CN217297997U - 真空腔室结构及真空镀膜设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种真空腔室结构及真空镀膜设备，所示真空腔室结构包括：包括一个设有镀膜区和后处理区的真空腔室，所述真空腔室的室壁上设有抽气口，所述真空腔室的镀膜区与后处理区之间设置有阻隔装置；所述阻隔装置对从所述后处理区扩散至所述镀膜区的气体分子进行物理阻隔和反射至所述抽气口抽离真空腔室；上述技术方案，在单一腔体的真空腔室结构形成两个独立工作区域，实现边镀膜边进行后处理的镀膜功能，提高了镀膜效率；同时避免了后处理区的气体分子对镀膜区造成污染，提升了镀膜质量。

Description

真空腔室结构及真空镀膜设备

技术领域

本申请涉及真空镀膜技术领域，尤其是涉及一种真空腔室结构及真空镀膜设备。

背景技术

真空镀膜技术广泛用于改善原有工件材料的特性和丰富其功能上。其主要技术是在真空条件下，利用磁控溅射、电阻蒸发镀膜、电子束蒸发镀膜等技术，对靶材或者膜料等镀膜材料进行溅射或者蒸发，在材料表面上沉积金属、合金、氧化物或者化合物等功能性薄膜，从而提高材料性能。

目前，在真空镀膜设备中，常用镀膜方法，一种技术是直接利用靶材在氧气/氮气环境下反应后溅射，沉积形成化合物薄膜，这种技术容易出现化合物溅射的不稳定现象；膜的缺陷密度高，容易出现坏点；靶材制备困难，且容易出现靶中毒·。另一种技术是先在真空腔室内通入纯净的镀膜气体(如氩气)进行镀膜，完成镀膜后将已镀膜的工件移至马弗炉来进行氧化/氮化处理，这种技术的两道工序之间操作复杂，后处理温度较高，而且后处理不够均匀；还有一种技术是在同一真空腔内进行镀膜和氧化/氮化处理，首先在氩气环境中，在工件上镀上目标厚度的膜层，然后排空真空腔室内的氩气，再利用离子源在氧气/氮气环境下对膜层进行氧化/氮化等后续处理，这种技术一定程度上提高了效率，但是需要将真空腔室环境进行频繁切换，镀膜效率不足，且膜层的氧化/氮化效果也欠佳；

综上所述，常规的真空镀膜技术，存在镀膜操作工艺复杂、镀膜效率低的缺陷，而且镀膜形成的膜层质量也不足。

实用新型内容

本申请的目的旨在解决上述的技术缺陷，提供一种真空腔室结构及真空镀膜设备，以简化镀膜操作工艺、提升镀膜效率和镀膜质量。

一种真空腔室结构，包括一个设有镀膜区和后处理区的真空腔室，所述真空腔室的室壁上设有抽气口，所述真空腔室的镀膜区与后处理区之间设置有阻隔装置；所述阻隔装置对从所述后处理区扩散至所述镀膜区的气体分子进行物理阻隔和反射至所述抽气口抽离真空腔室。

在一个实施例中，所述阻隔装置面向镀膜区一侧开设有供气口；其中，所述供气口连接至供气管道，用于向镀膜区注入镀膜气体。

在一个实施例中，所述真空腔室内设置有工件挂装结构，用于放置镀膜的工件；其中，所述工件随工件挂装结构进行转动，将工件送入镀膜区进行镀膜和送入后处理区进行后处理。

在一个实施例中，所述抽气口的数量为多个，分布设置在真空腔室上靠近镀膜区一侧和靠近后处理区一侧。

在一个实施例中，所述阻隔装置包括：以活动方式设于工件挂装结构内部的第一阻隔板以及设于工件挂装结构外沿与真空腔室内壁之间的第二阻隔板。

在一个实施例中，所述的真空腔室结构，还包括：连接所述第一阻隔板的转动装置，用于转动所述第一阻隔板以调整对所述气体分子的物理阻隔效果和反射方向。

在一个实施例中，所述第一阻隔板的截面为平板结构设计或弧形结构设计；其中，在所述真空泵靠近于镀膜区一侧的位置处分别设有所述第二阻隔板。

在一个实施例中，所述第一阻隔板的截面为V型结构设计；其中，在所述镀膜材料腔室两侧位置和所述真空泵靠近于镀膜区一侧的位置分别设置有所述第二阻隔板。

一种真空镀膜设备，包括：上述的真空腔室结构，镀膜材料腔室，真空泵以及离子源；其中，所述镀膜材料腔室连接于所述真空腔室的镀膜区；所述离子源连接于所述真空腔室的后处理区；所述真空泵连接真空腔室的抽气口。

