專(zhuān)利名稱(chēng)：陰極蒸發(fā)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電弧蒸發(fā)器領(lǐng)域，更具體而言，本發(fā)明屬于這樣的電
弧器領(lǐng)域此類(lèi)電弧蒸發(fā)器帶有電弧磁性引導(dǎo)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電弧蒸發(fā)器是用于對(duì)導(dǎo)電材料進(jìn)行蒸發(fā)的機(jī)器，該機(jī)器使得所述 材料能移動(dòng)穿過(guò)一種腔室(在該腔室內(nèi)通常建立了真空狀態(tài)或非常低 的壓力狀態(tài))，以便于將該材料沉積在要被鍍覆的部件的表面上。換言 之，這種類(lèi)型的機(jī)器被用于對(duì)部件和表面進(jìn)行鍍覆。
除了所述的腔室本身之外，電弧蒸發(fā)器通常包括至少一個(gè)陽(yáng)極和 至少一個(gè)陰極，在陰極與陽(yáng)極之間建立起電弧。該電弧(在通常情況 下，在施加22V電壓的條件下，該電弧的電流可達(dá)到80A)沖擊到陰 極的某個(gè)位置點(diǎn)(被稱(chēng)為陰極點(diǎn))上，使得陰極材料在所述位置點(diǎn)處 發(fā)生蒸發(fā)。因而，陰極是用要被用來(lái)進(jìn)行鍍覆的材料制成的，其通常 為所述材料板件的形式(例如為盤(pán)體的形式)。為了維持電弧和/或有 助于建立電弧，通常向腔室中引入少量的氣體。電弧使得材料在陰極 的內(nèi)表面處(即位于陰極與腔室內(nèi)部相接觸的表面上)發(fā)生蒸發(fā)，位 置對(duì)應(yīng)著電弧對(duì)該表面進(jìn)行沖擊的位置點(diǎn)。該內(nèi)表面可與要被鍍覆的 部件或表面相對(duì)，從而將由電弧蒸發(fā)出的材料淀積到所述部件或表面 上。為了防止陰極過(guò)熱，通常地向陰極施加冷卻劑流體(例如為水)， 冷卻劑流體例如被施加到陰極的外表面上。
不論在任何時(shí)候，電弧(或者在系統(tǒng)具有多個(gè)電弧的情況下，各 個(gè)電孤)都沖擊在特定的位置點(diǎn)上，在該位置點(diǎn)上，陰極發(fā)生蒸發(fā)。 電弧在陰極的內(nèi)表面上移動(dòng)，使得所述表面出現(xiàn)的損耗與電弧移動(dòng)時(shí) 所遵循的路線相對(duì)應(yīng)。如果對(duì)電弧的運(yùn)動(dòng)不實(shí)施任何類(lèi)型的控制，則
所述運(yùn)動(dòng)就將是隨機(jī)的，使得陰極的損耗呈現(xiàn)相當(dāng)不均勻的狀態(tài)，這 將導(dǎo)致對(duì)陰極材料的利用率較差，陰極材料的單位成本將相當(dāng)高。
為了防止或減弱電弧運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)特性、以使得陰極的損耗更為均
導(dǎo)系統(tǒng)。這些引導(dǎo)系統(tǒng)形成了影響電弧運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)，并改變?cè)摯艌?chǎng)， 由此能使得由陰極蒸發(fā)所導(dǎo)致的損耗情況更為均勻。此外，這些磁性 引導(dǎo)器有助于增加電孤蒸發(fā)器的可靠性，該效果是通過(guò)如下的原因?qū)?br> 現(xiàn)的磁性引導(dǎo)器使得電弧難于或不可能意外地移動(dòng)到并不是蒸發(fā)表 面組成部分的位置點(diǎn)處。
一些專(zhuān)利文件或?qū)＠暾?qǐng)文件已介紹了一些屬于此類(lèi)型的不同系統(tǒng)。
專(zhuān)利文獻(xiàn)US-A-4673477公開(kāi)了 一種采用永磁體的磁性引導(dǎo)系統(tǒng)， 利用機(jī)械裝置使永磁體在要被蒸發(fā)的板件的后部移動(dòng)，從而，該永磁 體產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)將對(duì)陰極上的電弧進(jìn)行引導(dǎo)。可選地是，該機(jī)器還 可包括磁性繞組，其圍繞著陰極的板體，以便于增強(qiáng)或減弱與陰極活 性表面相垂直方向上的磁場(chǎng)力，因而改善了對(duì)電極的引導(dǎo)。該機(jī)器所 存在的一個(gè)問(wèn)題是可移動(dòng)的永磁體的磁系統(tǒng)在機(jī)械上非常復(fù)雜，因 而，實(shí)施成本高，且易于損壞。
專(zhuān)利文件US-A-4724058涉及一種帶有磁性引導(dǎo)件的機(jī)器，其包 括布置在陰極板后部的線圏，引導(dǎo)著電弧在單個(gè)方向上移動(dòng)，該方向 與線圏所遵循的方向平行。為了減弱單條路線上的優(yōu)先損耗效應(yīng)，采 用了一些減弱/磁場(chǎng)引導(dǎo)效應(yīng)的方法，從而在》茲場(chǎng)上疊加了隨才幾分量。 具體而言，是這樣進(jìn)行設(shè)置的由線圏產(chǎn)生的磁場(chǎng)連接和斷開(kāi)，從而， 在大部分時(shí)間內(nèi)，電弧在陰極上的移動(dòng)都是隨機(jī)的。該機(jī)器存在的一 個(gè)問(wèn)題是在最終情況下，引導(dǎo)作用的發(fā)生時(shí)間非常少，從而無(wú)法保 證精確并且有效地控制陰極板的損耗。
專(zhuān)利文件US-A-5861088公開(kāi)了 一種帶有磁性引導(dǎo)器的機(jī)器，其 包括設(shè)置在目標(biāo)體中間及其外表面上的永磁體，該機(jī)器還包括圍繞著 上迷永磁體的線圏，該組件構(gòu)成了磁場(chǎng)集中器。在系統(tǒng)上還補(bǔ)充設(shè)置 了第二線圈，其被布置在蒸發(fā)器的外部。這種機(jī)器存在的問(wèn)題是所 產(chǎn)生的磁場(chǎng)很弱，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)的引導(dǎo)效果較弱。
