專利名稱：一種多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及薄膜與涂層制備技術領域，具體地說是一種多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置。
背景技術：
表面防護涂層技術是提高工模具及機械部件質量和使用壽命的重要途徑，作為材料表面防護技術之一的離子鍍膜技術，由于由于結構簡單、離化率高、入射粒子能量高，可以輕松得到其他方法難以獲得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂層、復合涂層，應用在工具、模具上面，可以使壽命成倍提高，較好地實現了低成本、高收益的效果；此外，離子鍍涂層技術具有低溫、高能兩個特點，幾乎可以在任何基材上成膜，應用范圍十分廣闊，展示出很大的經濟效益和工業應用前景。電弧離子鍍所用的弧源結構是冷陰極弧源，電弧的行為被陰極表面許多快速游動，高度明亮的陰極斑點所控制，陰極斑點的運動對電弧等離子體的物理特性以及隨后的鍍膜特性有很大的影響。而離子鍍弧源是電弧等離子體放電的源頭，是離子鍍技術的核心部件。為了更好的提高沉積薄膜的質量和有效的利用靶材，提高放電穩定性，必須對弧斑的運動進行合理的控制，而弧斑的有效控制必須有合理的機械結構與磁場結構配合。
同時，由于電弧離子鍍陰極斑點的尺寸很小，功率密度非常高(1016W/m2)，如果陰極斑點在一個位置停留時間過長，必然造成液態溶池面積擴大，引發強烈的大顆粒噴射。大顆粒的存在，嚴重影響了涂層和薄膜的性能和壽命，成為工模具鍍的阻礙，也成為阻礙電弧離子鍍技術更深入廣泛應用的瓶頸問題。因此，解決大顆粒問題更為積極的辦法是考慮從源頭解決問題的措施，改善弧斑的放電形式、提高弧斑的運動速率、降低放電功率在陰極斑點處的集中、使放電功率分布在整個靶面上，從而減少大顆粒的發射。同時，為了更好的提高鍍層的質量和有效的利用靶材，提高放電穩定性，必須對弧斑的運動以及等離子體的傳輸進行合理的控制。
目前的電弧離子鍍技術主要是在靶材附近施加磁場來控制弧斑的運動，來提高放電穩定性和靶材刻蝕率。由于電弧離子鍍主要靠靶面上的陰極斑點的放電來沉積所需薄膜的，因此是一種點狀源，這些傳統的單純在靶面附近施加磁場的方法雖然可以有效地控制弧斑在靶面的運動，但是并沒有解決等離子在傳輸空間分布的不均勻性，同時，隨著磁場強度的增加，造成了部分離子隨著靶材周圍磁場的分布運動而流失，造成了基體處離子密度的下降。而且長時間的刻蝕容易在靶面上形成刻蝕軌道，造成靶材刻蝕的不均勻。
由于真空電弧等離子體的物理特性，外加電磁場是改善弧斑放電、控制弧斑運動以及改善等離子體的傳輸特性的有效方法。離子鍍弧源是電弧等離子體放電的源頭，是離子鍍技術的核心部件，國內外在離子鍍弧源的設計上都離不開磁場的設計。合理的磁場可以有效的改善弧斑的放電，同時保證等離子體的有效傳輸，而單獨的一種磁場結構往往難以構建合適的空間磁場位形，既保證靶面所需磁場狀態，又保證等離子體傳輸空間的磁場分布，因此高效優質的離子鍍源裝置必須要有合理緊湊的結構滿足設置多種耦合磁場發生裝置的需要。
中國發明專利(專利號ZL200810010762. 4)提出了一種利用旋轉磁場控制弧斑運動的電弧離子鍍裝置，但是該發明沒有對具體的弧源結構進行創新設計，弧源頭及圍繞于靶材之外的法蘭套結構不合理，占用空間體積過大，不利于整體結構分布，整體結構不緊湊，磁場漏磁嚴重，不利于鍍膜整機設計安排；最主要的是該發明只利用旋轉橫向磁場約束弧斑放電，對等離子體的傳輸和弧斑放電不利，大大降低了弧光等離子體的傳輸效率，大部分的等離子體約束在靶面附近，造成了沉積不均勻性和速率降低，同時單獨強度過大的橫向磁場減弱了弧斑放電的穩定性。因此，正如前述，需要有合理緊湊的弧源結構滿足設置多種耦合磁場發生裝置的需要，既保證靶面所需磁場狀態、改善弧斑放電、降低放電功率密度、提高放電穩定性，又保證等離子體傳輸空間的磁場分布。但是頻率強度匹配的旋轉橫向磁場可以大大改善弧斑放電，實現準擴散弧的狀態，這點是值得在設計中采用的。
因此，本發明進一步創新發明，對傳統旋轉磁場輔助的弧源結構進行改進，采用結構緊湊、簡易可調節的特種多功能多結構適應型離子鍍槍配合結構優化的法蘭套，提出了一種多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置的設計方案。發明內容
本發明的目的在于提供一種多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，解決現有技術中大顆粒的存在嚴重影響涂層和薄膜的性能和壽命、靶材刻蝕與涂層均勻性差、靶材利用率低、以及沉積效率低等問題。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是
一種多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，該多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置采用特種多功能多結構適應型離子鍍槍配合結構優化的水冷法蘭套作為整體弧源結構，法蘭套的外側設有法蘭套絕緣套，法蘭套絕緣套的外側設有二極旋轉橫向磁場發生裝置；或者，法蘭套絕緣套的外側設有二極旋轉橫向磁場發生裝置和聚焦導引磁場裝置；或者，在上述兩種情況的同時，離子鍍槍的靶材底座后設有軸向輔助磁場裝置；
通過所述磁場裝置的耦合作用形成二極旋轉橫向磁場為主的其他磁場耦合的多型復合磁場；法蘭套中設有法蘭套冷卻水通道，法蘭套底部開有與冷卻水通道相通的法蘭套出水口、法蘭套進水口，法蘭套冷卻水通道的一端設置環形法蘭盤，法蘭盤邊緣開有法蘭連接孔；
離子鍍槍設有靶材、靶材底座、靶材屏蔽罩、冷卻水進水管道、導磁環、靶材底柱、 靶材底柱絕緣套、離子鍍槍底盤絕緣盤、離子鍍槍底盤、離子鍍槍底盤緊固板、冷卻水通道底座，靶材安裝在靶材底座上，靶材的外側設置靶材屏蔽罩，靶材底部與靶材底座冷卻銅板緊密接觸，通過靶材底座冷卻銅板間接冷卻；靶材底柱的內側設置永磁體或導磁環和冷卻水進水管道，永磁體或導磁環設置于冷卻水進水管道的外側；靶材底座中設置有靶材底座冷卻通道隔板，靶材底座冷卻通道隔板將靶材底座中的空腔分成靶材底座冷卻水上通道和靶材底座冷卻水下通道，靶材底座冷卻通道隔板通過中間的圓孔焊接在與冷卻水進水管道連通的靶材底座冷卻水進水管上；靶材底座通過靶材底座盤安裝在靶材底柱上，靶材底柱底部安裝冷卻水通道底座，靶材底柱的一端與冷卻水通道底座連接，冷卻水進水管道伸至冷卻水通道底座中，與冷卻水通道底座的進水口相通，冷卻水通道底座與靶材底柱之間的通道與出水口相通；靶材底柱的另一端，通過靶材底柱連接管與靶材底座的靶材底座冷卻水下通道相通；
