申请/专利权人：深圳精匠云创科技有限公司

申请日：2018-10-16

公开（公告）日：2021-05-07

公开（公告）号：CN109182985B

主分类号：C23C14/32(20060101)

分类号：C23C14/32(20060101);C23C14/54(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.05.07#授权;2019.02.12#实质审查的生效;2019.01.11#公开

摘要：本发明提出一种弧源装置，弧源装置包括靶材、横置线圈、多个纵置线圈及一可编程的脉冲电源，横置线圈平行于靶材且位于靶材之后，多个纵置线圈依次设置于横置线圈中，横置线圈、多个纵置线圈与靶材之间的垂直距离相同，脉冲电源与横置线圈、多个纵置线圈分别电性连接，脉冲电源能够实时调节横置线圈及多个纵置线圈的电流大小及方向，使磁场达到所需的磁场强度并不断变化磁场位置。本发明还提出一种弧源磁场调节方法。本发明的弧源装置通过脉冲电源调节电流，耦合出磁拱位置形状不同的磁场，使得靶材消耗均匀，提高了靶材的利用率。由于电流实时变化，使得磁拱顶部位置不断变动，弧斑运动轨迹不会固定汇聚在一处，从而减少了电弧液滴的产生。

主权项：1.一种弧源装置，其特征在于：所述弧源装置包括靶材、横置线圈、多个纵置线圈及一可编程的脉冲电源，所述横置线圈平行于所述靶材且位于所述靶材之后，多个所述纵置线圈依次设置于所述横置线圈中，所述横置线圈、多个所述纵置线圈与所述靶材之间的垂直距离相同，所述脉冲电源与所述横置线圈、多个所述纵置线圈分别电性连接，所述脉冲电源能够实时调节所述横置线圈及多个所述纵置线圈的电流大小及方向，使磁场达到所需的磁场强度并不断变化磁场位置；所述横置线圈与所述靶材具有相同的中轴线且所述横置线圈的磁极垂直于所述靶材；多个所述纵置线圈平行且间隔设置，多个所述纵置线圈垂直于所述靶材且设置于所述横置线圈中，所述纵置线圈的磁极平行于所述靶材。

