CN111575654B - 一种超声振动辅助真空微蒸发镀设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声振动辅助真空微蒸发镀设备，属于蒸镀设备技术领域，该设备包括加热室以及上方的真空箱盖，其与加热室的基底之间至上而下依次设置有微沉积坩埚，所述的微沉积坩埚下方设置有汇流板；所述的微沉积坩埚周围设置有石墨加热电极，所述的石墨加热电极利用软母排与汇流板连接；所述的汇流板内部设置有超声振动辅助系统，所述的超声振动辅助系统包括变幅杆以及变幅杆下方设置的换能器，所述的换能器与汇流板中的电路相连接，且变幅杆位于微沉积坩埚的正下方；本发明采用石墨电极对微沉积坩埚进行直接加热，减少电、热能损耗，使镀覆过程中坩埚内部温度均匀。
Description
技术领域
本发明涉及蒸镀设备技术领域，尤其涉及一种超声振动辅助真空微蒸发镀设备。
背景技术
随着各学科之间的不断深化交叉，5G等通信技术与芯片产业的不断发展，国家对电子产品数量与质量的需求日渐提高，传统的铜基及铝基合金基热沉材料热导已逐渐不能满足需求。天然金刚石的热导率最高可达到2000W/m·K，现今的技术条件下也可以使人工制造的金刚石热导率达到1000~1500W/m·K，金刚石与铜基合成的金刚石/铜复合材料理论上可达到1000W/m·K的热导率，但由于金刚石与铜的浸润性不好，导致烧结出来的金刚石/铜复合材料中出现较多的气孔，从而使得实际金刚石/铜复合材料热导率无法达到理论值。因此需要在原材料金刚石颗粒上镀覆一层致密的，能与铜有良好的浸润性，同时又能与金刚石中的碳形成强碳化物如W，Mo，Cr，Ti等元素。
真空微蒸发镀覆属于物理气相沉积技术中的一种，是一种通过在密闭环境下的真空升高温度，使镀覆元素粉末升华并达到该镀覆元素的饱和蒸气压，在环境中镀覆元素气体浓度过饱和后凝结于金刚石颗粒上的一种镀覆方法。该镀覆方法镀覆设备简单，成本上较磁控溅射镀覆以及旋转化学镀低，镀覆步骤简便，且最终得到的金刚石颗粒镀覆层较为均匀，孔隙较少，组织生长较密，尽管现阶段的科学技术无法对生长得到的镀覆层进行精确的控制，但是仍可以通过对真空微蒸发镀覆过程中镀覆温度与镀覆时间进行改变，达到对镀覆层的厚度以及化学组成进行一定程度上的控制的目的。
超声振动是指振动频率超过20000Hz的振动，超声振动装置是利用压电材料的特性，将输入的交流电转化为压电材料本身应变变化而产生的机械能，一般的超声振动装置包含换能器与变幅杆，其中：换能器是由压电材料制作，将输入的电能转化为机械能；变幅杆则是将压电材料微小的应变变化转化为所需要的振幅，超声振动装置造价低，易安装于各种机械装置上，因此超声振动辅助技术被广泛应用于包括如车削、铣削、磨削类的机械加工，加工后处理，粉末筛选以及材料成型等多个领域。
而在金刚石微粉颗粒真空微蒸发镀覆过程中，由于镀覆的金属元素是以粉末形式参与蒸镀过程，因此镀覆温度过高会引起金属粉末结块；镀覆的过程中由于各部分的热量传递不均匀以及混合粉末表面与内部之间的气体流通速率不同会导致镀覆不均匀、生成的碳化物层不均匀、镀覆表面不够致密等问题，影响镀覆层与金刚石表面的结合性能，因此需要研制一种能适用于真空微蒸发镀覆且能使镀覆层均匀的设备。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的真空微蒸发镀过程中金刚石颗粒表面镀覆不均匀，生成碳化物层不均匀的问题，在此提供一种超声振动辅助真空微蒸发镀覆设备，本发明的真空微蒸发镀设备包括加热系统，以及用于冷却加热室的冷却系统、超声振动辅助装置以及为加热室提供真空条件的气压系统，解决了现有技术中存在的缺陷。
本发明是这样实现的：
一种超声振动辅助真空微蒸发镀设备，所述的设备包括加热室，所述的加热室包括真空箱盖，所述的真空箱盖与加热室的基底之间至上而下依次设置有微沉积坩埚，所述的微沉积坩埚下方设置有汇流板；所述的微沉积坩埚周围设置有石墨加热电极，石墨加热电极环绕于微沉积坩埚，使微沉积坩埚内部均匀受热。所述的石墨加热电极利用软母排与汇流板连接，接入电流中。本发明利用汇流板对整个设备中电流、液流及气流进行汇合与编排。
所述的汇流板内部设置有超声振动辅助系统，所述的超声振动辅助系统包括变幅杆以及变幅杆下方设置的换能器，所述的换能器与汇流板中的电路相连接，且超声振动辅助系统中的变幅杆位于微沉积坩埚的正下方。变幅杆正上方即为微沉积坩埚，目的是便于将转换振幅后的超声振动直接传递到微沉积坩埚上。
进一步，所述的真空箱盖与加热室基底之间通过第一密封圈密封。真空箱盖覆盖在整个加热室上，同时用密封圈将其与基底密封，用于封闭整个加热室，杜绝加热室与外界的热量交换，同时也保障了真空环境。
