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射频—直流多层辉光离子渗镀设备及工艺

阅读：594发布：2021-02-22

IPRDB可以提供射频—直流多层辉光离子渗镀设备及工艺专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且射频－直流多层辉光离子渗镀设备及工艺属于表面冶金的范畴,其设备特征是在炉底盘与工件极之间放置一绝缘物,对射频与直流,炉底盘和工件极将具有不同的电极功能。工件利用辉光放电空心阴极效应进行加热,在工艺上提供了一种在导体、非导体基材表面形成表面镀层、扩散层和扩散层与镀层复合层的方法。本发明将直流辉光引入工件,弥补了射频溅射设备只能形成镀层不能形成渗入扩散层的不足。提供了具有更强结合力的渗、镀、扩散及它们之间相互结合的复合层材料。，下面是射频—直流多层辉光离子渗镀设备及工艺专利的具体信息内容。

权利要求

1.射频-直流多层辉光离子渗镀设备及工艺其特征在于是一种利用溅射轰击加热导体、非导体基材并在其表面形成镀层、扩散层、扩散层与镀层以及它们之间相互结合复合层的设备，本设备主要是由炉壳(1)，欲溅射元素的射频靶(2)和高压直流溅射靶 (3)，工件极(4)，炉底盘(5)，绝缘物体(6)，金属板(7)，射频溅射电源(8)，高压直流溅射电源(9)和高压直流加热电源(10)，抽真空系统(11)，进气系统(12)，工件旋转机构(13)，工件(14)所组成，其技术特征是，射频溅射电源(8)的两极分别接在欲溅射元素的射频靶(2)和炉底盘(5)上，炉底盘(5)、炉壳(1)均接地，为零电位，高压直流溅射电源(9) 和高压直流加热电源(10)的阳极均接地，也为零电位，高压直流溅射电源(9)的阴极接高压直流溅射靶(3)，高压直流加热电源(10)的阴极接工件极(4)，绝缘物体(6)，放置在金属板(7)与炉底盘(5)之间，射频溅射电源(8)频率为13.56MHZ的整数倍，工件极(4)是桶形中空结构，工件(14)置于其中，欲溅射元素的射频靶(2)和高压直流溅射靶(3)将靶材料以离子、原子、粒子团的形式溅射出来，并向工件极(4)及其中放置的工件(14)表面运动，接工件极(4)的高压直流加热电源(10)使工件极(4) 和工件(14)产生辉光放电，并加热工件(14)，从而实现吸附元素在工件(14)表面的渗入或沉积。

2.根据权利要求1，所述的射频-直流多层辉光离子渗镀设备及工艺，其特征在于工件(14)放置在桶形中空结构的工件极(4)中。

3.根据权利要求1，本发明的设备中所涉及的绝缘物(6)，必须放置在金属板(7) 与炉底盘(5)之间。

4.根据权利要求1，本发明的设备中所涉及的射频溅射电源(8)的频率为 13.56MHZ的整数倍，即：13.56MHZ，27.12MHZ，40.68MHZ等。

5.根据权利要求1，本发明的设备中所涉及的工件极(4)可实现辉光放电空心阴极效应，工件极(4)必须是桶形中空结构，即：可以是圆形、方形或椭圆形。

6.根据权利要求1，本发明的设备中所涉及的欲溅射元素的射频靶(2)中的靶材料，可以是导电的物质，也可以是非导电的物质，高压直流溅射靶(3)中的靶材料，是导电的物质。

7.采用本发明射频-直流多层辉光离子渗镀设备及工艺所涉及的工艺为，首先在炉底盘(5)上放置一绝缘物体(6)，在绝缘物体(6)上放置金属板(7)，金属板(7) 上放置铁质材料工件极(4)圆桶，铁质材料工件极(4)圆桶内放置两件工件(14)，抽真空达5×10-4Pa后，充入氩气到工作气压10Pa，开旋转机构(13)使工件(14)旋转，在工件极(4)和炉壳(1)之间加高压直流加热电压，离子轰击清理工件(14)表面，逐步升温，在炉壳(1)与欲溅射射频靶(2)之间加入射频溅射电压，保温1小时后，关断高压直流加热电源(10)和射频溅射电源(8)缓慢降温，再开高压直流加热电源(10)给工件极(4)和炉壳(1)之间加电压，进行保温，开射频溅射电源(8) 加射频溅射电压进行沉积，再次关断直流加热电源(10)和射频溅射电源(8)，待工件 (14)降到室温出炉。工件(14)表面可获得扩散层、沉积层及它们相互结合的复合层，所需的工艺参数为：极限真空度5×10-4Pa，工作真空度10-1Pa～102Pa，工件极(4)的工作温度100℃～1100℃，射频溅射电源(8)的溅射电压-400V～-2000V，高压直流溅射电源 (9)的阴极电压-900V～-1500V，高压直流加热电源(10)的阴极电压-100V～-1000V。

