CN101280421A - 多工位轴瓦磁控溅射镀膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多工位轴瓦磁控溅射镀膜装置，包括真空室(1)、磁控靶(2)和溅射电源，其特征在于：所述磁控靶(2)至少为四只，包括至少两只直径不同的铝合金靶和至少两只直径不同的镍靶，另有至少两只横截面分别呈“一”字形和“十”字形的反溅靶(4)，所述各靶沿真空室(1)中心竖直周向均匀分布在真空室(1)上端，在所述真空室(1)下端中心设有转盘(7)，在该转盘(7)上与所述各靶相对处固定有双层结构内壁直径不同的瓦桶(8)，转盘(7)能升降和旋转。本发明能在轴瓦内表面连续镀制两层金属及合金薄膜，而且能在一次开仓时装入多种规格的工件，在真空室内完成整个工艺过程，从而提高生产效率。

Description

多工位轴瓦磁控溅射镀膜装置

技术领域

本发明属于磁控溅射镀膜领域，尤其涉及一种多工位生产轴瓦的磁控溅射镀膜装置。

背景技术

轴瓦即滑动轴承是柴油机心脏的运动部件，又是基础件和消耗部件，若轴瓦在使用中发生故障，必定造成停车事故，更换时内燃机需要解体或部分解体，工作量极大。近年来，各种主机的发展速度很快，负荷和比压明显提高，这就对轴承元件例如滑动轴承提出更严格的要求，单层滑动轴承由于在高转速时变薄而不再能满足这些要求，从而滑动轴承工业更多地转向多层滑动轴承。多层滑动轴承通常包括一钢支承层(通常为镍栅层)，在其上通过滚压、电镀或阴极喷镀涂覆一个或多个其他的减摩层。目前，国外已开始探寻溅射瓦，其特点是用磁控溅射的方法在基材的内表面上生成镍栅层(阻挡层)和铝合金减摩层(跑合层)，可极大地提高轴瓦的使用寿命，溅射的基本原理是：在强电场、强磁场、高真空的溅射舱内通入少量惰性气体(氩气)。电子在强电场、强磁场(磁场方向与电场方向成一定角度)的条件下受磁场的洛仑兹力作用而进行螺旋加速运动并与氩原子碰撞。氩原子电离成正的氩离子(Ar⁺)和另一个电子。氩离子(Ar⁺)在电场作用下加速飞向产品基材(阴极)，使被溅材料离解成具有高速、高能的微粒飞溅出来凝聚在产品基材的表面形成溅射膜层。当前，国内仅有根据溅射原理制作的玻璃镀膜装置，此种装置包括真空室和预处理室，在真空室内进行溅射，在预处理室内进行反溅清洗，生产效率低。轴瓦溅射与玻璃镀膜在产品基材安装，溅射靶布置等有很大的不同，而且轴瓦为小件产品，产品规格品种多，需要设计一种采用多工位，一次装入多种规格的工件，能在真空室内完成整个工艺过程，以减少装夹工件和抽真空的时间，从而提高生产效率的轴瓦磁控溅射装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种轴瓦磁控溅射镀膜装置，不仅能在轴瓦内表面连续镀制两层金属及合金薄膜，而且能在一次开仓时装入多种规格的工件，在真空室内完成整个工艺过程，从而提高生产效率。

本发明的技术方案如下：一种多工位轴瓦磁控溅射镀膜装置，包括真空室、磁控靶及溅射电源，所述真空室为双层结构，固定在基座上的中心位置，所述磁控靶至少为四只，包括至少两只直径不同的铝合金靶和至少两只直径不同的镍靶，另有至少两只横截面分别呈“一”字形和“十”字形的反溅靶，所述磁控靶和反溅靶周向均匀分布在真空室上部，所述磁控靶和反溅靶的轴心分别装有与靶电机相连的旋转轴；在所述真空室下部中心设有转盘，在该转盘上与所述各靶相对处固定有双层结构的瓦桶，其中一只瓦桶的内孔横截面为四段相同圆弧构成的梅花形，其余各只瓦桶的内孔为直径不同的圆筒形，所述各瓦桶的底部转盘上设有通孔；所述转盘下表面中心固定有升降旋转轴，该升降旋转轴从所述真空室底部穿出进入所述基座与升降旋转机构相连；在所述转盘下方反溅靶相对处设有与电极轴相连的反溅电极，该电极轴下端位于基座内与电极升降机构相连；所述真空室内壁上设有大分子泵和小分子泵的进气口，在所述磁控靶和反溅靶的心部、瓦桶和真空室的内外壁间均装有冷却水，冷却水由温控系统控制且通过进、出水管实现循环。

