专利名称：可控多元阴极弧等离子体形成装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种等离子体形成装置及方法。
背景技术：
多元复合膜层在高温下具有较高的硬度和稳定性，是高速铣床刀具等零件 使用的主要膜层。多元复合膜层一般采取复合靶材的制备方式，例如要合成钛
铝氮(TiAlN)膜层，必须采取钛铝(TiAl)靶材，由于复合靶材硬度很高，加 工性能很差，复合靶材的加工非常困难，此外，对于复合膜层成分与结构的优 化也必须通过改变靶材结构来获得，而不同成分靶材的制备也是研究的难点。
发明内容
本发明的目的是为解决现有多元复合膜层制备采取复合多元靶材的方式， 复合耙材制作困难的问题，提供一种可控多元阴极弧等离子体形成装置及其方 法。
本发明的装置由放电室、过滤室和连接管组成，连接管的上端与放电室的 下端连接，连接管的下端与过滤室的上端连接，放电室由磁场线圈、上盖、阴 极保护套、阴极、触发绝缘块、触发板、触发杆绝缘套、触发杆、触发杆外套、 阴极座、阴极绝缘套、阳极、阳极座、阴极保护套座和阳极圆筒组成，上盖上 设有阴极座孔和触发杆孔，阴极保护套上设有阴极孔，阴极保护套通过阴极保 护套座固定在上盖的下端，阴极孔与阴极座孔相通，阴极绝缘套设置在阴极座 孔中，阴极座设置在阴极绝缘套中，触发杆外套设置在触发杆孔中，触发杆设 置在触发杆外套中，触发杆绝缘套穿过触发杆的下端且套在触发杆外套上，触 发板与阴极对应一侧设有阶梯表面，触发板套在触发杆的下部，触发绝缘块与 触发板上的阶梯表面相连，阴极设置在阴极孔中，阴极的上端与阴极座的下端 连接，阴极的下端面与触发板和触发绝缘块的下端面平齐，阳极圆筒设置在上 盖下端面的周边，阳极圆筒的下端与阳极座的周边连接，阳极与阳极座的上表 面相连，阳极上设有阳极孔，阳极座上设有阳极座孔，阳极孔与阳极座孔相通， 磁场线圈设置在阳极圆筒的外侧壁上，过滤室由法兰、过滤圆筒、底座、过滤
条和过滤线圈组成，过滤圆筒的上端与法兰连接，过滤圆筒的下端与底座连接， 过滤条的周边固定在过滤圆筒的内侧壁上，过滤线圈设置在过滤圆筒的外侧壁 上。
本发明的方法包括以下步骤 一、阴极座中间空心部分通入冷却水；二、
触发杆的顶端与触发电源的正极连接，每个阴极座与触发电源的负极和不同的 弧放电电源的负极连接，阳极与弧放电电源的所有正极连接在一起，阳极与阴
极之间的电压差为30-80V;三、将放电室抽真空到lxlO"Pa的压力；四、采 用4kV的触发脉冲通过触发杆施加到触发板上，阴极与触发板之间的触发绝 缘块表面因爬电而被击穿引燃阴极，使阴极的放电电流为40 100A，在触发 板与阴极之间形成弧光放电等离子体；五、步骤四中触发产生的等离子体导致 阴极与阳极之间形成连续的阴极弧放电，放电电流可以从30~200A连续可调， 在放电室内部阳极上方可同时形成不同阴极的真空弧放电而形成多元混合等离 子体；六、步骤五中等离子体通过阳极孔、阳极座孔、连接管内孔、法兰内孔 进入过滤室，七、等离子体中的大部分宏观粒子与过滤条或过滤圆筒碰撞，并 被过滤条或过滤圆筒吸收，过滤室外部的过滤线圈使内部腔体的磁场强度在100 一300高斯左右，在磁场的约束下，阴极产生的等离子体被磁场约束，并且逐渐 均匀化，在出口处获得均匀的多元阴极弧等离子体。
本发明的有益效果是本发明采用的阴极为多个纯金属阴极，加工制备简 单，避免了复合多元阴极由于硬度高而制作困难的现象，通过本发明形成的多 元阴极弧等离子体的组分种类和密度调整简单。