靶材底柱的外側設置靶材底柱絕緣套，靶材底柱絕緣套的外側設置離子鍍槍底盤絕緣盤、尚子鍍槍底盤、尚子鍍槍底盤緊固板，尚子鍍槍底盤的一側設置尚子鍍槍底盤緊固板，離子鍍槍底盤緊固板通過靶材底柱絕緣套上的絕緣套盤與離子鍍槍底盤隔開，離子鍍槍底盤的另一側設置離子鍍槍底盤絕緣盤，電源接頭端子安裝在靶材底柱上；
離子鍍槍底盤通過離子鍍槍底盤絕緣盤、離子鍍槍底盤緊固板、靶材底柱絕緣套與靶材底柱安裝，離子鍍槍通過離子鍍槍底盤的安裝孔與法蘭套底部螺紋孔連接安裝形成整體離子鍍弧源結構，離子鍍槍通過法蘭套前部的法蘭盤與爐體進行連接。
所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，多結構耦合磁場是二極旋轉橫向磁場為主，與其他磁場稱合的多型復合磁場之一
(I)由單獨二極旋轉橫向磁場控制弧斑運動形成單型復合磁場；
(2)由二極旋轉橫向磁場耦合靶材背面軸向輔助磁場形成兩型復合磁場；
(3)由二極旋轉橫向磁場耦合法蘭端部聚焦導引磁場形成兩型復合磁場；
(4)由二極旋轉橫向磁場耦合靶材背面軸向輔助磁場及法蘭端部聚焦導引磁場形成三型復合磁場。
所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，二極橫向旋轉磁場發生裝置、 聚焦導引磁場發生裝置圍套在法蘭套外，與靶材同軸放置，與法蘭套之間通過法蘭套絕緣套保護；二極橫向旋轉磁場發生裝置放置于靶材周圍，其中心高于靶材表面，位置可移動； 聚焦導引磁場發生裝置放置于二極橫向旋轉磁場發生裝置前端，底部安裝同軸磁軛；法蘭套外圍通過屏蔽罩對內部的磁場發生裝置進行保護。
所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，二極橫向旋轉磁場發生裝置由多磁極鐵芯骨架及漆包線繞組線圈組成，鐵芯由磁導率高、厚O. 35-0. 5mm的環形硅鋼片疊壓而成，鐵芯內圓開有嵌放繞組線圈的槽，槽形有開口、半開口或半閉口形式，槽數有24、 36、48、54或72，鐵芯內徑按法蘭套尺寸選擇，大于法蘭套外徑，鐵芯外徑根據標準選擇，通過法蘭套絕緣套圍套在法蘭套上；硅鋼片的表面涂有絕緣漆，鐵芯材料采用冷軋或熱軋硅鋼或者采用非晶導磁材料；
二極橫向旋轉磁場發生裝置的漆包線繞組線圈采用聚氨酯漆包銅線或者鋁線繞制，按二極磁場規律連接成對稱的三相繞制；繞組的連接方式有單層、雙層或單雙層混合， 繞組端部的接線方式采用疊式或者波式，繞組的端部形狀采用鏈式、交叉式、同心式或疊式；繞組采用相位差為120°的三相變頻正弦交流電源激勵，電流頻率和電壓單獨調節，通過電壓調節二極橫向旋轉磁場的強度，通過電流頻率調節二極橫向旋轉磁場的旋轉速度。
所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，聚焦導引磁場發生裝置由漆包線繞制的電磁線圈組成，電磁線圈內外通過絕緣保護，聚焦導引磁場發生裝置通過法蘭套絕緣套與法蘭絕緣保護，放置于二極橫向旋轉磁場發生裝置前段，其底部連接環形高磁導率的鐵芯磁軛，聚焦導引磁場發生裝置中的線圈通直流電，通過電流大小調節聚焦導引磁場強度；
軸向輔助磁場發生裝置圍套在靶材底座后端的絕緣套周圍，與離子鍍槍底盤之間通過離子鍍槍底盤絕緣盤接觸；軸向輔助磁場電磁線圈由漆包線繞制在線圈骨架上，電磁線圈內外通過絕緣保護；電磁線圈通直流電，通過電壓調節磁場的強度。
所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，法蘭套由不導磁的不銹鋼制作，法蘭套為空心結構，通冷卻水保護；二極橫向旋轉磁場發生裝置、法蘭套與靶材三者之間同軸，二極橫向旋轉磁場發生裝置在法蘭套上的位置可調；法蘭套截面單邊形狀為L形， 中間法蘭套冷卻水通道由雙層不銹鋼筒同軸圍套組成，冷卻水通道上部焊接一環形法蘭盤，法蘭盤內徑與法蘭套內徑平齊，外徑與爐體法蘭外徑平齊，法蘭盤邊緣開有6-8個法蘭安裝孔，通過法蘭安裝孔將法蘭整體與爐體連接；冷卻水通道下部連接不銹鋼法蘭環，法蘭環內、外徑與法蘭套一致，法蘭環底部開有8個螺紋孔，其中對稱兩個螺紋孔為通孔，作為進出水口，另外6個作為離子鍍槍底盤連接孔。
所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，靶材底柱絕緣套為高分子管套，管套內徑與靶材底柱外徑一致，通過靶材底柱外壁的環形密封槽內的密封圈進行絕緣密封，管套圍套在靶材底柱周圍，管套上部與靶材底柱平齊；靶材底柱絕緣套外設有離子鍍槍底盤絕緣盤，離子鍍槍底盤絕緣盤的位置無限制，根據實際應用需求設置，通過絕緣盤位置調節靶材在法蘭套內的位置。
所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，靶材底柱、靶材底座的靶材底柱連接管和冷卻水通道底座外徑尺寸根據具體靶材尺寸及弧源結構調節，設置為靶材外徑尺寸的1/4 1/2之間，采用細長型緊湊結構；
靶材底座設有靶材底座盤、靶材底柱連接管、靶材底座冷卻銅板、靶材底座冷卻水上下通道、靶材安裝柱環套、靶材底座冷卻通道隔板、靶材底座冷卻水進水管，部件之間同軸裝配；
靶材底座冷卻銅板焊接在靶材安裝柱環套上，靶材通過安裝柱環套上端面與靶材底座冷卻銅板之間的環套內壁螺紋安裝在靶材底座上，與冷卻銅板緊密接觸；靶材屏蔽罩為圓筒形，套裝在靶材安裝柱環套外的支撐臺上；靶材屏蔽罩與靶材之間形成間隙，間隙尺寸小于3mm ；
靶材底座冷卻通道隔板中間有圓孔、邊緣有間隔縫隙作為冷卻水出水口，隔板邊緣焊接在靶材安裝柱環套上，與靶材底座冷卻銅板有間隔，形成底座冷卻水上通道；與靶材底座盤有間隔，形成底座冷卻水下通道；靶材底座冷卻通道隔板中間的圓孔連接在靶材底座冷卻水進水管上，進水管外壁有密封槽，有耐壓強度、上部有一環形導磁環支撐臺的冷卻水進水管道通過密封槽內的密封圈與靶材底座冷卻水進水管緊密連接；高磁導率的導磁環磁軛圍套在冷卻水進水管道的環形支撐臺上，環形支撐臺與靶材底柱有間隔，形成冷卻水出水通道；
靶材底座盤為中間有一圓孔的薄圓盤，該圓孔與靶材底座冷卻水進水管形成環形間隔，作為冷卻出水口 ；靶材底柱連接管外壁設有螺紋，通過該螺紋與不銹鋼圓筒組成的靶材底柱上部內壁螺紋連接；靶材底柱下部設有外螺紋，通過該螺紋與冷卻水通道底座連接， 靶材底柱與冷卻水進水管道之間形成冷卻水通道；
冷卻水通道底座由上部的不銹鋼圓筒和下部的圓柱體組成，上部不銹鋼圓筒底部內壁設有螺紋，通過上部內螺紋與靶材底柱底部外螺紋連接，上部螺紋底部臺階有一密封槽，通過密封槽內的密封圈與靶材底柱底部緊密接觸，形成有效的密封；上部不銹鋼圓筒側壁開有一臺階形雙孔，該臺階形雙孔作為出水管安裝孔，出水管外徑和外孔內徑一致，出水管內徑和內孔內徑一致，出水管底部與雙孔臺階接觸，雙孔離下部的圓柱體上部有距離；下部的圓柱體中心開有一臺階形三孔，上孔與中孔形成一臺階，冷卻水進水管道底部與該臺階接觸連接；下孔與中孔形成以臺階形孔，該臺階形孔作為進水管安裝孔，進水管底部與下孔與中孔之間的臺階接觸連接，上部的不銹鋼圓筒和下部的圓柱體的長度根據實際需要調節;
