專利名稱：脈沖高能量密度等離子體輔助多源復(fù)合材料表面改性裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及低溫等離子體技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種基于高能量密度等離子體 的多元等離子體全方位離子注入與沉積的表面處理裝置。適用于包括陶瓷材料在內(nèi)的各種金 屬、非金屬、有機(jī)、無機(jī)材料的表面處理。
背景技術(shù)：
低溫等離子體技術(shù)被廣泛地運(yùn)用于半導(dǎo)體、微電子、光學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料表面處理等工業(yè) 領(lǐng)域，尤其在薄膜材料制備和材料表面改性方面使用非常廣泛。1988年，美國威斯康星大學(xué) 的J.R. Conrad教授提出等離子體源離子注入(PSII)技術(shù)，該技術(shù)也稱為等離子體浸沒離子 注入(PIII)。隨后基于此技術(shù)的材料表面改性方法與裝置得到迅猛發(fā)展?，F(xiàn)有的多元等離子 體全方位離子注入與沉積裝置(CN 95118169.6， CN 92111475.3)只能對(duì)金屬材料實(shí)現(xiàn)等離 子體浸沒離子注入，而對(duì)于非金屬材料只能進(jìn)行沉積處理(CN 95221951.4)，特別是對(duì)于陶 瓷材料還難以進(jìn)行注入處理。而對(duì)于陶瓷材料來講，在其表面直接沉積金屬或其他材料，膜 與基底的結(jié)合難以保證。即便是對(duì)于金屬材料來講，離子注入與沉積也難以在膜與基底之間 形成合金相，大多數(shù)情況下還需要后續(xù)處理。
高能量密度的等離子體能夠熔融金屬，可以在薄膜與基底之間形成牢固的合金層。例如， 本申請(qǐng)人自主研制的，《物理》2002年第8期第510頁"脈沖高能量密度等離子體薄膜制備和 材料表面改性"一文中所述的脈沖高能量密度等離子體技術(shù)，已經(jīng)成功制備TiN、 Si3N4、 BN 以及類金剛石薄膜，在氧化鋁陶瓷表面生長Cu實(shí)現(xiàn)陶瓷表面金屬化，在硬質(zhì)合金刀具表面 生長TiCN、 TiAlN等高硬高耐磨薄膜均取得很好效果。但是該脈沖高能量密度等離子體處理 后樣品的表面粗糙度較大，且對(duì)于較大面積樣品，束斑交界處容易出現(xiàn)不連續(xù)界面，使得表 面處理效果不均勻。
在對(duì)材料性能要求愈來愈高的今天，單一的金屬離子源裝置或單一的氣體離子源裝置已 不能滿足實(shí)際需要。另外，對(duì)于多元等離子體經(jīng)常采用的真空弧等離子體源，由于真空弧沉 積速率高，在薄膜沉積的過程中，薄膜與基底的結(jié)合一直不能很好的解決。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)任何基底材料
進(jìn)行快速注入、沉積改性并能實(shí)現(xiàn)高膜基結(jié)合強(qiáng)度的復(fù)合等離子體材料處理裝置。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是為實(shí)現(xiàn)上述目的，建造一臺(tái)基于高能 量密度等離子體槍的多元復(fù)合等離子體源離子注入與沉積設(shè)備。本實(shí)用新型脈沖高能量密度
等離子體輔助多源復(fù)合材料表面改性裝置包括真空室1直徑850mm高1200mm、高能量密 度等離子體槍2即A、 A'、大功率高速真空弧金屬等離子體源3即B、 B'、熱絲氣體等離子 體源4即C和旋轉(zhuǎn)行星樣品臺(tái)5即D。脈沖高能量密度等離子體槍設(shè)置在所述真空室1的A 和A'位置處(見圖2);大功率高速真空弧金屬等離子體源設(shè)置在所述真空室1的B和B' 位置處(見圖3);熱絲氣體等離子體源安裝于所述真空室1的C位置處(見圖4);可調(diào)轉(zhuǎn) 速的旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)安裝于所述真空室1的底部，D位置處(見圖5)。
進(jìn)一步地，所述脈沖高能量密度等離子體槍(見圖2)包括同軸電極槍、磁力線圈， 直流電源及控制系統(tǒng)。所述高能量密度等離子體源可以是l臺(tái)或者多臺(tái)，所述的A和A'位 置各安裝一臺(tái)。A、 A'與真空室l的中軸線在同一平面，且A、 A'垂直于軸線對(duì)稱分布。 所述的高能量密度等離子體槍的控制電源能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖或者準(zhǔn)連續(xù)放電。。