图1是本发明的整体结构示意图，图2是放电室1的结构示意图(去掉磁 场线圈l-l、阳极1-12、阳极座1-13和阳极圆筒1-15)，图3是阴极保护套l-3
的俯视图。
具体实施例方式
具体实施方式
一结合图1~图3说明本实施方式，本实施方式由放电室1、 过滤室2和连接管3组成，连接管3的上端与放电室1的下端连接，连接管3 的下端与过滤室2的上端连接，放电室l由磁场线圈1-1、上盖l-2、阴极保护 套1-3、阴极1-4、触发绝缘块1-5、触发板1-6、触发杆绝缘套1-7、触发杆1-8、
触发杆外套1-9、阴极座1-10、阴极绝缘套1-11、阳极1-12、阳极座1-13、阴 极保护套座1-14和阳极圆筒1-15组成，上盖1-2上设有阴极座孔1-2-1和触发 杆孔1-2-2，阴极保护套1-3上设有阴极孔1-3-1，阴极保护套1-3通过阴极保护 套座1-14固定在上盖1-2的下端，阴极孔1-3-1与阴极座孔1-2-1相通，阴极绝 缘套1-11设置在阴极座孔1-2-1中，阴极座1-10设置在阴极绝缘套1-11中，触 发杆外套1-9设置在触发杆孔1-2-2中，触发杆1-8设置在触发杆外套1-9中， 触发杆绝缘套1-7穿过触发杆1-8的下端且套在触发杆外套1-9上，触发板1-6 与阴极1-4对应一侧设有阶梯表面1-6-1，触发板1-6套在触发杆1-8的下部， 触发绝缘块1-5与触发板1-6上的阶梯表面1-6-1相连，阴极1-4设置在阴极孔 1-3-1中，阴极1-4的上端与阴极座1-10的下端连接，阴极1-4的下端面与触发 板1-6和触发绝缘块1-5的下端面平齐，阳极圆筒1-15设置在上盖1-2下端面 的周边，阳极圆筒1-15的下端与阳极座1-13的周边连接，阳极1-12与阳极座 1-13的上表面相连，阳极1-12上设有阳极孔1-12-1，阳极座1-13上设有阳极座 孔1-13-1，阳极孔1-12-1与阳极座孔1-13-1相通，磁场线圈1-1设置在阳极圆 筒1-15的外侧壁上，过滤室2由法兰2-l、过滤圆筒2-2、底座2-3、过滤条2-4 和过滤线圈2-5组成，过滤圆筒2-2的上端与法兰2-l连接，过滤圆筒2-2的下 端与底座2-3连接，过滤条2-4的周边固定在过滤圆筒2-2的内侧壁上，过滤线 圈2-5设置在过滤圆筒2-2的外侧壁上。阳极1-12上设阳极孔1-12-1可以使大 部分等离子体能够从孔状阳极传输到过滤室。
具体实施方式
二结合图2说明本实施方式，本实施方式的上盖1-2上的 阴极座孔1-2-1和触发杆孔1-2-2、阴极1-4、触发绝缘块1-5、触发板1-6、触 发杆绝缘套1-7、触发杆1-8、触发杆外套1-9、阴极座1-10、阴极绝缘套1-11 的数量均为四至六个。这样设计使得各阴极1-4之间相互隔离而且在外部连接 有不同的放电电源，每个阴极1-4的放电电流可独立调节。通过这种方式，在 阳极口区域的多元混合等离子体的组分可以通过选择不用的阴极材料来改变， 多元混合等离子体中组分的密度可以通过控制不同阴极的放电电流来实现。此 外，4-6个阴极1-4可以获得比同等电流下单一阴极弧放电4~6倍高的等离子体 密度，从而使膜层沉积的速率大幅度的提高。虽然提高单一阴极的放电电流也 能使等离子体密度得到提高，但是，单一阴极弧放电电流提高到200A以上后，
产生大量的液滴，等离子体密度增长非常缓慢。采用多阴极l-4，在放电时可以 获得比提高放电电流方式高得多的阴极利用率和沉积速率。
具体实施方式
三结合图2说明本实施方式，本实施方式的上盖1-2上的
