箍縮磁場(chǎng)輔助磁控濺射鍍膜裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種箍縮磁場(chǎng)輔助磁控濺射鍍膜裝置，屬于表面處理和真空技術(shù)領(lǐng)域，可用于超光滑、超硬硬質(zhì)薄膜的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]箍縮效應(yīng)(pinch effect)是指等離子體電流與其自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使等離子體電流通道收縮、變細(xì)的效應(yīng)，脈沖大電流線圈產(chǎn)生的高溫等離子體箍縮(Pinch)可能是最簡(jiǎn)單的磁約束核聚變裝置，其特點(diǎn)是載流等離子體利用本身電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)約束自己。在箍縮過(guò)程中，等離子體的密度和溫度都會(huì)增加，因而這種效應(yīng)可用來(lái)提高等離子體的密度和溫度。箍縮磁場(chǎng)就是脈沖線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，對(duì)等離子體有壓縮作用。
[0003]磁控派射是物理氣相沉積(Physical Vapor Deposit1n, PVD)的一種。一般的派射法可被用于制備金屬、絕緣體等多材料，且具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而上世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的磁控濺射法更是實(shí)現(xiàn)了高速、低溫、低損傷。因?yàn)槭窃诘蜌鈮合逻M(jìn)行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。磁控濺射通過(guò)在靶陰極表面引入磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的約束來(lái)提高等離子體密度以增加濺射率。
[0004]到目前為止，普通磁控濺射的離化率小于15%，且距離靶越遠(yuǎn)越小，因此，磁控濺射制備的薄膜結(jié)合力和性能差，難以應(yīng)用到刀具、鉆頭和小零件等。
[0005]目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出了幾種有效提高磁控濺射離化率的方法，如英國(guó)Teer公司的閉合場(chǎng)磁控濺射(英國(guó)專利號(hào)2258343、美國(guó)專利號(hào)5554519、歐洲專利號(hào)0521045)，利用了非平衡磁控濺射外延的磁場(chǎng)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)使相鄰的磁場(chǎng)閉合，形成電子通道，電子延這些磁力線旋轉(zhuǎn)，與中性粒子碰撞提高離化率。
[0006]在國(guó)內(nèi)，發(fā)明專利ZL201210161364.9，專利 201210474290.4，專利201220233276.0公開(kāi)了閉合場(chǎng)磁控濺射裝置的設(shè)計(jì)，幾乎同Teer公司的一樣。專利ZL201220209547.9則在此基礎(chǔ)上作了修改，采用內(nèi)圈放置的柱狀磁控形成閉合磁場(chǎng)；專利ZL98120365.5公開(kāi)了一種非平衡靶同中心磁場(chǎng)閉合的磁控濺射裝置，中心的磁場(chǎng)與靶磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)對(duì)稱，磁力線在穿過(guò)被鍍工件，極大的提高了鍍膜區(qū)域的離化率。大連理工公開(kāi)了一種等離子體增強(qiáng)非平衡磁控濺射方法(ZL 01116734.3)，利用微波離子源輔助提高磁控濺射的離化率。
[0007]上述所有方法的離化率在30-45%之間變化，且難進(jìn)一步提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對(duì)磁控濺射目前普遍存在的離化率不能進(jìn)一步提高的問(wèn)題提供一種箍縮磁場(chǎng)輔助磁控濺射鍍膜裝置，通過(guò)高功率脈沖磁場(chǎng)對(duì)等離子體的箍縮效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更高的磁控濺射離化率。
[0009]一種箍縮磁場(chǎng)輔助磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于該裝置包括由偏壓電源供電的工件盤(pán)以及由電源II供電的磁控濺射靶，該磁控濺射靶的前方設(shè)有由電源III供電的線圈。
[0010]所述線圈寬5-lOcm。
[0011 ] 所述偏壓電源和電源II均為直流電源、交流電源、高頻、中頻脈沖電源、射頻電源或微波電源。
[0012]所述電源III為直流脈沖電源或高功率脈沖電源。當(dāng)電源導(dǎo)通時(shí)磁場(chǎng)瞬間升高，電源不導(dǎo)通時(shí)，磁場(chǎng)先升高后消失，強(qiáng)的磁場(chǎng)會(huì)壓縮等離子體，增加碰撞幾率和電子溫度，使得磁控濺射的離化率達(dá)到70%以上。
[0013]所述磁控濺射靶為矩形靶、圓靶、旋轉(zhuǎn)柱靶或組合靶。
[0014]本發(fā)明的基本思想是利用高功率脈沖磁場(chǎng)融合到磁控濺射中，實(shí)現(xiàn)磁控濺射的高離化率和高離子能量，進(jìn)而提高薄膜在基體的結(jié)合力和致密度、硬度等。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明產(chǎn)生的高功率脈沖磁場(chǎng)進(jìn)一步提高磁控濺射的離化率和電子溫度，增大帶電尚子的數(shù)量。
[0016]2、本發(fā)明具備高功率脈沖磁場(chǎng)的磁控濺射可以制備超光滑、超高結(jié)合力、超高硬度的類金剛石薄膜、氮化物薄膜、碳化物薄膜或者氧化物薄膜等。
