專利名稱：脈沖輔助過(guò)濾電弧沉積薄膜裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬涉及表面沉積技術(shù)，尤其涉及多弧離子鍍膜技術(shù)。
多弧離子鍍膜技術(shù)源于前蘇聯(lián)，七十年代美國(guó)授權(quán)了多項(xiàng)電弧離子鍍膜技術(shù)的相關(guān)專利。其基本原理是以真空室為陽(yáng)極，以欲鍍材料靶作為陰極安裝在真空室壁上，用與陽(yáng)極等電位的引弧針與表面瞬時(shí)接觸拉開(kāi)，引發(fā)電弧放電。在一定真空度范圍引發(fā)所形成的點(diǎn)電弧能在靶表面形成自持的、作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的電弧斑點(diǎn)。這種電弧弧斑的直徑約為0.1---100μm，運(yùn)動(dòng)速度約100m/S，電流密度約為102-108A/cm2，弧斑所處點(diǎn)溫度可達(dá)8000-10000K，使靶材直接從固態(tài)汽化并電離，發(fā)射出電子、離子、原子和熔融的靶材微粒(又稱大顆?；蛞旱?，這些粒子在負(fù)偏壓的作用下在工件表面沉積形成薄膜。如果真空室內(nèi)充入反應(yīng)氣體，則可沉積化合物薄膜。
多弧離子鍍膜技術(shù)的主要特點(diǎn)是一是靶材料蒸發(fā)速率高，因而可獲得較大的薄膜沉積速率；二是靶材料的離化率高，通常可達(dá)60％-95％，利于與通入氣體反應(yīng)形成化合物薄膜；三是發(fā)射粒子的能量高，在幾十電子伏特，在負(fù)偏壓作用下可達(dá)幾百電子伏特極大提高了薄膜的均勻性和附著力。同時(shí)由于靶材安放的靈活性、結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔性，特別是無(wú)環(huán)境污染，使其在耐磨工具涂層、耐蝕零件及材料裝飾鍍等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
然而“液滴”的存在嚴(yán)重阻礙了多弧離子鍍膜技術(shù)向更廣泛的領(lǐng)域擴(kuò)展應(yīng)用?！耙旱巍笔前殡S電子和離子共同從陰極發(fā)射出來(lái)的大顆粒，其數(shù)量較多，尺寸較大，沉積到薄膜之中對(duì)部分涂層工具并不一定影響其性能。然而，對(duì)光學(xué)薄膜、微電子薄膜和日益發(fā)展的高精度刀具、模具而言，一個(gè)大顆粒尺度往往就超出了其精度偏差的要求；對(duì)高檔裝飾件，大顆粒的存在直接影響其表面光潔度；對(duì)耐腐蝕涂層，大顆粒處的薄膜往往存在孔隙，腐蝕介質(zhì)從孔隙滲入，直接腐蝕基體引起薄膜脫落，不能充分體現(xiàn)薄膜本身良好的耐腐蝕性。“大顆?！眴?wèn)題還使靶材消耗過(guò)大，利用率下降，成本提高。因而“大顆粒”的存在成為限制多弧離子鍍膜技術(shù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。
為了解決多弧離子鍍膜技術(shù)的“大顆粒”問(wèn)題，消除“大顆?！睂?duì)薄膜性能的影響，研究人員提出了許多解決和改善的方法。S.Ramalingam等人(S.Ramalingam，et al.，Controlled vacuum arc material deposition，method and apparatus，United States Patent，No.4,673,477，1987)設(shè)計(jì)了一種可控電弧的陰極裝置，主要特征是在靶背部采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的偏心的永久磁鐵旋轉(zhuǎn)，使靶面上的弧斑按照設(shè)計(jì)的路線，均勻、有序地運(yùn)動(dòng)。I.I.Aksenov等人(I.I.Aksenov，V.A.Belous，et al.，Apparatus to rid the plasma of a vacuum arc of macroparticles，Instrum.Exp.Tech.，Vol.21，1978，1416)提出了弧線型過(guò)濾裝置，基本的特點(diǎn)是在靶材料發(fā)射出的粒子進(jìn)入真空室之前，通過(guò)一弧線型磁場(chǎng)通道，一方面通過(guò)弧型通道阻止“大顆?！边M(jìn)入真空室，另一方面通過(guò)旋轉(zhuǎn)的帶電粒子與“大顆?！