CN114411099A - 一种真空镀膜系统及镀膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种等离子体真空镀膜系统和镀膜方法，包括涂层机及阴极装置，涂层机提供阳极，阴极装置包括靶台、靶材、空腔辅助阳极、第一脉冲电源、直流弧电源、第二脉冲电源和双极脉冲等离子体震荡器，靶材外侧设有通道，第一脉冲电源的正极与空腔辅助阳极电连接，第一脉冲电源的负极与靶材电连接，直流弧电源的正极电连接阳极，直流弧电源的负极与靶材电连接，第二脉冲电源的正极电连接阳极，第二脉冲电源的负极与工件电连接形成阴极，双极脉冲等离子体震荡器可横向产生振荡型等离子体。本发明能够实现弧光等离子体的横向和纵向的立体轰击，提高离化效率，避免产生液滴，沉积为无液滴的高硬、高致密涂层。

Description

一种真空镀膜系统及镀膜方法
技术领域
本发明涉及真空镀膜技术领域，更具体的涉及一种真空镀膜系统及镀膜方法。
背景技术
电弧离子体镀膜技术是PVD技术的一种，是指在PVD沉积过程中，被镀材料形成金属或者非金属等离子体，等离子体在偏压电场的作用下沉积在工件表面上，具有低温、能量强、离化率高、离子绕射性好，膜层附着力强，膜层致密、可镀材料广泛等优点，应用范围十分广阔，展示出很大的经济效益和工业应用前景。
弧源是电弧等离子体放电的源头，一般地，采用机械引弧，通过引弧针与阴极靶材短接产生电弧放电，在表面产生弧斑，电流密度高达106-108A/cm2，在这种大电流作用下，产生大量的焦耳热，使阴极材料闪蒸，产生大量电子、离子及中性原子，但引弧瞬间和稳定烧蚀过程中，都会产生大的熔滴，这些中性粒子和熔滴与离子电子一同飞向工件基材，导致涂层缺陷增加、致密性光滑度不足及涂层寿命下降。因此，解决等离子体镀膜中的大液滴问题，提高粒子离化率，是真空等离子体镀膜技术长期研究的课题。
为提高沉积粒子的离化率，解决涂层液滴问题，一些研究采用磁场过滤结构或方式，如S弯管磁过滤，L型弯管，多级磁线圈等，将不带电的粒子筛选出去，这些方式大大降低或彻底解决了液滴达到工件的问题，但是沉积效率低、均匀性差异大、原材料浪费导致成本高、无法满足大批量生产需求。
因此，有必要提供一种真空镀膜系统及镀膜方法以解决上述现有技术的不足。
发明内容
为了克服现有技术缺陷，本发明提供了一种等离子体真空镀膜系统及镀膜方法，实现弧光等离子体的横向和纵向的立体轰击，能实现无液滴、离化率高、安全性好，且实现大面积、均匀、稳定涂层生产。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种等离子体真空镀膜系统，包括涂层机及安装在所述涂层机的阴极装置，涂层机提供阳极，阴极装置包括靶台、靶材、空腔辅助阳极、第一脉冲电源、直流弧电源、第二脉冲电源和双极脉冲等离子体震荡器，所述靶材设于所述靶台表面，所述靶材外侧设有通道，所述空腔辅助阳极设于所述通道中，所述第一脉冲电源的正极与所述空腔辅助阳极电连接，所述第一脉冲电源的负极与所述靶材电连接，在所述第一脉冲电源的作用下，所述空腔辅助阳极产生等离子体，所述直流弧电源的正极电连接所述阳极，所述直流弧电源的负极与所述靶材电连接，所述第二脉冲电源的正极电连接所述阳极，所述第二脉冲电源的负极与工件电连接形成阴极，所述双极脉冲等离子体震荡器位于靶材与工件之间，所述双极脉冲等离子体震荡器可横向产生振荡型等离子体。
