專利名稱：截面為帶狀的真空陰極電弧等離子體的磁過濾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真空陰極電弧中的電中性的液滴和宏觀顆粒的過濾方法，具體來講是一種使用磁場(chǎng)來彎曲真空陰極電弧等離子體，過濾掉電中性的液滴和宏觀顆粒的磁過濾方法，屬于材料的真空表面改性領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
材料真空陰極電弧鍍膜技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)取得了令人矚目的成果，成為表面改性領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的鍍膜技術(shù)。但是，該鍍膜方法目前仍然存在有一些問題，主要表現(xiàn)在由于該方法依靠的是真空陰極電弧蒸發(fā)陰極材料獲得電弧等離子體，在電弧陰極斑點(diǎn)處具有很大的電流密度(達(dá)106-108A/cm2)，因此，即使在真空下，真空電弧的陰極斑點(diǎn)也具有很高的溫度，使得陰極材料熔化，在陰極斑點(diǎn)處形成微小的熔池，且在熔池中也產(chǎn)生的陰極材料蒸汽，因此在陰極斑點(diǎn)中心與外部有很大的壓差，使得熔池中的液滴發(fā)生飛濺或者使得陰極靶材崩裂，從而產(chǎn)生一些液滴和宏觀顆粒。這些液滴和宏觀顆粒到達(dá)基片表面，將對(duì)膜層造成污染，影響改性層的應(yīng)用效果，造成工件表面粗糙，膜的性能不均勻等不利因素。近年來，世界上發(fā)展了很多除去液滴和宏觀顆粒的方法，專利申請(qǐng)人對(duì)多種過濾液滴和宏觀顆粒的方法進(jìn)行了總結(jié)(見申請(qǐng)人發(fā)表在真空雜志上的文獻(xiàn)《陰極弧離子鍍磁過濾器》真空1999，3 :14)，并將過濾方法分成直線式結(jié)構(gòu)和曲線式結(jié)構(gòu)。在各種液滴和宏觀顆粒過濾方法中，采用磁結(jié)構(gòu)約束并引導(dǎo)等離子體的過濾方法被廣泛使用，也取得了很好的效果。在國(guó)內(nèi)外也申請(qǐng)了一些專利，如陳寶清申請(qǐng)的專利，專利號(hào)01247038. 4,該專利的名稱是制備超硬薄膜的離子源裝置的濾質(zhì)器，專利內(nèi)容是一種制備超硬薄膜的離子源裝置的濾質(zhì)器，包括濾質(zhì)管、設(shè)置于濾質(zhì)管外部且與磁場(chǎng)電源相接的螺線管、設(shè)置于濾質(zhì)管出口處的出口光闌，所述濾質(zhì)管內(nèi)設(shè)置有捕集器，所述螺線管由導(dǎo)線繞制而成，所述的濾質(zhì)管為波紋管結(jié)構(gòu)；所述的濾質(zhì)管為彎管。Shi Xu申請(qǐng)的美國(guó)專利，專利號(hào)6031239，該專利的名稱是過濾陰極電弧源，專利的內(nèi)容是使用異面雙彎過濾器以及高能電/磁場(chǎng)過濾除多余液滴和宏觀顆粒和不帶電粒子。上述專利能夠有效除去液滴及宏觀顆粒，獲得高質(zhì)量的薄膜。但是，上述專利主要是針對(duì)的圓形小真空陰極電弧結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)的加入，使得從真空陰極電弧源里面發(fā)散出來的等離子體帶有強(qiáng)烈的方向性，被鍍區(qū)域被大大縮小，因此，限制了過濾后的真空電弧蒸發(fā)源在大規(guī)模工業(yè)鍍件上面的應(yīng)用。且由于上述各彎曲磁過濾器中電子和離子受到的磁場(chǎng)的約束不同，而通常在彎管的外側(cè)離子富裕，內(nèi)側(cè)離子不足，造成鍍膜不均勻。