CN1412343A - 双阴极—高频辉光离子渗镀设备及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明双阴极－高频辉光离子渗镀设备及工艺，是在双层辉光离子渗金属设备阴极和源极之间设置高频感应装置，此装置不是溅射供给源，是一个产生辉光放电电离体的无极放电装置，并具有辅助加热源极溅射材料和阴极工件的作用。利用高频感应装置所产生的强大磁场和电场使阴极和源极之间的辉光放电增强，离化率增加，从而提供了一种在导电材料的工件表面加速形成合金元素扩散层、沉积层及它们之间相互结合的复合渗镀层的设备和工艺方法。

Description

双阴极—高频辉光离子渗镀设备及工艺
一、技术领域
本发明双阴极-高频辉光离子渗镀设备及工艺属于等离子表面冶金的范畴。具体的来讲，是提供了一种利用高频装置加强阴极溅射及辉光放电的一种设备。并用此设备在一切导电材料的表面形成各种元素(包括金属元素和非金属元素)的扩散层、沉积层或扩散层+沉积层的单一或复合渗镀层。
二、背景技术
在利用气体放电等离子表面冶金的各种设备和工艺方法很多，主要有如：双层辉光离子渗金属设备与技术、多弧离子渗镀设备与技术、射频溅射离子镀设备与技术、磁控溅射离子镀设备与技术、直流二极溅射和直流三极或四极溅射镀设备与技术等。而以上的设备中直流二极溅射和直流三极或四极溅射镀设备与技术和磁控溅射离子镀设备与技术均是二极、或多极的直流辉光放电，各极的作用是通过离子轰击溅射，提供欲渗合金元素，且只能进行表面镀膜不能进行高温的渗入。射频溅射离子镀设备与技术，是单极、多极的交流辉光放电。射频极在此通过离子轰击溅射，直接提供合金元素，且也只能进行表面镀膜不能进行高温的渗入。多弧离子渗镀设备与技术是单极或多极的弧光交流放电，多弧离子渗镀极在此也是通过弧光放电，汽化和电离金属原子，提供合金元素的。双层辉光离子渗金属设备与技术，一阴极的作用是通过离子轰击溅射，提供欲渗合金元素，另阴极的作用是加热工件形成表面合金层。
本发明和以上设备与技术的最大的不同点是：①在双层辉光离子渗金属设备中具有两个直流辉光放电的阴极和源极中，加入了高频感应装置，此装置不是溅射供给源，而是一个产生放电电离体的无极放电的装置。其主要作用是利用强大的电场和磁场，使两个直流辉光放电的阴极和源极之间放电区中的等离子体，电子行程增长，电子能量增大，碰撞几率增加，离化率提高。当这两个直流辉光放电的阴极和源极之间产生空心阴极效应或不等电位空心阴极效应时，这种作用将使空心阴极放电进一步加强。②高频感应装置还有快速加热磁性材料作用。此时源极的溅射率大大增加，工件在这种强大的电场、磁场和快速周期性的加热状态下中，渗入速度加快，沉积层结合力好。③可使双层辉光离子渗金属时的工作真空度提高1～2个数量级。
三、发明内容
本发明双阴极-高频辉光离子渗镀设备及工艺，其目的在于是在双层辉光离子渗金属设备两个阴极之间设置高频感应装置，利用高频感应的强大磁场和电场使两个阴极之间的辉光放电增强，离化率增加，从而提供了一种在导电材料表面形成合金元素扩散层、沉积层及它们之间相互结合的复合渗镀层的设备和工艺。
本发明的设备是由提供欲溅射合金元素的源极1，放置工件的阴极2，工件3，真空容器的外壳(接地的阳极)4，高频感应装置5，辅助阴极6，高压直流溅射电源7和高压直流加热电源8，高频发生器9，抽真空系统10，进气系统11等组成。本发明设备的技术特征在于，提供欲溅射合金元素的源极1与高压直流溅射电源8的阴极相接，放置工件的阴极2与高压直流加热电源7的阴极相接，工件3置于放置工件的阴极2上的辅助阴极6内，高压直流溅射电源7和高压直流加热电源8的阳极均接在真空容器的外壳(接地的阳极)4上，高频感应装置5设置在辅助阴极6的外面，辅助阴极6放置在放置工件的阴极2上，，高频发生器9的两个极分别接在高频感应装置5的两个极上。
