用于表面处理的设备和方法

用于表面处理的设备和方法
【专利摘要】一种用于涂布零件的设备，包括沉积室(1)和用于同时地或连续地向所述沉积室提供涂布材料的多个涂布设备(2,3)，其中至少一个所述涂布设备(2)为金属过滤电弧离子源，其中至少另一个所述涂布设备(3)为激光烧蚀源。至少两个所述涂布设备经由连接凸缘(10)可除去地连接到所述沉积室上。至少两个所述凸缘为相同的，以便一个所述涂布设备(2,3)可经由不同的凸缘连接到所述沉积室上。
【专利说明】用于表面处理的设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于涂布零件的设备和方法，尤其是生成用于沉积在待涂布的零件表面上的各种涂布材料的等离子的设备。该涂布设备可用于，但不限于，工具、仪器、电子构件、包括钟表和玻璃的货物等的涂布或硬化。
【背景技术】
[0002]用于涂布和硬化零件的各种方法和设备是已知的。常规的物理气相沉积(PVD)方法使用了阴极和阳极。阴极和阳极之间的电场的应用使材料从阴极蒸发，这形成射束，射束可被偏转和过滤以到达其中放置待涂布的零件的真空沉积室。从阳极蒸发的材料沉积在沉积室内的零件上，该零件逐渐涂布该材料。
[0003]US6663755中描述了使用金属过滤电弧离子源的PVD设备的实例。为了提高沉积速率，该设备使用生成朝相同的沉积室引导的两股等离子流的两个等离子源。由于两个源都朝彼此引导，故需要用作挡板的传导护罩，以用于防止由一个等离子源生成的等离子流到达另ー个等离子源中。该挡板増加了 该设备的成本和体积，且需要周期性地清洁或甚至更换。此外，可改善过滤的质量；不同大小的离子粒到达靶，产生了不均匀的涂层。
[0004]W02007089216中和W02007136777中公开了用于以金属过滤电弧离子源涂布零件的类似的设备。
[0005]激光烧蚀设备也已经用于涂布零件；该设备大体上使用朝待烧蚀的材料(如，碳材料团)引导的脉冲激光源。激光脉冲产生朝沉积室内的零件投射且可能偏转的材料的烧蚀。
[0006]US5747120中描述了激光烧蚀设备的实例。在该文献中，用激光烧蚀的靶正好放置在该室中。这种设置使得靶的更换很困难，尤其是如果该室保持在真空条件下。此外，待涂布的零件放置在主室外侧的较小的体积中，以便仅可同时涂布有限数目的零件。
[0007]US6372103中公开了另ー个激光烧蚀系统。在该文献中,沉积室外侧的激光器生成激光束，激光束穿过窗，且到达在沉积室内旋转的圆柱形靶。再次，靶的更换需要开启整个沉积室，如果该室处于真空条件下，则这可为耗时且昂贵的。此外，激光束使得其与旋转的靶的表面成直角，以便烧蚀的材料的至少一部分相对于窗反弾，窗的内侧被快速覆盖，且需要清洁以保持其透明度。
[0008]US6231956中公开了用于碳沉积的激光电弧系统的其它实例。
[0009]一些零件需要具有不同材料的不同层的精密涂布；该制造过程通常使用在不同沉积室中执行的不同步骤，以便连续地沉积不同的层。由于其需要具有相关联的真空生成设备等的多个沉积室，故这是ー种昂贵的方法。此外，由于需要将零件从ー个沉积室转移到下ー个中，故減少了制造产量；真空通常需要在各次转移之后再生成。
[0010]W02008015016描述了用于以金刚石类的层来涂布基底的设备，其中不同类型的不同涂布设备朝公共沉积室布置，或在単独的室中分别布置成直线。这允许单次批量处理内涂布较大数目的零件，且在用不同类型的源设备沉积的两个不同层的之间没有开启沉积室的任何需要。
[0011]本发明的目的在于提高W02008015016中所述的设备和方法的灵活性。
