一种旋转磁场导向沉积的真空镀膜设备及镀膜方法与流程

1.本发明属于真空镀膜设备技术领域，具体涉及一种旋转磁场导向沉积的真空镀膜设备及镀膜方法。


背景技术：

2.在真空阴极电弧等离子体沉积薄膜过程中，为了使薄膜表面均匀、光滑、清洁，提高薄膜的均匀性、致密性、结合力，必须消除等离子体中的大颗粒和杂质。现有技术中，常见的一种消除大颗粒和杂质的方式是在阴极靶材和样品之间设置过滤装置，即磁过滤阴极弧沉积技术，该技术是迄今为止去除效果最好、应用最广泛的抑制大颗粒的方法。过滤装置包括具有至少一段弯管或折弯处的过滤管道以及用于在过滤管道内腔形成磁场的线圈模组，带电粒子在磁场中受到洛伦兹力将沿管道中心线做螺旋运动，大颗粒一般不带电或带微量负电荷，但因其质量远高于离子和电子，所以基本不受电磁场影响，不带电的大颗粒保持直线运动，与过滤管道内壁发生碰撞，因此很难离开过滤管道。即使带少量负电的大颗粒也会因为拉莫尔半径过大，在螺旋运动时与过滤管道内壁发生碰撞。由于并非所有的大颗粒都能在与壁面的连续碰撞中失去动能，因此，会有一定数量的大颗粒通过管道出口，所以长而窄的过滤管道会有更高的大颗粒过滤效率。
3.虽然设置过滤装置可以提高薄膜的表面光洁度、清洁度、致密性和结合力，但是，如图1所示，带电粒子受限于过滤装置出口处的窗口面积，以及在过滤管道内作拉莫尔旋进运动使离子束束流聚束十分紧密，因此入真空室的离子束的截面面积较小，因此常用于小型样品零件的镀膜，而用于较大样品的镀膜，需要在镀膜过程中，移动样品，使样品的不同镀膜区域可以形成薄膜，但是这种情况所形成的薄膜厚度是很难保障均匀度的，且镀膜效率极低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种旋转磁场导向沉积的真空镀膜设备及镀膜方法。
5.本发明所采取的技术方案如下：一种旋转磁场导向沉积的真空镀膜设备，旋转磁场导向沉积的真空镀膜设备，包括真空弧磁过滤装置、弧源组件和真空镀膜腔室；真空弧磁过滤装置包括具有至少一段弯管和/或折弯处的过滤管道，所述过滤管道两端分别为用于安装弧源组件的入口端和用于与真空镀膜腔室相连接的供离子离开过滤管道的出口端，所述过滤管道上设有用于导引离子运动方向使弧源组件产生的离子沿过滤管道的形状移动至出口端并从出口端离开的线圈模组；弧源组件设置于过滤管道的入口端；真空镀膜腔室设置有一个及以上数目的可与真空弧磁过滤装置出口端连接的法兰口；设置有一组及以上数目的可沉积金属或化合物的沉积源；设置有等离子清洗装置；设
置有可加载生产物料的转动夹盘；设置有可加载偏压的偏压电源；所述过滤管道接近出口端处设置有旋转磁场发生装置，所述旋转磁场发生装置用于在过滤管道接近出口端的内腔区域形成可调旋转磁场；弯管或折弯形的管道可有效实现弧放电过程中产生的大颗粒沉积在管壁上，并通过管道上的线圈模组可有效的实现放电过程中的电子聚焦，从而实现在整个等离子体光束的聚焦，同时线圈模组中设置有引导线圈，可有效实现管路折弯或弯管处的电子及等离子体的角度偏转；此外出口端设置的旋转磁场装置可产生沿x轴方向的平行磁场及沿y轴方向的平行磁场，并可以实现磁场矢量方向的周向性旋转，其中x轴方向的平衡磁场可驱动等离子体中的电子上下螺旋运动，实现等离子体的上下偏移，y轴方向的平行磁场可驱动等离子体中的电子左右螺旋运动，实现等离子体的左右偏移，而磁场矢量的周向性旋转更更容易实现电子及整个等离子体的偏转角度，以此扩宽沉积有效区。
6.所述旋转磁场发生装置包括采用相差一定均匀角度、相互通过连接部连接在一起的沿同一圆周均匀分布的若干个磁极，所述磁极数量为4n或6n，n≥1；每个所述磁极上均绕线形成独立控制的若干个线圈绕组；或，相邻磁极之间的连接部上均绕线形成独立控制的若干个线圈绕组；或，在相邻磁极之间的空槽中分别嵌设一个线圈绕组。
