CN211170860U - 一种复合扫描弧源磁场装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种复合扫描弧源磁场装置，包括靶材、磁场发生装置和控制电源，所述磁场发生装置包括电磁组和永磁组，电磁组和永磁组置于靶材的同一侧，且电磁组、永磁组以及靶材共中轴线，所述控制电源与电磁组相连接，通过设置控制电源输出的电流大小、方向和脉冲频率使得耦合后的磁拱发生偏移，该复合扫描弧源磁场装置，通过电磁组产生的磁场与永磁组产生的磁场互相耦合，达到所需要的磁场强度并使磁场强度产生扫描移动，同时，环套放置的电磁组和永磁组能够获得不同的磁场强度和磁场位形，复合磁场装置的结构更为精简，磁场控制方便，复合磁场有效提高了靶材利用率，减少了液滴的产生。

Description

一种复合扫描弧源磁场装置

技术领域

本实用新型涉及涂层制备装置领域，具体为一种复合扫描弧源磁场装置。

背景技术

电弧离子镀技术广泛应用于模具的表面镀膜处理，其具备的优点有:离化率高、粒子沉积能量高，从而获得高硬度、高结合力的膜层及优秀的沉积效率。虽然优点众多，但却有一桎梏限制其应用拓展：膜层有大颗粒,表面粗糙。该技术是通过热-场致电子发射在靶面形成弧斑，喷射出电子、离子及液态原子团飞向工件表面沉积成膜，其中喷射出的液态原子团沉积到工件表面冷却后成为大颗粒嵌入涂层，影响涂层的稳定性。

大量研究证明加快弧斑运动速度能显着减少液滴产生，靶面弧斑的宏观运动方向及快慢受平行于靶面的磁场分量影响，即磁场横向分量。弧斑的运动规律遵从：(1)锐角法则：弧斑朝磁力线与靶面的锐角夹角方向漂移，如图1所示；(2)反安培力运动：弧斑沿安培力相反的方向运动，运动速度随磁场强度的横向分量增大而加快，如图2所示。

根据上述法则，磁拱顶部的磁场强度横向分量最大，磁场对应的弧斑在靶面运动速度最快，而且从锐角法则可知靶面生成的弧斑会漂移汇聚到磁拱顶部对应的靶面区域。相比不加磁场的弧源，这种在磁拱下运动的弧斑速度要更快，自然液滴相对更少，但汇集在一处运动的弧斑也造成了该部处靶材严重烧蚀，而其他区域则烧蚀程度要轻很多，久而久之会导致靶面出现V型槽，靶材利用率低。

由于静态的磁场导致靶材刻蚀的不均匀、靶材利用率低下，人们想到通过动态磁场来提高靶材利用率。动态磁场可以通过以下两种方式实现，分别为Ramalingam在专利WO8503954和US4,673,477中提出的依靠永磁体在靶材背面的机械运动来改变磁场在靶面得分布，其结构复杂难以推广，以及专利号为200820010151.5的专利申请通过改变供给电流来改变电磁体产生的磁场，其中两组磁场发生装置均为电磁线圈，两组动态的磁场难以有效控制靶材表面弧斑的运动。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种复合扫描弧源磁场装置，通过设置环套放置的电磁组和永磁组能够获得不同的磁场强度和磁场位形，其复合磁源装置的结构更为精简，弧斑控制更为方便，有效提高了靶材的利用率，减少熔池液滴的产生。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种复合扫描弧源磁场装置，包括磁场发生装置和控制电源，磁场发生装置包括电磁组和永磁组，电磁组和永磁组用于置于靶材的同一侧，且电磁组与永磁组共中轴线，使得电磁组产生的磁场与永磁组产生的磁场互相耦合，控制电源与电磁组相连接，控制电源用于控制输出电流大小、方向和脉冲频率，使得耦合后的磁拱发生偏移。

