CN207227531U - 一种类金刚石碳膜的双系统镀覆装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种类金刚石碳膜的双系统镀覆装置，该装置具有真空室，真空室中安置有线性离子源、中频磁控溅射孪生靶和阴极电弧离子镀蒸发离化源三大部件。本实用新型的双系统类金刚石碳膜的镀覆装置可以用来制备含氢的DLC、不含氢的DLC以及金属/DLC纳米多层膜；通过工艺参数的调整，可制备不同SP³和SP²比率的DLC膜，从而控制DLC的性能。在同一真空室内连续进行制备中间过渡层和镀覆DLC膜，不仅显著提高工作效率，还有效避免二次沾污。此外，通过线性离子源的清洗以及中频孪生靶磁控溅射得到合适的中间过渡层等措施，能够显著提高膜层的质量。

Description

一种类金刚石碳膜的双系统镀覆装置

技术领域

本发明涉及新材料和现代表面技术领域。尤其涉及一种类金刚石碳膜的双系统镀覆装置。

背景技术

碳原子有SP³、SP²和SP¹三种键合方式，因此碳可以形成不同类型的结构。类金刚石碳膜（diamond - Like Carbon，DLC）是一种含有SP³和SP²键、几乎不含SP¹的非晶态碳材料，结构上长程无序、短程有序。SP³键形成金刚石结构，而SP²键形成石墨结构。DLC的性能在很大程度上取决于SP³和SP²键的比率。通过工艺等因素的调整，可以对SP³和SP²键的比率进行控制，从而获得所预期的性能。

由于DLC是含有大量SP³键亚稳的碳材料，所以它的硬度、耐磨性、电阻率、电绝缘强度、热导率、化学惰性以及光学性能等接近金刚石，并且在制备上又比金刚石容易，制备成本较低，所以受到人们的高度关注，获得快速发展，已在机械、电子、光学、医学、声学、磁学以及其他领域取得广泛应用，并且有着良好的应用前景。一些科学家预测DLC将是21世纪应用最广泛、经济效益最大的新材料之一。

DLC按含氢与否可分为两种类型：

（1）含氢的DLC（a-c:H）拉曼光谱上特征峰为1552cm-1—1558cm-1的散漫峰，而金刚石的特征峰在1333cm-1处呈尖锐峰。这种膜可细分为三种：①含氢类聚合物非晶态碳膜；②含氢类金刚石碳膜，主要包含SP3和SP2两种杂化键，同时存在一定数量的C—H键，这种薄膜具有巨大的市场潜力；③含氢类石墨碳

膜，其与②的区别是SP²键占到70%，故具有石墨的特性，用一定的PVD技术可获得特殊结构，硬度适中，摩擦因素小，耐磨性好，并且在与钢铁材料摩擦时，不出现“触媒效应”。

（4）无氢的类金刚石碳膜

它又可细分为两种：① a—c膜，主要由SP3和SP2键碳原子相互混杂构成的三维网络；② ta—c膜，为四面体结构的非晶态，主要由超过80%的SP³键碳原子呈骨架构成，在性能上很接近金刚石膜。

由于形成金刚石的自由能高于石墨的自由能，将石墨转化为金刚石是非常困难的，因此合成DLC需要非平衡过程以获得亚稳SP³键合碳。目前DLC薄膜的沉积方法大致上可以分为两类：一是化学气相沉积（CVD），主要有离子束辅助CVD、微波等离子体CVD等；二是物理气相沉积（PVD），主要包括阴极电弧离子镀、磁控溅射、质量选择离子镀、脉冲激光熔融（PLA）沉积等。

为了深入研究多种DLC的结构、性能和工艺，以及更好的进行生产、提高质量和扩大应用，研究开发一类能综合制备多种质优而成本较低的DLC镀覆装备则是十分需要的。

实用新型内容

本实用新型要解决上述技术问题从而提供一种类金刚石碳膜的双系统镀覆装置。

一种类金刚石碳膜的双系统镀覆装置，它在同一真空室中设计安置了线性离子源、中频磁控溅射孪生靶和阴极电弧离子镀蒸发离化源（多弧靶）三大部件。其中线性离子源与中频磁控溅射孪生靶磁控溅射复合构成了镀覆含氢DLC的系统，阴极电弧离子镀与中频磁控溅射孪生靶磁控溅射复合构成了镀覆不含氢DLC的系统。在这两个系统中，都包含中频磁控溅射孪生靶磁控溅射，主要用来制备合适的中间过渡层，为镀覆优质的DLC膜提供必要的条件。并且，第二个系统还可用于镀覆金属/DLC纳米多层膜。该装置除上述三大部件外，同时备有良好的抽气、加热、充气、控制等部件，通过工艺等参数的调节，可控制SP³与SP²键的比率，从而获得所要求性能的类金刚石碳膜。

