[发明专利]一种高功率脉冲等离子体增强复合磁控溅射沉积装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料技术领域，尤其涉及一种高功率脉冲等离子体增强复合磁控溅射沉积装置及其使用方法。

背景技术

随着现代制造业的发展，难加工材料的高速、高效切削加工对刀具材料提出了越来越高的要求。涂层刀具利用气相沉积方法在高强度的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面涂覆几个微米的高硬度、高耐磨性的氮化物、氧化物或者硼化物涂层，使其具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%。刀具涂层制造工艺主要有化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)。CVD工艺一般在800℃以上的高温下进行，涂层较脆，不易制备纳米结构和多组分的涂层，且对环境造成污染，限制了CVD涂层的应用。目前用于硬质涂层沉积的PVD涂层技术主要有磁控溅射和电弧离子镀。磁控溅射沉积温度低、涂层表面光滑、无颗粒缺陷，但溅射金属大多以原子状态存在，金属离化率低（~1%），导致膜基结合力较差，涂层易剥落失效。非平衡磁场和闭合磁场的改进，较大幅度的提高了磁控溅射技术的离化率（可以到10-20%），实现了较致密涂层的制备，但对于刀具涂层其结合力和力学性能仍显不足。相比于磁控溅射，电弧离子镀具有较高金属离化率（~90%）和强膜基结合力的优点。然而，在沉积过程中产生的大量宏观颗粒，导致涂层表面粗糙、内应力高。这两种应用比较成熟的PVD技术的难以克服的缺点成为其进一步产业化应用中的关键技术瓶颈。为了研发更多实用的高质量涂层及其在工业的推广，探讨新型涂层制备技术已成为涂层领域的迫切需求。

近几年发展起来的高功率脉冲磁控溅射技术（High Power Impulse Magnetron Sputtering，HIPIMS）综合了磁控溅射和电弧离子镀的优点。HIPIMS利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲占空比来实现产生高金属离化率（>50%）。HIPIMS技术综合了磁控溅射低温沉积、表面光滑、无颗粒缺陷和电弧离子镀金属离化率高、膜基结合力强、涂层致密的优点，且离子束流不含电弧离子镀的大颗粒，在控制涂层微结构的同时获得优异的膜基结合力和可调节的涂层内应力，被认为是PVD发展史上最重要的一项技术突破。但是，高功率脉冲磁控溅射技术沉积硬质涂层应用于高速切削刀具，还存在一些问题：（1）高功率脉冲磁控溅射沉积速率较慢，约为普通磁控溅射的20-30%，作为工业化生产的刀具涂层沉积设备效率太低；（2）由于高功率脉冲溅射等离子体放电的特殊性，还无法像普通磁控溅射那样适用于很多合金或化合物溅射材料；（3）目前磁控溅射设备多面向模具及各种机械零部件，对高速切削刀具等重载荷涂层，涂层沉积温度和镀前轰击清洗不够，因此涂层结合强度显不足。

发明内容

本发明的目的在于克服以上缺陷，提出一种用于刀具涂层沉积的高功率脉冲等离子体增强复合磁控溅射沉积装置，该装置具有较好的磁场分布及离子镀效果，能够方便沉积出膜层结合力好、涂层致密、力学性能好、化学成分精确可控的优质涂层用于高速切削刀具。

本发明的另一个目的在于提出一种使用上述装置的方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种高功率脉冲等离子体增强复合磁控溅射沉积装置，包括真空室、磁控靶、工件架和旋转支座；

所述真空室为密封结构，其上开设有抽气口，所述抽气口与真空泵连接；

所述磁控靶包括高功率脉冲磁控溅射靶和脉冲直流磁控靶，固定在所述真空室内，呈九十度对向设置，其磁场布局方式相反，形成闭合场；每个所述磁控靶的磁场布局方式都为非平衡磁场；

所述工件架置于所述磁控靶的磁场内，并且通过所述旋转支座连接在所述真空室的内部，所述旋转支架与所述真空室通过转动机构连接；

进一步，所述磁控靶包括一个所述高功率脉冲磁控溅射靶和三个所述脉冲直流磁控靶。

进一步，所述真空室内设置有高温加热装置。

进一步，还包括惰性气体通气管和反应气体通气管，与所述真空室连接。

进一步，所述惰性气体通气管和反应气体通气管设有流量计。

进一步，所述真空室内设置有反应气体反馈装置。

进一步，包括阳极层离子源，固定在所述真空室的内壁上。

进一步，所述阳极层离子源为两个矩形的离子源。

进一步，所述旋转支座与变频器控制交流电机连接，所述工件架的工件安装位置设有自转装置。

进一步，所述真空泵包括机械泵和分子泵。