进一步，所述的微沉积坩埚、汇流板之间设置有绝缘绝热板。汇流板与微沉积坩埚之间设置的一层绝缘绝热板，以防止加热过程中微沉积坩埚底部过高温度对汇流板工作产生影响。
进一步，所述的超声振动辅助系统与汇流板之间通过设置第二密封圈隔开。为了防止振动直接影响到整个设备的稳定性，因此将超声振动辅助系统与汇流板之间由第二密封圈隔开。
进一步，所述的微沉积坩埚与石墨加热电极之间为过盈配合，且在微沉积坩埚上设置有导轨，利用导轨限制微沉积坩埚相对于石墨加热电极的转动。
进一步，所述的汇流板中包含电路、冷却液导管与气导管。所述的汇流板是电源、真空泵与气罐、液冷源中的电、气、液流汇合的部分，用于整合电、液、气流，使各部分能够正常工作同时又不互相影响的部分。所述的电路连接石墨加热电极以及换能器；所述的汇流板利用冷却液导管在加热室外连接冷却系统；所述的汇流板利用气导管在加热室外连接气压系统。
进一步，所述的冷却系统包含液冷源，液冷源位于加热室的真空箱之外，冷却液由导管从液冷源输送至汇流板；所述的气压系统包含真空泵与气罐，真空泵与气罐也位于加热室的真空箱之外，由导管将真空泵、气罐与真空箱内部的空气环境相连。在加热过程开始之前，利用真空泵将真空箱盖内的气体抽出，形成真空环境；在冷却过程结束之后，利用气罐向真空环境通入气体使内部气压与外部相同；气罐中可以储存不同的气体以对应镀覆环境的需要。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明在原有真空微蒸发镀技术基础上引进了超声振动辅助技术，不仅保留了真空微蒸发镀覆的基本功能，同时也能实现蒸发镀过程中对混合粉末的控制；本发明采用石墨电极对微沉积坩埚进行直接加热，减少电、热能损耗，使镀覆过程中坩埚内部温度均匀。
常用的真空微蒸发镀设备如管式炉等由于其结构原因，只能将坩埚放入管中，藉由对真空管加热来对坩埚及其中的粉末进行加热，在此真空微蒸发镀覆过程中，混合粉末中各粉末颗粒的相对位置并没有发生变化，也就导致了蒸发镀过程中不同位置的金刚石颗粒所镀覆到的金属元素量不尽相同且分布不均，因此导致了在混合粉末底层的金刚石颗粒表面在蒸发镀过程中与碳的反应不充分，未形成强碳化物，而导致表层易于脱落；管式炉中的间接加热也导致真空室中温度分布不均匀，混合粉末上下温度分布不均，影响镀覆结果。
本发明藉由超声振动辅助装置将混合粉末进行间断式振动，加大颗粒之间的相对位置变化，使每个颗粒都能有相同的概率能镀覆到一定量的金属元素，并且相比管式炉的真空微蒸发镀设备所达到的效果相比更为均匀，达到改善镀覆表面质量的目的；本发明通过石墨电极直接对微沉积坩埚进行加热，减少了电能损耗，增加了温度控制的精度，同时也保证了坩埚内部受热均匀，使得镀覆过程中碳化物种类大大减少，可大幅善镀覆后镀层的表面质量。
附图说明
图1 为本发明超声振动辅助真空微蒸发镀设备示意图；
图2 为本发明超声振动辅助真空微蒸发镀设备加热室的正视图；
图3 为本发明超声振动辅助真空微蒸发镀设备加热室的俯视图；
其中，1-加热室，101-真空箱盖，102-石墨加热电极，103-软母排，104-绝缘绝热板，105-汇流板，106-第一密封圈，107-换能器，108-第二密封圈，109-变幅杆，110-微沉积坩埚。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2~图3所示，所述加热室1中包含真空箱盖101，可拆卸的微沉积坩埚110，用于加热微沉积坩埚的石墨加热电极102，以及对整个设备中电流、液流及气流进行汇合与编排的汇流板105，绝缘绝热板104。
在真空微蒸发镀工艺进行时，微沉积坩埚110位于所述汇流板105的上方，汇流板与微沉积坩埚之间有一层绝缘绝热板104，以防止加热过程中微沉积坩埚底部过高温度对汇流板105工作产生影响；石墨加热电极102由软母排103与汇流板105连接，接入主电路中，并可通过主电源对加热温度以及保温时间进行设定；同时石墨加热电极102环绕于微沉积坩埚110，使得微沉积坩埚110内部均匀受热；微沉积坩埚110与石墨加热电极102之间为过盈配合，且在微沉积坩埚110上设计有一导轨以限制微沉积坩埚110相对于石墨加热电极102的转动；所述的真空箱盖101覆盖在整个加热室1上，同时用密封圈106将其与基底密封，用于封闭整个加热室1，杜绝加热室1与外界的热量交换，同时也保障了真空环境；
