CN203065569U - 一种多磁场结构适应性控制磁场组装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及薄膜与涂层制备技术领域，具体地说是一种多磁场结构适应性控制磁场组装置。多磁场结构适应性控制磁场组装置由双层水冷法兰套和多磁场结构控制磁场组构成，法兰套的外侧设有法兰套绝缘套，法兰套绝缘套的外侧设有多磁场结构控制磁场组；多磁场结构控制磁场组单独或耦合设有二极旋转横向磁场发生装置、单个或两个以上轴向形成梯度或均匀的轴向磁场的磁场发生装置、同轴聚焦磁场磁轭。本实用新型采用多磁场结构适应性控制磁场组，提供多种弧斑控制磁场模式，既满足靶面附近的弧斑磁场状态，改善弧斑放电形式，降低功率密度、减少大颗粒发射，又保证等离子体传输空间的磁场分布，提高等离子体的传输效率和传输均匀性。
Description
技术领域
本实用新型涉及薄膜与涂层制备技术领域，具体地说是一种多磁场结构适应性控制磁场组装置。
背景技术
表面防护涂层技术是提高工模具及机械部件质量和使用寿命的重要途径，作为材料表面防护技术之一的离子镀膜技术，由于由于结构简单、离化率高、入射粒子能量高，可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层，应用在工具、模具上面，可以使寿命成倍提高，较好地实现了低成本、高收益的效果；此外，离子镀涂层技术具有低温、高能两个特点，几乎可以在任何基材上成膜，应用范围十分广阔，展示出很大的经济效益和工业应用前景。离子镀电弧自持放电的必要条件是有持续大量的有效电子发射，从电子发射机理分析，大量电子发射发生的必要条件是有大量的电子能够越过金属表面势垒与费米能级之间的势垒高度（逸出功），这种情况发生在两种状态下，一是热阴极电子发散，即金属表面有大量的高能态电子（大于逸出功）存在，高能态电子的数量随着金属的温度升高而增加，亦即热电子发散的效应越明显；另外一种是降低表面势垒即降低电子的逸出功，即提高阴极表面的外加电场强度，表面势垒高度的降低值随着外加电场强度的升高而增大。而阴极附近空间的正电荷密度决定了阴极处的电场强度，正离子电荷密度的增加促进了电场强度的增加，在冷阴极情况下，为了形成有效的电子发散，维持弧光放电，电流的集中放电是最有效的途径。集中放电一方面可以将阴极局部加热到高温状态，提高高能态电子的数量，另一方面可以在局部形成高密度的正电荷鞘层，提高局部的电场强度，降低功函数，促进电子的大量发射。在阴极弧斑放电中，只有那些温度最高（离子轰击和电阻热效应），电场最强，或者逸出功最低的微小区才能发射大量的电子，只有最有效的大量的电子发射才能维持弧斑的存在。因此观察到的离子镀弧斑的运动实际上是弧斑最有效位置的移动，更确切的说是正电荷密度最大值的位置的移动引起新弧斑的形成、旧弧斑的熄灭造成了弧斑的运动。而正是由于电弧离子镀阴极斑点的尺寸很小，功率密度非常高，所以阴极斑点在作为强烈的电子，金属原子﹑离子和高速金属蒸汽发射源的同时，也不断的喷射金属大颗粒。从电弧离子镀液滴的产生机制可知，欲减少大颗粒的发射，就应当避免靶材局部过热产生较大较深的弧斑熔池和局部的离子轰击。因此，必须采用一定的方式控制弧斑的运动以及改善弧斑的放电形式，提高弧斑的运动速度，缩短弧斑在一点的停留时间，降低局部的功率密度和高密度离子轰击。离子镀弧源是电弧等离子体放电的源头，是离子镀技术的核心部件。为了更好的提高沉积薄膜的质量和有效的利用靶材，提高放电稳定性，必须对弧斑的运动进行合理的控制，而弧斑的有效控制必须有合理的机械结构与磁场结构配合。
目前的电弧离子镀技术主要是在靶材附近施加磁场来控制弧斑的运动，来提高放电稳定性和靶材刻蚀率。由于电弧离子镀主要靠靶面上的阴极斑点的放电来沉积所需薄膜的，因此是一种点状源，这些传统的单纯在靶面附近施加磁场的方法虽然可以有效地控制弧斑在靶面的运动，但是并没有解决等离子在传输空间分布的不均匀性，同时，随着磁场强度的增加，造成了部分离子随着靶材周围磁场的分布运动而流失，造成了基体处离子密度的下降。而且长时间的刻蚀容易在靶面上形成刻蚀轨道，造成靶材刻蚀的不均匀。
