專利名稱：一種高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及材料表面防護領域，具體地說是一種高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置。
背景技術：
表面防護涂層技術是提高工模具及機械部件質(zhì)量和使用壽命的重要途徑，作為材料表面防護技術之一的物理氣相沉積技術，已在現(xiàn)代刀具、模具以及機械零件的應用方面取得了十分理想的效果。在實際應用中，高性能防護涂層必須具有高硬度、高韌性、低摩擦系數(shù)、良好的化學穩(wěn)定性、較好的抗粘著能力和抗熱磨損性能，以及特別重要的與基體有很好的結合性能。這就要求鍍層技術能夠提供高的等離子體離化率、高的等離子體密度、高的粒子能量、較快的沉積速率以及較少的缺陷，而目前尚未有某種技術可以同時達到這些目標。物理氣相沉積技術主要分為真空蒸鍍、磁控濺射和離子鍍?nèi)齻€類型，真空蒸鍍和磁控濺射由于粒子能量和離化率低，導致膜層疏松多孔、力學性能差、難以獲得良好的涂層與基體之間的結合力，嚴重限制了該類技術在防護涂層制備領域的應用。電弧離子鍍的離化率高、等離子體密度高、粒子能量高、沉積速率快以及可低溫沉積的突出優(yōu)點使其在工模具鍍上展現(xiàn)出其他鍍膜方式所不具備的優(yōu)勢，是目前工模具及機械零件防護涂層制備的最佳工藝。離子鍍源是電弧等離子體放電的源頭，是離子鍍技術的核心部件。為了產(chǎn)生高離化率、高離子密度、高粒子能量、高的等離子體傳輸效率以及較少的缺陷的等離子體，必須有合理的弧斑放電機制和控制以及等離子體在傳輸空間的有效高密度分布，而這都必須有合理的機械結構與磁場結構的配合。離子鍍源磁場的設置必須有兩方面的作用，一方面有效的改善弧斑放電，控制弧斑運動，減少顆粒發(fā)射，維持自持放電穩(wěn)定發(fā)生；另一方面有效的改善傳輸空間的磁場分布，提高等離子體的傳輸效率和密度等鍍膜關鍵參數(shù)。因此，必須同時考慮靶面附近的磁場和傳輸空間的磁場設計。而傳統(tǒng)的離子鍍源設計主要是考慮在靶材附近施加磁場來控制弧斑的運動,來 提高放電穩(wěn)定性和靶材刻蝕率,并沒有同時解決等離子在傳輸空間分布的不均勻性，造成了等離子體傳輸空間及基體處離子密度的下降?；蛘呤侵饕紤]了提高等離子傳輸效率，設置的磁場又對靶面附近的磁場分布造成了很大的影響，難以達到弧斑放電改善所需磁場狀態(tài)，而弧斑的有效控制是產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)等離子體的源頭，因此沒有完善有效的靶面附近的磁場設計，將不會有良好的等離子體的發(fā)生，而沒有傳輸空間磁場的合理分布，將不會有高效高密度均勻的等離子體的傳輸，提供給高性能涂層制備所需的等離子體的量和質(zhì)。因此，在離子鍍源的設計中，如何提供復合的磁場，能夠兼容靶面附近和等離子體傳輸空間的磁場分布，是性能優(yōu)越的離子鍍源所需考慮的。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，解決現(xiàn)有技術等離子在傳輸空間分布的不均勻性，造成了等離子體傳輸空間及基體處離子密度的下降等問題。本實用新型的技術方案:一種高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，采用具有靶材底柱緊湊結構的離子鍍槍裝置配合雙層水冷傳輸法蘭套，采用錐臺形靶材，通過靶材底柱周圍靶座背面的內(nèi)軸向磁場發(fā)生裝置與傳輸法蘭套上的外兩級軸向磁場發(fā)生裝置的配合，形成與錐臺形靶材錐面相交的約束軸向磁場及傳輸空間聚焦導引軸向磁場兼容的多級軸向復合磁場結構。所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，離子鍍槍裝置設有靶材、靶材底座、冷卻水進水管道、永磁體或導磁環(huán)、靶材底柱、靶材底柱絕緣套、離子鍍槍底盤、離子鍍槍底盤緊固板、冷卻水通道底座、內(nèi)軸向磁場發(fā)生裝置，錐臺形靶材安裝在靶材底座上，錐臺形靶材的外側設置靶材屏蔽罩，靶材底部與靶材底座冷卻銅板緊密接觸，通過靶材底座冷卻銅板間接冷卻；靶材底柱的內(nèi)側設置永磁體或導磁環(huán)和冷卻水進水管道,永磁體或導磁環(huán)設置于冷卻水進水管道的外側；靶材底座中設置有靶材底座冷卻通道隔板，靶材底座冷卻通道隔板將靶材底座中的空腔分成靶材底座冷卻水上通道和靶材底座冷卻水下通道；靶材底座安裝在靶材底柱的一端，靶材底柱外徑尺寸為靶材底座外徑尺寸的1/4 1/2，內(nèi)軸向磁場發(fā)生裝置圍套在靶材底座后的靶材底柱周圍；靶材底柱內(nèi)部設有冷卻水進水管道，與靶材底柱外筒形成冷卻水通道，冷卻水進水管道與靶材底柱一起安裝在底部的冷卻水通道底座上；靶材底柱的外側設置靶材底柱絕緣套，通過絕緣套與靶材底柱之間的密封圈密封；靶材底柱絕緣套的外側設置離子鍍槍底盤絕緣盤、離子鍍槍底盤、離子鍍槍底盤緊固板，離子鍍槍底盤的一側設置離子鍍槍底盤緊固板，離子鍍槍底盤緊固板通過靶材底柱絕緣套上的絕緣套盤與離子鍍槍底盤隔開，離子鍍槍底盤的另一側設置離子鍍槍底盤絕緣盤，離子鍍槍底盤通過底部密封圈、離子鍍槍底盤緊固板通過頂部密封圈與絕緣套上的絕緣盤相互形成緊密接觸密封；電源接頭端子安裝在靶材底柱上，離子鍍槍裝置通過離子鍍槍底盤安裝在雙層水冷傳輸法蘭套上。