全文数据：弧源装置及弧源磁场调节方法技术领域本发明涉及涂层制备领域，特别是一种能够减少电弧液滴产生的弧源装置及弧源磁场调节方法。背景技术电弧离子镀技术，因其离化率高、粒子沉积能量高，从而获得高硬度、高结合力的膜层及优秀的沉积效率，被广泛应用于镀膜处理。但电弧离子镀技术存在以下缺点：膜层有大颗粒，表面粗糙。因该技术是通过热-场致电子发射在靶面形成弧斑，从而喷射出电子、离子及液态原子团飞向工件表面沉积成膜，其中喷射出的液态原子团沉积到工件表面冷却后成为大颗粒嵌入涂层，影响涂层的稳定性。大量研究证明加快弧斑运动速度能显着减少液滴产生，靶面弧斑的宏观运动方向及快慢受平行于靶面的磁场分量影响，即磁场横向分量。弧斑的运动规律遵从：1锐角法则：弧斑朝磁力线与靶面的锐角夹角方向漂移；2反安培力运动：弧斑沿安培力相反的方向运动，运动速度随磁场强度增大而加快。根据上述法则，矩形平面靶搭配的弧源磁场通常设计成横置拱形磁场。磁拱顶部最平缓，磁场横向分量最大，增大该部位磁场强度能加快弧斑运动速度，减少液滴，但生成的弧斑会漂移汇聚至此，该部位靶材烧蚀严重，消耗较大；磁拱边缘的弧斑因漂移离开，该部位消耗较少，长期使用会导致靶面出现V型槽，靶材利用率低。目前最普遍的方法是提高靶材表面的磁拱顶部的磁场强度，以加快弧斑运动速度，减少液滴产生；构筑磁拱顶部尽量平且宽的磁场，以拓宽弧斑运动区域，但即使如此，弧斑运动区域的宽度改善依然有限，靶材利用率低。同时，由于弧斑运动轨迹集中，使得轨迹所经之处没有充足的时间散热，温度很高，导致弧斑熔池面积大，在一定程度上增加了液滴的产生。发明内容鉴于上述状况，有必要提供一种减少电弧液滴产生的弧源装置及弧源磁场调节方法，以解决上述问题。一种弧源装置，所述弧源装置包括靶材、横置线圈、多个纵置线圈及一可编程的脉冲电源，所述横置线圈平行于所述靶材且位于所述靶材之后，多个所述纵置线圈依次设置于所述横置线圈中，所述横置线圈、多个所述纵置线圈与所述靶材之间的垂直距离相同，所述脉冲电源与所述横置线圈、多个所述纵置线圈分别电性连接，所述脉冲电源能够实时调节所述横置线圈及多个所述纵置线圈的电流大小及方向，使磁场达到所需的磁场强度并不断变化磁场位置。一种弧源磁场调节方法，其包括以下步骤：提供靶材、横置线圈、多个纵置线圈及一可编程的脉冲电源；将多个所述纵置线圈并排且垂直放置于所述靶材后方；将所述横置线圈平行放置于所述靶材后方，且将多个所述纵置线圈放置于所述横置线圈的中间空心区域，使所述横置线圈及多个所述纵置线圈与所述靶材之间的垂直距离相同；将多个所述纵置线圈及所述横置线圈分别接于所述脉冲电源相应的输出端；分别编辑所述脉冲电源各个输出端的电流振幅、脉冲频率、脉冲宽度及相位的控制参数；及所述脉冲电源按设定的所述控制参数向所述横置线圈及多个所述纵置线圈输出大小及方向实时变化的电流，以使得磁场位置随所述电流变化。上述弧源装置改变了现有技术中磁场位置形状固定不变的缺点，通过脉冲电源来调节多个磁极平行于靶材平面的纵置线圈的电流，从而耦合出磁拱位置形状不同的磁场，使得靶材消耗更均匀，提高了靶材的利用率。并且本发明的弧源装置中由于脉冲电源的电流实时变化，使得磁拱顶部位置不断变动，电弧镀膜时弧斑运动轨迹不会固定汇聚在一处，从而减少了电弧液滴的产生。附图说明图1是本发明的第一实施例中弧源装置的示意图。图2是图1所示弧源装置的立体示意图。图3是图1所示弧源装置的脉冲电源的波形示意图。图4是本发明第一实施例中靶材的消耗示意图。图5是本发明的第二实施例中弧源装置的部分立体示意图。图6是本发明第二实施例中靶材的消耗示意图。主要元件符号说明弧源装置100靶材10横置线圈20纵置线圈30脉冲电源40铁芯50如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中设置的元件。当一个元件被认为是“设置在”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中设置的元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。请同时参阅图1和图2，本发明第一实施例提供的一种磁场强度位形实时变化的弧源装置100。弧源装置100能够调节磁场分布，减少电弧液滴产生，提高靶材的利用率。弧源装置100包括靶材10、横置线圈20、多个纵置线圈30及一可编程的脉冲电源40。横置线圈20平行于靶材10且位于靶材10之后。多个纵置线圈30依次设置于横置线圈20中。横置线圈20、多个纵置线圈30与靶材10之间的垂直距离相同。脉冲电源40与横置线圈20、多个纵置线圈30分别电性连接且可向脉冲电源40编辑控制参数从而控制参数实时调节横置线圈20及多个纵置线圈30的电流大小及方向，使磁场达到所需的磁场强度并不断变化磁场位置。本实施例中，纵置线圈30的数目为6个，但不限于此。本实施例中，靶材10为长方形板状的金属靶，但不限于此，在其他实施例中，靶材10的形状可根据电镀需求而选择不同形状，如圆柱状，椭圆状等。横置线圈20与靶材10具有相同的中轴线且横置线圈20的磁极垂直于靶材10。本实施例中，横置线圈20为长圆形电磁线圈。优选的，横置线圈20的外围面积大于靶材平面的面积且靶材平面的投影完全位于横置线圈20内。多个纵置线圈30平行且间隔设置。本实施例中，纵置线圈30为方形电磁线圈。多个纵置线圈30垂直于靶材10且设置于横置线圈20中。纵置线圈30的磁极平行于靶材10。六个纵置线圈30在靶材平面上的投影间隔相同且对称。本实施例中，纵置线圈30表面涂覆有绝缘漆。弧源装置100还包括多个铁芯50。