一种复合技术制备涂层的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种复合技术制备涂层的装置，包括：涂层元素蒸发系统，离化和注入且沉积系统，惰性气体供给系统，真空系统，涂层元素蒸发系统和惰性气体供给系统分别连接到离化和注入且沉积系统，真空系统连接在离化和注入且沉积系统底部。本发明专利技术装置可以在一个工作室内完成PIII&D、ALD和CVD三种技术的切换，通过复合制备的方法克服单一技术制备涂层的不足，操作过程简单、效率高，且只有一个反应室，节约成本；利用线圈电感耦合的方式对基体加热，不需要额外加热装置，且通过感应线圈产生等离子体对CVD和ALD过程有辅助作用，可以大大提高涂层的沉积效率和质量；环形磁控靶的设计，使阳极处于工件正上方，电场分布对称，PIII&D离子注入且沉积过程更均匀。

【技术实现步骤摘要】
一种复合技术制备涂层的装置
本专利技术涉及一种采用复合技术制备涂层的装置，具体是指通过一种装置可将PIII&D/ALD/CVD三种制备涂层的技术复合起来进行涂层的制备，属于低温等离子体物理和化学领域中材料表面改性

技术介绍
随着科技的发展，人们对涂层的硬度、耐高温、抗冲蚀、抗氧化等性能的要求越来越高，传统单一的物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition，PVD)和化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，CVD)技术已经不能满足航空航天、医疗器械、汽车、船舶等领域的需求。物理气相沉积技术及其涂层设备目前已经较为成熟，该方法可以制备出优异性能的薄膜涂层，但是其沉积效率慢不能获得较高厚度的涂层，并且绕镀性差对复杂表面或内径比小的表面成膜能力较差。化学气相沉积能够在工件表面上形成均匀整齐的涂层，且沉积速率快能够获取较大厚度的涂层，但也存在组织晶粒粗大、涂层不致密等缺陷，以抗氧化涂层为例，其CVD涂层的失效机理就是涂层以柱状晶形式垂直于表面生长，成为基材和氧扩散的快速通道，从而导致涂层失效。原子层沉积技术(ALD)是一种具有自限制特性沉积涂层的一种方法，能够制备致密、连续、均匀且无空洞缺陷的涂层，但其生长速率太低难以满足工业需求。近年来随着涂层技术突飞猛进的发展，涂层技术越来越趋向于复合化、可控化，以确保涂层的性能达到目标要求。兰州空间技术物理研究所已经提出了结合ALD和CVD复合技术制备涂层，CVD能够保证涂层的厚度，再在CVD涂层表面上制备致密均匀的ALD涂层可以达到封严的效果，但是ALD涂层生长严重依赖基材最外层原子悬键及点阵结构和空间位阻的影响，因此在CVD薄膜表面难以形成致密的ALD涂层。离子注入(PIII&D)技术可以在基体表面注入和沉积同种或异种元素，不仅可以改变表面基体性能，还可以打破基体表面原子排列，形成纳米晶或非晶层，或形成混合界面，改善基片对涂层的亲和性，抑制因晶粒外表面取向的不同而对后继沉积层的成核、生长产生影响，使得传统工艺无法附着或者附着差的涂层实现附着、并提高与基片的结合力同时保障涂层的致密性。因此将PIII&D引入到ALD和CVD复合制备涂层技术中能够改善CVD涂层表面性能，从而可以得到致密的ALD涂层。由此，可知PIII&D/ALD/CVD复合技术制备涂层的方式将成为表面改性技术中一种重要的手段。但是由于物理气相沉积和化学气相沉积方法在原理和操作上具有明显的差异性，在目前的设备中还没有能够同时完成PIII&D/ALD/CVD复合涂层制备的能力。