迸鲎策_(dá)到擊碎的目的盡管該方法可有效地減低“大顆粒”的數(shù)量，但設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和沉積速率的嚴(yán)重降低，使其難以在實(shí)際應(yīng)用中推廣使用。B.F.Coll，D.M.Sanders，Design ofvacuum arc-based sources，Surf.Coat.Tech.，Vol.81，1996，42-51)等人設(shè)計(jì)了一種直線型磁場(chǎng)主要特點(diǎn)是過(guò)濾裝置在陰極表面形成的磁場(chǎng)將影響弧斑的運(yùn)動(dòng)，并將弧斑分裂細(xì)化使其加速，從而縮短了弧斑在一個(gè)位置上的停留時(shí)間，降低了每個(gè)弧斑的電流密度，減少了“大顆粒”的發(fā)射。同時(shí)磁場(chǎng)使帶電粒子旋轉(zhuǎn)增加碰撞機(jī)會(huì)，使“大顆?！睋羲椋按箢w?！背叽绾蛿?shù)量都能減少。但仍有部分“大顆?！贝┻^(guò)磁場(chǎng)沉積到基板上。
本實(shí)用新型的目的是消除多弧離子鍍技術(shù)中的“大顆?！眴?wèn)題，減少靶材的消耗，降低成本；為了提高鍍膜質(zhì)量，從而提供一種制備出沉積膜本身具有良好耐腐蝕性、表面光潔度好的脈沖輔助過(guò)濾電弧沉積薄膜裝置。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型提供的脈沖輔助過(guò)濾電弧沉積薄膜裝置，它由在可容納工件的真空室中密封安裝有通入反應(yīng)氣體用的機(jī)構(gòu)，并和真空室通過(guò)真空管連有抽真空的系統(tǒng)，真空室室壁接地為陽(yáng)極，其上安裝至少一個(gè)欲鍍材料的電弧蒸發(fā)源靶；直流電源的陰極與蒸發(fā)源靶相連接；在真空室底部有一具有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的支架，支架上放置工件，支架下有向工件提供加熱的機(jī)構(gòu)和提供給工件偏壓的電源，加熱機(jī)構(gòu)與真空室外的加熱電源電連接，其特征在于在所述的真空室內(nèi)電弧蒸發(fā)源靶下方安置至少一個(gè)鐵磁線圈纏繞在螺線管上的、具有0-50A磁場(chǎng)線圈電流的直線型磁場(chǎng)線圈；和所述的支架下向工件提供偏壓的電源是提供脈沖偏壓和/或直流偏壓的電源，每個(gè)電源通過(guò)開(kāi)關(guān)與工件電連接。
其中安置電弧蒸發(fā)源靶前的直線型磁場(chǎng)線圈，可帶軟磁芯，也可是空氣間隙；它由鐵磁線圈纏繞在螺線管上而產(chǎn)生，在螺線管內(nèi)部可安裝一個(gè)帶有空氣間隙的軟磁芯。磁場(chǎng)電源提供給磁場(chǎng)線圈是直流、交流或脈沖電流，并可迭加，磁場(chǎng)線圈的安放位置保證真空室具有最大有效空間；磁場(chǎng)電源組包括脈沖電源和直流電源，既可單獨(dú)提供脈沖電壓或直流電壓，又可迭加脈沖電壓和直流電壓。
其中工件偏壓有由一直流電源和一脈沖電源提供，二者均與開(kāi)關(guān)相連，既可單獨(dú)提供脈沖偏壓，又可單獨(dú)提供直流偏壓，也可迭加脈沖偏壓和直流偏壓。
使用脈沖輔助過(guò)濾電弧沉積薄膜裝置進(jìn)行電弧沉積薄膜步驟前級(jí)泵和擴(kuò)散泵組成的真空系統(tǒng)使真空室達(dá)到一定的真空極限，通過(guò)氣體控制系統(tǒng)向真空室中通入惰性氣體和反應(yīng)氣，利用外加熱系統(tǒng)使工件加熱到一定溫度，通過(guò)直流電源和脈沖電源對(duì)工件施加偏壓，對(duì)置于電弧陰極前端的磁場(chǎng)線圈用直流電源施與適當(dāng)?shù)碾娏?，開(kāi)啟電弧陰極電源，引燃電弧，陰極電弧斑點(diǎn)發(fā)射出金屬離子、原子和原子團(tuán)，通過(guò)磁場(chǎng)通道空間，在磁場(chǎng)和負(fù)偏壓的共同作用下，原子團(tuán)和原子進(jìn)一步分解離化，向工件表面運(yùn)動(dòng)，金屬離子與反應(yīng)氣化合在工件表面形成化合物薄膜。在不通入反應(yīng)氣時(shí)則形成金屬薄膜。
在該方法中所使用真空室的極限真空度不低于1×10-3pa，通入惰性氣體(如氬氣)和反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體可以是氮?dú)?、乙炔、甲烷、乙硼烷和氧氣及其它所需反?yīng)氣體，其氣體壓力在0.1-10Pa范圍內(nèi)變動(dòng)；工件加熱溫度可在室溫到700℃連續(xù)可調(diào)；直流偏壓電源電壓在0-1000V連續(xù)可調(diào)，脈沖偏壓電源電壓在0-1000V可調(diào)，占空比在0-100％范圍內(nèi)連續(xù)可變；磁場(chǎng)線圈電流在0-50A范圍內(nèi)變化；電弧陰極的材料可以是鈦、鉻、鋯、鎳、鈮、鎢、鉬、鉭釩、銅、鋁和鉿等各種金屬的單質(zhì)或合金，各種靶材可在真空室中單一或混合布置，直流電源提供電弧陰極的電流在0-200A可調(diào)。
