CN104988464A - 一种轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法及其装置，目的在于解决现有磁控溅射方法在用于轴对称曲面件内表面的镀层制备时，受重力作用影响以及与工作气体碰撞而发生能量损失，距离靶面越远，能够到达的沉积原子越少，镀层沉积速率越低，导致工件内表面不同纬度镀层的厚度存在较大差异，均匀性较差的问题。本发明能有效克服传统方法的不足，将轴对称曲面件内表面的镀层厚度均匀性提升至70%以上，在工件内表面形成均匀的磁控溅射镀层。同时，本发明方法简单，工艺可控，重复性好，能够满足工业化、大规模制备轴对称曲面件内表面均匀镀层的需要，具有较好的应用前景。

Description

一种轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法及其装置

技术领域

本发明涉及镀层领域，尤其是磁控溅射领域，具体为一种轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法及其装置。本发明能够大幅提高轴对称曲面件内表面沉积的均匀性，具有较好的效果。

背景技术

磁控溅射作为一种工业化镀层沉积技术，其工作原理如下：电子在溅射靶面正交电磁场中做螺旋运动，并与工作气体（如氩气）发生碰撞，使工作气体电离为离子（如氩离子），离子在溅射阴极的电场作用下加速、获能飞向靶面，并与靶面原子发生碰撞，而使靶材原子被溅射出来，被溅射出来的靶材原子沉积到工件表面，而形成镀层。

目前，针对轴对称曲面工件（即轴对称曲面件），在工件内表面镀制镀层时，通过采用圆形平面溅射靶作为溅射阴极，工件的口部正对靶面且工件与圆形平面溅射靶的轴线重合，同时工件与圆形平面溅射靶的靶面保持一定距离。由于轴对称曲面工件形状的特殊性，工件内表面不同纬度位置距离靶面的距离各不相同，沉积物质在飞行过程中，受重力作用影响以及与工作气体碰撞而发生能量损失，距离靶面越远，能够到达的沉积原子越少，镀层沉积速率越低，最终导致轴对称曲面工件内表面不同纬度镀层的厚度存在较大差异，使得镀层的均匀性较差。

在工件表面沉积镀层的目的通常在于，改善工件表面的某种特性（如防腐蚀、耐磨损）或起某种隔离作用；而这些作用的实现，通常与镀层厚度有直接关系。因而，镀层厚度不均匀直接影响到工件表面性能的不均匀，同时导致精密装配的问题。

为此，迫切需要一种新的方法，以改善工件沉积的均匀性，同时提升装备制造水平。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有磁控溅射方法在用于轴对称曲面件内表面的镀层制备时，受重力作用影响以及与工作气体碰撞而发生能量损失，距离靶面越远，能够到达的沉积原子越少，镀层沉积速率越低，导致工件内表面不同纬度镀层的厚度存在较大差异，均匀性较差的问题，提供一种轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法及其装置。本发明能有效克服传统方法的不足，将轴对称曲面件内表面的镀层厚度均匀性提升至70%以上，在工件内表面形成均匀的磁控溅射镀层。同时，本发明方法简单，工艺可控，重复性好，能够满足工业化、大规模制备轴对称曲面件内表面均匀镀层的需要，具有较好的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法，包括如下步骤：

（1）将轴对称曲面件的开口部朝下，并将轴对称曲面件置于平面磁控溅射靶上方，轴对称曲面件与平面磁控溅射靶之间形成间隙，将间隙记为靶基距；

（2）在轴对称曲面件与平面磁控溅射靶之间放置若干个金属挡片，金属挡片与地绝缘，沿轴对称曲面件下端至顶点的纬度方向，随着轴对称曲面件纬度的升高，金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积逐渐减小；

（3）待轴对称曲面件与金属挡片设置完成后，使金属挡片与轴对称曲面件相对转动，同时使电子在平面磁控溅射靶正交电磁场中做螺旋运动，电子与工作气体碰撞，使工作气体电离为离子，离子与平面磁控溅射靶碰撞，使得平面磁控溅射靶的靶材原子溅射出来，溅射出来的靶材原子沉积到轴对称曲面件的内表面，从而在轴对称曲面件内表面形成镀层，当镀层厚度达到设定值后，即可。

