專利名稱：一種少液滴電弧靶及帶少液滴電弧靶的等離子涂層系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種少液滴電弧靶及帶少液滴電弧靶的等離子涂層系統(tǒng)。屬于真空電弧離子鍍技術領域。
背景技術：
電弧離子鍍技術，由于具有設備結構較簡單，陰極靶既是陰極材料的蒸發(fā)源，又是離子源；離化率高(一般可達60% 80% )，沉積速率高；入射離子能量大，膜/基結合力高，涂層質量好等優(yōu)點，因而應用面廣，實用性強，作為硬質膜涂層手段，在刀具和各種工模具上已獲得愈來愈廣泛的應用。然而，現(xiàn)有的電弧離子鍍系統(tǒng)，其鍍制的涂層中存在大顆粒 (macroparticles, microdroplets)污染，使涂層表面粗糙，孔隙率增加，涂層性能不穩(wěn)定， 這在一定程度上制約了電弧離子鍍硬質涂層在精密工模具和高檔零件上的應用。電弧離子鍍技術是基于冷陰極真空弧光放電理論的一種沉積技術。按照這種理論，沉積粒子(原子、離子)的遷移主要借助于場致電子發(fā)射和正離子流，這兩種機制同時存在，而且相互制約。在電源啟動后，引弧電極在與陰極靶表面接觸與離開的瞬間引燃電弧。一旦電弧被引燃，低壓大電流電源將維持陰極和陽極之間弧光放電過程。在放電過程中，陰極材料大量蒸發(fā)和離化，所產生的部分正離子被吸引在陰極表面附近很小的范圍內， 現(xiàn)成空間電荷層，由此產生強電場，使陰極表面功函數(shù)小的點開始場電子發(fā)射。在個別發(fā)射電子密度高的點，電流密度高，所產生的焦耳熱使表面溫度升高又產生熱電子發(fā)射，這種正反饋作用導致電流局部集中。電流局部集中所產生的焦耳熱使陰極材料局部微區(qū)爆發(fā)地等離子化，發(fā)射電子和離子，同時也放出熔融的陰極材料粒子(稱顆粒或液滴)，然后留下放電痕跡。這些放電微區(qū)通常稱為弧斑。而部分發(fā)射出的離子被吸引回陰極表面區(qū)附近的空間中，又形成新的空間電荷層，產生新的電場，又使新的功函數(shù)小的點開始發(fā)射電子。上述過程反復進行。弧斑不斷形成又消失，它在陰極表面迅速遷移。對離子鍍涂層顆粒的形貌，已有不少研究者進行過仔細的觀察。一般認為，顆粒是陰極靶熔融的物料，從陰極弧斑微熔池噴射出來的液滴所形成，在空間呈球狀，固化在基材表面時變得扁平，常呈鵝卵狀或球狀顆粒。其大小不等，尺度從零點幾微米到十幾微米，個別的達幾十微米。既然顆粒是陰極靶熔融所產生，那必然與熔融的溫度有關，熔融的溫度越高，產生的顆粒就越多越大。傳統(tǒng)的陰極靶起弧后的弧斑一般是呈現(xiàn)不規(guī)則的自由運動，運動速度較慢，導致弧斑停留在陰極靶表面某一點的時間較長，靶面該點熔融的溫度較高，因此顆粒就越多越大。現(xiàn)有技術中的電弧蒸發(fā)源存在金屬顆粒大、沉積膜層質量差、對靶材的利用率較低以及結構復雜、安裝調節(jié)麻煩、冷卻效果差的缺點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的第一個目的，是為了解決現(xiàn)有技術中的真空電弧離子鍍設備制備的涂層中金屬顆粒大、沉積膜層質量差、對靶材的利用率較低以及結構復雜、安裝調節(jié)麻煩、冷卻效果差的缺點，提供一種少液滴電弧靶，它能夠顯著減少電弧離子鍍大液滴的產生，并且使陰極靶表面均勻地燒蝕，有效提高靶材的利用效率。本發(fā)明的第二個目的，是為了提供一種帶少液滴電弧靶的等離子涂層系統(tǒng)，它具有結構簡單合理，安裝調節(jié)方便、冷卻效果好的特點。