應(yīng)用于工具鍍膜的磁場輔助離子鍍弧源及其放電特性分析

　　針對幾種應(yīng)用于工具鍍膜的磁場控制的電弧離子鍍弧源，分析了其結(jié)構(gòu)、工作原理以及弧斑運動、放電特性；比較了不同磁場輔助受控弧源的靶結(jié)構(gòu)及磁場位形，并討論了對弧斑運動、放電及鍍膜工藝的影響；對磁場控制的電弧離子鍍弧源的發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　提高工具、模具的加工質(zhì)量和使用壽命一直是人們不斷探索的課題。電弧離子鍍技術(shù)是一種工模具材料表面改性技術(shù)，具有離化率高、可低溫沉積、膜層質(zhì)量好以及沉積速率快等其他鍍膜方式所不具備的優(yōu)勢，已在現(xiàn)代工具以及各種模具的表面防護(hù)取得了理想的應(yīng)用效果。但是，電弧放電導(dǎo)致的大顆粒存在限制了工模具涂層技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，也成為后期電弧離子鍍技術(shù)發(fā)展的主要論題。

　　離子鍍弧源是電弧等離子體放電的源頭，是離子鍍技術(shù)的關(guān)鍵部件。電弧離子鍍采用的弧源是冷陰極弧源，這種弧源中電弧的行為被陰極表面許多快速游動、高度明亮的陰極斑點所控制。在發(fā)展和完善電弧離子鍍技術(shù)的過程中，對電弧陰極斑點運動的有效控制至關(guān)重要，因為這決定了電弧放電的穩(wěn)定性、陰極靶材的有效利用、大顆粒的去除、薄膜質(zhì)量的改善等諸多關(guān)鍵問題的解決。國內(nèi)外一直致力于這方面的工作，研究熱點主要集中在磁場控制的弧源設(shè)計上。由于真空電弧的物理特性，外加電磁場是控制弧斑運動的有效方法，目前所有的磁場設(shè)計都是考慮在靶面形成一定的磁場位形，利用銳角法則限制弧斑的運動軌跡，利用橫向分量提高弧斑的運動速度。

　　理想的磁場設(shè)計體現(xiàn)為：一方面盡可能擴大磁場橫向分量的面積與強度，另一方面最大程度的控制和限制弧斑的運動。由于工具鍍膜持續(xù)時間較長，對膜層的性能要求較高，工業(yè)應(yīng)用的離子鍍弧源應(yīng)具備以下幾點特性：(1)放電穩(wěn)定，不經(jīng)常滅�。�(2)弧斑運動約束合理，不跑�。�(3)靶材利用率高；(4)弧斑細(xì)膩，放電功率密度小，大顆粒少；(5)等離子體密度以及離化率高，向工件輸運的等離子體通量足夠。

　　針對目前流行的幾種應(yīng)用于工具鍍膜的磁場輔助離子鍍弧源，本文比較分析了不同磁場輔助受控弧源的靶結(jié)構(gòu)、磁場位形及產(chǎn)生機制，討論了不同位形的磁場對弧斑運動、放電的影響以及由此導(dǎo)致的鍍膜工藝的優(yōu)缺點等，對磁場控制的電弧離子鍍弧源的發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　1、圓形小弧源

　　國內(nèi)最早應(yīng)用于工具鍍膜的離子鍍弧源是從俄羅斯引進(jìn)的典型小圓弧源，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、可任意位置不同成分的靶材組合、容易實現(xiàn)多元涂層制備等優(yōu)點。該弧源的靶材直徑一般在60~160 mm 左右，厚度在20~40 mm 左右。由于與其他陰極電弧源相比尺寸小得多，故一般稱為小弧源。小弧源通常采用電磁或者氣動的機械引弧方式，工作時，使弧針向后拉動，與陰極靶材接觸引弧，觸發(fā)引弧后引弧針電路切斷，由弧電源維持弧光放電。

