CN108359937A - 转换式物理气相沉积粒子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转换式物理气相沉积粒子源，其可在真空腔室内工艺过程中实现不同功能的粒子源的直接转换，其包括多组粒子源、水冷组件、电极组件、挡板组件、固定组件及转动密封组件，多组粒子源装配在水冷组件的水冷座上，在某组粒子源使用时，挡板组件可遮挡粒子进入装置内部，水冷组件、转动密封组件、外接电极及挡板组件固定在固定组件上，多组粒子源包括磁控溅射组件、多弧离子镀组件、潘宁离子源组件、放电电极及其他物理气相沉积中的粒子源，外接电机通过转动密封组件动力传输作用在装置上，可实现多组粒子源在工艺过程中实现互换，可高效的沉积工艺涂层，对多组分涂层沉积效果尤为明显。本发明可在工艺过程中，通过电机的传动实现多组工艺组件的更换，从而在物理气相沉积过程中制备多组分、多工艺条件的涂层。

Description

转换式物理气相沉积粒子源

技术领域

本发明涉及物理气相沉积领域的粒子源，属于真空镀膜技术领域。

背景技术

物理气相沉积（PVD）是真空镀膜技术中较为常用的方法，在应用过程中，需要可以提供粒子的组件，提供粒子的组件包括离子源、溅射阴极、弧源及其他放电电极等，这些可以为等离子体提供粒子的装置可以称之为粒子源。

在真空镀膜生产过程中，对于一些工艺较为复杂的涂层，例如多元金属化合物涂层，在制备过程中需要使用金属靶、合金靶及金属非金属复合靶等多种不同组分的靶。而对于一个真空腔室来说，因为设计制造时，其粒子源的数量及装配位置就已经确定，同时复杂的工艺需求，要求配置多种靶材，因而为实现这类多元金属化合物涂层制备方法，所需要装配的粒子源的种类及数目都有很大的限制，从而会影响到涂层的工艺及生产效率。

一方面制备过程中合金靶或复合靶的使用，使得制备的工艺窗口较为狭窄，不能使用更多的方式获得所需要的涂层，此外合金靶及复合靶的靶材的制备成本相较于金属靶或非金属单质靶价格及加工工艺都需要更高的成本；为实现某一复杂的复合涂层时，装配的多组不同成分的粒子源，导致在制备过程中，部分粒子源是非使用状态（例如：制备TiAlN过程中，需要配置Ti靶，及TiAl合金靶，制备打底层TiN时，AlTi靶是闲置的），这样不仅占用了粒子源的位置，而且还不能进行沉积，整个过程中，出现这种闲置情况是经常发生的，这不但造成了浪费，而且相应的沉积时间也会加长。

发明内容

针对现有的类金刚石涂层磁控溅射阴极存在的上述问题，本发明旨在提供一种可高效沉积优质类金刚石涂层的类金刚石涂层曲面磁控溅射阴极。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种转换式物理气相沉积粒子源，其可在真空腔室内工艺过程中实现不同功能的粒子源的转换，其包括多组粒子源、水冷组件、电极组件、挡板组件、外接电机、固定组件及转动密封组件，其特征在于：

所述多组粒子源包括磁控溅射阴极、多弧离子镀弧源、潘宁离子源、放电电极板及其他物理气相沉积粒子源中的一种或多种，

所述水冷组件包括水冷万向接头、水冷座、水冷管、回水套件、水密封组件，粒子源的水冷通过软管与水冷座上的水冷管接头接通实现冷却水的通路，水冷座上通过卡套固定水冷管，水冷管是由进水管与回水管焊接在一起，回水套件通过卡套与水冷管密封连接，进水管与回水套管通过水密封组件密封，回水套件上装配水冷万向接头实现外接水管在装置转动过程中的相对静止，所述电极组件包括环形电极、卡位碳刷组件、刚性金属电极连接板、外接电极，环形电极通过悬浮的螺栓固定在固定组件上，刚性金属电极连接板一端固定在粒子源电极上，一端固定在卡位碳刷组件上，卡位碳刷组件装配在环形电极上，并可在环形电极上滑动，外接电极通过柔性铜线与环形电极相连，通过转动过程中卡位碳刷组件在环形电极上的滑动来保证装置转动过程中粒子源电极导电的稳定性，多组粒子源装配在水冷组件的水冷座上，在某组粒子源使用时，挡板组件可遮挡粒子进入装置内部，水冷组件、转动密封组件、外接电极及挡板组件固定在固定组件上，外接电机通过转动密封组件动力传输作用在装置上，可实现多组粒子源在工艺过程中实现互换，可高效的沉积多组分工艺涂层。

