CN101187004A - 复合多模式等离子体表面处理装置 - Google Patents
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Abstract
复合多模式等离子体表面处理装置，它涉及一种等离子体表面处理装置。针对复合表面处理工艺处理工件，工件需要在两种不同的设备上进行不同的工艺处理，工件在中间环节时暴露在大气中，形成不利的杂质，影响最终膜层性能的问题。磁控溅射靶(4)、真空阴极弧源(14)、金属离子注入源(11)、低能离子源(5)和泵组(13)固装在真空室(1)的外壁上，真空室(1)内固装有射频天线(6)，中心电极(9)的上端穿过密封绝缘件(8)装在真空室(1)内，下端与脉冲偏压电源(10)连接，高压靶台(7)固定在中心电极(9)上，真空室上盖(2)与气动装置(12)连接。本发明通过多种粒子产生手段，工件可以获得较厚的膜层，也可以获得膜层种类多样化，提高膜基结合力，实现异型工件的表面处理和多种工艺复合。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体表面处理装置。
背景技术
随着工业的发展，人们对工业零部件表面的性能提出了越来越高的要求，因此材料表面改性技术受到了越来越多的重视，如气体、金属离子注入，氮化、溅射沉积、阴极弧注入/沉积等。实际应用表明，单一的表面处理技术很难满足复杂的表面性能需求，如仅仅离子注入很难获得厚的抗重载的表面改性层，而磁控溅射沉积获得表面涂层的膜基结合力又很弱，所以为了获得综合的表面性能，复合表面处理受到了人们越来越多的重视。原来的复合工艺一般是在一种设备上进行一种工艺或简单的复合工艺，然后在另外一种设备上进行第二种工艺或其他复合工艺，这种中间暴露在大气中，表面形成了不利的杂质，对最终的膜层性能不好。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合多模式等离子体表面处理装置，它可解决采用复合表面处理工艺处理工件，工件需要在一种设备上进行一种工艺或简单的复合工艺处理，然后在另外一种设备上进行第二种工艺或其他复合工艺处理，工件在中间环节时暴露在大气中，工件表面形成不利的杂质，影响最终膜层性能的问题。
本发明包括真空室、真空室上盖、磁控溅射靶、低能离子源、射频天线、高压靶台、密封绝缘件、中心电极、脉冲偏压电源、金属离子注入源、底架；本发明还包括气动装置、泵组、真空阴极弧源；所述真空阴极弧源由一个直管真空阴极弧源和一个90°弯管真空阴极弧源组成，所述两个磁控溅射靶、一个直管真空阴极弧源、一个90°弯管真空阴极弧源、一个金属离子注入源、一个低能离子源和一组泵组固定装在真空室外壁上的通孔内，真空室内固装有射频天线，中心电极的上端穿过密封绝缘件装在真空室内，中心电极的下端与脉冲偏压电源连接，中心电极与密封绝缘件动配合，高压靶台装在真空室内且固定在中心电极上，进气口设置在真空室的底板上，真空室上盖与气动装置连接，气动装置和真空室均固装在底架上，真空室和真空室上盖均带有水套夹层。
本发明具有以下有益效果：本发明通过多种粒子产生手段，工件可以获得较厚的膜层，也可以获得膜层种类多样化。高低压脉冲电源加入可以提高膜基结合力，也可以优化膜层结构和性能控制。由于在真空室内的空间弥漫等离子体，且工件随高压靶台转动，可以实现异型工件的表面处理。由于配置了多种等离子体产生手段，可以实现多种工艺复合。工件在表面处理过程中一直处在真空室内，因此工件表面不容易形成对处理不利的杂质，最终在工件表面上形成的膜层性能好。本发明不仅能够提高镁合金、铝合金、不锈钢等金属材料的耐腐蚀性、耐磨性，还能在玻璃上面镀制TiO2；在塑料上面镀制不锈钢、TiN等材料。本发明的弯管真空过滤阴极弧源和低压脉冲偏压结合可制备TiN，TiCN，CrN，AlN等薄膜；90°弯管真空阴极弧源和高压脉冲偏压结合，可提高膜基结合力；金属离子注入源和脉冲高压结合，可获得复合金属和气体离子共同注入；磁控溅射靶和高压脉冲结合，可获得磁控溅射薄膜的高结合力；阴极弧或磁控溅射沉积和低能离子束结合，可获得离子束辅助沉积工艺；脉冲阴极弧和高压脉冲结合，可获得金属离子注入与沉积；射频等离子体源和脉冲高压结合，可获得离子注入效应；射频等离子体源和低压脉冲结合，可获得离子注入与氮化效应；磁控溅射靶和射频等离子体结合，可获得较高的反应效率，更容易获得金黄的TiN薄膜；磁控溅射靶和金属离子源结合可以获得多元薄膜。
