CN1401816A - 离子束增强磁控溅射渗镀涂层装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明离子束增强磁控溅射渗镀涂层装置及工艺属于金属材料表面改性的范畴。是一种非平衡磁控溅射和离子注入相结合的技术，在非平衡磁控溅射镀膜的装置中，加入一个中低能束离子源，从磁控溅射源发射出欲渗镀的金属及其合金的高能量、高离化率的金属离子流，在工件负偏压下的吸引下，快速沉积于预加热的工件表面，然后由中低能离子束注入氮和碳，使其沉积层与工件基体形成一定厚度的扩散层，在较低温度工件表面快速形成金属碳、氮化合物的表面改性层。

Description

离子束增强磁控溅射渗镀涂层装置及工艺

技术领域

本发明离子束增强磁控溅射渗镀涂层装置及工艺属于金属材料表面改性的范畴，是把非平衡磁控溅射沉积速度快和离子束注入反冲形成伪扩散层有机的结合起来实现金属工件表面快速渗镀表面改性层的装置及工艺。

背景技术

表面改性技术90年代发展的趋势是复合处理即渗和镀，注和镀以及涂和镀加以激光处理等，离子注入虽然能获得较好的注入效果，但注入层很薄，为了克服改性层薄的缺点，也侧重于提高注入能量，常规的I²注入法和现今发展的PI³注入法能量多为100kev以上，由于注入层薄，设备十分昂贵，X射线防护复杂，使用受到限制。近几年发展的离子束增强沉积技术(IBED)是把离子束溅射沉积和高能离子注入相结合的镀和注的复合技术，虽有沉积温度低，镀层致密以及结合强度高等优点，但由于沉积速度低，镀膜速度慢，X射线防护、绝缘等级要求很严，设备复杂，十分昂贵，使用推广也受到一定的限制。

近年来离子注入领域对高能的必要性提出质疑，有的研究表明氮离子注入时为增加注入反冲的深度，提高束流密度比提高离子的能量更有效，可获得更深的改性层，非平衡磁控溅射沉积技术是90年代发展起来的新技术，由于非平衡磁场很强，溅射作用也强，溅射粒子的离化离高，所以沉积速率快，镀膜密度、结合力较强等优点。

发明内容

本发明目的在于，公开一种在同一装置内设置中低能、大束流的离子源和非平衡磁控溅射源，利用非平衡磁控溅射源提供大量离化的金属原子、离子，再利用中低能离子源把金属原子、离子注入预先加热的工件表面，把两者有机的结合起来，在工件表面形成具有一定扩散层的表面改性层的装置及工艺。

本发明离子束增强磁控溅射渗镀涂层装置的结构其特征在于，是在可抽取真空，极限真空度为1×10^-3～5×10^-3Pa并能充入气体介质，分压为2×10^-2～8×10^-1Pa的真空容器1中，设置阴极转动***，非平衡磁控溅射***、中低能离子源***、工件预加热***，同时配备有抽气、供气***，其阴极转动***由工件托盘9、工件10和转动机构6组成，非平衡磁控溅射***由非平衡磁控溅射靶源3、11和直流电源4、13组成，工件预加热***由加热器17，加热电源16组成，供气***由供气瓶12、进气口14组成，抽气***由机械泵8和扩散泵7组成。

工件10置于工件托盘9上，位于真空容器1的中央，非平衡磁控溅射靶源3、11对称置于真空容器壁两侧，中低能离子源15置于真空容器壁1的顶部，在阳极容器壁2和磁控溅射源3、11之间分别连接可调0～1200V直流磁控电源4、13，在阳极容器壁2和工件10之间连接可调0～1000V的直流电源5，加热器17两端加入可调交流电源16，其特征在于：其一，非平衡磁控溅射靶源3、11是由非对称的强磁铁和由欲渗金属及合金或石墨碳制成的磁控靶构成，安放在容器壁的两侧并可向真空容器内推进0～50mm，由于非对称的强磁铁可以产生非常强的纵向和横向的磁场，使磁控靶可以溅射出高能量、高密度、高离化率的金属及合金或碳的粒子流，在工件负偏压(200～500V)吸引下，快速到达工件表面形成欲渗镀金属及合金或碳的渗镀层。

其二，在真空容器顶部安放的离子源17为中低能3～50kev，大束流10～200mA，在由非平衡磁控溅射靶源3、11向工件渗镀金属及合金镀层的同时，由离子源注入N可在工件表面形成有一定扩散层的金属或合金的氮化物渗镀层。注入碳可在工件表面形成金属碳化物渗镀层，同时注入碳、氮时可形成金属碳、氮化合物渗镀层。

其三，在真空容器1中设有给工件10预加热的加热源17，可使工件预升到200～700℃，既不影响基体的性能，又可以增加扩散层的深度，使涂层真正变成渗镀层，提高结合强度。

其四，欲渗工件10渗镀金属碳氮化合物时，工件的温度为200～700℃，磁控电源的电压800～1000V，离子束能量为5～40kev，束流密度为10～150mA，工作气体为N₂气、碳氢气、Ar气，分压为2×10^-2～8×10^-1Pa，工件偏压为200～500V。

