專利名稱：大面積可控電弧蒸發(fā)源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及物理氣相沉積技術(shù)專利設(shè)備，尤其是一種大面積可控電弧蒸發(fā)源。
在工件上鍍制耐磨的超硬薄膜，或在工藝制品上鍍制仿金或其他裝飾膜層，一般采用陰極電弧源鍍膜設(shè)備，其工作原理如


圖1所示。將清洗好的工件裝入真空室24的工件架25上，用真空設(shè)備通過抽氣口26將真空室抽真空。需加熱的工件通過加熱器32加熱。抽至一定真空后，接通主弧電源29、偏壓電源28，接通引弧電源開關(guān)K1及引弧線圈30的電源開關(guān)K2。當(dāng)電弧引起之后，關(guān)斷K1、K2，通過進氣口27通入工作氣體(N2)，并調(diào)節(jié)進氣量，使之維持一定的真空度，這樣在磁場電源31作用下，蒸發(fā)源2發(fā)出的金屬離子與氮氣反應(yīng)，生成所需要的膜層覆蓋在零件表面上。
目前，已有技術(shù)中的電弧蒸發(fā)源2多為直徑60－75mm的小圓柱形電弧蒸發(fā)源，采用永久磁鋼產(chǎn)生磁場維持電弧放電，其不足之處是1、永久磁鋼在靶面處產(chǎn)生磁場可調(diào)范圍小，電弧放電區(qū)域基本固定不變，靶材燒蝕不均勻；2、電弧工作穩(wěn)定性差，特別是在較高真空下不易維持電弧放電；3、對工件轟擊、清洗、加熱均勻性差；4、只能鍍制單一成分的膜層。
針對上述所述的電弧蒸發(fā)源存在的問題，有人設(shè)計了多元素填充式組合靶，可以鍍制出合金薄膜，但其磁場仍靠永久磁鋼產(chǎn)生。另外還有人設(shè)計了采用電磁控陰極電弧源的設(shè)備，主要解決了靶材燒蝕不均和靶材利用率不高的問題。但不能有效地控制使用同一蒸發(fā)源鍍制多種成分，多種顏色的膜層問題。
本實用新型的目的是提供一種放電性能穩(wěn)定，靶材燒蝕均勻，對工件清洗、轟擊、加熱均勻，可鍍制多種成分、多種顏色的膜層，電弧放電容易控制的大面積可控電弧蒸發(fā)源。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的大面積可控電弧蒸發(fā)源包括大平面靶、陰極座、電磁線圈和接線柱。大平面靶通過壓環(huán)及螺栓固定在陰極座上，兩者之間有密封圈。陰極座與真空室法蘭通過絕緣件及密封圈絕緣并密封。屏蔽罩固定在絕緣件上。屏蔽罩與大平面靶側(cè)面保持1.5－2mm間隙。密封圈用絕緣擋環(huán)固定。陰極座通過絕緣墊靠壓板壓緊。壓板用螺栓固定在真空室法蘭上。電磁線圈固定在陰極座與大平面靶形成的水冷空間內(nèi)。電磁線圈為多組同心繞制的圓形線圈。其組數(shù)與靶材尺寸大小對應(yīng)。電磁線圈通過接線柱與直流電源相接。接線柱通過絕緣密封墊與蓋板絕緣并密封。導(dǎo)磁材料制成的蓋板固定在陰極座上，通過密封圈密封。蓋板上設(shè)有冷卻水進出水嘴。大平面靶前面設(shè)引弧桿。大平面靶上同心裝有異種材料的圓環(huán)靶。圓環(huán)靶可由小圓柱體構(gòu)成。
陰極座與大平面靶靠近的一側(cè)可為封閉結(jié)構(gòu)。
大平面靶可為圓形或方形，其直徑或邊長為200－400mm，厚度為10－30mm。
大平面靶中心裝有小圓柱形靶，其直徑最好為30－70mm，長度為20－70mm。
大平面靶上的同心圓環(huán)靶直徑為100－330mm，徑向?qū)挾葹?－20mm。構(gòu)成圓環(huán)靶的小圓柱直徑為5－30mm。