与现有技术相比，本发明的等离子体真空镀膜系统既能实现对工件进行刻蚀、清洁，又能对工件进行沉积镀膜。刻蚀、清洁过程如下：先启动第一脉冲电源，在脉冲电压电场作用下，空腔辅助阳极变成等离子体发生器，腔内形成辉光区交叠，使的大量流动的气体被击穿电离，从而产生辉光等离子体束流(简称第一等离子体)，再启动双极脉冲等离子体震荡器产生振荡型等离子体，实现第一等离子体的横向轰击，增加整个空间的离化，再启动第二脉冲电源使等离子体向脉冲负极(即工件)运动进行刻蚀、清洁。镀膜沉积过程如下：先启动直流弧电源在靶材表面起弧，产生第二等离子体，再启动第一脉冲电源产生辉光等离子体束流(简称第一等离子体)，由于空腔辅助阳极设于通道中，第一等离子体中离子和电子(比如工作气体为氩气，Ar+和e)分别向靶材方向运行，大量的等离子体粒子尤其是离子(Ar+)朝第二等离子体高速运行，其中，第一等离子体与第二等离子体发生大量的撞击，使得电弧液滴逐步击碎成更小的粒子或等离子体，以实现无液滴。尤其是，双极脉冲等离子体震荡器产生振荡型等离子体，带电粒子在双极脉冲等离子体震荡器的电极性变化下，形成往复的迁移运动，靶材上产生的第二等离子体高速喷射进入双极脉冲等离子体震荡器，受到往复迁移的带电粒子的轰击，随即发生大量撞击，使得等离子体离化率进一步提高。同时，在第二脉冲电源的负压吸引和牵引下，高度离化、高密度的等离子体朝工件(阴极)高速运动，运动过程中出现大量的碰撞，使得离化率提升，在工件上形成无液滴的高硬、高致密涂层。
另一方面，本发明还提供一种等离子体真空镀膜方法，采用上述等离子体真空镀膜系统实现，其步骤包括：
(1)将阴极装置安装在涂层机上，抽真空后往通道内送入工作气体；
(2)开启直流弧电源，使得靶材表面起弧，产生第二等离子体；
(3)开启第一脉冲电源，空腔辅助阳极产生第一等离子体，开启双极脉冲等离子体震荡器产生振荡型等离子体，在第二脉冲电源的作用下，高度离化的等离子体朝工件运动，在工件上沉积形成第一涂层。
本发明的有益效果有：
(1)本发明的等离子体真空镀膜系统既能对工件进行刻蚀、清洁，又能够实现对工件进行沉积涂层，且可降低成本。
(2)空腔辅助阳极形成等离子体发生器后，辉光等离子体由空腔朝两侧的第一贯穿孔和第二贯穿孔喷射出来形成伞状辉光等离子体，有利于增强粒子轰击，提高等离子体密度，获得高质量涂层；
(3)空腔辅助阳极形成的伞状辉光等离子体，由于空腔的正电位而带正电，有利于弧斑束缚在靶材内烧蚀，减少灭弧和元器件的损坏，提高安全性。
(4)通过控制工作气体种类，可以实现纯金属膜、金属氮化膜和DLC膜等单层或多层复合薄膜，特别是提供CH4的离化，获得高硬度的DLC涂层。
附图说明
图1为本发明等离子体真空镀膜系统的结构示意图。
图2为图1所示等离子体真空镀膜系统产生等离子体的结构示意图。
图3为图1所示等离子体真空镀膜系统中双极脉冲等离子体震荡器的结构示意图。
图4为图1所示等离子体真空镀膜系统中空腔辅助阳极的结构示意图。
图5为图4所示空腔辅助阳极另一实施例的结构示意图。
符号说明
靶台10，通道11，靶材20，限位环30，空腔辅助阳极40，管道本体41，贯穿部42，管孔421，槽孔422，第一等离子体47，第一脉冲电源50，直流弧电源60，第二等离子体61，第二脉冲电源70，绝缘环80，双极脉冲等离子体震荡器90，震荡器正极91，震荡器负极93，双极脉冲电源95，陶瓷屏蔽环97，振荡型等离子体99，工件200，阳极300。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明内容，而不是限制本发明的权利要求的保护范围。
请参考图1-图2，一种等离子体真空镀膜系统，包括涂层机及安装在涂层机的阴极装置，涂层机提供阳极300，阴极装置包括靶台10、靶材20、限位环30、空腔辅助阳极40、第一脉冲电源50、直流弧电源60、第二脉冲电源70、绝缘环80和双极脉冲等离子体震荡器90，靶材20设于靶台10表面，限位环30围绕靶材20设置且与靶材20之间设有通道11，空腔辅助阳极40设于通道11中，靶材20对应空腔辅助阳极40的一侧设置绝缘环80，第一脉冲电源50的正极与空腔辅助阳极40电连接，第一脉冲电源50的负极与靶材20电连接，在第一脉冲电源50的作用下，空腔辅助阳极40产生等离子体，直流弧电源60的正极电连接阳极，直流弧电源60的负极与靶材20电连接，第二脉冲电源70的正极电连接阳极，第二脉冲电源70的负极与工件200电连接形成阴极，双极脉冲等离子体震荡器90位于靶材20与工件200之间，双极脉冲等离子体震荡器90可横向产生振荡型等离子体99。
