CN110344018B - 一种多阴极连续镀膜腔室 - Google Patents

一种多阴极连续镀膜腔室 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多阴极连续镀膜腔室，其腔室壁围成镀膜空间，被加工件在传送装置的带动下沿工艺路径在所述镀膜空间内移动，所述多阴极连续镀膜腔室包括多个阴极组件和至少一个冷却组件，所述阴极组件和所述冷却组件沿着所述工艺路径在所述被加工件的上方依次交替设置，以对所述被加工件交替进行溅射和冷却。传送装置带动被加工件经过镀膜空间时，依次进行溅射‑冷却‑溅射‑冷却‑溅射的交替过程，实现在连续镀膜过程中，每个阴极组件对基体溅射镀膜后走到冷却组件下部对其降温，降温后下一个阴极组件再对其溅射镀膜，然后再降温，可以实现边镀膜边降温的目的。

Description

一种多阴极连续镀膜腔室
技术领域
本发明涉及磁控溅射镀膜领域，尤其涉及一种用于在钕铁硼磁性材料基体的表面形成铽薄膜的多阴极连续镀膜腔室。
背景技术
钕铁硼稀土永磁材料的高磁能积和高矫顽力等优异特性，给磁体的应用带来革命性的变化。在我国，钕铁硼稀土永磁材料一直是国家科技部重点支持的新材料，在国民经济发展中发挥着越来越重要的作用。
在烧结型NdFeB磁体表面制备一层重稀土元素铽薄膜，可以进一步提高钕铁硼稀土永磁材料的性能。铽薄膜经真空扩渗和时效处理后，样品的微观结构组织、磁性和耐蚀性会随工艺条件(镀膜情况)的变化而规律变化，结果发现：在NdFeB磁体的磁性能保持不变的情况下，制备一层重稀土元素铽薄膜能显著提高了磁体的矫顽力Hcj、耐热性和耐蚀性，其中，磁体矫顽力的最大提高幅度达14.7％。
而现有技术中，通常采用在烧结型钕铁硼磁体表面刷涂一层铽薄膜，这种工艺方式形成的铽薄膜与钕铁硼磁体的结合力不够良好，使用一定时间后容易产生脱落等问题。
由上可知，现有技术主要存在以下问题：
采用刷涂的方式在钕铁硼磁体表面形成的铽薄膜结合力不好，使用一定时间后容易产生脱落。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多阴极连续镀膜腔室，解决采用刷涂方式在钕铁硼磁体表面形成铽薄膜存在的问题，并克服了连续镀膜过程中被加工件温度过高的问题。
本发明的目的是这样实现的：一种多阴极连续镀膜腔室，其腔室壁围成镀膜空间，被加工件在传送装置的带动下沿工艺路径在所述镀膜空间内移动，所述多阴极连续镀膜腔室包括多个阴极组件和至少一个冷却组件，所述阴极组件和所述冷却组件沿着所述工艺路径在所述被加工件的上方依次交替设置，以对所述被加工件交替进行溅射和冷却。
在本发明的一较佳实施方案中，所述冷却组件包括受热面，所述受热面朝向被加工件，用于吸收被加工件辐射的热量。
在本发明的一较佳实施方案中，所述传送装置包括：
料盘，用于盛放被加工件；
传送轮，沿着所述工艺路径依次间隔设置在所述镀膜空间内，用于支撑并带动所述料盘沿所述工艺路径持续移动；和
传送驱动装置，用于驱动所述传送轮转动。
在本发明的一较佳实施方案中，沿着所述工艺路径在所述料盘的下方还设置所述冷却组件，用于冷却所述料盘。
在本发明的一较佳实施方案中，所述多阴极连续镀膜腔室还包括屏蔽件，所述屏蔽件设置在所述镀膜空间内，所述屏蔽件与所述阴极组件和所述传送轮对应的位置设有开口，用于遮挡所述腔室壁。
在本发明的一较佳实施方案中，所述屏蔽件包括上遮挡板和下遮挡板；
所述上遮挡板固定在所述镀膜空间的顶部，与所述阴极组件对应的开口的边缘设有向被加工件方向伸出的环形突伸部，所述环形突伸部围绕的空间用于限制溅射粒子；
所述下遮挡板固定在所述镀膜空间的底部且所述下遮挡板的两侧向上伸出，以遮挡两侧的所述腔室壁；所述传送轮的顶部从与其对应的开口突出到所述下遮挡板的上方。
