減小由物理氣相沉積生成的鍍膜中的壓力的製作方法
2023-10-11 12:19:14
專利名稱：減小由物理氣相沉積生成的鍍膜中的壓力的製作方法
技術領域：
本發明涉及減小鍍膜中的壓力，該鍍膜由電弧沉積設備沉積，特別是那些能夠使一個基板具有一個較大的負偏壓的設備。
背景技術：
近些年，大量的等離子體沉積方法取代了濺鍍系統成為在各種各樣的基板上沉積薄的鍍膜的理想裝置。
公知的是通過物理氣相沉積(PVD)處理在一個鍍膜的沉積過程中的一個基板的偏壓的使用。這個偏壓在整個沉積階段傾向於保持在一個穩定的級別，在大約-1,000V或大約-600V。例如，lonbond生產了各種PVD設備，其中一個的名稱為『PVD-350』，在其中一個基板被加以-1,000V的不變的偏壓。這個偏壓阻止正的靜電勢的增大，並使得可接受的厚度的膜被沉積。
由這種和其他已知的方法生成的鍍膜的問題是它們能夠具有非常高的硬度的同時，在所述鍍膜內存在很高的壓力。這限制了所述鍍膜厚度以及所述鍍膜產品的可能的應用。
因此，需要較低壓力的鍍膜，使得所述鍍膜非常容易地粘著於所述基板，更加的柔韌(即，不易碎)，具有更大的厚度和/或具有改善的堅固性。
本發明的一個目的是提供一個方法和裝置，用於鍍膜的沉積，該鍍膜具有迄今儘可能的被減小的壓力。本發明的另一個目的是生成一個鍍膜，其具有改善的壓力級別。本發明的另一個目的是使得更厚的鍍膜沉積到所述基板上，比起以前得到的鍍膜具有更高的堅固性。
發明內容
本發明基於施加到所述基板上的大的負偏壓的使用。相應地，本發明提供一個方法，用於鍍膜一個基板，包括生成一個鍍膜材料的等離子體；沉積等離子體到所述基板上；以及使所述基板有-1,500V的偏壓或更低的偏壓。
這個偏壓的使用導致所述被鍍膜的膜的減小的壓力。在下面的例子中，我們使一個鈦測試片具有-4,500V的偏壓，並且觀察到所述鍍膜中的相當低的壓力級別，比那些使用已知的固定偏壓得到的膜中的壓力級別要低。
本發明的另一個特徵是應用一個偏壓，其在所述沉積處理中變化，以及另一個方法用於鍍膜一個基板，包括生成一個鍍膜材料的等離子體；沉積等離子體到所述基板上；以及使用一個可變的偏壓使所述基板具有偏壓。
不需要施加一個穩定的高量級偏壓來得到壓力的減小，並且在本發明的這個實施例中，所述偏壓的變化，連同所述偏壓在峰值之間回到或接近於零，也能夠實現所述被沉積的膜的壓力的減小。
優選地，鍍膜的沉積被實施的同時，改變在所述基板上的偏壓並施加一個-1,500V的偏壓或更低的偏壓。
在本發明的一個方法的使用中，施加到所述基板上的所述偏壓可達到-10,000V，優選地達到-5,000V。當可以施加一個更高量級的峰值偏壓時，我們發現在這些限度內可以得到壓力減小。進一步適宜的所述偏壓是-2,000V或更低的偏壓。特別優選地，對於過濾陰極真空電弧源(FCVA)，所述偏壓在從-2,000V到-4,000V的範圍內，對於其他電弧源，所述偏壓在-2,000V到-3,000V的範圍內。
本發明的方法使用了一個可變的或脈衝的偏壓，從一個較大的負值到零或接近零的範圍變化。達到峰值後，如大約-1,500V，所述偏壓能夠回到非常小的值，如-300V或稍高，優選地-200V或稍高。這可以依賴於使用的電源到達某個範圍，並且在例子中，在脈衝下通常從它的峰值回到從大約-100V到零且有時瞬時為正的一個值，。在所述例子中的偏壓的變化遵循一個近似方波的圖樣，雖然其他波形也適合，包括規則波形和不規則波形。
在沉積過程中，所述脈衝持續時間和頻率通常遵循一個預定的圖樣。所述脈衝持續時間通常很短，可以是1-50μs。對於直接電弧源，所述脈衝持續時間優選地是1-20μs，更優選地是5-10μs。對於FCVA源，所述脈衝持續時間優選地是10-40μs，更優選地是15-25μs。所述頻率通常很快，每秒幾百或幾千個脈衝。一個優選的方法包括在所述基板上給所述偏壓加以最高達10kHz頻率的脈衝，優選地1-3kHz，更優選地1.5-2.5kHz。
