一种电弧离子镀装置及ta-c沉积镀膜装置
技术领域
1.本实用新型属于真空镀膜技术领域，具体涉及一种电弧离子镀装置及ta-c沉积镀膜装置。
背景技术：2.类金刚石膜涂层(diamond-like carbon)简称dlc涂层。类金刚石(dlc)薄膜是一种含有一定量金刚石键(sp2和sp3)的非晶碳的亚稳类的薄膜。薄膜的主要成分是碳，因为碳能以三种不同的杂化方式sp 3、sp 2和sp l存在，所以碳可以形成不同晶体的和无序的结构。这也使得对碳基薄膜的研究变得复杂化。在sp3杂化结构中,一个碳原子的四个价电子被分配到具有四面体结构的定向的sp3轨道中,碳原子与相邻的原子形成很强的
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键,这种键合方式我们通常也称之为金刚石键。在sp2杂化结构中,碳的四个价电子中的三个进入三角形的定向的sp2轨道中,并在一个平面上形成
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键,第四个电子位于同
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键一个平面的pπ轨道。π轨道同一个或多个相邻的原子形成弱的π键。而在sp l结构中，四个价电子中的两个进入π轨道后各自在沿着x轴的方向上形成
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键,而另外两个价电子则进入y轴和z轴的pπ轨道形成π键。dlc碳膜可以被掺杂不同的元素得到掺杂的dlc(n-dlc)薄膜。它们中的c都是以sp3、sp2和sp1的键合方式而存在,因而有诸多与金刚石膜相似的性能。
3.类金刚石(dlc)膜具有许多与金刚石相似或相近的优良性能,如硬度高、弹性模量高、摩擦系数低、生物相溶性好、声学性能好、电学性能佳等。dlc薄膜发展到今天,已经为越来越多的研究者和工业界所熟知和关注,在工业各领域都有极大的应用前景。目前dlc薄膜已经在航空航天、精密机械、微电子机械装置、磁盘存储器、汽车零部件、光学器材和生物医学等多个领域有广泛的应用,是具有重要应用前景的高性能的无机非金属薄膜材料。
4.由于碳的来源和制备方法的差异，dlc膜可分为无氢类金刚石碳膜(a-c)和氢化类金刚石碳膜(a-c：h)两类。含氢过多将降低涂层的结合力和硬度，增大内应力。dlc中的氢在较高的温度下会慢慢释放出来，引起涂层工作不稳定。四面体无定型非晶碳膜（ta-c）作为类金刚石的一类，是一系列sp3键含量为80%~90%的无氢非晶碳膜，具有高硬度、高弹性模量、良好的耐化学性和抗热震性等特点，具有组织均匀、可大面积沉积、成本低、表面平整等优点。类金刚石膜制备的方法很多:如离子束辅助沉积、磁控溅射、真空阴极电弧沉积、等离子体增强化学气相沉积、离子注入法等。其中真空阴极电弧沉积cvad拥有较高的离化率60%-80%，可输出高价位等离子体，离子能量高达100ev，具有膜基结合力强，沉积温度低、沉积速率高、易于过渡到工业化生产等优点，适合沉积大面积硬质耐磨碳膜，能够方便地制备纯ta-c和掺杂的ta-c薄膜。该技术通过在高真空中的点弧装置引燃电弧，在电源的维持和磁场的推动下，阴极弧在靶表面游动，电弧使碳靶蒸发，蒸发的碳通过靶前高势垒，在场致效应作用下离化为碳离子。碳离子在基底负偏压的作用下，高速轰击基底并沉积成膜。维持电弧放电的电源要求具有低电压15-150v、高电流20-200a的特点。阴极弧斑直径为1-10微米，电流密度高达。在沉积过程中，石墨靶在高温电弧的作用下容易产生大量的大小不一的宏观碳颗粒，这些颗粒与碳离子一起沉积在基材上，使沉积的薄膜中含