[0012]另ー个目的在于允许在不更换整个设备的情况下以不同的层来涂布和制造不同零件。

【发明内容】

[0013]根据本发明，这些目的将借助于用于涂布零件的设备来实现，该设备包括沉积室和用于同时或连续地向所述沉积室提供涂布材料的多个涂布设备，
其中所述涂布设备中的至少ー者为金属过滤(或未过滤)电弧离子源，
其中所述涂布设备中的至少另ー者为激光烧蚀源，
其中所述涂布设备中的至少两者通过连接凸缘可除去地连接到所述沉积室上，
其中至少两个所述凸缘是相同的，以便可将ー个设备安装在围绕所述沉积室的不同位置处。
[0014]用于将不同类型的不同源设备连接到公共沉积室上的类似或相同凸缘的使用是有利的，因为其允许由任何其它类型的涂布设备来容易地更换ー种类型的一个涂布设备。因此，围绕公共室的涂布设备全部都为可互換的。例如，一个零件可需要用于金属沉积的一个金属过滤电弧离子源设备和用于碳沉积的激光烧蚀源，而另ー个零件将使用用于更快沉积ー个层或用于两个连续层的两种不同金属的沉积的两个金属过滤电弧离子源设备。
[0015]可存在具有用于不同设备的类似凸缘的常规设备，但然而，各个凸缘均具体适用于特定的设备，该设备为不可 互換的，且不可安装在任何位置处或安装在任何凸缘上。
[0016]根据另ー个可能独立的方面，用于涂布零件的设备包括沉积室和具有至少ー对金属离子源的至少ー个金属过滤电弧离子源，各个金属离子源均具有至少ー个阴极、至少一个阳极和相关联的线圈，其中在各个所述对内的两个源的发射方向之间的角大于90°但小于 175。。
[0017]小于175°的角避免了各个源沿另ー个源的方向发射材料的风险，且消除了对两个源之间的护罩的需要。在各个所述对内的两个源的发射方向之间的角可大于90°但小于135°。使两个源之间的角大于90°且优选为小于135°允许了朝待涂布的零件的重要偏转角，且确保了流的有效过滤。
[0018]在一个实施例中，在各个对内的两个源的发射方向不在相同的平面中。这允许沉积室内的两股流更好地扩散和更均匀的涂布。
[0019]作为优选，金属离子源分别包括用于集中金属离子束的两个集中线圈。公共偏转系统包括由各个金属离子源产生的金属离子束横穿的ー个第一线圈，以及在所述金属离子源后面的ー个第二线圈，两个线圈协作，以用于朝所述沉积室偏转所述金属离子束。这允许用有限数目的线圈有效地偏转。
[0020]根据另ー个可能独立的方面，用于涂布零件的设备包括具有激光器的激光烧蚀设备、用于朝靶偏转由所述激光器产生的激光束的镜、用于旋转所述靶的第一马达，以及用于使所述镜位移以便烧蚀所述靶的不同部分的第二马达。第三马达可用于使靶相对于所述激光束沿平行于靶的旋转轴线的轴线位移。第二马达和第三马达允许使用很大的靶，不同零件从该靶被连续地烧蚀，且第二马达和第三马达增加了靶的连续更换之间的周期的持续时间。
[0021]根据另ー个可能独立的方面，用于涂布零件的设备包括激光烧蚀设备，激光束被引导到该设备中，以便与靶所成的角小于激光束与靶的切线之间的角。这降低了所烧蚀的材料朝进入窗反弹的风险，且取消了对清洁该窗的需要。
[0022]通过在ー个源设备中使用用于烧蚀相同的靶或用于烧蚀两个不同靶的两个激光器可实现更快的涂布。
【专利附图】

【附图说明】
[0023]借助于通过举例的方式给出和由图1示出的实施例的描述将更好地理解本发明，图1示出了本发明的设备的截面视图。
[0024]零件清单:
I沉积室
2第一涂布设备:金属过滤电弧离子源 10连接凸缘
100进入沉积室中的引入轴线 20阴极
200阴极的轴线 21阳极
23，24集中线圈
25-27偏转线圈
28金属离子源
29金属捕集器
