內襯階梯管和多孔擋板復合型的多級磁場電弧離子鍍方法技術

內襯階梯管和多孔擋板復合型的多級磁場電弧離子鍍方法，屬于材料表面處理技術領域，本發明專利技術為解決多級磁場過濾裝置中大顆粒及沉積離子對管內壁污染和電弧等離子體傳輸過程中的損失問題。本發明專利技術方法包括：一、將待鍍膜的工件置于真空室內的樣品臺上，接通相關電源，開啟外部水冷系統；二、薄膜沉積：待真空室內的真空度小于10

Multi stage magnetic field arc ion plating method with lining ladder tube and porous baffle composite type

Method of multi arc ion magnetic lining pipe and ladder porous baffle composite plating, which belongs to the technical field of material surface treatment, the present invention is to solve the problems of inner tube pollution and arc plasma in the process of transmission loss of large particles and magnetic filtering device in multistage ion deposition. The method of the invention comprises the following steps: 1. The workpiece to be coated is placed on a sample table in the vacuum chamber; the related power is switched on; an external water-cooling system is opened; and two, the film is deposited: the vacuum in the vacuum chamber is less than 10

【技術實現步驟摘要】
內襯階梯管和多孔擋板復合型的多級磁場電弧離子鍍方法
本專利技術涉及內襯階梯管和多孔擋板復合型的多級磁場電弧離子鍍方法，屬于材料表面處理

技術介紹
在電弧離子鍍制備薄膜的過程中，由于弧斑電流密度高達2.5~5×1010A/m2，引起靶材表面的弧斑位置處出現熔融的液態金屬，在局部等離子體壓力的作用下以液滴的形式噴濺出來，附著在薄膜表面或鑲嵌在薄膜中形成“大顆粒”（Macroparticles）缺陷（BoxmanRL,GoldsmithS.Macroparticlecontaminationincathodicarccoatings:generation,transportandcontrol[J].SurfCoatTech,1992,52(1):39-50.）。在電弧等離子體中，由于電子的運動速度遠遠大于離子的運動速度，單位時間內到達大顆粒表面的電子數大于離子數，使大顆粒呈現負電性。相對于厚度級別為微米或亞微米的薄膜，尺寸在0.1-10微米的大顆粒缺陷就像PM2.5對空氣質量的污染一樣，對薄膜的質量和性能有著嚴重的危害。隨著薄膜材料和薄膜技術應用的日益廣泛，大顆粒缺陷問題的解決與否成為電弧離子鍍方法進一步發展的瓶頸，嚴重制約了其在新一代薄膜材料制備中的應用。目前，為了解決電弧離子鍍方法在使用低熔點的純金屬或多元合金材料易產生大顆粒缺陷問題，目前主要采用磁過濾的辦法過濾掉大顆粒，如中國專利用于材料表面改性的等離子體浸沒離子注入裝置（公開號：CN1150180，公開日期：1997年5月21日）中采用90°磁過濾彎管對脈沖陰極弧的大顆粒進行過濾，美國學者Anders等人(AndersS,AndersA,DickinsonMR,MacGillRA,BrownIG.S-shapedmagneticmacroparticlefilterforcathodicarcdeposition[J].IEEETransPlasmaSci,1997,25(4):670-674.)和河南大學的張玉娟等(張玉娟,吳志國,張偉偉等.磁過濾等離子體制備TiN薄膜中沉積條件對薄膜織構的影響.中國有色金屬學報.2004,14(8):1264-1268.)在文章中制作了“S”磁過濾彎管對陰極弧的大顆粒進行過濾，還有美國學者Anders等人（AndersA,MacGillRA.Twistfilterfortheremovalofmacroparticlesfromcathodicarcplasmas[J].SurfCoatTech,2000,133-134:96-100.）