内衬直管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法
专利汇可以提供内衬直管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且内衬 直管和多孔 挡板 复合型的多级 磁场 电弧 离子 镀 方法，属于材料 表面处理 技术领域，本 发明 为解决多级磁场过滤装置中大颗粒及沉积离子对管内壁污染和电弧 等离子体 传输过程中的损失问题。本发明方法包括：一、将待 镀膜 的 工件 置于 真空 室内的样品台上，接通相关电源，开启外部 水 冷系统；二、 薄膜 沉积：待真空室内的真空度小于10‑4Pa时，通入工作气体并调整气压，开启镀膜电源，同时利用 偏压 电源吸引出口处的 电弧等离子体 和进行 能量 调节，通过内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置自身形状和结构组合的阻挡屏蔽和正偏压 电场 抑制作用及多级磁场的过滤效应来有效消除大颗粒 缺陷 和保证电弧等离子体的传输效率，设置工艺参数，进行薄膜制备。，下面是内衬直管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法专利的具体信息内容。
1.内衬直管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法，其特征在于，该方法所使用装置包括偏压电源1、弧电源2、电弧离子镀靶源3、多级磁场装置4、多级磁场电源5、内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6、正偏压电源7、样品台8、偏压电源波形示波器9和真空室10；
该方法包括以下步骤：
步骤一、将待处理基体工件置于真空室10内的样品台8上，内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6与真空室10和多级磁场装置4之间绝缘，工件和样品台8接偏压电源1的负极输出端，电弧离子镀靶源3安装在真空室10上，接弧电源2的负极输出端，多级磁场装置4的各级磁场接多级磁场电源5的各个输出端，正负极接法可以依据输出磁场方向进行确定，内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6接正偏压电源7的正极输出端，开启外部水冷循环系统；
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步骤二、薄膜沉积：将真空室10抽真空，待真空室10内的真空度小于10 Pa时，通入工作气体至0.01Pa～10Pa，开启偏压电源1和偏压电源波形示波器9，并调节偏压电源1输出的偏压幅值，脉冲频率和脉冲宽度，偏压电源1输出脉冲的峰值电压值为0～1.2kV，脉冲频率为
0Hz～80kHz，脉冲宽度1 90%；
~
开启弧电源2，通过电弧的弧斑运动对电弧离子镀靶源3的表面进行清洗，调节需要的工艺参数，弧电源2输出的电流值为10 300A，通过多级磁场电源5调节多级磁场装置4，保持~
电弧等离子体在电弧离子镀靶源3稳定产生和对大颗粒缺陷进行过滤消除，使电弧等离子体以较高的传输效率通过多级磁场装置4到达基体表面，进行薄膜的快速沉积，电弧离子镀靶源3和多级磁场装置4通过水冷方式避免工作过程中的温度升高问题；
开启正偏压电源7，对内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6保持直流正偏压，调整输出电压，使内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6对大颗粒进行吸引，对沉积离子进行排斥，减少等离子体在管内传输过程中的损耗，提高等离子体的传输效率和薄膜的沉积速度；内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6与多级磁场装置4之间活动绝缘装配在一起，内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6可以视表面污染程度及时拆卸清理和安装，避免了无衬板状态下多级磁场装置4的管内壁污染和难于清理的问题；内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6的直管长度H和多级磁场装置4的长度相同，直管的内径D大于电弧离子镀靶源3的外径，外径小于多级磁场装置4的内径；内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6中的多孔挡板间距与多级磁场装置4的各级磁场长度相配合，直管和多孔挡板通过螺栓螺母连接固定在一起，多孔挡板可以配合直管的内径D设计挡板大小、挡板间距和结构组合，挡板通过螺栓连接和利用螺母进行位置固定，便于拆解组装和清理污染物，多孔挡板中的孔径大小、类型及各级挡板的结构组合根据不同靶材和工艺参数进行选择；内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6中直管和多孔挡板的材料可选择无磁性、耐清理的304不锈钢材料，直管根据长度和刚度需要选择合适的厚度，多孔挡板根据孔径的大小、类型和各级挡板的结构布局，按照实际设计参数加工即可；正偏压电源7的电压参数为0 +200V，为直流电~