進(jìn)一步地，所述大功率高速真空弧金屬等離子體源(見圖3)包括陰極、觸發(fā)電極、 磁場線圈以及相應(yīng)的電源和控制系統(tǒng)。所述大功率高速真空弧金屬等離子體源可以是1臺(tái)或 者多臺(tái)，所述的B和B'位置各安裝了一臺(tái)。B的中軸線、B'的中軸線均和真空室l的中 軸線成一定角度，且B和B'關(guān)于真空室l的中軸線對(duì)稱分布；所述陰極處于B的中軸線上； 所述觸發(fā)電極與所述陰極平行；所述磁場線圈設(shè)置在的周圍，與所述陰極同軸心。
進(jìn)一步地，所述熱絲氣體等離子體源(見圖4)包括鎢絲、接線柱、磁場線圈以及支 架；鉤絲通過接線柱設(shè)置在所述圓形支架C4內(nèi)，磁場線圈設(shè)置在該圓形支架C4周圍。
進(jìn)一歩地，所述大功率高速真空弧金屬等離子體源的陰極材料為鈦、鉭、銅、金、石墨 或其他任何導(dǎo)電材料、合金材料。
進(jìn)一步地，所述旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)包括基片架和樣品臺(tái)，該基片架通過行呈齒輪組圓周均布于 樣品臺(tái)上，步進(jìn)電機(jī)、交流調(diào)速電機(jī)通過傳動(dòng)軸分別安裝在樣品臺(tái)絕緣軸套上，山外電路給 樣品臺(tái)和基片架提供可控直流或脈沖負(fù)偏壓。
進(jìn)一步地，所述脈沖高能量密度等離子體槍、大功率真空陰極弧等離子體源和熱燈絲離 子源的種類和位置可以任意組合。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于(1)裝置擁有多個(gè)等離子體源，功能互補(bǔ)，通過合理工序控制 提高成膜質(zhì)量；(2)實(shí)現(xiàn)在同一裝置中引入多元弧等離子體，使得金屬、氣體離子同存，提 高反應(yīng)效率，能獲得理想化學(xué)配比；(3)真空室尺度大、樣品臺(tái)能轉(zhuǎn)動(dòng)，使工件能夠得到大 面積均勻處理；(4)為工件提供直流或脈沖負(fù)偏壓，可以提高膜基結(jié)合力、提高成膜質(zhì)量和效率；(5)根據(jù)裝置的特點(diǎn)，可以高效、均勻處理形狀不規(guī)則工件，可以在陶瓷等非金屬工 件上形成良好的膜基結(jié)合層。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1是本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型裝置脈沖高能量密度等離子體槍部分結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是本實(shí)用新型裝置高速真空弧金屬等離子體源部分結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是本實(shí)用新型裝置熱絲氣體等離子體源部分結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是本實(shí)用新型裝置旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)部分結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1本實(shí)用新型裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)識(shí)
1真空室
2高能量密度等離子體槍(A與A'對(duì)稱放置，具有相同結(jié)構(gòu))
3大功率高速真空弧金屬等離子體源(B與B'對(duì)稱放置，具有相同結(jié)構(gòu))
4熱絲氣體等離子體源(C)
5旋轉(zhuǎn)行星樣品臺(tái)(D)
圖2脈沖高能量密度等離子體槍結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)識(shí)
.Al、中心電極A2、圓筒外電極A3、電磁闊線圈 A4、電磁閥磁針 A5、進(jìn)氣閥 A6、絕緣膠木 圖3高速真空弧金屬等離子體源結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖標(biāo)識(shí)
Bl、陰極B2、觸發(fā)電極B3、磁場線圈 B4、進(jìn)水嘴B5、出水嘴B6、降版
圖4熱絲氣體等離子體源結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖標(biāo)識(shí)Cl、鉤絲 C2、接線柱 C3、磁場線圈 C4、支架