优选的，所述电磁组包括导磁条和电磁线圈，导磁条设置在相邻的电磁线圈之间，且电磁线圈和导磁条呈环形。

优选的，所述永磁组包括中心永磁组和外侧永磁组，中心永磁组设置在环套放置的电磁组内，外侧永磁组设置在电磁组外侧，所述永磁组和电磁组共平面，且外侧永磁组与电磁组共中轴线。

优选的，所述电磁线圈、导磁条以及导磁条外的外侧永磁组呈环套放置。

优选的，所述中心永磁组沿直线放置，中心永磁组包括条形永磁和曲型永磁，曲型永磁设置在条形永磁的两端。

优选的，所述电磁组的数量为两组，分别为第一电磁组和第二电磁组，第一电磁组设置在第二电磁组的外侧，第一电磁组和第二电磁组同轴环套安置。

优选的，所述中心永磁组和外侧永磁组包括若干柱形永磁，该若干柱形永磁排列成一环形。

优选的，所述柱形永磁轴线方向与电磁线圈主平面垂直安置，在柱形永磁的一端安装有导磁板。

优选的，所述中心永磁组和外侧永磁组的磁极性相反。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型涉及了一种复合扫描弧源磁场装置，该复合扫描弧源磁场装置包括电磁组和永磁组，电磁组包括导磁条和电磁线圈，导磁条设置在相邻的电磁线圈之间，电磁组、永磁组及其上方的靶材同轴安置，且电磁组和永磁组设置在靶材的同一侧，电磁线圈、导磁条以及导磁条外的外侧永磁组呈圆形、矩形或跑道型环套放置，有效解决了现有的磁场发生装置结构复杂的技术问题；同时，电磁组产生的磁场能够随着控制电源产生电流大小、波形以及频率发生改变，产生变化的磁场，与永磁组耦合后磁拱顶部的位置随之发生变化，引起弧斑运动轨迹变动，均匀地灼烧靶面，解决熔池液滴增多的技术问题，且单一变化的电磁组的操纵更为简单，有效优化了复合扫描磁场的控制问题，进一步可以控制靶材表面的弧斑，显着提高靶材利用率。

附图说明

图1是弧斑反安培力运动示意图；

图2是弧斑按锐角法则漂移运动示意图；

图3是矩形复合扫描弧源磁场截面示意图；

图4是矩形复合扫描弧源磁场装置示意图；

图5是圆形复合扫描磁场装置示意图；

图6是实验例1的C1电流参数获得的靶面磁力线仿真图；

图7是实验例1的C2电流参数获得的靶面磁力线仿真图；

图8是实验例1的C3电流参数获得的靶面磁力线仿真图；

图9是实验例1的扫描磁场下的靶材刻蚀示意图；

图10是实验例2的C1电流参数获得的靶面磁力线仿真图；

图11是实验例2的C3电流参数获得的靶面磁力线仿真图；

图12是实验例2描磁场下的靶材刻蚀示意图。

图中：1靶材；2磁场发生装置；21电磁组；21a第一电磁组；21b第二电磁组；211导磁条；212电磁线圈；22永磁组；221中心永磁组；221a条形永磁；221b曲型永磁；222外侧永磁组；223柱形永磁；224导磁板；3控制电源。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图3-4，在该实施例中，复合扫描弧源磁场装置包磁场发生装置2和控制电源3。磁场发生装置2包括电磁组21和永磁组22，电磁组21和永磁组22置于靶材1的同一侧，且使电磁组21与永磁组22共中轴线，使得电磁组21产生的磁场与永磁组22产生的磁场互相耦合。控制电源3与电磁组21相连接。电磁组21包括导磁条211和电磁线圈212，导磁条211设置在相邻的电磁线圈212之间，且电磁线圈212将导磁条211环套于其内。永磁组22包括中心永磁组221和外侧永磁组222。中心永磁组221和外侧永磁组222的极性相反。电磁组21将中心永磁组221环套于其内。中心永磁组沿直线放置，中心永磁组包括条形永磁和曲型永磁。曲型永磁设置在条形永磁的两端。外侧永磁组222设置在电磁组21外侧。永磁组22和电磁组21共平面，且外侧永磁组222与电磁组21共中轴线。这种永磁组22和电磁组21环套的设置能够有效节约空间利用率，使得其结构设计更为简洁。

