一种中空阴极溅射离子镀装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及中空阴极磁控溅射离子镀涂层装置，包括真空室，真空室设有抽真空口，真空室内设有阴极电弧靶和工件架，所述真空室为空心圆柱形且与地绝缘，真空室内壁装上靶材，与溅射电源负极连接，形成中空阴极溅射靶；真空室中心设有柱状电弧靶，工件架位于圆柱形中空阴极电弧靶和柱状电弧靶所围成的区域。本发明专利技术由于采用上述结构，使得炉壁上中空阴极磁控靶和中心大功率旋转电弧靶工作时运行稳定。等离子体分布均匀，从而提高镀膜效率和离子镀效果，降低镀膜成本，提高涂层均匀性，使得镀膜过程更易于控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种中空阴极溅射离子镀装置，属于薄膜

技术介绍
表面镀膜技术广泛应用在航空航天、机械、电子、化工、五金等各个行业。通过表面 涂层处理，提高零部件的表面耐腐蚀、耐磨等性能，此外还可以改变表面的颜色提高工件的 表面装饰效果，在各种日常用品上都获得了广泛的应用。目前常规表面涂层大都采用廉价 的电镀，由于镀膜过程中会产生大量的有毒物质，如电镀铬过程中所排放的废水含有多种 重金属，尤其是致癌的六价铬严重污染周边环境。随着对环保问题的日益重视，发达国家已 经全面禁止水镀技术如电镀铬等的使用，全部转包到包括中国在内的发展中国家，对环境 造成了严重的污染。针对日益严重的环境问题，国家采取了更加严格的环境政策。将导致 众多电镀企业关闭。用无污染的物理气相沉积技术(Physical Vapor D印osition 简称PVD)涂层技 术来代替传统的电镀涂层是近年来发展的趋势，国内外不少研究机构进行了许多有益的尝 试，包括电子束蒸法、离子束溅射、阴极电弧沉积以及磁控溅射等。其中磁控溅射方法具有 制备温度较低，可以在各种基体材料(如钢铁、有色金属、塑料等)上进行制备等特点，获得 了广泛的关注。磁控溅射就是在靶面加上跑道磁场以控制电子的运动，延长其在靶面附近 的行程，以提高等离子体密度，因而溅射镀膜速率大为提高。磁控溅射有圆柱、圆筒和平面 磁控溅射阴极，目前工业上主要应用的是Chapin于1974年专利技术的平面磁控溅射阴极。磁 控溅射之所以成为溅射技术主流是因为其镀膜速率在各种溅射技术中是最高的。磁控溅射设备结构简单，基片温升低，是一种低温沉积工艺，使磁控溅射得到广泛 应用，但靶面溅射不均勻导致靶材利用率低是其固有的缺点。一般磁控靶的靶材利用率小 于20%，经过特殊处理磁场的磁控溅射靶的靶材利用率可以达到40-50%左右。要想使靶 材利用率进一步提高，仍然是相当困难的。此外，现有的电镀产品中，许多产品要求涂层在80-100微米，为了达到替代的要 求，PVD涂层的生长速率必须在10微米/小时以上，现有的常规磁控溅射涂层设备由于沉 积速率较低，基本无法满足厚涂层的要求。为此，根据多年涂层经验，本专利技术改进了常规磁 控溅射技术，提出了全新的中空阴极磁控溅射技术，同时将大功率柱形电弧靶引入到设备 中作为强离化源，构建快速磁控溅射镀膜沉积系统，满足工业生产要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种中空阴极快速溅射离子镀装置，该装置具有较好的离 子镀效果和镀厚膜能力。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是一种中空阴极磁控溅射离子镀装置， 包括真空室，真空室设有抽真空口，真空室内设有阴极电弧靶和工件架，所述真空室为空心 圆柱形且与地绝缘，真空室内壁装上靶材，与溅射电源负极连接，形成中空阴极溅射靶；真空室中心设有柱状电弧靶，工件架位于圆柱形中空阴极电弧靶和柱状电弧靶所围成的区 域。上述中空阴极溅射靶为整体结构或者拼装靶。上述柱状电弧靶的电弧运动通过靶中心磁铁产生的垂直靶面的磁场进行控制。 上述真空室外设有可绕真空室转动的磁铁架，磁铁架上固定有磁铁，相邻磁铁的 磁场极性相反，磁场穿过真空室壁到达中空阴极靶的表面，磁场在靶面上构成闭合场，延长 电子在靶面运动的距离，提高靶面的等离子体密度。上述中空阴极磁控溅射靶靶材为Cr、Ti或Zr，靶材厚度为5_20mm，中空阴极靶直 径为300 1200mm，高度为300 1500，靶个数为一个。