CN109576668B - 一种多工位长管材高效磁控溅射镀膜专用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明目的是提供在长管材外表面进行高效、高质量金属膜材的磁控溅射制备专用装置，其中，真空室与真空生成系统和充气系统相连通，真空室内部设有环形靶溅射系统、反溅射清洗系统；伺服传动系统与磁力耦合传动系统相连；磁力耦合传动系统设有外部磁环、前挡管、后挡管、支撑管、支撑杆，支撑管套在支撑杆外，前、后挡管套在支撑管外，后挡管与支撑管及外部磁环的N极固定在一起，外部磁环的N极外设有S极磁铁，前、后挡管中间位置用于固定镀膜管；支撑杆贯穿真空室，其位于真空室镀膜管材入口处设有管材芯部加热系统；电源系统分别连接真空生成系统、充气系统、环形靶溅射系统、伺服传动系统、管材芯部加热系统、反溅射系统、循环水冷却系统。
Description
技术领域
本发明涉及磁控溅射镀膜，提供一种在超长管材上高效制备金属膜材的装置。
背景技术
在科学经济快速发展的社会，薄膜材料作为功能材料的一种，受到越来越多的关注。功能薄膜作为材料的一种形式，在光、电、磁、热、防腐、装饰等方面具有特殊性质，因而在相关领域进行应用。功能薄膜材料从功能上分为：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。目前制备薄膜的手段主要分为：物理气相沉积和化学气相沉积两大类。其中物理气相沉积由于工艺成熟，制备的薄膜性质稳定可靠，近年来成为制备薄膜以及相关器件的主要手段。物理气相沉积制备薄膜的方法主要有离子束沉积、磁控溅射沉积，分子束外延沉积和蒸发沉积等。以上的几种方法中，磁控溅射法由于可以制备大面积且质量好的膜材而被广泛使用。磁控溅射制备膜材又分为直流磁控溅射法和射频磁控溅射法。直流磁控溅射法主要制备金属膜材等导电性好的膜材，如金属膜材等；射频磁控溅射主要制备导电性差的膜材，如金属氧化物或半导体膜材等。
目前磁控溅射法制备膜材，主要是制备二维平面膜材，使用的靶材也是相应的二维平面靶材。采用平面靶材在管材、丝材、棒材表面镀膜时，无法同时在360°圆周上同时镀膜，因此需要转动管材、丝材及棒材，或者使靶材围绕管材等转动，完成圆周360°镀膜。采用转动的方法虽然可以镀膜，但在镀膜时还在发生等离子体的绕射等，会引起膜材质量问题，如表面疏松等。此外，管材等材料镀膜往往工件较长，普通的设备无法完成长工件的镀膜；平面靶材完成长管材镀膜，要么靶材尺寸大，成本高昂，要么镀膜时间长，效率低，镀膜的成功率也低。因此对于管材、棒材等外表面镀膜，开发高效率、快速沉积高质量膜材的磁控溅射设备成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的是提供在长管材外表面进行高效、高质量金属膜材的磁控溅射制备专用装置。
本发明技术方案如下：
一种多工位长管材高效磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述装置由真空室、真空生成系统、充气系统、环形靶溅射系统、伺服传动系统，磁力耦合传动系统、管材芯部加热系统、电源系统、循环水冷却系统、反溅射清洗系统组成；
真空室分别与真空生成系统和充气系统相连通，真空室内部设有环形靶溅射系统、反溅射清洗系统；
伺服传动系统与磁力耦合传动系统相连；磁力耦合传动系统设有外部磁环、前挡管、后挡管、支撑管、支撑杆，其中支撑管套在支撑杆外，前挡管、后挡管套在支撑管外，后挡管与支撑管以及外部磁环的N极固定在一起，外部磁环的N极外设有S极磁铁，前挡管、后挡管中间位置用于固定镀膜管；
磁力耦合传动系统的支撑杆贯穿真空室，其位于真空室镀膜管材入口处设有管材芯部加热系统；
电源系统分别连接真空生成系统、充气系统、环形靶溅射系统、伺服传动系统、管材芯部加热系统、反溅射系统、循环水冷却系统。
