動態磁場陰極電弧源制造技術

本發明專利技術揭示了一種動態磁場陰極電弧源，包括靶材、靶座和磁場，所述磁場的芯軸上按照同一方向螺旋繞制有線圈，所述線圈接入直流電源，所述直流電源的電流大小呈周期性變化，所述電流大小的周期性變化的頻率為5Hz-50Hz，所述直流電源的電流在0-10A范圍內連續可調，產生在所述靶材表面的磁場強度在5Gs-350Gs之間連續周期性變化。本發明專利技術采用接通直流電源的線圈作為磁場，且直流電源的電流周期性變化，產生磁場的強度周期性變化，從而使得靶材表面的磁場強度周期性變化，弧斑在靶材表面時而發散運動在整個靶材表面，時而聚集在靶材表面磁場最強區域運動，靶材冷卻充分，消除熔池的產生，抑制液滴，降低弧斑尺寸，涂層表面光滑，結構致密，并且靶材利用率增加。

【技術實現步驟摘要】
動態磁場陰極電弧源
本專利技術屬于真空鍍膜
，尤其涉及一種動態磁場陰極電弧源。
技術介紹
陰極電弧是一種典型的離子鍍膜技術，在實際工業生產中，所制備涂層表面顆粒大和靶材利用率不高是始終困擾技術進步的難題。大量研究表明，造成涂層表面顆粒大的直接原因是電弧液滴的產生，其根本原因是弧斑過于集中造成靶材過熱，形成熔池產生熔液飛濺；而靶材利用率不高的原因主要是陰極磁場固定，造成弧斑運動區域過于集中所致。如圖1a所示，普通的電弧陰極采用永磁鐵11，磁場強度固定不變，磁場在靶材12表面的分布固定不變，永磁鐵11固定在靶座13內部，永磁鐵11與靶座13之間注有冷卻水14。如圖1b所示，弧斑在靶材表面磁場最強的區域處燒蝕的幾率最大，因此最先被刻蝕掉。當磁場最強的區域處的靶材被刻蝕掉后，這部分靶材表面的磁場變得比其它區域更強，弧斑在此區域處的燒蝕幾率更大，此區域處的靶材消耗的速度更快，久而久之，靶材的刻蝕出現了如圖1c所示的情況，靶材中央磁場強度最小的區域幾乎沒有消耗，而磁場強度最大的區域已經消耗完畢，從而形成了深深的刻蝕溝15。這樣帶來的結果是靶材的利用率低，弧斑總是集中在一個區域，冷卻效果差，容易產生大液滴，造成涂層表面粗糙，涂層截面出現孔洞，膜層疏松，性能下降。
技術實現思路
鑒于上述現有技術存在的缺陷，本專利技術的目的是提出一種動態磁場陰極電弧源。本專利技術的目的將通過以下技術方案得以實現：一種動態磁場陰極電弧源，包括靶材、靶座和磁場，所述磁場的芯軸上按照同一方向螺旋繞制有線圈，所述線圈接入直流電源，所述直流電源的電流大小呈周期性變化，所述電流大小的周期性變化的頻率為5Hz-50Hz，所述直流電源的電流在0-10A范圍內連續可調，產生在所述靶材表面的磁場強度在5Gs-350Gs之間連續周期性變化。優選的，上述的動態磁場陰極電弧源，其中：所述靶材安裝在靶座上，所述線圈固定在所述靶座內部的中央，所述線圈的幾何對稱軸和所述靶座的幾何對稱軸重合。優選的，上述的動態磁場陰極電弧源，其中：所述靶材為平面矩形靶，所述芯軸為多棱柱體，所述芯軸的外側面上螺旋繞制所述線圈；所述平面矩形靶安裝在矩形靶座上，所述線圈固定在所述矩形靶座內部的中央，所述線圈的幾何對稱軸和所述矩形靶座的幾何對稱軸重合。優選的，上述的動態磁場陰極電弧源，其中：所述靶材為平面圓弧靶，所述芯軸為圓柱體，所述芯軸的圓柱面上螺旋繞制所述線圈；所述平面圓弧靶安裝在圓柱形靶座上，所述線圈固定在所述圓柱形靶座內部的中央，所述線圈的軸心與所述芯軸的軸心重合，所述線圈的幾何對稱軸和所述圓柱形靶座的幾何對稱軸重合。優選的，上述的動態磁場陰極電弧源，其中：所述靶座內設有空腔，所述空腔內注有用于對所述靶材和所述線圈進行冷卻的冷卻水。優選的，上述的動態磁場陰極電弧源，其中：所述芯軸的材料為鐵磁性材料或非磁性材料。本專利技術的突出效果為：本專利技術的動態磁場陰極電弧源通過采用接通直流電源的線圈作為磁場，且直流電源的電流周期性變化，產生磁場的強度周期性變化，從而使得靶材表面的磁場強度周期性變化，弧斑在靶材表面時而（磁場強度較小時）發散運動在整個靶材表面，時而（磁場強度較大時）聚集在靶材表面磁場最強區域運動，使弧斑具有更快的運動速度和分散的運動區域，弧斑隨時隨地改變運動方向，不總是在某一個區域運動，讓其不重復的運動到靶材表面每一個地方，然后再次重復上次的運動軌跡，那么靶材就會均勻地消耗，不會出現跑道，而且由于弧斑總是周期性的經過靶材表面每一點，靶材表面每一點燒蝕時間相同，冷卻時間也相同，那么靶材表面足夠大時，就可以保證靶材表面每一點都能夠得到充分冷卻，不會形成熔池狀態進而抑制產生飛濺的液滴；有利于降低弧斑尺寸，充分冷卻靶材，消除熔池的產生，抑制液滴，改善涂層質量，其結果是靶材利用率增加，涂層表面光滑，結構致密。以下便結合實施例附圖，對本專利技術的具體實施方式作進一步的詳述，以使本專利技術技術方案更易于理解、掌握。