本實(shí)用新型的裝置中在多弧離子鍍靶陰極前端的真空室內(nèi)或外部，加直線型磁場(chǎng)，磁場(chǎng)由鐵磁線圈纏繞在螺線管上而產(chǎn)生，在螺線管內(nèi)部可安裝一個(gè)帶有空氣間隙的軟磁芯，以優(yōu)化和增強(qiáng)磁場(chǎng)。該裝置在等離子體通道內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)而狹長(zhǎng)的瓶頸型磁場(chǎng)，同時(shí)在工件陰極與真空室壁陽(yáng)極之間加一脈沖電源。減少發(fā)射、通道過(guò)濾和碰撞擊碎的綜合作用達(dá)到消除“大顆?！钡哪康?。
由于直線型磁場(chǎng)線圈在陰極表面產(chǎn)生的磁場(chǎng)平行分量的作用，影響弧斑的運(yùn)動(dòng)，使其加速，縮短了弧斑的停留時(shí)間，同時(shí)還會(huì)使弧斑分裂，降低每個(gè)弧斑的電流密度。從而減少“大顆?！钡陌l(fā)射。
直線型磁場(chǎng)線圈在線圈中心產(chǎn)生的瓶頸型磁場(chǎng)對(duì)等離子體進(jìn)行聚焦，可以反射那些發(fā)射方向與靶表面夾角較大的電子和離子，這些反射回流的電子和離子與“大顆粒”發(fā)生碰撞，一方面使“大顆?！币蚺鲎捕至?，另一方面由于碰撞的能量交換，使“大顆?！钡臏囟却蟠笤黾樱埂按箢w?！痹陲w行中進(jìn)一步蒸發(fā)汽化。
基板所加脈沖偏壓，在陰極電弧和瓶頸型磁場(chǎng)之間對(duì)電子和離子產(chǎn)生三個(gè)作用一是加速作用；二是增加回流的帶電粒子數(shù)量；三是使帶電粒子產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩作用。因而使碰撞幾率大大增加，極大地減少了沉積到基板的“大顆?！?。即使有“大顆?！贝┻^(guò)瓶頸型磁場(chǎng)，脈沖偏壓的作用能使其進(jìn)一步被擊碎。
上述三方面的綜合作用，起到了減少“大顆?！钡臄?shù)量，同時(shí)減少“大顆?！钡某叽纾罱K擊碎“大顆?！?，使沉積到基板上的薄膜完全消除“大顆?！薄１緦?shí)用新型的另一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是由于提高了弧斑的運(yùn)動(dòng)速度，減少了電弧斑點(diǎn)在某一位置的停留時(shí)間，并使弧斑的電流密度下降，靶材表面的消耗更加均勻化。盡管總體的發(fā)射數(shù)量沒(méi)有減少，但減少了“大顆?！钡陌l(fā)射，增加了靶材的有效利用率，進(jìn)而使生產(chǎn)周期縮短，產(chǎn)品成本下降。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型提供的脈沖輔助過(guò)濾電弧沉積薄膜裝置進(jìn)行電弧沉積薄膜克服了以往沉積薄膜方法中“大顆?！眴?wèn)題，大大地減少靶材的消耗，降低了成本；應(yīng)用本實(shí)用新型的裝置和方法制備的工件表面薄膜光潔度顯著提高，表面粗糙度Ra從0.785降低到0.0271μm。并使光工件的耐腐蝕性能提高，在20％的鹽酸中，經(jīng)用本實(shí)用新型后的TiN薄膜的腐蝕速度僅為傳統(tǒng)多弧鍍TiN薄膜的五分之一。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明


圖1是本實(shí)用新型的裝置結(jié)構(gòu)示意圖圖2是使用本實(shí)用新型的裝置沉積1μm厚的TiN薄膜表面形貌圖圖3是對(duì)照傳統(tǒng)多弧離子鍍TiN膜的表面形貌圖實(shí)施例1按