所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，雙層水冷傳輸法蘭套采用不導磁的不銹鋼法蘭套，·法蘭套為空心結構，法蘭套中通有冷卻水；法蘭套的外側設有法蘭套絕緣套，法蘭套絕緣套的外側設有外軸向磁場發(fā)生裝置，外軸向磁場發(fā)生裝置、法蘭套與靶材三者之間同軸，外軸向磁場發(fā)生裝置在法蘭套上的位置可調(diào)；法蘭套截面單邊形狀為L形，中間法蘭套冷卻水通道由雙層不銹鋼筒同軸圍套組成，冷卻水通道上部焊接一環(huán)形法蘭盤，法蘭盤內(nèi)徑與法蘭套內(nèi)徑平齊，外徑與爐體法蘭外徑平齊，法蘭盤邊緣開有6-8個法蘭安裝孔，通過法蘭安裝孔將法蘭整體與爐體連接；冷卻水通道下部連接不銹鋼法蘭環(huán)，法蘭環(huán)內(nèi)、外徑與法蘭套一致，法蘭環(huán)底部開有8個螺紋孔，其中對稱兩個螺紋孔為通孔，作為進出水口，另外6個作為離子鍍槍底盤連接孔。所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，多級軸向復合磁場是內(nèi)軸向磁場與外兩級軸向磁場耦合形成的與錐臺形靶材錐面相交的約束軸向磁場及傳輸空間聚焦導引軸向磁場兼容的復合軸向磁場之一:(I)由外長、短單級軸向磁場單獨作用形成單級軸向磁場；(2)由內(nèi)軸向磁場與外長單級軸向磁場耦合的兩級軸向磁場；(3)由內(nèi)軸向磁場與外短單級軸向磁場耦合的兩級軸向磁場；[0013](4)由內(nèi)軸向磁場與外兩級軸向磁場I禹合的三級軸向磁場。所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，內(nèi)軸向磁場為靶材背面的輔助磁場，線圈中心強度為20-80G的弱磁場；外軸向磁場為靶面附近的軸向過渡磁場，線圈中心強度為50-150G的弱磁場；或者，外軸向磁場為線圈中心強度為100-500G的聚焦導引強磁場；或者，外軸向磁場為靶面附近的軸向過渡磁場與聚焦導引強磁場的疊加磁場。所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，與錐臺形靶材錐面相交的約束軸向磁場為線圈中心強度為20-100G的弱磁場，由外長、短單級軸向磁場與錐臺形革巴材錐面相交形成，或由內(nèi)軸向磁場與外單級 軸向磁場耦合形成，或由內(nèi)軸向磁場與外兩級軸向磁場的軸向過渡磁場磁場I禹合形成；傳輸空間聚焦導引軸向磁場為線圈中心強度為100-500G的強磁場，由外長、短單級軸向磁場在傳輸空間形成,或由外兩級軸向磁場I禹合形成。所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，內(nèi)軸向磁場發(fā)生裝置由放置于祀材后面革巴材底柱內(nèi)部的高導磁率磁軛及與磁軛同軸放置的電磁線圈組成；內(nèi)軸向磁場發(fā)生裝置的電磁線圈外徑尺寸與靶材外徑尺寸一致，內(nèi)徑尺寸與靶材底柱外徑尺寸一致，通直流電，通過電流強度調(diào)節(jié)靶面磁場強度，內(nèi)軸向磁場發(fā)生裝置在靶面產(chǎn)生軸對稱發(fā)散磁場。所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，外單級軸向磁場發(fā)生裝置由圍套在傳輸法蘭套上的單個電磁線圈或多個電磁線圈串聯(lián)組成的長電磁線圈或短電磁線圈組成，外單級軸向磁場發(fā)生裝置圍套在靶材周圍，與靶材同軸放置，外單級軸向磁場發(fā)生裝置在靶材前端傳輸空間產(chǎn)生軸向聚焦強磁場，外單級軸向磁場發(fā)生裝置單獨或與內(nèi)軸向磁場I禹合形成與錐臺形祀材錐面相交的約束軸向磁場。所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，外兩級軸向磁場的軸向磁場發(fā)生裝置，由圍套在傳輸法蘭套上的單個電磁線圈或多個電磁線圈串聯(lián)組成，外軸向磁場發(fā)生裝置靠近法蘭套前端法蘭盤，與靶材同軸放置，與靶面有一定的距離，外軸向磁場發(fā)生裝置在靶材前端傳輸空間產(chǎn)生線圈中心強度為100-500G的軸向聚焦強磁場，由軸向磁場電磁線圈通直流電產(chǎn)生，通過電流強度調(diào)節(jié)聚焦磁場的強度。所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，外兩級軸向磁場的軸向磁場發(fā)生裝置，由圍套在傳輸法蘭套上的單個電磁線圈或多個電磁線圈串聯(lián)組成，外兩級軸向磁場發(fā)生裝置靠近靶材附近，與靶材同軸放置，外兩級軸向磁場發(fā)生裝置在靶材前端傳輸空間產(chǎn)生線圈中心強度為50-150G的過度中強磁場，由軸向磁場電磁線圈通直流電產(chǎn)生，通過電流強度調(diào)節(jié)聚焦磁場的強度。本實用新型的原理和有益效果如下:本實用新型靶面附近磁場設計主要考慮兩個原則，一是利用銳角法則限制弧斑的運動，二是利用橫向分量提高弧斑的運動速度。