專利名稱：電弧型蒸發(fā)源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用電孤放電熔化陰極以蒸發(fā)陰極材料的電弧型蒸發(fā)源。例如，蒸發(fā)源可用于在基材，例如工具、機件、模具、外涂層部件等等的表面上生成由陰極材料組成的薄膜或由陰極材料的氮化物、氧化物等組成的薄膜，這樣可改善基材的耐磨能力，滑動性質(zhì)，抗咬性質(zhì)，裝飾性能等等。
在電弧型蒸發(fā)源中蒸發(fā)的陰極材料中被陰極附近形成的電弧等離子體電離的陰極材料離子占很大比例。在電弧離子噴鍍方法或電弧離子噴鍍設(shè)備中，這類陰極材料離子籍助電場導(dǎo)向基材，在基材表面生成薄膜。因此，電弧離子噴鍍方法或設(shè)備的優(yōu)點在于，膜的生成速度高、產(chǎn)率高、薄膜的附著力強等等。這種方法和設(shè)備已廣泛用作在工具、模具等上涂覆金屬膜或陶瓷膜的手段。
膜生成速度高的原因在于，陰極被電弧放電熔化，致使大量的陰極材料能被蒸發(fā)。膜附著力強的原因在于，陰極材料中包含的陰極材料離子被負偏壓或其它原因形成的電場導(dǎo)向基材，致使離子能撞擊基材。
圖2表示帶常規(guī)電弧型蒸發(fā)源的電孤離子噴涂設(shè)備的例子。
托架8將要鍍膜的基材6支托于真空容器2中，該容器用未示出的真空泵裝置抽真空。由偏壓源10向托架8和由托架8支托的基材8施加例如負數(shù)十伏到負數(shù)百伏的負偏壓。
由惰性氣體和對陰極材料16呈反應(yīng)性的反應(yīng)性氣等組成的氣體4被引入真空容器2，有關(guān)陰極材料將在下面敘述。
常規(guī)電弧型蒸發(fā)源12附裝在真空容器2的壁表面上，朝向托架8上的基材6。
電弧型蒸發(fā)源12具有由所需材料組成的盤狀陰極14，此陰極14固定在陰極托架18上。陰極托架18通常裝有冷卻陰極的冷卻裝置14。緊靠陰極托架18背后裝有永久磁鐵20用于控制陰極14蒸發(fā)表面15上的電弧輝斑。陰極托架18通過絕緣器22附裝在真空容器2上。順便指出，通常還裝有啟動電孤的觸發(fā)電極，但附圖未示出(與

圖1相似)。
在這一常規(guī)例子中，真空容器2亦作為陽極。電弧放電電壓，例如數(shù)十伏由電孤電源24施加在真空容器2和陰極托架18之間，即真空容器2和陰極14之間，而且在陰極14一面應(yīng)為負極。
其結(jié)果，在陰極14的蒸發(fā)表面15和真空容器2之間形成真空電弧放電，致使蒸發(fā)表面15局部熔化，其上的陰極材料16蒸發(fā)。其次，在靠近陰極14的前面由電弧放電產(chǎn)生等離子體，致使部分陰極材料16電離。此種陰極材料16達到基材6，并在基材上沉積。這樣，在基材6的表面上形成薄膜。在這種情況下，如果預(yù)先將反應(yīng)性氣體引入真空容器2，則陰極材料16與反應(yīng)性氣體發(fā)生反應(yīng)，致使在基材6的表面上形成化合物薄膜。
在上述的電弧型蒸發(fā)源12中，必須定期以新電極更換陰極14，因為陰14被電弧放電逐步消耗并變薄(變短)。
但是，常規(guī)電弧型蒸發(fā)源12為盤狀，其軸向長度比其直徑短(例如直徑為64mm，長度為30mm)。這樣，陰極14必須頻繁更換。因此，要消耗很多人力去更換陰極14，而且利用這種電弧型蒸發(fā)源12的鍍膜設(shè)備停工頻率增加會使生產(chǎn)率下降。
甚至簡單地在軸向上增長陰極14，亦會產(chǎn)生下列問題(1)陰極14的蒸發(fā)表面15冷卻不夠，致使大體積熔化部位易于形成；(2)隨著陰極14的消耗，由永久磁鐵20產(chǎn)生的蒸發(fā)表面15上的磁通的狀態(tài)變化甚大，致使蒸發(fā)表面15的消耗發(fā)生偏移。