因此，為了擴(kuò)大被鍍區(qū)域，一些彎曲電弧磁過濾裝置還進(jìn)行了改裝，增加了等離子體聚焦機(jī)構(gòu)和掃描機(jī)構(gòu)，增加了設(shè)備的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，因此，為了使得拓寬過濾后的真空陰極電弧鍍膜方法在工業(yè)上的應(yīng)用，還需要發(fā)展新的液滴和宏觀顆粒的過濾方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)中所存在的上述不足和缺陷，提供一種帶狀真空陰極電弧等離子體的磁過濾方法，使其克服現(xiàn)有的彎管真空陰極電弧磁過濾方法沉積區(qū)域小、沉積膜不均勻、不適合大規(guī)模工業(yè)鍍膜應(yīng)用的缺陷。該方法能夠在真空腔體一側(cè)，將真空陰極弧源所發(fā)出的等離子體以帶狀范圍進(jìn)入真空腔體，提供鍍膜用的等離子體，配合旋轉(zhuǎn)工件靶臺(tái)，可以在整個(gè)腔體的鍍膜區(qū)域，獲得等離子體鍍膜空間，從而大大拓寬過濾電弧的使用效率。實(shí)現(xiàn)大空間鍍膜，提高效率節(jié)約成本。本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)的步驟如下該方法的首先是在真空下面進(jìn)行，抽背底真空氣壓小于5X10_3Pa后，用機(jī)械的或高壓或激光照射等公知的引弧方法引燃電弧，電弧電流在25A-1000A，電壓在20-59V，進(jìn)行鍍膜。此時(shí),可通入惰性氣體、或惰性氣體與其他氣體的混合氣體,至氣壓到真空度為Pa至10_3Pa的數(shù)量級(jí)，進(jìn)行鍍膜。需要進(jìn)行彎曲過濾的真空陰極電弧源采用矩形長(zhǎng)條或兩端為橢圓形的帶狀真空 陰極電弧源。其特征是帶狀長(zhǎng)度的長(zhǎng)軸I大于寬軸方向的長(zhǎng)度w，1/w在I. 5以上。需要進(jìn)行彎曲過濾的真空陰極電弧源也可以采用排列在一起的多個(gè)圓柱形弧源，其特征是至少兩個(gè)以上。由帶狀真空陰極電弧源產(chǎn)生的等離子體最終也以帶狀向外發(fā)射。其帶狀可以是經(jīng)由一個(gè)點(diǎn)狀等離子經(jīng)帶狀方向的掃描而成。該真空陰極電弧源是在一個(gè)磁場(chǎng)的作用下，實(shí)現(xiàn)電弧在表面的均勻運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的控制可以是通過永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)控制，也可以是電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)控制。在帶狀真空陰極電弧源的真空陰極電弧靶前面，放置一個(gè)截面同帶狀真空陰極電弧源一致的帶狀等離子體磁場(chǎng)彎曲通道。其特征是在等離子體彎曲通道外面，纏繞有磁場(chǎng)線圈，或者排布有永磁體，磁場(chǎng)線圈和永磁體在等離子體彎曲通道內(nèi)部能夠產(chǎn)生與帶狀等離子體彎曲磁過濾通道壁基本平行的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)可以是長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)，也可以是會(huì)切線結(jié)構(gòu)。帶狀真空陰極電弧等離子體經(jīng)由該彎曲電弧管道后，不帶電的微觀液滴和宏觀顆粒以及中心粒子都被過濾到帶狀等離子體彎曲磁過濾通道壁上。與帶狀等離子體彎曲磁過濾通道壁基本平行的磁場(chǎng)強(qiáng)度的范圍是采用電磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度在IOmT-IOOmT ;采用永磁體時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度在10_400mT。