CN218232551U - 一种薄膜制备装置 - Google Patents

Abstract

一种薄膜制备装置，包括：真空腔体(1)；靶筒(5)，位于所述真空腔体(1)内，所述靶筒(5)内设置有靶材(6)；公转装置(9)，位于所述真空腔体(1)内；自转装置(10)，其安装在所述公转装置(9)上，随所述公转装置(9)同时公转；用于夹持待制备对象的装夹杆(11)，其连接在所述自转装置(10)上，能够同时公转和自转。本实用新型的装置使得镀膜过程更安全，镀膜夹持更稳定，镀膜膜层更均匀，能实现一次性多面镀膜。

Description

一种薄膜制备装置

技术领域

本实用新型镀膜领域，更具体的涉及一种薄膜制备装置。

背景技术

半球谐振陀螺的核心部件是半球谐振子，为带轴柱碗形的曲面零件，其本体材质为熔融石英，因其并不具备导电性能，为实现谐振区域电容式振动激励和信号的检测，需要在整个零件的表面均匀地制备一层导电性能优异的金属薄膜。金属薄膜镀制是半球谐振陀螺的谐振子制作的一个重要环节，膜层的连续性、致密性、均匀性直接影响陀螺的导电、频率、耐久、品质因素等性能，进而影响半球谐振陀螺的零偏稳定性。

半球谐振子结构为多维曲面，现有对此种结构的镀膜技术多为单向镀膜，镀制完成一个面的金属膜层再镀制另一个面，这种方法需要进行破真空翻面，对于金属薄膜的连续性与质量有较大的影响，无法满足高精密导航仪器的性能指标。

实用新型内容

针对现有技术的限制与存在的技术问题，本实用新型提供一种薄膜制备装置，包括：真空腔体；靶筒，位于所述真空腔体内，所述靶筒内设置有靶材；公转装置，位于所述真空腔体内；自转装置，其安装在所述公转装置上，随所述公转装置同时公转；用于夹持待制备对象的装夹杆，其连接在所述自转装置上，能够同时公转和自转。

可选地，所述的薄膜制备装置还包括：多个靶筒和多个离子源，所述多个靶筒在所述真空腔体内镜像布置，所述多个离子源在所述真空腔体内镜像布置。

可选地，所述的薄膜制备装置还包括：修正挡板，所述修正挡板安装在所述靶筒上，延伸到所述靶筒前方与所述靶筒的靶平面平行。

可选地，所述修正挡板为环形，上面设置有多个喷射孔。

可选地，所述公转装置为由电机驱动的大齿轮，所述自转装置为小齿轮，多个自转装置与所述公转装置啮合，所述装夹杆安装在所述自转装置的轴心上。

可选地，所述的薄膜制备装置还包括：内部容纳有水电路的连接管，所述连接管的第一端连接到所述靶筒，所述连接管的第二端通向所述真空腔体外。

可选地，所述的薄膜制备装置还包括：安装到所述真空腔体外壁上的安装板，所述连接管的第二端连接到所述安装板上。

可选地，所述的薄膜制备装置还包括：转角组合，其包括第一连接件和第二连接件，第一连接件和第二连接件之间铰接，所述第一连接件的另一端连接到所述真空腔体的内壁，所述第二连接件的另一端可转动地连接到所述靶筒。

可选地，安装在所述真空腔体上壁的离子源的安装面与水平面夹角为25-35度，安装在所述真空腔体下壁的离子源的安装面与水平面夹角为15-25度。

可选地，多个靶筒和多个离子源围绕所述公转装置的圆心圆周式分布在所述真空腔体内。

本实用新型的薄膜制备装置使得镀膜过程更安全，流程上能批量化镀制(不需要翻面镀膜)、镀膜夹持更稳定，镀膜结果膜层更均匀。

本实用新型特别适用于半球谐振陀螺的半球谐振子多面一次性镀制金属薄膜，可提升金属薄膜在半球谐振子上的均匀性，且在镜像交替成膜时薄膜连续性好，薄膜残余应力低，在满足性能质量条件的前提下，装置结构简单易操作，能有效节约开发成本，提高工作效率。为导航陀螺的质量、性能开发提供了有力的技术支撑。

