[发明专利]多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备

说明书

技术领域

本发明涉及表面防护领域，具体地说是一种改善电弧离子镀沉积工艺的多模式交变耦合磁场辅助电弧离子镀沉积弧源设备。

背景技术

表面防护涂层技术是提高工模具及机械部件质量和使用寿命的重要途径，作为材料表面防护技术之一的PVD技术，已在现代刀具、模具以及机械零件的应用方面取得了十分理想的效果。PVD技术主要分为真空蒸镀、磁控溅射和离子镀三个类型，在实际应用中，高质量的防护涂层必须具有致密的组织结构、无穿透性针孔、高硬度、与基体结合牢固等特点。真空蒸镀和磁控溅射由于粒子能量和离化率低，导致膜层疏松多孔、力学性能差、难以获得良好的涂层与基体之间的结合力，严重限制了该类技术在防护涂层制备领域的应用。电弧离子镀涂层技术由于结构简单、离化率高、入射粒子能量高、绕射性好、可实现低温沉积等一系列优点，因此得到快速发展并获得广泛应用，尤其在工模具及机械部件表面防护上展现出其他涂层技术所不具备的优势，是目前工模具及机械零件防护涂层制备的最佳工艺。

但电弧离子镀在对于涂层沉积至关重要的有些方面，也表现出了其它镀膜形式所没有的问题，在一定程度阻碍了该技术的进一步应用与发展。首先是“大颗粒”污染的问题，所谓大颗粒，是来自于电弧阴极弧斑在靶材表面滚动燃烧时不断产生的比较大的中性粒子团簇，这些中性粒子团簇与等离子体一道喷发出来，飞落到正在沉积生长的涂层表面而造成涂层表面污染。大颗粒的存在导致涂层表面的粗糙度增大而降低涂层的光泽，对装饰及抗磨应用带来不利影响，严重影响涂层的质量，导致镀层附着力降低并出现剥落、镀层严重不均匀等现象。国外特别是欧洲的工模具涂层技术之所以比国内做的好，除了工艺上的优势以外，很大一部分是因为很好的解决了电弧放电及弧斑运动的问题，将大颗粒的尺寸和数目控制在工模具涂层能够接受的范围之内。因此大颗粒问题对离子镀技术的发展影响很大，成为后期发展的主要论题，也成为阻碍离子镀技术更深入广泛应用的瓶颈问题，而国内尚没有很好的技术可以解决这个问题。同时，由于电弧离子镀主要靠靶材表面上的阴极斑点的放电来沉积所需涂层的，因此是一种点状源，其等离子体的密度会随着远离弧斑的距离增加而大幅下降，同时由于等离子体的发散特点使得等离子体在传输空间分布不均匀，从而导致了涂层的沉积速率和沉积均匀性的下降。而且弧斑在靶面长时间的局部放电容易在靶面形成刻蚀轨道，造成靶材刻蚀的不均匀，进而降低了靶材利用率和影响弧斑放电。这些关键技术问题都限制了电弧离子镀技术在工模具及机械制造领域高性能防护涂层的制备和应用。

目前，比较彻底清除大颗粒的方法，是在等离子体传输过程中将大颗粒排除掉，即设计遮挡屏蔽（如中国发明专利：提高电弧离子镀沉积薄膜质量的装置，专利号ZL200810010062.5）、磁场过滤或者对基片施加一定的脉冲偏压，通过控制宏观颗粒的运动，将其从等离子体流中过滤掉。遮挡和磁场过滤技术的应用虽然有效地消除了大颗粒的污染，但由于等离子体在传输过程中的损失，导致沉积效率的大幅度降低和沉积窗口的大幅度减小，目前等离子体的传输效率最高也仅有25％。而且值得关注的是，在这些去除大颗粒的方法中，都必须附加额外的磁过滤设备，使成本增加了很多，这也是该技术未能在工业领域广泛应用的原因之一。由于大颗粒在传输过程中与等离子体相互作用带负电荷，因此采用脉冲偏压技术也可以一定程度上减少大颗粒，但是较高的偏压也会带来较高的涂层内应力，在实际运用中是应当避免的。磁过滤和脉冲偏压技术是在等离子体传输过程中将大颗粒排除掉的方法，是等症状出现以后用来治标而不治本的方法，因此是一种消极的方法。

真空电弧放电是低压大电流放电，真空电弧的行为被阴极表面许多快速游动，高度明亮的阴极斑点所控制，阴极斑点的运动决定了整个电弧的运动，真空弧光放电实际上是一系列电弧事件，相邻弧斑的次第燃起和熄灭构成了弧斑的运动，由于其快速地连续发生，以至于给人运动电弧的印象。由于电弧离子镀阴极斑点的尺寸很小，功率密度非常高（10¹⁶W/m²），如果阴极斑点在一个位置停留时间过长，必然造成液态溶池面积扩大，引发强烈的大颗粒喷射。因此解决大颗粒问题更为积极的办法是考虑从源头解决问题的措施，改善弧斑的放电形式﹑提高弧斑的运动速率﹑降低放电功率在阴极斑点处的集中﹑使放电功率分布在整个靶面上，从而减少大颗粒的发射。同时，为了更好的提高镀层的质量和有效的利用靶材，提高放电稳定性，必须对弧斑的运动以及等离子体的传输进行合理的控制。