一种快速等离子体镀膜方法及装置与流程

本发明属于真空电镀技术领域，具体涉及一种快速等离子体镀膜方法及装置。

背景技术：

真空电弧镀膜(vac)技术，作为物理气相沉积技术的一个重要分支，近年来得到了迅速发展和广泛应用。自本世纪60年代一出现，vac就以其沉积速率高，膜层附着力强，易于制备较难获得的合金以及工艺简单、无公害等特点，展现出了强大的生命力并得到了较快的发展。vac技术利用的是阴极电弧放电，以阴极作为靶源电极，阳极作为辅助电极，这种结构可以带来很多优点，如高离化率、高能量、高生产效率的“三高”特性，但同时也带来了一些问题。其中，最显著的就是原理上的缺陷带来的宏观颗粒污染问题。

传统真空电弧中，阴极弧源在发射大量电子以及金属蒸汽的同时，由于局部区域的过热而伴随着一些熔化的金属颗粒的金属液滴的喷射。液滴直径一般在10μm左右，大大超过了离子的直径，称其为宏观颗粒(macroparticles或简称mp)。当mp随着等离子体流一起到达被镀工件表面时，将对镀层性能产生一系列负面影响，使镀层表面粗糙度增加，附着力下降并出现剥落现象，均匀性大幅度降低。

对于mp抑制技术的研究是从以下两个方面着手的。一是抑制宏观颗粒的发射，力图消除污染源，如外加横向磁场控制阴极斑点的运动、采用易散热阴极来降低表面局部区域的严重过热、采用脉冲电弧放电抑制阴极斑点寿命等措施；二是控制液滴运动而实现过滤，如施加纵向磁场以改变液滴发射角、设计宏观颗粒过滤器将其总等离子体流中过滤掉等措施。但这些措施都不能从原理上克服vac技术的缺陷，且镀膜速度仅仅只能达到1～100μm/min。

目前，现有技术中采用阳极作为镀膜源电极的方法，解决宏观颗粒污染的问题，例如，期刊《真空与低温》第3卷第4期的一篇名称为《阳极真空电弧镀膜方法及其应用》提出了阳极为镀膜源电极、阴极为维持放电电极的方法，该方法克服了阴极作为镀膜源电极的缺陷的同时，又存在不能长时间镀膜，镀膜效率低且镀膜速度慢的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种快速等离子体镀膜方法及装置，用于解决现有采用阳极作为镀膜源电极产生的镀膜速度慢的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种快速等离子体镀膜装置，包括真空室，及装配在真空室内的阴极和阳极，所述真空室的外部设置有导电线圈，该导电线圈用于在所述阴极和所述阳极之间，产生能将真空电弧的能量集中在所述阳极上的纵向磁场。

所述阳极上设有用于放置镀膜对象的载物装置，所述载物装置环绕所述阳极布置。

所述导电线圈为单匝或多匝的单绕向导线。

所述真空室包括绝缘外壳，绝缘外壳的一侧固定安装有阴极导电杆，阴极导电杆的第一端口沿所述绝缘外壳的一侧的外部延伸，阴极导电杆的第二端口连接所述阴极；所述绝缘外壳的另一侧固定安装有阳极导电杆，阳极导电杆的第一端口沿所述绝缘外壳的另一侧的外部延伸，阳极导电杆的第二端口连接所述阳极。

所述阴极导电杆的第一端口用于连接直流电源的阴极，所述阳极导电杆的第一端口用于连接所述直流电源的阳极。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种快速等离子体镀膜方法，利用电弧放电使阳极的材料蒸发，在载物装置上的镀膜对象进行成膜，包括如下步骤：

在用于镀膜的真空室的外部设置导电线圈，控制导电线圈在所述阳极和阴极之间产生的纵向磁场，使所述电弧的能量集中到阳极，将阳极的材料蒸发。

控制导电线圈产生纵向磁场的时刻，早于阳极和阴极间的起弧时刻。

根据所述阳极和阴极之间通电的直流电流值和导通时间，控制所述阳极的材料蒸发的时间。

所述阳极上设有用于放置镀膜对象的载物装置，所述载物装置为环绕所述阳极布置。

所述导电线圈为单匝或多匝的单绕向导线。

所述真空室包括绝缘外壳，绝缘外壳的一侧固定安装有阴极导电杆，阴极导电杆的第一端口沿所述绝缘外壳的一侧的外部延伸，阴极导电杆的第二端口连接所述阴极；所述绝缘外壳的另一侧固定安装有阳极导电杆，阳极导电杆的第一端口沿所述绝缘外壳的另一侧的外部延伸，阳极导电杆的第二端口连接所述阳极。

所述阴极导电杆的第一端口用于连接直流电源的阴极，所述阳极导电杆的第一端口用于连接所述直流电源的阳极。

本发明的有益效果是：通过在真空室的外部设置导电线圈，利用导电线圈产生的纵向磁场，将真空电弧的能量集中在阳极上，使阳极的材料蒸发，保证镀膜对象的快速镀膜。本发明不仅避免了阴极产生大微粒对膜质量造成的影响，且通过导电线圈产生纵向磁场的作用，可控制电弧能量集中注入于阳极，加速阳极触头的熔化，能使镀膜对象快速成膜。

