CN110965034B - 一种高熵合金靶材制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高熵合金靶材制备装置，包括壳体以及位于壳体一侧的驱动电机，驱动电机的输出轴穿入壳体内设置有转动盘，转动盘的一侧转动连接有大齿轮，大齿轮的外周等间距啮合有六个小齿轮，每个小齿轮的轴心处均与转动盘转动连接，六个小齿轮所远离大齿轮的一侧均啮合有同一个齿圈；每个小齿轮的一侧均设置有靶筒，每个小齿轮的一侧均穿设有固定杆，每个固定杆的一端与转动盘固定连接，每个固定杆的另一端固定连接有磁棒管件，磁棒管件位于靶筒内，大齿轮的一侧设置有待镀膜工件，待镀膜工件与大齿轮为同轴心设置。本发明具有以下有益效果：这种装置可实现高均匀性、大面积薄膜沉积，且可同时提高多个靶材的利用率。

Description

一种高熵合金靶材制备装置

技术领域

本发明涉及磁控溅射镀膜领域，特别涉及一种高熵合金靶材制备装置。

背景技术

高熵合金是由四种及以上等量或大约等量金属形成的合金。以往的合金中主要的金属成分可能只有一至两种。例如会以铁为基础，再加入一些微量的元素来提升其特性，因此所得的就是以铁为主的合金。过往的概念中，若合金中加的金属种类越多，会使其材质脆化，但高熵合金和以往的合金不同，有多种金属却不会脆化，是一种新的材料。研究发现高熵合金的强度比传统合金好很多，而且抗断裂能力、抗拉强度、抗腐蚀及抗氧化特性都比传统的合金要好。

基于上述高熵合金的优秀特性，公告号为CN104264116B的中国专利公开了一种在X80管线钢基材表面制备AlTiCrNiTa高熵合金涂层的工艺，该工艺采用多靶磁控溅射技术，通过在X80管线上溅射有高熵合金薄膜，大大提高X80管线钢的耐腐蚀性能。若上述高熵合金涂层达到3-5mm厚度时，即可作为高熵合金靶材进行使用。

在上述对比文件所公开的工艺中，由于该工艺中的多靶材未进行转动，靶材随着使用不断消耗，靶面刻蚀区域越来越狭窄，靶材容易被快速刻蚀“穿透”，导致靶材利用率低，增加生产成本。同时，被溅射镀膜的X80管线也并未进行转动，使得溅射在X80管线上的高熵合金薄膜的均匀性(包括薄膜厚度和薄膜组成等)难以控制，因而有待改进。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种高熵合金靶材制备装置，这种装置可实现高均匀性、大面积薄膜沉积，且可同时提高多个靶材的利用率。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高熵合金靶材制备装置，包括具有工作腔室的壳体，所述壳体的一侧设置有驱动电机，所述驱动电机的输出轴穿入工作腔室内固定连接有转动盘，所述转动盘的一侧转动连接有大齿轮，所述大齿轮与转动盘同轴心设置，所述大齿轮的外周等间距啮合有六个小齿轮，每个所述小齿轮的轴心处均与转动盘转动连接，六个所述小齿轮所远离大齿轮的一侧均啮合有同一个齿圈，所述齿圈与壳体内壁固定连接；

每个所述小齿轮的一侧均设置第一置物槽，六个所述第一置物槽均内置有靶筒，每个所述靶筒的一端均与第一置物槽的底壁固定连接，每个所述靶筒均包括溅射靶材和靶材内筒，所述溅射靶材均匀的覆盖在靶材内筒上，六个所述靶筒上的溅射靶材为不同材质制成；

每个所述小齿轮的一侧均穿设有固定杆，每个所述固定杆的一端与转动盘固定连接，每个所述固定杆的另一端固定连接有磁棒管件，所述磁棒管件位于靶筒内，每个所述磁棒管件内部均安装有提供溅射用磁场的磁铁以及冷却水通道，所述大齿轮的一侧设置有第二置物槽，所述第二置物槽内固定连接有待镀膜工件，所述待镀膜工件与大齿轮为同轴心设置。

