CN110284111A - 一种金属靶材的制备系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属靶材的制备系统，包括：中控台、冷水机组、真空室以及设置在真空室内的工作台、旋转机构、背管、移动机构、送料器和电子枪；工作台两端设置有旋转机构，旋转机构用于安装并固定背管的端部，中控台控制旋转机构带动背管沿圆周方向旋转；移动机构安装在背管的上方或一侧，且沿背管轴向方向来回移动，移动机构上设置有送料器和电子枪，中控台控制移动机构的运动；中控台控制电子枪发射电子束，电子束朝向背管表面；中控台控制送料器给背管表面进行送料；冷水机组通过连接管与背管连通；中控台利用冷水机组向背管内提供循环冷却水。本发明通过上述系统能够制备高纯度、高密度及晶粒均匀的金属靶材。

Description

一种金属靶材的制备系统
技术领域
本发明涉及金属溅射靶材制造技术领域，特别是涉及一种金属靶材的制备系统。
背景技术
金属靶材广泛用于PVD镀膜领域，如装饰镀膜、LOW-E玻璃行业、薄膜光伏行业、液晶面板等行业。
目前，常规的金属靶材制备方法有烧结法、熔炼+挤压/锻造及热/冷喷涂方法，其中，热压/热等静压烧结法主要适用于难熔金属如钨，钽，钼，铬等；熔炼+锻造轧制方法适用于大部分有色金属平面靶材的制备如：钛、银、镍、铝、铜等；熔炼+锻造挤压方法适用于大部分有色金属旋转靶材的制备如：钛、银、镍、铝、铜等；热/冷喷涂方法适用于大部分有色金属旋转靶材的制备。
烧结法和热/冷喷涂方法制备的金属靶材相对密度一般只有98％-99.5％，熔炼+锻造/挤压法工艺控制要求高，容易出现晶粒粗大和不均匀的现象，且设备昂贵。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明的目的是提供一种金属靶材的制备系统，能够制备高纯度、高密度及晶粒均匀的金属靶材。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种金属靶材的制备系统，所述制备系统包括：中控台、冷水机组、真空室以及设置在所述真空室内的工作台、旋转机构、背管、移动机构、送料器和电子枪；
所述工作台两端设置有所述旋转机构，所述旋转机构用于安装并固定所述背管的端部，所述中控台和所述旋转机构电连接，所述中控台控制所述旋转机构带动所述背管沿圆周方向旋转；
所述移动机构安装在所述背管的上方或一侧，且沿所述背管轴向方向来回移动，所述移动机构上设置有送料器和电子枪，所述中控台控制所述移动机构的运动；所述中控台控制电子枪发射电子束，所述电子束朝向所述背管表面；所述中控台控制所述送料器给所述背管表面进行送料；
所述冷水机组通过连接管与所述背管连通；所述中控台和所述冷水机组电连接，所述中控台利用所述冷水机组向所述背管内提供循环冷却水。
可选的，所述旋转机构包括旋转电机、底座和旋转环，所述底座固定安装于所述工作台两端，所述旋转电机固定在所述底座上，所述旋转电机的转动轴和所述旋转环固定连接，所述旋转环用于固定所述背管的端部，所述中控台和所述旋转电机电连接，所述中控台通过所述旋转电机利用所述旋转环控制所述背管的旋转速度。
可选的，所述冷水机组包括制冷压缩机和水箱，所述制冷压缩机的外壳内设置有水冷夹层通道，所述水冷夹层通道的第一出水管和所述背管一端连通，所述水冷夹层通道的第一进水管和所述水箱的第二出水管连通，所述水箱的第二进水管和所述背管另一端连通。
可选的，所述第一出水管和所述背管一端通过进水接头连通，所述第二进水管和所述背管另一端通过出水接头连通。
可选的，所述制备系统还包括真空泵，所述真空泵分别与所述真空室和所述电子枪连通，所述中控台和所述真空泵电连接，所述中控台利用所述真空泵为所述真空室和所述电子枪提供真空环境。
可选的，所述电子枪和所述背管表面之间设置有间隙。
可选的，所述移动机构为机械手。
可选的，所述循环冷却水的温度为28℃-32℃。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明在真空室内，以电子束为热源，在背管表面形成熔池，并通过送料器给背管表面进行送料，实现逐层堆积快速成形制造，利用旋转机构和电子枪的运动，控制靶材沉积的厚度，能够制备高纯度、高密度及晶粒均匀的金属靶材。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种金属靶材的制备系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种金属靶材的制备系统，能够制备高纯度、高密度及晶粒均匀的金属靶材。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