專(zhuān)利文件WO-A-02/077318 (授予FUNDACION TEKNIKER等 人，該申請(qǐng)對(duì)應(yīng)著ES-T-2228830和EP-A-1382711 )公開(kāi)了一種帶有 強(qiáng)效力磁性引導(dǎo)器的蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器在對(duì)應(yīng)于腔室內(nèi)部的前方位置 處采用了永磁體，因而，當(dāng)該腔室被用于執(zhí)行鍍覆而達(dá)到高溫(例如， 對(duì)于切割刀具，其所需要的處理溫度約為500'C)時(shí)，必須要設(shè)置對(duì) 磁體進(jìn)行冷卻的裝置。
專(zhuān)利文件US-A-5298136公開(kāi)了 一種用于厚目標(biāo)體的磁性引導(dǎo)器， 其用在圓形的蒸發(fā)器中，包括兩個(gè)線圏和具有特殊構(gòu)造的磁性部件中， 磁性部件的構(gòu)造適于被蒸發(fā)的目標(biāo)體的邊緣，從而，該組件與具有兩 個(gè)磁極的單個(gè)磁性元件工作。但是，舉例來(lái)說(shuō)，已被證實(shí)的是專(zhuān)利 文件US-A-5298136中公開(kāi)的至少一種備選構(gòu)造可能不足以或不適于 在陰極電弧蒸發(fā)器中移動(dòng)電弧。具體而言，通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行有限元分 析而實(shí)施運(yùn)算分析，結(jié)果表明US-A-5298136中附圖5所表示的構(gòu)造 在實(shí)際情況中不允許電弧的移動(dòng)路線多于僅僅幾毫米；因而，這樣的 構(gòu)造將導(dǎo)致對(duì)蒸發(fā)目標(biāo)體的利用效率低下。US-A-5298136中圖5所公 開(kāi)的構(gòu)造是由環(huán)形的永磁體構(gòu)成的，永磁體被布置成圍繞著陰極或目 標(biāo)體，且永磁體的端部邊緣與陰極或目標(biāo)體的活性表面處于相同的高 度上。第二磁極位于永磁體的內(nèi)部。線圏被設(shè)置成與目標(biāo)體的下表面 相接觸，并位于該下表面上，其也位于永磁體的內(nèi)部，并位于支撐件 上，其中的支撐件被制成磁極的基部。在這樣的構(gòu)造中，第二磁極和 線圈被布置成抵靠在目標(biāo)體的下表面上，且永磁體夾住并接觸著線圏 和目標(biāo)體。另外，磁體的上邊緣與目標(biāo)體的活性表面平齊。
考慮到現(xiàn)有系統(tǒng)的缺陷和不理想之處，本發(fā)明的目的在于提供一 種備選構(gòu)造，其具有相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，并能對(duì)陰極電弧進(jìn)行控制，使 電弧在陰極板上的寬廣區(qū)域上移動(dòng)。更具體來(lái)講，本發(fā)明提供了一種 系統(tǒng)，其能按照一定的路線對(duì)陰極點(diǎn)(電弧沖擊到陰極上的位置點(diǎn)) 進(jìn)行引導(dǎo)，其中的路線是從無(wú)限條可能的路線中單獨(dú)地選出的，且該
路徑可跨越陰極板的整個(gè)內(nèi)表面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種陰極蒸發(fā)器，其包括蒸發(fā)室，其被用于容納著 要被進(jìn)行鍍覆的部件或表面；陰極組件，其包括陰極元件；以及陽(yáng)極。 陰極組件及陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)和位置被設(shè)置成這樣使得陰極元件與陽(yáng)極之 間可建立起電弧，以使得陰極元件至少部分地發(fā)生蒸發(fā)，且陰極組件 還包括磁性引導(dǎo)系統(tǒng)，用于對(duì)陰極元件上的電弧進(jìn)行引導(dǎo)。該磁性引 導(dǎo)系統(tǒng)包括磁性裝置，其包括中央磁極和外周磁極；以及至少第一 磁場(chǎng)發(fā)生器和第二磁場(chǎng)發(fā)生器，它們被用于產(chǎn)生各自的磁場(chǎng)分量，其 中的兩個(gè)磁場(chǎng)分量有助于對(duì)應(yīng)于陰極元件的總磁場(chǎng)。至少第 一磁場(chǎng)發(fā) 生器至少包括第一線圏，其圍繞著磁性裝置的至少一個(gè)部分進(jìn)行布置， 并被用于在磁場(chǎng)裝置中產(chǎn)生出對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)分量，從而，通過(guò)改變流經(jīng) 第一線圏的電流，就可以改變對(duì)應(yīng)于陰極元件的總磁場(chǎng)。外周磁極的 端面被設(shè)計(jì)成這樣使得第一磁場(chǎng)發(fā)生器與第二磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的對(duì) 應(yīng)于所述端面的磁場(chǎng)強(qiáng)于對(duì)應(yīng)于磁性裝置鄰近表面的磁場(chǎng)。
根據(jù)本發(fā)明，該端面與陰極元件之間的距離至少為20mm。已經(jīng) 證實(shí)，對(duì)于所討論端面與陰極元件之間這樣的間隔距離，顯著地增大
了使電弧沖擊點(diǎn)在陰極元件上移動(dòng)的可能性；原則上，可以使電弧的 沖擊點(diǎn)在陰極元件的整個(gè)表面上移動(dòng)。
該端面與陰極元件之間的^^離至少為30mm、或者至少為40mm。 例如，該3巨離可以大于40mm, 4旦小于150mm，例如，該多巨離大于 40mm、小于75mm。 一般情況下，這些距離設(shè)定能使得陰極電弧沖擊 點(diǎn)可在陰極元件的整個(gè)表面或大體上整個(gè)表面上很好地移動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)可能的方面，端面與陰極元件最外側(cè)平面之間的 間隔距離至少為10mm，其中，該距離是指在與所述平面垂直的第一 方向上的距離。另外或作為替換方案，在與所述陰極元件總體延伸方 向平行的方向上，所述端面可與陰極元件分離開(kāi)至少10mm。這樣的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得電弧沖擊點(diǎn)在陰極元件的表面上可以具有寬廣的運(yùn)動(dòng)范