3第二涂布设备:激光烧蚀源
30激光器
300激光束
31镜
32靶(如，碳靶)
33第一马达 34第二马达 35捕集器 36阳极 37窗
38，39偏转线圈 5尚子枪。
【具体实施方式】
[0025]图1示出了根据本发明的设备，该设备具有单个沉积室I。待涂布的零件(未示出)(如，基底、钻、机械零件等)放置在沉积室I中的ー个或若干个零件支座上。取决于应用，使用真空生成系统(未示出)可将真空应用于沉积室I中。[0026]沉积室I包括用于连接各种涂布设备的多个连接凸缘10。在本文献中，短语〃涂布设备"大体上表示可用作用于生成朝沉积室I引导的材料流的源以便涂布该室内的零件的设备。根据本发明的ー个方面，至少两个连接凸缘10是相同的或至少是相容的，以便可相等地将ー个设备连接到一个凸缘上或连接到另ー个凸缘上。
[0027]在示出的实例中，沉积室I具有两个相同的连接凸缘10，但可使用两个以上的凸缘。凸缘优选为真空凸缘。以金属过滤电弧离子源2的形式的第一涂布设备连接到连接凸缘10中的一者上，而以激光烧蚀源3的形式的第二涂布设备连接到所示实例的另ー个连接凸缘10上。由于该设备具有两个相容的连接凸缘10，故还将有可能的是，以其它布置来将不同类型的设备安装到相同的沉积室I上，例如:
n相同类型的两个或多个金属过滤电弧离子源，以用于更快和/或更加均匀地沉积金属涂层；
n不同类型的两个或多个金属过滤电弧离子源，以用于以两个不同的金属层来涂布零
件；
n相同类型的两个或多个激光烧蚀源，以用于以该过程来更快或更加均匀地沉积材料(如，碳)；
n不同类型的两个或多个激光烧蚀源，以用于以两个不同的材料层来涂布零件；n ー个或多个低能离子枪5，例如，基于霍尔加速器，例如，以便以离子束来抛光零件，或以便由离子注入来硬化表面；
n 一个或多个磁控管，磁控管可为平衡的或不平衡的； n ー个或多个CVD装置，如，等离子增强的CVD装置； n一个或多个加热或冷却装置； n或它们的任何组合。`
[0028]所有那些设备都具有相同的凸缘，且可互換地安装在设备的任何不同凸缘上。
[0029]在优选实施例中，一个设备用于沉积底层(如，金属层)，而另ー个设备用于沉积外层(如，硬碳层或DLC层)。因此，可能以单个设备来将各种连续层沉积在相同零件的表面上。
[0030]因此，可提出或出售具有包括各种涂布设备的组合的单个室，使用者可选择涂布设备和围绕沉积室I将其安装到各个等同的位置上，以便适于其需要和适于用于不同零件的各种涂布要求。
[0031]尽管在大多数情形中，将ー个接ー个地使用不同的涂布设备，以便在单个零件上连续地涂布不同涂布材料的叠加层，对ー些过程还有可能的是，同时使用两个设备，例如，两个相同的设备，以便加快沉积过程，或两个不同的设备，以便混合射束和沉积具有来自不同源的混合材料的层。此外，如果在各个设备的使用之间更换室中的零件，则不同的涂布设备可用于不同的过程中，以用于涂布不同的零件。
[0032]根据本发明的ー个方面，至少ー个金属过滤电弧离子源2包括两个不同的金属离子源28。两个源的使用提高了沉积速率，且在涂布零件时，改善了形成于沉积室I内的等离子的均匀性，导致更快和更规则的涂布。各个源均具有将用于涂布的金属或材料的阴极20，以及ー个或若干个阳极21，以在触动至少一个电流源时产生电弧放电，以便从阴极获取材料。[0033]阴极优选为具有圆锥形的形状，以便在服务时间期间使沉积均匀。当表面阴极被侵蚀以致于其与靶的距离增加吋，阴极表面由于圆锥形的形状而増大，以便沉积速率保持大致恒定。
[0034]偏转系统包括包绕正好在阴极20之后的导管的一部分的两个线圈23，24。那些线圈23，24用于集中沿阴极20的轴线200从阴极20获取的粒子流，且用以减小相对于导管的侧壁的分散。
