一种电弧离子源及电弧离子源镀膜方法技术

本公开提供了一种电弧离子源及电弧离子源镀膜方法，能够显著提高膜层表面质量，提高靶材利用率，消除大颗粒污染，以提高膜层制备的经济效益。该电弧离子源包括至少两个磁场产生装置、靶材和电信号输出装置，两个磁场产生装置对称设置在靶材的两侧，每个磁场产生装置包括电磁线圈和永磁体，所述电磁线圈位于所述靶材的靶面上方，所述永磁体位于所述靶材的靶面下方，所述电信号输出装置与电磁线圈连接，用于给电磁线圈施加激励电信号，电磁线圈接收到激励电信号后，与永磁体之间产生轴对称且极性相对的耦合磁场，使得靶材的靶面上各个位置的垂直磁场强度相同。

A Method of Coating Arc Ion Source and Arc Ion Source

The invention provides an arc ion source and an arc ion source coating method, which can significantly improve the surface quality of the film, improve the utilization ratio of the target material, eliminate large particle pollution, and improve the economic benefit of the film preparation. The arc ion source comprises at least two magnetic field generating devices, target and electric signal output devices, two magnetic field generating devices are symmetrically arranged on both sides of the target, each of which includes an electromagnetic coil and a permanent magnet, the electromagnetic coil is located above the target surface of the target, the permanent magnet is located below the target surface of the target, the electric signal output device and the electromagnetic wire. \u5708\u8fde\u63a5\uff0c\u7528\u4e8e\u7ed9\u7535\u78c1\u7ebf\u5708\u65bd\u52a0\u6fc0\u52b1\u7535\u4fe1\u53f7\uff0c\u7535\u78c1\u7ebf\u5708\u63a5\u6536\u5230\u6fc0\u52b1\u7535\u4fe1\u53f7\u540e\uff0c\u4e0e\u6c38\u78c1\u4f53\u4e4b\u95f4\u4ea7\u751f\u8f74\u5bf9\u79f0\u4e14\u6781\u6027\u76f8\u5bf9\u7684\u8026\u5408\u78c1\u573a\uff0c\u4f7f\u5f97\u9776\u6750\u7684\u9776\u9762\u4e0a\u5404\u4e2a\u4f4d\u7f6e\u7684\u5782\u76f4\u78c1\u573a\u5f3a\u5ea6\u76f8\u540c\u3002

