CN114990511B - 小尺寸磁性材料工件的镀膜方法及真空镀膜单体机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种小尺寸磁性材料工件的镀膜方法及真空镀膜单体机，所述方法包括：根据工艺需求选定溅射镀膜使用的靶材的材料类型与靶材数量，在真空镀膜单体机的不同运行模式下的实际运行参数，根据实际运行参数设置靶材磁场分布的物理模型，模拟真空镀膜不同运行模式下在真空腔体内的磁场分布参数，并依据磁场分布参数确定磁场减弱区域来设置真空镀膜单体机的转架和工件承载区，在镀膜时将小尺寸磁性材料工件放置入转架和工件承载区进行真空镀膜；该技术方案，可以避免小尺寸磁性材料工件受靶材的磁场影响，保证其粒子能量，保证膜层的结合力；同时，可以指导合理设计磁性材料的真空镀膜单体机，极大减少真空腔体的体积，节省设备成本。

Description

小尺寸磁性材料工件的镀膜方法及真空镀膜单体机

技术领域

本申请涉及真空镀膜技术领域，尤其是涉及一种小尺寸磁性材料工件的镀膜方法及真空镀膜单体机。

背景技术

利用真空等离子体镀膜技术在工件上沉积功能层，可以使其拥有原有工件不具备的新性能，如防腐性、耐磨性、抗划痕、抗氧化、导热性、导电性等，真空镀膜可分为蒸镀、溅射、离子镀三种，真空溅射镀膜的基本原理是：在真空中，外加电场产生的电子利用电场加速，与氩气原子发生碰撞，产生正离子，溅射靶材内腔的永磁铁或者电磁铁，使得在外加电压条件下靶材表面附近形成了平行于表面的横向磁场，磁场对电子的束缚使其在靶面做回旋运动，从而与氩气原子碰撞产生氩离子轰击靶材表面，通过与靶材表面粒子进行能量交换，产生大量的靶材原子、正离子、电子等形成等离子体靶材粒子，溅射出的靶材粒子在真空中运动，到达工件的表面并沉积形成薄膜。多弧离子镀是采用电弧放电的方法，在固体的阴极靶材上直接蒸发金属，蒸发物是从阴极弧光辉点放出的阴极物质的离子，从而在基材表面沉积成为薄膜的方法。

随着全球新能源发展和各国环保政策的推行，新能源汽车、稀土永磁电机、风电等迎来高速发展，高性能钕铁硼磁性材料的应用场景正在从传统的消费电子向新兴领域迈进，随着研发技术的推进以及在国内“双碳”政策的推动下，对高端稀土永磁材料的需求大幅增长，而对稀土磁材表面镀膜进行保护的重要性日益凸显。

常规的真空镀膜技术，对于普通材料工件的镀膜效果比较稳定，但是对于磁性材料工件，由于受到强磁影响，溅射粒子的运动轨迹难以控制，粒子能量损失严重，导致镀膜不均匀或者膜层容易脱落，而且小尺寸磁性工件也容易被吸附到靶材表面，影响了溅射效果。

目前，在公开技术中，为了保证对小尺寸磁性材料工件（通常指尺寸小于10 mm）的溅射镀膜效果，专门设计了真空镀膜单体机，相对于大面积磁性材料工件（大于10mm）镀膜的连续生产线，真空镀膜单体机的设计紧凑，空间占用小、制造成本低，适合大部分中小企业使用，是未来主要发展方向。

然而，现有的真空镀膜单体机，针对小尺寸磁性材料工件镀膜时，通常是根据以往的加工经验设定真空腔体中小尺寸磁性材料工件与靶材之间的距离位置，往往容易导致设置过大，由于过长的溅射粒子运动距离，也增加了溅射粒子与其他杂质粒子的碰撞机会，降低其粒子能量，严重降低了镀膜效率和成膜效果；而且，设置过大的距离也导致真空腔体体积设置过大，既占用了设备空间，又增加了设备制造成本。