所述步骤1中，将轴对称曲面件置于圆形平面磁控溅射靶上方，并使轴对称曲面件的轴线与圆形平面磁控溅射靶的轴线重合。

所述步骤3中，金属挡片静置，轴对称曲面件沿轴对称曲面件的轴线转动；

或轴对称曲面件静置，金属挡片沿轴对称曲面件的轴线转动；

或以轴对称曲面件的轴线为旋转轴，金属挡片与轴对称曲面件沿旋转轴相对转动。

所述金属挡片为球面三角形金属挡片。

所述球面三角形金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积随轴对称曲面件纬度的升高而逐渐减小。

所述步骤2中，在轴对称曲面件与平面磁控溅射靶之间均布3个金属挡片，所述金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积随轴对称曲面件纬度的升高而逐渐减小。

用于前述轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法的装置，包括底座、设置在底座上且与底座相配合的真空室、平面磁控溅射靶、溅射靶体、与溅射靶体相配合的辅助阳极环、支架、金属挡片、能带动轴对称曲面件相对金属挡片相对转动的旋转装置，所述底座与真空室连接构成真空系统，所述平面磁控溅射靶、溅射靶体、辅助阳极环、支架、金属挡片、旋转装置分别设置在真空系统内，所述平面磁控溅射靶设置在溅射靶体上，所述辅助阳极环设置在平面磁控溅射靶上方，所述溅射靶体与辅助阳极环相互配合形成放置轴对称曲面件的平面磁控溅射靶正交电磁场，所述金属挡片设置在支架上且金属挡片位于平面磁控溅射靶与轴对称曲面件之间，所述金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积随轴对称曲面件纬度的升高而逐渐减小。

所述平面磁控溅射靶呈圆形。

还包括设置在真空系统内用于对轴对称曲面件外形面进行防护的保护罩。

所述金属挡片为球面三角形金属挡片，所述球面三角形金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积随轴对称曲面件纬度的升高而逐渐减小。

所述金属挡片为球面三角形金属挡片且为三个，所述球面三角形金属挡片均布于平面磁控溅射靶与轴对称曲面件之间。

所述球面三角形金属挡片正置于平面磁控溅射靶与轴对称曲面件之间。

针对前述问题，本发明提供一种轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法及其装置。本发明以现有磁控溅射方法为基础，有效解决了轴对称曲面件内表面磁控溅射沉积镀层厚度不均匀的技术问题。经实际使用验证，本发明能将内径Φ200mm的轴对称曲面工件内表面镀层厚度的均匀性由20%显著提高到70%以上。

本发明的方法中，将轴对称曲面件的开口部朝下放置，并在在轴对称曲面件与平面磁控溅射靶之间放置若干个正置金属挡片，平面磁控溅射靶优选为圆形平面磁控溅射靶，金属挡片优选为球面三角形金属挡片；圆形平面磁控溅射靶位于轴对称曲面件的下方，且两者轴线重合，圆形平面磁控溅射靶与轴对称曲面件的口部保持一定的距离，即形成间隙，将间隙记为靶基距，靶基距＞0；球面三角形金属挡片优选为三个，且均布于轴对称曲面件端面的同心圆上，且挡板与地绝缘。采用球面三角形金属挡片时，沿轴对称曲面件下端至顶点的纬度方向，随着轴对称曲面件纬度的升高，金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积逐渐减小。待设置完成后，开始进行镀层沉积。在镀层沉积过程中，金属挡片与轴对称曲面件相对转动（即金属挡片静置，轴对称曲面件沿其轴线转动；或轴对称曲面件静置，金属挡片沿轴对称曲面件的轴线转动；或以轴对称曲面件的轴线为旋转轴，金属挡片与轴对称曲面件沿旋转轴相对转动），同时使电子在平面磁控溅射靶正交电磁场中做螺旋运动，电子与工作气体碰撞，使工作气体电离为离子，离子与平面磁控溅射靶碰撞，使得平面磁控溅射靶的靶材原子溅射出来，溅射出来的靶材原子沉积到轴对称曲面件的内表面，从而在轴对称曲面件内表面形成镀层，当镀层厚度达到设定值后，即可。

本发明中，在轴对称曲面件与平面磁控溅射靶之间设置金属挡片，并且金属挡片沿轴对称曲面件下端至顶点的纬度方向，随着轴对称曲面件纬度的升高，金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积逐渐减小；通过采用该结构，随着轴对称曲面件纬度的升高，金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积逐渐减小，即靠近轴对称曲面件口部的挡板遮挡面积越大，原有轴对称曲面内表面口部沉积速率的损失越大，通过采用该方式，有效减少不同纬度间镀层的厚度差异。进一步，本发明中，使金属挡片与轴对称曲面件相对转动，从而保证同一纬度镀层的沉积速率相同，厚度均匀。通过对现有方法的改进，本发明能有效减少轴对称曲面件内表面不同纬度镀层厚度差异，最终实现均匀沉积。经测定，本发明能够将轴对称曲面件内表面的镀层厚度均匀性提升至70%以上，具有极好的效果。

