曲面磁控溅射阴极、闭合磁场涂层磁控溅射设备及其应用方法技术

本发明专利技术公开了一种曲面磁控溅射阴极、闭合磁场涂层磁控溅射设备及其应用方法，该磁控溅射阴极包括曲面靶、水冷套、电极、绝缘套、屏蔽组件、磁靴、磁靴转动、支撑固定机构，绝缘套对阴极组件进行电位绝缘，屏蔽组件为放电过程中的悬浮电位组件，磁靴转动可实现磁靴的滑动，提高靶材的利用率，曲面靶靶材是由多组表面可复合非金属的金属基片瓦拼接并通过螺栓固定在由不锈钢管表面焊接水冷管的水冷套上，通过电极接通负电压进行磁控溅射辉光放电，受阴极形状限制，辉光放电中的电子发生汇聚产生空心阴极效应，即提高了溅射速率，又增强了粒子的离化率。本发明专利技术可在高真空下磁控溅射产生大束流高离化率的粒子，获得优质的涂层。

Surface magnetron sputtering cathode, closed magnetic field coating magnetron sputtering equipment and its application method

The invention discloses a curved surface magnetron sputtering cathode, a closed magnetic field coating magnetron sputtering device and an application method thereof. The magnetron sputtering cathode comprises a curved surface target, a water-cooled sleeve, an electrode, an insulating sleeve, a shielding assembly, a magnetic boot, a magnetic boot rotation, a supporting and fixing mechanism, an insulating sleeve for potential insulation of the cathode assembly and a shielding assembly. In order to realize the sliding of the magnetic boot and improve the utilization ratio of the target material, the curved target material is spliced by several groups of non-metallic substrate tiles and fixed by bolts on the water-cooled sleeve of the water-cooled pipe welded on the surface of the stainless steel pipe. The negative voltage is connected by the electrode to magnetize the target material. Due to the confinement of cathode shape, electrons in sputtering glow discharge converge to produce hollow cathode effect, which increases the sputtering rate and the ionization rate of particles. The invention can produce large beam of particles with high ionization rate by magnetron sputtering under high vacuum, and obtain high quality coating.

【技术实现步骤摘要】
曲面磁控溅射阴极、闭合磁场涂层磁控溅射设备及其应用方法
本专利技术属于磁控溅射镀膜生产设备
，具体是指一种曲面磁控溅射阴极、闭合磁场涂层设备及其应用于类金刚石涂层、光学膜、装饰涂层的制备方法。
