CN2219306Y - 电弧蒸发和磁控溅射相结合的离子镀膜设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于薄膜沉积设备，特点是真空镀膜室壁上有多只兼用靶源，以转换开关与电弧电源、偏压电源、阴极兼轰击电源相联结。兼用靶源中用调节内外两只电磁线圈的激磁电流实现真空电弧蒸发或非平衡磁控溅射两种运行方式转换控制。以真空电弧蒸发、源运行时，通过金属离子轰击在工件表面形成高附着力的过渡层，而后以磁控溅射沉积出无金属液滴的硬质薄膜，因而兼有两种靶源运行方式的优点。整套设备制造成本低，操作简便。

Description

电弧蒸发和磁控溅射相结合的离子镀膜设备

本实用新型属于工业用薄膜沉积设备。

工业生产中，完成切削刀具和机械零件的硬质耐磨涂层或耐腐蚀涂层，或在某些零件上作装饰涂层，多采用物理气相沉积设备，这种设备主要有两种型式，一种是离子镀膜设备，另一种是磁控溅射镀膜设备。

离子镀膜设备主要有真空电弧蒸发型和低电压大电流电子束蒸发型等。真空电弧蒸发离子镀膜设备的优点是电离度高，附着力好，沉积速率快，膜层晶粒细而致密；缺点是涂层上容易产生金属液滴(这是一个难以用简单技术措施完全克服的技术难题)，设备的制造成本也较高。

磁控溅射镀膜又分常规的和非平衡磁控溅射两种。常规磁控溅射镀膜设备虽然造价较低，而其电离度相对较低，镀层的附着力也较低，尤其是工件距磁控靶较近时影响镀膜的均匀性，这些缺点影响了它的适用范围。

近几年发展起来的非平衡磁控溅射镀膜与常规磁控溅射镀膜相比，由于显著增强了阴极表面外围磁场的强度，造成阴极表面内外磁场不平衡，致使等离子体的作用区域向外扩展，从而改善了远离阴极(靶源)工件镀膜的均匀性和膜层质量。但是，非平衡磁控溅射镀膜的膜层和工件表面结合力，仍然不及真空电弧蒸发镀膜的水平。

上述两种物理气相沉积设备虽然工作原理不同，但是一些等离子体特性，形成薄膜的规律以及工艺效果方面，有很多共同或相似之处，将这两种技术有机地结合起来，发挥各自的优势，发展一种混合型的离子镀膜设备是有很大实用价值的。这类设想国外已有文献发表，但作为工业设备尚有不足之处。如鲁宾逊等(P.Robinson，A.Matthews：Surface and Coatings Technology，Vol.43/44，288(1990))所提出的这种靶源，在作非平衡磁控溅射源运行时，要去除中心磁体，作真空电弧蒸发源运行时，要去除压紧阴极并接地的不锈钢屏蔽极，改由绝缘件绝缘和压紧阴极，采用间接水冷的矩形平面靶，因此主要是实验用装备。另一个方案是马尼茨(G.Manitz)等提出的德国专利DE3941918A1，采用圆形靶，其内磁场采用永磁体，不利于磁场调节，并且另加有阳极，在真空镀膜室外套上一个大电磁线圈，不适宜在工业上应用，还有一个是M.D.芒兹等(M.D.Münz，F.J.M.Hauzer etc.：Surface and Coatings Technology，Vol.49，161(1991))提出的，采用大面积矩形靶，内磁场也是采用永磁体，改变运动方式时需要将永磁体送入或抽出，不利于改变运行参数和操作运行。

本实用新型的目的是提供一种电弧蒸发和磁控溅射相结合的离子镀膜设备，该设备中装有多个真空电弧蒸发和非平衡磁控溅射兼用靶源，兼有两种靶源运行方式的优点，得到高质量的膜层，并且设备制造成本低。

本实用新型提供的电弧蒸发和磁控溅射相结合的离子镀膜设备包括真空镀膜室、旋转工件架、烘烤加热丝、电弧电源、偏压电源、阴极兼轰击电源、烘烤电源以及为配合使用这些电源而设置的开关，该设备的核心部件是真空电弧蒸发和非平衡磁控溅射相结合的兼用靶源(以下简称兼用靶源)，该兼用靶源具有同心套装的内电磁线圈和外电磁线圈。旋转工件架位于真空镀膜室的中部，环绕旋转工件架有烘烤加热丝，在真空镀膜室壁的不同高度上有多只兼用靶源，每只兼用靶源与一只转换开关联接，每只转换开关的一端与一台阴极兼轰击电源联接，这些转换开关的另一端与一台或二台电弧电源联接，烘烤加热丝与一台烘烤电源联接；旋转工件架通过另一只转换开关与一台偏压电源联接，该转换开关的另一端与前述阴极兼轰击电源联接。