本发明进一步设置为：所述磁铁包括三个永久磁铁，位于中间的所述永久磁铁与其两边的永久磁铁极性相反安装，三个所述永久磁铁的一侧距离溅射靶材表面的距离相等。

本发明进一步设置为：所述冷却通道沿磁棒管件的长度方向延伸，包括进水口、进水通道、出水通道以及出水口，所述磁棒管件与靶筒之间设置有间隙，所述进水通道和出水通道沿磁棒管件长度方向等间距排布，所述进水通道与出水通道对称分布于磁棒管件的两端，每个所述进水通道的一端与进水口相连接，每个所述进水通道的另一端与间隙相连通，每个所述出水通道的一端与出水口相连接，每个所述出水通道的另一端与间隙相连通；所述冷却水从磁棒管件内部的一端进入进水口，并由所述进水通道导入至间隙内，待冷却水环绕所述间隙一周后可由出水通道进入出水口处进行排出。

本发明进一步设置为：每个所述靶筒的一端套设有用以封堵间隙的套盖，所述套盖与靶筒之间过盈配合。

本发明进一步设置为：所述转动盘的一侧贯穿设置有分别与进水口、出水口相连通的入水口和过水口，所述入水口的个数为六个且分别对应于六个磁棒管件上的进水口，所述过水口的个数为六个且分别对应于六个磁棒管件上的出水口。

本发明进一步设置为：当进入所述间隙后的冷却水流速大于靶筒的转动速度时，使得两者具有速度差；若速度差越大，则单位时间条件下，所述靶筒内壁所接触的冷却水面积将越大。

本发明进一步设置为：所述壳体的一侧转动连接有密封门，所述密封门在与壳体密封配合所形成的工作腔室是一个封闭的空间，所述壳体的侧壁上设置有进气口和抽气口，所述抽气口连接有真空泵，所述进气口用于氩气以及反应气体如氮气或氧气的进入。

本发明进一步设置为：所述密封门上设置有便于手部持握的把手。

综上所述，本发明具有以下有益效果：由于待镀膜工件与大齿轮固定连接且同轴心设置，使得大齿轮转动时可同步带动待镀膜工件进行同步转动。同时，由于靶筒的一端与小齿轮是固定连接的，在驱动电机作用下，每个靶筒均跟随其相连接的小齿轮发生自转、以及饶大齿轮的轴心处公转。但是，每个靶筒内的磁棒管件却是与转动盘固定连接的，使得每个磁棒管件均只有一个运动方式，即饶大齿轮轴心处转动。如图9所示的磁场，在工作时，磁场始终约束溅射用的氩离子轰击靶筒的溅射表面处，将溅射表面的原子撞击出来，沉积在待镀膜工件表面而形成薄膜。

需特别说明的是：在实际使用中，靶筒与磁棒管件是进行相对转动的，可理解成磁棒管件不动，而靶筒进行转动。使得磁棒管件所提供溅射用的磁场是处于相对恒定状态，而靶筒转动带动其溅射靶材进行转动，使得磁场约束溅射用的氩离子轰击溅射靶材表面时，转动的溅射靶材可更均衡的被消耗，使得靶面刻蚀区域不会越来越窄，避免靶材快速刻蚀“穿透”，提高靶材的利用率。

同时，由于待镀膜工件本身发生自转，且六个不同的靶筒饶其发生公转。此外，待镀膜工件的转动方向，与六个靶筒的转动方向相反。因而在对待镀膜工件进行多靶共溅射作业时，靶筒环绕待镀膜工件一周所需的时间，较待镀膜工件不动而靶筒转动所需的时间大大减少，进而有利于提高溅射在待镀膜工件上的高熵合金薄膜的均匀性。在上述过程中，通过一个驱动电机即可实现对整个转动过程的控制，因而有利于实现对薄膜厚度进行控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的实施例的磁控溅射装置的结构示意图；

