专利名称：基于中心对称型的大面积金属等离子体形成装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种金属等离子体形成装置及金属等离子体形成方法。
背景技术：
等离子体浸没离子注入与沉积(Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition, PIIID)技术已在国内和国际得到了广泛关注，美国、欧洲、日本、 澳大利亚等国家和地区已经把PIIID技术作为精密零件表面强化处理的重要 手段之一。目前，利用PIIID技术已经能够实现气体离子注入、气体+金属离 子混合注入、化合物沉积等多种强化处理工艺，强化处理后材料表面的显微 硬度、耐磨损、抗腐蚀和接触疲劳寿命等性能已得到较大地提高。目前，大 面积均匀金属等离子体源是决定PIIID技术走向工业化应用的关键技术之 一。传统的脉冲阴极弧等离子体源主要由两部分组成弧放电系统和磁过滤 系统。弧放电系统主要由阴极、阳极、触发极及其供电系统组成，用来产生 金属等离子体；磁过滤系统由一定口径和弯曲角度的磁导管和磁场电源系统 组成，它主要用来过滤弧放电系统产生的宏观和中性粒子。虽然磁过滤系统 可以较好地去除阴极弧放电产生的金属等离子中的宏观粒子和中性粒子，但 由于磁场约束作用，使得过滤管出口处的金属等离子体密度分布呈明显的高 斯分布。此外，磁过滤器性线放大实施困难，目前的磁过滤口径一般约为 200mm。金属等离子体密度的高斯分布以及过小的金属等离子体引出面积严 重阻碍了 PIIID技术在批量处理和大型零件处理中的应用。国际上实现零件 大面积处理方式主要有两种其一是采用矩形的阴极弧源，通过零件的平动 来实现大面积的处理，但这种方式不太适合旋转体零件，难以保证处理的均 匀性；其二是采用多个阴极弧源，通过零件的转动来实现大面积的处理，但 这种方式难以实现大型平面零件的处理。因此，采用较小的金属等离子体引 出面积，通过零件旋转或平动方式来实现大面积处理存在一定的困难。
发明内容
本发明的目的是针对磁过滤阴极真空弧的引出口径一般较小(约
200mm)难于实现对大尺寸零件的处理，以及引出口处的金属等离子体密度 沿径向呈高斯分布导致零件表面处理的均匀性较差的问题，提供一种基于中 心对称型的大面积金属等离子体形成装置及方法。本发明的装置由壳体、RF 天线、四至六个一体式脉冲阴极弧源、螺线圈、旋转靶台、步进电动机和放 气阀组成，壳体的顶壁上设有进气口，壳体的内部为真空室，RF天线固定在 壳体内的顶端上，壳体的底部设有抽真空接口，放气阀固定在壳体下部的侧 壁上并与真空室相连通，壳体中部的侧壁上设有观察窗，旋转靶台设置在壳 体内的下部，步进电动机设置在壳体的底部下面，步进电动机的输出轴与旋 转靶台的下端固定连接，四至六个一体式脉冲阴极弧源轴对称分别固定在壳 体的上侧壁上，螺线圈设置在壳体内一体式脉冲阴极弧源的下侧， 一体式脉 冲阴极弧源由推进螺栓、法兰盘、冷却水管、触发电极、环形阳极、过滤挡 板、触发瓷环、阴极、外壳、拉杆机构、拉杆梁、顶盖和阴极座组成，环形 阳极固定在外壳的开口端上，过滤挡板固定在环形阳极的外侧面上，触发电 极与环形阳极相对应固定在外壳内，触发瓷环固定在触发电极内，阴极的一 端固定在触发瓷环内，顶盖固定在外壳开口端相向的另一端上，推进螺栓的 一段设置在顶盖内，拉杆设置在外壳内，拉杆梁固定在拉杆机构的一端上， 推进螺栓的另一段与拉杆梁螺纹连接，阴极座固定在拉杆机构的一端上，冷 却水管设置在阴极座上，法兰盘内侧通过螺栓与壳体相连接，顶盖固定在法 兰盘外侧。本发明金属等离子体形成方法一四个轴对称分布的一体式脉冲 阴极弧源中的阴极为钛阴极，钛阴极的放电电流为50 200A,背底真空度达到 4.0xlO_3~6.0xl(T3Pa，工作真空度为2.0><10—^3.0xlO^Pa，直径为600mm的 螺线管的上端面距一体式脉冲阴极弧源的中心距离为100 120mm，流过螺线 管的电流大小为L5 2.5A。本发明金属等离子体形成方法二四个轴对称分 布的一体式脉冲阴极弧源中的阴极为钛阴极，钛阴极的放电电流为50~200A， 背底真空度达到4.(^10—3~6.0><10—3Pa，然后通入40 60sccm的氮气，将工作 真空度调到2.0xl(T匕3.0xl(Tipa，直径为600mm的螺线管的上端面距一体 式脉冲阴极弧源的中心距离为60 80mm，流过螺线管的电流大小为1~2A。 本发明金属等离子体形成方法三四个轴对称分布的一体式脉冲阴极弧源中 的阴极为碳阴极，碳阴极的放电电流为50~200A，背底真空度达到5.0x10—
