CN117604475A - 一种半球工件镀膜加工装置及镀膜方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种半球工件镀膜加工装置及镀膜方法，其中半球工件镀膜加工装置包括：壳体，所述壳体内安装有磁控靶以及转动机构，所述转动机构包括公自转平台，所述磁控靶的溅射区域对所述公自转平台的位置区域完全覆盖；所述公自转平台包括公转机构以及自转机构，半球工件放置在所述自转机构上，在公转以及自转的状态下得到磁控溅射镀膜。本发明能够有效改善石英半球谐振子半球工件的镀膜工况，保证镀膜均匀性。

Description

一种半球工件镀膜加工装置及镀膜方法

技术领域

本申请涉及工件镀膜技术领域，具体而言，涉及一种半球工件镀膜加工装置及镀膜方法。

背景技术

石英半球谐振子是制造高精度半球谐振陀螺的关键，而球面金属化镀膜工艺是半球谐振子制造的重要工艺环节，如何保证对其均匀镀膜，是保障谐振子具有优异性能的基础。

石英半球谐振子作为半球工件，其内壁及外壁一般通过磁控溅射技术沉积均匀金属薄膜，在现有的镀膜过程中，多个谐振子在较大转盘的带动下，交替进入磁控靶的溅射区域，由于多个半球工件交替进入磁控靶的溅射区域，这样镀膜的时间和周期很难控制，例如其中一个工件在镀膜区域完全进出了三次，而另一个工件只能进出两次，这种情况下每个半球工件镀出的膜层厚度很难保证一致。

半球工件进入溅射区域时，很难保证每次进入溅射区域的镀膜部位是上一次没有得到镀膜的部位，无法保证每个半球镀膜的均匀性。

发明内容

本申请的目的是提供一种半球工件镀膜加工装置及镀膜方法，能够有效改善石英半球谐振子半球工件的镀膜工况，保证镀膜均匀性。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种半球工件镀膜加工装置，包括：壳体，所述壳体内安装有磁控靶以及转动机构，所述转动机构包括公自转平台，所述磁控靶的溅射区域对所述公自转平台的位置区域完全覆盖；

所述公自转平台包括公转机构以及自转机构，半球工件放置在所述自转机构上，在公转以及自转的状态下得到磁控溅射镀膜。

在可选的实施方式中，所述自转机构包括设置在所述公自转平台上的三个，三个所述自转机构在所述公自转平台的周向上间隔均布。

在可选的实施方式中，所述自转机构上安装有用于承载所述半球工件的承载工装，所述承载工装包括正装工装以及反装工装，所述正装工装以及所述反装工装可拆卸地连接在所述自转机构上。

在可选的实施方式中，所述壳体上安装有离子源发射器，所述离子源发射器的照射区域与所述公自转平台的位置相对；

所述离子源发射器及所述磁控靶设置在所述公自转平台的两侧，且相对所述公自转平台相向倾斜设置。

在可选的实施方式中，所述壳体上还安装有用于在镀膜过程进行物理修正的掩膜机构，所述掩膜机构包括设置在所述壳体外部的掩膜驱动组件，以及穿过伸入所述壳体的掩膜轴套，所述掩膜轴套可拆卸地连接有掩膜工装。

在可选的实施方式中，所述壳体内部设置有铠装加热器，所述铠装加热器设置在所述公自转平台的径向外侧，包括罩设在所述公自转平台外部的敞口套筒。

在可选的实施方式中，所述壳体底部外侧设置有驱动组件以及传动组件，所述驱动组件包括相续安装的驱动电机、减速机以及驱动同步带轮，所述传动组件包括传动同步带轮，所述驱动同步带轮与所述传动同步带轮通过皮带同步转动，所述传动同步带轮连接有传动轴，所述传动轴穿插经过设置在所述壳体上的密封磁流体伸入壳体，且在所述传动轴的顶端连接有底部转盘。

在可选的实施方式中，所述公转机构包括公转旋转台，所述公转旋转台与所述底部转盘之间通过支撑柱固定连接，所述公转旋转台上安装有用于连接所述自转机构的轴承。

在可选的实施方式中，所述公转旋转台的上方设置有固定齿轮，所述自转机构包括自转传动轴，所述自转传动轴安装在所述轴承中且连接有自转齿轮，所述固定齿轮与所述自转齿轮啮合连接，所述自转齿轮包括位于顶部的安装凸台，所述承载工装可拆卸地连接在所述安装凸台上。

