CN1472360A - 离子注入复合镀膜设备 - Google Patents

Abstract

一种离子注入复合镀膜设备属于镀膜技术领域。本发明的气体离子源、金属离子源、直流磁控溅射靶源、中频脉冲磁控溅射靶源和两套直流磁过滤电弧离子镀源、六个源头共用一个真空室，并固定在复合镀膜机的外壳上，气体离子源垂直位于真空室上部的正中，金属离子源位于气体离子源的一侧，斜插于真空室上部，直流磁控溅射靶源和中频磁控溅射靶源、两个直流磁过滤电弧离子镀源则分布在二条对角线上，并位于真空室两侧偏上部位，六个源头的中心线汇聚在多用样品台工件上，真空抽气***与真空室连接。本发明集几种材料表面改性技术于一体，一机多用，既降低了设备制造成本，又具有多功能效果，设备设计新颖，结构合理紧凑。

Description

离子注入复合镀膜设备

技术领域

本发明涉及的是一种材料表面改性用的多功能复合镀膜设备，特别是一种离子注入复合镀膜设备，属于镀膜技术领域。

背景技术

随着对材料表面改性层的要求愈来愈高，单一材料表面改性层往往难以满足某些场合的使用要求，因此，集二种或二种以上材料表面改性方法之长的复合表面改性技术应运而生。欲实现材料复合表面改性，相应复合镀膜设备是关键。如欲将离子注入与PVD或CVD法相结合一起，一种方法是先将工件放在离子注入设备进行处理，然后取出放入PVD或CVD设备中处理，处理后又再放入离子注入设备处理。如此反复，最后达到所需要的膜厚及表面改性要求。此方法需要两套设备，且工艺繁琐，生产效率低。另一种工艺是在一个设备内可单独或同时实现离子注入和PVD(或CVD)两种处理，完成边注入边沉积和离子束增强沉积即(IBED)工作，这既降低了设备制造成本，使复合制膜工艺简单化，生产效率得到提高，又可提高材料表面改性层的质量。但这就需要集几种材料表面改性技术于一体的特殊制膜设备，在不破坏真空条件下实现多种表面改性处理或复合表面改性处理。

经文献检索发现，中国专利为94218387.8，实用新型名称为：多功能全方位增强沉积型离子注入机，该离子注入机包括离子注入电源***、等离子产生***、等离子体工作室、真空抽气***、控制测量***、工作气体馈送***和冷却***。该机工作室配备内侧蒸发靶，故还兼备辅助沉积功能。但其主要功能在于全方位离子注入功能，其沉积功能具有一定的局限性(如沉积速率慢)，在进一步检索中，尚未发现与本发明主题相同或者相类似的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服目前多数镀膜设备功能单一的缺点，提供一种多功能的离子注入复合镀膜设备，使其集几种材料表面改性技术于一体，设备设计新颖，结构合理紧凑，在该设备中可实现气体离子注入、金属离子注入、双元混合注入、直流磁控溅射沉积、中频磁控溅射沉积、直流磁过滤多弧离子镀、离子束增强沉积和边注入边沉积等多种材料表面改性处理。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：气体离子源，金属离子源，两个直流磁过滤电弧离子镀源，直流磁控溅射靶源，中频脉冲磁控溅射靶源，真空室，多用样品台和真空抽气***。其连接方式为：气体离子源、金属离子源、直流磁控溅射靶源、中频脉冲磁控溅射靶源和两套直流磁过滤电弧离子镀源等六个源头共用一个真空室，并固定在复合镀膜机的不锈钢外壳相应部位。气体离子源垂直位于真空室上部的正中，金属离子源位于气体离子源的一侧，斜插于真空室上部，其中心线与多用样品面呈62°。直流磁控溅射靶源和中频磁控溅射靶源、两个直流磁过滤电弧离子镀源则分布在二条对角线上，并位于真空室两侧偏上部位，六个源头的中心线汇聚在多用样品台工件上，真空抽气***与真空室连接。各个源头的运行以及各源头之间协调采用计算机控制。控制***采用上下位机集散式控制方式，上位机为一台高性能的品牌机，上位机由PLC组成，上下位机间可通过485口相连通信。

气体离子源采用考夫曼源(Coffeman)，可产生气体离子(除腐蚀性及强氧化气体外)。由高压电源产生高压后通过高压电缆输送至真空室顶部中央的气体离子源，并采用四栅多孔平板引出***，四栅多孔平板引出***位于气体离子源内部，离子束为平行束引出，高能气体离子源工作电压0～70kV可调，可调范围宽，利用效率高，且离子束在引出***400mm处均匀区为150mm内的束流≥8mA，不均匀性小于20％。气体离子源还可兼作低能清洗源用，但此时要求放置工件的样品台倾斜。

