專利名稱：電弧蒸發(fā)和磁控濺射相結(jié)合的離子鍍膜設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于工業(yè)用薄膜沉積設(shè)備。
工業(yè)生產(chǎn)中，完成切削刀具和機(jī)械零件的硬質(zhì)耐磨涂層或耐腐蝕涂層，或在某些零件上作裝飾涂層，多采用物理氣相沉積設(shè)備，這種設(shè)備主要有兩種型式，一種是離子鍍膜設(shè)備，另一種是磁控濺射鍍膜設(shè)備。
離子鍍膜設(shè)備主要有真空電弧蒸發(fā)型和低電壓大電流電子束蒸發(fā)型等。真空電弧蒸發(fā)離子鍍膜設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是電離度高，附著力好，沉積速率快，膜層晶粒細(xì)而致密；缺點(diǎn)是涂層上容易產(chǎn)生金屬液滴(這是一個(gè)難以用簡(jiǎn)單技術(shù)措施完全克服的技術(shù)難題)，設(shè)備的制造成本也較高。
磁控濺射鍍膜又分常規(guī)的和非平衡磁控濺射兩種。常規(guī)磁控濺射鍍膜設(shè)備雖然造價(jià)較低，而其電離度相對(duì)較低，鍍層的附著力也較低，尤其是工件距磁控靶較近時(shí)影響鍍膜的均勻性，這些缺點(diǎn)影響了它的適用范圍。
近幾年發(fā)展起來(lái)的非平衡磁控濺射鍍膜與常規(guī)磁控濺射鍍膜相比，由于顯著增強(qiáng)了陰極表面外圍磁場(chǎng)的強(qiáng)度，造成陰極表面內(nèi)外磁場(chǎng)不平衡，致使等離子體的作用區(qū)域向外擴(kuò)展，從而改善了遠(yuǎn)離陰極(靶源)工件鍍膜的均勻性和膜層質(zhì)量。但是，非平衡磁控濺射鍍膜的膜層和工件表面結(jié)合力，仍然不及真空電弧蒸發(fā)鍍膜的水平。
上述兩種物理氣相沉積設(shè)備雖然工作原理不同，但是一些等離子體特性，形成薄膜的規(guī)律以及工藝效果方面，有很多共同或相似之處，將這兩種技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展一種混合型的離子鍍膜設(shè)備是有很大實(shí)用價(jià)值的。這類設(shè)想國(guó)外已有文獻(xiàn)發(fā)表，但作為工業(yè)設(shè)備尚有不足之處。如魯賓遜等(P.Robinson，A.MatthewsSurface and Coatings Technology，Vol.43/44，288(1990))所提出的這種靶源，在作非平衡磁控濺射源運(yùn)行時(shí)，要去除中心磁體，作真空電弧蒸發(fā)源運(yùn)行時(shí)，要去除壓緊陰極并接地的不銹鋼屏蔽極，改由絕緣件絕緣和壓緊陰極，采用間接水冷的矩形平面靶，因此主要是實(shí)驗(yàn)用裝備。另一個(gè)方案是馬尼茨(G.Manitz)等提出的德國(guó)專利DE3941918A1，采用圓形靶，其內(nèi)磁場(chǎng)采用永磁體，不利于磁場(chǎng)調(diào)節(jié)，并且另加有陽(yáng)極，在真空鍍膜室外套上一個(gè)大電磁線圈，不適宜在工業(yè)上應(yīng)用，還有一個(gè)是M.D.芒茲等(M.D.Münz，F(xiàn).J.M.Hauzer etc.Surface and Coatings Technology，Vol.49，161(1991))提出的，采用大面積矩形靶，內(nèi)磁場(chǎng)也是采用永磁體，改變運(yùn)動(dòng)方式時(shí)需要將永磁體送入或抽出，不利于改變運(yùn)行參數(shù)和操作運(yùn)行。
本實(shí)用新型的目的是提供一種電弧蒸發(fā)和磁控濺射相結(jié)合的離子鍍膜設(shè)備，該設(shè)備中裝有多個(gè)真空電弧蒸發(fā)和非平衡磁控濺射兼用靶源，兼有兩種靶源運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)，得到高質(zhì)量的膜層，并且設(shè)備制造成本低。
本實(shí)用新型提供的電弧蒸發(fā)和磁控濺射相結(jié)合的離子鍍膜設(shè)備包括真空鍍膜室、旋轉(zhuǎn)工件架、烘烤加熱絲、電弧電源、偏壓電源、陰極兼轟擊電源、烘烤電源以及為配合使用這些電源而設(shè)置的開(kāi)關(guān)，該設(shè)備的核心部件是真空電弧蒸發(fā)和非平衡磁控濺射相結(jié)合的兼用靶源(以下簡(jiǎn)稱兼用靶源)，該兼用靶源具有同心套裝的內(nèi)電磁線圈和外電磁線圈。旋轉(zhuǎn)工件架位于真空鍍膜室的中部，環(huán)繞旋轉(zhuǎn)工件架有烘烤加熱絲，在真空鍍膜室壁的不同高度上有多只兼用靶源，每只兼用靶源與一只轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)聯(lián)接，每只轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的一端與一臺(tái)陰極兼轟擊電源聯(lián)接，這些轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的另一端與一臺(tái)或二臺(tái)電弧電源聯(lián)接，烘烤加熱絲與一臺(tái)烘烤電源聯(lián)接；旋轉(zhuǎn)工件架通過(guò)另一只轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)與一臺(tái)偏壓電源聯(lián)接，該轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的另一端與前述陰極兼轟擊電源聯(lián)接。
