用于PBIID批量生产的工件架、装置及生产方法

摘要

本申请公开了一种用于PBIID批量生产的工件架、装置及生产方法。本申请的用于等离子体基离子注入与沉积批量生产的工件架，包括用于放置工件的架体，以及罩设于架体外的网状导电栅，网状导电栅与架体之间绝缘。本申请的工件架，在架体外罩设网状导电栅，负高压不连接在架体和工件上，而是连接在网状导电栅上，实现离子加速，避免了高压电源输出总功率对处理工件数量的限制，杜绝了工件打火问题；同时，也不存在因工件之间的距离太近造成等离子体鞘层重叠，影响离子加速过程的问题。本申请的工件架，解决了等离子体基离子注入与沉积产业化过程中的三个重要技术问题，特别适合于大规模的批量工件镀膜生产。

权利要求

1.一种等离子体基离子注入与沉积装置，包括高压电源、等离子体源、真空室、真空泵系统、放置工件的架体和网状导电栅；

所述真空泵系统与真空室连接，用于对真空室进行抽真空；

所述等离子体源和放置工件的架体都安装于所述真空室内；

所述网状导电栅同样安装于真空室内，网状导电栅将等离子体源和放置工件的架体隔开，且网状导电栅罩设于架体外，网状导电栅与架体之间绝缘；

所述高压电源不连接放置工件的架体，直接与所述网状导电栅电连接。

2.根据权利要求1所述的等离子体基离子注入与沉积装置，其特征在于：所述网状导电栅与所述架体活动连接，架体转动时，网状导电栅可以随架体转动或固定不动。

3.根据权利要求1所述的等离子体基离子注入与沉积装置，其特征在于：所述网状导电栅的网孔大小为平均孔径10μm-5mm。

4.一种等离子体基离子注入与沉积批量处理工件的方法，其特征在于：包括在等离子体源与放置工件的架体之间设置一个网状导电栅，网状导电栅将架体围在中间，架体不连接电源，网状导电栅极连接电源，通电后在网状导电栅围成的空间内形成等势区或近似等势区，利用网状导电栅对离子加速，离子穿过网状导电栅，进入等势区或近似等势区后匀速运动，注入或沉积到置于架体上的工件上。

说明书

用于PBIID批量生产的工件架、装置及生产方法

技术领域

[0001] 本申请涉及基于等离子体基离子注入与沉积技术的表面处理领域，特别是涉及一种用于等离子体基离子注入与沉积的批量生产的工件架，用于等离子体基离子注入与沉积
批量生产的装置，以及等离子体基离子注入与沉积的批量生产方法。

背景技术

[0002] 涂层技术目前已经广泛的应用于工具、模具、机械防护等工业工程领域，以及手机、手表、照明等日常生活中，体现出巨大的市场价值。随着涂层材料的发展，涂层的性能越来越强，但与基体材料的差异也越来越大，这就使得涂层与基体之间的结合力受到更加严
峻的挑战。等离子体基离子注入与沉积技术(Plasma Based Ion Implantation and 
Deposition，缩写PBIID)结合了离子注入技术产生的注入效应和离子镀技术可制备较厚涂
层的特点，其沉积的涂层与基体之间形成成分的梯度过渡，大大提高了膜基结合力。因此在大载荷应用领域，比如高速重载切削刀具、冲压模具、承力轴承等方面，获得了广泛关注。

[0003] PBIID技术一般使用金属蒸发弧离子源提供金属离子，俗称MeVVA，最早由美国伯克利劳伦兹国家实验室的I.G.Brown于1982年提出。随后，发展为脉冲阴极弧金属等离子体源，由于阴极弧产生大量的电弧热，形成金属液滴，因此一般需要磁过滤技术。但是过滤管又造成沉积效率大大降低，“液滴”和效率形成一对不可调和的矛盾。之后也有一些研究者开发基于蒸发镀膜和磁控溅射放电的金属离子源，由于常规蒸发镀膜和磁控溅射技术获得
的均为金属原子，所以需要增加额外的离化装置，虽然可以实现一定原子的离化，但是效率不高，同时附加的装置还会在镀膜过程中形成“阴影效应”等。随着磁控溅射技术的发展，
1999年V.Kouznetsov等人提出了高功率脉冲磁控溅射技术(缩写HPPMS)，采用较高的峰值
功率将磁控溅射技术的离化率提高到60％-90％，离化率根据靶材料不同而不同，且这个高离化率的粒子束流中不含“液滴”。鉴于其高的金属材料离化率，本申请的申请人之前提出了基于HPPMS的离子注入与沉积技术，专利申请公开号：CN101838795A，公开日期：2010年09月22日，并将其应用于各种高结合力要求的应用中。