技术介绍
磁控溅射技术广泛应用于五金装饰、光学玻璃镀膜、薄膜太阳能、纳米功能薄膜、硬质涂层等领域，是物理气相沉积（PVD）技术中应用最为广泛一种通过辉光放电离化的荷能粒子在电场作用下轰击靶材表面，靶材原子经过级联碰撞能量传递后，获得能量，溢出靶材表面沉积在基片表面上形成薄膜或涂层。溅射过程中，等离子体内的电子的主要作用是在磁场的作用下，进行螺旋运动，并在运动过程中对惰性气体进行活化及离化，离华后的惰性气体粒子进行溅射；然而磁控溅射过程中辉光放电的电流密度（等离子体密度）较低，产生的电子能维持对惰性气体的活化及离化，对于溅射出来的原子不能很好的离化，常规的磁控溅射溅射原子的离化率不高于10%。传统的磁控溅射溅射原子离化率低，以原子态沉积在基体表面，导致溅射原子沉积过程中的能量低，不能在表面进行迁移扩散，形成致密的薄膜。为提高溅射原子的离化率，科研技术人员开发出非平衡磁控溅射阴极，通过改变磁靴磁极的强度，形成非平衡磁场，从而在溅射过程中，提高部分电子的自由程，提高粒子的离化率；通常非平衡磁控溅射阴极可与周边的非平衡阴极形成闭合磁场，进一步提升溅射粒子的离化率。虽然非平衡磁控溅射阴极通过改变磁场的结构强度等，提升了溅射原子的离化率，但其提升力度较低，溅射并沉积到基片表面的仍然主要还是原子态；较低的离化率限制了磁控溅射的应用，在一些高要求，高精度的涂层如：类金刚石涂层中DLC层的沉积、光学薄膜的沉积、高亮高致密的装饰性土豪金的沉积等等都有很大的技术瓶颈。类金刚石薄膜(Diamond-likecarbonfilm)由于具有许多优异的物理、化学性能，如高硬度、低摩擦系数、优良的耐磨性、高介电常数、高击穿电压、宽带隙、化学惰性和生物相容性等。经过多年的发展，DLC薄膜在很多领域的应用也已进入实用和工业化生产阶段。然而，在类金刚石涂层的制备过程仍存在较多问题。现有的DLC沉积技术主要是物理气相沉积（PVD）及化学气相沉积(CVD)，PVD主要包括离子束沉积（IBD）、磁控溅射、多弧离子镀、脉冲激光沉积等，CVD包括热丝化学气相沉积、等离子化学增强气相沉积（PECVD），这几种技术都存在一些问题：离子束沉积因石墨溅射速率低二沉积速率低；磁控溅射沉积一方面溅射速率低，另一方面原子能量低导致结构疏松硬度低；多弧离子镀沉积过程中会产生大量碳颗粒；脉冲激光沉积能耗高，涂层均匀性差，有效沉积区小；热丝气相沉积技术沉积温度高，极大地限制了基体材料的范围；PECVD虽然有效的降低了反应温度，但沉积过程中沉积效率较低，碳原子离化率低，成膜质量结构不够致密。现有的磁控溅射阴极包括平衡磁控阴极及非平衡磁控溅射阴极，其溅射出来的大部分为原子态，离化率低，沉积类金刚石涂层过程中，如果不配置其他离化装置，基体表面获得的石墨态（sp2）较多，不能很好的获得高硬度的类金刚石涂层；此外磁控溅射阴极沉积速率低，原子能量低，成膜效率及质量都不理想。光学功能涂层现在已经深入到了人民生活的方方面面，不仅包括太阳能薄膜电池、智能移动手机、节能玻璃、光学显示等，现阶段在微电子系统、智能控制领域也得到了广泛的应用。磁控溅射沉积光学功能涂层存在两个限制因素：一方面沉积速率较低，沉积过程中，某些金属元素（Al）受真空腔室内杂气的污染，不能有效的形成金属光泽的反射层，同时沉积速率较低也造成生产效率底下，控制成本高昂；另一方面离化率较低，形成的薄膜孔隙等缺陷、结构致密性等都不尽人意。虽然非平衡磁控溅射在一定的工艺条件下，可获得致密细腻的硬质涂层，但沉积速率低限制了磁控溅射技术在硬质涂层的应用。现阶段硬质涂层的制备过程主要是通过电弧离子镀来实现的，但沉积过程中的大颗粒问题仍然阻碍了硬质涂层在工模具行业的广泛高效的应用。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术的第一个目的是提供一种离化率高、成膜质量好的曲面磁控溅射阴极。本专利技术的第二个目的是提供一种闭合磁场磁控溅射涂层加工设备。本专利技术的第三个目的是利用上述涂层加工设备提供类金刚石涂层的制备方法、增透铝镜涂层的制备方法、24K金装饰性涂层、高性能纳米复合硬质AlCrN涂层的制备方法。