专利名称：一种离子注入和等离子体沉积薄膜的设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种离子注入和等离子体沉积设备，尤其是涉及能够对薄膜进行 连续离子注入和等离子体沉积的设备。
背景技术：
阴极真空弧等离子体沉积(FVAPD)技术是在电弧沉积基础上发展起来的离子辅 助沉积技术，它是利用金属蒸汽真空弧离子源(MEVVA源)产生的金属等离子体进行金属沉 积制膜的技术。这种金属等离子体沉积制膜技术具有许多优点，如膜的沉积速率快、膜的 附着力强、质地致密、光洁度高、可获得厚膜等，因此倍受欢迎。但是在等离子体沉积制膜过 程中常常会引入大的颗粒(真空弧放电时产生的没有充分等离子体化的大颗粒)沉积到膜 中，影响成膜的质量。通过磁过滤系统，将金属等离子体中的大颗粒物质滤掉，从而克服了 沉积过程中大颗粒对膜质量的破坏。具有磁过滤系统的磁过滤阴极真空弧等离子体沉积设 备的示意图参见附图1，这种设备在外加电压下还能够进行离子注入。在图1中，A为金属 蒸汽真空弧离子源，B为磁过滤部分。1为阴极，2为绝缘体，3为触发电极，4为阳极，5为聚 焦线圈，6为磁过滤偏转线圈，7为过滤导管，8为真空室，9为抽真空口，10旋转工作台，11 为工件，12为工作气体入口。现有的金属离子注入和等离子体沉积设备在工作时，先将工件置于真空室的工作 台上，然后抽真空，再进行离子注入或者等离子体沉积。当工件上注入了相应剂量的金属原 子并(或)覆盖了所需厚度的金属膜层后将工件从真空室中取出；之后才能对下一工件进 行离子注入或者等离子体沉积操作。如果待处理的工件需要对两面都要处理的话，也必须 先处理一面，然后取出翻面后再进行处理。可见，现有的离子注入和等离子体沉积设备不能 对待加工工件进行连续的离子注入和等离子体沉积操作，也不能同时对工件的两个面进行 处理。因此，生产效率低。
实用新型内容本实用新型为了克服现有技术中离子注入和等离子体沉积设备不能对待加工工 件进行连续的离子注入和等离子体沉积以及同时对两个面进行处理的缺陷，提供了一种能 够对薄膜进行连续地、并能够选择性地对薄膜的单面或者同时对薄膜的两面都进行离子注 入和等离子体沉积的离子注入和等离子体沉积设备。本实用新型提供了一种离子注入和等离子体沉积设备，该设备包括离子源和真空 室，其特征在于所述真空室壁上包括设置有抽真空口以及至少1个用于与所述离子源连 通的开口 ；所述真空室内包括设置有放卷辊、冷却部件、收卷辊；所述冷却部件置于所述放 卷辊和所述收卷辊之间；所述冷却部件由所述至少1根可以自由转动的、中空且内通冷却 介质的冷却辊组成；所述冷却辊、所述放卷辊和所述收卷辊都相互平行，并且所述冷却辊的 轴向与所述等离子体进入所述真空室的方向垂直；所述等离子体进入所述真空室的方向与 所述冷却辊的轴向均为水平方向，所述冷却辊与所述开口在水平高度上一一对应；或者所述等离子体进入所述真空室的方向为水平方向，所述冷却辊的轴向为竖直方向，所述开口 与所述冷却辊在左右方向或者前后方向上一一对应；或者所述等离子体进入所述真空室的 方向为竖直方向，所述冷却辊相对应地位于所述开口的正下方或者正上方。本实用新型提供的离子注入和等离子体沉积设备能够对薄膜进行连续的等离子 体沉积和/或离子注入操作，并且在优选的实施方式中可以根据需要实现薄膜的单面或者 同时对薄膜的两面进行等离子体沉积和/或离子注入操作。因此，能够大大提高生产效率， 降低生产成本。
图1为现有技术中的磁过滤阴极真空弧等离子体沉积设备的示意图。图2为本实用新型一种优选的实施方式提供的离子注入和等离子体沉积设备真 空室部分的示意图。
具体实施方式