压，在沉积过程中可以对大颗粒缺陷产生持续稳定的吸引，大大减少大颗粒通过多级磁场装置4到达薄膜表面的机率。
2.根据权利要求1所述的内衬直管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法，其特征在于，该方法所使用装置还包括偏压电源波形示波器9用于显示偏压电源1发出的脉冲电压和电流波形，通过调整偏压电源1的输出波形，对镀膜离子进行有效的吸引，进行薄膜的沉积和控制沉积靶材在薄膜中的比例，实现对等离子体能量的调节。
3.根据权利要求1所述的内衬直管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法，其特征在于，偏压电源1输出脉冲为单脉冲、直流脉冲复合或多脉冲复合。
4.根据权利要求1所述的内衬直管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法，其特征在于，该方法可以单套或者多套组合制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜。
5.根据权利要求1所述的内衬直管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法，其特征在于，该方法还包括：
步骤三、可以结合采用传统直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、传统电弧离子镀和脉冲阴极弧与直流偏压、脉冲偏压或直流脉冲复合偏压进行薄膜沉积，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜。
6.根据权利要求1所述的内衬直管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法，其特征在于，反复执行步骤一至步骤二，采用2套或多套该系统来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜。
7.根据权利要求1所述的内衬直管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法，其特征在于，工作气体选用氩气，或工作气体选用氮气、乙炔、甲烷、硅烷或氧气中一种或多种的混合气体，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜。
内衬直管和多孔挡板复合型的多级磁场电弧离子镀方法
技术领域
背景技术
在电弧等离子体中，由于电子的运动速度远远大于离子的运动速度，单位时间内到达大颗粒表面的电子数大于离子数，使大颗粒呈现负电性。相对于厚度级别为微米或亚微米的薄膜，尺寸在0.1-10微米的大颗粒缺陷就像PM2.5对空气质量的污染一样，对薄膜的质量和性能有着严重的危害。随着薄膜材料和薄膜技术应用的日益广泛，大颗粒缺陷问题的解决与否成为电弧离子镀方法进一步发展的瓶颈，严重制约了其在新一代薄膜材料制备中的应用。
另外在基体上采用偏压的电场抑制方法，当基体上施加负偏压时，电场将对带负电的大颗粒产生排斥作用，进而减少薄膜表面大颗粒缺陷的产生。德国学者Olbrich等人（Olbrich W, Fessmann J, Kampschulte G, Ebberink J. Improved control of TiN coating properties using cathodic arc evaporation with a pulsed bias [J]. Surf Coat Tech, 1991, 49(1-3): 258-262.和Fessmann J, Olbrich W, Kampschulte G, Ebberink J. Cathodic arc deposition of TiN and Zr(C, N) at low substrate temperature using a pulsed bias voltage [J]. Mat Sci Eng A, 1991, 140: 830-837.）采用脉冲偏压来取代传统的直流偏压，形成了一种新的物理气相沉积技术——脉冲偏压电弧离子镀技术，不但大大减少了薄膜表面大颗粒的数目，还克服了传统直流偏压引起的基体温度过高、薄膜内应力较大等问题。大连理工大学的林国强等人（林国强. 脉冲偏压电弧离子镀的工艺基础研究 [D]. 大连理工大学, 2008.和黄美东, 林国强, 董闯, 孙超, 闻立时. 偏压对电弧离子镀薄膜表面形貌的影响机理 [J]. 金属学报, 2003, 39(5): 510-515.）