为实现本专利技术的第一个目的，本专利技术的技术方案是包括阴极主体，该阴极主体包括有外磁体、绝缘套组件、靶材、电极和冷媒套，其所述的靶材为带有一侧开口的曲面靶材，所述的曲面靶材的内部空腔构成气体电离区，该曲面靶材的开口处构成磁控溅射原子和/或离子的出射口，所述的冷媒套的内壁曲面轮廓形状与靶材的外壁曲面轮廓形状相适配，且冷媒套包设于靶材的外侧构成热交换连接，所述的绝缘套组件包括有设置于外磁体和冷媒套之间的曲面绝缘套，所述的外磁体的内壁曲面轮廓形状与曲面绝缘套的外壁曲面轮廓形状相适配，且该外磁体滑移设置于曲面绝缘套的外壁曲面轮廓上，还包括有用于驱动外磁体沿曲面绝缘套的外壁曲面轮廓滑移的外磁体转动组件。本设置的创新机理和有益效果是：从靶材上溅射出现的金属离子和电子的活动轨迹受限于曲面靶材的形状限制，从而使得电子不断与气体电离区的气体进行碰撞产生更多电子和离子，从而辉光放电中的电子发生汇聚产生空心阴极效应，即提高了溅射速率，又增强了粒子的离化率，此外，通过本专利技术的结构设计，外磁体的滑动可以改变靶材所受的磁场，从而使得辉光放电过程不再局限于靶材的某一局部位置，而使得靶材产生辉光放电的区域更加均匀，提高靶材的利用率。另外，通过该设置，由于靶材产生辉光放电的区域更大，因此，减少了从靶材直接溅射出含有金属原子团的液滴，从而提高了涂层加工的均匀性和质量。进一步设置是所述的靶材也包括纯金属靶材、金属及非金属复合靶材、非金属靶材；所述的靶材也包括纯金属靶材、金属及非金属复合靶材、非金属靶材，可实现金属及合金、金属非金属复合材料、非金属材料的曲面磁控溅射；靶材为多组金属基片瓦拼接而成，其金属基片瓦表面可复合非金属材料形成金属及非金属的复合材料靶，亦可在金属基片瓦上直接钎焊非金属材料形成完整的非金属靶；靶材的金属基片瓦为钛、铬、钨、铝、银、铜中的一种或其合金。进一步设置是外磁体包括有背板以及固定设置于背板上且相互依次排布的多片磁铁，且相邻的磁铁之间磁性相反布置，使得相邻磁铁的磁力线分布构成闭合磁力线。进一步设置是还包括有支撑固定机构，该支撑固定机构包括阴极固定组件和支撑轴，阴极固定组件包括有两只分别固定在阴极主体的轴向两侧端面的固定座，该固定座与阴极主体对应的轴向端面之间设置有端面绝缘套，所述的支撑轴支撑固定于两只固定座的外凸部之间；外磁体转动组件包括有固定设置于外磁体的外轮廓面上的曲面齿条，以及与曲面齿条传动啮合的驱动齿轮，所述的驱动齿轮转动设置于所述的支撑轴上，该驱动齿轮外接动力机构；还包括有滑动支撑机构，该滑动支撑机构包括有固定于外磁体外轮廓面上的外磁体滑动座，以及设置于支撑轴上的滑动支撑组件，所述的外磁体滑动座上设置有与外磁体滑移方向一致的滑移导向壁，所述的滑动支撑组件包括有设置有固定于支撑轴上的滑动支撑杆，以及设置于滑动支撑杆头部的转动导向轮，该转动导向轮的外壁一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种曲面磁控溅射阴极，包括阴极主体，该阴极主体包括有外磁体、绝缘套组件、靶材、电极和冷媒套，其特征在于：所述的靶材为带有一侧开口的曲面靶材，所述的曲面靶材的内部空腔构成气体电离区，该曲面靶材的开口处构成磁控溅射原子及离子的出射口，所述的冷媒套的内壁曲面轮廓形状与曲面靶材的外壁曲面轮廓形状相适配，且冷媒套包设于靶材的外侧构成热交换连接，所述的绝缘套组件包括有设置于外磁体和冷媒套之间的曲面绝缘套，所述的外磁体的内壁曲面轮廓形状与曲面绝缘套的外壁曲面轮廓形状相适配，且该外磁体滑移设置于曲面绝缘套的外壁曲面轮廓上，还包括有用于驱动外磁体沿曲面绝缘套的外壁曲面轮廓滑移的外磁体转动组件。

【技术特征摘要】
1.一种曲面磁控溅射阴极，包括阴极主体，该阴极主体包括有外磁体、绝缘套组件、靶材、电极和冷媒套，其特征在于：所述的靶材为带有一侧开口的曲面靶材，所述的曲面靶材的内部空腔构成气体电离区，该曲面靶材的开口处构成磁控溅射原子及离子的出射口，所述的冷媒套的内壁曲面轮廓形状与曲面靶材的外壁曲面轮廓形状相适配，且冷媒套包设于靶材的外侧构成热交换连接，所述的绝缘套组件包括有设置于外磁体和冷媒套之间的曲面绝缘套，所述的外磁体的内壁曲面轮廓形状与曲面绝缘套的外壁曲面轮廓形状相适配，且该外磁体滑移设置于曲面绝缘套的外壁曲面轮廓上，还包括有用于驱动外磁体沿曲面绝缘套的外壁曲面轮廓滑移的外磁体转动组件。2.