此外，當陰極14的消耗約為50％(重量)時，陰極壽命通常即告終結(jié)。這樣，陰極的無用消耗很大。特別是在陰極14由貴重材料諸如Cr金屬、Ti-Al合金等組成時，廢物的價格甚高。
再次，隨著陰極14的消耗，其蒸發(fā)表面15后退(即遠離基材6)。這樣，蒸發(fā)表面15和基材6之間的距離發(fā)生變化，致使基材6上的成膜速度發(fā)生變化。其結(jié)果，基材6表面上的成膜厚度的均勻性惡化。這種惡化發(fā)生在短時間內(nèi)。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種電弧型蒸發(fā)源，其中陰極可有效利用，陰極的更換頻率可以降低，成膜速度可在長時間內(nèi)保持恒定。
本發(fā)明的電弧型蒸發(fā)源包括基本上呈柱狀的陰極，其軸向長度大于直徑；陰極進料裝置，用于沿該基本上呈柱狀的陰極的軸向該陰極供料；陰極冷卻裝置，以用冷卻劑冷卻該陰極的至少一側(cè)表面；和磁線圈，用于在陰極表面附近產(chǎn)生磁通。具體說，磁線圈產(chǎn)生基本垂直延伸到該陰極前端的蒸發(fā)表面的磁通，或者從蒸發(fā)表面向外延伸的磁通。
根據(jù)這種電弧型蒸發(fā)源，磁線圈在陰極蒸發(fā)表面上產(chǎn)生磁通，以使電弧輝斑的位置限制在陰極的蒸發(fā)表面內(nèi)。此外，電弧輝斑在蒸發(fā)表面內(nèi)均勻移動，致使蒸發(fā)表面均勻消耗不產(chǎn)生偏移。
其次，可根據(jù)陰極的消耗由陰極供料裝置向陰極供料。其結(jié)果，甚至在陰極消耗的情況下，陰極蒸發(fā)表面上的磁通可基本保持恒定，這同樣有助于蒸發(fā)表面的均勻消耗。
根據(jù)這種電弧型蒸發(fā)源，軸向長度大于其直徑(換言之，軸向長度較大)的基本上呈柱狀的陰極可由上述操作方法均勻消耗，致使陰極的大部分可有效利用。因此，陰極能有效被利用，并且陰極更換頻率可以降低。
其次，由于可根據(jù)陰極的消耗用陰極供料裝置向陰極供料，所以蒸發(fā)表面和基材之間的距離可接近固定值。因此能使成膜速度在長時間內(nèi)保持恒定。
再次，設(shè)置陰極冷卻裝置以用冷卻劑冷卻陰極的至少一側(cè)表面。因此，陰極的蒸發(fā)表面可有效而穩(wěn)定地冷卻，不受陰極消耗狀況的影響，甚至在基本上呈柱狀的陰極其軸向較長的情況下亦是如此。其結(jié)果，蒸發(fā)表面的溫度不會增高，致使防止大體積顆粒(亦稱為“小滴”)在蒸發(fā)表面上形成。因此，能形成表面平滑度優(yōu)良的薄膜。
提供下列附圖圖1表示本發(fā)明的電孤型蒸發(fā)源的一個實施方案的剖示圖；和圖2表示具有常規(guī)蒸發(fā)源的電弧離子噴鍍設(shè)備的一個例子的剖示圖。
圖1表示本發(fā)明電弧型蒸發(fā)源的一個實施方案的剖示圖。與圖2所常規(guī)設(shè)備相同或相當?shù)牟考韵嗤瑪?shù)碼表示。此實施方案與常規(guī)方案不同之處將在下面重點敘述。
本實施方案中采用的電孤型蒸發(fā)源30附裝在真空容器2的壁表面上，構(gòu)成一種電弧離子噴鍍設(shè)備，如上所述蒸發(fā)源朝向基材6。數(shù)碼22表示上面提到的絕緣體。
電弧型蒸發(fā)源30有基本上呈柱狀的陰極32，其軸向長度大于其直徑；陰極供料裝置48沿陰極軸32軸向向陰極32供料(即向著基材6)，如箭頭A所示；陰極冷卻裝置36以用冷卻劑40冷卻陰極32的至少一側(cè)表面；和磁線圈52以產(chǎn)生磁通54，該磁通基本垂直延伸到陰極前端的蒸發(fā)表面33或從蒸發(fā)表面33向外延伸。
順便指出，靠近磁線圈52的部件由非磁材料組成，這樣不致干擾磁線圈52產(chǎn)生的磁通54。