7.若磁极数量为4n，则所述线圈绕组采用相位差90
°
的两相可调交流电激励；若磁极数量为6n，则所述线圈绕组采用相位差120
°
的三相可调交流电激励。
8.所述过滤管道包括内层壳体和设置在内层壳体外的冷却外壳体，所述冷却外壳体内设有冷却水腔室，所述线圈模组和旋转磁场发生装置均固定在冷却外壳体的外壁；所述冷却外壳体包括内外套接且两者之间相隔一定间距的第一冷却壳体和第二冷却壳体，所述第一冷却壳体和第二冷却壳体两端之间分别通过入口端法兰和出口端法兰连接封闭形成冷却水腔室；所述第一冷却壳体和第二冷却壳体之间局部设有连接筋条。
9.所述线圈模组包括接近入口端的第一聚焦线圈、接近出口端的第二聚焦线圈以及设置在第一聚焦线圈与第二聚焦线圈之间的至少一个引导线圈。
10.所述过滤管道包括接近入口端的第一直管区、接近出口端的第二直管区，所述第一直管区与第二直管区之间直接相连使过滤管道上形成一处折弯处；和/或，所述过滤管道包括接近入口端的第一直管区、接近出口端的第二直管区，通过至少一个中心线与第一直管区中心线角度以及第二直管区中心线角度均不同的过渡直管区和/或至少一个过渡弯管区连接过渡使过滤管道上形成至少两处的折弯处。
11.所述过滤管道的弯管角度和/或多处折弯处夹角之和大于等于90度。
12.所述过滤管道内的中心线角度不同的第一直管区与过渡直管区和/或过渡弯管区之间通过绝缘组件连接，靠近弧源处的直管区与过渡直管区和/或过渡弯管区与弧电源正极、腔壳同电位；靠近过滤管道出口端的第二直管区电位为悬浮电位。
13.第一聚焦线圈及第二聚焦线圈采用脉冲直流频率可调的调制线圈电源，引导线圈电源为直流线圈电源，其过渡直管区和/或过渡弯管区中线处磁场强度不低于30高斯。
14.一种旋转磁场导向真空沉积镀膜方法，其特征在于：采用如上所述的旋转磁场导向沉积的真空镀膜设备进行镀膜；，弧源组件2通电产生的离子通过过滤管道1并从过滤管道1的出口端进入真空镀膜腔室3，旋转磁场发生装置5通入可调电源在过滤管道1接近出口
端的内腔区域形成可调旋转磁场，使在一端时间内从过滤管道1的出口端进入真空镀膜腔室3的离子的偏转方向不断发生变化在真空镀膜腔室3内形成面积可调的沉积有效区。
15.本发明的有益效果如下：旋转磁场发生装置在过滤管道接近出口端的内腔区域形成可调旋转磁场，离子束在可调旋转磁场在作用下发生偏转，使离子束在出口端以不同的偏转角度和旋转速度离开过滤管道进入真空镀膜腔室，因此，可大大增大一段时间内的沉积镀膜面积。通过对旋转磁场的调控，可以使一段时间内进入真空镀膜腔室的离子在较大的沉积表面上相对较为均匀的分布。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
17.图1为现有技术中磁过滤阴极弧沉积设备示意图；图中，1’，过滤管道；2’，弧源组件；3’，真空镀膜腔室；4’，镀膜样品；图2为实施例1所提供的真空弧磁过滤装置的剖视图（a）和a处的局部放大图（b）；图3为可调旋转磁场对离子的作用效果示意图；图4为实施例1所提供的真空弧磁过滤装置的侧视图；图5为实施例1所提供的真空弧磁过滤装置所构成的真空沉积镀膜设备的示意图；图中，1，过滤管道；101，内层壳体；102，冷却水腔室；103，第一冷却壳体；104，第二冷却壳体；105，入口端法兰；106，出口端法兰；2，弧源组件；3，真空镀膜腔室；401，第一聚焦线圈；402，引导线圈；403，第二聚焦线圈； 5，旋转磁场发生装置；501，磁极；502，空槽；6，镀膜样品。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
19.需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