3~6.0xl0_3Pa，然后通入3 7sccm的氩气，将工作真空度调到3.0xl0—2 4.0xl0 _2Pa，直径为600mm的螺线管的上端面距一体式脉冲阴极弧源的中心距离为 110 130mm，流过螺线管的电流大小为1.5~2.5A。
本发明大面积均匀金属等离子体的产生原理如下采用多个轴对称分布 的一体式脉冲阴极弧源来产生大面积的金属等离子体，由中心载流螺线管产 生的轴对称非均匀磁场来对多个一体式脉冲阴极弧源产生的金属等离子体进 行约束和扫描。通过改变流过螺线管电流的大小以及螺线管的空间位置来改 变磁场强度和磁力线分布，从而实现对多个轴对称分布的一体式脉冲阴极弧 源产生的金属等离子体的扫描控制，以进行合理的优化叠加(图1所示)，便 可降低金属等离子体密度高斯分布的影响，产生大面积均匀金属等离子体。
本发明的四至六个轴对称分布的一体式脉冲阴极弧源，主要用来产生大 面积的金属等离子体。推进螺栓可以在不破坏真空的情况下调整阴极的高度， 提高脉冲阴极弧源的工作时间；冷却水管可保证阴极长时间的稳定工作。一 体式脉冲阴极弧源可以沿径向移动0 180mm，以便调整阴极与系统中心的距 离，即产生均匀金属等离子体的最大距离。磁扫描过滤系统由高度为 100~300mm、直径为500~600mm的中心螺线圈和磁场电源系统组成，主要 用来实现对多阴极弧的扫描控制以及过滤阴极弧放电系统产生的宏观粒子和 中性粒子。该螺线圈可沿中心轴向方向在脉冲阴极弧源与旋转靶台之间移动。 螺线圈与真空室器壁之间采用绝缘材料隔开，管中流过由磁场电源产生脉冲 电流，可产生磁场强度为1 200高斯的磁场，以便对金属等离子体进行约束 和扫描。
本发明具有以下效益本发明的装置可产生直径约为600mm的金属等 离子体输出，金属等离子体的密度均匀性波动可控制在±15%。可实现大型零 件的处理(最大尺寸约600mm)以及小零件的批量处理；本发明的方法具有 工艺流程简单、降低了处理成本、提高了生产效率的优点。
图1是本发明装置的整体结构示意图，图2是图1的A-A剖视图，图3 是一体式脉冲阴极弧源4的结构示意图。图中的附图标记6是高压电源，13 是工件，14是金属等离子体。
具体实施例方式
具体实施方式
一(参见图1~图3)本实施方式的装置由壳体1、 RF天 线3、四至六个一体式脉冲阴极弧源4、螺线圈5、旋转耙台7、步进电动机 8和放气阀10组成，壳体1的顶壁上设有进气口2，壳体l的内部为真空室 11， RF天线3固定在壳体1内的顶端上，壳体l的底部设有抽真空接口9， 放气阀10固定在壳体1下部的侧壁上并与真空室11相连通，壳体1中部的 侧壁上设有观察窗12，旋转靶台7设置在壳体1内的下部，步进电动机8设 置在壳体1的底部下面，步进电动机8的输出轴与旋转耙台7的下端固定连 接，四至六个一体式脉冲阴极弧源4轴对称分别固定在壳体1的上侧壁上， 螺线圈5设置在壳体1内一体式脉冲阴极弧源4的下侧， 一体式脉冲阴极弧 源4由推进螺栓4-1、法兰盘4-2、冷却水管4-3、触发电极4-4、环形阳极 4-5、过滤挡板4-6、触发瓷环4-7、阴极4-8、外壳4-9、拉杆机构4-10、拉 杆梁4-11、顶盖4-12和阴极座4-13组成，环形阳极4-5固定在外壳4-9的开 口端上，过滤挡板4-6固定在环形阳极4-5的外侧面上，触发电极4-4与环形 阳极4-5相对应固定在外壳4-9内，触发瓷环4-7固定在触发电极4-4内，阴 极4-8的一端固定在触发瓷环4-7内，顶盖4-12固定在外壳4-9开口端相向 的另一端上，推进螺栓4-l的一段设置在顶盖4-12内，拉杆4-10设置在外壳 4-9内，拉杆梁4-11固定在拉杆机构4-10的一端上，推进螺栓4-l的另一段 与拉杆梁4-11螺纹连接，阴极座4-13固定在拉杆机构4-10的一端上，冷却 水管4-3设置在阴极座4-13上，法兰盘4-2内侧通过螺栓与壳体1相连接， 顶盖4-12固定在法兰盘4-2外侧。
