具高功率脈沖離子源的磁控濺射裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于物理氣相沉積領(lǐng)域，涉及一種原子級光滑薄膜電弧離子鍍裝置，可以用于金屬薄膜、氮化物薄膜和碳化物薄膜的生長。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，磁控濺射和電弧離子鍍技術(shù)是制備碳基薄膜的主要手段。電弧技術(shù)理化率高，制備的薄膜結(jié)合力高但存在表面粗糙度大的問題，難以滿足高精度的需求。磁控濺射由于其制備的薄膜表面光滑而被廣泛應(yīng)用，尤其是改進(jìn)型的閉合場磁控濺射提升了工件表面離子流量，極大的提高了成膜效率。但是相對電弧離子鍍，閉合場磁控濺射離化率約10%，薄膜密度和結(jié)合力難以達(dá)到理想的狀態(tài)。這兩種方法制備的碳基薄膜都存在硬脆性問題，難以克服。近年來發(fā)展起來的高功率脈沖派射技術(shù)（high power impulse magnetronsputtering HIPIMS)可以有效的提高等離子體的離化率（Ti靶可達(dá)90%)和等離子體密度(高達(dá)1019m 3數(shù)量級，比傳統(tǒng)濺射高三個數(shù)量級)，電子溫度高達(dá)10 eV數(shù)量級。HIP頂S且具有低溫沉積高性能薄膜的優(yōu)點，可以在任何基底沉積功能性納米結(jié)構(gòu)薄膜，尤其是可以沉積超韌碳基薄膜，克服傳統(tǒng)方法制備的碳基薄膜具有硬脆性的缺點。
[0003]但是HIP頂S實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的主要局限性在于，與傳統(tǒng)的磁控濺射工藝相比，其沉積速度較慢。進(jìn)行高效HIP頂S技術(shù)設(shè)備的研制已成為目前國內(nèi)外制備高性能超韌低摩擦新型薄膜和促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的亟需關(guān)鍵。Sarakinos等人總結(jié)了近年來的研究后發(fā)現(xiàn)，和直流濺射相比較，HIPIMS技術(shù)的成膜速率Ti (15-75%)、Cr (29%)、Cu (37-80%)、Al (35%) ,Ta(20-40%)、Zr(15%)。為此，人們提出在有外部離子預(yù)離化的情況下再施加脈沖電流，一般用直流磁控濺射電源進(jìn)行離子的預(yù)離化。
[0004]國外方面，P. Vasina等人用一臺脈寬l_6(^s，脈沖電壓500-1200V，頻率IOOOHz的高功率脈沖磁控濺射電源與與一臺用于離子預(yù)離化的直流電源復(fù)合，用復(fù)合脈沖磁控濺射技術(shù)研究了這種改進(jìn)工藝下的濺射電壓、電流波形，以及這種新工藝的優(yōu)點，研究表明，高功率復(fù)合脈沖磁控濺射技術(shù)解決了單一高功率脈沖磁控濺射存在雪崩延遲時間長和打弧概率高的問題，但沉積速率提高不顯著。韓國先進(jìn)科學(xué)與技術(shù)研究所的Sang-Hun Seo等人用兩臺脈沖電壓分別為I. 7KV和O. 5KV的電源復(fù)合，提高沉積速率2倍以上。德國物理研究所的Vitezslav等人發(fā)展了一種雙極HIPIMS技術(shù)并與中頻脈沖耦合，薄膜沉積速率提升3倍以上。在所有的改進(jìn)工作中，Chistyakov等人的工作最具有革命性，他們采用了多波段脈沖調(diào)制模式，加大了占空比和脈沖長度，使得薄膜沉積速率大幅度提升，最高可接近傳統(tǒng)的電弧離子鍍，且薄膜應(yīng)力低，硬度大。