為改變靶面磁場的分布以控制靶面電弧的放電位置，各線圈中設(shè)有帶鐵芯調(diào)節(jié)桿的鐵芯。
工作時，改變靶面磁場分布，就可改變靶面的不同放弧位置。因此，調(diào)節(jié)通過電磁線圈的電流大小、方向及通電方式來改變磁場分布，便可實現(xiàn)電弧在小圓柱靶的端面及側(cè)面均勻放弧，且可在大平面靶上的任意大小環(huán)形區(qū)域放弧，并通過電路控制電弧在靶面某處放弧時間的長短。由于本實用新型采用大平面靶與小圓柱靶相結(jié)合，且在大平面靶上鑲嵌多種異類材料。利用可控電磁場控制弧斑在靶面的運動，便可實現(xiàn)整個靶面均勻放弧，均勻燒蝕，且可控制膜層成分，得到多種成分、多種顏色的膜層。
本實用新型與已有技術(shù)相比，優(yōu)點是1、靶材利用率高，可達(dá)80％以上，靶材表面均勻放弧，均勻燒蝕。
2、利用調(diào)節(jié)電磁場在靶面的分布，可實現(xiàn)靶面任一位置穩(wěn)定放弧，改善了鍍膜時靶材粒子的蒸發(fā)角度。
3、在同一爐次內(nèi)，使用同一蒸發(fā)源可鍍制多種成分膜層，可鍍制單一膜層，合金膜層，也可鍍制復(fù)合膜層。
4、鍍膜成分易控制。
5、電弧放電穩(wěn)定性好，可在高真空下恒定工作，對工件轟擊、清洗、加熱均勻性效果好。
圖1為陰極電弧源鍍膜設(shè)備原理圖；圖2為大面積可控電弧蒸發(fā)源實施例之一結(jié)構(gòu)圖；圖3為帶有小圓柱靶及一個異種材料圓環(huán)靶的平面靶；圖4為帶有兩個異種材料圓環(huán)靶的平面靶；
圖5為帶有一個由小圓柱異種材料組成的圓環(huán)靶的平面靶；圖6為帶有可調(diào)鐵芯的線圈示意圖；圖7為大面積可控電弧蒸發(fā)源實施例之二結(jié)構(gòu)圖；圖8為電磁線圈的電路方框圖；圖9、
圖10、
圖11為電磁線圈的電路圖及其控制電路圖。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明大面積可控電弧蒸發(fā)源包括大平面靶2、陰極座7、電磁線圈16和接線柱4。大平面靶2通過壓環(huán)4固定在陰極座7上，兩者之間裝有密封圈6。陰極座7與真空室24法蘭通過絕緣件5及密封圈8密封。陰極座7可選用磁性材料，也可選用非磁性材料。屏蔽罩3固定在絕緣件5上，相對陰極靶及真空室壁為電中性。屏蔽罩3與大平面靶2側(cè)面保持1.5－2mm的間隙。擋環(huán)9用來絕緣及固定密封圈8。陰極座7通過絕緣墊11靠壓板壓緊。壓板12用螺柱固連在真空室24的法蘭上。電磁線圈16固定在陰極座7與大平面靶2形成的水冷空間內(nèi)。電弧線圈16為多組同心繞制的圓形線圈，其組數(shù)可根據(jù)需要及靶材尺寸大小確定。各線圈中設(shè)有帶鐵芯調(diào)節(jié)桿23的鐵芯22。電磁線圈16通過接線柱14接直流電源。電源范圍為0－10A，連續(xù)可調(diào)。其通電方式通過電路控制，根據(jù)工藝要求，實現(xiàn)多組線圈同時得電，部分線圈同時得電及多組線圈輪流得電，并可控制每組線圈得電時間長短。接線柱14通過絕緣密封墊15與蓋板17絕緣密封。導(dǎo)磁材料制成的蓋板17固定在陰極座7上，并通過密封圈10密封。冷卻水通過水咀13進出。引弧桿18可通過氣動或電動方法動作，與平面靶2瞬間起弧。大平面靶2上可鑲嵌多種異類材料19、20、21。鑲嵌的異類材料可以是圓環(huán)形的，也可以是小圓柱形的。圓環(huán)形材料19、20的徑向?qū)挾葹?－20mm，圓環(huán)直徑100－330mm。構(gòu)成圓環(huán)的小圓柱形材料21直徑為5－30mm。若以Ti為大平面靶2，其鑲嵌的異類材料可以是Ag、Cu、Au、Zr、Al、Cr、Ni、Mo、Ta、W、Pd等中的一種或幾種。這些環(huán)形和小圓柱形異種材料與大平面靶2同心鑲嵌。