在本发明的一较佳实施方案中，所述上遮挡板与所述冷却组件对应的位置设有向被加工件方向凹陷的凹槽，所述冷却组件设置在所述凹槽内并贴着所述上遮挡板的上表面设置。
在本发明的一较佳实施方案中，所述下遮挡板的下表面设置有所述冷却组件。
在本发明的一较佳实施方案中，所述冷却组件包括冷却管，所述冷却管贴着所述上遮挡板的上表面盘绕设置；所述凹槽的下表面形成受热面，用于吸收被加工件辐射的热量。
在本发明的一较佳实施方案中，所述多阴极连续镀膜腔室用于在钕铁硼磁性材料制成的被加工基体的表面形成铽薄膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
多阴极连续镀膜腔室通过磁控溅射方式在钕铁硼磁性材料基体上镀覆铽薄膜，使钕铁硼磁性材料基体与铽薄膜接合力良好。并且，采用阴极组件和冷却组件在工艺路径上依次交替设置的方式，使被加工件在传送装置带动下不停留地经过镀膜空间时，对被加工件交替进行溅射和冷却的过程，有效地解决了多阴极连续镀膜过程中被加工件温度过高的现象，保证了钕铁硼磁性材料基体的内禀娇顽力不会因为温度过高而减退。
在纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明某些原理的具体实施方案中，本发明的装置所具有的其它特征和优点将变得清楚或得以更为具体地阐明。
附图说明
图1为本发明多阴极连续镀膜腔室的一种示例性实施方式的纵向剖视图；
图2为与图1中的剖面垂直方向的剖视图；
图3为下遮挡板的示例性实施方式的仰视图；
图4为上遮挡板的示例性实施方式的仰视图；
图5为本发明多阴极连续镀膜腔室的另一种示例性实施方式的纵向剖视图；
图6为与图5中的剖面垂直方向的剖视图；
图7为图6中A处的放大示意图；
图8为下遮挡板与腔室装配关系的立体；
图9为图8中B处的放大示意图；
图10为上遮挡板与水冷管装配关系的示意图；
图11为下遮挡板与水冷管装配关系的示意图。
应当了解，所附附图并非按比例地绘制，显示了说明本发明的基本原理的各种特征的略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在这些图中，相同的附图标记涉及本发明的相同或等同的部分。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的示例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，应当理解本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等价形式及其它实施方案。
在以下描述中所使用的技术术语仅是为了描述特定实施方案的目的并不旨在对本发明进行限制。
本申请所说的多阴极连续镀膜是采用磁控溅射镀膜方法使被加工件(钕铁硼磁性材料基体)连续不停留地通过镀膜腔室，利用镀膜腔室中的阴极靶材进行磁控溅射，从而在被加工件表面镀覆一层靶材(铽)薄膜。在真空镀膜过程中，电子在电场作用下，加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞。若电子具有足够的能量时，则电离出Ar+并产生电子。电子飞向基片，Ar+在电场作用下加速飞向阴极(溅射靶)并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中重型的靶原子(分子)沉积在基片(钕铁硼)上形成薄膜。由于是铽的分子或原子直接与钕铁硼磁性材料基体的表面接合而形成薄膜，故此接合力良好，接合稳定可靠。