其中真空室与机械泵和分子泵相连，机械泵和分子泵为真空室提供真空条件；充气系统为镀膜过程中充入氩气和镀膜结束之后充入大气，起到平衡气压的作用。真空室连通真空测量器件(如真空规或压力传感器)，用于测试抽真空和镀膜过程中的真空度以及氩气压力。磁力耦合传动系统保证镀膜管材与外部磁环的磁力连接。伺服传动系统提供管材在镀膜过程中向前水平移动的动力，可以保证管材在镀膜过程中均匀有序沉积薄膜。管材芯部加热系统在管材镀膜前为管材加热，可对管材表面除气，提高溅射薄膜和管材基底结合力，调节沉积薄膜的晶粒尺寸和组织，提升薄膜性能。采用环形磁控溅射靶材可在管材外表面进行360°全方位、高效率、快速镀膜。
在磁力耦合传动系统中，后挡管、支撑管与磁铁N极通过机械固定，起到联动的作用。在整个镀膜的过程中，支撑杆不动，外部的S极磁铁带动与N极相连的后挡管与支撑管向前移动，从而实现镀膜管和前、后挡管的移动。在整个移动过程中，镀膜管搭载于支撑管上，不会对镀膜管造成划伤。
本发明所述多工位长管材高效磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述真空生成系统由机械泵、分子泵和真空测量器件组成，机械泵和分子泵运转为真空室提供真空条件，真空测量器件连通真空室，用于测试真空度和镀膜过程中的氩气压力。
所述磁控溅射镀膜系统为多工位系统，可以同时进行多只管材的磁控溅射镀膜。优选为四工位系统，可以同时进行四只管材镀膜，每个工位上有3只靶材，一共具有12块靶材，可以一次完成多种不同膜材的连续沉积或独立沉积。
所述磁力耦合传动系统为同轴轴向单向或双向传动系统。可以连续进行或半连续进行管材镀膜，包括制备3种(或不超过3种)成分的复合膜。
本发明通过转接不同长度的伺服传动系统，可以进行1.2m长度以内的管材镀膜，或可以进行长度超过1.2m(适配伺服传动系统长度)的超长管材镀膜。
本发明还提供了一种采用所述装置进行磁控溅射镀膜的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(a)、在设备原材料进入端安装管材，装配管材并检查各处密封情况，确保密封良好后进行下一步；
(b)开启机械泵对真空室抽真空，当真空度优于10Pa时，启动分子泵，进一步对真空室进行抽真空；
(c)、当真空室真空度优于9.9*10-3Pa时，启动管材芯部加热系统，镀膜前将管材基底加热到200℃；
(d)、当系统中的真空度优于7*10-3Pa时，启动环形靶溅射系统，起辉溅射，管材在伺服传动系统和磁力耦合传动系统的驱动下向前移动，在管材长度方向依次在表面溅射镀膜；
(e)、当管材由一侧进入靶材镀膜区并通过镀膜区后，镀膜结束。经冷却降温后，伺服传动系统将管材带到出口端并手动取出，完成整个镀膜过程。
样品表征：使用SEM或者台阶仪对样品的表面形貌和截面生长以及薄膜厚度进行表征。
本发明所述装置用于对不同尺寸管材(管材的外径范围为5mm-40mm)外表面进行薄膜沉积，具有如下有益效果：
1、采用环形靶磁控溅射在管材表面完成薄膜沉积。环形靶磁控溅射技术可以对管材进行360°、全方位薄膜沉积，薄膜沉积速率快，是平面靶磁控溅射沉积薄膜速度的五倍。
2、环形靶磁控溅射系统可以一次性的在管材表面完成多种薄膜的沉积。该系统具有多个靶位，可以安装不同材料的靶材，管材按顺序通过磁控靶材时，一次性完成多种薄膜的高效、快速沉积。
3、管材芯部加热系统可控制调节管材温度，有利于管材的除气，提高溅射薄膜和管材基底结合力，调节沉积膜材的晶粒尺寸，提高薄膜的综合性能。
4，反溅射清洗处理可在镀膜前原位进行表面等离子清洗，辅助提高膜材与基体的结合力。
5、环形靶磁控溅射系统具有多工位，可以同时在多只管材上沉积薄膜，实现镀膜过程的连续化。
附图说明
图1环形靶磁控溅射长管材镀膜专用装置。
图2单通道管工件系统结构移动示意图。
图3磁力耦合系统原理图。
图4 1.2米铜管上(外径9.5mm,内径8.8mm)沉积304不锈钢薄膜的图片(上方为铜管，下方为外层镀有304薄膜的铜管)。
图5 1.2米铜管上(内径外径9.5mm,内径8.8mm)沉积金属铬薄膜的图片(上方为铜管，下方为外层镀有铬薄膜的铜管)。
