專利名稱：在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于薄膜制備領(lǐng)域，具體地說是一種在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積金屬/化合物薄膜的裝置和方法。
背景技術(shù)：
對于纖維絲/條帶的表面改性，已成為本行業(yè)的瓶頸問題。通常采用化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積在纖維絲/條帶的表面沉積一定厚度的金屬層/化合物層以及它們的復(fù)合涂層?；瘜W(xué)氣相沉積由于需要高的沉積溫度和使用有毒的前驅(qū)氣體，對設(shè)備要求比較嚴(yán)格；物理氣相沉積可以在較低溫條件下制備金屬或化合物薄膜，包括真空熱蒸發(fā)、電弧離子鍍和磁控濺射等。電弧離子鍍由于大顆粒的問題限制了其應(yīng)用，而磁控濺射則可以沉積致密均勻的納米薄膜。傳統(tǒng)的磁控濺射即為平衡態(tài)磁控濺射，是在陰極靶材背后芯部磁場設(shè)置與外環(huán)磁場強(qiáng)度相等或相近的永磁體或電磁線圈，在祀材表面磁場會形成與電場方向相垂直的正交磁場，該磁場導(dǎo)致等離子體區(qū)被強(qiáng)烈地束縛在靶面區(qū)域，隨著離開靶面距離的增大，等離子濃度迅速降低。在平衡態(tài)磁控濺射時(shí)，飛出的靶材粒子能量較低，膜基結(jié)合強(qiáng)度較差，低能量的沉積原子在基體表面遷移率低，易生成多孔粗糙的柱狀晶結(jié)構(gòu)薄膜。于是，出現(xiàn)了非平衡態(tài)磁場的設(shè)計(jì)，磁場強(qiáng)度可設(shè)計(jì)成邊緣強(qiáng)或中部強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)濺射靶表面磁場位形和分布的 “非平衡”。磁控濺射靶的非平衡磁場不僅可以通過改變內(nèi)外磁體的大小和強(qiáng)度的永磁體獲得，也可由兩組電磁線圈產(chǎn)生，或采用電磁線圈與永磁體混合結(jié)構(gòu)，還有在陰極和基體之間增加附加的螺線管線圈磁場，用來改變和形成陰極與基體之間的耦合磁場，并以它來控制沉積過程中等離子體在空間分布的均勻度，提高薄膜的沉積速率。非平衡態(tài)磁控濺射克服了平衡態(tài)磁控濺射的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面一方面是濺射出來的原子和粒子沉積在基體表面形成致密均勻的薄膜，另一方面是等離子體以一定的能量轟擊基體，起到離子束輔助沉積的作用，大大的改善了膜層的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單獨(dú)的非平衡磁控靶在復(fù)雜基片上較難沉積出均勻的薄膜，多靶非平衡磁控濺射系統(tǒng)可以彌補(bǔ)單靶非平衡磁控濺射的不足。多靶非平衡磁控濺射系統(tǒng)根據(jù)磁場的分布方式可以設(shè)計(jì)為相鄰磁極相反的閉合磁場非平衡磁控濺射和相鄰磁極相同的鏡像磁場非平衡磁控濺射。多靶閉合磁場非平衡磁控濺射系統(tǒng)可以獲得高的沉積速率和較高質(zhì)量的薄膜，因此實(shí)際應(yīng)用中較多采用的是閉合磁場非平衡磁控濺射系統(tǒng)。沉積金屬等導(dǎo)電薄膜，可以使用直流電源直接進(jìn)行濺射沉積；如果沉積多元化合物薄膜，則需要使用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)。但是，使用直流電源在反應(yīng)磁控濺射沉積介電材料或絕緣材料化合物薄膜時(shí)，容易出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，會導(dǎo)致靶中毒和打弧問題。最為有效的解決方式是改變?yōu)R射電源，即采用中頻脈沖電源。脈沖磁控濺射技術(shù)和射頻電源可以有效地抑制電弧產(chǎn)生，進(jìn)而消除由此產(chǎn)生的薄膜缺陷，同時(shí)可以提高濺射沉積速率，降低沉積溫度等一系列顯著優(yōu)點(diǎn)。