陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的製作方法

2023-09-22 10:28:50 2

專利名稱：陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種陰極真空電弧源薄膜沉積裝置。
背景技術：
陰極真空電弧沉積法是將真空電弧蒸發源產生的等離子體，藉助負偏置電壓等吸 引至基體，並在基體表面上形成薄膜的一種方法。其中，陰極真空電弧蒸發源通過真空電弧 放電蒸發陰極靶，由此產生含有陰極靶材料的等離子體。陰極真空電弧沉積法具有離化率 高、離子能量高、沉積溫度低、沉積速率高、膜基結合好等一系列優點，因此，不僅是目前沉 積傳統TiN、CrN、TiAlN等硬質薄膜的主要方法，也是沉積ta-C超硬薄膜最有前途的方法之 一。但是，在薄膜沉積過程中，陰極表面電弧斑放電劇烈，在產生高密度等離子體的同時也 產生大量的宏觀顆粒。其中，宏觀顆粒是指直徑約為幾微米至幾十微米的大顆粒(這種大 顆粒也稱作「液滴」或者「大型顆粒」)。宏觀大顆粒與等離子體在基體上的協同沉積，常常 使薄膜表面相糙度增加，膜基結合力下降，影響高質量薄膜的獲得，已成為陰極真空電弧方 法產業化應用中的關鍵技術瓶頸。目前，減少宏觀大顆粒協同沉積的方法有三種一是在陰極電弧電源處利用外加 電磁場控制電弧斑點的運動，延長弧斑壽命，減少因斷弧而頻繁啟動電弧過程中熔滴大顆 粒的產生；其次是利用帶有外加勵磁線圈的磁過濾彎管裝置，在傳輸過程中將宏觀大顆粒 在一定程度上過濾掉，避免其沉積到基體表面，其機理是在外加磁場作用下，宏觀大顆粒由 於質量較大，在慣性作用下直接濺射到管壁上被過濾掉，而質量小的離子束則在電子束流 形成的外力牽引下，順利通過磁過濾彎管到達基體表面，從而獲得高質量的薄膜；再者是在 沉積過程中，利用其它離子束流輔助轟擊基體，也可減少協同沉積在基體上的附著性相對 較弱的大顆粒，增強膜基的結合力和提高薄膜質量。上述方法中，採用帶有外加勵磁線圈的磁過濾彎管，被認為是目前去除宏觀大顆 粒最有效的方法。根據結構設計的不同，磁過濾彎管可設計成直線形、90°彎曲形、膝形、S 形及60°彎曲形等。然而，這幾種磁過濾彎管在減少宏觀大顆粒和提高等離子體的有效傳 輸方面還有不足，尤其隨現代大容量信息存儲、MEMS微機電、航空航天等高技術領域的快速 發展，傳統的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置在沉積超硬、超薄ta-C薄膜方面還難以滿足要 求。因而，目前迫切需要研製一種兼具有效過濾宏觀大顆粒和高效傳輸等離子體的新型陰 極真空電弧源薄膜沉積裝置，以及探索一種利用該新型陰極真空電弧源薄膜沉積裝置沉積 大面積、高性能ta-C薄膜的新方法。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是針對現有技術中的不足，提供一種陰極真空電 弧源薄膜沉積裝置，以減少宏觀大顆粒在工件表面的沉積，同時提高等離子體在磁性過濾 部分中的有效傳輸，提高薄膜沉積的速率。本實用新型專利解決上述技術問題所採用的技術方案是陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，包括依次密封連接的陰極真空電弧蒸發源、磁性過濾部分、安裝有基體的薄膜沉積 真空腔，以及抽真空裝置；磁性過濾部分包括管體與設置在管體外部周緣的磁場產生器， 管體包括管體入口端面和管體出口端面，管體入口端面與管體出口端面之間至少有一個彎 管，並且該彎管兩側管體的軸線之間的夾角為135° ；在陰極真空電弧蒸發源上設置有用於 通入惰性氣體的氣體通道。為優化上述技術方案，採取的措施還包括上述磁性過濾部分的管體內壁設有柵狀擋板。上述柵狀擋板是由倒齒類的柵格串聯圈構成。上述磁場產塵器包括設在管體入口處的拽引線圈、設在管體彎管分的彎轉線圈和 設在管體出口處的輸出線圈，與所述拽引線圈相連的拽引線圈直流電源、與所述彎轉線圈 相連的彎轉線圈直流電源和與所述輸出線圈相連的輸出線圈直流電源。