一种磁场辅助阴极引弧装置的制作方法

1.本发明涉及一种引弧装置，尤其涉及一种磁场辅助阴极引弧装置。


背景技术：

2.随着科学技术水平的不断提高，对材料表面性能的要求越来越高，材料表面改性技术也随之受到越来越多的关注。
3.作为物理气相沉积技术之一，阴极电弧离子镀技术是结合真空蒸镀技术和溅射镀技术发展而来的一种真空镀膜技术。该技术在1981年进入工业应用阶段。在随后的几十年中，该技术在研究中不断突飞猛进。
4.阴极电弧离子镀技术基于电弧放电原理，在靶材表面局部发生电弧放电，使靶材微区熔化，激发出靶材等离子体，最终运动到基体表面，沉积生长成膜。由于该技术结构相对简单，靶材的离化率高，绕射性能好，制备膜层致密度高，电弧源可以在设备上任意放置，镀膜区域大，因而广泛应用于装饰镀领域以及刀具涂层等机械加工行业。
5.传统的电弧离子镀依然存在着问题，最主要的就是大颗粒污染，当靶材表面连续电弧放电时，形成熔化微区，激发的等离子体中不可避免地含有大颗粒，大颗粒的沉积导致涂层质量下降。在相对粗糙的加工精度下，可以容忍大颗粒的存在，比如简单的冶金学涂层或者工具涂层，但宏观大颗粒的存在使得该技术在高质量薄膜，尤其是纳米级薄膜上的应用严重受限。
6.针对最严重的宏观大颗粒污染问题，研究者们进行了大量的研究工作，利用不同的宏观颗粒过滤器来消除或减少大颗粒的影响，应用最广泛的过滤器是磁过滤装置，配合改变基体偏压波形等手段来解决问题。磁过滤装置原理是通过励磁线圈在管道内形成轴向磁场，在弯转的轴向磁场中运动的等离子体，沿着轴向弯转的磁力线走了一条弯曲的路线，而大液滴由于带电量小、质量大，在磁场中依旧沿直线路径运动，因此在磁过滤器之中被分离出来，打在过滤器内壁上，磁过滤器起了过滤与传输的双重作用。
7.现有的电弧离子镀改进技术依然存在不足，增加了磁过滤装置后，虽然大颗粒污染得到控制，但对等离子体的过滤将导致等离子体密度的降低，尤其是封闭弯管型过滤结构，导致薄膜沉积速率大幅降低，并使得大尺寸工件镀膜均匀性差，影响生产效率。同时加装的封闭式磁过滤腔体，进一步增加了设备的复杂程度，扩大了设备体积，提高了设备的制造成本，在使用过程中，磁过滤管道内不可避免地沉积有颗粒物，需要定期进行维护，提高了设备的维护难度。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种能够制备高质量、没有大颗粒涂层的阴极电弧镀膜装置，基于上述目的，本发明提供了一种磁场辅助阴极引弧装置，该装置能够控制弧斑运动轨迹、减少大颗粒形成。
9.本发明所采取的技术方案为：一种磁场辅助阴极引弧装置，包括
10.引弧电极，包括环形内侧面；
11.引弧针，设置有若干个，若干引弧针均设置在所述引弧电极环形内侧面上；
12.阴极靶，所述阴极靶包括圆台段，所述阴极靶设置在所述引弧电极内侧，且与所述引弧电极间隔设置；所述阴极靶竖直放置，所述圆台段的轴垂直水平方向，所述圆台段包括第一端面和第二端面，所述第一端面面积大于第二端面面积，所述圆台段的第二端面向下；
13.聚焦线圈，聚焦线圈设置在所述引弧电极外围，所述聚焦线圈轴向与所述圆台段轴向平行或同轴；
14.所述引弧针端部与所述阴极靶接触；
15.电源，电连接引弧电极，以向阴极靶提供放电电流。
16.进一步的，所述引弧电极为柱形圆环，所述阴极靶置于环内，所述引弧电极与所述阴极靶的圆台同轴设置。
17.进一步的，若干所述引弧针均匀设置在所述引弧电极内壁上，所述引弧针一端固定连接所述引弧电极，另一端轴向延伸至与所述阴极靶接触。
18.进一步的，所述阴极靶包括柱体段和圆台段，所述柱体段直径与所述圆台段第一端面直径相当，所述引弧针连接所述柱体段外壁。
