CN101407906B - 真空镀膜设备 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的真空镀装置，包括真空室[1]，真空室有进出工件用的门，真空室内安装有电弧靶[2]、磁控靶[6]、加热装置[3]和工件架[4]，工件架经一行星齿轮机构安装在真空室中；所述电弧靶有28到60个且分四列均匀分布在真空室壁上，电弧靶采用逆变电源供电；所述磁控靶为一对柱形靶且并列设置在真空室中心，磁控靶采用中频电源供电。因这一结构特性，使本发明在真空室中形成一个环形离子沉积区，使靶材获得较高的离化度和使得电弧靶和磁控靶之间等离子体分布均匀，从而提高镀膜效率和离子镀效果，降低镀膜成本，提高涂层均匀性，镀膜过程更易于控制。与现有技术相比，本发明可应用于超长工件，和获得超硬、超厚镀膜。

Description

真空镀膜设备

技术领域

本发明涉及一种真空镀膜设备，属物理气相沉积技术领域。

背景技术

物理气相沉积(PVD，Physical Vapor Deposition)是在现代物理、化学、材料学、电子学等多学科基础上建立起来的一门先进的工程技术。它是将靶材(形成薄膜的材料)在真空环境下，经过物理过程相进入气相并沉积在衬底(需镀膜工件)表面的过程。磁控溅射离子镀和电弧离子镀是PVD技术中常用的两种方法。磁控溅射主要特征是将磁场施加在溅射靶的表面限制电子的运动轨迹，降低靶面辉光放电的电压，提供高密度的等离子体。其过程主要是氩离子被加速打在加有负电压的阴极(靶材)上，离子与阴极的碰撞使得靶材被溅射出带有平均能量4至6eV的颗粒。这些颗粒沉积在放于靶前方的被镀工件上，形成薄膜。然而，真空磁控离子溅射的靶材离化率在5％左右，因此通过磁控离子所沉积的薄膜硬度较低，附着力较差。电弧离子镀是将低电压高电流的电弧在靶材和阳极之间激发，形成强烈的冷阴极电弧放电。被离化的金属离子以60至100eV平均能量蒸发出来形成高度激发的离子束，在含有惰性气体或反应气体的真空环境下沉积在被镀工件表面。电弧离子镀的离化率在90％左右，所以与磁控溅射相比，沉积薄膜具有更高的硬度和更好的结合力。然而，由于阴极蒸发过程非常激烈，与蒸发过程较为平和的磁控离子溅射相比，阴极弧蒸发过程中会产生较多的有害杂质颗粒。结合磁控溅射和离子镀法而互补两者的优缺点已经成为真空镀技术发展的方向。

中国发明专利申请(公开号CN1854333A)“一种新的真空镀膜方法和设备”介绍了“一种新的真空镀膜设备，包括有磁控溅射靶的反应磁控溅射镀膜机，在反应磁控溅射镀膜机中，加入一只或多只可预先工作也可与磁控溅射靶同时工作或独立工作的定向发射的细长形电弧离子源，此定向发射的细长形电弧离子源安装有长圆柱形可旋转的靶材或不旋转的矩形靶材。”

中国实用新型专利ZL200520120710.4公开了“一种柱状阴极复合离子镀膜设备，其镀膜室体内设有柱状阴极和工件转架，所述镀膜室体侧面设有凸腔，凸腔内设置侧面柱状阴极，侧面柱状阴极朝向镀膜室体中央一侧设有活动挡板。”“所述镀膜室体中央设有中央柱状阴极，工件转架设置在中央柱状阴极外围圆周上。”“柱状阴极是柱状磁控溅射靶或柱状电弧靶”

但上述所公开的真空镀膜设备，虽然结合了磁控溅射镀和电弧离子镀两种技术，但由于结构设计上的不合理，主要是电弧靶和磁控靶的配置不合理，导致不能进行超硬镀膜的获得。结合对上述公开技术的分析和经过对目前市场上各种真空镀膜设备的考察，现有技术存在难以获得超硬(HV3500以上)、厚涂层(5μm以上)镀膜，对超长(1m以上)工件的真空镀加工尚无相应装置。而有些零件，如挤塑机螺杆又是超长(大都超过1m，一部分还超过6m)和超重工件(每个工位1吨以上，总重量4吨以上)，又需要有超硬超厚镀层以满足耐高强度摩擦磨损的需要。

发明内容

针对上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是选择最好的电弧靶和磁控靶的配置方案，提出一种满足超硬、超厚涂层和可进行对超长超重工件镀膜要求的真空镀膜设备。

本发明所提供的真空镀装置，包括真空室，真空室有进出工件用的门，真空室内安装有电弧靶、磁控靶、加热装置和工件架，工件架经一行星齿轮机构安装在真空室中，其中行星齿轮机构的太阳齿轮安装在真空室壁上，工件架安装在行星齿轮上，有电动机经变速机构安装在行星架驱动轴上；