同时，本发明提供一种用于前述方法的装置。

综上所述，本发明可以克服传统方法的不足，能在轴对称曲面工件内表面实现均匀磁控溅射镀层沉积，适用于轴对称曲面工件内表面均匀物理气相沉积。同时，本发明方法简单，工艺可控，重复性好。实践表明，采用本发明显著提高轴对称曲面工件内表面镀层厚度的均匀性，具有较好的市场应用前景。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为对比例1中轴对称曲面工件内表面的镀层厚度分布图。

图2为实施例1的装置结构示意图。

图3是本发明轴对称曲面工件内表面镀层厚度分布图。

图中标记：1为底座，2为真空室，3为平面磁控溅射靶，4为溅射靶体，5为辅助阳极环，6为支架，7为金属挡片，8为轴对称曲面件，9为旋转装置，10为保护罩。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面以内径Φ200mm的轴对称曲面件内表面磁控溅射镀铜为例，通过对比实验来对本发明的效果进行进一步说明。

由于工件表面溅射沉积速率与多方面因素有关，为了比较效果，除了实施例1中的金属挡片外，其它设备、工装和工艺参数均相同。具体如下：圆形平面磁控溅射靶的直径为Φ220mm，圆形平面磁控溅射靶距离轴对称曲面件口部的距离（即靶基距）为100mm，靶功率为3kW，工作氩气压0.3Pa，镀制时间2h，轴对称曲面件的转动速度 3转/min。

镀层厚度采用三坐标测量系统进行测量，镀层厚度通过镀前镀后同一位置轴对称曲面工件厚度差进行确定。

镀层厚度均匀性按公式（1）进行计算。

H=（1-（δmax-δmin）/δmax）×100%          （1）

式（1）中，H为均匀性，δmax为镀层厚度最大值，δmin为镀层厚度最小值。

对比例1

将轴对称曲面件的开口部朝下，并将轴对称曲面件置于圆形平面磁控溅射靶上方，轴对称曲面件的轴线与圆形平面磁控溅射靶的轴线重合，轴对称曲面件口部与圆形平面磁控溅射靶之间距离为100mm。圆形平面磁控溅射靶静置，轴对称曲面件的转动速度 3转/min。镀制完成后，轴对称曲面件内表面镀层厚度分布如图1所示。

通过图1可以看出：轴对称曲面件内表面顶部距离靶面最远，且镀层最薄，为14μm；而轴对称曲面件的口部距离靶面最近，镀层最厚，为68μm。通过测定，对比例1制备的镀层厚度均匀性为20%。

实施例1

本实施例采用的装置如图所示。该装置包括底座、设置在底座上且与底座相配合的真空室、平面磁控溅射靶、溅射靶体、与溅射靶体相配合的辅助阳极环、支架、金属挡片、能带动轴对称曲面件相对金属挡片相对转动的旋转装置、用于对轴对称曲面件外形面进行防护的保护罩，底座与真空室连接构成真空系统，平面磁控溅射靶、溅射靶体、辅助阳极环、支架、金属挡片、旋转装置、保护罩分别设置在真空系统内，平面磁控溅射靶设置在溅射靶体上，辅助阳极环设置在平面磁控溅射靶上方，溅射靶体与辅助阳极环相互配合形成放置轴对称曲面件的平面磁控溅射靶正交电磁场，金属挡片设置在支架上且金属挡片位于平面磁控溅射靶与轴对称曲面件之间，金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积随轴对称曲面件纬度的升高而逐渐减小。本实施例中，平面磁控溅射靶采用圆形平面磁控溅射靶；金属挡片采用三片球面三角形金属挡片，球面三角形金属挡片均布于平面磁控溅射靶与轴对称曲面件之间，球面三角形金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积随轴对称曲面件纬度的升高而逐渐减小。

本实施例工作时，将轴对称曲面件的开口部朝下，并将轴对称曲面件置于平面磁控溅射靶上方，轴对称曲面件的轴线与圆形平面磁控溅射靶的轴线重合，轴对称曲面件口部与圆形平面磁控溅射靶之间距离为100mm。平面磁控溅射靶与轴对称曲面件之间均布三片球面三角形金属挡片，球面三角形金属挡片均布于平面磁控溅射靶与轴对称曲面件之间，且球面三角形金属挡片与地绝缘，球面三角形金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积随轴对称曲面件纬度的升高而逐渐减小。圆形平面磁控溅射靶和球面三角形金属挡片静置，轴对称曲面件的转动速度 3转/min。镀制完成后，轴对称曲面件内表面镀层厚度分布如图3所示。图2中，为了更好对本发明进行说明，进行了部分剖视。

