一种智能电弧离子源制造技术

本发明专利技术涉及一种智能电弧离子源，包括电磁线圈模块、靶材、水冷模块和永磁体模块。水冷模块包括铜阴极体、阴极体盖和通水螺纹杆，铜阴极体设有水冷通道，阴极体盖与铜阴极体固定连接，通水螺纹杆为中空的管体，其穿过阴极体盖与水冷通道相连通。阴极体盖通过连接件与电磁线圈模块连接，靶材固定在铜阴极体上，永磁体模块固定在通水螺纹杆上。本发明专利技术的电弧离子源通过水道冷却的形式代替传统的大平面冷却，解决了冷却水滞留的问题，冷却较为均匀。从中心位置开始对靶材进行冷却，能有效的扼制靶面最高温处热量的累积，降低靶面温度，解决大颗粒污染，提高膜层质量。同时采用磁场控制弧斑的方式，防止弧斑随机运动在靶面造成热量累积。

An intelligent arc ion source

The invention relates to an intelligent arc ion source, including electromagnetic coil module, target, and the permanent magnet cooling module module. The water cooling module comprises a copper cathode body, a cathode body cap and a water threaded rod, wherein the copper cathode body is provided with a water cooling channel, the cathode body cap is fixedly connected with the copper cathode body, and the water threaded rod is a hollow pipe body, which is communicated with the water cooling passage through the cathode body cover. The cathode body cap is connected with the electromagnetic coil module through the connecting piece, and the target material is fixed on the copper cathode body, and the permanent magnet module is fixed on the water threaded rod. The arc ion source of the invention replaces the traditional large plane cooling by the form of water channel cooling, and solves the problem of cooling water retention, and the cooling is more uniform. From the beginning of the cooling center position on the target, the target surface temperature can restrain the accumulation of heat effectively, reduce the target surface temperature, large particle pollution, improve the quality of film. At the same time, the magnetic field is used to control the arc spot to prevent the random movement of the arc spot, resulting in heat accumulation on the target surface.

