專利名稱：一種利用電弧離子鍍沉積高質(zhì)量薄膜的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及薄膜制備領(lǐng)域，具體地說是一種利用電弧離子鍍沉積高質(zhì)量 薄膜的簡(jiǎn)便裝置，用以減少薄膜中大顆粒的含量，提高薄膜的質(zhì)量。
技術(shù)背景電弧離子鍍膜技術(shù)是當(dāng)今一種先進(jìn)的離子鍍膜技術(shù)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，離化率高(70%-80%)，入射粒子能量高，繞射性好，可實(shí)現(xiàn)低溫沉積等一系列優(yōu)點(diǎn)， 使電弧離子鍍技術(shù)得到快速發(fā)展并獲得廣泛應(yīng)用，展示出很大的經(jīng)濟(jì)效益和工業(yè) 應(yīng)用前景。電弧離子鍍是基于氣體放電等離子體物理氣相沉積原理的鍍膜技術(shù)。這種技 術(shù)依靠在真空鍍膜室中陰極靶材表面上產(chǎn)生的電弧斑點(diǎn)的局部高溫，使作為靶材 的陰極材料瞬時(shí)蒸發(fā)和離化，產(chǎn)生電離度高而且離子能量大的等離子體，在工件 上加上負(fù)電位，即可在工件加熱溫度比較低的條件下，在工件表面鍍上一層硬度 高、組織致密而且結(jié)合性好的各種硬質(zhì)薄膜。電弧離子鍍陰極斑點(diǎn)的尺寸很小(100 200nrn2 ),電流密度很高 (105~107A/cm2)，具有非常高的功率密度(1016W/m2),因此陰極斑點(diǎn)在作為強(qiáng) 烈的電子、金屬原子、離子和高速(1000m/s)金屬蒸汽發(fā)射源的同時(shí)，也不斷的 噴射金屬液滴(大顆粒)。電弧離子鍍技術(shù)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于電弧離子鍍中大顆粒的存在，嚴(yán) 重影響了涂層和薄膜的性能和壽命。因此有關(guān)如何解決陰極電弧鍍中大顆粒問題 對(duì)陰極電弧的發(fā)展影響很大，成為后期發(fā)展的主要論題，也成為阻礙電弧離子鍍 技術(shù)更深入廣泛應(yīng)用的瓶頸問題。電弧離子鍍的進(jìn)一步發(fā)展要求在工藝設(shè)計(jì)中考慮對(duì)大顆粒的抑制，目前減少 大顆粒的措施主要有兩種，即減少大顆粒的發(fā)射或者在等離子體傳輸過程中將大 顆粒排除掉。減少大顆粒的發(fā)射有多種設(shè)計(jì)方法，主要靠控制弧斑在靶材表面的運(yùn)動(dòng)，提高弧斑的運(yùn)動(dòng)速度來實(shí)現(xiàn)的。其中應(yīng)用較普遍的有受控電弧技術(shù)，陰極冷卻技術(shù), 陰極表面高溫反應(yīng)層技術(shù)。這些方法雖然一定程度上能夠減少顆粒的發(fā)射，減少 薄膜中大顆粒的含量，但由于電弧本身物理特性的限制，并不能完全清除薄膜中 的大顆粒，不能滿足制備光潔度高，結(jié)構(gòu)致密均勻的高質(zhì)量薄膜的要求。比較徹底清除大顆粒的方法是在等離子體傳輸過程中將大顆粒排除掉的方 法。目前應(yīng)用較多的是磁過濾技術(shù)，主要是利用大顆粒與金屬離子質(zhì)荷比的差別 將大顆粒完全阻擋在沉積區(qū)外，這種方法雖然可以滿足制備高質(zhì)量薄膜的要求， 但是磁過濾技術(shù)降低了等離子的傳輸效率，降低了沉積速率，同時(shí)需要增加額外 的設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本很高，不利于應(yīng)用推廣。因此，需要有一種裝置、方法既簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)，成本低，又能夠滿足制備 高質(zhì)量薄膜的要求。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種利用電弧離子鍍沉積高質(zhì)量薄膜的裝置，解 決由于電弧離子鍍中大顆粒的存在,嚴(yán)重影響了涂層和薄膜的性能和壽命等問題。 它是在電弧離子鍍沉積工藝中使用的簡(jiǎn)便裝置，用以減少薄膜中大顆粒的含量， 提高薄膜的質(zhì)量，達(dá)到制備高質(zhì)量薄膜的要求。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種利用電弧離子鍍沉積高質(zhì)量薄膜的裝置，雙層帶孔擋板放置于電弧離子 鍍沉積裝置的靶材與基體之間，與靶材和基體同軸放置，基體后放置增強(qiáng)磁場(chǎng)的 發(fā)生裝置。所述雙層帶孔擋板為帶孔擋板i、帶孔擋板n同軸平行放置，帶孔擋板i、 帶孔擋板n上的孔相互錯(cuò)開，擋板之間的距離可調(diào)。