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霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜方法 【EN】Hall Ion Source excitation magnetron sputtering enhancement magnetism filtration multi-arc ion composite coating method

申请(专利)号:CN200610042978.X国省代码:陕西 61
申请(专利权)人:【中文】西安宇杰表面工程有限公司【EN】Xi'an Yujie Surface Engineering Co., Ltd.
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摘要:
【中文】一种霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜方法,本方法包括以下步骤:抽真空及加热;离子轰击;镀膜。通过该方法突破了传统的技术难题,通过弧电流大小的控制、靶的合理设计及完善的工艺过程实现膜层的高硬度、高致密性,实现并保证薄膜材料与基体良好的结合强度。同时,在薄膜沉积过程后期引入磁控溅射技术,可获得致密完整的高质量薄膜体系,以满足苛刻服役环境下的各种工模具表面处理的工业化需要。因此,该方法具有高效率、强化效果显著的技术优势。 【EN】Paragraph:The invention discloses a making method of magnetic control sputtering reinforced typed magnetic filter multihead ion composite coater excited by Hall source, which comprises the following steps: extracting into vacuum; heating; exciting ion; plating; improving the connecting strength; obtaining the entire and compact film system for industrial need.Image:200610042978.GIF

主权项:
【中文】1、一种霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜方法,包括对反应室内抽真空和工件表面镀膜,其特征是本方法包括以下步骤:——获取真空环境:将待处理工件置入霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜设备的炉体反应室内,对反应室内抽真空至1.0×10-2Pa-5.0×10-4Pa,温度保持在50-100℃;——离子活化清洗:向反应室通入流量为50-100ml/min的氩气,开启脉冲偏压并保持偏压逐渐增大并稳定在900-1000V,控制占空比为30-90%;——过渡膜层预镀:开启磁控靶沉积5-30min纯Ti并施以偏压500-1000V;——工作膜层施镀:开启多弧靶,控制氮气量为100-500ml/min,占空比30-90%,偏压从100-900V,弧电流50-100A,沉积时间为0.5-2h。 【EN】1, a kind of Hall ion source actuated magnetron sputtering enhancing type magnetic filters multi sphere ion composite film coating method, comprises vacuumizing in the reaction chamber and the workpiece surface plated film, it is characterized in that present method may further comprise the steps: ---obtain vacuum environment: pending workpiece is inserted Hall ion source actuated magnetron sputtering enhancing type magnetic filter in the body of heater reaction chamber of multi sphere ion composite coating equipment, to being evacuated to 1.0 * 10 in the reaction chamber Pa-5.0 * 10 Pa, temperature remains on 50-100 ℃; ---ion activation cleans: feeding flow to reaction chamber is the argon gas of 50-100ml/min, and the unbalanced pulse bias voltage also keeps bias voltage to increase gradually and is stabilized in 900-1000V, and the control dutycycle is 30-90%; ---transition rete preplating: open the magnetic controlling target deposition pure Ti of 5-30min and impose bias voltage 500-1000V; ---the plating of work rete: open multiple arc target, the control nitrogen amount is 100-500ml/min, and dutycycle 30-90%, bias voltage are from 100-900V, and arc current 50-100A, depositing time are 0.5-2h.


说明书

霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜方法

技术领域


本发明涉及一种在工模具表面沉积硬质薄膜材料的方法及设备,具体地


讲是一种霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜方法。


背景技术


与CVD(化学气象沉积法)和PCVD(等离子体辅助化学气象沉积法)相


比,PVD(物理气象沉积法)具有沉积温度低(100-500℃)、处理周期短(4-8h)、


薄膜外观质量好等优点,在高速钢刀具表面薄膜制备方面获得广泛应用。PVD


包括磁控溅射和离子镀,1963年Mattox首先提出了离子镀技术,并于1967


年取得了专利,其后,各种离子镀及溅射镀膜技术相继出现。首先将PVD技


术应用于高速钢基体上制备硬质镀层的是日本真空技术公司(U.L.VAC),它


们在1978年采用阴极离子镀(HCD)在滚铣刀表面镀覆了TiN,寿命提高三


倍。其后,欧美各国也相继取得了成功,如德国Legbold-Heraeus公司的磁


控溅射、瑞士Balzers公司的热丝阴极离子镀、美国Mualti-Arc公司的多


弧离子镀等相继进入市场。近年来,为进一步提高离化率,增加膜与基体的


结合力,英国Teer公司采用非平衡磁控溅射技术,取得了显著效果。


但目前各种单一功能的PVD法仍存在一些技术问题,如磁控溅射沉积速


率和膜基结合强度低;多弧离子镀沉积过程形成的液滴使得薄膜疏松、质量


降低。因此,对苛刻服役环境下的各种工模具表面处理,急待寻找更为有效


的复合强化方法。


发明内容


本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷或不足,提出一种可获


得致密度完整的高质量镀膜的霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子


复合镀膜方法。


实现上述任务的技术解决方案是:


