CN102296274A - 用于阴极弧金属离子源的屏蔽装置 - Google Patents

Abstract

一种用于阴极弧离子源的屏蔽装置，所述阴极弧离子源包括靶材、位于靶材下方并在靶材上方产生磁场的磁场组件、以及密封地与靶材相连并封围住所述磁场组件的离子源体，其中，所述屏蔽装置包括绕靶材边缘布置且与靶材边缘相隔开的边缘屏蔽件以及位于靶材中心上方且相对于边缘屏蔽件居中地定位的中心屏蔽件。通过采用本发明的中心屏蔽件和边缘屏蔽件，同时利用磁路在阴极靶材表面构造拱形闭合磁场，使得阴极弧斑只能沿矩形环形跑道做“之”字形摆动单向运动，这样可以有效地去除由于弧斑在中途随机折返造成的沉积不均匀性。

Description

用于阴极弧金属离子源的屏蔽装置

技术领域

本发明涉及一种阴极弧金属离子源，尤其涉及一种用于阴极弧金属离子源的屏蔽装置。

背景技术

使用真空阴极弧离子源是产生金属离子的主要方法之一，它可以在真空环境下使阴极靶材蒸发并离化形成等离子体，蒸发出来的靶材离化率大于80％。在阴极弧离子源的阴极靶材上施加负电压，通过引弧装置激发靶材表面弧光放电形成阴极弧斑。面积很小(＜1mm²)的阴极弧斑内，局域施加的功率很大(3KW)，使阴极弧斑处形成局域高温(＞6000℃)，阴极材料被蒸发并离化成金属离子，在真空中遇到工件表面发生凝结，形成薄膜或涂层，这种现象可以用来对工件表面进行离子束表面改性或真空镀膜表面处理，用来增强工件表面的防腐、耐磨等特殊性质。

为了使阴极弧离子源长期稳定工作，一般阴极弧离子源装置要施加磁场对阴极弧斑的运动进行约束或控制，达到以下几个目的，第一、使阴极弧斑的快速运动以有效降低阴极弧斑附近的持续高温，避免靶材喷溅和整体熔化；第二、利用磁场约束电子的扩散，增加等离子体的密度，提高靶材蒸发离化率；第三、避免阴极弧斑运动至非蒸发区域，造成离子源部件的放电损坏。

传统阴极弧离子源主要由磁路、冷却水路、引弧装置等主要部件组成，其中磁路在靶材表面产生近似垂直于靶面的磁场，在这样的磁场作用下，阴极弧斑在靶材表面随机运动，为了防止阴极弧斑迁移至靶材以外的其它区域，造成离子源的损坏，在靶体周围安装了屏蔽罩，屏蔽罩与靶体相互电绝缘，当阴极弧斑进入到屏蔽罩与靶体之间的间隙时，由于放电阻抗的增加，阴极弧斑将自动熄灭，由此可见，电悬浮屏蔽罩具有熄灭阴极弧斑的作用。

以往用于实验室和工业生产的主要是圆形阴极弧离子源，其阴极靶材的直径为60-150mm。在镀制大型工件时，要在真空室壁上使用多个阴极弧离子源并同时工作，以此来解决放电的均匀性问题。虽然这种方法取得了一定的成功，但放电的均匀性、可靠性、一致性仍存在很大问题。

另外，传统阴极弧源放电时，由于阴极弧斑放电区域面积较小，靶材表面温度很高，存在靶材喷溅现象，即靶材还未完全蒸发成原子或离子就喷射出来，这些喷溅出来的颗粒沉积在工件表面造成表面缺陷，严重影响表面处理的质量。

阴极弧离子源的最新进展之一就是大面积(长约500mm，宽150mm)矩形阴极弧离子源的使用，这种阴极弧离子源使用了类似磁控溅射源的磁路。图1示出了传统离子源的基本原理，图2为图1所示结构的俯视图，详细示出了靶材表面阴极弧斑的运动轨迹示意图。磁场组件2容纳于离子源本体3内，且磁场组件2在阴极靶材1表面产生了一个拱型磁场7，磁场强度为1-15mT，按照理论计算，阴极弧斑在靶材表面的运动轨迹为“之”字形闭合跑道10，在靶材表面形成矩形环状放电跑道。从跑道蒸发出的物质在阴极弧离子源前方的工件表面沉积或者注入，达到表面处理的目的。

