[发明专利]一种紧凑高效的准扩散弧冷阴极弧源

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜与涂层制备技术领域，具体地说是一种紧凑高效的准扩散弧冷阴极弧源。

背景技术

电弧离子镀膜技术是当今一种先进的离子镀膜技术，由于其结构简单，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，使电弧离子镀技术得到快速发展并获得广泛应用，展示出很大的经济效益和工业应用前景，特别是在装饰镀和工模具镀市场领域到处可以看到电弧离子镀的踪影。但是大颗粒的喷射造成了薄膜表面污染，导致表面的粗糙度增大而降低薄膜的光泽，对装饰及抗磨应用带来不利影响，严重影响薄膜的质量，导致镀层附着力降低并出现剥落现象，镀层严重不均匀等。电弧离子镀高离化率，低温沉积的突出优点使其在工模具镀上展现出其他镀膜方式所不具备的优势，但是电弧放电的特点使得大颗粒的存在成为工模具镀的阻碍，也成为阻碍电弧离子镀技术更深入广泛应用的瓶颈问题。

目前，应用比较多而且效果比较好的措施是磁过滤，磁过滤技术的采用，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的损失，沉积速率也大幅度降低，目前等离子体的传输效率最高也仅有25％，导致了原材料的浪费和生产效率降低，电弧离子镀的优点就是沉积速率快，这也是该技术在工业领域广泛应用的原因之一，不能为了减少部分大颗粒而来损失这个突出的优点，这也是磁过滤技术不能工业化的重要原因。因此，必须突破性的想办法从源头解决电弧离子镀大颗粒的问题。电弧自持放电的必要条件是有持续大量的有效电子发射，从电子发射机理分析，大量电子发射发生的必要条件是有大量的电子能够越过金属表面势垒与费米能级之间的势垒高度（逸出功），这种情况发生在两种状态下，一是热阴极电子发散，即金属表面有大量的高能态电子（大于逸出功）存在，高能态电子的数量随着金属的温度升高而增加，亦即热电子发散的效应越明显；另外一种是降低表面势垒即降低电子的逸出功，即提高阴极表面的外加电场强度，表面势垒高度的降低值随着外加电场强度的升高而增大。而阴极附近空间的正电荷密度决定了阴极处的电场强度，正离子电荷密度的增加促进了电场强度的增加，在冷阴极情况下，为了形成有效的电子发散，维持弧光放电，电流的集中放电是最有效的途径。集中放电一方面可以将阴极局部加热到高温状态，提高高能态电子的数量，另一方面可以在局部形成高密度的正电荷鞘层，提高局部的电场强度，降低功函数，促进电子的大量发射。而一般电弧离子镀所用的弧源是冷阴极弧源，这种弧源中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。在阴极弧斑放电中，只有那些温度最高（离子轰击和电阻热效应），电场最强，或者逸出功最低的微小区才能发射大量的电子，只有最有效的大量的电子发射才能维持弧斑的存在。因此观察到的弧斑的运动实际上是弧斑最有效位置的移动，更确切的说是正电荷密度最大值的位置的移动引起新弧斑的形成、旧弧斑的熄灭造成了弧斑的运动。而正是由于电弧离子镀阴极斑点的尺寸很小，功率密度非常高，所以阴极斑点在作为强烈的电子，金属原子﹑离子和高速金属蒸汽发射源的同时，也不断的喷射金属大颗粒。而这种现象在大面积的热阴极弧光放电条件下一般是不存在的（功率密度低，没达到熔化状态），只有在局部的高功率密度的放电情况下，由于形成了较大的熔池，在局部压力和离子轰击作用下，才造成了大颗粒的喷射。

从电弧离子镀液滴的产生机制可知，欲减少大颗粒的发射，就应当避免靶材局部过热产生较大较深的弧斑熔池和局部的离子轰击。因此，必须采用一定的方式控制弧斑的运动以及改善弧斑的放电形式，提高弧斑的运动速度，缩短弧斑在一点的停留时间，降低局部的功率密度和高密度离子轰击。国际上比较流行的受控电弧离子镀膜，从原理上说，就是在弧源上加入一适当的磁场，来控制和提高阴极弧斑在阴极表面的运动速度。同时，可以理解为将功率密度从局部点状态改变为线状态（同一时间段），降低了局部的功率密度和高密度离子轰击，从而一定程度地减少液滴量﹑减小液滴尺寸﹑提高膜层寿命，并使一些普通真空电弧离子镀膜（又叫自由电弧离子镀膜，弧斑在阴极表面自由地运动）不能实现或很难实现的蒸镀成为现实。受控电弧离子镀膜是真空电弧离子镀膜的进一步发展，也是真空电弧离子镀膜技术发展的必然方向。

虽然受控电弧离子镀可以实现对弧斑的有效控制，限制弧斑的运动轨迹，部分的减少电弧大颗粒，但是并没有有效的改善弧斑的放电形式，弧源依然是具有阴极辉点的冷阴极电弧源，是一种分立的电弧源，这种电弧源是产生大颗粒的根本原因。同时，这种技术使得弧斑被限制在一定的位置处，长时间刻蚀会在靶面形成刻蚀轨道，浪费靶材，而且远没有达到制备精细功能薄膜的要求。