[发明专利]内衬正偏压锥形管的多级磁场电弧离子镀方法

权利要求书

1.内衬正偏压锥形管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）、内衬正偏压锥形管装置（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，内衬正偏压锥形管装置（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，内衬正偏压锥形管装置（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%，偏压电源（1）输出波形为直流、单脉冲、直流脉冲复合或多脉冲复合；

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，电弧离子镀靶源（3）采用高熔点或低熔点的纯金属或多元合金材料，可以使用单个靶、多个靶或复合靶，进行纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜、多元多层、超晶格、具有纳米多层或梯度结构的薄膜；调节需要的工艺参数，弧电源（2）输出的电流值为10~300A，输出直流、单脉冲、直流脉冲复合或多脉冲复合；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），对内衬正偏压锥形管装置（6）保持直流正偏压，调整输出电压，使内衬正偏压锥形管装置（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；内衬正偏压锥形管装置（6）可以配合多级磁场装置（4）设计1级锥形管、2级锥形管、3级锥形管或者4级锥形管的结构和进出口布局，每级锥形管之间通过螺栓螺母连接固定，便于拆解组装和清理污染物；内衬正偏压锥形管装置（6）与多级磁场装置（4）之间活动绝缘连接，内衬正偏压锥形管装置（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，内衬正偏压锥形管装置（6）的长度H和多级磁场装置（4）的长度相同，内衬正偏压锥形管装置（6）右侧进口处的内径D_进大于电弧离子镀靶源（3）的外径，内衬正偏压锥形管装置（6）右侧的外径小于多级磁场装置（4）的内径，内衬正偏压锥形管装置（6）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，内衬正偏压锥形管装置（6）的材料可选择无磁性、耐清理的304不锈钢材料，可根据锥形管长度和刚度需要选择合适的厚度，按照实际设计参数加工即可；正偏压电源（7）的电压参数为0 ~ +200V，为直流电压，在沉积过程中可以对大颗粒缺陷产生持续稳定的吸引，大大减少大颗粒通过多级磁场装置（4）到达薄膜表面的机率；

内衬正偏压锥形管装置（6）通过施加正偏压可以对大颗粒进行有效吸引，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，进一步提高电弧等离子体的传输效率和薄膜的沉积速度；多级磁场过滤装置可以通过磁力线保证电弧等离子体的高效传输，改变大颗粒缺陷的运动路径来消除电弧等离子体中的大颗粒缺陷；内衬正偏压锥形管装置（6）可以通过自身形状实现机械阻挡屏蔽效应，限制大颗粒缺陷的运动路径来消除电弧等离子体中的大颗粒缺陷；通过脉冲偏压参数进行调整，包括幅值、脉冲宽度和频率实现对电弧等离子体能量的调节和对残留的大颗粒缺陷进行消除；所制备薄膜的微观结构和性能可以通过脉冲偏压参数进行调整，利用脉冲偏压的幅值、脉冲宽度和频率实现高能离子对薄膜生长的钉扎效应，改善薄膜生长的晶体组织和应力状态，提高结合强度；所制备的薄膜避免了大颗粒缺陷，薄膜晶体组织更加致密，可以进一步提高薄膜的力学性能；

内衬正偏压锥形管的多级磁场电弧离子镀方法所使用装置还包括偏压电源波形示波器（9）用于显示偏压电源（1）发出的脉冲电压和电流波形，通过调整偏压电源（1）的输出波形，对镀膜离子进行有效的吸引，进行薄膜的沉积和控制沉积靶材在薄膜中的比例，实现对等离子体能量的调节；

步骤三、可以结合采用传统直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、传统电弧离子镀和脉冲阴极弧与直流偏压、脉冲偏压或直流脉冲复合偏压进行薄膜沉积，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的薄膜；

反复执行步骤一至步骤二，采用2套或多套该系统来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的薄膜；

内衬正偏压锥形管的多级磁场电弧离子镀方法可以在锥形管装置中利用施加的正偏压对大颗粒进行吸引，有效避免低熔点材料所产生的大颗粒问题；同时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；内衬正偏压锥形管装置（6）通过出口处的内径D_出调节，可以实现对大颗粒缺陷的机械阻挡屏蔽，减少大颗粒通过出口处到达沉积样品表面的概率；内衬正偏压锥形管装置可以实现快速拆卸安装，避免了无衬板状态下多级磁场装置（4）的管内壁污染清理的问题；通过调整工件上所施加负偏压参数，有利于改善靶基之间等离子体的区间电势分布，充分吸引复合等离子体向工件运动，实现薄膜的快速沉积；同时还利用电弧离子镀技术的产生稳定持续、离化率高的金属等离子体，有利于高离化率离子在工件表面的化学合成反应，制备不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜、多元多层、超晶格和具有梯度结构的薄膜或纯金属薄膜。

2.根据权利要求1所述的内衬正偏压锥形管的多级磁场电弧离子镀方法，其特征在于，工作气体选用氩气，或工作气体选用氮气、乙炔、甲烷、硅烷或氧气中一种或多种的混合气体，可以单套或者2套以上电弧离子镀靶源（3）、多级磁场装置（4）和内衬正偏压锥形管装置（6）组合的内衬正偏压锥形管的多级磁场电弧离子镀方法以各种纯金属元素和多元合金材料为靶材的薄膜沉积，制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有不同应力状态、微观结构和元素比例的纳米多层或梯度结构的薄膜。