一種靶材利用率比較高的弧源設計方案是采用圓錐臺形狀的弧源浸沒在電磁線圈(一組或兩組)的中間，電磁線圈產(chǎn)生的軸向磁場穿過整個金屬錐臺，與圓錐臺的斜面形成指向上表面的銳角，軸向磁場在錐臺的斜面上可分解為水平磁場B//和垂直磁場B丄，根據(jù)弧斑在橫向磁場下“倒著走”的運動規(guī)律，B//可以驅使弧斑在錐臺的斜面上作圓周運動，隨著B//的增加，弧斑的運動速度也增大；為了弧斑的穩(wěn)定放電和減少顆粒發(fā)射，磁場橫向分量的強度一般控制在幾十高斯量級。同時，軸向磁場與靶材斜面形成指向錐頂?shù)匿J角，在弧斑運動的“銳角法則”的驅使下，使弧斑向圓錐臺弧源的上表面運動，使得靶材刻蝕均勻，利用率很高。為了提高等離子體的傳輸效率，需要在等離子體傳輸空間形成一軸向強聚焦導引磁場，降低等離子體的發(fā)散，軸向磁場強度一般控制在幾百高斯量級才能形成對等離子體的有效傳輸和控制。等離子體在聚焦磁場引導下，穩(wěn)定的傳輸，同時可以增強等離子體的粒子碰撞機率，提高離化率和離子密度?；谏鲜黾夹g原理，本實用新型通過對傳統(tǒng)弧源結構進行改進，提出了采用具有細長型靶材底柱緊湊結構的離子鍍槍裝置配合雙層水冷傳輸法蘭套，采用具有一定錐度的錐臺形靶材，通過細長型靶材底柱周圍靶座背面的內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與傳輸法蘭套上的外軸向磁場(II JII級軸向磁場)發(fā)生裝置的配合，形成與錐臺形靶材錐面相交的約束軸向磁場及傳輸空間聚焦導引軸向磁場兼容可調(diào)的多級軸向復合磁場結構，達到既改善弧斑放電，控制弧斑運動，減少顆粒發(fā)射，又改善傳輸空間的磁場分布，提高等離子體的傳輸效率和密度等鍍膜關鍵參數(shù)的雙重效果。

圖1是實施例1配置了內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與外長軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置的高效緊湊兩級軸向磁場約束的離子鍍源裝置示意圖。圖2為實施例1靶材周圍及傳輸空間磁場位形圖及沿錐臺形靶材底部邊緣向傳輸空間延伸的軸向磁場強度圖。圖3是實施例2配置了內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與外短軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置的高效緊湊兩級軸向磁場約束的離子鍍源裝置示意圖。圖4是實施例2靶材周圍及傳輸空間磁場位形圖及沿錐臺形靶材底部邊緣向傳輸空間延伸的軸向磁場強度圖。圖5是實施例3配置了內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與外兩級軸向磁場(I1、111級軸向磁場)發(fā)生裝置 的高效緊湊三級軸向磁場約束的離子鍍源裝置示意圖。圖6是實施例3靠近法蘭盤面的外軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置單供電(12Α)條件下靶材周圍及傳輸空間磁場位形圖及沿有一定錐度靶材斜面的徑向磁場強度分布圖(從靶材底部邊緣到靶材頂部邊緣)。圖7是實施例3在靠近法蘭盤面的外軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置驅動電流(12Α)不變的情況下，內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與靠近靶材的外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝置在不同的電流條件(3Α或6Α)下靶材周圍與傳輸空間磁場位形圖及沿錐臺形靶材底部邊緣向傳輸空間延伸的軸向磁場強度圖。圖8 Cd)是實施例3在靠近法蘭盤面的外軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置驅動電流不變的情況下，內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與靠近靶材的外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝置在不同的電流條件(0Α、3Α或6Α)下，靶材周圍及傳輸空間磁場位形圖及沿有一定錐度靶材斜面的徑向磁場強度分布圖(從靶材底部邊緣到靶材頂部邊緣)；其中，圖8 (a)是內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與靠近靶材的外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝置在OA時祀材周圍及傳輸空間磁場位形圖；圖8 (b)是內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與靠近靶材的外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝置在3A時靶材周圍及傳輸空間磁場位形圖；圖8 (c)是內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與靠近靶材的外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝置在6A時靶材周圍及傳輸空間磁場位形圖。