一种紧凑高效的准扩散弧冷阴极弧源制造技术

本发明专利技术涉及薄膜与涂层制备技术领域，具体为一种紧凑高效的准扩散弧冷阴极弧源。准扩散弧冷阴极弧源由弧源头与控制磁场组组成，弧源头包括靶材、靶材底座、靶材底座屏蔽罩、靶材底盘、引弧装置和永久磁体装置，控制磁场组包括法兰套、法兰套绝缘套、二极径向旋转磁场发生装置、轴向聚焦导引磁场发生装置、同轴聚焦磁场磁轭和法兰套屏蔽罩，弧源头通过靶材底盘与法兰套底部进行连接，形成整体弧源结构，通过法兰套前部的法兰盘与炉体进行连接。在一定磁场强度和旋转频率综合作用下，使得弧斑在整个靶面分布，降低弧斑的功率密度，实现准扩散弧状态，减少大颗粒的发射，同时通过轴向聚焦导引磁场，将净化的高密度等离子体抽出，提高其传输效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及薄膜与涂层制备
，具体地说是一种紧凑高效的准扩散弧冷阴极弧源。
技术介绍
电弧离子镀膜技术是当今一种先进的离子镀膜技术，由于其结构简单，离化率高，入射粒子能量高，绕射性好，可实现低温沉积等一系列优点，使电弧离子镀技术得到快速发展并获得广泛应用，展示出很大的经济效益和工业应用前景，特别是在装饰镀和工模具镀 市场领域到处可以看到电弧离子镀的踪影。但是大颗粒的喷射造成了薄膜表面污染，导致表面的粗糙度增大而降低薄膜的光泽，对装饰及抗磨应用带来不利影响，严重影响薄膜的质量，导致镀层附着力降低并出现剥落现象，镀层严重不均匀等。电弧离子镀高离化率，低温沉积的突出优点使其在工模具镀上展现出其他镀膜方式所不具备的优势，但是电弧放电的特点使得大颗粒的存在成为工模具镀的阻碍，也成为阻碍电弧离子镀技术更深入广泛应用的瓶颈问题。目前，应用比较多而且效果比较好的措施是磁过滤，磁过滤技术的采用，虽然有效地消除了大颗粒的污染，但由于等离子体在传输过程的损失，沉积速率也大幅度降低，目前等离子体的传输效率最高也仅有25%，导致了原材料的浪费和生产效率降低，电弧离子镀的优点就是沉积速率快，这也是该技术在工业领域广泛应用的原因之一，不能为了减少部分大颗粒而来损失这个突出的优点，这也是磁过滤技术不能工业化的重要原因。因此，必须突破性的想办法从源头解决电弧离子镀大颗粒的问题。电弧自持放电的必要条件是有持续大量的有效电子发射，从电子发射机理分析，大量电子发射发生的必要条件是有大量的电子能够越过金属表面势垒与费米能级之间的势垒高度(逸出功)，这种情况发生在两种状态下，一是热阴极电子发散，即金属表面有大量的高能态电子(大于逸出功)存在，高能态电子的数量随着金属的温度升高而增加，亦即热电子发散的效应越明显；另外一种是降低表面势垒即降低电子的逸出功，即提高阴极表面的外加电场强度，表面势垒高度的降低值随着外加电场强度的升高而增大。而阴极附近空间的正电荷密度决定了阴极处的电场强度，正离子电荷密度的增加促进了电场强度的增加，在冷阴极情况下，为了形成有效的电子发散，维持弧光放电，电流的集中放电是最有效的途径。集中放电一方面可以将阴极局部加热到闻温状态，提闻闻能态电子的数量，另一方面可以在局部形成闻密度的正电荷銷层，提闻局部的电场强度，降低功函数，促进电子的大量发射。而一般电弧离子镀所用的弧源是冷阴极弧源，这种弧源中电弧的行为被阴极表面许多快速游动，高度明亮的阴极斑点所控制。在阴极弧斑放电中，只有那些温度最高(离子轰击和电阻热效应)，电场最强，或者逸出功最低的微小区才能发射大量的电子，只有最有效的大量的电子发射才能维持弧斑的存在。