金属离子源采用麦瓦离子源，由高压电源产生高压后通过高压电缆输送至真空室顶部一侧的金属离子源，并采用三栅多孔平板引出***，它位于金属离子源内部，加速电压可调范围为0～55kV连续可调。离子束为平行束引出，利用效率高，且离子束在距离子源引出***400mm处均匀区150mm内束流≥8mA，不均匀性小于20％。

直流磁过滤电弧离子镀源采用先进的IGBT逆变式开关电源，用阴极电弧弧光放电直接加热蒸发源，蒸发源安装在两个直流磁过滤电弧离子镀源上。为了改善蒸发离子源的性能，在电弧等离子体的定向运动途径中设置直流磁场(即磁过滤管)，它一方面可使电弧等离子体加速运动，提高束流的密度和定向性；另一方面可滤去微小团粒和金属液滴提高离子镀膜层质量，所以，磁过滤弧源呈弯管状，弧源进口与等离子体出***角呈90°。

直流磁控溅射电源和中频脉冲磁控溅射电源采用先进的[GBT逆变式开关电源，一端引到多用样品台上，另一端则接至直流磁控溅射靶源和中频脉冲磁控溅射靶源上。溅射靶由厚约3～10mm的涂膜材料组装而成。

真空室采用8mm不锈钢板焊接而成，真空室的两端均可开启，便于工件的取放和维修。

样品台由一真空伺服电机通过涡轮、涡杆和齿轮传递，可实现平移、自转、公转、单方向倾角。自转公转靶工位数3个。

真空抽气***包括：涡轮分子泵、抽气管道、机械泵、法兰盘，法兰盘与真空室相连，涡轮分子泵和机械泵通过抽气管道相连接。与油扩散泵相比，涡轮分子泵启动快，提高了设备真空度，也减少了污染，极其真空度可达8×10^-4Pa。

工作时，将经过预处理的工件(如抛光，去脂处理和清洗干燥)固定在样品台上。关闭真空室，启动真空抽气***，使真空度达到一要求值后将工作气体馈入真空室内，先启动气体离子源进行清洗。按照要求调节好所需工艺参数，进行操作。该设备功能强大，可以注入气体和金属离子(具有单元素注入，双元素注入，混合多元注入)，具有离子束清洗，磁控溅射沉积，多弧离子镀和离子束增强沉积等多种功能。各个源有自己独立的电源、测量、控制***。在一定深度内，形成与基体之间连续过渡的表面改性层。此改性层结合强度高，不易从基体剥落，远优于PVD、CVD涂层。它可以明显提高材料的耐磨性能、耐腐蚀性能，从而提高其使用寿命，可广泛用于机械、化工、半导体、航空及医疗器件等行业。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明集几种材料表面改性技术于一体，使其可以在一个设备里，在不破坏真空条件下实现多种处理或复合处理，即每个源头既能单独使用，也可根据工艺要求以不同方式，部分或同时进行工作。这样，一机多用，既降低了设备制造成本，又具有多功能效果，设备设计新颖，结构合理紧凑。在该设备中可实现气体离子注入、金属离子注入、双元混合注入、直流磁控溅射沉积、中频磁控溅射沉积、直流磁过滤多弧离子镀、离子束增强沉积和边注入边沉积等多种材料表面改性处理。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构左视图；

图3为本发明结构俯视图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明包括：气体离子源1，金属离子源2，两个直流磁过滤电弧离子镀源3和4，直流磁控溅射靶源5，中频脉冲磁控溅射靶源6，真空室7，多用样品台8和真空抽气***9。其连接方式为：气体离子源1、金属离子源2、直流磁控溅射靶源5、中频脉冲磁控溅射靶源6和两套直流磁过滤电弧离子镀源3、4六个源头共用一个真空室7，并固定在复合镀膜机的外壳上，气体离子源1垂直位于真空室7上部的正中，金属离子源2位于气体离子源1的一侧，斜插于真空室7上部，其中心线与多用样品台8面呈62°，直流磁控溅射靶源5和中频磁控溅射靶源6、两个直流磁过滤电弧离子镀源3和4则分布在二条对角线上，并位于真空室7两侧偏上部位，六个源头的中心线汇聚在多用样品台8工件上，真空抽气***9与真空室7连接。

