CN2903094Y

CN2903094Y - 用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体

Info

Publication number: CN2903094Y
Application number: CNU2006200891721U
Authority: CN
Inventors: 陈宝清; 黄龙; 董闯
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2016-01-26

Abstract

物理气相沉积领域中的用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，包括炉体[10]、炉门[26]、炉底[6]、真空室[1]、外蒸发源[2]、内蒸发源[5]、接在工件架上的脉冲偏压电源[7]、离子源接口[11]和抽真空接口[9]均安装在炉体上。其特征：在真空室内的轴心线[14]上设有多个内蒸发源[5]，在炉体[10]侧壁上平行于轴心线[14]设有多个外蒸发源[2]，在内、外蒸发源之间并平行于其轴心线[14]设有外工件架轴[3]和内工件架轴[4]，在工件架轴上设有料盘[15]，工件[13]挂在料盘[15]上，在工件架轴的作用下可以自转和公转。内、外蒸发源[5、2]在控制柜操作下可同时或分开工作。优点：(1)装炉量大，与现有技术相比提高50％；(2)降低成本30％。

Description

用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体

技术领域

本实用新型涉及用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，是属于物理气相沉积领域。

背景技术

用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，是在工件表面沉积镀膜的重要设备，据资料统计：每年世界上金属材料有四分之一被大气腐蚀掉，为了解决金属被大气腐蚀，而在工件表面电镀铬，但在电镀过程中有三废排放，污染环境，需投巨资来治理，不仅如此在电镀过程中出现六价铬和使用氰化物，对人体有害是致癌物质！！欧盟颁布法令从2006年7月1日开始，禁止有六价铬零件进入欧盟市场，我国也颁布同样法令！用什么技术来取代电镀铬？经过二十多年研究，得出明确结论：用离子镀磁控溅射技术代替电镀可行，它是在真空条件下镀膜，不产生三废更没有六价铬，生产中也不用氰化物。电镀虽有污染环境又对人体有害，但工业生产上仍在使用，其中主要原因是电镀容量大，一次可以装很多工件，镀膜成本低！为了实现离子镀磁控溅射技术代替电镀，目前在工业生产中服役的离子镀磁控溅射镀膜机，只有一套蒸发源都属于单向离子镀磁控溅射镀膜技术，其缺点：

1).装炉量少，生产量低，

2).镀膜成本高。

这是由于，在离子镀磁控溅射镀膜生产中，当工艺参数确定，每开一次炉所需要成本费用如电费，水费，人工费，材料消耗费，设备折旧费等都是一样的，与在炉内装多少工件无关，只有炉内多装工件才能提高生产量降低镀膜成本。

发明内容

本发明的目的和任务是为了用于离子镀磁控溅射技术代替电镀，并克服已有技术存在的：(1)装炉量少，生产量低，(2)镀膜成本高的不足，并提供一种用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，特提出本实用新型的技术解决方案。

本发明的基本构思是，在离子镀磁控溅射设备其真空室的炉体壁上平行其轴心线，安装有多个外蒸发源，而在炉体[13]轴心线位置上，并顺其轴心线安装多个内蒸发源，工件分布在内、外蒸发源之间，装挂在外工件架轴和内工件架轴的料盘上，工作时，在连接工件架上的脉冲偏压电源作用下，蒸发物质从外向内沉积和从内向外沉积在工件上，在工件自转和公转条件下，可实现快速而又膜厚均匀任务。

本实用新型所提出的用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，主要包括：炉体[10]、炉门[26]、炉盖[19]、炉底[6]和在炉体的下侧部设有离子源接口[11]及炉底部设有抽真空接口[9]所构成的真空室[1]，炉体外形呈圆柱形结构，在真空室内设有多个蒸发源、工件架上设有多个工件架轴，在工件架轴上设有料盘[15]，脉冲偏压电源[7]与工件架相接，其特征在于：

a).在真空室[1]内沿其轴心线[14]位置设有多个内蒸发源[5]，垂直工件架底面，并用螺帽[20]固定在炉体[10]的炉盖[19]上，在真空室[1]的炉体[10]侧壁上，平行于轴心线[14]设有多个外蒸发源[2]；内蒸发源[5]和外蒸发源[2]，在控制柜操作下同时或分开工作；

b).真空室[1]中，在由顶板[18]、外支撑盘[28]和多根立柱[16]所构成的框架内，围绕并平行于轴心线[14]双排安设有多根外工件架轴[3]和多根内工件架轴[4]，其下端部位，分别设有外从动齿轮[21]和内从动齿轮[23]，并与处于轴心线[14]的动力轴[8]上，所安装的外主动齿轮[22]和内主动齿轮[24]对应啮合，形成工件架的行星齿轮传动机构；在外支撑盘[28]的底部还安装由动力轴[8]所带动的滚动轴承[29]，实现外工件架轴[3]和内工件架轴[4]同时自转和公转，使其挂在料盘[15]上的工件[13]，能快速达到其厚度均匀的镀层。

