阴极电弧等离子体沉积系统中使用的电弧离子蒸发器的过滤装置的制作方法

本发明涉及真空电弧技术的应用。通过将从电弧离子蒸发器过滤的等离子体用于镀膜沉积，纳米粉体材料的合成，用于表面改性的离子注入，以及可能使用该技术的其它用途。

例如，本发明获得的过滤等离子体可以得到使用但不局限于机械工程领域、仪器和工具的制作、电子设备的制造，陶瓷材料纳米粉体以及其它工业领域中。

背景技术：
和现有技术内容

阴极电弧等离子体沉积或电弧离子镀是现在在刀具、冲模、铸模、汽车零部件上镀膜最多的扩散技术。本技术，源于苏联电弧离子蒸发器或阴极电弧等离子体源的发展，由于其是工业沉积不同要求薄膜的高度有效技术，已经逐渐得到进一步的发展。

阴极电弧等离子体沉积的一个最重要的发展方向是限制等离子体，以控制等离子体的性质并降低在等离子体束以及沉积膜中污染的宏观颗粒如分子或大颗粒的数量。

已经发明了很多用于控制等离子体和过滤掉大颗粒的过滤装置。这些过滤器使用机械场和/或磁场获得所需的结果并且它们具有不同的优缺特点。

在苏联由A.I.Ryabchikov发展的机械装置之一为大型的百叶窗式过滤器 (Venetian-blind filter)。

Ryabchikov的百叶窗式过滤器使用大型的框架并且在本框架中设置多板。该板设置在电弧离子蒸发器和工件基板之间，并以百叶窗的方式倾斜。通过设置像这种的百叶窗式过滤器，在电弧离子蒸发器和工件之间没有视距 (line-of-sight)。

当中性颗粒或大颗粒碰撞在本百叶窗式过滤器的板上的时候，它们将进入板中或反弹至其它方向。而具有极高能量水平的等离子体可以穿过百叶窗式过滤器的板之间的空间。

为了获得百叶窗式过滤器更好的等离子体传输，使用电偏置的具体形式产生环绕本过滤器每个板的磁场。并且环绕过滤器的板的磁场有助于加速百面窗结构中的等离子体出来。

图1(现有技术)显示了Ryabchikov的百叶窗式过滤器的原理。电弧离子蒸发器(101)产生等离子体束，其由正离子(109)、电子(103)和中性颗粒 (111)构成。而正离子和电子是等离子体的成分，中性颗粒可以呈现出从原子尺寸至几微米或更大的大颗粒的不同尺寸。

并且，使用彼此平行设置的大型的矩形板，构建了用于过滤的百叶窗(114) 结构。如果过滤要求的水平很高，这些板将会倾斜，直到电弧离子蒸发器和工件之间没有视距。当需要较高的等离子体传输的时候，在附图标记115所示的方向上，电流不得不特别地被偏置。

为了更清楚地理解百叶窗式过滤器的原理，图2(现有技术)显示了安装在真空室内的本系统的示意图。电弧离子蒸发器(101)产生了等离子体束，该等离子体束在朝百叶窗式过滤器(114)结构方向上照射。过滤器的板(或叶片或层或格栅)的组是倾斜的，以阻挡从电弧离子蒸发器(101)至工件基板(116) 的视距。并且从图2中可知，应该注意的是，为了更有效地传输出等离子体，需要复杂的电系统以偏置百叶窗式过滤器。此类复杂度限定了本系统对主要研发任务的使用，该任务需要具有很低的宏观颗粒污染的额外光滑的膜。

图3(现有技术)显示了用于百叶窗式过滤器的等离子体传输的原理。通过对如图1和图2所示的百叶窗式过滤器进行电偏置，产生了环绕过滤器的每个板或层(114)磁场(110)的磁场(114)。当电弧离子蒸发器的等离子体束进入过滤器的层(或板)的柱的时候，只有等离子体将穿过板间的空间，而中性颗粒被卡住而不能通过，该等离子体束由等离子体(109)和中性颗粒(111)构成。

