CN205443434U - 一种真空复合离子镀膜机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于硬质薄膜材料制备设备，特别涉及一种真空复合离子镀膜机，在镀膜室（1）的顶部装有引弧触发器（32），镀膜室的内壁装有6组阴极靶材，呈360度等间距分布，其中2组溅射靶（8）（相对放置），4组电弧靶（24）（相对放置），在引弧触发器正下方是旋转盘（20），上面装有基架（21），基片（22）被固定在基架上，旋转盘通过支座（18）与转轴（13）相连，轴的另一端装有可调速电机（14），热电偶（19）从基片的一侧引出，Ar和反应气体进气口设在镀膜室上方两侧，真空系统（15）抽气口设置在其右下角底部，真空计（28）安装在镀膜室右上角顶部，偏压电源系统设在镀膜室外围，一种真空复合离子镀膜机提高了阴极靶材的利用率和薄膜的沉积效率，实现靶材的独立控制，并且为纳米多元复合膜及多层纳米结构硬质薄膜的制备提供方法。
Description
技术领域
本实用新型属于硬质薄膜材料制备设备，特别涉及一种真空复合离子镀膜机。
背景技术
在机械制造业中，切削刀具的表面通常需要镀覆一层防护性的硬质薄膜以避免或降低基体的磨损、腐烛和氧化，进而延长其服役寿命，降低生产成本，提高经济效益。随着切削业加工精度的不断提高，高精度、高效、环保等特点逐渐显露，对刀具的综合性能提出了更高要求。过渡族金属的氮化物、碳化物、硼化物等金属间化合物以及一些金属氧化物薄膜因具有硬度大、韧性适宜、化学稳定性好等优点已成为目前理想的硬质防护薄膜。当前，物理气相沉积（PVD）技术中多弧离子镀和磁控溅射技术是制备上述硬质薄膜的主要方法，两种技术各有特点，但随着薄膜制备技术的发展，单一硬质薄膜制备技术的弊端逐渐突显，国内外在结合二者优点，利用多弧离子镀和磁控溅射技术复合制备硬质薄膜鲜有报道。为了进一步提高这些硬质防护薄膜的综合性能，除了需要对它们进行“合金化”，制备多元、多层结构和复合薄膜，使薄膜的综合性能达到更高的要求，还要创造或创新新的薄膜制备技术，而利用多弧离子镀与磁控溅射复合技术可以提高薄膜的沉积效率、减少镀膜室内部污染、提高薄膜质量等，为制备这类高性能的薄膜提供借鉴。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种操作方便、节约材料、应用广泛、沉积效率高、镀层成分准确及质量好的复合离子镀膜机，扩大复合离子镀机的应用领域。
本实用新型解决技术问题采用的技术方案是：多功能复合离子镀膜机包括引弧触发器、阴极靶材、靶支架、激磁线圈、基片、基架、旋转盘、真空计、热电偶、进气阀、排气阀、挡板、电机、偏压电源、真空系统、反应气体流量计等组成，其特点是镀膜机的顶部装有引弧触发器，镀膜室的内壁装有6组靶材，呈360度等间距分布，其中2组溅射靶（相对放置），4组电弧靶（相对放置），在引弧触发器正下方是旋转盘，上面是基架，基片固定在基架上，旋转盘通过支座与转轴相连，轴的另一端是可调速电机，热电偶从基片的一侧引出，进气口在镀膜室上方两侧，真空系统在其右下角底部，真空计安装在镀膜室右上角顶部，偏压电源系统放置在镀膜室外围。
本实用新型的有益效果是：对传统单一的多弧离子镀和磁控溅射技术进行复合，改进内部结构，实现相同阴极靶材的对向溅射，各个靶材可独立控制，提高其离化率和薄膜在基体表面的沉积效率，节约材料，提高薄膜的质量。对于含C原子的多元或多层硬质薄膜，例如TiCN、TiN/TiCN、TiAlCN等，采用高纯度的固体石墨靶作为C源可大大减少或避免气体C源载体如CH4或CH2等对镀膜室内部结构的污染，同时，可以保证薄膜中C原子含量的稳定，为后续薄膜组织结构和性能的研究奠定基础。另外，在结构的改进上，本发明在多弧离子镀基础上应用直流叠加脉冲偏压技术，这为多元纳米晶复合膜和纳米多层结构薄膜的制备提供借鉴，例如Ti-Si-C--N薄膜是由nc-Ti（C,N）和a-Si3N4/a-C组成的复相结构。还有靶材功率改变和反应气体的注入可实现线性变化，为梯度薄膜的制备提供帮助，这样可以提高膜基结合力、降低内应力和改善薄膜的塑韧性。
附图说明
以下结合附图以实施例具体说明。
图1是一种真空复合离子镀膜机结构主视图。
图2是图1局部电弧靶结构侧视图。
图中，1-镀膜室；2-氩气控制阀；3-轴套；4-手柄；5-挡板；6-激励线圈；7-靶支架；8-溅射靶材；9-线圈盒；10-引线；11-直流偏压电源；12-脉冲偏压电源；13-转轴；14-可调速电机；15-真空系统；16-排气阀；17-升降器；18-支座；19-热电偶；20-旋转盘；21-基架；22-基片；23-稳弧线圈；24-电弧靶材；25-绝缘体；26-气体流量计；27-反应气体控制阀；28-真空计；29-阳极；30-限域环；31-阴极蒸发源；32-引弧触发器；33-冷却水。
具体实施方式
