内衬阶梯管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法技术

内衬阶梯管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法，属于材料表面处理技术领域，本发明专利技术为解决多级磁场过滤装置中大颗粒及沉积离子对管内壁污染和电弧等离子体传输过程中的损失问题。本发明专利技术方法包括：一、将待镀膜的工件置于真空室内的样品台上，接通相关电源，开启外部水冷系统；二、薄膜沉积：待真空室内的真空度小于10

Multi stage magnetic field arc ion plating method with lining ladder tube and porous baffle composite type

Method of multi arc ion magnetic lining pipe and ladder porous baffle composite plating, which belongs to the technical field of material surface treatment, the present invention is to solve the problems of inner tube pollution and arc plasma in the process of transmission loss of large particles and magnetic filtering device in multistage ion deposition. The method of the invention comprises the following steps: 1. The workpiece to be coated is placed on a sample table in the vacuum chamber; the related power is switched on; an external water-cooling system is opened; and two, the film is deposited: the vacuum in the vacuum chamber is less than 10

【技术实现步骤摘要】
内衬阶梯管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法
本专利技术涉及内衬阶梯管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法，属于材料表面处理

技术介绍
在电弧离子镀制备薄膜的过程中，由于弧斑电流密度高达2.5~5×1010A/m2，引起靶材表面的弧斑位置处出现熔融的液态金属，在局部等离子体压力的作用下以液滴的形式喷溅出来，附着在薄膜表面或镶嵌在薄膜中形成“大颗粒”（Macroparticles）缺陷（BoxmanRL,GoldsmithS.Macroparticlecontaminationincathodicarccoatings:generation,transportandcontrol[J].SurfCoatTech,1992,52(1):39-50.）。在电弧等离子体中，由于电子的运动速度远远大于离子的运动速度，单位时间内到达大颗粒表面的电子数大于离子数，使大颗粒呈现负电性。相对于厚度级别为微米或亚微米的薄膜，尺寸在0.1-10微米的大颗粒缺陷就像PM2.5对空气质量的污染一样，对薄膜的质量和性能有着严重的危害。随着薄膜材料和薄膜技术应用的日益广泛，大颗粒缺陷问题的解决与否成为电弧离子镀方法进一步发展的瓶颈，严重制约了其在新一代薄膜材料制备中的应用。目前，为了解决电弧离子镀方法在使用低熔点的纯金属或多元合金材料易产生大颗粒缺陷问题，目前主要采用磁过滤的办法过滤掉大颗粒，如中国专利用于材料表面改性的等离子体浸没离子注入装置（公开号：CN1150180，公开日期：1997年5月21日）中采用90°磁过滤弯管对脉冲阴极弧的大颗粒进行过滤，美国学者Anders等人(AndersS,AndersA,DickinsonMR,MacGillRA,BrownIG.S-shapedmagneticmacroparticlefilterforcathodicarcdeposition[J].IEEETransPlasmaSci,1997,25(4):670-674.)和河南大学的张玉娟等(张玉娟,吴志国,张伟伟等.磁过滤等离子体制备TiN薄膜中沉积条件对薄膜织构的影响.中国有色金属学报.2004,14(8):1264-1268.)