CN116623141A - 一种pvd真空离子射流镀膜机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及离子镀膜领域，具体涉及一种PVD真空离子射流镀膜机，PVD真空离子射流镀膜机包括分叉进气装置、水冷控制装置、磁控离子射流靶头、真空室内装置。所述分叉进气装置可以均匀精确控制靶头内气体气量；所述水冷控制装置可以精确控制靶头内的温度；所述磁控离子射流靶头可以产生离子射流，离子轰击能量超越传统离子镀膜机，是本发明的核心技术；所述真空室内装置结构简单观察方便。本发明突破效果在于其水冷温度控制和精确进气控制使得大功率的磁控离子射流靶头可以稳定输出离子射流，离子射流轰击可以使离子溅射沉积更快更强烈，在特种镀膜领域有出色稳定的发挥，使特种膜层在高科技工业生产中可以规模应用。
Description
技术领域
本发明涉及离子镀膜领域，具体涉及一种PVD真空离子射流镀膜机。
背景技术
真空镀膜机包括真空电阻加热蒸发，电子枪加热蒸发，磁控溅射，MBE分子束外延，PLD激光溅射沉积，离子束溅射等很多种。目前国内广泛应用的是PVD真空离子溅射镀膜机，其磁控溅射的工作原理是指电子在电场e的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。磁控溅射技术具有沉积速度快、基材温升低、薄膜纯度高、致密性好等优点广泛应用于微电子、光学薄膜、材料表面处理等领域。
随着科技的不断进步，对镀膜的要求也越来越高，如超硬材料金刚石膜等特种镀膜需求时传统的PVD真空离子溅射镀膜机往往会显得力不从心，如溅射能量不足，溅射时间过短，覆盖面积过小等问题满足不了工业大量生产的应用，所以我们需要将传统PVD真空离子溅射镀膜机的一些不足进行彻底的改进。
目前传统的磁控溅射靶源设计均因为加工制造便利性往往结构过于简单，如进气仅有一根管道就会造成靶头处气体不均匀造成产生的离子流不均衡稳定；冷却水将强磁设计成工作时会直接接触循环冷却水，长期使用会逐渐腐蚀强磁表面，产生锈迹导致水路循环不通畅，影响靶头冷却效果，轻则破环溅射源溅射工作均匀性，重则导致靶头过热变形，靶材熔化等，影响溅射源使用寿命；目前磁控溅射靶头也存在一些不足，由于高压控制，离子控制的不足在需要进行超强的离子流喷射时往往力不从心，在溅射强磁性材料时，由于强磁性材料自身具有高导磁性，磁场会有大部分从其内部穿过消耗，实际用于溅射的磁场将会减少，无法有效溅射，靶材的利用率小，溅射的稳定性及镀膜均匀性有待提高，所以精确控制磁场变得及其重要。
以上这些缺点严重制约了传统PVD真空离子溅射镀膜机在高性能特种镀膜特硬镀膜工业领域的大规模应用。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种PVD真空离子射流镀膜机，我们重新设计了进气系统以解决气体均匀稳定供应的问题；重新设计了进水系统使得强磁体不直接接触冷却循环水的磁控溅射靶源设计结构，从根本上解决冷却水腐蚀强磁导致水路锈蚀堵塞的问题；重新设计了PVD真空离子溅射镀膜机的磁控离子溅射靶头使得离子溅射变得更为强烈，形成有巨大能量的轰击离子射流，以全新的PVD真空离子射流镀膜机解决上述背景技术中存在的问题。
本发明提供如下技术方案：一种用于PVD真空离子射流镀膜机，包括分叉进气装置、水冷控制装置、磁控离子射流靶头、真空室内装置；所述分叉进气装置右端固定连接磁控离子射流靶头；所述分叉进气装置上下固定连接真空室内装置；所述水冷控制装置右端固定连接磁控离子射流靶头；所述磁控离子射流靶头右端固定连接真空室内装置。
在一个优选的实施方式中，所述分叉进气装置包括靶内进气控制器、靶内分叉进气管、真空室进气控制器、真空室上进气管、真空室下进气管；所述靶内进气控制器右端固定连接靶内分叉进气管，所述靶内分叉进气管右端固定连接电离束流网；所述真空室进气控制器上端固定连接真空室上进气管，所述真空室上进气管右端固定连接真空室上部；所述真空室进气控制器下端固定连接真空室下进气管，所述真空室下进气管右端固定连接真空室下部；说述靶内分叉进气管采用均匀布局的一分二，二分四，四分八的树状分叉结构。