针对脉冲偏压引起大颗粒缺陷减少的机理进行了深入分析，通过对脉冲偏压幅值、频率和脉冲宽度等工艺参数的调整，可以改善电弧等离子体的鞘层运动特性，减少薄膜表面的大颗粒缺陷数目，提高薄膜的质量，在实际的生产中被广泛应用，但是仍不能完全消除大颗粒缺陷。国内学者（魏永强, 宗晓亚, 蒋志强, 文振华, 陈良骥. 多级磁场直管磁过滤与脉冲偏压复合的电弧离子镀方法, 公开号：CN103276362A，公开日期：2013年9月4日）提出了多级磁场直管磁过滤与脉冲偏压复合的电弧离子镀方法，通过多级磁场过滤装置来消除大颗粒缺陷并提升等离子体的传输效率，但是管内壁的污染问题和管内壁上等离子体的损失没有得到很好的解决，后期相关学者（魏永强, 宗晓亚, 侯军兴, 刘源, 刘学申, 蒋志强, 符寒光. 内衬正偏压直管的多级磁场电弧离子镀方法, 公开号：CN105925940A，公开日期：
2016年9月7日）提出了内衬正偏压直管的多级磁场电弧离子镀方法来解决对管内壁的污染问题。还有学者提出了双层挡板的方法（Zhao Y, Lin G, Xiao J, Lang W, Dong C, Gong J, Sun C. Synthesis of titanium nitride thin films deposited by a new shielded arc ion plating [J]. Appl Surf Sci, 2011, 257(13): 5694-5697.），研究了挡板间距对薄膜表面形貌、大颗粒清除效果及沉积速率的影响规律。还有学者（张涛, 侯君达, 刘志国, 张一聪. 磁过滤的阴极弧等离子体源及其薄膜制备[J]. 中国表面工程,
2002, 02): 11-15+20-12.）借鉴Bilek板的方法（Bilek M M M, Yin Y, McKenzie D R, Milne W I A M W I. Ion transport mechanisms in a filtered cathodic vacuum arc (FCVA) system [C]. Proceedings of the Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 1996 Proceedings ISDEIV, XVIIth International Symposium on, 1996:
962-966 vol.2），在90度弯管磁过滤装置的弯管上施加正偏压来提高等离子体的传输效率。
发明内容
步骤一、将待处理基体工件置于真空室10内的样品台8上，内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6与真空室10和多级磁场装置4之间绝缘，工件和样品台8接偏压电源1的负极输出端，电弧离子镀靶源3安装在真空室10上，接弧电源2的负极输出端，多级磁场装置4的各级磁场接多级磁场电源5的各个输出端，正负极接法可以依据输出磁场方向进行确定，内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6接正偏压电源7的正极输出端，开启外部水冷循环系统；
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步骤二、薄膜沉积：将真空室10抽真空，待真空室10内的真空度小于10 Pa时，通入工作气体至0.01Pa～10Pa，开启偏压电源1和偏压电源波形示波器9，并调节偏压电源1输出的偏压幅值，脉冲频率和脉冲宽度，偏压电源1输出脉冲的峰值电压值为0～1.2kV，脉冲频率为0Hz～80kHz，脉冲宽度1 90%；
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开启弧电源2，通过电弧的弧斑运动对电弧离子镀靶源3的表面进行清洗，调节需要的工艺参数，弧电源2输出的电流值为10 300A，通过多级磁场电源5调节多级磁场装置4，保持~
电弧等离子体在电弧离子镀靶源3稳定产生和对大颗粒缺陷进行过滤消除，使电弧等离子体以较高的传输效率通过多级磁场装置4到达基体表面，进行薄膜的快速沉积，电弧离子镀靶源3和多级磁场装置4通过水冷方式避免工作过程中的温度升高问题；
开启正偏压电源7，对内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6保持直流正偏压，调整输出电压，使内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6对大颗粒进行吸引，对沉积离子进行排斥，减少等离子体在管内传输过程中的损耗，提高等离子体的传输效率和薄膜的沉积速度；内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6与多级磁场装置4之间活动绝缘装配在一起，内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6可以视表面污染程度及时拆卸清理和安装，避免了无衬板状态下多级磁场装置4的管内壁污染和难于清理的问题；内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