图2图1中密封门在打开状态下的结构示意图；

图3为图2去除壳体、密封门后的结构示意图；

图4为图3的主视图；

图5为图3去除靶筒、待镀膜工件以及套盖后的结构示意图；

图6为图5另一方向上的结构示意图；

图7为图3的侧视图；

图8为图7的结构剖视图；

图9为图8中的靶筒以及磁棒管件的局部放大示意图。

附图标记：1、工作腔室；2、壳体；3、驱动电机；4、转动盘；5、大齿轮；6、小齿轮；7、齿圈；8、第一置物槽；9、靶筒；10、溅射靶材；11、靶材内筒；12、固定杆；13、磁棒管件；14、磁铁；15、冷却水通道；16、第二置物槽；17、待镀膜工件；18、进水口；19、进水通道；20、出水通道；21、出水口；22、间隙；23、套盖；24、入水口；25、过水口；26、密封门；27、进气口；28、抽气口；29、把手；30、密封件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1-图9所示，一种高熵合金靶材制备装置，包括具有工作腔室1的壳体2，壳体2的一侧设置有驱动电机3，驱动电机3的输出轴穿入工作腔室1内固定连接有转动盘4，转动盘4的一侧转动连接有大齿轮5，大齿轮5与转动盘4同轴心设置。大齿轮5的外周等间距啮合有六个小齿轮6，每个小齿轮6的轴心处均与转动盘4转动连接。六个小齿轮6所远离大齿轮5的一侧均啮合有同一个齿圈7，该齿圈7与壳体2内壁固定连接。

在上述过程中，转动盘4受驱动电机3作用下发生转动，由于每个小齿轮6均偏心转动连接于转动盘4上，转动盘4的转动会同步带动六个小齿轮6饶其轴心同步转动。每个小齿轮6的两侧分别啮合有大齿轮5以及齿圈7，而齿圈7是固定不动的。进而六个小齿轮6可带动相啮合的大齿轮5进行转动。在上述运动中，大齿轮5发生的是自转，而小齿轮6在饶大齿轮5轴心进行转动的同时，其自身还具备自转。

每个小齿轮6的一侧均设置第一置物槽8，六个第一置物槽8均内置有靶筒9，每个靶筒9的一端均与第一置物槽8的底壁固定连接。每个靶筒9均包括溅射靶材10和靶材内筒11，溅射靶材10均匀的覆盖在靶材内筒11上。六个靶筒9上的溅射靶材10为不同材质制成，例如Cr靶材、Al靶材、Nb靶材、Si靶材、Ti靶材、V靶材。

每个小齿轮6的一侧均穿设有固定杆12，每个固定杆12的一端与转动盘4固定连接，每个固定杆12的另一端固定连接有磁棒管件13，该磁棒管件13位于靶筒9内。每个磁棒管件13内部均安装有提供溅射用磁场的磁铁14以及冷却水通道15。

大齿轮5的一侧设置有第二置物槽16，第二置物槽16内固定连接有待镀膜工件17，该工件与大齿轮5为同轴心设置。该工件可为X80管线、也可为任意需要周向高熵合金镀膜的圆状物品。

由于待镀膜工件17与大齿轮5固定连接且同轴心设置，使得大齿轮5转动时可同步带动待镀膜工件17进行同步转动。同时，由于靶筒9的一端与小齿轮6是固定连接的，在驱动电机3作用下，每个靶筒9均跟随其相连接的小齿轮6发生自转、以及饶大齿轮5的轴心处公转。但是，每个靶筒9内的磁棒管件13却是与转动盘4固定连接的，使得每个磁棒管件13均只有一个运动方式，即饶大齿轮5轴心处转动。如图9所示的磁场，在工作时，磁场始终约束溅射用的氩离子轰击靶筒9的溅射表面处，将溅射表面的原子撞击出来，沉积在待镀膜工件17表面而形成薄膜。

需特别说明的是：在实际使用中，靶筒9与磁棒管件13是进行相对转动的，可理解成磁棒管件13不动，而靶筒9进行转动。使得磁棒管件13所提供溅射用的磁场是处于相对恒定状态，而靶筒9转动带动其溅射靶材10进行转动，使得磁场约束溅射用的氩离子轰击溅射靶材10表面时，转动的溅射靶材10可更均衡的被消耗，使得靶面刻蚀区域不会越来越窄，避免靶材快速刻蚀“穿透”，提高靶材的利用率。

同时，由于待镀膜工件17本身发生自转，且六个不同的靶筒9饶其发生公转。此外，待镀膜工件17的转动方向，与六个靶筒9的转动方向相反。因而在对待镀膜工件17进行多靶共溅射作业时，靶筒9环绕待镀膜工件17一周所需的时间，较待镀膜工件17不动而靶筒9转动所需的时间大大减少，进而有利于提高溅射在待镀膜工件17上的高熵合金薄膜的均匀性。在上述过程中，通过一个驱动电机3即可实现对整个转动过程的控制，因而有利于实现对薄膜厚度进行控制。