在一个优选的实施方式中，所述水冷控制装置包括冷水机、水冷控制器、靶头直冷管道、水温传感器、水流传感器；所述冷水机右端固定连接水冷控制器；所述水冷控制器右端固定连接靶头直冷管道下端；所述靶头直冷管道中端穿过并固定连接磁铁组，所述靶头直冷管道中端穿过并固定连接溅射口；所述靶头直冷管道上端固定连接水温传感器，所述水温传感器左端固定连接水流传感器，所述水温传感器和水流传感器与水冷控制器之间有传感控制线固定连接。
在一个优选的实施方式中，所述磁控离子射流靶头包括电离区、电离束流网、磁铁组、离子磁控区、溅射口、铝合金散热底座；所述电离区固定连接电离束流网；所述电离束流网左端固定连接靶内分叉进气管；所述电离束流网右端固定连接离子磁控区；所述离子磁控区内固定连接磁铁组，所述离子磁控区右端固定连接溅射口；所述磁控离子射流靶头整体金属结构左端固定连接铝合金散热底座；所述磁控离子射流靶头右端固定连接真空室。
在一个优选的实施方式中，所述所述磁控离子射流靶头右端固定连接真空室；所述真空室下端固定连接真空泵；所述真空室内左侧固定连接靶材阴极基板；所述真空室中心固定连接工件基体基板；所述真空室中心位置设有观察口为透明玻璃材质。
本发明的技术效果和优点：
1.本发明专利将传统的PVD真空离子溅射镀膜机进行了全面的改进，形成一种全新的PVD真空离子射流镀膜机，可有效降低特种特硬镀膜的生产成本，从而使高科技特种镀膜在工业大规模应用成为可能。
2.PVD真空离子镀膜使用时因为设备频率高、电流大，当电流在导体中流动时，会产生集肤效应，电荷会聚集在导体的表面积上，使导体的导电性发热。离子枪在工作过程中也会产生大量的热，过热产生不了高速离子流，磁铁因为温度过高磁能也会降低不能有效的束缚电子和离子，由于真空镀膜机磁控溅射靶头工作在真空状态，真空不利于传递热量，磁控溅射靶头的热量散热较慢，导致真空镀膜机的温度较高，容易导致真空镀膜机的损坏，影响工作效率，所以必须进行冷却处理。现有技术装置是真空镀膜机靶头内部水冷管道为蛇形弯曲管路结构，蛇形弯曲虽然使接触面增加但是由于水路过长往往导致离进水端近的溅射口温度低，有多个溅射口时水路越远温度越高，细小的温差也会影响离子和电磁场的状态，最终导致镀膜不均匀。传统技术装置需要冷却的时间也较长不便对真空镀膜机进行快速冷却，同时无法直观的了解到的温度变化，冷却水温度过高或者过低都会影响真空镀膜机靶头工作使用。本发明通过设置在靶头内部和磁铁基座内部采用介孔管作为导体冷却水流快速通过直接带走热量的直通结构，散热快速而均匀，比传统的结构更好的保证了靶头所有溅射口的温度一致，比传统的空腔走水结构更好的保证了冷却液体不被渗漏腐蚀靶头内部结构，保证了设备长期高效的运行。通过设置水温传感器和水流传感器收集温度和流量信息发送给水冷控制器，水冷控制器对温度和流量的信息处理得出控制指令，并发送给冷水机调节冷却水温度和出水流量以精确控制了靶头在一个恒定高效的温度下运行，从而确保离子溅射靶头的高效率长时间稳定运行。
3.目前传统的真空离子镀膜机的气体进气源设计均因为加工制造便利性而将单一进气管道直接接于真空室内，较为先进的真空离子镀膜机内部供气也是单一的气管直接放气在磁控溅射靶头空腔内，这样就造成了离进气口近的地方气体（如：氩气）浓度高，远的地方氩气浓度低，同时氩气在不断的消耗电离，氩气的密度和均匀度不稳定，最终造成离子溅射口喷射出的离子流强度不稳定，均匀度不稳定，影响待镀工件基片的成膜效果，降低了质量。本发明通过重新设置靶外直通进气管固定连接真空室内，靶外直通进气管分为靶外下进气管和靶外上进气管，进入真空室内的氩气从靶材的上下同时进入，保证了靶材表面在离化过程中的均匀一致，避免传统一管直通时靶材上下因为接触气体不匀而导致靶材有些区域还未离化，有些区域已经被离化击穿露出靶材基板。同时通过靶内分叉进气管采用均匀布局的一分二，二分四，四分八的树状分叉结构，气体从靶内气管阀进入后到达每一个出气点走过的路径相同，这种特殊的进气结构使出气流量均匀统一，使电离后形成的离子流密度能量均匀统一。
