[发明专利]在连续纤维丝/条带表面高速均匀沉积薄膜的装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜制备领域，具体地说是一种在连续纤维丝/条带表面高速均匀沉积金属/化合物薄膜的装置和方法。

背景技术

对于纤维丝/条带的表面改性，已成为本行业的瓶颈问题。通常采用化学气相沉积和物理气相沉积在纤维丝/条带的表面沉积一定厚度的金属层/化合物层以及它们的复合涂层。化学气相沉积由于需要高的沉积温度和使用有毒的前驱气体，对设备要求比较严格；物理气相沉积可以在较低温条件下制备金属或化合物薄膜，包括真空热蒸发、电弧离子镀和磁控溅射等。电弧离子镀由于大颗粒的问题限制了其应用，而磁控溅射则可以沉积致密均匀的纳米薄膜。

传统的磁控溅射即为平衡态磁控溅射，是在阴极靶材背后芯部磁场设置与外环磁场强度相等或相近的永磁体或电磁线圈，在靶材表面磁场会形成与电场方向相垂直的正交磁场，该磁场导致等离子体区被强烈地束缚在靶面区域，随着离开靶面距离的增大，等离子浓度迅速降低。在平衡态磁控溅射时，飞出的靶材粒子能量较低，膜基结合强度较差，低能量的沉积原子在基体表面迁移率低，易生成多孔粗糙的柱状晶结构薄膜。于是，出现了非平衡态磁场的设计，磁场强度可设计成边缘强或中部强，实现溅射靶表面磁场位形和分布的“非平衡”。磁控溅射靶的非平衡磁场不仅可以通过改变内外磁体的大小和强度的永磁体获得，也可由两组电磁线圈产生，或采用电磁线圈与永磁体混合结构，还有在阴极和基体之间增加附加的螺线管线圈磁场，用来改变和形成阴极与基体之间的耦合磁场，并以它来控制沉积过程中等离子体在空间分布的均匀度，提高薄膜的沉积速率。非平衡态磁控溅射克服了平衡态磁控溅射的缺点，主要体现在以下两个方面：一方面是溅射出来的原子和粒子沉积在基体表面形成致密均匀的薄膜，另一方面是等离子体以一定的能量轰击基体，起到离子束辅助沉积的作用，大大的改善了膜层的质量。

实验结果表明：单独的非平衡磁控靶在复杂基片上较难沉积出均匀的薄膜，多靶非平衡磁控溅射系统可以弥补单靶非平衡磁控溅射的不足。多靶非平衡磁控溅射系统根据磁场的分布方式可以设计为相邻磁极相反的闭合磁场非平衡磁控溅射和相邻磁极相同的镜像磁场非平衡磁控溅射。多靶闭合磁场非平衡磁控溅射系统可以获得高的沉积速率和较高质量的薄膜，因此实际应用中较多采用的是闭合磁场非平衡磁控溅射系统。

沉积金属等导电薄膜，可以使用直流电源直接进行溅射沉积；如果沉积多元化合物薄膜，则需要使用反应磁控溅射技术。但是，使用直流电源在反应磁控溅射沉积介电材料或绝缘材料化合物薄膜时，容易出现迟滞现象，会导致靶中毒和打弧问题。最为有效的解决方式是改变溅射电源，即采用中频脉冲电源。脉冲磁控溅射技术和射频电源可以有效地抑制电弧产生，进而消除由此产生的薄膜缺陷，同时可以提高溅射沉积速率，降低沉积温度等一系列显著优点。一般地要获得结晶度好的薄膜，基片需要加热到一定温度，对于纤维丝/条带加热有一定难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在连续纤维丝/条带表面高速均匀沉积金属/化合物薄膜的装置和方法，利用四个非平衡磁控溅射靶所形成的封闭磁场系统解决了在纤维丝/条带表面高速均匀沉积薄膜的问题，可以在连续纤维丝/条带表面高速沉积出厚度均匀的金属/多元化合物薄膜，实现沉积过程的连续性和稳定性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种在连续纤维丝/条带表面高速均匀沉积薄膜的装置，该装置为真空装置，由两组四面矩形或正方形非平衡态磁控靶材和两个相同的带孔遮蔽板组成的真空封闭长方体或立方体连接两个张力可控的卷绕工件转架于内的真空腔体组成，其中：两组四面非平衡态靶材和两个遮蔽板形成封闭的长方体或立方体空间，两组靶材由中频脉冲或直流电源驱动在封闭的长方体或立方体空间内产生高密度的等离子体，纤维丝/条带通过两个张力可控的卷绕工件转架从封闭空间的高密度等离子体中心穿过并在纤维丝/条带上高速均匀地镀膜；中频脉冲/直流磁控溅射电源的阴极与靶材相接，阳极和真空腔体接地。

所述的在连续纤维丝/条带表面高速均匀沉积薄膜的装置，整个真空系统中两个非平衡靶材A、B为一组，另两个非平衡靶材C、D为一组，两组靶材单独分别使用，或者同时使用。

所述的在连续纤维丝/条带表面高速均匀沉积薄膜的装置，每组靶材背面的磁铁磁极相反，分别形成封闭的磁场，背面的磁铁使用永磁铁或者电磁铁，中间加磁轭或不加磁轭。

所述的在连续纤维丝/条带表面高速均匀沉积薄膜的装置，该装置中真空封闭长方体或立方体为一个或一个以上。