发明内容

本申请的目的旨在解决上述至少之一的技术缺陷，提供一种小尺寸磁性材料工件的镀膜方法及真空镀膜单体机，以提升镀膜效率和成膜效果。

一种小尺寸磁性材料工件的镀膜方法，包括：

确定工艺需求，根据所述工艺需求选定溅射镀膜使用的靶材的材料类型与靶材数量；

在真空镀膜单体机的不同运行模式下，确定溅射靶材的实际运行参数；

创建靶材磁场分布的几何模型，添加材料属性，根据所述实际运行参数设置所述靶材磁场分布的物理模型以及网格和求解器；

利用多物理场仿真软件模拟不同真空镀膜运行模式下，根据所述网格和求解器获取所述靶材在真空腔体内的第一磁场分布参数；

根据所述第一磁场分布参数确定磁场减弱区域，将所述真空镀膜单体机的转架和工件承载区设置为所述磁场减弱区域对应的距离位置；

将小尺寸磁性材料工件放置入所述转架和工件承载区进行真空镀膜。

在一个实施例中，所述运行模式包括：磁控溅射模式和电弧模式。

在一个实施例中，所述磁控溅射模式下溅射靶材的实际运行参数为表面强磁场为300-500Gs，电压范围为200-500V，单靶电流范围为25-45A。

在一个实施例中，所述电弧模式下靶材的实际运行参数为表面弱磁场为40-90Gs，电压范围为15-30V，单靶电流范围为100-150A。

在一个实施例中，所述靶材的材料类型包括金属，合金。

在一个实施例中，所述第一磁场分布参数包括磁通密度模和磁通密度。

在一个实施例中，所述将小尺寸磁性材料工件放置入所述转架和工件承载区进行真空镀膜，包括：

清洁小尺寸磁性材料工件，然后将清洁后的小尺寸磁性材料工件放置于烘箱中鼓风烘干；

根据护栏高度将小尺寸磁性材料工件放置入真空腔体内的转架和工件承载区；

对放入的小尺寸磁性材料工件进行真空镀膜。

在一个实施例中，清洁小尺寸磁性材料工件20分钟以上。

在一个实施例中，将清洁后的小尺寸磁性材料工件放置于烘箱中进行40-60度鼓风烘干。

在一个实施例中，所述对放入的小尺寸磁性材料工件进行真空镀膜，包括：

关闭真空腔体内的腔门，对真空腔体进行抽真空至设定气压，在高真空条件下加热；

向真空腔体内通入氩气至设定气压，开启等离子体清洁模式清洁小尺寸磁性材料工件表面，并设定辉光放电时间；

加大进气速度使得真空腔体的气压升至设定气压；

运行镀膜程序，对小尺寸磁性材料工件进行真空镀膜；

在镀膜程序完成后结束镀膜，打开真空腔体的腔门，取出已镀膜的小尺寸磁性材料工件。

在一个实施例中，所述对真空腔体进行抽真空至10^-2-10^-3Pa。

在一个实施例中，在高真空条件下加热至200-300℃。

在一个实施例中，辉光放电0.5小时以上。

在一个实施例中，加大进气速度使得真空腔体的气压升至0.2Pa。

在一个实施例中，在运行镀膜程序对小尺寸磁性材料工件进行真空镀膜的过程中，还包括：

实时监控小尺寸磁性材料工件表面的第二磁场分布参数；

根据所述第二磁场分布参数调整施加给溅射靶材的电压。

在一个实施例中，所述根据所述第二磁场分布参数调整施加给溅射靶材的电压，包括：

若小尺寸磁性材料工件的表面磁场增加，调低施加给溅射靶材的电压，反之，则在电压范围内调高施加给溅射靶材的电压。