[0004] 除了金属离子以外，气体离子也是进行PBIID镀膜主要元素，比如C、N、O、Si、B等，都可以通过气体电离引入，从而对待处理工件进行等离子体离子注入与沉积。气体电离的方式多种多样，比如电感耦合放电、电容耦合放电、微波放电、直流放电、脉冲放电等等，只要可以使气体电离，都可以用于PBIID技术进行材料表面处理。

[0005] 采用PBIID技术进行涂层沉积时，一般需要在工件上施加负高压，从而使离子加速，进而注入与沉积到工件表面形成镀层，强烈的离子注入效应和轰击效应保证了涂层与
基体之间较强的结合。

[0006] 但是，在其产业化过程中，却遇到较大的困难。其一，由于目前可研制出的负高压电源的总输出功率是有限的，在施加到工件上的电压值较高时，其可允许的总电流将会大大降低，而其电流又与待处理工件的总表面积呈正比，电流降低生产效率会受到影响；也就是说，由于高压电源的输出功率是一定的，在保障负高压的同时，高压电源输出电流是一定的，由于电流与待处理工件的总表面积成正比，这就限制了每批次处理的工件的数量，造成效率难以提高，即每批次处理的工件数量就受到电源总输出的限制。其二，当工件上施加负高压后，如果工件两两之间的距离较近时，其等离子体鞘层将重叠，影响离子的加速过程，这也会影响每批次加工工件数量。其三，当工件上施加负高压后，对工件镀膜的前处理要求很高，不然会出现严重的打火，一旦打火，工件镀膜质量将受到破坏，从而使成品率大大降低。

发明内容

[0007] 本申请的目的是提供一种改进的，专门用于等离子体基离子注入与沉积的批量生产镀膜工件的工件架，及采用该工件架的等离子体基离子注入与沉积装置，以及等离子体
基离子注入与沉积批量生产的方法。

[0008] 本申请采用了以下技术方案：

[0009] 本申请的一方面公开了一种用于等离子体基离子注入与沉积批量生产的工件架，工件架包括用于放置工件的架体，以及罩设于架体外的网状导电栅，网状导电栅与架体之
间绝缘。

[0010] 需要说明的是，本申请的工件架在使用时，等离子体基离子注入与沉积中，原本连接架体的高压电源不再连接架体，而是连接网状导电栅，网状导电栅连接高压电源后在其内部形成等势区或近似等势区，网状导电栅对离子进行加速，离子加速穿过网状导电栅的
网孔后匀速运动，注入或沉积到置于架体上的工件上。采用本申请的工件架，输出的总电流取决于网状导电栅的总表面积，而与批量处理的工件的数量或工件的总表面积无关，因此，在网状导电栅罩设的范围内可以处理多件工件，不用担心工件数量太多而导致输出电流下
降，进而影响生产质量和生产效率。

[0011] 并且，也完全避免了工件两两之间的距离太近，其等离子体鞘层重叠，影响离子加速过程的问题。此外，采用本申请的工件架，负高压直接施加于网状导电栅上，不需要在工件上施加负高电压，因此，对工件镀膜的前处理的要求不用太高，不会出现工件打火现象，也杜绝了因工件打火造成的镀膜质量受损，成品率降低的问题。

[0012] 需要补充说明的是，现有技术中，工件打火的原因是，工件表面因前处理不善，存在绝缘区，例如细微的灰尘，在工件连接负高压时灰尘覆盖区域就会产生电弧，即打火，影响镀膜质量，严重的甚至对工件造成损坏；采用本申请的工件架，由于负高压不是直接施加到工件上，而是施加到网状导电栅上，因此，工件完全没有打火的风险；而网状导电栅是长期置于真空室内的，也很少会出现灰尘污染的问题，造成打火。

[0013] 还需要说明的是，本申请的工件架，其网状导电栅的作用是将架体与等离子体源隔开，在网状导电栅极内部形成一个等势区或近似等势区，因此，网状导电栅罩设于架体
外，不一定是完全围闭的，只要能使待处理工件全部处于等势区内，使得离子穿过网状栅极后不返回即可，例如可以是沿着架体水平的围一圈，围成类似两头开口的圆柱体形，当然也可以是直接将架体完全围起来，围成一个球形或半球形；又或者，根据架体的形状围成各种不规则的形状，在此不做具体限定。