第二方面，本发明提供一种半球工件的镀膜方法，至少包括以下步骤：

将半球工件的敞口朝上正向安装在所述公自转平台上；

半球工装在公转以及自转的同时转动状态下，通过磁控靶对其里侧壁进行磁控溅射镀膜；

完成半球工件里侧壁的镀膜后，取下半球工件并将其敞口朝下反向安装在所述公自转平台上；

半球工装在公转以及自转的同时转动状态下，通过磁控靶对其外侧壁进行磁控溅射镀膜后完成镀膜。

通过设置的公自转平台，并使磁控靶的溅射区域对公自转平台的位置区域完全覆盖，能够使安装在公自转平台上的半球工装进行溅射镀膜，使磁控靶的溅射区域完全落在公自转平台的位置区域。

结合将半球工件放置在自转机构上，能够使半球工装在公转以及自转状态下进行镀膜。

在该种状态下，首先半球工装能够在完全覆盖的溅射镀膜区域中进行镀膜，保持相同的初始镀膜状态，在初始镀膜位置以及镀膜角度上无差别。

其次能够使半球工装在两种同步转动状态下控制镀膜时间的一致，当公自转平台停止运行后，每个半球工装均可保证相同的转动方向以及转动时间，达到无差别溅射镀膜的技术目的，在上述两个角度协同作用下，能够在最大程度上增强溅射镀膜的均匀性及一致性，保证产品质量。

本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请中半球工件镀膜加工装置的整体结构示意图；

图2为本申请中承载工装为正装工装时转动机构的结构示意图；

图3为本申请中承载工装为反装工装时转动机构的结构示意图；

图4为本申请中公自转平台的俯视结构示意图；

图5为本申请中掩膜机构的结构示意图；

图6为图5的侧视结构示意图。

图标：

1-壳体；11-铠装加热器；

2-磁控靶；

3-转动机构；31-公自转平台；32-公转机构；33-自转机构；

41-承载工装；42-底部转盘；43-公转旋转台；44-支撑柱；45-轴承；46-固定齿轮；47-自转传动轴；48-自转齿轮；49-安装凸台；

5-离子源发射器；

6-掩膜机构；61-掩膜驱动组件；62-联轴器；63-掩膜磁流体；64-抱紧环；65-光电开关；66-掩膜传动轴；67-掩膜轴套；68-掩膜工装；68a-安装杆；68b-安装柱；68c-掩膜件；

71-驱动电机；72-减速机；73-驱动同步带轮；74-传动同步带轮；75-皮带；76-传动轴；77-密封磁流体。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请中的半球工件镀膜加工装置，主要用于石英半球谐振子半球工件的溅射镀膜，通过改变半球工件在镀膜加工装置上的分布转动形式，增强半球工件镀膜的一致性。

进一步地，通过改变半球工件的镀膜加工方法，能够使半球工装的内外侧壁得到均匀一致的镀膜，提高产品的加工质量。

参见图1-图4，本发明中的半球工件镀膜加工装置，主体结构包括壳体1，壳体1构成半球工件的镀膜加工空间以及必要设备的安装空间，半球工件的磁控溅射镀膜加工环境条件与其他现有镀膜加工环境条件相同，壳体1优选磁控靶屏蔽罩的形式，隔离磁场对功能器件的干扰，并提供磁控溅射所需要的真空环境。

在壳体1内安装有磁控靶2以及转动机构3，磁控靶2主要通过磁场控制靶材的溅射，在半球工件的表面形成均匀、致密的薄膜。

转动机构3包括公自转平台31，通过将半球工件放置在公自转平台31所包括的自转机构33上，能够使自转机构33在公转的同时，带动半球工装在公自转平台31上自转，构成半球工件公转以及自转的同时转动，进而在公转以及自转的同步转动状态下得到磁控溅射镀膜。

通过使磁控靶2的溅射区域对公自转平台31的位置区域完全覆盖，能够保持每个半球工件相同的初始状态，能够同步得到磁控溅射的开启以及停止，从而为溅射镀膜的均匀性提供基础。

公自转平台31所形成的公转及自转的同时转动，主要从每个半球工装无差别的初始状态以及终止状态之间的转动，以及无差别的磁控溅射时间两个维度上保证半球工装溅射镀膜的均匀性。

首先，在开启公自转平台31时，所有的半球工件都在磁控靶2的磁控溅射范围内同步转动，在停止公自转平台31时，所有的半球工件都在磁控靶2的磁控溅射范围内停止转动，每个半球工装在公转及自转的初始状态及终止状态之间的镀膜区域范围是无差别的。