一种真空镀膜单体机，包括：卧式安装的转架以及沿所述转架轴向设置的靶材；所述真空镀膜单体机采用所述的小尺寸磁性材料工件的镀膜方法进行镀膜。

本申请的技术方案，根据工艺需求选定溅射镀膜使用的靶材的材料类型与靶材数量，在真空镀膜单体机的不同运行模式下的实际运行参数，根据实际运行参数设置靶材磁场分布的物理模型，模拟不同真空镀膜运行模式下在真空腔体内的磁场分布参数，并依据磁场分布参数确定磁场减弱区域来设置真空镀膜单体机的转架和工件承载区，在镀膜时将小尺寸磁性材料工件放置入转架和工件承载区进行真空镀膜；该技术方案，可以将真空镀膜单体机的转架和工件承载区设置到磁场减弱区域对应的距离位置上，从而可以避免小尺寸磁性材料工件受靶材的磁场影响；在镀膜过程，减少溅射粒子运动距离，减少溅射粒子与其他杂质粒子的碰撞机会，保证其粒子能量，保证膜层的结合力。

进一步的，通过实时检测镀膜过程的小尺寸磁性材料工件表面的磁场分布，可以及时调整和优化镀膜工艺，降低因磁场干扰而导致小尺寸磁性材料工件结合力下降和良品率下降的几率。

进一步的，还可以应用于在设计真空镀膜单体机的真空腔体时，准确地检测到靶材磁场分布情况，分析其对小尺寸磁性材料工件的影响，最后设计出最优的真空腔体结构，极大程度缩小真空腔体的体积，降低腔体的制造成本；还可以指导合理设计靶材位置、偏压、转架直径等，减少因不合理机械设计导致的误工和改造成本。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是一个实施例的真空镀膜单体机示意图；

图2是一个实施例的小尺寸磁性材料工件的镀膜方法流程图；

图3是一个示例的磁场分布示意图；

图4是一个示例的真空镀膜方法流程图；

图5是一个示例的对工件承载区的小尺寸磁性材料工件镀膜流程图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请的技术方案，可以应用于专用的小尺寸磁性材料工件的真空镀膜单体机上，图1是一个实施例的真空镀膜单体机示意图，需要说明的是，图示仅仅为一个示例的真空镀膜单体机，基于该设计方案类似可以设计出不同设备结构，如图1所示的真空镀膜单体机100包括：卧式安装的转架10以及沿转架10轴向设置的靶材20；图中所示为两个靶材，靶材20接负电压，靶材20固定于转架10的中心位置，在转架10内侧壁位置处产生电场，转架10在真空镀膜过程进行转动，转架10内侧面上设置有突出部11，在转架10向上运动一侧设有截面为扇形的弧形挡板12，弧形挡板12与转架10之间留有狭缝，在靶材20上部设置跨越靶材20的滑梯挡板13，滑梯挡板13一端连接弧形挡板12的上端；在转架10的边缘位置内侧设有一设定高度的护栏14，用于阻挡工件掉落，如图1中阴影区域所示；护栏14可以阻挡工件溢出转架10。

在运行过程中，转架10持续转动，通过突出部11带动工件进行翻滚，靶材20产生带电粒子对翻滚中的工件表面进行镀膜，弧形挡板12与转架10之间的狭缝与齿槽共同作用，将转架10底部堆叠的工件带动到设定高度，然后再滚落回到转架10底部，从而不断的对工件进行镀膜。