8.根据权利要求7，本发明的工艺技术中所涉及的工件(14)可以是导电的物质，也可以是非导电的物质。

9.根据权利要求7，本发明的工艺技术中所涉及的工件(14)，当溅射电压降低，温度也降低，此时可形成沉积层，溅射电压升高，温度也升高，此时可形成扩散层。

说明书全文

一、技术领域

本发明射频-直流多层辉光离子渗镀工艺及设备属于表面冶金的范畴。具体的来讲是一种在导体、非导体基材表面形成表面镀层、扩散层、扩散层与镀层复合层的设备和工艺。

二、背景技术

目前使用的射频-直流沉积设备，射频与直流电源均加在欲溅射元素的靶上，即靶同时具有接射频或直流的功能，可以进行射频溅射或直流溅射。而工件与炉壳为同一个接地极(零电位)。这种设备中工件的加热或靠欲沉积元素对工件的轰击或靠外加热源。靠欲沉积元素的轰击加热温度有限一般不会超过200℃且不可控制，所以这种设备只能进行沉积。对工件清理轰击作用也因一边轰击一边沉积其作用较小，所制的镀层结合力较差。

外加热源增加了设备的复杂性，虽可以将工件加热到几百度的高温，形成扩散层，但是因炉子内部整体均为工作温度区，将使炉内的结构设计，强度考虑，溅射靶的冷却，炉体及密封装置的冷却，更为复杂，有些设置难以实现。由于工件也为接地阳极(零电位)，表面无辉光轰击的清理净化作用，故这种设备所制的镀层结合力也较差。

到目前为止用射频溅射沉积的设备仅用来做镀层，没有做扩散层或扩散层和镀层的复合层。

三、发明内容

本发明射频-直流多层辉光离子渗镀设备及工艺其设备特征是在炉底盘与工件极之间放置一绝缘物，对射频与直流，炉底盘和工件极将具有不同的电极功能。利用辉光放电空心阴极效应，工件能被辉光加热，因而提供了一种在导体、非导体基材表面形成表面镀层、扩散层、扩散层与镀层及它们之间相互结合复合层的工艺方法。本发明将直流辉光引入工件，弥补了射频溅射设备只能形成镀层不能形成渗入扩散层的不足。提供了具有更强结合力的渗、镀、扩散及它们之间相互结合的复合层材料。

射频-直流多辉离子渗镀设备主要是由炉壳1，欲溅射元素的射频靶2和高压直流溅射靶3，工件极4，炉底盘5，绝缘物体6，金属板7，射频溅射电源8，高压直流溅射电源9和高压直流加热电源10，抽真空系统11，进气系统12，工件旋转机构13，工件14所组成。

其技术特征是，射频溅射电源8的两极分别接在欲溅射元素的射频靶2和炉底盘5 上，炉底盘5、炉壳1均是接地阳极地，为零电位。高压直流溅射电源9和高压直流加热电源10的阳极均接地，也为零电位。高压直流溅射电源9的阴极接高压直流溅射靶3，高压直流加热电源10的阴极接工件极4，绝缘物体6，放置在金属板7与炉底盘5之间。射频溅射电源8频率为13.56MHZ的整数倍。工件极4是桶形中空结构，工件14置于其中。欲溅射元素的射频靶2和高压直流溅射靶3将靶材料以离子、原子、粒子团的形式溅射出来，并向工件极4及其中放置的工件14表面运动，接工件极4的高压直流加热电源10使工件极4和工件14产生辉光放电，并加热工件14，从而实现吸附元素在工件14表面的渗入或沉积。

本发明设备中所涉及的绝缘物6，必须放置在金属板7与炉底盘5之间。工件14 放置在桶形中空结构的工件极4中。

本发明的设备中所涉及的射频溅射电源8的频率为13.56MHZ的整数倍，即： 13.56MHZ，27.12MHZ，40.68MHZ等。

本发明设备中所涉及的工件极(4)是为实现辉光放电空心阴极效应而设置的。工件极 4必须是桶形中空结构，即：可以是圆形、方形或椭圆形。

本发明设备中所涉及的欲溅射元素的射频靶2中的溅射材料，可以是导电的物质，也可以是非导电的物质。高压直流溅射靶3中的溅射材料，是导电的物质。

本发明所涉及的工艺参数为：极限真空度5×10-4Pa以上，工作真空度10-1Pa～102Pa，工件极4的工作温度100℃～1100℃，射频溅射电源8的溅射电压-400V～-2000V，高压直流溅射电源9的阴极电压-900V～-1500V，高压直流加热电源10的阴极电压 -100V～-1000V。