实施例，参照附图1、2，一种真空复合离子镀膜机在镀膜室1的顶部装有引弧触发器32，与其紧邻的是阴极蒸发源31，蒸发源背后通有循环冷却水33，镀膜室的内壁四周装有6组阴极靶材，包括2组溅射靶8（相对放置）和4组电弧靶24（相对放置），并呈360度等间距分布，阴极靶材被固定在靶支架7上，其前方设有挡板5，通过手柄4旋转实现挡板的转动，电弧靶前方两侧装有稳弧线圈23，溅射靶背部装有激励线圈6，绝缘体25作为阴极靶材的屏蔽板与地相连。在引弧触发器正下方是旋转盘20，上面装有基架21，基片22被固定在基架上，旋转盘通过支座18与转轴13相连，轴的另一端装有可调速电机14，轴与镀膜室通过升降器17连接，升降器可实现旋转盘的在垂直方向的移动，热电偶19从基片的一侧引出设置在镀膜室外围，Ar和反应气体进气口设在镀膜室上方两侧，反应气体进气口另一端装有反应气体流量计26，其气体注入速度可设置，真空系统15抽气口设置在其右下角底部，Ar控制阀2，排气阀16，反应气体控制阀27实现气体的流入与关闭，真空计28安装在镀膜室右上角顶部，时刻检测镀膜室内部的真空度，偏压电源设在镀膜室外围，其负极与基片连接，正极接地。
一种真空复合离子镀膜机的工作原理是：镀膜开始前打开15，开启机械泵、真空泵进行抽真空，当镀膜室真空度达到3×10-3~9×10-3Pa时，关闭15，打开2充入Ar直至镀膜室中气压约为0.1~0.5Pa时关闭2。其次对基体预热60min至预定温度，调节11使直流偏压到预定参数值，用Ar+辉光放电效应对基体进行辉光清洗直至没有火花为止，在同样气压、偏压条件下转动3去除7，开启8和24的电源，利用靶材离子对基底表面进行溅射清洗5~15min。然后将基体直流负偏压降至0~200V并调节弧靶电流为50~80mA，为改善薄膜与基体之间的结合力，用弧光放电效应在基体表面预先沉积过渡层10min，以增加膜基结合力，达到沉积时间调节12，之后打开26和27，向镀膜室注入反应气体，总气压达到预设值后关闭26和27，开始沉积薄膜，当沉积时间达到规定要求后，切断电源，停止沉积，样品在沉积室中冷却至室温，取出样品。至此，样品沉积过程结束。在薄膜沉积过程中，可以根据要求实现溅射靶功率和反应气体注入的缓慢变化，达到所沉积薄膜成分在厚度方向呈梯度变化。同时，偏压系统的电参数值、调制周期、基片的高度，旋转盘的转速、基片温度、沉积室气压、靶材功率、靶基距、沉积时间等也可以根据要求设置不同的值，以便制备不同工艺参数下的薄膜、多元纳米复合膜以及纳米多层结构薄膜，为薄膜的微观组织结构和性能的研究奠定基础。镀膜试样采用尺寸为20mm×15mm×2mm的基底，数量若干，依次用粗糙度不同的水磨砂纸对基体进行逐级打磨，之后抛光。再经15min超声波清洗及丙酮表面去污、去油处理后，置于一种真空复合离子镀膜机中，弧源选用高纯度靶材。反应气体纯度为99.99%，保护气体为Ar。镀膜沉积条件如表1：
表1镀膜沉积条件
| 沉积参数 | 数值 |
| 电弧靶电压 (V) | 20 ~ 25 |
| 电弧靶电流(A) | 50 ~ 80 |
| 电弧靶靶材 | 纯Ti、Al、Cr或合金靶等 (99.9%) |
| 磁控溅射靶电压 (V) | 600 |
| 磁控溅射靶电流(A) | ≦0.04 ~ 0.5 |
| 磁控溅射靶靶材 | 纯C（石墨）、Si等 (99.9%) |
| 反应气体 | N2、O2等 |
| 溅射气体 | Ar |
| 脉冲负偏压 (V) | 0 ~ 400 |
| 偏压电源频率 (kHz) | 40 |
| 占空比 (%) | 20 ~50 |
| N2分压 (Pa) | 0.1 ~ 0.8 |
| 基体温度 (℃) | 100 ~ 300 |
| 靶基距离 (m) | 0.1 ~ 0.3 |
| 基轴转速 | 2 ~ 10 r/min |
| 沉积时间 (min) | 30 ~ 60 |
Claims (1)
1.一种真空复合离子镀膜机，包括镀膜室（1）、引弧触发器（32）、阴极靶材（2组溅射靶（8）和4组电弧靶（24））、基片（22）、基架（21）、旋转盘（20）、真空计（28）、热电偶（19）、电机（14）、偏压电源（11）和（12）、真空系统（15）、反应气体流量计（26），其特征在于在镀膜室（1）的顶部装有引弧触发器（32），右侧装有真空计（28），镀膜室的内壁四周装有6组阴极靶材，包括2组溅射靶（8）（相对放置）和4组电弧靶（24）（相对放置），并呈360度等间距分布，阴极靶材被固定在靶支架（7）上，其前方设有挡板（5），电弧靶前方两侧装有稳弧线圈（23），溅射靶背部装有激励线圈（6），在引弧触发器正下方是旋转盘（20），上面装有基架（21），基片（22）被固定在基架上，旋转盘通过支座（18）与转轴（13）相连，轴的另一端装有可调速电机（14），热电偶（19）从基片的一侧引出设置在镀膜室外围，Ar和反应气体进气口设在镀膜室上方两侧，反应气体进气口另一端装有反应气体流量计（26），真空系统（15）抽气口设置在其右下角底部，偏压电源系统设在镀膜室外围。
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