冷卻水通道底座、靶材底柱與冷卻水進水管道之間形成冷卻水通道底部儲水腔， 整個離子鍍槍的冷卻水從冷卻水通道底座底部進水管流入冷卻水進水管道，通過冷卻水進水管道流入靶材底座的冷卻水上通道，從靶材底座的冷卻水隔板邊緣縫隙流出，進入靶材底座的冷卻水下通道，從靶材底座底盤中心孔留出，進入靶材底柱與冷卻水進水管道之間的通道，然后進入底部儲水腔，從冷卻水通道底座側壁出水管流出，形成對整個離子鍍槍的有效冷卻；從底座側壁出水管流出的冷卻水進入法蘭套的進水口，從法蘭套冷卻水通道流過后，從法蘭套的出水口流出，形成對法蘭套及其周圍的磁場發生裝置的有效冷卻。
所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，離子鍍槍底盤為一帶中心圓孔的具有不銹鋼盤，底盤外徑尺寸與法蘭套外徑尺寸一致，離子鍍槍底盤中心孔直徑與靶材底柱絕緣套外徑一致，圍套在絕緣套上，下部與絕緣盤上面緊密接觸；離子鍍槍底盤周邊開有8個連接孔，與法蘭套底部的螺紋孔對應，通過其中6個連接孔將離子鍍槍與法蘭套底部連接；另外兩個連接孔與法蘭進出水口對應；離子鍍槍底盤下部靠近中心孔設有密封槽， 密封槽外徑小于絕緣盤外徑，通過槽內密封圈與絕緣盤之間緊密接觸形成有效的密封；底盤靠近密封槽附近設置有6-8個螺紋孔，螺紋孔內邊緣大于絕緣盤外徑，通過該螺紋孔與緊固板進行連接，將絕緣盤緊固在底盤與底盤緊固板之間。
所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，離子鍍槍底盤緊固板為一帶中心圓孔的具有不銹鋼盤，底盤外徑尺寸比絕緣盤外徑尺寸大，離子鍍槍底盤緊固板中心孔直徑與靶材底柱絕緣套外徑一致，圍套在絕緣套上，上部與絕緣套盤下面緊密接觸；底盤緊固板靠近邊緣設置有6-8個安裝孔，與離子鍍槍底盤下部螺紋孔一致，通過該安裝孔將絕緣盤緊固在底盤與底盤緊固板之間；緊固板上部靠近中心孔設有密封槽，通過槽內密封圈與絕緣盤之間緊密接觸形成有效的密封。
本發明的有益效果是
本發明對傳統旋轉磁場輔助的弧源結構進行改進，采用結構緊湊、簡易可調節的特種多功能多結構適應型離子鍍槍配合結構優化的法蘭套，提出了一種多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置的設計方案，在靶面二極旋轉橫向磁場的基礎上，提供了多種耦合磁場可行性，既滿足靶面附近的旋轉磁場狀態，改善弧斑放電形式，降低放電功率密度、減少大顆粒發射、提高放電穩定性，提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，又保證等離子體傳輸空間的磁場分布，提高等離子體的傳輸效率和傳輸均勻性，提高鍍膜效率和鍍膜均勻性，利于整機設計，促進工具鍍膜和裝飾鍍膜的發展，使得該結構成為一種高效優質的離子鍍源>J-U ρ α裝直。


圖I是本發明實施例I單二極旋轉橫向磁場輔助的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置二維結構示意圖之一，二極旋轉橫向磁場發生裝置和靶材靠近法蘭端部。
圖2是本發明實施例I單二極旋轉橫向磁場輔助的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置二維結構示意圖之二，二極旋轉橫向磁場發生裝置和靶材靠近法蘭底部。
圖3是本發明實施例I單二極旋轉橫向磁場在靶材附近的磁場分布圖。
圖4是本發明實施例2 I禹合磁場結構為二極旋轉橫向磁場I禹合一定強度的祀材背面軸向輔助磁場形成兩型復合磁場的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置二維結構示意圖。
圖5(a)-圖5(b)是本發明實施例2 二極旋轉橫向磁場耦合一定強度的靶材背面軸向輔助磁場的兩型復合磁場在靶材附近的磁場瞬態分布示意圖；其中，圖5(a)是二極旋轉橫向磁場指向祀材一端時I禹合了一定強度的祀材背面軸向輔助磁場的兩型復合磁場在革巴材截面上的瞬態分布圖；圖5(b)是二極旋轉橫向磁場指向與圖5(a)橫向磁場方向時率禹合一定強度的靶材背面軸向輔助磁場的兩型復合磁場在靶材截面上的瞬態分布圖。
圖6是本發明實施例3 I禹合磁場結構為二極旋轉橫向磁場I禹合了一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)形成兩型復合磁場的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置二維結構示意圖。
圖7(a)-圖7(b)是本發明實施例3 二極旋轉橫向磁場耦合一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)的兩型復合磁場在靶材附近的磁場瞬態分布示意圖；其中，圖7(a) 是二極旋轉橫向磁場指向祀材一端時I禹合了一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛) 的兩型復合磁場在靶材截面上的瞬態分布圖；圖7(b)是二極旋轉橫向磁場指向與圖7(a) 橫向磁場方向時I禹合一定強度的法蘭端部聚焦導弓I磁場(帶磁軛)的兩型復合磁場在革巴材截面上的瞬態分布圖。
圖8是本發明實施例4 I禹合磁場結構為二極旋轉橫向磁場I禹合了一定強度的革巴材背面軸向輔助磁場及一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)形成三型復合磁場的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置二維結構示意圖。
圖9(a)-圖9(b)是本發明實施例4 二極旋轉橫向磁場耦合一定強度的靶材背面軸向輔助磁場及一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)的三型復合磁場在靶材附近的磁場瞬態分布不意圖；其中圖9(a)是二極旋轉橫向磁場指向祀材一端時I禹合了一定強度的靶材背面軸向輔助磁場及一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)的三型復合磁場在靶材截面上的瞬態分布圖；圖8(b)是二極旋轉橫向磁場指向與圖9(a)橫向磁場方向時耦合一定強度的靶材背面軸向輔助磁場及一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛) 的三型復合磁場在祀材截面上的瞬態分布圖。
