CN103866241B - 一种离子辅助热蒸发复合磁控溅射镀膜装置 - Google Patents

一种离子辅助热蒸发复合磁控溅射镀膜装置 Download PDF

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一种离子辅助热蒸发复合磁控溅射镀膜装置，主要由真空室、热蒸发装置、磁控溅射装置、离子轰击或偏压系统、鼠笼式自公转行星工件架和加热器构成。本发明既能实现离子辅助热蒸发复合磁控溅射沉积薄膜，也能实现单一的离子辅助热蒸发或磁控溅射沉积薄膜；采用离子轰击或偏压系统进一步提高膜基结合力和薄膜质量；采用鼠笼式自公转行星工件架结构，实现所镀工件在炉内三维转动，可保证工件表面膜层厚度均匀；且既保证被处理工件的批量化生产，实现工作表面100%覆盖涂层，又能保证膜层的质量，具有生产效率和自动化控制程度高，工艺可重复性好，易操作等优点，可广泛应用于钕铁硼永磁材料、高强钢紧固件及钛合金紧固件等材料的表面防护涂层处理。

Description

一种离子辅助热蒸发复合磁控溅射镀膜装置
技术领域
本发明涉及一种可用于材料表面改性及金属薄膜沉积的离子辅助热蒸发复合磁控溅射镀膜装置。
背景技术
热蒸发镀技术采用电阻蒸发源提供热源，使低熔点蒸发材料熔化，蒸发或升华成为蒸汽原子，然后沉积到基体表面形成膜层，具有成膜速率快，生产成本低等优点，在光学薄膜、热防护涂层和防腐蚀涂层的制备具有广泛的应用前景。但是热蒸发技术获得的膜层比较粗糙，膜层和基体的结合强度差，并且很容易形成粗大的柱状晶结构和较高的孔隙率，对薄膜的耐腐蚀和抗氧化性能相当不利。磁控溅射技术利用阴极溅射原理进行镀膜，即氩离子轰击靶材表面，溅射出的原子沉积到基体表面成膜。磁控溅射可以实现大面积均匀膜层的制备，膜层厚度和成份易于精确控制，膜层结构致密性好，获得的膜层附着强度是一般热蒸发镀膜的10倍以上，但是磁控溅射技术却存在沉积速率缓慢，造成生产效率低和成本高的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种既能提高膜基结合力和膜层的质量，又能保证工件表面膜层的均匀性，且生产效率高、成本低的离子辅助热蒸发复合磁控溅射镀膜装置。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的离子辅助热蒸发复合磁控溅射镀膜装置，其特点是主要由真空室、热蒸发装置、磁控溅射装置、离子轰击或偏压系统、鼠笼式自公转行星工件架和加热器构成。
上述热蒸发装置主要由蒸发舟及与蒸发舟配合使用的送丝机构组成。所述蒸发舟通过一套可升降的支架安装在真空室的底板上且位于鼠笼式自公转行星工件架的正下方，且所述蒸发舟的升降范围为0mm～50mm，用来调节蒸发舟到鼠笼式自公转行星工件架底面的距离，所述送丝机构由一个驱动轴驱动而将金属丝料自动送填到蒸发舟内，保证送丝速度一致并可调，通过调整送丝速度实现膜层的沉积速率可控，可以与离子轰击棒或偏压系统匹配形成足够密度的金属等离子体，且单位时间内蒸发量均匀，这有利于提高膜层的均匀性。
上述磁控溅射装置由柱状单向磁控溅射靶和屏蔽罩组成，所述柱状单向磁控溅射靶安装在热蒸发装置的上方并插置在鼠笼式自公转行星工件架的中心位置且与中心位置处的法兰相连接，所述屏蔽罩安装在柱状单向磁控溅射靶的下方，用来防止下方的蒸发物污染靶管。
上述离子轰击或偏压系统主要由高电压电源和轰击棒组成，所述高电压电源的输出电压为3000V～15000V，且该高电压电源具有离子轰击棒模式和偏压模式，所述轰击棒安装在磁控溅射装置的下方且介于磁控溅射装置和鼠笼式自公转行星工件架之间。
上述鼠笼式自公转行星工件架为水平结构，其左侧挂在真空室左端的转动轴上，右侧由真空室右侧的支撑结构托起，且所述鼠笼式自公转行星工件架的鼠笼结构为一端是带销的短轴，另一端是轴套，中间为金属丝网笼，且金属丝网笼的中间有隔断，可保证被镀工件在蒸发角内完成均匀翻转。
上述加热器设置在真空室顶部偏后方向的位置上，用于镀膜前的烘烤除气和镀膜中的恒温控制。
上述真空室为卧式侧开门结构。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