根據(jù)成膜的類型陰極32由所需材料(例如金屬、合金、碳等等)組成。具體而言，陰極32可由，例如金屬如Ti、Cr等；合金如Ti-Al等；碳(C)等組成。
本實施方案中，陰極32支撐在支撐軸46的前端。陰極供料裝置通過此支撐軸46向陰極32供料。陰極供料裝置48不限于這種具體結(jié)構(gòu)，而且它可以是手動操作或者動力操作。例如，它可以是手動操作裝置，其中手柄與球狀螺母相聯(lián)，后者旋緊到在支撐軸46的一部分中形成的滾珠絲杠上。
在本實施方案中，從上面提及的電弧電源24通過支撐軸46向陰32供電。
在本實施方案中，陰極冷卻裝置36擁有陰極安放容器38，以安放陰極，并使陰極32的蒸發(fā)表面33暴露在外。冷卻劑40流入陰極安放容器38。在此實施方案中，陰極32的側(cè)表面和底表面(與蒸發(fā)表面33相對)可用這股冷卻劑40冷卻。在陰極32和支撐軸46穿過陰極安放容器38的部位裝有填料42和44以防止冷卻劑40泄漏。在此實施方案中，陰極安放容器38經(jīng)法蘭39和絕緣體56附著于線圈安放容器50上。
磁線圈52纏繞陰極32。磁線圈52用未示出的DC電源激發(fā)。圖1的磁通54表示磁線圈52所產(chǎn)生的磁通一個例子。本實施方案中，磁線圈52安放在線圈安放容器50中。線圈安放容器50通過本實施方案上面提到的絕緣體22附裝于上面提到的真空容器2上。
在此實施方案中，線圈安放容器50和接地的真空容器2之間裝有電阻器70。這個電阻器70防止陰極32和線圈安放容器50之間出現(xiàn)電弧放電。這樣，電阻器70的作用是延伸電弧，即在陰極32和真空容器2之間產(chǎn)生電弧放電，容器2與陰極32之間保持有一定的距離。
其次，在此實施方案中裝有吹氣裝置58，用于將反應(yīng)性氣體62吹到陰極32的蒸發(fā)表面33附近。反應(yīng)性氣體62能與陰極32的組成材料反應(yīng)，其結(jié)果產(chǎn)生一種化合物。
在這個實施方案中，吹氣裝置58擁有氣源60，用于供應(yīng)反應(yīng)性氣體62，氣體通道64穿過線圈安放容器50以引入反應(yīng)性氣體62，一環(huán)狀部件66與這個氣體通道64相聯(lián)，并裝在線圈安放容器50中，并有多個氣體出口68基本均勻地分散在這個環(huán)狀部件內(nèi)，致使其將陰極32的蒸發(fā)表面33封蓋。例如，反應(yīng)性氣體62含氮、碳、氧等等。更具體說反應(yīng)性氣體62可以是氮氣。
這種電弧型蒸發(fā)源30同時在陰極32的蒸發(fā)表面33和真空容器2之間產(chǎn)生電孤放電，致使蒸發(fā)表面33可被此電弧放電局部熔化。這樣，部分電離的陰極材料34要從蒸發(fā)表面33蒸發(fā)。其結(jié)果，由陰極材料34組成的薄膜或由陰極材料34和反應(yīng)性氣體(例如反應(yīng)性氣體62)之間的反應(yīng)生成的化合物組成的薄膜可在放置在蒸發(fā)表面33對面的基材6的表面上形成。
其次，這種電弧型蒸發(fā)源30擁有基本上呈柱狀的陰極32，后者的軸向長度大于其直徑(換言之，軸向方向上較長)。不僅陰極32作成柱狀的，其在軸向方向上較長，而且還裝有向陰極32供料的陰極供裝置48、陰極冷卻裝置36，用于冷卻陰極32的至少一側(cè)表面以及磁線圈52用于在陰極32的蒸發(fā)表面33上產(chǎn)生上述磁通54。其結(jié)果，可有效利用陰極32，因而降低陰極更換的頻率。此外，還能在長時間內(nèi)保持恒定的成膜速度。
