一种离子镀弧斑控制装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及离子镀弧斑控制装置及控制方法，控制装置包括：靶以及设置于靶前后两侧的极性相反的电磁场模块和永磁场模块，电磁场模块包括电磁线圈和控制模块，电磁线圈根据控制模块输入的控制参数的不同而改变电磁场的强度和方向。本发明专利技术的弧斑控制方法采用可编程逻辑控制器对输入到电磁线圈的扫描电压范围、扫描波形以及扫描频率进行设置，可使弧斑以靶中心为圆心做直径扩大或缩小的环形运动，可全面、均匀、精确地刻蚀靶材。通过设置极性相反的电磁场和永磁场，磁场耦合后靶面上的轴向磁场分量相互削弱，径向磁场分量相互叠加，可减小弧斑随机运动趋势，而且还会增加弧斑圆周运动的速度，使弧斑运动更加稳定，减少大颗粒的存在。

Ion plating arc spot control device and control method

The present invention relates to ion plating arc control device and control method, control device includes: a target and target set in the front and rear sides of the opposite polarity magnetic field and electromagnetic field module module, electromagnetic field module comprises an electromagnetic coil and a control module, an electromagnetic coil and change the intensity and direction of the electromagnetic control parameter according to the different input control module. The invention of the arc spot control method using programmable logic controller to input to the electromagnetic coil scanning voltage range, scanning waveform and scanning frequency are set, the arc spot to target center for circular movement of the center of the diameter to expand or shrink, can be fully and evenly and accurately etching target. Through the electromagnetic field and a permanent magnetic field set opposite polarity magnetic field coupling, the axial component of the magnetic field on the target surface are weakened, the radial magnetic field components are superimposed on each other, can reduce the arc spot random movement trend, but also increase the arc spot of circular motion speed, the arc spot movement is more stable, reduce the existence of large particles.

【技术实现步骤摘要】
一种离子镀弧斑控制装置及控制方法
本专利技术涉及电弧离子镀技术，尤其涉及一种离子镀弧斑控制装置及控制方法。
技术介绍
