大电流多弧斑受控真空电弧蒸发源

摘要

本发明属于薄膜沉积设备，是真空电弧离子镀膜机的核心部件。采用电磁线圈磁场控制电弧弧斑在阴极表面上的运动轨迹和速度，显著减少了蒸发源发射的金属液滴，提高了镀膜质量。蒸发源在200A以上的大电弧电流和与之相匹配的磁场下工作时，电弧弧根可分裂为几个小的弧斑，在几乎整个阴极表面上作多轨迹旋转，使阴极表面烧蚀均匀，镀膜沉积速率提高2-3倍。采用环形阴极蒸发源，因横向磁场的增加，使弧斑旋转速度更高，能基本消除蒸发源发射的金属液滴，阴极材料利用率更高。

说明书

本发明提出的大电流多弧斑受控真空电弧蒸发源属于薄膜沉积设备。它是真空电弧离子镀膜机中的核心部件。

这种受控真空电弧蒸发源应用于离子镀膜技术，即可在各种材料上镀上一层金属氮化物，金属碳化物、金属氧化物和金属碳氮化物硬质薄膜，或多元合金薄膜，以提高材料表面的耐磨、耐腐蚀、耐高温氧化等性能;还可用以镀表面装饰膜或其它功能性的薄膜。

真空电弧离子镀膜是当今一种先进的离子镀膜技术。这种技术是依靠在真空镀膜室中所产生的真空电弧弧斑的局部高温，使作为靶极的阴极材料瞬时蒸发和离化，产生电离度高而离子能量大的等离子体，在工件上加上负电位，即可在工件加热温度比较低的条件下，在工件表面上镀上一层硬度高、组织致密而附着力强的各种硬质薄膜。

人们最初采用自由真空电弧蒸发源，即真空电弧的弧斑在阴极表面上是随机运动的，其缺点是容易在被镀工件上产生固化金属液滴。1985年美国S.Ramalingam提出采用提高弧斑旋转速度以抑制金属液滴的概念，起到了抑制金属液滴的效果。然而单纯使弧斑在阴极表面上旋转，会使阴极表面的烧蚀很不均匀。围绕着解决抑制金属液滴和提高阴极表面烧蚀均匀性之间的矛盾，国际上曾提出过几种不同结构形式的受控真空电弧蒸发源。

美国Minnesota大学S.Ramalingam等人于1987年的美国专利4673477和1989年的美国专利4839011中，提出了一种机械-磁场联合扫描的圆形阴极的受控电弧蒸发源。是用放置在阴极底部的永磁体磁场，使阴极弧斑在阴极表面上作圆形轨迹运动，并将永磁体在阴极底下作偏心旋转，以达到弧斑在阴极上全面扫描的目的。

美国Vac-Tec  Systems公司的C.F.Morrison于1988年的美国专利4724058中，提出了一种采用脉冲控制式线圈磁体和矩形阴级结构的受控真空电弧蒸发源。采用脉冲电源对磁场线圈供电，以产生脉冲磁场。在脉冲作用的时间内，弧斑在阴极表面沿某一封闭路径运动;在脉冲停歇时间，弧斑在阴极表面上仍然为自由运动。使得在每一脉冲周期内，弧斑在阴极表面上由自由运动向着某一确定的封闭路径扫描，以实现对阴极表面上的弧斑运动进行控制。

美国的S.Ramalingam于1989年的国际专利WO089/01699中，又提出了一种复合磁场和厚阴极结构的受控真空电弧蒸发源。这种蒸发源的复合磁场，是采用一个主磁场线圈，并外加一个辅助磁场线圈，或者由一个电磁线圈和永磁体组合的复合磁场;阴极则采用一个圆形的单金属厚阴极，或在圆形阴极外边套一个环形阴极，或在圆形阴极上嵌入其它金属的复合阴极，用以镀多元合金薄膜。依靠调节线圈的直流电流来控制弧斑在阴极表面上的运动轨迹。