二次电子在加速飞向基片时受到磁场的洛伦兹力作用，以摆线和螺旋线状的复合形式在靶材表面做圆周运动，在该区域内电离出大量Ar+用来轰击靶材，随着碰撞次数的增加，电子的能量逐渐降低，最终在电场的作用下沉积在基片上，从而产生一定的热量。发明人通过研究发现，虽然该部分热量使基片温度升高不大，但对于连续式镀膜生产线，镀膜腔室有多个阴极靶材对基片进行连续溅射镀膜，如果多个阴极相互紧密排布，布置紧凑，阴极之间的间距较小，腔室尺寸较小，料盘通过镀膜室后，每个阴极持续对基片进行连续镀膜，会对基片本体及腔室环境产生一定温度提升。而钕铁硼永磁性材料在镀膜过程中产生的高温对本体物理指标内禀娇顽力呈降低的趋势，而内禀娇顽力是衡量磁体抗退磁能力的一个物理量。故镀膜过程中的温度对钕铁硼的磁性至关重要，对基体和镀膜腔室环境温度的控制是一个需要重点处理的问题，如果基体温度高于某个阈值，会降低其内禀矫顽力，最终导致退磁能力降低，使用效果大大降低。而现有的磁控溅射镀膜装置的溅射温度大概在200℃左右，该温度对于一般材质的基片无影响，通常采用腔室内壁自然散热降温即可，但无法满足在钕铁硼磁性材料基体表面镀覆铽薄膜的要求。
有鉴于此，本发明提供了一种多阴极连续镀膜腔室，在下文中将参照附图详细描述作为示例性实施方式的多阴极连续镀膜腔室。如图1、图2所示，在该实施方式中，镀膜腔室的腔室壁3由金属导电材料制成并形成一个整体连通的等电位体，腔室壁3围成一个镀膜空间11，镀膜空间11的相对两端具有供被加工件出入的入口和出口，工艺路径即被加工件从入口到出口的移动路径。被加工件在传送装置的带动下从入口进入镀膜空间11，沿工艺路径在所述镀膜空间11内持续不停留地移动，完成镀膜后从出口离开镀膜空间11进入下一工序。镀膜腔室的顶部设有多个阴极组件1和至少一个冷却组件8。阴极组件1为磁控溅射常规的部件，包括靶材固定座101和靶材102，靶材102安装在靶材固定座101上，靶材固定座101安装在腔室的顶壁。腔室壁3接直流电源的阳极，靶材102接直流电源的阴极，从阴极组件1导入工艺气体(通常为Ar)，工艺气体在电场的作用下产生电离，形成等离子体，等离子体中的Ar+轰击靶材102形成溅射粒子对下方的被加工件进行镀覆。本实施方式设置三个阴极组件1和两个冷却组件8；所述阴极组件1和所述冷却组件8沿着所述工艺路径在所述被加工件的上方依次交替设置，即沿着工件经过的工艺路径，在镀膜腔室的顶部依次设置阴极组件1-冷却组件8-阴极组件1-冷却组件8-阴极组件1。传送装置带动被加工件经过镀膜空间11时，依次进行溅射-冷却-溅射-冷却-溅射的交替过程，实现在连续镀膜过程中，每个阴极组件1对基体溅射镀膜后走到冷却组件8下部对其降温，降温后下一个阴极组件1再对其溅射镀膜，然后再降温，可以实现边镀膜边降温的目的。
其中，如图5、图6和图7所示，传送装置包括料盘6、传送轮7和传送驱动装置。料盘6用于盛放被加工件，通过使料盘6沿着工艺路径的移动来实现被加工件的传送。传送轮7沿着所述工艺路径依次间隔设置在所述镀膜空间11内，用于支撑并带动所述料盘6沿所述工艺路径持续移动。本实施方式中，在镀膜腔室的底壁上方沿着从入口到出口的方向平行设置多排传送轮7，相邻两排传送轮7之间的间距相等，每一排至少有两个传送轮7，形成多排多列的矩阵形式。每一排的传送轮7均固定于同一个轮轴71上，多个轮轴71分别通过支撑件转动地支撑在镀膜腔室的底壁。其中一个轮轴71作为主输入轮轴，其它轮轴为从动轮轴。传送驱动装置用于驱动所述传送轮7转动，可以采用链传动或带传动的形式。本实施方式采用的是链传动和同步带传动结合的方式传动。从电机输出轴到主输入轮轴之间采用的是同步带传送，主输入轮轴与各从动轮轴之间采用的是链传动，具体的，各个轮轴71的同一侧均固定设有链轮72，通过传动链(未示出)将各个轮轴71上的链轮72连接，主输入轮轴的转动通过传动链带动从动轮轴转动，从而使各个传送轮7同步转动。料盘6被放置在传送轮7上，由传送轮7支撑并带动料盘6运动。采用料盘6加传送轮7这种方式，能够适应各种形式的被加工件，例如被加工件可以是块状、长条状等，只要料盘6设置成与其相适配的形式即可。