作为优选，在真空室壁上安置了两个对称分布的线性离子源，它们中轴线相交成60度；离子源的设计，是在阴、阳极之间通过施加电压产生由电子和离子构成等离子体，其中电子的运动受到正交电磁场的束缚，局限在一定区域呈旋转漂移运动，提高气体离化率，而离子在阴、阳极的电势差以及交叉电磁场所形成的霍尔电流共同作用下，从阴极的开口处引出，直接沉积在基材表面，形成DLC膜。

作为优选，在真空室门外安置了一对并排的中频磁控溅射圆柱孪生靶，可镀覆金属、合金和化合物等适合于类金刚石碳膜的中间过渡层，并且结构紧凑，靶材利用率高。

作为优选，在真空室壁两侧，对称安置两排多弧靶，按高度分为三层，每层有两个，它们的中轴线重合；为有效减少阴极电弧离子镀过程中颗粒的发射，除采取加强阴极冷却等措施外，还连接脉冲电源，通过间歇放电使阴极得到有效的冷却，进一步减少微滴。

作为优选，真空室外壳呈对称的八面体，线性离子源、中频磁控溅射圆柱孪生靶、阴极电弧离子镀蒸发离化源都沿室壁对称安置，工件转架安置在真空室中央与线性离子源、中频磁控溅射孪生靶、阴极电弧离子镀蒸发离化源保持合适的距离，同时安置或连接抽气、加热、充气、控制等部件，结构紧凑、控制严格，操作简便，制造成本较低。

本实用新型主要由真空室、抽气机组、控制柜三部分组成。在真空室有两个镀覆系统：

（1）“线性离子源—中频磁控溅射孪生靶磁控溅射”复合系统。该系统中线性离子源主要有两个用途：一是磁控溅射前对基材进行清洗，为溅射镀膜作好准备；二是使工作气体发生辉光放电，产生由电子和离子构成的等离子体，并成束引出，到达基材表面后直接沉积成膜。该系统的中频磁控溅射孪生靶磁控溅射主要用来在基材上制备合适的中间过渡层，为制备附着力上佳的DLC提供良好的基础。两者复合起来就可以制备优质的含氢DLC。

（2）“阴极电弧离子镀—中频磁控溅射孪生靶磁控溅射”复合系统。该系统中阴极电弧离子镀是用来制备不含氢的DLC，而中频磁控溅射孪生靶磁控溅射是用来制备良好的中间过渡层。在制备中间过渡层之前，可用线性离子源清洗基材表面。此外，在阴极电弧离子镀相对两排的弧靶，安置两种不同基材的靶，例如铬靶和石墨靶，就可制备如Cr/DLC那样的纳米多层膜。

综上所述，本实用新型的双系统类金刚石碳膜的镀覆装置可以用来制备含氢的DLC、不含氢的DLC以及金属/DLC纳米多层膜；通过工艺参数的调整，可制备不同SP³和SP²比率的DLC膜，从而控制DLC的性能。在同一真空室内连续进行制备中间过渡层和镀覆DLC膜，不仅显著提高工作效率，还有效避免二次沾污。此外，通过线性离子源的清洗以及中频磁控溅射孪生靶磁控溅射得到合适的中间过渡层等措施，能够显著提高膜层的质量。

附图说明

图1为本发明双系统类金刚石碳膜镀覆装置的一个横截面示意图。

图中，10-真空室外壳，21-线性离子源，22-转架，23-工件，24-阴极电弧离子镀蒸发离化源（靶），25-中频磁控溅射孪生靶，26-观察窗，100-真空室门。

具体实施方式

参阅图1。本实用新型的装置是在同一个真空室（10）内安装了两个对称分布的线性离子源（21），它们中轴线相交为60度；六个直径都为100毫米的阴极电弧离子镀蒸发离化源或称多弧靶（24）分成三层，每两个相对安装的多弧靶为一层，它们的中轴线重合；真空室中央安装了一套能使工件（23）公转和自转的转架（22）；在真空室门的内部安装一对平行排列的圆柱形中频磁控溅射孪生靶（25）；真空室门上安装了两个对称分布的观察窗（26），它们的中轴线相交于转架的中心点，夹角为60度。