随着磁场的增强，阴极弧斑“之”形摆动的宽度变窄，阴极弧斑的运动速度加快，靶材蒸发的均匀性增强，但靶材的利用率降低，例如小于15％。当磁场降低时，弧斑的摆动宽度增强，靶材利用率升高，但有可能弧斑在中途某个位置，进入对侧跑道，在环状跑道的某个位置折返，未完成全部闭合跑道的放电，造成中部离子束流强而两端弱，降低沉积的均匀性。为此有专利采用电磁扫描磁场技术，对上述现象进行改善，但仍未得到完全解决。

因此，需要一种阴极弧离子源，其能够在保持高靶材利用率(＞30％)的前提下，提高弧源沿矩形长边方向放电的均匀性和工作的可靠性。

发明内容

考虑到阴极弧斑存活或者称为阴极弧持续放电的条件是其蒸发出来的物质被离化形成高密度等离子体，等离子体能够与阳极构成放电回路，才能维持离子源的持续放电，本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷，提供一种用于阴极弧金属离子源的屏蔽装置，能将屏蔽装置与磁场结合，强制弧斑在放电跑道内做“之”字摆动单向运动，不能在中途折返。还能防止弧斑跑出靶材表面在离子源的其它部件放电，造成阴极弧源的损坏和工件表面的污染。

为实现上述目的，本发明提供一种用于阴极弧离子源的屏蔽装置，所述阴极弧离子源包括靶材、位于靶材下方并在靶材上方产生磁场的磁场组件、以及密封地与靶材相连并封围住所述磁场组件的离子源体，其中，所述屏蔽装置包括绕靶材边缘布置且与靶材边缘相隔开的边缘屏蔽件以及位于靶材中心上方且相对于边缘屏蔽件居中地定位的中心屏蔽件。

根据本发明的一个实施例，所述靶材为矩形平面靶材，所述边缘屏蔽件为矩形框状并围绕矩形平面靶材的四周覆盖靶材的侧面和上边缘，边缘屏蔽件与靶材表面之间相隔一定距离，所述中心屏蔽件为细长形状，并同样与靶材表面之间相隔一定距离。

根据本发明的另一实施例，所述靶材为圆形平面靶材，所述边缘屏蔽件为圆形框状并围绕圆形平面靶材的四周覆盖靶材的侧面和上边缘，边缘屏蔽件与靶材表面之间相隔一定距离，所述中心屏蔽件为圆形形状，并同样与靶材表面之间相隔一定距离。

根据本发明的又一实施例，所述靶材为空心圆柱形靶材，所述边缘屏蔽件为的空心圆柱状，其将空心圆柱状靶材封围在内部，所述边缘屏蔽件在侧壁上的与靶材磁场区域相对应的位置处具有矩形开口，边缘屏蔽件在该开口的边缘附近与靶材表面之间相隔一定距离，所述中心屏蔽件为细长形状并与靶材表面之间相隔一定距离。

所述中心屏蔽件优选地通过绝缘件与靶材表面间隔开。所述绝缘件优选为陶瓷件。

所述中心屏蔽件与靶材表面之间的距离可通过绝缘件的厚度来进行调节。

所述中心屏蔽件可以通过距离调节装置与边缘屏蔽件可拆卸地相连。

并且，所述中心屏蔽件与靶材表面之间的距离由所述距离调节装置来调节。

具体而言，所述距离调节装置包括设置在边缘屏蔽件和中心屏蔽件上的螺母夹持机构和与螺母夹持机构相连的支架。

其中，所述边缘屏蔽件与靶材表面之间的距离是可调节的。

优选地，所述边缘屏蔽件与靶材上表面之间的距离为1-5mm。

同样，所述中心屏蔽件与靶材上表面之间的距离也为1-5mm。

采用本发明的上述结构的屏蔽装置，分别在阴极靶材上表面的中心部位安装中心屏蔽件以及在边缘处离子源体周围安装边缘屏蔽件。

中心屏蔽件与阴极弧源其它部件通过陶瓷件进行绝缘。这样，当阴极弧斑运动至中心屏蔽件附近，特别是在其上面或间隙内时，由于放电回路的破坏或放电回路的阻抗升高，阴极弧斑会被反射回来，或者熄灭。电悬浮中心屏蔽件实现了对阴极弧斑的反射或熄灭作用，从而能控制弧斑的运动区域。