一般地要獲得結(jié)晶度好的薄膜，基片需要加熱到一定溫度，對于纖維絲/ 條帶加熱有一定難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積金屬/化合物薄膜的裝置和方法，利用四個(gè)非平衡磁控濺射靶所形成的封閉磁場系統(tǒng)解決了在纖維絲/ 條帶表面高速均勻沉積薄膜的問題，可以在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速沉積出厚度均勻的金屬/多元化合物薄膜，實(shí)現(xiàn)沉積過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的裝置，該裝置為真空裝置，由兩組四面矩形或正方形非平衡態(tài)磁控靶材和兩個(gè)相同的帶孔遮蔽板組成的真空封閉長方體或立方體連接兩個(gè)張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架于內(nèi)的真空腔體組成，其中兩組四面非平衡態(tài)靶材和兩個(gè)遮蔽板形成封閉的長方體或立方體空間，兩組靶材由中頻脈沖或直流電源驅(qū)動在封閉的長方體或立方體空間內(nèi)產(chǎn)生高密度的等離子體，纖維絲/條帶通過兩個(gè)張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架從封閉空間的高密度等離子體中心穿過并在纖維絲/條帶上高速均勻地鍍膜；中頻脈沖/直流磁控濺射電源的陰極與靶材相接，陽極和真空腔體接地。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的裝置，整個(gè)真空系統(tǒng)中兩個(gè)非平衡靶材A、B為一組，另兩個(gè)非平衡靶材C、D為一組，兩組靶材單獨(dú)分別使用，或者同時(shí)使用。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的裝置，每組靶材背面的磁鐵磁極相反，分別形成封閉的磁場，背面的磁鐵使用永磁鐵或者電磁鐵，中間加磁軛或不加磁軛。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的裝置，該裝置中真空封閉長方體或立方體為一個(gè)或一個(gè)以上。一種利用所述裝置在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的方法，采用直流電源沉積金屬薄膜，采用中頻脈沖磁控濺射電源沉積化合物薄膜，全對稱雙極性方波輸出方式，占空比為5 45%，可調(diào)脈沖頻率范圍5 80kHz ;濺射氣體和反應(yīng)氣體由真空封閉長方體或立方體與兩個(gè)張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架于內(nèi)的真空腔體之間的連接處，進(jìn)入到真空封閉的空間內(nèi)產(chǎn)生等離子體，連續(xù)纖維絲/條帶直接從高密度等離子體中穿過，等離子體均勻地環(huán)繞在纖維絲/條帶的周圍，整個(gè)纖維絲/條帶的表面同時(shí)被均勻地沉積上納米薄膜。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的方法，該裝置使用的靶材采用純金屬靶材鎳靶、鈦靶、鋅靶、鉻靶、鎂靶、鈮靶、錫靶、鋁靶、鐵靶、鋯靶、銅靶、銀靶、鈷靶、金靶、釔靶、鈰靶或鑰靶。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的方法，整個(gè)真空系統(tǒng)中兩個(gè)非平衡靶材A、B為一組，另兩個(gè)非平衡靶材C、D為一組，兩組靶材A、B和C、D的材料相同或不同，相同的靶材適用于制備同質(zhì)薄膜，不同的靶材適用于制備化合物薄膜。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的方法，該裝置中真空封閉長方體或立方體為一個(gè)或一個(gè)以上，長方體或立方體分段使用，用于鍍單層膜或同時(shí)鍍一個(gè)以上的多層膜。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的方法，濺射氣體為惰性氣體,反應(yīng)氣體為氧氣或氮?dú)?。