基于真空镀膜单体机100，本实施例提供一种小尺寸磁性材料工件的镀膜方法，参考图2所示，图2是一个实施例的小尺寸磁性材料工件的镀膜方法流程图，该方法包括：

S10，确定工艺需求，根据所述工艺需求选定溅射镀膜使用的靶材的材料类型与靶材数量；其中，靶材的材料类型包括金属，合金等。

例如，工艺需求是在小尺寸永磁铁（小于10mm）上沉积防腐层铝，使用一对纯铝的磁控溅射靶材，靶材直径可以为70mm。

S20，在真空镀膜单体机的不同运行模式下，确定溅射靶材的实际运行参数；其中，运行模式包括磁控溅射模式和电弧模式。

（1）磁控溅射模式：溅射靶材的实际运行参数为表面强磁场为300-500Gs，电压范围为200-500V，单靶电流范围为25-45A。

例如，在磁控溅射模式下，其表面强磁场位400Gs，电压为300V，单靶电流为30A。

（2）电弧模式：靶材的实际运行参数为表面弱磁场为40-90Gs，电压范围为15-30V，单靶电流范围为100-150A。

S30，创建靶材磁场分布的几何模型，添加材料属性，根据所述实际运行参数设置所述靶材磁场分布的物理模型以及网格和求解器。

S40，利用多物理场仿真软件模拟不同真空镀膜运行模式下，根据所述网格和求解器获取所述靶材在真空腔体内的第一磁场分布参数。

对于真空镀膜运行模式，可以包括真空溅射镀膜及多弧离子镀膜等，其中，真空溅射镀膜是利用外加电场产生的电子，再利用电场加速与氩气原子发生碰撞，产生正离子，利用荷能粒子轰击靶表面,使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术，即利用溅射现象制取各种薄膜的方法；多弧离子镀是采用电弧放电的方法，在固体的阴极靶材上直接蒸发金属，蒸发物是从阴极弧光辉点放出的阴极物质的离子，从而在基材表面沉积成为薄膜的方法。

作为实施例，可以利用Comsol、Ansys、CST Studio suite 等多物理场仿真软件来模拟理想条件下靶材在真空腔体内的磁场分布参数。

参考图3所示，图3是一个示例的磁场分布示意图，靶材20（以靶材1号201和靶材2号202为例）所形成的磁力线方向如图3（a）中的小箭头所示；如图3（b），磁场强度分布用等势线表示，以靶材1号201和靶材2号202为中心向外磁场强度不断变弱，在靶材1号201和靶材2号202附近的磁场最强，最高可达10⁴G，在护栏14与转架10的区域为磁场减弱区域，如图3（b）中标注的10.6G、6.4G、2.0G等磁场强度等势线，在真空腔体内壁上磁场值约降至1/10，即可以认为磁场对工件的影响忽略不计。

S50，根据所述第一磁场分布参数确定磁场减弱区域，将所述真空镀膜单体机的转架和工件承载区设置为所述磁场减弱区域对应的距离位置。

结合图1所示，可以通过设置调整转架直径和护栏高度，从而设置合适的工件承载区来进行镀膜，降低了小尺寸磁性材料工件磁性影响。在转架的外部，设置合理机械运行空间以及真空腔体外壳区，例如，以两靶材中心为原点，可以设置真空腔体的外壳在距离原点至少450 mm位置处。