本实用新型提供了一种离子注入和等离子体沉积薄膜的设备，该设备包括离子源 和真空室，其特征在于所述真空室壁上包括设置有抽真空口以及至少1个用于与所述离 子源连通的开口 ；所述真空室内包括设置有放卷辊、冷却部件、收卷辊；所述冷却部件置于 所述放卷辊和所述收卷辊之间；所述冷却部件由所述至少1根可以自由转动的、中空且内 通冷却介质的冷却辊组成，所述冷却辊、所述放卷辊和所述收卷辊都相互平行，并且所述冷 却辊的轴向与所述等离子体进入所述真空室的方向垂直；所述等离子体进入所述真空室的 方向与所述冷却辊的轴向均为水平方向，所述冷却辊与所述开口在水平高度上一一对应; 或者所述等离子体进入所述真空室的方向为水平方向，所述冷却辊的轴向为竖直方向，所 述开口与所述冷却辊在左右方向或者前后方向上一一对应；或者所述等离子体进入所述真 空室的方向为竖直方向，所述冷却辊相对应地位于所述开口的正下方或者正上方。在对薄 膜进行等离子体沉积和/或离子注入时，将薄膜置于所述放卷辊上，并使薄膜的一端依次 通过所述冷却部件后固定到所述收卷辊上，转动所述放卷辊和所述收卷辊，调节薄膜的运 行速度，开启离子源使等离子体通过真空室壁的开口，这样就能对薄膜进行连续等离子体 沉积和/或离子注入操作了。所述转动所述放卷辊和所述收卷辊可以通过手动或者机械控 制。例如，将所述放卷辊和收卷辊的一端延伸至真空室外，手动人工转动所述放卷辊和收卷 辊；或者将所述放卷辊和收卷辊与电机相连，开动电机，调节薄膜的运行速度。采用了冷却部件可以防止长时间的等离子体沉积和/或离子注入所产生的大量 热量损坏薄膜。构成所述冷却辊的材料可以为导热性能比较好的材料，例如金属，优选为不 锈钢。冷却辊的形状没有特别的限定，优选为圆柱形。所述冷却辊中空的部分可以通入气 体或液体、甚至固体(例如干冰)对薄膜进行冷却，冷却介质优选为导热效果较好的液体， 例如冷却油或水，基于成本的考虑，优选为水。水的温度可以为常温，但优选温度为o-io°c， 以提供优异的冷却效果。所述放卷辊与所述收卷辊的材料没有特别限制，可以为木质、塑料和金属；优选为 金属，最优选为不锈钢。它们的形状没有特别的限制，可以为方形，圆柱形；优选的圆柱形。 当所述放卷辊与所述收卷辊的形状不为圆柱形时，可以在其局部制成圆柱形或者套上圆柱形的外套以便于旋转。所述放卷辊与所述收卷辊的尺寸可以根据其材质的性质以及所需负 荷调节。当所述薄膜比较薄时，例如十几到几十微米厚时，为了能够保证薄膜能够完全展 开，因此，在一种优选的实施方式中，所述真空室内还设置有张力调节机构，所述张力调节 机构置于所述冷却部件的两侧并位于所述放卷辊与所述收卷辊之间。在这种情况下，待进 行离子注入和/或等离子体沉积的薄膜从放卷辊出发，依次通过张力调节机构、冷却部件 的各冷却辊、张力调节机构以及收卷辊。所述张力调节机构可以为本领域各种张力调节机构，基于真空室内部空间的大小 以及所能实现张力调节效果，在另一种优选的实施方式中，所述张力调节机构由两个过渡 轮、一个张力调节轮以及一个牵引轮组成。所述张力调节机构中的过渡轮、张力调节轮以及牵引轮的尺寸可以根据需要制 定；所述张力调节轮与现有技术中的张力调节轮一样，可以上下或者左右摆动以实现张力 调节的效果。本实用新型提供的设备可以用于离子注入和等离子体沉积。当用于离子注入和等 离子体沉积时，均可通过外加电源施加加速电压。在一种优选的实施方式中，所述设备还包 括与所述放卷辊和所述收卷辊相连的电机和用于加速由所述离子源发出的等离子束流的 部件；所述部件设置在所述等离子源与所述真空室之间。该部件包括电源和控制装置。所 述控制装置可以为本领域任何适合的控制装置，例如调节装置以调节加速电压的大小。在本实用新型中，所述电机、所述放卷辊、所述张力调节机构、所述收卷辊以及所 述冷却部件可以安装在所述真空室壁上，但为了便于安装和拆卸，在一种优选的实施方式 中，所述真空室内还设置有支架，所述电机、所述放卷辊、所述张力调节机构、所述收卷辊以 及所述冷却部件均置于所述支架上。