直流磁过滤阴极真空弧等离子体源

摘要

本发明属于一种等离子体源，具体公开了一种直流磁过滤阴极真空弧等离子体源。其特点是利用正偏压电源有效减少等离子体损失，提高输出效率，利用轴向磁场和圆截锥形阴极斜面的夹角来约束和稳定阴极弧放电发生在阴极端面，使本发明在高真空下可以稳定工作，并且提高了进入真空腔体的等离子体的均匀性；还可在水冷阳极筒与水冷引出直管之间连接有电阻，避免阳极直接接地导致的低等离子体输出效率和水冷引出直管过热现象，从而进一步提高等离子体输出效率；还可利用送气管在等离子体产生区充入工作气体，使之参与等离子体放电，有助于在工件上沉积高质量反应薄膜。

权利要求

1.一种直流磁过滤阴极真空弧等离子体源，它包括水冷阳极筒(7)、水冷过滤弯管(9)和水冷引出直管(12)，在所述水冷阳极筒(7)内设有安装于阴极水冷座(2)上的圆截锥形阴极(1)、与触发线包(3)相连接的触发针(4)，在所述水冷阳极筒(7)外侧的上下分别绕有稳弧线圈(5)和聚焦线圈(6)，在所述水冷过滤弯管(9)外侧绕有偏转线圈(10)，在所述水冷引出直管(12)外侧绕有引出线圈(13)，所述水冷阳极筒(7)与所述阴极水冷座(2)之间连接有弧放电电源(16)，其特征在于：所述水冷过滤弯管(9)与水冷阳极筒(7)之间和所述水冷过滤弯管(9)与水冷引出直管(12)之间分别由上绝缘环(8)和下绝缘环(11)绝缘开来，所述的圆截锥形阴极(1)的斜面和所述圆截锥形阴极(1)所形成的轴向磁场磁力线之间的夹角为5°～45°，所述水冷过滤弯管(9)与水冷阳极筒(7)之间连接有

0V～100V的正偏压电源(15)，所述水冷阳极筒(7)与所述水冷引出直管(12)之间连接有

150Ω～300Ω的电阻(14)，所述水冷阳极筒(7)的内径为120mm～150mm，水冷过滤弯管(9)内径为120mm～150mm，所述弧放电电源(16)电压是60V～100V。

2.如权利要求1所述的一种直流磁过滤阴极真空弧等离子体源，其特征在于：在所述水冷阳极筒(7)顶部增设有送气管(17)，用于向等离子体产生区(18)充入工作气体参与等离子放电。

说明书

直流磁过滤阴极真空弧等离子体源

技术领域

[0001] 本发明属于一种金属等离子体源，具体涉及一种用于材料表面处理的等离子体源。

背景技术

[0002] 在金属或非金属表面沉积装饰或功能薄膜近年来发展迅速，人们对装饰和功能薄膜的要求日益提高。真空阴极弧放电作为金属等离子体产生的一种主要手段，目前广泛应用于功能和装饰镀膜上。但是，真空阴极弧放电在产生金属等离子体的同时伴随有液滴或大颗粒的产生，用常规小多弧靶放电产生的金属等离子体由于直接面对被处理工件，导致液滴或大颗粒也沉积在工件表面，从而降低了薄膜的致密性、膜基结合力以及薄膜的光亮度等性能。因此，人们尝试用不同的方法来去除金属等离子体中的大颗粒或液滴。由于等离子体能被磁场约束和导引，而大颗粒则不受磁场影响，因此，通过合适的磁场导引等离子体到达工件同时去除大颗粒是目前的主要方法。

[0003] 目前主要采用直管或弯管过滤器，如中国专利CN1632905公开的一种“真空阴极弧直管过滤器”，由于直管缺乏视线阻挡作用，所以对大颗粒的过滤效果较差；采用60°～90°弯管或S型弯管外加电磁场，形成弯管磁过滤器，一般将常规小多弧平面靶直接安装在磁过滤器上，如中国专利CN1459516公开的一种“高真空磁过滤弧源”，由于将弧放电区和磁过滤区重叠，导致过滤磁场对弧放电产生影响，强磁场将影响弧放电的稳定性，减小过滤磁场强度又将大大降低等离子体输出效率。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种高效稳定的直流磁过滤阴极真空弧等离子体源，它能有效去除阴极真空弧放电所产生的金属大颗粒或液滴，同时在高真空下维持稳定的弧放电，获得纯净高效率的金属等离子体。

