电磁场增强的磁控溅射装置及制备类金刚石涂层的方法制造方法及图纸

一种正交复合电磁场增强的磁控溅射装置及其制备类金刚石涂层的方法，是利用多组电磁增强的磁控溅射阴极及强磁离子源所形成的环形闭合磁场或纵向电磁线圈所形成聚束磁场与装配的中心阳极施加正电压形成的电场形成正交复合电磁场；同时磁控溅射阴极背部装配有一组以上的电磁线圈，与阴极本体的磁场叠加可增大溅射区域，加宽溅射沟道，可增大闭合磁场的磁场强度，与中心阳极形成正交电磁场有利于提高溅射粒子的离化率；正交复合电磁场不仅增加电子的自由程，提高等离子体密度，提升清洗效率及效果，而且可极大的提高溅射粒子的离化率，从而实现辅助沉积，提升涂层的结合力，并获得高质量的类金刚石涂层。

【技术实现步骤摘要】
电磁场增强的磁控溅射装置及制备类金刚石涂层的方法
本专利技术属于真空镀膜
，涉及一种电磁场增强的磁控溅射装置及制备类金刚石涂层的方法；尤其涉及一种正交复合电磁场增强的磁控溅射装置及制备类金刚石涂层的方法。
技术介绍
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。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，主要表现在以下几个方面：1、离子束沉积因石墨溅射速率低二沉积速率低；2、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；3、多弧离子镀沉积过程中会产生大量碳颗粒；4、脉冲激光沉积能耗高，涂层均匀性差，有效沉积区小；5、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；6、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。现有的类金刚石涂层物理气相沉积(PVD)设备主要是通过单一的磁控溅射技术与等离子体离化碳氢气体相结合，利用PECVD(等离子辅助化学气相沉积)技术沉积获得类金刚石涂层，一方面此类设备粒子源沉积速率低，生产效率低，另一方面此类设备离化率低，类金刚石涂层表面结构疏松，成膜质量差。现有的磁控溅射阴极制备类金刚石涂层装置，其类金刚石涂层结构达不到良好效果的主要原因就是磁控溅射过程中的粒子离化率低，同时溅射过程中受磁场的影响，靶面刻蚀沟道影响靶材的使用寿命，增大了类金刚石涂层的制备成本。因此，如何解决上述问题，是本来领域技术人员着重要研究的内容。
技术实现思路
为克服上述现有技术中的不足，本专利技术目的在于提供一种有助于提高类金刚石涂层成膜质量及生产效率的正交复合电磁场增强的磁控溅射装置及其制备类金刚石涂层的方法。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种正交复合电磁场增强的磁控溅射装置，包括腔体、中心阳极、磁控溅射阴极、电磁增强线圈、一对强磁离子源、上纵向线圈及下纵向线圈，所述腔体为正多面体的腔壳；所述中心阳极呈纵向设置于真空腔室内的中心位置；所述上纵向线圈和所述下纵向线圈对称装配在真空腔室的中心位置，且分别置于上、下顶盖上；所述磁控溅射阴极为多组，这多组所述磁控溅射阴极周向均布在所述腔体上，腔体侧面设置有抽气口18，所述电磁增强线圈装配在所述磁控溅射阴极上，所述磁控溅射阴极与所述一对强磁离子源形成周向闭合环形磁场；所述上纵向线圈和所述下纵向线圈形成纵向聚束磁场，周向闭合环形磁场或纵向聚束磁场与中心阳极电场形成正交复合电磁场。进一步地，所述中心阳极置于真空腔室内的中心位置，其结构为内置进出水冷管的螺旋管，或为焊接进出水道的柱形阳极。进一步地，所述电磁增强线圈既可以为单个套装在磁控溅射阴极法兰及磁控溅射阴极磁靴上的电磁线圈，也可以为两个分别套装在磁控溅射阴极法兰及磁控溅射阴极磁靴上的电磁线圈。进一步地，单个磁控溅射阴极磁靴及磁控溅射阴极法兰上套装两个电磁线圈时，两个电磁线圈串联或单独接电，其中磁控溅射阴极法兰上的电磁线圈为直流电源，磁控溅射阴极磁靴上的电磁线圈为脉冲电源。进一步地，所述一对强磁离子源自身形成径向闭合磁场。