[0035]使得各个阴极20的轴线200与进入沉积室I中的引入轴线100成角a，引入轴线100也是凸缘10的中心轴线。因此，发射的粒子束需要从初始发射方向100偏转到进入沉积室I中的引入方向。该偏转由至少ー个第一偏转线圈27产生,第一偏转线圈27围绕连接凸缘10安装，以便正好在其引入沉积室I中之前由偏转束穿过。设在金属离子源28后面的另ー个可选的线圈25与线圈27协作，以用于朝所述沉积室偏转所述金属离子束。作为优选，那些线圈25和线圈27分别具有圆柱形或圆环形状，其具有对应于连接凸缘10的轴线和对应于引入轴线100的轴线。该偏转用作过滤手段，以用于从粒子中过滤出具有不同于平均期望重量的重量的中性粒子，它们不沿不同的方向分别偏转。由射束穿过的金属捕集器29保持在用于捕集具有不同重量的离子的变化的电势下。
[0036]第二线圈26优选为布置成闭合的，且平行于第一线圈27，以便由偏转束穿过。该第二线圈与沉积室的另ー侧上的另ー个线圈38协作，以便控制和均化由电弧离子源2或由激光烧蚀源3在沉积室内产生的粒子云。
[0037]角a优选为小于135°，甚至优选为小于120°，以提供足够的偏转和足够的过滤。然而，根据与所有的其它方面相独立的本发明的方面，该角还大于90°，优选为大于95°，以避免其中两个金属过滤电弧离 子源2的轴线200对准的情形，以及其中由一个源产生的射束将朝另一个源引导的情形。该具体布置避免在两条射束之间的交会处对任何护罩或挡板元件的需要，因此，导致更简单和更加紧凑的设计，该设计也更容易清洁。此外，由于射束未对准，故该设置改善了两个射束的混合和空间扩散，因此，导致在室I内的粒子的更加均匀的分布。
[0038]在优选实施例中，两个金属离子源28的轴线200未处于相同平面中，而是处于两个平行或不平行的平面中，以便将来自源28的两条射束沿公共导管但沿两个相异的方向引入沉积室I中。这对在涂布时改善粒子沿垂直于附图的平面的方向的分布和改善形成于沉积室I内的等离子的均匀性是有用的，因此导致改善的涂布质量。
[0039]在一个实施例中，涂布设备包括叠加在彼此上的两对金属离子源28，因此提供更快的涂布和/或不同阴极的连续更换，而不完全中断涂布过程。
[0040]驱动两个金属离子源28的电流发生器优选为生成具有包括IHz到IOOHz之间的频率，大致小于I’OOOHz的频率的脉冲电流，且更常用于常规金属离子源中。在优选实施例中，输送至第二离子源28的电流相对于输送至第一离子源28的电流移相，因此对电网系统导致较小的干扰，且粒子流更连续流入沉积室I中。各个脉冲优选为均具有150mJ或以上的能量。各个脉冲优选为均高于4’ 000A,因此，大致大于常规系统中使用的大约I’ 000A的常规电流。测试和实验已经示出，该较高的电流尽管需要更复杂的电子设备，但提供了改善的且更规则的零件涂布。
[0041]附图中示出的设备还包括在第二连接凸缘10上安装到沉积室I上的脉冲激光烧蚀源3，第二连接凸缘10与离子源2连接到其上的第一连接凸缘10相同或相客。脉冲激光烧蚀源3适合于烧蚀靶32，如，石墨靶或碳靶。该脉冲激光烧蚀源3为有用的，因为其能够产生较高纯度的膜，例如，如金刚石类涂层(DLC)。激光源30生成经由窗37引导到碳靶32上的脉冲激光束300。聚焦透镜(未示出)可用于集中激光束。
[0042]激光束以大致相切的角到达圆柱形的靶32上，以便立即从靶32中蒸发的碳离子沿不同于激光的始发方向的方向投射。这对防止碳沉积在窗37上是有用的。因此，在优选实施例中，激光束300与靶32的切线产生小于45°的角，优选为小于20°。作为优选，控制由步进马达34控制的移动的镜31，以便在靶32的期望地点处偏转激光束。