同理，本发明在靶材的边缘同样安装了电悬浮边缘屏蔽件，当阴极弧斑接近该屏蔽件时，弧斑的就被反射或者熄灭，以此达到控制弧斑运动区域和保护阴极弧源其它部件不被放电损坏的目的。

使用中心屏蔽件和边缘屏蔽件，同时，利用磁路在阴极靶材表面构造拱形闭合磁场，阴极弧斑只能沿矩形环形跑道做“之”字形摆动单向运动，这样可以有效地去除由于弧斑在中途随机折返造成的沉积不均匀性。

附图说明

下面结合构成本发明说明书一部分的附图对本发明的优选实施例进行详细描述，图中：

图1为现有技术中的平面阴极弧离子源的基本结构。

图2为现有技术中的平面阴极弧离子源在磁场作用下形成的放电跑道。

图3为根据本发明第一实施例的带有屏蔽装置的阴极弧离子源，其中靶材为矩形平面靶材。

图4为图3所示带有屏蔽装置的阴极弧离子源的俯视图。

图5为根据本发明第二实施例的带有屏蔽装置的阴极弧离子源，其中靶材为圆形平面靶材。

图6为图5所示带有屏蔽装置的阴极弧离子源的俯视图。

图7为根据本发明第三实施例的带有屏蔽装置的阴极弧离子源，其中靶材为空心圆柱靶材。

图8为图7所示的带有屏蔽装置的阴极弧离子源的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本发明的优选实施例，附图仅为示例性的且并非按比例绘制，图中相同或相似的元件用相同的附图标记来表示。附图所示优选实施例仅是为了更好地描述本发明，并不构成对本发明的限制，本发明的范围由后附权利要求的范围来限定。

图3示出了按照本发明第一实施例制造的用于阴极弧离子源的屏蔽装置，图4为本实施例的用于阴极弧离子源的屏蔽装置的俯视图。其中该阴极弧离子源包括靶材1、位于靶材1下方的磁场组件2、以及与靶材1通过密封件5密封地相连并封围磁场组件2的离子源体3，在离子源体3的内部，磁场组件2设在靶材1和极靴4之间。靶材1为金属或合金等材料制成的矩形靶材。靶材1下方的离子源体3为不锈钢制造，内部通入冷却水。磁场组件2在靶材1表面产生磁场7。本发明的屏蔽装置8由矩形框状的边缘屏蔽件8a和细长形状的中心屏蔽件8b构成，从而边缘屏蔽件8a如图4所示具有矩形中央开口，该开口与靶材的放电区域相对应，所述中心屏蔽件8b居中地布置在该开口内，且中心屏蔽件的纵向与边缘屏蔽件的纵向相一致。所述边缘屏蔽件8a在靶材四周绕靶材1的侧边和上边缘定位并与靶材隔开一定间隙，且边缘屏蔽件8a与靶材上表面之间的间隙d为1-5mm，优选为3mm。中心屏蔽件8b相对于边缘屏幕件8a居中地定位于靶材1上方，并通过绝缘件11与靶材间隔开。

离子源的工作压强为0.8Pa，氩气馈入流量为100sccm。设置放电电流为150A。当引弧装置在靶材1表面激发引弧后，离子源以设置的放电电流连续工作持续放电，此时的放电电压为23V。

图4示出了带有中心屏蔽件和边缘屏蔽件的本发明阴极弧离子源工作时所产生的放电跑道示意图，其中中心屏蔽件8b为细长矩形形状，并且长度为L。申请人经过多次试验发现，在工作过程中阴极弧斑的跑道10如图4中所示，未发现阴极弧斑穿越中心屏蔽件8b和进入外侧边缘屏蔽件8a的现象。在与中心屏蔽件等长L的范围内，沉积薄膜的均匀性优于10％。

当中心屏蔽件8b与靶材1上表面之间通过陶瓷件相互绝缘时，在离子源工作过程中将有靶材物质沉积在陶瓷件上，为此必须对陶瓷件进行保护，防止沉积物过多导致陶瓷件绝缘失效，造成短路。

中心屏蔽件8b与靶材上表面之间的距离可以通过使用不同厚度的陶瓷件11来进行调节，该距离同样为1-5mm，优选为3mm。

优选地，边缘屏蔽件8a与靶材上表面之间的距离d通过距离调节装置来进行调节，该距离调节装置可以是现有技术中已知的各种调节装置，例如螺母夹持机构等。

作为替代方案，中心屏蔽件8a也可以通过距离调节装置与边缘屏蔽件相连，该距离调节装置例如为与中心屏蔽件和边缘屏蔽件相连的螺母夹持机构以及与螺母夹持机构相连的支架等，也可以用本领域已知的其他调节机构。

