CN203498466U - 一种磁控电弧离子镀复合沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于材料表面改性领域，具体为一种磁控电弧离子镀复合沉积装置，用于控制阴极弧斑运动速度，约束等离子体的传输，提高薄膜的沉积速率和沉积均匀性，减少靶材表面大颗粒的喷射，提高靶材刻蚀均匀性。电弧离子镀装置设置有两套磁场发生装置，一套置于靶材后面，另一套置于等离子体传输通道外侧，通过两套磁场发生装置产生的耦合磁场辅助对基体表面进行薄膜沉积。本实用新型通过两套耦合的磁场发生装置产生的耦合磁场，可以减少靶材表面大颗粒的发射和薄膜中大颗粒的数量，解决了传统工艺等离子体在传输空间上的不均匀性，提高了等离子体的利用率，增加了薄膜的沉积速率与薄膜厚度均匀性，为制备各种高性能的薄膜提供有效保障。
Description
技术领域：
本实用新型属于材料表面改性领域，具体为一种磁控电弧离子镀复合沉积装置，用以提高弧斑运动速度，减少靶材表面大颗粒发射，提高薄膜的沉积速率与沉积均匀性。
背景技术：
电弧离子作为工业应用最为广泛的物理气相沉积（PVD）技术之一，由于其离化率高，入射粒子能量高，绕射性好，可实现低温沉积等一系列优点，使电弧离子镀技术得到快速发展并获得广泛应用。但是，由于电弧离子镀中大颗粒的存在，严重影响了涂层和薄膜的性能和寿命。因此，有关如何解决阴极电弧镀中大颗粒问题对阴极电弧的发展影响很大，成为阻碍电弧离子镀技术更深入广泛应用的瓶颈问题。而磁过滤技术是在等离子体传输过程中将大颗粒排除掉的方法，是等症状出现以后用来治标而不治本的方法，因此是一种消极的方法。
真空电弧放电实际上是一系列电弧事件，电弧阴极斑点及弧根的运动决定了整个电弧的运动，相邻弧斑的次第燃起和熄灭构成了弧斑的运动。尽管对弧斑内部结构还没有确切了解，但为了提高放电过程稳定性及沉积薄膜质量，必须对弧斑运动进行合理的控制。而弧斑的聚集与运动速度过慢是阴极靶材表面产生大颗粒发射的主要原因。目前的电弧离子镀技术主要是采用在靶材附件施加磁场来控制弧斑的运动，以提高电弧放电稳定性。
中国专利200810010762.4公开了一种新的电弧离子镀装置（多模式可编程调制的旋转横向磁场控制的电弧离子镀装置），通过在靶材附近设置一个多模式可编程调制的旋转横向磁场发生装置，利用该装置产生的旋转横向磁场来改善弧斑的放电形式和工作稳定性，减少靶材表面大颗粒的发射。尽管利用该装置沉积的薄膜表面大颗粒明显减少，但是不同位置处薄膜的沉积均匀性仍有待改善。
中国专利200710158829.4公开了一种磁场增强的电弧离子镀沉积工艺，通过设置两套磁场发生装置，一套放置于靶材后面，另一个放置于真空室内，通过两套耦合的磁场发生装置产生的耦合磁场辅助对基体进行沉积。利用该工艺使得薄膜表面大颗粒明显减少，薄膜沉积均匀性也有改善，但是在真空室内设置的电磁场线圈在电弧等离子体空间易发生电荷累积及薄膜沉积过程中带来的高温烘烤，其稳定性大大降低。因此，既要通过磁场控制弧斑运动以减少靶材表面大颗粒发射，又要解决等离子体传输过程中的均匀性仍存在一定困难。
实用新型内容：
为了解决以上问题，本实用新型旨在提供一种磁控电弧离子镀复合沉积装置，用以提高弧斑运动速度，减少靶材表面大颗粒发射，提高薄膜的沉积速率与沉积均匀性。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是（见权利要求书）：
本实用新型的核心思想是：