因此观察到的弧斑的运动实际上是弧斑最有效位置的移动，更确切的说是正电荷密度最大值的位置的移动引起新弧斑的形成、旧弧斑的熄灭造成了弧斑的运动。而正是由于电弧离子镀阴极斑点的尺寸很小，功率密度非常高，所以阴极斑点在作为强烈的电子，金属原子、离子和高速金属蒸汽发射源的同时，也不断的喷射金属大颗粒。而这种现象在大面积的热阴极弧光放电条件下一般是不存在的(功率密度低，没达到熔化状态)，只有在局部的高功率密度的放电情况下，由于形成了较大的熔池，在局部压力和离子轰击作用下，才造成了大颗粒的喷射。从电弧离子镀液滴的产生机制可知，欲减少大颗粒的发射，就应当避免靶材局部过热产生较大较深的弧斑熔池和局部的离子轰击。因此，必须采用一定的方式控制弧斑的运动以及改善弧斑的放电形式，提高弧斑的运动速度，缩短弧斑在一点的停留时间，降低局部的功率密度和高密度离子轰击。国际上比较流行的受控电弧离子镀膜，从原理上说，就是在弧源上加入一适当的磁场，来控制和提高阴极弧斑在阴极表面的运动速度。同时，可以理解为将功率密度从局部点状态改变为线状态(同一时间段)，降低了局部的功率密度和高密度离子轰击，从而一定程度地减少液滴量、减小液滴尺寸、提高膜层寿命，并使一些普通真空电弧离子镀膜(又叫自由电弧离子镀膜，弧斑在阴极表面自由地运动)不能实现或很难实现的蒸镀成为现实。受控电弧离子镀膜是真空电弧离子镀膜的进一步发展，也是真空电弧离子镀膜技术发展的必然方向。·虽然受控电弧离子镀可以实现对弧斑的有效控制，限制弧斑的运动轨迹，部分的减少电弧大颗粒，但是并没有有效的改善弧斑的放电形式，弧源依然是具有阴极辉点的冷阴极电弧源，是一种分立的电弧源，这种电弧源是产生大颗粒的根本原因。同时，这种技术使得弧斑被限制在一定的位置处，长时间刻蚀会在靶面形成刻蚀轨道，浪费靶材，而且远没有达到制备精细功能薄膜的要求。目前，国际还有一些动态磁场控制弧斑运动的弧源设计，如Ramalingam在专利W08503954和US4，673，477中提出了一种在靶材后旋转永磁体的弧源，以及动态改变包括国内最近刚出现的第四代弧源技术，主要原理都是动态地变换磁场在靶面的局域性分布，从而改变祀面磁场横向分量最大值的分布，动态的扩大磁场横向分量的面积以达到扩大弧斑的刻蚀区域，提高靶材的利用率。目前动态方法主要分电磁式和机械式，主要原理都是动态地变换磁场在祀面的局域性分布，从而改变祀面磁场横向分量最大值的分布，动态的扩大磁场横向分量的面积以达到扩大弧斑的刻蚀区域，提高靶材的利用率。其中，机械式是通过移动磁体和移动靶材两种方法，其中移动模式又分为旋转和往复移动两种方式。动态的磁场可以基本实现弧斑在结构简单的大面积靶材上的均匀刻蚀，但是这种方法往往需要增加一套复杂的电磁或者机械控制机构。通过磁场横向分量位置的改变来扩大弧斑在靶面上分布的面积，只是为了提高部分靶材利用率，实现大面积均匀镀膜而设计，没有从根本上改善电弧的放电方式，弧斑还是随着磁场位置的变化而局域性的移动，依然是电流集中的弧斑放电，大颗粒的问题依然存在。而且磁场的大小在不断的变化，弧斑的运动速度不稳定，也在不断的波动，不能对大颗粒进行有效的控制，不利于均匀性镀膜。所有这些弧源都是具有阴极辉点的冷阴极电弧源，是一种分立的电弧源，这种电弧源是产生大颗粒的根本原因，不能有效地改善弧斑的放电形式，而且远没有达到制备精细功能薄膜的要求。中国专利技术专利(专利号ZL200810010762. 