优选地，涂层机提供阴极装置进行涂膜的真空腔室，工件200位于该真空腔室内，涂层机提供阴极装置连接的阳极300，如可以采用真空腔室的腔壁作为阳极300，但不限于此。具体地，阴极装置中直流弧电源60的正极电连接真空腔室的腔壁以形成阳极300，阴极装置中第二脉冲电源70的正极电连接真空腔室的腔壁以形成阳极300。需要说明的是，涂层机是本领域常用的设备，本领域技术人员知晓如何将阴极装置安装在涂层机中，在此不再阐述涂层机的相关内容。此外，在图1中仅展示出工件200的示意图，但不妨碍工件200可以通过治具安装在涂层机的真空腔室内，较佳地，治具能够带动工件200转动。
请参考图1-图2，在本发明的等离子体真空镀膜系统中，既能实现对工件200进行刻蚀、清洁，又能对工件200进行沉积镀膜。刻蚀、清洁过程如下：先启动第一脉冲电源50，在脉冲电压电场作用下，空腔辅助阳极40变成等离子体发生器，腔内形成辉光区交叠，使的大量流动的气体被击穿电离，从而产生辉光等离子体束流(简称第一等离子体47)，再启动双极脉冲等离子体震荡器90产生振荡型等离子体99，实现第一等离子体47的横向轰击，增加整个空间的离化，再启动第二脉冲电源70使等离子体向脉冲负极(即工件200)运动进行刻蚀、清洁。镀膜沉积过程如下：先启动直流弧电源60在靶材20表面起弧，产生第二等离子体61，再启动第一脉冲电源50产生辉光等离子体束流(简称第一等离子体47)，由于空腔辅助阳极40设于通道11中，第一等离子体47中离子和电子(如Ar+和e)分别向靶材20方向运行，大量的等离子体粒子尤其是离子(Ar+)朝第二等离子体61高速运行，其中，第一等离子体47与第二等离子体61发生大量的撞击，使得电弧液滴逐步击碎成更小的粒子或等离子体，以实现无液滴。尤其是，双极脉冲等离子体震荡器90产生振荡型等离子体99，带电粒子在双极脉冲等离子体震荡器90的电极性变化下，形成往复的迁移运动，靶材20上产生的第二等离子体61高速喷射进入双极脉冲等离子体震荡器90，受到往复迁移的带电粒子的轰击，随即发生大量撞击，使得等离子体离化率进一步提高。同时，在第二脉冲电源70的负压吸引和牵引下，高度离化、高密度的等离子体朝工件200(阴极)高速运动，运动过程中出现大量的碰撞，使得离化率提升，在工件200上形成无液滴的高硬、高致密涂层。
请参考图3，双极脉冲等离子体震荡器90包括震荡器正极91、震荡器负极93和双极脉冲电源95，双极脉冲电源95的正极电连接震荡器正极91，双极脉冲电源95的负极电连接震荡器负极93，双极脉冲等离子体震荡器90可对空腔辅助阳极40和靶材20产生等离子体进行轰击。启动双极脉冲电源95后，带电粒子在震荡器正极91和震荡器负极93之间往复、高速迁移。当第一等离子体47对第二等离子体61进行纵向的粒子轰击后，离化后的等离子体进入到双极脉冲等离子体震荡器90产生的粒子区域，被该区域的振荡型等离子体99再一次进行横向的粒子轰击，进一步击碎成更小的粒子或等离子体，提高离化效率，实现等离子体高度离化，从而避免液滴出现，实现均匀、稳定的涂层生产。优选地，震荡器正极91和震荡器负极93分别位于限位环30上方两侧，当然，双极脉冲等离子体震荡器90的位置不限于上述说明，只要能够对第一等离子体47和第二等离子体61产生横向的粒子轰击即可。进一步，双极脉冲等离子体震荡器90还包括陶瓷屏蔽环97，陶瓷屏蔽环97与震荡器正极91、震荡器负极93配合使用，以保护震荡器正极91、震荡器负极93。陶瓷屏蔽环97起到粒子轰击的保护作用，防止震荡器正极91、震荡器负极93及电源受到其他等离子体的电流干扰。