[0005] 本发明的技术内容如下：一种直流磁过滤阴极真空弧等离子体源，它包括相互绝缘的水冷阳极筒、水冷过滤弯管和水冷引出直管，在水冷阳极筒内设有安装于阴极水冷座上的圆截锥形阴极、与触发线包相连接的触发针，在水冷阳极筒外侧的上下分别绕有稳弧线圈和聚焦线圈，在水冷过滤弯管外侧绕有偏转线圈，在水冷引出直管外侧绕有引出线圈，水冷阳极筒与阴极水冷座之间连接有弧放电电源，其中所说的圆截锥形阴极的斜面和其所形成的轴向磁场磁力线之间的夹角是5°～45°，水冷过滤弯管与水冷阳极筒之间连接有0V～100V的正偏压电源。

[0006] 所说的水冷阳极筒与水冷引出直管之间可连接有150Ω～300Ω的电阻。

[0007] 在水冷阳极筒顶部可增设送气管，用于向等离子体产生区充入工作气体参与等离子放电。

[0008] 所说的水冷过滤弯管与水冷阳极筒之间和水冷过滤弯管与水冷引出直管之间分别由上绝缘环和下绝缘环绝缘开来，水冷阳极筒的内径为120mm～150mm，水冷过滤弯管内径为120mm～150mm，弧放电电源电压是60V～100V。

[0009] 本发明的显著效果在于：通过在水冷过滤弯管与水冷阳极筒之间施加正偏压电源，可以有效减少在水冷过滤弯管壁上损失的等离子体，提高等离子体输出效率，而且大颗粒过滤效果优于99％，利用稳弧线圈产生的轴向磁场和圆截锥形阴极斜面的夹角来约束和稳定阴极弧放电发生在阴极端面，在5mT～25mT稳弧磁场作用下，使弧放电可以工作在-1 -310 Pa～10 Pa的气压下，即在高真空下也可以稳定工作；在水冷阳极筒与水冷引出直管之间连接电阻，使等离子体电位相对真空腔体是确定的，避免阳极直接接地导致的低等离子体输出效率和水冷引出直管过热现象，从而进一步提高等离子体输出效率；利用送气管在等离子体产生区充入工作气体，使之参与等离子体放电，由于气体被活化或部分电离，使输出的金属等离子体中包含气体等离子体，从而有助于在工件上沉积高质量反应薄膜。

附图说明

[0010] 图1是本发明所提供的一种直流磁过滤阴极真空弧等离子体源具体实施方式1的结构示意图；

[0011] 图2圆截锥形阴极和稳弧磁场关系示意图；

[0012] 图3是本发明所提供的一种直流磁过滤阴极真空弧等离子体源具体实施方式2的结构示意图；

[0013] 图4是本发明所提供的一种直流磁过滤阴极真空弧等离子体源具体实施方式3的结构示意图；

[0014] 图5是本发明所提供的一种直流磁过滤阴极真空弧等离子体源具体实施方式4的结构示意图。

[0015] 图中，1.圆截锥型阴极 2.水冷阴极座 3.触发线包 4.触发针 5.稳弧线圈6.聚焦线圈 7.水冷阳极筒 8.上绝缘环 9.水冷过滤弯管 10.偏转线圈 11.下绝缘环 12.水冷引出直管 13.引出线圈 14.电阻 15.正偏压电源 16.弧放电电源17.送气管 18.等离子体产生区 19.等离子体偏转区 20.等离子体引出区具体实施方式

[0016] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

[0017] 如图1所示，一种直流磁过滤阴极真空弧等离子体源，它包括相互绝缘的水冷阳极筒7、水冷过滤弯管9和水冷引出直管12，在水冷阳极筒7内设有安装于阴极水冷座2上的圆截锥形阴极1、与触发线包3相连接的触发针4，在水冷阳极筒7外侧的上下分别绕有稳弧线圈5和聚焦线圈6，在水冷过滤弯管9外侧绕有偏转线圈10，在水冷引出直管12外侧绕有引出线圈13，水冷阳极筒7与阴极水冷座2之间连接有弧放电电源16，其中：圆截锥形阴极1的斜面和稳弧线圈产生的轴向磁场磁力线之间的夹角是5°～45°，水冷过滤弯管9与水冷阳极筒7之间连接有0V～100V的正偏压电源15。