圖中，I錐臺形靶材；2靶材屏蔽罩；3靶材底座柱環(huán)套；4靶材底座冷卻銅板；5靶材底座冷卻通道隔板；6靶材底座；7永磁體或導磁環(huán)；8冷卻水進水管道；9靶材底柱；10靶材底柱絕緣套；11離子鍍槍底盤緊固板；12離子鍍槍底盤；13離子鍍槍底盤絕緣盤；14內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置；15冷卻水通道底座；16進水口 ；17出水口 ；18法蘭套；19法蘭套絕緣套；20法蘭套冷卻水通道；21法蘭套出水口 ；22法蘭套進水口 ；23外長軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置；24法蘭安裝孔；25法蘭盤；26靶材底座冷卻水上通道；27靶材底柱連接管；28靶材底座進水管；29永磁體或導磁環(huán)支撐臺；30靶材底座冷卻水下通道；31靠近法蘭 盤面外軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置；32靶材周圍磁力線；33外短軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置；34靠近靶材外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝置；35絕緣套盤；36法蘭環(huán)。
具體實施方式
下面通過實施例1、2、3和附圖對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1、3、5所示，本實用新型高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，主要包括:錐臺形靶材1、靶材屏蔽罩2、靶材底座柱環(huán)套3、靶材底座冷卻銅板4、靶材底座冷卻通道隔板5、靶材底座6、永磁體或導磁環(huán)7、冷卻水進水管道8、靶材底柱9、靶材底柱絕緣套10、離子鍍槍底盤緊固板U、離子鍍槍底盤12、離子鍍槍底盤絕緣盤13、內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置14、冷卻水通道底座15、進水口 16、出水口 17、法蘭套18、法蘭套絕緣套19、法蘭套冷卻水通道20、法蘭套出水口 21、法蘭套進水口 22、外長軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置23、法蘭安裝孔24、法蘭盤25、靶材底座冷卻水上通道26、靶材底柱連接管27、靶材底座進水管28、永磁體或導磁環(huán)支撐臺29、靶材底座冷卻水下通道30、靠近法蘭盤面外軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置31、靶材周圍磁力線32、外短軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置33、靠近靶材外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝置34等，具體結構如下:高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置采用具有細長型靶材底柱緊湊結構的離子鍍槍裝置配合雙層水冷傳輸法蘭套，采用具有一定錐度的錐臺形靶材1，通過細長型靶材底柱周圍靶座背面的內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置14與傳輸法蘭套上的外軸向磁場(I1、111級軸向磁場)發(fā)生裝置:外長軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置23、靠近法蘭盤面外軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置31、外短軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置33或靠近靶材外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝置34等的配合，形成與錐臺形靶材I錐面相交的約束軸向磁場及傳輸空間聚焦導引軸向磁場兼容的多級軸向復合磁場結構。離子鍍槍裝置設有錐臺形靶材1、靶材底座6、冷卻水進水管道8、永磁體或導磁環(huán)