所述磁控靶的第一旋转轴为上端设有进水管且下端为敞口的空心管，第一旋转轴外圆柱面上固定有磁体，该磁体外空套有固定在真空室上的内管，所述内管下端封口且外圆柱面上紧固有圆柱靶，所述内管上端设有出水管，在所述第一旋转轴和内管内装有冷却水。

所述反溅靶的第二旋转轴为下端封口且装有冷却水的空心管，该第二旋转轴上设有进、出水管，旋转轴外表面固定有不锈钢片状靶。

所述升降旋转机构包括固定在真空室底部的转盘升降支承，该支承上竖直固定有主导轨及主导轨间的主丝杆，所述主丝杆下端通过第一联轴节与转盘升降电机相连的第一变速器连接，所述主丝杆上套有与升降旋转轴支承固定的螺母座，该螺母座上设有两滑槽与所述主导轨相配合；所述升降旋转轴下端通过轴承安装在升降旋转轴支承内，该支承下端通过连接套与第二变速器连接，所述第二变速器的输出轴通过第二联轴节与升降旋转轴底端连接，所述第二变速器的输入轴与转盘旋转电机相连，所述升降旋转轴上装有上、下接近开关挡板。

所述电极升降机构包括固定在真空室底部的电极升降支承，该支承上竖直固定有电极导轨和电极丝杆，所述电极丝杆下端通过第三联轴节与连接有电极升降电机的第三变速器相连，所述电极丝杆上套有固定在活动导轨中部的螺母，该活动导轨通过螺栓与电极轴支承连接且与所述电极导轨相配合，所述电极轴支承固套在电极轴的下端。

在所述梅花形瓦桶的四个相同圆弧柱连接处设有可更换的挡板。

所述靶电机和所述升降旋转机构、电极升降机构中包括的电机均为混合式步进电机，且由工控机控制，工控机和可编程控制器构成控制系统。

所述磁体是周向均布在所述第一旋转轴外圆柱面上的4～10列偶数列钐钴₅磁体，每列磁体沿轴向布置且一端为长磁体，另一端为短磁体；所述长磁体和所述短磁体在第一旋转轴的端部相间分布，所述长磁体和所述短磁体的磁极分别位于本体的上、下端，所述长磁体和所述短磁体相对端的磁极为异名磁极，相邻列磁体在第一旋转轴端部的磁极为异名磁极。

所述真空室为不锈钢材质，其前侧面为仓门，该仓门上设有观察窗。

本发明转盘上的瓦桶内可装入不同规格型号的轴瓦基材，瓦桶随转盘在升降旋转机构的带动下，旋转和升降将工件送入所需工位进行反溅清洗、溅射镍栅层或铝合金减摩层，反溅时，电极轴上的反溅电极在电极升降机构的带动下上升到瓦桶底部，与反溅靶共同作用进行反溅清洗；磁控靶包括有至少两只铝合金靶和至少两只镍合金靶，每种靶可有不同的直径，用以溅射不同规格型号的轴瓦；为保持溅射过程中各功能部件温度在一定范围内，共配置三套水冷装置，分别位于磁控靶和反溅靶的心部、瓦桶和真空室的内外壁间，水温由温控系统控制；真空室先由机械泵进行低真空度抽真空，当真空度达到一定程度后，开启大、小分子泵进行高真空度抽真空，同时关闭机械泵，当真空度达到工艺要求时，关闭大分子泵，由小分子泵保持真空室在整个溅射过程中的高真空度；工控机和可编程控制器构成工控机控制系统，该工控机控制系统结合各混合式步进电机和接近开关挡板对整个装置进行控制。