本实用新型的进一步特征在于：外工件架轴[3]和内工件架轴[4]的顶端，通过上定位销[17]均固定在顶板[18]上，而其下端则分别通过支撑轴套[27]，将内工件架轴[4]固定在内支撑盘[30]的上面，而将外工件架轴[3]则固定在外支承盘[28]的内底部；外蒸发源[2]是采用阴极电弧源或磁控溅射靶源；内蒸发源[5]是柱形电弧源或矩形磁控溅射靶源或圆柱形磁控溅射靶源；外蒸发源[2]和内蒸发源[5]向工件蒸发沉积的物质有：金属元素有Al、Cu、Ni、Cr、V、W、Ti、Zr、Au、Ag或金属间化合物或氮化物：氮化钛、氮化钒、氮化铝、氮化钨、氮化锆、氮化钛一铝。

本实用新型所提出的用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，被加工的工件[13]，是装挂在内外工件架轴[4、3]的料盘[15]上，通过设在动力轴[8]上的内、外主动齿轮[24、22]和滚动轴承[29]，带动内、外双排加工的工件架轴[4、3]转动，使工件[13]绕工件架轴自转，而工件架轴则绕其轴心线[14]公转，从而保证了工件的快速加工和获得厚度均匀的镀层。

本实用新型的主要优点：(1).由于采用内工件架轴[4]和外工件架轴[3]所以装炉量大，生产效率提高50％(2).由于装炉量大，所以镀膜成本降低30％。

附图说明

本实用新型共设9幅附图，下面结合附图进一步说明本实用新型的细节。

图1是本实用新型真空室[1]正视剖面结构示意图

用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体[10]是园柱形，立式前开炉门的真空室[1]，在炉体[10]上设有抽真空接口[9]、离子源接口[11]，炉体[10]侧壁上，平行轴心线[14]，装有多个外蒸发源[2]，在真空室[1]中央轴心线[14]位置上装有多个内蒸发源[5]，内蒸发源[5]吊挂在炉盖[19]上，并通过螺帽[20]加以固定。工件[13]分别装挂在外工件架轴[3]和内工作架轴[4]的料盘[15]上。工件架采用行星齿轮传动机构，保证工件[13]能进行自转和公转。每一工件架转轴通过上定位销[17]和下定位销[12]可以自由装上或取下。用三个立柱[16]支撑工件架的顶板[18]，立柱下端则固定在工件架的盖板上，在外支撑盘[28]的下面，安装滚动轴承并固定在炉底[6]上，这样保证工件架可以绕轴心线[14]公转。

外蒸发源[2]可采用多个阴极电弧源或磁控溅射靶源，内蒸发发源[5]可采用多个柱形阴极电弧源或矩形磁控溅射靶源或柱形磁控溅射靶源，内、外蒸发源[5、2]通过控制柜操作，可以同时工作，也可分开工作，向工件蒸发沉积物质。

脉冲偏压电源[7]与动力轴[8]相接，将电压加到工件架上，ABCD为截面向视图。本图所设外工件架轴[3]和内工件架轴[4]，共24根，为了图面清晰，图中只显示出4根，而在图2中全部显示出来，在此予以说明。

图2是图1的ABCD截面向视图。

在图2上可以看到：外蒸发源[2]和内蒸发源[5]，外工件架轴[3]、内工件架轴[4]和工件架的立柱[16]的截面结构，工件架轴上料盘[15]和离子源接口[11]的俯视结构。动力轴带动外主动齿轮[22]和外从动齿轮[21]以及内主动齿轮[24]和内从动齿轮[23]转动，保证工件能自转和公转。符号[26]是炉门，[25]是炉门把手。符号[10]为炉体。

图3是图1的右侧视图

在图3上可以看到炉体[10]外形图结构，在炉体上装有炉门[26]、离子源接口[11]和抽真空接口[9]。在炉体[10]的侧壁上装有磁控溅射靶源型外蒸发源[2]，在炉盖[19]上固定内蒸发源用螺帽[20]。符号[25]为炉门把手。