在帶狀等離子體彎曲磁過濾通道上所施加的磁場(chǎng)可以有兩種形式一是沿帶狀等離子體彎曲磁過濾通道的帶狀截面的長(zhǎng)度方向上，磁場(chǎng)要均勻或者基本均勻分布，這樣產(chǎn)生的等離子體才不會(huì)經(jīng)過帶狀等離子體彎曲磁過濾通道時(shí)在帶狀截面的長(zhǎng)度方向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)，扭曲而造成出口處沿著帶狀出口方向上分布不均勻；二是在帶狀的彎曲等離子體通過通道上，所施加的磁場(chǎng)可以采用磁場(chǎng)強(qiáng)度掃描分布，通過磁場(chǎng)沿著帶狀方向進(jìn)行掃描，以此獲得在出口處分布均勻的等離子體。帶狀等離子體彎曲磁過濾通道的彎曲可以是弧形或者膝形或者U形或者S形或者是多彎等曲折形狀，其特征是內(nèi)部有大體與帶狀等離子體彎曲管道內(nèi)壁相平行的彎曲磁場(chǎng)。另外一個(gè)主要特征是從帶狀等離子體從出口處到真空陰極電弧源的距離大于100mm。在與該帶狀等離子體彎曲磁過濾通道壁基本平行的磁場(chǎng)作用下，從帶狀真空陰極電弧源中蒸發(fā)出來的電弧等離子體中的電子和離子將受到羅倫次力的束縛。液滴和宏觀顆粒和中性粒子因?yàn)椴粠щ?，因此其運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到磁場(chǎng)的干擾，繼續(xù)保持直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而碰到壁上。但仍有可能在帶狀彎曲等離子體過濾通道壁上多次反彈而進(jìn)入鍍膜室造成污染，為了防止這種情況，可以在帶狀等離子體彎曲磁過濾通道內(nèi)壁上加入腹板或者輻條，捕獲這些反彈的中性粒子、宏觀顆粒和液滴，增加過濾效果。以下對(duì)本發(fā)明作做進(jìn)一步的補(bǔ)充說明，具體內(nèi)容如下這種磁場(chǎng)中電子和離子分離區(qū)域的存在，在通用的圓形彎管式彎曲電弧磁過濾方法中，會(huì)引起鍍膜厚度不均勻等缺點(diǎn)，但是在本方法中，由于采用的是帶狀橫截面的帶狀等離子體彎曲管道，因此，這種不均勻分布將是在帶狀出口處寬度方向上的不均勻分布，工件的旋轉(zhuǎn)靶臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向與該不均勻方向一致，因此這種不均勻分布，不會(huì)對(duì)本發(fā)明方法的使用造成危害。因此，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)方法簡(jiǎn)單，能夠適合大批量工業(yè)生產(chǎn)。能夠沉積無顆粒，高表面光潔度薄膜。


圖I圓弧形彎曲的帶狀等離子體彎曲磁過濾通道實(shí)例圖2圓弧形彎曲的帶狀等離子體彎曲磁過濾通道磁場(chǎng)的另外一種施加方式。圖3帶狀等離子體彎曲磁過濾通道的不同彎曲方法實(shí)例圖4膝形帶狀等離子體彎曲磁過濾通道會(huì)切磁場(chǎng)施加方式實(shí)例
