CN114411100B

CN114411100B - 电弧蒸发装置

Info

Publication number: CN114411100B
Application number: CN202210093029.3A
Authority: CN
Inventors: 朱国朝; 刘琴铭; 朱敏杰; 袁安素
Original assignee: Nashi New Materials Co ltd
Current assignee: Dongguan Hanjing Nano Materials Ltd; Nashi New Materials Co ltd
Priority date: 2022-01-26
Filing date: 2022-01-26
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2042-01-26
Also published as: CN114411100A

Abstract

一种电弧蒸发装置，包括腔室、夹具装置以及阴极弧源装置。所述夹具装置设置于所述腔室中。所述夹具装置经配置以夹取待加工工件。所述阴极弧源装置设置于所述腔室中并设置于所述夹具装置上方。所述阴极弧源装置包括经配置以作为靶材的第一阴极弧源和第二阴极弧源。所述第一阴极弧源和所述第二阴极弧源设置于不同水平位面。

Description

电弧蒸发装置

技术领域

本申请涉及一种装置，详细来说，是有关于一种电弧蒸发装置。

背景技术

在现有技术中，当要对带状工件(例如带锯条)进行镀膜时，带状工件会以螺旋状放置在夹具装置上，并且在进行工艺时会旋转夹具装置。然而，当夹具装置带动带状工件旋转时，靠近带状工件的螺旋状中心处的旋转速度较慢而远离带状工件的螺旋状中心处的旋转速度较快，如此会使得在螺旋状中心处的镀膜涂层厚度较厚而远离螺旋状中心处的镀膜涂层厚度较薄，造成较差的镀膜均匀性，进而使得在使用带状工件时，涂层较薄的位置在使用时会比涂层较厚的位置先磨损。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种电弧蒸发装置来解决上述问题。

依据本申请的一实施例，提供一种电弧蒸发装置。所述电弧蒸发装置包括腔室、夹具装置以及阴极弧源装置。所述夹具装置设置于所述腔室中。所述夹具装置经配置以夹取待加工工件。所述阴极弧源装置设置于所述腔室中并设置于所述夹具装置上方。所述阴极弧源装置包括经配置以作为靶材的第一阴极弧源和第二阴极弧源。所述第一阴极弧源和所述第二阴极弧源设置于不同水平位面。

依据本申请的一实施例，所述第一阴极弧源与水平位面的夹角在15-45度的范围。

依据本申请的一实施例，所述第一阴极弧源与水平位面的夹角为40度。

依据本申请的一实施例，所述第一阴极弧源呈现圆盘状。

依据本申请的一实施例，所述圆盘的直径在30-160毫米的范围。

依据本申请的一实施例，所述阴极弧源装置还包括与所述第一阴极弧源和所述第二阴极弧源设置于不同水平位面的第三阴极弧源。

依据本申请的一实施例，所述第一阴极弧源、所述第二阴极弧源和所述第三阴极弧源在垂直方向上等距设置。

依据本申请的一实施例，所述第一阴极弧源和所述第二阴极弧源加载不同的弧电流。

依据本申请的一实施例，所述第一阴极弧源和所述第二阴极弧源中距离所述夹具装置较近者所加载的弧电流高于所述第一阴极弧源和所述第二阴极弧源中距离所述夹具装置较远者所加载的弧电流。

附图说明

附图是用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本申请，但并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1演示依据本申请一实施例之电弧蒸发装置的方块示意图。

图2演示依据本申请一实施例之电弧蒸发装置的前视视图。

具体实施方式

以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。

再者，在此处使用空间上相对的词汇，譬如「之下」、「下方」、「低于」、「之上」、「上方」及与其相似者，可能是为了方便说明图中所绘示的一组件或特征相对于另一或多个组件或特征之间的关系。这些空间上相对的词汇其本意除了图中所绘示的方位之外，还涵盖了装置在使用或操作中所处的多种不同方位。可能将所述设备放置于其他方位(如，旋转90度或处于其他方位)，而这些空间上相对的描述词汇就应该做相应的解释。

虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随权利要求书所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。