[0005]在國內(nèi)，關(guān)于高功率脈沖電源的研究較少，主要集中在研究所和大學(xué)里，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室的田修波等人，大連理工大學(xué)三束材料改性教育部重點實驗室的牟宗信等，遵化市三石電子研究所、中國科學(xué)院北京電子所、西南核物理研究院下屬的普斯特電源公司和臺灣核能研究所。國內(nèi)主要集中于第一代HIP頂S的開發(fā)和改進(jìn)工作。田修波等人發(fā)展了直流耦合HIP頂S電源，發(fā)現(xiàn)薄膜沉積速率有小幅提升。
[0006]綜上所述，高功率脈沖磁控濺射確實優(yōu)于傳統(tǒng)的磁控濺射，離化率是普通磁控濺射的2個數(shù)量級，但是其低的沉積速率阻礙了工業(yè)化應(yīng)用。如何發(fā)展一套磁控濺射體系，在保證高離化率的同時提高其沉積速率，對推動高功率脈沖濺射在鍍膜領(lǐng)域的應(yīng)用意義重大。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]本實用新型的目的是為了解決傳統(tǒng)磁控濺射離化率低而高功率脈沖磁控濺射沉積速率低的問題而提出一種具高功率脈沖離子源的磁控濺射裝置。將高功率脈沖的高離化率移植到離子源上，達(dá)到高離化率而不降低沉積速率的目的。
[0008]一種具高功率脈沖離子源的磁控濺射裝置，包括由偏壓電源供電的工件盤、與真空栗組相連的真空腔體，真空腔體內(nèi)設(shè)有不少于2個的由電源I供電的磁控濺射靶，其特征在于相鄰的磁控濺射靶之間設(shè)有由電源II供電的高功率脈沖離子源，在真空腔體內(nèi)形成閉環(huán)電磁場結(jié)構(gòu)。
[0009]所述磁控濺射靶為矩形或旋轉(zhuǎn)柱靶。
[0010]所述磁控濺射靶為金屬或非金屬靶。
[0011]所述電源I為直流、直流脈沖、中頻、射頻或高功率脈沖電源。
[0012]所述高功率脈沖離子源的陽極為帶進(jìn)氣水冷的銅板結(jié)構(gòu)。
[0013]所述電源II為高功率脈沖電源，該高功率脈沖電源為常規(guī)高功率脈沖、雙極高功率脈沖或雙極疊加中頻高功率脈沖電源。
[0014]所述高功率脈沖離子源與磁控濺射靶等高布置。
[0015]高功率脈沖離子源激發(fā)高能量等離子體，在靶前形成一高密度等離子體，磁控濺射的中性粒子在這一區(qū)域被離化加速，在工件上形成致密的薄膜。
[0016]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0017]1、本實用新型使用高功率脈沖電源激發(fā)離子源提高了腔體空間的離化率和等離子體密度。
[0018]2、本實用新型具高功率脈沖離子源輔助的磁控濺射等離子體密度比傳統(tǒng)的磁控濺射高2個數(shù)量級，也高于其他離子源輔助的磁控濺射至少I個數(shù)量級。
[0019]3、本實用新型將高功率脈沖離子源同磁控濺射相復(fù)合，消除了高功率脈沖電源作為磁控濺射電源時產(chǎn)生的離子回流現(xiàn)象，保證了磁控濺射所需的高離化密度，高功率脈沖離子源提高了薄膜的沉積速率。
【附圖說明】
[0020]圖I為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中：1_真空栗組2-工件盤3-磁控濺射靶4-高功率脈沖離子源5-電源I 6-電源II 7-偏壓電源。
【具體實施方式】
[0022]實施例I
[0023]如圖I所示，一種具高功率脈沖離子源的磁控濺射裝置，包括由偏壓電源7供電的工件盤2、與真空栗組I相連的真空腔體，真空腔體內(nèi)設(shè)有不少于2個的由電源I 5供電的磁控濺射靶3，相鄰的磁控濺射靶3之間設(shè)有由電源II 6供電的高功率脈沖離子源4，在真空腔體內(nèi)形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0024]磁控濺射靶3為矩形或旋轉(zhuǎn)柱靶。
[0025]磁控濺射靶3為金屬或非金屬靶。
[0026]電源I 5為直流、直流脈沖、中頻、射頻或高功率脈沖電源。