阴极座孔1-2-1和触发杆孔1-2-2、阴极1-4、触发绝缘块1-5、触发板1-6、触 发杆绝缘套1-7、触发杆1-8、触发杆外套1-9、阴极座1-10、阴极绝缘套1-11 的数量均为四个。这个数值是使得阴极1-4获得的阴极弧放电形成的等离子体 密度最佳，从而使膜层沉积的速率大幅度的提高。
具体实施方式
四结合图l说明本实施方式，本实施方式的过滤条2-3的 数量为四至六个。这种设计可以使不同角度发射的大颗粒均可以被过滤管吸收。
具体实施方式
五结合图l说明本实施方式，本实施方式的过滤条2-3的 数量为五个。这种设计可以使不同角度发射的大颗粒均可以被过滤管吸收。
具体实施方式
六结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的阴极1-4 为金属材料。金属材料导电性好。
具体实施方式
七结合图1说明本实施方式，本实施方式的方法包括以下 步骤 一、阴极座1-10中间空心部分通入冷却水；二、触发杆l-8的顶端与触 发电源的正极连接，每个阴极座l-10与触发电源的负极和不同的弧放电电源的 负极连接，阳极1-12与弧放电电源的所有正极连接在一起，阳极1-12与阴极 l-4之间的电压差为30-80V;三、将放电室1抽真空到lxlO"Pa的压力；四、 采用4kV的触发脉冲通过触发杆1-8施加到触发板1-6上，阴极1-4与触发 板1-6之间的触发绝缘块1-5表面因爬电而被击穿引燃阴极1-4，使阴极1-4的 放电电流为40~100A，在触发板1-6与阴极1-4之间形成弧光放电等离子体； 五、步骤四中触发产生的等离子体导致阴极与阳极之间形成连续的阴极弧放电， 放电电流可以从30 200A连续可调；在放电室1内部阳极l-12上方可同时形成 不同阴极的真空弧放电而形成多元混合等离子体；六、步骤五中等离子体通过 阳极孔1-12-1、阳极座孔1-13-1、连接管3内孔、法兰2-l内孔进入过滤室2， 七、等离子体中的大部分宏观粒子与过滤条2-4或过滤圆筒2-2碰撞，并被过滤 条2-4或过滤圆筒2-2吸收，过滤室2外部的过滤线圈2-5使内部腔体的磁场强 度在100—300高斯左右，在磁场的约束下，阴极1-4产生的等离子体被磁场约 束，并且逐渐均匀化，在出口处获得均匀的多元阴极弧等离子体。在距离底座
2-3 —百至二百毫米处放上零件上并施加偏压可以在零件表面合成多元膜层。通 过控制阴极的放电电流可以调节多元阴极弧等离子体组分的密度。阴极弧等离 子体具有很高的速度，多元混合等离子体中的宏观粒子具有一定的发射角度而 且不受磁场控制。由于阴极弧放电时形成的液滴一般以大于30度角的方式发射， 腔体内部过滤条2-3的总宽度能够保证所有大于30度角发射的液滴均被过滤条 阻挡而吸收，而等离子体则由于磁场的约束作用在过滤室中部穿过，从而在过 滤室出口处获得比较纯净的多元混合等离子体。
具体实施方式
八结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤四中将四 至六个阴极l-4中的三个分别采用钛、铝、铬不同材料，采用4kV的触发脉冲 通过触发杆1-8加到触发板1-6上引燃阴极钛、铝、铬，使钛、铝、铬的放 电电流分别为40A、 50A、 40A，过滤磁场强度为200高斯，上述不同材 料在步骤五中形成多元混合等离子体。通过选择不同的阴极材料来改变多元混 合等离子体的组分。
具体实施方式
九结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤四中将四 至六个阴极1-4中的每个采用钛材料，采用4kV的触发脉冲通过触发杆1-8加 到触发板1-6上引燃阴极钛，使钛的放电电流为50A，过滤磁场强度为200 高斯。该方法在过滤室2的出口处形成的钛等离子体的密度要比单一钛阴极 200A放电形成的等离子体密度高50%以上。