本发明设备中所涉及的高压直流溅射电源和高压直流加热电源，也可以是高压脉冲电源，电压的可调范围0～2000V。
本发明设备中所涉及的提供欲溅射合金元素的源极材料，是一切可导电的材料。
本发明设备中所涉及的高频发生器，其工作频率范围为两段：0.5KHZ～400KHZ和13.56MHZ及其整数倍(即13.56MHZ、27.12MHZ、40.68MHZ)。
本发明设备中所涉及的工件材料，是一切导电材料。
本发明设备中所涉及的真空容器的内壁及真空容器内的所有金属结构件，除源极溅射材料和工件材料外，均应由奥氏体不锈钢或非磁性导电材料制作。
本发明设备中所涉及的辅助阴极的结构应该是中空的结构，其目的是为了产生辉光放电中的等电位和不等电位空心阴极效应，中空的辅助阴极可以是方桶形、圆形桶、长方桶形等，其材质或是金属或是石墨。
本发明设备中所涉及的高频感应装置可以是螺旋式的、平板式的、圆形的、椭圆形或方形的，可以是一匝也可以是多匝。
本发明工艺中所涉及的工作参数：高压直流溅射电源、高压直流加热电源或脉冲直流高压电压-200V～-2000V，高频发生器的阳极电压3000V～13500V，高频发生器的槽路电压3000V～10000V，高频发生器的阳极电流0.2A～4A，高频发生器的栅极电流0.1A～0.7A，工作温度500℃～1300℃，极限真空度5Pa×10-4Pa，工作真空度10-2Pa～103Pa，保温时间视工艺要求而定，充入气体介质Ar或N2或NH3或CH4或H2，可使工件表面形成氮化、渗碳或碳-氮共渗层。
本发明的工艺技术特征是，在已处于空心阴极效应、不等电位空心阴极效应作用之下较强辉光放电的渗金属工作状况下，又加入了高频感应装置，由于其所产生的强大电场和磁场作用，增加了电子的能量和飞向阳极的行程，增大了电子的碰撞几率，离化率将大大增加将使离化率增加，辉光放电电流增大。空心阴极效应将进一步得以加强。离子流将源极中的元素以原子、离子或各种粒子的形式溅射出来，辅助阴极的作用有两个：一是升温、保温，产生空心阴极效应，二是将各种元素粒子束缚在空腔内，形成较高的渗入元素气氛，使原子极快的吸附在工件表面，扩散进入工件内部，形成表面渗层或沉积层。。如此时工作介质含有NH3或氮气，和含碳气氛，则会使工件表面形成氮化、渗碳或碳-氮共渗层。
本发明的优点是：①高频感应装置的加入，所产生的强大电场和磁场作用，增加了电子的能量和飞向阳极的行程，增大了电子的碰撞几率，离化率将大大增加将使离化率增加，辉光放电电流增大，空心阴极效应进一步得以加强。②高频感应装置的加入，可以对源极和工件起快速加热的作用。③高频感应装置的加入，可以使放电工作气压比直流放电工作气压降低12个数量级，增加了渗镀层结合力。④高频感应装置的加入，使渗入元素速度、沉积速度加快。
四、附图说明
附图1是双阴极-辉光放电离子渗镀设备及工艺的结构安装示意图
附图1中的标号分别为：
溅射合金元素的源极1，放置工件的阴极2，工件3，真空容器的外壳(接地的阳极)4，高频感应装置5，辅助阴极6，高压直流溅射电源7和高压直流加热电源8，高频发生器9，抽真空系统10，进气系统11等组成。
附图2是附图1中高频感应装置5的结构简图。
五、具体实施方式
具体实施情况如图所示。将尺寸为Φ40×25mm(直径×高)，材质为20钢的工件3，放置在桶状的，尺寸为Φ80×50mm(直径×高)中空的辅助阴极6内，源极1材料选择W-Mo作为溅射元素。在辅助阴极的外面设置Φ90×7mm(直径×匝数)的高频感应装置5。抽真空达极限真空度5Pa×10-4Pa以上，充入气体介质Ar到工作真空度10Pa，先加入高频阳极电压10000V，调整槽路电压6000V，阳极电流1A，栅极电流0.2A，再给工件加高压直流加热电压-400V。给源极加高压直流溅射电压-1000V。升到工作温度1100℃，保温1小时。缓慢冷却到50℃以下，出炉取出试样。可以获得60微米的W-Mo扩散层和2微米的W-Mo沉积层。