4.传统的靶内气体进入管腔时因为压力的不均衡，导致气流出气不均衡，往往造成离子流射出的能量有较大差异，离子流稳定性较差，磁控区无法很好的束缚控制离子加速，最终导致离子溅射不稳定，同时因为传统离子镀膜机内进气直冲靶头没有约束导致部分气体四处扩散，导致气体浪费严重，而产生的离子体撞击靶头的其他部件，又造成其他部件被污染，影响镀膜质量。本发明通过靶内分叉进气管管口的电离束流网可将刚刚形成的离子流统一方向，并进行加速，加速的离子流均匀的进入离子磁控区域，使得磁控区可以稳定的束缚控制离子流并更有效率的加速离子，精确控制的离子流可以获得更为稳定均衡高能的离子轰击射流，使溅射反应更激烈，沉积更均匀，为特种镀膜和特硬镀膜提供稳定的离子溅射射流，从而为高科技特种镀膜的工业生产提供了保证。
附图说明
图1为本发明的平面结构示意图。
图2为本发明水冷结构示意图。
图3为本发明进气和磁控结构示意图。
附图标记为：1、分叉进气装置，2、水冷控制装置，3、磁控离子射流靶头，4、真空室内装置，101、靶内进气控制器，102、真空室进气控制器，103、真空室下进气管，104、真空室上进气管，105、靶内分叉进气管，201、冷水机，202、水冷控制器，203、靶头直冷管道，204、水温传感器，205、水流传感器，301、电离区，302、电离束流网，303、磁铁组，304、离子磁控区，305、溅射口，306、铝合金散热底座，401、靶材，402、靶材阴极基板，403、观察口，404、工件基体基板，405、真空室，406、真空泵。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，另外，在以下的实施方式中记载的各结构的形态只不过是例示，本发明所涉及的一种PVD真空离子射流镀膜机并不限定于在以下的实施方式中记载的各结构，在本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式都属于本发明保护的范围。
实施例1，参照图1，本发明的一种PVD真空离子射流镀膜机，在工业生产特种金刚石镀膜的过程使用步骤为：工作人员将待镀基件置于置于真空室内的工件基体基板上，抽真空到10-3Pa，打开真空室进气控制器，对待镀基件进行氩离子清洗使基件表面去杂质纯净，然后通过水冷控制器将冷水机内冷却水通过靶头直冷管道送入磁控离子射流靶头内部进行精确控制靶头温度。工作人员打开靶内进气控制器，通过靶内分叉进气管充入99.99％高纯氩气，把石墨阴极加上-200v的负偏压，然后将电离区电压调到1200V,功率调到30KW，正极与溅射口相连，阴极和溅射口之间产生的等离子弧，离子弧是压缩弧，与自由电弧相比，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有能量集中、电弧稳定性好等特点，氩气被阴极和溅射口之间的等离子弧电离，通过电离束流网在磁控区被加速对齐然后从溅射口喷出形成高能等离子射流，离子射流轰击可将石墨基材的部分碳分子石墨结晶结构SP2分解成原子，原子再次重组为金刚石结晶结构SP3，SP2和SP3混合溅射沉积形成硬度较低的DLC类金刚石基膜层半成品，本次实例将DLC类金刚石基膜层厚度控制在4-6um之间。工作人员将石墨阴极加上-300v的负偏压，将电离区电压调调到1600V,功率调到50KW，形成更强的等离子电弧产生出能量巨大的等离子射流，其工作原理是在等离子射流轰击下石墨基材的碳分子石墨结晶结构SP2彻底分解成原子，原子高能溅射沉积再次重组为金刚石结晶结构SP3，由此获得纯金刚石结晶结构SP3膜层，本次实例将纯金刚石膜层厚度控制在10-12um之间。本次实例由于使用一种PVD真空离子射流镀膜机，可以精确控制靶头温度，气体流速，离子射流，最终获得了纯金刚石膜涂层，在的实际测试和金刚石几乎一致。
