专利名称：高真空磁过滤弧源的制作方法
技术领域：
本发明属于等离子体和材料表面技术领域背景技术阴极弧等离子体沉积技术具有离化率高，离子能量较大，沉积速度快，适用于绝大多数金属与合金材料，在薄膜沉积技术中得到广泛应用。磁过滤电弧沉积技术可以很好地过滤电弧产生的液滴，提高了薄膜质量，受到广泛的关注。
用于真空离子镀膜的传统真空弧源，由触发、阴极金属弧靶、磁场和电源等主要部分组成，虽然这些部分有不同的设计形式，如触发机构4有电子触发和引弧针触发；引弧磁场3有永久磁铁和电磁场；阴极金属弧靶有矩形或圆形；电源有直流、交流或脉冲等多种形式。但是其基本工作原理是利用金属、导体的真空弧原理。基本工作参数特征是，真空度10-1Pa量级，金属弧电压在20伏左右，金属弧电流在30安培或以上。在实际运行中，金属弧产生金属离子外，还会产生部分金属液滴沉积在薄膜内，影响薄膜的性能。
传统的阴极弧工作原理阴极是镀料制成的靶材，真空室接地作阳极，进行弧光放电。电弧的引燃是通过点火器，使其与阴极瞬时接触而触发，在阴极和阳极之间形成自持弧光放电，弧光放电在阴极表面产生一个或多个明亮的阴极弧斑。弧斑的直径为0.01～100μm，并以高达100m/s的速度在阴极表面随机运动，可以利用磁场控制阴极弧斑的运动。当有磁场存在时，阴极弧斑在磁场的垂直方向上运动，其运动方向与作用在电弧电流上的劳伦兹力方向相反。阴极弧斑的移动速度随磁场强度增加而加快。
电弧电压与电弧源工作表面磁场强度和阴极材料有关，通常为10～40V。弧斑发射的电流可在30～200A范围内变动，其中电子流被阳极吸收，以维持稳定放电。阴极材料的离子流占弧流的7％～12％。在基板相对阴极200～400V的负偏压作用下，离子流在基板上淀积成金属、合金或化合物薄膜。
多弧型蒸发源的优点很多，但在等离子体中存在微粒的缺点。
冷阴极弧光放电理论认为，放电过程是借助于场电子发射和正离子流14同时存在且相互制约而进行的。其弧光放电的物理过程和近阴极表面弧斑区电位分布如图3所示。在放电过程中，阴极材料18大量蒸发形成金属蒸汽16并被电离，在近阴极表面形成的正空间电荷鞘层13产生强电场，使阴极表面存在的微凸起尖端产生高电流密度的场致发射。由于电流局部集中产生的焦耳热使温度上升又产生热电子17，场致发射转化微热-场致发射，进而微凸起蒸发并被电离，在阴极表面形成更稠密等离子体，进一步增强电场和热-场致发射。同时，因离子轰击微凸起，使其熔化并形成小熔池。熔池内的熔化金属因离子轰击而飞溅，喷射出小金属熔滴12，并伴有耀眼弧斑15。弧斑区熔化金属飞溅后留下了微细孔洞。孔洞边缘成了新的微凸起，又会产生新的弧斑。上述过程反复进行，弧光辉点在阴极表面上激烈地无规则运动，使放电持续进行。
发明内容
本发明的目的就是提供一种真空弧工作真空度高、能够二次离化和过滤金属液滴的高真空磁过滤真空弧源。
本发明的技术方案是，高真空磁过滤弧源，包括弧源屏蔽1、阴极靶2、引弧磁体3、触发机构4、水冷阳极7、主弧电源11、辅助阳极电源5、辅助阳极10、磁场线圈6、磁离化阳极8和离化电源9，真空度为10-1Pa～10-3Pa量级，启动触发机构4产生金属弧斑，启动辅助阳极10及电源产生预备弧等离子体，启动主弧电源11产生稳定的等离子体，在磁场线圈6产生的磁过滤磁场的引导下经过离化电源9施加的电场的作用，二次离化和过滤金属液滴。