图1演示依据本申请一实施例之电弧蒸发装置1的方块示意图。在某些实施例中，电弧蒸发装置1用以对待加工工件进行镀膜工艺。在某些实施例中，待加工工件可以是但不限于带状工件(例如带锯条)。在某些实施例中，电弧蒸发装置1包括腔室10、夹具装置11以及阴极弧源装置12。在某些实施例中，夹具装置11设置于腔室10中。在某些实施例中，夹具装置11经配置以夹取待加工工件。在某些实施例中，阴极弧源装置12设置于腔室10中并设置于夹具装置11上方。在某些实施例中，阴极弧源装置12包括经配置以作为靶材的第一阴极弧源121和第二阴极弧源122。在某些实施例中，第一阴极弧源121和第二阴极弧源122设置于不同水平位面。

需说明的是，电弧蒸发装置1还可以包括其他进行镀膜工艺的必要元件。举例来说，电弧蒸发装置1还可以包括设置在腔室10的内壁上的加热器或者旋转夹具装置11的驱动装置等。为了图示的简洁，图1仅描绘和本申请发明精神相关的元部件。

图2演示依据本申请一实施例的电弧蒸发装置2的前视视图。在某些实施例中，电弧蒸发装置2用以对待加工工件WP进行镀膜工艺。在某些实施例中，电弧蒸发装置2可以用来实现图1实施例的电弧蒸发装置1。在某些实施例中，待加工工件WP可以是但不限于带状工件(例如带锯条)。

在某些实施例中，电弧蒸发装置2包括腔室20、夹具装置21以及阴极弧源装置22。在某些实施例中，腔室20经配置以形成对待加工工件WP镀膜时所需要的真空环境，腔室20可以由不锈钢材料焊接而成。在某些实施例中，夹具装置21设置于腔室20中以在进行镀膜工艺时夹取待加工工件WP。在某些实施例中，夹具装置21呈现螺旋状结构，使得待加工工件WP可以螺旋状放置在夹具装置21中。

在某些实施例中，阴极弧源装置22设置在腔室20中并设置在夹具装置21的上方。在某些实施例中，阴极弧源装置22包括经配置以作为靶材的多个阴极弧源。举例来说，多个阴极弧源包括第一阴极弧源221、第二阴极弧源222、第三阴极弧源223、第四阴极弧源224以及第五阴极弧源225。在某些实施例中，多个阴极弧源在腔室20的顶部呈现左右对称的直列式布局，换言之，腔室20的顶部的左右两边可以各包括5个阴极弧源。然而，多个阴极弧源中所包括的阴极弧源的数量仅为范例说明，并非本申请的限制。在某些实施例中，阴极弧源装置22可以包括更多或更少的阴极弧源。在某些实施例中，多个阴极弧源可以包括Ti、Cr、Zr、AlTi或TiAlCr等金属作为靶面材料。

阴极弧源装置22中的每一个阴极弧源经配置以作为靶材，可对待加工工件WP进行纳米涂层的沉积。在某些实施例中，当腔室20通入反应气体并维持在近真空的压力值(如1-5帕)时，会在阴极弧源装置22和腔室20之间接通直流电源。接着，通过引弧装置接触阴极弧源。当引弧装置离开阴极弧源的瞬间，阴极弧源表面会产生弧光放电。通过阴极弧源装置22中的磁铁装置维持弧光在靶面高速跑动来确保金属靶材的蒸发与离化，进而使得金属离子在待加工工件WP上形成镀膜。

在某些实施中，第一阴极弧源221、第二阴极弧源222、第三阴极弧源223、第四阴极弧源224以及第五阴极弧源225分别设置在不同的水平位面。举例来说，第一阴极弧源221设置在水平位面P1、第二阴极弧源222设置在水平位面P2、第三阴极弧源223设置在水平位面P3，其中水平位面P1的位置低于水平位面P2，水平位面P2的位置低于水平位面P3。在某些实施中，第一阴极弧源221、第二阴极弧源222、第三阴极弧源223、第四阴极弧源224以及第五阴极弧源225在垂直方向上等距设置。举例来说，第一阴极弧源221和第二阴极弧源222在垂直方向上的距离与第二阴极弧源222和第三阴极弧源223在垂直方向上的距离相同为距离t。然而，此并非本申请的一限制，在某些实施例中，第一阴极弧源221、第二阴极弧源222、第三阴极弧源223、第四阴极弧源224以及第五阴极弧源225在垂直方向上可以是非等距设置。