如果分别将基体在不同的反应室中进行独立方法沉积以达到复合涂层的效果，这不仅难以保证每层薄膜表面的清洁度，也会大大降低工作效率和增加设备的成本，从而严重限制了复合技术制备涂层在工业中的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前技术的不足，提供一种复合技术制备涂层的装置，使其能够将PIII&D/ALD/CVD三种技术在这同一个装置完成切换，最后达到复合涂层的制备，可以大大提高复合涂层的制备的工作效率，也大大节约了设备成本。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括：涂层元素蒸发系统，离化和注入且沉积系统，惰性气体供给系统，真空系统。其连接关系：涂层元素蒸发系统通过流量控制器和阀门控制，并经过粒子馈送管道导入到离化和注入且沉积系统，离化和注入且沉积系统又连接到真空系统，真空系统提供试验所需的真空环境，惰性气体供给系统提供惰性气体对ALD和CVD镀膜过程中进行吹扫，同时也在PIII&D离子注入过程提供电离气体，废气由真空系统中的机械泵抽去。所述的涂层元素蒸发系统，针对在常温下饱和蒸汽压高的物质元素(如氧化铝TMA)，包括：气体钢瓶，手动阀门，流量控制计，双向阀门，粒子馈送管道。所需沉积且注入的物质元素和反应气体放在不同钢瓶中，当手动阀开启后，通过自身蒸发，并经过流量控制计控制流量，打开双向阀门，借助于粒子馈送管道可以进入离化和注入沉积系统腔体内。通过控制钢瓶的双向阀门开关即可控制所需沉积且注入的物质元素蒸汽和反应气体通入离化和注入且沉积系统工作室内的形式(CVD同时通入，ALD脉冲通入)。所述的涂层元素蒸发系统，针对在常温下饱和蒸汽压低的物质元素，包括：加热箱体，气体钢瓶，手动阀门，流量控制计，双向阀门，粒子馈送管道。饱和蒸汽压低的化合物需要借助加热才能获取满足试验所需求的挥发量，装有涂层元素化合物的钢瓶放在加热箱中加热蒸发，并由连接通入的惰性气体将物质元素运载通入离化和注入沉积系统腔体内。物质元素蒸汽和反应气体的流量和运输可通过控制阀门及流量控制计并利用粒子馈送管道实现，在元素蒸汽传输过程中，所流经的离子馈送管道要有加热装置，以防止蒸汽的冷凝堵塞管道。所述的离化和注入且沉积系统，包括：点状阳极，金属盖板，绝缘陶瓷，离化和注入且沉积腔体，环形磁控靶，感应线圈，射频电源，工件靶台，工作台支架，热电偶。连接关系为：环形磁控靶置于工件靶台正上方，连接到电源的阴极上，环形磁控靶包括磁控系统和水冷系统，所述涂层元素蒸发系统中的粒子馈送管道通过环形磁控靶中心导入腔体内，导入处的粒子馈送管道作为阳极，且阳极接地。其中离化和注入且沉积腔体是由圆筒形的石英玻璃构造而成的，上方由一金属盖板封顶，金属盖板与点状阳极之间由绝缘陶瓷隔离，金属盖板接地。圆筒形的反应腔体上缠绕部分感应线圈并连接到一个射频电源上，通过产生感应电动势形成涡流效应，使金属基体产生焦耳热，在ALD和CVD过程中也可通过感应电场来提供感应耦合等离子，形成PE-ALD或PE-CVD。工件放在工件靶台上，工件靶台由工作台支架支撑，连接到外部电源的负极，工件靶台可转动也可固定，工作台支架可以控制工件靶台升降。腔体内部装有热电偶，测试腔体内部的温度，达到对镀膜过程中的试验环境的监控。所述的惰性气体供给系统可为离子注入过程中提供惰性气体用于电离，产生等离子体。同时，也可以为离化和注入且沉积腔体提供清洁处理，利用惰性气体对腔体内部或工件表面进行吹扫，例如：在ALD过程中，前驱体的通入达到饱和后需要将工件表面多余的前驱体吹扫，在每个反应周期后，也同样需要把多余的反应气体及反应残物吹走。