其次，所有的半球工装均放置在同一公自转平台31上，能够利于形成上述同步转动及停转的前提下，保持各个半球工件的磁控溅射时间相同。

另外，从自转的角度，所有的半球工装均在磁控靶2的磁控溅射范围内，没有差别；从公转的角度，所有的半球工装均能够在周向上保持相同的公转路径，与磁控靶2的相对位置在公转过程中相对均一，没有差别。

结合上述三种角度，能够使所有的半球工件在公转及自转的同步转动下，得到相同的磁控溅射，在最大程度上保证镀膜的均匀性及一致性。

在其中一个具体的实施例中，自转机构33包括设置在所述公自转平台31上的三个，三个所述自转机构33在所述公自转平台31的周向上间隔均布，半球工件在溅射镀膜时放置在自转机构33上。

通过减少半球工件的数量，能够减小公自转平台31的区域面积，使三个半球工件始终被磁控靶2的溅射区域所覆盖，避免半球工件进入镀膜区域的时间不同和单个半球工件在磁控靶2溅射区域镀膜时间的不同，有效规避了现有技术中多个半球工件交替进入溅射区域导致镀膜时间和周期无法控制的问题。

需要说明的有，本申请中并不对半球工件在公自转平台31上的放置数量进行限制，可通过改变磁控靶2和/或公自转平台31的尺寸，满足公自转平台31在磁控靶2的磁控溅射范围的要求即可。优选三个、五个或者七个等奇数个，能够满足公转以及自转同时转动的相对均衡稳定。

基于半球工件放置在自转机构33上进行溅射镀膜，在自转机构33上安装有用于承载所述半球工件的承载工装41，为了能够对半球工件的里侧壁以及外侧壁进行溅射镀膜，所述承载工装41包括正装工装以及反装工装，所述正装工装以及所述反装工装可拆卸地连接在所述自转机构33上。

在进行半球工件里侧壁的镀膜时，半球工件安装在正装工装上，使半球工件的碗面朝上，在公转及自转的同时状态下进行溅射镀膜。

在进行半球工件外侧壁的镀膜时，半球工件安装在反装工装上，使半球工件的碗面朝下，在公转及自转的同时状态下进行溅射镀膜。

在另一个具体的实施例中，在壳体1上安装有用于在镀膜前对半球工件表面进行轰击的离子源发射器5，离子源发射器5能够在镀膜前用离子轰击工件表面，达到清洗表面的目的，同时在轰击后能够使半球工件的表面出现微观状态下的凹凸面，利于膜层在工件表面的附着。

具体地，离子源发射器5的照射区域与公自转平台31的位置相对，能够使放置在公自转平台31上的工件得到完全处理。

进一步地，离子源发射器5及磁控靶2设置在公自转平台31的两侧，能够减少两种设备之间的干涉。优选地，离子源发射器5及磁控靶2相对所述公自转平台31相向倾斜设置，能够使离子轰击以及溅射镀膜分别在公自转平台31的两侧进行，能够保证工件表面处理的有效性。

为了能够更好地提高镀膜均匀性，壳体1上还安装有用于在镀膜过程中进行物理修正的掩膜机构6，通过实验和镀膜均匀性数据分析，设计出特定形状的用于修正的掩膜工装68，掩膜工装68安装在镀膜区域的通道上，把不均匀的位置部分进行遮挡，从而达到提高镀膜均匀性的技术目的。

结合图5-图6，具体地，掩膜机构6包括设置在壳体1外部的掩膜驱动组件61，以及穿过伸入壳体1的掩膜轴套67，掩膜工装68可拆卸地连接在掩膜轴套67上。

掩膜驱动组件61具体为步进电机的形式，安装在电机安装板上，通过联轴器62将掩膜磁流体63的掩膜传动轴66和步进电机输出轴连接在一起，抱紧环64两半式抱紧安装在联轴器62上。光电开关65安装在光电开关安装板上，光电开关安装板固定在电机安装板上。掩膜磁流体63安装在壳体1真空腔刀口密封法兰上，掩膜传动轴66的底端伸入壳体1的真空腔内，掩膜轴套67通过螺钉压紧在磁流体转轴上。

掩膜轴套67为中空结构，掩膜工装68包括不同形状以及不同类型的掩膜件68c，以及与掩膜件68c连接的安装杆68a，掩膜件68c可以为掩膜方板、掩膜半圆板或者掩膜锥板等结构形式，安装杆68a可拆卸地插接在掩膜轴套67中，并可进行活动伸缩，在调整伸缩部位后通过螺钉固定。