图4(现有技术)，从授予Frank Weber和Samuel Harris的美国专利8,382,963 B2中得到的，其显示了他们对百叶窗式过滤系统在视距模式下工作的研究结果。他们已经发现，因为中性颗粒的大多数没有垂直于电弧离子蒸发器的靶材表面 (102)的轨迹，从而可能使用过滤器每个板之间的深度和空间以降低大颗粒中的一些而不需要使该板倾斜以阻挡电弧离子蒸发器和工件之间的视距。尽管由本方法获得的镀膜不是没有受到宏观颗粒的污染，但是，其足够对刀具和汽车零部件进行镀膜。

图4(现有技术)中所示的数学公式tanθ临界＝D/S用于测量中性颗粒的临界角，该中性颗粒从电弧离子蒸发器的靶材(102)表面发射至过滤器的板(114)。如果过滤器的板具有比临界值更长的深度D，或具有比本公式所得的临界值更小的间隔距离S，中性颗粒将被限制在过滤系统的内部。

D是过滤深度。S是元件(板)之间的间隔(距离)。θ是中性颗粒从靶材中喷射(发射)的角。θ临界，或临界角，是与过滤器至少一个碰撞的最大角。102 是电弧离子蒸发器的靶材材料。114是过滤器的板或元件。111是碰撞在过滤器的板中并被限制在那的中性颗粒。111a是在临界角上可以穿过的中性颗粒。

应该注意的是，临界角也依赖于靶材和电弧离子蒸发器的设计，并依赖图4 (现有技术)中所使用的公式。该系统的设计者可以确定需要过滤多少大的颗粒。

为了更好的等离子体传输，根据等离子体磁场传输的Ryabchikov的设计，所述美国专利8,382,963B2还使用了电偏置。

图5(现有技术)中所示的是由德国德累斯顿的弗劳恩霍夫研究所 (Fraunhofer Research Institute,Dresden,Germany)制备的百叶窗式过滤系统。这是一个根据Ryabchikov的设计构建的大型系统，并且许多电弧离子蒸发器可以设置在这一过滤器的一侧。

然而，尽管百叶窗式过滤器在大颗粒过滤中是高度有效的，并且具有适应根据用户需要设计的高灵活性，但是一些内在的问题使得其在工业系统中不太受欢迎。这些问题的一些示例是这样的，结构很大并且需要真空室中很大的空间，而为了降低成本，则需要有效使用真空室内的空间。这一过滤系统需要复杂电偏置，以产生磁场，所以这一过滤系统构建和维护成本也会很高。在沉积室内，镀膜材料将会沉积在真空系统的很多部件上，所以需要定期地去除这些沉积材料。很大且复杂的系统意味着维护中拆卸的问题，并且也需要较大的清洁和装饰系统，以去除过滤系统中的沉积材料。

在前苏联的时代，I.I.Aksenov等研究了阴极电弧沉积系统中的中性颗粒和大颗粒的角度分布，并且发现中性颗粒和大颗粒的大多数往往从25-30度靶材表面处的电弧离子蒸发器中发射出来。

这些知识反映在众多苏联研究所的许多受控电弧离子蒸发器的设计中。通过将电弧离子蒸发器的靶材深入地放置在其自有的端口内，并使用螺线管场将电弧驱动出去，并且中性和大颗粒碰撞在端口的表面，离子/中性颗粒比变得更高并从而可以获得更好地镀膜。

图6(现有技术)显示了使用这一设计理念的系统。电弧离子蒸发器的靶材 (102)，深入地放置在端口(103)或管内，在此情况下，靶材具有朝向真空室的圆面，该靶材具有产生驱出等离子体的磁场(或螺线管场)的螺线管(104)。所述等离子体，由螺线管场驱动出去的，将流向真空室内的工件(116)表面和沉积所述工件表面上的镀膜。

图7(现有技术)显示了由螺线管线圈(104)产生的磁场(110)。这一螺线管场可以将电弧离子蒸发器靶材(102)的等离子体引导至工件表面(116)，从而等离子体将沿磁场线移动。