本实施例中的靶材1的形状为矩形或跑道型。为了实现靶材1的均匀烧蚀，电磁线圈212、导磁条211以及导磁条211外的外侧永磁组222呈矩形或跑道型环套放置。通过设置控制电源3输出电流大小、方向和脉冲频率使得耦合后的磁拱发生偏移，使得复合磁场达到所需的磁场强度，并使磁场的位置产生扫描移动，以控制弧斑运动的速度和区域，从而能够减少液滴以及提高靶材的利用率。

需要说明的是在该实施例中电磁组21的数量为两组，分别为第一电磁组21a和第二电磁组21b，而在具体的实施例中并不仅限于两组，可以根据实际的磁场需要增加或者减少电磁组21的数目。同时，导磁条211外侧缠绕的电磁线圈212的匝数也可以根据实际的磁场大小进行设置，在电磁组21和永磁组22相互复合调控磁场的过程中，可通过调控电磁组21来调控耦合磁场，其调控过程更为简单快捷。

对于圆形靶材，为了实现其靶面得充分均匀烧蚀，复合磁源装置也可设计成圆形，具体可参见图5。其中，永磁组22的形状不仅仅限制于条形永磁、曲型永磁和外侧环形永磁，也可以是柱形永磁，且柱形永磁的磁极根据实际的磁场所需方向进行设置。

在图5所示施例中，电磁线圈212、导磁条211以及导磁条211外的外侧永磁组222呈圆形环套放置。中心永磁组221和外侧永磁组222为柱形永磁223，柱形永磁223相互连接或间隔一定距离安置。柱形永磁223与电磁线圈212垂直安置，该复合扫描弧源磁场装置能够适用于圆形靶材1，其结构更为简单，在实际组装生产过程中，能够根据产品大小设计合理的复合扫描弧源磁场装置，在柱形永磁223的一端安装有导磁板224，能够有效增强磁场，其具体复合磁场控制原理同上一实施例中的单一的电磁组21的控制过程。

实验例1：为了进一步验证其靶面的磁场变化规律，按照表1的电流参数表进行线圈输入的设置：

表1

电磁组

其具体操作过程包括以下：线圈按组合C1通电，则第一电磁组21a工作，其产生的磁极方向与外侧永磁组222相同，此时相当于加强了外侧永磁的强度，则磁拱发生形变，顶部往靶材1中心偏移，如图6示。弧斑的运动轨迹此时也随拱顶位置而向靶材中心偏移。在C1电流下工作0.2s以后，进入C2电流。

进入C2电流，电磁组21不工作，磁拱回复最初状态，弧斑运动轨迹也回到初始位置，如图7示。在C2电流下工作0.2s以后，进入C3电流。

线圈按组合C3通电，第二电磁组21b工作，其产生的磁极方向与中心永磁组221相同，此时相当于加强了中心永磁的强度，磁拱发生形变，顶部往靶材1外侧偏移，如图8示。弧斑的运动轨迹此时也随拱顶位置而向靶材1外侧偏移。在C3电流下工作0.2s以后，进入C2电流，而后再进入C1，如此往复，弧斑运动区域增加，对靶材1的烧蚀面积也增加，如图9示，且随线圈电流数值增加，偏移范围越大，靶材利用率越高。而镀膜时弧斑运动轨迹不会固定汇聚在一处，因此不会出现靶面热量集中的情况，有利于减少电弧液滴。

