一种多工位长管材高效磁控溅射镀膜专用装置制造方法及图纸

本发明专利技术目的是提供在长管材外表面进行高效、高质量金属膜材的磁控溅射制备专用装置，其中，真空室与真空生成系统和充气系统相连通，真空室内部设有环形靶溅射系统、反溅射清洗系统；伺服传动系统与磁力耦合传动系统相连；磁力耦合传动系统设有外部磁环、前挡管、后挡管、支撑管、支撑杆，支撑管套在支撑杆外，前、后挡管套在支撑管外，后挡管与支撑管及外部磁环的N极固定在一起，外部磁环的N极外设有S极磁铁，前、后挡管中间位置用于固定镀膜管；支撑杆贯穿真空室，其位于真空室镀膜管材入口处设有管材芯部加热系统；电源系统分别连接真空生成系统、充气系统、环形靶溅射系统、伺服传动系统、管材芯部加热系统、反溅射系统、循环水冷却系统。

【技术实现步骤摘要】
一种多工位长管材高效磁控溅射镀膜专用装置
本专利技术涉及磁控溅射镀膜，提供一种在超长管材上高效制备金属膜材的装置。
技术介绍
在科学经济快速发展的社会，薄膜材料作为功能材料的一种，受到越来越多的关注。功能薄膜作为材料的一种形式，在光、电、磁、热、防腐、装饰等方面具有特殊性质，因而在相关领域进行应用。功能薄膜材料从功能上分为：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。目前制备薄膜的手段主要分为：物理气相沉积和化学气相沉积两大类。其中物理气相沉积由于工艺成熟，制备的薄膜性质稳定可靠，近年来成为制备薄膜以及相关器件的主要手段。物理气相沉积制备薄膜的方法主要有离子束沉积、磁控溅射沉积，分子束外延沉积和蒸发沉积等。以上的几种方法中，磁控溅射法由于可以制备大面积且质量好的膜材而被广泛使用。磁控溅射制备膜材又分为直流磁控溅射法和射频磁控溅射法。直流磁控溅射法主要制备金属膜材等导电性好的膜材，如金属膜材等；射频磁控溅射主要制备导电性差的膜材，如金属氧化物或半导体膜材等。目前磁控溅射法制备膜材，主要是制备二维平面膜材，使用的靶材也是相应的二维平面靶材。采用平面靶材在管材、丝材、棒材表面镀膜时，无法同时在360°圆周上同时镀膜，因此需要转动管材、丝材及棒材，或者使靶材围绕管材等转动，完成圆周360°镀膜。采用转动的方法虽然可以镀膜，但在镀膜时还在发生等离子体的绕射等，会引起膜材质量问题，如表面疏松等。此外，管材等材料镀膜往往工件较长，普通的设备无法完成长工件的镀膜；平面靶材完成长管材镀膜，要么靶材尺寸大，成本高昂，要么镀膜时间长，效率低，镀膜的成功率也低。因此对于管材、棒材等外表面镀膜，开发高效率、快速沉积高质量膜材的磁控溅射设备成为亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术目的是提供在长管材外表面进行高效、高质量金属膜材的磁控溅射制备专用装置。本专利技术技术方案如下：一种多工位长管材高效磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述装置由真空室、真空生成系统、充气系统、环形靶溅射系统、伺服传动系统，磁力耦合传动系统、管材芯部加热系统、电源系统、循环水冷却系统、反溅射清洗系统组成；真空室分别与真空生成系统和充气系统相连通，真空室内部设有环形靶溅射系统、反溅射清洗系统；伺服传动系统与磁力耦合传动系统相连；磁力耦合传动系统设有外部磁环、前挡管、后挡管、支撑管、支撑杆，其中支撑管套在支撑杆外，前挡管、后挡管套在支撑管外，后挡管与支撑管以及外部磁环的N极固定在一起，外部磁环的N极外设有S极磁铁，前挡管、后挡管中间位置用于固定镀膜管；磁力耦合传动系统的支撑杆贯穿真空室，其位于真空室镀膜管材入口处设有管材芯部加热系统；电源系统分别连接真空生成系统、充气系统、环形靶溅射系统、伺服传动系统、管材芯部加热系统、反溅射系统、循环水冷却系统。