在文章中制作了“S”磁过滤弯管对阴极弧的大颗粒进行过滤，还有美国学者Anders等人（AndersA,MacGillRA.Twistfilterfortheremovalofmacroparticlesfromcathodicarcplasmas[J].SurfCoatTech,2000,133-134:96-100.）提出的Twistfilter的磁过滤，这些方法虽然在过滤和消除大颗粒方面有一定效果，但是等离子体的传输效率损失严重，使离子流密度大大降低。基于即能过滤大颗粒又能保证效率的基础上，中国专利真空阴极弧直管过滤器(公开号：CN1632905，公开日期：2005年6月29日)中提出直管过滤的方法，但是这又降低了过滤效果。总之，相关的研究人员通过对比各种磁过滤方法（AndersA.Approachestoridcathodicarcplasmasofmacro-andnanoparticles:areview[J].SurfCoatTech,1999,120-121319-330.和TakikawaH,TanoueH.Reviewofcathodicarcdepositionforpreparingdroplet-freethinfilms[J].IEEETransPlasmaSci,2007,35(4):992-999.）发现电弧离子镀等离子体通过磁过滤装置后保持高的传输效率和消除大颗粒非常难以兼顾，严重影响着该技术在优质薄膜沉积中的应用。另外在基体上采用偏压的电场抑制方法，当基体上施加负偏压时，电场将对带负电的大颗粒产生排斥作用，进而减少薄膜表面大颗粒缺陷的产生。德国学者Olbrich等人（OlbrichW,FessmannJ,KampschulteG,EbberinkJ.ImprovedcontrolofTiNcoatingpropertiesusingcathodicarcevaporationwithapulsedbias[J].SurfCoatTech,1991,49(1-3):258-262.和FessmannJ,OlbrichW,KampschulteG,EbberinkJ.CathodicarcdepositionofTiNandZr(C,N)atlowsubstratetemperatureusingapulsedbiasvoltage[J].MatSciEngA,1991,140:830-837.）采用脉冲偏压来取代传统的直流偏压，形成了一种新的物理气相沉积技术——脉冲偏压电弧离子镀技术，不但大大减少了薄膜表面大颗粒的数目，还克服了传统直流偏压引起的基体温度过高、薄膜内应力较大等问题。大连理工大学的林国强等人（林国强.脉冲偏压电弧离子镀的工艺基础研究[D].大连理工大学,2008.和黄美东,林国强,董闯,孙超,闻立时.偏压对电弧离子镀薄膜表面形貌的影响机理[J].金属学报,2003,39(5):510-515.）针对脉冲偏压引起大颗粒缺陷减少的机理进行了深入分析，通过对脉冲偏压幅值、频率和脉冲宽度等工艺参数的调整，可以改善电弧等离子体的鞘层运动特性，减少薄膜表面的大颗粒缺陷数目，提高薄膜的质量，在实际的生产中被广泛应用，但是仍不能完全消除大颗粒缺陷。国内学者（魏永强,宗晓亚,蒋志强,文振华,陈良骥.多级磁场直管磁过滤与脉冲偏压复合的电弧离子镀方法,公开号：CN103276362A，公开日期：2013年9月4日）提出了多级磁场直管磁过滤与脉冲偏压复合的电弧离子镀方法，通过多级磁场过滤装置来消除大颗粒缺陷并提升等离子体的传输效率，但是管内壁的污染问题和管内壁上等离子体的损失没有得到很好的解决，后期相关学者（魏永强,宗晓亚,侯军兴,刘源,刘学申,蒋志强,符寒光.内衬正偏压直管的多级磁场电弧离子镀方法,公开号：CN105925940A，公开日期：2016年9月7日）提出了内衬正偏压直管的多级磁场电弧离子镀方法来解决对管内壁的污染问题。还有学者提出了双层挡板的方法（ZhaoY,LinG,XiaoJ,LangW,DongC,GongJ,SunC.Synthesisoftitaniumnitridethinfilmsdepositedbyanewshieldedarcionplating[J].ApplSurfSci,2011,257(13):5694-5697.），研究了挡板间距对薄膜表面形貌、大颗粒清除效果及沉积速率的影响规律。还有学者（张涛,侯君达,刘志国,张一聪.磁过滤的阴极弧等离子体源及其薄膜制备[J].中国表面工程,2002,02):11-15+20-12.）借鉴Bilek板的方法（BilekMMM,YinY,McKenzieDR,MilneWIAMWI.Iontransportmechanismsinafilteredcathodicvacuumarc(FCVA)system[C].ProceedingsoftheDischargesand本文档来自技高网...