阴极靶2由阴极、阳极与触发极组成，阳极外绕有磁场线圈6。
在本发明专利中，采用以辅助阳极10和磁过滤二次离化为特征的高真空磁过滤弧，不仅适用于金属阴极，同样适用于导电体阴极。
辅助阳极10与阴极靶2之间距离在8～30mm调整，辅助阳极电源5电压在0～200V调整。
磁场线圈6的电流0～1.5A调整，产生与多弧引弧磁场同极的轴向磁场5mT～50mT，用于约束阴极弧产生的等离子体和电子，增加离子流的密度和能量，同时建立了相对阴极表面径向的磁场强度，减少阴极弧斑放电电流，减少微粒。
离化阳极8的位置和直径取决于阴极靶2轴向±30°的区间，吸引相对等离子体中为负电的微粒，阻挡过滤和阻止微粒沉积在工件表面，另外在电场和磁场的综合作用下发生碰撞和被二次离化。
在高真空状态下，当触发机构4产生阴极弧后，电辅助阳极10和施加在阴极上的电压产生稳定的预阴极弧，随之连接在真空室外壳的阳极与阴极之间的主弧电源11产生大电流的稳定的阴极弧。磁场线圈6产生的磁场与阴极弧的磁场同极性，约束产生的等离子体、电子在磁离化阳极8和阴极之间，增加其能量，在离化电源9的作用下，产生离化和过滤作用。
高真空磁过滤弧源在辅助阳极10和磁场线圈6的作用下，产生磁场和离化电场，使传统的真空弧工作真空度延伸到10-3Pa量级，采用电场和磁场将金属离子引出，并将过滤去除金属液滴。
本发明达到的有益效果是，真空弧工作真空度高、能够二次离化和过滤金属液滴的新型磁过滤真空弧源。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是阴极弧的微粒密度空间分布图。
图3是冷阴极弧光放电的物理过程。
具体实施例方式
1、阴极靶2用石墨碳制成，气压9×10-3Pa，主弧电流50A，磁场线圈6电流0.5A，二次离化电流30A，再连接90°弯管式磁过滤管沉积ta-DLC薄膜。
2、阴极靶2用金属钛制成，气压8×10-3Pa，主弧电流60A，磁场线圈6电流0.8A，二次离化电流40A。与等离子体源、离子注入源联合使用，在室温沉积高结合力的合金膜系，如TiN、TiCN等薄膜。
权利要求
1.高真空磁过滤弧源，包括弧源屏蔽(1)、阴极靶(2)、引弧磁体(3)、触发机构(4)、水冷阳极(7)和主弧电源(11)，其特征在于，还包括辅助阳极电源(5)、辅助阳极(10)、磁场线圈(6)、磁离化阳极(8)和离化电源(9)，真空度为10-1Pa～10-3Pa量级，启动触发机构(4)产生金属弧斑，启动辅助阳极(10)及电源产生预备弧等离子体，启动主弧电源(11)产生稳定的等离子体，在磁场线圈(6)产生的磁过滤磁场的引导下经过离化电源(9)施加的电场的作用，二次离化和过滤金属液滴。
2.根据权利要求1所述的高真空磁过滤弧源，其特征在于，阴极靶(2)由阴极、阳极与触发极组成，阳极外绕有磁场线圈(6)。
全文摘要
高真空磁过滤弧源属于等离子体和材料表面技术领域，包括弧源屏蔽1、阴极靶2、引弧磁体3、触发机构4、水冷阳极7、主弧电源11、辅助阳极电源5、辅助阳极10、磁场线圈6、离化阳极8和离化电源9，真空度为10
文档编号C23C14/35GK1459516SQ0311107
公开日2003年12月3日 申请日期2003年2月20日 优先权日2003年2月20日
发明者李国卿, 关秉羽, 李剑锋, 牟宗信 申请人:大连理工大学