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的方法，該裝置工件轉(zhuǎn)架的旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)，還具有正向轉(zhuǎn)或反向轉(zhuǎn)功能。本發(fā)明的技術(shù)原理本發(fā)明采用兩組四面非平衡態(tài)磁控濺射靶材使等離子體封閉在所形成的長方體或立方體內(nèi)，等離子體密度大大增加；通過控制磁場，使等離子在整個(gè)區(qū)間內(nèi)均勻分布，可以實(shí)現(xiàn)高速和高均勻性沉積薄膜。本發(fā)明具有四個(gè)非平衡磁控濺射靶構(gòu)成閉合磁場系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用直流電源沉積金屬薄膜或者采用中頻脈沖電源沉積化合物薄膜，也可以采用不同的靶材實(shí)現(xiàn)多元化合物薄膜的制備和使用多個(gè)密封的長方體/立方體連續(xù)制備多層薄膜。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果為I、本發(fā)明提出一種連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積金屬/化合物薄膜的裝置和方法，可以讓兩組四面矩形(正方形)靶產(chǎn)生的高密度等離子體局域在長方體或立方體封閉的空間內(nèi)，連續(xù)纖維絲/條帶直接從等離子體中穿過，等離子體均勻地環(huán)繞在纖維絲/ 條帶的周圍，實(shí)現(xiàn)在纖維絲/條帶的表面上高速均勻沉積納米薄膜。2、本發(fā)明提出的裝置在連續(xù)纖維絲/條帶上不僅可以實(shí)現(xiàn)單一種類金屬薄膜的沉積，還可以實(shí)現(xiàn)沉積多元化合物薄膜和多層復(fù)合膜。3、本發(fā)明將纖維絲/條帶均勻卷繞在工件轉(zhuǎn)架上可以連續(xù)沉積均勻的薄膜。4、本發(fā)明通過調(diào)節(jié)濺射氣體流量、反應(yīng)氣體種類、濺射時(shí)間、卷繞轉(zhuǎn)架的速度等， 實(shí)現(xiàn)在連續(xù)纖維/條帶表面沉積不同厚度的金屬或化合物薄膜。5、本發(fā)明纖維絲/條帶為金屬纖維絲/條帶、SiC纖維絲/條帶、碳纖維絲/條帶
坐寸o6、本發(fā)明采用控制基片區(qū)域內(nèi)等離子體密度和均勻性可顯著地彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，獲得低損傷均勻納米薄膜。


圖I為本發(fā)明裝置整個(gè)真空系統(tǒng)的示意圖。圖中，I第一組靶材，分別為第一組靶材A面IA和第一組靶材B面IB ;2第二組靶材，分別為第二組靶材C面IC和第二組靶材D面ID ;2兩端遮蔽板，分別為2A和2B ；3張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架，分別為進(jìn)樣轉(zhuǎn)架3A和出樣轉(zhuǎn)架3B ;4磁鐵系統(tǒng)，分別位于每組靶材的背面，其中磁鐵系統(tǒng)A部4A和磁鐵系統(tǒng)B部4B對應(yīng)于第一組靶材A面IA和第一組靶材 B面1B，且磁極相反；磁鐵系統(tǒng)C部4C和磁鐵系統(tǒng)D部4D對應(yīng)于第二組靶材C面IC和第二組靶材D面1D，且磁極相反；5纖維絲/條帶，5A為進(jìn)樣端纖維絲/條帶，5B為出樣端纖維絲/條帶；6濺射氣體進(jìn)氣口，分別為6A和6B ；7真空腔體，與密封的長方體或立方體相連，卷繞工件轉(zhuǎn)架位于其中，分別為7A和7B ；8真空泵，分別為8A和8B，維持腔體7A、7B與封閉長方體的真空；9為磁控濺射直流/中頻脈沖電源。圖2為本發(fā)明裝置整個(gè)真空系統(tǒng)的俯視示意圖。