[发明专利]一种中空阴极溅射离子镀装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种中空阴极溅射离子镀装置，属于薄膜技术领域。

背景技术

表面镀膜技术广泛应用在航空航天、机械、电子、化工、五金等各个行业。通过表面涂层处理，提高零部件的表面耐腐蚀、耐磨等性能，此外还可以改变表面的颜色提高工件的表面装饰效果，在各种日常用品上都获得了广泛的应用。目前常规表面涂层大都采用廉价的电镀，由于镀膜过程中会产生大量的有毒物质，如电镀铬过程中所排放的废水含有多种重金属，尤其是致癌的六价铬严重污染周边环境。随着对环保问题的日益重视，发达国家已经全面禁止水镀技术如电镀铬等的使用，全部转包到包括中国在内的发展中国家，对环境造成了严重的污染。针对日益严重的环境问题，国家采取了更加严格的环境政策。将导致众多电镀企业关闭。

用无污染的物理气相沉积技术(Physical Vapor Deposition：简称PVD)涂层技术来代替传统的电镀涂层是近年来发展的趋势，国内外不少研究机构进行了许多有益的尝试，包括电子束蒸法、离子束溅射、阴极电弧沉积以及磁控溅射等。其中磁控溅射方法具有制备温度较低，可以在各种基体材料(如钢铁、有色金属、塑料等)上进行制备等特点，获得了广泛的关注。磁控溅射就是在靶面加上跑道磁场以控制电子的运动，延长其在靶面附近的行程，以提高等离子体密度，因而溅射镀膜速率大为提高。磁控溅射有圆柱、圆筒和平面磁控溅射阴极，目前工业上主要应用的是Chapin于1974年发明的平面磁控溅射阴极。磁控溅射之所以成为溅射技术主流是因为其镀膜速率在各种溅射技术中是最高的。

磁控溅射设备结构简单，基片温升低，是一种低温沉积工艺，使磁控溅射得到广泛应用，但靶面溅射不均匀导致靶材利用率低是其固有的缺点。一般磁控靶的靶材利用率小于20％，经过特殊处理磁场的磁控溅射靶的靶材利用率可以达到40-50％左右。要想使靶材利用率进一步提高，仍然是相当困难的。

此外，现有的电镀产品中，许多产品要求涂层在80-100微米，为了达到替代的要求，PVD涂层的生长速率必须在10微米/小时以上，现有的常规磁控溅射涂层设备由于沉积速率较低，基本无法满足厚涂层的要求。为此，根据多年涂层经验，本发明改进了常规磁控溅射技术，提出了全新的中空阴极磁控溅射技术，同时将大功率柱形电弧靶引入到设备中作为强离化源，构建快速磁控溅射镀膜沉积系统，满足工业生产要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中空阴极快速溅射离子镀装置，该装置具有较好的离子镀效果和镀厚膜能力。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种中空阴极磁控溅射离子镀装置，包括真空室，真空室设有抽真空口，真空室内设有阴极电弧靶和工件架，所述真空室为空心圆柱形且与地绝缘，真空室内壁装上靶材，与溅射电源负极连接，形成中空阴极溅射靶；真空室中心设有柱状电弧靶，工件架位于圆柱形中空阴极电弧靶和柱状电弧靶所围成的区域。

上述中空阴极溅射靶为整体结构或者拼装靶。

上述柱状电弧靶的电弧运动通过靶中心磁铁产生的垂直靶面的磁场进行控制。

上述真空室外设有可绕真空室转动的磁铁架，磁铁架上固定有磁铁，相邻磁铁的磁场极性相反，磁场穿过真空室壁到达中空阴极靶的表面，磁场在靶面上构成闭合场，延长电子在靶面运动的距离，提高靶面的等离子体密度。

上述中空阴极磁控溅射靶靶材为Cr、Ti或Zr，靶材厚度为5-20mm，中空阴极靶直径为300～1200mm，高度为300～1500，靶个数为一个。

上述中空阴极溅射靶的结构电流可以加到200A，大幅度提高靶面功率密度而增强靶前的等离子体密度，而常规的磁控靶则只能在30A以下工作。

上述炉壁上中空阴极磁控靶和中心旋转电弧靶之间的区域为离子镀沉积区。

本发明由于采用上述结构，使得炉壁上中空阴极磁控靶和中心大功率旋转电弧靶工作时运行稳定。等离子体分布均匀，从而提高镀膜效率和离子镀效果，降低镀膜成本，提高涂层均匀性，使得镀膜过程更易于控制。

附图说明

图1为本发明中所采用的镀膜系统示意图；

图2为本发明中闭合场的示意图；

图3为本发明制得的CrN厚涂层表面形貌图；

图4为本发明在不同时间条件下制备的CrN涂层截面扫描电镜形貌图；

具体实施方式