具体实施方式
二(参见图1、图2)本实施方式一体式脉冲阴极弧源4 由四个组成。其它组成和连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三(参见图3)本实施方式阴极4-8的直径为12 38mm。 其它组成和连接关系与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四(参见图3)本实施方式触发电极4-4的内径为 14~46mm。其它组成和连接关系与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
五(参见图3)本实施方式环形阳极4-5的内径为 15~45mm。其它组成和连接关系与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六(参见图3)本实施方式触发瓷环4-7的绝缘距离为 2-8mm。其它组成和连接关系与具体实施方式
五相同。
具体实施方式
七本实施方式金属等离子体形成方法如下四个轴对称
分布的一体式脉冲阴极弧源4中的阴极4-8为钛阴极，钛阴极的放电电流为 50-200A，背底真空度达到4.0xlO 6.0xlO_3Pa，工作真空度为2.0xl0 3.0x10 _1Pa，直径为600mm的螺线管5的上端面距一体式脉冲阴极弧源4的中心距 离为100~120mm，流过螺线管5的电流大小为L5 2.5A，可产生不均匀性低 于15%的大面积钛等离子体，可实现钛离子的注入与沉积工艺。
具体实施方式
八本实施方式金属等离子体形成方法如下四个轴对称 分布的一体式脉冲阴极弧源4中的阴极4-8为钛阴极，钛阴极的放电电流为 50-200A，背底真空度达到4.0x10—3~6.0xl0—3Pa，然后通入40 60sccm的氮 气，将工作真空度调到2.0xl0_1~3.0xl0—^a，直径为600mm的螺线管5的 上端面距一体式脉冲阴极弧源4的中心距离为60 80mm，流过螺线管5的电 流大小为1 2A，可产生不均匀性低于15%的大面积钛等离子体，可实现TiN 的合成。
具体实施方式
九本实施方式金属等离子体形成方法如下四个轴对称 分布的一体式脉冲阴极弧源4中的阴极4-8为碳阴极，碳阴极的放电电流为 50-200A，背底真空度达到5.0xl0 6.0x10—3pa，然后通入3 7sccm的氩气， 将工作真空度调到3.0xlO~4.0xl(T2Pa，直径为600mm的螺线管5的上端面 距一体式脉冲阴极弧源4的中心距离为110~130mm，流过螺线管5的电流大 小为L5 2.5A，可产生不均匀性低于15%的大面积碳等离子体，可实现DLC 的合成。
权利要求
1、一种基于中心对称型的大面积金属等离子体形成装置，它由壳体(1)、RF天线(3)、四至六个一体式脉冲阴极弧源(4)、螺线圈(5)、旋转靶台(7)、步进电动机(8)和放气阀(10)组成，壳体(1)的顶壁上设有进气口(2)，壳体(1)的内部为真空室(11)，RF天线(3)固定在壳体(1)内的顶端上，壳体(1)的底部设有抽真空接口(9)，放气阀(10)固定在壳体(1)下部的侧壁上并与真空室(11)相连通，壳体(1)中部的侧壁上设有观察窗(12)，旋转靶台(7)设置在壳体(1)内的下部，步进电动机(8)设置在壳体(1)的底部下面，步进电动机(8)的输出轴与旋转靶台(7)的下端固定连接，其特征在于四至六个一体式脉冲阴极弧源(4)轴对称分别固定在壳体(1)的上侧壁上，螺线圈(5)设置在壳体(1)内一体式脉冲阴极弧源(4)的下侧，一体式脉冲阴极弧源(4)由推进螺栓(4-1)、法兰盘(4-2)、冷却水管(4-3)、触发电极(4-4)、环形阳极(4-5)、过滤挡板(4-6)、触发瓷环(4-7)、阴极(4-8)、外壳(4-9)、拉杆机构(4-10)、拉杆梁(4-11)、顶盖(4-12)和阴极座(4-13)组成，环形阳极(4-5)固定在外壳(4-9)的开口端上，过滤挡板(4-6)固定在环形阳极(4-5)的外侧面上，触发电极(4