圖中，I第一組靶材，分別為第一組靶材A面IA和第一組靶材B面IB ;IC第二組靶材C面；2兩端遮蔽板，分別為2A和2B ;3張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架，分別為進(jìn)樣轉(zhuǎn)架3A和出樣轉(zhuǎn)架3B ；4磁鐵系統(tǒng)，分別位于每組靶材的背面，其中磁鐵系統(tǒng)A部4A和磁鐵系統(tǒng)B 部4B對應(yīng)于第一組靶材A面IA和第一組靶材B面1B，且磁極相反；磁鐵系統(tǒng)C部4C和磁鐵系統(tǒng)D部4D對應(yīng)于第二組靶材C面IC和第二組靶材D面1D，且磁極相反；5纖維絲/條帶，5A為進(jìn)樣端纖維絲/條帶，5B為出樣端纖維絲/條帶；6濺射氣體進(jìn)氣口，分別為6A和 6B ;7真空腔體，與密封的長方體/立方體相連，卷繞工件轉(zhuǎn)架位于其中，分別為7A和7B ；8 真空泵，分別為8A和8B，維持腔體7A、7B與封閉長方體的真空。圖3為本發(fā)明裝置中三(多)個(gè)密封的長方體/立方體和卷繞轉(zhuǎn)架真空腔體組成的整個(gè)真空系統(tǒng)的俯視示意圖。圖中，3張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架，分別為進(jìn)樣轉(zhuǎn)架3A和出樣轉(zhuǎn)架3B；5纖維絲/ 條帶，5A為進(jìn)樣端纖維絲/條帶，5B為出樣端纖維絲/條帶；7真空腔體，與密封的長方體 /立方體相連，卷繞工件轉(zhuǎn)架位于其中，分別為7A和7B。第一個(gè)密封的長方體/立方體中， I第一組靶材，分別為第一組靶材A面IAl，和第一組靶材B面IBl ；1C1第二組靶材C面；2 兩端遮蔽板，分別為2A1和2B1 ;4磁鐵系統(tǒng)，分別位于每組靶材的背面，其中磁鐵系統(tǒng)A部 4A1和磁鐵系統(tǒng)B部4B1對應(yīng)于第一組靶材A面IAl和第一組靶材B面IBl，且磁極相反； 磁鐵系統(tǒng)C部4C1和磁鐵系統(tǒng)D部4D1對應(yīng)于第二組靶材C面ICl和第二組靶材D面IDl， 且磁極相反；6濺射氣體進(jìn)氣口，分別為6A1和6B1。第二個(gè)密封的長方體/立方體中，I第一組靶材，分別為第一組靶材A面1A2，和第一組靶材B面1B2 ; 1C2第二組靶材C面；2兩端遮蔽板，分別為2A2和2B2 ；4磁鐵系統(tǒng)，分別位于每組靶材的背面,其中磁鐵系統(tǒng)A部4A2 和磁鐵系統(tǒng)B部4B2對應(yīng)于第一組靶材A面1A2和第一組靶材B面1B2，且磁極相反；磁鐵系統(tǒng)C部4C2和磁鐵系統(tǒng)D部4D2對應(yīng)于第二組靶材C面1C2和第二組靶材D面1D2，且磁極相反；6濺射氣體進(jìn)氣口，分別為6A2和6B2。第三個(gè)密封的長方體/立方體中，I第一組靶材，分別為第一組靶材A面1A3，和第一組靶材B面1B3 ;1C3第二組靶材C面；2兩端遮蔽板，分別為2A3和2B3 ；4磁鐵系統(tǒng)，分別位于每組靶材的背面，其中磁鐵系統(tǒng)A部4A3和磁鐵系統(tǒng)B部4B3對應(yīng)于第一組靶材A面1A3和第一組靶材B面1B3，且磁極相反；磁鐵系統(tǒng) C部4C3和磁鐵系統(tǒng)D部4D3對應(yīng)于第二組靶材C面1C3和第二組靶材D面1D3，且磁極相反；6濺射氣體進(jìn)氣口，分別為6A3和6B3。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種在纖維絲/條帶表面均勻沉積金屬/化合薄膜的裝置和方法，裝置為真空裝置，由兩組四面矩形(或正方形)非平衡態(tài)磁控靶材和兩個(gè)相同的帶孔遮蔽板組成的真空封閉長方體(或立方體)連接兩個(gè)張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架于內(nèi)的真空腔體組成，其中兩組四面非平衡態(tài)靶材和兩個(gè)遮蔽板形成封閉的長方體(或立方體)空間，兩組靶材由中頻脈沖或直流電源驅(qū)動在封閉的長方體(或立方體)空間內(nèi)產(chǎn)生高密度的等離子體，纖維絲/條帶通過兩個(gè)張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架，從封閉空間的高密度等離子體中心穿過，并在纖維絲/條帶上高速均勻地鍍膜。中頻脈沖/直流磁控濺射電源的陰極與靶材相接，陽極和真空腔體接地。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積金屬/化合物薄膜的裝置和方法， 整個(gè)真空系統(tǒng)中非平衡靶材A、B為一組，非平衡靶材C、D為一組，可以兩組靶材同時(shí)使用， 也可以單獨(dú)分別使用。