現(xiàn)在詳細敘述，按照此電弧型蒸發(fā)源30，磁線圈52在陰極32的蒸發(fā)表面33上產(chǎn)生上述的磁通54，致使電弧放電的電弧輝斑可限制在陰級32的蒸發(fā)表面33內(nèi)。此外，電弧輝斑在蒸發(fā)表面33內(nèi)均勻移動，致使蒸發(fā)表面33能夠均勻消耗，在陰極32從開始到終結(jié)的運行時間內(nèi)不產(chǎn)生偏移。
再次，陰極供料裝置48可根據(jù)陰極32的消耗向陰極32供料。其結(jié)果，甚至如果陰極32被消耗，陰極32的蒸發(fā)表面33上的磁通量54仍能基本保持與開始時相同的恒定值。這同樣有助于使蒸發(fā)表面33均勻消耗。
根據(jù)這種電弧型蒸發(fā)源30，在軸向方向較長的基本上呈柱狀的陰極32可按上述操作方式得到均勻消耗，致使多數(shù)陰極的有效利用率高于常規(guī)蒸發(fā)源。例如，在下面敘述的例中，陰極32的大約80％(重量)可得到有效利用。因此，陰極32可有效利用，并且陰極32的更換頻率可以降低。
其結(jié)果，更換陰極32所需的人力可以減少，因為陰極32的更換頻率可以降低。此外，利用這種電弧型蒸發(fā)源30的成膜裝置的停工頻率降低，致使生產(chǎn)率得到改善。其次，陰極32的廢物減少，致使陰極所需費用可以降低，特別是在陰極由昂貴材料如Cr金屬、Ti-Al合金等組成的情況下，對降低陰極所需的費用有很大效果。
此外，由于陰極供料裝置48可根據(jù)陰極32的消耗情況向陰極32供料，蒸發(fā)表面33和基材6之間的距離可基本保持固定值，因此可在長時間內(nèi)保持恒定的成膜速度。其結(jié)果，成膜速度的重現(xiàn)得到改善，同時在基材6上所形成的膜的厚度的均勻性亦得到提高。
其次，設(shè)置陰極冷卻裝置36以用冷卻劑40冷卻陰極32的至少一側(cè)表面。因此，陰極32的蒸發(fā)表面33可有效而穩(wěn)定地冷卻，不會受到陰極32消耗狀況的影響，甚至在陰極32為軸向方向較長的柱狀情況下亦是如此。其結(jié)果，蒸發(fā)表面33的溫度升高受到限制，致使大體積顆粒(小滴)不可能在蒸發(fā)表面33上產(chǎn)生。因此，表面光滑度高的薄膜(即光滑度優(yōu)良的精細薄膜)可在基材6的表面上形成。
像此實施方案中，當設(shè)置有吹氣裝置58的情況下，在反應(yīng)性氣體62被吹入陰極32的蒸發(fā)表面33附近的同時產(chǎn)生電弧放電。其結(jié)果，反應(yīng)性氣體62與組成陰極32的材料反應(yīng)，致使在蒸發(fā)表面33上生成熔點高于原始陰極材料的化合物。這樣，在蒸發(fā)表面33上形成大量用于電弧放電的陰極輝斑(電弧輝斑)，致使大量陰極輝斑分擔電弧電流。其結(jié)果，從單個陰極輝斑上蒸發(fā)的陰極材如此之精細，致使大體積顆粒的產(chǎn)生可更加有效地得到限制，因此可以形成表面平滑度更優(yōu)良的薄膜。
實施例擁有陰極32結(jié)構(gòu)的電孤型蒸發(fā)源30附裝于圖2所示的電孤離子噴鍍設(shè)備上，陰極32由Cr組成，其直徑為64mm，軸向長度為150mm，用此設(shè)備實現(xiàn)一種成膜方法。采用高速工具鋼作基材6。即在真空容器2用真空泵抽至約5×10-5Torr(乇)后，200sccm氮氣作為反應(yīng)性氣體62由吹氣裝置58供給，致使真空容器2中的壓力保持約20mTorr。在這種狀態(tài)下，在電弧型蒸發(fā)源30中產(chǎn)生電孤放電，致使成膜方法實現(xiàn)，同時電弧電流保持約為150A。在這個期間，在基材6上施加-200V偏壓。這樣，膜可以2μm/hr的速度形成。每次向陰極32供料2mm，這時實現(xiàn)在基材6上經(jīng)三次形成厚度為3μm膜的方法。
