CN104388905A - 一种用于真空杯内壁镀膜的二极溅射镀膜设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于真空杯内壁镀膜的二极溅射镀膜设备，包括支架、溅射镀膜装置、真空装置，其中溅射镀膜装置设置于支架上，真空装置与溅射镀膜装置一端连接，溅射镀膜装置中设有若干杯具工装，可匹配不同的溅射电极，本发明的有益效果是：适用于不同大小和形状的真空杯，设备结构简单好维护，连续性好，多工件同参数加工，生产效率高且镀层质量的一致性好，另外，由于溅射电极可自由更换，沉积温度等关键参数可任意调整，镀层质量和组分可调整，而且一旦未来开发出更先进的抑菌镀层，这种设备将十分有利于新抑菌镀层的更新换代和快速形成产业化。

Description

一种用于真空杯内壁镀膜的二极溅射镀膜设备

    

技术领域

本发明涉及一种用于真空杯内壁镀膜的二极溅射镀膜设备，可适用于具有各种大小和内壁形状的真空杯。

背景技术

随着社会的发展，真空杯已经进入千家万户，市场上的型号、品类也越来越丰富。真空杯的主要功能是隔热保温，其原理是在内外两层结构材料之间密封具有一定真空度的真空夹层，再辅以密封顶盖以达到降低内外热交换的目的。随着技术的进步，传统的有尾真空杯已经被无尾真空杯替代，利用高温熔封技术在大型的真空腔室中数控操作，可以不留尾管地在不锈钢内胆夹层中密封更高真空度的真空层，因此真空杯的保温性能也越来越好。但与此同时，伴随人们生活水平的提高，保健功能越来越多地成为真空杯除保暖功能以外最大的功能诉求。由于真空杯的内部长期处于密闭、温暖和潮湿状态，极易滋生细菌，对这一问题通常的解决方式是使用能抑制细菌生长的材料制造真空杯，或者在已成型的真空杯内壁上镀制抑菌镀层。

银和铜是两种抑菌效果极佳而且非常适合制造器皿的抑菌材料，人类应用银和铜来抑菌、保健的历史十分久远。战国时期一些出土的青铜器皿内就烙印了银线和铜线；富裕的古罗马人日常使用银酒杯和银餐具，这不仅因为银是富裕的象征，还因为这样可以祛除疾病；早期的英国自来水管都是铜制的，可以给自来水杀菌消毒。现代科学证明银和铜的杀菌机理主要是带正电的银铜离子和微生物带负电的细胞壁结合成静电键，这种静电键的形成改变了细胞壁的渗透性，破坏了微生物养分的正常摄取；另外银纳米颗粒或银离子可以强烈地吸引细菌体中蛋白酶上的巯基（-SH），迅速与其结合在一起，使蛋白酶丧失活性，导致细菌死亡。当细菌被灭杀后，银又由细菌尸体中游离出来，再与其它细菌接触，周而复始地进行上述过程，这也是银杀菌持久性的原因。由于这些杀菌机理都是物理过程，杀菌源不会参与人体代谢，所以也不影响人体健康。

但是银和铜都是贵金属，直接制作纯银或者纯铜真空杯是奢侈品，无法推广应用。因此在不锈钢真空杯内壁上镀银或镀铜更加经济和利于市场推广。而且新的研究表明，使用银和铜镀层比直接使用块体材料具有更好的杀菌效果。纳米银镀层比普通银表面具有更大的比表面积，接触细菌的能力更强，释放银纳米颗粒和银离子的能力也更强，因此杀菌效果更佳。同理，日本三井化学公司的研究人员证明10~100纳米厚的铜合金薄膜对于金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等几种常见病菌甚至流感病毒都也具有显著的灭杀效果。然而，市场上现有的镀膜设备在真空杯内壁镀膜都存在一定的缺陷和技术瓶颈。例如，电镀法尤其是电镀铜银等重金属会带来严重的环境污染及资源、能源损耗；一般PVD（物理气相沉积）真空镀膜如真空蒸发、磁控溅射和多弧离子镀等难以实现较深或者复杂内壁的均匀涂覆，甚至无法完整覆盖，而且放置工件的位置不同也会造成镀层质量的巨大差异；CVD（化学气相沉积法）虽可以实现均匀涂覆，但银铜气体源昂贵抬高了生产成本，无法形成产业化。因此，便捷、高效和低成本的真空杯内壁镀膜设备一旦出现在市场将会有极高的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可加工不同大小、形状的真空杯，结构简单好维护，连续性好，可多工件同参数加工，生产效率高且镀层质量好的用于真空杯内壁镀膜的二极溅射镀膜设备。

