[发明专利]大电流多弧斑受控真空电弧蒸发源

说明书

本发明提出的大电流多弧斑受控真空电弧蒸发源属于薄膜沉积设备。它是真空电弧离子镀膜机中的核心部件。

这种受控真空电弧蒸发源应用于离子镀膜技术，即可在各种材料上镀上一层金属氮化物，金属碳化物、金属氧化物和金属碳氮化物硬质薄膜，或多元合金薄膜，以提高材料表面的耐磨、耐腐蚀、耐高温氧化等性能;还可用以镀表面装饰膜或其它功能性的薄膜。

真空电弧离子镀膜是当今一种先进的离子镀膜技术。这种技术是依靠在真空镀膜室中所产生的真空电弧弧斑的局部高温，使作为靶极的阴极材料瞬时蒸发和离化，产生电离度高而离子能量大的等离子体，在工件上加上负电位，即可在工件加热温度比较低的条件下，在工件表面上镀上一层硬度高、组织致密而附着力强的各种硬质薄膜。

人们最初采用自由真空电弧蒸发源，即真空电弧的弧斑在阴极表面上是随机运动的，其缺点是容易在被镀工件上产生固化金属液滴。1985年美国S.Ramalingam提出采用提高弧斑旋转速度以抑制金属液滴的概念，起到了抑制金属液滴的效果。然而单纯使弧斑在阴极表面上旋转，会使阴极表面的烧蚀很不均匀。围绕着解决抑制金属液滴和提高阴极表面烧蚀均匀性之间的矛盾，国际上曾提出过几种不同结构形式的受控真空电弧蒸发源。

美国Minnesota大学S.Ramalingam等人于1987年的美国专利4673477和1989年的美国专利4839011中，提出了一种机械-磁场联合扫描的圆形阴极的受控电弧蒸发源。是用放置在阴极底部的永磁体磁场，使阴极弧斑在阴极表面上作圆形轨迹运动，并将永磁体在阴极底下作偏心旋转，以达到弧斑在阴极上全面扫描的目的。

美国Vac-Tec    Systems公司的C.F.Morrison于1988年的美国专利4724058中，提出了一种采用脉冲控制式线圈磁体和矩形阴极结构的受控真空电弧蒸发源。采用脉冲电源对磁场线圈供电，以产生脉冲磁场。在脉冲作用的时间内，弧斑在阴极表面沿某一封闭路径运动;在脉冲停歇时间，弧斑在阴极表面上仍然为自由运动。使得在每一脉冲周期内，弧斑在阴极表面上自由运动向着某一确定的封闭路径扫描，以实现对阴极表面上的弧斑运动进行控制。

美国的S.Ramalingam于1989年的国际专利WO089/01699中，又提出了一种复合磁场和厚阴极结构的受控真空电弧蒸发源。这种蒸发源的复合磁场，是采用一个主磁场线圈，并外加一个辅助磁场线圈，或者由一个电磁线圈和永磁体组合的复合磁场;阴极则采用一个圆形的单金属厚阴极，或在圆形阴极外边套一个环形阴极，或在圆形阴极上嵌入其它金属的复合阴极，用以镀多元合金薄膜。依靠调节线圈的直流电流来控制弧斑在阴极表面上的运动轨迹。

此外，联邦德国Interatom公司的E.Erturk等（Surface    and    Coatings    Technol.39/40，1989）还提出了用直线位移的永磁体扫描控制弧斑轨迹，也是一个类似上述机械-磁场联合扫描的受控电弧蒸发源。

上述的几种受控真空电弧蒸发源中，机械旋转永磁体和圆形阴极结构的受控电弧蒸发源可以一定程度地起到抑制金属液滴的作用，也能达到一定程度的阴极烧蚀均匀性，然而这几种蒸发源的结构比较复杂，工作可靠性和稳定性较差，不适于在工业生产上应用。脉冲控制式线圈磁体和矩形阴极结构的受控真空电弧蒸发源，其弧斑运动速度不高，不能有效地起到抑制金属液滴的作用;阴极表面的烧蚀均匀性也不理想，影响了阴极材料利用率的提高，这对大面积矩形阴极来说，会使制作和更换阴极的成本提高，抵消了采用大面积阴极应用于生产上的优越性。

在WO/01699中提出的复合磁场和厚阴极结构的受控真空电弧蒸发源，依靠线圈中的电流，原则上可以控制弧斑在阴极表面上的运动轨迹，能抑制蒸发源金属液滴产生和提高阴极表面的烧蚀均匀性。但这种蒸发源采用复合磁场，结构比较复杂，而且在该专利中，除提到阴极采用直径为200-300mm（或更大）的数据外，没有提出可供实施这种受控真空电弧蒸发源的具体结构和任何其它参考的运行参数实例。

到目前为止，所提出的各种受控真空电弧蒸发源，虽然在减少或基本消除金属液滴和提高阴极表面烧蚀均匀性方面，取得了一定效果，然而仍存在以下两个方面的缺点：（1）蒸发源都是建立在单个弧斑旋转工作的基础上的，因而工作电流仍然比较小，虽然抑制了金属液滴的产生，却因弧斑旋转带来的镀膜沉积速率有些下降，使镀膜生产效率受到一定影响;（2）蒸发源结构比较复杂，制作成本高，运动可靠性也会受到一定影响。鉴于上述两点，仍然难以取代现有商品化离子镀膜机中所采用的自由电弧蒸发源。