圍。
磁性裝置可包括支撐件，其具有外周磁極和中央磁極，支撐件具 有基部，構(gòu)成了中央磁極的中央凸起從該基部延伸出。支撐件還可具 有外周的延伸部，其從基部延伸出，且延伸方向基本上平行于中央凸 起，所述外周延伸部構(gòu)成了外周磁極。所述的至少一個(gè)線圏可圍繞著 中央凸起。中央凸起可包括鐵磁體材料。
支撐件可以呈現(xiàn)基本為圓形結(jié)構(gòu)，和/或具有大體上為E形的橫截 面(在此情況下，E形結(jié)構(gòu)的中間臂對(duì)應(yīng)于中央凸起，而E形結(jié)構(gòu)的 側(cè)臂對(duì)應(yīng)著外周磁極)。
支撐件可由鐵磁體材料制成。第二磁場(chǎng)發(fā)生器可至少包括第二線 圈，其圍繞著支撐件上非中央凸起的部分，第二磁場(chǎng)發(fā)生器包括所述 第二線圈。
支撐件可在部分上由鐵磁體材料制成，在部分上由永磁體材料制 成，在此情況下，第二磁場(chǎng)發(fā)生器可包括永磁體材料。例如，外周磁 極可包括永磁體材料。
外周延伸部可至少在部分上包括永,茲體材料。該永/磁體材料的》茲 化方向與基部垂直，或者，磁化方向例如相對(duì)于基部成銳角。
在本發(fā)明某些可能的實(shí)施方式中，中央凸起可以至少在部分上包 括永磁體材料，和/或基部可至少在部分上包括永^^茲體材料。
凸起的端面可與基部分離開(kāi)，所述端面基本上是平面，并大體上 平行于陰極元件。
凸起可具有至少 一 個(gè)貫通的通道，以允許冷卻劑流體(例如為水) 通過(guò)。
外周磁極所處位置可對(duì)應(yīng)著陰極元件的外周邊緣，但與所述外周 邊緣分離開(kāi)。
該蒸發(fā)器還可包括管道系統(tǒng)，用于使冷卻劑流體對(duì)應(yīng)于陰極元件 通過(guò)，和/或包括可編程的系統(tǒng)，以便于向第一線圏提供電流。 外周磁極和中央磁極可被布置在蒸發(fā)室的外部。


為了對(duì)描述進(jìn)行完善，并有助于讀者更好地理解按照本發(fā)明實(shí)施 方式所述的技術(shù)特征，提供了一組附圖，這些附圖作為所述文字描述 的組成部分，在附圖中，針對(duì)示例性、但非限定性的特性作了如下的
介紹；
圖1中的示意性剖視圖表示了根據(jù)本發(fā)明一種可能的實(shí)施方式的 圓形電弧蒸發(fā)器，其帶有外置的強(qiáng)力磁性引導(dǎo)器；
圖2所表示的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)(具體而言，對(duì)應(yīng)于專(zhuān)利文件 US-A-5298136的圖5)的狀況；
圖3中的圖像表示了由圖1所示結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，該圖像作為 利用有限元方法進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果；
圖4與圖3類(lèi)似，是由圖2所示結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生磁場(chǎng)的圖像(用有限 元方法進(jìn)行計(jì)算；采用同樣的軟件包來(lái)計(jì)算圖3和圖4所示的磁場(chǎng))；
圖5是與蒸發(fā)目標(biāo)體表面垂直的磁場(chǎng)的圖表，該圖表是在目標(biāo)體 的表面內(nèi)進(jìn)行計(jì)算所得的，數(shù)值的變化取決于距離目標(biāo)體中心的距離， 該圖表是針對(duì)流經(jīng)圖1所示線圏的不同電流而作出的；
圖6與圖5類(lèi)似，是與蒸發(fā)目標(biāo)體表面垂直的磁場(chǎng)的圖表，該圖 表是在目標(biāo)體的表面內(nèi)進(jìn)行計(jì)算所得的，數(shù)值的變化取決于距離目標(biāo) 體中心的距離，該圖表是針對(duì)流經(jīng)圖2所示磁性結(jié)構(gòu)的內(nèi)部線圏的不 同電流而作出的；
圖7與圖5和圖6類(lèi)似，是與蒸發(fā)目標(biāo)體表面垂直的磁場(chǎng)的圖表， 該圖表是在目標(biāo)體的表面內(nèi)進(jìn)行計(jì)算所得的，數(shù)值的變化取決于距離 目標(biāo)體中心的距離，該圖表是針對(duì)流經(jīng)US-A-5298136中所述磁性結(jié)
構(gòu)的外線圏的不同電流而作出的；
圖8-14表示了磁性裝置的幾種備選構(gòu)造；以及
圖15表示了本發(fā)明的一種備選構(gòu)造，在該設(shè)計(jì)中未使用永磁體；
永磁體的功能由位于鐵磁體芯外部的線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
圖1表示了根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的機(jī)器，其包括蒸發(fā) 室2,其被用于容納著要被鍍覆的部件或表面1;陰極組件，其包括陰 極元件3;以及陽(yáng)極4。陰極元件和陽(yáng)極分別被連接到電源100的負(fù)極 和正極上，該電源適于在一定的條件下在陰極元件3與陽(yáng)極4之間建 立起電弧，并維持該電弧。真空泵101系統(tǒng)與蒸發(fā)室相連，用于在蒸 發(fā)室2中形成真空狀態(tài)(或者更好說(shuō)成是基本上為真空狀態(tài))，氣體注 入系統(tǒng)102也與蒸發(fā)室相連接，用于注入少量氣體，氣體的作用在于 利于在陰極元件3或陰極與系統(tǒng)的陽(yáng)極4之間建立起電弧。