根据本实用新型提供的装置与现有装置进行比较，还有如下有益效果：

a.本实用新型中所述的溅射靶筒呈镜像安装，所需要制备薄膜的半球谐振子在镜像靶筒的中间，靶材面朝向半球谐振子的曲面，可进行包裹性的薄膜制备，同时具体平面片双面加侧面薄膜制备，对曲面立体三维工件都能有效一次成膜。

b.本实用新型中所述的离子源呈镜像安装，需要离子清洗的半球谐振子在镜像离子源的中间，离子源出射面根据曲面设定一定的角度，可同时多面清洗。

c.本实用新型中所述的同种靶材材料在上下靶筒位置间隔安装，增加了金属化薄膜制备的连续性，在一定范围内消除了薄膜的残余应力，增加了薄膜的致密性。通过对溅射靶材功率的调整，由轴柱所影响的溅射速率得到平衡，使曲面电镀成膜的速率均匀。

附图说明

为了更容易理解本实用新型，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本实用新型。这些附图只描绘了本实用新型的典型实施方式，不应认为对本实用新型保护范围的限制。

图1为本实用新型的薄膜制备装置的立体图。

图2为半球谐振子立体图。

图3为半球谐振子的主视图。

图4为半球谐振子薄膜制备完成后的剖面图。

图5为公转装置与自转装置的一个实施方式的立体图。

图6为修正挡板的立体图。

图7为本实用新型的薄膜制备装置的局部结构图。

附图标记：

1-真空腔体、2-安装板、3-连接管、4-转角组合(41-第一连接件、42-第二连接件)、5-靶筒(51-53上靶筒，54-56下靶筒)、6-靶材(61-63上靶材，64-66下靶材)、7-修正挡板、8-离子源(81-上离子源，82-下离子源)、9-公转装置、10-自转装置、11-装夹杆、12-半球谐振子、13-半球谐振子短轴柱、14-电镀薄膜。

具体实施方式

下在下文中，将通过附图描述本实用新型具体实施例进行详细的说明，使本实用新型所述的技术目的、技术优点更具体。显然，对于本领域技术人员来说，本实用新型所述的实施例仅为一部分实施例，并非全部实施例，在不脱离本实用新型特征构思方法下都属于本实用新型保护范围。

在下文所述中需说明的是，附图中仅示出了在本实用新型中密切相关的机构组件与制备方法，而省略了一些关系不大或不必要的细节。文中所述的上、下为文件内图纸的正视上下的方向示意。

下面的实施例以半球谐振子的薄膜制备来描述本实用新型的结构，通过本实用新型的装置，可以制备新型导航陀螺中由熔融石英制备的半球谐振子表面金属化薄膜。本实用新型不限制用于半球谐振子。

如图1所示，本实用新型的薄膜制备装置包括：真空腔体1，以及位于真空腔体1内的靶筒5、公转装置9、自转装置10和装夹杆11。

靶筒5内装有靶材6，靶筒5通水电。在水电作用下通过靶筒5朝着待制备对象(半球谐振子)溅射靶材6，在半球谐振子12的表面形成电镀薄膜14(见图4)。

公转装置9安装在真空腔体1的内壁上，由步进电机驱动(未示出)，公转装置可沿自身的轴均匀地进行公转，并能由步进电机驱动而更改公转速度。

自转装置10安装在公转装置9上，由步进电机驱动(未示出)。公转装置9转动时，自转装置10不仅随着公转装置9转动，还进行自转。自转装置10可以为多个，呈均匀地布置。