图6沉积的金属铬的SEM表面图片，(a)铬金属薄膜表面形貌，(b)截面形貌。
图7相同条件下平面靶和环形靶制备FeCrAl薄膜的厚度对比，即溅射效率比较。
附图标号：1、滑动工件组件装卸端；2、伺服传动系统；3、磁力耦合传动系统；4、真空室；5、充气系统；6、环形靶溅射系统；7、滑动工件组件加热端；8、真空生成系统；9、滑台支架；10、工件滑套支架；11、前挡管；12、镀膜管；13、后挡管；14、支撑管；15、支撑杆。
具体实施方式
如图1-3所示，一种多工位长管材高效磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述装置由真空室、真空生成系统、充气系统、环形靶溅射系统、伺服传动系统，磁力耦合传动系统、管材芯部加热系统、电源系统、反溅射清洗系统、循环水系统组成；
真空室分别与真空生成系统和充气系统相连通，真空室内部设有环形靶磁控溅射系统；
伺服传动系统与磁力耦合传动系统相连；磁力耦合传动系统设有外部磁环、前挡管、后挡管、支撑管、支撑杆，其中支撑管套在支撑杆外，前挡管、后挡管套在支撑管外，后挡管与支撑管以及外部磁环的N极固定在一起，外部磁环的N极外设有S极磁铁，前挡管、后挡管中间位置用于固定镀膜管；
磁力耦合传动系统的支撑杆贯穿真空室，其位于真空室镀膜管材入口处设有管材芯部加热系统；
电源系统分别连接真空生成系统、充气系统、环形靶磁控溅射系统、伺服传动系统、管材芯部加热系统和反溅射清洗系统。
所述真空生成系统由机械泵、分子泵和真空测量器件组成，机械泵和分子泵运转为真空室提供真空条件，真空测量器件与真空室连通，用于测试真空度和氩气压力。
所述多工位环形靶溅射系统为四工位系统，可以同时进行四只管材镀膜，每个工位上有3只靶材，一共具有12块靶材，可以一次完成多种不同膜材的连续沉积或独立沉积。
所述磁力耦合传动系统为同轴轴向单向或双向传动系统。
实施例1
在环形靶磁控溅射长管材镀膜专用装置中安装304不锈钢靶材，在磁力耦合传动系统滑动组件的装卸端将1.2米镀膜铜管装入设备中，随后封装好装卸端。启动机械泵，对真空室进行抽真空，当真空度达到8.5Pa时，启动分子泵，对真空室抽真空，同时启动管材芯部加热系统，对铜管进行加热，在镀膜前，管材的基底温度为200℃，当真空度达到5.3*10- 3Pa时，通过充气端充入氩气，调节电源参数，溅射电压达到450V，溅射电流达到1.5A，对于铜管溅射304不锈钢薄膜的时间为1min。镀膜过程中，铜管由溅射装置的一端通过传动系统移动到另一端。
镀膜结束后，铜管表面由粉红色转变为304不锈钢薄膜的金属颜色，304不锈钢薄膜与铜管展现出了良好的结合力，并无脱膜或者起皮现象发生。
实施例2
在环形靶磁控溅射长管材镀膜专用装置中安装金属铬靶材，在磁力耦合传动系统滑动组件的装卸端将1.2米镀膜铜管装入设备中，随后封装好装卸端。启动机械泵，对真空室进行抽真空，当真空度达到8.0Pa时，启动分子泵，对真空室抽真空，同时启动管材芯部加热系统，对铜管进行加热，在镀膜前，管材的基底温度为250℃，当真空度达到6.6*10-3Pa时，通过充气端充入氩气，调节电源参数，溅射电压达到480V，溅射电流达到1.8A，对于铜管溅射镀金属铬膜的时间为3min。镀膜过程中，铜管由溅射装置的一端通过传动系统移动到另一端。
镀膜结束后，铜管表面由粉红色转变为铬金属银色，铬薄膜在铜管表明结合力良好，并无脱膜或起皮现象发生。图6为铬金属薄膜表面形貌和截面形貌，从表面形貌可以看出，Cr薄膜表面致密，没有出现孔洞，说明薄膜质量好，截面形貌可以看出，Cr薄膜沿着柱向生长。
实施例3
在环形靶磁控溅射长管材镀膜专用装置中安装FeCrAl合金靶材，在磁力耦合传动系统滑动组件的装卸端将1.2米镀膜铜管装入设备中，随后封装好装卸端。启动机械泵，对真空室进行抽真空，当真空度达到7.6Pa时，启动分子泵，对真空室抽真空，同时启动管材芯部加热系统，对铜管进行加热，在镀膜前，管材的基底温度为220℃，当真空度达到5.8*10- 3Pa时，通过充气端充入氩气，调节电源参数，溅射电压达到460V，溅射电流达到1.6A，对于铜管溅射FeCrAl合金薄膜的时间为1.5min。镀膜过程中，铜管由溅射装置的一端通过传动系统移动到另一端。