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和本發(fā)明方法的內(nèi)容提供實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的理解。圖I給出了利用本方法對(duì)矩形真空陰極電弧源所產(chǎn)生的帶狀等離子體利用圓弧形彎曲的帶狀等離子體彎曲磁過濾通道進(jìn)行磁過濾的裝置示意圖。電弧等離子體經(jīng)由真空陰極電弧靶I產(chǎn)生后，進(jìn)入帶狀等離子體彎曲磁過濾通道2。在圓弧形彎曲的帶狀等離子體彎曲磁過濾通道外面，纏繞有銅質(zhì)導(dǎo)線纏繞的電磁線圈3，電磁線圈3圍繞在帶狀等離子體彎曲磁過濾通道2外面，在帶狀等離子體彎曲磁過濾通道內(nèi)部形成沿著彎曲方向與帶狀等離子體彎曲磁過濾通道2內(nèi)壁大體平行的磁力線(圖中未給出)。在此磁力線約束的下，由帶狀等離子體彎曲磁過濾通道出口 4，進(jìn)入真空室，為鍍膜提供真空陰極電弧帶狀的等離子體。因此，該真空陰極電弧等離子體過濾方法能夠?yàn)殄兡?、離子注入等表面改性方法提供的長(zhǎng)帶狀的等離子體，提高表面改性質(zhì)量。纏繞在帶狀等離子體彎曲磁過濾通道2上面的電磁線圈的纏繞方法可以是連續(xù)式，也可以采用圖2所示的斷續(xù)方式纏繞線圈5，其基本特征是可以在帶狀等離子體彎曲磁過濾通道內(nèi)部形成在彎曲方向上與帶狀等離子體彎曲磁過濾通道內(nèi)壁基本平行的均勻分布的磁場(chǎng)。為了防止液滴和宏觀顆粒以及中心粒子的二次反彈，可以在帶狀等離子體彎曲磁過濾通道中加入腹板或者輻條6。帶狀等離子體彎曲磁過濾通道的彎曲，不局限于圖I和圖2以所給出弧狀彎曲，彎曲的角度也不局限于圖中給出的80度。還可以采用如圖3所示的S形帶狀等離子體彎曲磁過濾通道7，或者U形帶狀等離子體彎曲磁過濾通道8，或者膝形帶狀等離子體彎曲磁過 濾通道9，以及其他未給出的彎曲方式的帶狀等離子體彎曲磁過濾通道。這些帶狀等離子體彎曲磁過濾通道都需要具有共同的特征，即從帶狀等離子體彎曲磁過濾通道出口處，不能直視真空陰極電弧源的陰極靶材。帶狀等離子體彎曲磁過濾通道磁過濾用的磁場(chǎng),也可以通過永磁體施加，圖4給出了膝形帶狀等離子體彎曲磁過濾通道通過永磁體10的N極與S極相互首尾連接構(gòu)成近 視平行于膝形帶狀等離子體彎曲磁過濾通道內(nèi)壁的會(huì)切磁場(chǎng)11的實(shí)例。該會(huì)切磁場(chǎng)11也可以在管壁的方向上防止進(jìn)入通道的帶狀等離子體中的帶電粒子向管壁的擴(kuò)散，將等離子體傳送到鍍膜室(圖中未給出)。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明是一種對(duì)截面或運(yùn)動(dòng)區(qū)域截面為帶狀的真空陰極電弧等離子體，進(jìn)行磁過濾，去除其中宏觀顆粒及中性粒子的磁過濾方法。需要進(jìn)行彎曲過濾的真空陰極電弧源采用長(zhǎng)條形或者矩形或者橢圓形等的可以產(chǎn)生帶狀真空陰極電弧或可以為真空電弧提供帶狀運(yùn)動(dòng)空間。其特征是帶狀長(zhǎng)度的長(zhǎng)軸I大于寬軸方向的長(zhǎng)度W，1/w在I. 5以上。由帶狀真空陰極電弧源產(chǎn)生的等離子體最終也以帶狀橫截面向外發(fā)射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的截面為帶狀的真空陰極電弧等離子的形成可以是經(jīng)由一個(gè)電弧斑點(diǎn)產(chǎn)生的一束等離子體，經(jīng)帶狀方向的掃描而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的宏觀顆粒及中性粒子的磁過濾方法是在真空陰極電弧源的真空陰極電弧靶前面，放置一個(gè)截面同帶狀真空陰極電弧源一致的帶狀等離子體磁場(chǎng)彎曲通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求3，所述的截面為帶狀的等離子體磁場(chǎng)彎曲通道的特征是在等離子體彎曲通道外面，纏繞有磁場(chǎng)線圈，或者排布有永磁體，磁場(chǎng)線圈和永磁體在等離子體彎曲通道內(nèi)部能夠產(chǎn)生與帶狀等離子體彎曲磁過濾通道壁基本平行的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)可以是長(zhǎng)線結(jié)構(gòu)，也可以是會(huì)切線結(jié)構(gòu)。