在本發明的實施例中，所述電源來自於Nanofilm TechnologiesInternational(NTI)，被稱作「高電壓脈衝發生器」(HVPG)。然而，本領域技術人員可以理解可以使用如在這裡描述的，能夠加偏壓到一個基板的任何電源。
我們使用不同的偏壓，脈衝持續時間和脈衝頻率，將氮化鈦和非晶體四面碳(ta-C)鍍膜沉積到所述測試基板上。例如，在一種配置中，所述HVPG被設定到持續時間為20μs，頻率為10kHz的-4,500V的脈衝。然後，我們測試由我們的脈衝偏壓方法生成的所述氮化鈦鍍膜的壓力，發現它們在1-2GPa的範圍內，通常大約1GPa。這優於不用脈衝偏壓生成的所述氮化鈦鍍膜的壓力，其大約為3GPa。這樣，本發明能夠使鍍膜被具有較低壓力級別地沉積。這允許沉積更厚的鍍膜，而現有技術中鍍膜非常易碎使得一旦它們的厚度超過某個值，它們就不能附著到所述基板上。這增加了這種鍍膜技術的應用，由於減小壓力的薄膜現在能夠被應用到更柔軟的基板上(現有技術的薄膜一有撓曲就會剝落)。
本方法特別適用於使用基於電弧的沉積設備和方法生成鍍膜，因此，在本發明的一個特殊方法中，在電弧沉積裝置中鍍膜一個基板的方法中使用基板的被加以脈衝的一個大的負偏壓，所述裝置包括一個真空室，一個目標以及一個陽極和一個陰極來從所述目標生成等離子體。
在直接電弧沉積中，所述目標材料優選地是一種金屬，使用從鈦，鉻，鋁，鎵或任何前述的金屬的混合物或合金中選擇出的目標會得到理想的效果。當製造複合或混合鍍膜時，也能施加偏壓，並且本發明的另一個方法包括引入一種氣體到所述真空室中來形成在所述基板上的一個鍍膜，其是所述氣體和所述目標的化合物。合適的氣體包括氮氣和氧氣。
在FCVA沉積中，所述目標材料優選地是石墨，特別用於ta-C鍍膜的生產，也可以使用金屬。
本發明進一步提供裝置，用於根據描述的所述方法鍍膜一個基板，因此，本發明的所述裝置包括一個真空室，一個陽極和一個陰極組件來從一個目標生成一個等離子體並沉積所述等離子體在所述基板上形成一個鍍膜，以及一個電源來加偏壓-1,500V或更低的偏壓到所述基板上。另一個裝置包括一個真空室，一個陽極和一個陰極組件來從一個目標生成一個等離子體並沉積等離子體到所述基板上來形成一個鍍膜，以及一個電源來施加可變的偏壓到所述基板上。優選地，所述裝置的電源既可以施加所述大的負偏壓也可以如上述方法改變所述偏壓。
在所述方法和所述裝置使用的一個例子中，一個鈦目標被設置與一個電弧沉積裝置的陰極電接觸。一個基板位於所述基板臺，並且所述真空室被抽空到大約1μTorr。氮氣被引入到所述真空室中達到大約1-20mTorr的工作壓力，優選地3mTorr。一個電弧就被觸發，氮化鈦沉積物就被鍍膜到所述基板上。所述基板在沉積期間被施加偏壓，從-2,000V到-3,000V，以1-3kHz的頻率並使用一個5-10μs的脈衝持續時間。繼續沉積直到得到大約2-3μm的一個鍍膜。在沉積之後，所述鍍膜的壓力一般是1-2GPa，並且硬度一般是大約2,500kg/mm2。
在本方法和裝置使用中的另一個例子中，一個石墨目標被設置與一個FCVA沉積裝置的所述陰極電接觸。一個基板位於所述基板臺並且所述真空室被抽空到大約1μTorr。不引入任何氣體。一個電弧就被觸發，ta-C沉積物就被鍍膜到所述基板上。所述基板在沉積期間被施加偏壓，從-2,000V到-4,000V，以1.5-2.5kHz的頻率並使用一個15-25μs的脈衝持續時間。繼續沉積直到得到可達大約10μm厚的鍍膜厚度。在沉積之後，所述鍍膜的壓力一般小於1GPa，硬度一般大約是25-40GPa，並且耐磨性一般大約是1×10-8-3×10-8mm3/Nm。