安装杆68a可以上下调节伸出长度，安装柱68b连接在安装杆68a上，掩膜件68c的修正板件连接在安装柱68b上，实现掩膜工装68的整体结构相对掩膜轴套67进行高度的调节。

步进电机转动后通过联轴器62带动掩膜磁流体63的掩膜传动轴66转动，使修正板件跟随步进电机同步转动，实现溅射镀膜过程中动态的掩膜修正。

为了提高镀膜的附着力，在壳体1内部设置有铠装加热器11，铠装加热器11设置在公自转平台31的径向外侧，包括罩设在公自转平台31外部的敞口套筒。通过敞口套筒结构形式的铠装加热器11，能够对公自转平台31形成围裹加热的形式，镀膜前和镀膜过程中都可以提供稳定的加热温度，改善镀膜质量，提高镀膜在半球工件表面上的附着力。

从公自转平台31带动半球工件转动的角度，在其中一个优选的实施例中，转动机构3包括设置在所述壳体1底部外侧的驱动组件以及传动组件，所述驱动组件包括相续安装的驱动电机71、减速机72以及驱动同步带轮73，所述传动组件包括传动同步带轮74，所述驱动同步带轮73与所述传动同步带轮74通过皮带75同步转动，所述传动同步带轮74连接有公转传动轴76，公转传动轴76穿插经过设置在所述壳体1上的密封磁流体77伸入壳体1，且在公转传动轴76的顶端连接有底部转盘42。

具体地，驱动电机71为步进电机的形式，步进电机与减速机72以及驱动同步带轮73进行连接，驱动电机71转动带动减速机72和驱动同步带轮73转动，把转距通过皮带75以及传动同步带轮74传递至公转传动轴76，使公转传动轴76转动。

公转传动轴76在转动的同时，将转动扭矩传递至其顶端连接的底部转盘42上，带动底部转盘42转动。

进一步地，公自转平台31的公转机构32包括公转旋转台43，公转旋转台43与底部转盘42之间通过支撑柱44固定连接，使公转旋转台43能够跟随底部转盘42同步转动。

优选地，底部转盘42具体为设置在壳体1内的位于密封磁流体77上方的旋转法兰，在旋转法兰上设置有螺纹孔，支撑柱44底端和旋转法兰通过螺纹连接，公转旋转台43安装在支撑柱44的顶端。

公转旋转台43上均布有三对用于安装轴承45的台阶孔，用于连接自转机构33的轴承45安装在公转旋转台43上的台阶孔中。

从自转角度考虑，本实施例中公转旋转台43的上方设置有固定齿轮46，所述自转机构33包括自转传动轴47，所述自转传动轴47安装在所述轴承45中且连接有自转齿轮48，所述固定齿轮46与所述自转齿轮48啮合连接。

轴承45装到公转旋转台43和台阶孔后通过带有键的自转传动轴47与自转齿轮48连接，公转旋转台43在跟随底部转盘42同步转动的过程中，转动扭矩传递至自转齿轮48，自转齿轮48开始围绕公转旋转台43的旋转中心旋转，结合设置在公转旋转台43上方的固定齿轮46与自转齿轮48之间保持的啮合连接关系，以及固定齿轮46固定不转的状态，自转齿轮48围绕旋转中心旋转时，迫使自转齿轮48既围绕公转旋转台43的旋转中心旋转，又围绕自转齿轮48自身的轴向中心自转，最终实现公转以及自转的同时转动。

自转齿轮48包括位于顶部的安装凸台49，安装凸台49的侧壁设置有外螺纹，使安装凸台49构成自转齿轮48的螺纹柱，承载工装41包括位于中心的螺纹孔，通过将承载工装41旋拧到自转齿轮48的安装凸台49上，实现承载工装41在安装凸台49上的可拆卸连接。

承载工装41与安装凸台49螺纹配合的连接方式，便于承载工装41的更换，利于增强半球工件内侧壁及外侧壁镀膜切换操作的便捷性。

本发明还提供了一种半球工件的镀膜方法，至少包括以下步骤：

将半球工件的敞口朝上正向安装在所述公自转平台31上，半球工件具体放置在与自转齿轮48连接的正装工装上，并在公转以及自转的同时转动状态下，对半球工装的里侧壁表面进行离子轰击，进行表面处理后，通过磁控靶2对半球工装的里侧壁进行磁控溅射镀膜；