使用螺线管端口的过滤系统具有一些优点，如这类系统需要的空间很小，从而其可以被制成很紧凑的，并且其可以以一对一的方式安装在电弧离子蒸发器上。然而这类系统被认为是低过滤效率的，因为当与电弧离子蒸发器的目标直径相比较的时候，所使用的端口往往很大，从而明显大量的中性颗粒可以从螺线管端口壁上反射出去并且很容易落在工件表面上。

并且由于价格/效率比不是很高，所以这一过滤系统没有在前苏联国家外的工业区中得到很多的传播。

本发明的发明人我已经考虑了上述那些所述系统的利弊，从而为了发展新的过滤器系统。新系统具有现有技术所述过滤系统的优点而减少了缺点。

本发明的发明人我使用彼此平行设置的多管，代替使用百叶窗结构，从而所述多管可以安装在设置于电弧离子蒸发器前部的端口内。通过使用这类装置，可以保留真空室内的体积，从而本发明可以以一对一的方式安装在每个电弧离子蒸发器上。并且当需要更好的等离子体传输的时候，可以使用螺线管系统产生驱出更多等离子体的磁场。通过使用螺线管场，可以避免百叶窗式过滤器的电偏置磁场产生系统在设计和制备中的复杂性。

而且，百叶窗系统只在一些方向上是有效的，尤其是当在视距模式中工作的时候；如当板(或层)无角水平设置的时候，其将沿水平线留下大的空间，并且使更多的大颗粒在左右方向上穿出。如果无角垂直设置，其将沿垂直线留下大的空间，并且使更多的大颗粒在上下方向上穿出。

但是由于本发明使用了管结构，从而其不会在所有方向上阻挡大颗粒，并且使更少的它们通过过滤系统。

当与现有技术中使用的纯螺线管端口过滤器相比较的时候，使用多管的这一发明可以有效地阻挡从螺线管端口反射出的大颗粒。从而，这一发明在过滤中是更有效的并且具有更好的效率/成本。

技术实现要素：

图8(本发明)显示了根据本发明的电弧离子蒸发器的多管过滤系统的原理。电弧离子蒸发器(101)具有安装有作为阴极的靶材(102)，以蒸发所需的材料。从靶材中发出的等离子体和颗粒沿箭头所示的方向行进进入平行多管，该平行多管过滤掉等离子体束中的中性大颗粒。所述平行多管包括最内层管(105)、邻近管(106)、彼此平行设置的次邻近管(107)并且包含在最外层管(103) 内。邻近管的数目(或数量)依赖于设计者的需要，可以是无限数量的，例如，其在最外层管内可以只有一个最内层管，或其在最内层管和最外层管之间可以由成百上千个邻近管。根据设计者的实验或通过使用图4中所示的数学公式，可以确定这些管的深度和空间距离。

通过这类装置，具有比气体更高能量水平和更大挥发性的等离子体束可以通过平行多管之间的空间。中性或大的颗粒往往具有倾斜于平行多管过滤系统成的轨迹，当到达过滤器的时候，它们将进入过滤系统或被阻止在那里。

当需要更好的等离子体传输的时候，将安装围绕最外层管103的电螺线管线圈(104)。并且由于所产生的螺线管场(或磁场)将具有平行于平行多管的场线，随后等离子体(和/或离子)将更有效地从过滤系统中引出。

对于图8所示的平行多管组，如105、106、107(由最内层和邻近管构成)，本系统的设计者可以选择技术以将所述的管系统像这样偏置(但不限于)，使所述的平行管系统保持电浮动，或在其并不是很稳定的情况下，当与有助于稳定电弧离子蒸发器的电弧离子蒸发器的靶材电势相比较的时候使所述的平行管系统变正，或当与镀膜结构更好控制或离子注入或工件离子刻蚀等的工件相比较的时候，使所述的平行管系统帮助产生高电势场。

构造管所使用的材料可以选自不同的材料，只要其可以承受等离子体束的热和/或腐蚀性质。所以，其可以是(但不限于)以系统设计者认为其合适的方式的难熔金属、金属合金、陶瓷、多材料等。