19.进一步的，所述阴极靶的柱体段为中空结构，中空腔内流通有冷却液体。
20.进一步的，所述引弧电极、阴极靶和引弧针形成组件，所述聚焦线圈在竖直方向的宽度大于所述组件在竖直方向的宽度，所述组件置于所述聚焦线圈环内。
21.进一步的，还包括偏转线圈，偏转线圈用于调控电弧离子偏转路径。
22.进一步的，还包括有安装筒，安装筒与聚焦线圈同轴设置，聚焦线圈设置在安装筒外壁，所述引弧电极、阴极靶和引弧针设置在安装筒内，引弧电极经过限流电阻连接引弧电源的正极，引弧电源负极接安装筒且接地。
23.进一步的，还包括有真空室，待镀膜的基体置于所述真空室内，偏转线圈位于真空室外，在真空室内形成垂直于水平面的均匀分布磁场，阴极靶激发出的等离子体流运动至该磁场时，电子受到洛伦兹力作用作拉莫尔运动发生偏转。
24.进一步的，引弧电极连接有引弧控制器，引弧针由涂有导电层的绝缘材料制成；
25.所述引弧电极与阴极靶之间的放电过程由所述引弧控制器控制；
26.所述电源为直流电源。
27.进一步的，真空室与安装筒连通，真空室与安装筒形成l型腔体，真空室由竖直腔体区和水平腔体区形成，竖直腔体区为以安装筒远离真空室的一端为起点沿安装筒的轴向视角可看到的区域，待镀膜的基体置于l型腔体的水平腔体区内。
28.本发明所产生的有益效果包括：(1) 本发明通过在阴极靶材底部引弧，利用轴向磁场控制引弧斑点移动至靶材前端面产生刻蚀，刻蚀弧斑在轴向磁场作用下在靶材端面快速移动，保证了靶面刻蚀的均匀性，减少了大颗粒的产生。
29.(2) 本发明中，金属靶材与冷却水直接接触，提高了冷却效果，降低靶材放电时的温度，从根源上减少了大颗粒的形成。
30.(3) 本发明利用聚焦线圈和偏转线圈的共同作用，使靶材离化出的等离子体偏转运动至基体表面，而夹杂的大颗粒沿直线运动，难以到达位于靶材视野区域外的基体，避免大颗粒物在涂层中的沉积，实现高质量膜层的制备。
31.(4) 本发明在安装筒内壁设置阻隔条，阻止大颗粒在内壁的反弹飞溅，避免大颗粒运动至基体表面，造成污染。
32.(5) 本发明依据不同基体的尺寸大小和放置位置，调节偏转线圈的电流大小，从而改变偏转磁场的角度，控制离子溅射区域，满足对不同尺寸的基体均匀镀膜的要求。
附图说明
33.图1为阴极靶材示意图。
34.图2为引弧电极机构示意图。
35.图3为偏转线圈工作原理示意图。
36.图4为阴极引弧装置示意图。
37.图5为阴极引弧装置截面示意图。
38.其中包括：1 阴极靶材，101、圆柱段，102、圆台段；2 安装筒；3聚焦线圈；4 真空腔体；5 直流电源；6 引弧控制器；7 引弧电极；8 引弧针； 10 溅射区域；11 基体；12 阻隔条；13 偏转线圈。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
40.如图1
‑
4所示，本发明提出一种能够制备高质量、没有大颗粒涂层的磁场辅助阴极引弧装置，其包括引弧系统、靶材、磁偏转过滤系统以及真空室（真空腔体）。
41.所述引弧系统包括引弧控制器6、引弧电极7，引弧针8。引弧电极7为环状，与阴极同轴，固定在阴极靶材边缘处，两者间有间隙，由涂有导电层的绝缘材料制成的引弧针8连接阴极靶材末端圆柱段101侧面与引弧电极7。
42.所述引弧针的数量设置为4，均匀分布于靶材末端圆柱段101与环形引弧电极7之间。
43.所述引弧针直接连通靶材末端圆柱段101与环形引弧电极7的方式，尖端放电能够产生最大密度的等离子体，保证引弧成功的可靠性。同时主回路放电过程发生于阴极靶材前端面，避免了对引弧部位造成损伤。