由于阴极弧源装置22中的阴极弧源(如第一阴极弧源221、第二阴极弧源222、第三阴极弧源223、第四阴极弧源224以及第五阴极弧源225)分别设置在不同水平位面上，在如此设置下，每一阴极弧源与待加工工件WP的垂直距离有所不同。详细来说，靠近待加工工件WP外圈的阴极弧源(如第一阴极弧源221)与待加工工件WP的垂直距离较近，而靠近待加工工件WP中心的阴极弧源(如第五阴极弧源225)与待加工工件WP的垂直距离较远。如此一来，当在对待加工工件WP进行镀膜工艺时，即使因为旋转待加工工件WP的原因使得靠近螺旋状中心处的旋转速度较慢而远离螺旋状中心处的旋转速度较快，也会因为阴极弧源与待加工工件WP的垂直距离的不同而使得金属离子沉积到待加工工件WP的速率更加一致，进而使得待加工工件WP的整体镀膜厚度更加均匀，借此改善了先前技术中的问题。

除了通过调整阴极弧源与待加工工件WP的垂直距离来改善待加工工件WP的镀膜均匀性外，在本申请提出的电弧蒸发装置2中，还可以通过调整阴极弧源与水平位面的夹角、阴极弧源的形状和尺寸、以及阴极弧源加载的弧电流提升待加工工件WP的镀膜均匀性。

在某些实施中，第一阴极弧源221、第二阴极弧源222、第三阴极弧源223、第四阴极弧源224以及第五阴极弧源225与水平位面的夹角在15-45度的范围。优选地，第一阴极弧源221、第二阴极弧源222、第三阴极弧源223、第四阴极弧源224以及第五阴极弧源225与水平位面的夹角是40度。在其他实施例中，第一阴极弧源221、第二阴极弧源222、第三阴极弧源223、第四阴极弧源224以及第五阴极弧源225每一者与水平位面的夹角可以不相同或部分相同。实际阴极弧源与水平位面的夹角可以根据使用者的需求进行调整，此并非本申请的一限制。通过调整阴极弧源与水平位面的夹角，可以改变从阴极弧源离化的金属离子的辐射角度，进而改善待加工工件WP的镀膜均匀性。

在某些实施中，第一阴极弧源221、第二阴极弧源222、第三阴极弧源223、第四阴极弧源224以及第五阴极弧源225呈现圆盘状。在某些实施中，第一阴极弧源221、第二阴极弧源222、第三阴极弧源223、第四阴极弧源224以及第五阴极弧源225的圆盘状结构的直径在30-160毫米的范围。在其他实施例中，第一阴极弧源221、第二阴极弧源222、第三阴极弧源223、第四阴极弧源224以及第五阴极弧源225每一者也可以分别有不同的形状与尺寸。实际的阴极弧源的形状与尺寸可以根据使用者的需求进行调整，此并非本申请的一限制。申请人通过实验发现，当圆盘状结构的直径是160毫米时，金属离子辐射面大约是270毫米的宽度；当圆盘状结构的直径是100毫米时，金属离子辐射面大约是250毫米的宽度。通过调整阴极弧源的尺寸，可以改变从阴极弧源离化的金属离子的辐射涵盖范围，进而改善待加工工件WP的镀膜均匀性。

在某些实施例中，阴极弧源装置22中的阴极弧源(如第一阴极弧源221、第二阴极弧源222、第三阴极弧源223、第四阴极弧源224以及第五阴极弧源225)可以加载不同的弧电流。详细来说，与夹具装置21的垂直距离较短的阴极弧源可以加载较强的弧电流，而与夹具装置21的垂直距离较长的阴极弧源可以加载较弱的弧电流。在某些实施例中，相对于第三阴极弧源223、第四阴极弧源224、第五阴极弧源225所加载的弧电流，第二阴极弧源222可以加载提高了5安培的弧电流而第一阴极弧源221可以加载提高了10安培的弧电流。通过调整阴极弧源所加载的弧电流，可以调整阴极弧源的金属离子离化速度，进而改善待加工工件WP的镀膜均匀性。