所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積金屬/化合物薄膜的裝置和方法， 每組靶材(A、B和C、D)背面的磁鐵磁極相反，分別形成封閉的磁場，背面的磁鐵可以使用永磁鐵或者電磁鐵，中間可以加磁軛，也可以不加。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積金屬/化合物薄膜的裝置和方法， 該裝置使用的靶材采用純金屬靶材鎳靶、鈦靶、鋅靶、鉻靶、鎂靶、鈮靶、錫靶、鋁靶、鐵靶、 鋯靶、銅靶、銀靶、鈷靶、金靶、釔靶、鈰靶或鑰靶。所述的連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積金屬/化合物薄膜的裝置和方法，兩組靶材A、B和C、D的材料可以相同，也可以不同。相同的適用于制備同質(zhì)薄膜，不同的靶材適用于制備化合物薄膜。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積金屬/化合物薄膜的裝置和方法， 這種裝置中的沉積薄膜腔體部分(真空封閉的長方體或正方體)可以為一個(gè)，鍍單層膜；也可以為多個(gè)，所述長方體或正方體分段使用，同時(shí)鍍多層膜。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積金屬/化合物薄膜的裝置和方法， 濺射氣體惰性氣體(如氬氣等)和反應(yīng)氣體(如氧氣或氮?dú)?由真空封閉長方體(或立方體)與兩個(gè)張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架于內(nèi)的真空腔體之間的連接處，進(jìn)入到封閉的空間內(nèi)產(chǎn)生等離子體。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積金屬/化合物薄膜的裝置和方法， 工件轉(zhuǎn)架的旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)，還具有正向轉(zhuǎn)/反向轉(zhuǎn)功能。所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積金屬/化合物薄膜的裝置和方法， 采用直流電源沉積金屬薄膜，采用中頻脈沖磁控濺射電源沉積化合物薄膜，全對稱雙極性方波輸出方式，占空比為5 45%，可調(diào)脈頻率范圍5 80kHz，金屬薄膜或化合物薄膜為納米薄膜，厚度為10 500納米。實(shí)施例I如圖1-2所示，本發(fā)明裝置整個(gè)真空系統(tǒng)主要包括第一組靶材(第一組靶材A面 IA和第一組靶材B面1B)、第二組靶材(第二組靶材C面IC和第二組靶材D面1D)、兩端遮蔽板(遮蔽板2A和遮蔽板2B)、張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架(進(jìn)樣轉(zhuǎn)架3A和出樣轉(zhuǎn)架3B)、 磁鐵系統(tǒng)(磁鐵系統(tǒng)A部4A、磁鐵系統(tǒng)B部4B、磁鐵系統(tǒng)C部4C和磁鐵系統(tǒng)D部4D)、纖維絲/條帶(進(jìn)樣端纖維絲/條帶5A和出樣端纖維絲/條帶5B)、濺射氣體進(jìn)氣口(濺射氣體進(jìn)氣口 6A和濺射氣體進(jìn)氣口 6B)、真空腔體(真空腔體7A和真空腔體7B)、真空泵(真空泵8A和真空泵8B)、磁控濺射直流/中頻脈沖電源9等，具體結(jié)構(gòu)如下第一組靶材A面1A、第一組靶材B面1B、第二組靶材C面1C、第二組靶材D面1D、 遮蔽板2A和遮蔽板2B組成真空封閉空間(長方體或立方體)，其中第一組靶材A面IA和第一組靶材B面IB相對設(shè)置，第二組靶材C面IC和第二組靶材D面ID相對設(shè)置，遮蔽板 2A和遮蔽板2B相對設(shè)置，遮蔽板2A和遮蔽板2B上的開孔分別通過管道與真空腔體7A和真空腔體7B相通，真空腔體7A和真空腔體7B分別與真空泵8A和真空泵SB連通。