S60，将小尺寸磁性材料工件放置入所述转架和工件承载区进行真空镀膜。

优选的，参考图4所示，图4是一个示例的真空镀膜方法流程图，真空镀膜过程可以包括：

S601，清洁小尺寸磁性材料工件，然后将清洁后的小尺寸磁性材料工件放置于烘箱中鼓风烘干。

优选的，利用超声机或者低温等离子清洁机清洁小尺寸磁性材料工件20分钟以上，将清洁后的小尺寸磁性材料工件放置于烘箱中进行40-60度鼓风烘干。

S602，根据护栏高度将小尺寸磁性材料工件放置入真空腔体内的转架和工件承载区。

S603，对放入的小尺寸磁性材料工件进行真空镀膜。

作为实施例，参考图5所示，图5是一个示例的对工件承载区的小尺寸磁性材料工件镀膜流程图，该镀膜过程可以包括如下：

a、关闭真空腔体内的腔门，对真空腔体进行抽真空至设定气压，在高真空条件下加热。

优选的，对真空腔体进行抽真空至10^-2-10^-3Pa，在高真空条件下加热至200-300℃。

b、向真空腔体内通入氩气至设定气压，开启等离子体清洁模式清洁小尺寸磁性材料工件表面，并设定辉光放电时间。

优选的，向真空腔体内通入氩气使得气压升至6Pa，开始等离子体清洁模式，清洁镀膜小尺寸磁性材料工件的表面，辉光放电0.5小时以上。

c、加大进气速度使得真空腔体的气压升至设定气压；具体的，加大进气速度使得真空腔体的气压升至0.2Pa。

d、运行镀膜程序对小尺寸磁性材料工件进行真空镀膜。

e、在镀膜程序完成后结束镀膜，打开真空腔体的腔门，取出已镀膜的小尺寸磁性材料工件。

在一个实施例中，在步骤S60的镀膜过程中，还可以对镀膜工艺进行优化处理步骤；据此，如图1，在真空腔体内设置磁场测试仪器15（如高斯计或者磁通门计）来实时监控小尺寸磁性材料工件表面的磁场分布。

在溅射镀膜过程中，利用实时监控得到的小尺寸磁性材料工件表面的第二磁场分布参数调整施加给溅射靶材的电压。对于电压调整方案，若小尺寸磁性材料工件的表面磁场增加，调低施加给溅射靶材的电压，反之，则在电压范围内调高施加给溅射靶材的电压。

上述实施例的方案，通过实时监控工件表面的磁场分布，从而可以在镀膜过程中，根据工件镀膜过程中堆积所导致的表面磁场分布来动态调整电压，及时调整和优化镀膜工艺，降低因磁场干扰导致工件结合力、良品率下降的几率。

如上述实施例的小尺寸磁性材料工件的镀膜方法，应用于专用的真空镀膜单体机上，可以将真空镀膜单体机的转架和工件承载区设置到磁场减弱区域对应的距离位置上，从而可以避免小尺寸磁性材料工件受靶材的磁场影响；在镀膜过程，减少溅射粒子运动距离，减少溅射粒子与其他杂质粒子的碰撞机会，保证其粒子能量，保证膜层的结合力；通过实时检测镀膜过程中小尺寸磁性材料工件表面的磁场分布，可以及时调整和优化镀膜工艺，降低因磁场干扰导致小尺寸磁性材料工件结合力下降、良品率下降的几率。

另外，本申请的技术方案，还可以应用于指导设计真空镀膜单体机的真空腔体。如图1所示的真空镀膜单体机100的结构中，工件与靶材20的距离，直接影响了镀膜质量，护栏14高度决定了同时进行镀膜的工件数量，而工件数量堆放体积大小也会影响到与靶材20的距离，进而影响镀膜质量。由于转架10的直径决定了工件与靶材20之间的距离，也就决定了真空腔体的最大直径和真空镀膜单体机的体积，因此，科学合理的设计转架10的直径大小，即可以提升了真空镀膜质量，也可以降低真空镀膜单体机100的体积。另外，护栏14高度越高，可以同时放置的工件越多，同时进行镀膜的工件数量也会影响镀膜质量。

由于本申请提供的技术方案可以在镀膜过程中，根据确定的磁场减弱区域从而设置转架和工件承载区，从而将转架和工件承载区设置在磁场减弱区域对应的距离位置，由此，在设计专用的真空镀膜单体机时，准确地检测到靶材磁场分布情况，分析其对小尺寸磁性材料工件的影响，最后设计出最优的真空腔体结构，设定滚筒转架、靶材间距、真空腔体结构等，从而可以极大程度缩小真空腔体的体积，降低腔体的制造成本，减少真空镀膜单体机占用的空间；同时也可以指导合理设计靶材位置、偏压、转架直径等，减少因不合理机械设计导致的误工和改造成本。

例如，可以根据不同产量的需求和最佳的镀膜效果，模拟出工件与靶材20之间的最佳距离，进而设计不同直径大小的转架11和与之直径大小匹配的真空腔体，从而可以在最低限度的降低设备成本基础上，还可以降低真空腔体的体积。