在一个实施例中，所述镀膜材料腔室，包括：连接所述真空腔室的密封腔室和设于所述密封腔室与真空腔室接合处的真空阀门；其中，所述密封腔室用于放置真空镀膜设备镀膜使用的镀膜材料；所述真空阀门用于连通或者分隔密封腔室与真空腔室。

本申请的技术方案，具有如下有益效果：

在单一腔体的真空腔室结构形成两个独立工作区域，实现边镀膜边进行后处理的镀膜功能，简化了镀膜操作工艺，提高了镀膜效率；同时避免了后处理区的气体分子对镀膜区造成污染，提升了镀膜质量。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是一个实施例的真空镀膜设备的截面图；

图2是另一个实施例的真空镀膜设备的截面图；

图3是又一个实施例的真空镀膜设备的截面图；

图4是再一个实施例的真空镀膜设备的截面图；

图5是一个示例的阻隔装置示意图；

图6是一个实施例的镀膜材料腔室结构示意图；

图7是一个实施例的真空镀膜设备电气结构图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

参考图1所示，图1是一个实施例的真空镀膜设备的截面图，该真空镀膜设备主要包括真空腔室10、镀膜材料腔室20以及离子源30等结构；镀膜材料腔室20连接于真空腔室内10的镀膜区，用于存放靶材或膜料等镀膜材料，镀膜材料可以包括硅、钛、铝、镓或镁等；离子源30连接于真空腔室 10内的后处理区，主要用于对镀膜形成的膜层进行后处理，另外，也可以在镀膜之前用于对工件进行清洁。

如图中的真空腔室结构部分所示，本申请提供的真空腔室结构包括一个设有镀膜区和后处理区的真空腔室10，真空腔室10的室壁上设有抽气口120，真空腔室10的镀膜区与后处理区之间设置有阻隔装置40；阻隔装置40对从后处理区扩散至镀膜区的气体分子进行物理阻隔和反射至抽气口120抽离真空腔室。

对于阻隔装置40的材料，优选的，可以采用不锈钢、耐高温塑料、陶瓷等，能更好地适应于真空腔室10内部的高温和腐蚀环境。

如图1中，抽气口120位置处连接有真空泵12，用于对真空腔室10进行抽真空；同时，真空腔室10内的镀膜区与后处理区之间设置阻隔装置40，使得后处理区的气体分子受到阻隔装置40的物理阻隔无法直接扩散至镀膜区，同时，由于真空泵12抽气作用下使得抽气口120位置处的气压较低而形成压差，气体分子在撞击阻隔装置40后反射至抽气口120位置处，刚好由真空泵12抽离真空腔室。

上述实施例的技术方案，通过控制不同的抽气速度可以使得镀膜区的气压高于后处理区，从而形成真空梯度效果，当两个区域气压稳定情况下，在单一腔体的真空腔室结构中就可以形成两个独立的工作区域，基于两个独立工作区域稳定的气体环境，可以在一个真空腔室内可以同时进行镀膜和后处理(如氧化/氮化)工艺，实现了在边镀膜边进行后处理的功能，提高了镀膜效率；而且镀膜过程中可以避免后处理区的工作气体分子扩散到镀膜区，也提升了镀膜质量。

在一个实施例中，继续参考图1，在阻隔装置40面向镀膜区一侧开设有供气口40a，供气口40a通过连接至供气管道，通过供气口40a可以向镀膜区注入镀膜气体；例如，在溅射镀膜时，镀膜区需要处于一定气压的纯净的氩气环境中，除了在镀膜材料腔室20的靶材附近位置的供气口进行供气外，还通过供气口40a注入一定流量氩气，可以调节镀膜区的氩气处于稳定的氩气环境，从而可以保证了镀膜环境纯净和稳定，极大地提升了镀膜质量；对于供气口40a，图中仅仅为示意图结构，实际应中，可以采用阵列式布局，在所在空间内均匀供气。

参考图2所示，图2是另一个实施例的真空镀膜设备的截面图，真空腔室10内设置有工件挂装结构11，用于放置镀膜的工件，工件随工件挂装结构11进行转动，将工件送入镀膜区进行镀膜和送入后处理区进行后处理；对于工件挂装结构11结构，可以包括转架或滚筒等，如图中所示工件挂装结构 11为滚筒，工件随工件挂装结构11转动，每转动一圈分别经过镀膜区和后处理区，逐层镀膜并同时进行后处理；为了获得更好的阻隔效果，避免气体分子扩散到镀膜区，对于阻隔装置40，可以进行优化的结构设计，下面将提供多个实施例进行描述。