本發(fā)明的第一個目的可以通過采取如下技術方案達到一種少液滴電弧靶，其特征是在陰極靶的背面設有水冷座，從水冷座的入水口處延伸出一段冷卻水管，在水冷座的內腔或冷卻水管的表面設置有永磁體電磁元件，在所述永磁體電磁元件的背面設有大電磁線圈，大電磁線圈連接有可編程直流電源；冷卻水管連接有弧電流源；大電磁線圈套接在冷卻水管上；大電磁線圈產生的磁場極性與所述永磁體電磁元件的極性必須相反，在陰極靶表面形成由永磁體電磁元件與大電磁線圈兩者產生的疊加磁場，該磁場強度隨大電磁線圈的電流周期變化而變化，相應地陰極靶的陰極弧斑的運動半徑隨之而周期變化。本發(fā)明的一種實施方案是在陰極靶表面形成由永磁體電磁元件與大電磁線圈兩者產生的疊加磁場，疊加磁場為拱形彎曲磁場B，該拱形彎曲磁場由相對于陰極靶面的平行磁場Bl和垂直磁場B2兩個分量疊加而成，即B = B1+B2。。本發(fā)明的一種實施方案是永磁體電磁元件由永久磁鐵或小電磁線圈構成。本發(fā)明的第二個目的可以通過采取如下技術方案達到一種帶少液滴電弧靶的等離子涂層系統(tǒng)，其特征是1)由少液滴電弧靶、真空室、真空泵組、工作轉盤、工藝氣體和偏壓電源構成；2)少液滴電弧靶的陰極靶及其水冷座位于真空室的內側，少液滴電弧靶的大電磁線圈、可編程直流電源、弧電流源及從水冷座的入水口處延伸出的冷卻水管位于真空室外側，少液滴電弧靶的永磁體電磁元件位于真空室的內側或外側；永磁體電磁元件可由永久磁鐵或小電磁線圈構成；3)設置在真空室內腔的工作轉盤，連接偏壓電源的輸出端；真空泵組的抽氣口連通真空室的內腔，工藝氣體通過管道與真空室進行連接。本發(fā)明的第一個目的還可以通過采取如下技術方案達到本發(fā)明的一種實施方案是所述水冷座包括靶座水套、與靶座水套的內腔連通的冷卻水管；靶座水套安裝在真空室中，冷卻水管穿過真空室的側壁向外伸出、并與外部冷卻水接口連通，冷卻水管與弧電流源連接；陰極靶固定在靶座水套的右端開口處；永久磁鐵安裝在位于真空室內的靶座水套的內腔中；或者是永久磁鐵或小電磁線圈安裝在位于真空室外的冷卻水管上。本發(fā)明的一種實施方案是靶座水套的內腔分隔成相互連通的前水冷腔和后水冷腔；靶座水套的通過靶體安裝法蘭與真空室側壁上的接口法蘭密封固定連接；冷卻水管由進水管和出水管構成；進水管的一端與前水冷腔連通、其另一端穿過真空室側壁與外部冷卻水管接口連接，出水管的一端與后水冷腔連通、其另一端穿過真空室側壁與外部冷卻水管接口連接。本發(fā)明的一種實施方案是在進水管或出水管上設有與弧電流源連接的接線端子。本發(fā)明的一種實施方案是靶座水套上位于陰極靶的側面設有屏蔽罩。
本發(fā)明的一種實施方案是所述永磁體電磁元件通過調節(jié)螺絲安裝在靶座水套的后冷水腔中。本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明所述的少液滴電弧靶通過在陰極靶后面安裝一組永磁體電磁元件或小電磁線圈，能夠加快弧斑的運動速度，顯著減少電弧離子鍍大液滴的產生；通過在永磁體電磁元件或小電磁線圈的后面，再安裝一個大電磁線圈，通過可編程直流電源在電磁線圈上加入特殊周期變化的直流電流，其產生的磁場極性與永磁體電磁元件的極性相反，通過線圈周期變化電流可以改變由永磁體電磁元件產生的拱形磁場半徑，并呈現(xiàn)周期性變化，從而使得陰極靶表面的弧斑的運動速度加快，顯著減少電弧離子鍍大液滴的產生，并且使陰極靶表面均勻地燒蝕，充分利用靶材。2、本發(fā)明的靶座水套包括前水冷腔和后水冷腔，靶座水套的進水管和出水管穿過真空室的側壁與外部冷卻水管連接；大電磁線圈安裝在真空室外面的進水管上，永磁體電磁元件或小電磁線圈可以根據(jù)需要選擇安裝在位于真空室內的靶座水套的后水冷腔中，或者是安裝在位于真空室外面的冷卻水管上。因此，本發(fā)明具有結構簡單合理，安裝調節(jié)方便、冷卻效果好的優(yōu)點。同時，可以通過調節(jié)螺絲來調整永磁體電磁元件的軸向位置，使陰極弧斑的運動半徑在合適的范圍。通過本發(fā)明的陰極靶，其表面可以很均勻燒蝕，利用率很尚ο