上述輸出線圈的外側周緣均勻設置四個掃描線圈，該掃描線圈與輸出線圈互相垂 直，該掃描線圈連接有掃描線圈交流電源。上述陰極真空電弧蒸發源包括陰極，與所述陰極共軸放置的陽極，設置在所述陰 極和陽極之間的用於激發電弧的觸發電極，所述觸發電極的氣動閥門，電弧脈衝電源，與陽 極共軸放置在陰極兩側的永磁體，與永磁體相連且可以調節永磁體與陰極之間距離的螺紋 杆；永磁體外圍設置弧源線圈，弧源線圈連接電弧電源線圈直流電源。上述薄膜沉積真空腔包括位於中間底部的工件架，所述工件架上制有可公轉的大 盤和大盤上可自轉的小盤。上述電源提供裝置包括為所述陰極真空電弧蒸發源供電的脈衝電源、為所述管 體施加正偏壓的直流電源以及為所述工件架施加偏壓的直流電源。上述抽真空裝置的抽氣口設置在所述薄膜沉積真空腔上；管體橫截面呈圓形；掃 描線圈是環形線圈；薄膜沉積真空腔是圓柱形；陰極的形狀是梯形柱狀，陽極的形狀是圓 柱環形。上述管體的管壁制有冷卻夾層，所述冷卻夾層內通有冷卻循環水。與現有技術相比，本實用新型陰極真空電弧源薄膜沉積裝置可以實現陰極靶材料 被蒸發形成的等離子體，在通過磁性過濾部分後宏觀大顆粒被有效過濾，同時等離子體達 到高速傳輸，從而提高了薄膜的沉積速率。通過本實用新型沉積薄膜的陰極真空電弧源薄 膜沉積裝置可以高速沉積薄膜，而且薄膜結構緻密，表面光滑、均勻區面積大。

圖1是本實施例陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的正面視圖。圖2是圖1沿A-A線的剖視圖；圖3是本實施例中陰極靶表面的軸向磁場分布圖；圖4是本實施例彎管採用柵狀擋板時宏觀大顆粒在管體彎管分的運動軌跡示意 圖；圖5是本實施例中設置掃描線圈時等離子體在管體出口處的傳輸示意圖；(a)等離子體束流向上偏移；(b)等離子體束流向下偏移；
4[0025]圖6是本實用新型陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的第二種實施例的剖視圖。
具體實施方式

以下結合附圖實施例對本實用新型作進一步詳細描述。圖1至圖6所示為本實用新型的結構示意圖。其中的附圖標記為陰極1，陽極2，彎管3，弧源線圈4，拽引線圈5，彎轉線圈6，輸 出線圈7，掃描線圈8，永磁體9，柵狀擋板10，螺紋杆11，觸發電極12，氣體通道13，氣動閥 門14，觀察窗15，絕緣墊圈16，不鏽鋼環17，不鏽鋼環18，大盤19，小盤20，抽氣口 21，偏壓 電源22，薄膜沉積真空腔23，放氣口 24，絕緣墊圈25，不鏽鋼環26，不鏽鋼環27，絕緣墊圈 28，不鏽鋼環29，不鏽鋼環30，弧源線圈直流電源31，電弧脈衝電源32，拽引線圈直流電源 33，彎轉線圈直流電源34，輸出線圈直流電源35，掃描線圈交流電源36，偏壓電源37，陰極 真空電弧蒸發源39，第一彎管40，第二彎管41。圖1是本實用新型陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的一個實施例的正視圖，圖2是 圖1沿A-A線的剖視圖。該實施例中，陰極真空電弧源薄膜沉積裝置包括依次密封連接的 陰極真空電弧蒸發源39、磁性過濾部分和薄膜沉積真空腔23。其中，陰極真空電弧蒸發源39包括梯形柱狀的陰極1、與陰極1共軸的圓柱環形 陽極2、設置在陰極1和陽極2之間的用於激發電弧的觸發電極12、觸發電極12的氣動閥 門14。本實施例中，觸發電極12是一個引弧針。永磁體9與陽極2共軸放置在陰極1的 兩側，永磁體9連接一個螺紋杆11，旋進旋出該螺紋杆11可以調節永磁體9與陰極1之間 的距離。該陰極真空電弧蒸發源39外周緣設置有弧源線圈4及與其相連的弧源線圈電源 31。另外，該陰極真空電弧蒸發源39還包括氣體通道13和觀察窗15。磁性過濾部分包括管體與設置在管體外部周緣的磁場產生裝置，管體包括管體入 口端面和管體出口端面，管體入口端面與管體出口端面之間至少有一個彎管3，並且該彎管 3兩側管體的軸線之間的夾角為135°。