在帶狀等離子體彎曲磁過濾通道上所施加的磁場(chǎng)可以有兩種形式一是沿帶狀等離子體彎曲磁過濾通道的帶狀截面的長(zhǎng)度方向上，磁場(chǎng)要均勻或者基本均勻分布。二是在帶狀的彎曲等離子體通過通道上，所施加的磁場(chǎng)可以采用磁場(chǎng)強(qiáng)度掃描分布，通過磁場(chǎng)沿著帶狀方向進(jìn)行掃描，以此獲得在出口處分布均勻的等離子體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的截面為帶狀的等離子體彎曲磁過濾通道磁場(chǎng)施加的方法，與通道壁基本平行的磁場(chǎng)強(qiáng)度的范圍在采用電磁方式時(shí)lOmT-lOOmT。采用永磁體時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度在 10-400mT。
6.根據(jù)權(quán)利要求3，所述的帶狀等離子體彎曲磁過濾通道的彎曲可以是弧形或者膝形或者U形或者S形或者是多彎等曲折形狀，其特征是內(nèi)部有大體與帶狀等離子體彎曲管道內(nèi)壁相平行的彎曲磁場(chǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3，所述的帶狀等離子體彎曲磁過濾通道的另外一個(gè)主要特征是從帶狀等離子體管道出口處到真空陰極電弧源的距離大于100mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求3，所述的磁過濾通道，為了避免液滴和宏觀顆粒和中性粒子在過濾通道壁上經(jīng)多次反彈而進(jìn)入鍍膜室造成污染，可以在帶狀等離子體彎曲磁過濾通道內(nèi)壁上加入腹板或者輻條，捕獲這些反彈的中性粒子、宏觀顆粒和液滴，增加過濾效果。
9.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的方法的實(shí)現(xiàn)首先是在真空下面進(jìn)行，抽背底極限真空到5 X IO3Pa后，加入惰性氣體或者惰性氣體或者惰性氣體與其他氣體的混合氣體，至氣壓到真空度為Pa至IO3Pa的數(shù)量級(jí)，用機(jī)械的或者電子的或者激光照射等公知的引弧方法引燃電弧，電弧電流在25A-1000A，電壓在20-59V。
全文摘要
本發(fā)明提供一種截面為帶狀的真空陰極電弧等離子體中的電中性的液滴和宏觀顆粒的去除方法，屬于材料的真空表面改性領(lǐng)域。具體來講是一種使用帶狀截面真空陰極電弧等離子體通道，通過施加在該通道內(nèi)的磁場(chǎng)來彎曲帶狀的真空陰極電弧等離子體，過濾掉電中性的液滴和宏觀顆粒的磁過濾方法。所述方法克服現(xiàn)有的彎管真空陰極電弧磁過濾方法沉積區(qū)域小、沉積膜不均勻、加上掃描系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜、昂貴、且不適合大規(guī)模工業(yè)鍍膜應(yīng)用等缺陷。該方法能夠在長(zhǎng)長(zhǎng)的帶狀范圍內(nèi)提供鍍膜用的等離子體，加上旋轉(zhuǎn)工件靶臺(tái)后，可以大大拓寬過濾電弧的使用領(lǐng)域。提高沉積效率，實(shí)現(xiàn)大空間鍍膜，提高鍍膜效率并節(jié)約成本。
文檔編號(hào)H01J37/32GK102634761SQ201110290648
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者李劉合 申請(qǐng)人:李劉合