圖5旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)識(shí)
Dl、主盤D2、樣品架D3、行星齒輪D4、步進(jìn)電機(jī) D5、傘齒輪D6、油封D7、高壓電源D8、水冷
具體實(shí)施方式
如
圖1所示，本實(shí)用新型脈沖高能量密度等離子體輔助多源復(fù)合材料表面改性裝置包括
真空室1直徑850mm高1200mm、高能量密度等離子體槍2即A、 A'、大功率高速真空弧金 屬等離子體源3即B、 B'、熱絲氣體等離子體源4即C和旋轉(zhuǎn)行呈樣品臺(tái)5即D。脈沖高能 量密度等離子體槍設(shè)置在所述真空室1的A和A'位置處(見圖2);大功率高速真空弧金屬 等離子體源設(shè)置在所述真空室1的B和B'位置處(見圖3);熱絲氣體等離子體源安裝于所 述真空室l的C位置處(見圖4);可調(diào)轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)安裝于所述真空室1的底部，D位 置處(見圖5)。其中，
高能量密度等離子體槍A及A'包括中心電極A1、圓筒外電極A2、電磁閥線圈A3、 電磁閥磁針A4、進(jìn)氣閥A5、絕緣膠木A6。中心電極與圓筒外電極之間加直流高壓，打開進(jìn) 氣閥在電磁閥線圈的作用下，電磁閥磁針打開，氣體進(jìn)入圓筒電極與中心電極之間，放電產(chǎn) 生高能量密度的等離子體；
大功率真空陰極弧等離子體源B及B'包括陰極B1、觸發(fā)電極B2、磁場線圈B3、進(jìn) 水嘴B4、出水嘴B5、陽極B6，陰極B1的材料可以為金屬或合金，能產(chǎn)生金屬等離子體， 若使用多種金屬材料，則可以沉積合金相，若真空室內(nèi)工作氣體為氮?dú)饣蚣淄?，則可以生成 金屬氮化物或碳化物；
熱燈絲離子源C包括鎢絲C1、接線柱C2、磁場線圈C3、支架C4，鎢絲C1通過接線 柱C2設(shè)置在支架C4內(nèi)，熱燈絲離子源C通過鎢絲C1加熱、電磁場作用產(chǎn)生氣體等離子體；
上述三個(gè)等離子體源能夠同時(shí)工作，可以在真空室中形成金屬離子和氣體離子共存的氣
氛；
旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)D包括主盤D1、樣品架D2、行星齒輪D3、步進(jìn)電機(jī)D4、傘齒輪D5、油 封D6、高壓電源D7、水冷D8，行星齒輪D3為齒輪組均勻分布于主盤Dl周圍，主盤Dl 轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)行星齒輪D3轉(zhuǎn)動(dòng)，樣品架D2位于行星齒輪D3上，高壓電源D7為樣品架D2提供可控直流或脈沖負(fù)偏壓。充分離化的金屬離子和氣體離子易于反應(yīng)并在負(fù)偏壓的作用下到達(dá) 樣品表面各處，從而能夠獲得理想化學(xué)配比的、 一定厚度的、高膜基結(jié)合強(qiáng)度的、均勻的、 顆粒細(xì)小的大面積改性層，使工件(包括難于處理的復(fù)雜形狀工件)表面得到快速高效的強(qiáng) 化處理。
另外，上述的脈沖高能量密度等離子體槍A、大功率高速真空弧金屬等離子體源B、熱 絲氣體等離子體源C的種類和位置可以任意組合使用，當(dāng)需要處理大件的時(shí)候，也可以在真 空室1上設(shè)置更多個(gè)脈沖高能量密度等離子體槍A、大功率真空陰極弧等離子體源B和熱絲 氣體等離子體源C，以滿足工藝條件的需要。
采用上述結(jié)構(gòu)裝置，高能量密度等離子體槍能夠產(chǎn)生熔融多元合金等離子體，使得膜材 料與基底材料能夠很好的結(jié)合。真空弧等離子體提供金屬離子，弧源電流大，離化率高，反 應(yīng)效率高，沉積速率高。熱絲等離子體提供高離化率的氣體等離子體，同時(shí)能夠增加真空弧 源產(chǎn)生的金屬離子的離化率。能夠批量處理樣品的旋轉(zhuǎn)行星樣品臺(tái)上加脈沖負(fù)偏壓，以實(shí)現(xiàn) 等離子體源離子注入與沉積。通過控制各等離子體源的工作順序和時(shí)間以及相應(yīng)的其他工作 參數(shù)，使其具備同時(shí)產(chǎn)生金屬離子和氣體離子的能力，從而能夠獲得理想化學(xué)配比的、 一定 厚度的、高膜基結(jié)合強(qiáng)度的、均勻的、顆粒細(xì)小的大面積改性層，使工件包括難于處理的復(fù) 雜形狀工件以及陶瓷等非金屬材料表面得到快速高效的強(qiáng)化處理。