20.本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
21.实施例1：如图2所示，一种旋转磁场导向沉积的真空镀膜设备，包括具有至少一段弯管或折弯处的过滤管道1，本实施例中，所述过滤管道1包括接近入口端的第一直管区、接近出口端的第二直管区以及连接在第一直管区与第二直管区之间的c型弯管区，所述第一直管区与第二直管区之间形成30-150度的夹角，图中具体为90度的弯管夹角，也可以根据需要对弯管的角度进行调整。
22.所述过滤管道1两端分别为用于安装弧源组件2的入口端和用于与真空镀膜腔室3相连接的供离子离开过滤管道1的出口端，所述过滤管道1上设有用于导引离子运动方向使弧源组件2产生的离子沿过滤管道1的形状移动至出口端并从出口端离开的线圈模组，所述过滤管道1接近出口端处设置有旋转磁场发生装置5，所述旋转磁场发生装置5用于在过滤管道1接近出口端的内腔区域形成可调旋转磁场。如图3所示，实线所形成的内圈示意的是过滤管道1的未受旋转磁场偏转的离子束，虚线所形成的外圈示意的是真空腔室内的镀膜区域，过滤管道1的出口端处的离子束在旋转磁场发生装置5所形成的可调旋转磁场的作用下，发生箭头方向的偏转，通过可调旋转磁场的控制，可实现偏转方向的变化以及旋转速度的变化，可以通过可调旋转磁场的控制可以使离子束在虚线所形成的外圈的任一地方进行沉积，进而可以通过可调旋转磁场的控制可以使一定时间段的离子束完全覆盖虚线所形成的外圈内进行镀膜。采用本发明的过滤装置的磁过滤阴极弧沉积技术，可以大大增大镀膜面积和镀膜效率。
23.所述旋转磁场发生装置5包括采用相差一定均匀角度、相互通过连接部连接在一起的沿同一圆周均匀分布的若干个磁极501，所述磁极数量为4n或6n，n≥1；每个所述磁极501上均绕线形成独立控制的若干个线圈绕组；或，相邻磁极501之间的连接部上均绕线形成独立控制的若干个线圈绕组；或，在相邻磁极501之间的空槽502中分别嵌设一个线圈绕组。
24.若磁极数量为4n，则所述线圈绕组采用相位差90
°
的两相可调交流电激励；若磁极数量为6n，则所述线圈绕组采用相位差120
°
的三相可调交流电激励。
25.在本实施例中，如图4所示，所述旋转磁场发生装置5包括采用相差一定均匀角度、相互连接在一起的沿同一圆周均匀分布的若干个磁极501（磁极采用的是高磁导率的材料，例如电工纯铁或者叠加的冲压硅钢片）以及套设在磁极501上或嵌设在相邻磁极501之间的空槽502中的线圈绕组，所述磁极数量为6n，n≥1，所述线圈绕组采用相位差120
°
的三相可调交流电激励。6n的线圈绕组可以分为3n组，相对的为一组，按二级磁场规律连接呈对称的三相绕制，每组绕制为一组，三相可调交流电的可调指的是电流频率和电流大小可调，具体是电流频率可单独调节，电流大小可通过输入电压大小的调节实现单独控制调节大小。通过调节交流电的电流大小可控制磁场强度，而磁场强度的大小变化可改变离子束的偏转角度大小，通过调节交流电的频率大小可控制旋转速度，而旋转磁场的旋转速度的变化可以改变离子束的旋转速度。
26.图3中，虚线所形成的外圈仅是示意作用，其大小形状可以通过可调旋转磁场进行控制，可以为如图所示的较大的圆形，也可以为方形或者其它规则或不规则形状，可以根据待镀膜件的形状或所设计的膜层形状对三相可调交流电的变化规则进行设计，使一定时间段的离子束按照待镀膜件的形状变化运动方向和旋转速度，从而提高镀膜效率。具体可以采用计算机软件（例如comsol）建模仿真进行设计。
27.其中，旋转磁场发生装置5可以为如图4中所示的24槽结构，也可以为12槽、36槽或者其它数量（6的倍数）。
28.如图5所示，当过滤管道1入口端连接弧源组件2，出口端连接真空镀膜腔室3时，即为真空沉积镀膜设备的基本组成。一定时间段内的离子束在出口端离开过滤管道进行真空镀膜腔室3内时，在旋转磁场的作用下，可以在镀膜样品6表面以较大面积进行镀膜。其弧源