兼用靶源主要由阴极、屏蔽极、同心套装的内电磁线圈和外电磁线圈、磁轭、导磁杆、导电片、阴极法兰、水冷通路、点弧极等组成，冷却水对阴极和外电磁线圈直接水冷，内电磁线圈和外电磁线圈实现对运行状态的转换。

图1、电弧蒸发和磁控溅射相结合的离子镀膜设备主机和电气部分组成示意图。

图2、电弧蒸发和磁控溅射相结合的兼用靶源。

为便于说明和理解，以下结合附图所示实施例详细说明本实用新型内容。

如图1所示，在真空镀膜室11中有旋转工件架12，工件13装在工件架12上，真空镀膜室壁两侧不同高度上，有多只(图中示例为6只)，兼用靶源14，即14—1、14—2、…14—6，每只兼用靶源各自通过相应的转换开关15—1、15—2、…15—6与电弧电源17联结，上述这些转换开关的另一端再通过转换开关20的一端与阴极兼轰击电源19相联结，真空镀膜室中围绕工件架的烘烤加热丝22与烘烤电源16相联结，工件架12通过转换开关21与偏压电源18相联接，转换开关21的另一端则与转换开关20的另一端联结。

图1中兼用靶源14的详细结构如图2所示，主要构件有阴极34、非导磁垫环33、屏蔽极32、耐热绝缘板45、点弧杆31、中心导磁杆35、隔水板36、内电磁线圈37、外电磁线圈41、磁轭39、水冷筒40、阴极法兰42、冷却水管43、导电片44、以及密封圈47、48、49、50、51、52。磁轭39呈T字形，上部为盘状(称为上盘55)，下部为直径较小的套筒状(称为内筒54)，二者的水平连接部分开有通水孔53，磁轭39以其内筒54的底面压在阴极法兰42上，二者之间有密封圈52；阴极34采用直接水冷，用阴极压环38固定在磁轭39的顶面上，阴极34和阴极压环38之间垫有非导磁垫环33，阴极34与磁轭39的顶面之间有密封圈47；阴极压环38的顶面有圆环形的屏蔽极32，该屏蔽极32的内圆柱面与阴极34之间留有间隙，与非导磁垫环33之间有耐热绝缘板45；中心导磁杆35在阴极34之下穿过隔水板36和阴极法兰42，其上段与隔水板36之间有密封圈48，其伸出阴极法兰42的下段装有导电片44，中心导磁杆35的下段有螺纹，用螺帽46将磁轭39、水冷筒40、阴极法兰42和导电片44固定在一起，隔水板36盖在磁轭内筒54的顶端，二者之间有密封圈49；水冷筒40在磁轭上盘55之下，其顶面与上盘55之间有密封圈50，其底面与阴极法兰42之间有密封圈51：大小二只电磁线圈同心套装，内电磁线圈37套在中心导磁杆35之外，位于磁轭内筒54之中，外电磁线圈41直接水冷，位于磁轭内筒54与水冷筒40之间的空间中；阴极34，隔水板36、磁轭39、水冷筒40和阴极法兰42之间形成水冷通路，阴极法兰42上对应于水冷通路的位置装有进出冷却水的冷却水管43；邻近磁轭39和水冷筒40的一侧有可作上下移动的点弧杆31。导电片44用以接通电弧电源或阴极电源。

多只兼用靶源14对真空镀膜室11绝缘并密封安装在其室壁上，电弧电源17可以是一台或两台，当采用一台电弧电源时，先后轮流点燃处于不同空间位置的兼用靶源14并使之对相对应的工件13进行刻蚀清洗和轰击加热，并且是用一台阴极兼轰击电源29兼作真空电弧蒸发时的轰击电源和磁控溅射时的阴极电源，减少了复杂而高价的单元设备用量，从而大幅度降低了整套设备的制造成本。当然，根据实际需要也可以配用两台电弧电源，使两只靶源同时对工件13进行刻蚀清洗和轰击加热，然而更多地增加电弧电源不但增加了设备成本，实践表明也是不必要的。

本实用新型兼用靶源中的阴极34为圆形平面阴极，有内外两个电磁线圈37和41，对外电磁线圈41直接水冷，不但磁场调节灵活，而且有利于增强阴极表面的外围磁场和转换运行方式，提高镀膜均匀性和阴极材料的利用率，适应不同尺寸真空镀膜室上安装不同数量靶源的要求。