44.所述磁偏转过滤系统包括聚焦线圈3、偏转线圈13。聚焦线圈3形成的轴向磁场与靶材侧面形成角度，由于锐角法则，使得引弧针放电处的弧斑移动至靶材前端面，并在靶材前端面上进一步放电，形成刻蚀。偏转线圈13安装在真空室4外，目的在于将磁场进一步偏转，构成等离子体运动区域10。可以根据设计，控制偏转线圈13的电流大小来改变磁场，控制等离子体的扫描范围以获得所需的涂层厚度均匀性。
45.所述阴极电弧靶与电弧源安装筒2同轴安装，位于真空腔体内。
46.所述聚焦线圈3安装在电弧源安装筒2外表面，聚焦线圈3的轴线与电弧源安装筒2的轴线保持水平偏移距离d，d的大小与阴极靶前端面直径大小相当。这一安装方式能提高聚焦磁场对等离子体的聚焦效果。
47.所述聚焦线圈形成垂直于靶材前端面的轴向磁场，起到两个作用，一是控制引弧针放电处的弧斑向靶材前端面运动，二是加快靶材前端面电弧放电时弧斑的随机运动速
度，减少大面积熔池的形成，避免大颗粒产生。
48.所述聚焦线圈3由直流电源（图中未显示）供电，电流大小可根据需要进行调节，以控制靶材表面的磁场强度，实现不同程度的等离子体聚焦。
49.所述偏转线圈13位于真空室外，成对设置，在真空室内形成垂直于水平面的均匀分布磁场，阴极靶材激发出的等离子体流运动至该磁场时，电子受到洛伦兹力作用作拉莫尔运动发生偏转，且偏转半径小，旋转频率高，而离子由于质量大，偏转效果不明显。由于等离子体是电中性或准中性的，在空间电荷力的作用下，离子的拉莫尔运动就无法完全展示出来，而是被电子牵扯着延同样的轨迹运动，形成等离子体运动区域10。
50.所述等离子体运动区域10受偏转线圈13产生的偏转磁场控制，通过改变偏转线圈13的电流大小，可以控制偏转磁场，从而可以改变等离子体流的运动轨迹，保证不同尺寸、不同安装位置的基体镀膜的均匀性。
51.所述阳极为电弧源安装筒2，其与真空腔体4相连接。
52.所述主回路放电电流由直流电源5控制，能够控制阴极靶的刻蚀强度，以及激发的等离子体密度和能量。
53.所述粒子流运动过程中，带电粒子与不带电的大颗粒被磁场分离，大颗粒沿直线运动，而带电粒子更随偏转磁场运动至基体表面，形成高质量薄膜。
54.偏转线圈置于真空室一侧，基体11安装于真空室另一侧，分布于聚焦线圈轴线两侧，基体位于阴极靶材的可见区域外。
55.所述大颗粒运动过程中，安装在阳极筒内壁的阻隔条12能够阻止大颗粒在安装筒侧壁上的反弹溅射，避免其运动到基体表面，保证了涂层表面光滑。
56.所述阻隔条12可以由截面为直角三角形的导线构成。
57.所述阻隔条12长时间工作后，表面不可避免地沉积膜层，可定期拆卸清理，避免对基体表面的膜层造成污染。
58.本发明中的一种磁场辅助阴极引弧装置，其环状引弧电极与阴极靶材同轴安装，阴极靶材包括圆台形状的圆台段102和圆柱段101，圆台段102第一端面直径与圆柱段101直径相当，圆台段102第一端面连接圆柱段101，引弧针固定在引弧电极上，并与靶材末端圆柱段101侧面相接触，利用引弧针的尖端放电，在靶材侧面形成电火花，利用聚焦磁线圈在阴极靶端面的垂直方向上构造出磁场，通过轴向磁场和圆截锥形阴极斜面的夹角来约束和稳定电火花的运动轨迹，使其在磁场控制下移动到阴极靶前端面，在主回路放电电压下形成明显弧斑，对靶材表面进行刻蚀，激发大量靶材离子。圆台段102包括第一端面和第二端面，第一端面置于第二端面上方，第二端面竖直向下。第二端面为前端，圆柱段101为后端。
59.更进一步地，可在靶材前端位置处设置补充磁线圈，通过线圈电流控制器调节线圈电流，从而改变磁场强度，进一步控制弧斑的运动轨迹，使其在靶面前端的圆面上均匀运动。