真空室外壳呈对称八面体，各正对两面的直线距离为1000毫米，高度为950毫米，外壳用304不锈钢制造。正八面体真空室的一端与一个由油封旋转式真空泵、罗茨泵、涡轮分子泵、维持泵、阀门、管道等构成的真空机组连通。极限真空度为3×10^-4Pa ，由空载抽至8.0×10^-3Pa≤ 20min，漏率0.6Pa/h 。真空度由数显全自动复合真空计检测。

本装置的线性离子源，是在阴极与阳极之间施加电压，使C₂H₂与Ar混合气体发生辉光放电，产生由电子和离子构成的等离子体。其中电子的运动受到近似正交电场和磁场的束缚，局限在一定的区域呈旋轮漂移运动，增大了电子与气体原子的碰撞几率，从而提高气体的离化率；而离子在阳极和阴极电势差以及交叉电磁场所形成霍尔电流的共同作用下，从离子源阴极的开口处引出，直接沉积到基材表面，形成DLC膜。离子源的主要参数为：尺寸70×10cm，聚焦模式工作电压 > 300V，气体流量max25ccm/cm，工作气压 <10mTorr。

本装置的中频磁控溅射采用圆柱孪生靶，并排配制，它们的结构、材料、形状、尺寸与安装精度、工作环境都严格一致。频率为40KHz，正弦波形，对称供电，带有自匹配网络的中频交流磁控溅射电源。主要参数如下：尺寸Ø10cm×70cm，中频磁控溅射电源20KW。圆柱孪生靶在不工作时，将由屏蔽罩自动封闭，以免在进行其他镀膜和处理时受到污染。

本装置的阴极电弧离子镀采用阴极强制冷却的多弧离子镀蒸发离化源（或称多弧靶）。绝缘体将圆锥状阳极与圆板状阴极隔开。在蒸发离化源周围放磁场线圈。为有效减少阴极电弧离子镀过程中颗粒的发射，除采取加强阴极冷却等措施外，还连接弧脉冲电源，通过间歇放电使阴极得到更有效的冷却，进一步减少微滴。主要参数为：多弧靶直径Ø100mm，多弧靶电源250A，单极脉冲偏压电源20KW。

本装置真空室中的加热系统为铠加热管组件，27KW，最高温度350℃。

本装置真空室的充气系统由氩气、乙炔和氮气质量流量计组成，氩、氮、乙炔的最大流量分别为500、1000、200Sccm 。本装置的电气控制系统由工业电脑和PLC组成，手、自动控制，可自动记录、存储工艺过程。电路过载、断电、断气、断水、水温过高、水流量不足等，均会自动报警。

Claims (5)

1.一种类金刚石碳膜的双系统镀覆装置，其特征在于：该装置具有真空室，真空室中安置有线性离子源、中频磁控溅射孪生靶和阴极电弧离子镀蒸发离化源三大部件；其中线性离子源与中频磁控溅射孪生靶复合，构成了镀覆含氢类金刚石碳膜的系统；阴极电弧离子镀蒸发离化源与中频磁控溅射孪生靶复合，构成了镀覆不含氢类金刚石碳膜的系统；该装置除上述三大部件外，同时配备有抽气、加热、充气、控制部件。

2.如权利要求1所述的一种类金刚石碳膜的双系统镀覆装置，其特征在于：所述真空室的内壁上安置有两个对称分布的线性离子源，它们中轴线相交成60度。

3.如权利要求1所述的一种类金刚石碳膜的双系统镀覆装置，其特征在于：所述中频磁控溅射孪生靶在数量上为一对，它们并排地安装在真空室中。

4.如权利要求1所述的一种类金刚石碳膜的双系统镀覆装置，其特征在于：所述阴极电弧离子镀蒸发离化源具有两排，对称安装在所述真空室的内壁两侧，按高度分为三层，每层有两个，它们的中轴线重合。

5.如权利要求1所述的一种类金刚石碳膜的双系统镀覆装置，其特征在于：所述真空室的外壳呈对称的八面体，线性离子源、中频磁控溅射孪生靶、阴极电弧离子镀蒸发离化源都沿室壁对称安置，工件转架安置在真空室中央与线性离子源、中频磁控溅射孪生靶、阴极电弧离子镀蒸发离化源保持合适的距离，同时安置或连接抽气、加热、充气、控制部件。