CN106591783A - 一种磁约束真空离子镀膜装置 - Google Patents

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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating

Abstract

本发明公开了一种磁约束真空离子镀膜装置，包括设有离子镀膜腔和电子回旋共振放电腔的真空容器，所述电子回旋共振放电腔为利用电子回旋共振技术的微波等离子体源,所述离子镀膜腔外侧包含约束腔内等离子体的磁体阵列。还包括有水冷循环和气体循环，电磁线圈控制系统和永磁阵列；电子回旋共振放电腔为两个分别为左放电腔和右放电腔，左、右放电腔的外围分别分布有磁场线圈组和微波窗口，腔体内发热位置设置有水冷管路，且腔体的内部分别覆盖一层电介质，离子镀膜腔内安装有支架，固定基片的卡具通过转轴安装在支架上，离子镀膜腔内壁上设有凹槽，凹槽内有多个可转动的治具用来安装辅助支架，离子镀膜腔外侧圆周位置上设置有永磁体阵列。

Description

一种磁约束真空离子镀膜装置
技术领域：
本发明涉及具备用于把等离子体约束在特定区域的镀膜装置，主要涉及一种磁约束真空离子镀膜装置。
背景技术：
微波等离子体镀膜技术利用气体放电，使反应气体发生电离，利用电场的加速作用，使反应产物沉积在工件上。
离子镀膜技术所需耗材少，成膜均匀致密，与基体的结合力强。该技术广泛应用于航空航天、电子、光学、机械、建筑、轻工、冶金、材料等领域，可制备具有耐磨、耐腐饰、装饰、导电、绝缘、光导、压电、磁性、润滑、超导等特性的膜层。
气体放电的基本原理不利于长时间大范围的产生并维持高密度的等离子体，并且由于腔体本身的结构和尺寸限制，产生的等离子体还会与腔体壁碰撞产生损耗，容易导致薄膜制备过程中容易产生不均匀性和不一致性。
现有的椭圆谐振腔和圆柱多模谐振腔微波离子镀膜技术都存在等离子体范围小，膜沉积速率慢，均匀性和一致性不够高，镀膜效率一般的缺陷。在精密仪器领域，各种零件对膜层的要求越来越高，迫切需要发展新型的镀膜技术来提升目标零件的性能指标。
发明内容：
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种磁约束真空离子镀膜装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种磁约束真空离子镀膜装置，其特征在于：包括设有离子镀膜腔和电子回旋共振放电腔的真空容器，所述电子回旋共振放电腔为利用电子回旋共振技术的微波等离子体源,所述离子镀膜腔外侧包含约束腔内等离子体的磁体阵列。
所述电子回旋共振放电腔为两个，分别为左放电腔和右放电腔，所述左、右放电腔对称分布在离子镀膜腔两侧，且与离子镀膜腔之间均通过法兰连接，所述左、右放电腔的外围分别分布有磁场线圈组，所述左、右放电腔的外端部分别设有微波窗口和进气管口，所述左、右放电腔内发热位置分别设置有水冷管路，且腔体的内部分别覆盖一层电介质。
所述离子镀膜腔内有通过法兰安装的位于其对称中心的支架，所述支架末端设置有固定基片的卡具和旋转基片的转轴，支架本身绝缘，但可通过导线使基片带有偏压。
所述离子镀膜腔的两侧为圆台形结构，且圆台形结构对应的离子镀膜腔内壁上设有垂直于壁面的凹槽，所述凹槽内安装有多个即可自转又可在槽内部公转的治具，所述治具与凹槽通过齿轮咬合，通过电机带动，所述治具通过销钉安装有用于镀膜的靶材或辅助电极，所述离子镀膜腔外直径的圆周位置上设置有永磁体阵列、磁轭、磁隔断和出气管孔（同时也是抽真空的接口）、抽气接口的密封法兰。
所述满足电子回旋共振的磁场线圈组均通过线圈固定架固定安装在左、右放电腔的外圆周位置上，且线圈固定架可在腔体外部轴向移动位置。
所述的离子镀膜腔还设置有观察窗口、真空测量窗口、等离子体诊断窗口。
所述磁约束真空离子镀膜装置镀膜腔内部的卡具通过转动轴安装在支架上，所述转动轴由外部电机驱动。
所述离子镀膜腔的外侧圆周壁上分布有嵌槽，所述嵌槽中嵌装有交替排列的永磁体，永磁体之间通过磁轭和磁隔断材料连接，且中间磁极极性与两边磁极极性相反。
所述电子回旋共振放电腔的磁场位型，由磁体线圈的相对位置和励磁电流共同控制，四组磁体电源协同控制励磁电流的大小，线圈固定架调整磁体线圈的排布位置。