在某些实施例中，电弧蒸发装置2还包括驱动装置23以及加热器24。在某些实施例中，驱动装置23经配置以与夹具装置21连接并按照一定速度进行旋转。在某些实施例中，驱动装置23主轴和腔室20通过磁流体密封以确保腔室20的真空度漏率在一定值(如1E-10Pa/m3.S)以下。在某些实施例中，加热器24经配置以对腔室20的空间进行加热，以达到适合的工艺条件。举例来说，加热器24可以将腔室20的空间升温至180-500℃。

在某些实施例中，电弧蒸发装置2还包括其他进行镀膜工艺必要的元件。举例来说，电弧蒸发装置2还可以包括真空装置，其用以确保镀膜工艺所需要的真空压力。所述真空装置可以包括真空泵浦以在腔室20内达到0.1-10帕的一个真空压力，所述真空装置还可以包括分子泵以把腔室20内多余的空气排除，使得真空室处于相对干净状态。举例来说，电弧蒸发装置2还可以包括偏压系统，其用以提供直流电源。

申请人对提出的电弧蒸发装置2进行了以下实验。

实施例1：

工艺气体是N₂、Ar₂、C₂H₂，工作气压是1-5帕，阴极弧源的靶面材料包括Ti、Cr、Zr、AlTi或TiAlCr，阴极弧源加载的弧电流在80-120安培的范围，阴极弧源的偏压在30-100伏特的范围，镀膜涂层时间2-4小时，阴极弧源装置22中的阴极弧源与水平位面的夹角为30度。在如此工艺条件下，待加工工件WP的中心处的涂层膜厚为6微米，待加工工件WP的最外圈处的涂层膜厚为2.4微米。膜厚差异3.6微米，膜厚不均匀性为42％。

实施例2：

工艺气体是N₂、Ar₂、C₂H₂，工作气压是1-5帕，阴极弧源的靶面材料包括Ti、Cr、Zr、AlTi或TiAlCr，阴极弧源加载的弧电流在80-120安培的范围，阴极弧源的偏压在30-100伏特的范围，镀膜涂层时间2-4小时，阴极弧源装置22中的阴极弧源与水平位面的夹角为45度。在如此工艺条件下，待加工工件WP的中心处的涂层膜厚为4微米，待加工工件WP的最外圈处的涂层膜厚为2.6微米。膜厚差异1.4微米，膜厚不均匀性为21％。

实施例3：

工艺气体是N₂、Ar₂、C₂H₂，工作气压是1-5帕，阴极弧源的靶面材料包括Ti、Cr、Zr、AlTi或TiAlCr，阴极弧源加载的弧电流在80-120安培的范围，阴极弧源的偏压在30-100伏特的范围，镀膜涂层时间2-4小时，阴极弧源装置22中的阴极弧源(如第一阴极弧源221、第二阴极弧源222、第三阴极弧源223、第四阴极弧源224以及第五阴极弧源225)与水平位面的夹角为40度。在如此工艺条件下，待加工工件WP的中心处的涂层膜厚为4微米，待加工工件WP的最外圈处的涂层膜厚为3.2微米。膜厚差异0.8微米，膜厚不均匀性为11％。

实施例4：

工艺气体是N₂、Ar₂、C₂H₂，工作气压是1-5帕，阴极弧源的靶面材料包括Ti、Cr、Zr、AlTi或TiAlCr，阴极弧源加载的弧电流在80-120安培的范围，阴极弧源的偏压在30-100伏特的范围，镀膜涂层时间2-4小时，阴极弧源装置22中的阴极弧源与水平位面的夹角为40度，相对于第三阴极弧源223、第四阴极弧源224、第五阴极弧源225所加载的弧电流，第二阴极弧源222加载提高5安培的弧电流，第一阴极弧源221加载提高10安培的弧电流。在如此工艺条件下，待加工工件WP的中心处的涂层膜厚为4微米，待加工工件WP的最外圈处的涂层膜厚为3.6微米。膜厚差异0.4微米，膜厚不均匀性为5％。

通过实施例1-3可发现，在其他工艺条件相同的情况下，当阴极弧源与水平位面的夹角为40度时，可以获得最好的镀膜均匀性。另外，通过实施例4可发现，除了调整阴极弧源与水平位面的夹角外，通过调整阴极弧源所加载的弧电流更能进一步地提升镀膜均匀性。