由于真空电弧等离子体的物理特性，外加电磁场是改善弧斑放电、控制弧斑运动以及改善等离子体的传输特性的有效方法。离子镀弧源是电弧等离子体放电的源头，是离子镀技术的核心部件，国内外在离子镀弧源的设计上都离不开磁场的设计。合理的磁场可以有效的改善弧斑的放电，同时保证等离子体的有效传输，而单独的一种磁场结构往往难以构建合适的空间磁场位形，既保证靶面所需磁场状态，又保证等离子体传输空间的磁场分布，因此高效优质的离子镀源装置必须要有合理紧凑的结构满足设置多种耦合磁场发生装置的需要。
中国发明专利（专利号ZL200810010762.4）提出了一种利用旋转磁场控制弧斑运动的电弧离子镀装置，但是该发明没有对具体的弧源结构进行创新设计，弧源头及围绕于靶材之外的法兰套结构不合理，占用空间体积过大，不利于整体结构分布，整体结构不紧凑，磁场漏磁严重，不利于镀膜整机设计安排；最主要的是该发明只利用旋转横向磁场约束弧斑放电，对等离子体的传输和弧斑放电不利，大大降低了弧光等离子体的传输效率，大部分的等离子体约束在靶面附近，造成了沉积不均匀性和速率降低，同时单独强度过大的横向磁场减弱了弧斑放电的稳定性。因此，正如前述，需要有合理紧凑的法兰结构及控制磁场组满足设置多种耦合磁场发生装置的需要，既保证靶面所需磁场状态、改善弧斑放电、降低放电功率密度、提高放电稳定性，又保证等离子体传输空间的磁场分布。但是频率强度匹配的旋转横向磁场可以大大改善弧斑放电，实现准扩散弧的状态，这点是值得在设计中采用的。
因此，本实用新型进一步创新发明，对传统弧源的磁场装置结构进行改进，提出了一种多磁场结构适应性控制磁场组装置的设计方案。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种多磁场结构适应性控制磁场组装置，提供多种弧斑控制磁场模式，既满足靶面附近的弧斑磁场状态，改善弧斑放电形式，降低功率密度、减少大颗粒发射，又保证等离子体传输空间的磁场分布，提高等离子体的传输效率和传输均匀性。
本实用新型技术方案是：
一种多磁场结构适应性控制磁场组装置，由双层水冷法兰套和多磁场结构控制磁场组构成，法兰套的外侧设有法兰套绝缘套，法兰套绝缘套的外侧设有多磁场结构控制磁场组；多磁场结构控制磁场组单独或耦合设有二极旋转横向磁场发生装置、单个或两个以上轴向形成梯度或均匀的轴向磁场的磁场发生装置、同轴聚焦磁场磁轭。
所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，法兰套中设有法兰套冷却水通道，法兰套底部设有与法兰套冷却水通道相通的法兰套进水管、法兰套出水管，法兰套冷却水通道的一端设置环形法兰盘，法兰盘边缘开有法兰连接孔。
所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，多磁场结构控制磁场组产生的磁场是以下单独或耦合的磁场发生装置形成的多型复合磁场之一：
（1）由单独二极旋转横向磁场控制弧斑运动形成单型复合磁场；
（2）由二极旋转横向磁场耦合法兰端部轴向磁场形成两型复合磁场；
（3）由单独轴向磁场装置形成梯度或均匀复合磁场；
（4）由两个以上轴向磁场装置形成梯度或均匀复合磁场。
所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，法兰套为空心结构，多磁场结构控制磁场组、法兰套与弧源头的靶材三者之间同轴，多磁场结构控制磁场组在法兰套上的位置可调；法兰套截面单边形状为L形，中间法兰套冷却水通道由双层不锈钢筒同轴围套组成，冷却水通道上部设有环形法兰盘。
所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，法兰盘的内径与法兰套内径平齐，法兰盘的外径与弧源头的炉体法兰外径平齐，法兰盘边缘开有6-8个法兰连接孔，法兰盘整体通过法兰连接孔与炉体连接；冷却水通道下部连接不锈钢法兰环，法兰环内、外径与法兰套一致，法兰环底部开有8个螺纹孔，其中对称两个螺纹孔为通孔，作为进出水口，另外6个作为离子镀枪底盘连接孔。
