CN102677010A - 一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置，包括溅射靶位（1）和自转装卡台（2），溅射靶位（1）下方设有自转装卡台（2），自转装卡台（2）连接有离子脉冲偏压电源（3）。本发明同时实现在镀膜过程中镀层的生长及溅射离子对基片的离子轰击两种目的，提高镀层的硬度、致密性，耐腐性、耐磨损及膜/基结合力，同时对基片表面产生清洗作用，以清除基片表面上的污染物和氧化物、产生缺陷作用、破坏表面结晶结构、改变表面形貌、离子掺入、温度升高、表面成分变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置，属于预热锅炉环保技术领域。
背景技术
随着磁控溅射在现代工业中的广泛应用及人们生活品质的不断提高，通过传统磁控溅射方式制备的镀层性能并不能满足人们日益增长的物质要求，如镀层硬度、耐磨损、耐腐蚀性、致密性及膜基结合力等。而现有的技术已经不能满足对硬度、耐磨损、耐腐蚀性、致密性及膜基结合力等的要求。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置，同时实现在镀膜过程中镀层的生长及溅射离子对基片的离子轰击两种目的，提高镀层的硬度、致密性，耐腐性、耐磨损及膜/基结合力，同时对基片表面产生清洗作用，以清除基片表面上的污染物和氧化物、产生缺陷作用、破坏表面结晶结构、改变表面形貌、离子掺入、温度升高、表面成分变化。
本发明的技术方案：一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置，包括溅射靶位和自转装卡台，溅射靶位下方设有自转装卡台，自转装卡台连接有离子脉冲偏压电源。由于设有离子脉冲偏压电源，可以同时实现在镀膜过程中镀层的生长及溅射离子对基片的离子轰击两种目的，从而有效地提高镀层的硬度、致密性，耐腐性、耐磨损及膜/基结合力，同时对基片表面产生清洗作用，以清除基片表面上的污染物和氧化物、产生缺陷作用、破坏表面结晶结构、改变表面形貌、离子掺入、温度升高、表面成分变化。
前述的这种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置中，离子脉冲偏压电源为单体直流脉冲电源。由于离子脉冲偏压电源为单体直流脉冲电源，使其有更高的沉积与产出率，更好的薄膜均匀性和品质，并减少成弧造成的基材损坏，成本更低， ***整合容易，工艺灵活性、宽容度和重复性能优越，可在过渡曲线上运行稳定 吞吐量更高，便于监控，***灵活；并且电压可调范围宽，可持续大功率运行，基材温度低。
前述的这种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置中，离子脉冲偏压电源设置为-65V～-85V。
前述的这种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置中，离子脉冲偏压电源设置为-75V。
前述的这种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置中，自转装卡台上设有磁流体密封齿轮装置。
前述的这种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置中，磁流体密封齿轮装置上连接有转动电机。
与现有技术相比，由于设有离子脉冲偏压电源，可以同时实现在镀膜过程中镀层的生长及溅射离子对基片的离子轰击两种目的，从而有效地提高镀层的硬度、致密性，耐腐性、耐磨损及膜/基结合力，同时对基片表面产生清洗作用，以清除基片表面上的污染物和氧化物、产生缺陷作用、破坏表面结晶结构、改变表面形貌、离子掺入、温度升高、表面成分变化；由于离子脉冲偏压电源为单体直流脉冲电源，使其有更高的沉积与产出率，更好的薄膜均匀性和品质，并减少成弧造成的基材损坏，成本更低， ***整合容易，工艺灵活性、宽容度和重复性能优越，可在过渡曲线上运行稳定 吞吐量更高，便于监控，***灵活；并且电压可调范围宽，可持续大功率运行，基材温度低。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是不同偏压下的CrTiAlN薄膜的形貌分析图；
图3是不同偏压下CrTiAlN梯度镀层的X射线衍射谱曲线图；
图4是不同偏压条件下的镀层硬度和磨损率曲线图；
图5是不同偏压条件下镀层的结合力和磨损率；
图6是不同偏压条件下镀层的摩擦系数曲线图。
附图中的标记为：1-溅射靶位，2-自转装卡台，3-离子脉冲偏压电源，4-转动电机，5-磁流体密封齿轮装置。
CrTiAlN镀层形貌分析如图2所示，当制备偏压变化时，CrTiAlN薄膜的表面形貌明显不同，但所有表面颗粒都没有发现缝隙和空穴等缺陷，所有表面组织都致密。-65V时镀层由许多大颗粒组成，且尺寸很不均匀，最大的达400 nm以上，而最小的仅几十纳米；随着偏压的增大，颗粒的尺寸开始减小，大颗粒开始***成小颗粒，镀层表面颗粒组织细化，同时表面平整度增加。当偏压增至-75V时，镀层表面熔融连成一片，很难分清单个颗粒。随后，随着偏压的增加表面重新颗粒化，当偏压到达-85V时，颗粒间界面明显且平整度增加，但颗粒尺寸增大并不明显。
从镀层断口来看，随着偏压的增大，柱状结构越来越不明显，镀层中底部的非柱状区向顶部扩展，在-75V就明显分层，底部柱状结构消失，顶部柱状晶也非常细小；-80V时镀层中柱状晶进一步模糊，镀层仍为明显的两层。-85V时镀层仅剩余一层，但晶粒又出现纤维化趋势，且颗粒***。
为了找出在多少偏压下镀层磨损率最小，镀层的耐磨损性能也最好做了如下实验：