所述真空腔體7A與真空封閉空間相通的管道上設(shè)有濺射氣體進(jìn)氣口 6A，所述真空腔體7B與真空封閉空間相通的管道上設(shè)有濺射氣體進(jìn)氣口 6B。真空腔體7A和真空腔體7B分別與真空封閉空間(長方體或立方體)相連通，進(jìn)樣轉(zhuǎn)架3A和出樣轉(zhuǎn)架3B分別位于真空腔體7A和真空腔體7B中，進(jìn)樣端纖維絲/條帶5A纏繞于進(jìn)樣轉(zhuǎn)架3A，出樣端纖維絲/條帶5B纏繞于出樣轉(zhuǎn)架3B ；磁鐵系統(tǒng)分別位于每組靶材的背面，其中磁鐵系統(tǒng)A部4A和磁鐵系統(tǒng)B部4B對應(yīng)于第一組靶材A面IA和第一組靶材B面1B，且磁極相反；磁鐵系統(tǒng)C部4C和磁鐵系統(tǒng)D 部4D對應(yīng)于第二組靶材C面IC和第二組靶材D面1D，且磁極相反；中頻脈沖/直流磁控濺射電源9的陰極與靶材相接，陽極和真空腔體接地。本實(shí)施例中，采用Al靶在SiC纖維絲/條帶表面沉積Al2O3薄膜，濺射氣體(氬氣)和反應(yīng)氣體(氧氣)由真空封閉長方體(或立方體)與兩個(gè)張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架于內(nèi)的真空腔體之間的連接處，進(jìn)入到封閉的空間內(nèi)產(chǎn)生高密度等離子體。采用中頻脈沖磁控濺射電源沉積化合物薄膜，全對稱雙極性方波輸出方式，占空比為30%，可調(diào)脈頻率范圍50kHz。連續(xù)纖維絲/條帶直接從高密度等離子體中穿過，等離子體均勻地環(huán)繞在纖維絲/條帶的周圍，整個(gè)纖維絲/條帶的表面同時(shí)被均勻地沉積上納米薄膜。本發(fā)明實(shí)施例 I沉積薄膜的厚度為50納米。實(shí)施例2如圖3所示，本發(fā)明裝置可以采用三(多)個(gè)密封的長方體/立方體和卷繞轉(zhuǎn)架真空腔體組成的整個(gè)真空系統(tǒng)，三個(gè)密封的長方體/立方體與卷繞轉(zhuǎn)架兩兩相連，進(jìn)樣轉(zhuǎn)架3A與第一個(gè)密封的長方體/立方體左部相連，第一個(gè)密封的長方體/立方體的右部與第二個(gè)密封的長方體/立方體的左部相連，第二個(gè)密封的長方體/立方體的右部與第三個(gè)密封的長方體/立方體的左部相連，第三個(gè)密封的長方體/立方體的右部與出樣轉(zhuǎn)架3B相連；進(jìn)樣端纖維絲/條帶5A纏繞于進(jìn)樣轉(zhuǎn)架3A，出樣端纖維絲/條帶5B纏繞于出樣轉(zhuǎn)架 3B ;真空腔體Ik和7B與密封的長方體/立方體相連，卷繞工件轉(zhuǎn)架位于其中。其中第一個(gè)密封的長方體/立方體中，第一組靶材A面IAl和第一組靶材B面IBl相對，第二組靶材 C面ICl和第二組靶材D面IDl相對，兩端遮蔽板2A1和2B1相對；磁鐵系統(tǒng)分別位于每組靶材的背面，其中磁鐵系統(tǒng)A部4A1和磁鐵系統(tǒng)B部4B1對應(yīng)于第一組靶材A面IAl和第一組靶材B面IBl，且磁極相反；磁鐵系統(tǒng)C部4C1和磁鐵系統(tǒng)D部4D1對應(yīng)于第二組靶材 C面ICl和第二組靶材D面IDl，且磁極相反；濺射氣體進(jìn)氣口，分別為6A1和6B1。第二個(gè)密封的長方體/立方體中，第一組靶材A面1A2和第一組靶材B面1B2相對，第二組靶材C 面1C2和第二組靶材D面1D2相對，兩端遮蔽板2A2和2B2相對；磁鐵系統(tǒng)分別位于每組靶材的背面，其中磁鐵系統(tǒng)A部4A2和磁鐵系統(tǒng)B部4B2對應(yīng)于第一組祀材A面1A2和第一組靶材B面1B2，且磁極相反；磁鐵系統(tǒng)C部4C2和磁鐵系統(tǒng)D部4D2對應(yīng)于第二組靶材C 面1C2和第二組靶材D面1D2，且磁極相反；濺射氣體進(jìn)氣口，分別為6A2和6B2。第三個(gè)密封的長方體/立方體中，第一組靶材A面1A3和第一組靶材B面1B3相對，第二組靶材C面 1C3和第二組靶材D面1D3相對，兩端遮蔽板2A3和2B3相對；磁鐵系統(tǒng)，分別位于每組靶材的背面，其中磁鐵系統(tǒng)A部4A3和磁鐵系統(tǒng)B部4B3對應(yīng)于第一組祀材A面1A3和第一組靶材B面1B3，且磁極相反；磁鐵系統(tǒng)C部4C3和磁鐵系統(tǒng)D部4D3對應(yīng)于第二組靶材C 面1C3和第二組靶材D面1D3，且磁極相反；濺射氣體進(jìn)氣口，分別為6A3和6B3。