　　小弧源的控制磁場一般來源于靶材后方放置的永久磁體。磁體的形狀可以是圓柱形、圓環(huán)形或者環(huán)- 柱形。利用永久磁體在靶面產(chǎn)生的磁場可以約束弧斑運動，提高放電穩(wěn)定性，避免跑弧。維持小弧源穩(wěn)定放電的靶面磁場強度一般是1~5 mT。隨著永磁體的推進(jìn)，靶面前的電磁場強度增加，對電子產(chǎn)生徑向推動力和周向力，使弧斑在表面作周向旋轉(zhuǎn)運動，同時從圓心向外作徑向運動。增大磁場強度，可以增大弧斑的運動速度和運動半徑，如圖1(a)所示。但是，傳統(tǒng)的小弧源靶材后面安裝的永久磁體一般浸泡在冷卻水中，長時間浸泡容易退磁，需要不斷的更換磁體，而且磁場強度不易調(diào)節(jié)，只能靠前后移動靶材后面的永磁體來調(diào)整靶面的磁場強度。

　　目前很多公司對該弧源進(jìn)行了改進(jìn)，主要包括：采用間接水冷通道，永磁體放置在水冷通道外，避免了退磁并提供了更大的磁場設(shè)計空間，有利于電磁場耦合永磁場的復(fù)合磁場設(shè)計，促進(jìn)了離子鍍弧源的開發(fā)，如圖1(c)所示。例如，巴爾查斯采用的是直徑160 mm 的靶材，間接水冷，靶材后部提供了多種模式的磁路設(shè)計，對弧斑放電的控制和改善有多種配套磁場位形。國內(nèi)多家公司逐漸開發(fā)了直徑150 mm 左右的大圓弧，一般也是采用間接水冷結(jié)構(gòu)，磁場結(jié)構(gòu)也是多種模式，為鍍膜均勻性、細(xì)化大顆粒以及沉積大厚度膜層提供了更多的解決方案。

圖1 改進(jìn)的小弧源結(jié)構(gòu)及弧斑放電

　　7、總結(jié)

　　針對目前流行的應(yīng)用于工具鍍膜的磁場輔助離子鍍弧源，分析比較了不同磁場輔助受控弧源的陰極與磁場位形，及其對弧斑運動與放電、鍍膜工藝的影響。

　　(1)圓形小弧源具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、可任意位置不同成分的靶材組合、容易實現(xiàn)多元涂層制備的優(yōu)點。傳統(tǒng)圓形小弧源的控制磁場一般來源于靶材后方放置的永久磁體，目前圓形弧源的發(fā)展是采用間接水冷通道以及大直徑(150 mm)的靶材結(jié)構(gòu)，磁場位形多模式化，為均勻鍍膜、細(xì)化大顆粒以及沉積大厚度膜層提供了更多的解決方案。

　　(2)矩形平面大弧源和旋轉(zhuǎn)式柱形弧源，可以提高鍍膜均勻性，降低弧斑的放電功率，減少大顆粒，用以制備精細(xì)膜層以及工具、裝飾涂層的打底。但其缺點是靶材單一，難以制備多元涂層，同時靶材利用率低，磁場設(shè)計有一定的技巧，結(jié)構(gòu)不合理容易造成跑弧、放電不穩(wěn)定等問題，不利于長時間的工具鍍膜。

　　(3)機械式旋轉(zhuǎn)磁控弧源可以在靶面形成多種速度可調(diào)的旋轉(zhuǎn)磁場，但是需要額外增加復(fù)雜的機械控制機構(gòu)；電磁式旋轉(zhuǎn)磁控弧源利用橫向磁場的強度和旋轉(zhuǎn)頻率的綜合作用，在冷陰極靶材上實現(xiàn)分布在整個靶面的強分散弧態(tài)，利于整個靶面加熱均勻，電流的密度大幅度下降。

　　(4)多模式交變耦合磁場輔助電弧離子鍍弧源利用指向靶材邊緣的軸對稱發(fā)散磁場和與靶面形成指向靶材中心的銳角的聚焦導(dǎo)引磁場綜合作用，可形成動態(tài)的拱形耦合磁場，從而控制弧斑運動，改善弧斑放電狀態(tài)，減少顆粒發(fā)射。等離子體在聚焦磁場引導(dǎo)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。

　　(5)電磁式旋轉(zhuǎn)磁控弧源與多模式交變耦合磁場輔助電弧離子鍍弧源是兩種新型動態(tài)磁場可控離子鍍弧源，進(jìn)一步的開發(fā)有望推動電弧離子鍍技術(shù)的發(fā)展，使其在各個需要的領(lǐng)域發(fā)揮作用。