電弧離子鍍和高功率脈沖磁控濺射復(fù)合的沉積方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電弧離子鍍和高功率脈沖磁控濺射復(fù)合的沉積方法，屬于材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]磁控濺射技術(shù)起初采用直流供電模式，相比于電弧離子鍍方法，沒(méi)有大顆粒缺陷，可以實(shí)現(xiàn)各種材料的低溫濺射沉積，但其濺射材料的離化率很低，濺射靶的功率密度在50W/cm2，薄膜沉積時(shí)得不到足夠的離子數(shù)目，導(dǎo)致沉積效率很低，同時(shí)離子所帶的能量較低，使薄膜組織不夠致密。1999年，瑞典林雪平大學(xué)的V.Kouznetsov等人(Kouznetsov V,Macak K， Schneider J Mj Helmersson U， Petrov 1.A novel pulsed magnetron sputtertechnique utilizing very high target power densities [J].Surf Coat Tech， 1999，122(2-3): 290-293.)提出高功率脈沖磁控濺射技術(shù)(HPPMS)，其利用較高的脈沖峰值功率和較低的脈沖寬度來(lái)提高濺射材料的離化率，同時(shí)靶材陰極不會(huì)因過(guò)熱而增加靶冷卻的要求。其峰值功率相比于普通直流磁控濺射提高了 100倍，約為1000~3000W/cm2，等離子體的密度達(dá)到1018m_3數(shù)量級(jí)，靶材中心區(qū)域離子密度可達(dá)10 19m_3數(shù)量級(jí)，同時(shí)濺射材料的離化率最高可達(dá)90%以上，且不含目前離化率最高的電弧離子鍍方法中的大顆粒缺陷。2008年之后，在國(guó)內(nèi)各個(gè)高校也開(kāi)始展開(kāi)針對(duì)高功率脈沖磁控濺射技術(shù)的研宄(李希平.高功率復(fù)合脈沖磁控濺射等離子體特性及TiN薄膜制備[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.吳忠振，朱宗濤，鞏春志，田修波，楊士勤，李希平.高功率脈沖磁控濺射技術(shù)的發(fā)展與研宄[J].真空，2009，46(3): 18-22.和牟宗信，牟曉東，王春，賈莉，董闖.直流電源耦合高功率脈沖非平衡磁控濺射電離特性[J].物理學(xué)報(bào)，2011，60(1): 422-428.)，但是由于高功率脈沖磁控濺射技術(shù)的脈沖放電不穩(wěn)定，且靶電位較低，靶材金屬在離化之后大量的金屬離子被吸回到靶表面，未能到達(dá)基體表面實(shí)現(xiàn)薄膜的沉積，導(dǎo)致薄膜沉積的效率大大降低，影響其進(jìn)一步取代普通磁控濺射和電弧離子鍍的步伐，在后續(xù)的推廣應(yīng)用方面受到了一定限制。
[0003]目前，為了解決電弧離子鍍方法在使用低熔點(diǎn)的純金屬或多元合金材料易產(chǎn)生大顆粒缺陷的問(wèn)題，主要有如下幾種:
第一種:采用磁過(guò)濾的辦法過(guò)濾掉大顆粒，如中國(guó)專利用于材料表面改性的等離子體浸沒(méi)離子注入裝置(公開(kāi)號(hào):CN1150180，公開(kāi)日期:1997年5月21日)中采用90°磁過(guò)濾彎管對(duì)脈沖陰極弧的大顆粒進(jìn)行過(guò)濾，美國(guó)學(xué)者Anders等人(Anders S，Anders A,Dickinson M R， MacGill R A， Brown I G.S—shaped magnetic macroparticle filterfor cathodic arc deposit1n [J].1EEE Trans Plasma Scij 1997，25(4): 670-674.)和河南大學(xué)的張玉娟等(張玉娟，吳志國(guó)，張偉偉等.磁過(guò)濾等離子體制備TiN薄膜中沉積條件對(duì)薄膜織構(gòu)的影響.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào).2004，14(8): 1264-1268.)在文章中制作了“S”磁過(guò)濾彎管對(duì)陰極弧的大顆粒進(jìn)行過(guò)濾，還有美國(guó)學(xué)者Anders等人(Anders A,MacGill R A.Twist filter for the removal of macroparticles from cathodic arcplasmas [J].Surf Coat Tech，2000，133-134: 96-100.)提出的 Twist filter 的磁過(guò)濾，這些方法雖然在過(guò)濾和消除大顆粒方面有一定效果，但是等離子體的傳輸效率損失嚴(yán)重，使離子流密度大大降低?；诩茨苓^(guò)濾大顆粒又能保證效率的基礎(chǔ)上，中國(guó)專利真空陰極弧直管過(guò)濾器(公開(kāi)號(hào):CN1632905，公開(kāi)日期:2005年6月29日)中提出直管過(guò)濾的方法，但是這又降低了過(guò)濾效果?？傊?，相關(guān)的研究人員通過(guò)對(duì)比各種磁過(guò)濾方法(Anders A.Approaches to rid cathodic arc plasmas of macro- and nanoparticles: a review[J].Surf Coat Tech，1999，120-121319-330.和 Takikawa H，Tanoue H.Review ofcathodic arc deposit1n for preparing droplet-free thin films [J].1EEE TransPlasma Scij 2007, 35(4): 992-999.)發(fā)現(xiàn)電弧離子鍍等離子體通過(guò)磁過(guò)濾裝置后保持高的傳輸效率和消除大顆粒非常難以兼顧，嚴(yán)重影響著該技術(shù)在優(yōu)質(zhì)薄膜沉積中的應(yīng)用。