惰性气体供给系统主要包括装有惰性气体的钢瓶、手动的控制阀门、控制流量大小的流量控制计、双向的阀门，通过传输导管，将惰性气体脉冲导入到腔体内部。吹扫后的残余物质，由腔体连接到真空系统，真空系统将残余气体抽走。所述的真空系统是为离化和注入且沉积系统提供真空环境，同时也用来抽走工作室内的残余气体和物质。该真空系统包括：机械泵，分子泵，电磁阀，双向阀，三向阀，电阻规，电离规。一个分子泵和一个机械泵构成一套真空处理设备，分子泵连接到真空室，首先关闭分子泵管道上电磁阀，由机械泵先进行预抽处理，抽到一定气压后，开启分子泵连接的电磁阀，分子泵主要用来提供较高的真空环境。真空排气装置单独连接一个机械泵，用来抽走反应腔内残余气体和物质。双向阀和三向阀门起到一个开启和关闭管道的功能，电阻规和电离规分别用来测试真空系统中的低真空度和高真空度。本专利技术的效果和益处：利用本专利技术装置可以结合PIII&D、ALD和CVD三种制备技术优点，通过复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合技术制备涂层的装置，包括：涂层元素蒸发系统(1)，离化和注入且沉积系统(2)，惰性气体供给系统(3)，真空系统(4)，其特征在于，涂层元素蒸发系统(1)连接到离化和注入且沉积系统(2)，离化和注入且沉积系统(2)再连接一个惰性气体供给系统(3)，真空系统(4)连接在注入且沉积系统(2)底部。

【技术特征摘要】
1.一种复合技术制备涂层的装置，包括：涂层元素蒸发系统(1)，离化和注入且沉积系统(2)，惰性气体供给系统(3)，真空系统(4)，其特征在于，涂层元素蒸发系统(1)连接到离化和注入且沉积系统(2)，离化和注入且沉积系统(2)再连接一个惰性气体供给系统(3)，真空系统(4)连接在注入且沉积系统(2)底部。2.根据权利要求1所述的复合技术制备涂层的装置，其特征是，对于饱和蒸气压较高的涂层元素化合物，涂层元素蒸发系统(1)包括：手动阀(6)、流量控制计(7)、双向阀门(8)、钢瓶②(9)、粒子馈送管道(11)、钢瓶③(13)。其连接关系为：装有涂层元素化合物的钢瓶②(9)和装有反应气体的钢瓶③(13)分别连接一套手动阀(6)、流量控制计(7)、双向阀门(8)，再通过粒子馈送管道(11)导入到离化和注入且沉积系统(2)，涂层元素蒸发系统(1)与离化和注入且沉积系统(2)由法兰(12)连接。3.根据权利要求1所述的复合技术制备涂层的装置，其特征是，对于饱和蒸气压较低的涂层元素化合物，涂层元素蒸发系统(1)包括：钢瓶①(5)、手动阀(6)、流量控制计(7)、双向阀门(8)、钢瓶②(9)、加热箱体(10)、粒子馈送管道(11)、钢瓶③(13)。其连接关系为：装有涂层元素化合物的钢瓶②(9)置于加热箱体(10)内部，运载气体钢瓶①(5)连接到钢瓶②(9)中，反应气体钢瓶③(13)、运载气体钢瓶①(5)和前驱体钢瓶②(9)分别连接一套手动阀(6)、流量控制计(7)、双向阀门(8)，再通过粒子馈送管道(11)导入到离化和注入且沉积系统(2)，涂层元素蒸发系统(1)和离化和注入且沉积系统(2)由法兰(12)连接。4.根据权利要求2和3所述的粒子馈送管道(11)采用金属馈送管道，其中对于容易凝结的涂层元素物质粒子，在导入到离化和注入且沉积系统(2)前粒子馈送管道(11)置于加热箱体(10)内部。5.根据权利要求1所述的复合技术制备涂层的装置，其特征是，所述的离化和注入...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刘合，旷小聪，苗虎，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11