6的直管长度H和多级磁场装置4的长度相同，直管的内径D大于电弧离子镀靶源3的外径，外径小于多级磁场装置4的内径；内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6中的多孔挡板间距与多级磁场装置4的各级磁场长度相配合，直管和多孔挡板通过螺栓螺母连接固定在一起，多孔挡板可以配合直管的内径D设计挡板大小、挡板间距和结构组合，挡板通过螺栓连接和利用螺母进行位置固定，便于拆解组装和清理污染物，多孔挡板中的孔径大小、类型及各级挡板的结构组合根据不同靶材和工艺参数进行选择；内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6中直管和多孔挡板的材料可选择无磁性、耐清理的304不锈钢材料，直管根据长度和刚度需要选择合适的厚度，多孔挡板根据孔径的大小、类型和各级挡板的结构布局，按照实际设计参数加工即可；正偏压电源7的电压参数为0 +200V，为直流电~
压，在沉积过程中可以对大颗粒缺陷产生持续稳定的吸引，大大减少大颗粒通过多级磁场装置4到达薄膜表面的机率。
具体实施方式
步骤一、将待处理基体工件置于真空室10内的样品台8上，内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6与真空室10和多级磁场装置4之间绝缘，工件和样品台8接偏压电源1的负极输出端，电弧离子镀靶源3安装在真空室10上，接弧电源2的负极输出端，多级磁场装置4的各级磁场接多级磁场电源5的各个输出端，正负极接法可以依据输出磁场方向进行确定，内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6接正偏压电源7的正极输出端，开启外部水冷循环系统；
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步骤二、薄膜沉积：将真空室10抽真空，待真空室10内的真空度小于10 Pa时，通入工作气体至0.01Pa～10Pa，开启偏压电源1和偏压电源波形示波器9，并调节偏压电源1输出的偏压幅值，脉冲频率和脉冲宽度，偏压电源1输出脉冲的峰值电压值为0～1.2kV，脉冲频率为0Hz～80kHz，脉冲宽度1 90%；
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开启弧电源2，通过电弧的弧斑运动对电弧离子镀靶源3的表面进行清洗，调节需要的工艺参数，弧电源2输出的电流值为10 300A，通过多级磁场电源5调节多级磁场装置4，保持~
电弧等离子体在电弧离子镀靶源3稳定产生和对大颗粒缺陷进行过滤消除，使电弧等离子体以较高的传输效率通过多级磁场装置4到达基体表面，进行薄膜的快速沉积，电弧离子镀靶源3和多级磁场装置4通过水冷方式避免工作过程中的温度升高问题；
正偏压电源7开启，内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6保持直流正偏压，调整输出电压，使内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6对大颗粒进行吸引，对沉积离子进行排斥，减少等离子体在管内传输过程中的损耗，提高等离子体的传输效率和薄膜的沉积速度；
内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6与多级磁场装置4之间活动绝缘装配在一起，内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6可以视表面污染程度及时拆卸清理和安装，避免了无衬板状态下多级磁场装置4的管内壁污染和难于清理的问题；内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6的直管长度H和多级磁场装置4的长度相同，直管的内径D大于电弧离子镀靶源
3的外径，外径小于多级磁场装置4的内径；内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6中的多孔挡板间距与多级磁场装置4的各级磁场长度相配合，直管和多孔挡板通过螺栓螺母连接固定在一起，多孔挡板可以配合直管的内径D设计挡板大小、挡板间距和结构组合，挡板通过螺栓连接和利用螺母进行位置固定，便于拆解组装和清理污染物，多孔挡板中的孔径大小、类型及各级挡板的结构组合根据不同靶材和工艺参数进行选择；内衬正偏压直管和多孔挡板复合型装置6中直管和多孔挡板的材料可选择无磁性、耐清理的304不锈钢材料，直管根据长度和刚度需要选择合适的厚度，多孔挡板根据孔径的大小、类型和各级挡板的结构布局，按照实际设计参数加工即可；正偏压电源7的电压参数为0 +200V，为直流电压，~
在沉积过程中可以对大颗粒缺陷产生持续稳定的吸引，大大减少大颗粒通过多级磁场装置
4的机率。
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