（1）本发明在同一台镀膜设备中，将热蒸发技术和磁控溅射技术巧妙地结合在一起，先使用磁控溅射技术沉积一层与基体结合良好的致密的过渡层，然后使用热蒸发技术在过渡层表面沉积厚的金属膜层；
（2）本发明采用离子轰击或偏压系统进一步提高膜基结合力和薄膜的质量；具体来讲，该装置配备有高电压电源（输出电压为3000V～15000V），该电源具有离子轰击棒模式和偏压模式，可以根据实际工艺需要切换使用这两种模式；
（3）本发明采用伺服电机驱动连续送丝机构，保证送丝速度一致并可调，通过调整送丝速度实现膜层的沉积速率可控，可以与离子轰击棒或偏压系统匹配形成足够密度的金属等离子体，单位时间蒸发量均匀，可保证工件表面膜层的均匀性。
综上所述，本发明所述的离子辅助热蒸发复合磁控溅射镀膜装置，既能实现离子辅助热蒸发复合磁控溅射沉积薄膜，也能实现单一的离子辅助热蒸发或磁控溅射沉积薄膜；既能保证现被处理工件的批量化生产，实现工作表面100%覆盖涂层，又能保证膜层的质量，具有生产效率和自动化控制程度高，工艺可重复性好，且易操作等优点，可广泛应用于钕铁硼永磁材料，高强钢紧固件及钛合金紧固件等材料的表面防护涂层处理。而且，本发明可沉积Al、Zn、Ag、Cu和Cr等金属膜。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的离子辅助热蒸发复合磁控溅射镀膜装置，主要由真空室1、热蒸发装置、磁控溅射装置、离子轰击或偏压系统、鼠笼式自公转行星工件架4和加热器8构成。其中，热蒸发装置主要由蒸发舟5及与蒸发舟5配合使用的送丝机构6组成，所述蒸发舟5通过一套可升降的支架安装在真空室1的底板上且位于鼠笼式自公转行星工件架4的正下方，蒸发舟5的升降范围为0mm～50mm。送丝机构6由一个驱动轴驱动而将金属丝料自动送填到蒸发舟5内，而且是采用伺服电机驱动连续送丝机构6，保证了送丝速度一致并可调，通过调整送丝速度实现膜层的沉积速率可控，可以与离子轰击棒或偏压系统匹配形成足够密度的金属等离子体，且单位时间内蒸发量均匀，这有利于提高膜层的均匀性。磁控溅射装置由柱状单向磁控溅射靶2和屏蔽罩7组成，所述柱状单向磁控溅射靶2安装在热蒸发装置的上方并插置在鼠笼式自公转行星工件架4的中心位置且与中心位置处的法兰相连接，所述屏蔽罩7安装在柱状单向磁控溅射靶2的下方，用来防止下方的蒸发物污染靶管。离子轰击或偏压系统主要由高电压电源和轰击棒3组成，所述高电压电源的输出电压为3000V～15000V，且该高电压电源具有离子轰击棒模式和偏压模式，所述轰击棒3安装在磁控溅射装置的下方且介于磁控溅射装置和鼠笼式自公转行星工件架4之间。鼠笼式自公转行星工件架4为水平结构，其左侧挂在真空室1左端的转动轴上，右侧由真空室1右侧的支撑结构托起，且所述鼠笼式自公转行星工件架4的鼠笼结构为一端是带销的短轴，另一端是轴套，中间为金属丝网笼，且金属丝网笼的中间有隔断，可保证被镀工件在蒸发角内完成均匀翻转。加热器8位于真空室1顶部偏后方向的位置上，用于镀膜前的烘烤除气和镀膜中的恒温控制。真空室1为卧式侧开门结构。
本发明的实施方法如下：
将工件放置于鼠笼式自公转行星工件架4后，开启真空系统抽真空室1的真空，当抽至本底极限真空时，打开加热器8加热工件至所需的温度；工件保温后，启动离子轰击或偏压系统，采用离子轰击棒模式，轰击棒3起辉，被处理工件表面进行高能离子清洗；待工件离子清洗完成后，调整真空室的气压，开启柱状单向磁控溅射靶2工作，同时启动离子轰击或偏压系统，采用偏压模式，在工件表面沉积过渡层，过渡层沉积结束后，关闭单向磁控溅射靶2，将离子轰击或偏压系统调至离子轰击棒模式，高电压对过渡层进行高能轰击处理；待过渡层高能轰击处理结束后，调整真空室1的气压，开启热蒸发装置，先启动送丝机构6，将蒸发的金属通过送丝机构6持续送入蒸发舟5，然后打开热蒸发电源，加热蒸发舟5内的待蒸发物质，形成金属蒸汽，同时启动离子轰击或偏压系统，采用离子轰击棒模式，实现离子辅助热蒸发镀膜。镀膜完成后，关闭热蒸发电源和离子轰击或偏压系统，工件出炉。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (3)