[0014] 还需要说明的是，本申请的网状导电栅就是导电材料所制成，即在施加负高压后能够在其内部形成等势区或近似等势区，具体可以采用不锈钢、Cu、Al、V、Ti、Cr、Mn、Ni、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au、Fe、Ni、Co、V、Ru、Rh、Pb、C、稀土等单质或它们的合金，在此不做具体限定。

[0015] 还需要说明的是，本申请的网状导电栅其目的是代替工件施加负高压对离子进行加速，并在其内部形成等势区或近似等势区，离子穿过其网孔继续匀速前进；至于网孔的大小或形状，只要能够保障网状导电栅施加负高压后，待处理工件全部处于等势区或近似等
势区内，并且能够容许离子穿过网孔即可，网孔的形状可以是圆形、方形、三角形、多边形或其它各种不规则形状，在此不做具体限定。

[0016] 优选的，网状导电栅与架体活动连接，架体转动时，网状导电栅可以随架体转动或固定不动。

[0017] 优选的，网状导电栅的网孔大小为平均孔径10μm-5mm。

[0018] 需要说明的是，网状导电栅的网孔大小必须满足两个条件，第一，网状导电栅施加负高压后能使待处理工件全部处于其构成的等势区或近似等势区内，并尽量保持离子运动方向，因此，网孔不能太大；第二，网孔能够允许离子顺利通过，而不会造成离子较大损失，因此，网孔不能太小；本申请的优选方案中采用平均孔径10μm-5mm的网状导电栅。可以理解，网状导电栅施加负高压后形成近似等势区也可以达到本申请的目的，因此，在近似等势区的要求不太严格的情况下，也可以采用更大网孔的网状导电栅。

[0019] 本申请的另一面公开了一种采用本申请的工件架的等离子体基离子注入与沉积装置。

[0020] 本申请的再一面公开了一种等离子体基离子注入与沉积装置，包括高压电源、等离子体源、真空室、真空泵系统、放置工件的架体和网状导电栅；真空泵系统与真空室连接，用于对真空室进行抽真空；等离子体源和放置工件的架体都安装于真空室内；网状导电栅
同样安装于真空室内，网状导电栅将等离子体源和放置工件的架体隔开，且网状导电栅罩
设于架体外，网状导电栅与架体之间绝缘；高压电源不连接放置工件的架体，直接与网状导电栅电连接。

[0021] 需要说明的是，本申请的等离子体基离子注入与沉积装置中，其架体和网状导电栅的作用实际上就相当于本申请的工件架；只是在等离子体基离子注入与沉积装置架体和
网状导电栅不一定要组成一个整体；实际上，网状导电栅只要能将等离子体源和架体隔开，并且与架体之间没有电连接，在施加负高压后能够在其内部形成等势区或近似等势区即
可。基于这样的思路，网状导电栅完全可以独立的设置于真空室中，或者与等离子体源形成组合；在此不做具体限定。

[0022] 还需要说明的是，本申请的等离子体基离子注入与沉积装置，除了在架体外增加罩设一个网状导电栅，负高压施加于网状导电栅，而非架体或工件上，除此以外，其它的组件都与现有的等离子体基离子注入与沉积装置相同，在此不累述。

[0023] 本申请的再一面公开了一种等离子体基离子注入与沉积批量处理工件的方法，包括在等离子体源与放置工件的架体之间设置一个网状导电栅，网状导电栅将架体围在中
间，架体不连接电源，网状导电栅极连接电源，通电后在网状导电栅围成的空间内形成等势区或近似等势区，利用网状导电栅对离子加速，离子穿过网状导电栅，进入等势区或近似等势区后匀速运动，注入或沉积到置于架体上的工件上。

[0024] 本申请的有益效果在于：

[0025] 本申请的工件架，专门针对工业生产中等离子体基离子注入与沉积批量化工件镀膜而设计，由于在架体外面罩设了一个网状导电栅，等离子体基离子注入与沉积的负高压
不直接连接在架体和工件上，而是连接在网状导电栅上，通过网状导电栅对离子加速，并在网状导电栅内部形成等势区或近似等势区，离子在等势区或近似等势区内匀速运动，注入
或沉积在工件上，避免了高压电源总功率对待处理工件数量的限制，进而影响生产效率和
质量的问题。由于负高压不是施加在工件上，也杜绝了工件打火的问题；同时，也不存在工件两两之间的距离太近造成等离子体鞘层重叠，影响离子加速过程的问题。本申请的工件
架，解决了等离子体基离子注入与沉积产业化过程中的三个重要技术问题，特别适合于大
规模的批量工件镀膜生产。