图4是工件架结构示意图

工件架的动力轴[8]可以同时带动外主动齿轮[22]和内主动齿轮[24]转动。外主动齿轮[22]带动外从动齿轮[21]转动，内主动齿轮[24]带动内从动齿轮[23]转动，在内、外从动齿轮上装有内工件架轴[4]和外工件架轴[3]，工件[13]装挂在工件架料盘[15]上。这样可以保证工件[13]自转和公转。为了保证工件架能自由装上和卸下，在外从动齿轮[21]和内从动齿轮[23]上装有下定位销[12]，在工件架的顶板[18]上装带有内弹簧的上定位销[17]。上定位销[17]固定在顶板[18]上，顶板[18]可绕轴心线[14]自由转动。外支撑盘[28]为支撑外工件架的传动机构，内支撑盘[30]为支撑内工件架的传动机构。工件架用立柱[16]支撑顶板[18]并固定在盖板[31]上，在外支撑盘[28]的下面，安装有滚动轴承[29]。图中，为了图面清晰，只画出内工件架轴[4]和外工件架轴[3]各2根，在此予以说明，符号[40]为通孔，符号[41]为动力轴通孔。符号

为从动齿轮装配关系局部放大区。

图5是工件架盖板[31]正视结构示意图

从图5可以看出：在工件架盖板[31]上加工有下定位销通孔[40]。图中，为了图面清晰，只显示4个通孔，特此说明。

图6是图5的俯视结构示意图

从图6可以看出：在工件架盖板[31]上加工有16个外工件架轴及8个内工件架轴的下定位销通孔[40]。

图7是工件架内支撑盘[30]正视结构示意图

从图7可以看出：在工件架内支撑盘[30]上加工下定位销通孔[40]和在中心线处加工动力轴通孔[41]。图中，为了图面清晰，只显示出3个通孔，特此说明。

图8是图7的俯视结构示意图

从图8可以看出：在工件架内支撑盘[30]上加工有16个内工件架轴的下定位销通孔[40]及一个动力轴通孔[41]。

图9是图4的

区局部放大剖面结构示意图

图中显示，内从动齿轮[23]，沿其轴线，设计有上销轴[42]和下销轴[43]，下销轴插入支撑轴套[27]内，并可以自由转动，上销轴则插入下定位销[12]内，并用键[39]固定连接，支撑轴套[27]焊接在内支撑盘[30]上。外从动齿轮的结构装配关系，与内从动齿轮[23]的结构装配关系相同，在此略。

具体实施方式

实施例1

1)目的.工件及设备

目的：黄铜件采用本实用新型离子镀铬代替电镀铬

工件尺寸：350×250×80mm，每一工件表面积(需要镀膜面积)为3.5×2.5+3.5×0.8+2.5×0.8)×2＝27.1dm²，

采用的设备为1500型双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，

真空室尺寸Φ1500×1600(mm)立式前开炉门，

蒸发源：磁控溅射靶源，靶材尺寸：1450×100×7(mm)，外蒸发源有8个矩形磁控溅射靶源，其中4个为中频溅射靶源，4个直流溅射靶源，4个离子源。内蒸发源有4个矩形磁控溅射靶源，其中2个为中频溅射靶源，2个直流溅射靶源，每台中频电源功率(单元功率)30kw，每台直流磁控溅射电源功率(单元功率)20kw。4个离子源(单元功率5KW)，

工件架：外工件架轴16个，内工件架轴8个，每一个工件架轴上有4个料盘，每料盘可装3件，每一个工件架轴装4×3＝12件，12×27.1＝325.1dm²，

装炉量：外工件架轴可装16×4×3＝192件，192×271.1＝5203.2dm²，内工件架轴可装8×4×3＝96件，96×27.1＝2601dm²，

装炉量：192+96＝288件，288×27.1＝7804dm²。

2).使用操作步骤：

第一步：装炉：工件经抛光达到镜面要求，进行超声波清洗15分钟，加热150℃烘干15分钟去除水份后装炉；

第二步：抽真空，开旋片泵持真空度达到5Pa时，打开主阀，待真空度达到5×10^-3Pa，加热200℃；

第三步：溅射清洗，通入Ar气真空度为5Pa，时间15分；

第四步：减少Ar气，真空度达到.5×10^-1Pa，内、外蒸发源通过控制柜操作同时开动，离子源工作，完成离子镀中间层合金+离子镀铬工艺；

第五步：停炉取出工件，目测检查表面质量，抽出5件进行盐雾腐蚀实验，合格后装箱，出厂。

3).成本核算：

一炉装数量：192+96＝288件，288×27.1＝7804dm²，

一炉所需成本费：电费+水费+人工费+设备折旧费+镀膜耗材费＝570元，

每平方分米镀膜成本费用：547元/7804dm²＝0.07元/dm²，

若不采用本实用新型用双内离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，而用一般镀膜机，一炉一次可装192件，(2926.8dm²)其每平方分米镀件成本：