为了有效改善靶材表面大颗粒发射，在靶材后面设置电磁场发生装置，利用电磁场对弧斑的运动进行控制，提高弧斑运动速度；在等离子体束流从阴极靶材表面喷射出来后，即采用磁场与等离子体的交互作用，对等离子体束流进行聚焦与约束，以减少等离子体在传输过程中的损失程度，以实现等离子体对基体表面薄膜沉积的均匀性。此外，为了加强离子与基体的良好结合，在基体表面设置脉冲电场，在管壁施加脉冲负偏压对正离子进行加速，以保证薄膜与基体的良好结合。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型采用两套磁场发生装置产生的耦合磁场，减少了靶材表面大颗粒的发射和薄膜表面大颗粒的数量，提高了薄膜质量。同时，还解决了传统工艺中等离子体传输过程的不均匀性，提高了薄膜的沉积速率和沉积均匀性。
2、本实用新型中放置于靶材后面的磁场发生装置产生的磁控可以控制弧斑的运动速度，提高靶面横向磁场分量的大小，减少靶材表面大颗粒的发射，并通过改变线圈电流的形式如交流电，可以使弧斑在整个靶面上均匀运行，提高靶材利用率。
3、本实用新型中两套磁场的耦合使用，可以改善等离子体在传输过程中的空间分布。通过调节放置于真空室外侧的磁场发生装置产生的磁场大小，可以改变基体处离子的密度及分布，进而控制薄膜质量及性能。
4、本实用新型中放置于真空室外侧的磁场发生装置，可以在等离子体从靶面喷射出来后即进行聚焦约束，减少等离子体沉积到真空室壁的损失，提高等离子体密度与空间分布均匀性，进而提高薄膜沉积速率及沉积均匀性。
5、本实用新型的磁控电弧离子镀复合沉积工艺配合在基体上施加脉冲偏压使用，可以扩大工艺参数的调节范围，为制备不同性能的薄膜提供保障。同时，可以通过优化工艺参数达到制备高质量薄膜的要求。
附图说明：
图1是本实用新型的采用均匀磁场和电场增强的磁控电弧离子镀复合工艺沉积装置。
图2是本实用新型的采用梯度磁场和电场增强的磁控电弧离子镀复合工艺沉积装置；其中，梯度磁场由若干个电磁线圈组成，磁感应强度分别调整，且其大小沿着等离子体束流方向逐渐减小。
图中：1真空室，2等离子体约束电磁线圈支撑圆筒，3等离子体约束电磁线圈，4靶材，5引弧针，6引弧线圈，7出水管，8进水管，9弧斑约束电磁线圈，10弧斑约束电磁线圈支撑圆筒，11镀镍纯铁，12水冷套，13脉冲偏压电源，14工件，15工件台。
具体实施方式：
本实用新型是通过在电弧离子镀过程中采用弧斑约束磁场控制弧斑的运动速度及运动轨迹，以减少靶材表面大颗粒发射；采用等离子体约束磁场以约束等离子体的传输及等离子体束流运动轨迹，以提高等离子体的传输效率、薄膜沉积速率及沉积均匀性；利用电场对等离子体实现加速定向流动，以提高膜基结合强度，从而实现等离子体在工件表面沉积高质量薄膜的目的。
本实用新型采用金属纯钛靶（也可以是其它金属或合金靶材），将工件清洗干燥后固定于电弧离子镀沉积装置的工件台上，抽真空至真空室内真空度达到5×10-3Pa～1×10-2Pa时，通氩气、气压控制在0.5～2Pa之间，调节弧斑约束电磁线圈电流为0.1～5A，聚束磁场线圈电流为0.5～10A，磁感应强度范围为10～2000高斯，工件加负偏压-500V～-1000V范围，对工件进行辉光清洗5～30分钟；然后，调整Ar气流量，使真空室气压调整为0.5～1.0Pa，同时开启靶弧，对样品继续进行靶离子轰击1～10分钟；首先调整基体偏压为-100～-600V范围，通氮气、调整气压为0.1～1.0Pa；调节弧斑约束电磁线圈电流为0.2～4A，聚束磁场线圈电流为0.5～10A，磁感应强度范围为10～2000高斯，镀膜时间为20～120分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭靶弧电源开关，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至80℃以下，镀膜过程结束，打开真空室，取出工件。