在图5所示的实施例中，公转装置9为大齿轮，自转装置10为小齿轮，小齿轮与大齿轮啮合，当大齿轮转动时，带动小齿轮转动。小齿轮的轴心上安装有自转部件，自转部件在电极的作用下转动。

装夹杆11安装在自转装置10上，连接在自转装置10的自转部件上。当自转装置10公转和自转时，装夹杆11也公转和自转。装夹杆11用于夹持待镀膜装置，对于谐振子来说，是夹住谐振子的短轴柱13(见图3)。公转装置9带动自转装置10进行公转与自转，从而可同时对多个半球谐振子进行薄膜制备。装夹杆11为可拆卸的，方便装夹与保养。装夹杆11可以设置多个，多个装夹杆11呈环形，优选地均匀间隔布置。

优选地，本实用新型的装置还包括离子源8，离子源8安装在真空腔体1内，通过对腔壁开孔安装在真空腔体1的腔壁上，与水平面呈一定夹角。离子源8面朝向半球谐振子的曲面，所产生的离子束方向朝向半球谐振子。离子源8出射面朝向带柱碗形半球谐振子12，安装时与装夹杆11的轴心形成夹角。在溅射靶材6时可以同时启动离子源8进行辅助成膜，使电镀薄膜均匀沉积。

优选地，本实用新型的装置还包括修正挡板7。其一个实施方式的结构图如图6所示。修正挡板7为环形，上面设置多个喷射孔。多个喷射孔均匀地间隔设置。修正挡板7安装在靶筒5上，延伸到靶筒5前方与靶筒5的靶平面平行。修正挡板7可以使得喷射面更均匀。修正挡板7用于进行离子区间修正，通过调整修正挡板7的形状对离化区间入射位置进行修正，使谐振子表面的电镀薄膜均匀性达到最佳。

在一个优选实施方式中，如图7所示，本实用新型的装置还包括安装板2，安装板2位于在真空腔体1外壁。

如图7所示，本实用新型的装置还包括连接管3。连接管3内放置有水电管。连接管3穿过真空腔体1的壁连接到安装板2上。更具体地，连接管3的第一端连接在靶筒5的顶部，第二端穿过真空腔体1的壁连接到安装板2上。

如图7所示，本实用新型的装置还包括转角组合4。靶筒5安装在转角组合4上，使得靶筒5可进行角度旋转。转角组合包括第一连接件41和第二连接件42，第一连接件41和第二连接件42之间铰接。第一连接件41的另外一端连接到安装板2，第二连接件42的另外一端可转动地连接到靶筒5，例如，可第二连接件42上连接旋转轴，旋转轴连接在靶筒5上，以对靶筒5进行精确调节。转角组合4还可以收纳连接管3。

在一个优选实施方式中，本实用新型的装置包括多个靶筒和离子源。

如图1所示，真空腔体1内镜像布置6个靶筒，2个离子源。安装在真空腔体1上腔壁的上靶筒51、52、53的垂直轴线与装夹杆11的轴距为140mm-160mm，安装在真空腔体1下腔壁的下靶筒54、55、56的垂直轴线与装夹杆11的轴距为60mm-80mm，上靶筒51、52、53和下靶筒54、55、56的靶平面与半球谐振子的内外表面设置一定的夹角。上靶筒51、52、53垂直轴心沿腔体轴心安装，圆周径为500mm-520mm，下靶筒54、55、56垂直轴心沿腔体轴心安装，圆周径为330mm-350mm。

上靶筒51、52、53内的上靶材61、62、63，下靶筒54、55、56内的下靶材64、65、66同时开启进行溅射，靶材6溅射面朝向半球谐振子的曲面，通过转角组合4对连接管3与靶筒5进行角度调节，使靶材6出射面朝向谐振子的曲面。