圖中，I靶材；2靶材屏蔽罩；3靶材安裝柱環套；4靶材底座冷卻銅板；5靶材底座冷卻通道隔板；6靶材底座盤；7永磁體或導磁環；8軸向輔助磁場發生裝置；9離子鍍槍底盤絕緣盤；10離子鍍槍底盤；11離子鍍槍底盤緊固板；12靶材底柱絕緣套；13靶材底柱； 14冷卻水進水管道；15冷卻水通道底座；16出水口 ； 17進水口 ； 18法蘭套；19法蘭套絕緣套；20法蘭套冷卻水通道；21法蘭套出水口 ；22法蘭套進水口 ；23 二極橫向旋轉磁場發生裝置；24法蘭盤；25 二極橫向磁場；26軸向輔助磁場；27聚焦導引磁場；28聚焦導引磁場發生裝置；29磁軛；30離子鍍槍；31靶材底座。
具體實施方式
下面通過實施例和附圖對本發明作進一步詳細說明。實施例I :圖I是本發明實施例I單二極旋轉橫向磁場輔助的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子 鍍裝置二維結構示意圖之一，二極旋轉橫向磁場發生裝置和靶材靠近法蘭端部。圖2是本發明實施例I單二極旋轉橫向磁場輔助的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置二維結構示意圖之二，二極旋轉橫向磁場發生裝置和靶材靠近法蘭底部。從圖可以看出，單二極旋轉橫向磁場輔助的單型復合磁場輔助離子鍍弧源裝置采用結構緊湊、簡易可調節的特種多功能多結構適應型離子鍍槍30配合結構優化的水冷法蘭套18作為整體弧源結構，法蘭套18的外側設有法蘭套絕緣套19，法蘭套絕緣套19的外側設有二極旋轉橫向磁場發生裝置23，法蘭套18中為法蘭套冷卻水通道20，法蘭套冷卻水通道20上分別設置法蘭套出水口 21、法蘭套進水口 22,法蘭套冷卻水通道20的一端設置環形法蘭盤24。本發明中，離子鍍槍30可以采用中國發明專利申請一種結構緊湊的特種多功能離子鍍槍，申請號為201210430934. X。離子鍍槍30設有靶材I、靶材底座31、靶材屏蔽罩2、冷卻水進水管道14、導磁環
7、靶材底柱13、靶材底柱絕緣套12、離子鍍槍底盤絕緣盤9、離子鍍槍底盤10、離子鍍槍底盤緊固板11、冷卻水通道底座15等，直徑IOOmm的靶材I安裝在靶材底座31上，靶材I的外側設置靶材屏蔽罩2，靶材I底部與靶材底座冷卻銅板4緊密接觸，通過靶材底座冷卻銅板4間接冷卻；靶材底柱13的內側設置永磁體或導磁環7和冷卻水進水管道14，永磁體或導磁環7設置于冷卻水進水管道14的外側。靶材底座31中設置有靶材底座冷卻通道隔板5，靶材底座冷卻通道隔板5將靶材底座31中的空腔分成靶材底座冷卻水上通道和靶材底座冷卻水下通道，靶材底座冷卻通道隔板5通過中間的圓孔焊接在與冷卻水進水管道14連通的靶材底座冷卻水進水管上。靶材底座31通過靶材底座盤6安裝在靶材底柱13上，靶材底柱13底部安裝冷卻水通道底座15，靶材底柱13的一端與冷卻水通道底座15連接，冷卻水進水管道14伸至冷卻水通道底座15中，與冷卻水通道底座15的進水口 17相通，冷卻水通道底座15與靶材底柱13之間的通道與出水口 16相通。靶材底柱13的另一端，通過靶材底柱連接管與靶材底座31的靶材底座冷卻水下通道相通。靶材底柱13的外側設置靶材底柱絕緣套12，靶材底柱絕緣套12的外側設置離子鍍槍底盤絕緣盤9、離子鍍槍底盤10、離子鍍槍底盤緊固板11，離子鍍槍底盤10的一側設置離子鍍槍底盤緊固板11，離子鍍槍底盤緊固板11通過靶材底柱絕緣套12上的絕緣套盤與離子鍍槍底盤10隔開，離子鍍槍底盤10的另一側設置離子鍍槍底盤絕緣盤9，電源接頭端子安裝在靶材底柱13上；離子鍍槍底盤10通過離子鍍槍底盤絕緣盤9、離子鍍槍底盤緊固板11、靶材底柱絕緣套12與靶材底柱13安裝，離子鍍槍30通過離子鍍槍底盤10的安裝孔與法蘭套18底部螺紋孔連接安裝形成整體離子鍍弧源結構，離子鍍槍30通過法蘭套18前部的法蘭盤24與爐體進行連接。靶材底柱13、靶材底座31的靶材底柱連接管和冷卻水通道底座15外徑尺寸設置為靶材外徑尺寸的1/4，采用細長型緊湊結構，方便整機設計及磁場發生裝置布置。二極橫向旋轉磁場發生裝置23圍套在法蘭套18外，二極橫向旋轉磁場發生裝置23與靶材I同軸放置于其周圍，二極橫向旋轉磁場發生裝置23與法蘭套18之間通過法蘭套絕緣套19保護；二極橫向旋轉磁場發生裝置23中心略高于靶材I表面，位置可移動。如圖I、圖2所示，二極橫向旋轉磁場發生裝置23在法蘭不同位置可調節，二極橫向旋轉磁場發生裝置23由多磁極(12η，η為整數，n ^ 2)鐵芯骨架及漆包線繞組線圈組成，鐵芯由磁導率很高的(2000 6000H/m)，厚O. 5mm的環形硅鋼片疊壓而成，鐵芯內圓開有嵌放繞組線圈的槽，槽形為半閉口形式，槽數為36，鐵芯內徑為182_，略大于法蘭套絕緣套19外徑，鐵芯外徑根據標準選擇，通過法蘭套絕緣套19圍套在法蘭套18上；硅鋼片的表面涂有耐高壓絕緣漆，鐵芯材料采用冷軋硅鋼。二極橫向旋轉磁場發生裝置23的漆包線繞組線圈采用高強度聚氨酯漆包銅線(QZY-2)繞制，采用倍極比正規分布、Λ/2Y接法的雙速繞組。每相由2個六聯組構成，2極為60相帶顯極布線，兩相之間極性相反；將其中一半線圈組反向獲得120相帶的4極繞組，即4極時所有線圈極性相同，并用一路Λ形連接。繞組引出線為6根、三相中間抽頭的端線2U、2V、2W空置不接，電源從4U、4V、4W進入，產生二極橫向(旋轉)磁場25。如圖3所示，從本發明實施例I單二極旋轉橫向磁場在靶材附近的磁場分布圖可以看出，在二極橫向旋轉磁場發生裝置23中間的截面上，磁場是完全覆蓋整個靶面的二極橫向磁場，該磁場的強度均勻，頻率和強度可調。二極橫向旋轉磁場發生裝置23的漆包線繞組采用相位差為120°的三相變頻正弦交流電源激勵，電流頻率和電壓可單獨調節，電壓范圍為0-380V，頻率范圍為10-500HZ，通過電壓調節二極橫向旋轉磁場的強度，通過電流頻率調節二極橫向旋轉磁場的旋轉速度；變頻電源以微處理器為核心，以PWM方式制作，用主動元件IGBT模塊設計，采用了數字分頻、D/A轉換、瞬時值反饋、正弦脈寬調制等技術制作，具有短路、過流、過載、過熱等保護功能。空心結構的法蘭套18由不導磁的不銹鋼制作，通冷卻水保護；法蘭套18截面單邊形狀為L形，法蘭套18中間法蘭套冷卻水通道20由雙層不銹鋼筒同軸圍套組成，法蘭套18上部焊接一環形法蘭盤24，法蘭盤24內徑與法蘭套18內徑平齊，法蘭盤24外徑與爐體法蘭外徑平齊，法蘭盤邊緣開有6-8個法蘭安裝孔，通過法蘭安裝孔將法蘭套18整體與爐體連接；法蘭套18下部連接一較厚的不銹鋼法蘭環，法蘭環內、外徑與法蘭套18 —致，法蘭環底部開有8個螺紋孔，其中對稱兩個螺紋孔為通孔，作為法蘭套出水口 21、法蘭套進水口22，另外6個螺紋孔作為離子鍍槍底盤連接孔。