附图说明

[0026] 图1是本申请实施例中等离子体基离子注入与沉积装置的一种结构示意图，其中，1为架体、2为待处理工件、3为网状导电栅、4为等离子体源、5为高压电源、6为绝缘套、7为真空室；

[0027] 图2是本申请实施例中等离子体基离子注入与沉积装置的另一种结构示意图，其中，21为架体、22为待处理工件、23为网状导电栅、24为等离子体源、25为高压电源、26为绝缘材料、27为真空室。

具体实施方式

[0028] 现有的等离子体基离子注入与沉积，都是直接在工件上施加负电压，即将工件架的架体连接电压，这种方式在产业化生产中容易出现，(1)高压电源总功率限制了待处理工件数量，进而影响生产效率和质量的问题；(2)工件两两之间的距离较近时，其等离子体鞘层会重叠，影响离子的加速过程，而在生产空间有限的情况下，严重影响批次加工工件数
量；(3)工件镀膜前处理要求高，且工件容易打火。本申请的工件架，在架体外罩设一个网状导电栅，使用时，负电压不施加到工件上，而是施加到网状导电栅，实现离子加速，并在其内部形成一个等势区或近似等势区，离子穿过网孔后在等势区或近似等势区内继续前进注入
或沉积到工件上，完全避免了直接在工件上施加负高压所存在的问题。可以理解，本申请的网状导电栅，其表面积，肯定比其罩设内的所有工件的总表面积小，这意味着，采用本申请的工件架，每批次处理的工件数量会增加；并且，工件数量的增加不会增加电源负担；此外，由于没有等离子体鞘层重叠的顾虑，在相同的空间内，本申请的工件架所允许的工件数量
也比改进前更多。

[0029] 需要说明的是，等势区或近似等势区的作用是离子通过网状栅极后继续前进而不返回，可以理解，完全的等势区是一种比较理想的状态，这对网状导电栅的质量要求很高；
但是仅仅是从离子运动考虑的话，只要网状导电栅能使所有待处理工件处于等势区内即
可。

[0030] 下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

[0031] 实施例一

[0032] 本例的等离子体基离子注入与沉积装置和工件架如图1所示，工件架由架体1和网状导电栅3组成，网状导电栅3罩设于架体1外，网状导电栅3与架体1之间通过绝缘套6连接，且网状导电栅3与架体1活动连接，架体1能转动，且架体1转动时，网状导电栅3固定不动；其中绝缘套6为陶瓷或聚四氟乙烯制备的绝缘套，具有良好的绝缘效果，本例具体采用的是陶瓷绝缘套。本例中，网状导电栅3为导电不锈钢网，网孔呈圆形，孔径为2mm。

[0033] 等离子体基离子注入与沉积装置主要由工件架、挂于工件架上的待处理工件2、等离子体源4、高压电源5和真空室7组成。工件架和等离子体源4都安装于真空室7内，网状导电栅3将架体1与等离子体源4隔开，高压电源5与网状导电栅3电连接，架体1和待处理工件2都不连接电源。其余部件，如真空泵系统等与常规的等离子体基离子注入与沉积装置相同，在此不累述。

[0034] 本例中，等离子体基离子注入与沉积的离子产生方法为磁过滤的脉冲阴极弧金属等离子体源，离子加速的负高压电压为10kV，使用时，负高压施加在网状导电栅3上，对等离子体源4激发的离子束进行加速，在其内部形成近似等势区，离子加速通过网状导电栅3的
网孔后，以匀速注入或沉积到挂在架体1上的待处理工件2上；整个过程中，架体1都是旋转的，以保障镀膜均匀。在更优选的实现方式中，架体1上的每个待处理工件都是上下左右360度旋转的，这样可以保障工件的各个部位都镀膜均匀。

[0035] 本例的等离子体基离子注入与沉积装置由于负高压不是直接施加到工件上，因此，在负高压固定的情况下，输出总功率不会限制工件数量的增加，因此，只要在网状导电栅3罩设的范围内可以最大限度的增加工件数量，从而增加了每批次的处理量。并且，由于工件上没有施加负高压，离子的加速是通过网状导电栅3完成的，因此，也完全不用担心工件布置得太近影响离子的加速。此外，本例的等离子体基离子注入与沉积装置不仅增加了
每批次工件的处理数量，而且，由于负高压没有施加在工件上，也完全避免了工件的打火现象。