附圖說明圖1a是現有技術中電弧靶材使用前的截面圖；圖1b是現有技術中電弧靶材表面沿截面的磁場強度分布圖；圖1c是現有技術中電弧靶材使用后的截面圖；圖2a是本專利技術實施例1和2中電弧靶材使用前的截面圖；圖2b是本專利技術實施例1和2中電弧靶材表面沿截面的磁場強度分布圖；圖2c是本專利技術實施例1和2中電弧靶材使用后的截面圖；圖3a是本專利技術實施例1的磁場結構圖圖3b是本專利技術實施例1的磁場分布圖；圖4a是本專利技術實施例2的磁場結構圖；圖4b是本專利技術實施例2的磁場分布圖；圖5a是本專利技術實施例1的激勵電流變化波形圖；圖5b是本專利技術實施例1的磁場強度變化波形圖；圖5c是本專利技術實施例2的激勵電流變化波形圖；圖5d是本專利技術實施例2的磁場強度變化波形圖；圖6a是現有技術中電弧源涂層產品截面SEM照片；圖6b是本專利技術實施例1的電弧源涂層產品截面SEM照片；圖7a是現有技術中電弧源沉積的CrN涂層表面100倍放大圖；圖7b是本專利技術實施例1的電弧源沉積的CrN涂層表面100倍放大圖。具體實施方式實施例1：本實施例的一種動態磁場陰極電弧源，包括靶材、靶座和磁場，如圖3a所示，靶材為平面圓弧靶，磁場的芯軸31為圓柱體，芯軸31的材料為鐵磁性材料，芯軸31的圓柱面上按照同一方向螺旋繞制線圈32；線圈32接入直流電源，直流電源的輸出電流大小呈周期性變化并激勵產生一個磁場強度也按照周期性變化的磁場，電流和磁場的變化規律為f（x）=A*∣sin(∏x/f)∣+b，其中：x為變量時間，f為變化頻率，b為最小值。平面圓弧靶21安裝在圓柱形靶座22上，線圈32固定在圓柱形靶座22內部的中央，線圈32的軸心與芯軸31的軸心重合，線圈32的幾何對稱軸和圓柱形靶座22的幾何對稱軸重合。圓柱形靶座22內設有空腔，空腔內注有用于對平面圓弧靶21和線圈32進行冷卻的冷卻水23，如圖2a所示。本實施例的線圈32形成的磁場分布圖如圖3b所示，施加在線圈32上的電流為直流，其電流大小按周期性變化如圖5a所示，頻率f=50，A=2.7，b=0.3，則輸出電流的變化規律I(t)=2.7*|sin(∏t/50)|+0.3，輸出電流大小在0.3-3A范圍周期變化；由此激勵電流產生一個按照相同規律變化的磁場，如圖5b所示，磁場強度大小按照相同的周期規律變化，B(t)=45*|sin(∏t/50)|+5，磁場在靶材表面的強度在5Gs-50Gs范圍周期變化。這個變化的磁場控制弧斑的運動方式，在靶材表面形成收放式掃描，頻率f表示收放的快慢。當電流I=0.3A時在靶材表面產生磁場的最大值為5Gs，靶材表面磁場分布如圖2b中曲線II，此時弧斑剛好被束縛在靶材外圓范圍內而不燒蝕靶材以外的材料，由于弧斑受到的約束很小，弧斑能夠在整個靶材表面隨機運動，平均結果是靶材整體被消耗，但此時弧斑運動速度最慢，弧斑尺寸最大，如果長時間按此方式工作，雖然靶材利用率增加但由于弧斑本身尺寸較大，涂層細膩程度和硬度得不到保證。當電流最大到I=3A時，激勵產生的磁場在靶材表面的強度最大達到50Gs，靶材表面磁場分布如圖2b中曲線I，弧斑的運動被很大約束，此時弧斑的運動被限制在磁場強度最大的區域，弧斑運動速度最大，尺寸最小，但此時弧斑運動過于集中導致靶材產生熔池，涂層表面出現液滴，靶材出現跑道，如圖1c所示。當輸本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種動態磁場陰極電弧源，包括靶材、靶座和磁場，其特征在于：所述磁場的芯軸上按照同一方向螺旋繞制有線圈，所述線圈接入直流電源，所述直流電源的電流大小呈周期性變化，所述電流大小的周期性變化的頻率為5Hz?50Hz，所述直流電源的電流在0?10A范圍內連續可調，產生在所述靶材表面的磁場強度在5Gs?350Gs之間連續周期性變化。

【技術特征摘要】
1.一種動態磁場陰極電弧源，包括靶材、靶座和磁場，其特征在于：所述磁場的芯軸上按照同一方向螺旋繞制有線圈，所述線圈接入直流電源，所述直流電源的電流大小呈周期性變化，所述電流大小的周期性變化的頻率為5Hz-50Hz，所述直流電源的電流在0-10A范圍內連續可調，產生在所述靶材表面的磁場強度在5Gs-350Gs之間連續周期性變化；所述靶材安裝在靶座上，所述線圈固定在所述靶座內部的中央，所述線圈的幾何對稱軸和所述靶座的幾何對稱軸重合；所述靶材為平面矩形靶，所述芯軸為多棱柱體，所述芯軸的外側面上螺旋繞制所述線圈；所述平面矩形靶安裝在矩形靶座上，所述線圈...

【專利技術屬性】
技術研發人員：錢濤，
申請(專利權)人：星弧涂層新材料科技蘇州股份有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇;32