如本文中所使用，术语“近似地”、“基本上”、“基本”及“约”用于描述并考虑小变化。当与事件或情况结合使用时，所述术语可指事件或情况精确地发生的例子以及事件或情况极近似地发生的例子。如本文中相对于给定值或范围所使用，术语“约”大体上意味着在给定值或范围的±10％、±5％、±1％或±0.5％内。范围可在本文中表示为自一个端点至另一端点或在两个端点之间。除非另外规定，否则本文中所公开的所有范围包括端点。术语“基本上共面”可指沿同一平面定位的在数微米(μm)内的两个表面，例如，沿着同一平面定位的在10μm内、5μm内、1μm内或0.5μm内。当参考“基本上”相同的数值或特性时，术语可指处于所述值的平均值的±10％、±5％、±1％或±0.5％内的值。

如本文中所使用，术语“近似地”、“基本上”、“基本”和“约”用于描述和解释小的变化。当与事件或情况结合使用时，所述术语可指事件或情况精确地发生的例子以及事件或情况极近似地发生的例子。举例来说，当与数值结合使用时，术语可指小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如，小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差小于或等于所述值的平均值的±10％(例如，小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值“基本上”或“约”相同。举例来说，“基本上”平行可以指相对于0°的小于或等于±10°的角度变化范围，例如，小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°，或小于或等于±0.05°。举例来说，“基本上”垂直可以指相对于90°的小于或等于±10°的角度变化范围，例如，小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°，或小于或等于±0.05°。

举例来说，如果两个表面之间的位移等于或小于5μm、等于或小于2μm、等于或小于1μm或等于或小于0.5μm，那么两个表面可以被认为是共面的或基本上共面的。如果表面相对于平面在表面上的任何两个点之间的位移等于或小于5μm、等于或小于2μm、等于或小于1μm或等于或小于0.5μm，那么可以认为表面是平面的或基本上平面的。

如本文中所使用，除非上下文另外明确规定，否则单数术语“一(a/an)”和“所述”可包含复数指示物。在一些实施例的描述中，提供于另一组件“上”或“上方”的组件可涵盖前一组件直接在后一组件上(例如，与后一组件物理接触)的情况，以及一或多个中间组件位于前一组件与后一组件之间的情况。

如本文中所使用，为易于描述可在本文中使用空间相对术语例如“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”、“下部”、“左侧”、“右侧”等描述如图中所说明的一个组件或特征与另一组件或特征的关系。除图中所描绘的定向之外，空间相对术语意图涵盖在使用或操作中的装置的不同定向。设备可以其它方式定向(旋转90度或处于其它定向)，且本文中所使用的空间相对描述词同样可相应地进行解释。应理解，当一组件被称为“连接到”或“耦合到”另一组件时，其可直接连接或耦合到所述另一组件，或可存在中间组件。

前文概述本公开的若干实施例和细节方面的特征。本公开中描述的实施例可容易地用作用于设计或修改其它过程的基础以及用于执行相同或相似目的和/或获得引入本文中的实施例的相同或相似优点的结构。这些等效构造不脱离本公开的精神和范围并且可在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出不同变化、替代和改变。

Claims

1.一种电弧蒸发装置，其特征在于，包括：

腔室；

夹具装置，设置于所述腔室中，经配置以夹取待加工工件，其中所述待加工工件包括带状工件，所述夹具装置呈现螺旋状结构以使所述待加工工件以螺旋状放置在所述夹具装置中；

阴极弧源装置，设置于所述腔室中并设置于所述夹具装置上方，所述阴极弧源装置包括经配置以作为靶材的第一阴极弧源、第二阴极弧源以及第三阴极弧源；

其中所述第一阴极弧源、所述第二阴极弧源和所述第三阴极弧源设置于不同水平位面，且所述第一阴极弧源、所述第二阴极弧源和所述第三阴极弧源在垂直方向上等距设置；

其中所述第一阴极弧源与水平位面的夹角在15-45度的范围，且所述第一阴极弧源呈现圆盘状；

其中所述圆盘的直径在30-160毫米的范围；

其中所述第一阴极弧源和所述第二阴极弧源中距离所述夹具装置较近者所加载的弧电流高于所述第一阴极弧源和所述第二阴极弧源中距离所述夹具装置较远者所加载的弧电流。

2.如权利要求1所述的电弧蒸发装置，其特征在于，所述第一阴极弧源与水平位面的夹角为40度。