所述电弧靶有28到60个且分四列均匀分布在真空室壁上，电弧靶材为Cr、Ti、Zr中的任意一种或任意两种或全部三种，电弧靶采用逆变电源供电；

所述磁控靶为一对柱形靶且并列设置在真空室中心，磁控靶材为石墨或硅，磁控靶采用中频电源供电。

本发明所提供的真空镀膜设备中，在真空室内沿壁设置了均匀且数量较多的电弧靶，在真空室中心又设置了磁控对靶，同时电弧靶采用逆变电源供电、磁控靶采用中频电源供电。因这一结构特性，使本发明在真空室中形成一个环形离子沉积区，使靶材获得较高的离化度和使得电弧靶和磁控靶之间等离子体分布均匀，从而提高镀膜效率和离子镀效果，降低镀膜成本，提高涂层均匀性，镀膜过程更易于控制。与现有技术相比，本发明可应用于超长工件，和获得超硬、超厚镀膜。

本发明所提供的真空镀膜设备，所说进出工件的门设置在真空室顶部。常规的镀膜设备工件架和炉顶是一体完全固定的，工件一般从侧门挂到工件架上或是把整个炉顶和工件架一起吊出真空室，在真空室外装好工件后再整体吊装到真空室中。或者是工件架装在真空室底部，用机械设备移出真空室装上工件再移到真空室中。上述三种传统工件架设计方式对于较小的工件比较实用，但当面对塑料机械中单根长达5米以上，重2吨以上的螺杆时则显得完全不适用。因为一个真空设备工件架上起码有6个工位，如果都是5米螺杆时整体工件重量在12吨以上，这对车间高度、吊车设备、吊装方式都有很高要求，不容易实现。如果采用侧开门把工件从外往里装时则由于工件太重，设备比较高(6米)，很难把工件准确挂到工件架上。而如果采用下转架整体装卸方式时则必须把侧面的门开到6米高，那会影响到整个设备的强度。为此本发明采用顶盖与工件架可以分离和从顶部单根吊装工件的方式，即真空室密封顶盖可以与侧壁分离，工件架是安装在侧壁上的，工件从顶部吊入并装到工件架上，克服该工件进出是其他形式时大型工件进出无法应用吊装工具或不能单根吊装的不足。另外工件架单个工位承重可以达到2吨以上，整个工件架承重可以达到12吨以上，工件从工件架顶部进行吊装，而常规镀膜设备工件架总承重一般在2吨以下，无法满足塑料挤压机械中超长超重螺杆的镀膜要求。

本发明所提供的真空镀膜设备，所说工件架所安装的行星齿轮架驱动轴与行星齿轮架是以花键结构连接的，可使以电机和和变速机构组成的驱动机构随顶盖起吊时与其主轴与行星齿轮架脱离，方便操作。

本发明所提供的真空镀膜设备，所说真空室壁上设置有可依中心滚动的滚动机构，所说工件架所安装的行星齿轮架向外伸展的悬臂搁置在该滚动座上，以使工件架的负荷向真空室壁转移和同时可以将行星齿轮架连带工件架吊出真空室，以方便维修操作。

本发明所提供的真空镀膜设备，所说太阳齿轮是安放在固定于真空室壁上的太阳齿轮座上的，以使之同样可向上吊出真空室，方便维修操作。

附图说明  图1为本发明一实施例的截面结构示意图，图中：1-真空室壁，2-电弧靶，3-加热装置，4-工件架，5-复合架，6-磁控靶；

图2为工件架结构示意图，图中：1-真空室壁，4-工件架，7-真空室顶盖，8-行星齿轮架，9-驱动主轴，10-减速机，11-电机，12-行星齿轮，13-太阳齿轮，14-太阳齿轮座，15-滚动机构，16-滚动座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