【技术实现步骤摘要】
一种智能电弧离子源
本专利技术涉及一种电弧离子镀膜设备的核心部件，尤其涉及一种智能电弧离子源。
技术介绍
电弧离子镀膜技术由于其附着力强、绕镀性好、膜层致密、沉积速率高、镀膜材料选择广泛的特点，被广泛的应用在工、模具表面涂层强化、抗腐蚀及装饰领域。电弧离子镀膜技术是在真空环境中，依靠大电流、低电压的条件，在靶面形成具有极高电流密度(108～1012A/m2)的弧斑，形成局部高温，使靶面上的阴极材料瞬间蒸发或电离，在基体上形成膜层。由于弧斑的运动具有随机性，会造成靶面局部的热量累积，在靶面形成熔池后喷射出金属液滴，形成大颗粒污染。大颗粒污染增加了膜层的表面粗糙度，严重影响了膜层的性能。电弧离子源作为电弧离子镀膜技术的核心部件之一，对膜层的质量有着至关重要的影响。从电弧离子源方面入手，可以从根本上改善甚至消除大颗粒污染的问题。针对此问题，不同的研究人员提出了不同的解决方法和措施。专利CN89105513公开了一种磁控离子镀膜法。该专利以磁场控制的电弧燃烧使各种金属、合金等镀膜材料蒸发、电离，变成高能量、高密度的等离子体。但是，专利中的磁场为静态磁场，只能将弧斑约束在固定的轨迹上，加速弧斑运动。这种磁场控制方法会使弧斑在靶面刻蚀出一圈深坑，致使靶材利用率低。专利CN200510041821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。该专利通过偏压可调机械过滤结构，对金属液滴进行过滤，改善膜层上面的大颗粒污染问题。但是，该方法是在传输过程中阻隔大颗粒在膜层上的沉积，虽然改善了膜层质量，却无法提高靶材利用率，仍会在靶面刻蚀形成沟壑。专利CN201310729628公开了一种用于刀具涂层沉积的多功能全自动离子镀膜机及其使用方法。该专利中描述：使用动态电磁场驱动电弧源，可以有效抑制电弧离子镀蒸镀过程中产生的微液滴。文中提到的“动态电磁场”确实可以在一定程度上，通过磁场控制弧斑以靶面中心做径向的收缩、扩大的环状运动，以达到降低靶面局部高温、减少大颗粒数量的效果。但是，动态电磁场是多种多样的，会根据不同的扫描波形、扫面幅值和扫描频率产生不同的动态电磁场，也会根据不同的电磁线圈、永磁体的放置方式形成不同耦合电磁场。针对不同的靶材、气体，电磁线圈控制参数的最优值也会有所不同，这些在该专利中没有表述。
技术实现思路
本专利技术提供一种智能电弧离子源，通过水道冷却的形式和采用磁场控制弧斑的方式，可有效降低靶面温度，解决大颗粒污染，提高膜层质量。本专利技术提供一种智能电弧离子源，包括电磁线圈模块、靶材、水冷模块和永磁体模块，所述水冷模块包括铜阴极体、阴极体盖和通水螺纹杆，所述铜阴极体设有水冷通道，所述阴极体盖与铜阴极体固定连接且铜阴极体设置于阴极体盖的凹槽内，所述通水螺纹杆为中空的管体，通水螺纹杆一端穿过所述阴极体盖与所述铜阴极体的水冷通道相连通；所述阴极体盖通过连接件与所述电磁线圈模块相连接，所述靶材设置于电磁线圈模块与水冷模块之间且固定在铜阴极体上，所述永磁体模块固定在通水螺纹杆上。在本专利技术的智能电弧离子源中，所述电磁线圈模块包括带颈法兰、电磁线圈和线圈轴向固定法兰，所述带颈法兰固定在真空室内，电磁线圈放置在带颈法兰的颈部，所述线圈轴向固定法兰与带颈法兰在颈边缘处采用活套法兰结构固定。在本专利技术的智能电弧离子源中，所述永磁体模块包括磁钢、磁钢支架和极靴，所述磁钢由多个以圆周阵列的形式分布在磁钢支架内的铷铁硼强磁钢构成，所述极靴固定在磁钢支架的开口处以防止磁钢掉落。在本专利技术的智能电弧离子源中，所述连接件包括绝缘连接法兰和固定连接法兰，所述绝缘连接法兰与所述线圈轴向固定法兰相连接，绝缘连接法兰和线圈轴向固定法兰之间设有密封圈；所述固定连接法兰的螺栓穿过绝缘连接法兰的通孔与线圈轴向固定法兰连接，固定连接法兰和绝缘连接法兰之间设有密封圈，所述阴极体盖设在固定连接法兰的台阶上，固定连接法兰和阴极体盖之间设有密封圈，所述螺栓外套螺栓绝缘套。在本专利技术的智能电弧离子源中，所述通水螺纹杆外表面设有螺纹，所述永磁体模块以螺纹连接的形式固定在通水螺纹杆上，通过旋转可调整永磁体模块的位置，在所述永磁体模块下方设有永磁体定位螺母以固定永磁体模块。在本专利技术的智能电弧离子源中，所述靶材通过靶压环法兰固定在所述铜阴极体上，所述靶材设有凸缘，所述靶压环法兰压在凸缘上并通过螺钉与铜阴极体固定。在本专利技术的智能电弧离子源中，所述电弧离子源还设有辅助阳极罩和绝缘块，所述辅助阳极罩通过绝缘块固定在靶压环法兰上。在本专利技术的智能电弧离子源中，所述电弧离子源还包括引弧针模块，所述引弧针模块通过绝缘材料制成的引弧针模块法兰连接到固定连接法兰上；引弧针模块接地，电源负极通过接线螺母旋接在所述通水螺纹杆上，通水螺纹杆、阴极体盖、铜阴极体以及靶材都处于负电位。在本专利技术的智能电弧离子源中，所述电磁线圈模块的极性和永磁体模块的极性相反，所述电磁线圈模块和永磁体模块以圆形靶材的轴心线为轴成轴对称形式设置。在本专利技术的智能电弧离子源中，所述电弧离子源还包括可编程逻辑控制模块，所述电磁线圈根据可编程逻辑控制模块输入的控制参数的不同而改变电磁场的强度和方向，以实现对弧斑运动轨迹的控制。本专利技术的电弧离子源通过水道冷却的形式代替传统的大平面冷却，解决了冷却水滞留的问题，冷却较为均匀。从中心位置开始对靶材进行冷却，能有效的扼制靶面最高温处热量的累积，降低靶面温度，解决大颗粒污染，提高膜层质量。同时采用磁场控制弧斑的方式，防止弧斑随机运动在靶面造成热量累积。附图说明图1本专利技术的智能电弧离子源的结构示意图；图2本专利技术的智能电弧离子源的水冷模块的结构图；图3本专利技术的智能电弧离子源的铜阴极体的水冷通道的示意图；图4本专利技术的智能电弧离子源的扫描磁场的结构布置图；图5本专利技术的智能电弧离子源的扫描磁场的磁力线分布图；图6高速相机拍摄后用matlab处理的扫描弧斑轨迹图；图7a经本专利技术的智能电弧离子源在开启扫描磁场时镀得TiN膜层1000倍下扫描电镜形貌图；图7b经本专利技术的智能电弧离子源在不开启扫描磁场时镀得TiN膜层1000倍下扫描电镜形貌图；图8a扫描磁场下的靶面刻蚀示意图；图8b静态磁场下的靶面刻蚀示意图。具体实施方式本专利技术提供了一种智能电弧离子源，主要用于电弧离子镀膜过程中的靶材蒸发和离化。智能电弧离子源，通过可编程逻辑控制模块对电磁线圈施加激励后，电磁线圈模块和永磁体模块耦合形成轴对称的扫描磁场，之后开启水泵，使循环冷却水进入到铜阴极体内部，最后设定好靶电流和偏压，进行引弧，由磁场控制弧斑在全靶面运动，达到提高靶材利用率、提高沉积速率、减少大颗粒数量的目的，且电磁线圈产生的磁场对大颗粒具有一定磁过滤作用。下面通过附图和具体的实施例对本专利技术做进一步的详细描述。图1是本专利技术的智能电弧离子源的结构示意图，如图所示本专利技术的智能电弧离子源包括电磁线圈模块、靶材18、水冷模块和永磁体模块。水冷模块包括铜阴极体8、阴极体盖16和通水螺纹杆12，铜阴极体8设有水冷通道，阴极体盖16与铜阴极体8通过螺钉固定连接，且铜阴极体8设置于阴极体盖16的凹槽内，铜阴极体8和阴极体盖16之间设有O型密封圈进行密封。通水螺纹杆12为中空的管体，通水螺纹杆12焊接在阴极体盖16的中心孔中，通水螺纹杆12一端穿过阴极体盖16的中心孔与铜阴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能电弧离子源，其特征在于，包括电磁线圈模块、靶材、水冷模块和永磁体模块，所述水冷模块包括铜阴极体、阴极体盖和通水螺纹杆，所述铜阴极体设有水冷通道，所述阴极体盖与铜阴极体固定连接且铜阴极体设置于阴极体盖的凹槽内，所述通水螺纹杆为中空的管体，通水螺纹杆一端穿过所述阴极体盖与所述铜阴极体的水冷通道相连通；所述阴极体盖通过连接件与所述电磁线圈模块相连接，所述靶材设置于电磁线圈模块与水冷模块之间且固定在铜阴极体上，所述永磁体模块固定在通水螺纹杆上。