其結(jié)果，陰極32的大約80％(重量)可得到滿意的利用。此外，電弧型蒸發(fā)源30的操作壽命比常規(guī)結(jié)構(gòu)的電弧型蒸發(fā)源12約長10倍，后者為盤狀固定型陰極14，其直徑為64mm，軸向長度30mm。此外，在此期間成膜速度可基本保持不變。
由于本發(fā)明具有上述的結(jié)構(gòu)，它有如下特點。
根據(jù)本發(fā)明，電弧型蒸發(fā)源有基本上呈柱狀的陰極，其軸向長度大于其直徑。不僅陰極呈軸向較長的柱狀形式，而且還裝有陰極供料裝置用于向陰極供料、陰極冷卻裝置用于冷卻陰極的至少一側(cè)表面、和磁線圈用于在陰極蒸發(fā)表面上產(chǎn)生磁通。其結(jié)果，可使陰極得到有效利用，并從而使陰極的更換頻率降低，此外，還能在長時間內(nèi)保持恒定的成膜速度。
其結(jié)果，更換陰極所需的人力可以減少，因為陰極的更換頻率可以降低。此外，利用這種電弧型蒸發(fā)源的成膜設(shè)備的停工頻率得到降低，致使生產(chǎn)率得到改善。其次，陰極廢物減少，致使陰極所需費用降低。再次，由于能在長時間內(nèi)保持恒定的成膜速度，成膜的速度的重現(xiàn)性得到改善，同時基材上成膜厚度的均勻性亦得到提高。
再次，由于裝有用冷卻劑冷卻陰極的至少一側(cè)表面的陰極冷卻裝置，陰極的蒸發(fā)表面可有效而穩(wěn)定的冷卻，不受陰極消耗狀態(tài)的影響，甚至在基本上呈柱狀的陰極其軸向較長的情況下亦是這樣。其結(jié)果，蒸發(fā)表面的溫度升高受到限制，致使大體積顆粒不能在蒸發(fā)表面上產(chǎn)生。因此，能形成表面平滑度優(yōu)良的薄膜。
再次，根據(jù)本發(fā)明，電弧型蒸發(fā)源還擁有吹氣裝置。其結(jié)果，陰極蒸發(fā)表面上產(chǎn)生的大體積顆?？梢缘玫礁行У南拗啤Ｒ虼四苄纬杀砻嫫交葍?yōu)良的薄膜。
權(quán)利要求
1．一種電弧蒸發(fā)源，該蒸發(fā)源用于以電弧放電熔化陰極，從而使陰極材料蒸發(fā)，它包括基本上呈柱狀的陰極，其軸向長度大于其直徑；陰極供料裝置，用于沿該陰極的軸向向該陰極供料；陰極冷卻裝置，用于以冷卻劑冷卻該陰極的至少一側(cè)表面；和磁線圈，用于產(chǎn)生在陰極前端的陰極表面附近的磁通或從該蒸發(fā)表面向外延伸的磁通。
2．權(quán)利要求1的電弧型蒸發(fā)源，還包括吹氣裝置，用于將反應(yīng)性氣體吹至該陰極的該蒸發(fā)表面附近，該反應(yīng)性氣體與組成該陰極的材料反應(yīng)生成一種化合物。
3．權(quán)利要求1的電弧型蒸發(fā)源，其中該磁線圈附近的部件包括非磁材料，致使該磁線圈產(chǎn)生的磁通不受干擾。
4．權(quán)利要求1的電弧型蒸發(fā)源，其中該磁線圈產(chǎn)生基本垂直延伸到該陰極前端的蒸發(fā)表面的磁通或從該蒸發(fā)表面向外延伸的磁通。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電弧型蒸發(fā)源,該蒸發(fā)源擁有基本上呈柱狀的陰極,其軸向長度大于其直徑;陰極供料裝置,用于沿該陰極的軸向向該陰極供料;陰極冷卻裝置,用于以冷卻劑冷卻該陰極的至少一側(cè)表面;和磁線圈,用于產(chǎn)生基本垂直延伸到該陰極前端的蒸發(fā)表面或從該蒸發(fā)表面向外延伸的磁通。
文檔編號C23C14/32GK1285419SQ00126009
公開日2001年2月28日 申請日期2000年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月18日
發(fā)明者岡崎尚登, 大谷聰, 入澤一彥, 中村信彥 申請人:日新電機株式會社