树型阴极真空电弧等离子体沉积磁过滤装置的制造方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001]本发明涉及一种磁过滤阴极真空电弧等离子体沉积制备多元复合薄膜的磁过滤装置。其特征是该装置由两个以上的磁过滤支线管与一个磁过滤干线管组成，两个以上的磁过滤支线管入口端分别与不同阴极材料真空电弧源连接，将阴极真空电弧源产生的等离子体过滤弓I导进入磁过滤干线管后，再经磁过滤干线管过滤弓I导一起进入真空靶室。该装置能够同时沉积多种不同的元素，能够通过分别调节不同真空电弧源的弧流对所制备的薄膜的组分进行调控，制备成分均匀、组织致密、表面光滑的多元复合薄膜。
【背景技术】
[0002]磁过滤阴极真空电弧等离子体沉积技术是目前先进的材料表面处理技术之一。该技术是在低真空条件下，利用阴阳极间的弧放电产生等离子体，通过磁过滤装置过滤掉大颗粒后沉积到工件表面的镀膜方法。磁过滤阴极真空电弧等离子体沉积技术因其离子离化率高、离子能量高，能够制备高质量的、致密的、光滑的各种超硬薄膜。
[0003]多元复合薄膜比单一膜层具备更加优良的机械、光学、电学等性能。膜层中各元素的相对含量和均匀性分布直接关系到膜层的性能。目前，采用磁过滤阴极真空电弧等离子体沉积技术制备多元复合薄膜一般采用两种方案:一是阴极使用合金靶材，二是使用多套弧源和磁过滤系统，在不同方向上由不同引出口引出后共沉积到工件表面。对于使用合金靶材的方案，由于合金靶材中各元素成分比例固定，实现对膜层中元素成分比例的调控必须使用不同元素成分的合金靶，而合金靶材制作困难、成本很高。对于采用多套弧源和磁过滤系统的方案，由于在不同方向上由不同引出口引出，不仅设备复杂，而且沉积面由于角度和位置的不同，导致膜层中元素的成分比例随角度和位置变化而分布不均，影响膜层质量。
【发明内容】
[0004]为了克服现有的磁过滤阴极真空电弧等离子体沉积技术制备多元复合薄膜的不足，本发明提供了一种树型磁过滤装置，该装置由两个以上的磁过滤支线管与一个磁过滤干线管组成，两个以上的磁过滤支线管入口端分别与不同阴极材料真空电弧源连接，将阴极真空电弧源产生的等离子体过滤引导进入磁过滤干线管后，再经干线管过滤引导一起进入真空靶室，沉积制备多元薄膜。磁过滤支线管就像树枝，磁过滤干线管就像树干，因此称为树型磁过滤装置。该装置能够在两个以上的支线管入口端安装两个以上的弧源，产生两种以上元素的等离子体；等离子体通过磁过滤支管过滤掉大颗粒并被磁场磁化，引导进入磁过滤干线管后，再经干线管磁场引导进入真空靶室，实现多元沉积镀膜。该装置能够通过分别调节不同真空电弧源的弧流对所制备薄膜的组分进行调控，制备成分均匀、组织致密、表面光滑的多兀复合薄膜。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:该树型磁过滤装置由两个以上的磁过滤支线管与一个磁过滤干线管组成，两个以上的磁过滤支线管入口端分别与不同阴极材料真空电弧源连接，将阴极真空电弧源产生的等离子体过滤引导进入磁过滤干线管后，再经干线管过滤引导一起进入真空靶室，沉积制备多元薄膜。磁过滤支线管和干线管都由无磁性金属材料(例如铜、无磁不锈钢、铝等)制造，管道本身具有良好的气密性，管道外面绕制磁场线包，形成通电螺线管，通电后产生磁场用于磁化等离子体，引导等离子体沿磁力线运动，从磁过滤支线管进入干线管再进入真空靶室。磁过滤支线管与干线管经过合理装配(例如法兰连接、焊接等)形成树型磁过滤装置，连接处应该保证良好的气密性。