完成半球工件里侧壁的镀膜后，取下半球工件以及正装工装，将反装工装连接在自转齿轮48上；

将半球工件的敞口朝下反向安装在所述公自转平台31上，半球工件具体放置在与自转齿轮48连接的反装工装上，并在公转以及自转的同时转动状态下，对半球工装的外侧壁表面进行离子轰击，进行表面处理后，通过磁控靶2对半球工装的外侧壁进行磁控溅射镀膜，完成半球工件的整体镀膜。

在上述内外侧壁溅射镀膜过程中，通过掩膜机构6实时进行物理修正，进一步确保镀膜的均匀性。

由于在镀膜过程中，工艺气体流量、磁控靶2电源功率、真空状态的稳定、磁控靶2自身的磁场分布等，对镀膜的均匀性都有影响。

工件形状大小不一的前提下，同样的工艺参数，镀出的膜层结果往往各不相同。通过设置掩膜机构6在镀膜过程中进行物理修正，将掩膜板件安装在磁控靶2溅射通道上，通过对镀膜结果的数据测量和分析，对工件镀膜长膜快的地方进行遮挡，从而达到镀膜的均匀性。

通过本发明中半球工件的镀膜方法，能够极大提高半球工装镀膜的均匀性以及一致性，确保每个半球工件在同次溅射镀膜后，膜层厚度的一致性，以及半球工件表面镀膜的均匀性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半球工件镀膜加工装置，其特征在于，包括：壳体，所述壳体内安装有磁控靶以及转动机构，所述转动机构包括公自转平台，所述磁控靶的溅射区域对所述公自转平台的位置区域完全覆盖；

所述公自转平台包括公转机构以及自转机构，半球工件放置在所述自转机构上，在公转以及自转的状态下得到磁控溅射镀膜。

2.根据权利要求1所述的半球工件镀膜加工装置，其特征在于，所述自转机构包括设置在所述公自转平台上的三个，三个所述自转机构在所述公自转平台的周向上间隔均布。

3.根据权利要求1所述的半球工件镀膜加工装置，其特征在于，所述自转机构上安装有用于承载所述半球工件的承载工装，所述承载工装包括正装工装以及反装工装，所述正装工装以及所述反装工装可拆卸地连接在所述自转机构上。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的半球工件镀膜加工装置，其特征在于，所述壳体上安装有离子源发射器，所述离子源发射器的照射区域与所述公自转平台的位置相对；

所述离子源发射器及所述磁控靶设置在所述公自转平台的两侧，且相对所述公自转平台相向倾斜设置。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的半球工件镀膜加工装置，其特征在于，所述壳体上还安装有用于在镀膜过程进行物理修正的掩膜机构，所述掩膜机构包括设置在所述壳体外部的掩膜驱动组件，以及穿过伸入所述壳体的掩膜轴套，所述掩膜轴套可拆卸地连接有掩膜工装。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的半球工件镀膜加工装置，其特征在于，所述壳体内部设置有铠装加热器，所述铠装加热器设置在所述公自转平台的径向外侧，包括罩设在所述公自转平台外部的敞口套筒。

7.根据权利要求3所述的半球工件镀膜加工装置，其特征在于，所述壳体底部外侧设置有驱动组件以及传动组件，所述驱动组件包括相续安装的驱动电机、减速机以及驱动同步带轮，所述传动组件包括传动同步带轮，所述驱动同步带轮与所述传动同步带轮通过皮带同步转动，所述传动同步带轮连接有传动轴，所述传动轴穿插经过设置在所述壳体上的密封磁流体伸入壳体，且在所述传动轴的顶端连接有底部转盘。

8.根据权利要求7所述的半球工件镀膜加工装置，其特征在于，所述公转机构包括公转旋转台，所述公转旋转台与所述底部转盘之间通过支撑柱固定连接，所述公转旋转台上安装有用于连接所述自转机构的轴承。

9.根据权利要求8所述的半球工件镀膜加工装置，其特征在于，所述公转旋转台的上方设置有固定齿轮，所述自转机构包括自转传动轴，所述自转传动轴安装在所述轴承中且连接有自转齿轮，所述固定齿轮与所述自转齿轮啮合连接，所述自转齿轮包括位于顶部的安装凸台，所述承载工装可拆卸地连接在所述安装凸台上。

10.一种半球工件的镀膜方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

将半球工件的敞口朝上正向安装在公自转平台上；

半球工装在公转以及自转的同时转动状态下，通过磁控靶对其里侧壁进行磁控溅射镀膜；

完成半球工件里侧壁的镀膜后，取下半球工件并将其敞口朝下反向安装在公自转平台上；

半球工装在公转以及自转的同时转动状态下，通过磁控靶对其外侧壁进行磁控溅射镀膜后完成镀膜。