镀膜结束后，铜管表面由粉红色转变为金属薄膜银色，铜管基底与FeCrAl合金薄膜结合良好，无脱膜或起皮现象发生。
图7为相同溅射条件下平面靶和环形靶制备FeCrAl薄膜的厚度对比，即溅射效率比较，由图可知，相同时间和功率条件下，环形靶磁控溅射FeCrAl薄膜的厚度是6微米；平面靶磁控溅射制备的FeCrAl薄膜的厚度是1.2微米。即环形靶磁控溅射镀膜效率是平面靶磁控溅射的5倍，环形靶磁控溅射相比平面靶磁控溅射可以高效率、快速的完成薄膜沉积。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多工位长管材磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述装置由真空室、真空生成系统、充气系统、环形靶溅射系统、伺服传动系统，磁力耦合传动系统、管材芯部加热系统、电源系统、反溅射清洗系统、循环水系统组成；
真空室分别与真空生成系统和充气系统相连通，真空室内部设有环形靶磁控溅射系统；
伺服传动系统与磁力耦合传动系统相连；磁力耦合传动系统设有外部磁环、前挡管、后挡管、支撑管、支撑杆，其中支撑管套在支撑杆外，前挡管、后挡管套在支撑管外，后挡管与支撑管以及外部磁环的N极固定在一起，外部磁环的N极外设有S极磁铁，前挡管、后挡管中间位置用于固定镀膜管；
磁力耦合传动系统的支撑杆贯穿真空室，其位于真空室镀膜管材入口处设有管材芯部加热系统；
电源系统分别连接真空生成系统、充气系统、环形靶磁控溅射系统、伺服传动系统、管材芯部加热系统和反溅射清洗系统。
2.按照权利要求1所述多工位长管材磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述真空生成系统由机械泵、分子泵和真空测量器件组成，机械泵和分子泵运转为真空室提供真空条件，真空测量器件与真空室连通，用于测试真空度和氩气压力。
3.按照权利要求1所述多工位长管材磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述环形靶溅射系统为多工位系统。
4.按照权利要求1所述多工位长管材磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述多工位环形靶溅射系统为四工位环形靶溅射系统，每个工位上有3只靶材，共计12只靶材。
5.按照权利要求1所述多工位长管材磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述磁力耦合传动系统为同轴轴向单向或双向传动系统。
6.一种采用权利要求1所述装置进行磁控溅射镀膜的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(a)、在设备原材料进入端安装管材，密封后检查各部分，确保密封良好后进行下一步；
(b)开启机械泵对真空室抽真空，当真空度优于10Pa时，启动分子泵进一步对真空室抽真空；
(c)、当真空室真空度优于9.9*10-3Pa时，启动管材芯部加热系统，镀膜前将管材加热到200℃；
(d)、当系统中的真空度优于7*10-3Pa时，启动环形靶溅射系统，起辉溅射，管材在伺服传动系统和磁力耦合传动系统的驱动下向前移动，在管材长度方向管材外表面依次形成膜材；
(e)、当管材由一侧进入靶材镀膜区并通过镀膜区后，镀膜结束；经冷却降温后，伺服传动系统将管材带到出口端并手动取出，完成整个镀膜过程。
7.一种权利要求1所述装置的应用，其特征在于：所述装置用于对不同尺寸管材外表面进行薄膜沉积。
8.按照权利要求7所述装置的应用，其特征在于：管材的外径范围为5mm-40mm。
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