7、靶材底柱9、靶材底柱絕緣套10、離子鍍槍底盤12、離子鍍槍底盤緊固板11、冷卻水通道底座15、內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置14等,錐臺形祀材I安裝在祀材底座6上，錐臺形靶材I的外側設置靶材屏蔽罩2，錐臺形靶材I底部設有外螺紋，靶材底座柱環(huán)套3上端面與靶材底座冷卻銅板4之間的環(huán)套內(nèi)壁設有螺紋，錐臺形靶材I通過底部外螺紋安裝在靶材底座6的靶材底座柱環(huán)套3上，錐臺形靶材I底部與靶材底座冷卻銅板4緊密接觸，通過靶材底座冷卻銅板4間接冷卻。靶材底柱9的內(nèi)側設置永磁體或導磁環(huán)7和冷卻水進水管道8，永磁體或導磁環(huán)7設置于冷卻水進水管道8的外側,冷卻水進水管道8上部側面有一環(huán)形圓臺，作為永磁體或導磁環(huán)支撐臺29 ;靶材底座6中設置有靶材底座冷卻通道隔板5，靶材底座冷卻通道隔板5中間的圓孔通過靶材底座進水管28與冷卻水進水管道8連通，靶材底座冷卻通道隔板5將靶材底座6中的空腔分成靶材底座冷卻水上通道26和靶材底座冷卻水下通道30。靶材底座6安裝在細長型靶材底柱9的一端，靶材底柱9外徑尺寸為靶材底座6外徑尺寸的1/4 1/2，內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置14圍套在靶材底座6后的靶材底柱9周圍；靶材底柱9內(nèi)部設有細長的冷卻水進水管道8，與靶材底柱9外筒形成冷卻水通道，細長的冷卻水進水管道8與靶材底柱9 一起安裝在底部的冷卻水通道底座15上，靶材底柱9的一端與冷卻水通道底座15連接，冷卻水進水管道8伸至冷卻水通道底座15中，與冷卻水通道底座15的進水口 16相通，冷卻水通道底座15與靶材底柱9之間的通道與出水口 17相通。靶材底柱9的另一端，與靶材底柱連接管27連接。靶材底柱9的外側設置靶材底柱絕緣套10，通過絕緣套10與靶材底柱9之間的密封圈密封；靶材底柱絕緣套10的外側設置離子鍍槍底盤絕緣盤13、離子鍍槍底盤12、離子鍍槍底盤緊固板11，尚子鍍槍底盤12的一側設置尚子鍍槍底盤緊固板11，尚子鍍槍底盤緊固板11通過靶材底柱絕緣套10上的絕緣套盤與離子鍍槍底盤12隔開，離子鍍槍底盤12的另一側設置離子鍍槍底盤絕緣盤13，離子鍍槍底盤12通過底部密封圈、離子鍍槍底盤緊固板11通過頂部密封圈與絕緣套10上的絕緣套盤35相互形成緊密接觸密封；電源接頭端子安裝在靶材底柱9上，離子鍍槍裝置通過離子鍍槍底盤12安裝在雙層水冷傳輸法蘭套18上。法蘭套18由不導磁的不銹鋼制作，法蘭套18為空心結構，通冷卻水保護；法蘭套18的外側設有法蘭套絕緣套19，法蘭套絕緣套19的外側設有外軸向磁場發(fā)生裝置，外軸向磁場發(fā)生裝置(外長軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置23、靠近法蘭盤面外軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置31、外短軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置33或靠近靶材外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝·置34)、法蘭套18與錐臺形靶材I三者之間同軸，外軸向磁場發(fā)生裝置在法蘭套18上的位置可調(diào)；法蘭套18截面單邊形狀為L形，中間法蘭套冷卻水通道20由雙層不銹鋼筒同軸圍套組成，冷卻水通道20上部焊接一環(huán)形法蘭盤25，法蘭盤25內(nèi)徑與法蘭套18內(nèi)徑平齊，外徑與爐體法蘭外徑平齊，法蘭盤邊緣開有6-8個法蘭安裝孔24，通過法蘭安裝孔24將法蘭整體與爐體連接；冷卻水通道20下部連接不銹鋼法蘭環(huán)36，法蘭環(huán)36內(nèi)、外徑與法蘭套18 —致，法蘭環(huán)36底部開有8個螺紋孔，其中對稱兩個螺紋孔為通孔，作為進出水口:法蘭套出水口 21、法蘭套進水口 22，另外6個作為離子鍍槍底盤連接孔。內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)14與外兩級軸向磁場(I1、111級軸向磁場)耦合形成的與錐臺形祀材錐面相交的約束軸向磁場及傳輸空間聚焦導引軸向磁場兼容的復合軸向磁場之一:(I)由外長、短單級軸向磁場(III級軸向磁場)單獨作用形成單級軸向磁場；(2)由內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)與外長單級軸向磁場(III級軸向磁場)耦合的兩級軸向磁場，如圖1實施例1 ;(3)由內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)與外短單級軸向磁場(III級軸向磁場)耦合的兩級軸向磁場，如圖3的實施例2 ；[0044](4)由內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)與外兩級軸向磁場(I1、111級軸向磁場)I禹合的三級軸向磁場，靶材周圍磁力線32如圖5實施例3 ；I級軸向磁場為靶材背面的輔助磁場，為弱磁場(線圈中心強度為20-80G)，II級軸向磁場為祀面附近的軸向過渡磁場，為弱磁場(線圈中心強度為50-150G ), III級軸向磁場為聚焦導引強磁場(線圈中心強度為100-500G)。