有大量的颗粒，导致表面变得粗糙而大大降低了薄膜的性能。
5.在cvad的基础上，aksenov等发展了磁过滤阴极弧技术。其主要技术改进体现为通过在阴极电弧前方设置磁过滤管，利用磁场对离子的作用，改变碳离子到达基体的运动轨迹。这种磁过滤对细小原子团的筛选作用很严格，只有当颗粒的电荷和大小恰好合适时,才有可能通过磁场管道沉积到基底上;未离化的碳分子、原子及大颗粒则沉积到磁场管道内壁上，消除了膜中的宏观碳颗粒，提高了ta-c薄膜的质量。同样,为了消除宏观石墨颗粒在ta-c薄膜沉积过程中的不利影响，有的研究人员利用在靶前装屏蔽板的方法减少膜中的碳颗粒。但是，无论是磁过滤还是屏蔽板，都会明显降低沉积速度，减小均匀沉积区的面积。
技术实现要素：6.本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种电弧离子镀装置及ta-c沉积镀膜装置
7.本实用新型所采取的技术方案如下：一种电弧离子镀装置，包括具有直筒方形状空腔的离子镀壳体，所述直筒方形状空腔一端封闭且另一端为开口形成离子出口，所述离子镀壳体在封闭一端设有两个形成一定夹角的安装面或接近封闭一端设有两个相平行的安装面，两个安装面关于直筒方形状空腔中心轴对称，两个安装面上分别固定有一组阴极弧源组件，分别固定在两个安装面上的阴极弧源组件中靶材的靶面之间形成大于0以及小于等于135
°
的夹角且朝向离子出口方向设置或形成平行的且相对设置的关系。
8.所述分别固定在两个安装面上的阴极弧源组件中碳靶靶面之间形成大于0以及小于等于90
°
的夹角。
9.所述离子镀壳体在接近封闭一端设有两个相平行的安装面，分别固定在两个安装面上的阴极弧源组件中靶材的靶面之间形成平行的且相对设置的关系。
10.所述离子镀壳体外壁套设有矩形线圈，所述矩形线圈用于形成对带正电粒子形成聚焦及加速作用的磁场。
11.一种设有如上所述的电弧离子镀装置的ta-c沉积镀膜装置，包括具有真空腔室的沉积壳体、抽真空系统、偏压电源系统、辅助阳极电源系统、电弧离子镀装置、灯丝离子源装置；
12.所述离子镀壳体设有离子出口的一端与沉积壳体相连接，所述直筒方形状空腔与真空腔室通过离子出口相连通；
13.所述沉积壳体上设有用于与抽真空系统相连对真空腔室抽气形成真空环境的抽真空口；所述沉积壳体内设有用于放置镀膜过程中所镀工件的工件转架；所述工件转架接所述偏压电源系统的负极形成负偏压；
14.所述阴极弧源组件中的靶材为碳靶，通电后生成带正电碳离子。
15.所述工件转架为圆环状，所述沉积壳体内设有加热管，所述加热管安装于所述工件转架内侧。
16.所述加热管设有若干支且间隔安装，若干加热管设分为两组，分列位于以工件转架中心为圆心的0度和180度位置，且距离工件转架中心距离相等。
17.所述沉积壳体内壁上固定有第一过渡靶材以及接近第一过渡靶材设有第二进气管，所述工件转架为圆环状，所述第一过渡靶材设有若干个且至工件转架圆心的距离相等，
所述沉积壳体内设有离子源组件。
18.所述沉积壳体内安装有第二过渡靶材和第三进气管，所述工件转架为圆环状，所述第二过渡靶材和第三进气管安装于所述工件转架内侧，所述第二过渡靶材设有若干个且至工件转架圆心的距离相等，所述第三进气管设置在第二过渡靶材之间。
19.所述离子镀壳体内或沉积壳体内设有辅助阳极，所述辅助阳极接所述脉冲直流偏压电源系统的电源正极。
