CN117512528A - 一种提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，包括过滤器，过滤器由各个首尾相连的管段构成，所述的管段为直管段，管段的数量≥3。本发明提供的上述方案，通过改变过滤器的结构，过滤器可有效过滤掉等离子体中的微观颗粒，适用于多种金属\合金\石墨等阴极靶材的等离子体的过滤提纯，同时等离子体在磁过滤器中行进时阻碍降低，从而提高沉积速率。
Description
技术领域
本发明涉及磁过滤电弧离子镀技术领域，具体涉及一种提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置。
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磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，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：
一种提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，其特征在于：包括过滤器，过滤器由各个首尾相连的管段构成，所述的管段为直管段，管段的数量≥3。
进一步的方案为：相邻管段之间交接处为弧形过渡连接。
位于过滤器中部管段的内部磁场强度大于过滤器两端的管段的内部磁场强度。
过滤器中部的管段内设置有环形挡板。
通过改变各管段外部设置的线圈匝数使得中部管段的内部磁场强度大于两端的管段的内部磁场强度。
各管段外部设置的线圈为同一根电磁线绕制形成。
管段包括A、B、C管段，B管段位于A、C管段之间，A、B、C管段的中心线处于同一平面内，A管段入口和C管段的出口呈90°夹角布置。
电磁线的励磁电流大小为8～20A。
A、C管段的线圈匝数分别为N，B管段的线圈匝数为M，M-N=6。
B管段的内直径为R1，环形挡板的内直径为R2，R1：R2=（100-300）mm:（30-150）mm。
本发明提供的上述方案，通过改变过滤器的结构，过滤器可有效过滤掉等离子体中的微观颗粒，适用于多种金属\合金\石墨等阴极靶材的等离子体的过滤提纯，同时等离子体在磁过滤器中行进时阻碍降低，从而提高沉积速率。
附图说明
图1为传统过滤器的结构示意图。
图2为本发明过滤器的结构示意图。
图3为过滤器（内直径较小的环形挡板）使用状态的示意图。
图4为过滤器（内直径较大的环形挡板）使用状态的示意图。
图5为传统过滤器和本发明过滤器施加不同大小的励磁电流与沉积速率的数据分析图。
附图标号和部件对应关系如下。
11-A管段、12-B管段、13-C管段、14-环形挡板。
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。
如图1所示为传统过滤器的结构示意图，为弧形结构，如图2所示为本发明过滤器的一种实施方式的结构示意图，亦即，一种提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，包括过滤器，过滤器由各个首尾相连的管段构成，所述的管段为直管段，管段的数量≥3。可根据具体实施，选择管段的数量为3、4、5中的一者进行实施。图1中弧形结构的过滤器，靶材和腔室之间的距离较长，碳等离子体和液滴在行进过程中碰壁的概率较大，造成沉积速率相对较低。而本发明将过滤器设置成折线形弯管结构，折线形弯管结构减少了靶材与腔室之间的距离，碳等离子体和液滴在过滤器中行进时阻碍降低，沉积速率得到提升。
具体的方案为：相邻管段之间交接处为弧形过渡连接。管段包括A、B、C管段11、12、13，B管段12位于A、C管段11、13之间，A、B、C管段11、12、13的中心线处于同一平面内，A管段11入口和C管段13的出口呈90°夹角布置。
进一步的方案为：位于过滤器中部管段的内部磁场强度大于过滤器两端的管段的内部磁场强度。进一步的，通过改变各管段外部设置的线圈匝数使得中部管段的内部磁场强度大于两端的管段的内部磁场强度。各管段外部设置的线圈为同一根电磁线绕制形成。A、C管段11、13的线圈匝数为N，B管段12的线圈匝数为M，M-N=6。
为了使带电的等离子体可以顺利通过过滤器，需要在过滤器外圈绕制一定匝数的线圈，线圈通电后产生磁场可以改变带电等离子体的运动轨迹，沿着磁力线方向螺旋前进，从而可以顺利通过弧形或折线形的过滤器到达工件表面成膜。如图1、2所示，无论是弧形弯管还是折线形弯管，入口端和出口端均有一段直管，这一段直管的作用是为了平衡磁场达到稳弧和均匀沉积的目的，对沉积速率影响不显著。在过滤器的入口端和中间段分别测试对沉积速率的影响，通过实验发现，绝大部分的粒子都是在中间段被过滤。在中间段荷质比较大的带电粒子在过滤磁场的作用下可以顺利通过，这是因为荷质比较大的带电粒子在磁场的作用下其回转半径较小，不会碰到过滤器内壁；荷质比较小的带电粒子回转半径较大，部分可以通过，而不带电的原子或原子团以及液滴不会受到过滤磁场的约束则只有极少量可以通过。因此，本发明将折线形过滤器弯管分成三段，对三段外圈的线圈进行分别绕制，中间段的线圈匝数比两端匝数多6匝，然后将三段线圈的首尾进行连接形成一个整体，在工作的过程中，中间段的磁场加强后，使得荷质比较小的带电粒子的回转半径变小，可以顺利通过过滤器，从而使沉积速率提升20%以上。