本实用新型中，在电弧离子镀沉积装置设置有两套磁场发生装置，一套放在真空室外靶材的后面，即用弧斑约束电磁线圈产生的磁场控制弧斑运动速度及运动轨迹；另一套放置于真空室外等离子体的传输通道上，通过等离子体约束电磁线圈产生的磁场对等离子体束流进行聚焦，约束等离子体束流传输时的横截面直径和传输效率；利用电场对等离子体实现加速定向流动，即在工件上施加脉冲负偏压，利用脉冲负偏压产生的偏压电场对正离子进行加速，以提高薄膜与工件的结合强度。
本实用新型中，放置于真空室外靶材后面的磁场发生装置为一个电磁线圈，线径0.5～2.5mm，缠绕密度为20～100匝/mm，电磁线圈用支撑筒支撑，支撑筒内径为200～400mm，长度为200～400mm。
本实用新型中，放置于真空室外等离子体传输通道上的磁场发生装置为一个电磁线圈，线径0.3～2.5mm，缠绕密度为10～100匝/mm，电磁线圈用支撑筒支撑，支撑筒内径为200～400mm，长度为200～500mm，通过调节电磁线圈电流的大小来调节磁感应强度的大小。
本实用新型中，电磁线圈的电流形式是直流、交流或脉冲的，电流大小通过调压电源调节。
本实用新型中，在工件内部设置的脉冲电场为以工件作为脉冲电场负极，真空室壁作为正极，从而构成一个脉冲电场，对等离子体进行定向加速。
本实用新型中，在工件内部设置的脉冲电场需要使用脉冲偏压电源，偏压幅值100～1500V，频率为10～100kHz，占空比为10～80%连续可调。
实施例1
本实施例中，电弧离子镀膜装置如图1所示，电弧离子镀装置主要包括：真空室1、等离子体约束电磁线圈支撑圆筒2、等离子体约束电磁线圈3、靶材4、引弧针5、引弧线圈6、出水管7、进水管8、弧斑约束电磁线圈9、弧斑约束电磁线圈支撑圆筒10、镀镍纯铁11、水冷套12、脉冲偏压电源13、工件14、工件台15等，具体结构如下：
靶材4的一端伸至真空室1内，靶材4的另一端设置水冷套12，水冷套12连有出水管7、进水管8，形成靶材4的循环水冷结构。真空室1内的引弧针5一端与靶材4相对应，引弧针5的另一端与引弧线圈6连接。靶材4通过靶材电源加电后，采用引弧线圈6产生的电磁场吸引引弧针5与靶材4表面接触，接触瞬间产生的短路电流将弧斑引燃，随后产生连续的弧斑；在靶材4后面设置有弧斑约束电磁线圈9，并由位于弧斑约束电磁线圈9内侧的弧斑约束电磁线圈支撑圆筒10支撑，弧斑约束电磁线圈9和弧斑约束电磁线圈支撑圆筒10中间设置镀镍纯铁11，以增强弧斑约束电磁线圈9产生的磁场；在等离子体传输通道的真空室1外侧设置等离子体约束电磁线圈3，并由位于等离子体约束电磁线圈3内侧的等离子体约束电磁线圈支撑圆筒2支撑，通过等离子体约束电磁线圈3产生的磁场对等离子体传输进行约束控制；在真空室1中设置工件台15，工件14固定于工件台15上；在工件台15上连接脉冲偏压电源13，脉冲偏压电源13的负极接工件台15，其正极接真空室1的外壁。
本实施例中，等离子体约束电磁线圈3产生的磁场为均匀磁场，均匀磁场是指放置于真空室外等离子体传输通道上的磁场发生装置为一个电磁线圈，电磁线圈的线径、缠绕密度相同等参数相同，其特点是可以在管状工件内部等效位置处（即距离轴向不同位置处）产生的磁感应强度基本相同，且等效位置处的磁感应强度不随轴向深度的变化而变化。