【技术实现步骤摘要】
一种电弧离子源及电弧离子源镀膜方法
本公开属于真空镀膜
，具体涉及一种具有变化磁场配置的电弧离子源以及利用该电弧离子源的镀膜方法。
技术介绍
电弧离子镀是一种将真空弧光放电用于蒸发源上的真空镀膜技术，由于电弧离子镀在气压10-2～1Pa的真空室内进行，阴极电弧源的靶材既是阴极材料的蒸发源，又是离子源。电弧离子镀的电弧形式是在冷阴极表面上形成阴极电弧弧斑，灼烧靶材以蒸发膜料。弧斑处电流密度很高，达到了105～108A/cm2，携带大量的能量，导致该处阴极材料被大量蒸发。电弧离子镀膜技术因其具有附着力强、绕镀性好、膜层致密、沉积速率高、镀膜材料选择广泛等特点，而被广泛的应用于工、模具表面涂层强化、抗腐蚀及装饰领域。电弧离子镀技术也存在着一些其它镀膜技术不存在的缺陷，阻碍了电弧离子镀技术的进一步发展。其中影响电弧离子镀技术发展的关键是“大颗粒”污染问题。大颗粒污染问题会导致膜层表面的粗糙度增加、膜层附着力降低，从而引起薄膜脱落，导致薄膜在厚度及成分方面的不均匀性。磁场对靶材表面弧斑的运动有着巨大的影响，在磁场控制弧斑运动中，弧斑位置由靶面垂直磁场强度的分布决定，出现在0Gs位置或者绝对值最小处；靶面的水平磁场强度决定了弧斑运动的速度，加快弧斑运动速度，可以缓解靶面局部高温的累积。利用磁场增大弧斑的运动范围、提高弧斑的运动速度，能够降低大颗粒污染的问题，且提高靶材利用率。中国专利CN89105513公开了一种磁控离子镀膜方法。该专利通过磁场对弧斑运动的控制，以达到加速弧斑运动目的。但是专利技术人在研究中发现该专利中的控制方法只能将弧斑控制在靶面的局部区域，该专利控制方法具有局限性，会造成靶材刻蚀的不均匀性，以及靶材表面局部高温的累积。中国专利CN200510041821则公开了一种霍尔源激励磁控溅射增强型多弧离子镀膜方法。该专利利用了机械结构阻挡大颗粒的方法，虽然降低了大颗粒对膜层的污染，改善了膜层质量。但是专利技术人在研究中发现该专利中使用的控制方法严重降低了膜层的沉积速率，即抛弃了电弧离子镀技术的优势，且同样无法提高靶材的利用率。中国专利CN100573802C公开了一种具有磁场发生装置的真空电弧光源。该专利利用磁场对弧斑的控制原理，通过电磁线圈对靶材表面磁场强度进行调节，以增大弧斑在靶材表面的运动范围。但是专利技术人在研究中发现该专利仅在一定范围内增加了弧斑的运动范围，由于其仅使用了电磁线圈，水平磁场强度最大仅为35Gs，会导致弧斑运动速度相对较低。综上所述，对于目前的电弧离子源技术存在的靶材利用率低、薄膜表面质量差、大颗粒污染严重等问题，尚缺乏有效的技术方案。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种具有变化磁场配置的电弧离子源及利用电弧离子源的镀膜方法，能够显著提高膜层表面质量，提高靶材的利用率，消除大颗粒污染，从而有效的提高了膜层制备的经济效益。本公开所采用的技术方案是：一种电弧离子源，包括至少两个磁场产生装置、靶材和电信号输出装置，两个磁场产生装置对称设置在靶材的两侧，每个磁场产生装置包括电磁线圈和永磁体，所述电磁线圈位于所述靶材的靶面上方，所述永磁体位于所述靶材的靶面下方，所述电信号输出装置与电磁线圈连接，用于给电磁线圈施加激励电信号，电磁线圈接收到激励电信号后，与永磁体之间产生轴对称且极性相对的耦合磁场。通过上述技术方案，解决现有电弧离子源的靶材利用低、膜层表面质量差等问题。进一步的，所述靶材位于电磁线圈与永磁体产生的耦合磁场中，所述靶材的靶面上各个位置的垂直磁场强度相同。通过上述技术方案，由于受垂直磁场强度的影响，靶材表面的弧斑可以在整个靶面进行运动；电弧放电被引燃后，弧斑迅速地布满整个靶面或靶面的大部分区域，导致弧斑在局部停留时间减少，靶材能够进行有效的冷却，避免了靶面局部的过度熔化，减少了液滴的喷发，进一步地改善了大颗粒污染问题。进一步的，所述垂直磁场强度为0～20Gs。进一步的，所述靶材为100～160mm的圆形靶材，所述靶材靶面的边缘设有凸起的台阶，所述靶材为单金属靶材、合金靶材或非金属靶材。通过上述技术方案，增加了靶面的刻蚀范围，有效提高了沉积速率，并且靶材凸起的边缘使电弧放电稳定，有效控制了弧斑对非刻蚀区域的刻蚀。进一步的，所述电磁线圈采用线径大于1mm的漆包铜线。进一步的，不同的永磁体之间呈环状结构布置，所述永磁体采用以达到高磁场强度要求的钕铁硼磁钢。但是，永磁体布置不只限于环状布置，亦可以是其它形状布置。进一步的，所述电磁线圈和永磁体产生的耦合磁场为静态磁场或动态磁场。进一步的，所述电信号输出装置采用可编程逻辑控制器，通过改变电信号输出装置输出的电信号控制参数，来改变电磁线圈产生电磁场的强度、方向，其中，所述控制参数包括扫描波形、扫描电流范围和扫描频率。一种电弧离子源镀膜方法，采用如上所述的电弧离子源制备膜层，该方法包括以下步骤：(1)先将待镀膜的工件放在温度为40～50℃的清洗液中超声清洗30min，去除工件表面的油污及抛光时残留的抛光膏；随后用去离子水清洗试样以除去残留的金属清洗液；再将工件放入无水酒精中超声清洗20min；最后将工件取出用热风烘干并把基片装夹在转架上放入真空室；(2)在沉积涂层之前对工件进行等离子刻蚀清洗，首先将真空室的真空度抽至0.02Pa，开启加热器，对工件进行加热，使工件温度达到200℃，并保温20min，通入200sccm氩气对工件进行刻蚀清洗；(3)刻蚀清洗之后，对工件进行加热至300℃，通入氮气使真空度达到0.32Pa，调节基体负偏压至-150V；由弧电源提供能量进行引弧，将电弧电流调至90A，由电信号输出装置给电磁线圈施加激励，通过改变电磁场的强度，改变弧斑在靶面的运动范围；从靶面蒸发、离化的膜料在真空室中运动至工件表面，沉积形成膜层；(4)待工件表面的膜层沉积一段时间后，依次关闭弧电源、偏压电源、加热系统以及供气系统，并关闭抽气系统结束镀膜。通过上述技术方案，本公开的有益效果是：(1)本公开适用于100mm～160mm的靶材，增大了靶面刻蚀的面积，有效提高了沉积速率，并且本公开中选用边缘突起的靶材，可以使电弧稳定放电；(2)本公开使得靶材工作表面各个位置的垂直磁场强度至同一水平值，使弧斑在静态磁场下形成全靶面的弧斑运动，减少靶面的高温累积，减少大颗粒的产生，提高靶材利用率；(3)本公开通过改变电信号输入装置的扫描波形、扫描频率和扫描幅值，产生不同的静态磁场、动态磁场，用于制备不同要求的膜层；采用可编程逻辑控制对输入到电磁线圈的扫描电流范围、扫描波形以及扫描频率进行设置，实现电弧离子源磁场的智能参数设置，智能化地控制弧斑，简便、精确、成本小，有利于批量生产。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。图1是根据一种或多种实施方式的电弧离子源的结构示意图；图2是根据一种或多种实施方式的电弧离子源的磁场分布示意图；图3(a)是不同电磁线圈的靶面水平磁场强度线图；图3(b)是不同电磁线圈的靶面垂直磁场强度线图；图4(a)是电磁线圈2.1A的弧斑轨迹图；图4(b)是电磁线圈1.7A的弧斑轨迹图；图4(c)是电磁线圈1.3A的弧斑轨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电弧离子源，其特征是，包括至少两个磁场产生装置、靶材和电信号输出装置，两个磁场产生装置对称设置在靶材的两侧，每个磁场产生装置包括电磁线圈和永磁体，所述电磁线圈位于所述靶材的靶面上方，所述永磁体位于所述靶材的靶面下方，所述电信号输出装置与电磁线圈连接，用于给电磁线圈施加激励电信号，电磁线圈接收到激励电信号后，与永磁体之间产生轴对称且极性相对的耦合磁场。