1.一种离子辅助热蒸发复合磁控溅射镀膜装置，其特征在于主要由真空室（1）、热蒸发装置、磁控溅射装置、离子轰击或偏压系统、鼠笼式自公转行星工件架（4）和加热器（8）构成，所述热蒸发装置主要由蒸发舟（5）及与蒸发舟（5）配合使用的送丝机构（6）组成，所述蒸发舟（5）通过一套可升降的支架安装在真空室（1）的底板上且位于鼠笼式自公转行星工件架（4）的正下方，且所述蒸发舟（5）的升降范围为0mm～50mm，用来调节蒸发舟（5）到鼠笼式自公转行星工件架（4）底面的距离，所述的送丝机构（6）由一个驱动轴驱动而将金属丝料自动送填到蒸发舟（5）内；所述磁控溅射装置由柱状单向磁控溅射靶（2）和屏蔽罩（7）组成，所述柱状单向磁控溅射靶（2）安装在热蒸发装置的上方并插置在鼠笼式自公转行星工件架（4）的中心位置且与中心位置处的法兰相连接，所述屏蔽罩（7）安装在柱状单向磁控溅射靶（2）的下方，用来防止下方的蒸发物污染靶管；所述离子轰击或偏压系统主要由高电压电源和轰击棒（3）组成，所述高电压电源的输出电压为3000V～15000V，且该高电压电源具有离子轰击棒模式和偏压模式，所述轰击棒（3）安装在磁控溅射装置的下方且介于磁控溅射装置和鼠笼式自公转行星工件架（4）之间；所述鼠笼式自公转行星工件架（4）为水平结构，其左侧挂在真空室（1）左端的转动轴上，右侧由真空室（1）右侧的支撑结构托起，且所述鼠笼式自公转行星工件架（4）的鼠笼结构为一端是带销的短轴，另一端是轴套，中间为金属丝网笼，且金属丝网笼的中间有隔断，可保证被镀工件在蒸发角内完成均匀翻转。
2.根据权利要求1所述离子辅助热蒸发复合磁控溅射镀膜装置，其特征在于上述加热器（8）设置在真空室（1）顶部偏后方向的位置上，用于镀膜前的烘烤除气和镀膜中的恒温控制。
3.根据权利要求1所述离子辅助热蒸发复合磁控溅射镀膜装置，其特征在于上述真空室（1）为卧式侧开门结构。
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