圖1制作一臺(tái)脈沖輔助過(guò)濾電弧沉積薄膜裝置在可容納工件的真空室中的不同位置裝有通入反應(yīng)氣體結(jié)構(gòu)12，真空腔接地為陽(yáng)極；真空室壁上安裝至少一個(gè)欲鍍材料的電弧蒸發(fā)源靶1；直流電源3的陰極與蒸發(fā)源靶1相連接，陽(yáng)極與真空腔連接接地；電弧蒸發(fā)源靶1前可調(diào)節(jié)距離的范圍內(nèi)，安置至少一個(gè)磁場(chǎng)線圈2，帶軟磁芯磁場(chǎng)線圈2，電源4與磁場(chǎng)線圈2電連接，電源4可以是直流、交流或脈沖，并可迭加，磁場(chǎng)線圈的安放保證真空室具有最大有效空間；在真空室下方有一具有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的支架13，工件9放置在具有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的支架13上；支架13底安有一向工件提供加熱的加熱元件8，加熱元件8與加熱元件電源10電連接；直流電源5向工件9提供直流偏壓，電源6向工件9提供脈沖偏壓，二者可單獨(dú)使用，也可迭加使用。真空系統(tǒng)11通過(guò)管道與真空室連通，通常的反應(yīng)氣通入機(jī)構(gòu)及控制部分12密封安裝在真空室壁上。
應(yīng)用本實(shí)用新型實(shí)施例1的裝置進(jìn)行TiN薄膜的方法；首先對(duì)工件進(jìn)行去油及超聲波清洗；清洗干凈的工件裝入真空室，并利用真空系統(tǒng)11對(duì)真空室抽真空，使真空室達(dá)到極限真空度10-3Pa，；利用外加熱電源10通過(guò)加熱元件8對(duì)基板上的工件9進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到所需溫度時(shí)，通過(guò)氣體控制系統(tǒng)12充入氬氣到0.1Pa，在M2高速鋼基板9上加脈沖偏壓200V，占空比60％，進(jìn)行離子轟擊，然后充氮?dú)馐拐婵帐覊毫?.8Pa，通過(guò)磁場(chǎng)線圈電源4給磁場(chǎng)線圈2加電流到50A，通過(guò)電源3對(duì)鈦靶蒸發(fā)源施加弧流60A，并引發(fā)電弧，在此沉積條件下，沉積1μm厚的TiN薄膜表面形貌如圖2所示。對(duì)照傳統(tǒng)多弧離子鍍TiN膜的表面形貌圖3，可以看出在本裝置沉積的TiN膜基本上消除了“大顆?！钡拇嬖?，本實(shí)用新型的綜合優(yōu)勢(shì)，將拓寬多弧離子鍍膜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，具有巨大的工業(yè)意義和使用價(jià)值。
權(quán)利要求1.一種脈沖輔助過(guò)濾電弧沉積薄膜裝置，它由在可容納工件的真空室中密封安裝有通入反應(yīng)氣體用的機(jī)構(gòu)，它和真空室通過(guò)真空管連有抽真空的系統(tǒng)，真空室室壁接地為陽(yáng)極，其上安裝至少一個(gè)欲鍍材料的電弧蒸發(fā)源靶；直流電源的陰極與蒸發(fā)源靶相連接；在真空室底部有一具有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的支架，支架上放置工件，支架下有向工件提供加熱的機(jī)構(gòu)和提供給工件偏壓的電源，加熱機(jī)構(gòu)與真空室外的加熱電源電連接組成，其特征在于在所述的真空室內(nèi)電弧蒸發(fā)源靶下方安置至少一個(gè)鐵磁線圈纏繞在螺線管上的、具有0-50A磁場(chǎng)線圈電流的直線型磁場(chǎng)線圈，和所述的支架下向工件提供偏壓的電源是脈沖偏壓的電源和/或直流偏壓的電源，每個(gè)電源通過(guò)開(kāi)關(guān)與工件電連接。
2.按權(quán)利要求1所述的脈沖輔助過(guò)濾電弧沉積薄膜裝置，其特征在于所說(shuō)的直線型磁場(chǎng)線圈由鐵磁線圈纏繞在螺線管上，螺線管內(nèi)部安裝一個(gè)帶有空氣間隙的軟磁芯組成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及表面多弧離子鍍膜裝置。它由在真空室中密封安裝通入氣體的機(jī)構(gòu),真空室壁接地為陽(yáng)極,其上安裝至少一個(gè)欲鍍材料的電弧蒸發(fā)源靶,并與直流電源的陰極相連接;在真空室底部有一放置工件的支架,支架下有向工件提供加熱的機(jī)構(gòu)和偏壓的電源,在所述的真空室內(nèi)電弧蒸發(fā)源靶下方安置至少一個(gè)直線型磁場(chǎng)線圈,和所述的支架下向工件提供偏壓的電源是脈沖偏壓的電源/直流偏壓的電源,每個(gè)電源通過(guò)開(kāi)關(guān)與工件電連接組成。
文檔編號(hào)C23C14/30GK2407016SQ9924821
公開(kāi)日2000年11月22日 申請(qǐng)日期1999年10月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月11日
發(fā)明者張勇, 曹爾妍, 李成明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所