权利要求
1、一种可控多元阴极弧等离子体形成装置，它由放电室(1)、过滤室(2)和连接管(3)组成，连接管(3)的上端与放电室(1)的下端连接，连接管(3)的下端与过滤室(2)的上端连接，其特征在于放电室(1)由磁场线圈(1-1)、上盖1-2)、阴极保护套(1-3)、阴极(1-4)、触发绝缘块(1-5)、触发板(1-6)、触发杆绝缘套(1-7)、触发杆(1-8)、触发杆外套(1-9)、阴极座(1-10)、阴极绝缘套(1-11)、阳极(1-12)、阳极座(1-13)、阴极保护套座(1-14)和阳极圆筒(1-15)组成，上盖(1-2)上设有阴极座孔(1-2-1)和触发杆孔(1-2-2)，阴极保护套(1-3)上设有阴极孔(1-3-1)，阴极保护套(1-3)通过阴极保护套座(1-14)固定在上盖(1-2)的下端，阴极孔(1-3-1)与阴极座孔(1-2-1)相通，阴极绝缘套(1-11)设置在阴极座孔(1-2-1)中，阴极座(1-10)设置在阴极绝缘套(1-11)中，触发杆外套(1-9)设置在触发杆孔(1-2-2)中，触发杆(1-8)设置在触发杆外套(1-9)中，触发杆绝缘套(1-7)穿过触发杆(1-8)的下端且套在触发杆外套(1-9)上，触发板(1-6)与阴极(1-4)对应一侧设有阶梯表面(1-6-1)，触发板(1-6)套在触发杆(1-8)的下部，触发绝缘块(1-5)与触发板(1-6)上的阶梯表面(1-6-1)相连，阴极(1-4)设置在阴极孔(1-3-1)中，阴极(1-4)的上端与阴极座(1-10)的下端连接，阴极(1-4)的下端面与触发板(1-6)和触发绝缘块(1-5)的下端面平齐，阳极圆筒(1-15)设置在上盖(1-2)下端面的周边，阳极圆筒(1-15)的下端与阳极座(1-13)的周边连接，阳极(1-12)与阳极座(1-13)的上表面相连，阳极(1-12)上设有阳极孔(1-12-1)，阳极座(1-13)上设有阳极座孔(1-13-1)，阳极孔(1-12-1)与阳极座孔(1-13-1)相通，磁场线圈(1-1)设置在阳极圆筒(1-15)的外侧壁上，过滤室(2)由法兰(2-1)、过滤圆筒(2-2)、底座(2-3)、过滤条(2-4)和过滤线圈(2-5)组成，过滤圆筒(2-2)的上端与法兰(2-1)连接，过滤圆筒(2-2)的下端与底座(2-3)连接，过滤条(2-4)的周边固定在过滤圆筒(2-2)的内侧壁上，过滤线圈(2-5)设置在过滤圆筒(2-2)的外侧壁上。
2、 根据权利要求2所述的可控多元阴极弧等离子体形成方法，其特征在于 上盖(1-2)上的阴极座孔(1-2-1)和触发杆孔(1-2-2)、阴极(1-4)、触发绝缘块(1-5)、触发板(1-6)、触发杆绝缘套(1-7)、触发杆(1-8)、触发杆外套(1-9)、阴极座(1-10)、阴极绝缘套(1-11)的数量均为四至六个。
3、 根据权利要求2所述的可控多元阴极弧等离子体形成装置，其特征在于 上盖(1-2)上的阴极座孔(1-2-1)和触发杆孔(1-2-2)、阴极(1-4)、触发绝 缘块(1-5)、触发板(1-6)、触发杆绝缘套(1-7)、触发杆(1-8)、触发杆外套(1-9)、阴极座(1-10)、阴极绝缘套(1-11)的数量均为四个。
4、 根据权利要求3所述的可控多元阴极弧等离子体形成装置，其特征在于 过滤条(2-3)的数量为四至六个。