[0017]3、本發(fā)明具備高功率脈沖磁場(chǎng)的磁控濺射，因?yàn)槠涓叩碾x化率，達(dá)到70%，為設(shè)計(jì)新型金屬離子源提供了新思路。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中:1-線圈、2-磁控濺射靶、3-電源I1、4-電源II1、5-偏壓電源、6-工件盤(pán)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例1
如圖1所示，一種箍縮磁場(chǎng)輔助磁控濺射鍍膜裝置，包括由偏壓電源5供電的工件盤(pán)6以及由電源II 3供電的磁控濺射靶2，該磁控濺射靶2的前方設(shè)有由電源III 4供電的線圈
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[0021]線圈I 寬 5-lOcm。
[0022]偏壓電源5和電源II 3均為直流電源、交流電源、高頻、中頻脈沖電源、射頻電源或微波電源。
[0023]電源III 4為直流脈沖電源或高功率脈沖電源。
[0024]磁控濺射靶2為矩形靶、圓靶、旋轉(zhuǎn)柱靶或組合靶。
[0025]使用時(shí)，由磁控濺射靶2提供鍍膜材料，由電源II 3給磁控濺射靶2供電，從磁控濺射靶2濺射出來(lái)的材料在飛向工件的過(guò)程中受到由電源III4供電的線圈I產(chǎn)生箍縮效應(yīng)，對(duì)等離子體進(jìn)行進(jìn)一步離化和加熱，最終在工件上制備得到超硬薄膜。
[0026]實(shí)施例2
采用圖1所示的裝置實(shí)現(xiàn)高結(jié)合力、高硬度薄膜的制備。
[0027]由矩形磁控濺射靶2提供鍍膜材料Cr，矩形靶尺寸是200mmX 600mm，有一套20KW的中頻直流脈沖電源3給磁控濺射靶2供電，從磁控濺射靶2濺射出來(lái)的材料在飛向工件的過(guò)程中受到由高功率脈沖電源4 (峰值200 A)供電的線圈I，提供箍縮磁控，對(duì)等離子體進(jìn)行進(jìn)一步離化和加熱，最終在工件上制備得到超硬薄膜。
[0028]具體實(shí)施如下:
O常規(guī)的清洗:除油、除銹、烘干放進(jìn)真空室；
2)當(dāng)背底真空達(dá)到1X10-4時(shí)開(kāi)始鍍膜，氬氣控制在0.4Pa，偏壓800 V，導(dǎo)通比0.2-0.8，頻率10 KHz，清洗10分鐘；
3)通入氮?dú)?，控制氮?dú)鈿鈮?.15 Pa，偏壓100 V，Cr靶電流15 A，線圈峰值電流150A，沉積2小時(shí)后關(guān)閉系統(tǒng)；
4)待爐溫降至室溫，打開(kāi)真空腔，取出樣品，進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)。
[0029]用該方法沉積的CrN厚度3微米，硬度43 Gpa。
[0030]實(shí)施例3
由圓形磁控濺射靶2提供鍍膜材料??33Α167，圓形靶直徑是200mm，有一套3KW的射頻電源3給磁控濺射靶2供電，從靶2濺射出來(lái)的材料在飛向工件的過(guò)程中受到由高功率脈沖電源4 (峰值150 A)供電的線圈I，提供箍縮磁控，對(duì)等離子體進(jìn)行進(jìn)一步離化和加熱，最終在工件上制備得到超硬薄膜。
[0031]具體實(shí)施如下:
O常規(guī)的清洗:除油、除銹、烘干放進(jìn)真空室；
2)當(dāng)背底真空達(dá)到IX10 4時(shí)開(kāi)始鍍膜，氬氣控制在0.4 Pa，偏壓800 V，導(dǎo)通比0.2-0.8，頻率10 KHz，清洗10分鐘；
3)通入氮?dú)?，控制氮?dú)鈿鈮?.15 Pa，偏壓100 V，導(dǎo)通比0.5，頻率300ΚΗζ，??33Α167靶功率800 W，線圈峰值電流100 A，沉積2小時(shí)后關(guān)閉系統(tǒng)；
4)待爐溫降至室溫，打開(kāi)真空腔，取出樣品，進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)。
[0032]用該方法沉積的AlTiN厚度3微米，硬度56 GPa,顏色呈藍(lán)黑色。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種箍縮磁場(chǎng)輔助磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于該裝置包括由偏壓電源(5)供電的工件盤(pán)(6)以及由電源II (3)供電的磁控濺射靶(2)，該磁控濺射靶(2)的前方設(shè)有由電源111(4)供電的線圈(I)。2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述線圈(I)寬5-lOcm。3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述偏壓電源(5)和電源II(3)均為直流電源、交流電源、高頻、中頻脈沖電源、射頻電源或微波電源。4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述電源III(4)為直流脈沖電源或高功率脈沖電源。5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述磁控濺射靶(2)為矩形靶、圓靶、旋轉(zhuǎn)柱靶或組合靶。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種箍縮磁場(chǎng)輔助磁控濺射鍍膜裝置，屬于表面處理和真空技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括由偏壓電源供電的工件盤(pán)以及由電源Ⅱ供電的磁控濺射靶，該磁控濺射靶的前方設(shè)有由電源Ⅲ供電的線圈。本發(fā)明產(chǎn)生的高功率脈沖磁場(chǎng)進(jìn)一步提高磁控濺射的離化率和電子溫度，增大帶電離子的數(shù)量。
【IPC分類】C23C14/35
【公開(kāi)號(hào)】CN105200385
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510705329
【發(fā)明人】張斌, 張俊彥, 強(qiáng)力, 高凱雄, 王健
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
【公開(kāi)日】2015年12月30日
【申請(qǐng)日】2015年10月27日