所述多组粒子源包括磁控溅射阴极、多弧离子镀弧源、潘宁离子源、放电电极板及其他物理气相沉积粒子源中的一种或多种，其可在工艺过程中，通过转动密封组件更换所需粒子源。

所述水冷组件包括水冷万向接头、水冷座、水冷管、回水套件、水密封组件，水冷管前端回水管路与进水管焊接在一起，并装有与粒子源数目相同的进出水接头，从而与粒子源上的冷却水接头通过软管接通，水冷管通过螺纹卡套固定在水冷座上，水冷组件与回水套件通过卡套进行密封拼接，并通过水密封组件实现进水管与回水水路的分离，进水管及回水管端头装配水冷万向接头，保证装置转动过程中，外接水管相对静止。

所述电极组件包括环形电极、卡位碳刷组件、刚性金属电极连接板、外接电极，粒子源电极电路导通是通过刚性金属电极连接板一端固定在粒子源电极上及另一端固定在卡位碳刷组件上，卡位碳刷可以在环形电极上滑动，环形电极通过绝缘的螺栓组件固定在固定组件上，外接电极通过真空钎焊等工艺制成，可直接固定在固定组件上，外接电极通过柔性铜线与环形电极相连，粒子源转动过程中带动刚性金属电极连接板及卡位碳刷转动，卡位碳刷与环形电极通过弹簧装置紧密接触，从而保证装置转动过程中粒子源电极导电的稳定性。

所述转动密封组件为真空转动密封，所述水冷组件的回水套件的密封组件及装配在回水套件的转动齿，转动齿可与外接传动电机进行齿轮啮合传动。

所述固定组件为真空密封法兰，可装配在真空腔室上，进行真空工艺，所述挡板组件通过螺栓固定在固定组件上，一方面可遮挡工艺过程中的粒子，一方面作为放电过程中的阳极。

所述粒子源中的磁控溅射阴极、多弧离子镀弧源中的金属粒子源包括单质金属或两种以上的金属合金或金属与非金属化合物源。

与现有技术相比，本发明提供的转换式物理气相沉积粒子源，具有如下实质性区别和显著性进步：

1）采用转换式粒子源，可实现工艺工程中粒子源的直接转换。

2）一套转换式物理气相沉积粒子源可搭载多组粒子源，每组粒子源的功能不同，可实现等离子清洗、金属基底层、过渡层及复合工艺层的使用要求。

3）一套转换式物理气相沉积粒子源可搭载多组粒子源，可通过转换，实现工艺工程中所有粒子源同时工作，提升生产效率，降低生产时间。

4)多组粒子源的使用及转换，可直接利用单质靶通过工艺调节实现多组元复合涂层的制备，而且工艺窗口操作范围广，涂层结构及质量更优。

5)使用卡位碳刷相对滑动方式，可获得稳定的电流电压，有利于实现粒子源的转换。

总之，本发明所提供的转换式物理气相沉积粒子源，在工艺过程中可实现粒子源的更换，可高效制备在物理气相沉积过程中制备多组分、多工艺条件复杂的涂层。

附图说明

图1是本发明所提供的一种转换式物理气相沉积粒子源的结构示意图；

图2 是电极组件的结构示意图；

图3是水冷组件的结构示意图；

图4是局部放大示意图；

图5是卡位碳刷滑动的结构示意图；

图6是磁控溅射阴极的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明：

本发明中，粒子源包括磁控溅射阴极、多弧离子镀弧源、离子源、放电电极及其他物理气相沉积粒子源，为便于描述，本实施例中以磁控溅射阴极为例进行说明，本实施例中以三组粒子源进行说明。