汇流板105内部设置有超声振动辅助系统，所述超声振动辅助系统包含换能器107与变幅杆109两部分；所述超声振动辅助系统位于微沉积坩埚110正下方；换能器107与汇流板105中的电路相连接；变幅杆109正上方即为微沉积坩埚110，目的是便于将转换振幅后的超声振动直接传递到微沉积坩埚110上；超声振动辅助系统与汇流板之间由橡胶制密封圈隔开，防止振动直接影响到整个设备的稳定性，同时也将汇流板105中产生的热与换能器107隔绝开，防止其热量影响换能器107工作的精度。
如图1所示，本发明的汇流板105是电源、真空泵与气罐、液冷源中的电、气、液流汇合的部分，用于整合电、液、气流，使各部分能够正常工作同时又不互相影响的部分，汇流板105中包含电路、冷却液导管与气导管。所述的电路连接石墨加热电极102以及换能器107；所述的汇流板105利用冷却液导管在加热室1外连接冷却系统；所述的汇流板105利用气导管在加热室1外连接气压系统。冷却系统包含液冷源；液冷源位于真空箱之外，冷却液由导管从液冷源输送至汇流板，用于降低加热过程中汇流板中的温度以保障超声振动辅助系统以及其他电、气系统的正常工作；在加热结束后，冷却液对环境温度进行降低。气压系统包含真空泵与气罐；真空泵与气罐位于真空箱外，由导管将真空泵、气罐与真空箱内部的空气环境相连；在加热过程开始之前，利用真空泵将真空箱盖内的气体抽出，形成真空环境；在冷却过程结束之后，利用气罐向真空环境通入气体使内部气压与外部相同；气罐中可以储存不同的气体以对应镀覆环境的需要。
本发明在原有真空微蒸发镀技术基础上引进了超声振动辅助技术，不仅保留了真空微蒸发镀覆的基本功能，同时也能实现蒸发镀过程中对混合粉末的控制；本发明采用石墨电极对微沉积坩埚进行直接加热，减少电、热能损耗，使镀覆过程中坩埚内部温度均匀。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种超声振动辅助真空微蒸发镀设备，其特征在于，所述的设备包括加热室（1），所述的加热室（1）包真空箱盖（101），所述的真空箱盖（101）与加热室（1）的基底之间至上而下依次设置有微沉积坩埚（110），所述的微沉积坩埚（110）下方设置有汇流板（105）；所述的微沉积坩埚（110）周围设置有石墨加热电极（102），所述的石墨加热电极（102）利用软母排（103）与汇流板（105）连接，接入电流中；
所述的汇流板（105）内部设置有超声振动辅助系统，所述的超声振动辅助系统包括变幅杆（109）以及变幅杆（109）下方设置的换能器（107），所述的换能器（107）与汇流板（105）中的电路相连接，且超声振动辅助系统中的变幅杆（109）位于微沉积坩埚（110）的正下方。
2.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助真空微蒸发镀设备，其特征在于，所述的真空箱盖（101）与加热室（1）基底之间通过第一密封圈（106）密封，且所述的真空箱盖（101）为可拆卸的。
3.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助真空微蒸发镀设备，其特征在于，所述的微沉积坩埚（110）、汇流板（105）之间设置有绝缘绝热板（104）。
4.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助真空微蒸发镀设备，其特征在于，所述的超声振动辅助系统与汇流板（105）之间通过设置第二密封圈（108）隔开。
5.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助真空微蒸发镀设备，其特征在于，所述的微沉积坩埚（110）与石墨加热电极（102）之间为过盈配合，且在微沉积坩埚（110）上设置有导轨，利用导轨限制微沉积坩埚（110）相对于石墨加热电极（102）的转动。
6.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助真空微蒸发镀设备，其特征在于，所述的汇流板（105）中包含电路、冷却液导管与气导管；所述的电路连接石墨加热电极（102）以及换能器（107）；所述的汇流板（105）利用冷却液导管在加热室（1）外连接冷却系统；所述的汇流板（105）利用气导管在加热室（1）外连接气压系统。
7.根据权利要求6所述的一种超声振动辅助真空微蒸发镀设备，其特征在于，所述的冷却系统包含液冷源，液冷源位于加热室（1）的真空箱之外，冷却液由导管从液冷源输送至汇流板；所述的气压系统包含真空泵与气罐，真空泵与气罐也位于加热室（1）的真空箱之外，由导管将真空泵、气罐与真空箱内部的空气环境相连。
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