本實施例中管體是帶有夾層水冷的不鏽鋼彎管3， 彎管3橫截面呈圓形，彎管3由兩部分組成呈135°夾角的第一彎管41和呈135°夾角的 第二彎管41，第一個彎管40出口處的不鏽鋼環26與第二個彎管41入口處的不鏽鋼環27 通過絕緣墊圈25緊密相連。彎管的管壁設有電磁線圈組和為該電磁線圈組供電的電磁線 圈電源，包括設在管體入口處的拽引線圈5、設在管體彎管3的彎轉線圈6和設在管體出口 處的輸出線圈7。其中拽引線圈5連接著拽引線圈直流電源33，彎轉線圈6連接著彎轉線 圈直流電源34，輸出線圈7連接著輸出線圈直流電源35。薄膜沉積真空腔23包括位於中間底部的工件架，工件架上制有可公轉的大盤19 和大盤19上可自轉的六個小盤20。當進行薄膜沉積時，將需要沉積薄膜的工件固定放在小 盤20上，可讓小盤自傳來提高工件表面沉積薄膜的均勻性。為改變沉積離子能量，可通過 偏壓電源22為工件施加一定的負偏壓。另外，薄膜沉積真空腔23還包括抽氣口 21與放氣 口 24，該抽氣口 21與陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的抽真空裝置相連。陰極真空電弧蒸發源39上的不鏽鋼環17與彎管入口上的不鏽鋼環18通過絕緣 墊圈16緊密相連，第二個彎管41出口處的不鏽鋼環29與薄膜沉積真空腔23入口處的不 鏽鋼環30通過絕緣墊圈28緊密連接在一起。陰極真空電弧源薄膜沉積裝置工作時，首先將靶體固定在陰極1的表面形成陰極靶，通過連接在抽氣口 21上的抽真空系統將陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的腔體抽成工 作所需的真空狀態，然後通過陰極真空電弧蒸發源39中的氣體通道13通入惰性氣體(增 加作用)，接著依次設置電弧脈衝電源32、弧源線圈直流電源31、拽引線圈直流電源33、彎 轉線圈直流電源34、輸出線圈直流電源35中的電流值，再將彎管3的偏壓電源37、工件的 偏壓電源22的電壓值設定，然後就可以啟動相應電源開始工作。啟動電源後，通過氣動閥 門14控制引弧針，使該引弧針接觸陰極靶從而激發電弧，電弧被激發後，在陰極靶表面形 成不規則運動的熔融電弧斑，導致陰極靶被蒸發形成所需的等離子體，該等離子體通過磁 過濾彎管，最後沉積在薄膜沉積真空腔23中的工件表面上，形成包含陰極材料或陰極材料 和反應氣體的化合物薄膜。陰極靶的材料可按照沉積薄膜的種類來選擇。電弧脈衝電源32 提供陰極靶電弧放電時所需的能量，通過觀察窗15可以觀察到電弧斑在陰極靶表面的運 動狀態。實驗結束後通過放氣口 24將陰極真空電弧源薄膜沉積裝置中的壓力釋放到大氣 壓，然後可以取出工件。陰極真空電弧蒸發源39中不外加永磁體9和弧源線圈4時，電弧斑運動很不規 則，容易運動到陰極靶的邊緣或側面導致產生斷弧現象。當陰極真空電弧蒸發源39中增加 永磁體9和弧源線圈4時，電弧斑在陰極靶表面運動穩定均勻並且避免出現斷弧的現象。如 圖3，採用磁矯頑力為912kA/m的永磁體9，並使永磁體9的磁化方向與弧源線圈4的磁化 方向相反，將該永磁體9放置在與陰極1之間的距離為80mm處，設定弧源線圈電源31的電 流為2A時，陰極靶表面的磁場分布如圖3所示，薄膜沉積過程中弧斑在陰極靶表面運動穩 定、均勻，沒有出現斷弧現象。當陰極真空電弧蒸發源39產生的等離子體傳輸進入磁性過濾部分，在拽引線圈 5，彎轉線圈6和輸出線圈7所產生的外加磁場的作用下，其中的宏觀大顆粒由於質量較大， 在慣性作用下直接濺射到管壁上被過濾掉，而質量小的離子束則在電子束流形成的外力牽 引下，順利通過彎管而到達薄膜沉積真空腔23中的工件表面。當陰極1表面的磁場強度分 布如圖3所示，拽引線圈5，彎轉線圈6和輸出線圈7中的電流分別為5. 5A、6A、6A、不鏽鋼 彎管壁3上施加20V正偏壓時，薄膜的沉積速率可以達到10士2nm/min。為了提高大顆粒的過濾效果，避免部分大顆粒進入彎管3後經反彈而通過彎管3 沉積到工件表面，在管體內側加入了柵狀擋板10，本實施例中該柵狀擋板10採用倒齒類的 柵格串聯圈。