靶材是应用于物理气相沉积(PVD)过程中的镀膜材料，按材质分类：金属靶材、陶瓷靶材和合金靶材，按靶型分类：平面靶材和旋转靶材。
对金属靶材性能要求：1)纯度：纯度越高，成膜性能更好，膜层更均匀；2)晶粒大小和晶粒均匀性：晶粒越小，镀膜速率越快。晶粒越均匀，膜厚均匀性越好；3)氧含量：靶材氧含量越低，靶材内部夹杂越少，薄膜性能越好。
图1为本发明实施例一种金属靶材的制备系统的结构示意图，如图1所示，一种金属靶材的制备系统，所述制备系统包括：中控台1、冷水机组2、真空室3以及设置在所述真空室3内的工作台4、旋转机构5、背管6、移动机构7、送料器8和电子枪9。
所述工作台4两端设置有所述旋转机构5，所述旋转机构5用于安装并固定所述背管6的端部，所述中控台1和所述旋转机构5电连接，所述中控台1控制所述旋转机构5带动所述背管6沿圆周方向旋转。
所述移动机构7安装在所述背管6的上方或一侧，且沿所述背管6轴向方向来回移动，所述移动机构7上设置有送料器8和电子枪9，所述中控台1控制所述移动机构7的运动；所述中控台1控制电子枪9发射电子束10，所述电子束10朝向所述背管6表面；所述中控台1控制所述送料器8给所述背管6表面进行送料。
所述冷水机组2通过连接管与所述背管6连通；所述中控台1和所述冷水机组2电连接，所述中控台1利用所述冷水机组2向所述背管6内提供循环冷却水。
具体的，所述中控台1通过控制高压电源11的电压和电流使所述电子枪9发射电子束10，因为电子枪9需在阴阳极间施加几十至上百千伏的加速电压的条件下才能形成高能电子束，因此需要高压电源11。
优选的，所述旋转机构5包括旋转电机、底座和旋转环，所述底座固定安装于所述工作台4两端，所述旋转电机固定在所述底座上，所述旋转电机的转动轴和所述旋转环固定连接，所述旋转环用于固定所述背管6的端部，所述中控台1和所述旋转电机电连接，所述中控台1通过所述旋转电机利用所述旋转环控制所述背管6的旋转速度。
优选的，所述冷水机组2包括制冷压缩机和水箱，所述制冷压缩机的外壳内设置有水冷夹层通道，所述水冷夹层通道的第一出水管和所述背管6一端连通，所述水冷夹层通道的第一进水管和所述水箱的第二出水管连通，所述水箱的第二进水管和所述背管6另一端连通。
优选的，所述第一出水管和所述背管6一端通过进水接头连通，所述第二进水管和所述背管6另一端通过出水接头连通。
优选的，所述制备系统还包括真空泵12，所述真空泵12分别与所述真空室3和所述电子枪9连通，所述中控台1和所述真空泵12电连接，所述中控台1利用所述真空泵12为所述真空室3和所述电子枪9提供真空环境。
具体的，电子枪9与真空室3均处于真空状态下，使电子枪9工作在高压状态下，同时也为了减少电子束与其他气体分子碰撞引起能量损失和电子散射。
优选的，所述电子枪9和所述背管6表面之间设置有间隙。
优选的，所述移动机构7为机械手。具体的，机械手及其夹持的电子枪可三维移动。中控台1控制机械手进行三维移动，带动电子枪9进行电子束溅射，送料器8安装固定在机械手上，机械手夹持电子枪9，使送料器8和电子枪9处于相对静止状态。
优选的，所述循环冷却水的温度为28℃-32℃。
中控台1通过设定旋转机构5转速和机械手沿背管6轴向(A端到B端)来回运动，来实现材料不断沉积在背管6上面形成靶材(靶材材料是粘附在背管上形成靶材)。
本发明利用上述金属靶材制备系统，在真空室内，以电子束为热源，在基材或上一层熔化堆积层表面形成熔池，并将金属丝送入熔化区域实现逐层堆积快速成形制造。利用旋转机构和电子枪的运动，控制靶材沉积的厚度。
电子束原理：利用电子枪中阴极所产生的电子在阴阳极间的高压(25-300kv)加速电场作用下被加速至很高的速度(0.3-0.7倍光速)，经透镜汇聚作用后，形成密集的高速电子流。
增材制造又称“3D打印”，是一种兴起于21世纪80年代的新型技术，利用CAD设计；机构数据，由计算机控制实现材料逐层累加从而形成实体零件的制造方法。
电子束选区熔化成形(EBM)原理：在材料的二维横截面上，通过连续逐层累加从而制造三维结构的零件。
电子束熔丝成形(EBAM)原理：以电子束为热源，在基材或上一层熔化堆积层表面形成熔池，并将金属丝送入熔化区域实现逐层堆积快速成形制造。
电子束增材制造技术及应用，电子束增材制造技术主要有电子束选区熔化成形(EBM)和电子束熔丝成形(EBAM)两种。电子束增材制造技术目前主要应用于航空航天、汽车制造、生物医学等领域。
金属靶材制备工艺方案：
1)制备或采买高纯度丝材(丝材直径)。
2)在上述金属靶材制备系统中，背管安装在工作台的旋转机构上，与冷水机组连接并通循环冷却水，开启冷水机组后，设置循环冷却水温度为28℃-32℃；循环冷却水温度太低，凝固过冷度太大，应力也比较大，循环冷却水温度太高，冷却效果不佳，因此，选择28℃-32℃。