兼用靶源主要由陰極、屏蔽極、同心套裝的內(nèi)電磁線圈和外電磁線圈、磁軛、導(dǎo)磁桿、導(dǎo)電片、陰極法蘭、水冷通路、點(diǎn)弧極等組成，冷卻水對(duì)陰極和外電磁線圈直接水冷，內(nèi)電磁線圈和外電磁線圈實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。


圖1、電弧蒸發(fā)和磁控濺射相結(jié)合的離子鍍膜設(shè)備主機(jī)和電氣部分組成示意圖。
圖2、電弧蒸發(fā)和磁控濺射相結(jié)合的兼用靶源。
為便于說(shuō)明和理解，
以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型內(nèi)容。
如
圖1所示，在真空鍍膜室11中有旋轉(zhuǎn)工件架12，工件13裝在工件架12上，真空鍍膜室壁兩側(cè)不同高度上，有多只(圖中示例為6只)，兼用靶源14，即14—1、14—2、…14—6，每只兼用靶源各自通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)15—1、15—2、…15—6與電弧電源17聯(lián)結(jié)，上述這些轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的另一端再通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)20的一端與陰極兼轟擊電源19相聯(lián)結(jié)，真空鍍膜室中圍繞工件架的烘烤加熱絲22與烘烤電源16相聯(lián)結(jié)，工件架12通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)21與偏壓電源18相聯(lián)接，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)21的另一端則與轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)20的另一端聯(lián)結(jié)。
圖1中兼用靶源14的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要構(gòu)件有陰極34、非導(dǎo)磁墊環(huán)33、屏蔽極32、耐熱絕緣板45、點(diǎn)弧桿31、中心導(dǎo)磁桿35、隔水板36、內(nèi)電磁線圈37、外電磁線圈41、磁軛39、水冷筒40、陰極法蘭42、冷卻水管43、導(dǎo)電片44、以及密封圈47、48、49、50、51、52。磁軛39呈T字形，上部為盤狀(稱為上盤55)，下部為直徑較小的套筒狀(稱為內(nèi)筒54)，二者的水平連接部分開(kāi)有通水孔53，磁軛39以其內(nèi)筒54的底面壓在陰極法蘭42上，二者之間有密封圈52；陰極34采用直接水冷，用陰極壓環(huán)38固定在磁軛39的頂面上，陰極34和陰極壓環(huán)38之間墊有非導(dǎo)磁墊環(huán)33，陰極34與磁軛39的頂面之間有密封圈47；陰極壓環(huán)38的頂面有圓環(huán)形的屏蔽極32，該屏蔽極32的內(nèi)圓柱面與陰極34之間留有間隙，與非導(dǎo)磁墊環(huán)33之間有耐熱絕緣板45；中心導(dǎo)磁桿35在陰極34之下穿過(guò)隔水板36和陰極法蘭42，其上段與隔水板36之間有密封圈48，其伸出陰極法蘭42的下段裝有導(dǎo)電片44，中心導(dǎo)磁桿35的下段有螺紋，用螺帽46將磁軛39、水冷筒40、陰極法蘭42和導(dǎo)電片44固定在一起，隔水板36蓋在磁軛內(nèi)筒54的頂端，二者之間有密封圈49；水冷筒40在磁軛上盤55之下，其頂面與上盤55之間有密封圈50，其底面與陰極法蘭42之間有密封圈51大小二只電磁線圈同心套裝，內(nèi)電磁線圈37套在中心導(dǎo)磁桿35之外，位于磁軛內(nèi)筒54之中，外電磁線圈41直接水冷，位于磁軛內(nèi)筒54與水冷筒40之間的空間中；陰極34，隔水板36、磁軛39、水冷筒40和陰極法蘭42之間形成水冷通路，陰極法蘭42上對(duì)應(yīng)于水冷通路的位置裝有進(jìn)出冷卻水的冷卻水管43；鄰近磁軛39和水冷筒40的一側(cè)有可作上下移動(dòng)的點(diǎn)弧桿31。導(dǎo)電片44用以接通電弧電源或陰極電源。