圖4是加入柵狀擋板10後宏觀大顆粒的傳輸示意圖，從圖中可以看出，宏觀 大顆粒P1、P2、P3均被柵狀擋板10反彈阻止而不能順利通過彎管40、41進入薄膜沉積真空 腔23，因此提高了大顆粒的過濾效果，獲得了高質量的薄膜沉積。另外，為了進一步提高等離子體的傳輸效率，可以通過偏壓電源37對彎管施加正 偏壓，帶正電的離子在正偏壓的靜電力的作用下會更趨向於在磁過濾彎管中心區域運動。為了提高沉積薄膜的均勻性，在輸出線圈7的外側周緣均勻設置了四個掃描線圈 8，該掃描線圈8與輸出線圈7互相垂直，掃描線圈8連接有掃描線圈交流電源36。掃描線 圈8的磁場分布由控制掃描線圈交流電源36的振幅和頻率來實現，進而可調節等離子體束 斑在管體出口處上下和左右的掃描範圍，改變薄膜的沉積面積和均勻性。圖5為掃描線圈 8工作時的等離子體傳輸示意圖，其中，在其它優化條件下，當掃描線圈交流電源36波形為 矩形波，振幅為10，頻率為0. 5Hz時，薄膜沉積均勻區直徑為10cm。當對薄膜表面的質量要求不是特別高，而更需要提高薄膜沉積速率時，可將本實
6施例中的第一彎管40和第二彎管41中的第一彎管40去掉，即將陰極真空電弧蒸發源39 和呈135°夾角的第二彎管41直接相連而構成的具有一個呈135°夾角的彎管的磁過濾部 分。圖6為變換後的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的示例圖。利用上述陰極真空電弧源薄膜沉積裝置在工件表面沉積薄膜的方法包括以下步 驟步驟1 將工件放入丙酮或酒精中，利用超聲波清洗5 10分鐘，然後用去離子水 漂洗後烘乾待用。步驟2 將工件置於薄膜沉積真空腔內的小盤上，抽真空至5. OXlO-5Torr後，向 陰極真空電弧蒸發源的氣體通道通入10 50SCCm的惰性氣體，同時將磁矯頑力大小為 912kA/m的釹鐵硼永磁體置於陰極背後50 IOOmm處，設定電弧源電流為60 80A，電弧 電源線圈直流電源、拽引線圈直流電源、彎轉線圈直流電源以及輸出線圈直流電源中的電 流各自為3 8A，管體壁上的偏壓電源設為0 30V的正偏壓，工件架上的偏壓電源設為負 偏壓0 400V ；啟動開始工作，工作時間為3 15分鐘。步驟3 將惰性氣體流量調整為1 5sCCm，電弧電源線圈直流電源、拽引線圈直流 電源、彎轉線圈直流電源以及輸出線圈直流電源中的電流各自為3 8A，工件架上的偏壓 電源設為負偏壓0 300V，其它參數與步驟2中相同，工作時間為10 60分鐘。步驟4 薄膜沉積結束後，關閉氣體和陰極真空電弧源薄膜沉積裝置中的各電源， 待工件在真空腔體中冷卻至室溫，取出。按照上述方法在工件表面沉積薄膜後，利用表面輪廓臺階儀測試所沉積薄膜的厚 度時得到在矽片上所沉積的薄膜在縱向IOOmm範圍內的厚度約為160 200nm，均方差約 為13.65nm，均勻度(方差/平均彈性模量X 100% ))為7. 68%。按照上述方法在工件表面沉積ta-C薄膜後時，矽片上沉積的ta-C的薄膜的性能 可以達到ta-C薄膜的納米壓痕硬度>60GPa，彈性模量>800GPa，表面粗糙度為0. 238nm。本實用新型的最佳實施例已闡明，由本領域普通技術人員做出的各種變化或改型 都不會脫離本實用新型的範圍。
權利要求陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，包括依次密封連接的陰極真空電弧蒸發源(39)、磁性過濾部分、薄膜沉積真空腔(23)，以及抽真空裝置，其特徵是所述磁性過濾部分包括管體與設置在管體外部周緣的磁場產生裝置，所述管體包括管體入口端面和管體出口端面，管體入口端面與管體出口端面之間至少有一個彎管，並且該彎管兩側管體的軸線之間的夾角為135°；在陰極真空電弧蒸發源(39)上設置有用於通入惰性氣體的氣體通道(13)。
2.根據權利要求1所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特徵是所述管體內壁設 有柵狀擋板(10)。