在一个实施例中，优化结构设计的阻隔装置40可以包括：以活动方式安装于工件挂装结构11内部第一阻隔板41以及设于工件挂装结构11外沿与真空腔室10内壁之间的第二阻隔板42；对于第一阻隔板41，可以设计转动的方式，从而调整气体分子的反射方向。进一步的，对于抽气口120的数量可以设置多个，如图示，多个抽气口120分布设置在真空腔室10上靠近镀膜区一侧和靠近后处理区一侧；下面以四个抽气口以及四个真空泵(实际应用中，数量根据需求而定)为例，来对第一阻隔板41和第二阻隔板42的使用进行阐述。

如图2所示，四个真空泵分别为第一真空泵12a、第二真空泵12b、第三真空泵12c和第四真空泵12d；以第三真空泵12c和第四真空泵12d所处位置为例，气体分子从后处理区扩散到工件挂装结构11中时，被第一阻隔板 41阻挡后反射到第四真空泵12d的抽气口处，刚好被第四真空泵12d抽离真空腔室，气体路径参考图中虚线箭头所示，从而使得气体分子无法穿透工件挂装结构11到达镀膜区中，而在工件挂装结构11边缘部分的空隙则由第二阻隔板42进行阻挡和反射；相应的，镀膜区中的氩气分子也在第一阻隔板 41阻挡后反射到第三真空泵12c的抽气口处，从而被第三真空泵12c抽离真空腔室10，由此，通过调节真空泵12，使得镀膜区与后处理区形成稳定工作区域，实现气压梯度。其中，镀膜区是气压略高的富氩区域，后处理区是富氧/氮区域，镀膜区与后处理区之间的气体相互不会扩散，极大地提升了镀膜效果。

参考图3所示，图3是又一个实施例的真空镀膜设备的截面图，对于第一阻隔板41其截面可以为弧形结构设计，如图所示，在该结构中第一阻隔板 41采用弧形结构，在真空泵12靠近于镀膜区一侧的位置处分别设有第二阻隔板42，其气体分子的流动路径如图中所示，在真空腔室10内部，该结构更加有利于对气体分子的物理阻隔和反射，提升了气体分子处理效果。

参考图4所示，图4是再一个实施例的真空镀膜设备的截面图，第一阻隔板41还可以采用V型结构设计，其中，在镀膜材料腔室20两侧位置和真空泵12靠近于镀膜区一侧的位置分别设置有第二阻隔板42；如图中所示为三个镀膜材料腔室20a、20b、20c，则可以对应设置四个第二阻隔板42(具体数量根据需求而定)，在镀膜过程中，第一阻隔板41的V型口指向于选定的镀膜材料腔室20，此时，其他的镀膜材料腔室20处于停止工作状态，因此，镀膜材料腔室20a对应区域为当前的镀膜区，氩气只需要保证在图中所示的V型口的范围内保持纯净和达到预定气压值即可，此时从后处理区扩散过来的气体分子都可以分别被第二真空泵12b、第三真空泵12c和第四真空泵12d抽离真空腔室10，从而可以对镀膜区进行了更好的精细化保护，得到更好的隔离效果，极大地提升了镀膜质量。

如上述实施例的阻隔装置40的结构设计，第一阻隔板41可以设计成转动的方式来调整气体分子的反射方向；据此，真空腔室结构还可以包括连接第一阻隔板41的转动装置43，用于转动第一阻隔板41以调整对气体分子的物理阻隔效果和反射方向；参考图5所示，图5是一个示例的阻隔装置示意图，在第一阻隔板41的底部连接转动装置43，控制转动装置43即可转动第一阻隔板41达到相应位置，从而进一步提升了阻隔装置40的阻隔效果。

下面阐述真空镀膜设备的实施例。

参考图1至图5，该真空镀膜设备包括了上述实施例的真空腔室结构，即主要包括了真空腔室10、镀膜材料腔室20以及离子源30等结构部分；镀膜材料腔室20用于存放靶材或膜料等镀膜材料。