離子鍍槍30的靶材底座冷卻銅板4焊接在靶材安裝柱環套3上，靶材I通過靶材安裝柱環套3上端面與靶材底座冷卻銅板4之間的環套內壁螺紋安裝在靶材底座31上，靶材I與靶材底座冷卻銅板4緊密接觸；靶材屏蔽罩2為陶瓷(或BN)圓環筒，靶材屏蔽罩2套裝在靶材安裝柱環套3外的支撐臺上；靶材屏蔽罩2與靶材I之間形成一定的間隙，間隙尺寸小于3mm。靶材底座冷卻通道隔板5同軸焊接在靶材安裝柱環套3上，與靶材底座冷卻銅板4有一定的間隔，形成靶材底座冷卻水上通道；中間有圓孔、邊緣有間隔縫隙作為冷卻水出水口的靶材底座冷卻通道隔板5邊緣焊接在靶材安裝柱環套3上，與靶材底座冷卻銅板4有一定的間隔，形成底座冷卻水上通道；與靶材底座盤6有一定的間隔，形成靶材底座冷卻水下通道；靶材底座冷卻通道隔板5中間的圓孔連接在靶材底座冷卻水進水管上，進水管外壁有若干密封槽，有一定的耐壓強度、上部有一環形導磁環支撐臺的冷卻水進水管道14通過密封槽內的密封圈與靶材底座冷卻水進水管緊密連接。高磁導率(2000 6000H/m)的導磁環磁軛7圍套在冷卻水進水管道的環形支撐臺上，環形支撐臺與靶材底柱13有一定的間隔，形成冷卻水出水通道。祀材底座盤6為中間有一圓孔的薄圓盤,該圓孔與祀材底座冷卻水進水管形成一定的環形間隔，作為冷卻出水口 ；靶材底柱連接管外壁設有一定長度的螺紋，通過該螺紋與較厚不銹鋼圓筒組成的靶材底柱13上部內壁螺紋連接；靶材底柱13下部設有一定長度的外螺紋，通過該螺紋與冷卻水通道底座15連接，靶材底柱13與冷卻水進水管道14之間形成冷卻水通道。冷卻水通道底座15由上部較厚的不銹鋼圓筒和下部的圓柱體組成，上部不銹鋼圓筒底部內壁設有一定長度的螺紋，通過上部內螺紋與靶材底柱底部外螺紋連接，上部螺紋底部臺階有一密封槽，通過密封槽內的密封圈與靶材底柱13底部緊密接觸，形成有效的密封；上部不銹鋼圓筒側壁開有一臺階形雙孔，該臺階形雙孔作為出水口 16安裝孔，出水口 16外徑和外孔內徑一致，出水口 16內徑和內孔內徑一致，出水口 16底部與雙孔臺階接觸，雙孔離下部的圓柱體上部有一定的距離；下部的圓柱體中心開有一臺階形三孔，上孔與 中孔形成一臺階，冷卻水進水管道底部與該臺階接觸連接；下孔與中孔形成以臺階形孔，該臺階形孔作為進水口 17安裝孔，進水口 17底部與下孔與中孔之間的臺階接觸連接；上部較厚的不銹鋼圓筒和下部的圓柱體的長度根據實際需要調節。冷卻水通道底座15、靶材底柱13與冷卻水進水管道14之間形成冷卻水通道底部儲水腔，整個離子鍍槍的冷卻水從冷卻水通道底座底部進水口 17流入冷卻水進水管道14，通過冷卻水進水管道14流入靶材底座的冷卻水上通道，從靶材底座的冷卻水隔板5邊緣縫隙流出，進入靶材底座的冷卻水下通道，從靶材底座底盤6中心孔留出，進入靶材底柱13與冷卻水進水管道14之間的通道,然后進入底部儲水腔，從冷卻水通道底座側壁出水口 16流出，形成對整個離子鍍槍的有效冷卻。從底座側壁出水口 16流出的冷卻水進入法蘭套18的法蘭套進水口 22，從法蘭套冷卻水通道20流過后，從法蘭套18的法蘭套出水口 21流出，形成對法蘭套及其周圍的磁場發生裝置的有效冷卻。離子鍍槍底盤10為一帶中心圓孔的具有一定厚度的不銹鋼盤，底盤外徑尺寸與法蘭套18外徑尺寸一致，離子鍍槍底盤10中心孔直徑與靶材底柱絕緣套12外徑一致，圍套在靶材底柱絕緣套12上，靶材底柱絕緣套12為一定厚度的高分子管套，管套內徑與靶材底柱13外徑一致，通過靶材底柱13外壁的若干環形密封槽內的密封圈進行絕緣密封，管套圍套在靶材底柱13周圍，管套上部與靶材底柱13平齊；靶材底柱絕緣套12外設有一離子鍍槍底盤絕緣盤9，絕緣盤的位置無限制，可根據實際應用需求設置，可通過離子鍍槍底盤絕緣盤9位置調節靶材I在法蘭套18內的位置。離子鍍槍底盤10下部與離子鍍槍底盤絕緣盤9上面緊密接觸；離子鍍槍底盤10周邊開有8個連接孔，與法蘭套18底部的螺紋孔對應，通過其中6個連接孔將離子鍍槍30與法蘭套18底部連接；另外，兩個連接孔與法蘭套出水口 21、法蘭套進水口 22對應。離子鍍槍底盤10下部靠近中心孔設有密封槽,密封槽外徑小于絕緣盤外徑，通過槽內密封圈與絕緣盤之間緊密接觸形成有效的密封；離子鍍槍底盤絕緣盤9靠近密封槽附近設置有6-8個螺紋孔，螺紋孔內邊緣大于離子鍍槍底盤絕緣盤9外徑，通過該螺紋孔與離子鍍槍底盤緊固板11進行連接，將離子鍍槍底盤絕緣盤9緊固在離子鍍槍底盤10與離子鍍槍底盤緊固板11之間。離子鍍槍底盤緊固板11為一帶中心圓孔的具有一定厚度的不銹鋼盤，底盤外徑尺寸比離子鍍槍底盤絕緣盤9外徑尺寸略大，中心孔直徑與靶材底柱絕緣套12外徑一致，圍套在靶材底柱絕緣套12上，離子鍍槍底盤緊固板11上部與靶材底柱絕緣套12的絕緣套盤下面緊密接觸；離子鍍槍底盤緊固板11靠近邊緣設置有6-8個安裝孔，與離子鍍槍底盤10下部螺紋孔一致，通過該安裝孔將離子鍍槍底盤絕緣盤9緊固在離子鍍槍底盤10與離子鍍槍底盤緊固板11之間；離子鍍槍底盤緊固板11上部靠近中心孔設有密封槽，通過槽內密封圈與離子鍍槍底盤絕緣盤9之間緊密接觸形成有效的密封。本發明實施例I對傳統旋轉磁場輔助的弧源結構進行改進，采用結構緊湊、簡易可調節的特種多功能多結構適應型離子鍍槍配合結構優化的法蘭套，提出了一種單二極旋轉橫向磁場輔助的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置。通過覆蓋整個靶面的頻率和強度可調的單二極旋轉橫向磁場控制弧斑的運動，在一定磁場強度和一定旋轉頻率綜合作用下，使得弧斑在整個靶面分布，大大降低弧斑的功率密度。同時旋轉的橫向磁場可以約束靶面前等離子體，約束電子和離子的運動，提高靶面前電子密度大大增加，促進粒子間碰 撞，提高離子密度和離化率，進一步加強了離子對靶面的轟擊效果，由于該轟擊效果的增強是分布在整個靶面的，促進了靶面的熱場電子發射，提高了有效電子量，而使得弧斑一點集中的高功率密度發射(產生大顆粒的原因)轉變為整個靶面均勻的低功率密度的熱場電子發射，實現準擴散弧狀態，大大降低顆粒的發射，同時提高蒸發效果和離化效果。實施例2 從圖3可以看出，在其他磁場不起作用的時候，靶材表面的二極橫向磁場完全平行于靶面，與靶材邊緣形成指向靶材內部的銳角。該二極橫向旋轉磁場的高速旋轉可以使得弧斑在整個靶面均勻放電，降低功率密度，減少大顆粒的發射。由于橫向磁場易于使得弧斑高速直線運動，而旋轉的橫向磁場可以使得弧斑布跑出靶面而在靶面內分布，但是如果旋轉頻率和磁場強度不匹配，單獨采用強度過大的橫向磁場容易造成跑弧、減弱了弧斑放電的穩定性。而本發明提供了合理緊湊的弧源結構滿足設置多種耦合磁場發生裝置的需要。為了提高放電穩定性，本實施例2采用了靶材背面的軸向輔助磁場進行復合磁場耦合。