实施例2，参照图1，本实施例2与实施例1基本相同，所不同的仅仅是：溅射清洗完成后，先用在基体材料上沉积一层钛碳过渡层，再沉积类金刚石过渡层，最后沉积纯金刚石薄膜。具体操作步骤为在清洗完毕后在同一真空环境中使用含钛石墨靶材进行磁控离子溅射镀上第一层钛碳结合基膜层，所述含钛石墨靶材为石墨条与金属钛条按1:1的比例交错置于阴极基板上，在氩离子的冲击下含钛石墨靶材产生钛离子和石墨离子的混合离子源，离子溅射沉积在基件表面形成2-4um的第一层钛碳结合基膜层，工作人员再将含钛石墨靶材更换为纯石墨靶材，在钛碳结合基膜层上溅射沉积得到类金刚石基膜层；其工作原理是：类金刚石基膜层覆盖与钛碳结合基膜层表面，两者之间存在着大量的异质界面，可通过共格、半共格或非共格应变等形式有效降低DLC类金刚石基膜层内应力，同时可以抑制裂纹的的产生与扩散，增强DLC类金刚石基膜层的韧性，提高了膜层的沉积厚度，基体和镀膜结合更好，测试表明，使用本发明的一种PVD真空离子射流镀膜机制备的金刚石多层薄膜，具有更好的机械力学性能，韧性寿命价格等各方面都取得领先，在工业模具，计算机集成电路，汽车零部件，医疗器械等高科技特种镀膜领域都具有广泛的应用前景。
最后：以上所述的实施例仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种PVD真空离子射流镀膜机，其特征在于：PVD真空离子射流镀膜机包括分叉进气装置（1）、水冷控制装置（2）、磁控离子射流靶头（3）、真空室内装置（4）；所述分叉进气装置（1）右端固定连接磁控离子射流靶头（3）；所述分叉进气装置（1）上下固定连接真空室内装置（4）；所述水冷控制装置（2）右端固定连接磁控离子射流靶头（3）；所述磁控离子射流靶头（3）右端固定连接真空室内装置（4）。
2.根据权利要求1所述的一种PVD真空离子射流镀膜机，其特征在于：所述分叉进气装置（1）包括靶内进气控制器（101）、靶内分叉进气管（105）、真空室进气控制器（102）、真空室上进气管（104）、真空室下进气管（103）；所述靶内进气控制器（101）右端固定连接靶内分叉进气管（105），所述靶内分叉进气管（105）右端固定连接电离束流网（302）；所述真空室进气控制器（102）上端固定连接真空室上进气管（104），所述真空室上进气管（104）右端固定连接真空室（405）上部；所述真空室进气控制器（102）下端固定连接真空室下进气管（103），所述真空室下进气管（103）右端固定连接真空室（405）下部；说述靶内分叉进气管（105）采用均匀布局的一分二，二分四，四分八的树状分叉结构。
3.根据权利要求2所述的一种一种PVD真空离子射流镀膜机，其特征在于：所述水冷控制装置（2）包括冷水机（201）、水冷控制器（202）、靶头直冷管道（203）、水温传感器（204）、水流传感器（205）；所述冷水机（201）右端固定连接水冷控制器（202）；所述水冷控制器（202）右端固定连接靶头直冷管道（203）下端；所述靶头直冷管道（203）中端穿过并固定连接磁铁组（303），所述靶头直冷管道（203）中端穿过并固定连接溅射口（305）；所述靶头直冷管道（203）上端固定连接水温传感器（204），所述水温传感器（204）
左端固定连接水流传感器（205），所述水温传感器（204）和水流传感器（205）与水冷控制器（202）之间有传感控制线固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种一种PVD真空离子射流镀膜机，其特征在于：所述磁控离子射流靶头（3）包括电离区（301）、电离束流网（302）、磁铁组（303）、离子磁控区（304）、溅射口（305）、铝合金散热底座（306）；所述电离区（301）固定连接电离束流网（302）；所述电离束流网（302）左端固定连接靶内分叉进气管（105）；所述电离束流网（302）右端固定连接离子磁控区（304）；所述离子磁控区（304）内固定连接磁铁组（303），所述离子磁控区（304）右端固定连接溅射口（305）；所述磁控离子射流靶头（3）整体金属结构左端固定连接铝合金散热底座（306）；所述磁控离子射流靶头（3）右端固定连接真空室（405）。
5.根据权利要求4所述的一种一种PVD真空离子射流镀膜机，其特征在于：所述磁控离子射流靶头（3）右端固定连接真空室（405）；所述真空室（405）下端固定连接真空泵（406）；所述真空室（405）内左侧固定连接靶材阴极基板（402）；所述真空室（405）中心固定连接工件基体基板（404）；所述真空室（405）中心位置设有观察口（403）为透明玻璃材质。
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