圖1是本發(fā)明具體實施例1所述的帶少液滴電弧靶的等離子涂層系統(tǒng)的結構示意圖。圖2是本發(fā)明具體實施例1所述的一種少液滴電弧靶的結構示意圖。圖3是本發(fā)明具體實施例2所述帶少液滴電弧等離子涂層系統(tǒng)的結構示意圖。圖4是本發(fā)明具體實施例3所述帶少液滴電弧等離子涂層系統(tǒng)的結構示意圖。圖5是本發(fā)明具體實施例4所述帶少液滴電弧等離子涂層系統(tǒng)的結構示意圖。
具體實施例方式具體實施例參照圖1，本實施例所述的一種帶少液滴電弧靶的等離子涂層系統(tǒng)1)由少液滴電弧靶、真空室1、真空泵組2、用于放置工件3的工作轉盤4、工藝氣體15和偏壓電源14構成；2)少液滴電弧靶的陰極靶6和水冷座5位于真空室1的內腔，少液滴電弧靶的大電磁線圈10、可編程直流電源11、弧電流源12及從水冷座5的入水口處延伸出的冷卻水管 5-2位于真空室外側，少液滴電弧靶的永磁體電磁元件位于真空室1的內腔或外側；永磁體電磁元件由永久磁鐵8構成。3)工作轉盤4設置在真空室1的內腔，工作轉盤4連接偏壓電源11的輸出端；真空泵組2的抽氣口連通真空室1的內腔，工藝氣體15通過管道連通真空室1。參照圖2，本實施例所述的一種少液滴電弧靶，包括陰極靶6，在陰極靶6的背面設有水冷座5-1，從水冷座5-1的入水口處延伸出一段冷卻水管5-2，在水冷座5的內腔設有
6永磁體電磁元件，在所述永磁體電磁元件的背面設有大電磁線圈10，大電磁線圈10連接有可編程直流電源11 ；冷卻水管連接有弧電流源12 ；大電磁線圈10套接在冷卻水管上；大電磁線圈10產生的磁場極性與所述永磁體電磁元件的極性必須相反，在陰極靶6表面形成由永磁體電磁元件與大電磁線圈10兩者產生的疊加磁場，該磁場強度隨大電磁線圈10的電流周期變化而變化，陰極靶6的陰極弧斑的運動半徑隨之而周期變化。在陰極靶6的一側設有起弧電極7。本實施例中在陰極靶6表面形成由永磁體電磁元件與大電磁線圈10兩者產生的疊加磁場，疊加磁場為拱形彎曲磁場B，該拱形彎曲磁場由相對于陰極靶面的平行磁場Bl和垂直磁場B2 兩個分量疊加而成，即B = B1+B2。永磁體電磁元件由永久磁鐵8構成。所述水冷座5包括靶座水套5-1、與靶座水套5-1的內腔連通的冷卻水管5_2 ；靶座水套5-1安裝在真空室1中，冷卻水管5-2穿過真空室1的側壁向外伸出、并與外部冷卻水接口連通，冷卻水管5-2與弧電流源12連接；陰極靶6固定在靶座水套5-1的左端開口處；磁鐵8安裝在位于真空室1內的靶座水套5-1的內腔中。靶座水套5-1的通過靶體安裝法蘭5-3與真空室1側壁上的接口法蘭密封固定連接；冷卻水管5-2由進水管5-2-1和出水管5-2-2構成；進水管5_2_1的一端與外部冷卻水管接口連接，出水管5-2-2的一端與外部冷卻水管接口連接。在出水管5-2-2上設有與弧電流源12連接的接線端子13。靶座水套5-1上位于陰極靶6的側面設有屏蔽罩5-4。可以限制陰極靶6表面的弧斑運動到側面。所述永久磁鐵8通過調節(jié)螺絲5-5安裝在靶座水套5-1的冷水腔5_1_1中。對于永久磁鐵8所產生平行磁場Bl，可以通過調節(jié)螺絲5-5來調整磁鐵的軸向位置，使陰極弧斑的運動半徑控制在合適的范圍。本發(fā)明的工作原理1、工作時，冷卻水從進水管5-2-1直接到達水冷腔冷卻陰極靶的背面，然后冷卻永磁體電磁元件，再通過出水管5-2-2排出，弧電源12連接在弧電源接線端子13上，弧電流12通過出水管5-2、水冷腔外殼5-1、傳遞到陰極靶6，弧斑通過在陰極靶6側面的起弧電極7進行點燃。