此外，联邦德国Interatom公司的E.Erturk等（Surface  and  Co  atings  Technol.39/40，1989）还提出了用直线位移的永磁体扫描控制弧斑轨迹，也是一个类似上述机械-磁场联合扫描的受控电弧蒸发源。

上述的几种受控真空电弧蒸发源中，机械旋转永磁体和圆形阴极结构的受控电弧蒸发源可以一定程度地起到抑制金属液滴的作用，也能达到一定程度的阴极烧蚀均匀性，然而这几种蒸发源的结构比较复杂，工作可靠性和稳定性较差，不适于在工业生产上应用。脉冲控制式线圈磁体和矩形阴极结构的受控真空电弧蒸发源，其弧斑运动速度不高，不能有效地起到抑制金属液滴的作用;阴极表面的烧蚀均匀性也不理想，影响了阴极材料利用率的提高，这对大面积矩形阴极来说，会使制作和更换阴极的成本提高，抵消了采用大面积阴极应用于生产上的优越性。

在WO/01699中提出的复合磁场和厚阴极结构的受控真空电弧蒸发源，依靠线圈中的电流，原则上可以控制弧斑在阴极表面上的运动轨迹，能抑制蒸发源金属液滴的产生和提高阴极表面的烧蚀均匀性。但这种蒸发源采用复合磁场，结构比较复杂，而且在该专利中，除提到阴极采用直径为200-300mm（或更大）的数据外，没有提出可供实施这种受控真空电弧蒸发源的具体结构和任何其它参考的运行参数实例。

到目前为止，所提出的各种受控真空电弧蒸发源，虽然在减少或基本消除金属液滴和提高阴极表面烧蚀均匀性方面，取得了一定效果，然而仍存在以下两个方面的缺点：（1）蒸发源都是建立在单个弧斑旋转工作的基础上的，因而工作电流仍然比较小，虽然抑制了金属液滴的产生，却因弧斑旋转带来的镀膜沉积速率有些下降，使镀膜生产效率受到一定影响;（2）蒸发源结构比较复杂，制作成本高，运行可靠性也会受到一定影响。鉴于上述两点，仍然难以取代现有商品化离子镀膜机中所采用的自由电弧蒸发源。

本发明的目的就是提供一种在工业生产上实用的，能取代自由电弧蒸发源的新型大电流多弧斑受控真空电弧蒸发源，这种蒸发源，一方面同自由电弧蒸发源相比具有能减少或基本消除金属液滴和提高镀膜沉积速率的优点，另一方面同其它类型蒸发源相比，又具有结构简单、制作成本低，控制灵活、运行稳定性好、应用广泛的优点。能够在工业生产上实际应用。

本发明提出的蒸发源，是通过控制阴极表面上的磁场分布，来达到控制弧斑在阴极表面上的运动速度和轨迹。具体地说是采用可调电流的磁线圈在阴极表面上产生横向磁场和纵向磁场分量，其中的横向磁场使阴极弧斑在阴极表面上快速旋转，而纵向磁场则使阴极弧斑向阴极表面的中心聚焦。该蒸发源在低电流（＜100A）和低磁场下运行时，由于磁场对弧斑的作用力很弱，蒸发源可在自由电弧状态下运行，其特性和自由电弧蒸发源完全相同。在大电弧电流（≥150A）和与其相匹配的较强磁场下运行时，大电流弧根就会分裂为几个小的弧斑，同时由于电弧电流的提高，聚焦作用得到加强，几个弧斑就会在几乎整个阴极表面上作多轨迹快速旋转，这样不但抑制了金属液滴，提高了镀膜质量，而且随着电弧电流的增强和电离度的提高，镀膜沉积速率也有明显提高。