基材采用高速钢（牌号为W18Cr4V），试样尺寸为20mm×10mm×10mm，镀膜面尺寸为20mm×10mm。镀膜前基材表面先经过研磨、抛光、超声清洗、干燥后，放入真空室工件台上。本实施例中，靶材为纯钛靶。抽真空至真空室内真空度达到5×10-3Pa时，通氩气、气压控制在1.0Pa，调节弧斑约束电磁线圈电流为3.0A，等离子体约束电磁线圈电流为5.0A，磁感应强度分别为500高斯与800高斯，工件加脉冲负偏压-600V，对工件进行辉光清洗10分钟；然后，调整Ar气流量，使真空室气压调整为0.5Pa，同时开启钛弧，对样品继续进行钛离子轰击6分钟；首先调整基体偏压为-400V范围，通氮气、调整气压为0.4Pa；调节弧斑约束电磁线圈电流为0.5A，等离子体约束电磁线圈电流为8.0A，磁感应强度分别为200高斯与1200高斯，镀膜时间为60分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至80℃以下，镀膜过程结束，打开真空室，取出工件。
本实施例可以在高速钢工件上沉积致密的TiN薄膜，TiN薄膜的厚度为3.1μm，薄膜显微硬度达到22GPa，膜基结合强度为65N，工件镀膜后能显著提高其耐磨和耐腐蚀性能。
实施例2
与实施例1的不同之处是，等离子体约束电磁线圈3由若干个电磁线圈组成，这些电磁线圈的磁感应强度分别调整，且其大小沿着等离子体束流方向逐渐减小。其具体的沉积装置如图2所示，与图1不同之处在于，本实施例工件等离子体约束电磁线圈3的磁场采用梯度磁场，梯度磁场是指放置于等离子体传输通道上真空室外的磁场发生装置为4个电磁线圈，电磁线圈的线径、缠绕密度等参数相同，这些电磁线圈的磁感应强度通过分别调整其电磁线圈电流的大小来实现，且其磁感应强度大小沿着等离子体束流方向逐渐减小，从而构成一个梯度磁场。梯度磁场是相对于均匀磁场而言的，其特点是在等离子体传输通道轴向内部等效位置处（即距离轴向不同位置处）产生的磁感应强度随着与靶材距离的变化逐渐减小，而呈梯度变化。
基材采用高速钢（牌号为W18Cr4V），试样尺寸为30mm×20mm×10mm，镀膜面尺寸为30mm×20mm。镀膜前基材表面先经过研磨、抛光、超声清洗、干燥后，放入真空室工件台上。本实施例中，靶材为纯钛靶。抽真空至真空室内真空度达到6×10-3Pa时，通氩气、气压控制在1.2Pa；调节弧斑约束电磁线圈电流为3.6A，其磁感应强度为500高斯；调节等离子体约束电磁线圈（随着与靶材距离增加）电流分别为5.0A、4.5A、4.0A、3.5A，磁感应强度分别为800高斯、700高斯、600高斯及500高斯，工件加脉冲负偏压-600V，对工件进行辉光清洗10分钟；然后，调整Ar气流量，使真空室气压调整为0.5Pa，同时开启钛弧，对样品继续进行钛离子轰击6分钟；首先调整基体偏压为-400V范围，通氮气、调整气压为0.4Pa；调节弧斑约束电磁线圈电流为0.5A，等离子体约束电磁线圈电流分别为8.0A、7.0A、6.0A及5.0A，磁感应强度分别为1200高斯、1050高斯、900高斯及750高斯，镀膜时间为60分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至80℃以下，镀膜过程结束，打开真空室，取出工件。
本实施例可以在高速钢工件上沉积致密的TiN薄膜，TiN薄膜的厚度为3.2μm，薄膜显微硬度达到23GPa，膜基结合强度为68N，工件镀膜后能显著提高其耐磨和耐腐蚀性能。
实施例3
