一种提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置及磁过滤镀膜设备的制作方法

1.本发明涉及真空电弧离子镀膜技术领域，尤其涉及一种提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置及磁过滤镀膜设备。


背景技术：

2.真空电弧离子镀是常用的表面改性方法之一，其通过弧光放电技术在阴极靶面形成微纳米尺度的弧斑，这些弧斑在靶面迅速移动，且具有极高能量密度，类似于微型“火山”，会喷射出大量靶材元素的高能量的等离子体(包含电子、离子)、原子，沉积到待镀工件表面。虽然该方法具有膜层沉积速率高、膜层致密、硬度高和附着力好等一系列优点，但也如“火山”一样，电弧离子镀的弧斑也会喷出熔融的靶材液滴，液滴夹杂在等离子体中飞向工件，在膜层上迅速冷却形成大颗粒，增加了膜层表面的粗糙度，降低了膜层的性能，限制了其在高性能领域的应用。
3.目前，解决液滴问题最有效的方法是一种称为“磁过滤”的技术，即在电弧靶和放有工件的腔体之间安装一带有电磁线圈的弯管，电弧靶喷射的等离子束中的带电粒子在磁场作用下会沿弯管轴线飞行进入镀膜区，而不带电的液滴颗粒则不受磁场影响，仍按初始方向飞行，最终撞在弯管拐弯处的管壁上，如图1-2(图1是正视图，图2是俯视图)所示，从而有效地減少了膜层大颗粒，提高了膜层的表面光洁度。
4.然而，在使用磁过滤技术镀膜的过程中，当靶材蒸发喷射的涂层带电粒子通过电磁线圈产生的磁场聚焦并引导出弯管时，即使在弯管出口磁力线成一定角度发散，使得涂层带电粒子束也随之发散，但因受管口直径和磁力线发散角度的限制，涂层带电粒子束的涂覆面积较小，无法向普通电弧靶材喷射的等离子体那般呈扇形飞出，因而覆盖面积也就大大降低，造成了工件表面的膜厚均匀性不佳。后来，一些研究人员为提高磁过滤镀膜的均匀性，提出了在管口增加电磁线圈的设计，比如申请号为cn201010135514.x的专利，在管口增加4个电磁线圈，通过控制其中2个线圈电流产生磁场，来影响管口的磁力线上下或左右偏斜，又比如申请号为cn202110818310.4的专利，在弯管和衔接管道之前增加电磁线圈，使用脉冲电流控制产生不同磁场来影响等离子体在管口的偏转方向。这些设计虽能产生一定的效果，但由于需要增加控制系统，从而增加了使用成本。
5.此外，需要真空镀膜的工件所在的转架通常带有负偏压，用于吸引涂层离子更多、更高能量的轰击到工件表面，提高沉积效率和膜基结合力，但长时间的沉积，容易在工件表面形成正电荷积累，从而对后续而来的离子有排斥作用，减缓动能，这降低了沉积效率以及膜基结合力。
6.因此，需要对现有技术进行改进。
7.以上信息作为背景信息给出只是为了辅助理解本公开，并没有确定或者承认任意上述内容是否可用作相对于本公开的现有技术。


技术实现要素：

8.本发明提供一种提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置及磁过滤镀膜设备，以解决现有技术的不足。
9.为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：
10.第一方面，本发明实施例提供一种提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置，应用于磁过滤镀膜设备中，所述设备包括转架和若干工件载架，若干所述工件载架设置在所述转架上呈环状分布，所述装置包括：
11.旋转筒，设置在所述转架上，且位于呈环状分布的若干所述工件载架中，所述旋转筒的旋转方向与所述转架的旋转方向相反或者所述旋转筒的旋转方向与所述转架的旋转方向相同但所述旋转筒的旋转速度与所述转架的旋转速度不同；
12.若干个永磁体，若干个所述永磁体设置在所述旋转筒的外周面，且呈至少两排设置，每一排中的所述永磁体相互间隔且与不同排中的所述永磁体相互错开。
13.进一步地，所述提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置中，所述装置还包括变速齿轮组；
14.所述变速齿轮组包括主动齿轮和从动齿轮；
15.所述主动齿轮设置在所述转架上，且随着所述转架旋转；
16.所述从动齿轮设置在所述旋转筒上，与所述主动齿轮啮合，且由所述主动齿轮带动旋转，从而带动所述旋转筒旋转。
