專利名稱：視線外磁過濾金屬蒸氣真空弧等離子體沉積源的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種視線外磁過濾金屬蒸氣真空弧等離子體沉積源。
金屬蒸氣真空弧技術已被廣泛使用，例如中國專利ZL91224858.6描述的金屬蒸氣真空弧離子源技術、美國專利US5,013,578描述的金屬蒸氣真空弧鍍膜技術和現(xiàn)在廣泛應用的離子鍍膜技術等的核心都是金屬蒸氣真空弧技術。公知的金屬蒸氣真空弧工作時，將在陰極表面形成數(shù)量不定、尺寸很小的陰極斑，電弧就是在陰極斑和陽極之間產生的。由于陰極斑很小，電弧功率較大，將在陰極表面局部產生大量的熱。另一方面，陰極斑處將產生很強的電場并導致大量離子轟擊陰極斑附近。在這一系列因素的影響下，真空電弧將在陰極斑附近產生了大量的尺寸在0.1μm到10μm間的液滴或顆粒。這些液滴或顆粒沉積在處理工件的表面，導致了鍍層的大量缺陷，例如鍍層表面光潔度差、薄膜容易脫落(結合力差)、抗腐蝕能力差等。許多相關技術可被用來處理真空電弧產生的液滴或顆粒。例如在陰極表面加上磁場(離子鍍技術的常規(guī)方法)，讓陰極斑在陰極表面規(guī)則運動，使得陰極表面發(fā)熱更均勻以減少液滴或顆粒；良好的陰極冷卻技術降低陰極溫度以減少液滴或顆粒；磁聚焦約束真空電弧讓電弧通過小孔或縫等。這些方法都可以不同程度的達到減少液滴或顆粒的目的，但不能根本解決液滴或顆粒對鍍層的影響。中國專利ZL96201618.7描述的磁偏濾導管式陰極弧等離子體源采用磁偏濾并在管道兩端加上孔欄，很大程度消除了液滴或顆粒。但對高質量的薄膜來說，一顆液滴或顆粒就足以使得鍍層的性能受到極大的影響。
本實用新型的目的是設計一種極大程度甚至最終消除真空電弧產生的液滴或顆粒到達處理工件從而導致鍍層缺陷的視線外磁過濾金屬蒸氣真空弧等離子體沉積源，以滿足高光潔度、高薄膜密度、很好的薄膜與基體結合力等高質量鍍膜的需要。
視線外磁過濾金屬蒸氣真空弧等離子體沉積源的核心技術是視線外磁過濾。就是采用彎曲磁場一磁過濾器，將金屬蒸氣真空弧產生的等離子體導向到處于陰極視線外的真空室中再加以利用。其基本原理是液滴或顆粒由于具有較大的慣性，基本不受磁場的影響而近似作直線運動，因此不能到達處于陰極視線外的真空室；金屬蒸氣真空弧產生的等離子體中的電子由于慣性小而被磁化，電子將順著磁力線方向運動因而被磁場引導到達真空室，等離子體中的離子由于受等離子體內部電場的作用而被束縛在電子周圍，因此等離子體將作為整體順著磁力線方向運動因而被磁場引導到達真空室。
由于顆?？赡芡ㄟ^在磁過濾管道壁上的多次反射到達處于陰極視線外的真空室，我們對磁過濾器管道進行了特別的連續(xù)凹槽設計，從而極大地減少顆粒反射到工件處理區(qū)域的可能。
為了盡可能減少等離子體通過磁過濾管道的損失，增加磁過濾器的等離子體傳輸效率，我們在磁過濾器管道與真空室和陽極筒之間加了一個正偏壓電源，用該電源產生的電場阻止離子到達過濾器管道。
為了得到均勻的等離子體分布，我們在視線外磁過濾金屬蒸氣真空弧等離子體沉積源的出口外附加了桶形磁場(或稱會切磁場)等離子體均化器。該桶形磁場由多塊磁鐵等距離安裝在支撐環(huán)上形成，相鄰的兩塊磁鐵極性相反，在桶的內邊緣產生很強的磁場，而對中心區(qū)域基本沒有影響，從而約束等離子體，在桶中得到均勻的等離子體分布。
不同的陰極材料有不同的性能，因而真空弧放電也有不同的特點；不同的應用場合，不同的工件對鍍層也有不同的要求。因此，視線外磁過濾金屬蒸氣真空弧等離子體沉積源針對不同的要求，設計有脈沖工作式、直流工作式等離子體源，有45°到90°不同直徑的過濾器，以及多個過濾器以不同的夾角串聯(lián)的磁過濾器等。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。