本实施例采用如图1所示的电弧离子镀装置，基材采用硬质合金（牌号为YT5），试样尺寸为20mm×10mm×10mm，镀膜面尺寸为20mm×10mm。镀膜前基材表面先经过研磨、抛光、超声清洗、干燥后，放入真空室工件台上。本实施例中，靶材为钛铝（50at.%:50at.%）合金靶。抽真空至真空室内真空度达到5×10-3Pa时，通氩气、气压控制在1.0Pa，调节弧斑约束电磁线圈电流为3.0A，等离子体约束电磁线圈电流为5.0A，磁感应强度分别为500高斯与800高斯，工件加脉冲负偏压-600V，对工件进行辉光清洗10分钟；然后，调整Ar气流量，使真空室气压调整为0.5Pa，同时开启钛铝弧，对样品继续进行钛、铝离子轰击6分钟；首先调整基体偏压为-400V范围，通氮气、调整气压为0.4Pa；调节弧斑约束电磁线圈电流为0.5A，等离子体约束电磁线圈电流为8.0A，磁感应强度分别为200高斯与1200高斯，镀膜时间为60分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛铝弧电源开关，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至80℃以下，镀膜过程结束，打开真空室，取出工件。
本实施例可以在硬质合金工件上沉积致密的Ti-Al-N薄膜，Ti-Al-N薄膜的厚度为3.6μm，薄膜显微硬度达到30GPa，膜基结合强度为60N，工件镀膜后能显著提高其耐磨和耐腐蚀性能。
实施例4
本实施例采用如图2所示的电弧离子镀装置，基材采用高速钢（牌号为W6Mo5Cr4V2Al），试样尺寸为20mm×10mm×10mm，镀膜面尺寸为20mm×10mm。镀膜前基材表面先经过研磨、抛光、超声清洗、干燥后，放入真空室工件台上。本实施例中，靶材为钛铝（50at.%:50at.%）合金靶。抽真空至真空室内真空度达到6×10-3Pa时，通氩气、气压控制在1.2Pa，调节弧斑约束电磁线圈电流为3.6A，磁感应强度为500高斯，等离子体约束电磁线圈（随着与靶材距离增加）电流分别为5.0A、4.5A、4.0A、3.5A，磁感应强度分别为800高斯、700高斯、600高斯及500高斯，工件加脉冲负偏压-600V，对工件进行辉光清洗10分钟；然后，调整Ar气流量，使真空室气压调整为0.5Pa，同时开启钛铝弧，对样品继续进行钛、铝离子轰击6分钟；首先调整基体偏压为-400V范围，通氮气、调整气压为0.4Pa；调节弧斑约束电磁线圈电流为0.5A，等离子体约束电磁线圈电流分别为8.0A、7.0A、6.0A及5.0A，磁感应强度分别为1200高斯、1050高斯、900高斯及750高斯，镀膜时间为60分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛铝弧电源开关，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至80℃以下，镀膜过程结束，打开真空室，取出工件。
本实施例可以在高速钢工件上沉积致密的Ti-Al-N薄膜，Ti-Al-N薄膜的厚度为3.4μm，薄膜显微硬度达到32GPa，膜基结合强度为58N，工件镀膜后能显著提高其耐磨和耐腐蚀性能。
实施例结果表明，本实用新型中的电弧离子镀装置设置有两套磁场发生装置，一套置于靶材后面，另一套置于等离子体传输通道外侧，通过两套磁场发生装置产生的耦合磁场辅助对基体表面进行薄膜沉积。本实用新型通过两套耦合的磁场发生装置产生的耦合磁场，可以减少靶材表面大颗粒的发射和薄膜中大颗粒的数量，解决了传统工艺等离子体在传输空间上的不均匀性，提高了等离子体的利用率，增加了薄膜的沉积速率与薄膜厚度均匀性，为制备各种高性能的薄膜提供了有效保障。