圖4是本發明實施例2 I禹合磁場結構為二極旋轉橫向磁場25 I禹合了一定強度的靶材背面軸向輔助磁場26形成兩型復合磁場的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置二維結構示意圖。軸向輔助磁場發生裝置8圍套在靶材底座31后端的靶材底柱絕緣套12周圍，與離子鍍槍底盤10之間通過離子鍍槍底盤絕緣盤9接觸；軸向輔助磁場發生裝置8的電磁線圈由漆包線繞制在線圈骨架上，電磁線圈內外通過絕緣保護；電磁線圈通直流電，通過電壓調節磁場的強度。圖5(a)-圖5(b)是本發明實施例2 二極旋轉橫向磁場耦合一定強度的靶材背面軸向輔助磁場的兩型復合磁場在靶材附近的磁場瞬態分布示意圖；其中，圖5(a)是二極旋轉橫向磁場指向祀材一端時I禹合了一定強度的祀材背面軸向輔助磁場的兩型復合磁場在靶材截面上的瞬態分布圖；圖5(b)是二極旋轉橫向磁場指向與圖5(a)橫向磁場方向時I禹合一定強度的祀材背面軸向輔助磁場的兩型復合磁場在祀材截面上的瞬態分布圖。可以看出，在一定強度的靶材背面軸向輔助磁場耦合下，二極橫向旋轉磁場的分布有一定的變化，磁場不再是完全平行于靶面的橫向磁場，而是形成與靶材有一定角度的尖角磁場，該尖角磁場與整個靶面形成一個朝向的銳角，而不是像拱形磁場那種兩個銳角方向的情況，即靶面形成了旋轉的二極尖角磁場。尖角磁場的平行分量依然是橫向分量，使得弧斑沿垂直于橫向分量方向直線倒退運動，而同時，在銳角法則作用下，弧斑在直線倒走的同時，疊加了沿橫向分量指引方向的運動趨勢，及弧斑在沿橫向分量指引方向不再是隨機運動，而是可控運動，可控運動提高了放電的可控性和穩定性。同時，二極尖角磁場的高頻旋轉，將使得可控運動的弧斑疊加了旋轉運動，因此弧斑在一定軸向磁場強度、一定的旋轉二極橫向磁場強度和一定旋轉頻率綜合耦合作用下，將使得弧斑在整個靶面分布，大大降低弧斑的功率密度，大大降低顆粒的發射，同時耦合的磁場提高了放電穩定性。實施例3 橫向磁場有約束等離子體的效應，大大降低了弧光等離子體的傳輸效率，大部分的等離子體約束在靶面附近，造成了沉積不均勻性和速率降低，為了進一步提高等離子體的傳輸效率，本發明實施例3通過法蘭端部聚焦導引磁場，將凈化的高密度等離子體抽出。圖6是本發明實施例3耦合磁場結構為二極旋轉橫向磁場耦合了一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)27形成兩型復合磁場的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置二維結構示意圖。聚焦導引磁場發生裝置28由漆包線繞制的電磁線圈組成，電磁線圈內外通過絕緣保護，聚焦導引磁場發生裝置28通過法蘭套絕緣套19與法蘭套18絕緣保護，放置于二極橫向旋轉磁場發生裝置23前段，其底部可連接一個環形高磁導率(2000 6000H/m)的鐵芯磁軛29，避免軸向聚焦磁場對旋轉橫向磁場的影響。聚焦導引磁場發生裝置28中的線圈通直流電，通過電流大小調節聚焦導引磁場強度。實施例3是沒有靶材背面軸向輔助磁場參與，二極橫向旋轉磁場與法蘭端部聚焦導引磁場I禹合的實施方案。圖7(a) -圖7 (b)是本發明實施例3 二極旋轉橫向磁場I禹合一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)27的兩型復合磁場在靶材附近的磁場瞬態分布示意圖；其中，圖7(a)是二極旋轉橫向磁場指向靶材一端時耦合了一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)27的兩型復合磁場在靶材截面上的瞬態分布圖；圖7(b)是二極旋轉橫向磁場指向與圖7(a)橫向磁場方向時I禹合一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)27的兩型復合磁場在靶材截面上的瞬態分布圖。可以看出軸向聚焦導引磁場改變了磁場在傳輸空間的分布，提高了傳輸空間的軸向磁場強度，即可以實現非平衡的準擴散弧鍍膜工藝，在降低放電功率密度減少大顆粒發射的同時，降低等離子體的靶面約束，提高了等離子體向傳輸空間輸運的效率和密度，而且是非常有效的。同時可以看出，軸向聚焦導引磁場的參與，改變了二極橫向磁場的狀態，即形成類似實施例2的與靶面形成一定銳角的尖角磁場，軸向聚焦導引磁場大部分被磁軛約束，對祀面二極橫向磁場的影響較小，基本上形成銳角幅度不大的變形，而且只形成一個方向的銳角，類似實施例2的情況。這樣既可以提高放電穩定性，實現擴散弧狀態，同時又可以提高等離子體傳輸效率。實施例4 本發明對傳統旋轉磁場輔助的弧源結構進行改進，采用結構緊湊、簡易可調節的特種多功能多結構適應型離子鍍槍配合結構優化的法蘭套，在靶面二極旋轉橫向磁場的基礎上，提供了多種耦合磁場可行性。圖8是本發明實施例4耦合磁場結構為二極旋轉橫向磁場耦合了一定強度的靶材背面軸向輔助磁場及一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)27形成三型復合磁場的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置二維結構示意圖。圖9 (a)-圖9 (b)是本發明實施例4 二極旋轉橫向磁場I禹合一定強度的祀材背面軸向輔助磁場及一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)的三型復合磁場在靶材附近的磁場瞬態分布示意圖；其中，圖9(a)是二極旋轉橫向磁場指向祀材一端時I禹合了一定強度的祀材背面軸向輔助磁場及一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)27的三型復合磁場在靶材截面上的瞬態分布圖；圖9(b)是二極旋轉橫向磁場指向與圖9(a)橫向磁場方向時耦合一定強度的靶材背面軸向輔助磁場及一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)的三型復合磁場在靶材截面上的瞬態分布圖。可以看出，與實施例2、3相比，在一定強度的靶材背面軸向輔助磁場及一 定強度的法蘭端部聚焦導引磁場(帶磁軛)耦合下的三型復合磁場增強了軸向磁場的強度和分布，使得等離子體傳輸空間的磁場分布更加均勻，旋轉橫向磁場方向的變化對軸向傳輸空間的分布影響不大，大大增強了傳輸等離子體的均勻性，在進一步提高傳輸效率的同時，提高了鍍膜均勻性；同時可以看出，靶材背面軸向輔助磁場及一定強度的法蘭端部聚焦導引磁場的參與，同樣改變了二極橫向磁場的狀態，形成類似實施例2的與靶面形成一定銳角的尖角磁場，尖角磁場的強度增加，角度更加明顯。旋轉的二極尖角磁場使得弧斑在多種作用效果綜合下在整個靶面均勻分布，大大降低弧斑的功率密度，大大降低顆粒的發射，同時耦合的磁場提高了放電穩定性。