根据权利要求1所述的一种曲面磁控溅射阴极，其特征在于：所述的靶材也包括纯金属靶材、金属及非金属复合靶材、非金属靶材，分别用于实现金属及合金、金属非金属复合材料、非金属材料的曲面磁控溅射；所述纯金属靶材为多组金属基片瓦拼接而成，所述金属及非金属复合靶材由金属基片瓦表面复合非金属材料形成，所述的非金属靶材为在金属基片瓦上直接钎焊非金属材料形成；所述的金属基片瓦为钛、铬、钨、铝、银、铜中的一种或其合金。3.根据权利要求1所述的一种曲面磁控溅射阴极，其特征在于：外磁体包括有背板以及固定设置于背板上且相互依次排布的多片磁铁，且相邻的磁铁之间磁性相反布置，使得相邻磁铁的磁力线分布构成闭合磁力线。4.根据权利要求1所述的一种曲面磁控溅射阴极，其特征在于：还包括有支撑固定机构，该支撑固定机构包括阴极固定组件和支撑轴，阴极固定组件包括有两只分别固定在阴极主体的轴向两侧端面的固定座，该固定座与阴极主体对应的轴向端面之间设置有端面绝缘套，所述的支撑轴支撑固定于两只固定座的外凸部之间；外磁体转动组件包括有固定设置于外磁体的外轮廓面上的曲面齿条，以及与曲面齿条传动啮合的驱动齿轮，所述的驱动齿轮转动设置于所述的支撑轴上，该驱动齿轮外接动力机构；还包括有滑动支撑机构，该滑动支撑机构包括有固定于外磁体外轮廓面上的外磁体滑动座，以及设置于支撑轴上的滑动支撑组件，所述的外磁体滑动座上设置有与外磁体滑移方向一致的滑移导向壁，所述的滑动支撑组件包括有设置有固定于支撑轴上的滑动支撑杆，以及设置于滑动支撑杆头部的转动导向轮，该转动导向轮的外壁一侧与滑移导向壁滑移导向配合。5.根据权利要求1所述的一种曲面磁控溅射阴极，其特征在于：曲面靶材的曲面为圆弧曲面或椭圆曲面；曲面靶材开口的弧度角为90°-120°。6.一种闭合磁场涂层磁控溅射设备，其特征在于：包括有真空腔室、转动装置、真空系统、及设置在真空腔室内的多个如权利1-5任一项所述的曲面磁控溅射阴极，该多个曲面磁控溅射阴极的外磁体的磁力线相互连接形成闭合磁场。7.一种含氢掺杂类金刚石涂层的磁控溅射制备方法，其特征在于，通过在权利要求6所述的闭合磁场涂层磁控溅射设备中，该闭合磁场涂层磁控溅射设备中所采用的曲面磁控溅射阴极为带有金属曲面靶材的曲面磁控溅射阴极和带有金属石墨复合曲面靶材的曲面磁控溅射阴极，在待加工工件上加工出含氢类金刚石涂层，其包括有以下步骤：（1）真空腔室抽真空后通入氩气，开启偏压电源600-1000V，待镀工件基体表面进行辉光清洗，随后开启金属曲面靶材的曲面磁控溅射阴极，调节金属靶电流为恒流15-30A，偏压200-80V，沉积≤1um厚度的金属基底层，待金属基底层工艺结束后，（2）向真空腔室通入氮气后，该氮气的通入流量通过梯度递增方式逐渐从0sccm增加到100-300sccm，在金属基底层上再沉积≤2um厚度的金属氮化物层；（3）向真空腔室通入氮气及碳氢气体，其中，该氮气的通入流量通过梯度递减方式逐渐减少至50-200sccm，碳氢气体的通入流量通过梯度递增方式逐渐从0sccm增加到50-150sccm，在金属氮化物层外再沉积≤2um厚度的金属碳氮化物层；（4）继续调节向真空腔室通入氮气及碳氢气体的流量，其中氮气的通入流量通过梯度递减方式逐渐减少至0sccm，碳氢气体的通入流量通过梯度递增方式逐渐增加到200-400sccm，调节偏压至100-40v，在金属碳氮化物层外沉积≤2um厚度的金属碳化物，（5）开启带有金属石墨复合曲面靶材的曲面磁控溅射阴极，降低碳氢气体流量直至关闭，增大氩气流量至300-600sccm，金属曲面靶材电流降为10-15A，金属石墨复合曲面靶材电流15-30A，沉积厚度≤1um梯度掺杂金属的掺杂金属类金刚石涂层；（6）氩气流量稳定在300-600sccm，稳定的阴极电流制备掺杂金属类金刚石涂层表面层。8.一种无氢类金刚石涂层的磁控溅射制备方法，其特征在于，通过在权利要求6所述的闭合磁场涂层磁控溅射设备中，该闭合磁场涂层磁控溅射设备中所采用的曲面磁控溅射阴极为带有金属曲面靶材的曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：郎文昌，
申请(专利权)人：温州职业技术学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33