圖1是一個90°的視線外磁過濾金屬蒸氣真空弧等離子體沉積源示意圖。
圖2是兩個90°串聯(lián)的視線外磁過濾金屬蒸氣真空弧等離子體沉積源示意圖。
圖3是桶形磁場均化器的底視圖。
在
圖1和圖2中，金屬蒸氣真空弧由觸發(fā)電極(2)觸發(fā)，在陰極(1)和陽極筒(3)之間產生，其中的部分等離子體在磁場線包(5)產生的磁場引導下通過磁過濾管道(4)到達陰極視線外的真空室。陰極直徑從10mm到100mm，根據(jù)過濾器大小和工作需要確定；觸發(fā)電極有機械觸發(fā)和電觸發(fā)兩種；陽極筒尺寸與過濾器匹配；磁過濾管道由非磁性材料制成，管道內徑從50mm到200mm，管道內壁有連續(xù)的凹槽；磁場線包可產生0到40mT的磁場；(6)是弧源電源，有脈沖的和直流工作的，工作電流從30A到300A；(7)為自動觸發(fā)控制器；(8)是引弧電阻；(9)是正偏壓電源；(10)是磁場電源；(11)是桶形磁場等離子體均化器。
圖3中(12)是磁鐵支撐環(huán)，內徑從60mm到210mm，長度從30mm到150mm，根據(jù)過濾器的大小確定，(13)是表面磁場強度達430mT的釤鈷永磁鐵，尺寸和數(shù)量根據(jù)支撐環(huán)的大小確定。
在一實例中，陰極(1)直徑100mm，機械式觸發(fā)極(2)，不銹鋼陽極筒(3)內徑180mm，陽極筒與銅制磁過濾器管道(4)絕緣。90°的磁過濾管道，內徑180mm，并與真空室絕緣。磁場電源(10)向磁場線包(5)供電產生磁場，在10mT以上的磁場作用下，金屬蒸氣真空弧產生的等離子體被傳輸?shù)疥帢O視線外的真空室中。正偏壓電源(9)在陽極筒與過濾器管道之間工作，工作電壓20V左右，可提高過濾器的等離子體傳輸效率20％以上。桶形磁場等離子體均化器內徑190mm，長度100mm，36塊100mm長、5mm寬、10mm厚的釤鈷永磁鐵。在真空室中得到沒有液滴或顆粒的均勻的等離子體沉積高質量的薄膜。
權利要求1.一種視線外磁過濾金屬蒸氣真空弧等離子體沉積源，它包括陰極(1)、陽極(3)、觸發(fā)極(2)、磁過濾管道(4)、等離子體均化器(11)，其特征在于通過磁過濾管道外的磁場線包(5)產生的磁場傳輸?shù)入x子體。
2.根據(jù)權利要求1所述結構的等離子體沉積源，其特征在于磁過濾管道內壁為凹槽結構。
3.根據(jù)權利要求1或2所述結構的等離子體沉積源，其特征在于磁過濾管道上加有正偏壓電源。
4.根據(jù)權利要求1、2、3所述結構的等離子體沉積源，其特征在于磁過濾管道內徑為50mm到200mm，偏轉角度為45°到90°。
5.根據(jù)權利要求1、2、3所述結構的等離子體沉積源，其特征在于不同偏轉角度的磁過濾管道可以不同的夾角串聯(lián)。
6.根據(jù)權利要求1、2、3所述結構的等離子體沉積源，其特征在于有脈沖工作式等離子體沉積源和直流工作式等離子體沉積源。
7.根據(jù)權利要求1所述結構的等離子體沉積源，其特征在于在過濾器管道出口外附加桶形磁場等離子體均化器。
專利摘要一種視線外磁過濾金屬蒸汽真空弧等離子體沉積源，采用磁過濾方法傳輸真空弧產生的等離子體到視線外的真空室中，從而消除液滴或顆粒到達處理工件導致鍍層缺陷。為了得到高質量的沉積薄膜，過濾器管道內壁有特殊的凹槽設計以防止液滴或顆粒的反射，過濾器可串聯(lián)。過濾器管道上加正偏壓以提高過濾器的等離子體傳輸效率。同時在過濾器管道出口附加桶形磁場等離子體均化器。本實用新型適用于高光潔度、高密度、良好的薄膜與基體結合等高質量快速沉積薄膜。
文檔編號C23C14/32GK2594277SQ0320099
公開日2003年12月24日 申請日期2003年1月15日 優(yōu)先權日2003年1月15日
發(fā)明者吳先映, 李強, 張薈星, 張勝基, 張孝吉 申請人:北京師范大學