更为优选的方案为，过滤器中部的管段内设置有环形挡板14。过滤器内安装的环形挡板14，这样不带电的大颗粒就会撞击到环形挡板14上，只有带电粒子可以通过环形挡板14中部的通孔，实现对大颗粒的过滤，从而可以制备粗糙度低且致密的涂层。对于沉积速率要求高的场合，要求一定量的带少量电荷的粒子和少量的不带电颗粒进入腔室镀膜，环形挡板14的孔径太小一定程度上限制了粒子的进入。因此，增加过滤器内部环形挡板14的孔径可以减少对粒子的阻挡，有助于沉积速率的提升。图3、4为两种不同环形挡板14下粒子的分布状况，可以看出，改变环形挡板14后通过环形挡板14粒子数量明显增加，且可以过滤掉部分大颗粒，镀膜效率有效提升。因此，优选的方案为，B管段的内直径为R1，环形挡板14的内直径为R2，具体的R1=（100-300）mm；R2=（30-150）mm。
更进一步的方案为，提高过滤器的励磁电流也可以使荷质比较小的带电粒子其回转半径变小，使其顺利通过过滤器，从而达到提升沉积速率的效果。如图5为传统过滤器和本发明过滤器在不同励磁电流下的沉积速率的变化。由图5可知，随着施加的励磁电流的增加，镀膜沉积速率总体上呈现先增加后下降的趋势。本发明提供的折线形过滤器的沉积速率明显要优于传统弧形过滤器。当过滤器的励磁电流产生的磁场使得粒子进入腔室的量达到极限时，这时磁场已经饱和，继续提高励磁电流反而会影响起弧的稳定性，从而使沉积速率反而下降。因此，将电磁线的励磁电流大小设置为8～20A，优选为16A。
由上可知，本发明提供的技术方案，可有效的提高磁过滤电弧离子镀中的沉积速率。
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 (10)
1.一种提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，其特征在于：包括过滤器，过滤器由各个首尾相连的管段构成，所述的管段为直管段，管段的数量≥3。
2.根据权利要求1所述的提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，其特征在于：相邻管段之间交接处为弧形过渡连接。
3.根据权利要求1或2所述的提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，其特征在于：位于过滤器中部管段的内部磁场强度大于过滤器两端的管段的内部磁场强度。
4.根据权利要求1或2所述的提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，其特征在于：过滤器中部的管段内设置有环形挡板。
5.根据权利要求3所述的提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，其特征在于：通过改变各管段外部设置的线圈匝数使得中部管段的内部磁场强度大于两端的管段的内部磁场强度。
6.根据权利要求5所述的提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，其特征在于：各管段外部设置的线圈为同一根电磁线绕制形成。
7.根据权利要求6所述的提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，其特征在于：管段包括A、B、C管段，B管段位于A、C管段之间，A、B、C管段的中心线处于同一平面内，A管段入口和C管段的出口呈90°夹角布置。
8.根据权利要求6所述的提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，其特征在于：电磁线的励磁电流大小为8～20A。
9.根据权利要求7所述的提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，其特征在于：A、C管段的线圈匝数分别为N，B管段的线圈匝数为M，M-N=6。
10.根据权利要求7所述的提高磁过滤电弧离子镀沉积速率的装置，其特征在于：B管段的内直径为R1，环形挡板的内直径为R2，R1：R2=（100-300）mm:（30-150）mm。
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