专利名称：视线外磁过滤金属蒸气真空弧等离子体沉积源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种视线外磁过滤金属蒸气真空弧等离子体沉积源。
金属蒸气真空弧技术已被广泛使用，例如中国专利ZL91224858.6描述的金属蒸气真空弧离子源技术、美国专利US5,013,578描述的金属蒸气真空弧镀膜技术和现在广泛应用的离子镀膜技术等的核心都是金属蒸气真空弧技术。公知的金属蒸气真空弧工作时，将在阴极表面形成数量不定、尺寸很小的阴极斑，电弧就是在阴极斑和阳极之间产生的。由于阴极斑很小，电弧功率较大，将在阴极表面局部产生大量的热。另一方面，阴极斑处将产生很强的电场并导致大量离子轰击阴极斑附近。在这一系列因素的影响下，真空电弧将在阴极斑附近产生了大量的尺寸在0.1μm到10μm间的液滴或颗粒。这些液滴或颗粒沉积在处理工件的表面，导致了镀层的大量缺陷，例如镀层表面光洁度差、薄膜容易脱落(结合力差)、抗腐蚀能力差等。许多相关技术可被用来处理真空电弧产生的液滴或颗粒。例如在阴极表面加上磁场(离子镀技术的常规方法)，让阴极斑在阴极表面规则运动，使得阴极表面发热更均匀以减少液滴或颗粒；良好的阴极冷却技术降低阴极温度以减少液滴或颗粒；磁聚焦约束真空电弧让电弧通过小孔或缝等。这些方法都可以不同程度的达到减少液滴或颗粒的目的，但不能根本解决液滴或颗粒对镀层的影响。中国专利ZL96201618.7描述的磁偏滤导管式阴极弧等离子体源采用磁偏滤并在管道两端加上孔栏，很大程度消除了液滴或颗粒。但对高质量的薄膜来说，一颗液滴或颗粒就足以使得镀层的性能受到极大的影响。
本实用新型的目的是设计一种极大程度甚至最终消除真空电弧产生的液滴或颗粒到达处理工件从而导致镀层缺陷的视线外磁过滤金属蒸气真空弧等离子体沉积源，以满足高光洁度、高薄膜密度、很好的薄膜与基体结合力等高质量镀膜的需要。
视线外磁过滤金属蒸气真空弧等离子体沉积源的核心技术是视线外磁过滤。就是采用弯曲磁场一磁过滤器，将金属蒸气真空弧产生的等离子体导向到处于阴极视线外的真空室中再加以利用。其基本原理是液滴或颗粒由于具有较大的惯性，基本不受磁场的影响而近似作直线运动，因此不能到达处于阴极视线外的真空室；金属蒸气真空弧产生的等离子体中的电子由于惯性小而被磁化，电子将顺着磁力线方向运动因而被磁场引导到达真空室，等离子体中的离子由于受等离子体内部电场的作用而被束缚在电子周围，因此等离子体将作为整体顺着磁力线方向运动因而被磁场引导到达真空室。
由于颗粒可能通过在磁过滤管道壁上的多次反射到达处于阴极视线外的真空室，我们对磁过滤器管道进行了特别的连续凹槽设计，从而极大地减少颗粒反射到工件处理区域的可能。
为了尽可能减少等离子体通过磁过滤管道的损失，增加磁过滤器的等离子体传输效率，我们在磁过滤器管道与真空室和阳极筒之间加了一个正偏压电源，用该电源产生的电场阻止离子到达过滤器管道。
为了得到均匀的等离子体分布，我们在视线外磁过滤金属蒸气真空弧等离子体沉积源的出口外附加了桶形磁场(或称会切磁场)等离子体均化器。该桶形磁场由多块磁铁等距离安装在支撑环上形成，相邻的两块磁铁极性相反，在桶的内边缘产生很强的磁场，而对中心区域基本没有影响，从而约束等离子体，在桶中得到均匀的等离子体分布。
不同的阴极材料有不同的性能，因而真空弧放电也有不同的特点；不同的应用场合，不同的工件对镀层也有不同的要求。因此，视线外磁过滤金属蒸气真空弧等离子体沉积源针对不同的要求，设计有脉冲工作式、直流工作式等离子体源，有45°到90°不同直径的过滤器，以及多个过滤器以不同的夹角串联的磁过滤器等。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是一个90°的视线外磁过滤金属蒸气真空弧等离子体沉积源示意图。