其中真空室与机械泵和分子泵相连，机械泵和分子泵为真空室提供真空条件；充气系统为镀膜过程中充入氩气和镀膜结束之后充入大气，起到平衡气压的作用。真空室连通真空测量器件(如真空规或压力传感器)，用于测试抽真空和镀膜过程中的真空度以及氩气压力。磁力耦合传动系统保证镀膜管材与外部磁环的磁力连接。伺服传动系统提供管材在镀膜过程中向前水平移动的动力，可以保证管材在镀膜过程中均匀有序沉积薄膜。管材芯部加热系统在管材镀膜前为管材加热，可对管材表面除气，提高溅射薄膜和管材基底结合力，调节沉积薄膜的晶粒尺寸和组织，提升薄膜性能。采用环形磁控溅射靶材可在管材外表面进行360°全方位、高效率、快速镀膜。在磁力耦合传动系统中，后挡管、支撑管与磁铁N极通过机械固定，起到联动的作用。在整个镀膜的过程中，支撑杆不动，外部的S极磁铁带动与N极相连的后挡管与支撑管向前移动，从而实现镀膜管和前、后挡管的移动。在整个移动过程中，镀膜管搭载于支撑管上，不会对镀膜管造成划伤。本专利技术所述多工位长管材高效磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述真空生成系统由机械泵、分子泵和真空测量器件组成，机械泵和分子泵运转为真空室提供真空条件，真空测量器件连通真空室，用于测试真空度和镀膜过程中的氩气压力。所述磁控溅射镀膜系统为多工位系统，可以同时进行多只管材的磁控溅射镀膜。优选为四工位系统，可以同时进行四只管材镀膜，每个工位上有3只靶材，一共具有12块靶材，可以一次完成多种不同膜材的连续沉积或独立沉积。所述磁力耦合传动系统为同轴轴向单向或双向传动系统。可以连续进行或半连续进行管材镀膜，包括制备3种(或不超过3种)成分的复合膜。本专利技术通过转接不同长度的伺服传动系统，可以进行1.2m长度以内的管材镀膜，或可以进行长度超过1.2m(适配伺服传动系统长度)的超长管材镀膜。本专利技术还提供了一种采用所述装置进行磁控溅射镀膜的方法，其特征在于，具体步骤如下：(a)、在设备原材料进入端安装管材，装配管材并检查各处密封情况，确保密封良好后进行下一步；(b)开启机械泵对真空室抽真空，当真空度优于10Pa时，启动分子泵，进一步对真空室进行抽真空；(c)、当真空室真空度优于9.9*10-3Pa时，启动管材芯部加热系统，镀膜前将管材基底加热到200℃；(d)、当系统中的真空度优于7*10-3Pa时，启动环形靶溅射系统，起辉溅射，管材在伺服传动系统和磁力耦合传动系统的驱动下向前移动，在管材长度方向依次在表面溅射镀膜；(e)、当管材由一侧进入靶材镀膜区并通过镀膜区后，镀膜结束。经冷却降温后，伺服传动系统将管材带到出口端并手动取出，完成整个镀膜过程。样品表征：使用SEM或者台阶仪对样品的表面形貌和截面生长以及薄膜厚度进行表征。本专利技术所述装置用于对不同尺寸管材(管材的外径范围为5mm-40mm)外表面进行薄膜沉积，具有如下有益效果：1、采用环形靶磁控溅射在管材表面完成薄膜沉积。环形靶磁控溅射技术可以对管材进行360°、全方位薄膜沉积，薄膜沉积速率快，是平面靶磁控溅射沉积薄膜速度的五倍。2、环形靶磁控溅射系统可以一次性的在管材表面完成多种薄膜的沉积。该系统具有多个靶位，可以安装不同材料的靶材，管材按顺序通过磁控靶材时，一次性完成多种薄膜的高效、快速沉积。3、管材芯部加热系统可控制调节管材温度，有利于管材的除气，提高溅射薄膜和管材基底结合力，调节沉积膜材的晶粒尺寸，提高薄膜的综合性能。4，反溅射清洗处理可在镀膜前原位进行表面等离子清洗，辅助提高膜材与基体的结合力。5、环形靶磁控溅射系统具有多工位，可以同时在多只管材上沉积薄膜，实现镀膜过程的连续化。