60.所述消耗阴极靶材前端面直径小于底座直径，底座为空心圆柱，与冷却水路直接连接，冷却效果好，降低了电弧放电时的靶材表面温度，减少了熔池的数量，从根源上避免了大颗粒的产生。
61.所述引弧针由涂有导电层的绝缘材料制成，其电阻可以通过导电层厚度进行控制。
62.所述引弧针的安装位置为圆台型阴极靶材的后端，其连接着引弧电极和阴极靶的后端圆柱侧面。
63.所述引弧电极为圆环型，其与阴极靶材同轴放置，与阴极靶材的圆柱末端厚度相同，两者间留有间隙，相互绝缘，通过引弧针相连。
64.所述引弧电极与阴极靶之间的放电过程由引弧控制器控制。
65.所述引弧控制器主要有两个功能，一是，为引弧电极提供放电能量，并当检测到阴极靶面灭弧时，自动进行引弧放电；二是，在引弧放电的同时，切断磁线圈3的电流，消除阴极靶表面附加磁场，保证引弧放电的可靠性。三，在主回路正常放电时，切断引弧电极电源。
66.所述引弧方式首先在靶材末端圆柱面放电，利用聚焦磁场控制等离子体运动，最终在靶材前端面形成均匀的主回路放电，避免了传统引弧法导致的引弧针与靶材粘接、靶材刻蚀不均匀、形成熔池产生大颗粒的问题。
67.真空电弧的工作由以下过程组成。真空室内达到预定真空后，启动阴极电弧镀膜装置，直流电源5开始为阴极靶材供电。启动起弧单元6，在靶材末端圆柱段101与引弧电极7间的绝引弧针8引发尖端放电使得引弧针8与靶材末端圆柱段101接触位置产生阴极斑点，激发出等离子体。聚焦线圈3开始通电工作（图中未显示电源），在电弧安装筒2内部产生轴向磁场，由于该磁场与靶材侧面形成夹角，从而使引弧针触发的电弧移动至靶材前端面。当靶材前端出现电弧斑，直流电源5施加在阴极靶材和阳极之间的电势才能击穿二者间的气体，引发主回路放电，对阴极靶前端面进行刻蚀，激发出靶材离子，同时在轴向磁场作用下，弧斑运动速度加快，避免了大面积熔池的出现。阴极靶激发的等离子体流在偏转线圈13形成的偏转磁场作用下运动，而大颗粒沿直线运动，获得不含有大颗粒的靶材离子，形成溅射区域10，最终在基体11表面沉积生长成薄膜。
68.本发明中的阴极电弧镀膜装置或镀膜方法能够：
69.(1) 消耗阴极靶材与引弧装置同轴安装，置于真空室内，后端与冷却水直接接触，保证冷却效果。
70.(2) 引弧电极为环状与阴极靶材同轴安装，引弧针安装于阴极靶材后端，在引弧电极与靶材间均匀分布。
71.(3) 聚焦线圈安装在真空室外，其轴线与阴极靶材轴线不重合，水平偏转距离为d，与靶材直径大小相当，聚焦线圈内的电流大小可调节，实现不同程度的聚焦效果。
72.(4) 引弧控制器的作用包括：为引弧过程提供能量；在引弧的同时，切断聚焦线圈的电源，减弱引弧区域磁场强度，保证引弧放电的成功率。
73.(5) 主回路放电发生于阴极靶材前端面，放电过程对引弧装置不造成影响。
74.(6) 偏转线圈安装在真空室外，电流大小可调节，可通过改变电流大小来改变磁场的强度，从而控制对等离子体的偏转效果，保证在不同尺寸大小、放置位置的基体表面制备涂层的均匀性。
75.(7) 偏转过滤功能由聚焦线圈和偏转线圈配合实现，为开放式过滤结构，相比闭合式弯管磁过滤装置，降低等离子体的传输损耗，提高了涂层沉积速率，同时结构更加简单，便于维护，降低设备成本和操作难度。
76.(8) 基体放置在阴极靶材的可见区域以外，设置阻隔条防止大颗粒的反弹飞溅，最大限度地避免了膜层中的大颗粒沉积。
77.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
78.上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。