【技术保护点】
内衬阶梯管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法，其特征在于，该方法所使用装置包括偏压电源1、弧电源2、电弧离子镀靶源3、多级磁场装置4、多级磁场电源5、内衬正偏压阶梯管和多孔挡板复合型装置6、正偏压电源7、样品台8、偏压电源波形示波器9和真空室10；该方法包括以下步骤：步骤一、将待处理基体工件置于真空室10内的样品台8上，内衬正偏压阶梯管和多孔挡板复合型装置6与真空室10和多级磁场装置4之间绝缘，工件和样品台8接偏压电源1的负极输出端，电弧离子镀靶源3安装在真空室10上，接弧电源2的负极输出端，多级磁场装置4的各级磁场接多级磁场电源5的各个输出端，正负极接法可以依据输出磁场方向进行确定，内衬正偏压阶梯管和多孔挡板复合型装置6接正偏压电源7的正极输出端，开启外部水冷循环系统；步骤二、薄膜沉积：将真空室10抽真空，待真空室10内的真空度小于10

【技术特征摘要】
1.内衬阶梯管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法，其特征在于，该方法所使用装置包括偏压电源1、弧电源2、电弧离子镀靶源3、多级磁场装置4、多级磁场电源5、内衬正偏压阶梯管和多孔挡板复合型装置6、正偏压电源7、样品台8、偏压电源波形示波器9和真空室10；该方法包括以下步骤：步骤一、将待处理基体工件置于真空室10内的样品台8上，内衬正偏压阶梯管和多孔挡板复合型装置6与真空室10和多级磁场装置4之间绝缘，工件和样品台8接偏压电源1的负极输出端，电弧离子镀靶源3安装在真空室10上，接弧电源2的负极输出端，多级磁场装置4的各级磁场接多级磁场电源5的各个输出端，正负极接法可以依据输出磁场方向进行确定，内衬正偏压阶梯管和多孔挡板复合型装置6接正偏压电源7的正极输出端，开启外部水冷循环系统；步骤二、薄膜沉积：将真空室10抽真空，待真空室10内的真空度小于10-4Pa时，通入工作气体至0.01Pa～10Pa，开启偏压电源1和偏压电源波形示波器9，并调节偏压电源1输出的偏压幅值，脉冲频率和脉冲宽度，偏压电源1输出脉冲的峰值电压值为0～1.2kV，脉冲频率为0Hz～80kHz，脉冲宽度1~90%；开启弧电源2，通过电弧的弧斑运动对电弧离子镀靶源3的表面进行清洗，调节需要的工艺参数，弧电源2输出的电流值为10~300A，通过多级磁场电源5调节多级磁场装置4，保持电弧等离子体在电弧离子镀靶源3稳定产生和对大颗粒缺陷进行过滤消除，使电弧等离子体以较高的传输效率通过多级磁场装置4到达基体表面，进行薄膜的快速沉积，电弧离子镀靶源3和多级磁场装置4通过水冷方式避免工作过程中的温度升高问题；开启正偏压电源7，对内衬正偏压阶梯管和多孔挡板复合型装置6保持直流正偏压，调整输出电压，使内衬正偏压阶梯管和多孔挡板复合型装置6对大颗粒进行吸引，对沉积离子进行排斥，减少等离子体在管内传输过程中的损耗，提高等离子体的传输效率和薄膜的沉积速度；内衬正偏压阶梯管和多孔挡板复合型装置6与多级磁场装置4之间活动绝缘装配在一起，内衬正偏压阶梯管和多孔挡板复合型装置6可以视表面污染程度及时拆卸清理和安装，避免了无衬板状态下多级磁场装置4的管内壁污染和难于清理的问题；内衬正偏压阶梯管和多孔挡板复合型装置6的阶梯管长度H和多级磁场装置4的长度相同，阶梯管右侧进口处的内径D进大于电弧离子镀靶源3的外径，右侧的外径小于多级磁场装置4的内径，阶梯管左侧出口处的内径D出根据不同靶材和工艺参数进行选择，通过进口处和出口处的内径变化，可以实现对大颗粒的机械阻挡屏蔽；阶梯管的结构可以配合多级磁场装置4设计2级阶梯管、3级阶梯管或者4级及以上阶梯管的结构、梯度差和进出口布局，...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏永强，宗晓亚，陈小霞，侯军兴，张华阳，刘源，刘学申，蒋志强，冯宪章，
申请(专利权)人：魏永强，
类型：发明
国别省市：河南,41