“一”字形和“十”字形反溅靶可以分别对不同规格的工件进行反溅清洗，“一”字形反溅靶用于较大规格型号的轴瓦，“十”字形反溅靶用于较小规格型号的轴瓦；内孔直径不同的瓦桶和梅花形瓦桶可以装载不同规格的轴瓦，采用梅花型瓦桶不仅能使靶进入瓦桶，使该装置能溅射小型轴瓦，提高该装置的适用范围，同时由于在同一瓦桶中放置了更多的轴瓦基材而提高了生产效率。梅花型瓦桶圆弧连接处与圆柱靶距离较近，在此处增加可更换挡板来提高溅射膜层的均匀性。

钐钴作为磁控靶中的磁体，使得磁场更为强大，穿透能力更强，因而圆柱靶的壁厚可以做得较厚，从而大大提高了靶材的利用率，有效地降低了生产成本。

本发明的有益效果是：

1、由于采用了多工位、多种靶和瓦桶，一次可装入多种规格的轴瓦基材，能在真空室内完成整个工艺过程，减少了装夹工件和抽真空的时间，大大提高生产效率。

2、新型强磁体，提高了靶材的利用率，有效地降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图3中沿B-B剖切的结构示意图。

图5为图1中沿C-C剖切的结构示意图。

图6为图1中磁控靶部件的结构示意放大图。

图7为图2中梅花形瓦桶的放大视图。

图8为图6中磁体分布的立体示意图。

图9为图8的D-D剖视图。

图10为图8中磁体的磁力线分布示意图。

图11为子系统方框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图5所示，本发明主要由真空室1、磁控靶2、基座3、反溅靶4、靶电机5、第一旋转轴6、转盘7、瓦桶8、升降旋转轴9、电极轴10、反溅电极11、大分子泵12、小分子泵13、机械泵14、磁体15、内管16、圆柱靶17、不锈钢片状靶18、转盘升降支承19、主导轨20、主丝杆21、第一联轴节22、第一变速器23、升降电机24、升降旋转轴支承25、第二旋转轴26、螺母座27、连接套28、第二变速器29、第二联轴节30、转盘旋转电机31、电极升降支承32、电极导轨33、电极丝杆34、第三联轴节35、电极升降电机36、第三变速器37、电极轴支承38、活动导轨39、螺母40、温控系统、工控机控制系统和磁控溅射电源组成。其中真空室1为双层结构不锈钢材质，固定在基座3上的中心位置，真空室1内外壁间装有由温控系统控制的冷却水，真空室1前侧面为仓门，仓门上设有观察窗。磁控靶2为四只，包括两只直径不同的铝合金靶和两只直径不同的镍靶，另有两只反溅靶4，反溅靶4横截面分别呈“一”字形和“十”字形，直径不同的铝合金靶和镍靶可以对不同规格的工件进行溅射，“一”字形反溅靶用于较大规格型号的轴瓦，“十”字形反溅靶用于较小规格型号的轴瓦，磁控靶2和反溅靶4共六只，沿真空室1中心竖直周向均匀分布在真空室1上部，磁控靶2和反溅靶4的轴心分别装有与靶电机5相连的旋转轴，如图6所示，磁控靶2的第一旋转轴6为上端设有进水管且下端为敞口的空心管，第一旋转轴6外表面固定有钐钴₅磁体15，在靶电机5的带动下磁体15能随第一旋转轴6旋转。该磁体15外空套有固定在真空室1上的内管16，内管16外紧固有圆柱靶17，圆柱靶17有铝合金靶和镍靶各两只，在内管16上端设有出水管，由温控系统控制的冷却水通过第一旋转轴6上端所设的进水管进入第一旋转轴6，从第一旋转轴6的下端敞口进入内管16后，从内管16上端所设的出水管流出，使第一旋转轴6和内管16内装有冷却水，而磁体15浸泡在冷却水中。