——获取真空环境:将待处理工件置入霍尔源激励磁控溅射增强型磁


过滤多弧离子复合镀膜设备的炉体反应室内,对反应室内抽真空至1.0×


10-2Pa-5.0×10-1Pa,温度保持在50-100℃;


——离子活化清洗:向反应室通入流量为50-100ml/min的氩气,开


启脉冲偏压并保持偏压逐渐增大并稳定在900-1000V,控制占空比为30


-90%;


——过渡膜层预镀:开启磁控靶沉积5-30min纯Ti并施以偏压


500-1000V;


——工作膜层施镀:开启多弧靶,控制氮气量为100-500ml/m


in,占空比30-90%,偏压从100-900V,弧电流50-100A,沉积时


间为0.5-2h。


本发明的进一步技术解决方案是:


抽真空及加热步骤中加热温度保持在300℃。


氩离子轰击步骤中氩气流量为120ml/min,占空比为70%。


镀膜步骤中弧电流为75A,沉积时间为1.5h。


本发明的方法借助霍尔源激励技术大幅提高反应过程的离化率,通过磁


过滤系统实现偏压可调机械过滤,突破传统多弧离子沉积薄膜过程中形成的


液滴技术难题以及解决次此难题而造成的沉积速率过低等工业生产难题,通


过弧流大小的控制、靶的合理设计及多重工艺复合实现膜层的高硬度、高韧


性、高致密性及良好的结合强度。在薄膜沉积前后期引入的磁控溅射技术,


可为获得高质量薄膜提供辅助支撑,特别是可以满足苛刻服役环境下某些特


殊工模具表面处理的工业化需要。该发明方法具有高效率、强化效果显著的


技术优势。这种复合技术在现有镀膜方法中未见报道。


附图说明


附图1是本发明采用的霍尔源激励磁控溅射增强磁过滤多弧离子复合镀


膜设备的立体结构总图。


其中标号分别表示:1、炉体反应室;2、真空系统;3、供气系统;4、


电源系统;5、工件传动系统;6、加热系统;


附图2是本发明设备的俯视截面图。


其中标号分别表示:7、观察窗;8、溅射靶;9、多弧靶;10、工件盘;


11、霍尔离子源;12、工件;13、磁过滤系统。


具体实施方式


图1是本发明采用的霍尔源激励磁控溅射增强磁过滤多弧离子复合镀膜


设备的立体结构总图。该设备是一个前开门的立式结构,主要由炉体真空系


统2、供气系统3、电源系统4、加热系统6组成。真空系统2通过管道与炉


体反应室1的后端相连接,并对其抽真空。本设备的极限真空为5×10-4Pa,


系统升压率小于0.5Pa/h,配备有抽速调节器对抽气速率进行调节。


附图2是本发明设备的俯视截面图。炉体上均布有八套多弧靶9,靶面


前端配置磁过滤系统13,靶材采用φ80圆靶(合金靶或金属靶)内水冷结构,


并与直流电源4-1相连,依靠电子引弧装置起弧,靶流可调范围40-100A。


前门内壁装有两个矩形磁控溅射靶8,并与一套40KW的中频交流电源4-2


相连。为提高反应气体的离化率和沉积薄膜的结合强度,改善薄膜质量,该


装置上配备三套圆形霍尔离子源11。由炉体界定的为反应室1,炉体为阳极


且接地,炉体内有均匀分布的棒状加热器6,为待处理工件12加热。工件


12放置在由传动系统5驱动的可以公转和自转的工件盘10上,工件盘与偏


压系统的电源4-3相连,在阴阳两极之间借助40kW、偏压大于1200V的单极


脉冲偏压,激发辉光放电,建立等离子体场,并对放电物理参数进行调节与


控制。通过观察窗7可以监测炉内反应情况。


供气系统3由三路质量流量计、混气罐和高真空截止阀组成。分别控制、


N2、Ar、CH4的流量,系统中所有流量开关均由电磁阀控制。在气体进入反应


室1之前,所有气体先进入混气罐充分混合均匀。工作气体由专用通气管进


入反应室1内,通气管根据反应室和工件的大小可布置在反应室的中心处,


也可布置在反应室的周边处,或二者兼而有之,且与气体供给系统3连通,


进行气体的定量供给。


利用上述霍尔源激励磁控溅射增强磁过滤多弧离子复合镀膜设备可制


备TiN、TiC、(Ti,Si)N、(Ti,Si)C、(Ti,Si)CN、Ti(CN)、(Ti,Al)N等硬


质薄膜材料,其沉积速率每小时2.0μm到4.0μm,薄膜微观组织致密、晶粒


细小,表面均匀、具金属光泽,膜基结合力强,并具有很好的耐腐蚀性。


以下主要以制备TiN硬质薄膜为例,进一步阐述本发明的工作原理。这


里需要说明的是,该实施例只是发明人给出的具体实施例,但并不限于这些


实例,本领域的人员根据该实施例的原理,无需花费创造性劳动,很容易实


现用于制备本说明书以外的其他的硬质薄膜材料,也当属于本发明的保护范


围。


实施例1:制备TiN硬质薄膜


1、将待处理工件12置入霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子


镀膜设备的炉体反应室1内,打开真空系统2抽真空至6.0×10-3Pa,开启加


热系统6,加热至250℃并一直保持稳定至镀膜结束


2、加热保温30min后,打开气体供给系统3中的Ar,保持Ar流量为


100ml/min,偏压逐渐增大并稳定在900V,占空比50%。借助设备中的偏压


电源系统4-3产生的等离子体场中的高能离子轰击工件表面30分钟,使待


处理工件表面12得到清洁及活化处理;