本专利技术还提供一种正交复合电磁场增强的磁控溅射装置制备类金刚石涂层的方法，包括以下步骤：⑴、将待镀基体放入正交复合电磁场增强的磁控溅射装置中，该装置配置有四组电磁增强磁控溅射阴极，其中两组为Cr靶，两组为WC靶，一对强磁离子源，上纵向线圈、下纵向线圈及中心阳极；⑵、对镀膜机的真空室抽真空后，待到达5E-3pa以下的真空度时，真空度为1-10pa时通入氩气，转架施加200-800v的负偏压，中心阳极施加1-25V的正电压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，上纵向线圈和下纵向线圈电流均为1-5A，转架上产生辉光放电，在正交复合电磁场的影响下，其辉光放电的等离子体密度增大，可高效的对转架上的待镀工件进行清洗，其清洗时间为30-60min；⑶、开启金属Cr靶，调节金属Cr靶功率为5-20kw，转架上施加0-100V的负偏压，中心阳极施加1-25V的正电压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，上纵向线圈和下纵向线圈电流均为1-5A，在正交复合电磁场的作用下沉积厚度为0-2um的金属基底Cr层；⑷、待金属基底层工艺结束后，开启WC靶，调节靶功率实现金属Cr及WC的复合梯度层，其中Cr靶功率从5-20Kw降至1-5Kw，WC靶功率从1-5Kw升至5-20kw，转架上施加0-100V的负偏压，中心阳极施加1-25V的正电压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，上纵向线圈和下纵向线圈电流均为1-5A，在正交复合电磁场的作用下沉积厚度为0-2um的梯度复合层；随后沉积厚度为0-2um的复合层，其中WC靶功率为5-20kw，Cr靶功率为1-5Kw；⑸、随后通入流量为0-300sccm的乙炔，关闭Cr靶，WC靶功率为5-20Kw，转架上施加0-100V的负偏压，中心阳极施加1-25V的正电压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，上纵向线圈和下纵向线圈电流均为1-5A，在正交复合电磁场的作用下沉积厚度为0-1um的梯度WC-H层；随后沉积厚度为0-2um的WC-H层，其中WC靶功率为5-20kw，乙炔流量为50-300sccm；⑹、待WC-H层沉积完成后，转架上施加400-1200V的负偏压，中心阳极施加1-25V的正电压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，上纵向线圈和下纵向线圈电流均为1-5A，通入200-1000sccm的乙炔气体，通过辉光放电沉积厚度为1-5um的类金刚石涂层。进一步地，所述清洗过程也可以使用强磁离子源对转架上的待镀工件进行清洗，其清洗工艺为：镀膜机的真空室抽真空后，待到达5E-3pa以下的真空度时，在真空度1-10pa时通入氩气，转架施加50v的负偏压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，离子源为恒流模式，电流为3-8A，其中清洗过程中将进行50V升至200-300V的偏压设置，其清洗时间为30-60min。进一步地，单个磁控溅射阴极磁靴及磁控溅射阴极法兰上套装两个电磁线圈时，两个电磁线圈串联或单独接电，其中磁控溅射阴极法兰上的电磁线圈为直流电源，磁控溅射阴极磁靴上的电磁线圈为脉冲电源。进一步地，所述磁控溅射阴极磁靴上的电磁线圈为正弦、余弦、三角、矩形多种波形的频率、电压可调的电磁线圈。进一步地，所述中心阳极及上纵向线圈、下纵向线圈可以用一个带有密封组件的螺旋铜管替代，相较于柱形中心阳极(1-25V)及上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种正交复合电磁场增强的磁控溅射装置，包括腔体、中心阳极、磁控溅射阴极、电磁增强线圈、一对强磁离子源、上纵向线圈及下纵向线圈，其特征在于：所述腔体为正多面体的腔壳；所述中心阳极呈纵向设置于真空腔室内的中心位置；所述上纵向线圈和所述下纵向线圈对称装配在真空腔室的中心位置，且分别置于上、下顶盖上；所述磁控溅射阴极为多组，这多组所述磁控溅射阴极周向均布在所述腔体上，腔体侧面设置有抽气口18，所述电磁增强线圈装配在所述磁控溅射阴极上，所述磁控溅射阴极与所述一对强磁离子源形成周向闭合环形磁场；所述上纵向线圈和所述下纵向线圈形成纵向聚束磁场，周向闭合环形磁场或纵向聚束磁场与中心阳极电场形成正交复合电磁场。/n