为了实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种用于真空杯内壁镀膜的二极溅射镀膜设备，包括支架、溅射镀膜装置、抽真空装置，溅射镀膜装置设置于支架上，抽真空装置与溅射镀膜装置一端连相连，所述溅射镀膜装置包括，真空室、加热装置及若干杯具工装，真空室固定在支架上，加热装设置于真空室内部侧壁上，杯具工装穿透真空室底端。

进一步的，所述杯具工装一端设置于真空室内部，另一端设置于真空室外部，中部与真空室密封连接，杯具工装置于真空室内一端设置有夹紧平台与通气孔，杯具工装中心设有安装孔。

进一步的，所述述溅射镀膜装置还包括：溅射电极、真空杯、送气管、氩气阀门、溅射电源和偏压电源，其中送气管一端与杯具工装通气孔相连，送气管另一端与真空室外的氩气阀门连接，溅射电极安装到杯具工装的安装孔中，其一端设置于真空室内，另一端通过一导线与溅射电源相连，真空杯安装到杯具工装夹紧平台上并通过另一导线与偏压电源相连。

进一步的，所述溅射电极材料为混合铜及钛的银铜钛合金，其中铜的质量百分比为1~3%，钛的质量百分比为1~3%，银的质量百分比为94~98%。

进一步的，所述溅射电极为杆状，溅射电极顶端形状与其需要加工的真空杯杯底形状相同。

进一步的，所述抽真空装置包括：高真空泵、机械泵、高真空阀门、前级阀门、旁路阀门和抽真空装置接口，其中抽真空装置接口一端与真空室相连，另一端与高真空阀门一端相连，高真空阀门另一端与高真空泵相连，机械泵通过管道和三通接头分别与前级阀门、旁路阀门一端相连，前级阀门另一端与高真空泵相连，旁路阀门另一端与抽真空装置接口侧壁相连，真空室顶端设有一充气口，充气口与充气阀门连接。

进一步的，所述抽真空装置还包括充气阀门，充气阀门与真空室顶端的充气口连接。

进一步的，所述真空室形状包括：正方体或长方体。

在这种用于真空杯内壁镀膜的二极溅射镀膜设备中，靶材直接作为溅射电极即阴极，而真空杯内壁作为阳极，极大的简化了设备结构，真空杯倒扣在杆状的溅射电极上，不仅营造了一个小的约束腔体来束缚辉光等离子体、降低溅射原子沉积到内壁上的自由程，而且真空杯内壁各处与溅射电极的距离保持相对一致，这些都保证了溅射的质量和镀层的均匀性，沉积温度可控，利于控制镀层的微观结构和沉积速率，溅射电极使用混合一定比例的铜（质量百分比1~3%）及钛（质量百分比1~3%）的银铜钛合金电极，其镀制的纳米银镀层具有良好的结合力及抗腐蚀能力以及纯正的银白色（无氧化发黑），同时最关键的保留了纳米银的杀菌、防腐涂层的效果解决了纳米银与杯体内壁的结合力、氧化、锈蚀的问题。真空室内可放置多组溅射电极和真空杯，使得多个真空杯在同一工艺参数下内镀抑菌镀层，既能提高生产效率，又能保证不同真空杯内壁上镀层质量的一致性，溅射电极相对廉价、也利于更换，既降低了成本，也方便连续生产，适用于各类金属、导电涂层的制备，可广泛应用于的管道、容器内壁制备各种防腐、导电、金属化、提高硬度等功能性涂层的领域。另外，更换不同材质电极可以镀制不同成分的镀层，因此随着技术进步，未来出现更先进镀层时，设备也可以快速实现新镀层的制备。