20.本实用新型的有益效果如下：工作后，阴极弧源组件靶材表面产生沉积的正离子和不带电的粒子，当所镀工件接入偏压电源系统的负极，正离子在负偏压形成的电场作用下向所镀工件方向运动，沉积在工件表面形成镀膜，而不带电的粒子沿其本身的速度方向向前移动，沉积在另一个碳靶或离子镀壳体内壁上。直筒方形状空腔的离子镀壳体的体积大，路程短，并且直接与真空腔体相连，沉积速率将大幅度提升。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本实用新型的范畴。
22.图1为实施例1中的电弧离子镀装置的结构示意图；
23.图2为实施例1中的电弧离子镀装置的粒子分布示意图；
24.图3为实施例1中的ta-c沉积镀膜装置的立体视图；
25.图4为实施例1中的ta-c沉积镀膜装置的剖视图；
26.图5为实施例2中的电弧离子镀装置的结构示意图；
27.图6为实施例3中的电弧离子镀装置的结构示意图；
28.图7为实施例3中的电弧离子镀装置的粒子分布示意图；
29.图中，1，离子镀壳体；2，阴极弧源组件；3，离子出口；4，矩形线圈；5，沉积壳体；6，辅助阳极；7，工件转架；8，抽真空口；9，加热管；10，第一过渡靶材；11，离子源组件；12，第二过渡靶材；13，第三进气管。
具体实施方式
30.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。
31.需要说明的是，本实用新型实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本实用新型实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明
32.本实用新型所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本实用新型，而非对本实用新型保护范围的限制。
33.实施例1：
34.如图1所示，一种电弧离子镀装置，包括具有直筒方形状空腔的离子镀壳体1，所述
直筒方形状空腔一端封闭且另一端为开口形成离子出口3，所述离子镀壳体1在封闭一端设有两个形成一定夹角的安装面或接近封闭一端设有两个相平行的安装面，两个安装面关于直筒方形状空腔中心轴对称，两个安装面上分别固定有一组阴极弧源组件2，分别固定在两个安装面上的阴极弧源组件2中靶材的靶面之间形成大于0以及小于等于135
°
的夹角且朝向离子出口3方向设置。
35.所述分别固定在两个安装面上的阴极弧源组件2中碳靶靶面之间形成大于0以及小于等于90
°
的夹角。在本实施例中，具体设置为90
°
。
36.阴极弧源组件2中包括靶材、固定靶材的靶材底座、引弧装置以及其它阴极弧源中必要或非必要的零部件，具体结构可以参见专利cn201210444314.1、cn201811360933.6等具有不同结构优势的阴极弧源结构。阴极弧源组件2接通电源后，引弧装置产生的弧斑在靶面上刻蚀产生离子和颗粒，比如采用碳靶，则产生碳离子和碳颗粒，比如采用金属靶（如铬），则产生金属离子和金属颗粒，这种颗粒随着金属离子的沉积会附着在膜上，使镀膜表面不平整，如图2所示，工作时，阴极弧源组件2发出带电碳离子或不带电的碳颗粒，发出时，初始速度方向为向靶面正前方的方向，带电碳离子在电场作用下其移动方向向离子出口3的方向偏移直至从离子出口3处离开，矩形线圈4形成的磁场加速带电碳离子从离子出口3处离开并且使带电碳离子相对更集中，而带电碳离子并且使而不带电的碳颗粒不受电场和磁场的影响，沿其初始速度方向前移，直至沉积在离子镀壳体1侧壁上，直筒方形状空腔的离子镀壳体的体积大，路程短，并且直接与真空腔体相连，沉积速率将大幅度提升。