【技术特征摘要】
1.一种正交复合电磁场增强的磁控溅射装置，包括腔体、中心阳极、磁控溅射阴极、电磁增强线圈、一对强磁离子源、上纵向线圈及下纵向线圈，其特征在于：所述腔体为正多面体的腔壳；所述中心阳极呈纵向设置于真空腔室内的中心位置；所述上纵向线圈和所述下纵向线圈对称装配在真空腔室的中心位置，且分别置于上、下顶盖上；所述磁控溅射阴极为多组，这多组所述磁控溅射阴极周向均布在所述腔体上，腔体侧面设置有抽气口18，所述电磁增强线圈装配在所述磁控溅射阴极上，所述磁控溅射阴极与所述一对强磁离子源形成周向闭合环形磁场；所述上纵向线圈和所述下纵向线圈形成纵向聚束磁场，周向闭合环形磁场或纵向聚束磁场与中心阳极电场形成正交复合电磁场。


2.根据权利要求1所述的正交复合电磁场增强的磁控溅射装置，其特征在于：所述中心阳极置于真空腔室内的中心位置，其结构为内置进出水冷管的螺旋管，或为焊接进出水道的柱形阳极。


3.根据权利要求1所述的正交复合电磁场增强的磁控溅射装置，其特征在于：所述电磁增强线圈既可以为单个套装在磁控溅射阴极法兰及磁控溅射阴极磁靴上的电磁线圈，也可以为两个分别套装在磁控溅射阴极法兰及磁控溅射阴极磁靴上的电磁线圈。


4.根据权利要求3所述的正交复合电磁场增强的磁控溅射装置，其特征在于：单个磁控溅射阴极磁靴及磁控溅射阴极法兰上套装两个电磁线圈时，两个电磁线圈串联或单独接电，其中磁控溅射阴极法兰上的电磁线圈为直流电源，磁控溅射阴极磁靴上的电磁线圈为脉冲电源。


5.根据权利要求1所述的正交复合电磁场增强的磁控溅射装置，其特征在于：所述一对强磁离子源自身形成径向闭合磁场。


6.一种正交复合电磁场增强的磁控溅射装置制备类金刚石涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：

、将待镀基体放入正交复合电磁场增强的磁控溅射装置中，该装置配置有四组电磁增强磁控溅射阴极，其中两组为Cr靶，两组为WC靶，一对强磁离子源，上纵向线圈、下纵向线圈及中心阳极；

、对镀膜机的真空室抽真空后，待到达5E-3pa以下的真空度时，真空度为1-10pa时通入氩气，转架施加200-800v的负偏压，中心阳极施加1-25V的正电压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，上纵向线圈和下纵向线圈电流均为1-5A，转架上产生辉光放电，在正交复合电磁场的影响下，其辉光放电的等离子体密度增大，可高效的对转架上的待镀工件进行清洗，其清洗时间为30-60min；

、开启金属Cr靶，调节金属Cr靶功率为5-20kw，转架上施加0-100V的负偏压，中心阳极施加1-25V的正电压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，上纵向线圈和下纵向线圈电流均为1-5A，在正交复合电磁场的作用下沉积厚度为0-2um的金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：郎文昌，刘俊红，刘伟，
申请(专利权)人：苏州艾钛科纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32