进一步的，磁铁14包括三个永久磁铁14，位于中间的永久磁铁14与其两边的永久磁铁14极性相反安装。三个永久磁铁14的一侧距离溅射靶材10表面的距离相等，使得溅射靶材10表面的磁场强度是均匀的。

进一步的，冷却通道沿磁棒管件13的长度方向延伸，包括进水口18、进水通道19、出水通道20以及出水口21，磁棒管件13与靶筒9之间设置有间隙22。进水通道19和出水通道20沿磁棒管件13长度方向等间距排布，进水通道19与出水通道20对称分布于磁棒管件13的两端。每个进水通道19的一端与进水口18相连接，另一端与间隙22相连通。每个出水通道20的一端与出水口21相连接，另一端与间隙22相连通。冷却水从磁棒管件13内部的一端进入进水口18，并由进水通道19导入至间隙22内，待冷却水环绕间隙22一周后可由出水通道20进入出水口21处进行排出。

由于在溅射工艺过程中，大部分能量转变成热量，因此靶筒9在溅射过程中温度会升高。而一旦温度过高，则会造成靶筒9熔化。而通过本申请所述的冷却通道，冷却水充斥于间隙22内，以充分对靶筒9进行降温，冷却效果均匀。

而在上述冷却水流动过程中，由于靶筒9与磁棒管件13在工作时是相对转动的。由于间隙22的截面积小于入水通道的截面积，根据体积流量公式：体积流量(Q)＝平均流速(v)×管道截面积(A)；可计算出：冷却水进入间隙22后的流速会变大。而当进入间隙22后的冷却水流速大于靶筒9的转动速度时，使得两者具有速度差V，该速度差V代表着V＝Δx/Δt，即单位时间下，靶筒9内壁所接触的冷却水位移，若速度差V越大，则单位时间条件下，靶筒9内壁所接触的冷却水面积将越大，即冷却效果更佳，更均衡。

进一步的，每个靶筒9的一端套设有用以封堵间隙22的套盖23，套盖23与靶筒9之间过盈配合。通过设置套盖23，以避免流入间隙22的冷却水外泄，使其按预定流道进行流动。

进一步的，转动盘4的一侧贯穿设置有分别与进水口18、出水口21相连通的入水口24和过水口25，入水口24的个数为六个且分别对应于六个磁棒管件13上的进水口18，过水口25的个数为六个且分别对应于六个磁棒管件13上的出水口21。在实际使用时，六个入水口24可连通有同一个进水管(附图未标出)以同步实现供水操作，六个过水口25可连通有同一个出水管(附图未标出)以同步实现出水操作。

进一步的，壳体2的一侧转动连接有密封门26，密封门26在与壳体2密封配合所形成的工作腔室1是一个封闭的空间，壳体2的侧壁上设置有进气口27和抽气口28，抽气口28连接有真空泵(附图未标出)。进气口27用于氩气以及反应气体如氮气或氧气的进入。

进一步的，密封门26上设置有便于手部持握的把手29。

进一步的，磁铁14的两端均设置有密封件30，密封件30的一端抵触于靶筒9的内壁。通过密封件30的作用，使得间隙22内的冷却水不会与磁铁14相接触。

进一步的，进水管与出水管均与壳体2相套接，壳体2分别与进水管、出水管之间均设置有密封圈(附图未示出)。

本实施例的磁控溅射装置还包括多个靶电源，多个靶电源与多个靶筒9一一电连接，每个靶电源还与待镀膜工件17电连接。靶电源可以是直流电源、射频电源或直流脉冲电源。若所制得的高熵合金涂层达到一定厚度时(至少3mm)，则可直接作为高熵合金靶材进行使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种高熵合金靶材制备装置，其特征是：包括具有工作腔室(1)的壳体(2)，所述壳体(2)的一侧设置有驱动电机(3)，所述驱动电机(3)的输出轴穿入工作腔室(1)内固定连接有转动盘(4)，所述转动盘(4)的一侧转动连接有大齿轮(5)，所述大齿轮(5)与转动盘(4)同轴心设置，所述大齿轮(5)的外周等间距啮合有六个小齿轮(6)，每个所述小齿轮(6)的轴心处均与转动盘(4)转动连接，六个所述小齿轮(6)所远离大齿轮(5)的一侧均啮合有同一个齿圈(7)，所述齿圈(7)与壳体(2)内壁固定连接；

