本发明涉及一种采用复合技术制备涂层的装置，具体是指通过一种装置可将piii&d/ald/cvd三种制备涂层的技术复合起来进行涂层的制备，属于低温等离子体物理和化学领域中材料表面改性技术领域。
背景技术：
随着科技的发展，人们对涂层的硬度、耐高温、抗冲蚀、抗氧化等性能的要求越来越高，传统单一的物理气相沉积(physicalvapordeposition，pvd)和化学气相沉积(chemicalvapordeposition，cvd)技术已经不能满足航空航天、医疗器械、汽车、船舶等领域的需求。
物理气相沉积技术及其涂层设备目前已经较为成熟，该方法可以制备出优异性能的薄膜涂层，但是其沉积效率慢不能获得较高厚度的涂层，并且绕镀性差对复杂表面或内径比小的表面成膜能力较差。化学气相沉积能够在工件表面上形成均匀整齐的涂层，且沉积速率快能够获取较大厚度的涂层，但也存在组织晶粒粗大、涂层不致密等缺陷，以抗氧化涂层为例，其cvd涂层的失效机理就是涂层以柱状晶形式垂直于表面生长，成为基材和氧扩散的快速通道，从而导致涂层失效。原子层沉积技术(ald)是一种具有自限制特性沉积涂层的一种方法，能够制备致密、连续、均匀且无空洞缺陷的涂层，但其生长速率太低难以满足工业需求。
近年来随着涂层技术突飞猛进的发展，涂层技术越来越趋向于复合化、可控化，以确保涂层的性能达到目标要求。兰州空间技术物理研究所已经提出了结合ald和cvd复合技术制备涂层，cvd能够保证涂层的厚度，再在cvd涂层表面上制备致密均匀的ald涂层可以达到封严的效果，但是ald涂层生长严重依赖基材最外层原子悬键及点阵结构和空间位阻的影响，因此在cvd薄膜表面难以形成致密的ald涂层。
离子注入(piii&d)技术可以在基体表面注入和沉积同种或异种元素，不仅可以改变表面基体性能，还可以打破基体表面原子排列，形成纳米晶或非晶层，或形成混合界面，改善基片对涂层的亲和性，抑制因晶粒外表面取向的不同而对后继沉积层的成核、生长产生影响，使得传统工艺无法附着或者附着差的涂层实现附着、并提高与基片的结合力同时保障涂层的致密性。因此将piii&d引入到ald和cvd复合制备涂层技术中能够改善cvd涂层表面性能，从而可以得到致密的ald涂层。
由此，可知piii&d/ald/cvd复合技术制备涂层的方式将成为表面改性技术中一种重要的手段。但是由于物理气相沉积和化学气相沉积方法在原理和操作上具有明显的差异性，在目前的设备中还没有能够同时完成piii&d/ald/cvd复合涂层制备的能力。如果分别将基体在不同的反应室中进行独立方法沉积以达到复合涂层的效果，这不仅难以保证每层薄膜表面的清洁度，也会大大降低工作效率和增加设备的成本，从而严重限制了复合技术制备涂层在工业中的广泛应用。
技术实现要素：
本发明的目的是针对目前技术的不足，提供一种复合技术制备涂层的装置，使其能够将piii&d/ald/cvd三种技术在这同一个装置完成切换，最后达到复合涂层的制备，可以大大提高复合涂层的制备的工作效率，也大大节约了设备成本。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：涂层元素蒸发系统，离化和注入且沉积系统，惰性气体供给系统，真空系统。其连接关系：涂层元素蒸发系统通过流量控制器和阀门控制，并经过粒子馈送管道导入到离化和注入且沉积系统，离化和注入且沉积系统又连接到真空系统，真空系统提供试验所需的真空环境，惰性气体供给系统提供惰性气体对ald和cvd镀膜过程中进行吹扫，同时也在piii&d离子注入过程提供电离气体，废气由真空系统中的机械泵抽去。