磁过滤支线管和干线管管道截面形状可以是圆形、方形，以容易制造和镀膜需要为准。支线管尺寸小于等于干线管，以便装配。磁过滤支线管和干线管可以是直管或是弯管或者是多种形式的组合管(例如三通管、四通管等)。为了实现较好的过滤大颗粒的效果，应采用合适的管道长度或角度，确保干线管出口位于支线管入口视线外。同时，为了获得尽可能大的等离子体传输效率，提高镀膜效率，磁过滤支线管与干线管的磁场方向沿管道轴线顺向，磁场强度合理匹配。此外，磁过滤支线管和干线管需要合适的冷却措施以确保正常工作。管道可以采用夹层直接通以冷却液(水、油等)，或者采用细铜管绕制线包通冷却液，或者采用导热性好的材料制造管道，在合适的位置(例如管道两端的法兰)冷却。
[0006]本发明的有益效果是:该装置能够在两个以上的支线管入口端安装两个以上的弧源，产生两种以上元素的等离子体；等离子体通过磁过滤支管过滤掉大颗粒并被磁场磁化，引导进入磁过滤干线管后，再经干线管磁场引导进入真空靶室，方便地实现多元沉积镀膜；同时该装置能够通过分别调节相应真空电弧源的弧流对所制备薄膜的对应元素组分进行调控，从而制备性能优异的多元薄膜；再有，由于所有等离子体都从磁过滤干线管进入真空靶室，因此所有元素成分分布一致，制备的薄膜性能稳定，重复性好。
【附图说明】
[0007]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0008]图1:是本发明的树型磁过滤装置的一种示意图
[0009]图2:是图1中直管式磁过滤支线管
[0010]图3:是图1中弯管式磁过滤支线管
[0011]图4:是图1中组成磁过滤干线管的三通管
[0012]图5:是图1中组成磁过滤干线管的四通管
[0013]图6:是本发明的树型磁过滤装置一个实施例
[0014]图中
[0015]1:直管式磁过滤支线管2:由三通管和四通管组成的磁过滤干线管3:弯管式磁过滤支线管4:连接法兰5:磁场线包6:磁过滤直管管道7:磁过滤弯管管道8:磁过滤三通管管道9:磁过滤四通管管道。
【具体实施方式】
[0016]图1所示的树型磁过滤装置示意图是本发明的一种可行方案示意图。本发明由多个磁过滤支线管和一个磁过滤干线管经过合理搭配组装而成。磁过滤支线管和干线管可以是直管或是弯管或者是多种形式的组合管。管道之间的连接可以是法兰连接也可以是焊接连接或者其他密封连接。管道的长度和角度选择应确保干线管出口位于支线管入口视线外；磁过滤支线管与干线管的磁场方向沿管道轴线顺向，磁场强度合理匹配。
[0017]在图1中，该树型磁过滤装置由直管式磁过滤支线管(1)、弯管式磁过滤支线管
(3)、磁过滤干线管(2)组成。其中，如图2所示，直管式磁过滤支线管(1)是连接法兰(4)、磁场线包(5)和磁过滤直管管道(6)组成的通电螺线管；如图3所示，弯管式磁过滤支线管
(3)是连接法兰(4)、磁场线包(5)和磁过滤弯管管道(7)组成的通电螺线管；如图4和5，磁过滤干线管(2)由磁过滤三通管(8)、磁过滤四通管(9)、连接法兰(4)、磁场线包(5)组成的通电螺线管。各组件之间的连接均采用连接法兰(4)连接。图1所示的树型磁过滤装置包括两个直管式磁过滤支线管(1)和两个弯管式磁过滤支线管(3)，能够装配4个弧源同时进行工作。弧源与该装置也通过连接法兰(4)连接。弧源产生的等离子体在磁过滤支线管管道道(6，7)内过滤，经磁力线引导进入磁过滤干线管管道(8，9)，再经磁过滤干线管