图9(本发明)显示了出现在这一发明平行多管系统中的过滤方法。当电弧离子蒸发器的等离子体束沿箭头方向行进进入过滤系统的时候，正离子[+号] (109)，其是可以受到磁场影响的等离子体成分，将会沿着磁场线(110)或螺线管线圈(104)的螺线管场线被引导，该线圈也平行于多管系统(由最外层管 (103)和内层管系统构成)。所述正离子将被引导并很容易地通过多管系统，但是对于不受磁场影响并往往在与多管系统倾斜的轨迹(113)上移动的中性颗粒(111)，将碰到管壁的一个并刚好停在那里，或可变成反射并停在多管系统内。

图10(本发明)显示了根据本发明的平行多管过滤系统的前视图。同样如图8所示的，管105、106、107是最内层管，邻近管和次邻近管，而103是最外层管，其具有一套围绕外侧的螺线管线圈。电偏置系统108用于偏置所述的螺线管。

平行多管过滤系统，其具有像图10方案的环形前视图结构，该结构适合将具有环状前视面积的靶材安装至电弧离子蒸发器。

图11(本发明)显示了根据本发明平行多管过滤系统的前视图。同样如图8所示的，管105、106、107是最内层管，邻近管和次邻近管，而103是最外层管，其具有围绕外侧的螺线管线圈。电偏置系统108用于偏置所述的螺线管。

平行多管过滤系统，其具有像图11方案的矩形前视图结构，该结构适合将具有矩形前视面积的靶材安装至电弧离子蒸发器。

图12(本发明)为显示有实验性平行多管的原理图，该多管安装在螺线管的管内部。

附图说明

图1(现有技术)是参考文献1的百叶窗式过滤器的示意图。

图2(现有技术)是参考文献2的百叶窗式过滤器的示意图。

图3(现有技术)显示了沿参考文献3磁场线的等离子体传输。

图4(现有技术)显示了数学公式，其用于确定参考文献6中视距模式下百叶窗式过滤器的临界角。

图5(现有技术)是参考文献3的Ryabchikov型百叶窗式过滤器的原理图。

图6(现有技术)是使用参考文献5螺线管的过滤装置的示意图。

图7(现有技术)是参考文献5中螺线管产生的磁场的示意图。

图8(本发明)是平行多管过滤器的侧视图。

图9(本发明)显示了平行多管过滤器的原理。

图10(本发明)是环形面式电弧离子蒸发器的平行多管过滤器的前视图。

图11(本发明)是矩形面式电弧离子蒸发器的平行多管过滤器的前视图。

图12(本发明)是设置在螺线管管内的实验性平行多管的图。

具体实施方式

根据本发明图8的平行多管过滤系统，其由电弧离子蒸发器(101)构成，该电弧离子蒸发器具有安装作为其阴极的靶材(102)，该阴极以等离子体的形式蒸发所需的材料。所述电弧离子蒸发器产生的所述等离子体和中性颗粒将沿箭头方向行进进入平行多管系统，其将过滤掉等离子体束中的中性大颗粒。所述平行的多管包括最内层管(105)、一套邻近管(106)、彼此平行设置的一套次邻近管(107)并且次邻近直管(107)包含在最外层管(103)内。优选地，一套次邻近管的数目(或数量)依赖于设计者的需要，可以是无限数量的。例如，其在最外层管内可以只有一个最内层管，或其在最内层管和最外层管之间可以由成百上千个邻近管。并且为了更好的等离子体传输，安装围绕最外层管的电螺线管线圈(104)，从而产生的磁场(或螺线管场)更有效地将等离子体引导出过滤系统。

参考文献

1.A.I.Ryabchikov,Surface and Coatings Technology 96(1997)9-15

2.A.Anders,Surface and Coatings Technology 120-121(1999)319-330

3.O.Zimmer,Surface and Coatings Technology 200(2005)440-443 4.1.1.Aksenov 等，J.Tech.Tech.54(1984)1530

5.M.S.Liu等，Surface and Coatings Technology 148(2001)25-29

6.Weber等，美国专利US8382963 B2 2/2013