所述的涂层元素蒸发系统，针对在常温下饱和蒸汽压高的物质元素(如氧化铝tma)，包括：气体钢瓶，手动阀门，流量控制计，双向阀门，粒子馈送管道。所需沉积且注入的物质元素和反应气体放在不同钢瓶中，当手动阀开启后，通过自身蒸发，并经过流量控制计控制流量，打开双向阀门，借助于粒子馈送管道可以进入离化和注入沉积系统腔体内。通过控制钢瓶的双向阀门开关即可控制所需沉积且注入的物质元素蒸汽和反应气体通入离化和注入且沉积系统工作室内的形式(cvd同时通入，ald脉冲通入)。
所述的涂层元素蒸发系统，针对在常温下饱和蒸汽压低的物质元素，包括：加热箱体，气体钢瓶，手动阀门，流量控制计，双向阀门，粒子馈送管道。饱和蒸汽压低的化合物需要借助加热才能获取满足试验所需求的挥发量，装有涂层元素化合物的钢瓶放在加热箱中加热蒸发，并由连接通入的惰性气体将物质元素运载通入离化和注入沉积系统腔体内。物质元素蒸汽和反应气体的流量和运输可通过控制阀门及流量控制计并利用粒子馈送管道实现，在元素蒸汽传输过程中，所流经的离子馈送管道要有加热装置，以防止蒸汽的冷凝堵塞管道。
所述的离化和注入且沉积系统，包括：点状阳极，金属盖板，绝缘陶瓷，离化和注入且沉积腔体，环形磁控靶，感应线圈，射频电源，工件靶台，工作台支架，热电偶。连接关系为：环形磁控靶置于工件靶台正上方，连接到电源的阴极上，环形磁控靶包括磁控系统和水冷系统，所述涂层元素蒸发系统中的粒子馈送管道通过环形磁控靶中心导入腔体内，导入处的粒子馈送管道作为阳极，且阳极接地。其中离化和注入且沉积腔体是由圆筒形的石英玻璃构造而成的，上方由一金属盖板封顶，金属盖板与点状阳极之间由绝缘陶瓷隔离，金属盖板接地。圆筒形的反应腔体上缠绕部分感应线圈并连接到一个射频电源上，通过产生感应电动势形成涡流效应，使金属基体产生焦耳热，在ald和cvd过程中也可通过感应电场来提供感应耦合等离子，形成pe-ald或pe-cvd。工件放在工件靶台上，工件靶台由工作台支架支撑，连接到外部电源的负极，工件靶台可转动也可固定，工作台支架可以控制工件靶台升降。腔体内部装有热电偶，测试腔体内部的温度，达到对镀膜过程中的试验环境的监控。
所述的惰性气体供给系统可为离子注入过程中提供惰性气体用于电离，产生等离子体。同时，也可以为离化和注入且沉积腔体提供清洁处理，利用惰性气体对腔体内部或工件表面进行吹扫，例如：在ald过程中，前驱体的通入达到饱和后需要将工件表面多余的前驱体吹扫，在每个反应周期后，也同样需要把多余的反应气体及反应残物吹走。惰性气体供给系统主要包括装有惰性气体的钢瓶、手动的控制阀门、控制流量大小的流量控制计、双向的阀门，通过传输导管，将惰性气体脉冲导入到腔体内部。吹扫后的残余物质，由腔体连接到真空系统，真空系统将残余气体抽走。
所述的真空系统是为离化和注入且沉积系统提供真空环境，同时也用来抽走工作室内的残余气体和物质。该真空系统包括：机械泵，分子泵，电磁阀，双向阀，三向阀，电阻规，电离规。一个分子泵和一个机械泵构成一套真空处理设备，分子泵连接到真空室，首先关闭分子泵管道上电磁阀，由机械泵先进行预抽处理，抽到一定气压后，开启分子泵连接的电磁阀，分子泵主要用来提供较高的真空环境。真空排气装置单独连接一个机械泵，用来抽走反应腔内残余气体和物质。双向阀和三向阀门起到一个开启和关闭管道的功能，电阻规和电离规分别用来测试真空系统中的低真空度和高真空度。
本发明的效果和益处：
利用本发明装置可以结合piii&d、ald和cvd三种制备技术优点，通过复合制备的方法(两种方法或三种方法的任意搭配)克服单一方法制备涂层的不足，获得沉积效率高、膜基结合力强、相对致密的涂层，从而可提高其性能和使用寿命，并且只有一个反应室，制备操作过程简单、效率高，且可以大大节约设备成本；利用线圈电感耦合的方式，产生焦耳热对工件基体加热，不需要额外增加加热设备，且通过感应线圈可以产生等离子体，等离子对cvd和ald过程有辅助作用，可以大大提高涂层的沉积效率和质量；环形磁控靶的设计，使阳极处于工件正上方，电场分布对称，piii&d离子注入且沉积过程更均匀。