电弧离子镀作为一种真空镀膜技术，已经在工、模具表面涂层强化、抗腐蚀及装饰领域得到了广泛的应用。这种技术依靠在真空镀膜室中阴极靶材表面上产生的电弧斑点的局部高温，使作为靶材的阴极材料瞬时蒸发和离化，产生电离度高而且离子能量大的等离子体，在工件上加上负电位，即可在工件加热温度比较低的条件下，在工件表面镀上一层硬度高、组织致密而且结合性好的各种硬质薄膜。真空电弧的行为被阴极表面许多快速移动的弧斑所控制，弧斑尺寸很小，但电流密度很高，是电子、离子、金属原子、蒸汽的强烈发射源，其喷发出的金属液滴沉积在工件表面形成大颗粒污染，严重影响涂层的寿命和使用性能。为了解决这一问题，研究人员提出了通过外加磁场来加速弧斑运动，减少弧斑停留时间，从而减少大颗粒的发射。基于此种考虑，不同开发人员提出了不同的磁场结构及弧斑控制方法。专利CN89200444.4公开了一种等离子体加速器法离子镀膜装置。该专利用圆柱状永久磁铁在靶面施加磁场，以此加速弧斑运动。但是，在这种静态磁场下弧斑将被约束在一个固定的轨迹上，长时间刻蚀会在靶面上刻蚀出一个深坑，靶材利用率低，而且弧斑长时间刻蚀，轨迹处温度积累严重，也会发射出大量的金属液滴。专利CN90100946.6公开了一种采用电磁控阴极电弧源的镀渗设备。该专利通过改变电磁线圈的排布方式，在放电过程中改变电磁线圈中的电流大小和方向，使阴极电弧沿全靶面均匀放电、阴极电弧弧斑由小圈到大圈周期变化。该专利可以提高靶材的利用率，但有两点不足：首先该专利采用多线圈控制弧斑，这种方法复杂繁琐，成本较高；其次，该专利只是通过改变线圈电流大小和方向控制弧斑运动，控制手段比较单一、粗糙。专利CN200710090254.7公开了一种圆形阴极表面弧斑受程控复合磁场控制的蒸发离化源。该专利按设定程序调整电磁场，电磁场和永久磁场叠加成程控复合磁场，以此来控制弧斑在圆形阴极表面以靶面中心为轴心做直径不断扩大或收缩的环状运动。但是，在该专利对其磁场结构的描述中永磁与电磁均在靶面之后，且两者极性一致叠加或相反叠加，这样会造成两者产生磁场的径向分量和轴向分量就会相互叠加或相互削弱。如果磁场相互叠加，那么会造成靶面上的轴向磁场过大，而轴向磁场过大会造成弧斑运动随机性增加而变得不稳定；如果磁场相互削弱，那么会造成靶面上的径向分量过小，弧斑的周向运动速度会被削弱，弧斑的稳定性同样被削弱；其次，该专利所说的按程序控制，主要针对的是线圈电流和改变周期，这种控制依旧比较单一、粗糙，比如波形对弧斑运动的影响，针对不同的靶材、不同的气体，控制参数应该相应的变化，这些在该专利中没有表述。
技术实现思路
本专利技术实施例提出一种离子镀弧斑控制装置及控制方法，以解决现有技术中存在的靶材刻蚀不均匀、靶材利用率低以及镀得膜层存在大颗粒污染的问题。本专利技术提供一种离子镀弧斑控制装置，所述离子镀弧斑控制装置包括：靶以及分别设置于所述靶前后两侧的电磁场模块和永磁场模块，所述电磁场模块的极性和永磁场模块的极性相反，所述电磁场模块由电磁线圈和控制模块组成，电磁线圈根据控制模块输入的控制参数的不同而改变电磁场的强度和方向，以实现对弧斑运动轨迹的控制。在本专利技术的离子镀弧斑控制装置中，所述电磁场模块和永磁场模块以圆形靶轴心线为轴成轴对称形式设置。在本专利技术的离子镀弧斑控制装置中，所述控制参数包括扫描电压范围、扫描波形以及扫描频率。在本专利技术的离子镀弧斑控制装置中，所述永磁场模块包括多个磁钢、磁钢支架以及极靴；通过调整磁钢的数量、矫顽力、形状、放置方式、极靴位置和形状来改变永磁场的强度和方向。在本专利技术的离子镀弧斑控制装置中，所述控制模块为可编程逻辑控制器。本专利技术还提供了一种离子镀弧斑控制方法，包括：在靶前后两侧设置极性相反的电磁场模块和永磁场模块，电磁场模块包括电磁线圈和控制模块，调整控制模块输入的控制参数以改变电磁场的强度和方向，进而实现对弧斑运动轨迹的控制。在本专利技术的离子镀弧斑控制方法中，以圆形靶轴心线为轴，使电磁场模块和永磁场模块成轴对称形式设置。在本专利技术的离子镀弧斑控制方法中，所述调整控制模块输入的控制参数具体为：调整扫描电压范围、扫描波形以及扫描频率。在本专利技术的离子镀弧斑控制方法中，通过设置多个磁钢、磁钢支架以及极靴组成永磁场模块；调整磁钢的数量、矫顽力、形状、放置方式、极靴位置和形状以改变永磁场的强度和方向。在本专利技术的离子镀弧斑控制方法中，所述控制模块采用可编程逻辑控制器。上述技术方案至少具有如下有益效果：本专利技术离子镀弧斑控制方法根据永久磁场结构、靶的材料、气体种类、具体用途，采用可编程逻辑控制对输入到电磁线圈的扫描电压范围、扫描波形以及扫描频率进行设置。