一种沉积DLC薄膜的磁控溅射技术和镀膜机

摘要

本发明是在真空镀膜室的周边安装多个旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶，相邻两个靶的磁极性反向排列，镀膜室内形成闭合磁场。多个旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶的靶材成分有金属、化合物等多种，其中包括石墨靶。镀膜室内还配置有小圆形阴极电弧源、柱状阴极电弧源、水冷阳极用于清洗工件。镀膜前用阴极电弧源产生的弧光等离子体中的电子流靶氩气电离，用氩离子流清洗工件。镀膜时先用金属靶材和化合物靶材镀过渡层膜，然后用石墨靶镀DLC膜。本发明适用于在耐磨零件上沉积DLC硬质涂层。提高高端加工产业中基础耐磨零件的寿命。

说明书

技术领域

本发明属于真空镀膜领域。特别涉及一种沉积DLC薄膜的磁控溅射镀膜技术和镀膜机。

背景技术

目前在真空镀膜领域获得的众多薄膜产品中，具有很多优异性能的类金刚石薄膜(英文名：Diamond Like Carbon，简写DLC)在高新技术产品的许多领域得到了广泛的应用。由于DLC具有硬度高和摩擦系数低的特点，近几年，在提高工模具和耐磨零件的性能方面取得了长足的进步。出现了很多沉积 DLC的镀膜技术和镀膜机。

这些镀膜技术和镀膜机包括等离子体化学气相沉积技术(PECVD)、平面非平衡闭合磁场的磁控溅射镀膜技术、一般阴极电弧离子镀膜技术、磁偏转型磁过滤阴极电弧离子镀膜技术、HiPIMS配合平面非平衡磁控溅射镀膜技术等。

荷兰Hauzer公司采用平面非平衡闭合磁场的磁控溅射镀膜技术配合PECVD 技术沉积DLC的技术路线是，先用平面非平衡闭合磁场的磁控溅射靶沉积CrN、 WC等过渡层，然后用PECVD技术沉积DLC。目前国内外还没有全部采用旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶沉积DLC的技术和镀膜机。

发明专利内容

本发明的目的在于，提供一种用于沉积DLC薄膜的磁控溅射技术和镀膜机。其特征是，在镀膜室内的周边安装多个旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶，相邻两个柱状非平衡磁控靶的磁极性呈反向排列，镀膜室内形成闭合磁场。

本发明的特征是，所安装的柱状靶的靶材有金属靶、化合物靶、石墨靶。用金属化合物靶沉积过渡层，最后用石墨靶沉积DLC硬质涂层。

本专利的技术方案是，在镀膜时，先开启安装金属靶或化合物靶材的旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶沉积过渡层，然后开启安装石墨靶材的旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶沉积DLC。本专利的特点是沉积过渡层和DLC膜全部采用安装在镀膜室周边的旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶。这种设置是镀膜室内无论开启那个靶，镀膜室内的磁场始终实现非平衡闭合排布，电磁场始终全方位控制电子做旋轮线运动。与气体，与膜层原子产生碰撞电离几率大，金属膜原子离化率高，有利于提高镀膜室内的等离子体密度，有利于提高膜层质量。

本发明和安装平面非平衡磁控溅射靶相比，旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶结构简单、安装方便，靶材利用率高，不容易产生靶中毒。

本发明和目前采用的旋靶管型柱状平衡磁控溅射靶相比，实现闭合磁场以后，镀膜室内的电子受电磁场作用产生碰撞电离的几率大，等离子体密度高、沉积速率高。所获得最后一层膜是DLC，具有硬度高、摩擦系数低的特性。可以应用于提高工模具、耐磨零件的寿命。对提高我国汽车、机床等高端加工产业产品水平有非常大的意义，可以提高我国在国际上高端加工产业的竞争力。

本发明为了提高所镀膜层与零件基体的结合力，本发明还采用多种型式的“弧光放电氩离子清洗技术”对工件进行有效的清洗。本发明是本人获得授权的实用新型专利在沉积DLC薄膜方面的发展。与本发明相关的实用新型专利号是：ZL 201720302687.3、ZL201720302520.7、ZL 201820436427.5、ZL 201721044882.7。采用这些清洗技术对提高DLC硬质涂层的结合力非常有利。

附图说明

以下结合附图以实施例具体说明

本发明是一种沉积DLC薄膜的新型磁控溅射镀膜技术和镀膜机。镀膜室内安装多个旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶。根据需要多个靶管安装不同的靶材： Cr、WC、Ti、石墨等。还配置有对工件进行清洗的柱状阴极电弧源、小圆形阴极电弧源、水冷阳极等。采用这样的配置可以在零件上沉积具有优异结合力的DLC硬质涂层。

图1是一种沉积DLC薄膜的磁控溅射镀膜机的结构示意图。图2是其纵向剖视图。沿镀膜室周边安装多个旋靶管型柱状非平衡闭合磁场的磁控溅射靶和对工件进行清洗的柱状阴极电弧源、小圆形阴极电弧源、水冷阳极、工件转架。

图1中：1-镀膜室，2-沿镀膜室周边安装的旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶，3-工件转架，4-小圆形阴极电弧源，5-柱状阴极电弧源，6-镀膜室周边水冷阳极，7-镀膜室内装水冷阳极。