粒子源的基本结构如图6所示：粒子源中磁控溅射阴极10的基本组成包括靶材101、靶材固定座102、磁靴座103、磁靴压盖104、绝缘组件105、屏蔽罩106、支撑杆107、水冷接头108、电极接头109等部分组成。靶材101通过螺纹固定在靶材固定座102上，靶材固定座102内有进出螺旋线水道对靶材进行冷却，磁靴座103内放置中心磁铁及边磁，并通过磁靴压盖104固定在水冷座102上，绝缘组件105套装在水冷座102，将屏蔽罩106与靶材101之间绝缘，支撑杆107通过绝缘套及螺栓固定在阴极10上，与后续的水冷座装配。

在此说明：本发明中所述的粒子源的基本结构大体相近，为配合后续结构，需要装配支撑杆，从而与水冷座进行装配。

下面，对本发明中工件的具体工作方式进行说明。

参见图1所示：一种转换式物理气相沉积粒子源1，其可在真空腔室内工艺过程中实现不同功能的粒子源的转换，其包括多组粒子源11、水冷组件12、电极组件13、挡板组件14、固定组件15及转动密封组件16，多组粒子源11包括磁控溅射阴极、多弧离子镀弧源、潘宁离子源、放电电极板及其他物理气相沉积粒子源中的一种或多种，多组粒子源11装配在水冷组件12的水冷座上，水冷组件12上的多组进水回水接口分别与粒子源11的水冷接口连接，电极组件13固定在固定组件15上，通过刚性金属电极连接板分别与每组粒子源11连接，挡板组件14固定在固定组件15上，转动密封组件16装配在固定组件15的外部，对水冷组件进行密封及转动，挡板组件14上开有孔并装配有挡板，可在粒子源工作过程中，作为粒子的通道及遮挡进入装置内。

参见图2、3、4所示：水冷组件12包括水冷万向接头121、水冷座122、水冷管123、回水套件124、水密封组件125，粒子源11的水冷通过软管与水冷座122上装配的水冷管123接头接通实现冷却水的通路，水冷座122上通过卡套1201固定水冷管123，水冷管123是由进水管1231与回水管1232焊接在一起，回水套件124通过卡套1241与水冷管123的回水管1232密封连接，进水管1231与回水管1232通过水密封组件125密封，回水管堵头1243装配在回水套管1242上封堵回水管，水密封组件125装配在回水管堵头1243上，回水堵头1243上装配水冷万向接头121实现外接水管在装置转动过程中的相对静止。

所述电极组件13包括环形电极131、卡位碳刷组件132、刚性金属电极连接板133、外接电极134，粒子源电极电路导通是通过刚性金属电极连接板133一端固定在粒子源电极上及另一端固定在卡位碳刷组件132上，卡位碳刷组件132可以在环形电极131上滑动，环形电极131通过绝缘的螺栓组件固定在固定组件15上，外接电极134通过真空钎焊等工艺制成，可直接固定在固定组件15上，外接电极134通过柔性铜线与环形电极131相连，粒子源11转动过程中带动刚性金属电极连接板133及卡位碳刷132转动，卡位碳刷132与环形电极131通过弹簧装置紧密接触，从而保证装置转动过程中粒子源电极导电的稳定性。

所述水密封组件125装配在回水管堵头1243上，包括压盖1251、卡套密封1252，卡套密封1252中有两道O型圈，压盖1251通过套装在回水套管1242的O型圈与卡套密封1252装配密封，水密封组件125是通过机械部件紧密压迫变形O型圈来实现水密封的。

参见图1、表1所示：一种转换式物理气相沉积粒子源1上装配有三组粒子源11，分别为磁控溅射Ti靶、潘宁粒子源、Al靶，将两组转换式物理气相沉积粒子源1装配在真空室上。

表1

待TiAlN涂层制备完成后，降温、恢复大气压，取出基片。

最后有必要在此说明的是，以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，基于本文论述的原理所做的其它变化，只要仍能达成上述的连续式试验，都应包含在本文所保护的范围内。关于试验机的各部分，在不脱离本发明精神和范围的前提下，可以作出多种变化和改进，这些变化和改进都将落入本发明所要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种转换式物理气相沉积粒子源，其可在真空腔室内工艺过程中实现不同功能的粒子源的转换，其包括多组粒子源、水冷组件、电极组件、挡板组件、外接电机、固定组件及转动密封组件，其特征在于：