每个所述小齿轮(6)的一侧均设置第一置物槽(8)，六个所述第一置物槽(8)均内置有靶筒(9)，每个所述靶筒(9)的一端均与第一置物槽(8)的底壁固定连接，每个所述靶筒(9)均包括溅射靶材(10)和靶材内筒(11)，所述溅射靶材(10)均匀的覆盖在靶材内筒(11)上，六个所述靶筒(9)上的溅射靶材(10)为不同材质制成；

每个所述小齿轮(6)的一侧均穿设有固定杆(12)，每个所述固定杆(12)的一端与转动盘(4)固定连接，每个所述固定杆(12)的另一端固定连接有磁棒管件(13)，所述磁棒管件(13)位于靶筒(9)内，每个所述磁棒管件(13)内部均安装有提供溅射用磁场的磁铁(14)以及冷却水通道(15)，所述大齿轮(5)的一侧设置有第二置物槽(16)，所述第二置物槽(16)内固定连接有待镀膜工件(17)，所述待镀膜工件(17)与大齿轮(5)为同轴心设置。

2.根据权利要求1所述的一种高熵合金靶材制备装置，其特征是：所述磁铁(14)包括三个永久磁铁，位于中间的所述永久磁铁与其两边的永久磁铁极性相反安装，三个所述永久磁铁的一侧距离溅射靶材(10)表面的距离相等。

3.根据权利要求2所述的一种高熵合金靶材制备装置，其特征是：所述冷却水通道(15)沿磁棒管件(13)的长度方向延伸，包括进水口(18)、进水通道(19)、出水通道(20)以及出水口(21)，所述磁棒管件(13)与靶筒(9)之间设置有间隙(22)，所述进水通道(19)和出水通道(20)沿磁棒管件(13)长度方向等间距排布，所述进水通道(19)与出水通道(20)对称分布于磁棒管件(13)的两端，每个所述进水通道(19)的一端与进水口(18)相连接，每个所述进水通道(19)的另一端与间隙(22)相连通，每个所述出水通道(20)的一端与出水口(21)相连接，每个所述出水通道(20)的另一端与间隙(22)相连通；所述冷却水从磁棒管件(13)内部的一端进入进水口(18)，并由所述进水通道(19)导入至间隙(22)内，待冷却水环绕所述间隙(22)一周后可由出水通道(20)进入出水口(21)处进行排出。

4.根据权利要求3所述的一种高熵合金靶材制备装置，其特征是：每个所述靶筒(9)的一端套设有用以封堵间隙(22)的套盖(23)，所述套盖(23)与靶筒(9)之间过盈配合。

5.根据权利要求4所述的一种高熵合金靶材制备装置，其特征是：所述转动盘(4)的一侧贯穿设置有分别与进水口(18)、出水口(21)相连通的入水口(24)和过水口(25)，所述入水口(24)的个数为六个且分别对应于六个磁棒管件(13)上的进水口(18)，所述过水口(25)的个数为六个且分别对应于六个磁棒管件(13)上的出水口(21)。

6.根据权利要求5所述的一种高熵合金靶材制备装置，其特征是：当进入所述间隙(22)后的冷却水流速大于靶筒(9)的转动速度时，使得两者具有速度差；若速度差越大，则单位时间条件下，所述靶筒(9)内壁所接触的冷却水面积将越大。

7.根据权利要求6所述的一种高熵合金靶材制备装置，其特征是：所述壳体(2)的一侧转动连接有密封门(26)，所述密封门(26)在与壳体(2)密封配合所形成的工作腔室(1)是一个封闭的空间，所述壳体(2)的侧壁上设置有进气口(27)和抽气口(28)，所述抽气口(28)连接有真空泵，所述进气口(27)用于氩气以及反应气体的进入。

8.根据权利要求7所述的一种高熵合金靶材制备装置，其特征是：所述密封门(26)上设置有便于手部持握的把手(29)。

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