三型耦合旋轉磁場使得既可以提高放電穩定性，實現擴散弧狀態，大大降低顆粒的發射，同時又可以大大提高等離子傳輸效率和傳輸均勻性。這種效果是單單旋轉橫向磁場和兩型復合磁場難以實現和達到的，而本發明通過創新，提供了三型復合磁場的實施例，從綜合效果上大大改善了弧斑放電和等離子體傳輸，改進了離子鍍膜工藝，使得該工藝有望成為優質高效的表面防護技術。因此，本發明對傳統旋轉磁場輔助的弧源結構進行創新發明，采用結構緊湊、簡易可調節的特種多功能多結構適應型離子鍍槍配合結構優化的法蘭套，提出了一種多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置的設計方案，在靶面二極旋轉橫向磁場的基礎上，提供了多種耦合磁場可行性，既滿足靶面附近的旋轉磁場狀態，改善弧斑放電形式，降低放電功率密度、減少大顆粒發射、提高放電穩定性，提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，又保證等離子體傳輸空間的磁場分布，提高等離子體的傳輸效率和傳輸均勻性，提高鍍膜效率和鍍膜均勻性，利于整機設計，促進工具鍍膜和裝飾鍍膜的發展，使得該結構成為一種高效優質的離子鍍源裝置。
權利要求
1.一種多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，其特征在于該多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置采用特種多功能多結構適應型離子鍍槍配合結構優化的水冷法蘭套作為整體弧源結構，法蘭套的外側設有法蘭套絕緣套，法蘭套絕緣套的外側設有二極旋轉橫向磁場發生裝置；或者，法蘭套絕緣套的外側設有二極旋轉橫向磁場發生裝置和聚焦導引磁場裝置；或者，在上述兩種情況的同時，離子鍍槍的靶材底座后設有軸向輔助磁場裝置；通過所述磁場裝置的耦合作用形成二極旋轉橫向磁場為主的其他磁場耦合的多型復合磁場；法蘭套中設有法蘭套冷卻水通道，法蘭套底部開有與冷卻水通道相通的法蘭套出水口、法蘭套進水口，法蘭套冷卻水通道的一端設置環形法蘭盤，法蘭盤邊緣開有法蘭連接孔；離子鍍槍設有靶材、靶材底座、靶材屏蔽罩、冷卻水進水管道、導磁環、靶材底柱、靶材底柱絕緣套、離子鍍槍底盤絕緣盤、離子鍍槍底盤、離子鍍槍底盤緊固板、冷卻水通道底座， 靶材安裝在靶材底座上，靶材的外側設置靶材屏蔽罩，靶材底部與靶材底座冷卻銅板緊密接觸，通過靶材底座冷卻銅板間接冷卻；靶材底柱的內側設置永磁體或導磁環和冷卻水進水管道，永磁體或導磁環設置于冷卻水進水管道的外側；靶材底座中設置有靶材底座冷卻通道隔板，靶材底座冷卻通道隔板將靶材底座中的空腔分成靶材底座冷卻水上通道和靶材底座冷卻水下通道，靶材底座冷卻通道隔板通過中間的圓孔焊接在與冷卻水進水管道連通的靶材底座冷卻水進水管上；靶材底座通過靶材底座盤安裝在靶材底柱上,靶材底柱底部安裝冷卻水通道底座，靶材底柱的一端與冷卻水通道底座連接，冷卻水進水管道伸至冷卻水通道底座中，與冷卻水通道底座的進水口相通，冷卻水通道底座與靶材底柱之間的通道與出水口相通；靶材底柱的另一端,通過靶材底柱連接管與靶材底座的靶材底座冷卻水下通道相通；靶材底柱的外側設置靶材底柱絕緣套，靶材底柱絕緣套的外側設置離子鍍槍底盤絕緣盤、尚子鍍槍底盤、尚子鍍槍底盤緊固板，尚子鍍槍底盤的一側設置尚子鍍槍底盤緊固板， 離子鍍槍底盤緊固板通過靶材底柱絕緣套上的絕緣套盤與離子鍍槍底盤隔開，離子鍍槍底盤的另一側設置離子鍍槍底盤絕緣盤，電源接頭端子安裝在靶材底柱上；離子鍍槍底盤通過離子鍍槍底盤絕緣盤、離子鍍槍底盤緊固板、靶材底柱絕緣套與靶材底柱安裝，離子鍍槍通過離子鍍槍底盤的安裝孔與法蘭套底部螺紋孔連接安裝形成整體離子鍍弧源結構，離子鍍槍通過法蘭套前部的法蘭盤與爐體進行連接。
2.按照權利要求I所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，其特征在于多結構稱合磁場是二極旋轉橫向磁場為主，與其他磁場稱合的多型復合磁場之一(O由單獨二極旋轉橫向磁場控制弧斑運動形成單型復合磁場；(2)由二極旋轉橫向磁場耦合靶材背面軸向輔助磁場形成兩型復合磁場；(3)由二極旋轉橫向磁場耦合法蘭端部聚焦導引磁場形成兩型復合磁場；(4)由二極旋轉橫向磁場耦合靶材背面軸向輔助磁場及法蘭端部聚焦導引磁場形成三型復合磁場。
3.按照權利要求I所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，其特征在于二極橫向旋轉磁場發生裝置、聚焦導引磁場發生裝置圍套在法蘭套外，與靶材同軸放置，與法蘭套之間通過法蘭套絕緣套保護；二極橫向旋轉磁場發生裝置放置于靶材周圍，其中心高于靶材表面，位置可移動；聚焦導引磁場發生裝置放置于二極橫向旋轉磁場發生裝置前端， 底部安裝同軸磁軛；法蘭套外圍通過屏蔽罩對內部的磁場發生裝置進行保護。
4.按照權利要求I所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，其特征在于二極橫向旋轉磁場發生裝置由多磁極鐵芯骨架及漆包線繞組線圈組成，鐵芯由磁導率高、厚 O. 35-0. 5mm的環形硅鋼片疊壓而成，鐵芯內圓開有嵌放繞組線圈的槽，槽形有開口、半開口或半閉口形式，槽數有24、36、48、54或72，鐵芯內徑按法蘭套尺寸選擇，大于法蘭套外徑， 鐵芯外徑根據標準選擇，通過法蘭套絕緣套圍套在法蘭套上；硅鋼片的表面涂有絕緣漆，鐵芯材料采用冷軋或熱軋硅鋼或者采用非晶導磁材料；二極橫向旋轉磁場發生裝置的漆包線繞組線圈采用聚氨酯漆包銅線或者鋁線繞制，按二極磁場規律連接成對稱的三相繞制；繞組的連接方式有單層、雙層或單雙層混合，繞組端部的接線方式采用疊式或者波式，繞組的端部形狀采用鏈式、交叉式、同心式或疊式；繞組采用相位差為120°的三相變頻正弦交流電源激勵，電流頻率和電壓單獨調節，通過電壓調節二極橫向旋轉磁場的強度，通過電流頻率調節二極橫向旋轉磁場的旋轉速度。
5.按照權利要求I所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，其特征在于 聚焦導引磁場發生裝置由漆包線繞制的電磁線圈組成，電磁線圈內外通過絕緣保護，聚焦導引磁場發生裝置通過法蘭套絕緣套與法蘭絕緣保護，放置于二極橫向旋轉磁場發生裝置前段，其底部連接環形高磁導率的鐵芯磁軛，聚焦導引磁場發生裝置中的線圈通直流電，通過電流大小調節聚焦導引磁場強度；軸向輔助磁場發生裝置圍套在靶材底座后端的絕緣套周圍，與離子鍍槍底盤之間通過離子鍍槍底盤絕緣盤接觸；軸向輔助磁場電磁線圈由漆包線繞制在線圈骨架上，電磁線圈內外通過絕緣保護；電磁線圈通直流電，通過電壓調節磁場的強度。