所述多组粒子源包括磁控溅射阴极、多弧离子镀弧源、潘宁离子源、放电电极板及其他物理气相沉积粒子源中的一种或多种，

所述水冷组件包括水冷万向接头、水冷座、水冷管、回水套件、水密封组件，粒子源的水冷通过软管与水冷座上的水冷管接头接通实现冷却水的通路，水冷座上通过卡套固定水冷管，水冷管是由进水管与回水管焊接在一起，回水套件通过卡套与水冷管密封连接，进水管与回水套管通过水密封组件密封，回水套件上装配水冷万向接头实现外接水管在装置转动过程中的相对静止，所述电极组件包括环形电极、卡位碳刷组件、刚性金属电极连接板、外接电极，环形电极通过悬浮的螺栓固定在固定组件上，刚性金属电极连接板一端固定在粒子源电极上，一端固定在卡位碳刷组件上，卡位碳刷组件装配在环形电极上，并可在环形电极上滑动，外接电极通过柔性铜线与环形电极相连，通过转动过程中卡位碳刷组件在环形电极上的滑动来保证装置转动过程中粒子源电极导电的稳定性，多组粒子源装配在水冷组件的水冷座上，在某组粒子源使用时，挡板组件可遮挡粒子进入装置内部，水冷组件、转动密封组件、外接电极及挡板组件固定在固定组件上，外接电机通过转动密封组件动力传输作用在装置上，可实现多组粒子源在工艺过程中实现互换，可高效的沉积多组分工艺涂层。

2.如权利要求1所述的转换式物理气相沉积粒子源，其特征在于：所述多组粒子源包括磁控溅射阴极、多弧离子镀弧源、潘宁离子源、放电电极板及其他物理气相沉积粒子源中的一种或多种，其可在工艺过程中，通过转动密封组件更换所需粒子源。

3.如权利要求1所述的转换式物理气相沉积粒子源，其特征在于：所述水冷组件包括水冷万向接头、水冷座、水冷管、回水套件、水密封组件，水冷管前端回水管与进水管焊接在一起，并装有与粒子源数目相同的进出水接头，从而与粒子源上的冷却水接头通过软管接通，水冷管通过螺纹卡套固定在水冷座上，水冷组件与回水套件通过卡套进行密封拼接，并通过水密封组件实现进水管与回水水路的分离，进水管及回水管端头装配水冷万向接头，保证装置转动过程中，外接水管相对静止。

4.如权利要求1或3所述的转换式物理气相沉积粒子源，其特征在于：所述电极组件包括环形电极、卡位碳刷组件、刚性金属电极连接板、外接电极，粒子源电极电路导通是通过刚性金属电极连接板一端固定在粒子源电极上及另一端固定在卡位碳刷组件上，卡位碳刷可以在环形电极上滑动，环形电极通过绝缘的螺栓组件固定在固定组件上，外接电极通过真空钎焊等工艺制成，可直接固定在固定组件上，外接电极通过柔性铜线与环形电极相连，粒子源转动过程中带动刚性金属电极连接板及卡位碳刷转动，卡位碳刷与环形电极通过弹簧装置紧密接触，从而保证装置转动过程中粒子源电极导电的稳定性。

5.如权利要求1所述的转换式物理气相沉积粒子源，其特征在于：所述转动密封组件为真空转动密封，所述水冷组件的回水套件的密封组件及装配在回水套件的转动齿，转动齿可与外接传动电机进行齿轮啮合传动。

6.如权利要求1的转换式物理气相沉积粒子源，其特征在于：所述固定组件为真空密封法兰，可装配在真空腔室上，进行真空工艺，所述挡板组件通过螺栓固定在固定组件上，一方面可遮挡工艺过程中的粒子，一方面作为放电过程中的阳极。

7.如权利要求1所述的转换式物理气相沉积粒子源，其特征在于：所述粒子源中的磁控溅射阴极、多弧离子镀弧源中的金属粒子源包括单质金属或两种以上的金属合金或金属与非金属化合物源。