本发明工艺技术中所涉及的工件14可以是导电的物质，也可以是非导电的物质。

本发明工艺技术中所涉及的工件14，当溅射电压降低，温度也降低，此时可形成沉积层。溅射电压升高，温度也升高，此时可形成扩散层。

本发明工作时，抽真空到极限真空度5×10-4Pa以上，充入氩气到工作气压10-1Pa ～102Pa，分别加入射频溅射电压、高压直流溅射电压，高压直流加热电压。欲溅射元素的射频靶与炉壳、炉底盘、工件之间(接地阳极)产生辉光放电。高压直流溅射靶与炉壳、炉底盘(接地阳极)之间产生辉光放电。接高压直流加热电源的工件极与炉壳、炉底盘(接地阳极)之间产生辉光放电。欲溅射元素的射频靶和高压直流溅射靶将靶中的溅射材料以离子、原子、粒子团的形式溅射出来，并向工件表面运动。工件表面的辉光放电，一方面清理工件，另一方面加热工件，加热温度可在几十～1500℃的范围。来自靶的元素粒子在工件表面渗入，形成扩散层。当将直流电压降低时，工件温度也随之降低，可实现表面镀层。工件表面的辉光放电，还可以使来自靶的离子、原子、粒子团在工件附近的电场中获得能量，加速向工件表面的运动，增加工件表面的扩散速度和表面镀层结合力。

本发明的设备设置中，必须在放置工件的金属板与炉底盘之间放置绝缘物，这样对于射频、直流电源具备了不同的极性功能。对于射频电源，工件极、炉壳与炉底板均为同一个接地阳极(零电位)。而对于加在工件上的直流电源，工件极为阴极，仅有炉壳和炉底板为接地阳极(零电位)。

本发明的设备中，绝缘物、金属板及被沉积或被渗元素工件极，可以由旋转机构驱动在炉内旋转。

本发明的优点为：①利用直流辉光放电空心阴极效应进行工件部分加热，加热温度可以从几十～1500℃，炉内其余地方温度很低。②在工件表面方便实现扩散层，镀层、及它们之间相互结合的复合镀层的各种工艺要求。③表面渗镀复合层因为有扩散层而结合力大大增加。④工件表面的辉光放电空心阴极效应将工件表面清理干净，增加了镀层的结合力。⑤工件表面的辉光放电空心阴极效应使来自射频靶或高压直流溅射靶的离子、原子、粒子团在工件附近获得能量，使渗入速度和镀层结合力得以进一步增强。

四、附图说明

附图为本发明射频-直流多层辉光离子渗镀工艺及设备结构图

附图中的标号为：

炉壳1，欲溅射元素的射频靶2，和高压直流溅射靶3，工件极4，炉底盘5，绝缘物体6，金属板7，射频溅射电源8，高压直流溅射电源9和高压直流加热电源10，抽真空系统11，进气系统12，工件旋转机构13，工件14。

五、具体实施方式本发明的实施例如下：如附图所示。在炉底盘5上放置一绝缘物体6，在绝缘物体上放置金属板7，金属板7上放置尺寸为Φ300×100×5mm(直径× 高×厚)的铁质材料工件极4圆桶。铁质材料工件极4圆桶内放置尺寸为Φ100×50mm(直径×高)的工件14两件，材料为20钢。抽真空达5×10-4Pa后，充入氩气到工作气压10 Pa。开旋转机构13使工件14旋转。在工件极4和炉壳1之间加高压直流加热电压-1000V，离子轰击清理工件14表面20分钟，逐步升温达850℃。在炉壳1与欲溅射射频靶2之间加入射频溅射电压-1000V，欲溅射射频靶2的材料采用金属铝。保温1小时后，关断高压直流加热电源1)和射频溅射电源8缓慢降温到200℃，再开高压直流加热电源10 给工件极和炉壳1之间加电压-500V，在200℃进行保温。开射频溅射电源8加射频溅射电压-1000V，沉积20分钟后再次关断直流加热电源10和射频溅射电源8，待工件14 降到室温出炉。工件14表面可获得20um的铝扩散层和2um的铝沉积层。

标题	发布/更新时间	阅读量
嵌入式辉光放电电极-专利编号CN103903931B	2020-05-13	97
辉光放电启动器-专利编号CN1289526A	2020-05-11	754
辉光放电分解装置-专利编号CN1014082B	2020-05-12	567
辉光放电装置和产生辉光放电的方法-专利编号CN1046318C	2020-05-11	266
辉光放电开关启动器-专利编号CN1199502A	2020-05-13	684
嵌入式辉光放电电极-专利编号CN103903931A	2020-05-12	694
辉光放电启动器-专利编号CN100521853C	2020-05-11	104
辉光放电装置和产生辉光放电的方法-专利编号CN1101991A	2020-05-11	1050
辉光放电分解装置-专利编号CN85104968A	2020-05-12	168
大气压辉光放电离子源-专利编号CN107910237A	2020-05-13	477

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