所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，二极横向旋转磁场发生装置由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，多磁极的数量为12n，n为整数，n≥2；铁芯为环形硅钢片叠压而成，铁芯内圆开有嵌放绕组线圈的槽，槽形有开口、半开口或半闭口形式，槽数有24、36、48、54或72，铁芯内径大于法兰套外径，铁芯通过法兰绝缘套围套在法兰套上；硅钢片的表面涂有耐高压绝缘漆，铁芯采用冷轧或热轧硅钢或者采用非晶导磁材料的铁芯；
二极横向旋转磁场发生装置的漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制结构，按二极磁场规律连接成对称的三相绕组；绕组的连接方式有单层、双层或单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、交叉式、同心式或叠式，绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源。
所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，二极横向旋转磁场发生装置放置于弧源头的靶材周围，其中心高于靶材表面。
所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，梯度或均匀的轴向磁场发生装置由漆包线绕制的单个或两个以上电磁线圈组组成，电磁线圈组由漆包线绕制在线圈骨架上，电磁线圈组内外设有绝缘保护层，轴向磁场发生装置与法兰套之间设置法兰绝缘套。
所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，多磁场结构控制磁场组的外围设置法兰套屏蔽罩。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型采用由双层水冷法兰套和多磁场结构的控制磁场组成多磁场结构适应性控制磁场组装置，多磁场结构控制磁场组单独或耦合设有二极旋转横向磁场发生装置、单个或两个以上轴向磁场发生装置（形成梯度或均匀的轴向磁场）、同轴聚焦磁场磁轭。多磁场结构适应性控制磁场组提供了多种耦合磁场可行性，既满足靶面附近的磁场状态，改善弧斑放电形式，降低放电功率密度、减少大颗粒发射、提高放电稳定性，提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率，又保证等离子体传输空间的磁场分布，提高等离子体的传输效率和传输均匀性，提高镀膜效率和镀膜均匀性，利于整机设计，促进工具镀膜和装饰镀膜的发展，使得该多磁场结构适应性控制磁场组结构成为一种实用的离子镀源辅助装置。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图中，1法兰套；2法兰套冷却水通道；3法兰套屏蔽罩；4法兰连接孔；5法兰盘；6多磁场结构控制磁场组；7法兰套进水管；8法兰套出水管；9法兰套绝缘套；10二极旋转横向磁场发生装置；11轴向磁场发生装置；12同轴聚焦磁场磁轭。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型多磁场结构适应性控制磁场组装置，由双层水冷法兰套和多磁场结构的控制磁场组成，主要包括：法兰套1、法兰套冷却水通道2、法兰套屏蔽罩3、法兰连接孔4、法兰盘5、多磁场结构控制磁场组6、法兰套进水管7、法兰套出水管8、法兰套绝缘套9等，具体结构如下：