例1鍍制TiN仿金膜及純金膜層的復(fù)合膜。
采用圖2或圖7的靶源結(jié)構(gòu)。大平面靶2用Ti材料制成，小圓柱靶1用黃金制成，開始起弧時對工件進行轟擊、清洗、加熱時控制電弧在大平面靶2上放弧，控制弧斑沿一定軌跡運動。這一過程為1－3分鐘。然后通入N2氣開始進行鍍膜，使工件表面形成近黃金色的TiN膜層。這一過程為2－10分鐘。最后控制弧斑在小圓柱靶上放弧，蒸發(fā)黃金，使工件表面鍍上一層薄薄的純金膜層。這一過程為1分鐘左右。
例2鍍制AITiN合金膜層。
采用圖4所示的靶材鑲嵌結(jié)構(gòu)。大平面靶用Ti制成，環(huán)形鑲嵌物19、20用AI材制成(也可將大平面靶用AI材制成，環(huán)形鑲嵌物19、20用Ti制成)。工作時控制電弧在兩材料交界處放弧，也可控制電弧在兩材料上交替放弧，且控制各自的放弧時間，就可鍍制出任意比例的AITiN膜層。
例3鍍制單一成分的TiN膜層。
采用圖2或圖7的靶源結(jié)構(gòu)。大平面靶2及小圓柱靶1均選用Ti材。鍍膜時根據(jù)靶面的燒蝕情況控制電弧的放弧位置，使靶材均勻放弧，均勻燒蝕，提高靶材利用率。
本實用新型電弧線圈的電流可采用圖9、
圖10、
圖11所示的電路控制。圖8為電路方框圖。
電路包括電源、恒流給定、換向和磁場控制四部分。
第一部分由變壓器和全橋整流電路組成，提供磁場工作需要的工作電源。
第二部分由兩個場效應(yīng)管和可調(diào)電阻組成。本電路為一可調(diào)的高性能恒流源。如圖9所示，初始正偏置電壓產(chǎn)生流入Q1的電流，Q1柵極正偏，Q1導(dǎo)通。當(dāng)有電流過時，R2和R3上的壓降達(dá)到Q2柵極的門限電壓，于是Q2導(dǎo)通，Q1柵極供出電流，調(diào)節(jié)Q1源極電流。調(diào)節(jié)R3的阻值大小，改變Q2柵極門限電壓，從而調(diào)節(jié)Q1流出的電流大小。
本電路Q1、Q2，為場效應(yīng)管，型號2RF448，R1＝51k，R2＝0.5Ω，10w，R3＝10Ω，10w。電路電流可調(diào)范圍為0.25－5A。
第三部分為換向電路。主回路由四個場效應(yīng)管組成，控制電路由一個4011與非門電路和光耦組成。如圖9，四個場效應(yīng)管組成橋式電路。控制電路如
圖10。當(dāng)“1”腳輸入為低電平時，“2”腳輸入狀態(tài)不起作用。A、B、C、D均截止。當(dāng)“1”腳輸入高電平時，“2”腳輸入高電平，A、B、導(dǎo)通，C、D截止。“2”腳為低電平時，A、B、截止，C、D導(dǎo)通，達(dá)到控制光耦或C、D的成對導(dǎo)通，相應(yīng)的場效應(yīng)管導(dǎo)通的目的。當(dāng)QA、QB成對導(dǎo)通，QC、QD截止時，電路輸出上正、下負(fù)。當(dāng)QA、QB截止，QC、QD導(dǎo)通時，電路輸出上負(fù)、下正，實現(xiàn)電源極性的轉(zhuǎn)換。
第四部分為磁場控制單元。如