權(quán)利要求1、一種脈沖高能量密度等離子體輔助多源復(fù)合材料表面改性裝置，其特征在于，包括真空室、脈沖高能量密度等離子體槍、大功率高速真空陰極弧金屬等離子體源和熱絲氣體等離子體源，所述脈沖高能量密度等離子體槍和大功率真空陰極弧金屬等離子體源分別對(duì)稱安裝于所述真空室的(A和A’)、(B和B’)端口處，熱絲氣體等離子體源設(shè)置在所述真空室的(C)端口處，所述真空室底部還安裝有可調(diào)轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)(D)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種脈沖高能量密度等離子體輔助多源復(fù)合材料表面改性裝置，其 特征在于，所述脈沖高能量密度等離子體槍包括中心電極、圓筒外電極、電磁閥、進(jìn)氣閥 和絕緣膠木，所述中心電極與圓筒外電極同軸，所述中心電極根部中空，被電磁闊磁針頂住， 所述進(jìn)氣閥處于電磁闊的尾端，直接與工作氣瓶相連，所述絕緣膠木支撐中心電極和圓筒外 電極，與真空室固定。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種脈沖高能量密度等離子體輔助多源復(fù)合材料表面改性裝置，其特征在于，所述大功率真空陰極弧等離子體源包括陰極、觸發(fā)和磁場線圈，所述陰極和觸發(fā)電極設(shè)置在所述(B)端口內(nèi)，所述磁場線圈設(shè)置在(B)端口的周圍。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種脈沖高能量密度等離子體輔助多源復(fù)合材料表面改性裝置，其特征在于，所述熱燈絲離子源包括鎢絲、接線柱、磁場線圈和支架，鎢絲通過接線柱設(shè)置在所述(C)端口內(nèi)，磁場線圈設(shè)置在支架(C4)的周圍。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種脈沖高能量密度等離子體輔助多源復(fù)合材料表面改性裝置， 其特征在于，所述電極材料為鈦、鉭、銅或石墨。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種脈沖高能量密度等離子體輔助多源復(fù)合材料表面改性裝置，其 特征在于，所述樣品架通過行星齒輪組圓周均布于樣品臺(tái)上，步進(jìn)電機(jī)通過傳動(dòng)軸安裝在樣 品臺(tái)絕緣軸套上，由外電路給樣品臺(tái)和基片架提供可控直流或脈沖負(fù)偏壓。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種脈沖高能量密度等離子體輔助多源復(fù)合材料表面改性裝置，其 特征在于，所述脈沖高能量密度等離子體槍、大功率真空陰極弧等離子體源和熱燈絲離子源 分別至少設(shè)置一個(gè)以上。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的所述脈沖高能量密度等離子體槍，其特征在于，所述脈沖高能量密 度等離子體槍應(yīng)處于最靠近樣品架的水平位置，所述大功率真空陰極弧等離子體源和熱燈絲 離子源的種類和位置根據(jù)保持多等離子體源的對(duì)稱性原則進(jìn)行任意組合。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于脈沖高能量密度等離子體的多等離子體源復(fù)合材料表面改性裝置，包括真空室、脈沖高能量密度等離子體槍、大功率真空陰極弧等離子體源、和熱燈絲氣體等離子體源，脈沖高能量密度等離子體槍和大功率真空陰極弧等離子體源分別對(duì)稱安裝于所述真空室的A(A’)、B(B’)端口處，熱絲氣體等離子體源設(shè)置在所述真空室的C端口處，所述真空室底部還安裝有可調(diào)轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)D。本實(shí)用新型擁有三個(gè)等離子體源，實(shí)現(xiàn)在同一裝置中引入多種等離子體機(jī)制，使得金屬、氣體離子同存，增強(qiáng)反應(yīng)效率，提高成膜質(zhì)量。適用于包括陶瓷材料在內(nèi)的各種金屬、非金屬、有機(jī)、無機(jī)材料的表面沉積注入處理。
文檔編號(hào)C23C14/22GK201228282SQ200720309049
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2007年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月24日
發(fā)明者楊思澤 申請(qǐng)人:楊思澤