法兰套1的外侧设有法兰套绝缘套9，法兰套绝缘套9的外侧设有多磁场结构控制磁场组6；多磁场结构控制磁场组单独或耦合设有二极旋转横向磁场发生装置10、单个或两个以上轴向磁场发生装置（形成梯度或均匀的轴向磁场）11、同轴聚焦磁场磁轭12。法兰套1中设有法兰套冷却水通道2，法兰套1底部设有与法兰套冷却水通道2相通的法兰套进水管7、法兰套出水管8，法兰套冷却水通道的一端设置环形法兰盘5，法兰盘5边缘开有法兰连接孔4。多磁场结构控制磁场组6的外围设置法兰套屏蔽罩3，通过法兰套屏蔽罩3对内部的磁场发生装置进行保护。
本实用新型中，多磁场结构控制磁场组6产生的磁场是以下单独或耦合的磁场发生装置形成的多型复合磁场之一：
（1）由单独二极旋转横向磁场控制弧斑运动形成单型复合磁场；
（2）由二极旋转横向磁场耦合法兰端部轴向磁场形成两型复合磁场；
（3）由单独轴向磁场装置形成梯度或均匀复合磁场；
（4）由两个以上轴向磁场装置形成梯度或均匀复合磁场。
本实用新型中，法兰套1由不导磁的不锈钢制作，法兰套为空心结构，通冷却水保护；多磁场结构控制磁场组6、法兰套1与弧源头的靶材三者之间同轴，多磁场结构控制磁场组6在法兰套1上的位置可调；法兰套1截面单边形状为L形，中间法兰套冷却水通道2由双层不锈钢筒同轴围套组成，法兰套冷却水通道2上部焊接一环形法兰盘5，法兰盘5的内径与法兰套1内径平齐，法兰盘5的外径与弧源头的炉体法兰外径平齐，法兰盘5边缘开有6-8个法兰连接孔4，通过法兰连接孔4将法兰盘5整体与炉体连接；法兰套冷却水通道2下部连接不锈钢法兰环，法兰环内、外径与法兰套一致，法兰环底部开有8个螺纹孔，其中对称两个螺纹孔为通孔，作为进出水口，另外6个作为离子镀枪底盘连接孔。
本实用新型中，多磁场结构控制磁场组6设有的二极横向旋转磁场发生装置由多磁极（12n，n为整数，n≥2）铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，铁芯由导磁率高、厚0.35-0.5mm的环形硅钢片叠压而成，铁芯内圆开有嵌放绕组线圈的槽，槽形有开口、半开口或半闭口形式，槽数有24、36、48、54或72，铁芯内径按法兰套尺寸选择，大于法兰套外径，铁芯外径根据标准选择，通过法兰绝缘套围套在法兰套上；硅钢片的表面涂有耐高压绝缘漆，铁芯材料采用冷轧或热轧硅钢或者采用非晶导磁材料；二极横向旋转磁场发生装置的漆包线绕组线圈采用高强度聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制，按二极磁场规律连接成对称的三相绕组；绕组的连接方式有单层、双层或单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、交叉式、同心式或叠式；绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源激励，电流频率和电压可单独调节，通过电压调节二极横向旋转磁场的强度，通过电流频率调节二极横向旋转磁场的旋转速度。二极横向旋转磁场发生装置放置于弧源头的靶材周围，其中心高于靶材表面。
本实用新型中，多磁场结构控制磁场组6设有的梯度或均匀的轴向磁场发生装置由漆包线绕制的单个或两个以上电磁线圈组组成，电磁线圈组内外设有绝缘保护层，轴向磁场发生装置与法兰套之间设置法兰绝缘套，轴向磁场发生装置通过法兰绝缘套与法兰绝缘保护，电磁线圈组由漆包线绕制在线圈骨架上，电磁线圈组内外通过绝缘保护；电磁线圈组通直流电，通过不同线圈的电压大小调节轴向磁场的强度和梯度分布。
实施例结果表明，本实用新型采用由双层水冷法兰套和多磁场结构的控制磁场组成多磁场结构适应性控制磁场组装置；多磁场结构适应性控制磁场组单独或耦合设有二极旋转横向磁场发生装置、单个或两个以上形成梯度或均匀轴向磁场的轴向磁场发生装置，提供了多种耦合磁场可行性，既满足靶面附近的磁场状态，改善弧斑放电形式，降低放电功率密度、减少大颗粒发射、提高放电稳定性，提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率，又保证等离子体传输空间的磁场分布，提高等离子体的传输效率和传输均匀性，提高镀膜效率和镀膜均匀性，利于整机设计，促进工具镀膜和装饰镀膜的发展，使得该多磁场结构适应性控制磁场组结构成为一种实用的离子镀源辅助装置。