[0043]第一马达33用于持续地或以连续的步骤旋转圆柱形的靶32。第二马达34用于相对于靶沿圆柱形的靶32的轴线移动镜32，以便改变烧蚀的圆柱的纵向部分。两个马达33，34控制为产生靶32的整个表面的规则的烧蚀。附加的马达可选地用于相对于激光器沿垂直于入射激光束的方向移动靶32，因此确保激光束总是到达靶32的表面。在一种选择中，人工地完成用于补偿减小的靶的直径的该位移。
[0044]在一个实施例中，两个激光器30都设在相同的脉冲激光烧蚀源3内，且用于同时攻击相同的碳靶32或两个不同的靶32，以此导致更快的烧蚀和更快的涂布。
[0045]从靶32烧蚀的粒子流被引导到弯曲的导管上，该导管将粒子流联结至沉积室1，且使用由粒子束穿过的偏转线圈38来使粒子流在该导管内偏转。该线圈38优选为安装在导轨上，以便线圈38可沿导管人工地旋转和位移，以便控制偏转。已经提到的第二线圈39由射束穿过，且与沉积室的另ー侧上的线圈26协作，以便控制沉积室内的云的均匀性。
[0046]导管内的弯曲角优选为包括在30°到60°之间，且优选为45°，以便提供适中的过滤和使ー些较大的碳粒子保持在弯曲的射束内，因此导致比如果使用更弯曲或甚至双倍弯曲的导管更快和更好的涂布。捕集器35在导管内捕集具有不同重量的粒子。
[0047]该方法还涉及从未 涂布的零件开始制造涂布的零件的方法，所述方法使用围绕公共沉积室的多个涂布设备，其中所述沉积室包括多个等同的凸缘，且其中该方法包括将金属过滤电弧离子源安装到所述凸缘中的任何一者上，将激光烧蚀源安装到任何其它所述凸缘上，以及将不同涂布材料的不同层连续地沉积到所述沉积室内的零件上。该方法和如上所述的新金属过滤离子源和激光烧蚀源的使用导致了具有之前从未达到的涂布性能的新零件的制造，尤其是就纯度和规则度而言。
【权利要求】
1.一种用于涂布零件的设备，包括沉积室(I)和多个涂布设备(2，3)，所述涂布设备(2，3)用于同时地或连续地向所述沉积室(I)提供涂布材料， 其中至少ー个所述涂布设备(2)为金属过滤电弧离子源(2)， 其中至少另ー个所述涂布设备(3)为从激光烧蚀源(3)、磁控管、CVD设备或低能离子枪(5)中选择出的设备， 其特征在于，至少两个所述涂布设备(2，3)经由连接凸缘(10)可除去地连接到所述沉积室⑴上， 其中至少两个所述凸缘(10)为相同的，以便所述涂布设备(2，3)中的一者可经由不同的凸缘(10)连接到所述沉积室(10)上。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述金属过滤电弧离子源(2)包括至少ー对金属离子源(28)，各个金属离子源均具有至少ー个阴极(20)、至少ー个阳极(21)和相关联的线圈(23，24，25，26，27)，其中在各个所述对内的所述两个金属离子源(28)的发射方向之间的所述角度W )大于90°，但小于170°。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在干，在各个所述对内的所述两个金属离子源(28)的所述发射方向未处于相同平面中。
4.根据权利要求2或权利要求3中的一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括叠加在彼此上的两对金属离子源(28)。
5.根据权利要求2至权利要求3中的一项所述的设备，其特征在于，所述阴极(20)具有圆锥形的形状，以便在服务时间期间使沉积均匀。