附图说明

附图为离子束增强磁控溅射渗镀涂层装置及工艺示意图：

图中的标号为：1.真空容器       2.真空容器壁           3.非平衡磁控溅射源4.磁控电源       5.工件偏压电源         6.转动机构7.扩散泵         8.机械泵               9.工件托盘10.工件          11.非平衡磁控溅射源    12.送气瓶13.磁控电源      14.进气口              15.中低能离子源16.加热电源      17.加热源

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的技术特征和工作过程。

进行渗镀金属氮化物时，首先由抽气***的机械泵8和扩散泵7将真空容器1抽到1×10^-3～5×10^-3Pa极限真空度，而后加热源17由加热电源16供电后，给工件预加热到200～700℃，由供气***12充入Ar气，分压在2×10^-2～8×10^-1Pa，此时给非平衡磁控溅射靶源3供电压为800～1000V，给工件10加偏压200～500V，由非平衡磁控溅射靶源3、11发射出高能量、高密度、高离化率的金属离子流，在工件负偏压的吸引下，高速到达工件表面形成金属和合金的镀层，在镀的同时打开离子源15，供能量为5～40kev，束流10～150mA，注入工件表面N离子，由非平衡磁控溅射靶源3、11镀于工件表面的金属及合金的离子，依靠氮离子的轰击与注入在工件表面形成有一定厚度扩散层的金属氮化物渗镀层，使膜与基体结合强度大大提高。

以渗镀CrN为例：

工件温度300～500℃，处理时间3小时，渗镀层厚度可达3～5μm，伪扩散层深度可达0.5～1μm左右。

Claims (5)

1.一种离子束增强磁控溅射渗镀涂层装置其特征在于，是在可以抽取真空，并能充入气体介质的真空容器(1)中，设置阴极转动***，非平衡磁控溅射***，中低能离子源***，工件予加热***，同时配备有抽气***和供气***，其阴极转动***由工件托盘(9)、工件(10)和转动机构(6)组成，非平衡磁控溅射***由磁控溅射靶源(3)、(11)和真流电源(4)、(13)组成，工件予加热***由加热器(17)加热电源(16)组成，供气***由供气瓶(12)进气口(14)组成，抽气***由机械泵(8)和扩散泵(7)组成，工件(10)置于工件托盘(9)上，位于真空容器(1)中央，非平衡磁控溅射靶源(3)、(11)对称置于真空容器壁两侧，中低能离子源(15)置于容器(1)的顶部，在阳极容器壁(2)和非平衡磁控溅射靶源(3)、(11)之间分别连接可调0～1200V直流电源(4)、(13)，在阳极容器壁(2)和工件(10)之间连接可调的0～1000V直流电源(5)，加热器(17)两端连接可调交流电源(16)，其非平衡磁控溅射靶源(3)、(11)是由非对称的强磁铁和由欲渗镀金属、合金或石墨碳制成的不同形状的磁控靶构成，安放在容器壁(2)的两侧并可以向真空容器内推进0～50mm距离，其真空容器顶部安装的离子源(15)为中低能、大束流离子源。

2.按照权利要求1所述的一种离子束增强磁控溅射渗镀涂层装置，其特征是非平衡磁控靶源(3)、(11)是由任何可以导电的金属合金或石墨碳制成圆形、方形，圆形尺寸φ50～120×20～30mm，方形尺寸200～400mm×20～30mm。

3.采用权利要求1所述的一种离子束增强磁控溅渗镀涂层装置的工艺，其特征在于首先由抽气***的机械泵(8)和扩散泵(7)将真空容器(1)抽到1×10^-3～5×10^-3Pa极限真空度，而后加热源(17)由加热电源(16)供电后，给工件预加热到200～700℃，由供气***(12)充入Ar气，分压在2×10^-2～8×10^-1Pa，此时给非平衡磁控溅射靶源(3)供电压为800～1000V，给工件(10)加偏压200～500V，由磁控溅射靶发射出高能量、高密度、高离化率的金属离子流，在工件负偏压的吸引下，高速到达工件表面形成金属和合金的镀层，在镀的同时打开离子源(15)，供能量为5～40kev，束流10～150mA，注入工件表面N离子，由磁控源镀于工件表面的金属及合金的离子，依靠氮离子的轰击与注入在工件表面形成有一定厚度扩散层的金属氮化物渗镀层。

4.按照权利要求3所述的一种离子束增强磁控溅射渗镀涂层工艺，其特征在于真空容器(1)的极限真空度为1×10^-3～5×10^-3Pa，充入的气体介质可以是Ar气、N₂气和碳氢气体，工作压力为2×10^-2～8×10^-1Pa。

5.按照权利要求3所述的一种离子束增强磁控溅射渗镀涂层工艺，其特征在于渗镀工件(10)温度为200～700℃，非平衡磁控溅射靶源(3)的电源电压为700～1000V，离子束能量5～40kev，束流密度为10～150mA，工作气压为2×10^-2～8×10^-2Pa，工作偏压200～500V。

Images