具体实施方式

本发明专利旨在提供一种安装包括石墨靶在内的多种靶材的旋靶管型柱状非平衡闭合磁场的磁控溅射镀膜机，用以沉积DLC硬质涂层。

所述磁控溅射靶包括靶管、安装在靶管内的磁控结构和用于组装靶管和磁控结构的靶封头，靶管可进行旋转运动，磁控结构固定不动，组成旋靶管型柱状磁控溅射靶。

所述安装在靶管内的磁控结构为非平衡结构，包括有强磁钢和与强磁钢连接的弱磁体磁极靴；在N-S-N或S-N-S的排布中，磁体材料的磁极性可以是中间强两边弱，也可是中间弱两边强。

所述强磁钢的形状可以是多边形、圆柱形，弱磁材料可以是平板形、圆管形、U形、多边形。

所述镀膜室内安装多个旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶，相邻两个靶管内安装磁控结构的磁极性反向排列在镀膜室内，形成闭合磁场分布。

所述镀膜室内安装多个旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶的靶材是多种成分的，其中含有石墨靶材。

所述镀膜室内安装的弧光放电氩离子清洗源的配置，可以是专利 201720302520.7所述的，在镀膜室中间安装两个互为阴阳极的柱状阴极电弧源的配置，也可以是专利201721044882.7所述的柱状阴极电弧源在镀膜室中间，水冷阳极在镀膜室周边的配置，还可以是专利201820436472.5所述的阴极电弧源在镀膜室壁上，水冷阳极安装在镀膜室内部的配置。

本发明的技术方案是，镀膜前，先用如前所述的弧光放电氩离子清洗源配置中的一种配置对工件进行清洗；利用弧光放电等离子体中的弧光电子流把氩气电离，用高密度的氩离子清洗工件。

本发明的技术方案是，镀膜时，先用金属靶材、化合物靶材沉积一定厚度的过渡层。然后开启石墨靶沉积DLC膜。

所述镀膜机的形式可以是立式、卧式，单机或连续生产线。

所述镀膜室可以是圆形、多边形或加工出耳室形。

所述镀膜机可以配有抽真空系统、进气系统、工件转架系统、加热系统。

所述镀膜机配有磁控溅射电源和工件偏压电源，可以是直流电源，也可以是交变电源。

实施例1，参照附图

附图是一种沉积DLC薄膜的磁控溅射镀膜机的结构示意图。图1是顶视剖面图，图2是纵向剖视图。镀膜室1内安装工件转架3和多个旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶2，相邻两个靶的磁极性反向排列。采用镀膜室中间的两个互为阴阳极的柱状阴极电弧源5对工件进行清洗。工件接偏压电源的负极，镀膜室接正极，开启弧电源以后，两个柱状阴极电弧源之间产生弧光放电，弧光等离子体中的电子流在向阴极运动的过程中把镀膜室内的氩气电离，得到高密度的氩离子在工件负偏压的吸引下轰击清洗工件。工件偏压200V以下，即用低能量高密度的氩离子对工件产生有效的清洗作用。

所述采用本专利的磁控溅射镀膜机沉积DLC的工艺过程中，过渡层可以是 CrN、WC时，参照附图中安装的旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶的数量，安装4 个Cr靶、4个WC靶、4个石墨靶，也可以是不同的数量比例。

所述实施例1的特点是，镀膜前采用【0019】中的第一种弧光放电氩离子清洗配置，开启镀膜室中间安装的两个互为阴阳极的柱状阴极电弧源，接通弧电源以后，两个柱弧源产生弧光放电，弧电流100A以上，利用弧光放电产生的等离子体中的电子流把氩气电离，用高密度的氩离子清洗工件。工件加200V以下偏压就可以实现用低能量高密度的氩离子流清洗工件，可以提高磁控溅射所镀膜层的膜基结合力。

所述实施例1中，在清洗工件后先镀过渡层，对于过渡层是CrN和WC时，开启安装金属Cr的旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶并通入氮气，可以在工件上沉积CrN膜，开启WC靶沉积WC，获得过渡层。

所述实施例1中，在沉积了过渡层最，后开启安装石墨靶的旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶沉积DLC膜。

经过以上工艺过程，可以获得结合力好，表面硬度高、摩擦系数小的DLC 自润滑膜。

实施例2，参照附图

附图是一种沉积DLC薄膜的磁控溅射镀膜机结构示意图。图1是顶视剖面图，图2是纵向剖视图。镀膜室1内安装工件转架3和多个旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶2，相邻两个靶的磁极性反向排列。实施例2的特点是，镀膜前对工件进行清洗时，采用如前所述的第二种弧光放电氩离子清洗配置，即用镀膜室中间的柱状阴极电弧源5和镀膜室周边的水冷阳6之间产生的弧光等离子体中的电子流把氩气电离，用氩离子流清洗工件。

所述的清洗方案和镀膜方案与实施例1相同。

实施例3，参照附图

附图是一种沉积DLC薄膜的磁控溅射镀膜机的结构示意图。图1是顶视剖面图，图2是纵向剖视图。镀膜室1内安装工件转架3和多个旋靶管型柱状非平衡磁控溅射靶2，相邻两个靶的磁极性反向排列。实施例3的特点是，镀膜前对工件进行清洗时，用如前所述的第三种弧光放电氩离子清洗配置，即利用镀膜室壁上安装的小圆形阴极电弧源4和镀膜室中间的水冷阳极7之间产生的弧光等离子体中的电子流把氩气电离，用氩离子流清洗工件。

所述的清洗方案和镀膜方案与实施例1相同。