[實用新型]一種二極旋轉耦合磁場輔助準擴散弧冷陰極離子鍍裝置

有效

• 申請號: 201220586800.2
• 申請日: 2012-11-08
• 公開（公告）號: CN202945317U
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 郎文昌;高斌
• 申請（專利權）人: 溫州職業技術學院
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

技術領域

本實用新型涉及薄膜與涂層制備技術領域，具體地說是一種二極旋轉耦合磁場輔助準擴散弧冷陰極離子鍍裝置。

背景技術

電弧離子鍍膜技術是當今一種先進的離子鍍膜技術，由于其結構簡單，離化率高，入射粒子能量高，繞射性好，可實現低溫沉積等一系列優點，使電弧離子鍍技術得到快速發展并獲得廣泛應用，展示出很大的經濟效益和工業應用前景，特別是在裝飾鍍和工模具鍍市場領域到處可以看到電弧離子鍍的蹤影。但是大顆粒的噴射造成了薄膜表面污染，導致表面的粗糙度增大而降低薄膜的光澤，對裝飾及抗磨應用帶來不利影響，嚴重影響薄膜的質量，導致鍍層附著力降低并出現剝落現象，鍍層嚴重不均勻等。電弧離子鍍高離化率，低溫沉積的突出優點使其在工模具鍍上展現出其他鍍膜方式所不具備的優勢，但是電弧放電的特點使得大顆粒的存在成為工模具鍍的阻礙，也成為阻礙電弧離子鍍技術更深入廣泛應用的瓶頸問題。

目前，應用比較多而且效果比較好的措施是磁過濾，磁過濾技術的采用，雖然有效地消除了大顆粒的污染，但由于等離子體在傳輸過程的損失，沉積速率也大幅度降低，目前等離子體的傳輸效率最高也僅有25％，導致了原材料的浪費和生產效率降低，電弧離子鍍的優點就是沉積速率快，這也是該技術在工業領域廣泛應用的原因之一，不能為了減少部分大顆粒而來損失這個突出的優點，這也是磁過濾技術不能工業化的重要原因。因此，必須突破性的想辦法從源頭解決電弧離子鍍大顆粒的問題。電弧自持放電的必要條件是有持續大量的有效電子發射，從電子發射機理分析，大量電子發射發生的必要條件是有大量的電子能夠越過金屬表面勢壘與費米能級之間的勢壘高度（逸出功），這種情況發生在兩種狀態下，一是熱陰極電子發散，即金屬表面有大量的高能態電子（大于逸出功）存在，高能態電子的數量隨著金屬的溫度升高而增加，亦即熱電子發散的效應越明顯；另外一種是降低表面勢壘即降低電子的逸出功，即提高陰極表面的外加電場強度，表面勢壘高度的降低值隨著外加電場強度的升高而增大。而陰極附近空間的正電荷密度決定了陰極處的電場強度，正離子電荷密度的增加促進了電場強度的增加，在冷陰極情況下，為了形成有效的電子發散，維持弧光放電，電流的集中放電是最有效的途徑。集中放電一方面可以將陰極局部加熱到高溫狀態，提高高能態電子的數量，另一方面可以在局部形成高密度的正電荷鞘層，提高局部的電場強度，降低功函數，促進電子的大量發射。而一般電弧離子鍍所用的弧源是冷陰極弧源，這種弧源中電弧的行為被陰極表面許多快速游動，高度明亮的陰極斑點所控制。在陰極弧斑放電中，只有那些溫度最高（離子轟擊和電阻熱效應），電場最強，或者逸出功最低的微小區才能發射大量的電子，只有最有效的大量的電子發射才能維持弧斑的存在。因此觀察到的弧斑的運動實際上是弧斑最有效位置的移動，更確切的說是正電荷密度最大值的位置的移動引起新弧斑的形成、舊弧斑的熄滅造成了弧斑的運動。而正是由于電弧離子鍍陰極斑點的尺寸很小，功率密度非常高，所以陰極斑點在作為強烈的電子，金屬原子﹑離子和高速金屬蒸汽發射源的同時，也不斷的噴射金屬大顆粒。而這種現象在大面積的熱陰極弧光放電條件下一般是不存在的（功率密度低，沒達到熔化狀態），只有在局部的高功率密度的放電情況下，由于形成了較大的熔池，在局部壓力和離子轟擊作用下，才造成了大顆粒的噴射。

從電弧離子鍍液滴的產生機制可知，欲減少大顆粒的發射，就應當避免靶材局部過熱產生較大較深的弧斑熔池和局部的離子轟擊。因此，必須采用一定的方式控制弧斑的運動以及改善弧斑的放電形式，提高弧斑的運動速度，縮短弧斑在一點的停留時間，降低局部的功率密度和高密度離子轟擊。國際上比較流行的受控電弧離子鍍膜，從原理上說，就是在弧源上加入一適當的磁場，來控制和提高陰極弧斑在陰極表面的運動速度。同時，可以理解為將功率密度從局部點狀態改變為線狀態（同一時間段），降低了局部的功率密度和高密度離子轟擊，從而一定程度地減少液滴量﹑減小液滴尺寸﹑提高膜層壽命，并使一些普通真空電弧離子鍍膜（又叫自由電弧離子鍍膜，弧斑在陰極表面自由地運動）不能實現或很難實現的蒸鍍成為現實。受控電弧離子鍍膜是真空電弧離子鍍膜的進一步發展，也是真空電弧離子鍍膜技術發展的必然方向。

雖然受控電弧離子鍍可以實現對弧斑的有效控制，限制弧斑的運動軌跡，部分的減少電弧大顆粒，但是并沒有有效的改善弧斑的放電形式，弧源依然是具有陰極輝點的冷陰極電弧源，是一種分立的電弧源，這種電弧源是產生大顆粒的根本原因。同時，這種技術使得弧斑被限制在一定的位置處，長時間刻蝕會在靶面形成刻蝕軌道，浪費靶材，而且遠沒有達到制備精細功能薄膜的要求。