37.所述离子镀壳体1外壁套设有矩形线圈4，所述矩形线圈4用于形成对带正电粒子形成聚焦及加速作用的磁场。
38.一种设有如上所述的ta-c沉积镀膜装置，如图3、图4所示，包括具有真空腔室的沉积壳体5、抽真空系统、偏压电源系统、辅助阳极电源系统、电弧离子镀装置、灯丝离子源装置；
39.所述离子镀壳体1设有离子出口3的一端与沉积壳体5相连接，所述直筒方形状空腔与真空腔室通过离子出口3相连通；
40.所述沉积壳体5上设有用于与抽真空系统相连对真空腔室抽气形成真空环境的抽真空口8；所述沉积壳体5内设有用于放置镀膜过程中所镀工件的工件转架7；所述工件转架7接所述偏压电源系统的负极形成负偏压；
41.所述阴极弧源组件2中的靶材为碳靶，通电后生成带正电碳离子。
42.如图3所示，本实施例的每个安装面上的一组阴极弧源组件2中可以为多个阴极弧源组件2，如图中的3个，其中的“一组”并非指阴极弧源组件2的数量，而是将设置在一个安装面的所有阴极弧源组件2归为一组。
43.所述工件转架7为圆环状，所述沉积壳体5内设有加热管9，所述加热管9安装于所述工件转架7内侧。所述加热管9用以镀膜过程中加热工件，在本实施例中，所述加热管9设有若干支（如附图中所示的12支）且间隔安装，若干加热管9设分为两组，分列位于以工件转架7中心为圆心的0度和180度位置，且距离工件转架7中心距离相等。
44.所述沉积壳体5内壁上固定有第一过渡靶材10以及接近第一过渡靶材10设有第二进气管，所述工件转架7为圆环状，所述第一过渡靶材10设有若干个且至工件转架7圆心的距离相等，所述沉积壳体5内设有离子源组件11。所述沉积壳体5内壁上固定有第一过渡靶
材10以及接近第一过渡靶材10设有第二进气管，所述工件转架7为圆环状，所述第一过渡靶材10设有若干个且至工件转架7圆心的距离相等，所述沉积壳体5内设有离子源组件11。在本实施例中，第一过渡靶材10共有4组，分别为两组cr、ti或zr等金属靶和两组wc靶，两组cr、ti或zr等金属靶分别位于以真空腔体中心为圆心45度和225度的位置，两组wc靶分别位于以真空腔体中心为圆心135度和315度的位置，且4组第一过渡靶材10至工件转架7圆心的距离相等。在本实施例中，离子源组件11中的离子源采用灯丝，灯丝接入脉冲直流偏压电源系统的正负极用以工作过程中产生电子。
45.所述沉积壳体5内安装有第二过渡靶材12和第三进气管13，所述工件转架7为圆环状，所述第二过渡靶材12和第三进气管13安装于所述工件转架7内侧，所述第二过渡靶材12设有若干个且至工件转架7圆心的距离相等，所述第二进气管12设置在第二过渡靶材12之间。第二过渡靶材12为圆柱形靶材，以真空腔体中心为圆心安装，在本实施例中，所述第二过渡靶材12共有四组，分别为两组cr、ti或zr等金属靶和两组wc靶，分别位于以真空腔体中心为圆心70度、110度、250度和290度方向安装，并距离真空腔体中心相等。所述第三进气管13安装于位于工件转架7内侧，具体设有两支，分别位于以真空腔体中心为圆心90度和270度位置的，并位于所述第二过渡靶材12中间，为第二过渡靶材12工作时通气。
46.在本实施例中，第一过渡靶材10和第二过渡靶材12中的金属靶具体采用cr靶。
47.所述离子镀壳体1内或沉积壳体5内设有辅助阳极6，所述辅助阳极6接所述脉冲直流偏压电源系统的电源正极，在本实施例中，辅助阳极6位于离子镀壳体1内接近沉积壳体5的位置。
48.本实施例通过在真空腔体内沉积壳体内侧以及工件转架内侧设置多组靶材和气管组，使得在使用溅射镀膜镀cr过渡层时更为快速，从而提高沉积速率。
49.通过本实施例的ta-c膜沉积设备进行沉积镀膜的工艺流程为：