可实现控制弧斑在靶面上以靶中心为圆心做直径扩大或缩小的环形运动，快速、均匀、精确、全面地刻蚀靶材。通过设置极性相反的电磁场和永磁场，磁场耦合后使两磁场模块在靶面上的轴向磁场分量相互削弱，径向磁场分量相互叠加，这样不但会减小弧斑随机运动趋势，而且还会增加弧斑圆周运动的速度，使弧斑运动更加稳定，减少大颗粒的存在。采用本专利技术的控制装置和控制方法，控制弧斑非常简便、精确，成本较低，弧斑运动速度快，电弧放电稳定，可以大量减少大颗粒污染；另外，本专利技术的电磁线圈产生的磁场还可以起到磁过滤作用，有利于减少金属液滴沉积到工件上。附图说明图1本专利技术的控制装置的磁场结构示意图；图2实施例1中靶面处耦和磁场磁感线分布示意图；图3a不同线圈电压下靶面水平磁场强度分布折线图；图3b不同线圈电压下靶面垂直磁场强度分布折线图；图4不同线圈电压下弧斑运动轨迹图；图5高速相机拍摄后用matlab处理的扫描弧斑轨迹图；图6经本专利技术控制方法镀得TiN膜层1000倍和10000倍下扫描电镜形貌图；图7未经本专利技术控制方法镀得TiN膜层1000倍和10000倍下扫描电镜形貌图；图8经本专利技术控制方法镀膜表面的大颗粒尺寸、数量分布柱状图；图9未经本专利技术控制方法镀膜表面的大颗粒尺寸、数量分布柱状图；图10AlCr靶材修复前3D激光显微镜拍摄的深坑处深度变化图；图11AlCr靶材修复后3D激光显微镜拍摄的深坑处深度变化图。具体实施方式本专利技术提供了一种离子镀弧斑控制装置，包括靶5、电磁场模块和永磁场模块。电磁场模块和永磁场模块分别设置在靶5前后两侧，且极性相反即极性为S-N-N-S或N-S-S-N。电磁场模块和永磁场模块以圆形靶5的轴心线为轴成轴对称形式设置。如图1所示，电磁场模块包括电磁线圈6、线圈电源7以及控制模块8。电磁线圈6根据控制模块8输入的控制参数的不同而改变电磁场的强度和方向，从而调整耦合磁场的强度和方向，以实现对弧斑运动轨迹的控制。永磁场模块包括至少一个磁钢、磁钢支架2以及极靴1。磁钢布置在磁钢支架2中，并与磁钢支架2一起放置于水冷内套3和水冷外套4之后。通过调整磁钢的数量、矫顽力、形状、放置方式，调整极靴1位置和形状可实现改变永磁场的强度和方向。上述永磁场模块结构方案至少有如下有益效果：在不同弧源结构中应用本专利技术时，可以通过改变永磁模块的结构来减少电磁场模块的输入电压或电流，从而降低对电磁线圈输入电源性能的需求，达到降低成本的目的。采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子镀弧斑控制装置，其特征在于，所述离子镀弧斑控制装置包括：靶以及分别设置于所述靶前后两侧的电磁场模块和永磁场模块，所述电磁场模块的极性和永磁场模块的极性相反，所述电磁场模块包括电磁线圈和控制模块，电磁线圈根据控制模块输入的控制参数的不同而改变电磁场的强度和方向，以实现对弧斑运动轨迹的控制。

【技术特征摘要】
1.一种离子镀弧斑控制装置，其特征在于，所述离子镀弧斑控制装置包括：靶以及分别设置于所述靶前后两侧的电磁场模块和永磁场模块，所述电磁场模块的极性和永磁场模块的极性相反，所述电磁场模块包括电磁线圈和控制模块，电磁线圈根据控制模块输入的控制参数的不同而改变电磁场的强度和方向，以实现对弧斑运动轨迹的控制。2.如权利要求1所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于，所述电磁场模块和永磁场模块以圆形靶轴心线为轴成轴对称形式设置。3.如权利要求1所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于，所述控制参数包括扫描电压范围、扫描波形以及扫描频率。4.如权利要求1所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于，所述永磁场模块包括多个磁钢、磁钢支架以及极靴；通过调整磁钢的数量、矫顽力、形状、放置方式、极靴位置和形状来改变永磁场的强度和方向。5.如权利要求1所述的离子镀弧斑控制装置，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺增，王书豪，王庆，辛玉富，
申请(专利权)人：东北大学，沈阳添和毅科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21