所述雙層帶孔擋板為正多ii^或者圓形，雙層帶孔擋板中的孑L形狀是圓形、 方形、橢圓形或三角形，兩層擋板中的孔形狀一致。所述雙層帶孔擋板與靶材以及基體之間的距離可調(diào)，雙層帶孔擋板懸浮放置 或固定在真空室壁上接地放置。所述基體后放置的增強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生裝置為增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈,增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈同靶材、 雙層帶孔擋板同軸放置，線圈位置可調(diào)。所述增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈形狀是方形的或者圓形的，線圈的大小沒有限制。所述增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小可調(diào)，磁場(chǎng)的極性可調(diào)；增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性與放置于靶材后面的磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性相同，磁極按S-N-S-N或者N-S-N-S分布。本發(fā)明根據(jù)大顆粒和離子、電子在等離子體傳輸過程中的不同的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)， 大顆粒由于質(zhì)量大(遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離子的質(zhì)量)，在前進(jìn)過程中基本不會(huì)改變其運(yùn)行軌 跡，因此是直線運(yùn)動(dòng)的；而帶電粒子(離子、電子)在前進(jìn)的過程中會(huì)不斷地相 互碰撞改變其運(yùn)動(dòng)軌跡，這也是電弧離子鍍有很好的繞射性的原因。只要在大顆 粒向基體直線傳輸?shù)穆窂街型ㄟ^某種方式將其排除，阻擋其向基體的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)， 便可以阻止大顆粒在薄膜上的沉積。而實(shí)現(xiàn)這種目的最簡(jiǎn)單的方法是在基體前設(shè)置一實(shí)體擋板，擋板的大小適當(dāng) 使其正好能夠阻礙大顆粒的前進(jìn)，而離子則通過碰撞繞射到擋板后基體附近，在 負(fù)偏壓的作用下沉積成膜。見附圖l, 2。上述方法雖然簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，然而由于實(shí)體擋板在阻擋大顆粒的同時(shí)，也會(huì) 對(duì)大部分的離子形成阻礙，特別是對(duì)比較大的樣品，所需的擋板尺寸也必須較大 能夠遮擋住整個(gè)樣品，這樣就會(huì)阻擋更多的離子前進(jìn)，僅靠邊緣繞射過來到達(dá)基 體附近的離子密度很低，極大地降低了沉積速率，同時(shí)也造成了沉積的不均句性。在上述方法的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型提出一種新的解決方案方案一在靶材與基體之間合適的位置設(shè)置一雙層帶孔擋板，兩個(gè)擋板之間有一定的 距離，兩個(gè)擋板的形狀相同，單層擋板上孔的數(shù)目和間距合理分布，使得前層擋 板的有孔的地方正好被后層擋板無孔的地方擋住，前層擋板無孔的地方正好擋住 后層擋板有孔的地方，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直線傳輸?shù)拇箢w粒的阻擋(那些通過前層擋板有 孔的位置大顆粒會(huì)被后層擋板阻擋)，而離子則可以通過兩層擋板上有孔的位置， 增加了擋板后面離子的密度，改變了僅靠邊緣繞射帶來的離子密度低以及不均勻 的弊端。方案二在方案一的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步增加基體附近的離子密度和均勻性，在基體 后加一增強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)由電磁線圈產(chǎn)生，線圈與靶材同軸，線圈通直流電，磁場(chǎng) 大小可以通過調(diào)節(jié)線圈電流進(jìn)行改變，磁場(chǎng)的極性和靶材后面約束弧斑運(yùn)動(dòng)的磁 場(chǎng)的極性相同，形成S-N-S-N或者N-S-N-S的分布。本實(shí)用新型的裝置有以下特點(diǎn)1. 方案一所述的雙層帶孔擋板材料只要能夠在真空電弧等離子區(qū)受熱不變 形，其他不受限制。