在本發明的另一個實施例中，一個FCVA鍍膜處理在至少兩個階段進行。第一個階段使用-3,000V到-4,000V的基板偏壓，在1.5-2.5kHz的頻率，並使用15-25μs的脈衝持續時間。第二階段使用-2,000V到-3,500V的基板偏壓，在1.5-2.5kHz的頻率，並使用15-25μs的脈衝持續時間。
由本發明提供的所述鍍膜可以被用於很多應用中，如，鐵砧可以被鍍膜，或工具衝床可以被鍍膜來增加衝床的使用壽命，或半導體和媒體設備可以被鍍膜來提供更大的保護。本發明的偏壓的好處包括生成具有更低壓力的鍍膜，其具有彈性和/或沉積更厚的鍍膜。
一般地，本發明使用-1,500V或更低的偏壓來減小由一個電弧沉積裝置沉積的鍍膜中的壓力和/或使用一個可變的偏壓來減小由一個電弧沉積裝置沉積的鍍膜中的壓力。
下面將結合附表和附圖來描述
具體實施例方式表1顯示了偏壓參數的不同組合，其使用高電壓脈衝發生器得到。
圖1顯示了在本發明的一個方法中用來加偏壓到一個基板的輸出脈衝波形；以及圖2顯示了在本發明的一個方法中用來加偏壓到一個基板的輸出脈衝波形。
具體實施例方式
我們改變了一個現有的PVD設備以根據本發明提供一個偏壓到所述基板上，使用由Nanofilm Technologies International(NTI)得到的一個電源，被稱作「高電壓脈衝發生器」(HVPG)。所述電源單元具有一個控制面板，其上可以手工設定所述參數。還使用一個轉換設備絕緣柵雙極電晶體(IGBT)，其防止電流超載和短路。所述發生器組件還被配置了一個輸出保險絲。
所述脈衝發生器的輸出範圍可到達-10,000V，優選地-5,000V，並且更優選地-2,000V和-4,000V，所述脈衝持續1-50μs；對於直接電弧源優選地1-20μs，更優選地5-10μs，對於FCVA源優選地10-40μs，更優選地15-25μs；並且在可達10kHz的頻率，優選地1-3kHz，更優選地，1.5-2.5kHz。
所述HVPG與所述PVD設備相關聯，並連接到所述基板，最通常地是通過所述基板固定器。在所述PVD設備的工作期間，所述HVPG被設定到向所述基板輸送大的負電壓的脈衝。所述HVPG可通過手動或遠程被啟動或停止。
應該注意極性氮化合物可以包含諸如酯官能團之類的其它官能團。
噴氣發動機燃料組合物也可以包括至少一種下列添加劑抗氧化劑、金屬減活化劑、提供50-450pS/m的電導率的靜電分散劑、諸如乙二醇單甲醚(EGEM)之類的防凍劑、防腐蝕劑、殺生物劑、消泡劑、潤滑性添加劑和清潔劑。
現在，僅參照以下所述附圖以舉例的方式來說明本發明。
圖1是對一系列由C81-烯烴和Cx1-烯烴形成的共聚物在-58℃時進行的(L)CAST試驗得出的結果的曲線圖。
實施例沉積物降低製備兩種包括噴氣發動機燃料MIL JP8及C61-烯烴和C121-烯烴的烴梳狀聚合物的噴氣發動機燃料組合物。第一種噴氣發動機燃料組合物(A)包括當相對聚苯乙烯標準由凝膠滲透色譜法測量時數均分子量為2500的烴梳狀聚合物，而第二種比較噴氣發動機燃料組合物(B)包括當相對聚苯乙烯標準由凝膠滲透色譜法測量時數均分子量為5500的烴梳狀聚合物。
噴氣發動機燃料組合物由包括燃燒器的單燃燒器噴氣發動機進行測試。該噴氣發動機以怠速(空氣進氣溫度為100℃)運行兩個20分鐘的期間，和一個40分鐘的期間。因此總測試期間是80分鐘。空氣流量是350g/s而燃料質量流為3.4g/s。
測試結果表示在下表1中。
權利要求
1.一種方法，用於鍍膜一個基板，包括生成一個鍍膜材料的等離子體；沉積等離子體到所述基板上；以及使所述基板有-1,500V的偏壓或更低的偏壓。
2.一種方法，用於鍍膜一個基板，包括生成一個鍍膜材料的等離子體；沉積等離子體到所述基板上；以及使用一個可變的偏壓使所述基板具有偏壓。