[0036] 实施例二

[0037] 本例的等离子体基离子注入与沉积装置如图2所示，等离子体基离子注入与沉积装置主要由放置工件的架体21、挂于工件架上的待处理工件22、网状导电栅23、等离子体源
24、高压电源25和真空室27组成。工件架21和等离子体源24都安装于真空室27内，网状导电栅23同样安装于真空室27内，网状导电栅23将等离子体源24和放置工件的架体21隔开，且
网状导电栅23罩设于架体21外，网状导电栅23与架体21之间绝缘，高压电源25与网状导电
栅23电连接，架体21和待处理工件22都不连接电源。网状导电栅23通过聚四氟乙烯绝缘材
料26安放真空室底上；架体21能转动，且架体21转动时，网状导电栅23固定不动。其余与实施例一相同。

[0038] 本例采用的等离子体基离子注入与沉积的离子产生方法与实施例一相同，使用时，负高压施加在网状导电栅23上，对等离子体源24激发的离子束进行加速，并在其内部形成近似等势区，离子加速通过网状导电栅23的网孔，以匀速注入与沉积到挂在架体21上的
待处理工件22上；整个过程中，架体21都是旋转的，以保障镀膜均匀。在更优选的实现方式中，架体21上的每个待处理工件都是上下左右360度旋转的，这样可以保障工件的各个部位都镀膜均匀。

[0039] 本例的等离子体基离子注入与沉积装置与实施例一相同，由于负高压不是直接施加到工件上，输出电流不会随着工件的数量增加而减小，从而增加了每批次的处理量；并且也完全不用担心工件布置得太近影响离子的加速；此外，由于负高压没有施加在工件上，也完全避免了工件的打火现象。

[0040] 实施例三

[0041] 本例采用与实施例一相同的工件架和等离子体基离子注入与沉积装置，只是离子的产生方法不同，本例分别采用了直流放电、脉冲放电、射频放电、中频放电、微波放电五种方式产生离子，其他与具体实施例一相同。

[0042] 结果显示，无论采用那种离子产生方法，只要采用实施例一相同的工件架，都能获得与实施例一相同的技术效果，即高压电源总输出功率不会限制工件的数量，增加了每批次的处理量，完全不用担心工件布置得太近影响离子的加速，也完全避免了工件的打火现
象。

[0043] 实施例四

[0044] 本例采用与实施例一相同的工件架和等离子体基离子注入与沉积装置，只是对施加到网状导电栅上的负高压从1kV～800kV进行了测试，其余与实施例一相同。

[0045] 结果显示，施加到网状导电栅上的负高压从1kV～800kV都能够满足镀膜需求，随着负高压的增强，离子能量越来越高，离子注入效果越明显，制备涂层的结合力越好；而低于1kV，离子能量低，不能形成有效的注入，涂层结合较差，亦无法称为等离子体基离子注入与沉积。

[0046] 实施例五

[0047] 本例在实施例一的基础上，对网状导电栅的网孔形状进行了试验，本例采用与实施例一相同结构的工件架和等离子体基离子注入与沉积装置，所不同的仅仅是，分别采用
了网孔形状为方形、三角形、多边形的不锈钢网，三种孔型的网，其网孔的最大孔径都为
2mm；其余与实施例一相同。

[0048] 结果显示，网孔的形状对离子加速没有影响，三种形状网孔的不锈钢网都能够满足镀膜需求。

[0049] 实施例六

[0050] 本例在实施例一的基础上，对网状导电栅的网孔大小进行了试验，本例采用与实施例一相同结构的工件架和等离子体基离子注入与沉积装置，所不同的仅仅是，分别采用
了网孔大小为5μm、10μm、100μm、1mm、3mm、5mm、6mm的不锈钢网进行试验；其余与实施例一相同。

[0051] 结果显示，网孔的大小对离子的加速有重要影响，在10μm-5mm能够满足使用需求；网孔太小，如5μm或更小，加工受到限制，同时影响通过网孔的离子比例；网孔太大，影响其内部等势区的完整性，导致离子在加速过程中运动方向受到网状导电栅的影响而改变，使
得离子无法通过网孔或在镀膜区域离子分布不均匀。

[0052] 实施例七

[0053] 本例在实施例一的基础上，对网状导电栅的具体材质进行了试验，本例采用与实施例一相同结构的工件架和等离子体基离子注入与沉积装置，所不同的仅仅是，分别采用
了Cu、Al、V、Ti、Cr、Mn、Ni、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au、Fe、Ni、Co、V、Ru、Rh、Pb、C和稀土制备网状导电栅；其余与实施例一相同。

[0054] 结果显示，网状导电栅的具体材料对离子加速没有影响，只要能够导电，产生等势区或近似等势区即可满足镀膜需求。

[0055] 以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱
离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护
范围。