离子源30主要是对镀膜形成的膜层进行后处理，另外，也可以在镀膜之前用于对工件进行清洁；离子源30可以采用射频离子源、感应耦合离子源等；使用过程中，通过离子源30的供气管道可以注入工作气体，例如氧气、氮气等，并提供能量使工作气体分子离化为气体离子，将镀膜形成的膜层金属原子变成金属离子，与气体离子产生化学反应生成氧化物或氮化物等；后处理区中的氧气、氮气等工作气体，可以通过离子源30的供气管道注入，也可以利用在后处理区设置的进气口来提供。

真空泵12用于对真空腔室10进行抽气以及将反射至抽气口120的气体分子抽离真空腔室。

上述实施例的真空镀膜设备，在单一腔体的真空镀膜设备中，形成两个独立工作区域，实现边镀膜边进行后处理的镀膜功能，提高了镀膜效率；同时避免了后处理区的气体分子对镀膜区造成污染，提升了镀膜质量。

在一个实施例中，参考图6所示，图6是一个实施例的镀膜材料腔室结构示意图，对于镀膜材料腔室20，可以包括连接真空腔室10的密封腔室21 和设于密封腔室21与真空腔室10接合处的真空阀门22；其中，密封腔室21 用于放置真空镀膜设备镀膜使用的镀膜材料；真空阀门22用于连通或者分隔密封腔室与真空腔室；对于真空阀门22的结构形式，可以采用真空插板阀、真空翻板阀或真空气动阀等。进一步的，镀膜材料腔室20还可以包括驱动装置23和控制装置24；其中，驱动装置23连接真空阀门22，驱动装置23连接到控制装置24；驱动装置23驱动打开或关闭真空阀门22，从而连通或者分隔密封腔室21与真空腔室10；对于驱动装置23的驱动方式，采用电动或者气动方式进行驱动；控制装置24的作用，主要是控制驱动装置23进行工作。更进一步的，镀膜材料腔室20还可以设置连接密封腔室21的抽气设备或充气设备211，其中，抽气设备可以是真空泵，充气设备可以是气泵；在密封腔室21内设置真空检测装置212；在真空阀门22处于关闭状态下，通过真空检测装置212检测密封腔室21的真空度，如果采用抽气设备，则根据检测的真空度来启动抽气设备对密封腔室21抽气，使得密封腔室21内处于高真空状态，从而保证了镀膜材料与周围空气的隔绝，另外，如果采用充气设备，通过充气设备向密封室注入惰性气体(如氩气)，使得密封腔室21内处于惰性气体环境中，避免镀膜材料与其他气体发生化学反应，或者被吸附污染物。

在镀膜过程中，真空阀门22处于打开状态，对应的，密封腔室21与真空腔室10连通；在镀膜后，真空阀门22处于关闭状态，对应的，密封腔室 21与真空腔室10分隔。

上述实施例的技术方案，密封腔室21内的镀膜材料，无法与其他分子接触发生反应或者吸附污染，避免了密封腔室内的镀膜材料与空气接触发生反应或者吸附污染，保证了镀膜材料的纯度，使得在镀膜过程中，无需频繁清洁镀膜材料，提升了镀膜效果。

在一个实施例中，对于本申请提供的真空镀膜设备，其电路结构可以如图7所示，图7是一个实施例的真空镀膜设备电气结构图；真空镀膜设备由上位机13进行控制镀膜，分别控制溅射系统14、工件挂装结构11、离子源 30、控制装置24和真空泵12等；对于多个镀膜材料腔室20的真空镀膜设备中，可以由控制装置24进行统一控制，控制装置24可以连接至真空镀膜设备的上位机13，配合镀膜工序进行工作。控制装置24分别控制各个镀膜材料腔室20的驱动装置23，以实现对真空阀门22的打开和关闭。上位机13 还控制连接离子源30的供气管道上的第一流量计30a，以控制输入离子源30 的工作气体的流量，上位机13还控制连接溅射系统14的供气管道的第二流量计14a，以控制输入溅射系统14的氩气的流量，另外，上位机13还控制连接第一阻隔板41的转动装置411，以控制第一阻隔板41的第一阻隔板41 的开口指向位置。对于上位机13控制溅射系统14、工件挂装结构11、离子源30和真空泵12等方式，可以与常规控制方案一致，在此不再赘述。

本申请提供的真空镀膜设备，在应用时，其可以进行如下操作：

(1)在镀膜开始后，可以阻隔装置移动到合适位置；可以启动转动装置，将第一阻隔板转动到镀膜材料腔室20a的位置，利用镀膜材料腔室20a的靶材进行溅射镀膜。

(2)打开连接镀膜材料腔室的供气口和阻隔装置上的供气口所连接的供气管道，调节供气管道连接的气体流量计以控制注入氩气的流量，调节第一真空泵12a和第三真空泵12c以控制氩气的流速，在镀膜区形成所需气压的富氩气区域。