3、氩离子轰击完毕后重新开启真空系统2中的细抽系统调压至


6.0×10-3Pa;调压完毕后,调节偏压至900V,占空比50%,开启弧电源4-1


调节弧电流至75A,保持细抽系统为工作状态并开启磁过滤系统13,然后开


启磁控靶8镀纯钛15分钟;


4、关闭磁控靶,开启多弧靶,N2量300ml/min,占空比80%,偏压250V,


弧流75A。在此过程中由多弧直流电源4-1和磁控溅射中频交流电源4-2分


别为多弧靶9和溅射靶8提供24V和200V的放电电压,由磁过滤系统13过


滤多弧靶产生的液滴,由霍尔源11提供高离化率的反应气体离子,此时高


能电子与气体分子碰撞离化产生辉光放电,形成具有化学活性的Ti+、N-


子和自由基,这些离子和自由基在工件12表面发生反应沉积成TiN薄膜。


5、沉积一定时间后,首先关闭电源系统4和加热系统6,接着关闭气


体供给系统3,最后停止真空系统2工作,结束镀膜处理,并对炉体内充入


适量的N2保护性气氛,使炉体气压达到102Pa,逐渐冷却至100℃以下出炉。


实施例2:制备TiC硬质薄膜


1、将待处理工件12置入霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子


镀膜设备的炉体反应室1内,打开真空系统2抽真空至6.0×10-3Pa,开启加


热系统6,加热至350℃并一直保持稳定至镀膜结束;


2、加热保温30min后,打开气体供给系统3中的Ar,保持Ar流量为


80ml/min,偏压逐渐增大并稳定在1200V,占空比30%。借助设备中的偏压


电源系统4-3产生的等离子体场中的高能离子轰击工件表面50分钟,使待


处理工件表面12得到清洁及活化处理;


3、氩离子轰击完毕后重新开启真空系统2中的细抽系统调压至


6.0×10-3Pa;调压完毕后,调节偏压至800V,占空比60%,开启弧电源4-1


调节弧电流至70A,保持细抽系统为工作状态并开启磁过滤系统13,然后开


启磁控靶8镀纯钛15分钟;


4、关闭磁控靶,开启多弧靶,CH4量250ml/min,占空70%,偏压200V,


弧流70A。在此过程中由多弧直流电源4-1和磁控溅射中频交流电源4-2分


别为多弧靶9和溅射靶8提供24V和200V的放电电压,由磁过滤系统13过


滤多弧靶产生的液滴,由霍尔源11提供高离化率的反应气体离子,此时高


能电子与气体分子碰撞离化产生辉光放电,形成具有化学活性的Ti+、C-


子和自由基,这些离子和自由基在工件12表面发生反应沉积成TiN薄膜。


5、沉积一定时间后,首先关闭电源系统4和加热系统6,接着关闭气


体供给系统3,最后停止真空系统2工作,结束镀膜处理,并对炉体内充入


适量的N2保护性气氛,使炉体气压达到102Pa,逐渐冷却至100℃以下出炉。


实施例3:制备Ti(CN)硬质薄膜


1、将待处理工件12置入霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子


镀膜设备的炉体反应室1内,打开真空系统2抽真空至6.0×10-3Pa,开启加


热系统6,加热至300℃并一直保持稳定至镀膜结束


2、加热保温30min后,打开气体供给系统3中的Ar,保持Ar流量为


50ml/min,偏压逐渐增大并稳定在1100V,占空比35%。借助设备中的偏压


电源系统4-3产生的等离子体场中的高能离子轰击工件表面40分钟,使待


处理工件表面12得到清洁及活化处理;


3、氩离子轰击完毕后重新开启真空系统2中的细抽系统调压至


6.0×10-3Pa;调压完毕后,调节偏压至700V,占空比70%,开启弧电源4-1


调节弧电流至65A,保持细抽系统为工作状态并开启磁过滤系统13,然后开


启磁控靶8镀纯钛15分钟;


4、关闭磁控靶,开启多弧靶,N2量100ml/min、CH4量100ml/min,


占空75%,偏压100V,弧流65A。在此过程中由多弧直流电源4-1和磁控溅


射中频交流电源4-2分别为多弧靶9和溅射靶8提供24V和200V的放电电


压,由磁过滤系统13过滤多弧靶产生的液滴,由霍尔源11提供高离化率的


反应气体离子,此时高能电子与气体分子碰撞离化产生辉光放电,形成具有


化学活性的Ti+、N-、C-离子和自由基,这些离子和自由基在工件12表面发

...

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图1
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