附图说明
图1是本发明的复合多模式等离子体表面处理装置的主视图(除泵组13的接口、上观察窗25和气动装置12以外，真空室1上的外部源头构件均未表示)，图2是图1的俯视图(气动装置12，真空室上盖2以及底架26未表示)，图3是真空室1与90°弯管真空阴极弧源16装配在一起的主视图，图4是7075铝合金未处理样品和处理样品的摩擦系数曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式由真空室1、真空室上盖2、磁控溅射靶4、低能离子源5、射频天线6、高压靶台7、密封绝缘件8、中心电极9、脉冲偏压电源10、金属离子注入源11、底架26、气动装置12、泵组13、真空阴极弧源14组成；所述真空阴极弧源14由一个直管真空阴极弧源15和一个90°弯管真空阴极弧源16组成，所述两个磁控溅射靶4、一个直管真空阴极弧源15、一个90°弯管真空阴极弧源16、一个金属离子注入源11、一个低能离子源5和一组泵组13固定装在真空室1外壁上的通孔内，真空室1内固装有射频天线6，中心电极9的上端穿过密封绝缘件8装在真空室1内，中心电极9的下端与脉冲偏压电源10连接，中心电极9与密封绝缘件8动配合，中心电极9可以转动，高压靶台7装在真空室1内且固定在中心电极9上，电的连接、动密封及中心电极9的转动与专利号为ZL200410044011.6、发明名称为《复合等离子体表面处理装置》中的相应部分的技术方案相同，进气口3设置在真空室1的底板上，真空室上盖2与气动装置12连接，真空室上盖2作为真空室门使用，气动装置12和真空室1均固装在底架26上，真空室1和真空室上盖2均带有水套夹层；脉冲偏压电源10由高压脉冲电源和低压脉冲电源组成，所述高压脉冲电源或低压脉冲电源与中心电极9的下端连接。如此设置，是为了获得等离子体表面处理的多功能化，在真空室上配置几种粒(离)子产生源。在真空室的设计上考虑了工作的简便性和工件的可操作性，真空室的直径×高度＝800×800mm，真空室采用不锈钢材料制成，真空室上盖通过气动装置开启和关闭，目的是为了获得较大的操作空间。直管的过滤采用二级电流，第一级(靠近源头)的电流产生磁场要兼顾阴极弧燃烧的稳定性，第二级(靠近真空室)电流产生的磁场主要控制等离子体的聚焦和传输效率。该系统也可以采用脉冲工作方式，此时阴极直径为15mm。对于大颗粒产生不是很严重，并且需要高的引出效率的，一般采用直管过滤。对于颗粒较大，允许采用较低的工作效率，一般采用弯管过滤。阴极材料为Al、Ti、W、Mo、Cr或Fe等等。金属离子注入源主要是将金属离子注入到工件表面，因为有些工件材料没有硬化相形成元素，很难获得硬化。这种源可以注入Cr、Ti、W、Mo、Ta、Fe、Ni、Nb或Zr等等多种元素，离子注入电压为20～50kV，注入电流为5～20mA。低能离子源是利用灯丝放电产生等离子体，并通过二级栅网加速，引出1～5kV的氩离子束和氮离子束。通过改变栅网的形状可以获得平行束和聚焦束，用以进行溅射清洗和离子束辅助沉积。在离拔口200mm处，束流均匀性可达正负15％。高压靶台通过动密封可以转动，转动速度为1～25转/分，目的是使被处理的工件获得各个表面处理的均匀性。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的气动装置12由气缸17和气缸活塞18组成；所述气缸活塞18的一端与真空室上盖2固接，气缸活塞18的另一端装在气缸17内，气缸17固装在底架26上。如此设置，结构简单、容易操作，可随时开启和关闭真空室上盖。其它组成及连接关系与