如图1所示，本发明包括圆筒状真空室，真空室内设有电弧靶、磁控靶、加热装置和工件架。电弧靶2有40个分4列在真空炉壁1上等分均布并以逆变电源供电，电弧靶靶材可以根据镀层材料的要求在Cr、Ti、Zr中选择其中或一或二或三进行调换安装。磁控靶6是两个按对靶设置的柱形靶，垂直位于真空炉的中心，由一个中频电源供电，以石墨为靶材。加热装置3分散安装在真空室近壁处，使加热均匀和节省能源。在电弧靶和磁控靶之间的环形带上方设置工件架4，工件架安装于真空室的结构如图2所示。工件架4安装在行星齿轮轴上，行星齿轮轴安装在行星齿轮架8上，行星齿轮架的驱动主轴9与行星齿轮架以花键轴连接。行星齿轮架还向外伸展有悬臂。在真空室壁1上经支架安装了滚动机构15，滚动机构是以与真空室壁固定的定圈、定圈上的钢球和钢球上的动圈组成的，如同一个平面轴承。在滚动机构动圈上安装了滚动座16用以支承行星齿轮架伸展的悬臂。真空室壁上还安装了太阳齿轮座14，是一个端面向上的台阶，太阳齿轮13放置在该台阶上。行星齿轮轴上安装的行星齿轮12与太阳齿轮啮合。当主轴转动时行星齿轮架带动行星齿轮依太阳齿轮作公转，并受太阳齿轮驱动作自转，使挂于工件架上的工件在电弧靶与磁控靶之间的空间中作自转和公转。又如图2所示，真空室上端盖是可活动的真空室顶盖7，驱动主轴穿过顶盖安装在减速机10输出轴上，减速机与电机11连接，减速机和电机均安装在顶盖上。在本发明中，真空室进出工件的门设置在顶端，电机和减速机可随同顶盖起吊，起吊时驱动主轴与行星齿轮架脱离。工件架可随同行星齿轮架起吊，太阳齿轮也可起吊。同时，工件架上还可加装复合架5，复合架上是设置有多个挂装钩的工件架，当真空镀装置对小工件进行镀膜加工时可在复合架上挂装更多的工件。

本发明中电弧靶和磁控靶之间的空间为环形离子镀沉积区，由于电弧靶的高离化率，磁场又把等离子体紧紧的约束在电弧靶和磁控对靶之间，使沉积区等离子体密度大大提高。常规镀膜设备中，由于靶的数量较少，镀膜时由于工件要旋转进行公转和自转，当工件面对靶时则进行涂层沉积，而当工具转过靶面前而远离靶时则不能进行镀膜过程，所以导致镀膜速率较低，不能进行厚涂层的制备。而在本镀膜装置中，由于整个真空室壁上全部装满靶，同时真空室中间也有靶，在镀膜时，工件可以面对更多的靶，当工件转到炉壁靶前时进行镀膜，而当其转到面对真空室中间的靶时一样还在进行镀膜，几乎没有空余的不镀膜时间，因此涂层的沉积速率比常规的设备要快两倍以上。此外，当对各种复杂工件进行镀膜时，工件完全浸没在等离子体当中，离子轰击的效果非常显著，涂层的均匀性得到了良好的保证。在这种情况下，可以达到对超长工件的加工并得到超厚、超硬的镀层。同时还可以通过调整工件架的转速调节涂层的结构。

本发明充分综合利用了中频磁控溅射技术、对靶技术、柱形磁控溅射技术、电弧离子镀技术、电弧-中频磁控结合技术，不但可以制备各种单一涂层如TiN、CrN、ZrN等，还可以制备超硬涂层如TiSiN、CrSiN等，很好地改进了涂层厚度的均匀性，改善了涂层质量，提高了涂层附着力。因此，本发明不仅使应用领域更为广泛，具有更高的生产效率，而且保证了大范围内设备涂层均匀性，镀膜质量更高，附着力更强。

总之，本发明提供的设备充分体现了各种先进镀膜技术的优点，克服了现有许多制备系统的缺点，具有镀膜效率高、镀膜成本低、操作方便等特点。可以很方便的进行工业化大生产，具有极大的应用价值。

Claims (2)

1.一种真空镀膜装置，包括真空室，真空室有进出工件用的门，真空室内安装有电弧靶、磁控靶、加热装置和工件架，工件架经一行星齿轮机构安装在真空室中，其中行星齿轮机构的太阳齿轮安装在真空室壁上，工件架安装在行星齿轮上，有电动机经变速机构安装在行星齿轮架驱动主轴上；其特征是

所述电弧靶有28到60个且分四列均匀分布在真空室壁上，电弧靶材为Cr、Ti、Zr中的任意一种或任意两种或全部三种，电弧靶采用逆变电源供电；

所述磁控靶为一对柱形靶且并列设置在真空室中心，磁控靶材为石墨或硅，磁控靶采用中频电源供电；

所说真空室进出工件的门设置在顶端，真空室顶端盖是可活动的真空室顶盖[7]，所说工件架[4]所安装的行星齿轮架[8]驱动主轴[9]与行星齿轮架以花键结构连接，驱动主轴穿过顶盖安装在减速机[10]输出轴上，减速机与电机[11]连接，减速机和电机均安装在顶盖上；所说真空室壁[1]上设置有可依中心滚动的滚动机构[15]，所说工件架所安装的行星齿轮架以向外伸展的悬臂搁置在滚动座[16]上。

2.如权利要求1所述的真空镀膜装置，其特征是所说太阳齿轮[13]是安放在固定于真空室壁上的太阳齿轮座[14]上的。

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