附图说明图1环形靶磁控溅射长管材镀膜专用装置。图2单通道管工件系统结构移动示意图。图3磁力耦合系统原理图。图41.2米铜管上(外径9.5mm,内径8.8mm)沉积304不锈钢薄膜的图片(上方为铜管，下方为外层镀有304薄膜的铜管)。图51.2米铜管上(内径外径9.5mm,内径8.8mm)沉积金属铬薄膜的图片(上方为铜管，下方为外层镀有铬薄膜的铜管)。图6沉积的金属铬的SEM表面图片，(a)铬金属薄膜表面形貌，(b)截面形貌。图7相同条件下平面靶和环形靶制备FeCrAl薄膜的厚度对比，即溅射效率比较。附图标号：1、滑动工件组件装卸端；2、伺服传动系统；3、磁力耦合传动系统；4、真空室；5、充气系统；6本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多工位长管材高效磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述装置由真空室、真空生成系统、充气系统、环形靶溅射系统、伺服传动系统，磁力耦合传动系统、管材芯部加热系统、电源系统、反溅射清洗系统、循环水系统组成；真空室分别与真空生成系统和充气系统相连通，真空室内部设有环形靶磁控溅射系统；伺服传动系统与磁力耦合传动系统相连；磁力耦合传动系统设有外部磁环、前挡管、后挡管、支撑管、支撑杆，其中支撑管套在支撑杆外，前挡管、后挡管套在支撑管外，后挡管与支撑管以及外部磁环的N极固定在一起，外部磁环的N极外设有S极磁铁，前挡管、后挡管中间位置用于固定镀膜管；磁力耦合传动系统的支撑杆贯穿真空室，其位于真空室镀膜管材入口处设有管材芯部加热系统；电源系统分别连接真空生成系统、充气系统、环形靶磁控溅射系统、伺服传动系统、管材芯部加热系统和反溅射清洗系统。

【技术特征摘要】
1.一种多工位长管材高效磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述装置由真空室、真空生成系统、充气系统、环形靶溅射系统、伺服传动系统，磁力耦合传动系统、管材芯部加热系统、电源系统、反溅射清洗系统、循环水系统组成；真空室分别与真空生成系统和充气系统相连通，真空室内部设有环形靶磁控溅射系统；伺服传动系统与磁力耦合传动系统相连；磁力耦合传动系统设有外部磁环、前挡管、后挡管、支撑管、支撑杆，其中支撑管套在支撑杆外，前挡管、后挡管套在支撑管外，后挡管与支撑管以及外部磁环的N极固定在一起，外部磁环的N极外设有S极磁铁，前挡管、后挡管中间位置用于固定镀膜管；磁力耦合传动系统的支撑杆贯穿真空室，其位于真空室镀膜管材入口处设有管材芯部加热系统；电源系统分别连接真空生成系统、充气系统、环形靶磁控溅射系统、伺服传动系统、管材芯部加热系统和反溅射清洗系统。2.按照权利要求1所述环多工位长管材高效磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述真空生成系统由机械泵、分子泵和真空测量器件组成，机械泵和分子泵运转为真空室提供真空条件，真空测量器件与真空室连通，用于测试真空度和氩气压力。3.按照权利要求1所述多工位长管材高效磁控溅射镀膜专用装置，其特征在于：所述环形靶溅射系统为多工位系统。4.按照权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘实，王晓光，王永利，熊良银，李静，崔勇，李依依，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，沈阳华迅真空科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21