CN1459516A - 高真空磁过滤弧源 - Google Patents
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Abstract
高真空磁过滤弧源属于等离子体和材料表面技术领域，包括弧源屏蔽1、阴极靶2、引弧磁体3、触发机构4、水冷阳极7、主弧电源11、辅助阳极电源5、辅助阳极10、磁场线圈6、离化阳极8和离化电源9，真空度为10－1Pa～10－3Pa量级，启动触发机构4产生金属弧斑，启动辅助阳极10及电源5产生预备弧等离子体，启动主弧电源11产生稳定的等离子体，在磁场线圈6产生的磁过滤磁场的引导下经过离化电源9施加的电场的作用，二次离化和过滤金属液滴。阴极靶2由阴极、阳极与触发极组成，阳极外绕有磁场线圈6。本发明的有益效果是液滴滤除90％，真空度达到10－3Pa量级，适合于镀膜、离子注入等设备，广泛用于电子、工具、建筑玻璃和装饰的高级镀膜领域。
Description
技术领域
本发明属于等离子体和材料表面技术领域
背景技术
阴极弧等离子体沉积技术具有离化率高，离子能量较大，沉积速度快，适用于绝大多数金属与合金材料，在薄膜沉积技术中得到广泛应用。磁过滤电弧沉积技术可以很好地过滤电弧产生的液滴，提高了薄膜质量，受到广泛的关注。
用于真空离子镀膜的传统真空弧源，由触发、阴极金属弧靶、磁场和电源等主要部分组成，虽然这些部分有不同的设计形式，如触发机构4有电子触发和引弧针触发；引弧磁场3有永久磁铁和电磁场；阴极金属弧靶有矩形或圆形；电源有直流、交流或脉冲等多种形式。但是其基本工作原理是利用金属、导体的真空弧原理。基本工作参数特征是，真空度10-1Pa量级，金属弧电压在20伏左右，金属弧电流在30安培或以上。在实际运行中，金属弧产生金属离子外，还会产生部分金属液滴沉积在薄膜内，影响薄膜的性能。
传统的阴极弧工作原理：阴极是镀料制成的靶材，真空室接地作阳极，进行弧光放电。电弧的引燃是通过点火器，使其与阴极瞬时接触而触发，在阴极和阳极之间形成自持弧光放电，弧光放电在阴极表面产生一个或多个明亮的阴极弧斑。弧斑的直径为0.01～100μm，并以高达100m/s的速度在阴极表面随机运动，可以利用磁场控制阴极弧斑的运动。当有磁场存在时，阴极弧斑在磁场的垂直方向上运动，其运动方向与作用在电弧电流上的劳伦兹力方向相反。阴极弧斑的移动速度随磁场强度增加而加快。
电弧电压与电弧源工作表面磁场强度和阴极材料有关，通常为10～40V。弧斑发射的电流可在30～200A范围内变动，其中电子流被阳极吸收，以维持稳定放电。阴极材料的离子流占弧流的7％～12％。在基板相对阴极200～400V的负偏压作用下，离子流在基板上淀积成金属、合金或化合物薄膜。
多弧型蒸发源的优点很多，但在等离子体中存在微粒的缺点。
冷阴极弧光放电理论认为，放电过程是借助于场电子发射和正离子流14同时存在且相互制约而进行的。其弧光放电的物理过程和近阴极表面弧斑区电位分布如图3所示。在放电过程中，阴极材料18大量蒸发形成金属蒸汽16并被电离，在近阴极表面形成的正空间电荷鞘层13产生强电场，使阴极表面存在的微凸起尖端产生高电流密度的场致发射。由于电流局部集中产生的焦耳热使温度上升又产生热电子17，场致发射转化微热-场致发射，进而微凸起蒸发并被电离，在阴极表面形成更稠密等离子体，进一步增强电场和热-场致发射。同时，因离子轰击微凸起，使其熔化并形成小熔池。熔池内的熔化金属因离子轰击而飞溅，喷射出小金属熔滴12，并伴有耀眼弧斑15。弧斑区熔化金属飞溅后留下了微细孔洞。孔洞边缘成了新的微凸起，又会产生新的弧斑。上述过程反复进行，弧光辉点在阴极表面上激烈地无规则运动，使放电持续进行。