附图说明

图1是本发明快速等离子体镀膜装置的真空室剖面示意图；

图2是电子e在纵向磁场bamf作用下的运动示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示的快速等离子镀膜装置，包括真空室，及装配在真空室内的阴极和阳极。其中，真空室包括绝缘外壳1、阴极侧端盖2和阳极侧端盖3构成密闭空间，密闭空间内部呈真空度10^-3pa及以上的真空状态。阴极导电杆4穿过并固定在阴极侧端盖2上，阴极导电杆4的第一端口在密闭空间外，沿阴极侧端盖2的外部延伸，用于连接直流电源的阴极；阴极导电杆4的第二端口设在密闭空间内，连接盘状阴极6。阳极导电杆5穿过并固定在阳极侧端盖3上，阳极导电杆5的第一端口在密闭空间外、沿阳极侧端盖3的外部延伸，用于连接上述直流电源的阳极，阳极导电杆5的第二端口设在密闭空间内、连接阳极触头7，盘状阴极6和阳极触头7之间构成了断口。并且，阳极上固定安装有用于放置镀膜对象的载物装置8，载物装置8环绕阳极导电杆5并靠近阳极触头7布置，载物装置8距离阳极触头7的轴向距离为大于或等于1mm，阳极触头7的形状可为立方体、半球体、椭球体、椎体或圆柱体。

图1中，真空室的外部设置有导电线圈9，为单匝或多匝的单绕向导线。该导电线圈用于在盘状阴极6和阳极触头7之间，产生能将在阳极触头7和盘状阴极6在断口中产生的真空电弧的能量集中在阳极触头7上的纵向磁场，进而产生镀膜所需的金属蒸汽。

该纵向磁场为导电线圈9采用螺线管线圈方式缠绕绝缘外壳1产生的纵向磁场，纵向磁场方向平行于电弧，为阴极指向阳极或阳极指向阴极。导电线圈9流通稳定的直流电流后会在绝缘外壳1中心产生沿绝缘外壳1轴线方向的磁场，由于绝缘外壳1轴向方向与盘状阴极6和阳极触头7连线产生电弧的的轴向方向平行，因此，产生的磁场为纵向磁场。

应用该装置，本发明的快速等离子镀膜方法包括如下步骤：

在燃弧开始后，控制外围第一直流电源提供直流电流，通过线圈9产生有效控制真空电弧的纵向磁场，线圈9通电产生纵向磁场时刻早于盘状阴极6和阳极触头7起弧时刻；控制外围第二直流电源为阴极导电杆4和阳极导电杆5提供直流电流，阴极导电杆4连接直流电源阴极，阳极导电杆5连接直流电源阳极，将阳极触头7的电极材料蒸发，快速镀到在载物装置8的镀膜对象上，这将有效避免宏观颗粒污染问题。

通过控制第二直流电源产生的直流电流值和导通时间，控制到达阳极触头7的电流密度，从而达到控制阳极触头7的熔化时间，进而控制镀膜速率，获得所需的镀膜厚度及镀膜质量。

为了达到对真空电弧的有效控制的效果，本发明根据产生真空电弧的电流，对导电线圈的匝数进行相应设置。本发明的盘状阴极和阳极触头为同种材料：单质或合金，也可根据需要设置为不同种材料。

本发明采用导电线圈产生纵向磁场，控制触头间真空电弧的形态，通过设置阳极作为靶源电极，及纵向磁场的双重作用即可达到集中电弧能量主要注入于阳极触头，造成阳极触头的熔化，从而在阳极表面产生高密度等离子体，而腔体的真空环境导致镀膜对象的等离子体密度非常低，由于在熔融状态阳极和镀膜对象间存在等离子体密度梯度，从而在两者之间产生等离子体压力，在等离子体压力作用下将阳极触头材料镀膜到镀膜对象上。另外，由于本发明进行的镀膜时间受阳极靶源长度的影响，因此本发明根据阳极靶源长度的适当设置，达到连续的长时间镀膜效果。

为了加速镀膜对象的镀膜速度，通过载物装置的位置布置、纵向磁场的有效控制，及直流电弧的电流值参数设置，保证阳极的熔通状态，再通过等离子体压力使熔融的阳极材料高速镀膜到载体上，采用该方法后实测金属镀膜速率至少可以达到230.77μm/min，为目前vac镀膜最高速率的2-3倍。

本发明的纵向磁场对真空电弧的控制作用主要体现在对弧柱和阴极斑点两个方面。纵向磁场对真空电弧的控制作用实质上是纵向磁场对等离子体的约束效应。当电极间存在纵向磁场时，电子会沿着纵向磁场的磁力线作螺旋运动，而电子又会吸引正离子，从而弧柱等离子体被限制在触头间隙之内，如图2所示。因此，纵向磁场可以抑制极间带电粒子偏移磁力线的运动，对电弧等离子体中带电粒子的运动产生约束效应，通常这种作用被称作“校准效应”，校准效应一方面可以减小等离子体的径向损失，另一方面还可以抑制等离子体的收缩。电弧的收缩现象是由电弧自生的环向磁场引起的，而纵向磁场的应用能够有效的抑制电弧等离子体向电极中心的收缩，减小阳极的能流密度，使真空电弧在电极表面分布更均匀。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。