所述磁约束真空离子镀膜装置，包括电离气体的速流控制系统、反应气体进入腔体的布气系统、回收气体的循环系统、冷却腔体结构的水冷循环系统。
本发明基于电子回旋共振设计了左右对称两套离子源，按照磁场的约束作用设计了等离子体约束和维持区域，通过提高等离子体的密度和体积制备高质量的薄膜。装置两端放电产生的等离子体在磁场的作用下，往中间腔体输运并约束，基底位于腔体的对称中心。装置的特性在于利用磁镜对带电粒子的约束作用，限制ECR产生的等离子体往两端的运动，进而在中心腔体汇聚形成大范围的等离子体。
本发明的优点是：
本发明充分利用了电子回旋共振(ECR)产生高密度的等离子体和磁镜场对等离子体的约束，形成了可用于镀膜的高密度等离子体。
附图说明：
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为镀膜腔截面的局部放大图。
图3为一种满足放电条件的磁镜场强分布图。
图4为镀膜腔中的会切磁场示意图。
图5为永磁体在中间腔体内部形成的场强梯度图。
图中：1、离子镀膜腔；2、左放电腔；3、右放电腔；4、密封腔体的法兰；5、磁场线圈组；6、微波窗口；7、电离气体的进气口；8、水冷循环的接口；9、电介质层；10、支架法兰；11、支架；12、卡具；13、转轴；14、圆台形结构；15、凹槽；16、治具；17、销钉；18、靶材(或辅助电极)；19、永磁体阵列；20、磁轭；21、磁隔断；22、抽气接口；23抽气接口的密封法兰；24、线圈固定架；25、观察窗口；26、真空测量窗口；27、等离子体诊断窗口；28、磁体电源组；29、速流控制系；30、反应气体的布气系统；31、回收气体的循环系统。
具体实施方式：
下面结合附图（图1）对本发明进行说明。
一种磁约束真空离子镀膜装置，包括设有离子镀膜腔和电子回旋共振放电腔的真空容器，所述电子回旋共振放电腔为利用电子回旋共振技术的微波等离子体源,所述离子镀膜腔外侧包含约束腔内等离子体的磁体阵列。
所述电子回旋共振放电腔为两个，分别为左放电腔2和右放电腔3，所述左、右放电腔对称分布在离子镀膜腔1两侧，且与离子镀膜腔1之间均通过密封腔体的法兰4连接，所述左、右放电腔的外围分别分布有磁场线圈组5，所述左、右放电腔2、3的外端部分别设有微波窗口6和电离气体的进气口7，左、右放电腔2、3内发热位置分别设置有水冷循环的接口8，且腔体的内部分别覆盖一层电介质9，所述离子镀膜腔1内有通过支架法兰10安装的位于其对称中心的支架11，所述支架末端设置有固定基片的卡具12和旋转基片的转轴13，支架本身绝缘，但可通过导线使基片带有偏压。所述离子镀膜腔1的两侧为圆台形结构14，且圆台形结构14对应的离子镀膜腔1内壁上设有垂直于壁面的凹槽15，所述凹槽内安装有多个即可自转又可在槽内部公转的治具16，所述治具与凹槽通过齿轮咬合，通过电机带动，所述治具通过销钉17安装有用于镀膜的靶材18或辅助电极，所述离子镀膜腔1外直径的圆周位置上设置有永磁体阵列19、磁轭20、磁隔断21和出气管孔（同时也是抽真空的接口22）、抽气接口的密封法兰23。
所述满足电子回旋共振的磁场线圈均通过线圈固定架24固定安装在左、右放电腔的外圆周位置上，且线圈固定架24可在腔体外部轴向移动位置。所述的离子镀膜腔1还设置有观察窗口25、真空测量窗口26、等离子体诊断窗口27。所述磁约束真空离子镀膜装置镀膜腔内部的卡具12通过转动轴安装在支架上，所述转动轴由外部电机驱动。所述离子镀膜腔1的外侧圆周壁上分布有嵌槽，所述嵌槽中嵌装有交替排列的永磁体，永磁体之间通过磁轭和磁隔断材料连接，且中间磁极极性与两边磁极极性相反。所述电子回旋共振放电腔的磁场位型，由磁体线圈的相对位置和励磁电流共同控制，四组磁体电源组28协同控制励磁电流的大小，线圈固定架调整磁体线圈的排布位置。所述磁约束真空离子镀膜装置，还包括电离气体的速流控制系统29、反应气体进入腔体的布气系统30、回收气体的循环系统31、冷却腔体结构的水冷循环系统。
微波通过陶瓷窗口注入到放电腔内，通入的反应气体中少量存在的自由电子在微波电磁场的加速下撞击气体分子，电离产生更多的电子。由微波激励电离的电子在由外部磁线圈产生的ECR共振区域内，电子回旋运动的角频率和微波角频率相等，能够从微波中不断地、有效地接受能量，回旋加速到更高的速度，具有更高的碰撞动能，从而使反应气体的离化率更高。