可以看出，本实施例中，轴对称曲面件内表面顶部距离靶面最远，镀层最薄，为18μm；而口部距离靶面最近，镀层最厚，为26μm。经测定，本实施例制备的镀层厚度均匀性为70%。

通过对比例与实施例1的比较，可以看出：实施例1中金属挡片的使用，一方面吸收了本应该沉积到工件表面的镀层，另一方面对沉积粒子的反射而加速了金属挡片上方工件表面镀层的沉积。与对比例1相比，实施例1制备的镀层厚度极差显著减小，均匀性得到明显提高。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将轴对称曲面件的开口部朝下，并将轴对称曲面件置于平面磁控溅射靶上方，轴对称曲面件与平面磁控溅射靶之间形成间隙，将间隙记为靶基距；

（2）在轴对称曲面件与平面磁控溅射靶之间放置若干个金属挡片，金属挡片与地绝缘，沿轴对称曲面件下端至顶点的纬度方向，随着轴对称曲面件纬度的升高，金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积逐渐减小；

（3）待轴对称曲面件与金属挡片设置完成后，使金属挡片与轴对称曲面件相对转动，同时使电子在平面磁控溅射靶正交电磁场中做螺旋运动，电子与工作气体碰撞，使工作气体电离为离子，离子与平面磁控溅射靶碰撞，使得平面磁控溅射靶的靶材原子溅射出来，溅射出来的靶材原子沉积到轴对称曲面件的内表面，从而在轴对称曲面件内表面形成镀层，当镀层厚度达到设定值后，即可。

2.根据权利要求1所述轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法，其特征在于，所述步骤1中，将轴对称曲面件置于圆形平面磁控溅射靶上方，并使轴对称曲面件的轴线与圆形平面磁控溅射靶的轴线重合。

3.根据权利要求1或2所述轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法，其特征在于，所述步骤3中，金属挡片静置，轴对称曲面件沿轴对称曲面件的轴线转动；

或轴对称曲面件静置，金属挡片沿轴对称曲面件的轴线转动；

或以轴对称曲面件的轴线为旋转轴，金属挡片与轴对称曲面件沿旋转轴相对转动。

4.根据权利要求1-3任一项所述轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法，其特征在于，所述金属挡片为球面三角形金属挡片。

5.根据权利要求4所述轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法，其特征在于，所述球面三角形金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积随轴对称曲面件纬度的升高而逐渐减小。

6.根据权利要求4所述轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法，其特征在于，所述步骤2中，在轴对称曲面件与平面磁控溅射靶之间均布3个金属挡片，所述金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积随轴对称曲面件纬度的升高而逐渐减小。

7.用于前述权利要求1-6任一项所述轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法的装置，其特征在于，包括底座、设置在底座上且与底座相配合的真空室、平面磁控溅射靶、溅射靶体、与溅射靶体相配合的辅助阳极环、支架、金属挡片、能带动轴对称曲面件相对金属挡片相对转动的旋转装置，所述底座与真空室连接构成真空系统，所述平面磁控溅射靶、溅射靶体、辅助阳极环、支架、金属挡片、旋转装置分别设置在真空系统内，所述平面磁控溅射靶设置在溅射靶体上，所述辅助阳极环设置在平面磁控溅射靶上方，所述溅射靶体与辅助阳极环相互配合形成放置轴对称曲面件的平面磁控溅射靶正交电磁场，所述金属挡片设置在支架上且金属挡片位于平面磁控溅射靶与轴对称曲面件之间，所述金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积随轴对称曲面件纬度的升高而逐渐减小。

8.根据权利要求7所述轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法的装置，其特征在于，还包括设置在真空系统内用于对轴对称曲面件外形面进行防护的保护罩。

9.根据权利要求7或8所述轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法的装置，其特征在于，所述金属挡片为球面三角形金属挡片，所述球面三角形金属挡片遮挡轴对称曲面件的面积随轴对称曲面件纬度的升高而逐渐减小。

10.根据权利要求7-9任一项所述轴对称曲面件内表面均匀磁控溅射沉积方法的装置，其特征在于，所述金属挡片为球面三角形金属挡片且为三个，所述球面三角形金属挡片均布于平面磁控溅射靶与轴对称曲面件之间。