6.根据权利要求2至权利要求5中的一项所述的设备，其特征在于，各个所述金属离子源(28)包括用于集中所述金属离子束的两 个集中线圈(23，24)。
7.根据权利要求2至权利要求6中的一项所述的设备，其特征在于，所述金属过滤电弧离子源(2)包括由各个所述金属离子源产生的所述金属离子束穿过的至少ー个第一线圈(27)。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述金属过滤电弧离子源(2)包括在所述金属离子源后面的至少ー个第二线圈(25)，所述第一线圈与所述第二线圈协作，以用于朝所述沉积室偏转所述金属离子束。
9.根据权利要求1至权利要求8中的一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括用于生成脉冲电流的至少ー个电流源，所述脉冲电流用于向所述金属电弧离子源供能，其中所述电流源布置成用于产生具有在IHz到IOOHz之间的频率下的高于4000A的最大振幅的电流。
10.根据权利要求1至权利要求9中的一项所述的设备，其特征在于，所述激光烧蚀源(3)包括至少ー个偏转线圈(39)，所述线圈(39)用于偏转和过滤由所述激光烧蚀源烧蚀的所述粒子。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，用于偏转和过滤由所述激光烧蚀源烧蚀的所述粒子的所述偏转线圈(39)为可旋转的，以用于控制所述粒子束的偏转。
12.根据权利要求10或权利要求11中的一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括由所述金属离子束穿过的至少ー个线圈(26)和由所述激光烧蚀源烧蚀的所述粒子束穿过的至少ー个线圈(38)，所述线圈(26，38)协作，以用于控制所述沉积室(I)内的所述粒子的分散。
13.根据权利要求1至权利要求12中的一项所述的设备，其特征在于，所述激光烧蚀源(3)包括激光器(30)、用于朝靶(32)偏转由所述激光器产生的所述激光束的镜(31)、用于旋转所述靶的第一马达(33)，以及用于使所述镜位移以便烧蚀所述靶的不同部分的第二马达(34)。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，使得所述激光束(300)与所述靶(32)的切线成小于45°的角。
15.根据权利要求13至权利要求14中的一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括用于使所述靶相对于所述激光束沿平行于所述靶的旋转轴线的轴线位移的第三马达。
16.根据权利要求1至权利要求15中的一项所述的设备，其特征在于，所述激光烧蚀源包括用于烧蚀一个或多个靶的两个激光器(30)。
17.一种由未涂布的零件制造涂布的零件的方法，所述方法使用围绕公共沉积室(I)的多个涂布设备(2，3)，其中所述沉积室(I)包括多个相容的连接凸缘(10)， 所述方法包括将金属过滤电弧离子源(2)安装在任何ー个所述连接凸缘(10)上，将激光烧蚀源(3)安装到任何其它所述连接凸缘(10)上，以及将不同涂布材料的不同层连续地沉积在所述沉积室(I)内的一个或`多个零件上。
【文档编号】H01J37/32GK103459652SQ201080071083
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2010年11月11日 优先权日:2010年11月11日
【发明者】S.米克海洛夫 申请人:Nci瑞士纳米涂层公司