通过计算机控制各个源头以及各源头之间的协调，并采用上下位机集散式控制，上位机为一台高性能的品牌机，下位机由PLC组成，上下位机间通过485口相连通信。

气体离子源1由高压电源产生高压后通过高压电缆输送至气体离子源1，并采用四栅多孔平板引出***，四栅多孔平板引出***位于气体离子源1内部，高能气体离子源工作电压0～70kV可调。

金属离子源2由高压电源产生高压后通过高压电缆输送至真空室顶部一侧的金属离子源，并采用三栅多孔平板引出***，三栅多孔平板引出***位于金属离子源2内部，加速电压可调范围为0～55kV连续可调。

直流磁过滤电弧离子镀源3和4采用IGBT逆变式开关电源，用阴极电弧弧光放电直接加热蒸发源，蒸发源设置在直流磁过滤电弧离子镀源3、4上，直流磁过滤电弧离子镀源3、4呈弯管状，弧源进口与等离子体出***角呈90°。

直流磁控溅射电源5和中频脉冲磁控溅射6电源采用IGBT逆变式开关电源，一端引到多用样品台8上，另一端则接至直流磁控溅射靶源5和中频脉冲磁控溅射靶源6上。溅射靶由厚约3～10mm的涂膜材料组装而成。

真空抽气***9包括：抽气管道10、机械泵11、法兰盘12、涡轮分子泵13，法兰盘12与真空室7相连，涡轮分子泵13和机械泵11通过抽气管道10相连接。

Claims (7)

1、一种离子注入复合镀膜设备，包括：气体离子源(1)、真空室(7)、多用样品台(8)和真空抽气***(9)，其特征在于，还包括：金属离子源(2)、两个直流磁过滤电弧离子镀源(3)和(4)、直流磁控溅射靶源(5)、中频脉冲磁控溅射靶源(6)，其连接方式为：气体离子源(1)、金属离子源(2)、直流磁控溅射靶源(5)、中频脉冲磁控溅射靶源(6)和两套直流磁过滤电弧离子镀源(3)、(4)六个源头共用一个真空室(7)，并固定在复合镀膜机的外壳上，气体离子源(1)垂直位于真空室(7)上部的正中，金属离子源(2)位于气体离子源(1)的一侧，斜插于真空室(7)上部，直流磁控溅射靶源(5)和中频磁控溅射靶源(6)、两个直流磁过滤电弧离子镀源(3)和(4)则分布在两条对角线上，并位于真空室(7)两侧偏上部位，六个源头的中心线汇聚在多用样品台(8)工件上，真空抽气***(9)与真空室(7)连接。

2、根据权利要求1所述的离子注入复合镀膜设备，其特征是，气体离子源(1)采用考夫曼源，由高压电源产生高压后通过高压电缆输送至气体离子源(1)，并采用四栅多孔平板引出***，四栅多孔平板引出***位于气体离子源(1)内部，气体离子源(1)工作电压0～70kV可调。

3、根据权利要求1所述的离子注入复合镀膜设备，其特征是，金属离子源(2)采用麦瓦离子源，由高压电源产生高压后通过高压电缆输送至真空室顶部一侧的金属离子源(2)，并采用三栅多孔平板引出***，三栅多孔平板引出***位于金属离子源(2)内部，加速电压范围为0～55kV可调。

4、根据权利要求1或3所述的离子注入复合镀膜设备，其特征是，金属离子源(2)中心线与多用样品台(8)面呈62°。

5、根据权利要求1所述的离子注入复合镀膜设备，其特征是，直流磁过滤电弧离子镀源(3)和(4)采用IGBT逆变式开关电源，用阴极电弧弧光放电直接加热蒸发源，蒸发源设置在直流磁过滤电弧离子镀源(3)、(4)上，直流磁过滤电弧离子镀源(3)、(4)呈弯管状，弧源进口与等离子体出***角呈90°。

6、根据权利要求1所述的离子注入复合镀膜设备，其特征是，直流磁控溅射电源(5)和中频脉冲磁控溅射(6)电源采用IGBT逆变式开关电源，一端引到多用样品台(8)上，另一端则接至直流磁控溅射靶源(5)和中频脉冲磁控溅射靶源(6)上，溅射靶由厚约3～10mm的涂膜材料组装而成。

7、根据权利要求1所述的离子注入复合镀膜设备，其特征是，真空抽气***(9)包括：抽气管道(10)、机械泵(11)、法兰盘(12)、涡轮分子泵(13)，法兰盘(12)与真空室(7)相连，涡轮分子泵(13)和机械泵(11)通过抽气管道(10)相连接。

Images