高真空磁過濾弧源的製作方法

2023-05-07 16:40:31

專利名稱：高真空磁過濾弧源的製作方法
技術領域：
本發明屬於等離子體和材料表面技術領域背景技術陰極弧等離子體沉積技術具有離化率高，離子能量較大，沉積速度快，適用於絕大多數金屬與合金材料，在薄膜沉積技術中得到廣泛應用。磁過濾電弧沉積技術可以很好地過濾電弧產生的液滴，提高了薄膜質量，受到廣泛的關注。
用於真空離子鍍膜的傳統真空弧源，由觸發、陰極金屬弧靶、磁場和電源等主要部分組成，雖然這些部分有不同的設計形式，如觸發機構4有電子觸發和引弧針觸發；引弧磁場3有永久磁鐵和電磁場；陰極金屬弧靶有矩形或圓形；電源有直流、交流或脈衝等多種形式。但是其基本工作原理是利用金屬、導體的真空弧原理。基本工作參數特徵是，真空度10-1Pa量級，金屬弧電壓在20伏左右，金屬弧電流在30安培或以上。在實際運行中，金屬弧產生金屬離子外，還會產生部分金屬液滴沉積在薄膜內，影響薄膜的性能。
傳統的陰極弧工作原理陰極是鍍料製成的靶材，真空室接地作陽極，進行弧光放電。電弧的引燃是通過點火器，使其與陰極瞬時接觸而觸發，在陰極和陽極之間形成自持弧光放電，弧光放電在陰極表面產生一個或多個明亮的陰極弧斑。弧斑的直徑為0.01～100μm，並以高達100m/s的速度在陰極表面隨機運動，可以利用磁場控制陰極弧斑的運動。當有磁場存在時，陰極弧斑在磁場的垂直方向上運動，其運動方向與作用在電弧電流上的勞倫茲力方向相反。陰極弧斑的移動速度隨磁場強度增加而加快。
電弧電壓與電弧源工作表面磁場強度和陰極材料有關，通常為10～40V。弧斑發射的電流可在30～200A範圍內變動，其中電子流被陽極吸收，以維持穩定放電。陰極材料的離子流佔弧流的7％～12％。在基板相對陰極200～400V的負偏壓作用下，離子流在基板上澱積成金屬、合金或化合物薄膜。
多弧型蒸發源的優點很多，但在等離子體中存在微粒的缺點。
冷陰極弧光放電理論認為，放電過程是藉助於場電子發射和正離子流14同時存在且相互制約而進行的。其弧光放電的物理過程和近陰極表面弧斑區電位分布如圖3所示。在放電過程中，陰極材料18大量蒸發形成金屬蒸汽16並被電離，在近陰極表面形成的正空間電荷鞘層13產生強電場，使陰極表面存在的微凸起尖端產生高電流密度的場致發射。由於電流局部集中產生的焦耳熱使溫度上升又產生熱電子17，場致發射轉化微熱-場致發射，進而微凸起蒸發並被電離，在陰極表面形成更稠密等離子體，進一步增強電場和熱-場致發射。同時，因離子轟擊微凸起，使其熔化並形成小熔池。熔池內的熔化金屬因離子轟擊而飛濺，噴射出小金屬熔滴12，並伴有耀眼弧斑15。弧斑區熔化金屬飛濺後留下了微細孔洞。孔洞邊緣成了新的微凸起，又會產生新的弧斑。上述過程反覆進行，弧光輝點在陰極表面上激烈地無規則運動，使放電持續進行。