6.按照權利要求I所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，其特征在于 法蘭套由不導磁的不銹鋼制作，法蘭套為空心結構，通冷卻水保護；二極橫向旋轉磁場發生裝置、法蘭套與靶材三者之間同軸，二極橫向旋轉磁場發生裝置在法蘭套上的位置可調；法蘭套截面單邊形狀為L形，中間法蘭套冷卻水通道由雙層不銹鋼筒同軸圍套組成，冷卻水通道上部焊接一環形法蘭盤，法蘭盤內徑與法蘭套內徑平齊，外徑與爐體法蘭外徑平齊，法蘭盤邊緣開有6-8個法蘭安裝孔，通過法蘭安裝孔將法蘭整體與爐體連接；冷卻水通道下部連接不銹鋼法蘭環，法蘭環內、外徑與法蘭套一致，法蘭環底部開有8個螺紋孔，其中對稱兩個螺紋孔為通孔，作為進出水口，另外6個作為離子鍍槍底盤連接孔。
7.按照權利要求I所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，其特征在于靶材底柱絕緣套為高分子管套，管套內徑與靶材底柱外徑一致，通過靶材底柱外壁的環形密封槽內的密封圈進行絕緣密封，管套圍套在靶材底柱周圍，管套上部與靶材底柱平齊；靶材底柱絕緣套外設有離子鍍槍底盤絕緣盤，離子鍍槍底盤絕緣盤的位置無限制，根據實際應用需求設置，通過絕緣盤位置調節靶材在法蘭套內的位置。
8.按照權利要求I所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，其特征在于靶材底柱、靶材底座的靶材底柱連接管和冷卻水通道底座外徑尺寸根據具體靶材尺寸及弧源結構調節，設置為靶材外徑尺寸的1/4 1/2之間，采用細長型緊湊結構；靶材底座設有靶材底座盤、靶材底柱連接管、靶材底座冷卻銅板、靶材底座冷卻水上下通道、靶材安裝柱環套、靶材底座冷卻通道隔板、靶材底座冷卻水進水管，部件之間同軸裝配；靶材底座冷卻銅板焊接在靶材安裝柱環套上，靶材通過安裝柱環套上端面與靶材底座冷卻銅板之間的環套內壁螺紋安裝在靶材底座上，與冷卻銅板緊密接觸；靶材屏蔽罩為圓筒形，套裝在靶材安裝柱環套外的支撐臺上；靶材屏蔽罩與靶材之間形成間隙，間隙尺寸小于 3mm ；靶材底座冷卻通道隔板中間有圓孔、邊緣有間隔縫隙作為冷卻水出水口，隔板邊緣焊接在靶材安裝柱環套上，與靶材底座冷卻銅板有間隔，形成底座冷卻水上通道；與靶材底座盤有間隔，形成底座冷卻水下通道；靶材底座冷卻通道隔板中間的圓孔連接在靶材底座冷卻水進水管上，進水管外壁有密封槽，有耐壓強度、上部有一環形導磁環支撐臺的冷卻水進水管道通過密封槽內的密封圈與靶材底座冷卻水進水管緊密連接；高磁導率的導磁環磁軛圍套在冷卻水進水管道的環形支撐臺上，環形支撐臺與靶材底柱有間隔，形成冷卻水出水通道；靶材底座盤為中間有一圓孔的薄圓盤，該圓孔與靶材底座冷卻水進水管形成環形間隔，作為冷卻出水口 ；靶材底柱連接管外壁設有螺紋，通過該螺紋與不銹鋼圓筒組成的靶材底柱上部內壁螺紋連接；靶材底柱下部設有外螺紋，通過該螺紋與冷卻水通道底座連接，靶材底柱與冷卻水進水管道之間形成冷卻水通道；冷卻水通道底座由上部的不銹鋼圓筒和下部的圓柱體組成，上部不銹鋼圓筒底部內壁設有螺紋,通過上部內螺紋與靶材底柱底部外螺紋連接,上部螺紋底部臺階有一密封槽,通過密封槽內的密封圈與靶材底柱底部緊密接觸，形成有效的密封；上部不銹鋼圓筒側壁開有一臺階形雙孔，該臺階形雙孔作為出水管安裝孔，出水管外徑和外孔內徑一致，出水管內徑和內孔內徑一致，出水管底部與雙孔臺階接觸，雙孔離下部的圓柱體上部有距離；下部的圓柱體中心開有一臺階形三孔，上孔與中孔形成一臺階，冷卻水進水管道底部與該臺階接觸連接；下孔與中孔形成以臺階形孔，該臺階形孔作為進水管安裝孔，進水管底部與下孔與中孔之間的臺階接觸連接，上部的不銹鋼圓筒和下部的圓柱體的長度根據實際需要調節；冷卻水通道底座、靶材底柱與冷卻水進水管道之間形成冷卻水通道底部儲水腔，整個離子鍍槍的冷卻水從冷卻水通道底座底部進水管流入冷卻水進水管道，通過冷卻水進水管道流入靶材底座的冷卻水上通道，從靶材底座的冷卻水隔板邊緣縫隙流出，進入靶材底座的冷卻水下通道，從靶材底座底盤中心孔留出，進入靶材底柱與冷卻水進水管道之間的通道，然后進入底部儲水腔，從冷卻水通道底座側壁出水管流出，形成對整個離子鍍槍的有效冷卻；從底座側壁出水管流出的冷卻水進入法蘭套的進水口，從法蘭套冷卻水通道流過后， 從法蘭套的出水口流出，形成對法蘭套及其周圍的磁場發生裝置的有效冷卻。
9.按照權利要求I所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，其特征在于 離子鍍槍底盤為一帶中心圓孔的具有不銹鋼盤，底盤外徑尺寸與法蘭套外徑尺寸一致，離子鍍槍底盤中心孔直徑與靶材底柱絕緣套外徑一致，圍套在絕緣套上，下部與絕緣盤上面緊密接觸；離子鍍槍底盤周邊開有8個連接孔，與法蘭套底部的螺紋孔對應，通過其中6個連接孔將離子鍍槍與法蘭套底部連接；另外兩個連接孔與法蘭進出水口對應；離子鍍槍底盤下部靠近中心孔設有密封槽,密封槽外徑小于絕緣盤外徑,通過槽內密封圈與絕緣盤之間緊密接觸形成有效的密封；底盤靠近密封槽附近設置有6-8個螺紋孔，螺紋孔內邊緣大于絕緣盤外徑，通過該螺紋孔與緊固板進行連接，將絕緣盤緊固在底盤與底盤緊固板之間。
10.按照權利要求I所述的多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，其特征在于離子鍍槍底盤緊固板為一帶中心圓孔的具有不銹鋼盤，底盤外徑尺寸比絕緣盤外徑尺寸大， 離子鍍槍底盤緊固板中心孔直徑與靶材底柱絕緣套外徑一致，圍套在絕緣套上，上部與絕緣套盤下面緊密接觸；底盤緊固板靠近邊緣設置有6-8個安裝孔，與離子鍍槍底盤下部螺紋孔一致，通過該安裝孔將絕緣盤緊固在底盤與底盤緊固板之間；緊固板上部靠近中心孔設有密封槽，通過槽內密封圈與絕緣盤之間緊密接觸形成有效的密封。
全文摘要
本發明涉及薄膜與涂層制備技術領域，具體地說是一種多結構耦合磁場適應型旋轉弧離子鍍裝置，解決現有技術中大顆粒、靶材刻蝕與涂層均勻性差、沉積效率低等問題。該旋轉弧離子鍍裝置采用特種多功能多結構適應型離子鍍槍配合結構優化的水冷法蘭套作為整體弧源結構，離子鍍槍的靶材底座后設有軸向輔助磁場裝置，法蘭套的外側設有二極旋轉橫向磁場發生裝置、聚焦導引磁場裝置。通過三套磁場裝置的耦合作用形成二極旋轉橫向磁場為主的其他磁場耦合的多型復合磁場。本發明既滿足靶面附近的旋轉磁場狀態，改善弧斑放電形式，降低功率密度、減少大顆粒發射，又保證等離子體傳輸空間的磁場分布，提高等離子體的傳輸效率和傳輸均勻性。
文檔編號C23C14/35GK102936718SQ20121044462
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月8日 優先權日2012年11月8日
發明者郎文昌, 王向紅, 李明霞 申請人:溫州職業技術學院