脉冲辅助过滤电弧沉积薄膜装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术属涉及表面多弧离子镀膜装置和方法。它包括在真空室内装有通入反应气体用的机构和安装蒸发源靶，真空系统连接在真空室，真空腔接地为阳极；直流电源的阴极与蒸发源靶相连接，阳极与真空腔连接接地；在真空室底部有一支架，支架下有加热元件并连接加热电源，还包括一个磁场电源，和在电弧蒸发源靶下方安置磁场线圈；磁场电源与磁场线圈电连接，一磁场直流电源和脉冲电源各自一端连接一开关，另一端与蒸发源靶的直流电源电连接，又与真空腔连接接地，开关一端与工件电连接。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属涉及表面沉积技术，尤其涉及多弧离子镀膜的装置和方法。多弧离子镀膜技术源于前苏联，七十年代美国授权了多项电弧离子镀膜技术的相关专利。其基本原理是以真空室为阳极，以欲镀材料作为阴极安装在真空室壁上，用与阳极等电位的引弧针与表面瞬时接触拉开，引发电弧放电。在一定真空度范围引发所形成的点电弧，能在靶表面形成自持的、作随机运动的电弧斑点。这种电弧弧斑的直径约为0．1-100μm，运动速度约100m／S，电流密度约为102-108A／cm2，弧斑所处点温度可达8000-10000K，使靶材直接从固态汽化并电离，发射出电子、离子、原子和熔融的靶材微粒(又称大颗粒或液滴)，这些粒子在负偏压的作用下在工件表面沉积形成薄膜。如果真空室内充入反应气体，则可沉积化合物薄膜。多弧离子镀膜技术的主要特点是一是靶材料蒸发速率高，因而可获得较大的薄膜沉积速率；二是靶材料的离化率高，通常可达60％-95％，利于与通入气体反应形成化合物薄膜；三是发射粒子的能量高，在几十电子伏特，在负偏压作用下可达几百电子伏特，极大提高了薄膜的均匀性和附着力。同时由于靶材安放的灵活性、结构的简洁性，特别是无环境污染，使其在耐磨工具涂层、耐蚀零件及材料装饰镀等领域获得应用。然而“液滴”的存在严重阻碍了多弧离子镀膜技术向更广泛的领域扩展应用。“液滴”是伴随电子和离子共同从阴极发射出来的大颗粒，其数量较多，尺寸较大，沉积到薄膜之中对部分涂层工具并不一定影响其性能。然而，对光学薄膜、微电子薄膜和日益发展的高精度刀具、模具而言，一个大颗粒尺度往往就超出了其精度偏差的要求；对高档装饰件，大颗粒的存在直接影响其表面光洁度；对耐腐蚀涂层，大颗粒处的薄膜往往存在孔隙，腐蚀介质从孔隙渗入，直接腐蚀基体引起薄膜脱落，不能充分体现薄膜本身良好的耐腐蚀性。“大颗粒”问题还使靶材消耗过大，利用率下降，成本提高。因而“大颗粒”的存在成为限制多弧离子镀膜技术发展的瓶颈问题。为了解决多弧离子镀膜技术的“大颗粒”问题，消除“大颗粒”对薄膜性能的影响，研究人员提出了许多解决和改善的方法。S．Ramalingam等人(S．Ramalingam，et al．，Controlled vacuum arc material deposition，method and apparatus，United States Patent，No．4，673，477，1987)设计了一种可控电弧的阴极装置，主要特征是在靶背部采用电动机带动的偏心的永久磁铁旋转，使靶面上的弧斑按照设计的路线，均匀、有序地运动。I．I．Aksenov等人(I．I．Aksenov，V．A．Belous，etal．，Apparatus to rid the plasma of a vacuum arc of macroparticles，Instrum．Exp．Tech．，Vol．21，1978，1416)提出了弧线型过滤装置，基本的特点是在靶材料发射出的粒子进入真空室之前，通过一弧线型磁场通道，一方面通过弧型通道阻止“大颗粒”进入真空室，另一方面通过旋转的带电粒子与“大颗粒”碰撞达到击碎的目的尽管该方法可有效地减低“大颗粒”的数量，但设备结构的复杂性和沉积速率的严重降低，使其难以在实际应用中推广使用。B．F．Coll，D．M．Sanders，Design of vacuum arc-based sources，Surf．Coat．Tech．，Vol．81，1996，42-51)等人设计了一种直线型磁场主要特点是过滤装置在阴极表面形成的磁场将影响弧斑的运动，并将弧斑分裂细化使其加速，从而缩短了弧斑在一个位置上的停留时间，降低了每个弧斑的电流密度，减少了“大颗粒”的发射。同时磁场使带电粒子旋转增加碰撞机会，使“大颗粒”击碎，“大颗粒”尺寸和数量都能减少。但仍有部分“大颗粒”穿过磁场沉积到基板上。