【技术特征摘要】
1.一种电弧离子源，其特征是，包括至少两个磁场产生装置、靶材和电信号输出装置，两个磁场产生装置对称设置在靶材的两侧，每个磁场产生装置包括电磁线圈和永磁体，所述电磁线圈位于所述靶材的靶面上方，所述永磁体位于所述靶材的靶面下方，所述电信号输出装置与电磁线圈连接，用于给电磁线圈施加激励电信号，电磁线圈接收到激励电信号后，与永磁体之间产生轴对称且极性相对的耦合磁场。2.根据权利要求1所述的电弧离子源，其特征是，所述靶材位于电磁线圈与永磁体产生的耦合磁场中，所述靶材的靶面上各个位置的垂直磁场强度相同。3.根据权利要求2所述的电弧离子源，其特征是，所述垂直磁场强度为0Gs～20Gs。4.根据权利要求1所述的电弧离子源，其特征是，所述靶材为100～160mm的圆形靶材，所述靶材靶面的边缘设有凸起的台阶，所述靶材为单金属靶材、合金靶材或非金属靶。5.根据权利要求1所述的电弧离子源，其特征是，所述电磁线圈采用线径大于1mm的漆包铜线。6.根据权利要求1所述的电弧离子源，其特征是，不同的永磁体之间呈环状结构布置，所述永磁体的形状为扇形、方形、圆柱中的任意一种，所述永磁体采用钕铁硼磁钢。7.根据权利要求1所述的电弧离子源，其特征是，所述电磁线圈和永磁体产生的耦合磁场为静态磁场或动态磁场。8.根据权利要求1所述的电弧离子源，其特征是，所述电...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺增，乔宏，王光文，李汪星，
申请(专利权)人：泰安东大新材表面技术有限公司，东北大学，
类型：发明
国别省市：山东,37