请参考图4-图5，空腔辅助阳极40包括管道本体41，管道本体41具有空腔且呈环形结构，管道本体41开设有贯穿部42。工作气体进入通道90后经贯穿部42流入空腔内，在脉冲电压作用下，在空腔内产生第二等离子体47，随后第二等离子体47由空腔朝两侧的贯穿部42喷射出来形成伞状辉光等离子体，有利于增强粒子轰击，提高等离子体密度，获得高质量涂层。优选地，管道本体41上开设若干管孔421形成贯穿部42(如图4所示)，此时管孔421的形状可为但不限于三角形、圆形及四边形；当然还可是在管道本体41上开设槽孔422形成贯穿部(如图5所示)，此时，槽孔422可为但不限于条状。进一步，管道本体41的外径直径为110-220mm，管径为10-60mm，孔数为20-100，但不以此为限。
本发明还提供一种等离子体真空镀膜方法，采用该等离子体真空镀膜系统实现，其步骤包括：
(1)将阴极装置安装在涂层机上，抽真空后往通道11内送入工作气体。优选地，阴极装置中靶材20采用金属靶材20，选自Cr、Ti、TiSi、AlCr、AlCrSi中的一种。优选地，抽真空至5-10mPa。优选地，工作气体选自Ar、N2、CH4中的一种。通入工作气体后使得真空气压保持在0.2-20Pa。需要说明的是，通过调整工作气体种类，可以实现纯金属膜、金属氮化膜和DLC膜等单层或多层复合薄膜的制备。
(2)开启第一脉冲电源50，在脉冲偏压的电场作用下，空腔辅助阳极40产生第一等离子体47，开启双极脉冲等离子体震荡器90产生振荡型等离子体99，开启第二脉冲电源70，促使第一等离子体47向工件200方向运动，对工件200进行清洗和蚀刻，完成清洗和蚀刻之后关闭第一脉冲电源50和双极脉冲等离子体震荡器90。优选地，第一脉冲电源50的占空比为30-80％；第二脉冲电源70的占空比为30-80％；第一脉冲电源50的电压为400-1000V。优选地，双极脉冲等离子体震荡器90的电压为600-1200V，占空比为30-80％。
(3)开启直流弧电源60，使得靶材20表面起弧，产生第二等离子体61。优选地，直流弧电源60的电流为100-250A。
(4)开启第一脉冲电源50，空腔辅助阳极40产生第一等离子体47，开启双极脉冲等离子体震荡器90产生振荡型等离子体99，在第二脉冲电源70的作用下，高度离化的等离子体朝工件200运动，在工件200上沉积形成第一涂层。优选地，开启第一脉冲电源50，控制空腔辅助阳极40的输出电压为300V，第一脉冲电源50的占空比为30-50％；当稳定后，调节空腔辅助阳极40的输出电压为900V，调节第一脉冲电源50的占空比为50-80％；实现空腔辅助阳极40持续产生第一等离子体47，时间控制在10-90min。
(5)改变工作气体的种类，在工件200上沉积形成第二涂层。
下面通过具体实施例来进一步阐述本发明，但不以此为限。
一种等离子体真空镀膜方法，其步骤包括：
(1)将阴极装置中采用Cr靶材20，然后将阴极装置安装在涂层机上；
(2)开启真空泵组抽真空至5mPa，无需加热；
(3)往通道11内送入工作气体Ar，使得真空气压保持在1Pa；
(4)开启第一脉冲电源50，控制开关和设定值为600V，在脉冲偏压的电场作用下，空腔辅助阳极40产生第一等离子体47；开启双极脉冲电源95，控制电压为800V，占空比为40％，产生横向、稳定的振荡型等离子体99，增加整个空间粒子的离化；开启第二脉冲电源70，设定输出电压为600V，占空比为70％，促使第一等离子体47向工件200(阴极)方向运动，对工件200进行清洗和蚀刻，时间为30min；
(5)完成清洗和蚀刻之后关闭第一脉冲电源50和双极脉冲电源95，开启直流弧电源60，控制电流为80A，使得靶材20表面起弧，产生第二等离子体61，且电源输出电流稳定，弧光稳定输出；
(6)开启第一脉冲电源50，控制其输出电压为300V，占空比为50％，使得空腔辅助阳极40在第二等离子体61的下方快速起辉，当企稳后，调节空腔辅助阳极40的输出电压为900V，占空比为80％，实现第一等离子体47对第二等离子体61的稳定轰击，将阴极产生的Cr粒子体进一步离化；