以上仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种小尺寸磁性材料工件的镀膜方法，其特征在于，包括：

确定工艺需求，根据所述工艺需求选定溅射镀膜使用的靶材的材料类型与靶材数量；

在真空镀膜单体机的不同运行模式下，确定溅射靶材的实际运行参数；

创建靶材磁场分布的几何模型，添加材料属性，根据所述实际运行参数设置所述靶材磁场分布的物理模型以及网格和求解器；

利用多物理场仿真软件模拟不同真空镀膜运行模式下，根据所述网格和求解器获取所述靶材在真空腔体内的第一磁场分布参数；

根据所述第一磁场分布参数确定磁场减弱区域，将所述真空镀膜单体机的转架和工件承载区设置到所述磁场减弱区域对应的位置上；

将小尺寸磁性材料工件放置入所述转架和工件承载区进行真空镀膜。

2.根据权利要求1所述的小尺寸磁性材料工件的镀膜方法，其特征在于，所述运行模式包括：磁控溅射模式和电弧模式；其中：

所述磁控溅射模式下溅射靶材的实际运行参数为表面强磁场为300-500Gs，电压范围为200-500V，单靶电流范围为25-45A；

所述电弧模式下靶材的实际运行参数为表面弱磁场为40-90Gs，电压范围为15-30V，单靶电流范围为100-150A。

3.根据权利要求1所述的小尺寸磁性材料工件的镀膜方法，其特征在于，所述靶材的材料类型包括金属，合金；所述第一磁场分布参数包括磁通密度模和磁通密度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的小尺寸磁性材料工件的镀膜方法，其特征在于，所述将小尺寸磁性材料工件放置入所述转架和工件承载区进行真空镀膜，包括：

清洁小尺寸磁性材料工件，然后将清洁后的小尺寸磁性材料工件放置于烘箱中鼓风烘干；

根据护栏高度将小尺寸磁性材料工件放置入真空腔体内的转架和工件承载区；

对放入的小尺寸磁性材料工件进行真空镀膜。

5.根据权利要求4所述的小尺寸磁性材料工件的镀膜方法，其特征在于，清洁小尺寸磁性材料工件20分钟以上，将清洁后的小尺寸磁性材料工件放置于烘箱中进行40-60度鼓风烘干。

6.根据权利要求5所述的小尺寸磁性材料工件的镀膜方法，其特征在于，所述对放入的小尺寸磁性材料工件进行真空镀膜，包括：

关闭真空腔体内的腔门，对真空腔体进行抽真空至设定气压，在高真空条件下加热；

向真空腔体内通入氩气至设定气压，开启等离子体清洁模式清洁小尺寸磁性材料工件表面，并设定辉光放电时间；

加大进气速度使得真空腔体的气压升至设定气压；

运行镀膜程序，对小尺寸磁性材料工件进行真空镀膜；

在镀膜程序完成后结束镀膜，打开真空腔体的腔门，取出已镀膜的小尺寸磁性材料工件。

7.根据权利要求6所述的小尺寸磁性材料工件的镀膜方法，其特征在于，所述对真空腔体进行抽真空至10^-2-10^-3Pa，在高真空条件下加热至200-300℃；辉光放电0.5小时以上；加大进气速度使得真空腔体的气压升至0.2Pa。.

8.根据权利要求6所述的小尺寸磁性材料工件的镀膜方法，其特征在于，在运行镀膜程序对小尺寸磁性材料工件进行真空镀膜的过程中，还包括：

实时监控小尺寸磁性材料工件表面的第二磁场分布参数；

根据所述第二磁场分布参数调整施加给溅射靶材的电压。

9.根据权利要求8所述的小尺寸磁性材料工件的镀膜方法，其特征在于，所述根据所述第二磁场分布参数调整施加给溅射靶材的电压，包括：

若小尺寸磁性材料工件的表面磁场增加，调低施加给溅射靶材的电压，反之，则在电压范围内调高施加给溅射靶材的电压。

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