在一个可选实施方式中，沿着所述工艺路径在所述料盘6的下方也可以设置冷却组件5，用于冷却所述料盘6。在本申请中，安装在料盘6上方的冷却组件可以称为上冷却组件8，安装在料盘6下方的冷却组件可以称为下冷却组件5。下冷却组件5可以通过支撑件14支撑在镀膜腔室的底壁，例如，在每排传送轮7之间的间隔位置均设置一组冷却组件5。安装在料盘6下方的下冷却组件5可以通过热辐射的方式，对行走的料盘6进行辐射降温。通过上、下面同时降温，大大降低了多个阴极连续镀膜过程中基体的温度。
现有的真空连续镀膜机镀膜室内部通常无防护板，隔一定时间就需要在更换靶材的时候，清理观察窗玻璃和镀膜室内壁，需要经常更换观察窗玻璃。为解决该问题，镀膜腔室还包括屏蔽件，所述屏蔽件设置在所述镀膜空间11内，可以通过固定装置可拆卸地固定在腔室壁3上，其作用是用于遮挡腔室壁3，降低了被溅射出来的靶原子溅射到腔室壁3、观察窗玻璃10及其他部件表面；当屏蔽件上沉积膜达到一定厚度时，可随同设备检修时，将屏蔽件拆卸下来进行沉积材料回收和再利用，然后更换备用屏蔽件，解决了人工清除结构复杂的腔室内壁带来的困难，同时降低了靶材的浪费，节约成本。所述屏蔽件与所述阴极组件1对应的位置及与所述传送轮7对应的位置处设有开口，且屏蔽件与镀膜空间11的入口和出口对应处也均敞开。
如图3、图4所示，在本实施方式中，所述屏蔽件包括上遮挡板2和下遮挡板4。所述上遮挡板2位于所述镀膜空间11的顶部，通过连接件9水平固定在腔室的顶壁，其上与所述阴极组件1对应的位置具有尺寸略大于靶材尺寸的开口201，围绕开口201的边缘设有向被加工件方向伸出的环形突伸部202，所述环形突伸部202围绕的空间用于限制溅射粒子，使溅射粒子尽量落在被加工件上。
如图8、图9所示，所述下遮挡板4位于所述镀膜空间11的底部，通过连接件14水平固定在腔室的底壁，且所述下遮挡板4的两侧向上伸出，以遮挡两侧的腔室壁3以及观察窗玻璃10。所述传送轮7的顶部从与其对应的开口401突出到所述下遮挡板4的上方。料盘6在下遮挡板4的上方移动，传送驱动装置(如轮轴71、链轮72和传动链)均被下遮挡板4遮挡。上遮挡板2和下遮挡板4均可以采用钣金件进行加工制造。屏蔽件通过采用上、下遮挡板4的形式，可以分别更换，灵活性好，且便于安装和加工。当遮挡板上沉积膜达到一定厚度时，可随同设备检修时，将上遮挡板2、下遮挡板4拆卸下来，更换备用遮挡板。
进一步地，参见图10和图11，上冷却组件8可以贴着上遮挡板2的上表面设置，下冷却组件5可以贴着下遮挡板4的下表面设置，上下遮挡板4均采用热的良导体材料制作，利用上遮挡板2和下遮挡板4朝向被加工件的表面形成受热面，以吸收被加热件辐射的热量。
进一步地，所述上遮挡板2与上冷却组件8对应的位置设有向被加工件方向凹陷的凹槽203。凹槽203的底部为平面，所述冷却组件8设置在所述凹槽203内并贴着凹槽203的底面(即上遮挡板2的上表面)设置。凹槽203的下表面形成受热面，用于吸收被加工件辐射的热量。
在本实施方式中，所述冷却组件(8,5)可以采用冷却管85，通过冷却介质源向冷却管85内通入冷却介质，如冷水。上冷却组件8的冷却管85贴着凹槽203的底面盘绕设置，优选在凹槽203的整个底面区域盘绕。通过压板12和螺钉13将盘绕的冷却管85与上遮挡板2固定在一起，可以形成一个总成件，便于装配。同样，下冷却组件5的冷却管85贴着下遮挡板4的下表面盘绕设置，通过压板12和螺钉13固定在一起形成总成件。如图10和图11所示，冷却管85可以呈栅栏状往复盘绕。