如图8所示，钐钴₅磁体15有6列周向均布在第一旋转轴6外圆柱面上，每列磁体15沿第一旋转轴6轴向布置，并且一端为长磁体15a，另一端为与长磁体15a相对的短磁体15b；长磁体15a的磁极位于其本体的上、下端，短磁体15b的磁极位于其本体的上、下端，长磁体15a和短磁体15b相对端的磁极为异名磁极，磁体15在第一旋转轴6的端部为周向相间分布的长磁体15a和短磁体15b且周向相邻列磁体15在端部的磁极为异名磁极。在图8中，第一旋转轴6两端的长磁体15a和短磁体15b相间布置，在第一旋转轴6上端的长磁体15a上端在为N级，下端为S级，与该长磁体15a轴向相对的短磁体15b上端为N级，下端为S级；在第一旋转轴6的上端，与长磁体15a相邻的短磁体15b上端为S极，下端为N级，与该短磁体15b相对的长磁体15a上端为S极，下端为N级。如图9所示，间隔交错布置的磁体15，使磁体15外端的磁力线15c在俯视方向上呈梅花形均布，如图10所示，磁力线15c在纵向上呈首尾相连的“U”字波浪形。由于在溅射过程中磁体15处于旋转状态，因此溅射靶的外表面可被高效、均匀地利用。

如图1所示，反溅靶4的第二旋转轴26为下端封口的空心管，第二旋转轴26上接有进、出水管，第二旋转轴26内装有由温控系统控制的冷却水，第二旋转轴26外表面固定有不锈钢片状靶18，在靶电机5的带动下不锈钢片状靶18随第二旋转轴26旋转，各靶内腔之间设有相互连接的进、出水管。

如图1和图2所示，在真空室1下部中心设有转盘7，在该转盘7上与各靶相对处固定有六只双层结构的瓦桶8，瓦桶8的内外壁间装有由温控系统控制的冷却水，各瓦桶8间有互相连通的进、出水管。其中五只瓦桶8的内孔为直径不同的圆筒形，一只瓦桶8的内孔横截面为四个等同圆弧构成的梅花形，如图7所示，在梅花形瓦桶8的四圆弧柱连接处设有可更换的挡板8a。五只内孔直径不同的瓦桶和梅花形瓦桶可以装载六种不同规格的轴瓦。采用梅花型瓦桶不仅能使靶进入瓦桶，使该装置能溅射小型轴瓦，提高该装置的适用范围，同时由于在同一瓦桶中放置了更多的轴瓦基材而提高了生产效率。梅花型瓦桶圆弧连接处与圆柱靶距离较近，在此处增加可更换挡板来提高溅射膜层的均匀性。如图1所示，瓦桶8的底部转盘上为通孔7a，反溅时，电极轴10上的反溅电极11在电极升降机构的带动下通过通孔7a与瓦桶底部接触，反溅靶4作为受体将工件的脏物吸附，达到清洗目的。转盘7下表面中心固定有升降旋转轴9，该升降旋转轴9从所述真空室1底部穿出进入所述基座3与升降旋转机构相连，升降旋转轴9为空心轴，其内孔中穿有瓦桶进水管、出水管，该进、出水管穿过转盘7与各瓦桶8间互相连通的进出水管相连。在转盘7下方的反溅靶4相对处设有与电极轴10相连的反溅电极11，该电极轴10下端位于基座3内与电极升降机构相连。

如图1、图2所示，真空室1内壁上设有大、小分子泵12，13以及机械泵14的进气口。先由机械泵14进行低真空度抽真空，当真空度达到一定程度后，开启大、小分子泵12，13进行高真空度抽真空，同时关闭机械泵14，当真空度达到工艺要求时，关闭大分子泵12，由小分子泵13保持真空室1在整个溅射过程中的高真空度，机械泵14和大分子泵12关闭后由阀门控制空气的回流。