發明內容
本發明的目的就是提供一種真空弧工作真空度高、能夠二次離化和過濾金屬液滴的高真空磁過濾真空弧源。
本發明的技術方案是，高真空磁過濾弧源，包括弧源屏蔽1、陰極靶2、引弧磁體3、觸發機構4、水冷陽極7、主弧電源11、輔助陽極電源5、輔助陽極10、磁場線圈6、磁離化陽極8和離化電源9，真空度為10-1Pa～10-3Pa量級，啟動觸發機構4產生金屬弧斑，啟動輔助陽極10及電源產生預備弧等離子體，啟動主弧電源11產生穩定的等離子體，在磁場線圈6產生的磁過濾磁場的引導下經過離化電源9施加的電場的作用，二次離化和過濾金屬液滴。
陰極靶2由陰極、陽極與觸發極組成，陽極外繞有磁場線圈6。
在本發明專利中，採用以輔助陽極10和磁過濾二次離化為特徵的高真空磁過濾弧，不僅適用於金屬陰極，同樣適用於導電體陰極。
輔助陽極10與陰極靶2之間距離在8～30mm調整，輔助陽極電源5電壓在0～200V調整。
磁場線圈6的電流0～1.5A調整，產生與多弧引弧磁場同極的軸向磁場5mT～50mT，用於約束陰極弧產生的等離子體和電子，增加離子流的密度和能量，同時建立了相對陰極表面徑向的磁場強度，減少陰極弧斑放電電流，減少微粒。
離化陽極8的位置和直逕取決於陰極靶2軸向±30°的區間，吸引相對等離子體中為負電的微粒，阻擋過濾和阻止微粒沉積在工件表面，另外在電場和磁場的綜合作用下發生碰撞和被二次離化。
在高真空狀態下，當觸發機構4產生陰極弧後，電輔助陽極10和施加在陰極上的電壓產生穩定的預陰極弧，隨之連接在真空室外殼的陽極與陰極之間的主弧電源11產生大電流的穩定的陰極弧。磁場線圈6產生的磁場與陰極弧的磁場同極性，約束產生的等離子體、電子在磁離化陽極8和陰極之間，增加其能量，在離化電源9的作用下，產生離化和過濾作用。
高真空磁過濾弧源在輔助陽極10和磁場線圈6的作用下，產生磁場和離化電場，使傳統的真空弧工作真空度延伸到10-3Pa量級，採用電場和磁場將金屬離子引出，並將過濾去除金屬液滴。
本發明達到的有益效果是，真空弧工作真空度高、能夠二次離化和過濾金屬液滴的新型磁過濾真空弧源。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。


圖1是本發明的結構示意圖。
圖2是陰極弧的微粒密度空間分布圖。
圖3是冷陰極弧光放電的物理過程。
具體實施例方式
1、陰極靶2用石墨碳製成，氣壓9×10-3Pa，主弧電流50A，磁場線圈6電流0.5A，二次離化電流30A，再連接90°彎管式磁過濾管沉積ta-DLC薄膜。
2、陰極靶2用金屬鈦製成，氣壓8×10-3Pa，主弧電流60A，磁場線圈6電流0.8A，二次離化電流40A。與等離子體源、離子注入源聯合使用，在室溫沉積高結合力的合金膜系，如TiN、TiCN等薄膜。
權利要求
1.高真空磁過濾弧源，包括弧源屏蔽(1)、陰極靶(2)、引弧磁體(3)、觸發機構(4)、水冷陽極(7)和主弧電源(11)，其特徵在於，還包括輔助陽極電源(5)、輔助陽極(10)、磁場線圈(6)、磁離化陽極(8)和離化電源(9)，真空度為10-1Pa～10-3Pa量級，啟動觸發機構(4)產生金屬弧斑，啟動輔助陽極(10)及電源產生預備弧等離子體，啟動主弧電源(11)產生穩定的等離子體，在磁場線圈(6)產生的磁過濾磁場的引導下經過離化電源(9)施加的電場的作用，二次離化和過濾金屬液滴。
2.根據權利要求1所述的高真空磁過濾弧源，其特徵在於，陰極靶(2)由陰極、陽極與觸發極組成，陽極外繞有磁場線圈(6)。
全文摘要
高真空磁過濾弧源屬於等離子體和材料表面技術領域，包括弧源屏蔽1、陰極靶2、引弧磁體3、觸發機構4、水冷陽極7、主弧電源11、輔助陽極電源5、輔助陽極10、磁場線圈6、離化陽極8和離化電源9，真空度為10
文檔編號C23C14/35GK1459516SQ0311107
公開日2003年12月3日 申請日期2003年2月20日 優先權日2003年2月20日
發明者李國卿, 關秉羽, 李劍鋒, 牟宗信 申請人:大連理工大學