附图说明

图1为本发明二极溅射镀膜设备结构示意图；

图2为本发明工作流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

 相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步说明。

如图1所示，一种用于真空杯内壁镀膜的二极溅射镀膜设备，包括支架、溅射镀膜装置、抽真空装置，其中溅射镀膜装置设置于支架上，抽真空装置与溅射镀膜装置一端连接；

所述溅射镀膜装置包括：真空室1、溅射电极2、真空杯3、送气管4、若干个杯具工装5、加热装置6，氩气阀门13、溅射电源14和偏压电源15，其中真空室1固定在支架上，真空室1形状为正方体或长方体但并不限于上述形状，真空室1内部侧壁上设置有加热装置6，杯具工装5穿透真空室1底端，杯具工装5一端设置于真空室1内部，另一端设置于真空室1外部，中部与真空室1密封连接，每个杯具工装5在真空室1内一端设置有夹紧平台与通气孔，夹紧平台用于夹紧真空杯3，通气孔与送气管4一端连接，送气管4另一端与真空室1外的氩气阀门13连接，杯具工装5中心设有安装孔，溅射电极2安装到杯具工装5的安装孔中，溅射电极2为杆状，其一端设置于真空室1内，通过在安装孔中上下调整位置来调整与真空杯3内壁的距离，并且溅射电极2顶端形状与其需要加工的真空杯3杯底形状相同，使溅射电极2上每一点与对应的真空杯3内壁距离相等，保证其溅射镀膜均匀，溅射电极2另一端通过一导线与溅射电源14相连，真空杯3通过另一导线与偏压电源15相连；

所述溅射电极2材料为混合一定比例的铜（质量百分比1~3%）及钛（质量百分比1~3%）的银铜钛合金（银质量百分比94~98%），经实验证实，传统的纯银电极镀制的纳米银镀层容易产生镀层脱落、氧化、点锈蚀等问题，而混合一定比例的铜（质量百分比1~3%）及钛（质量百分比1~3%）的银铜钛合金电极镀制的纳米银镀层具有良好的结合力及抗腐蚀能力以及纯正的银白色（无氧化发黑），同时最关键的保留了纳米银的杀菌、防腐涂层的效果。

所述抽真空装置包括：高真空泵7、机械泵8、高真空阀门9、前级阀门10、旁路阀门11和充气阀门12、抽真空装置接口16，其中抽真空装置接口16一端与真空室1相连，另一端与高真空阀门9一端相连，高真空阀门9另一端与高真空泵7相连，机械泵8通过管道和三通接头分别与前级阀门10、旁路阀门11一端相连，前级阀门10另一端与高真空泵7相连，旁路阀门11另一端与抽真空装置接口16侧壁相连，真空室1顶端设有一充气口，充气口与充气阀门12连接，用于向真空室1内充入空气。

如图2所示，为本发明工作流程框图，在清理好设备并置放好工件即真空杯3之后，首先启动设备的抽真空装置将真空室1抽真空，具体过程是：

①关闭前级阀门10、高真空阀门9，打开旁路阀门11、开启机械泵8；

②真空室1抽至低真空10²Pa数量级时，关闭旁路阀门11，打开前级阀门10；

③至前级真空度满足高真空泵7（分子泵或罗茨泵）启动条件时，开启高真空泵7，打开高真空泵阀门9。

当真空室1真空度升至10^-4Pa数量级时，启动设备的溅射系统进行镀膜作业，具体过程是：

④开启氩气阀门13注入氩气，开启加热器6加热工件；

⑤当真空室1压力升至10⁰Pa数量级且工件温度达到设定值时，开启溅射电源14，开启偏压电源15实现溅射电极2的自溅射。

    实施例1：

使用这种用于真空杯内壁镀膜的二极溅射镀膜设备在不锈钢真空杯内壁上镀制纳米银镀层。

首先超声波清洗不锈钢真空杯内壁和银电极并烘干，同时清理设备真空室和真空系统，将真空杯和银电极置放在真空室内。启动真空系统抽真空至真空室真空度升至10^-4Pa数量级；打开加热器真空杯工件至200并打开氩气阀门通入氩气至真空室压力为10⁰Pa数量级；开启溅射电源并调节电压至4KV左右，开启偏压电源并调节电压至100V左右。镀膜时间20~60分钟。

    实施例2：

使用这种用于真空杯内壁镀膜的二极溅射镀膜设备在不锈钢真空杯内壁上镀制纳米铜合金镀层。

首先超声波清洗不锈钢真空杯内壁和银电极并烘干，同时清理设备真空室和真空系统，将真空杯和铜合金电极置放在真空室内。启动真空系统抽真空至真空室真空度升至10^-4Pa数量级，打开加热器真空杯工件至300并打开氩气阀门通入氩气至真空室压力为10⁰Pa数量级，开启溅射电源并调节电压至6KV左右，开启偏压电源并调节电压至150V左右。镀膜时间10~20分钟。

