一种扫描磁场导向沉积镀膜的真空弧磁过滤装置的制作方法

1.本实用新型属于真空镀膜设备技术领域，具体涉及一种扫描磁场导向沉积镀膜的真空弧磁过滤装置。


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。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.本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种扫描磁场导向沉积镀膜的真空弧磁过滤装置及设备。
5.本实用新型所采取的技术方案如下：一种扫描磁场导向沉积镀膜的真空弧磁过滤装置，包括具有至少一段弯管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，所述过滤管道接近出口端处设置有扫描磁场发生装置；
6.所述扫描磁场发生装置包括铁芯磁轭，所述铁芯磁轭上设有一对用于形成在过滤管道出口端形成沿x轴方向的平行磁场的绕组线圈或设有两对分别用于在过滤管道出口端形成沿x轴方向的平行磁场和沿y轴方向的平行磁场的独立控制的绕组线圈。
7.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；此外出口端设置的扫描磁场装置可产生沿x轴方向的平行磁场或产生具有沿x轴方向的平行磁场及沿y轴方向的平行磁场，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，其复合磁场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。
8.所述铁芯磁轭开设有一对相对设置的凹槽使铁芯磁轭上形成两个用于绕线形成绕组线圈的线圈骨架。
9.所述铁芯磁轭包括四个沿同一圆周均匀分布的4个磁极以及连接在相邻磁极之间的连接杆，所述磁极或连接杆上分别绕线形成绕组线圈。
10.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，所述线圈模组和扫描磁场发生装置均固定在冷却外壳体的外壁。
11.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。
12.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。
13.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；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。
14.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，靠近弧源处的第一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。
15.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。
16.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，其引导线圈中线处磁场强度不低于30高斯。
17.本实用新型的有益效果如下：扫描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扫描磁场，离子束在可调扫描磁场在作用下发生上下偏转和/或左右偏转，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。通过对扫描磁场的调控，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
18.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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实用新型的范畴。
19.图1为现有技术中磁过滤阴极弧沉积设备示意图；
20.图中，1’，过滤管道；2’，弧源组件；3’，真空镀膜腔室；4’，镀膜样品；
21.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）；
22.图3为实施例1中的铁芯磁轭的结构示意图（a）和实施例1所形成的可调扫描磁场对离子的作用效果示意图（b）；
23.图4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；
24.图5为实施例1所提供的真空弧磁过滤装置的爆炸示意图；
25.图6为实施例2中的铁芯磁轭的结构示意图（a）和实施例1所形成的可调扫描磁场对离子的作用效果示意图（b）；
26.图7为实施例3所提供的真空弧磁过滤装置的剖视图；
27.图8为实施例4所提供的真空弧磁过滤装置的剖视图；
28.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；107，连接筋条；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，扫描磁场发生装置；501，铁芯磁轭；502，凹槽；503，线圈骨架；504，磁极；505，连接杆；6，镀膜样品。
具体实施方式
29.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。
30.需要说明的是，本实用新型实施例中所有使用“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，不应理解为对本实用新型实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
31.本实用新型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实用新型，而非对本实用新型保护范围的限制。
32.实施例1：
33.如图2所示，一种扫描磁场导向沉积镀膜的真空弧磁过滤装置，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。
34.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扫描磁场发生装置5，所述扫描磁场发生装置5用于在过滤管道1接近出口端的内腔区域形成可调扫描磁场。
35.如图3（a）所示，所述扫描磁场发生装置5包括铁芯磁轭501，所述铁芯磁轭501上设有一对用于形成在过滤管道1出口端形成沿x轴方向的平行磁场的绕组线圈，所述铁芯磁轭
501开设有一对相对设置的凹槽502使铁芯磁轭501上形成两个用于绕线形成绕组线圈的线圈骨架503。如图3（b）所示，实线所形成的内圈示意的是过滤管道1的未受扫描磁场偏转的离子束，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扫描磁场发生装置5所形成的可调扫描磁场的作用下，向上或向下发生偏转，通过可调扫描磁场的控制，可实现上下偏转的角度和范围，因此可以通过可调扫描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，进而可以通过可调扫描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。采用本实用新型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。
36.可调扫描磁场的控制具体为通过调节通过绕组线圈的电流强度实现。图中虚线所形成的外圈仅是示意作用，其长度可以通过可调扫描磁场进行控制。
37.如图4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，在扫描磁场的作用下，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，本实用新型不作详述。其中，镀膜样品6可以配合旋转装置，沉积镀膜过程中，使镀膜样品6为可旋转状态，通过扫描磁场发生装置5所形成的可调扫描磁场的控制以及旋转装置对镀膜样品6的转动作用，可实现镀膜样品6较大表面积的镀膜。
38.同时，通过扫描磁场发生装置5所形成的可调扫描磁场的控制以及旋转装置控制，可以实现镀膜样品6表面规则或不规则形状的膜层形成。可以根据待镀膜件的形状或所设计的膜层形状对通过绕组线圈的电流的变化规则以及旋转装置的转动规则进行设计，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。
39.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。
40.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使进入扫描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。
41.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。
42.如图2、图5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，所述线圈模组和扫描磁场发生装置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。
43.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。
44.其中，冷却外壳体采用绝缘材质制成。
45.如图5所示，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。
46.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107。连接筋条107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。
47.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。
48.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。
49.实施例2：
50.本实施例与实施例1的结构大致相同，主要不同之处为扫描磁场发生装置5的结构不同。如图6（a）所示，所述扫描磁场发生装置5包括铁芯磁轭501，所述铁芯磁轭501上设有两对分别用于在过滤管道1出口端形成沿x轴方向的平行磁场和沿y轴方向的平行磁场的独立控制的绕组线圈。所述铁芯磁轭501包括四个沿同一圆周均匀分布的4个磁极504以及连接在相邻磁极504之间的连接杆505，所述磁极504或连接杆505上分别绕线形成绕组线圈。相对的两个绕组线圈构成一组，两组绕组线圈分别独立控制，分别形成沿x轴方向的平行磁场和沿y轴方向的平行磁场，分别控制离子束上下偏转和左右偏转。
51.如图6（b）所示，实线所形成的内圈示意的是过滤管道1的未受扫描磁场偏转的离子束，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扫描磁场发生装置5所形成的可调扫描磁场的作用下，向上或向下发生偏转，通过可调扫描磁场的控制，可实现上下偏转和/或左右偏转的角度和范围，因此可以通过可调扫描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，进而可以通过可调扫描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。采用本实用新型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。
52.可调扫描磁场的控制具体为通过调节通过绕组线圈的电流强度实现。图中虚线所形成的外圈仅是示意作用，其形状和面积可以通过可调的沿x轴方向的平行磁场和沿y轴方向的平行磁场进行控制。
53.实施例3：
54.如图7所示，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，图中具体为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。
55.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。
56.实施例4：
57.如图8所示，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。
58.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。
59.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。
60.以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。