與錐臺形靶材錐面相交的約束軸向磁場為弱磁場(20-100G)，由外長、短單級軸向磁場(III級軸向磁場)與錐臺形靶材錐面相交形成或由內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)與外單級軸向磁場(III級軸向磁場)I禹合形成或由內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)與外兩級軸向磁場的II級軸向磁場I禹合形成；傳輸空間聚焦導引軸向磁場為強磁場(100-500G),由外長、短單級III級軸向磁場在傳輸空間形成或由外兩級軸向磁場(I1、111級軸向磁場)耦合形成。內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置14由放置于靶材后面細長型靶材底柱內(nèi)部的高導磁率磁軛及與磁軛同軸放置的電磁線圈組成；內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置的電磁線圈外徑尺寸與靶材外徑尺寸一致，內(nèi)徑尺寸與靶材底柱尺寸一致，通直流電，通過電流強度調(diào)節(jié)靶面磁場強度，內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置在靶面產(chǎn)生軸對稱發(fā)散磁場。外單級軸向磁場發(fā)生裝置由圍套在傳輸法蘭套上的單個電磁線圈或多個電磁線圈串聯(lián)組成的長電磁線圈或短電磁線圈組成，外單級軸向磁場發(fā)生裝置圍套在靶材周圍，與革巴材同軸放置，外單級軸向磁場發(fā)生裝置在祀材前端傳輸空間產(chǎn)生軸向聚焦強磁場，外單級軸向磁場發(fā)生裝置單獨或與內(nèi)軸向磁場耦合形成與錐臺形靶材錐面相交的約束軸向磁場。外兩級軸向磁場的III級軸向磁場發(fā)生裝置由圍套在傳輸法蘭套上的單個電磁線圈或多個電磁線圈串聯(lián)組成，外III級軸向磁場發(fā)生裝置靠近法蘭套前端法蘭盤，與靶材同軸放置，與靶面有一定的距離，外III級軸向磁場發(fā)生裝置在靶材前端傳輸空間產(chǎn)生軸向聚焦強磁場(100-500G),由 III級軸向磁場電磁線圈通直流電產(chǎn)生,通過電流強度調(diào)節(jié)聚焦磁場的強度。外兩級軸向磁場的II級軸向磁場發(fā)生裝置由圍套在傳輸法蘭套上的單個電磁線圈或多個電磁線圈串聯(lián)組成，外II級軸向磁場發(fā)生裝置靠近靶材附近，與靶材同軸放置，夕卜II級軸向磁場發(fā)生裝置在靶材前端傳輸空間產(chǎn)生過度中強磁場(50-150G)，由II級軸向磁場電磁線圈通直流電產(chǎn)生，通過電流強度調(diào)節(jié)聚焦磁場的強度。圖2為實施例1靶材周圍及傳輸空間磁場位形圖及沿錐臺形靶材底部邊緣向傳輸空間延伸的軸向磁場強度圖?？梢钥闯?，沿著靶材底部向傳輸空間的磁場軸向分量逐漸下降，靶材錐面中心部位磁場強度最強，這樣的磁場設置容易使得弧斑放電不穩(wěn)定，而傳輸空間的磁場強度較低，等離子體的傳輸效率不高。圖4為實施例2靶材周圍及傳輸空間磁場位形圖及沿錐臺形靶材底部邊緣向傳輸空間延伸的軸向磁場強度圖?？梢钥闯?，沿著靶材底部向傳輸空間的磁場軸向分量先上升后下降，其最大值在靶面前段，而靶材錐面的磁場強度逐漸下降，此分布利于弧斑放電，同時，等離子體的傳輸效率較高。圖6是實施例3靠近法蘭盤面外軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置31單供電(12Α)條件下靶材周圍及傳輸空間磁場位形圖及沿有一定錐度靶材斜面的徑向磁場強度分布圖(從靶材底部邊緣到靶材頂部邊緣)?？匆钥闯?，單獨III級軸向磁場線圈產(chǎn)生的磁場是軸對稱發(fā)散分布，在錐臺形的靶面上形成近似平行分布，沿有一定錐度靶材斜面的徑向磁場強度逐漸降低，此分布設置利于弧斑在錐臺斜面的旋轉運動，不利于靶面弧斑的刻蝕，對于沉積喇叭口狀的樣品可以采用。圖7是實施例3在靠近法蘭盤面外軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置31驅動電流(12A)不變的情況下，內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與靠近靶材的外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝置在不同的電流條件(3A或6A)下靶材周圍與傳輸空間磁場位形圖及沿錐臺形靶材底部邊緣向傳輸空間延伸的軸向磁場強度圖?？梢钥闯鲈贗II級軸向磁場的主導作用下，磁場強度最大值遠離靶面，靠近線圈的中心，隨著I級軸向磁場和II級軸向磁場強度的增加，軸向磁場強度的最大值逐漸向靶面移動，因此可以設置不同的線圈電流比值，控制軸向磁場強度最大值的分布，從而得到不同的沉積效果。