[0027]高功率脈沖離子源4的陽極為帶進(jìn)氣水冷的銅板結(jié)構(gòu)。
[0028]電源II 6為高功率脈沖電源，該高功率脈沖電源為常規(guī)高功率脈沖、雙極高功率脈沖或雙極疊加中頻高功率脈沖電源。
[0029]高功率脈沖離子源4與磁控濺射靶3等高布置。
[0030]使用時，磁控濺射靶3與高功率脈沖離子源4相鄰相間設(shè)置，形成會切電磁場；磁控濺射靶3與高功率脈沖離子源4形成輪換對稱布置在圓形腔體周圍；真空栗組I用來抽背底真空和維持鍍膜氣壓。
[0031]實施例2
[0032]采用圖I所示的裝置實現(xiàn)高結(jié)合力氮化鈦薄膜的制備；
[0033]1、樣品清新干燥、抽真空至I. OX 10_4Pa，開始鍍膜；
[0034]2、偏壓1000V，占空比O. 4，高功率脈沖電源電壓800V，通入氬氣O. 8Pa，清洗10分鐘；
[0035]3、打開I組磁控濺射鈦靶，偏壓800V，占空比O. 4，高功率脈沖電源電壓600V，通入氬氣O. 8Pa，轟擊10分鐘；
[0036]4、偏壓降至200V，高功率脈沖電源電壓600 V，氬氣O. 5Pa，氮氣O. 3Pa，沉積2小時；
[0037]5、待降至室溫拿出樣品測試，結(jié)合力為82 N。
【主權(quán)項】
1.一種具高功率脈沖離子源的磁控濺射裝置，包括由偏壓電源（7)供電的工件盤（2)、與真空栗組（I)相連的真空腔體，真空腔體內(nèi)設(shè)有不少于2個的由電源I (5)供電的磁控濺射靶（3)，其特征在于相鄰的磁控濺射靶（3)之間設(shè)有由電源II (6)供電的高功率脈沖離子源（4 )，在真空腔體內(nèi)形成閉環(huán)電磁場結(jié)構(gòu)。2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述磁控濺射靶（3)為矩形或旋轉(zhuǎn)柱靶。3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述磁控濺射靶（3)為金屬或非金屬靶。4.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述電源I(5)為直流、直流脈沖、中頻、射頻或高功率脈沖電源。5.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述高功率脈沖離子源（4)的陽極為帶進(jìn)氣水冷的銅板結(jié)構(gòu)。6.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述電源II(6)為高功率脈沖電源，該高功率脈沖電源為常規(guī)高功率脈沖、雙極高功率脈沖或雙極疊加中頻高功率脈沖電源。7.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述高功率脈沖離子源（4)與磁控濺射靶（3)等尚布置。
【專利摘要】本實用新型屬于物理氣相沉積領(lǐng)域，涉及一種具高功率脈沖離子源的磁控濺射裝置。該裝置包括由偏壓電源供電的工件盤、與真空泵組相連的真空腔體，真空腔體內(nèi)設(shè)有不少于2個的由電源Ⅰ供電的磁控濺射靶，相鄰的磁控濺射靶之間設(shè)有由電源Ⅱ供電的高功率脈沖離子源，在真空腔體內(nèi)形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。本實用新型將高功率脈沖離子源同磁控濺射相復(fù)合，消除了高功率脈沖電源作為磁控濺射電源時產(chǎn)生的離子回流現(xiàn)象，保證了磁控濺射所需的高離化密度，高功率脈沖離子源提高了薄膜的沉積速率。
【IPC分類】C23C14/35
【公開號】CN205152323
【申請?zhí)枴緾N201520840239
【發(fā)明人】張斌, 張俊彥, 高凱雄, 強(qiáng)力, 王健
【申請人】中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年10月27日