50.1.安装工件：将所镀工件安装在工件转架7上；
51.2.抽真空：使用真空抽气系统通过抽真空口8对沉积壳体5真空腔体抽真空至本底真空；
52.3.加热工件：使用加热管9对工件进行加热；
53.4.轰击净化工件：打开偏压电源系统，将灯丝离子源装置的灯丝接入交流灯丝加热电源，产生电子，工件转架7接入偏压电源系统负极，通入氩气，通过灯丝离子源产生的高密度气体等离子体，在偏压的作用下进行工件清洗作用；
54.5.镀cr过渡层：打开第一过渡靶材10和第二过渡靶材12中的cr靶材，打开真空腔体中的第二进气管和第三进气管12通入氩气进行cr过渡层的镀膜；
55.6.镀wc过渡层：打开第一过渡靶材10和第二过渡靶材12中的wc靶，打开真空腔体2中的第二进气管和第三进气管12入氩气进行wc过渡层的镀膜；
56.7.镀ta-c膜：wc过渡层镀膜完成后，将溅射靶材和真空腔体中的气源管关闭，重新抽真空至本底真空，打开阴极弧源组件2以及使电磁线圈组通电，生成碳离子以及沉积碳离子形成ta-c膜；碳离子发生腔室产生的高密度碳离子进入到沉积壳体6内，通过调节弧电流大小及电磁线圈电流的大小，调节进入到沉积壳体6内的碳离子流的密度和通量；工件上首先开启高偏压（1200-3500v），调节碳离子流的密度和通量处于较小的状态，进行高压轰击注入，形成牢固的c注入层；其次，调整偏压于沉积状态（50-1500v），调节碳离子流的密度和
通量处于沉积的状态，进行ta-c膜的沉积，通过偏压的周期调节，形成应力可控的ta-c膜；
57.8.达到预定膜层厚度，关闭电源及气体，冷却至室温，充入大气，取出工件。
58.步骤6和步骤7中，可以通过不同靶材功率的调节，进行过渡膜层成分的调节，可形成纯金属me膜，混合金属me膜，金属碳化膜mec等。
59.实施例2：
60.本实施例与实施例1的结构和镀膜过程大致相同，其中最大的不同为电弧离子镀装置内部结构的布置不同，如图5所示，本实施例的两个安装面上的阴极弧源组件2中靶材的靶面之间形成60
°
的夹角，本实施例的两个安装面之间设有过渡面，避免空间不够阴极弧源组件2的安装。
61.实施例3：
62.本实施例与实施例1的结构和镀膜过程大致相同，其中最大的不同为电弧离子镀装置内部结构的布置不同，如图6所示，本实施例的两个安装面上的阴极弧源组件2中靶材的靶面之间相隔一定间距且相平行设置，如图7所示，生成的不带电的碳颗粒集中在两个安装面上的阴极弧源组件2中靶材的靶面之间的空腔，直至移动到对面的靶材靶面上，而带电的碳离子则在负偏压形成的电场作用下离开两个靶面之间的空腔，且相对集中地从离子出口3处离开，可以如实施例1所示，增设矩形线圈4，使带电的碳离子速度更快且聚焦地离开。
63.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如rom/ram、磁盘、光盘等。
64.以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。
技术特征：1.一种电弧离子镀装置，其特征在于：包括具有直筒方形状空腔的离子镀壳体（1），所述直筒方形状空腔一端封闭且另一端为开口形成离子出口（3），所述离子镀壳体（1）在封闭一端设有两个形成一定夹角的安装面或接近封闭一端设有两个相平行的安装面，两个安装面关于直筒方形状空腔中心轴对称，两个安装面上分别固定有一组阴极弧源组件（2），分别固定在两个安装面上的阴极弧源组件（2）中靶材的靶面之间形成大于0以及小于等于135
°
的夹角且朝向离子出口（3）方向设置或形成平行的且相对设置的关系。2.根据权利要求1所述的电弧离子镀装置，其特征在于：所述分别固定在两个安装面上的阴极弧源组件（2）中碳靶靶面之间形成大于0以及小于等于90