下面结合附图详细描述本发明的特点及其实施例。

附图1为本发明的大电流多弧斑受控真空电弧蒸发源的基本结构示意图。

其中（1）为点弧极，  （2）为高温绝缘屏蔽环

（3）为阴极  （4）为水密封盖

（5）为线圈骨架  （6a）为上导磁环

（6b）为下导磁环  （7）为屏蔽极

（8）为点弧极支撑杆  （9）为阴极压板

（10）为可拆卸阴极法兰  （11）为电磁线圈

（12）为阴极筒体  （13）为屏蔽极支撑螺杆

（14）为主支撑杆  （15）为高温绝缘屏蔽板

（16）为绝缘密封法兰  （17）为阴极座法兰

（18）为陶瓷管  （20）为导磁筒

（21）为导磁导电杆  （24）为导电片

（26）为冷却水管  （27）为通水孔

（28）为水冷空腔

附图2为用于镀多元合金时的本发明蒸发源的复合阴极，用以取代附图1中的阴极（3）。

其中（46）为螺钉  （47）为高温绝缘盖

（48）为复合阴极  （49）为镶嵌槽

附图3为当阴极为环形阴极时本发明该蒸发源的结构示意图。

其中（1）为点弧极  （2）为高温绝缘屏蔽环

（6c）为上导磁环，  （6d）为下导磁环

（7）为稳弧屏蔽极  （8）为点弧极支撑杆

（9a）为阴极压板  （10a）为可拆卸阴极法兰

（11a）为电磁线圈  （12a）为阴极筒体

（13a）为屏蔽极支撑螺杆  （14a）为主支撑杆

（15a）为高温绝缘屏蔽板  （16a）为绝缘密封法兰

（17a）为阴极座法兰  （24a）为导电片

（26a）为冷却水管  （30）为高温绝缘盖

（31）为紧固螺钉  （32）为压紧螺栓

（33）为导磁垫圈  （34）为导磁端盖

（35）为环形阴极  （36）为导磁导电杆

（37）为阴极锁紧片  （38）为锁紧螺钉

（39）为阴极外密封圈  （40）为阴极内密封圈

（41）为密封端盖

在图1中，阴极直径为60-150mm。此蒸发源是将阴极座法兰（17）和绝缘密封法兰（16），通过压板，压接密封在真空镀膜室的带密封圈的连接法兰上（图中未画出压板和真空镀膜室的连接法兰），使整个阴极对镀膜室绝缘，而绝缘法兰（16）以上的部分，可以在较短时间内，抽到6.7×10^-3帕以上的真空，并可通过微量进气调节阀（图中未画出）调节镀膜室内的气体压力。由高温绝缘材料制成的高温绝缘屏蔽板（15），用以防护镀膜室的高温，避免绝缘密封法兰（16）遭到破坏。阴极座法兰（17）由导磁材料制成。在阴极座法兰（17）内设有和阴极筒体（12）中的两个通水孔（27）相通的水冷空腔（28），用以防止法兰过热，同时保护密封圈避免因过热而变质，阴极座法兰（17）底部开有和端面垂直的盲孔，盲孔中装有和水冷空腔（28）相通的冷却水管（26）。由单金属或合金制成的阴极（3）采用直接水冷，冷却水由冷却水管（26）进入水冷空腔（28），经厚的阴极筒体（12）中两个通水孔（27）中的一个进水后，经过阴极（3）的底面冷却阴极后，再经另一个通水孔（27）流出，经水冷空腔（28），再从另一个冷却水管（26）（图中未标出）流出。蒸发源的磁路结构由电磁线圈（11）阴极（3）和导磁材料组成。导磁材料包括导磁导电杆（21）、导磁筒（20）、阴极座法兰（17）、阴极筒体（12）、可拆卸阴极法兰（10）、阴极压板（9）、上导磁环（6a）或（6c）、下导磁环（6b）或（6d）。线圈（11）绕制在线圈骨架（5）上，并一起套在导磁筒（20）的外周，上端盖有水密封盖（4），位于阴极筒体（12）的内部，阴极筒体（12）下端和阴极座法兰（17）相接，上端面上放有阴极（3），阴极（3）直径为60-150mm，阴极（3）由阴极压板（9）压紧并密封在阴极筒体（12）上，带丝扣的可拆卸阴极法兰（10），螺纹固定在阴极筒体（12）上，要在安装好绝缘密封法兰（16）和高温绝缘屏蔽板（15）以后安装。控制阴极弧斑运动的磁通，经阴极座法兰（17）、阴极筒体（12）、可拆卸的阴极法兰（10）、阴极压板（9）经可拆卸的阴极法兰（10）和阴极压板（9）之间的气隙到下导磁环（6b）和上导磁环（6a），再经阴极（3）而到导磁导电杆（21）和导磁筒（20），而和阴极座法兰（17）闭合。由导磁或非导磁材料制成的稳弧用屏蔽极（7）点焊在上导磁环（6a）上，对阴极（3）是绝缘的。屏蔽极（7）由3个屏蔽极支撑螺杆（13）固定在主支撑杆（14）上，而主支撑杆（14）则由螺钉固定在绝缘密封法兰板（16）上，带内螺纹的下导磁环（6b）和带外螺纹的上导磁环（6a）螺纹连结，阴极（3）经过烧蚀变短后，可重新旋转屏蔽极支撑杆（13）和下导磁环（6b），以保持屏蔽极（7）和阴极（3）的相对高度。