多只兼用靶源14對(duì)真空鍍膜室11絕緣并密封安裝在其室壁上，電弧電源17可以是一臺(tái)或兩臺(tái)，當(dāng)采用一臺(tái)電弧電源時(shí)，先后輪流點(diǎn)燃處于不同空間位置的兼用靶源14并使之對(duì)相對(duì)應(yīng)的工件13進(jìn)行刻蝕清洗和轟擊加熱，并且是用一臺(tái)陰極兼轟擊電源29兼作真空電弧蒸發(fā)時(shí)的轟擊電源和磁控濺射時(shí)的陰極電源，減少了復(fù)雜而高價(jià)的單元設(shè)備用量，從而大幅度降低了整套設(shè)備的制造成本。當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際需要也可以配用兩臺(tái)電弧電源，使兩只靶源同時(shí)對(duì)工件13進(jìn)行刻蝕清洗和轟擊加熱，然而更多地增加電弧電源不但增加了設(shè)備成本，實(shí)踐表明也是不必要的。
本實(shí)用新型兼用靶源中的陰極34為圓形平面陰極，有內(nèi)外兩個(gè)電磁線圈37和41，對(duì)外電磁線圈41直接水冷，不但磁場(chǎng)調(diào)節(jié)靈活，而且有利于增強(qiáng)陰極表面的外圍磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)換運(yùn)行方式，提高鍍膜均勻性和陰極材料的利用率，適應(yīng)不同尺寸真空鍍膜室上安裝不同數(shù)量靶源的要求。
本實(shí)用新型兼用靶源配上電弧電源17，在低磁場(chǎng)條件下按真空電弧蒸發(fā)源運(yùn)行，其橫向磁場(chǎng)分量使點(diǎn)弧后在陰極34表面上形成的弧斑作多軌跡的高速旋轉(zhuǎn)，蒸發(fā)陰極材料；當(dāng)接通陰極電源時(shí)按非平衡磁控濺射源運(yùn)行，在高的非平衡橫向磁場(chǎng)的作用下發(fā)生輝光放電，磁場(chǎng)的不平衡度由內(nèi)電磁線圈37和外電磁線圈41之間的安匝比例加以調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體作用范圍和工件加熱程度的控制。因此，本兼用靶源只要調(diào)節(jié)內(nèi)外電磁線圈37和41的激磁電流，就可以按真空電弧蒸發(fā)源運(yùn)行或非平衡磁控濺射源運(yùn)行，操作上明顯地比W.D.Milnz用電機(jī)調(diào)節(jié)永磁體矩形靶源和德國(guó)專利DE3914918A1永磁體圓型靶源簡(jiǎn)便實(shí)用。
如附圖所示本實(shí)用新型實(shí)施例，其啟動(dòng)和操作運(yùn)行是這樣的，真空鍍膜室11室壁兩側(cè)自上而下共裝6只兼用靶源14，設(shè)備運(yùn)行時(shí)首先接通烘烤電源16預(yù)熱工件13，再將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)20和21同時(shí)投向左方，使旋轉(zhuǎn)工件架12與陰極兼轟擊電源19接通，然后將一側(cè)靶源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)15—1、15—2、15—3中的一個(gè)(如15—1)投向下方，接通電弧電源17，與轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)15—1相聯(lián)的兼用靶源15—1以點(diǎn)弧極31點(diǎn)弧并逐步升高陰極兼轟擊電源19的電壓，使兼用靶源15—1所面對(duì)的部分工件13得到刻蝕清洗和轟擊加熱。按上述方式輪流換接同側(cè)的其它開(kāi)關(guān)，(15—2、15—3)，使另一些工件也得到處理，完成之后，再將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)20和21投向右方，使工件架12和偏壓電源18接通，再將一個(gè)靶源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)如15—1投向上方，使兼用靶源14—1和陰極兼轟擊電源19接通，進(jìn)而升高電壓。使該兼用靶源14—1在一定的壓強(qiáng)下起輝而投入運(yùn)行，其余未起輝的兼用靶源也依次先接通陰極兼轟擊電源19，然后使已通過(guò)較高電阻接地的點(diǎn)弧極31，在陰極34表面上接觸并隨后脫離，在陰極34表面上產(chǎn)生過(guò)渡的火花放電致使兼用靶源起輝而啟動(dòng)，待全部兼用靶源啟動(dòng)后，就可以按非平衡磁控濺射方式，在工件13的表面上沉積硬質(zhì)薄膜。