擋板的形狀不受限制，最好是正多^i^或者圓形的。2. 方案一所述的雙層帶孔擋板中的孔的形狀可以是圓形的、方形的、橢圓形 的、三角形的等，兩層擋板孔的形狀一致。3. 方案一所述的雙層帶孔擋板中的孔的大小在保證擋板上孔的數(shù)目足夠的 情況下不受限制，孔的分布間距合理，保證前層擋板的有孔的地方正好被后層擋 板無孔的地方擋住，前層擋板無孔的地方正好擋住后層擋板有孔的地方。4. 方案一所述的雙層帶孔擋板同軸平行放置，與靶材也是同軸放置。擋板間距可以調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)不同的目的。擋板與靶材以及基體間的距離也可以調(diào)節(jié)。雙層帶孔擋板在保證上述第3條的情況下可以單獨(dú)放置或者連接在一起放置。5. 方案一所述的雙層帶孔擋板可以懸浮放置也可以固定在真空室壁上接地 放置。6. 方案二所述的增強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生裝置尺寸不受限制沐據(jù)樣品尺寸和真空室的 尺寸制作)。線圈形狀可以是方形的或者圓形的。電磁線圈1^^1 QZY-2高溫漆包 線纏繞而成，線圏外面纏繞耐高溫的玻璃絲布。線圈引線使用的是高溫線，并套 有瓷管進(jìn)行保護(hù)。線圈與靶材以及雙層帶孔擋板同軸，線圈的位置可以調(diào)節(jié)，可 以通過調(diào)節(jié)線圈電流的大小來調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，通過調(diào)節(jié)電流的方向來改 變磁極的方向。7. 方案二所述的增強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性與放置于靶材后面的磁 場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性相同，磁極按S-N-S-N或者N-S-N-S分布。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1. 本實(shí)用新型通過雙層帶孔擋板裝置配合基體處的增強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生裝置，提供 一種在電弧離子鍍沉積工藝中使用的簡(jiǎn)便裝置、方法，用以減少薄膜中大顆粒的 含量，提高薄膜的質(zhì)量，達(dá)到制備高質(zhì)量薄膜的要求。2. 本實(shí)用新型中雙層帶孔擋板裝置制作簡(jiǎn)便，調(diào)節(jié)范圍大，放置容易，成本 低廉，以為了實(shí)現(xiàn)不同的目的制作成不同的形式。3. 本實(shí)用新型中雙層帶孔擋板裝置，可以有效的阻礙大顆粒在樣品上的沉 積，同時(shí)， 一定程度上改善了擋板后離子密度的分布，提高了沉積速率和均勻性。4. 本實(shí)用新型中基體處的增強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生裝置容易制作，可以方便的通過調(diào)節(jié) 線圈電流改變磁場(chǎng)的強(qiáng)度，進(jìn)一步提高基體處離子的密度，提高了沉積速率和均勻性。


圖l-圖2是加實(shí)體擋板的電弧離子鍍沉積裝置示意圖。其中，圖l為沉積過 程；圖2為沉積裝置。圖3是實(shí)施例1電弧離子鍍沉積裝置示意圖。 圖4是圖3中雙層帶孔擋板示意圖。圖5是實(shí)施例1不加雙層帶孔擋板(a)和施加了雙層帶孔擋板(b)沉積的TiN薄 膜的掃描電鏡照片。圖6是實(shí)施例1不加雙層帶孔擋板和施加了雙層帶孔擋板沉積的TiN薄膜的 粗糙度直方圖。圖7是實(shí)施例1不加雙層帶孔擋板和施加了雙層帶孔擋板沉積的TiN薄膜的 結(jié)構(gòu)XRD圖。圖8是實(shí)施例2電弧離子鍍沉積裝置示意圖。圖9 (a) - (b)是實(shí)施例2磁場(chǎng)增強(qiáng)線圈內(nèi)通1A直流電時(shí)磁場(chǎng)分布示意圖。 其中，圖9(a)真空室內(nèi)從耙材到基體的磁力線分布圖；圖9(b)真空室內(nèi)從靶 材到基體的磁場(chǎng)大小分布圖。圖IO是實(shí)施例2磁場(chǎng)分布的矢量圖。圖中，l真空室；2基體(試樣)；3導(dǎo)磁環(huán)；4靶材；5鍍鎳純鐵；6電磁線 圈；7進(jìn)水管；8出7ji管；9引弧線圈；IO引弧針；ll增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈；12基體支 架；13實(shí)體擋板；14雙層帶孔擋板；15帶孔擋板I; 16帶孔擋板I1。