提出的Twistfilter的磁過濾，這些方法雖然在過濾和消除大顆粒方面有一定效果，但是等離子體的傳輸效率損失嚴重，使離子流密度大大降低。基于即能過濾大顆粒又能保證效率的基礎上，中國專利真空陰極弧直管過濾器(公開號：CN1632905，公開日期：2005年6月29日)中提出直管過濾的方法，但是這又降低了過濾效果。總之，相關的研究人員通過對比各種磁過濾方法（AndersA.Approachestoridcathodicarcplasmasofmacro-andnanoparticles:areview[J].SurfCoatTech,1999,120-121319-330.和TakikawaH,TanoueH.Reviewofcathodicarcdepositionforpreparingdroplet-freethinfilms[J].IEEETransPlasmaSci,2007,35(4):992-999.）發現電弧離子鍍等離子體通過磁過濾裝置后保持高的傳輸效率和消除大顆粒非常難以兼顧，嚴重影響著該技術在優質薄膜沉積中的應用。另外在基體上采用偏壓的電場抑制方法，當基體上施加負偏壓時，電場將對帶負電的大顆粒產生排斥作用，進而減少薄膜表面大顆粒缺陷的產生。德國學者Olbrich等人（OlbrichW,FessmannJ,KampschulteG,EbberinkJ.ImprovedcontrolofTiNcoatingpropertiesusingcathodicarcevaporationwithapulsedbias[J].SurfCoatTech,1991,49(1-3):258-262.和FessmannJ,OlbrichW,KampschulteG,EbberinkJ.CathodicarcdepositionofTiNandZr(C,N)atlowsubstratetemperatureusingapulsedbiasvoltage[J].MatSciEngA,1991,140:830-837.）采用脈沖偏壓來取代傳統的直流偏壓，形成了一種新的物理氣相沉積技術——脈沖偏壓電弧離子鍍技術，不但大大減少了薄膜表面大顆粒的數目，還克服了傳統直流偏壓引起的基體溫度過高、薄膜內應力較大等問題。大連理工大學的林國強等人（林國強.脈沖偏壓電弧離子鍍的工藝基礎研究[D].大連理工大學,2008.和黃美東,林國強,董闖,孫超,聞立時.偏壓對電弧離子鍍薄膜表面形貌的影響機理[J].金屬學報,2003,39(5):510-515.）針對脈沖偏壓引起大顆粒缺陷減少的機理進行了深入分析，通過對脈沖偏壓幅值、頻率和脈沖寬度等工藝參數的調整，可以改善電弧等離子體的鞘層運動特性，減少薄膜表面的大顆粒缺陷數目，提高薄膜的質量，在實際的生產中被廣泛應用，但是仍不能完全消除大顆粒缺陷。國內學者（魏永強,宗曉亞,蔣志強,文振華,陳良驥.多級磁場直管磁過濾與脈沖偏壓復合的電弧離子鍍方法,公開號：CN103276362A，公開日期：2013年9月4日）提出了多級磁場直管磁過濾與脈沖偏壓復合的電弧離子鍍方法，通過多級磁場過濾裝置來消除大顆粒缺陷并提升等離子體的傳輸效率，但是管內壁的污染問題和管內壁上等離子體的損失沒有得到很好的解決，后期相關學者（魏永強,宗曉亞,侯軍興,劉源,劉學申,蔣志強,符寒光.內襯正偏壓直管的多級磁場電弧離子鍍方法,公開號：CN105925940A，公開日期：2016年9月7日）提出了內襯正偏壓直管的多級磁場電弧離子鍍方法來解決對管內壁的污染問題。還有學者提出了雙層擋板的方法（ZhaoY,LinG,XiaoJ,LangW,DongC,GongJ,SunC.Synthesisoftitaniumnitridethinfilmsdepositedbyanewshieldedarcionplating[J].ApplSurfSci,2011,257(13):5694-5697.），研究了擋板間距對薄膜表面形貌、大顆粒清除效果及沉積速率的影響規律。還有學者（張濤,侯君達,劉志國,張一聰.磁過濾的陰極弧等離子體源及其薄膜制備[J].中國表面工程,2002,02):11-15+20-12.）借鑒Bilek板的方法（BilekMMM,YinY,McKenzieDR,MilneWIAMWI.Iontransportmechanismsinafilteredcathodicvacuumarc(FCVA)system[C].ProceedingsoftheDischargesand本文檔來自技高網...