547元/5203dm²＝0.105元/dm²。

4).结论：采用本实用新型用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，

装炉量可提高：7804-5203＝2601dm²，2601/5203＝50％，

镀膜成本降低：0.105-0.07＝0.035元/dm²，0.035/0.105＝33％。

实施例2

1).目的.工件及设备：

目的：黄铜件采用实用新型离子镀铬代替电镀

工件尺寸：350×250×80，每一工件表面积(需要镀膜面积)3.5×2.5+3.5×0.8+2.5×0.8)×2＝27.1dm²，

采用的设备1000型用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，

真空室尺寸：Φ1000×1200(mm)立式前开炉门，

蒸发源：外蒸发源由4个矩形磁控溅射靶源弹元功率为20kw和10个阴极电弧源(单元电流100A)组成，内蒸发源是4个柱形阴极电弧源(单元电流200A)，

工件架：外工件架轴12个，内工件架轴6个，每一个工件架轴上有3个料盘，每料盘可装3件，每一个工件架轴装3×3＝9件，9×27.1＝243.9dm²，

外工件架轴可装12×3×3＝108件，108×27.1＝2926.8dm²，

内工件架轴可装6×3×3＝54件，54×27.1＝1463.4dm²，

装炉量：108+54＝162件，2926.8+1463.4＝4390dm²。

2).使用操作步骤：

第三步：溅射清洗，通入Ar气真空度为5Pa，时间15分；

3).成本核算：

一炉装数量：108+54＝162件，162×27.1＝4390dm²，

一炉所需成本费：电费+水费+人工费+设备折旧费+镀膜耗材费＝350元，

每平方分米镀膜成本费用：350元/14390dm²＝0.079元/dm²

若不采用本实用新型用双内离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，而用一般镀膜机，一炉一次可装108件，(2926.8dm²)其每平方分米镀件成本：

350/2926.8＝0.12元/dm²。

4)结论：采用本实用新型用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，

装炉量可提高：4390-2926.8＝1464dm²，1464/2629.8＝56％，

镀膜成本降低：0.12-0.079＝0.041元/dm²，0.041/0.12＝34％。

Claims

1、用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，主要包括：由炉体[10]、炉门[26]、炉盖[19]、炉底[6]和在炉体的下侧部设有离子源接口[11]及炉底部设有抽真空接口[9]所构成的真空室[1]，炉体外形呈圆柱形结构，在真空室内设有多个蒸发源和工件架、在工件架轴上装有料盘[15]，脉冲偏压电源[7]接在工件架上，其特征在于：

a).在真空室[1]内，沿轴心线[14]位置，设有多个内蒸发源[5]，并紧固在炉盖[19]上，而在炉体[10]侧壁上，平行轴心线[14]设有多个外蒸发源[2]；内蒸发源[5]和外蒸发源[2]，在控制柜操作下同时或分开工作；

b).真空室[1]中，在由顶板[18]、外支撑盘[28]和多根立柱[16]所构成的框架内，围绕并平行于轴心线[14]，双排安设有多根外工件架轴[3]和多根内工件架轴[4]，其下端部位，分别设有外从动齿轮[21]和内从动齿轮[23]，并与处于轴心线[14]的动力轴[8]上，所安装的外主动齿轮[22]和内主动齿轮[24]对应啮合，形成工件架的行星齿轮传动机构；在外支撑盘[28]的底部还安装有由动力轴[8]所带动的滚动轴承[29]，实现外工件架轴[3]和内工件架轴[4]同时自转和公转，使其挂在料盘[15]上的工件[13]快速达到其厚度均匀的镀层。

2、根据权利要求1所述的用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，其特征在于：外工件架轴[3]和内工件架轴[4]的顶端，通过上定位销[17]均固定在顶板[18]上，而其下端，则分别通过支撑轴套[27]，将内工件架轴[4]固定在内支撑盘[30]的上面，而将外工件架轴[3]则固定在外支撑盘[28]的内底部。

3、根据权利要求1所述的用双向离子镀磁控溅射代替电镀设备的炉体，其特征在于：外蒸发源[2]是采用阴极电弧源或磁控溅射靶源；内蒸发源[5]是柱形电弧源或矩形磁控溅射靶源或圆柱形磁控溅射靶源。