圖11所示，選用十進制譯碼器CD4017和施密特觸發(fā)器CD40106構(gòu)成矩陣。NE555構(gòu)成一無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器產(chǎn)生低頻脈沖方波，直接藕合至4017的計數(shù)端。4017依次輸出高電平。4017輸出端有10位本電路用其四位。矩陣縱線為4017輸出，橫線為40106輸入。4017輸出的高電平通過矩陣的排列組合，輸入至40106，使相應(yīng)的施密特觸發(fā)器呈高電平，并驅(qū)動相應(yīng)光耦導(dǎo)通，推動執(zhí)行元件動作，即場效應(yīng)管的通斷。不同的排列組合獲得不同磁場形式?？筛鶕?jù)離子鍍工藝的不同要求，間捷地在現(xiàn)場對磁場進行調(diào)節(jié)，獲得理想的形式。
權(quán)利要求1.一種大面積可控電弧蒸發(fā)源，包括大平面靶、陰極座、電磁線圈和接線柱，其特征在于大平面靶通過壓環(huán)及螺栓固定在陰極底座上，兩者之間裝有密封圈；陰極座與真空室法蘭通過絕緣件及密封圈絕緣并密封；屏蔽罩固定在絕緣件上，屏蔽罩與大平面靶側(cè)面保持1.5～2mm的間隙；密封圈用絕緣擋環(huán)固定；陰極座通過絕緣墊靠壓板壓緊；壓板用螺栓固定在真空室發(fā)蘭上；電磁線圈固定在陰極座與大平面靶形成的水冷空間內(nèi)；電磁線圈為多組同心繞制的圓磁線圈；其組數(shù)與靶材尺寸大小對應(yīng)；電磁線圈通過接線柱與直流電源相接；接線柱通過絕緣密封墊與蓋板絕緣密封；導(dǎo)磁材料制成的蓋板固定在陰極座上，通過密封圈密封；蓋板上設(shè)有冷卻水進出水嘴；大平面靶前面設(shè)有引弧桿；大平面靶上同心裝有異種材料的圓環(huán)靶；圓環(huán)靶可由小圓柱構(gòu)成。
2.按權(quán)利要求1所述的大面積可控電弧蒸發(fā)源，其特征在于所說的陰極座與大平面靶靠近的一側(cè)為封閉結(jié)構(gòu)。
3.按權(quán)利要求1所述的大面積可控電弧蒸發(fā)源，其特征在于大平面靶可以是圓形或方形，其直徑或邊長為200－400mm，厚度為10－30mm，大平面靶中心裝有小圓柱形靶，其直徑為30－70mm，長度為20－70mm。
4.按權(quán)利要求1或2所述的大面積可控電弧蒸發(fā)源，其特征在于大平面靶上的同心圓環(huán)靶直徑為100－330mm，徑向?qū)挒?－20mm；構(gòu)成圓環(huán)靶的小圓柱直徑為5－30mm。
5.按權(quán)利要求1所述的大面積可控電弧蒸發(fā)源，其特征在于電磁線圈中設(shè)有帶鐵芯調(diào)節(jié)桿的鐵芯。
專利摘要一種大面積可控電弧蒸發(fā)源，大平面靶2固定在陰極座7上，兩者之間有密封圈6。陰極座7與真空室24的法蘭通過絕緣件5及密封圈8密封，陰極座7中設(shè)有多組電弧線圈16，蓋板17固定在陰極座上，壓板12用螺栓固連在真空室24的法蘭上，電磁線圈16通過接線柱14接直流電源。大平面靶2上同心裝有異種材料的圓環(huán)靶19、20或裝有小圓柱靶1。本實用新型的優(yōu)點是通過控制電弧線圈中電流的變化控制磁場變化使靶材燒蝕均勻，并可鍍制多種成分的膜層。
文檔編號C23C14/32GK2205832SQ9422002
公開日1995年8月23日 申請日期1994年9月5日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月5日
發(fā)明者袁哲, 張樹林, 王振全, 高仰之 申請人:北京電爐廠