-4)与环形阳极(4-5)相对应固定在外壳(4-9)内，触发瓷环(4-7)固定在触发电极(4-4)内，阴极(4-8)的一端固定在触发瓷环(4-7)内，顶盖(4-12)固定在外壳(4-9)开口端相向的另一端上，推进螺栓(4-1)的一段设置在顶盖(4-12)内，拉杆(4-10)设置在外壳(4-9)内，拉杆梁(4-11)固定在拉杆机构(4-10)的一端上，推进螺栓(4-1)的另一段与拉杆梁(4-11)螺纹连接，阴极座(4-13)固定在拉杆机构(4-10)的一端上，冷却水管(4-3)设置在阴极座(4-13)上，法兰盘(4-2)内侧通过螺栓与壳体(1)相连接，顶盖(4-12)固定在法兰盘(4-2)外侧。
2、 根据权利要求1所述的基于中心对称型的大面积金属等离子体形成装 置，其特征在于 一体式脉冲阴极弧源(4)由四个组成。
3、 根据权利要求2所述的基于中心对称型的大面积金属等离子体形成装 置，其特征在于阴极(4-8)的直径为12 38mm。
4、 根据权利要求3所述的基于中心对称型的大面积金属等离子体形成装 置，其特征在于触发电极(4-4)的内径为14~46mm。
5、 根据权利要求4所述的基于中心对称型的大面积金属等离子体形成装 置，其特征在于环形阳极(4-5)的内径为15 45mm。
6、 根据权利要求5所述的基于中心对称型的大面积金属等离子体形成装 置，其特征在于触发瓷环(4-7)的绝缘距离为2-8mm。
7、 一种使用权利要求1所述基于中心对称型的大面积金属等离子体形成 装置的金属等离子体形成方法，其特征在于四个轴对称分布的一体式脉冲 阴极弧源(4)中的阴极(4-8)为钛阴极，钛阴极的放电电流为50~200A， 背底真空度达到4.0x10—3~6.0xl0—3Pa，工作真空度为2.0x10—! 3.0xl0一!Pa， 直径为600mm的螺线管(5)的上端面距一体式脉冲阴极弧源(4)的中心 距离为100~120mm，流过螺线管(5)的电流大小为1.5~2.5A。
8、 一种使用权利要求1所述基于中心对称型的大面积金属等离子体形成 装置的金属等离子体形成方法，其特征在于四个轴对称分布的一体式脉冲 阴极弧源(4)中的阴极(4-8)为钛阴极，钛阴极的放电电流为50~200A， 背底真空度达到4.0xl(TS 6.0xl(rSpa，然后通入40 60sccm的氮气，将工作 真空度调到2.0x10—匕3.0xlO^Pa，直径为600mm的螺线管(5)的上端面距 一体式脉冲阴极弧源(4)的中心距离为60 80mm，流过螺线管(5)的电流 大小为1~2A。
9、 一种使用权利要求1所述基于中心对称型的大面积金属等离子体形成 装置的金属等离子体形成方法，其特征在于四个轴对称分布的一体式脉冲 阴极弧源(4)中的阴极(4-8)为碳阴极，碳阴极的放电电流为50~200A, 背底真空度达到5.0x10—3 6.0x 10—3Pa，然后通入3 7sccm的氩气，将工作真 空度调到3.0xl(T2 4.(^10—2Pa，直径为600mm的螺线管(5)的上端面距一 体式脉冲阴极弧源(4)的中心距离为110~130mm，流过螺线管(5)的电流 大小为L5 2.5A。
全文摘要
基于中心对称型的大面积金属等离子体形成装置及方法，它涉及一种金属等离子体形成装置及金属等离子体形成方法。本发明的目的是针对磁过滤阴极真空弧的引出口径较小难于实现对大尺寸零件处理的问题。本发明的装置四至六个一体式脉冲阴极弧源轴对称分别固定在壳体的上侧壁上。方法一、钛阴极的放电电流为50～200A，流过螺线管的电流大小为1.5～2.5A。方法二、通入40～60sccm的氮气，将工作真空度调到2.0×10<sup>-1</sup>～3.0×10<sup>-1</sup>Pa，钛阴极的放电电流为50～200A。方法三、碳阴极的放电电流为50～200A，通入3～7sccm的氩气。本发明的装置可实现大型零件的处理；方法工艺流程简单、提高了生产效率。
文档编号C23C14/48GK101358332SQ200810137009
公开日2009年2月4日 申请日期2008年8月27日 优先权日2008年8月27日
发明者王小峰, 王浪平, 磊 黄 申请人:哈尔滨工业大学