组件2可以采用现有技术中公开的阴极弧源装置的结构，本发明不作详述。
29.如图2所示，所述线圈模组包括设置在第一直管区的第一聚焦线圈401、设置在c型弯管区的至少一个的引导线圈402和设置在第二直管区的第二聚焦线圈403。
30.其中，第一聚焦线圈401和第二聚焦线圈403通过调制脉冲强流放电，可压缩等离子体，增大等离子体密度，将等离子体从近距离弥散状态变为长距离的聚焦光束，可提高大颗粒与高密度等离子体碰撞后备蒸发的概率。同时，第二聚焦线圈403使进入旋转磁场中的任一时间点的离子束为等离子体密度显著提高的聚焦光束，大幅度提升输运距离和能量密度，有助于提高所镀膜层的均匀度，同时，如图5所示，可通过调节镀膜样品6与过滤管道1出口端的距离，可调节镀膜面积。
31.引导线圈402形成磁场对带电粒子其偏转作用，使带电粒子在磁场中受到洛伦兹力将沿管道中心线做螺旋运动。图中，引导线圈402仅为示意，引导线圈402可以为多个，根据c型弯管区的曲度、长度进行分布，引导带电粒子绕c型弯管区的中心线做螺旋运动。
32.如图2所示，所述过滤管道1包括内层壳体101和设置在内层壳体101外的冷却外壳体，所述冷却外壳体内设有冷却水腔室102，所述线圈模组和旋转磁场发生装置5均固定在冷却外壳体的外壁。工作时，冷却外壳体中通入冷却水，其冷却降温作用。
33.其中，内层壳体101采用高强度导电材质制成，其在大颗粒的碰撞下不易变形，另外，在工作时，可使内层壳体101接入适当的正偏压，可抑制离子的碰撞以提高镀膜离子的传输效率。
34.其中，冷却外壳体采用绝缘材质制成。
35.所述冷却外壳体包括内外套接且两者之间相隔一定间距的第一冷却壳体103和第二冷却壳体104，所述第一冷却壳体103和第二冷却壳体104两端之间分别通过入口端法兰105和出口端法兰106连接封闭形成冷却水腔室102。
36.所述第一冷却壳体103和第二冷却壳体104之间局部设有连接筋条。连接筋条相对的两个侧面分别与第一冷却壳体103和第二冷却壳体104固定连接，例如粘结、焊接或一体成型等方式，可确保第一冷却壳体103和第二冷却壳体104之间的距离保持合适的范围。
37.接近入口端的第一直管区、接近出口端的第二直管区以及连接在第一直管区与第二直管区之间的c型弯管区之间通过绝缘组件连接，靠近弧源处的第一直管区与c型弯管区与弧电源正极、腔壳同电位；靠近过滤管道出口端的第二直管区电位为悬浮电位。
38.第一聚焦线圈及第二聚焦线圈采用脉冲直流频率可调的调制线圈电源，引导线圈电源为直流线圈电源，其过渡直管区和/或过渡弯管区中线处磁场强度不低于30高斯。
39.实施例2：本实施例与实施例1的结构大致相同，主要不同之处为过滤管道1的形状。所述过滤管道1包括接近入口端的第一直管区、接近出口端的第二直管区，所述第一直管区与第二直管区之间形成30-150度的夹角，具体为105
°
，所述第一直管区与第二直管区直接相连使两者之间形成折弯处。
40.第一直管区与第二直管区之间通过绝缘组件连接，第一直管区与弧电源正极、腔壳同电位；第二直管区为悬浮电位。
41.实施例3：本实施例与实施例1的结构大致相同，主要不同之处为过滤管道1的形状。所述过
滤管道1包括接近入口端的第一直管区、接近出口端的第二直管区以及连接在第一直管区与第二直管区之间的s型弯管区。
42.第一直管区、第二直管区以及s型弯管区之间通过绝缘组件连接，第一直管区、s型弯管区与弧电源正极、腔壳同电位；第二直管区为悬浮电位。
43.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如rom/ram、磁盘、光盘等。
44.以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。