图5示出了根据本发明第二实施例的用于阴极弧离子源的屏蔽装置，图6示出了该用于阴极弧离子源的屏蔽装置的俯视图。对于第二实施例中与图3所示第一实施例相同的特征不再赘述，仅描述第二实施例中与第一实施例不同的部分。

在本发明的第二实施例中，阴极弧离子源具有圆形的平面靶材1，相应地，边缘屏蔽件8a为圆形框状，围绕靶材的侧面和上边缘布置，并与靶材隔开一定间隙。其中中心屏蔽件8b为圆形板状，相对于边缘屏蔽件8a居中地位于靶材1上方，并与靶材表面相隔一定距离，该距离优选为1-5mm。在该实施例中，中心屏蔽件8b通过距离调节装置与边缘屏蔽件8a相连。所述距离调节装置包括设在中心屏蔽件8b和边缘屏蔽件8a上的螺母夹持机构21和与该螺母夹持机构21相连的支架20，通过螺母夹持机构21和支架20来调节中心屏蔽件8b与靶材1上表面的距离。

与第一实施例一样，边缘屏蔽件8a与靶材1上表面之间的间隙d的大小也可以通过本领域中常用的距离调节装置来进行调节。

图6示出了带有中心屏蔽件和边缘屏蔽件的本发明阴极弧离子源工作时所产生的放电跑道示意图，其中各工作参数为：中心屏蔽件的直径为60mm，靶材直径为150mm，其他工作条件与前述矩形阴极弧离子源相同。在该离子源进行放电工作时，阴极弧斑的运动轨迹10为围绕中心的“之”摆动单向运动，未发现阴极弧斑穿越中心屏蔽件8b和进入外侧边缘屏蔽件8a的现象。

可选地，在第二实施例中，该中心屏蔽件8b也可以与图3所示第一实施例一样通过陶瓷件与靶材1绝缘，并通过陶瓷件的厚度来调节中心屏蔽件与靶材表面的距离。

图7是根据本发明第三实施例制造的用于圆柱形阴极弧离子源的屏蔽装置，图8为图7所示结构的俯视图，对于第三实施例中与图3所示第一实施例中相同的特征不再赘述，仅描述第三实施例中与第一实施例不同的部分。

与第一实施例和第二实施例不同，在第三实施例中，该离子源的靶材1为空心圆柱形状，并由金属或合金制成，长为800mm、外径为70mm、厚为5mm。离子源的旋转阴极端头与真空室相连，为了使阴极端头与真空室形成电绝缘，在阴极端头法兰与真空室密封法兰间加装了绝缘垫，绝缘垫可以由聚四氟乙烯或陶瓷制成。在这些部件间均用密封圈进行密封，以使安装离子源后真空室没有泄露现象。

阴极靶材1安装在旋转阴极端头上，阴极端头带动靶材绕轴向进行旋转。放电所需的电能由旋转阴极端头的电刷馈入。阴极端头还设有冷却水进出口以向靶材内部馈入馈出循环冷却水，将离子源放电时产生的热量带走，避免靶材或离子源其他部件过热烧毁。

在靶材1的内部还安置了磁路组件2，该磁路组件2在靶材1表面产生如图7所示的磁场，在靶材1表面磁场的沿靶材表面的最大磁场的磁感应强度为5-15mT。

在本实施例中，根据靶材的圆柱形形状，边缘屏蔽件8a的形状相应地为的空心圆柱形形状，且沿着边缘屏蔽件8a的侧壁在与靶材放电部位或磁路组件2所在部位相对应的位置具有开口30。该边缘屏蔽件8a围绕圆柱形靶材1布置成将靶材1封围在其中并与靶材隔开一定间隙，使靶材的放电部位与开口30对准。在开口30中，细长形状的中心屏蔽件8b居中地定位成使其纵向与圆柱形靶材的中心轴线相一致，并与靶材1表面相隔一定距离。其中中心屏蔽件8b的长度为L。中心屏蔽件8b通过与第二实施例中类似的距离调节装置与边缘屏蔽件8a的两个纵向端部相连，如图7所示，中心屏蔽件8b与靶材外表面之间的距离可通过该距离调节装置来调节，优选该距离为2-8mm。