[0018] 圆截锥形阴极1、水冷阴极座2、触发线包3、触发针4和水冷阳极筒7组成的区域称为阴极真空弧放电区，也称为等离子体产生区18，稳弧线圈5产生轴向磁场约束和稳定弧放电，聚焦线圈6产生聚焦磁场将等离子体导入水冷过滤弯管9内部的等离子体偏转区19，缠绕在水冷过滤弯管9外的偏转线圈10产生的偏转磁场将等离子体偏转60°～90°后导向水冷引出直管12内部的等离子体引出区20，水冷引出直管12外缠绕引出线圈13产生引出磁场导引金属等离子体到达工件表面，上绝缘环8和下绝缘环11将水冷阳极筒7、水冷过滤弯管9与水冷引出直管12分别绝缘开来，从而可以对水冷过滤弯管9施加正偏压电源15以提高等离子体引出效率。

[0019] 在等离子体产生区18，圆截锥形阴极1和水冷阳极筒7之间连接有弧放电电源16，当触发针4在触发线包3带动下接触阴极端面后离开，即在阴极端面产生阴极弧斑，弧放电电源16随即产生稳定的弧放电，产生金属等离子体。利用稳弧线圈5产生的轴向磁场和圆截锥形阴极1斜面的夹角来约束和稳定阴极弧放电发生在阴极端面，在5mT～25mT-1 -3
稳弧磁场作用下，弧放电可以工作在10 Pa～10 Pa的气压下，即在高真空下也可以稳定工作。由于稳弧磁场作用，阴极和阳极之间的工作弧压在30～60V，弧放电电源16电压在
60～100V。聚焦线圈6产生的聚焦磁场将等离子体会聚进入水冷过滤弯管9形成的等离子体偏转区19。偏转线圈10产生的强偏转磁场将金属等离子体偏转60°～90°进入水冷引出直管12。引出线圈13产生的引出磁场低于偏转磁场，它使等离子体发散进入真空腔体，提高了等离子体的均匀性。

[0020] 可使聚焦线圈6产生的聚焦磁场强度低于稳弧线圈5产生的稳弧磁场，水冷过滤弯管9内径应大于或等于水冷阳极筒7内径，水冷引出直管12内径应大于或等于水冷过滤弯管9内径，从而进一步提高等离子体的均匀性。

[0021] 具体实施方式1

[0022] 如图1至图2所示，在水冷阳极筒7内设有安装于阴极水冷座2上的圆截锥形阴极1、与触发线包3相连接的触发针4，在水冷阳极筒7外侧的上下分别绕有稳弧线圈5和聚焦线圈6，在水冷过滤弯管9外侧绕有偏转线圈10，在水冷引出直管12外侧绕有引出线圈13，水冷阳极筒7与阴极水冷座2之间连接有弧放电电源16，水冷过滤弯管9与水冷阳极筒7之间连接有正偏压电源15

[0023] 具体实施方式2

[0024] 如图3所示，在具体实施方式1的基础上，在水冷阳极筒7与水冷引出直管12连接电阻14，

[0025] 具体实施方式3

[0026] 如图4所示，在具体实施方式1的基础上，在水冷阳极筒7顶部增加送气管17，将Ar、N2、C2H2等工作气体送入等离子体产生区18，使工作气体也参与等离子体放电，[0027] 具体实施方式4

[0028] 如图5所示，在具体实施方式2的基础上，在水冷阳极筒7与水冷引出直管12连接电阻14，并且水冷阳极筒7顶部增加送气管17，将Ar、N2、C2H2等工作气体送入等离子体产生区18。

[0029] 上述各具体实施方式中的圆截锥形阴极1斜面与稳弧磁场B的轴向磁场磁力线之间形成的夹角可以是6°、30°、45°等；稳弧磁场强度可以是5mT、15mT、25mT等；水冷过滤弯管9的偏转角度可以是61°、80°、90°等；弧放电电源16电压可以是61V、80V、100V等；正偏压电源15电压可以是3V、55V、99V等；水冷阳极筒7内径可以是121mm、135mm、147mm等，水冷过滤弯管9内径可以是125mm、140mm、150mm等，且使水冷过滤弯管9内径大于水冷阳极筒7内径。

[0030] 具体实施方式2和具体实施方式4中的电阻14阻值可以是150Ω、200Ω、300Ω等。