陰極元件3構(gòu)成了通常被稱(chēng)為"目標(biāo)體"的組成部件，該目標(biāo)體將 至少在部分上被陰極電弧所蒸發(fā)。陰極元件位于蒸發(fā)室2其中一個(gè)壁 板上的孔洞中，其被布置在旋入到冷卻劑部件8中的環(huán)體7中，部件 8與冷卻劑流體的入口管道9 、以及冷卻劑流體的排出管道10相連， 冷卻劑流體從所述入口與所述出口之間流過(guò)，并與陰極元件的外表面 相接觸，以對(duì)其進(jìn)行冷卻。由塑料或陶瓷材料制成的部件5的作用在 于將陰極組件固定到蒸發(fā)室2的壁面上；該部件5在陰極組件與蒸 發(fā)室2的本體之間實(shí)現(xiàn)了電絕緣。此外，該機(jī)器具有保護(hù)板6，該保 護(hù)板可由氮化硼或其它合適的材料制成，其所處位置可對(duì)陰極元件3 以及環(huán)體7的側(cè)面進(jìn)行保護(hù)，從而，電弧不會(huì)沖擊到該組件的這些部 分上。必須定期對(duì)該保護(hù)板進(jìn)行維護(hù)，原因在于在電弧的工作過(guò)程 中，該保護(hù)板將逐漸被導(dǎo)電材料所鍍覆，因而，其電絕緣性以及阻擋 電弧沖擊的效果將逐漸降低。
從邏輯上講，盡管附圖中沒(méi)有表示出，但在冷卻劑部件8與陰極 元件之間要設(shè)置至少 一個(gè)密封接頭，以防止冷卻劑流體流入到蒸發(fā)室 2中。
此外，陰極組件還包括磁性引導(dǎo)系統(tǒng)，用于對(duì)陰極元件3上的電 弧進(jìn)行引導(dǎo)。具體來(lái)講，在圖l所示的實(shí)施方式中，該磁性引導(dǎo)系統(tǒng) 包括磁性裝置，其包括中央磁極14和外周磁極12;以及第一磁場(chǎng) 發(fā)生器和第二磁場(chǎng)發(fā)生器，它們被用于對(duì)應(yīng)著陰極元件3而產(chǎn)生出各 自的磁場(chǎng)分量，其中，這兩個(gè)磁場(chǎng)分量是對(duì)總磁場(chǎng)的分量。第一磁場(chǎng)
發(fā)生器包括第一線圈13，其圍繞著中央凸起14b進(jìn)行布置，凸起14b 從支撐件15的基部15a延伸出，支撐件15構(gòu)成了磁性裝置的組成部 件。凸起14b被用來(lái)在所述磁性裝置中產(chǎn)生出對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)分量，從而， 通過(guò)改變流經(jīng)第一線圏13的電流，就可以對(duì)應(yīng)著陰極元件3改變總磁 場(chǎng)。中央凸起14b具有與基部15a分離開(kāi)的端面14a;該端面基本上 是平面，且大體上平行于陰極元件3。此外，外周^P茲極12的端面12a 被設(shè)計(jì)成這樣使得第一磁場(chǎng)發(fā)生器和第二磁場(chǎng)發(fā)生器對(duì)應(yīng)于端面 12a所產(chǎn)生的磁場(chǎng)要強(qiáng)于它們對(duì)應(yīng)著磁性裝置的鄰近表面所產(chǎn)生的磁 場(chǎng)。
支撐件具有外周延伸部12b，其從基部15a延伸出，延伸方向基 本上平行于中央凸起14b;該外周延伸部12b構(gòu)成了外周磁極12。在 該優(yōu)選實(shí)施方式中，外周延伸部是由永磁體構(gòu)成的，且其端部為所述 的端面12a。
因而，磁性裝置基本上包括永磁體制成的外周環(huán)，其疊壓在具有 T形截面本體(其構(gòu)成了具有中央凸起14b的支撐件15)的電磁體上， 其是由具有高導(dǎo)磁率和低矯頑性的材料(例如軟鐵或其它合適的鐵磁 材料)制成的，且T形本體的中央臂被線圏13纏繞著。
另外，陰極組件上設(shè)置有可編程的系統(tǒng)18,其用于向第一線圏13 供送電流。可編程系統(tǒng)可包括一種放大器，這種類(lèi)型的放大器通常被 用于向直流電機(jī)供電，該放大器所輸出的電流由編程邏輯控制器 (PLC)發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行控制，從而能按照程控的方式來(lái)改變流經(jīng)第一 線圏13的電流。
根據(jù)本發(fā)明，永磁體對(duì)應(yīng)著陰極元件的外邊緣進(jìn)行布置，但與陰 極元件分離開(kāi)。具體來(lái)講，端面12a (對(duì)應(yīng)于永磁體的端部)與陰極 元件3之間的距離A至少為20mm，例如在40mm到150mm之間。 可以理解端面12a與陰極元件3最外側(cè)平面之間的分離距離B至少 為10mm,此分離距離是指在與所述平面垂直的第一方向上的距離， 而且，如圖1所示，在與所述陰極元件3的總體延伸方向平行的方向 上，與陰極元件3之間的距離C至少也為10mm。
這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能獲得這樣的電弧沖擊點(diǎn)其可在陰極元件的整 個(gè)表面上移動(dòng)，其中，陰極元件的整個(gè)表面是指可從蒸發(fā)室2內(nèi)部到 達(dá)的全部表面，上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還使得冷卻系統(tǒng)8可被布置在磁性引 導(dǎo)系統(tǒng)與陰極元件3之間。
從圖中可看出，圖1所示的磁性引導(dǎo)系統(tǒng)完全位于蒸發(fā)室2的外 部，這有利于該蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)和制造。
在圖1的示意圖中，相對(duì)尺寸比例類(lèi)似于用于對(duì)直徑為100mm 的圓形蒸發(fā)目標(biāo)體進(jìn)行蒸發(fā)的蒸發(fā)器的尺寸比例。
圖2示例性地表示了一種實(shí)施方式，該實(shí)施方式似乎構(gòu)成了現(xiàn)有 技術(shù)的組分部分，更具體來(lái)講，該實(shí)施方式似乎被反映在專(zhuān)利文件 US-A-5298136中。該系統(tǒng)包括陰極或蒸發(fā)目標(biāo)體72、鐵磁體芯75、 線圏76、以及永磁體71。永》茲體71與陰極元件72的表面處于同一高 度，這樣的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為不適合于許多應(yīng)用場(chǎng)合，原因在于該結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)看起來(lái)并不能在陰極元件的整個(gè)表面上有利地對(duì)電弧進(jìn)行合適的引 導(dǎo)。