本发明中应用的技术为二极溅射镀膜技术，二极溅射镀膜是指在真空环境中利用粒子轰击靶材产生的溅射效应，使得靶材原子或分子从固体表面射出，在基片上沉积形成薄膜的过程；这项技术是一种早期的PVD薄膜技术，由于其效率偏低能耗较高随着溅射镀膜技术的发展，在多个领域已逐渐被磁控溅射方法取代。但该技术仍具有结构简单，使用环境要求低的特点，只要能根据被镀工件的表面形状制作等距的放电电极，即可保证均匀的镀制薄膜；在在本发明中，在真空杯内壁镀膜这一狭小空间的特殊工况下，二极溅射镀膜发挥了极佳的、其他镀膜方式无法替代的效用，在这种用于真空杯内壁镀膜的二极溅射镀膜设备中，溅射电极直接作为靶材即阴极，而真空杯内壁作为阳极，极大的简化了设备结构，真空杯倒扣在杆状的溅射电极上，不仅营造了一个小的约束腔体来束缚辉光等离子体、降低溅射原子沉积到内壁上的自由程，而且真空杯内壁各处与溅射电极的距离保持相对一致，这些都保证了溅射的质量和镀层的均匀性，沉积温度可控，利于控制镀层的微观结构和沉积速率，溅射电极使用混合一定比例的铜（1~3%）及钛（1~3%）的银铜钛合金电极，其镀制的纳米银镀层具有良好的结合力及抗腐蚀能力以及纯正的银白色（无氧化发黑），同时最关键的保留了纳米银的杀菌、防腐涂层的效果解决了纳米银与杯体内壁的结合力、氧化、锈蚀的问题。真空室内可放置多组溅射电极和真空杯，使得多个真空杯在同一工艺参数下内镀抑菌镀层，既能提高生产效率，又能保证不同真空杯内壁上镀层质量的一致性，溅射电极相对廉价、也利于更换，既降低了成本，也方便连续生产，适用于各类金属、导电涂层的制备，可广泛应用于的管道、容器内壁制备各种防腐、导电、金属化、提高硬度等功能性涂层的领域。另外，更换不同材质电极可以镀制不同成分的镀层，因此随着技术进步，未来出现更先进镀层时，设备也可以快速实现新镀层的制备。

Claims (8)

1.一种用于真空杯内壁镀膜的二极溅射镀膜设备，包括支架、溅射镀膜装置、抽真空装置，溅射镀膜装置设置于支架上，抽真空装置与溅射镀膜装置一端连相连，其特征在于，所述溅射镀膜装置包括，真空室、加热装置及若干杯具工装，真空室固定在支架上，加热装设置于真空室内部侧壁上，杯具工装穿透真空室底端。

2.根据权利要求1所述的溅射镀膜设备，其特征在于，所述杯具工装一端设置于真空室内部，另一端设置于真空室外部，中部与真空室密封连接，杯具工装置于真空室内一端设置有夹紧平台与通气孔，杯具工装中心设有安装孔。

3.根据权利要求2所述的溅射镀膜设备，其特征在于，所述述溅射镀膜装置还包括：溅射电极、真空杯、送气管、氩气阀门、溅射电源和偏压电源，其中送气管一端与杯具工装通气孔相连，送气管另一端与真空室外的氩气阀门连接，溅射电极安装到杯具工装的安装孔中，其一端设置于真空室内，另一端通过一导线与溅射电源相连，真空杯安装到杯具工装夹紧平台上并通过另一导线与偏压电源相连。

4.根据权利要求3所述的溅射镀膜设备，其特征在于，所述溅射电极材料为混合铜及钛的银铜钛合金，其中铜的质量百分比为1~3%，钛的质量百分比为1~3%，银的质量百分比为94~98%。

5.根据权利要求3所述的溅射镀膜设备，其特征在于，所述溅射电极为杆状，溅射电极顶端形状与其需要加工的真空杯杯底形状相同。

6.根据权利要求1所述的溅射镀膜设备，其特征在于，所述抽真空装置包括：高真空泵、机械泵、高真空阀门、前级阀门、旁路阀门和抽真空装置接口，其中抽真空装置接口一端与真空室相连，另一端与高真空阀门一端相连，高真空阀门另一端与高真空泵相连，机械泵通过管道和三通接头分别与前级阀门、旁路阀门一端相连，前级阀门另一端与高真空泵相连，旁路阀门另一端与抽真空装置接口侧壁相连，真空室顶端设有一充气口，充气口与充气阀门连接。

7.根据权利要求6所述的溅射镀膜设备，其特征在于，所述抽真空装置还包括充气阀门，充气阀门与真空室顶端的充气口连接。

8.根据权利要求1所述的溅射镀膜设备，其特征在于，所述真空室形状包括：正方体或长方体。