3.根據權利要求2所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特徵是所述柵狀擋板 (10)是由倒齒類的柵格串聯圈構成。
4.根據權利要求1至3中任一權利要求所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特徵 是所述磁性過濾部分的磁場產生裝置包括設在管體入口處的拽引線圈(5)、設在管體彎 管分的彎轉線圈(6)和設在管體出口處的輸出線圈(7)，與所述拽引線圈(5)相連的拽引線 圈直流電源(33)、與所述彎轉線圈(6)相連的彎轉線圈直流電源(34)和與所述輸出線圈 (7)相連的輸出線圈直流電源(35)。
5.根據權利要求4所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特徵是所述輸出線圈(7) 的外側周緣均勻設置四個掃描線圈(8)，所述掃描線圈(8)與所述輸出線圈(7)互相垂直， 所述掃描線圈(8)連接有掃描線圈交流電源(36)。
6.根據權利要求1所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特徵是所述陰極真空電 弧蒸發源(39)包括陰極(1)，與所述陰極(1)共軸放置的陽極(2)，設置在所述陰極(1)和 陽極⑵之間的用於激發電弧的觸發電極(12)，所述觸發電極(12)的氣動閥門(14)，電弧 脈衝電源(32)，與所述陽極(2)共軸放置在所述陰極(1)兩側的永磁體(9)，與所述永磁體 (9)相連，且可以調節所述永磁體(9)與所述陰極(1)之間距離的螺紋杆(11)；所述永磁體 (9)外圍設置弧源線圈(4)，所述弧源線圈(4)連接電弧電源線圈直流電源(31)。
7.根據權利要求1所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特徵是所述薄膜沉積真 空腔(23)包括位於中間底部的工件架，所述工件架上制有可公轉的大盤(19)，所述大盤 (19)上制有可自轉的小盤(20)。
8.根據權利要求1所述的一種陰極真空電弧源薄膜沉積設備，其特徵是所述抽真空 裝置的抽氣口(21)設置在所述薄膜沉積真空腔(23)上；所述管體橫截面呈圓形；所述掃 描線圈是環形線圈；所述薄膜沉積真空腔是圓柱形；所述陰極的形狀是梯形柱狀，陽極的 形狀是圓柱環形。
9.根據權利要求1所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特徵是所述管體的管壁 制有冷卻夾層，所述冷卻夾層內通有冷卻循環水。專利摘要本實用新型公開了一種陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，包括具有高速傳輸等離子與有效過濾宏觀大顆粒的磁性過濾部分，該磁性過濾部分包括管體與設置在管體外部周緣的磁場產生器，管體包括管體入口端面和管體出口端面，管體入口端面與管體出口端面之間至少有一個彎管，並且該彎管兩側管體的軸線之間的夾角為135°。與現有技術相比，本實用新型的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置可以實現有效過濾宏觀大顆粒，同時高速傳輸等離子體，從而提高了薄膜的質量與沉積速率。通過本實用新型的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置可以高速沉積薄膜，沉積的薄膜結構緻密，表面光滑、均勻區面積大，可以用於沉積高性能的ta-C薄膜。
文檔編號C23C14/32GK201660693SQ201020144810
公開日2010年12月1日 申請日期2010年3月25日 優先權日2010年3月25日
發明者李洪波, 柯培玲, 汪愛英 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所