同时，通过离子源向后处理区通入氧气/氮气等工作气体，调节第二真空泵12b和第四真空泵12d以控制氧气/氮气的流速，在后处理区形成所需气压的富氧气/氮气区域。

(3)启动溅射镀膜系统和离子源，工件挂装结构带动工件旋转起来，工件会先后经过镀膜区和后处理区，边镀膜边进行后处理，逐层镀膜逐层氧化/ 氮化处理，工件每次在镀膜区镀上一层薄膜后，在后处理区即进行氧化/氮化形成氧化物/氮化物，使得膜层具有更好的品质。

对于镀膜流程，可以包括如下：对工件进行镀膜和后氮化处理；控制镀膜系统的工艺参数以调节氮化薄膜的厚度，得到完全氮化、厚度可控且均匀的TiN薄膜。或者，对工件进行镀膜和氧化薄膜；控制镀膜系统的工艺参数以及调节氧化薄膜的厚度，得到完全氧化、厚度可控且均匀的SiO₂薄膜。

(4)在镀膜工序完成后，停止向镀膜材料腔室和阻隔装置上的供气口注入氩气，同时停止向离子源通入工作气体，并关闭各个真空泵。

(5)开启真空腔室腔门，取出已镀膜的工件。

利用本申请的真空镀膜设备进行镀膜，可以得到完全氮化、厚度可控且均匀的TiN薄膜或者是完全氧化、厚度可控且均匀的SiO₂薄膜，极大地提升了薄膜品质。

以上仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种真空腔室结构，其特征在于，包括一个设有镀膜区和后处理区的真空腔室，所述真空腔室的室壁上设有抽气口，所述真空腔室的镀膜区与后处理区之间设置有阻隔装置；所述阻隔装置对从所述后处理区扩散至所述镀膜区的气体分子进行物理阻隔和反射至所述抽气口抽离真空腔室。

2.根据权利要求1所述的真空腔室结构，其特征在于，所述阻隔装置面向镀膜区一侧开设有供气口；其中，所述供气口连接至供气管道，用于向镀膜区注入镀膜气体。

3.根据权利要求1所述的真空腔室结构，其特征在于，所述真空腔室内设置有工件挂装结构，用于放置镀膜的工件；其中，所述工件随工件挂装结构进行转动，将工件送入镀膜区进行镀膜和送入后处理区进行后处理。

4.根据权利要求1所述的真空腔室结构，其特征在于，所述抽气口的数量为多个，分布设置在真空腔室上靠近镀膜区一侧和靠近后处理区一侧。

5.根据权利要求1所述的真空腔室结构，其特征在于，所述阻隔装置包括：以活动方式设于工件挂装结构内部的第一阻隔板以及设于工件挂装结构外沿与真空腔室内壁之间的第二阻隔板。

6.根据权利要求5所述的真空腔室结构，其特征在于，还包括：连接所述第一阻隔板的转动装置，用于转动所述第一阻隔板以调整对所述气体分子的物理阻隔效果和反射方向。

7.根据权利要求5所述的真空腔室结构，其特征在于，所述第一阻隔板的截面为平板结构设计或弧形结构设计；其中，在真空泵靠近于镀膜区一侧的位置处分别设有所述第二阻隔板。

8.根据权利要求7所述的真空腔室结构，其特征在于，所述第一阻隔板的截面为V型结构设计；其中，在镀膜材料腔室两侧位置和所述真空泵靠近于镀膜区一侧的位置分别设置有所述第二阻隔板。

9.一种真空镀膜设备，其特征在于，包括：权利要求1-8任一项所述的真空腔室结构，镀膜材料腔室，真空泵以及离子源；其中，所述镀膜材料腔室连接于所述真空腔室的镀膜区；所述离子源连接于所述真空腔室的后处理区；所述真空泵连接真空腔室的抽气口。

10.根据权利要求9所述的真空镀膜设备，其特征在于，所述镀膜材料腔室，包括：连接所述真空腔室的密封腔室和设于所述密封腔室与真空腔室接合处的真空阀门；其中，所述密封腔室用于放置真空镀膜设备镀膜使用的镀膜材料；所述真空阀门用于连通或者分隔密封腔室与真空腔室。

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