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 如圖l-2所示，電弧離子鍍沉積裝置主要包括真空室l、基體(試樣)2、導(dǎo) 磁環(huán)3、靶材4、鍍鎳純鐵5、電磁線圏6、進(jìn)水管7、出水管8、引弧線圈9、引 弧針10等，真空室1內(nèi)設(shè)置基體(試樣)2、導(dǎo)磁環(huán)3、靶材4、引弧針I(yè)O,靶 材4正面與基體(試樣)2相對(duì)，靶材4背面設(shè)有電磁線圈6，在電磁線圈6中間 安裝鍍鎳純鐵5,循環(huán)水箱通過進(jìn)水管7、出水管S進(jìn)行循環(huán)，對(duì)靶材4進(jìn)行冷卻， 鍍鎳純鐵5與電磁線圈6安裝于冷卻水內(nèi)；引弧針I(yè)O連至真空室1外的引弧線圈 9，引弧線圈9帶動(dòng)引弧針10與靶材4接觸進(jìn)行引??；導(dǎo)磁環(huán)3設(shè)置于靶材4外 周，可增加橫向磁場(chǎng)分量，提高電弧斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度。在基體2前設(shè)置一實(shí)體擋板13，實(shí)體擋板13的大小適當(dāng)使其正好能夠阻礙大顆粒的前進(jìn)，而離子則通過碰撞繞射到實(shí)體擋板13后的基體2附近，基體2安裝于基體支架12上，基體2在負(fù) 偏壓的作用下沉積成膜。 實(shí)施例1:附圖3是本實(shí)用新型的方案一的實(shí)施例裝置圖，與圖2不同之處在于雙層 帶孔擋板14 (帶孔擋板U5、帶孔擋板IU6)放置于陰極靶材4與基體2之間， 與靶材4以及基體2之間的距離相等。雙層帶孔擋板14的結(jié)構(gòu)如圖4所示，雙層 帶孔擋板14中的帶孔擋板I 15、帶孔擋板II 16同軸平行放置，與靶材4和基體2 也是同軸放置，帶孔擋板U5、帶孔擋板II16之間的距離50mm。本實(shí)施例中帶 孔擋板U5、帶孔擋板II16由不銹鋼薄板制作，擋板的形狀是正六邊形，對(duì)邊之 間長度為100mm?？椎男螤钍菆A形，孔的直徑為8mm,孔間距也是8mm，擋板 上的孔均勻分布。帶孔擋板U5、帶孔擋板II16錯(cuò)開一定的位置，保證了前層擋 板的有孔的地方正好被后層擋板無孔的地方擋住，前層擋板無孔的地方正好擋住 后層擋板有孔的地方。帶孔擋板U5、帶孔擋板II16之間通過四條螺紋絲桿加螺 帽固定，絲桿長度150mm,方便調(diào)節(jié)擋板之間的距離，同時(shí)也保證了擋板不變形， 擋板固定在真空室壁上接地安裝。以沉積TiN薄膜為例驗(yàn)證本實(shí)用新型的效果，本實(shí)施例中，釆用Ti靶作為靶 材，乾材后有產(chǎn)生控制弧斑運(yùn)動(dòng)的電磁線圈，線圈的中間固定有高導(dǎo)磁的鍍鎳純 鐵，靶材周圍套有導(dǎo)磁環(huán)用以增加靶面橫向磁場(chǎng)分量的強(qiáng)度。在相同的工藝參數(shù) 下，沉積TiN薄膜。圖5是不加雙層帶孔擋板(a)和施加了雙層帶孔擋板(b)沉積的 TiN薄膜的掃描電鏡照片，由于本實(shí)施例弧斑是在比較高的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)的， 運(yùn)動(dòng)速度快，減少了大顆粒的發(fā)射，但是在不加雙層帶孔擋板沉積的薄膜中依然 有很多的顆粒，而在施加了雙層帶孔擋板沉積的薄膜中沒有一個(gè)顆粒。圖6是兩 者的粗糙度結(jié)果，可以看出施加雙層帶孔擋板可以大大降低薄膜的粗糙度，提高 薄膜的光潔度，圖7是兩種情況下沉積的薄膜的結(jié)構(gòu)XRD圖，圖中A為加雙層 帶孔擋板，B為不加雙層帶孔擋板，說明了施加了雙層帶孔擋板沉積的薄膜結(jié)構(gòu) 沒有變化，而且具有較高的擇優(yōu)取向。實(shí)施例2:附圖8是本實(shí)用新型的方案二的實(shí)施例裝置圖，在實(shí)施例l的基礎(chǔ)上，在基 體處外加一增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈11,增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈11同靶材4、雙層帶孔擋板14同軸放置，增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈11距基體2的距離可以調(diào)節(jié)，增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈11的形狀是圓
形，內(nèi)徑100mm,外徑180mm,厚度50mm。電磁線圈使用QZY-2高溫漆包線 纏繞而成，線圈外面纏繞耐高溫的玻璃絲布，保證了高溫絕緣。線圈引線使用的 是高溫線，并套有瓷管進(jìn)行保護(hù)。線圈電流通過直流調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)電流 的大小可以改變磁場(chǎng)的強(qiáng)度。