在本实用新型中，所述离子源没有特别的限制，可以为本领域中任何离子源，但优 选为金属蒸汽真空弧离子源或者磁过滤真空弧离子源。在一种优选的实施方式中，所述真空室壁上还设置有工作气体通入口。所述工作 气体可以根据实际需要选择。在一种优选的实施方式中，所述设备还包括电机，所述放卷辊与所述收卷辊都与 所述电机连接。所述电机可以置于所述真空室内，也可以置于所述真空室外，优选为置于所 述真空室内。所述电机可以为一台或者多台，优选为多台；当所述电机为多台时，对薄膜进 行等离子体沉积和/或离子注入时，调节这些电机的转速以使所述放卷辊与所述收卷辊的 转数相匹配，并使张方调节机构运行以防止薄膜在所述放卷辊与所述收卷辊之间形成皱褶 或累积。基于本实用新型所提供的设备所实施的功能，在另一种优选的实施方式中，所述 开口为多个，优选为2-10个，以便于该设备进行连续离子注入和等离子体沉积。当所述开 口为多个时，优选所述开口与所述离子源之间设置有阀门，以关闭或者开启所述开口与所 述离子源之间的通道，这样就可以在保持真空室真空度的情况下快速更换阴极。所述开口 可以都设置在所述真空室的同一侧，也可以设置在所述真空室的不同的侧面，优选设置在 相对的两个侧面。设置在不同侧面上的开口可以平均分配，均勻布置；也可以不平均分配， 不均勻布置。当本实用新型提供的设备需要实现同时进行离子注入和等离子体沉积操作时，所述开口的一部分用于通过用于离子注入的等离子体束，另一部分用于通过用于等离 子体沉积的等离子体束。当本实用新型提供的设备的相对两侧上都设置有开口时，可以容 易地实现对薄膜的两面进行等离子体沉积和/或离子注入的操作。如果本实用新型提供的 设备的相对两侧上都设置有开口并且需要对薄膜进行单面等离子体沉积和/或离子注入 的操作时，只要调节所述阀门以关闭真空室壁一侧的开口 ；或者开一侧的离子源也可实现 单面等离子体沉积和/或离子注入。所述冷却部件由多根所述冷却辊组成，以更好地发挥冷却效果。在一种优选的实 施方式中，所述冷却辊的根数为2-10根。在另一种优选的实施方式中，所述冷却辊的根数与所述开口的个数相同，数量均 为 2-10。为了对薄膜先进行离子注入然后再进行等离子体沉积的操作，在另一种优选的实 施方式中，所述开口为6个，在所述真空室的相对两壁上分别设置3个。其中，每个壁上的 一个开口可以用于离子注入，每个壁上的另外的两个相邻的开口可以用于等离子体沉积； 并且，所述用于离子注入的两个开口设置在靠近所述放卷辊一端，所述用于等离子体沉积 的四个开口设置在靠近所述收卷辊一端。为了使离子注入范围分布和等离子体沉积的厚度更为均勻，所述开口在薄膜运行 方向与所述冷却辊直径之间的比值优选控制在一定的范围内。当所述开口为矩形，该矩形 的两条边与所述冷却辊轴向平行，另两条边与所述冷却辊轴向垂直，通过大量的研究发现， 当与所述冷却辊轴向垂直的两条边的尺寸为所述冷却辊直径的0. 3-1倍时，离子注入到所 述薄膜上的范围或者等离子沉积到所述薄膜上的厚度更均勻，从而在薄膜上沉积的金属层 与薄膜之间能够获得比较均勻的粘附力。因此，在另一种优选的实施方式中，所述开口为矩 形，该矩形的两条边与所述冷却辊轴向平行，另两条边与所述冷却辊轴向垂直，其中，与所 述冷却辊轴向垂直的两条边的尺寸为所述冷却辊直径的0. 3-1倍，更优选为0. 5-0. 8倍。本实用新型的发明人发现为了获得更好的离子注入和等离子体沉积的效果，所述 开口与其相对应的所述冷却辊轴线之间的距离为所述冷却辊直径之间的比值优选控制在 一定的范围内，通过大量的研究发现，当所述开口与其相对应的所述冷却辊轴线之间的距 离为所述冷却辊直径的0. 5-3倍时，离子注入和等离子体沉积的效率比较高，尤其是当所 述开口与其相对应的所述冷却辊轴线之间的距离为所述冷却辊直径的1-2. 5倍时。因此， 在优选的一种实施方式中，所述开口与其相对应的所述冷却辊轴线之间的距离为所述冷却 辊直径的0. 