本實(shí)施例中，三個(gè)密封的長方體/立方體分別采用鈦靶、鋯靶和鎂靶，并分別在碳纖維絲/條帶表面沉積金屬鈦納米薄膜(厚度30納米)、金屬鋯納米薄膜(厚度30納米) 和金屬鎂納米薄膜(厚度40納米)，濺射氣體(氬氣)由真空封閉長方體(或立方體)與兩個(gè)張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架于內(nèi)的真空腔體之間的連接處，進(jìn)入到封閉的空間內(nèi)產(chǎn)生高密度等離子體。采用直流磁控濺射電源沉積金屬薄膜，連續(xù)纖維絲/條帶直接從高密度等離子體中穿過，等離子體均勻地環(huán)繞在纖維絲/條帶的周圍，整個(gè)纖維絲/條帶的表面同時(shí)被均勻地沉積上納米薄膜。本發(fā)明實(shí)施例I沉積薄膜的厚度為100納米。本發(fā)明兩組非平衡態(tài)磁控靶由中頻脈沖或直流電源驅(qū)動在封閉的長方體(或立方體)空間內(nèi)產(chǎn)生高密度的等離子體，纖維絲/條帶通過卷繞工件轉(zhuǎn)架從封閉空間的高密度等離子體中心穿過，并在纖維絲/條帶上均勻地沉積上納米薄膜，反應(yīng)濺射氣體通過真空封閉體和卷繞裝置真空腔體兩端的連接處引入。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)磁控濺射裝置中真空室內(nèi)的氣體流量、反應(yīng)氣體種類、濺射沉積時(shí)間、卷繞轉(zhuǎn)架的速度和使用不同的靶材等，實(shí)現(xiàn)在連續(xù)纖維絲/條帶表面沉積不同種類和不同厚度的金屬/化合物薄膜，對纖維絲/條帶進(jìn)行表面改性。實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明四面矩形中非平衡態(tài)磁控濺射靶由中頻脈沖/直流電源驅(qū)動并在封閉的長方體(或立方體)內(nèi)產(chǎn)生高密度等離子體，連續(xù)纖維絲/條帶直接從高密度等離子體中穿過，等離子體均勻地環(huán)繞在纖維絲/條帶的周圍，整個(gè)纖維絲/條帶的表面同時(shí)被均勻地沉積上納米薄膜。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在纖維絲/條帶材料上的高速均勻地鍍膜，拓展了磁控濺射鍍膜的應(yīng)用范圍。
權(quán)利要求
1.一種在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的裝置，其特征在于，該裝置為真空裝置，由兩組四面矩形或正方形非平衡態(tài)磁控靶材和兩個(gè)相同的帶孔遮蔽板組成的真空封閉長方體或立方體連接兩個(gè)張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架于內(nèi)的真空腔體組成，其中兩組四面非平衡態(tài)靶材和兩個(gè)遮蔽板形成封閉的長方體或立方體空間，兩組靶材由中頻脈沖或直流電源驅(qū)動在封閉的長方體或立方體空間內(nèi)產(chǎn)生的等離子體，纖維絲/條帶通過兩個(gè)張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架從封閉空間的等離子體中心穿過并在纖維絲/條帶上高速均勻地鍍膜；中頻脈沖/直流磁控濺射電源的陰極與靶材相接，陽極和真空腔體接地。
2.按照權(quán)利要求I所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的裝置，其特征在于，整個(gè)真空系統(tǒng)中兩個(gè)非平衡靶材A、B為一組，另兩個(gè)非平衡靶材C、D為一組，兩組靶材單獨(dú)分別使用，或者同時(shí)使用。
3.按照權(quán)利要求I所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的裝置，其特征在于，每組靶材背面的磁鐵磁極相反，分別形成封閉的磁場，背面的磁鐵使用永磁鐵或者電磁鐵，中間加磁軛或不加磁軛。