圖8 (d)是實施例3在靠近法蘭盤面外軸向磁場(III級軸向磁場)發(fā)生裝置31驅動電流不變的情況下，內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與靠近靶材的外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝置在不同的電流條件(0A、3A或6A)下，靶材周圍及傳輸空間磁場位形圖及沿有一定錐度靶材斜面的徑向磁場強度分布圖(從靶材底部邊緣到靶材頂部邊緣)；其中，圖8 (a)是內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與靠近靶材的外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝置在OA時祀材周圍及傳輸空間磁場位形圖；圖8 (b)是內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與靠近 靶材的外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝置在3A時靶材周圍及傳輸空間磁場位形圖；圖8 (c)是內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與靠近靶材的外軸向磁場(II級軸向磁場)發(fā)生裝置在6A時靶材周圍及傳輸空間磁場位形圖?？梢钥闯鲈搶嵤├紫缺ＷC了等離子體的傳輸效率，同時，隨著I級軸向磁場和II級軸向磁場強度的增加，沿錐形靶材斜面的徑向磁場分量梯度逐漸變大，亦即耦合磁場在斜面上形成的夾角逐漸變小，同時，磁場強度增加，不僅增加了弧斑的運動速度，同時，增加了弧斑向靶面運動的趨勢，提高了靶材利用率。而且，在比較合理的傳輸空間磁場分布作用下，提高了傳輸效率。綜上，本實用新型通過對傳統(tǒng)弧源結構進行改進，提出了采用具有細長型靶材底柱緊湊結構的離子鍍槍裝置配合雙層水冷傳輸法蘭套，采用具有一定錐度的錐臺形靶材，通過細長型靶材底柱周圍靶座背面的內(nèi)軸向磁場(I級軸向磁場)發(fā)生裝置與傳輸法蘭套上的外軸向磁場(II JII級軸向磁場)發(fā)生裝置的配合，形成與錐臺形靶材錐面相交的約束軸向磁場及傳輸空間聚焦導引軸向磁場兼容可調(diào)的多級軸向復合磁場結構，達到既改善弧斑放電，控制弧斑運動，減少顆粒發(fā)射，又改善傳輸空間的磁場分布，提高等離子體的傳輸效率和密度等鍍膜關鍵參數(shù)的雙重效果。
權利要求1. 一種高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，其特征在于，采用具有靶材底柱緊湊結構的離子鍍槍裝置配合雙層水冷傳輸法蘭套，采用錐臺形靶材，通過靶材底柱周圍靶座背面的內(nèi)軸向磁場發(fā)生裝置與傳輸法蘭套上的外兩級軸向磁場發(fā)生裝置的配合，形成與錐臺形靶材錐面相交的約束軸向磁場及傳輸空間聚焦導引軸向磁場兼容的多級軸向復合磁場結構。
2.按照權利要求1所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，其特征在于:離子鍍槍裝置設有靶材、靶材底座、冷卻水進水管道、永磁體或導磁環(huán)、靶材底柱、靶材底柱絕緣套、離子鍍槍底盤、離子鍍槍底盤緊固板、冷卻水通道底座、內(nèi)軸向磁場發(fā)生裝置，錐臺形靶材安裝在靶材底座上，錐臺形靶材的外側設置靶材屏蔽罩，靶材底部與靶材底座冷卻銅板緊密接觸，通過靶材底座冷卻銅板間接冷卻；靶材底柱的內(nèi)側設置永磁體或導磁環(huán)和冷卻水進水管道，永磁體或導磁環(huán)設置于冷卻水進水管道的外側；靶材底座中設置有靶材底座冷卻通道隔板，靶材底座冷卻通道隔板將靶材底座中的空腔分成靶材底座冷卻水上通道和靶材底座冷卻水下通道；靶材底座安裝在靶材底柱的一端，靶材底柱外徑尺寸為靶材底座外徑尺寸的1/4 1/2，內(nèi)軸向磁場發(fā)生裝置圍套在靶材底座后的靶材底柱周圍；靶材底柱內(nèi)部設有冷卻水進水管道，與靶材底柱外筒形成冷卻水通道，冷卻水進水管道與靶材底柱一起安裝在底部的冷卻水通道底座上；靶材底柱的外側設置靶材底柱絕緣套，通過絕緣套與靶材底柱之間的密封圈密封；靶材底柱絕緣套的外側設置離子鍍槍底盤絕緣盤、尚子鍍槍底盤、尚子鍍槍底盤緊固板，尚子鍍槍底盤的一側設置尚子鍍槍底盤緊固板，離子鍍槍底盤緊固板通過靶材底柱絕緣套上的絕緣套盤與離子鍍槍底盤隔開，離子鍍槍底盤的另一側設置離子鍍槍底盤絕緣盤，離子鍍槍底盤通過底部密封圈、離子鍍槍底盤緊固板通過頂部密封圈與絕緣套上的絕緣盤相互形成緊密接觸密封；電源接頭端子安裝在靶材底柱上，離子鍍槍裝置通過離子鍍槍底盤安裝在雙層水冷傳輸法蘭套上。
3.按照權利要求1所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，其特征在于:雙層水冷傳輸法蘭套采用不導磁的不銹鋼法蘭套，法蘭套為空心結構，法蘭套中通有冷卻水；法蘭套的外側設有法蘭套絕緣套，法蘭套絕緣套的外側設有外軸向磁場發(fā)生裝置，夕卜軸向磁場發(fā)生裝置、法蘭套與靶材三者之間同軸，外軸向磁場發(fā)生裝置在法蘭套上的位置可調(diào)；法蘭套截面單邊形狀為L形，中間法蘭套冷卻水通道由雙層不銹鋼筒同軸圍套組成，冷卻水通道上部焊接一環(huán)形法蘭盤，法蘭盤內(nèi)徑與法蘭套內(nèi)徑平齊，外徑與爐體法蘭外徑平齊，法蘭盤邊緣開有6-8個法蘭安裝孔，通過法蘭安裝孔將法蘭整體與爐體連接；冷卻水通道下部連接不銹鋼法蘭環(huán)，法蘭環(huán)內(nèi)、外徑與法蘭套一致，法蘭環(huán)底部開有8個螺紋孔，其中對稱兩個螺紋孔為通孔，作為進出水口，另外6個作為離子鍍槍底盤連接孔。