附图说明
图1是本发明复合技术制备涂层的装置结构示意图，其中所用涂层元素饱和蒸汽压高(常温下蒸发量较大)。
图2是本发明复合技术制备涂层的装置结构示意图，其中所用涂层元素饱和蒸汽压低(需要加热才能得到满足需求的涂层元素蒸发量)。
图3是本发明复合技术制备涂层的装置组成结构示意图。
附图标记汇总：
1、涂层元素蒸发系统2、离化和注入且沉积系统3、惰性气体供给系统4、真空系统5、钢瓶①6、手动阀门7、流量控制计8、双向阀门9、钢瓶②10、加热箱体11、粒子馈送管道12、法兰13、钢瓶③14、绝缘陶瓷①15、绝缘陶瓷②16、钢瓶④17、金属盖板18、环形磁控靶19、点状阳极20、离化和注入且沉积工作室21、感应线圈22、射频电源23、阴极靶台24、工作支架25、绝缘陶瓷③26、热电偶27、电离规28、电阻规29、三向阀门30、电磁阀31、机械泵32、分子泵
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示为涂层元素的饱和蒸汽压较高时的装置结构示意图，其中包括涂层元素蒸发系统1、离化和注入且沉积系统2、惰性气体供给系统3和真空系统4。其连接关系为：涂层元素蒸发系统1连接到离化和注入且沉积系统2，注入且沉积系统2再连接惰性气体供给系统3，真空系统4连接在注入且沉积系统2底部。其具体实施技术方案如下：
涂层元素蒸发系统1主要为复合技术制备薄膜提供含有涂层元素的化合物和反应气体，化合物和反应气体分别放入涂层元素蒸发系统1的两个钢瓶中，图1中所提供的化合物饱和蒸汽压较高不需要加热即有较高的挥发量，能够满足试验需求，并且也不需要运载气体。通过控制手动阀6、流量控制计7和双向阀门8，可以得到不同流量的化合物蒸汽和反应气体进入到粒子馈送管道11中，例如：ald试验过程中，化合物蒸汽和反应气体应以脉冲的形式导入离化和注入且沉积系统2中，此时应先打开化合物钢瓶管道中的手动阀门，并且通过调节流量控制计控制其流量，再打开其管道线路中的双向阀门，将化合物元素蒸汽传输到粒子馈送管道11中，然后导入到离化和注入且沉积系统2中，当化合物元素蒸汽与工件表面化学吸附饱和且经过惰性气体供给系统3提供的惰性气体清理后，此时依次关闭化合物元素蒸汽管道路线上的手动阀门、流量控制计和双向阀门，再将反应气体钢瓶管道路线上的手动阀门、流量控制计和双向阀门打开，将反应气体脉冲到离化和注入且沉积系统2中，这样就完成了ald试验中的一个循环；cvd试验过程中，化合物元素蒸汽和反应气体应同时导入到离化和注入且沉积系统2中，此时应将化合物元素和反应气体管道中的手动阀门和双向阀门同时都打开，并通过分别控制它们管道线路中的流量控制计来控制流量；piii&d(离子注入)试验过程，不需要用到涂层元素蒸发系统1，因此此时涂层元素蒸发系统1中的所有阀门应该全部关闭。
离化和注入且沉积系统2的作用是提供复合技术制备薄膜的工作室。离化和注入且沉积工作室20为圆筒形的石英玻璃构成，顶部是金属盖板17，环形金属靶18装置在金属盖板17中部，正下方为工件靶台23，工作室20圆柱面上缠绕部分连接在一射频电源22的感应线圈21，所述涂层元素蒸发系统1中的粒子馈送管道11由环形金属靶18中心导入工作室20中，导入处的金属管道作为点状阳极19，点状阳极19与环形金属靶18(金属靶18和金属盖板17)之间由绝缘陶瓷14(绝缘陶瓷15)隔离开，阴极连接到盛载工件的阴极靶台23上，阴极靶台由工作支架24支撑和控制。