3.根據權利要求2所述的方法，進一步包括使所述基板有-1,500V的偏壓或更低的偏壓。
4.根據權利要求1-3中的任何一個所述的方法，包括使所述基板具有可達到-10,000V的偏壓。
5.根據權利要求4所述的方法，包括使所述基板具有可達到-5,000V的偏壓。
6.根據權利要求1-5中的任何一個所述的方法，包括使所述基板具有-2,000V或更低的偏壓。
7.根據權利要求6所述的方法，包括使所述基板具有-2,000V到-4,000V的偏壓。
8.根據權利要求1-7中的任何一個所述的方法，包括給所述基板上的偏壓加以最高達10kHz頻率的脈衝。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述頻率是1-3kHz。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其中所述脈衝持續時間是1-25μs。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述脈衝持續時間是5-10μs。
12.根據權利要求1-11中的任何一個用於在一個電弧沉積裝置中鍍膜一個基板的所述的方法，所述裝置包括一個真空室，一個目標以及一個陽極和一個陰極來從所述目標生成所述等離子體。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述裝置包括一個過濾陰極真空電弧源。
14.根據權利要求12或13所述的方法，其中所述目標是一種金屬。
15.根據權利要求13所述的方法，其中所述目標是石磨。
16.根據權利要求12-14中的任何一個所述的方法，其中所述目標包括鈦，鉻，鋁，鎵或任何前述的金屬的混合物或合金。
17.根據權利要求12-16中的任何一個所述的方法，包括引入一種氣體到所述真空室中來形成在所述基板上的一個鍍膜，該鍍膜是所述氣體和所述目標的化合物。
18.一種裝置，用於鍍膜一個基板，包括一個真空室，一個陽極和一個陰極組件來從一個目標生成一個等離子體並沉積等離子體在所述基板上形成一個鍍膜，以及一個電源來施加-1,500V或更低的偏壓到所述基板上。
19.一種裝置，用於鍍膜一個基板，包括一個真空室，一個陽極和一個陰極組件來從一個目標生成一個等離子體並沉積等離子體到所述基板上來形成一個鍍膜，以及一個電源來施加可變的偏壓到所述基板上。
20.根據權利要求19所述的裝置，其中所述電源施加一個-1,500V或更低的偏壓到所述基板上。
21.根據權利要求18-20中的任何一個所述的裝置，包括一個電源施加-2,000V到-4,000V的偏壓到所述基板上。
22.根據權利要求18-21中的任何一個所述的裝置，包括一個電源將所述偏壓加以1-3kHz頻率的脈衝。
23.根據權利要求18-22中的任何一個所述的裝置，包括一個電源將所述基板的所述偏壓加以5-10μs的脈衝持續時間的脈衝。
24.一個-1,500V或更低的偏壓用來減小由一個電弧沉積裝置沉積的鍍膜內的壓力。
25.一個-2,000V到-4,000V偏壓用來減小由一個過濾陰極真空電弧源沉積的鍍膜內的壓力。
26.一個可變偏壓用來減小由一個電弧沉積裝置沉積的鍍膜內的壓力。
全文摘要
使用電弧沉積方法沉積鍍層，該方法在所述基板上使用一個大的－1,500V或更低的負偏壓，其在沉積過程中可變，導致所述鍍層中的壓力減小。
文檔編號C23C14/24GK1644755SQ20051000571
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月13日 優先權日2004年1月21日
發明者史旭, 謝麗康 申請人:納峰科技私人有限公司