每个纵置线圈30分别缠绕于相应的一个铁芯50上。铁芯50为导磁材料。至少一个靠近所述横置线圈20的所述纵置线圈30的电流方向与所述横置线圈20相同。本实施例中，靠近横置线圈20的两个纵置线圈30的电流大小及方向与横置线圈20相同。横置线圈20及多个纵置线圈30可根据所需磁场的有效区域及强度等要求，调整线圈的尺寸、相对位置及匝数。可以理解的，在其他实施例中，所述弧源装置100还可包括冷却件。冷却件用以对靶材10、横置线圈20及纵置线圈30进行冷却。控制参数包括设定脉冲电源40的每个输出端的电流振幅、脉冲频率、脉冲宽度及相位；脉冲电源40按设定的控制参数控制接于脉冲电源40各个输出端的横置线圈20及多个纵置线圈30的电流大小及方向产生周期性的变化，从而使横置线圈20及多个纵置线圈30产生磁场的强度及位置实时变化，进而调节靶材10上刻蚀的位置，使得靶材10消耗更均匀。具体地，请一并参阅图3及图4，本实施例中弧源装置100的脉冲电源40的变化步骤：如下表及图3所示，首先调节电流使横置线圈20及八个纵置线圈30的磁势大小依次为800AN安匝、800AN、0AN、0AN、800AN、800AN及800AN，保持80ms。然后，变化电流使磁势变化为800AN、800AN、400AN、0AN、800AN、800AN及800AN，保持80ms。随后，电流继续变化，直至从1变化至7，然后再从7变化至1，循环往复，靶材平面上的磁拱顶部位置随线圈电流变化而移动。最后，靶材10的消耗情况如图4所示，经过脉冲电源40电流的变化，磁拱顶部位置不断变动，靶材10蚀刻区得以移动，从而使靶材得以均匀消耗，提高了靶材10的利用率。并且在电弧镀膜时弧斑运动轨迹不会固定汇聚在一处，因此不会出现靶面热量集中的情况，有利于减少电弧液滴的产生。横置线圈纵1纵2纵3纵4纵5纵61800800008008008002800800400080080080038008008004008008008004800800800800800800800580080080080040080080068008008008000400800780080080080000800如图5及图6所示，本发明第二实施例提供的一种磁场强度位形实时变化的弧源装置100。其与第一实施例提供的弧源装置100不同在于：纵置线圈30的数目为8个，且脉冲电源40输出的是正负脉冲波形，其变化如下表所示：横置线圈纵1纵2纵3纵4纵5纵6纵7纵81800600-600-600-600-600-600-600-6002800600600-600-600-600-600-600-6003800600600600-600-600-600-600-6004800600600600600-600-600-600-6005800600600600600600-600-600-6006800600600600600600600-600-6007800600600600600600600600-600如图6所示，使用正负脉冲波形的脉冲电源40，方向相反的拱形磁场耦合处和各自的顶部偏移更加明显，使得电弧镀膜时弧斑在靶材10上的运动范围比第一实施例更大，从而使得靶材消耗的更均匀。本发明还提出一种弧源磁场调节方法。包括以下步骤：步骤1：提供靶材10、横置线圈20、多个纵置线圈30及一可编程的脉冲电源40。步骤2：将多个所述纵置线圈30并排且垂直放置于所述靶材后方。多个所述纵置线圈30间隔设置以利于散热。步骤3：将所述横置线圈20平行放置于所述靶材10后方，且将多个所述纵置线圈30放置于所述横置线圈20的中间空心区域，使所述横置线圈20及多个所述纵置线圈30与所述靶材10之间的垂直距离相同。从而使电流产生的耦合磁场的磁拱能够位于所述靶材10平面上。步骤4：将多个所述纵置线圈30及所述横置线圈20分别接于所述脉冲电源40相应的输出端。步骤5：分别编辑所述脉冲电源各个输出端的电流振幅、脉冲频率、脉冲宽度及相位的控制参数。步骤6：所述脉冲电源40按设定的所述控制参数向所述横置线圈20及多个所述纵置线圈30输出大小及方向实时变化的电流。其中，可控制所述横置线圈20的电流保持不变，并控制多个所述纵置线圈30的电流循环变化，使得产生的耦合磁场的磁拱能够在所述靶材10的平面上移动，从而使得靶材10消耗均匀。本发明的弧源装置100可以根据实际需要设置不同数目的纵置线圈30及电流变化，使得电流产生的耦合磁场位形不断变化，造成靶面上磁场的位置形状不固定，从而使得靶材10得到均匀蚀刻，提高了靶材的利用率。所述脉冲电源40输出的脉冲电流可以是正脉冲，也可以是正负脉冲。所述脉冲电源40输出的电流波形可以是方波、三角波和正弦波，不限于此。本发明中的脉冲电源40可以结合靶材10的材料和其他工艺参数，对横置线圈20及多个纵置线圈30的电流大小进行调节，从而获得合适的磁场强度。不同涂层工艺，磁拱顶部的磁场强度可按工艺的要求进行变化，而在同一涂层工艺下，磁拱顶部的磁场强度尽量保持稳定，这样弧斑运动区域随磁拱顶部位置变化而变化时，弧斑的运动速度就会基本不变。本发明的弧源装置100改变了现有技术中磁场位置形状固定不变的缺点，通过脉冲电源40来调节多个磁极平行于靶材平面的纵置线圈30的电流，从而耦合出磁拱位置形状不同的磁场，使得靶材消耗更均匀，提高了靶材10的利用率。并且本发明的弧源装置100中由于脉冲电源40的电流实时变化，使得磁拱顶部位置不断变动，电弧镀膜时弧斑运动轨迹不会固定汇聚在一处，从而减少了电弧液滴的产生。另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围。