5、 根据权利要求4所述的可控多元阴极弧等离子体形成装置，其特征在于 过滤条(2-3)的数量为五个。
6、 根据权利要求5所述的可控多元阴极弧等离子体形成装置，其特征在于-. 阴极(1-4)为金属材料。
7、 一种使用权利要求1所述可控多元阴极弧等离子体形成装置的多元阴极 弧等离子体形成方法，其特征在于所述方法包括以下步骤 一、阴极座(1-10) 中间空心部分通入冷却水；二、触发杆(1-8)的顶端与触发电源的正极连接， 每个阴极座(1-10)与触发电源的负极和不同的弧放电电源的负极连接，阳极(1-12)与弧放电电源的所有正极连接在一起，阳极(1-12)与阴极(1-4)之 间的电压差为30-80V;三、将放电室(1)抽真空到lxlO"Pa的压力；四、 采用4kV的触发脉冲通过触发杆(1-8)施加到触发板(1-6)上，阴极(1-4) 与触发板(1-6)之间的触发绝缘块(1-5)表面因爬电而被击穿引燃阴极(1-4)， 使阴极(1-4)的放电电流为4(M00A，在触发板(1-6)与阴极(1-4)之间 形成弧光放电等离子体；五、步骤四中触发产生的等离子体导致阴极(1-4)与 阳极(1-12)之间形成连续的阴极弧放电，放电电流可以从30 200A连续可调； 在放电室(1内部阳极(1-12)上方可同时形成不同阴极的真空弧放电而形成多 元混合等离子体；六、步骤五中等离子体通过阳极孔(1-12-1)、阳极座孔(1-13-1)、连接管(3)内孔、法兰(2-1)内孔进入过滤室(2)，七、等离子 体中的大部分宏观粒子与过滤条(2-4)或过滤圆筒(2-2)碰撞，并被过滤条(2-4) 或过滤圆筒(2-2)吸收，过滤室(2)外部的过滤线圈(2-5)使内部腔体的磁 场强度在100—300高斯左右，在磁场的约束下，阴极(1-4)产生的等离子体 被磁场约束，并且逐渐均匀化，在出口处获得均匀的多元阴极弧等离子体。
8、 根据权利要求7所述的多元阴极弧等离子体形成方法，其特征在于步骤四中将四至六个阴极(1-4)中的三个分别采用钛、铝、铬不同材料，采用4kV 的触发脉冲通过触发杆(1-8)加到触发板(1-6)上引燃阴极钛、铝、铬，使钛、 铝、铬的放电电流分别为40A、 50A、 40A，过滤磁场强度为200高斯，上述不 同材料在步骤五中形成多元混合等离子体。
9、 根据权利要求7所述的多元阴极弧等离子体形成方法，其特征在于步 骤四中将四至六个阴极(1-4)中的每个采用钛材l4，采用4kV的触发脉冲通过 触发杆(1-8)加到触发板(1-6)上引燃阴极钛，使钛的放电电流为50A，过滤 磁场强度为200高斯。
全文摘要
可控多元阴极弧等离子体形成装置及方法，它涉及等离子体形成装置及方法。本发明为解决现有多元复合膜层制备采取复合多元靶材的方式，复合靶材制作困难的问题。装置阴极与阴极座连接，阴极与触发板设在放电室内，阳极设置在阴极的下方，放电室通过连接管与过滤室连接。方法将放电室抽真空到1×10<sup>-1</sup>Pa的压力，采用4kV的触发脉冲加到触发极上引燃阴极，放电电流为40～200A，过滤磁场强度为200高斯，在过滤室中形成多元阴极弧等离子体。本发明采用的阴极为多个纯金属阴极，加工制备简单，避免了复合多元阴极由于硬度高而制作困难的现象，通过本发明形成的多元阴极弧等离子体的组分种类和密度调整简单。
文档编号H05H1/28GK101346030SQ200810136989
公开日2009年1月14日 申请日期2008年8月25日 优先权日2008年8月25日
发明者王小峰, 王浪平, 解志文 申请人:哈尔滨工业大学