17.进一步地，所述提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置中，所述装置还包括旋转动力源；
18.所述旋转动力源与所述旋转筒连接，且驱动所述旋转筒旋转。
19.进一步地，所述提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置中，所述旋转动力源为电机。
20.进一步地，所述提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置中，所述永磁体的磁力线的极性与所述磁过滤镀膜设备中的过滤弯管外围的电磁线圈的磁力线的极性相反。
21.第二方面，本发明实施例提供一种磁过滤镀膜设备，包括离子生成及过滤装置、真空腔室、转架、若干工件载架和偏压电源，还包括如上述第一方面所述的提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置；其中，
22.所述离子生成及过滤装置与所述真空腔室连接；
23.所述转架设置在所述真空腔室内；
24.若干所述工件载架设置在所述转架上呈环状分布；
25.所述偏压电源的正极与所述真空腔室连接，所述偏压电源的负极与所述转架连接。
26.进一步地，所述磁过滤镀膜设备中，所述离子生成及过滤装置有至少两个；
27.至少两个所述离子生成及过滤装置分别与所述真空腔室连接，且呈上下设置。
28.进一步地，所述磁过滤镀膜设备中，所述离子生成及过滤装置包括靶材、阳极筒、电磁线圈和过滤弯管；
29.所述阳极筒、所述过滤弯管、所述真空腔室依次连接；
30.所述靶材设置在所述阳极筒中；
31.所述电磁线圈设置在所述阳极筒和所述过滤弯管的外围。
32.进一步地，所述磁过滤镀膜设备中，所述离子生成及过滤装置还包括连接管；
33.所述连接管设置在所述过滤弯管与所述真空腔室之间；
34.所述连接管的外围设置有所述电磁线圈。
35.进一步地，所述磁过滤镀膜设备中，所述阳极筒的出口端设置有第一法兰盘，所述过滤弯管的两端分别设置有第二法兰盘和第三法兰盘，所述连接管的入口端设置有第四法兰盘；
36.所述第一法兰盘与所述第二法兰盘固定连接；
37.所述第三法兰盘与所述第四法兰盘固定连接。
38.与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
39.本发明实施例提供的一种提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置及磁过滤镀膜设备，通过在磁过滤镀膜设备中的转架上设置旋转方向或旋转速度不同的旋转筒，并在旋转筒的外周面设置至少两排相互错开的永磁体，使得可规律性地调节过滤弯管到工件载架上待镀工件之间的磁力线偏转方向，从而能够引导涂层离子上下扫描式沉积，不仅扩大了有效涂覆面积，从而提高了待镀工件的镀膜均匀性，而且提高了沉积效率和膜基结合力，同时还不占用太多的空间，花费的成本也低，适于大范围推广应用。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
41.图1是现有技术中磁过滤镀膜技术的结构正视图；
42.图2是现有技术中磁过滤镀膜技术的结构俯视图；
43.图3是本发明实施例一提供的一种提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置的结构正视示意图；
44.图4是本发明实施例一提供的一种提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置的结构正视示意图；
45.图5是本发明实施例二提供的一种磁过滤镀膜设备的结构正视示意图；
46.图6是本发明实施例二提供的一种磁过滤镀膜设备的结构正视示意图；
47.图7是本发明实施例二提供的一种磁过滤镀膜设备的结构正视示意图。
48.附图标记：
49.旋转筒1，永磁体2，转架3，工件载架4，真空腔室5，偏压电源6，靶材7，阳极筒8，电磁线圈9，过滤弯管10，连接管11。
具体实施方式
50.为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范
围。
51.在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。