由上可知，本发明的多阴极连续镀膜腔室采用了磁控溅射的连续镀膜方式，使得钕铁硼磁性材料基体与铽薄膜之间的接合力良好，不容易脱落。并且，采用阴极靶材-冷却系统-阴极靶材-冷却系统这种结构布局，在连续性真空磁控溅射镀膜工艺中，基体可以在溅射(升温)－冷却系统(降温)－溅射(升温)－冷却系统(降温)－溅射(升温)过程中，达到一边溅射一边冷却降温的效果，防止工件在多个阴极靶材连续镀膜过程中温度持续升高，保证了钕铁硼磁性材料基体的内禀娇顽力不会因为温度过高而减退。
通过增加上下遮挡板，降低了腔室内壁被溅射出来的靶材污染，同时可以拆卸更换遮挡板，更便于维护，对沉积在遮挡板上的靶材薄膜进行回收再利用。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并非意欲穷尽，或者将本发明严格限制为所公开的具体形式，显然，根据上述教导可能进行很多改变和变化。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种多阴极连续镀膜腔室，其腔室壁围成镀膜空间，被加工件在传送装置的带动下沿工艺路径在所述镀膜空间内移动，其特征在于，所述多阴极连续镀膜腔室包括多个阴极组件和至少一个冷却组件，所述阴极组件和所述冷却组件沿着所述工艺路径在所述被加工件的上方依次交替设置，以对所述被加工件交替进行溅射和冷却；所述阴极组件和所述冷却组件沿着所述工艺路径，依次设置在所述多阴极连续镀膜腔室的顶部。
2.如权利要求1所述的多阴极连续镀膜腔室，其中，所述冷却组件包括受热面，所述受热面朝向被加工件，用于吸收被加工件辐射的热量。
3.如权利要求1所述的多阴极连续镀膜腔室，其中，所述传送装置包括：
料盘，用于盛放被加工件；
传送轮，沿着所述工艺路径依次间隔设置在所述镀膜空间内，用于支撑并带动所述料盘沿所述工艺路径持续移动；和
传送驱动装置，用于驱动所述传送轮转动。
4.如权利要求3所述的多阴极连续镀膜腔室，其中，沿着所述工艺路径在所述料盘的下方还设置所述冷却组件，用于冷却所述料盘。
5.如权利要求3所述的多阴极连续镀膜腔室，其中，所述多阴极连续镀膜腔室还包括屏蔽件，所述屏蔽件设置在所述镀膜空间内，所述屏蔽件与所述阴极组件和所述传送轮对应的位置设有开口，用于遮挡所述腔室壁。
6.如权利要求5所述的多阴极连续镀膜腔室，其中，所述屏蔽件包括上遮挡板和下遮挡板；
所述上遮挡板固定在所述镀膜空间的顶部，与所述阴极组件对应的开口的边缘设有向被加工件方向伸出的环形突伸部，所述环形突伸部围绕的空间用于限制溅射粒子；
所述下遮挡板固定在所述镀膜空间的底部且所述下遮挡板的两侧向上伸出，以遮挡两侧的所述腔室壁；所述传送轮的顶部从与其对应的开口突出到所述下遮挡板的上方。
7.如权利要求6所述的多阴极连续镀膜腔室，其中，所述上遮挡板与所述冷却组件对应的位置设有向被加工件方向凹陷的凹槽，所述冷却组件设置在所述凹槽内并贴着所述上遮挡板的上表面设置。
8.如权利要求6所述的多阴极连续镀膜腔室，其中，所述下遮挡板的下表面设置有所述冷却组件。
9.如权利要求7所述的多阴极连续镀膜腔室，其中，所述冷却组件包括冷却管，所述冷却管贴着所述上遮挡板的上表面盘绕设置；所述凹槽的下表面形成受热面，用于吸收被加工件辐射的热量。
10.如权利要求1至9任一项所述的多阴极连续镀膜腔室，其中，所述多阴极连续镀膜腔室用于在钕铁硼磁性材料制成的被加工基体的表面形成铽薄膜。
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