4)提出了一种利用旋转磁场控制弧斑运动的电弧离子镀装置，置于真空室外的旋转磁场发生装置套在围绕于靶材之外的法兰套或者炉体管道上，通过旋转磁场控制弧斑的运动。该专利突破了传统的静态或准静态的磁场设计以及机械式的动态磁场设计思路，提供一种可调速调幅的旋转磁场控制弧斑运动的电弧离子镀装置，用以改善弧斑的放电形式和工作稳定性，控制弧斑的运动轨迹，提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率，减少靶材大颗粒的发射。但是该专利的电弧离子镀装置没有针对具体尺寸的靶材进行设计，对合适的磁场形式没有进行表明，研究发现并非任何旋转磁场形式都能对弧斑进行有效的控制；该专利技术依然靠动态旋转磁场控制弧斑运动，没有给出实现准扩散弧源的核心要点；该专利技术没有对具体的弧源结构进行创新设计，旋转磁场发生装置整个套在围绕于靶材之外的法兰套上，磁场漏磁严重，结构体积庞大，不紧凑，不利于镀膜整机设计安排；最主要的是该专利技术只利用旋转横向磁场约束弧斑放电，对等离子体的传输不利，大大降低了弧光等离子体的传输效率，大部分的等离子体约束在靶面附近本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紧凑高效的准扩散弧冷阴极弧源，其特征在于：所述紧凑高效的准扩散弧冷阴极弧源设有二极径向旋转磁场发生装置、聚焦导引磁场发生装置、靶材、靶材底座、靶材底座屏蔽罩、法兰套、法兰套屏蔽罩、靶材底盘、永久磁体装置、引弧装置；靶材、靶材底座、靶材底座屏蔽罩、靶材底盘和永久磁体装置形成弧源头；法兰套、法兰套绝缘套、二极径向旋转磁场发生装置、轴向聚焦导引磁场发生装置、同轴聚焦磁场磁轭和法兰套屏蔽罩形成控制磁场组；弧源头通过靶材底盘与法兰套底部进行连接，形成整体弧源结构，通过法兰套前部的法兰盘与炉体进行连接；法兰套的外侧设有法兰套绝缘套，法兰套绝缘套的外侧设有二极旋转横向磁场发生装置、轴向聚焦导引磁场发生装置、同轴聚焦磁场磁轭；法兰套中设有法兰套冷却水通道，法兰套底部开有与冷却水通道相通的法兰套出水口、法兰套进水口，法兰套冷却水通道的一端设置环形法兰盘，法兰盘边缘开有法兰连接孔；靶材通过连接螺纹安装于靶材底座上，二极径向旋转磁场发生装置、聚焦导引磁场发生装置围套在法兰套外，与靶材同轴放置，与法兰套之间通过绝缘套保护；二极径向旋转磁场发生装置放置于靶材周围，其中心高于靶材表面，位置可移动；聚焦导引磁场发生装置放置于二极径向旋转磁场发生装置前端，底部安装同轴聚焦磁场磁轭，二极径向旋转磁场发生装置内侧开有槽隙；法兰套外围设置法兰套屏蔽罩，通过法兰套屏蔽罩对内部的磁场发生装置进行保护；靶材底座底盘嵌套在靶材底座外，通过绝缘套进行密封保护，永久磁体装置安装在靶材底座内部空心位置，与靶材底座底部通过螺纹连接，靶材底座外围设置靶材底座屏蔽罩，通过靶材底座屏蔽罩对内部进行保护；靶材底座中设有靶材底座冷却水通道，靶材底座冷却水通道分别与靶材底座进水口、靶材底座出水口相通；靶材底座底盘靠近靶材底座位置开一引弧装置安装孔，引弧装置设置于引弧装置安装孔中，引弧装置的一端与靶材相对应；靶材底座底盘周边开有靶材底座底盘连接孔，靶材底座底盘通过靶材底座底盘连接孔与法兰套连接。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郎文昌，
申请(专利权)人：温州职业技术学院，
类型：发明
国别省市：