上靶材61、62、63与下靶材64、65、66同时进行薄膜制备，且靶材的出射面的圆心朝向带柱碗形半球谐振子的曲面轴线的中心点。为防止上下靶材同时镀制时产生不可控因素，上下靶材同时启动，通过安装在靶筒上延伸至靶材前方平行的修正挡板7进行离化区间修正，明显改善上下靶材薄膜制备时膜层的连续性、致密性、均匀性。

优选地，离子源8也可以设置多个，图1中显示为设置两个。上离子源81和下离子源82镜像布置。上离子源81安装面与水平面夹角为25-35度，下离子源82安装面与水平面夹角为15-25度，以离子束可覆盖整个半球谐振子为最佳。

优选地，多个靶筒和多个离子源围绕公转装置9的圆心圆周式分布在真空腔体1内。多个靶筒和多个离子源可以通过安装板2固定在真空腔体1上。

下面通过描述谐振子的电镀薄膜制备方法来进一步描述本实用新型的装置。

1.镀膜前，安装与备料：

把带轴柱碗形半球谐振子12一端的短轴柱13(见图2)用装夹杆11夹持固定，带轴柱碗形半球谐振子碗口朝下。

同一炉镀膜装入一块石英平面测试片(作为对照)，石英片的一端用装夹杆11进行夹持固定，竖向夹持。

装夹杆11的一端装入自转装置10上，自转装置10装配在公转装置9上。

2.镀膜时：

将真空腔体1进行真空抽气至薄膜制备所需要的真空度。

公转装置9带动装配在自转装置10上的半球谐振子同时进行公转与自转转动。优选的，公转装置9转动速度为4-6rpm，自转装置10与公转装置9转速比1:3-6rpm。

真空腔体1内部抽气同时进行加热，使半球谐振子表面吸附的水气加速分离排出。加热装置加热至设定值，进行保压，使半球谐振子所有面达到设定的温度。优选的，真空腔体1启始真空度设定为3.0E-3pa至9.0E-4pa之间，加热温度设定在200℃-280℃之间。

真空腔体1内充入氩气。在抽气至启始真空度过程中，当真空度达到9.0E-3pa时，真空腔体1充入氩气，同时开启上离子源和下离子源，对半球谐振子进行离子清洗，清除表面脏污。优选的，氩气充入量50sccm-100sccm，离子清洗时间5min-8min，上离子源和下离子源能量200eV-600eV，产生离子束轰击半球谐振子表面，去除污染层，也可改善表面微粗糙度，提高在表面生长的晶粒的均匀性。

真空腔体1停止氩气充入，排气，使真空腔体达到设定的真空度与温度，进行恒温。优选的，恒温时间10min-15min之间，使半球谐振子所有区域温度均匀。

真空腔体1内开始充入流量设定值的氩气气体。优选的，氩气气体充入流量为50sccm-100sccm，使其达到溅射所需真空度与材料原子溅射所需动能，同时又让溅射原子的溅射速率得到效的控制，使基体表面材料原子得到有效迁移时间，减少晶格失配与晶格空位。

真空腔体1内上腔壁靶筒5内的靶材6与真空腔体1内下腔壁靶筒5内的靶材6同时开启进行溅射，离子源启动辅助成膜，使电镀薄膜均匀沉积。

过渡层薄膜制备：同类型材料靶筒内的靶材启动进行溅射，这里材料所指为硅、铬、钛的一种。过渡层完成后，靶材关闭，离子源保持开启。优选的，上离子源和下离子源同时启动进行辅助成膜，离子源能量400eV-500eV，开启上靶筒内的上靶材和下靶筒内的下靶材进行溅射，上靶材溅射功率200W-300W，下靶材溅射功率400W-500W，薄膜制备厚度5nm-20nm。

导电层薄膜制备：导电层材料为铬、钛、铜、金、铌、银的其中的一种材料或者其中的两种材料共同溅射。

优选的，在溅射一种材料时，上靶筒51内的上靶材61和下靶筒54内的下靶材64开启，上靶材功率200W-300W，下靶材功率400W-500W。薄膜厚度50nm-200nm。