具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的密封绝缘件8由聚四氟乙烯绝缘材料或陶瓷(镀釉95瓷)绝缘材料制成，具有较好的密封性能。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的泵组13由机械泵19、分子泵20、第一阀门21、第二阀门22、插板阀23、光栅阀24组成；所述机械泵19的输出端通过第一阀门21和第二阀门22分别与光栅阀24和分子泵20的输入端连接，分子泵20的输出端与插板阀23的输入端连接，插板阀23的输出端与光栅阀24的输入端连接，光栅阀24的输出端与真空室1相通。如此设置，泵组可使真空室的极限真空达到5×10-5Pa。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
本实施方式中所涉及到的各种阀、阀门及泵均为外购件。
具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式的真空阴极弧源14的真空阴极直径为60mm、电流为50～200A、弧压为20～50V、弯管磁场电流为0.5～2A，真空阴极弧源是为了产生所需要的金属等离子体，它是利用真空电弧原理来蒸发金属材料(包括碳)，同时获得离化，从而得到所需的等离子体。该等离子体可以经过一个磁场过滤去除真空电弧放电时产生的大颗粒，也可以直接使用。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式的高压脉冲电源电压为5～50kV、脉冲频率为10～500Hz、脉冲宽度为10～300μs；低压脉冲电源电压为100～2000V、频率为1～20kHz，占空比为20～80％。高低压脉冲电源施加在高压靶台上，高压脉冲电源是为了加速等离子体中的离子轰击注入工件表面，形成注入效应；低压脉冲电源是为了获得等离子体基离子增强沉积效应，目的是获得高膜基结合力的膜，同时优化膜层内应力、膜层结构和表面性能。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式的磁控溅射靶4是直径为60～100mm、厚度为4～6mm的圆片，磁控溅射靶4的电源功率为5kW、工作气压为0.02～10Pa，外加离子轰击是为了获得高膜基结合力的膜，磁控溅射靶不仅能产生所需要的金属粒子，而且能产生绝缘材料粒子，但产生的粒子多数为中性的。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七的不同点是：本实施方式的磁控溅射靶4是直径为80mm、厚度为5mm的圆片，可满足工件的处理要求。
具体实施方式九：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式还增加有至少一个上观察窗25和一个侧观察窗27；所述至少一个上观察窗25设置在真空室上盖2上，所述一个侧观察窗27设置在真空室1的侧壁上。如此设置，便于观察工件的处理情况。
具体实施方式十：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式九的不同点是：本实施方式在真空室上盖2上设置有三个观察窗25。如此设置，更能清楚、方便地观察工件的处理情况。