图2是两个90°串联的视线外磁过滤金属蒸气真空弧等离子体沉积源示意图。
图3是桶形磁场均化器的底视图。
在
图1和图2中，金属蒸气真空弧由触发电极(2)触发，在阴极(1)和阳极筒(3)之间产生，其中的部分等离子体在磁场线包(5)产生的磁场引导下通过磁过滤管道(4)到达阴极视线外的真空室。阴极直径从10mm到100mm，根据过滤器大小和工作需要确定；触发电极有机械触发和电触发两种；阳极筒尺寸与过滤器匹配；磁过滤管道由非磁性材料制成，管道内径从50mm到200mm，管道内壁有连续的凹槽；磁场线包可产生0到40mT的磁场；(6)是弧源电源，有脉冲的和直流工作的，工作电流从30A到300A；(7)为自动触发控制器；(8)是引弧电阻；(9)是正偏压电源；(10)是磁场电源；(11)是桶形磁场等离子体均化器。
图3中(12)是磁铁支撑环，内径从60mm到210mm，长度从30mm到150mm，根据过滤器的大小确定，(13)是表面磁场强度达430mT的钐钴永磁铁，尺寸和数量根据支撑环的大小确定。
在一实例中，阴极(1)直径100mm，机械式触发极(2)，不锈钢阳极筒(3)内径180mm，阳极筒与铜制磁过滤器管道(4)绝缘。90°的磁过滤管道，内径180mm，并与真空室绝缘。磁场电源(10)向磁场线包(5)供电产生磁场，在10mT以上的磁场作用下，金属蒸气真空弧产生的等离子体被传输到阴极视线外的真空室中。正偏压电源(9)在阳极筒与过滤器管道之间工作，工作电压20V左右，可提高过滤器的等离子体传输效率20％以上。桶形磁场等离子体均化器内径190mm，长度100mm，36块100mm长、5mm宽、10mm厚的钐钴永磁铁。在真空室中得到没有液滴或颗粒的均匀的等离子体沉积高质量的薄膜。
权利要求1.一种视线外磁过滤金属蒸气真空弧等离子体沉积源，它包括阴极(1)、阳极(3)、触发极(2)、磁过滤管道(4)、等离子体均化器(11)，其特征在于通过磁过滤管道外的磁场线包(5)产生的磁场传输等离子体。
2.根据权利要求1所述结构的等离子体沉积源，其特征在于磁过滤管道内壁为凹槽结构。
3.根据权利要求1或2所述结构的等离子体沉积源，其特征在于磁过滤管道上加有正偏压电源。
4.根据权利要求1、2、3所述结构的等离子体沉积源，其特征在于磁过滤管道内径为50mm到200mm，偏转角度为45°到90°。
5.根据权利要求1、2、3所述结构的等离子体沉积源，其特征在于不同偏转角度的磁过滤管道可以不同的夹角串联。
6.根据权利要求1、2、3所述结构的等离子体沉积源，其特征在于有脉冲工作式等离子体沉积源和直流工作式等离子体沉积源。
7.根据权利要求1所述结构的等离子体沉积源，其特征在于在过滤器管道出口外附加桶形磁场等离子体均化器。
专利摘要一种视线外磁过滤金属蒸汽真空弧等离子体沉积源，采用磁过滤方法传输真空弧产生的等离子体到视线外的真空室中，从而消除液滴或颗粒到达处理工件导致镀层缺陷。为了得到高质量的沉积薄膜，过滤器管道内壁有特殊的凹槽设计以防止液滴或颗粒的反射，过滤器可串联。过滤器管道上加正偏压以提高过滤器的等离子体传输效率。同时在过滤器管道出口附加桶形磁场等离子体均化器。本实用新型适用于高光洁度、高密度、良好的薄膜与基体结合等高质量快速沉积薄膜。
文档编号C23C14/32GK2594277SQ0320099
公开日2003年12月24日 申请日期2003年1月15日 优先权日2003年1月15日
发明者吴先映, 李强, 张荟星, 张胜基, 张孝吉 申请人:北京师范大学