优选的，在共同溅射两种材料时，上靶筒51内的上靶材61与下靶筒54内的下靶材64为同一种材料，上靶筒52内的上靶材62与下靶筒55内的下靶材65为同一种材料，两组靶材同时启动共同溅射，制备得到合金导电薄膜。

3.镀膜后：

薄膜制备完成后，充入氮气静置10min-20min，等待真空腔体1降温。

优选的，充入5sccm-10sccm氮气作为保护气体防止薄膜及设备内高温部件氧化，加速真空腔体1冷却，真空腔体1内温度低于50℃。

关闭氮气，真空腔体1降温至预定温度破真空。

停止公自转装置10，开门取出装夹杆11，取出半球谐振子与石英平面测试片。

石英平面测试片进行附着力、电阻率测试。

完成电镀薄膜制备与基本测量。

本实用新型的薄膜制备装置使得镀膜过程更安全，流程上能批量化镀制(不需要翻面镀膜)、镀膜夹持更稳定，镀膜结果膜层更均匀。

以上所述的实施例，只是本实用新型较优选的具体实施方式，本说明书使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。本领域的技术人员在本实用新型技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种薄膜制备装置，其特征在于，包括：

真空腔体(1)；

靶筒(5)，位于所述真空腔体(1)内，所述靶筒(5)内设置有靶材(6)；

公转装置(9)，位于所述真空腔体(1)内；

自转装置(10)，其安装在所述公转装置(9)上，随所述公转装置(9)同时公转；

用于夹持待制备对象的装夹杆(11)，其连接在所述自转装置(10)上，能够同时公转和自转。

2.根据权利要求1所述的薄膜制备装置，其特征在于，还包括：

多个靶筒(5)和多个离子源(8)，所述多个靶筒(5)在所述真空腔体(1)内镜像布置，所述多个离子源(8)在所述真空腔体(1)内镜像布置。

3.根据权利要求1所述的薄膜制备装置，其特征在于，还包括：

修正挡板(7)，所述修正挡板(7)安装在所述靶筒(5)上，延伸到所述靶筒(5)前方与所述靶筒(5)的靶平面平行。

4.根据权利要求3所述的薄膜制备装置，其特征在于，

所述修正挡板(7)为环形，上面设置有多个喷射孔。

5.根据权利要求1所述的薄膜制备装置，其特征在于，

所述公转装置(9)为由电机驱动的大齿轮，所述自转装置(10)为小齿轮，多个自转装置(10)与所述公转装置(9)啮合，所述装夹杆(11)安装在所述自转装置(10)的轴心上。

6.根据权利要求1所述的薄膜制备装置，其特征在于，还包括：

内部容纳有水电路的连接管(3)，所述连接管(3)的第一端连接到所述靶筒(5)，所述连接管(3)的第二端通向所述真空腔体(1)外。

7.根据权利要求6所述的薄膜制备装置，其特征在于，还包括：

安装到所述真空腔体(1)外壁上的安装板(2)，所述连接管(3)的第二端连接到所述安装板(2)上。

8.根据权利要求1所述的薄膜制备装置，其特征在于，还包括：

转角组合(4)，其包括第一连接件(41)和第二连接件(42)，第一连接件(41)和第二连接件(42)之间铰接，所述第一连接件(41)的另一端连接到所述真空腔体(1)的内壁，所述第二连接件(42)的另一端可转动地连接到所述靶筒(5)。

9.根据权利要求2所述的薄膜制备装置，其特征在于，

安装在所述真空腔体(1)上壁的离子源(8)的安装面与水平面夹角为25-35度，安装在所述真空腔体(1)下壁的离子源(8)的安装面与水平面夹角为15-25度。

10.根据权利要求2所述的薄膜制备装置，其特征在于，

多个靶筒和多个离子源围绕所述公转装置(9)的圆心圆周式分布在所述真空腔体(1)内。

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