[发明专利]一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置

说明书

技术领域

本发明属于材料表面改性领域，具体为一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，用以提高弧斑运动速度，减少靶材表面大颗粒发射，提高薄膜的沉积速率与沉积均匀性。

背景技术

电弧离子作为工业应用最为广泛的物理气相沉积（PVD）技术之一，由于其离化率高，入射粒子能量高，绕射性好，可实现低温沉积等一系列优点，使电弧离子镀技术得到快速发展并获得广泛应用。但是由于电弧离子镀中大颗粒的存在，严重影响了涂层和薄膜的性能和使用寿命。因此有关如何解决阴极电弧镀中大颗粒问题对阴极电弧的发展影响很大，成为阻碍电弧离子镀技术更深入广泛应用的瓶颈问题。而磁过滤技术是在等离子体传输过程中将大颗粒排除掉的方法，是等症状出现以后用来治标而不治本的方法，因此是一种消极的方法。

真空电弧放电实际上是一系列电弧事件，电弧阴极斑点及弧根的运动决定了整个电弧的运动，相邻弧斑的次第燃起和熄灭构成了弧斑的运动。尽管对弧斑内部结构还没有确切了解，但为了提高放电过程稳定性及沉积薄膜质量，必须对弧斑运动进行合理的控制。而弧斑的聚集与运动速度过慢是阴极靶材表面产生大颗粒发射的主要原因。目前的电弧离子镀技术主要是采用在靶材附件施加磁场来控制弧斑的运动，以提高电弧放电稳定性。

中国专利200810010762.4公开了一种新的电弧离子镀装置（多模式可编程调制的旋转横向磁场控制的电弧离子镀装置），通过在靶材附近设置一个多模式可编程调制的旋转横向磁场发生装置，利用该装置产生的旋转横向磁场来改善弧斑的放电形式和工作稳定性，减少靶材表面大颗粒的发射。尽管利用该装置沉积的薄膜表面大颗粒明显减少，但是不同位置处薄膜的沉积均匀性仍有待改善。中国专利200710158829.4公开了一种磁场增强的电弧离子镀沉积工艺，通过设置两套磁场发生装置，一套放置于靶材后面，另一个放置于真空室内，通过两套耦合的磁场发生装置产生的耦合磁场辅助对基体进行沉积。利用该工艺使得薄膜表面大颗粒明显减少，薄膜沉积均匀性也有改善，但是在真空室内设置的电磁场线圈在电弧等离子体空间易发生电荷累积及薄膜沉积过程中带来的高温烘烤，其稳定性大大降低。因此既要通过磁场控制弧斑运动以减少靶材表面大颗粒发射，又要解决等离子体传输过程中的均匀性仍存在一定困难。

发明内容

为了解决以上问题，本发明旨在提供一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，用以提高弧斑运动速度，减少靶材表面大颗粒发射，提高薄膜的沉积速率与沉积均匀性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，该电弧离子镀装置设有靶材、旋转横向磁场发生装置、两套轴向磁场发生装置、真空室；真空室内设置工件台、靶材，靶材正面与工件台相对；旋转横向磁场发生装置放置于真空室外，套在靶材外侧的法兰或支撑圆筒上，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护；轴向磁场发生装置一套放置于靶材后面，由放置于靶材后面的电磁线圈组成；轴向磁场发生装置另一套置于等离子体传输通道的真空室外侧的法兰或支撑圆筒上，由电磁线圈组成，与法兰或支撑圆筒之间通过绝缘保护。

所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，旋转横向磁场发生装置为采用相差一定均匀角度、相互连接在一起的磁极均匀分布于同一圆周上，磁极数量为4n或者3n，n≥1，形成一个整体的电磁回路骨架，励磁线圈镶嵌在相邻磁极之间的插槽间隙内或者套在磁极上，采用相位差为90°的两相或者相位差为120°的三相励磁顺序供电，在磁极包围的空间内产生可调的旋转横向磁场。

所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，轴向磁场发生装置由电磁线圈组成，或者由单个或两个以上永磁铁组合磁轭组成；置于靶材后面的轴向磁场发生装置由电磁线圈组成，并在电磁线圈法兰或支撑圆筒轴向中心设置镀镍纯铁作为铁芯。

所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，旋转横向磁场发生装置中，电流的频率通过变频器调节，电压的大小通过调压器调节，在磁极包围的空间内、靶面上产生速度可调、强度可调的旋转横向磁场，速度通过励磁电流频率调节，强度通过励磁电流大小调节。

所述的旋转横向磁场耦合轴向磁场辅助电弧离子镀装置，旋转横向磁场发生装置为磁极均匀分布在主体导磁通道上，形成一个整体的电磁回路骨架，骨架采用高导磁率的电工纯铁或者叠加的冲压硅钢片制作的骨架；励磁线圈镶嵌在相邻磁极之间的插槽间隙内或者套在磁极上，与磁极个数相同的励磁线圈安装在磁极上，形状和磁场的形状相同，励磁线圈与骨架之间通过绝缘保护。