2、本發(fā)明為了加快陰極靶面弧斑的運動速度，本發(fā)明在陰極靶6后面安裝一組特殊排列的永磁體電磁元件，通過永磁體電磁元件在陰極靶6表面產生拱形彎曲磁場B，該拱形彎曲磁場由相對于陰極靶面的平行磁場Bl和垂直磁場B2兩個分量疊加而成，即B = B1+B2 ；在垂直磁場B2的作用下，弧斑的運動速度將加快。在水平磁場Bl作用下，迫使陰極弧斑在陰極靶面作相應的圓周運動，其運動半徑受洛倫茲力F所影響F= IzXBl ；其中， Iz為弧電流，一般通過配套的弧電源12調整。對于永磁體電磁元件所產生Bi，可以通過調整永磁體電磁元件的軸向位置進行適當?shù)恼{節(jié)，使陰極弧斑的運動半徑在合適的范圍。 在水平磁場Bl的作用下，陰極弧斑的運動半徑只能固定不動，這樣陰極靶的燒蝕會很不均勻，影響陰極靶材的利用率。為提高陰極靶6的利用率，本發(fā)明在永磁體電磁元件的后面， 再安裝一個大電磁線圈10，通過可編程直流電源在電磁線圈上加入特殊周期變化的直流電流，其產生的磁場極性與磁鐵的極性必須相反，這樣陰極靶6表面的磁場將由磁鐵與電磁線圈兩者產生的磁場疊加而成，該磁場強度也將隨電磁線圈的電流周期變化而變化，陰極弧斑的運動半徑也將隨之而周期變化。所以，通過本發(fā)明的陰極靶，其表面可以很均勻燒蝕，利用率很高。具體實施例2 參照圖3，本實施例的特點是永磁體電磁元件由永久磁鐵8構成。磁鐵8安裝在位于真空室1外的進水管5-2-1上。其他與具體實施例1相同。具體實施例3 參照圖4，本實施例的特點是永磁體電磁元件由小型電磁線圈9構成，小型電磁線圈9安裝在位于真空室1中的靶座水套5-1中。其他與具體實施例1相同。具體實施例4:參照圖5，本實施例的特點是永磁體電磁元件由小電磁線圈9構成，小電磁線圈9 安裝在位于真空室1外的進水管5-2-1上。其他與具體實施例1相同。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施例，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的范圍內，根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種少液滴電弧靶，其特征是包括陰極靶(6)，在陰極靶(6)的背面設有水冷座 (5)，從水冷座(5)的入水口處延伸出一段冷卻水管，在水冷座(5)的內腔或冷卻水管的表面設有永磁體電磁元件，在所述電磁元件的背面設有大電磁線圈(10)，大電磁線圈(10)連接有可編程直流電源(11)；冷卻水管連接有弧電流源(1 ；大電磁線圈(10)套接在冷卻水管上；大電磁線圈(10)產生的磁場極性與所述永磁體電磁元件的極性必須相反，在陰極靶(6)表面形成由永磁體電磁元件與大電磁線圈(10)兩者產生的疊加磁場，該磁場強度隨大電磁線圈(10)的電流周期變化而變化，陰極靶(6)的陰極弧斑的運動半徑隨之而周期變化。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種少液滴電弧靶，其特征是在陰極靶(6)表面形成由永磁體電磁元件與大電磁線圈(10)兩者產生的疊加磁場，疊加磁場為拱形彎曲磁場B，該拱形彎曲磁場由相對于陰極靶面的平行磁場Bl和垂直磁場B2兩個分量疊加而成，即B = B1+B2。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種少液滴電弧靶，其特征是永磁體電磁元件由永久磁鐵⑶或小電磁線圈(9)構成。