本发明采用带间隙的屏蔽极（7）和埋入式高温绝缘屏蔽环（2）相结合的稳弧方法，上导磁环（6a）或（6C）兼起稳弧作用，在绝缘的屏蔽极（7）和高温绝缘屏蔽环（2）的双重作用下，不但可使蒸发源的运行稳定性明显提高，而且高温绝缘屏蔽环（2）镶嵌在上导磁环（6a）内，以保护由脆弱易碎材料制成的高温绝缘屏蔽环（2）免遭损坏。导磁环的另一种形式，是由上、下导磁环（6c）和（6d）组成。点弧极（1）由紧固螺钉固定在点弧极支撑杆（8）上。点弧极支撑杆（8）可直接固定在电磁铁或气动元件（图中未标出）的活动部位上，通过电磁铁的通电、断电或气动元件的充气、放气使其上、下移动，以达到接触引弧的目的。电弧电流由导电片（24）引出。电磁线圈（11）对水的密封由非导磁材料制成的水密封盖（4）和导磁导电杆（21）完成，其中下部的水封材料为硬性水封。此外，在图1中，（18）为陶瓷管，（19）为固定电磁铁或气动元件的螺孔，（25）为固定电磁线圈（11）引出线插座的螺孔。

本发明所提出的大电流多弧受控真空电弧蒸发源，工作可靠、操作灵活，可在10^-3帕到数帕的气压和50-250A下稳定运行。由电磁铁或气动元件引弧后，可根据不同的镀膜要求，通过调节电磁线圈电流和电弧电流大小，选择合适的运行参数，即可满足不同的镀膜要求。

图2为镀多元合金用受控真空电弧蒸发源的复合阴极。在图2中，通过将图1大电流多弧斑受控电弧蒸发源的阴极3，换成如图2的复合阴极，即可作各合金成分对多元合金镀膜层性能影响的试验。图2的复合阴极（48）的外径和底部，仍取和图1阴极（3）相同的尺寸。此复合阴极（48），相当于将图1阴极3的中心部分去除，变成厚壁凹心杯形复合阴极（48）。厚壁上开有均匀分布而宽度不大的镶嵌槽（49），槽（49）中嵌入由所要加入成分的金属或合金制成的片材。镶嵌好后经简单的外形加工即可装在如图1的大电流多弧斑受控电弧蒸发源上，作多元合金性能的研究和试验。

图2中，高温绝缘盖（47），用以稳弧。固定高温绝缘盖（47）的螺钉（46）的材质与该复合阴极（48）的基础材料相同。为了调节高温绝缘盖（47）的高度，使其和已烧蚀的复合阴极（48）的相匹配，可以通过旋进或更换高温绝缘盖（47）的螺钉（46）来完成。