实验一为不同偏压下镀层的XRD谱如图3所示， CrTiAlN镀层主要由Cr+CrNx构成。随着偏压的增加，镀层中金属Cr含量减少而Cr的氮化物不断增加，由此说明偏压提高了镀层中气体的含量。同时偏压越高，Cr与N的比值增大,倾向于生成Cr2N。这是因为磁控溅射本身是非平衡过程，而在Cr-N系中，CrN和金属态Cr通常为稳定相组织，CrN具有面心立方结构，N原子位于八面体间隙处，偏压引起离子轰击作用不同，并产生级联碰撞、辐照损伤、离位峰等效应，使得CrN相并不严格满足化学配比，而Cr2N比CrN获得的窗口要小，其更多情况下是在高温下形成，因此一般情况下形成CrN。金属Cr与氮化物陶瓷相的性质不同，因此不同偏压条件下得到的镀层其性能必然有所不同。
实验二为偏压对磨损率以及镀层硬度、结合力的影响如图4和图5所示，偏压对镀层硬度在-80V之前基本无影响，-85V时硬度明显上升，该变化规律与镀层磨损率变化趋势一致。偏压对镀层结合力的影响规律与对镀层磨损率的影响规律相反，不同偏压下镀层的结合力越好,磨损率越小。由此说明偏压主要通过影响膜基结合来影响镀层的磨损性能。
实验三为不同偏压下镀层的摩擦系数如图6所示，偏压不同时,镀层的摩擦系数有所不同，其中-85V和-65V偏高，-70V和-80V基本相同，而-75V时最小。摩擦系数的变化规律与磨损率基本相同。
综合以上结论可知，制备镀层时当偏压为-75V时镀层的磨损率最小，镀层的耐磨损性能也最好，其磨损性能与膜基结合力基本成正比。结合偏压对镀层的形貌与相结构影响可知，镀层的形貌尽管有一定的差别，但变化规律和镀层磨损性能变化趋势并不同，说明镀层形貌的变化并不是影响镀层磨损性能的主要原因。在实验偏压条件下，影响镀层磨损性能的应该是镀层相结构的变化，随着偏压的增加，镀层中的氮化物增加，镀层硬度的增加提高了其耐磨性能，而偏压继续增加，镀层中Cr2N在氮化物中所占比例增加，尽管Cr2N比CrN硬度高一些，但由于晶体结构不同，其耐磨性能却差不多，这时镀层的结合力起着主要的作用。因此，镀层的耐磨损性能又在下降。
溅射脉冲偏压装置对镀层的形貌、相结构以及镀层的摩擦系数、硬度、结合力和磨损率都有影响。在制备镀层的过程中，当偏压为-75V时镀层的耐磨损性最好，当偏压在-65V--85V变化时，镀层形貌的变化对镀层的磨损性能无明显影响，而镀层相结构的变化是影响磨损性能的主要原因。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
本发明的实施例1：如图1所示，一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置，包括溅射靶位1和自转装卡台2，溅射靶位1下方设有自转装卡台2，自转装卡台2连接有离子脉冲偏压电源3。
离子脉冲偏压电源3为单体直流脉冲电源。
离子脉冲偏压电源3设置为-65V。
自转装卡台2上设有磁流体密封齿轮装置5。
磁流体密封齿轮装置5上连接有转动电机4。
本发明的实施例2：如图1所示，一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置，包括溅射靶位1和自转装卡台2，溅射靶位1下方设有自转装卡台2，自转装卡台2连接有离子脉冲偏压电源3。
离子脉冲偏压电源3为单体直流脉冲电源。
离子脉冲偏压电源3设置为-75V。
自转装卡台2上设有磁流体密封齿轮装置5。
磁流体密封齿轮装置5上连接有转动电机4。
本发明的实施例3：如图1所示，一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置，包括溅射靶位1和自转装卡台2，溅射靶位1下方设有自转装卡台2，自转装卡台2连接有离子脉冲偏压电源3。
离子脉冲偏压电源3为单体直流脉冲电源。
离子脉冲偏压电源3设置为-85V。
自转装卡台2上设有磁流体密封齿轮装置5。
磁流体密封齿轮装置5上连接有转动电机4。
本发明的工作原理：磁控溅射离子镀就是基片带有负偏压的磁控溅射镀膜工艺。它是在溅射靶位1上的靶材被轰击离子受磁场约束的等离子体环境中，通过离子脉冲偏压电源3上负偏压的加速作用，使沉积离子直接干预薄膜沉积过程的一种表面处理技术。离子脉冲偏压电源3作用主要为等离子体提供能量，使其加速向自转装卡台2上的基片运动，利用粒子的轰击作用提高沉积效率和膜基结合力。离子脉冲偏压太小则达不到这种轰击效果，导致镀层结合力较差；离子脉冲偏压太大则会使基片产生的溅射效应过强，不但不能使镀层沉积到基片上，还可能使基片受到损伤，因此偏压的大小不仅影响膜基之间的结合强度与镀层的表面质量，还会影响镀层警惕结构和磨损性能。
Claims (6)
1.一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置，其特征在于：包括溅射靶位（1）和自转装卡台（2），溅射靶位（1）下方设有自转装卡台（2），自转装卡台（2）连接有离子脉冲偏压电源（3）。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置，其特征在于：离子脉冲偏压电源（3）为单体直流脉冲电源。
3.根据权利要求2所述的一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置，其特征在于：离子脉冲偏压电源（3）设置为-65V～-85V。
4.根据权利要求3所述的一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置，其特征在于：离子脉冲偏压电源（3）设置为-75V。
5.根据权利要求1所述的一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置，其特征在于：自转装卡台（2）上设有磁流体密封齿轮装置（5）。
6.根据权利要求1或3所述的一种用于磁控溅射镀膜过程的直流脉冲装置，其特征在于：磁流体密封齿轮装置（5）上连接有转动电机（4）。
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