[发明专利]一种直流复合双极性脉冲进行细长管筒内磁控溅射的方法

说明书

一种直流复合双极性脉冲进行细长管筒内磁控溅射的方法，它属于磁控溅射镀膜领域。它解决了现有管筒件内放电难，稳定性差，膜层质量差的问题。本发明中待镀管和柱状靶分别接电源正极和负极，在二者之间进行二极放电。放电电源采用直流复合双极性脉冲电源，放电模式可在直流、脉冲、双极性脉冲以及直流复合双极性脉冲的放电模式中进行切换，通过直流部分增强放电稳定性和沉积速率；通过负脉冲放电增强离化，为后续正脉冲的牵引做准备；通过正脉冲牵引等离子体中离子加速向待镀管运动，对膜层进行轰击夯实，改善膜层质量，最终实现细长管筒内壁快速、高质量的磁控溅射膜层制备。本发明适用于细长管筒内壁磁控溅射镀膜领域。

技术领域

本发明属于磁控溅射镀膜领域，具体涉及一种直流复合双极性脉冲进行细长管筒内磁控溅射的方法。

背景技术

磁控溅射技术以沉积温度低，膜层质量好等特点广泛应用于医疗、石油化工、电力工程以及海洋工程等表面强化领域。如在医疗领域，人造关节表面制备DLC膜层可以调节其亲水性并降低摩擦系数，极大提高材料的使用寿命；在材料表面制备TiN膜层不仅可以提高材料耐磨性，还可以通过调节膜层成分得到各种颜色，提高工件的美观性；在刀具表面制备TiN、TiAlN等膜层，可以提高刀具硬度的同时，增加其耐磨性，延长使用寿命，提高刀具性能。

在以上应用中，膜层主要在材料外表面进行制备。这并不意味着在材料内表面膜层需求低，相反在实际应用中，薄膜在材料内表面尤其是管筒件的内表面拥有着广阔应用前景，例如在化工行业，大量的管道被用于高温腐蚀性化工介质的输送，相对于外表面，管道内表面成为管筒材料失效的首发位置。在其内表面制备耐高温和腐蚀的膜层将极大提高其使用寿命。但由于管筒内空间有限，长径比大，内壁防护研究进展缓慢。目前所采用的管筒材料内壁防护方法主要为添加衬管或采用电镀的方法。前者在焊接接头会形成薄弱点，而后者则膜层质量较差，同时会造成较大环境污染。因此大力发展磁控溅射技术在管筒材料内壁镀膜的应用变得十分有意义。

在细长管筒件内壁沉积膜层的主要难点在于：1.口径较小的管口对于外部等离子体的屏蔽作用，外部等离子体源产生的等离子体只能通过管口进入内部，随管筒件长径比增加，等离子体在其内部分布均匀性急剧降低，难以实现膜层有效、均匀制备。2.管筒件口径限制了等离子体在管筒内部生成；如内径40mm的管材，其内部放电的极限靶基距通常仅为十几毫米。管内空间小，无法施加额外的电极结构，只能采用二极放电结构。

常规直流二极放电粒子能量较低，而双极性放电过程中的正向脉冲利用待镀管作为阴极牵引离子，实现对膜层的轰击，改善膜层质量。在窄间距放电过程中，等离子体耗散非常快，双极性放电稳定性差，容易打火和灭辉。将直流的高沉积速率和高放电稳定性以及双极性放电的高离化率和高粒子能量结合起来，应用于细长管筒内镀膜，具有良好的应用前景。

发明内容

本发明针对现有细长管筒件内镀膜过程中放电难，稳定性差，膜层质量差的问题，而提供一种直流复合双极性脉冲进行细长管筒内磁控溅射的方法。

一种直流复合双极性脉冲进行细长管筒内磁控溅射的方法，基于现有二级放电磁控溅射方法，该方法在磁控溅射过程中的电源采用直流复合双极性脉冲电源，所述直流复合双极性脉冲电源包括直流供电、负脉冲供电以及正脉冲供电三部分，可单独控制实现每部分的通断，三部分通过单片机结合半导体开关桥式电路进行控制，同一周期内负向脉冲和正向脉冲共同组成双极性脉冲，负向脉冲和正向脉冲交替分布，同一脉冲周期内可存在N个负向脉冲和M个正向脉冲，其中N＝0，1，2，……，100；M＝0，1，2，……，100，直流供电在双极性脉冲作用期间关断，在脉冲间歇导通；

进一步的，所述直流供电的电流值范围为0-100A，供电电压范围为0-2000V；

进一步的，所述双极性脉冲的正负脉冲脉宽和电压可进行单独控制，频率范围为0-50kHz；

进一步的，所述双极性脉冲的周期内首个脉冲为负脉冲，正负两种脉冲脉宽范围为0-1ms，电压范围为0-2000V；