圖3表示了在圖1所示的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的磁設(shè)計(jì)構(gòu)造中、 當(dāng)線圏未通電時(shí)由永磁體所產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁力線。利用通過(guò)有限元方法 的、用于計(jì)算磁場(chǎng)的軟件包對(duì)該磁場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。點(diǎn)"P，，指代這樣的 點(diǎn)在該位置點(diǎn)上，磁場(chǎng)與目標(biāo)體的內(nèi)表面平行(也就是說(shuō)，與陰極 元件的表面平行，陰極元件所處位置對(duì)應(yīng)于蒸發(fā)室的內(nèi)部，且在其上 陰極電弧必然產(chǎn)生作用)，或者，換言之，該位置點(diǎn)是目標(biāo)體表面上這 樣的點(diǎn)該點(diǎn)處的磁場(chǎng)法向分量(與目標(biāo)體表面垂直的分量)被抵消 掉。在目標(biāo)體的表面上，這樣的點(diǎn)構(gòu)成了圓形的軌跡，該軌跡構(gòu)成了 電弧運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵循的路線。
圖4表示了在圖2所示的磁結(jié)構(gòu)中、當(dāng)線圏未通電時(shí)由永磁體所 產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁力線；利用用于計(jì)算圖3所示磁場(chǎng)的相同軟件來(lái)計(jì)算該 磁場(chǎng)。如圖4所示，點(diǎn)"P"指代了在其處磁場(chǎng)與目標(biāo)體內(nèi)表面平行的 位置點(diǎn)。
圖2中各部件之間的相對(duì)比例關(guān)系不適合于強(qiáng)力永磁體一例如用
釹-鐵-硼材料或鈷-釤基材料制成的永磁體。專(zhuān)利文件US-A-5298136 中圖5可能考慮采用的鋁鎳鈷磁體，在該專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)峤坏漠?dāng)時(shí)，這種 磁體仍然是最為常用的磁體。因而，在進(jìn)行圖3和圖4所示的模擬過(guò) 程時(shí)，假定采用的是鋁鎳鈷V型永磁體。為了確保兩模擬過(guò)程具有可 比性，兩模擬還都使用了直徑為100mm的目標(biāo)體。以此作為前提， 對(duì)圖2所示結(jié)構(gòu)所作的模擬計(jì)算遵守了 US-A-5298136中圖5所示的 各部件間比例。
圖5中的圖線表示了在目標(biāo)體的表面上、磁場(chǎng)法向分量(在"y" 軸上，單位為特斯拉[T1)隨距離目標(biāo)體中心的距離("x"軸，單位為 mm)的變化關(guān)系，圖中的圖線都是基于圖1所示的磁性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 但對(duì)應(yīng)于循環(huán)流經(jīng)線圈的不同電流密度值(分別是2A/mm2、 0 A/mm2、 -lA/mm2)。如上文指出的那樣，電弧的運(yùn)動(dòng)將遵循著這樣的路線 該路線是由在其處磁場(chǎng)平行于目標(biāo)體表面的點(diǎn)組成的，即在這些點(diǎn)上， 法向分量被抵消掉了。因而，從該圖線可看出，對(duì)于不通電的線圈， J=0 A/mm2時(shí)，路線是半徑為44mm的圓周。類(lèi)似地，對(duì)于J= — 1 A/mm2 的情況，路線的半徑為48mm,該數(shù)值非常接近于目標(biāo)體的邊緣，而 對(duì)于J-2A/mn^的情況，路線的半徑為3mm，因而，該路線實(shí)質(zhì)上是 在中心處。
與此相反，圖6是對(duì)圖2所示的磁性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(應(yīng)用上文針對(duì)該 附圖已提及的內(nèi)容，但已作必要的修改)所作的相同圖線(即磁場(chǎng)法 向分量("y"軸，單位為特斯拉[Tj)在目標(biāo)體表面內(nèi)隨距離目標(biāo)體中 心的距離("x"軸，單位為mm)變化的圖線，圖中的圖線對(duì)應(yīng)于循環(huán) 流經(jīng)線圏的不同電流密度值(分別是J=2A/mm2 、 0 A/mm2 、 一 2 A/mm2 、 以及-5A/mm2))。從圖中可看出，對(duì)于線圏中電流的所有合理數(shù)值， 法向的磁場(chǎng)都是在約44mm的半徑處被抵消掉，因而，不論流經(jīng)線圏 的電流強(qiáng)度如何，電弧都將遵循該路線移動(dòng)。通過(guò)改變線圈中電流強(qiáng) 度所能實(shí)現(xiàn)的唯一變化是磁場(chǎng)強(qiáng)度的略微增強(qiáng)或減弱，但這對(duì)磁場(chǎng)將 電弧約束到所確立路線上的力度的影響小，在改變平行磁場(chǎng)的強(qiáng)度時(shí)， 還能略微地影響電弧的移動(dòng)速度。