5-3倍，最优选为所述开口与其相对应的所述冷却辊轴线之间的距离为所述冷 却辊直径的1-2. 5倍。本实用新型的发明人发现为了防止通过不同开口进入真空室中的离子束相互干 扰以及避免在薄膜上沉积的金属层因为过大的应力产生裂纹，位于同一壁上的相邻两个所 述开口之间的距离优选控制在一定的范围内，通过大量的研究发现，当位于同一壁上的相 邻两个所述开口之间的距离为所述冷却辊直径的0. 75-4倍，通过不同开口进入真空室中 的离子束不易产生干扰并且在薄膜上沉积的金属层也不易产生裂纹。因此，在另一种优选 的实施方式中，位于同一壁上的相邻两个所述开口之间的距离为所述冷却辊直径的0. 75-4 倍，更优选为1-3倍。根据现有薄膜的尺寸，在另一种优选的实施方式中，所述开口与所述冷却辊轴向垂直的两条边的尺寸30-100毫米，所述冷却辊的直径为50-100毫米，所述开口与其相对应 的所述冷却辊轴线间的距离为50-150毫米；位于同一壁上的相邻两个所述开口之间的距 离75-200毫米。以下通过实施例详细说明本实用新型。图2为本实用新型提供的一种离子注入和等离子体沉积薄膜的设备的真空室部 分8，在该真空室中设置有放卷辊81、过渡轮82、张力调节辊83、牵引轮84、收卷辊85、冷却 辊86、用于离子注入的开口 87、用于等离子体沉积的开口 88、抽真空口 9。所述用于离子注入的开口和用于等离子体沉积的开口分别与磁过滤真空弧离子 源(如图1中的A与B部分)连接，其中在开口 87和88与B之间还具有施加加速由所述 离子源发出的离子束流的电压(未绘出)。所述开口为矩形，其中与所述冷却辊轴向垂直的 边的尺寸为50毫米，另一方向的边的尺寸为265毫米。所述冷却辊轴的直径为70毫米，所 述开口与其相对应的所述冷却辊轴线间的距离为85毫米；位于同一壁上的相邻两个所述 开口之间的距离105毫米。
权利要求1.一种离子注入和等离子体沉积薄膜的设备，该设备包括离子源和真空室，其特征在 于所述真空室壁上包括设置有抽真空口以及至少1个用于与所述离子源连通的开口 ；所 述真空室内包括设置有放卷辊、冷却部件、收卷辊；所述冷却部件置于所述放卷辊和所述收 卷辊之间；所述冷却部件由所述至少1根可以自由转动的、中空且内通冷却介质的冷却辊 组成，所述冷却辊、所述放卷辊和所述收卷辊都相互平行，并且所述冷却辊的轴向与所述等 离子体进入所述真空室的方向垂直；所述等离子体进入所述真空室的方向与所述冷却辊的 轴向均为水平方向，所述冷却辊与所述开口在水平高度上一一对应；或者所述等离子体进 入所述真空室的方向为水平方向，所述冷却辊的轴向为竖直方向，所述开口与所述冷却辊 在左右方向或者前后方向上一一对应；或者所述等离子体进入所述真空室的方向为竖直方 向，所述冷却辊相对应地位于所述开口的正下方或者正上方。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述真空室内还设置有张力调节机构，所 述张力调节机构置于所述冷却部件的两侧并位于所述放卷辊与所述收卷辊之间。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于所述张力调节机构包括一个或者多个过 渡轮，一个或多个张力调节轮以及一个或多个牵引轮。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述设备还包括与所述放卷辊和所述收 卷辊相连的电机和用于加速由所述离子源发出的离子束流的部件；所述部件设置在所述离 子源与所述真空室之间。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于所述真空室内还设置有支架，所述电机、 所述放卷辊、所述张力调节机构、所述收卷辊以及所述冷却部件均置于所述支架上。