3)通过中控台控制开启真空泵，将真空度抽到10-2Pa以下。
4)在中控台上设置高压电源参数形成电子束，电压为30-70kV,电流20-60mA，背管旋转速度4-6r/min(换算线速度为1.5-3m/min),送丝速度1.5-3m/min(保持送丝速度和背管旋转线速度一致)，设定机械手沿X轴A端到B端往返移动，X轴移动速度20-30mm/min。在A端或B端掉头时沿Z轴步进1-2mm。
5)启动工作台旋转机构使背管旋转，按下“下束”按钮，启动电子束，同时启动送料器和机械手，设定A-B-A移动为1个程序(每个程序沉积厚度约2mm)。
6)根据需求靶材厚度，设定电子束沉积的程序次数。(一般靶材厚度6-8mm)。
7)程序完成，自动关闭电子束开关，送料器和机械手开关，保持沉积后的靶材处于旋转状态，避免冷却不佳。
8)关闭真空泵，取出所制备的靶材，进行机加工得到需求的靶材。
上述金属靶材制备工艺方案便捷，原料简单，成形速度快，能制备高纯度，高密度，晶粒均匀细小的金属靶材，上述的公开既扩宽了电子束增材制造的应用，也提供了一种相对通用的金属靶材制备方法。
本发明实施例一种金属靶材的制备系统的优势：
1、本发明实施例一种金属靶材的制备系统结构简单，成形速度快，加工成本低。
2、本发明实施例一种金属靶材的制备系统适用范围广，可以制备目前市面存在的大部分金属靶材，即可制备平面靶材，也可制备旋转靶材。
3、电子束熔覆是在真空环境下进行，因此，制备的金属靶材相对喷涂工艺制备的金属靶材致密度高，含氧量低。
4金属靶材由于在熔覆过程处于区域融化并急速冷却的状态，晶粒生长受制，相对熔炼工艺制备的金属靶材晶粒尺寸小。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种金属靶材的制备系统，其特征在于，所述制备系统包括：中控台(1)、冷水机组(2)、真空室(3)以及设置在所述真空室(3)内的工作台(4)、旋转机构(5)、背管(6)、移动机构(7)、送料器(8)和电子枪(9)；
所述工作台(4)两端设置有所述旋转机构(5)，所述旋转机构(5)用于安装并固定所述背管(6)的端部，所述中控台(1)和所述旋转机构(5)电连接，所述中控台(1)控制所述旋转机构(5)带动所述背管(6)沿圆周方向旋转；
所述移动机构(7)安装在所述背管(6)的上方或一侧，且沿所述背管(6)轴向方向来回移动，所述移动机构(7)上设置有送料器(8)和电子枪(9)，所述中控台(1)控制所述移动机构(7)的运动；所述中控台(1)控制电子枪(9)发射电子束(10)，所述电子束(10)朝向所述背管(6)表面；所述中控台(1)控制所述送料器(8)给所述背管(6)表面进行送料；
所述冷水机组(2)通过连接管与所述背管(6)连通；所述中控台(1)和所述冷水机组(2)电连接，所述中控台(1)利用所述冷水机组(2)向所述背管(6)内提供循环冷却水。
2.根据权利要求1所述的金属靶材的制备系统，其特征在于，所述旋转机构(5)包括旋转电机、底座和旋转环，所述底座固定安装于所述工作台(4)两端，所述旋转电机固定在所述底座上，所述旋转电机的转动轴和所述旋转环固定连接，所述旋转环用于固定所述背管(6)的端部，所述中控台(1)和所述旋转电机电连接，所述中控台(1)通过所述旋转电机利用所述旋转环控制所述背管(6)的旋转速度。
3.根据权利要求1所述的金属靶材的制备系统，其特征在于，所述冷水机组(2)包括制冷压缩机和水箱，所述制冷压缩机的外壳内设置有水冷夹层通道，所述水冷夹层通道的第一出水管和所述背管(6)一端连通，所述水冷夹层通道的第一进水管和所述水箱的第二出水管连通，所述水箱的第二进水管和所述背管(6)另一端连通。
4.根据权利要求1所述的金属靶材的制备系统，其特征在于，所述第一出水管和所述背管(6)一端通过进水接头连通，所述第二进水管和所述背管(6)另一端通过出水接头连通。
5.根据权利要求1所述的金属靶材的制备系统，其特征在于，所述制备系统还包括真空泵(12)，所述真空泵(12)分别与所述真空室(3)和所述电子枪(9)连通，所述中控台(1)和所述真空泵(12)电连接，所述中控台(1)利用所述真空泵(12)为所述真空室(3)和所述电子枪(9)提供真空环境。
6.根据权利要求1所述的金属靶材的制备系统，其特征在于，所述电子枪(9)和所述背管(6)表面之间设置有间隙。
7.根据权利要求1所述的金属靶材的制备系统，其特征在于，所述移动机构(7)为机械手。
8.根据权利要求1所述的金属靶材的制备系统，其特征在于，所述循环冷却水的温度为28℃-32℃。
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