52.此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。
53.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
54.实施例一
55.有鉴于上述现有的磁过滤镀膜技术存在的缺陷，本技术人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以希望创设能够解决现有技术中缺陷的技术，使得磁过滤镀膜技术更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
56.请参考图3-4，本发明实施例提供一种提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置，应用于磁过滤镀膜设备中，所述设备包括转架3和若干工件载架4，若干所述工件载架4设置在所述转架3上呈环状分布，所述装置包括：
57.旋转筒1，设置在所述转架3上，且位于呈环状分布的若干所述工件载架4中，所述旋转筒1的旋转方向与所述转架3的旋转方向相反或者所述旋转筒1的旋转方向与所述转架3的旋转方向相同但所述旋转筒1的旋转速度与所述转架3的旋转速度不同；
58.若干个永磁体2，若干个所述永磁体2设置在所述旋转筒1的外周面，且呈至少两排设置，每一排中的所述永磁体2相互间隔且与不同排中的所述永磁体2相互错开。
59.示例性地，假设所述旋转筒1的外周面设置了两排所述永磁体2，且每一排的所述永磁体2的数量都为三个，则上排的三个所述永磁体2可均匀间隔设置在所述旋转筒1的外周面的上部分，下排的三个所述永磁体2可均匀间隔设置在所述旋转筒1的外周面的下部分，然后上排的每两个所述永磁体2之间的下方设置一个下排的所述永磁体2，使得当所述旋转筒1旋转起来但与所述转架4的方向和/或速度不同时，上排的所述永磁体2和下排的所述永磁体会交替朝向所述磁过滤镀膜设备中的过滤弯管10的管口。
60.可以理解的是，所述永磁体2的数量可根据所述过滤弯管10的数量、所述工件载架4的高度等情况，按照提高涂覆面积和均匀性的需要，不仅呈分上、下设置，也可呈上、中、下设置或者上、中上、中下、下设置等，同时围绕所述旋转筒1的外周面布置成的多边形，不只可以是六边形，也可以是九边形或者十二边形等。
61.在本实施例中，所述永磁体2的磁力线的极性与所述过滤弯管10外围的电磁线圈9的磁力线的极性相反。
62.需要说明的是，由于永磁体2的磁力线的极性与所述过滤弯管10外围的电磁线圈9的磁力线的极性相反，当上排的所述永磁体2朝向所述过滤弯管10的管口时，所述过滤弯管10外围的电磁线圈9的磁力线从所述过滤弯管10出来后会与上排的所述永磁体2的磁力线耦合串联，从而引导涂层离子和电子更有趋势的朝上排的所述永磁体2方向偏移，如图3所示，并沉积到上方的三、四层工件的表面，提高该区域的离子数量和电子数量，而电子在工件表面能中和其表面的正电荷，防止电荷累积产生的排斥效应，提高了沉积效率和结合力。
同理，当下排的所述永磁体2朝向所述过滤弯管10的管口时，所述过滤弯管10外围的电磁线圈9的磁力线从所述过滤弯管10出来后会与下排的所述永磁体2的磁力线耦合串联，从而引导涂层离子和电子更有趋势的朝下排的所述永磁体2方向偏移，如图4所示，并沉积到下方的一、二层工件的表面，提高该区域的离子数量和电子数量，而电子在工件表面能中和其表面的正电荷，防止电荷累积产生的排斥效应，提高了沉积效率和结合力。
63.如果仍然以所述旋转筒1的外周面设置了两排所述永磁体2为例，则镀膜时，朝向所述过滤弯管10管口的永磁体2呈上、下交替的规律性变化，耦合串联的磁力线也会上下交替移动，从而引导涂层带电粒子在所述转架3的高度方向上下扫描式涂覆，提高了涂覆面积和均匀性。
64.在本实施例中，为了实现所述旋转筒1的旋转方向与所述转架3的旋转方向相反或者所述旋转筒1的旋转方向与所述转架3的旋转方向相同但所述旋转筒1的旋转速度与所述转架3的旋转速度不同，本实施例提供了以下两种实施方式设计：
65.在第一种实施方式中，所述装置还包括变速齿轮组；
66.所述变速齿轮组包括主动齿轮和从动齿轮；
67.所述主动齿轮设置在所述转架3上，且随着所述转架3旋转；