权利要求：1.一种弧源装置，其特征在于：所述弧源装置包括靶材、横置线圈、多个纵置线圈及一可编程的脉冲电源，所述横置线圈平行于所述靶材且位于所述靶材之后，多个所述纵置线圈依次设置于所述横置线圈中，所述横置线圈、多个所述纵置线圈与所述靶材之间的垂直距离相同，所述脉冲电源与所述横置线圈、多个所述纵置线圈分别电性连接，所述脉冲电源能够实时调节所述横置线圈及多个所述纵置线圈的电流大小及方向，使磁场达到所需的磁场强度并不断变化磁场位置。2.如权利要求1所述的弧源装置，其特征在于：所述横置线圈与所述靶材具有相同的中轴线且所述横置线圈的磁极垂直于所述靶材。3.如权利要求1所述的弧源装置，其特征在于：多个所述纵置线圈平行且间隔设置，多个所述纵置线圈垂直于所述靶材且设置于所述横置线圈中，所述纵置线圈的磁极平行于所述靶材。4.如权利要求1所述的弧源装置，其特征在于：多个所述纵置线圈平行且间隔设置，多个所述纵置线圈与所述靶材呈锐角设置。5.如权利要求1所述的弧源装置，其特征在于：至少一个靠近所述横置线圈的所述纵置线圈的电流方向与所述横置线圈相同。6.如权利要求1所述的弧源装置，其特征在于：所述弧源装置还包括多个铁芯，每个所述纵置线圈分别缠绕于相应的一个所述铁芯上。7.如权利要求6所述的弧源装置，其特征在于：所述铁芯为导磁材料。8.一种弧源磁场调节方法，其包括以下步骤：提供靶材、横置线圈、多个纵置线圈及一可编程的脉冲电源；将多个所述纵置线圈并排且垂直放置于所述靶材后方；将所述横置线圈平行放置于所述靶材后方，且将多个所述纵置线圈放置于所述横置线圈的中间空心区域，使所述横置线圈及多个所述纵置线圈与所述靶材之间的垂直距离相同；将多个所述纵置线圈及所述横置线圈分别接于所述脉冲电源相应的输出端；分别编辑所述脉冲电源各个输出端的电流振幅、脉冲频率、脉冲宽度及相位的控制参数；及所述脉冲电源按设定的所述控制参数向所述横置线圈及多个所述纵置线圈输出大小及方向实时变化的电流，以使得磁场位置随所述电流变化。9.如权利要求8所述的弧源磁场调节方法，其特征在于：所述脉冲电源输出的脉冲电流可以是正脉冲和正负脉冲。10.如权利要求8所述的弧源磁场调节方法，其特征在于：所述脉冲电源输出的电流波形可以是方波、三角波和正弦波。

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