權(quán)利要求1.電弧蒸發(fā)和磁控濺射相結(jié)合的離子鍍膜設(shè)備，包括真空鍍膜室11、安裝工件13的工件架12、烘烤加熱絲22、電弧電源17、偏壓電源18、陰極兼轟擊電源19、烘烤電源16，其特征是真空鍍膜室兩側(cè)不同高度上，有多只兼用靶源14(包括14—1、14—2、……14—6)，每只兼用靶源各自通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)15—1、15—2、……15—6與電弧電源17聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)15—1、15—2、……15—6的另一端再通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)20的一端與陰極兼轟擊電源19相聯(lián)結(jié)，真空鍍膜室中圍繞工件架12的烘烤加熱絲22與烘烤電源16聯(lián)結(jié)，工件架12通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)21與偏壓電源18相聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)21的另一端則與轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)20的另一端聯(lián)結(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的電弧蒸發(fā)和磁控濺射相結(jié)合的離子鍍膜設(shè)備，其特征是其中的兼用靶源14的主要構(gòu)件有磁軛39、陰極34、陰極壓環(huán)38、非導(dǎo)磁墊環(huán)33、屏蔽極32、耐熱絕緣板45、中心導(dǎo)磁桿35、隔水板36、陰極法蘭42、導(dǎo)電片44、水冷筒40、內(nèi)電磁線圈37、外電磁線圈41、冷卻水管43、螺帽46、點(diǎn)弧桿31、以及密封圈47、48、49、50、51、52；磁軛39呈T字形，上部為盤狀(稱為上盤55)，下部為直徑較小的套筒狀(稱為內(nèi)筒54)，上盤55與內(nèi)筒54之間的水平連接部分開(kāi)有通水孔53，磁軛39以其內(nèi)筒54的底面壓在陰極法蘭42上、二者之間有密封圈52；陰極34采用直接水冷，用陰極壓環(huán)38固定在磁軛39的頂面上，陰極34和陰極壓環(huán)38之間墊有非導(dǎo)磁墊環(huán)33，陰極34與磁軛39的頂面之間有密封圈47；陰極壓環(huán)38的頂面有圓環(huán)形的屏蔽極32，該屏蔽極32的內(nèi)圓柱面與陰極34之間留有間隙，與非導(dǎo)磁墊環(huán)33之間有耐熱絕緣板45；中心導(dǎo)磁桿35在陰極34之下穿過(guò)隔水板36和陰極法蘭42，其上段與隔水板36之間有密封圈48，其伸出陰極法蘭42的下段裝有導(dǎo)電片44，中心導(dǎo)磁桿35的下段有螺紋，用螺帽46將磁軛39、水冷筒40、陰極法蘭42和導(dǎo)電片44固定在一起，隔水板36蓋在磁軛內(nèi)筒54的頂端，二者之間有密封圈49；水冷筒40在磁軛上盤55之下，其頂面與上盤55之間有密封圈50，其底面與陰極法蘭42之間有密封圈51大小二只電磁線圈同心套裝，內(nèi)電磁線圈37套在中心導(dǎo)磁桿35之外，位于磁軛內(nèi)筒54之中，外電磁線圈41直接水冷，位于磁軛內(nèi)筒54與水冷筒40之間的空間中；陰極34，隔水板36、磁軛39、水冷筒40和陰極法蘭42之間形成水冷通路，陰極法蘭42上對(duì)應(yīng)于水冷通路的位置裝有進(jìn)出冷卻水的冷卻水管43鄰近磁軛39和水冷筒40的一側(cè)有可作上下移動(dòng)的點(diǎn)弧桿31。
專利摘要本實(shí)用新型屬于薄膜沉積設(shè)備，特點(diǎn)是真空鍍膜室壁上有多只兼用靶源，以轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)與電弧電源、偏壓電源、陰極兼轟擊電源相聯(lián)結(jié)。兼用靶源中用調(diào)節(jié)內(nèi)外兩只電磁線圈的激磁電流實(shí)現(xiàn)真空電弧蒸發(fā)或非平衡磁控濺射兩種運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換控制。以真空電弧蒸發(fā)、源運(yùn)行時(shí)，通過(guò)金屬離子轟擊在工件表面形成高附著力的過(guò)渡層，而后以磁控濺射沉積出無(wú)金屬液滴的硬質(zhì)薄膜，因而兼有兩種靶源運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)。整套設(shè)備制造成本低，操作簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)C23C14/22GK2219306SQ94248238
公開(kāi)日1996年2月7日 申請(qǐng)日期1994年12月26日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月26日
發(fā)明者吳振華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所