圖7也表示了圖2所示磁性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(應(yīng)用上文針對(duì)該附圖已提 及的內(nèi)容，但已作必要的修改)的法向磁場(chǎng)(即磁場(chǎng)法向分量("y，， 軸，單位為特斯拉T)在目標(biāo)體表面內(nèi)隨距離目標(biāo)體中心的距離("x，， 軸，單位為mm)變化的圖線，圖中的圖線對(duì)應(yīng)于流經(jīng)線圏的不同電 流密度值(分別是2A/mm2、 0A/mm2、 -2A/mm2、以及-5A/mm2))， 但這次卻采用了線圏位于鐵磁體芯外部的設(shè)計(jì)。在此情況下，電弧路 線的半徑出現(xiàn)了微小的變化，從40mm的半徑值變化到45mm—盡管 為此目的必須使電流強(qiáng)度在-2 A/mm2到5A/mm2之間變動(dòng)，也就是 說(shuō)，電流強(qiáng)度的變化范圍遠(yuǎn)大于圖1所示構(gòu)造的范圍。這就意味著 如果采用了基于圖2所示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，則可能就必須要采用有水的冷 卻系統(tǒng)，用以防止由于電流的勉強(qiáng)通過(guò)而導(dǎo)致的線圏過(guò)熱。
在圖2所示構(gòu)造的情況下，無(wú)法利用線圏的作用來(lái)改變電弧路線 的主要原因可能在于如下的事實(shí)永磁體(其磁場(chǎng)幾乎不會(huì)被線圈所 改變)接近目標(biāo)體表面使得在該位置點(diǎn)處的磁場(chǎng)幾乎不會(huì)受到線圏所 產(chǎn)生磁場(chǎng)的影響。因而，本發(fā)明通過(guò)將所述永磁體(或磁性裝置中具 有對(duì)應(yīng)功能的元件)移離蒸發(fā)目標(biāo)體解決了這一問(wèn)題。為了補(bǔ)償與移 離永磁體相關(guān)的磁場(chǎng)減弱問(wèn)題，合適的做法是增大永磁體的尺寸。據(jù) 估計(jì)在圖1所示的情況中，永磁體與目標(biāo)體之間20mm的分離距離 就可以是足夠的，該距離使得經(jīng)過(guò)合適設(shè)計(jì)的線圏的作用可全面影響 實(shí)際應(yīng)用范圍內(nèi)的電弧路線。將永磁體移動(dòng)更遠(yuǎn)可帶來(lái)更大的作用范 圍，但反過(guò)來(lái)會(huì)減弱磁場(chǎng)，因而，永磁體對(duì)電弧性能的有益影響減弱 了，或者作為備選方案，必須要采用更大或更強(qiáng)的磁體。通常認(rèn)為 具有在電弧路線上約15高斯(0.0015特斯拉)平行磁場(chǎng)的引導(dǎo)器就足 以對(duì)電弧進(jìn)行合適的引導(dǎo)，但磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大通常能帶來(lái)鍍覆質(zhì)量的 改善。反過(guò)來(lái)，這就要求使用更大的磁體或具有更大能量的磁體，甚 至電弧電源也需要具有更好的質(zhì)量，這是因?yàn)殡娀∫苿?dòng)速度的增大 也會(huì)涉及到電弧電壓的升高，因而，必須要使用質(zhì)量更好、反應(yīng)性更 好的電源來(lái)對(duì)不穩(wěn)定性進(jìn)行補(bǔ)償。因而，所必須選用的磁場(chǎng)強(qiáng)度取決 于上述不同因素之間的相對(duì)重要性。
圖8-15表示了用于制造磁性引導(dǎo)器的磁性部件的一些備選構(gòu) 造，這些備選構(gòu)造是從所能想到的許多構(gòu)造中選出的，它們基本上保 持了本發(fā)明的特點(diǎn)。
圖8對(duì)應(yīng)于磁性引導(dǎo)器的一種備選實(shí)施方式，在該實(shí)施方式中， 鐵磁體芯具有中間的通孔17，冷卻劑流體的供送管9和回流管10從 該通孔中穿過(guò)，電弧電流的供應(yīng)線路(圖中未示出)也從此穿過(guò)。該 通孔僅改變了磁場(chǎng)在目標(biāo)體表面內(nèi)的分布，其對(duì)表面作用范圍的影響 很小，但按照這種形式來(lái)供送冷卻劑流體和電弧電流卻能實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)、 均勻地供送，不會(huì)影響目標(biāo)體型廓的損耗。可采用徑向或螺旋形的通 道來(lái)使冷卻系統(tǒng)復(fù)雜化。如圖1所示，外周延伸部12b可由永磁體來(lái) 構(gòu)成。
圖9表示了一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在該設(shè)計(jì)形式中，模擬計(jì)算中使用的 鋁鎳鈷磁體(其構(gòu)成了圖8中的外周延伸部)被頂上蓋著高能磁體12c 的鐵磁體部件(其構(gòu)成了實(shí)際支撐件15的一部分)取代，其中的磁體 12c是用釹-鐵-硼材料或鈷-釤基材料制成的，該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是具有 更大的能量，并避免了鋁鎳鈷磁體的退磁問(wèn)題。
圖IO所示的構(gòu)造與圖9所示構(gòu)造類(lèi)似，但在該構(gòu)造中，還在中央 磁極上增設(shè)了磁體14c，其有助于增大磁場(chǎng)的強(qiáng)度。
圖11是圖10所示構(gòu)造的替換結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，中央磁極的》茲 體14d被徑向磁化，因而可布置數(shù)目更多的磁體，這有助于進(jìn)一步增 大磁場(chǎng)。
在這些構(gòu)造中，位于中央/F茲極處的永磁體的/P茲化被設(shè)計(jì)成這樣 使得其與外周磁體12c所產(chǎn)生磁力線到達(dá)此處的方向一致，從而可增 強(qiáng)磁力線，且不會(huì)對(duì)外周磁體12c所產(chǎn)生磁力線的分布造成顯著改變。 如果中央磁極14c、 14d的這些磁體被按照相反的方向磁化，則它們將 逆反著外周磁體12c所產(chǎn)生的磁通量，并將顯著地改變磁場(chǎng)的特性。
圖12表示了一種構(gòu)造，在該構(gòu)造中，外周磁體12d沒(méi)有被垂直地 磁化，但朝向蒸發(fā)器的中心具有一定的傾斜度。這樣的改型利用外周 磁體就簡(jiǎn)單地改變了所形成路線的位置，這樣的設(shè)計(jì)可被有利地用來(lái)
對(duì)線圏要在兩個(gè)方向上必須施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行均衡，以將路線牽拖 到其實(shí)際界限處。