4.按照權(quán)利要求I所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的裝置，其特征在于，該裝置中真空封閉長方體或立方體為一個(gè)或一個(gè)以上。
5.一種利用權(quán)利要求I所述裝置在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的方法， 其特征在于，采用直流電源沉積金屬薄膜，采用中頻脈沖磁控濺射電源沉積化合物薄膜，全對稱雙極性方波輸出方式，占空比為5 45%，可調(diào)脈沖頻率范圍5 80kHz ;濺射氣體和反應(yīng)氣體由真空封閉長方體或立方體與兩個(gè)張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架于內(nèi)的真空腔體之間的連接處，進(jìn)入到真空封閉的空間內(nèi)產(chǎn)生等離子體，連續(xù)纖維絲/條帶直接從等離子體中穿過，等離子體均勻地環(huán)繞在纖維絲/條帶的周圍，整個(gè)纖維絲/條帶的表面同時(shí)被均勻地沉積上納米薄膜。
6.按照權(quán)利要求5所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的方法，其特征在于，該裝置使用的靶材采用純金屬靶材鎳靶、鈦靶、鋅靶、鉻靶、鎂靶、鈮靶、錫靶、鋁靶、 鐵靶、鋯靶、銅靶、銀靶、鈷靶、金靶、釔靶、鈰靶或鑰靶。
7.按照權(quán)利要求5所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的方法，其特征在于，整個(gè)真空系統(tǒng)中兩個(gè)非平衡靶材A、B為一組，另兩個(gè)非平衡靶材C、D為一組，兩組靶材A、B和C、D的材料相同或不同，相同的靶材適用于制備同質(zhì)薄膜，不同的靶材適用于制備化合物薄膜。
8.按照權(quán)利要求5所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的方法，其特征在于，該裝置中真空封閉長方體或立方體為一個(gè)或一個(gè)以上，長方體或立方體分段使用，用于鍍單層膜或同時(shí)鍍一個(gè)以上的多層膜。
9.按照權(quán)利要求5所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的方法，其特征在于，濺射氣體為惰性氣體，反應(yīng)氣體為氧氣或氮?dú)狻?br> 10.按照權(quán)利要求5所述的在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的方法，其特征在于，該裝置工件轉(zhuǎn)架的旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)，還具有正向轉(zhuǎn)或反向轉(zhuǎn)功能。
全文摘要
本發(fā)明屬于薄膜制備領(lǐng)域，具體地說是一種在連續(xù)纖維絲/條帶表面高速均勻沉積金屬/化合物薄膜的裝置和方法，解決了在纖維絲/條帶表面高速均勻沉積薄膜的問題。該裝置由兩組四面矩形或正方形非平衡態(tài)磁控靶材和兩個(gè)相同的帶孔遮蔽板組成的真空封閉長方體或立方體連接兩個(gè)張力可控的卷繞工件轉(zhuǎn)架于內(nèi)的真空腔體組成。非平衡態(tài)磁控濺射靶由中頻脈沖/直流電源驅(qū)動，并在封閉的長方體或立方體內(nèi)產(chǎn)生高密度等離子體，連續(xù)纖維絲/條帶直接從高密度等離子體中穿過，等離子體均勻地環(huán)繞在纖維絲/條帶的周圍，整個(gè)纖維絲/條帶的表面同時(shí)被均勻地沉積上納米薄膜。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在纖維絲/條帶材料上的高速均勻地鍍膜，拓展了磁控濺射鍍膜的應(yīng)用范圍。
文檔編號C23C14/35GK102534535SQ201210050759
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者孫超, 宮駿, 肖金泉, 雷浩 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所