本实用新型兼用靶源配上电弧电源17，在低磁场条件下按真空电弧蒸发源运行，其横向磁场分量使点弧后在阴极34表面上形成的弧斑作多轨迹的高速旋转，蒸发阴极材料；当接通阴极电源时按非平衡磁控溅射源运行，在高的非平衡横向磁场的作用下发生辉光放电，磁场的不平衡度由内电磁线圈37和外电磁线圈41之间的安匝比例加以调节，从而实现对等离子体作用范围和工件加热程度的控制。因此，本兼用靶源只要调节内外电磁线圈37和41的激磁电流，就可以按真空电弧蒸发源运行或非平衡磁控溅射源运行，操作上明显地比W.D.Milnz用电机调节永磁体矩形靶源和德国专利DE3914918A1永磁体圆型靶源简便实用。

如附图所示本实用新型实施例，其启动和操作运行是这样的，真空镀膜室11室壁两侧自上而下共装6只兼用靶源14，设备运行时首先接通烘烤电源16预热工件13，再将转换开关20和21同时投向左方，使旋转工件架12与阴极兼轰击电源19接通，然后将一侧靶源转换开关15—1、15—2、15—3中的一个(如15—1)投向下方，接通电弧电源17，与转换开关15—1相联的兼用靶源15—1以点弧极31点弧并逐步升高阴极兼轰击电源19的电压，使兼用靶源15—1所面对的部分工件13得到刻蚀清洗和轰击加热。按上述方式轮流换接同侧的其它开关，(15—2、15—3)，使另一些工件也得到处理，完成之后，再将转换开关20和21投向右方，使工件架12和偏压电源18接通，再将一个靶源转换开关如15—1投向上方，使兼用靶源14—1和阴极兼轰击电源19接通，进而升高电压。使该兼用靶源14—1在一定的压强下起辉而投入运行，其余未起辉的兼用靶源也依次先接通阴极兼轰击电源19，然后使已通过较高电阻接地的点弧极31，在阴极34表面上接触并随后脱离，在阴极34表面上产生过渡的火花放电致使兼用靶源起辉而启动，待全部兼用靶源启动后，就可以按非平衡磁控溅射方式，在工件13的表面上沉积硬质薄膜。

Claims (2)

1、电弧蒸发和磁控溅射相结合的离子镀膜设备，包括真空镀膜室11、安装工件13的工件架12、烘烤加热丝22、电弧电源17、偏压电源18、阴极兼轰击电源19、烘烤电源16，其特征是真空镀膜室两侧不同高度上，有多只兼用靶源14(包括14—1、14—2、……14—6)，每只兼用靶源各自通过相应的转换开关15—1、15—2、……15—6与电弧电源17联结，转换开关15—1、15—2、……15—6的另一端再通过转换开关20的一端与阴极兼轰击电源19相联结，真空镀膜室中围绕工件架12的烘烤加热丝22与烘烤电源16联结，工件架12通过转换开关21与偏压电源18相联结，转换开关21的另一端则与转换开关20的另一端联结。

2、如权利要求1所述的电弧蒸发和磁控溅射相结合的离子镀膜设备，其特征是其中的兼用靶源14的主要构件有磁轭39、阴极34、阴极压环38、非导磁垫环33、屏蔽极32、耐热绝缘板45、中心导磁杆35、隔水板36、阴极法兰42、导电片44、水冷筒40、内电磁线圈37、外电磁线圈41、冷却水管43、螺帽46、点弧杆31、以及密封圈47、48、49、50、51、52；磁轭39呈T字形，上部为盘状(称为上盘55)，下部为直径较小的套筒状(称为内筒54)，上盘55与内筒54之间的水平连接部分开有通水孔53，磁轭39以其内筒54的底面压在阴极法兰42上、二者之间有密封圈52；阴极34采用直接水冷，用阴极压环38固定在磁轭39的顶面上，阴极34和阴极压环38之间垫有非导磁垫环33，阴极34与磁轭39的顶面之间有密封圈47；阴极压环38的顶面有圆环形的屏蔽极32，该屏蔽极32的内圆柱面与阴极34之间留有间隙，与非导磁垫环33之间有耐热绝缘板45；中心导磁杆35在阴极34之下穿过隔水板36和阴极法兰42，其上段与隔水板36之间有密封圈48，其伸出阴极法兰42的下段装有导电片44，中心导磁杆35的下段有螺纹，用螺帽46将磁轭39、水冷筒40、阴极法兰42和导电片44固定在一起，隔水板36盖在磁轭内筒54的顶端，二者之间有密封圈49；水冷筒40在磁轭上盘55之下，其顶面与上盘55之间有密封圈50，其底面与阴极法兰42之间有密封圈51：大小二只电磁线圈同心套装，内电磁线圈37套在中心导磁杆35之外，位于磁轭内筒54之中，外电磁线圈41直接水冷，位于磁轭内筒54与水冷筒40之间的空间中；阴极34，隔水板36、磁轭39、水冷筒40和阴极法兰42之间形成水冷通路，阴极法兰42上对应于水冷通路的位置装有进出冷却水的冷却水管43：邻近磁轭39和水冷筒40的一侧有可作上下移动的点弧杆31。