Claims (9)
1.一种多磁场结构适应性控制磁场组装置，其特征在于，由双层水冷法兰套和多磁场结构控制磁场组构成，法兰套的外侧设有法兰套绝缘套，法兰套绝缘套的外侧设有多磁场结构控制磁场组；多磁场结构控制磁场组单独或耦合设有二极旋转横向磁场发生装置、单个或两个以上轴向形成梯度或均匀的轴向磁场的磁场发生装置、同轴聚焦磁场磁轭。
2.按照权利要求1所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，其特征在于，法兰套中设有法兰套冷却水通道，法兰套底部设有与法兰套冷却水通道相通的法兰套进水管、法兰套出水管，法兰套冷却水通道的一端设置环形法兰盘，法兰盘边缘开有法兰连接孔。
3.按照权利要求1所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，其特征在于：多磁场结构控制磁场组产生的磁场是以下单独或耦合的磁场发生装置形成的多型复合磁场之一：
（1）由单独二极旋转横向磁场控制弧斑运动形成单型复合磁场；
（2）由二极旋转横向磁场耦合法兰端部轴向磁场形成两型复合磁场；
（3）由单独轴向磁场装置形成梯度或均匀复合磁场；
（4）由两个以上轴向磁场装置形成梯度或均匀复合磁场。
4.按照权利要求1所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，其特征在于：法兰套为空心结构，多磁场结构控制磁场组、法兰套与弧源头的靶材三者之间同轴，多磁场结构控制磁场组在法兰套上的位置可调；法兰套截面单边形状为L形，中间法兰套冷却水通道由双层不锈钢筒同轴围套组成，冷却水通道上部设有环形法兰盘。
5.按照权利要求4所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，其特征在于：法兰盘的内径与法兰套内径平齐，法兰盘的外径与弧源头的炉体法兰外径平齐，法兰盘边缘开有6-8个法兰连接孔，法兰盘整体通过法兰连接孔与炉体连接；冷却水通道下部连接不锈钢法兰环，法兰环内、外径与法兰套一致，法兰环底部开有8个螺纹孔，其中对称两个螺纹孔为通孔，作为进出水口，另外6个作为离子镀枪底盘连接孔。
6.按照权利要求1所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，其特征在于：二极横向旋转磁场发生装置由多磁极铁芯骨架及漆包线绕组线圈组成，多磁极的数量为12n，n为整数，n≥2；铁芯为环形硅钢片叠压而成，铁芯内圆开有嵌放绕组线圈的槽，槽形有开口、半开口或半闭口形式，槽数有24、36、48、54或72，铁芯内径大于法兰套外径，铁芯通过法兰绝缘套围套在法兰套上；硅钢片的表面涂有耐高压绝缘漆，铁芯采用冷轧或热轧硅钢或者采用非晶导磁材料的铁芯；
二极横向旋转磁场发生装置的漆包线绕组线圈采用聚氨酯漆包铜线或者铝线绕制结构，按二极磁场规律连接成对称的三相绕组；绕组的连接方式有单层、双层或单双层混合，绕组端部的接线方式采用叠式或者波式，绕组的端部形状采用链式、交叉式、同心式或叠式，绕组采用相位差为120°的三相变频正弦交流电源。
7.按照权利要求1或6所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，其特征在于，二极横向旋转磁场发生装置放置于弧源头的靶材周围，其中心高于靶材表面。
8.按照权利要求1所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，其特征在于：梯度或均匀的轴向磁场发生装置由漆包线绕制的单个或两个以上电磁线圈组组成，电磁线圈组由漆包线绕制在线圈骨架上，电磁线圈组内外设有绝缘保护层，轴向磁场发生装置与法兰套之间设置法兰绝缘套。
9.按照权利要求1所述的多磁场结构适应性控制磁场组装置，其特征在于：多磁场结构控制磁场组的外围设置法兰套屏蔽罩。
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