如图3、图4所示，与升降旋转轴9相连的升降旋转机构包括固定在真空室1底部的转盘升降支承19，该支承上竖直固定有两主导轨20，主导轨20间固定有主丝杆21，主丝杆21下端依次通过第一联轴节22、第一变速器23与固定在主导轨20下的转盘升降电机24相连，主丝杆21上套有与升降旋转轴支承25对接固定的螺母座27，该螺母座27上还设有两滑槽与所述主导轨20相配合，螺母座27通过两滑槽可在主导轨20上滑动；升降旋转轴9下端通过一对圆锥滚子轴承安装在升降旋转轴支承25内，该支承下端通过连接套28与第二变速器29连接，所述第二变速器29的输出轴通过第二联轴节30与升降旋转轴9底端连接，所述第二变速器29的输入轴与转盘旋转电机31相连，所述升降旋转轴9上装有上、下接近开关挡板用以控制升降旋转轴9升降的极限位置。转盘旋转电机31为混合式步进电机，设有旋转编码器，控制转盘7以60度为最小旋转单位进行旋转，升降旋转轴9上设有的旋转接近开关挡板，使转盘7至多旋转300度就停止或倒转。

如图1、图5所示，与电极轴10相连的电极升降机构与转盘7的升降旋转机构类似，包括固定在真空室1底部的电极升降支承32，该支承上竖直固定有电极导轨33和电极丝杆34，电极丝杆34下端通过第三联轴节35与连接有电极升降电机36的第三变速器37相连，所述电极丝杆34上套有固定在活动导轨39中部的螺母40，该活动导轨39通过螺栓与电极轴支承38连接，活动导轨39与电极导轨33相配合，可在电极导轨33上滑动，电极轴支承38固套在电极轴10的下端。

本装置中靶电机5以及升降旋转机构、电极升降机构中所包括的电机均为混合式步进电机，且由工控机控制，工控机和可编程控制器构成工控机控制系统。如图11所示，工控机控制系统是整个装置的指挥控制中心，控制温控系统、驱动系统和机械泵。

本装置的溅射电源由中频溅射沉积电源、中频脉冲偏压辅助沉积电源和射频偏压电源组成。中频溅射沉积电源为磁控靶提供能量，中频脉冲偏压辅助沉积电源，作为伴随电源，中频溅射沉积电源和中频脉冲偏压辅助沉积电源在电气系统的控制下可单独或交替工作；射频偏压电源为反溅电极提供能量，其工作时反溅电极直接作用于工件，反溅靶作为受体将工件的脏物进行吸附。通过这三套电源实现中频溅射沉积、中频脉冲偏压辅助沉积、射频偏压预清洁等功能。

本发明是这样工作的：

将进行过溅前处理的轴瓦基材装入瓦桶内，真空室抽真空，瓦桶随转盘在升降旋转机构的带动下，旋转和升降将工件送入工艺要求的位置来实现工艺过程，即射频偏压预清洁→溅射扩散层1→溅射栅层→溅射扩散层2→溅射减摩层。

Claims (9)

1. 一种多工位轴瓦磁控溅射镀膜装置，包括真空室(1)、磁控靶(2)和溅射电源，其特征在于：所述真空室(1)为双层结构，固定在基座(3)上的中心位置，所述磁控靶(2)至少为四只，包括至少两只直径不同的铝合金靶和至少两只直径不同的镍靶，另有至少两只横截面分别呈“一”字形和“十”字形的反溅靶(4)，所述磁控靶(2)和反溅靶(4)周向均匀分布在真空室(1)上部，所述磁控靶(2)和反溅靶(4)的轴心分别装有与靶电机(5)相连的旋转轴；在所述真空室(1)下部中心设有转盘(7)，在该转盘(7)上与所述各靶相对处固定有双层结构的瓦桶(8)，其中一只瓦桶(8)的内孔横截面为四段相同圆弧构成的梅花形，其余各只瓦桶(8)的内孔为直径不同的圆筒形，所述各瓦桶(8)的底部转盘上设有通孔(7a)；所述转盘(7)下表面中心固定有升降旋转轴(9)，该升降旋转轴(9)从所述真空室(1)底部穿出进入所述基座(3)与升降旋转机构相连；在所述转盘(7)下方的反溅靶(4)相对处设有与电极轴(10)相连的反溅电极(11)，该电极轴(10)下端位于基座(3)内与电极升降机构相连；所述真空室(1)内壁上设有大、小分子泵(12，13)以及机械泵(14)的进气口，在所述磁控靶(2)和反溅靶(4)的心部、瓦桶(8)和真空室(1)的内外壁间均装有冷却水，冷却水由温控系统控制且通过进、出水管实现循环。