具体实施方式十一：结合图4说明本实施方式，本实施方式利用球盘磨损实验机对获得样品摩擦系数进行了测试，摩擦机载荷50克，使用GCr15球轴承(直径6.35mm)。基体(样品1)是指未处理的铝合金，沉积钛样品(样品2)是指在铝合金磁控溅射一层钛膜(150nm)，样品3是指沉积钛后利用等离子体复合注入碳元素(10kV，80Hz)，样品4是指沉积钛后利用等离子体复合注入碳元素(10kV，300Hz)。可见没有处理的铝合金摩擦系数很大(样品1)，沉积钛后降低，碳注入处理后更为降低(样品2)，利用10kV/300Hz处理的样品摩擦系数一直很低。可见复合表面处理的作用。
Claims (9)
1.一种复合多模式等离子体表面处理装置，它包括真空室(1)、真空室上盖(2)、磁控溅射靶(4)、低能离子源(5)、射频天线(6)、高压靶台(7)、密封绝缘件(8)、中心电极(9)、脉冲偏压电源(10)、金属离子注入源(11)、底架(26)；其特征在于它还包括气动装置(12)、泵组(13)、真空阴极弧源(14)；所述真空阴极弧源(14)由一个直管真空阴极弧源(15)和一个90°弯管真空阴极弧源(16)组成，所述两个磁控溅射靶(4)、一个直管真空阴极弧源(15)、一个90°弯管真空阴极弧源(16)、一个金属离子注入源(11)、一个低能离子源(5)和一组泵组(13)固定装在真空室(1)外壁上的通孔内，真空室(1)内固装有射频天线(6)，中心电极(9)的上端穿过密封绝缘件(8)装在真空室(1)内，中心电极(9)的下端与脉冲偏压电源(10)连接，中心电极(9)与密封绝缘件(8)动配合，高压靶台(7)装在真空室(1)内且固定在中心电极(9)上，进气口(3)设置在真空室(1)的底板上，真空室上盖(2)与气动装置(12)连接，气动装置(12)和真空室(1)均固装在底架(26)上，真空室(1)和真空室上盖(2)均带有水套夹层。
2.根据权利要求1所述的复合多模式等离子体表面处理装置，其特征在于所述气动装置(12)由气缸(17)和气缸活塞(18)组成；所述气缸活塞(18)的一端与真空室上盖(2)固接，气缸活塞(18)的另一端装在气缸(17)内，气缸(17)固装在底架(26)上。
3.根据权利要求1所述的复合多模式等离子体表面处理装置，其特征在于所述密封绝缘件(8)由聚四氟乙烯绝缘材料或陶瓷绝缘材料制成。
4.根据权利要求1所述的复合多模式等离子体表面处理装置，其特征在于所述脉冲偏压电源(10)由高压脉冲电源和低压脉冲电源组成；所述高压脉冲电源或低压脉冲电源与中心电极(9)的下端连接。
5.根据权利要求1所述的复合多模式等离子体表面处理装置，其特征在于所述泵组(13)由机械泵(19)、分子泵(20)、第一阀门(21)、第二阀门(22)、插板阀(23)、光栅阀(24)组成；所述机械泵(19)的输出端通过第一阀门(21)和第二阀门(22)分别与光栅阀(24)和分子泵(20)的输入端连接，分子泵(20)的输出端与插板阀(23)的输入端连接，插板阀(23)的输出端与光栅阀(24)的输入端连接，光栅阀(24)的输出端与真空室(1)相通。
6.根据权利要求1所述的复合多模式等离子体表面处理装置，其特征在于所述真空阴极弧源(14)的真空阴极直径为60mm、电流为50～200A、弧压为20～50V、弯管磁场电流为0.5～2A。
7.根据权利要求4所述的复合多模式等离子体表面处理装置，其特征在于所述高压脉冲电源电压为5～50kV、脉冲频率为10～500Hz、脉冲宽度为10～300μs；低压脉冲电源电压为100～2000V、频率为1～20kHz，占空比为20～80％。
8.根据权利要求1所述的复合多模式等离子体表面处理装置，其特征在于所述磁控溅射靶(4)是直径为60～100mm、厚度为4～6mm的圆片，磁控溅射靶(4)的电源功率为5kW、工作气压为0.02～10Pa。
9.根据权利要求1所述的复合多模式等离子体表面处理装置，其特征在于它还包括至少一个上观察窗(25)和一个侧观察窗(27)；所述至少一个上观察窗(25)设置在真空室上盖(2)上，所述一个侧观察窗(27)设置在真空室(1)的侧壁上。
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