磁镜场可以增强对高能带电粒子的约束，减少了粒子与器壁的碰撞，因而气体电离形成的等离子体会有较高的电离效率。从左右两个对称放电腔内产生的等离子体因放电腔的本身的非对称磁镜的约束作用而流向镀膜腔，一种满足放电条件的磁镜场强分布图如图3所示，而且因为两个放电腔内的磁感线在镀膜腔中径向扩散闭合于周围圆周状排列的永磁体，镀膜腔中会因此形成会切磁场，提高了等离子体的均匀性，横向的会切磁场如图4所示。呈圆周状排列的永磁体在中间腔体内部形成如图5所示的场强梯度。当腔内的粒子电离和复合达到动态平衡后，镀膜腔内能够维持稳定的高密度等离子体。所以本发明有效克服了椭圆谐振腔镀膜装置等离子体范围小密度集中的缺点，具有很高的实际应用价值。
参照图1，基片经过清洗和干燥处理后放入卡具12，封闭装置抽真空到103Pa后，打开微波源，通过微波窗口向放电腔内加波，通入H2，使真空度达到102Pa，打开磁线圈的控制电源，通过电机调整线圈的相对位置，控制氢等离子体的放电位置靠近镀膜腔的入口，产生的等离子体因为磁场的约束作用对基片进行溅射清洗。然后通入H2和CH4的混合气体放电，调整磁场线圈的电流值和磁场线圈的相对位置，稳定维持镀膜腔内大范围高密度稳定的等离子体区域，在基片上沉积金刚石薄膜。
作为一种具体实施例，在内部支架上悬挂工件，控制不同的参数条件，循环上述步骤，可在工件上镀金刚石薄膜。
在此声明，以上叙述有助于相关技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰、改进和/或删繁就简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁约束真空离子镀膜装置，其特征在于：包括设有离子镀膜腔和电子回旋共振放电腔的真空容器，所述电子回旋共振放电腔为利用电子回旋共振技术的微波等离子体源,所述离子镀膜腔外侧包含约束腔内等离子体的磁体阵列。
2.根据权利要求1所述的磁约束真空离子镀膜装置，其特征在于：所述电子回旋共振放电腔为两个，分别为左放电腔和右放电腔，所述左、右放电腔对称分布在离子镀膜腔两侧，且与离子镀膜腔之间均通过法兰连接，所述左、右放电腔的外围分别安装有磁场线圈组，所述左、右放电腔的端部侧面分别设有微波窗口和进气管口，所述左、右放电腔内发热位置分别设置有水冷管路，且腔体的内部分别覆盖一层电介质。
3.根据权利要求1所述的磁约束真空离子镀膜装置，其特征在于：所述离子镀膜腔内有通过法兰安装的位于其对称中心的支架，所述支架末端设置有固定基片的卡具和旋转基片的转轴，支架本身绝缘，但可通过导线使基片带有偏压。
4.根据权利要求1所述的磁约束真空离子镀膜装置，其特征在于：所述离子镀膜腔的两侧为圆台形结构，且圆台形结构对应的离子镀膜腔内壁上设有垂直于壁面的凹槽，所述凹槽内安装有多个即可自转又可在槽内部公转的治具，所述治具与凹槽通过齿轮咬合，通过电机带动，所述治具通过销钉安装有用于镀膜的靶材或辅助电极，所述离子镀膜腔外直径的圆周位置上设置有永磁体阵列、磁轭、磁隔断和出气管孔、抽气接口的密封法兰。
5.根据权利要求1所述的磁约束真空离子镀膜装置，其特征在于：所述满足电子回旋共振的磁场线圈组均通过线圈固定架固定安装在左、右放电腔的外圆周位置上，且线圈固定架可在腔体外部轴向移动位置。
6.根据权利要求1所述的磁约束真空离子镀膜装置，其特征在于：所述离子镀膜腔还设置有观察窗口、真空测量窗口、等离子体诊断窗口。
7.根据权利要求3所述的磁约束真空离子镀膜装置，其特征在于：所述卡具通过转动轴安装在支架上，所述转动轴由外部电机驱动。
8.根据权利要求1所述的磁约束真空离子镀膜装置，其特征在于：所述离子镀膜腔的外侧圆周壁上分布有嵌槽，所述嵌槽中嵌装有交替排列的永磁体，永磁体之间通过磁轭和磁隔断材料连接，且中间磁极极性与两边磁极极性相反。
9.根据要求5所述的磁约束真空离子镀膜装置，其特征在于：所述满足电子回旋共振的磁场位型由磁体线圈的相对位置和励磁电流共同控制，四组磁体电源控制励磁电流的大小，线圈固定架调整磁体线圈的排布位置。
10.根据要求1所述的磁约束真空离子镀膜装置，其特征在于：装置还包括电离气体的速流控制系统、反应气体进入腔体的布气系统、回收反应气体的循环系统、冷却腔体结构的水冷循环系统。
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