°
的夹角。3.根据权利要求1所述的电弧离子镀装置，其特征在于：所述离子镀壳体（1）在接近封闭一端设有两个相平行的安装面，分别固定在两个安装面上的阴极弧源组件（2）中靶材的靶面之间形成平行的且相对设置的关系。4.根据权利要求1所述的电弧离子镀装置，其特征在于：所述离子镀壳体（1）外壁套设有矩形线圈（4），所述矩形线圈（4）用于形成对带正电粒子形成聚焦及加速作用的磁场。5.一种ta-c沉积镀膜装置，其设有如权利要求1-4任一项所述的电弧离子镀装置，其特征在于：包括具有真空腔室的沉积壳体（5）、抽真空系统、偏压电源系统、辅助阳极电源系统、电弧离子镀装置、灯丝离子源装置；所述离子镀壳体（1）设有离子出口（3）的一端与沉积壳体（5）相连接，所述直筒方形状空腔与真空腔室通过离子出口（3）相连通；所述沉积壳体（5）上设有用于与抽真空系统相连对真空腔室抽气形成真空环境的抽真空口（8）；所述沉积壳体（5）内设有用于放置镀膜过程中所镀工件的工件转架（7）；所述工件转架（7）接所述偏压电源系统的负极形成负偏压；所述阴极弧源组件（2）中的靶材为碳靶，通电后生成带正电碳离子。6.根据权利要求5所述的ta-c沉积镀膜装置，其特征在于：所述工件转架（7）为圆环状，所述沉积壳体（5）内设有加热管（9），所述加热管（9）安装于所述工件转架（7）内侧。7.根据权利要求6所述的ta-c沉积镀膜装置，其特征在于：所述加热管（9）设有若干支且间隔安装，若干加热管（9）设分为两组，分列位于以工件转架（7）中心为圆心的0度和180度位置，且距离工件转架（7）中心距离相等。8.根据权利要求5所述的ta-c沉积镀膜装置，其特征在于：所述沉积壳体（5）内壁上固定有第一过渡靶材（10）以及接近第一过渡靶材（10）设有第二进气管，所述工件转架（7）为圆环状，所述第一过渡靶材（10）设有若干个且至工件转架（7）圆心的距离相等，所述沉积壳体（5）内设有离子源组件（11）。9.根据权利要求5所述的ta-c沉积镀膜装置，其特征在于：所述沉积壳体（5）内安装有第二过渡靶材（12）和第三进气管（13），所述工件转架（7）为圆环状，所述第二过渡靶材（12）和第三进气管（13）安装于所述工件转架（7）内侧，所述第二过渡靶材（12）设有若干个且至工件转架（7）圆心的距离相等，所述第三进气管（13）设置在第二过渡靶材（12）之间。10.根据权利要求5所述的ta-c沉积镀膜装置，其特征在于：所述离子镀壳体（1）内或沉积壳体（5）内设有辅助阳极（6），所述辅助阳极（6）接所述偏压电源系统的电源正极。
技术总结本实用新型属于真空镀膜技术领域，具体涉及一种电弧离子镀装置及ta-C沉积镀膜装置。其包括具有一端封闭且另一端为开口的直筒方形状空腔的离子镀壳体，其内固定有两组阴极弧源组件，其相对直筒方形状空腔中心轴倾斜一定角度或平行，工作后，阴极弧源组件靶材表面产生沉积的正离子和不带电的粒子，当所镀工件接入偏压电源负极，正离子在导引磁场及辅助阳极形成的电磁驱动作用下向所镀工件方向运动，在负偏压作用下沉积在工件表面形成镀膜，而不带电的粒子沿其本身的速度方向向前移动，沉积在另一个碳靶或离子镀壳体内壁上。离子镀壳体的体积大，路程短，并且直接与真空腔体相连，沉积速率将大幅度提升。率将大幅度提升。率将大幅度提升。
技术研发人员：章柯 郎文昌 张祖航 张振华 林琪澳
受保护的技术使用者：温州职业技术学院
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2022/7/5
