增加，沉积速率显著下降，这是因为当弧电流达到或超过180A时，靶面的温度急剧升高，敲击碳头和靶材21之间容易产生粘连，影响了起弧的稳定性，造成了沉积速率的下降。在靶材21冷却达标的情况下，沉积速率还可以进一步提升。因此，本发明中，设置弧电源的弧电流为150～170A。

将安装座20的上表面设置为氮化硼环或陶瓷环22构成。设置氮化硼环或陶瓷环22可以抑制弧斑的烧蚀。进一步的研究发现，当弧斑烧蚀到氮化硼环或陶瓷环22附近时，由于氮化硼或陶瓷本身是绝缘材料且耐高温，有着很强的抑弧功能，可以控制弧斑的走向。当靶材21凸出氮化硼环或陶瓷环22的高度超过30mm时，弧斑会频繁脱离靶面烧蚀到靶材21的侧面，造成弧光强度不够，从而降低沉积速率。因此本发明中将靶材21凸出氮化硼环或陶瓷环22的上表面距离控制在2～20mm，亦即图2中距离d的大小为2～20mm，可以使弧斑始终在靶面烧蚀，提高稳弧性能，从而使得沉积速率得到有效提升。

总之，本发明提供的上述方案，可以改变提高沉积速率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、机构以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (1)

1.一种提高沉积速率的设备，其特征在于：包括安装在敲击机构上的敲击探头和安装在安装座上的靶材，靶材和敲击探头在靶面敲击时为面接触；

敲击机构包括敲击杆，敲击杆的一端转动安装，敲击探头安装在敲击杆的另一端，敲击探头远离敲击杆一侧表面记为A表面，A表面为平面，在敲击杆的转动范围内，该A表面具有与靶材上表面相贴合接触的状态；还包括调节靶材进行升降的升降机构；敲击探头在A平面上的投影呈直角梯形状，所述的A平面为垂直于敲击杆转动的转轴布置的平面，A表面在A平面上的投影组成直角梯形的斜边，直角梯形的两底边垂直于敲击杆布置，且靠近转轴一侧的底边长度小于远离转轴一侧的底边长度；靶材上表面和安装座上表面的间距为2～20m；安装座的上表面为陶瓷环构成；

敲击探头对靶材进行敲击的时间间隔为7～9s；靶材连接弧电源的阴极，敲击探头连接弧电源的阳极，设置弧电源的弧电流为150～170A；靶材为碳靶；敲击探头由高纯石墨制得。

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