用大电流多弧斑受控真空电弧蒸发源的主体结构，换上上述如图2的复合阴极，研究各合金成分的影响，非常简便而快捷。可以不必先冶炼合金材料，只要有少量片状金属材料，嵌入阴极48的厚壁中，不但可嵌入一种材料，还可嵌入不同材料的几个片，即可方便地得出各种合金成分影响的试验结果。由于烧蚀量不大，同一阴极（48），可反复使用多次，进行不同的研究和试验。此种方法比起用磁控溅射镀膜方法，研究多元合金镀膜层的性质更方便。因为磁控溅射靶的厚度大多在20毫米以内，不易嵌入其它金属材料，更不易多次使用。

图3为当阴极为环形阴极时该蒸发源的结构示意图，适用于要求基本消除固化液滴的镀膜对象，阴极材料的利用率更高。阴极外径可取60-250mm。这种蒸发源的磁路要求尽量增加横向磁场强度，以提高弧斑的旋转速度。电磁线圈（11a）采用直接水冷，以提高通过线圈的电流密度。磁路由阴极法兰座（17a）、阴极筒体（12a）和可拆卸阴极法兰（10a）、阴极压板（9a）、下导磁环（6d）、上导磁环（6c）、导磁端盖（34）、导磁垫圈（33）、导磁导电杆（36）以及压紧螺栓（32）组成。这些部件均由导磁材料制成。环形阴极（35）可由厚壁管材制成，阴极的密封采用橡胶密封圈，由阴极外密封圈（39）和阴极内密封圈（40）完成。由于环形阴极（35）采用大面积水冷，橡胶密封圈不会因过热而变质。为避免磁力线旁路，密封端盖（41），必须由非导磁材料制成。为了防止环形阴极（35）在水压和真空压差双重作用下向上移动，环形阴极（35）的底部有两个螺钉孔，旋进锁紧螺钉（38），并将此带锁紧螺钉（38）的环形阴极（35）旋一个角度，压入阴极锁紧片（37）的孔中。阴极锁紧片（37），应是两个窄片，不大影响冷却水的流通。在环形阴极（35）烧蚀变短后，可通过旋动或更换锁紧螺钉（38），提升环形阴极（35）到合适的高度，使蒸发源的运行经常处在最佳的工作状态。高温绝缘盖（30），由紧固螺钉（31）固定在压紧螺栓（32）上，紧固螺钉（31）和环形阴极（35）的材质相同。其它部件的作用和制造材料，和图1的大电流多弧斑受控真空电弧蒸发源相同。

本发明提出的受控真空电弧蒸发源的主要特点和效果归纳如下：

（1）本发明提出的大电流多弧斑受控真空电弧蒸发源是一种大电流多弧斑的蒸发源，能够在旋转多个弧斑状态下以数百安培的较大电弧电流进行工作，使电弧蒸发源在提高阴极烧蚀均匀性和减少金属液滴的同时，具有高的镀膜沉积速率，因而能减少镀膜时间，提高离子镀膜生产率。例如，此受控电弧蒸发源，在200A下运行时的镀膜沉积速率，比自由电弧蒸发源的沉积速率高2-3倍，而且镀膜层的致密度，硬度和附着力也有提高。

（2）本发明提出的环形阴极结构的受控电弧蒸发源，其磁路结构有利于大幅度提高横向磁场强度，使弧斑在阴极表面上以更快的速度旋转，使金属液滴基本消除，从而满足了某些镀膜层在这方面的特殊要求。同时，环形结构的阴极还能使阴极端面烧蚀得更充分;可以采用较长的厚壁管材作阴极，使阴极材料的利用率更高。

（3）本发明提出的大电流多弧斑受控真空电弧蒸发源是采用单一的直流线圈磁体和圆形或环形阴极结构，使该蒸发源具有结构简单、制作方便，制作成本低廉的特点，便于在生产上实际应用。

（4）本发明提出的大电流多弧斑受控真空电弧蒸发源是采用带间隙的屏蔽极和埋入式的高温绝缘屏蔽环相结合的稳弧方法，不但提高了蒸发源的运行稳定性，而且由于将高温绝缘屏蔽环镶嵌在坚固的导磁环当中，既能使脆弱易碎的高温绝缘体得到保护，又明显减少了昂贵的高温绝缘材料的用量，降低了蒸发源的制造成本。