Claims (8)
1.一种磁控电弧离子镀复合沉积装置，其特征在于，电弧离子镀沉积装置设有两套磁场发生装置：一套磁场发生装置Ⅰ置于靶材后面，称为弧斑约束磁场发生装置；另一套磁场发生装置Ⅱ置于真空室外的等离子体传输通道外侧，称为等离子体约束磁场发生装置；通过两套磁场发生装置产生的耦合磁场，辅助对基体表面进行薄膜沉积。
2.按照权利要求1所述的磁控电弧离子镀复合沉积装置，其特征在于，放置于靶材后面的磁场发生装置Ⅰ为磁场线圈。
3.按照权利要求1所述的磁控电弧离子镀复合沉积装置，其特征在于，放置于真空室外的磁场发生装置Ⅱ为磁场增强线圈，磁场增强线圈放置于等离子体传输通道外侧的支撑圆筒上，沿圆筒轴向分布。
4.按照权利要求1所述的磁控电弧离子镀复合沉积装置，其特征在于，放置于真空室外的磁场发生装置Ⅱ为梯度磁场增强线圈，该梯度磁场增强线圈由两个或两个以上磁场增强线圈构成，磁场线圈的匝数随着与靶材距离的增加而逐渐减少，磁场增强线圈均放置于圆筒形真空室外，沿圆筒状真空室轴向分布。
5.按照权利要求1、3或4所述的磁控电弧离子镀复合沉积装置，其特征在于，放置于真空室外侧的磁场发生装置产生的磁场极性，与放置于靶材后面的磁场发生装置产生的磁场极性相同。
6.按照权利要求1或2所述的磁控电弧离子镀复合沉积装置，其特征在于，放置于靶材后面的磁场发生装置，与放置于真空室外侧的磁场发生装置的线圈电流大小通过调节电源调节。
7.按照权利要求1所述的磁控电弧离子镀复合沉积装置，其特征在于，电弧离子镀沉积装置包括：真空室、等离子体约束电磁线圈支撑圆筒、等离子体约束电磁线圈、靶材、引弧针、引弧线圈、出水管、进水管、弧斑约束电磁线圈、弧斑约束电磁线圈支撑圆筒、镀镍纯铁、水冷套、脉冲偏压电源、工件、工件台，具体结构如下：
靶材的一端伸至真空室内，靶材的另一端设置水冷套，水冷套连有出水管、进水管，形成靶材的循环水冷结构；真空室内的引弧针一端与靶材相对应，引弧针的另一端与引弧线圈连接；靶材通过靶材电源加电后，采用引弧线圈产生的电磁场吸引引弧针与靶材表面接触，接触瞬间产生的短路电流将弧斑引燃，随后产生连续的弧斑；在靶材后面设置有弧斑约束电磁线圈，并由位于弧斑约束电磁线圈内侧的弧斑约束电磁线圈支撑圆筒支撑，弧斑约束电磁线圈和弧斑约束电磁线圈支撑圆筒中间设置镀镍纯铁，以增强弧斑约束电磁线圈产生的磁场；在等离子体传输通道的真空室外侧设置等离子体约束电磁线圈，并由位于等离子体约束电磁线圈内侧的等离子体约束电磁线圈支撑圆筒支撑，通过等离子体约束电磁线圈产生的磁场对等离子体传输进行约束控制；在真空室中设置工件台，工件固定于工件台上；在工件台上连接脉冲偏压电源，脉冲偏压电源的负极接工件台，其正极接真空室的外壁。
8.按照权利要求1所述的磁控电弧离子镀复合沉积装置，其特征在于，等离子体约束电磁线圈的磁场采用梯度磁场，梯度磁场是指放置于等离子体传输通道上真空室外的磁场发生装置为四个或四个以上电磁线圈，电磁线圈的线径、缠绕密度等参数相同，这些电磁线圈的磁感应强度通过分别调整其电磁线圈电流的大小来实现，且其磁感应强度大小沿着等离子体束流方向逐渐减小，从而构成一个梯度磁场；在等离子体传输通道轴向内部等效位置处，即距离轴向不同位置处产生的磁感应强度随着与靶材距离的变化逐渐减小，而呈梯度变化。
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