圖13表示了一種構(gòu)造，在該構(gòu)造中，永磁體12e被布置在水平面 內(nèi)，而不是布置在垂直臂上。這種構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)在于其為磁體的布置 提供了更大的空間，因而，磁體可以是能量低于其它構(gòu)造中所使用》茲 體的低能磁體。例如，這些磁體可以是硬鐵氧體，而不是其它構(gòu)造中 使用的釹-鐵-硼磁體。
圖14表示了一種構(gòu)造，在該構(gòu)造中，未在外周磁極處使用磁體， 中央磁極是由永磁體14e構(gòu)成的，該磁體的磁化方向并非是嚴(yán)格垂直 的，而是向內(nèi)側(cè)傾斜的。
圖15表示了一種構(gòu)造，在該構(gòu)造中，取消了永磁體，利用位于i茲 性組件外部的線圏16來(lái)完成該磁體的功能，其中，磁性組件是由構(gòu)成 了支撐件15的鐵磁體芯制成的。盡管該構(gòu)造的實(shí)際應(yīng)用性要弱于上文 所述的其它構(gòu)造，但可能會(huì)出現(xiàn)這樣的情況可有利地使用由外部線 圈獲得的極大的靈活性。
另外，所有這些構(gòu)造都可通過(guò)一插入件被制得與氣體注射系統(tǒng)相 適配，其中，插入件位于蒸發(fā)目標(biāo)體的中心，以便于對(duì)電弧執(zhí)行電子引燃。
上文描述的各種結(jié)構(gòu)甚至可相互結(jié)合起來(lái)以形成充分有效的構(gòu) 造，因而，很顯然所述的各種構(gòu)造決不排除制造其它不同的磁性引 導(dǎo)器的可能性，所述引導(dǎo)器基本上符合本發(fā)明中所描述的原理即可。 在對(duì)本發(fā)明的幾種可行的實(shí)施方式作詳細(xì)描述時(shí)，相同或類(lèi)似的元件 用相同的數(shù)字標(biāo)號(hào)指代。
在這樣的條件下，詞語(yǔ)"包括"及其變換詞語(yǔ)(例如"包含"等)不 應(yīng)被理解為排除性的，也就是說(shuō)，這些詞語(yǔ)沒(méi)有排除這樣的可能性 被描述的事項(xiàng)包括其它的元件、步驟等。
此外，本發(fā)明并不限于上文描述的具體實(shí)施方式
，而是還包括各 種改型，例如由本領(lǐng)域技術(shù)人員設(shè)計(jì)出的、可從權(quán)利要求推導(dǎo)出的其 它改型(例如針對(duì)于材料選擇、尺寸、部件、結(jié)構(gòu)等的改型)。
權(quán)利要求
1.一種陰極蒸發(fā)器，其包括蒸發(fā)室(2)，其被用于容納著要被進(jìn)行鍍覆的部件或表面(1)；陰極組件，其包括陰極元件(3)；以及陽(yáng)極(4)，陰極組件及陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)和位置被設(shè)置成這樣使得陰極元件(3)與陽(yáng)極(4)之間可建立起電弧，以使得陰極元件(3)至少部分地蒸發(fā)，陰極組件還包括磁性引導(dǎo)系統(tǒng)，用于對(duì)陰極元件(3)上的電弧進(jìn)行引導(dǎo)，所述磁性引導(dǎo)系統(tǒng)包括磁性裝置，其包括中央磁極(14)和外周磁極(12)；以及至少第一磁場(chǎng)發(fā)生器和第二磁場(chǎng)發(fā)生器，它們被用于產(chǎn)生各自的磁場(chǎng)分量，兩磁場(chǎng)分量有助于形成對(duì)應(yīng)于陰極元件(3)的總磁場(chǎng)，至少所述的第一磁場(chǎng)發(fā)生器至少包括第一線圈(13)，其圍繞著磁性裝置的至少一個(gè)部分(14b)進(jìn)行布置，并被用于在所述磁場(chǎng)裝置中產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)分量，從而，通過(guò)改變流經(jīng)所述第一線圈(13)的電流，可改變對(duì)應(yīng)于所述陰極元件(3)的所述總磁場(chǎng)，外周磁極(12)的端面(12a)被設(shè)計(jì)成這樣使得第一磁場(chǎng)發(fā)生器與第二磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)于所述端面(12a)的磁場(chǎng)的強(qiáng)度大于對(duì)應(yīng)于磁性裝置鄰近表面的磁場(chǎng)；其特征在于所述端面(12a)與陰極元件(3)之間的距離(A)至少為20mm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于所述距離(A) 至少為30mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于所述距離(A ) 至少為40mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于所述距離(A ) 大于40mm,小于150mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于所述距離(A ) 大于40mm，小于75mm。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所迷的陰極蒸發(fā)器，其特征在于在與 陰極元件(3)最外側(cè)平面垂直的第一方向上，所述端面(12a)與陰 極元件(3)最外側(cè)平面之間間隔至少為10mm的距離(B)。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于在與 所述陰極元件(3)總體延伸方向平行的方向上，所述端面(12a)與 陰極元件(3)分離至少10mm的距離(C)。
8. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于磁性 裝置包括支撐件(15)，其具有所述的外周磁極(12)和所述中央磁極(14)，所述支撐件具有基部(15a)，構(gòu)成了所述中央磁極(14)的中 央凸起(14b)從該基部延伸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于支撐件還具 有外周延伸部(12b),其從基部(15a )延伸出，且延伸方向基本上平 行于中央凸起(14b),所述外周延伸部(12b)構(gòu)成了外周磁極(12)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于所述 的至少一個(gè)線圏(13)圍繞著所述中央凸起(14b)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于所述中央 凸起(14b)包括鐵磁體材料。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8-11之一所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于 所述支撐件(15)總體上為圓形結(jié)構(gòu)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8-12之一所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于 所述支撐件(15)具有大體上為E形的橫截面，E形結(jié)構(gòu)的中間臂對(duì) 應(yīng)于中央凸起(14b )，而E形結(jié)構(gòu)的側(cè)臂(12b)對(duì)應(yīng)著外周磁極(12 )。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8-13之一所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于 所述支撐件(15)由鐵磁體材料制成。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于第二磁場(chǎng) 發(fā)生器至少包括第二線圏(16)，其圍繞著支撐件上非中央凸起的部分(見(jiàn)圖15)，第二磁場(chǎng)發(fā)生器包括所述第二線圏(16)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求8-13之一所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于 支撐件在部分上由鐵磁體材料制成、在部分上由永磁體材料制成，所 述第二磁場(chǎng)發(fā)生器包括所述永磁體材料。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于外周磁極 (12)包括永磁體材料。
18. 根據(jù)權(quán)利要求9和16所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于所述 外周延伸部(12b)至少在部分上包括永磁體材料(見(jiàn)圖l和圖8-12)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于所述永磁 體材料的磁化方向與基部垂直(見(jiàn)圖l和圖8-11)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于所述永磁 體材料的磁化方向相對(duì)于基部成銳角(見(jiàn)圖12)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于所述凸起 (14b)至少在部分上包括永磁體材料(見(jiàn)圖10、 11、 14)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于所述基部 (15a)至少在部分上包括永磁體材料(見(jiàn)圖13)。
23. 根據(jù)權(quán)利要求8-22之一所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于 凸起的端面(14a)與基部分離開(kāi)，所述端面基本上是平面，并大體上 平行于陰極元件(3)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求8-23之一所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于 凸起(14b)具有至少一個(gè)貫通的通道(17),以允許冷卻劑流體通過(guò)。
25. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于外 周磁極(12)對(duì)應(yīng)著陰極元件(3)的外周邊緣設(shè)置，但與所述外周邊 緣分離。
26. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于還包 括管道系統(tǒng)(9、 10)，用于使冷卻劑流體對(duì)應(yīng)于陰極元件(3)通過(guò)。
27. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于還包 括可編程控制的系統(tǒng)(18),以便于向第一線圈(13)提供電流。
28. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的陰極蒸發(fā)器，其特征在于外 周磁極(12)和中央磁極(14)被布置在蒸發(fā)室的外部。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陰極蒸發(fā)器，其包括蒸發(fā)室(2)、陰極元件(3)、陽(yáng)極(4)、以及用于對(duì)陰極元件(3)上電弧進(jìn)行引導(dǎo)的磁性引導(dǎo)系統(tǒng)。磁性引導(dǎo)系統(tǒng)包括中央磁極(14)和帶有端面(12a)的外周磁極(12)。所述端面(12a)與陰極元件(3)之間的距離(A)至少為20mm。
文檔編號(hào)H01J37/32GK101370957SQ200580052539
公開(kāi)日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者J·戈伊科特克薩·拉里納加 申請(qǐng)人:特克尼克基金會(huì)