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種帶少液滴電弧靶的等離子涂層系統(tǒng)，其特征是1)由少液滴電弧靶、真空室(1)、真空泵組O)、工作轉盤G)、工藝氣體(15)和偏壓電源(14)構成；2)少液滴電弧靶的陰極靶(6)和有水冷座(5)位于真空室(1)的內腔，少液滴電弧靶的大電磁線圈(10)、可編程直流電源(11)、弧電流源(12)及從水冷座(5)的入水口處延伸出的冷卻水管位于真空室外側，少液滴電弧靶的永磁體電磁元件位于真空室(1)的內腔或外側；永磁體電磁元件可由永久磁鐵(8)或小電磁線圈(9)構成；3)工作轉盤(4)設置在真空室(1)的內腔，工作轉盤的電源輸入端連接偏壓電源 (14)的輸出端；真空泵組O)的抽風口連通真空室(1)的內腔，工藝氣體(15)連通真空室 (1)的進氣口。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種帶少液滴電弧靶的等離子涂層系統(tǒng)，其特征是所述水冷座( 包括靶座水套(5-1)、與靶座水套(5-1)的內腔連通的冷卻水管(5-2)；靶座水套 (5-1)安裝在真空室(1)中，冷卻水管(5-2)穿過真空室(1)的側壁向外伸出、并與外部冷卻水接口連通，冷卻水管(5- 與弧電流源(1 連接；陰極靶(6)固定在靶座水套(5-1) 的右端開口處；永久磁鐵(8)安裝在位于真空室(1)內的靶座水套(5-1)的內腔中；或者是永久磁鐵(8)或小電磁線圈(9)安裝在位于真空室(1)外的冷卻水管(5-2)上。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種帶少液滴電弧靶的等離子涂層系統(tǒng)，其特征是靶座水套(5-1)通過靶體安裝法蘭(5- 與真空室(1)側壁上的接口法蘭密封固定連接；冷卻水管(5- 由進水管(5-2-1)和出水管(5-2- 構成；進水管(5-2-1)的一端穿過真空室(1) 側壁與外部冷卻水管接口連接，出水管(5-2-2)穿過真空室(1)側壁與外部冷卻水管接口連接。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種帶少液滴電弧靶的等離子涂層系統(tǒng)，其特征是在進水管(5-2-1)或出水管(5-2- 上設有與弧電流源(1 連接的接線端子(13)。
8.根據(jù)權利要求5所述的一種帶少液滴電弧靶的等離子涂層系統(tǒng)，其特征是靶座水套(5-1)上位于陰極靶(6)的側面設有屏蔽罩(5-4)。
9.根據(jù)權利要求6所述的一種帶少液滴電弧靶的等離子涂層系統(tǒng)，其特征是所述永久磁鐵(8)通過調節(jié)螺絲(5-5)安裝在靶座水套(5-1)的冷水腔(5-1-1)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種少液滴電弧靶及帶少液滴電弧靶的等離子涂層系統(tǒng)；等離子涂層系統(tǒng)，由少液滴電弧靶、真空室、真空泵組、工作轉盤、工藝氣體和偏壓電源構成；少液滴電弧靶的陰極靶和水冷座位于真空室的內腔，少液滴電弧靶的大電磁線圈、可編程直流電源、弧電流源及從水冷座的入水口處延伸出的冷卻水管位于真空室外側，少液滴電弧靶的電磁元件位于真空室的內腔或外側。本發(fā)明通過線圈周期變化電流可以改變由電磁元件產生的拱形磁場半徑，并呈現(xiàn)周期性變化，從而使得陰極靶表面的弧斑的運動速度加快，顯著減少電弧離子鍍大液滴的產生，并且使陰極靶表面均勻地燒蝕，充分利用靶材。同時具有結構簡單合理，安裝調節(jié)方便、冷卻效果好的特點。
文檔編號C23C14/32GK102260850SQ20111020408
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權日2011年7月21日
發(fā)明者亞歷山大·哥羅沃依, 張中弦, 梁航, 董小虹, 黃拿燦 申請人:廣東世創(chuàng)金屬科技有限公司