具体实施如下：piii&d(离子注入)试验过程，由惰性气体供给系统3提供惰性气体，环形金属靶18提供注入元素原子和离子(此时，靶材外接一个电源阴极，阳极接地)，工件连接负高压离化惰性气体，金属靶材18吸收能量，产生等离子体，离子通过鞘层加速沉积并注入到工件上；ald和cvd过程中，通入的涂层元素化合物和反应物在工件表面上进行反应并沉积成薄膜，感应线圈21连接一定电流的射频电源22的会产生感应耦合等离子体，等离子在试验过程中起到辅助的作用即pe-cvd或pe-ald，这样可以提高薄膜的沉积速率和质量。其中感应线圈21还可以通过电感耦合效应对金属工件进行加热，当阴极靶台23处于感应线圈21加热区时，可以提供工件所需要的温度，热电偶26可以监测工作室内温度，达到对试验环境的控制，但如果工件不需要加热如冷壁式cvd，则可以通过控制工作支架24上升或者下降，使工件偏离感应加热区。
惰性气体供给系统3是将惰性气体装在钢瓶④16中，连接上手动阀门6、流量控制计7和双向阀门8，再由粒子馈送管道11导入到工作室20，馈送管道和工作室之间由法兰12连接，具体实施如下：piii&d(离子注入)试验过程，惰性气体供给系统3主要提供惰性气体如ar，在磁控靶18加载磁控电源，使惰性气体发生辉光放电，产生等离子体。其中电子的运动受到正交电场和磁场的束缚，局限在一定区域呈现螺旋漂移运动，增大了电子与中性粒子的碰撞几率，从而提高气体的离化率。与此同时，工件上加载负压，在其表面形成等离子体鞘层。在电场的作用下，等离子体中的离子向工件运动并进入鞘层，在鞘层的作用下获得能量从而实现离子注入或沉积的过程；ald和cvd过程中，惰性气体供给系统3主要起到清洁的一个作用，在ald试验中前驱体和反应气体每个脉冲和周期后均需要通入惰性气体进行清扫，cvd方法镀膜后也需要利用惰性气体进行清理。
真空系统4是为整个离化和注入且沉积系统2提供真空环境的。piii&d离子注入过程一般需要较高的真空度(10-3pa)，因此需要分子泵32对工作室进行高真空处理，分子泵32由于转速太高(400r/s以上)不能直接接触空气，需要单独用一个机械泵进行保护，机械泵27连接空气，分子泵与机械泵之间由电磁阀30连通或关闭，具体实施过程：首先由左侧的机械泵31将工作室真空度抽到10pa左右，然后打开左侧机械泵31与分子泵32间的电磁阀，由机械泵和分子泵一起工作将真空室抽到10-3pa及以下，在piii&d试验过程中机械泵和分子泵应持续工作以保持真空度。在ald和cvd过程中，一般对真空度要求不高，不需要通过分子泵进行真空处理，此时将分子泵管道上的双向阀门关闭，打开右侧机械泵管道的电磁阀30，由右侧机械泵抽取低真空即可，同时可以将ald和cvd试验过程中清理的废气抽出到空气外。其中三向阀门29主要起到切断真空泵和离化和注入且沉积系统2的作用，电离规27和电阻规28分别测试真空系统中的高真空度和低真空度。
图2和图3是涂层元素的饱和蒸汽压较低时的装置结构示意图及其组成结构示意图，和图1结构一样，图2也包括涂层元素蒸发系统1、离化和注入且沉积系统2、惰性气体供给系统3和真空系统4。图1和图2结构的主要不同点在于它们的涂层元素蒸发系统1，图2中所用的涂层元素蒸汽压较低，自身挥发量较少，因此需要通过对其加热来增加它的元素蒸发量。具体实施方案如下：含有涂层元素的化合物装在钢瓶②9中，钢瓶②9放置在加热箱体10内，加热箱10升温增加钢瓶②9中的元素挥发量，另外需要将运载气体通入钢瓶②9中用来将挥发出来的涂层元素导入离化和注入且沉积系统2内，运载气体为惰性气体(如ar)装在钢瓶①5中，试验过程中的反应性气体(如o2、h2等)放置在钢瓶③13中，气体及元素蒸发量的开启闭合和流量大小通过分别控制钢瓶处的手动阀6、流量控制计7、双向阀门8，为防止蒸发的元素化合物在粒子馈送管道11内出现凝结、堵塞现象，应将粒子馈送管道11在运输粒子导入到离化和注入且沉积系统2内部前的管道也放置于加热箱体10内部。图2中的离化和注入且沉积系统2、惰性气体供给系统3和真空系统4的具体实施方式与图1中所描述的过程一致。