68.所述从动齿轮设置在所述旋转筒1上，与所述主动齿轮啮合，且由所述主动齿轮带动旋转，从而带动所述旋转筒1旋转。
69.需要说明的是，该种实施方式下所述旋转筒1的旋转动力是来自所述转架的，即所述旋转筒1本身可旋转但不具有单独支持其旋转的动力源。此时，由于所述旋转筒1是间接被所述转架带动旋转的，则必然两者的选择方向会相同，只不过两者的旋转速度会存在差异。所述变速齿轮组是一种能够很好实现所述旋转筒1的旋转方向与所述转架3的旋转方向相同但所述旋转筒1的旋转速度与所述转架3的旋转速度不同的功能器件。示例性地，当所述主动齿轮的旋转速度与所述转架3相同，所述从动齿轮的旋转速度与所述旋转筒1相同时，如果所述从动齿轮的外径大于所述主动齿轮的外径，则所述转架3的旋转速度大于所述旋转筒1的旋转速度，如果所述从动齿轮的外径小于所述主动齿轮的外径，则所述转架3的旋转速度小于所述旋转筒1的旋转速度。
70.可以理解的是，无论所述旋转筒1的旋转速度是大于所述转架3的旋转速度还是小于所述转架3的旋转速度，都能实现均匀沉积的效果。
71.在第二种实施方式中，所述装置还包括旋转动力源；
72.所述旋转动力源与所述旋转筒1连接，且驱动所述旋转筒1旋转。
73.需要说明的是，该种实施方式下所述旋转筒1的旋转动力是并不是来自所述转架，而是所述旋转筒1本身可旋转且具有单独支持其旋转的动力源，即所述旋转动力源。此时，所述旋转筒1可以是旋转方向与所述转架3不同，两者的旋转速度相同或不相同都可以，也可以是所述旋转筒1的旋转方向与所述转架3相同，但两者的旋转速度不同，此时的原理与上述的第一种实施方式相同。
74.优选地，所述旋转动力源为电机。
75.尽管本文中较多的使用了旋转筒，永磁体，转架，真空腔室，工件载架等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
76.本发明实施例提供的一种提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置，通过在磁过滤镀膜设备中的转架上设置旋转方向或旋转速度不同的旋转筒，并在旋转筒的外周面设置至少两排相互错开的永磁体，使得可规律性地调节过滤弯管到工件载架上待镀工件之间的磁力线偏转方向，从而能够引导涂层离子上下扫描式沉积，不仅扩大了有效涂覆面积，从而提高了待镀工件的镀膜均匀性，而且提高了沉积效率和膜基结合力，同时还不占用太多的空间，花费的成本也低，适于大范围推广应用。
77.实施例二
78.请参考图5-7，本发明实施例提供一种磁过滤镀膜设备，包括离子生成及过滤装置、真空腔室5、转架3、若干工件载架4、偏压电源6以及如上述实施例一所述的提高磁过滤镀膜均匀性的磁场装置；其中，
79.所述离子生成及过滤装置与所述真空腔室5连接；
80.所述转架3设置在所述真空腔室5内；
81.若干所述工件载架4设置在所述转架3上呈环状分布；
82.所述偏压电源6的正极与所述真空腔室5连接，所述偏压电源6的负极与所述转架3连接。
83.在本实施例中，所述离子生成及过滤装置的设置数目可以是一个，如图5和6所示，也可以是至少两个，两个的情况如图7所示；
84.至少两个所述离子生成及过滤装置分别与所述真空腔室5连接，且呈上下设置。
85.在本实施例中，所述离子生成及过滤装置包括靶材7、阳极筒8、电磁线圈9和过滤弯管10；
86.所述阳极筒8、所述过滤弯管10、所述真空腔室5依次连接；
87.所述靶材7设置在所述阳极筒8中；
88.所述电磁线圈9设置在所述阳极筒8和所述过滤弯管10的外围。
89.需要说明的是，在更多装载量的磁过滤设备中，随着转架3上工件层数的增加，可以相应增加所述旋转筒1的高度和永磁体2的数量和排数，比如在所述旋转筒1的上、中、下高度位置设置三排所述永磁体2，在不同高度位置的所述永磁体2朝向所述过滤弯管10的管口时，改变管口磁力线偏转方向来控制涂层粒子的沉积区域。如图7所示，当中间的永磁体2正对管口时，穿过上下过滤弯管10的磁力线被吸引至所述旋转筒1的中间区域，从而引导涂层粒子沉积到中间二、三、四层工件的表面。
90.在本实施例中，所述离子生成及过滤装置还包括连接管11；
91.所述连接管11设置在所述过滤弯管10与所述真空腔室5之间；
92.所述连接管11的外围设置有所述电磁线圈9。
93.在本实施例中，所述阳极筒8的出口端设置有第一法兰盘，所述过滤弯管10的两端分别设置有第二法兰盘和第三法兰盘，所述连接管11的入口端设置有第四法兰盘；