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述离子源为金属蒸汽真空弧离子源或 者磁过滤金属蒸汽真空弧离子源。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述真空室壁上还设置有工作气体通入□。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述开口的个数为2-10个，所述冷却辊 的根数为2-10根。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的设备，其特征在于所述开口为6个，在所述真 空室的相对两壁上分别设置3个。
10.根据权利要求1-8中任意一项所述的设备，其特征在于所述开口为矩形，该矩形 的两条边与所述冷却辊轴向平行，另两条边与所述冷却辊轴向垂直，其中，与所述冷却辊轴 向垂直的两条边的尺寸为所述冷却辊直径的0. 3-1倍。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于所述开口为矩形，该矩形的两条边与所 述冷却辊轴向平行，另两条边与所述冷却辊轴向垂直，其中，与所述冷却辊轴向垂直的两条 边的尺寸为所述冷却辊直径的0. 3-1倍。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于所述开口与其相对应的所述冷却辊轴 线之间的距离为所述冷却辊直径的0. 5-3倍。
13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于所述开口与其相对应的所述冷却棍轴 线之间的距离为所述冷却辊直径的0. 5-3倍。
14.根据权利要求10所述的设备，其特征在于位于同一壁上的相邻两个所述开口之 间的距离为所述冷却辊直径的0. 75-4倍。
15.根据权利要求11所述的设备，其特征在于位于同一壁上的相邻两个所述开口之 间的距离为所述冷却辊直径的0. 75-4倍。
16.根据权利要求12所述的设备，其特征在于位于同一壁上的相邻两个所述开口之 间的距离为所述冷却辊直径的0. 75-4倍。
17.根据权利要求13所述的设备，其特征在于位于同一壁上的相邻两个所述开口之 间的距离为所述冷却辊直径的0. 75-4倍。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于所述开口与所述冷却辊轴向垂直的 两条边的尺寸30-100毫米，所述冷却辊轴的直径为50-100毫米，所述开口与其相对应的 所述冷却辊轴线间的距离为50-150毫米；位于同一壁上的相邻两个所述开口之间的距离 75-200 毫米。
专利摘要本实用新型提供了一种离子注入和等离子体沉积设备，该设备包括离子源和真空室，其中，所述真空室壁上包括设置有抽真空口以及用于与所述离子源连通的开口；所述真空室内包括设置有放卷辊、冷却部件、收卷辊；所述冷却部件由至少所述1根冷却辊组成，所述冷却辊、所述放卷辊和所述收卷辊都相互平行，并且所述冷却辊的轴向与所述等离子体进入所述真空室的方向垂直；所述冷却辊与所述开口在水平高度上一一对应，或者所述开口与所述冷却辊在左右方向或者前后方向上一一对应；或者所述冷却辊相对应地位于所述开口的正下方或者正上方。本实用新型提供的设备能够对薄膜进行连续的等离子体沉积和/或离子注入操作。因此，大大提高生产效率，降低生产成本。
文档编号C23C14/32GK201826010SQ20102055383
公开日2011年5月11日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者杨念群, 谢新林 申请人:深圳市信诺泰创业投资企业(普通合伙)