(2)过滤和引导进入真空靶室。等离子体在磁过滤管道内运动时将受到磁场线包(5)所产生的磁场约束和引导，并在磁过滤管道(6，7，8，9)内过滤掉大颗粒。磁过滤支线管与磁过滤干线管的连接应满足干线管出口位于支线管入口视线外，即防止大颗粒直接到达工件表面而不经过过滤。磁过滤支线管与磁过滤干线管的磁场线包合理匹配以提高等离子体的传输效率。
[0018]在图6所示的实施例中，该套磁过滤装置由两个图2所示的磁过滤直管作为支线管和一个图4所示的磁过滤三通管作为干线管通过连接法兰(4)连接而成。法兰之间用橡皮圈密封。磁过滤支线管和干线管均采用内径为Φ 180mm的不锈钢管道。管道外壁点焊有薄铜皮将热量快速传导到两端的法兰处，在连接法兰上设计有冷却水通过的回路进行冷却。两个支线管与干线管之间的夹角为120°。两个支线管的长度为180_，干线管的长度为230mm。干线管磁场线包设计为单位长度安匝数为450安匝/厘米，支线管磁场线包设计为单位长度安匝数为180安匝/厘米，线包电流1A到5A可调。该套磁过滤装置能够装配两个弧源同时工作，弧源通过法兰和两个直管式磁过滤支线管连接。等离子体由两个弧源分别产生，在磁场线包(5)所产生的磁场的作用下，等离子体被过滤和引导，最后汇聚到磁过滤干线管，经磁过滤干线管过滤和引导后进入真空靶室。图中示意了等离子体的运动方向和汇聚情况。
【主权项】
1.一种树型磁过滤装置，其特征是:该装置由两个以上的磁过滤支线管和一个磁过滤干线管组成树形结构，可以装配两个以上的真空电弧源，弧源产生的等离子体通过磁过滤支线管过滤和引导后汇聚到磁过滤干线管，再经磁过滤干线管过滤和引导，进入真空靶室沉积镀膜。2.根据权利要求1所述的树型磁过滤装置，其特征是:磁过滤支线管和干线管均是由无磁性金属材料制造的通电螺线管，管道本身具有良好的气密性。3.根据权利要求1所述的树型磁过滤装置，其特征是:该装置的磁过滤支线管和磁过滤干线管合理装配形成树形装置，连接处应该有良好的气密性。4.根据权利要求1所述的树型磁过滤装置，其特征是:该装置的磁过滤支线管和干线管管道截面形状可以是圆形、方形；支线管尺寸小于等于干线管。5.根据权利要求1所述的树型磁过滤装置，其特征是:磁过滤支线管和干线管可以是直管、弯管或多种形式的组合管。6.根据权利要求1所述的树型磁过滤装置，其特征是:需要采用合适的支线管和干线管管道长度或角度，确保干线管出口位于支线管入口视线外，且磁过滤支线管与干线管的磁场方向沿管道轴线顺向，磁场强度合理匹配。7.根据权利要求1所述的树型磁过滤装置，其特征是:该装置必须要有合适的冷却措施以确保正常工作。
【专利摘要】一种树型阴极真空电弧等离子体沉积磁过滤装置，它由两个以上的磁过滤支线管和一个磁过滤干线管经过合理搭配组装而成，构成树型结构。针对现有磁过滤阴极真空电弧等离子体沉积技术制备多元复合薄膜存在膜层元素成分比例不易调控并且膜层中元素比例随位置变化不一致的不足，本发明提供了一种磁过滤装置，能够同时装配两个以上的弧源，产生两种以上元素的等离子体；等离子体经磁过滤支线管过滤掉大颗粒并被磁化，再经磁过滤干线管磁场引导进入真空靶室，实现多元沉积镀膜。该装置能够分别调节不同真空电弧源的弧流对所制备薄膜的组分进行调控，制备成分比例一致、组织致密、表面光滑的多元复合薄膜。
【IPC分类】H01J37/34, H01J37/32, C23C14/32
【公开号】CN105296938
【申请号】CN201410334441
【发明人】吴先映, 廖斌, 黄杰, 史学伟, 张旭, 彭建华
【申请人】北京师范大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2014年7月14日