4.按照權利要求1所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，其特征在于:多級軸向復合磁場是內(nèi)軸向磁場與外兩級軸向磁場耦合形成的與錐臺形靶材錐面相交的約束軸向磁場及傳輸空間聚焦導引軸向磁場兼容的復合軸向磁場之一: (1)由外長、短單級軸向磁場單獨作用形成單級軸向磁場； (2)由內(nèi)軸向磁場與外長單級軸向磁場I禹合的兩級軸向磁場； (3)由內(nèi)軸向磁場與外短單級軸向磁場耦合的兩級軸向磁場； (4)由內(nèi)軸向磁場與外兩級軸向磁場I禹合的三級軸向磁場。
5.按照權利要求1所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，其特征在于:內(nèi)軸向磁場為祀材背面的輔助磁場，線圈中心強度為20-80G的弱磁場；外軸向磁場為靶面附近的軸向過渡磁場，線圈中心強度為50-150G的弱磁場；或者，外軸向磁場為線圈中心強度為100-500G的聚焦導引強磁場；或者，外軸向磁場為靶面附近的軸向過渡磁場與聚焦導引強磁場的疊加磁場。
6.按照權利要求1所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，其特征在于:與錐臺形靶材錐面相交的約束軸向磁場為線圈中心強度為20-100G的弱磁場，由外長、短單級軸向磁場與錐臺形祀材錐面相交形成，或由內(nèi)軸向磁場與外單級軸向磁場I禹合形成，或由內(nèi)軸向磁場與外兩級軸向磁場的軸向過渡磁場磁場I禹合形成；傳輸空間聚焦導引軸向磁場為線圈中心強度為100-500G的強磁場，由外長、短單級軸向磁場在傳輸空間形成，或由外兩級軸向磁場耦合形成。
7.按照權利要求1所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，其特征在于:內(nèi)軸向磁場發(fā)生裝置由放置于革巴材后面革巴材底柱內(nèi)部的高導磁率磁軛及與磁軛同軸放置的電磁線圈組成；內(nèi)軸向磁場發(fā)生裝置的電磁線圈外徑尺寸與靶材外徑尺寸一致，內(nèi)徑尺寸與靶材底柱外徑尺寸一致，通直流電，通過電流強度調(diào)節(jié)靶面磁場強度，內(nèi)軸向磁場發(fā)生裝置在靶面產(chǎn)生軸對稱發(fā)散磁場。
8.按照權利要求1所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，其特征在于:外單級軸向磁場發(fā)生裝置由圍套在傳輸法蘭套上的單個電磁線圈或多個電磁線圈串聯(lián)組成的長電磁線圈或短電磁線圈組成，外單級軸向磁場發(fā)生裝置圍套在靶材周圍，與靶材同軸放置，外單級軸向磁場發(fā)生裝置在靶材前端傳輸空間產(chǎn)生軸向聚焦強磁場，外單級軸向磁場發(fā)生裝置單獨或與內(nèi)軸向磁場耦合形成與錐臺形靶材錐面相交的約束軸向磁場。
9.按照權利要求1所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，其特征在于:外兩級軸向磁場的軸向磁場發(fā)生裝置，由圍套在傳輸法蘭套上的單個電磁線圈或多個電磁線圈串聯(lián)組成，外軸向磁場發(fā)生裝置靠近法蘭套前端法蘭盤，與靶材同軸放置，與靶面有一定的距離，外軸向磁場發(fā)生裝置在祀材前端傳輸空間產(chǎn)生線圈中心強度為100-500G的軸向聚焦強磁場，由軸向磁場電磁線圈通直流電產(chǎn)生，通過電流強度調(diào)節(jié)聚焦磁場的強度。
10.按照權利要求1所述的高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置，其特征在于:外兩級軸向磁場的軸向磁場發(fā)生裝置，由圍套在傳輸法蘭套上的單個電磁線圈或多個電磁線圈串聯(lián)組成，外兩級軸向磁場發(fā)生裝置靠近靶材附近，與靶材同軸放置，外兩級軸向磁場發(fā)生裝置在祀材前端傳輸空間產(chǎn)生線圈中心強度為50-150G的過度中強磁場，由軸向磁場電磁線圈通直流電產(chǎn)生，通過電流強度調(diào)節(jié)聚焦磁場的強度。
專利摘要本實用新型涉及材料表面防護領域，具體地說是一種高效緊湊的多級軸向磁場約束的離子鍍源裝置。該裝置用具有細長型靶材底柱緊湊結構的離子鍍槍裝置配合雙層水冷傳輸法蘭套，采用具有一定錐度的錐臺形靶材，通過細長型靶材底柱周圍靶座背面的內(nèi)軸向磁場(Ⅰ級軸向磁場)發(fā)生裝置與傳輸法蘭套上的外軸向磁場(Ⅱ、Ⅲ級軸向磁場)發(fā)生裝置的配合，形成與錐臺形靶材錐面相交的約束軸向磁場及傳輸空間聚焦導引軸向磁場兼容可調(diào)的多級軸向復合磁場結構。本實用新型達到既改善弧斑放電，控制弧斑運動，減少顆粒發(fā)射，又改善傳輸空間的磁場分布，提高等離子體的傳輸效率和密度等鍍膜關鍵參數(shù)的雙重效果。
文檔編號C23C14/35GK203159703SQ201320193769
公開日2013年8月28日 申請日期2013年4月16日 優(yōu)先權日2013年4月16日
發(fā)明者郎文昌 申請人:溫州職業(yè)技術學院