(7)调节第二脉冲电源70的电压200V，占空比60％，实现Cr离子的沉积；
(8)调整工作气体为CH4，使得真空气压保持在2.5Pa，控制双极脉冲电源95的电源为矩形波，电压为1000V，占空比50％，经离化后的等离子体在工件200上沉积C涂层，时间控制在40min。
以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种等离子体真空镀膜系统，包括涂层机及安装在所述涂层机的阴极装置，所述涂层机提供阳极，其特征在于，所述阴极装置包括靶台、靶材、空腔辅助阳极、第一脉冲电源、直流弧电源、第二脉冲电源、双极脉冲等离子体震荡器，所述靶材设于所述靶台表面，所述靶材外侧设有通道，所述空腔辅助阳极设于所述通道中，所述第一脉冲电源的正极与所述空腔辅助阳极电连接，所述第一脉冲电源的负极与所述靶材电连接，在所述第一脉冲电源的作用下，所述空腔辅助阳极产生等离子体，所述直流弧电源的正极电连接所述阳极，所述直流弧电源的负极与所述靶材电连接，所述第二脉冲电源的正极电连接所述阳极，所述第二脉冲电源的负极与工件电连接形成阴极，所述双极脉冲等离子体震荡器位于所述靶材与所述工件之间，所述双极脉冲等离子体震荡器可横向产生振荡型等离子体。
2.如权利要求1所述的等离子体真空镀膜系统，其特征在于，所述双极脉冲等离子体震荡器包括震荡器正极、震荡器负极和双极脉冲电源，所述双极脉冲电源的正极电连接所述震荡器正极，所述双极脉冲电源的负极电连接所述震荡器负极，所述双极脉冲等离子体震荡器可对所述空腔辅助阳极和所述靶材产生等离子体进行轰击。
3.如权利要求2所述的等离子体真空镀膜系统，其特征在于，所述双极脉冲等离子体震荡器还包括陶瓷屏蔽环，所述陶瓷屏蔽环与所述震荡器正极、所述震荡器负极配合使用，以保护所述震荡器正极和所述震荡器负极。
4.如权利要求1所述的等离子体真空镀膜系统，其特征在于，还包括限位环，所述限位环围绕所述靶材设置且与所述靶材之间设有通道。
5.如权利要求1所述的等离子体真空镀膜系统，其特征在于，还包括绝缘环，所述靶材对应所述空腔辅助阳极的一侧设置所述绝缘环。
6.如权利要求1所述的等离子体真空镀膜系统，其特征在于，所述空腔辅助阳极包括管道本体，所述管道本体具有空腔且呈环形结构，所述管道本体开设有贯穿部。
7.如权利要求6所述的等离子体真空镀膜系统，其特征在于，所述管道本体上开设若干管孔形成所述贯穿部；
或所述管道本体上开设槽孔形成所述贯穿部。
8.一种等离子体真空镀膜方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的等离子体真空镀膜系统实现，其步骤包括：
(1)将所述阴极装置安装在所述涂层机上，抽真空后往通道内送入工作气体；
(2)开启所述直流弧电源，使得所述靶材表面起弧，产生第二等离子体；
(3)开启所述第一脉冲电源，所述空腔辅助阳极产生第一等离子体，开启所述双极脉冲等离子体震荡器产生振荡型等离子体，在所述第二脉冲电源的作用下，高度离化的等离子体朝所述工件运动，在所述工件上沉积形成第一涂层。
9.如权利要求8所述的等离子体真空镀膜方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)之间还包括步骤：
开启所述第一脉冲电源，在脉冲偏压的电场作用下，所述空腔辅助阳极产生第一等离子体，开启所述双极脉冲等离子体震荡器产生振荡型等离子体，开启所述第二脉冲电源，促使第一等离子体向所述工件方向运动，对所述工件进行清洗和蚀刻，完成清洗和蚀刻之后关闭所述第一脉冲电源和所述双极脉冲等离子体震荡器。
10.如权利要求8所述的等离子体真空镀膜方法，其特征在于，还包括步骤(4)：改变所述工作气体的种类，在所述工件上沉积形成第二涂层。
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