实验例2：为了获得更大的磁拱顶部扫描范围，进一步采用了与上述不同的电流输出参数，如表2所示的电流参数进行线圈输入设置，则靶面的磁场变化规律：

表2

电磁组

首先线圈按组合C1通电，第一电磁组21a和第二电磁组21b同时工作，其产生的磁极方向与外侧永磁组222相同，相比实验例1的操作过程，此时磁拱发生的形变更显着，磁拱顶部往靶材1中心偏移的距离更大，如图10所示。弧斑的运动轨迹此时也随拱顶位置而向靶材1中心偏移。在C1电流下工作0.2s以后，进入C2电流。

C2电流参数与实验例1相同，电磁组21不工作，磁拱回复最初状态，弧斑运动轨迹也回到初始位置，如图7所示。在C2电流下工作0.2s以后，进入C3电流。

线圈按组合C3通电，第一电磁组21a和第二电磁组21b同时工作，但电流方向与C1相反，两个电磁组产生的磁极方向都与中心永磁组221相同，磁拱顶部往靶材1外侧偏移，如图11所示。弧斑的运动轨迹此时也随拱顶位置而向靶材1外侧偏移。在C3电流下工作0.2s以后，进入C2电流，而后再进入C1，如此往复，弧斑运动区域增加，对靶材的烧蚀面积也增加，如图12所示，相比

实验例1，在相同线圈电流下，靶材的消耗更加均匀。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种复合扫描弧源磁场装置，包括磁场发生装置(2)和控制电源(3)，其特征在于：所述磁场发生装置(2)包括电磁组(21)和永磁组(22)，电磁组(21)和永磁组(22)设置于靶材(1)的同一侧，且电磁组(21)与永磁组(22)共中轴线，使得电磁组(21)产生的磁场与永磁组(22)产生的磁场互相耦合，所述控制电源(3)与电磁组(21)相连接，控制电源(3)用于控制输出电流大小、方向和脉冲频率，使得耦合后的磁拱发生偏移。

2.根据权利要求1所述的复合扫描弧源磁场装置，其特征在于：所述电磁组(21)包括导磁条(211)和电磁线圈(212)，导磁条(211)设置在相邻的电磁线圈(212)之间，且电磁线圈(212)和导磁条(211)呈环形。

3.根据权利要求2所述的复合扫描弧源磁场装置，其特征在于：所述永磁组(22)包括中心永磁组(221)和外侧永磁组(222)，中心永磁组(221)设置在环套放置的电磁组(21)内，外侧永磁组(222)设置在电磁组(21)外侧，所述永磁组(22)和电磁组(21)共平面，且外侧永磁组(222)与电磁组(21)共中轴线。

4.根据权利要求3所述的复合扫描弧源磁场装置，其特征在于：所述电磁线圈(212)、导磁条(211)以及导磁条(211)外的外侧永磁组(222)呈环套放置。

5.根据权利要求3或4所述的复合扫描弧源磁场装置，其特征在于：所述中心永磁组(221)沿直线放置，中心永磁组(221)包括条形永磁(221a)和曲型永磁(221b)，曲型永磁(221b)设置在条形永磁(221a)的两端。

6.根据权利要求5所述的复合扫描弧源磁场装置，其特征在于：所述电磁组(21)的数量为两组，分别为第一电磁组(21a) 和第二电磁组(21b)，第一电磁组(21a)设置在第二电磁组(21b)的外侧，第一电磁组(21a)和第二电磁组(21b)同轴环套安置。

7.根据权利要求3或4所述的复合扫描弧源磁场装置，其特征在于：所述中心永磁组(221)和外侧永磁组(222)包括若干柱形永磁(223)，该若干柱形永磁(223)排列成一环形。

8.根据权利要求7所述的复合扫描弧源磁场装置，其特征在于：所述柱形永磁(223)轴线方向与电磁线圈(212)主平面垂直安置，在柱形永磁(223)的一端安装有导磁板(224)。

9.根据权利要求3所述的复合扫描弧源磁场装置，其特征在于：所述中心永磁组(221)和外侧永磁组(222)的磁极性相反。

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