在放电区域中，边缘屏蔽件8a与靶材外表面之间的间隙d优选为2-8mm。该距离可通过移动边缘屏蔽件8a相对于靶材中心的位置来调节。

图8中清楚示出了第三实施例的离子源放电时所形成的放电跑道10。其中离子源中磁场在靶材表面跑道中心处的磁感应强度为7mT。边缘屏蔽件8a和中心屏蔽件8b与靶材1外表面之间的间隙d为3mm。离子源的工作压强为0.8Pa，氩气馈入流量为100sccm，设置放电电流为100A。当引弧装置(未示出)在靶材表面激发引弧后，离子源以设置的放电电流连续工作持续放电，此时的放电电压为23V。工作过程中阴极弧斑的跑道如图8中所示，未发现阴极弧斑穿越中心屏蔽件8b和进入外侧边缘屏蔽件8a的现象。在中心屏蔽件长度L相等的范围内，沉积薄膜的均匀性优于10％。

可选地，中心屏蔽件8b也可以与第一实施例中一样通过陶瓷件11与靶材1隔开。如果中心屏蔽件8b与靶材1通过陶瓷件11相互绝缘，在离子源工作过程中将有靶材物质沉积在陶瓷件11上，为此必须对陶瓷件11进行保护，防止沉积物过多导致陶瓷件绝缘失效，造成短路。

虽然本发明就最优选的实施例进行了描述和图示，但本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明权利要求所限定的范围的情况下，可以进行各种组合和修改。

Claims (13)

1.一种用于阴极弧离子源的屏蔽装置，所述阴极弧离子源包括靶材、位于靶材下方并在靶材上方产生磁场的磁场组件、以及密封地与靶材相连并封围住所述磁场组件的离子源体，其特征在于，所述屏蔽装置包括绕靶材边缘布置且与靶材边缘相隔开的边缘屏蔽件以及位于靶材中心上方且相对于边缘屏蔽件居中地定位的中心屏蔽件。

2.如权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述靶材为矩形平面靶材，所述边缘屏蔽件为矩形框状并围绕矩形平面靶材的四周覆盖靶材的侧面和上边缘，边缘屏蔽件与靶材表面之间相隔一定距离，所述中心屏蔽件为细长形状，并同样与靶材表面之间相隔一定距离。

3.如权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述靶材为圆形平面靶材，所述边缘屏蔽件为圆形框状并围绕圆形平面靶材的四周覆盖靶材的侧面和上边缘，边缘屏蔽件与靶材表面之间相隔一定距离，所述中心屏蔽件为圆形形状，并同样与靶材表面之间相隔一定距离。

4.如权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述靶材为空心圆柱形靶材，所述边缘屏蔽件为的空心圆柱状，其将空心圆柱状靶材封围在内部，所述边缘屏蔽件在侧壁上的与靶材磁场区域相对应的位置处具有矩形开口，边缘屏蔽件在该开口的边缘附近与靶材表面之间相隔一定距离，所述中心屏蔽件为细长形状并与靶材表面之间相隔一定距离。

5.如权利要求2-4中任一项所述的屏蔽装置，其特征在于，所述中心屏蔽件通过绝缘件与靶材表面间隔开。

6.如权利要求5所述的屏蔽装置，其特征在于，所述绝缘件为陶瓷件。

7.如权利要求5所述的屏蔽装置，其特征在于，所述中心屏蔽件与靶材表面之间的距离通过绝缘件的厚度来进行调节。

8.如权利要求2-4中任一项所述的屏蔽装置，其特征在于，所述中心屏蔽件通过距离调节装置与边缘屏蔽件可拆卸地相连。

9.如权利要求8所述的屏蔽装置，其特征在于，所述中心屏蔽件与靶材表面之间的距离由所述距离调节装置来调节。

10.如权利要求8所述的屏蔽装置，其特征在于，所述距离调节装置包括设置在边缘屏蔽件和中心屏蔽件上的螺母夹持机构和与螺母夹持机构相连的支架。

11.如权利要求2-4中任一项所述的屏蔽装置，其特征在于，所述边缘屏蔽件与靶材表面之间的距离是可调节的。

12.如权利要求11所述的屏蔽装置，其特征在于，所述边缘屏蔽件与靶材表面之间的距离为1-5mm。

13.如权利要求7或9所述的屏蔽装置，其特征在于，所述中心屏蔽件与靶材表面之间的距离为1-5mm。

Images