【技术特征摘要】
1.一种智能电弧离子源，其特征在于，包括电磁线圈模块、靶材、水冷模块和永磁体模块，所述水冷模块包括铜阴极体、阴极体盖和通水螺纹杆，所述铜阴极体设有水冷通道，所述阴极体盖与铜阴极体固定连接且铜阴极体设置于阴极体盖的凹槽内，所述通水螺纹杆为中空的管体，通水螺纹杆一端穿过所述阴极体盖与所述铜阴极体的水冷通道相连通；所述阴极体盖通过连接件与所述电磁线圈模块相连接，所述靶材设置于电磁线圈模块与水冷模块之间且固定在铜阴极体上，所述永磁体模块固定在通水螺纹杆上。2.如权利要求1所述的智能电弧离子源，其特征在于，所述电磁线圈模块包括带颈法兰、电磁线圈和线圈轴向固定法兰，所述带颈法兰固定在真空室内，电磁线圈放置在带颈法兰的颈部，所述线圈轴向固定法兰与带颈法兰在颈边缘处采用活套法兰结构固定。3.如权利要求1所述的智能电弧离子源，其特征在于，所述永磁体模块包括磁钢、磁钢支架和极靴，所述磁钢由多个以圆周阵列的形式分布在磁钢支架内的铷铁硼强磁钢构成，所述极靴固定在磁钢支架的开口处以防止磁钢掉落。4.如权利要求2所述的智能电弧离子源，其特征在于，所述连接件包括绝缘连接法兰和固定连接法兰，所述绝缘连接法兰与所述线圈轴向固定法兰相连接，绝缘连接法兰和线圈轴向固定法兰之间设有密封圈；所述固定连接法兰的螺栓穿过绝缘连接法兰的通孔与线圈轴向固定法兰连接，固定连接法兰和绝缘连接法兰之间设有密封圈，所述阴极体盖设在固定连接法兰的台阶...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺增，乔宏，王书豪，辛玉富，
申请(专利权)人：东北大学，沈阳添和毅科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21