94.所述第一法兰盘与所述第二法兰盘固定连接；
95.所述第三法兰盘与所述第四法兰盘固定连接。
96.本发明实施例提供的一种磁过滤镀膜设备，通过在磁过滤镀膜设备中的转架上设置旋转方向或旋转速度不同的旋转筒，并在旋转筒的外周面设置至少两排相互错开的永磁体，使得可规律性地调节过滤弯管到工件载架上待镀工件之间的磁力线偏转方向，从而能
够引导涂层离子上下扫描式沉积，不仅扩大了有效涂覆面积，从而提高了待镀工件的镀膜均匀性，而且提高了沉积效率和膜基结合力，同时还不占用太多的空间，花费的成本也低，适于大范围推广应用。
97.至此，以说明和描述的目的提供上述实施例的描述。不意指穷举或者限制本公开。特定的实施例的单独元件或者特征通常不受到特定的实施例的限制，但是在适用时，即使没有具体地示出或者描述，其可以互换和用于选定的实施例。在许多方面，相同的元件或者特征也可以改变。这种变化不被认为是偏离本公开，并且所有的这种修改意指为包括在本公开的范围内。
98.提供示例实施例，从而本公开将变得透彻，并且将会完全地将该范围传达至本领域内技术人员。为了透彻理解本公开的实施例，阐明了众多细节，诸如特定零件、装置和方法的示例。显然，对于本领域内技术人员，不需要使用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，而且两者都不应当解释为限制本公开的范围。在某些示例实施例中，不对公知的工序、公知的装置结构和公知的技术进行详细地描述。
99.在此，仅为了描述特定的示例实施例的目的使用专业词汇，并且不是意指为限制的目的。除非上下文清楚地作出相反的表示，在此使用的单数形式“一个”和“该”可以意指为也包括复数形式。术语“包括”和“具有”是包括在内的意思，并且因此指定存在所声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或额外地具有一个或以上的其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地指示了执行的次序，在此描述的该方法步骤、处理和操作不解释为一定需要按照所论述和示出的特定的次序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或者可选择的步骤。
100.当元件或者层称为是“在
……
上”、“与
……
接合”、“连接到”或者“联接到”另一个元件或层，其可以是直接在另一个元件或者层上、与另一个元件或层接合、连接到或者联接到另一个元件或层，也可以存在介于其间的元件或者层。与此相反，当元件或层称为是“直接在
……
上”、“与
……
直接接合”、“直接连接到”或者“直接联接到”另一个元件或层，则可能不存在介于其间的元件或者层。其他用于描述元件关系的词应当以类似的方式解释(例如，“在
……
之间”和“直接在
……
之间”、“相邻”和“直接相邻”等)。在此使用的术语“和/或”包括该相关联的所罗列的项目的一个或以上的任一和所有的组合。虽然此处可能使用了术语第一、第二、第三等以描述各种的元件、组件、区域、层和/或部分，这些元件、组件、区域、层和/或部分不受到这些术语的限制。这些术语可以只用于将一个元件、组件、区域或部分与另一个元件、组件、区域或部分区分。除非由上下文清楚地表示，在此使用诸如术语“第一”、“第二”及其他数值的术语不意味序列或者次序。因此，在下方论述的第一元件、组件、区域、层或者部分可以采用第二元件、组件、区域、层或者部分的术语而不脱离该示例实施例的教导。
101.空间的相对术语，诸如“内”、“外”、“在下面”、“在
……
的下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，在此可出于便于描述的目的使用，以描述如图中所示的一个元件或者特征和另外一个或多个元件或者特征之间的关系。空间的相对术语可以意指包含除该图描绘的取向之外该装置的不同的取向。例如如果翻转该图中的装置，则描述为“在其他元件或者特征的下方”或者“在元件或者特征的下面”的元件将取向为“在其他元件或者特征的上方”。因此，示例术语“在
……
的下方”可以包含朝上和朝下的两种取向。该装置可以以其他方式取向
(旋转90度或者其他取向)并且以此处的空间的相对描述解释。