【技術保護點】
內襯階梯管和多孔擋板復合型的多級磁場電弧離子鍍方法，其特征在于，該方法所使用裝置包括偏壓電源1、弧電源2、電弧離子鍍靶源3、多級磁場裝置4、多級磁場電源5、內襯正偏壓階梯管和多孔擋板復合型裝置6、正偏壓電源7、樣品臺8、偏壓電源波形示波器9和真空室10；該方法包括以下步驟：步驟一、將待處理基體工件置于真空室10內的樣品臺8上，內襯正偏壓階梯管和多孔擋板復合型裝置6與真空室10和多級磁場裝置4之間絕緣，工件和樣品臺8接偏壓電源1的負極輸出端，電弧離子鍍靶源3安裝在真空室10上，接弧電源2的負極輸出端，多級磁場裝置4的各級磁場接多級磁場電源5的各個輸出端，正負極接法可以依據輸出磁場方向進行確定，內襯正偏壓階梯管和多孔擋板復合型裝置6接正偏壓電源7的正極輸出端，開啟外部水冷循環系統；步驟二、薄膜沉積：將真空室10抽真空，待真空室10內的真空度小于10

【技術特征摘要】
1.內襯階梯管和多孔擋板復合型的多級磁場電弧離子鍍方法，其特征在于，該方法所使用裝置包括偏壓電源1、弧電源2、電弧離子鍍靶源3、多級磁場裝置4、多級磁場電源5、內襯正偏壓階梯管和多孔擋板復合型裝置6、正偏壓電源7、樣品臺8、偏壓電源波形示波器9和真空室10；該方法包括以下步驟：步驟一、將待處理基體工件置于真空室10內的樣品臺8上，內襯正偏壓階梯管和多孔擋板復合型裝置6與真空室10和多級磁場裝置4之間絕緣，工件和樣品臺8接偏壓電源1的負極輸出端，電弧離子鍍靶源3安裝在真空室10上，接弧電源2的負極輸出端，多級磁場裝置4的各級磁場接多級磁場電源5的各個輸出端，正負極接法可以依據輸出磁場方向進行確定，內襯正偏壓階梯管和多孔擋板復合型裝置6接正偏壓電源7的正極輸出端，開啟外部水冷循環系統；步驟二、薄膜沉積：將真空室10抽真空，待真空室10內的真空度小于10-4Pa時，通入工作氣體至0.01Pa～10Pa，開啟偏壓電源1和偏壓電源波形示波器9，并調節偏壓電源1輸出的偏壓幅值，脈沖頻率和脈沖寬度，偏壓電源1輸出脈沖的峰值電壓值為0～1.2kV，脈沖頻率為0Hz～80kHz，脈沖寬度1~90%；開啟弧電源2，通過電弧的弧斑運動對電弧離子鍍靶源3的表面進行清洗，調節需要的工藝參數，弧電源2輸出的電流值為10~300A，通過多級磁場電源5調節多級磁場裝置4，保持電弧等離子體在電弧離子鍍靶源3穩定產生和對大顆粒缺陷進行過濾消除，使電弧等離子體以較高的傳輸效率通過多級磁場裝置4到達基體表面，進行薄膜的快速沉積，電弧離子鍍靶源3和多級磁場裝置4通過水冷方式避免工作過程中的溫度升高問題；開啟正偏壓電源7，對內襯正偏壓階梯管和多孔擋板復合型裝置6保持直流正偏壓，調整輸出電壓，使內襯正偏壓階梯管和多孔擋板復合型裝置6對大顆粒進行吸引，對沉積離子進行排斥，減少等離子體在管內傳輸過程中的損耗，提高等離子體的傳輸效率和薄膜的沉積速度；內襯正偏壓階梯管和多孔擋板復合型裝置6與多級磁場裝置4之間活動絕緣裝配在一起，內襯正偏壓階梯管和多孔擋板復合型裝置6可以視表面污染程度及時拆卸清理和安裝，避免了無襯板狀態下多級磁場裝置4的管內壁污染和難于清理的問題；內襯正偏壓階梯管和多孔擋板復合型裝置6的階梯管長度H和多級磁場裝置4的長度相同，階梯管右側進口處的內徑D進大于電弧離子鍍靶源3的外徑，右側的外徑小于多級磁場裝置4的內徑，階梯管左側出口處的內徑D出根據不同靶材和工藝參數進行選擇，通過進口處和出口處的內徑變化，可以實現對大顆粒的機械阻擋屏蔽；階梯管的結構可以配合多級磁場裝置4設計2級階梯管、3級階梯管或者4級及以上階梯管的結構、梯度差和進出口布局，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：魏永強，宗曉亞，陳小霞，侯軍興，張華陽，劉源，劉學申，蔣志強，馮憲章，
申請(專利權)人：魏永強，
類型：發明
國別省市：河南,41