上述中空阴极溅射靶的结构电流可以加到200A，大幅度提高靶面功率密度而增强 靶前的等离子体密度，而常规的磁控靶则只能在30A以下工作。上述炉壁上中空阴极磁控靶和中心旋转电弧靶之间的区域为离子镀沉积区。本专利技术由于采用上述结构，使得炉壁上中空阴极磁控靶和中心大功率旋转电弧靶 工作时运行稳定。等离子体分布均勻，从而提高镀膜效率和离子镀效果，降低镀膜成本，提 高涂层均勻性，使得镀膜过程更易于控制。附图说明图1为本专利技术中所采用的镀膜系统示意图；图2为本专利技术中闭合场的示意图；图3为本专利技术制得的CrN厚涂层表面形貌图；图4为本专利技术在不同时间条件下制备的CrN涂层截面扫描电镜形貌图； 具体实施例方式如图1所示，本专利技术包括真空室10，抽气系统、靶系统和控制系统，真空室10设有 抽真空口 7，通过分子泵或者扩散泵进行抽气。分子泵1固定在承重底座6上，通过抽气口 7抽气。真空室整体可以通过液压起动装置3升降，以方便工件的装卸。真空室10内设有 中空阴极溅射靶5和中心柱形电弧靶4。工件架11位于中心柱形电弧靶和中空阴极溅射 靶之间；中空阴极溅射靶5可以为拼装靶或者整体靶；中空阴极溅射靶5在真空室内壁，由 直流电源供电。在真空室10中，由于整个真空室内壁为中空溅射阴极靶，等离子体被紧紧 约束在中空阴极溅射靶5中间，而中心的柱状电弧靶4不但可以作为金属源，同时也是强离 化源，提高涂层和基体的附着力。真空室10外设有可绕真空室10转动的磁铁8，磁铁固定 在磁铁固定架9上，磁铁固定架9和旋转电机2相连，通过调整电机转速来调整磁铁旋转速 度。本专利技术中，如图2所示，磁铁的极性相反，相互之间构成闭合场。真空室内壁的磁控靶 可以提供高密度的中性原子和离子，同时外部闭合磁场可以把等离子体紧紧的约束在中空 阴极磁控靶和大功率电弧靶之间，等离子体密度大大提高，当对各种复杂工件进行镀膜时， 工件完全浸没在等离子体当中，离子轰击的效果非常显著，涂层的致密度和均勻性得到了 良好的保证。常规镀膜设备中，虽然靶的数量比较多，各个靶为分离磁场，无法对整个设备的磁 场进行闭合，导致对等离子体的约束较差，扩散比较严重，密度较低，导致涂层时致密度和硬度差。为了改善磁场分布，非平衡磁场、外加闭合磁场、对靶、以及辅助离子源等是最为常 用的手段，但导致涂层设备结构复杂，价格比较昂贵。此外由于靶只是布局在真空室的局部 区域，工件在真空室中旋转时存在很多不能镀膜的区域，导致涂层的沉积速率大幅度下降， 一般为2 3 y m/h,不能满足30-50微米厚度涂层的要求。为此本专利技术把真空室内壁设计 成一个整体靶，工件在里面旋转时可以不间断的镀膜，大幅度提高涂层的效率(沉积速率 提高到20 u m/h以上)。此外靶材外闭合磁场的使用不但可以提高靶材的利用效率，同时可 以大幅度提高真空室中的等离子体密度，大大简化了设备，非常适合工业化大生产。本专利技术 中电弧靶和中空阴极磁控靶之间的空间为环形离子镀沉积区，由于电弧靶产生高强度等离 子体，中空阴极磁控靶外部闭合磁场又把等离子体紧紧的约束在电弧靶和磁控靶之间，使 沉积区等离子体密度大大提高。此外，当对各种复杂工件进行镀膜时，工件完全浸没在等离 子体当中，离子轰击的效果非常显著，涂层的硬度、附着力以及均勻性得到了良好的保证。本专利技术中工件架由直流电机带动旋转，为了提高涂层的均勻性，工件可以采取自 转和公转两种方式。真空室中没有加热设备，而是通过辉光放电加热，不但效率高，同时也 不会造成颗粒污染，可以方便的调节真空室中的温度。抽真空系统分子泵进行抽气，极限真 空可以达到8Xl(T4Pa。系统启动时，当真空度达到5X 10_3Pa时，启动辉光加热装置，进行辉光加热除气， 去掉真空室壁、工件架以及工件上所吸附的空气，工件架转动，保持3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中空阴极溅射离子镀装置，包括真空室，真空室设有抽真空口，真空室内设有阴极电弧靶和工件架，其特征在于：所述真空室为空心圆柱形且与地绝缘，真空室内壁装上靶材，与溅射电源负极连接，形成中空阴极溅射靶；真空室中心设有柱状电弧靶，工件架位于圆柱形中空阴极电弧靶和柱状电弧靶所围成的区域。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨兵，丁辉，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]