2. 根据权利要求1所述的多工位轴瓦磁控溅射镀膜装置，其特征在于：所述磁控靶(2)的第一旋转轴(6)为上端设有进水管且下端为敞口的空心管，第一旋转轴(6)外圆柱面上固定有磁体(15)，该磁体(15)外空套有固定在真空室(1)上的内管(16)，所述内管(16)下端封口且外圆柱面上紧固有圆柱靶(17)，所述内管(16)上端设有出水管，在所述第一旋转轴(6)和内管(16)内装有冷却水。

3. 根据权利要求1所述的多工位轴瓦磁控溅射镀膜装置，其特征在于：所述反溅靶(4)的第二旋转轴(26)为下端封口且装有冷却水的空心管，该第二旋转轴(26)上设有进、出水管，第二旋转轴(26)外表面固定有不锈钢片状靶(18)。

4. 根据权利要求1所述的多工位轴瓦磁控溅射镀膜装置，其特征在于：所述升降旋转机构包括固定在真空室(1)底部的转盘升降支承(19)，该支承上竖直固定有两主导轨(20)及主导轨(20)间的主丝杆(21)，所述主丝杆(21)下端依次通过第一联轴节(22)、第一变速器(23)与固定在主导轨(20)下的转盘升降电机(24)相连，所述主丝杆(21)上套有与升降旋转轴支承(25)固定的螺母座(27)，该螺母座(27)上设有两滑槽与所述主导轨(20)相配合；所述升降旋转轴(9)下端通过轴承安装在升降旋转轴支承(25)内，该支承下端通过连接套(28)与第二变速器(29)连接，所述第二变速器(29)的输出轴通过第二联轴节(30)与升降旋转轴(9)底端连接，所述第二变速器(29)的输入轴与转盘旋转电机(31)相连，所述升降旋转轴(9)上装有上、下接近开关挡板。

5. 根据权利要求1所述的多工位轴瓦磁控溅射镀膜装置，其特征在于：所述电极升降机构包括固定在真空室(1)底部的电极升降支承(32)，该支承上竖直固定有电极导轨(33)和电极丝杆(34)，所述电极丝杆(34)下端通过第三联轴节(35)与连接有电极升降电机(36)的第三变速器(37)相连，所述电极丝杆(34)上套有固定在活动导轨(39)中部的螺母(40)，该活动导轨(39)通过螺栓与电极轴支承(38)连接且与所述电极导轨(33)相配合，所述电极轴支承(38)固套在电极轴(10)的下端。

6. 根据权利要求1所述的多工位轴瓦磁控溅射镀膜装置，其特征在于：在所述梅花形瓦桶(8)的四个相同圆弧柱连接处设有可更换的挡板(8a)。

7. 根据权利要求1所述的多工位轴瓦磁控溅射镀膜装置，其特征在于：所述靶电机(5)以及所述升降旋转机构、电极升降机构中所包括的电机均为混合式步进电机，且由工控机控制，工控机和可编程控制器构成控制系统。

8. 根据权利要求2所述的多工位轴瓦磁控溅射镀膜装置，其特征在于：所述磁体(15)是周向均布在所述第一旋转轴(6)外圆柱面上的4～10列偶数列钐钴5磁体，每列磁体(15)沿轴向布置且一端为长磁体(15a)，另一端为短磁体(15b)；所述长磁体(15a)和所述短磁体(15b)在第一旋转轴(6)的端部相间分布，所述长磁体(15a)和所述短磁体(15b)的磁极分别位于本体的上、下端，所述长磁体(15a)和所述短磁体(15b)相对端的磁极为异名磁极，相邻列磁体(15)在第一旋转轴(6)端部的磁极为异名磁极。

9. 根据权利要求1所述的多工位轴瓦磁控溅射镀膜装置，其特征在于：所述真空室(1)为不锈钢材质，其前侧面为仓门，该仓门上设有观察窗。

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