发明内容
本发明的目的就是提供一种真空弧工作真空度高、能够二次离化和过滤金属液滴的高真空磁过滤真空弧源。
本发明的技术方案是，高真空磁过滤弧源，包括弧源屏蔽1、阴极靶2、引弧磁体3、触发机构4、水冷阳极7、主弧电源11、辅助阳极电源5、辅助阳极10、磁场线圈6、磁离化阳极8和离化电源9，真空度为10-1Pa～10-3Pa量级，启动触发机构4产生金属弧斑，启动辅助阳极10及电源产生预备弧等离子体，启动主弧电源11产生稳定的等离子体，在磁场线圈6产生的磁过滤磁场的引导下经过离化电源9施加的电场的作用，二次离化和过滤金属液滴。
阴极靶2由阴极、阳极与触发极组成，阳极外绕有磁场线圈6。
在本发明专利中，采用以辅助阳极10和磁过滤二次离化为特征的高真空磁过滤弧，不仅适用于金属阴极，同样适用于导电体阴极。
辅助阳极10与阴极靶2之间距离在8～30mm调整，辅助阳极电源5电压在0～200V调整。
磁场线圈6的电流0～1.5A调整，产生与多弧引弧磁场同极的轴向磁场5mT～50mT，用于约束阴极弧产生的等离子体和电子，增加离子流的密度和能量，同时建立了相对阴极表面径向的磁场强度，减少阴极弧斑放电电流，减少微粒。
离化阳极8的位置和直径取决于阴极靶2轴向±30°的区间，吸引相对等离子体中为负电的微粒，阻挡过滤和阻止微粒沉积在工件表面，另外在电场和磁场的综合作用下发生碰撞和被二次离化。
在高真空状态下，当触发机构4产生阴极弧后，电辅助阳极10和施加在阴极上的电压产生稳定的预阴极弧，随之连接在真空室外壳的阳极与阴极之间的主弧电源11产生大电流的稳定的阴极弧。磁场线圈6产生的磁场与阴极弧的磁场同极性，约束产生的等离子体、电子在磁离化阳极8和阴极之间，增加其能量，在离化电源9的作用下，产生离化和过滤作用。
高真空磁过滤弧源在辅助阳极10和磁场线圈6的作用下，产生磁场和离化电场，使传统的真空弧工作真空度延伸到10-3Pa量级，采用电场和磁场将金属离子引出，并将过滤去除金属液滴。
本发明达到的有益效果是，真空弧工作真空度高、能够二次离化和过滤金属液滴的新型磁过滤真空弧源。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是阴极弧的微粒密度空间分布图。
图3是冷阴极弧光放电的物理过程。
具体实施方式
1、阴极靶2用石墨碳制成，气压9×10-3Pa，主弧电流50A，磁场线圈6电流0.5A，二次离化电流30A，再连接90°弯管式磁过滤管沉积ta-DLC薄膜。
2、阴极靶2用金属钛制成，气压8×10-3Pa，主弧电流60A，磁场线圈6电流0.8A，二次离化电流40A。与等离子体源、离子注入源联合使用，在室温沉积高结合力的合金膜系，如TiN、TiCN等薄膜。
Claims (2)
1、高真空磁过滤弧源，包括弧源屏蔽(1)、阴极靶(2)、引弧磁体(3)、触发机构(4)、水冷阳极(7)和主弧电源(11)，其特征在于，还包括辅助阳极电源(5)、辅助阳极(10)、磁场线圈(6)、磁离化阳极(8)和离化电源(9)，真空度为10-1Pa～10-3Pa量级，启动触发机构(4)产生金属弧斑，启动辅助阳极(10)及电源产生预备弧等离子体，启动主弧电源(11)产生稳定的等离子体，在磁场线圈(6)产生的磁过滤磁场的引导下经过离化电源(9)施加的电场的作用，二次离化和过滤金属液滴。
2、根据权利要求1所述的高真空磁过滤弧源，其特征在于，阴极靶(2)由阴极、阳极与触发极组成，阳极外绕有磁场线圈(6)。
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