[0004]第二，采用阻擋屏蔽的方法，比如在電弧離子鍍靶源前直接采用擋板來(lái)屏蔽大顆粒(Miernik K， Walkowicz Jj Bujak J.Design and performance of the microdropletfiltering system used in cathodic arc coating deposit1n [J].Plasmas & 1ns,2000，3(1-4): 41-51.);或者利用大顆粒和電弧等離子體傳輸速度的差別，在弧源外施加—個(gè)高速方定車專裝置(Utsumi Tj English J H.Study of electrode products emitted byvacuum arcs in form of molten metal particles [J].J Appl Physj 1975，46(1):126-131.)，通過(guò)調(diào)整旋轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)大顆粒缺陷的阻擋過(guò)濾；或者是在擋板上鉆有孔洞，通過(guò)調(diào)整兩層擋板的間距以便電弧等離子體的傳輸，阻擋大顆粒沉積到薄膜表面的雙層擋板屏蔽裝置(Zhao Y，Lin Gj Xiao Jj et al.Synthesis of titaniumnitride thin films deposited by a new shielded arc 1n plating [J].Appl SurfScij 2011，257(13): 5694-5697.);還有通過(guò)調(diào)整擋板角度消除大顆粒的百葉窗型屏蔽裝置(Zimmer 0.Vacuum arc deposit1n by using a Venetian blind particle filter[J].Surf Coat Tech, 2005，200(1-4): 440-443.)。阻擋屏蔽通過(guò)限制大顆粒和等離子體的運(yùn)動(dòng)路徑，利用電弧等離子體良好的繞射性來(lái)制備薄膜，但是該方法會(huì)引起等離子體的傳輸效率損失嚴(yán)重，在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定的限制。
[0005]第三，在基體上采用偏壓的電場(chǎng)抑制方法，在電弧等離子體中，由于電子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離子的運(yùn)動(dòng)速度，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)大顆粒表面的電子數(shù)大于離子數(shù)，使大顆粒呈現(xiàn)負(fù)電性。當(dāng)基體上施加負(fù)偏壓時(shí)，電場(chǎng)將對(duì)帶負(fù)電的大顆粒產(chǎn)生排斥作用，進(jìn)而減少薄膜表面大顆粒缺陷的產(chǎn)生。德國(guó)學(xué)者Olbrich等人(Olbrich W，F(xiàn)essmann J, KampschulteG, Ebberink J.1mproved control of TiN coating properties using cathodic arcevaporat1n with a pulsed bias [J].Surf Coat Tech, 1991, 49(1-3): 258-262.和Fessmann J, Olbrich ff, Kampschulte G, Ebberink J.Cathodic arc deposit1n ofTiN and Zr(C, N) at low substrate temperature using a pulsed bias voltage [J].Mat Sci Eng A, 1991，140: 830-837.)采用脈沖偏壓來(lái)取代傳統(tǒng)的直流偏壓，形成了一種新的物理氣相沉積技術(shù)一一脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù)，不但大大減少了薄膜表面大顆粒的數(shù)目，還克服了傳統(tǒng)直流偏壓引起的基體溫度過(guò)高、薄膜內(nèi)應(yīng)力較大等問(wèn)題。大連理工大學(xué)的林國(guó)強(qiáng)等人(林國(guó)強(qiáng).脈沖偏壓電弧離子鍍的工藝基礎(chǔ)研宄[D].大連理工大學(xué)，2008.和黃美東，林國(guó)強(qiáng)，董闖，孫超，聞立時(shí).偏壓對(duì)電弧離子鍍薄膜表面形貌的影響機(jī)理[J].金屬學(xué)報(bào)，2003，39(5): 510-515.)針對(duì)脈沖偏壓引起大顆粒缺陷減少的機(jī)理進(jìn)行了深入分析，通過(guò)對(duì)脈沖偏壓幅值、頻率和脈沖寬度等工藝參數(shù)的調(diào)整，可以改善電弧等離子體的鞘層運(yùn)動(dòng)特性，減少薄膜表面的大顆粒缺陷數(shù)目，提高薄膜的質(zhì)量，在實(shí)際的生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，但是仍不能完全消除大顆粒缺陷。
[0006]第四，工藝參數(shù)的優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整工作氣壓(Brown I G.Cathodic arcdeposit1n of films.Ann Rev Mater Sci, 1998,