Claims (9)

1.本发明双阴极-高频辉光离子渗镀设备及工艺，其特征在于，是在双层辉光离子渗金属设备两个阴极之间设置高频感应装置，主要由提供欲溅射合金元素的源极(1)，放置工件的阴极(2)，工件(3)，真空容器的外壳(接地的阳极)(4)，高频感应装置(5)，辅助阴极(6)，高压直流溅射电源(7)和高压直流加热电源(8)，高频发生器(9)，抽真空系统(10)，进气系统(11)组成，提供欲溅射合金元素的源极(1)与高压直流溅射电源(8)的阴极相接，放置工件的阴极(2)与高压直流加热电源(7)的阴极相接，工件(3)置于放置工件的阴极(2)上的辅助阴极(6)内，高压直流溅射电源(7)和高压直流加热电源(8)的阳极均接在真空容器的外壳(接地的阳极)(4)上，高频感应装置(5)设置在辅助阴极(6)的外面，辅助阴极(6)放置在放置工件的阴极(2)上，，高频发生器(9)的两个极分别接在高频感应装置(5)的两个极上。
2.按照权利要求1所述的双阴极高频辉光离子渗镀设备及工艺所涉及的高压直流溅射电源(7)和高压直流加热电源(8)，也可以是高压脉冲电源，电压的可调范围0～2000V。
3.按照权利要求1所述的双阴极-高频辉光离子渗镀设备及工艺所涉及的提供欲溅射合金元素的源极(1)的材料是导电的材料。
4.按照权利要求1所述的双阴极-高频辉光离子渗镀设备及工艺所涉及的高频发生器(9)，其工作频率范围为两段：0.5KHZ～400KHZ和13.56MHZ及其整数倍，即13.56MHZ、27.12MHZ、40.68MHZ。
5.按照权利要求1所述的双阴极-高频辉光离子渗镀设备及工艺所涉及的工件材料，是一切导电材料。
6.按照权利要求1所述的双阴极-高频辉光离子渗镀设备及工艺所涉及的真空容器的内壁及真空容器内的所有金属结构件，除源极溅射材料和工件材料外，均应由奥氏体不锈钢或非磁性导电材料制作。
7.按照权利要求1所述的双阴极-高频辉光离子渗镀设备及工艺所涉及的辅助阴极结构应该是中空的结构，中空的辅助阴极可以是方桶形、圆形桶、长方桶形等，其材质或是金属或是石墨。
8.按照权利要求1所述的双阴极-高频辉光离子渗镀设备及工艺所涉及的高频感应装置可以是螺旋式的、平板式的、圆形的、椭圆形或方形的，可以是一匝也可以是多匝。
9.采用上述双阴极-高频辉光离子渗镀设备及工艺其特征在于，首先工件(3)，放置在中空的辅助阴极6内，提供欲溅射合金元素的源极(1)的材料选择W-Mo作为溅射元素，而后在辅助阴极的外面设置高频感应装置(5)，抽真空达极限真空度5Pa×10-4Pa以上，充入气体介质到工作真空度，先加入高频阳极电压，调整槽路电压，再给工件加高压直流加热电压，给源极加高压直流溅射电压，升到工作温度保温1小时，缓慢冷却可以获得60微米的W-Mo扩散层和2微米的W-Mo沉积层，工艺参数为：高压直流溅射电源、高压直流加热电源或脉冲直流高压电压-200V～-2000V，高频发生器的阳极电压3000V～13500V，高频发生器的槽路电压3000V～10000V，高频发生器的阳极电流0.2A～4A，高频发生器的栅极电流0.1A～0.7A，工作温度500℃～1300℃，极限真空度5Pa×10-4Pa，工作真空度10-2Pa～103Pa，保温时间视工艺要求而定，充入气体介质Ar或N2或NH3或CH4或H2，可使工件表面形成氮化、渗碳或碳-氮共渗层。
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