本专利技术的目的是消除多弧离子镀技术中的“大颗粒”问题，减少靶材的消耗，降低成本；为了提高镀膜质量，从而提供一种制备出沉积膜本身具有良好耐腐蚀性、表面光洁度好的。本专利技术的目的是这样实现的本专利技术提供的脉冲辅助过滤电弧沉积薄膜装置包括电弧蒸发源靶、通入反应气体用的机构、电源、支架、加热元件、加热元件用电源、真空系统，其中在可容纳工件的真空室中装有通入反应气体用的机构，和真空室通过真空管连有真空系统，真空室室壁上安装至少一个欲镀材料的电弧蒸发源靶，真空室室壁接地为阳极；直流电源的阴极与蒸发源靶相连接，阳极与真空室室壁连接接地；在真空室底部有一具有公转和自转的支架，支架上放置工件，真空室有向工件提供加热的机构，加热机构与真空室外的加热电源电连接，其特征在于还包括一个磁场电源，和在真空室内电弧蒸发源靶下方安置至少一个磁场线圈；磁场电源与磁场线圈电连接，以及一直流电源和脉冲电源，直流电源和脉冲电源各自一端连接一开关，开关一端与工件电连接，直流电源和脉冲电源另一端与蒸发源靶相连接的直流电源一起与真空室室壁连接接地。其中安置电弧蒸发源靶前的磁场线圈可带软磁芯，也可是空气间隙；磁场电源提供给磁场线圈是直流、交流或脉冲电流，并可迭加，磁场线圈的安放位置保证真空室具有最大有效空间；磁场电源组包括脉冲电源和直流电源，直流电源向磁场线圈提供直流电压，脉冲电源向磁场线圈提供脉冲电压，既可单独提供脉冲电压或直流电压，又可迭加脉冲电压和直流电压。其中工件偏压有由一直流电源和一脉冲电源提供，二者均与开关相连，既可单独提供脉冲偏压，又可单独提供直流偏压，也可迭加脉冲偏压和直流偏压。本专利技术提供的使用脉冲辅助过滤电弧沉积薄膜装置进行电弧沉积薄膜的方法，依下列步骤进行前级泵和扩散泵组成的真空系统使真空室达到一定的真空度，通过气体控制系统向真空室中通入惰性气体和反应气体，利用外加热系统使工件加热到一定温度，通过直流电源和脉冲电源对工件施加偏压，对置于电弧阴极前端的磁场线圈用直流电源施与适当的电流，开启电弧阴极电源，引燃电弧，阴极电弧斑点发射出金属离子、原子和原子团，通过磁场通道空间，在磁场和负偏压的共同作用下，原子团和原子进一步分解离化，向工件表面运动，金属离子与反应气化合在工件表面形成化合物薄膜。在不通入反应气时则形成金属薄膜。在该方法中所使用真空室的极限真空度不低于1×10-3Pa，通入惰性气体(如氩气)和反应气体，反应气体可以是氮气、乙炔气、甲烷气、乙硼烷和氧气及其它所需反应气体，其气体压力在0．1-10Pa范围内变动；工件加热温度可在室温到500℃连续可调；直流偏压电源电压在0-2000V连续可调，脉冲偏压电源电压在0-1200V可调，占空比在0-100％范围内连续可变；磁场线圈电流在0-50A范围内变化；电弧阴极的材料可以是钛、铬、锆、镍、铌、钨、钼、钽钒、铜、铝和铪等各种金属的单质或合金，各种靶材可在真空室中单一或混合布置，直流电源提供电弧阴极的电流在0-200A可调。本专利技术的装置中在多弧离子镀靶阴极前端的真空室内或外部，加直线型磁场，磁场由漆包线缠绕而产生，在线圈内部可安装一个带有空气间隙的软磁芯，以优化和增强磁场。该装置在等离子体通道内产生一个强而狭长的瓶颈型磁场，同时在二件阴极与真空室壁阳极之间加一脉冲电源。减少发射、通道过滤和碰撞击碎的综合作用达本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲辅助过滤电弧沉积薄膜装置，包括电弧蒸发源靶、通入反应气体用的机构、电源、支架、加热元件、加热元件用电源、真空系统，其中在可容纳工件的真空室中装有通入反应气体用的机构，和真空室通过真空管道连接有真空系统，真空室室壁上安装欲镀材料的电弧蒸发源靶，真空腔接地为阳极；直流电源的阴极与蒸发源靶相连接，阳极与真空腔连接接地；在真空室底部有一具有公转和自转的支架，支架上放置工件，真空室有向工件提供加热的机构，加热机构与真空室外的加热电源电连接，其特征在于：还包括磁场电源，和在真空室内电弧蒸发源靶下方安置至少一个磁场线圈；磁场电源与磁场线圈电连接，以及一磁场直流电源和脉冲电源，磁场直流电源和脉冲交流电源各自一端连接一开关，开关一端与工件电连接，磁场直流电源和脉冲交流电源另一端与蒸发源靶相连接的直流电源电连接，又与真空腔连接接地。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张勇，曹尔妍，李成明，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]