增強(qiáng)磁場(chǎng)的極性與放置于耙材后面的磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性相同，磁 極按S-N-S-N分布。圖9 (a) - (b)是線圈內(nèi)通1A直流電時(shí)磁場(chǎng)的分布情況， 可以看出磁場(chǎng)在空間的分布是從乾材到基體彎曲分布的，基體處磁場(chǎng)比較集中， 強(qiáng)度大，磁場(chǎng)分布的特點(diǎn)提高了等離子體傳輸?shù)男剩欣谠谧璧K大顆粒的同 時(shí)，增強(qiáng)基體附近的離子密度。而且基體附近的磁場(chǎng)分布均勻，提高了薄膜沉積 的均勻性。圖IO是磁場(chǎng)分布的矢量圖，進(jìn)一步說明了磁場(chǎng)的分布有利于離子在基 體附近聚集，保證了薄膜質(zhì)量的同時(shí)，提高趁機(jī)速率和沉積均勻性。因此，本實(shí) 用新型通過簡(jiǎn)便的裝置、方法達(dá)到了制備高質(zhì)量薄膜的要求，而且由于成本低， 有利于推廣。
權(quán)利要求1、一種利用電弧離子鍍沉積高質(zhì)量薄膜的裝置，其特征在于雙層帶孔擋板放置于電弧離子鍍沉積裝置的靶材與基體之間，與靶材和基體同軸放置，基體后放置增強(qiáng)磁場(chǎng)的發(fā)生裝置。
2、 按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于雙層帶孔擋板為帶孔擋板I、 帶孔擋板II同軸平行放置，帶孔擋板I、帶孔擋板n上的孔相互錯(cuò)開，擋板之間 的距離可調(diào)。
3、 按照權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于雙層帶孔擋板為正多邊形或者 圓形，雙層帶孔擋板中的孔形狀是圓形、方形、橢圓形或三角形，兩層擋板中的 孔形狀一致。
4、 按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于雙層帶孔擋板與靶材以及基體 之間的距離可調(diào)，雙層帶孔擋板懸浮放置或固定在真空室壁上接地放置。
5、 按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于基體后放置的增強(qiáng)磁場(chǎng)發(fā)生裝 置為增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈，增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈同靶材、雙層帶孔擋板同軸放置，線圈位置可 調(diào)。
6、 按照權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈形狀是方形的或 者圓形的。
7、 按照權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小 可調(diào)，磁場(chǎng)的極性可調(diào)；增強(qiáng)磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性與放置于靶材后面的磁場(chǎng) 發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性相同，磁極按S-N-S-N或者N-S-N-S分布。
專利摘要本實(shí)用新型涉及薄膜制備領(lǐng)域，具體地說是一種利用電弧離子鍍沉積高質(zhì)量薄膜的裝置，解決由于電弧離子鍍中大顆粒的存在，嚴(yán)重影響了涂層和薄膜的性能和壽命等問題。本實(shí)用新型雙層帶孔擋板放置于電弧離子鍍沉積裝置的靶材與基體之間，與靶材和基體同軸放置，基體后放置增強(qiáng)磁場(chǎng)的發(fā)生裝置。本實(shí)用新型是在電弧離子鍍沉積工藝中使用的簡(jiǎn)便裝置，用以減少薄膜中大顆粒的含量，提高薄膜的質(zhì)量，達(dá)到制備高質(zhì)量薄膜的要求。
文檔編號(hào)C23C14/32GK201132848SQ20072001678
公開日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2007年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日
發(fā)明者超 孫, 駿 宮, 昊 杜, 肖金泉, 趙彥輝, 郎文昌, 聞立時(shí) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所