CN100395371C - 微波等离子体增强弧辉渗镀涂层的装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

一种微波等离子体增强冷阴极电弧渗镀涂层的装置及工艺属于等离子表面改性的范畴，其特征是在加弧辉光离子渗镀装置中，引入一个微波ECR源，在真空电弧放电作用下从金属冷阴极电弧源发射出的高能量高离化率的金属粒子(离子、原子、分子等)，在微波ECR等离子体放电产生的高密度等离子体的作用下，得到进一步的离解活化，能量得到提高，与反应气体的化合过程得到加强，提高涂层沉积速度的同时，增强涂层与基底的结合能力，在工件表面快速获得碳、氮化合物硬质涂层。

Description

微波等离子体增强弧辉渗镀涂层的装置及工艺
一、技术领域
本发明微波等离子体增强弧辉渗镀涂层装置及工艺属于材料表面改性的范畴。是一种把多弧离子镀沉积速度快和微波ECR真空放电产生的高活性等离子体的特点有机的结合起来，提高反应物质的离化程度，促使反应气体与渗镀物质进行充分的化学反应，实现快速渗镀金属碳、氮化合物硬质涂层的工艺和装置。
二、背景技术
在现有技术中，薄膜的同质或异质外延生长过程中，如何获得致密、无缺陷、表面完整光滑以及附着性能良好的高质量薄膜，一直是各种薄膜沉积处理中面临的复杂课题。在实验技术工艺以及理论模型等方面已经进行的广泛研究表明，薄膜沉积过程中高能量的荷能粒子对高质量、附着性能良好的薄膜的获得是必不可少的，但是适当地控制荷能粒子的能量对于薄膜质量存在关键的影响作用。一方面高能量粒子可以提高吸附原子的表面迁移能力、合成薄膜的附着能力，而另一方面过高的轰击能量会在涂层内部造成缺陷或在涂层的最表面形成缺陷层，甚至在基底中造成损伤，所以合理控制轰击离子或基团的能量是减少对薄膜和基底的损伤程度，获得高质量、附着良好的外延生长薄膜的十分关键的因素。在众多溅射沉积工艺技术中，离子束辅助沉积技术由于其提高成膜物质的活性反应能力，改善了涂层的质量以及附着性能，因而得到了广泛的研究。但是该技术的主要不足是沉积速率低、镀膜速度慢，获得的改性层很薄，一般制作不超过2微米的膜层。而且高能离子源的采用使得设备十分复杂昂贵，如常用的双束和三束的离子束增强沉积技术(IBED)，针对高能辐射的防护，以及高压绝缘等级的要求很高，也增加了沉积系统的复杂性和造价。此外，离子束具有的直射性使该技术在复杂形状表面的处理难以进行，限制了其应用范围。利用真空电弧放电原理形成的阴极电弧源，根据采用的源极材料的不同，从电弧源源极表面发射出的粒子的离化率可以达百分十几至接近百分之百，产生的离子能量从几电子伏特(eV)到几十电子伏特(eV)，因此，多弧离子镀技术(MAIP)由于其具有高的离化率和离子能量、有助于反应成膜、提高薄膜质量而成为一种应用广泛的物理气相沉积技术，同时多弧离子镀技术具有设备简单、沉积速度快、成本低等优点。但是该技术中沉积的薄膜表面质量较差，附着力较低。微波ECR等离子体的主要特点是具有很高的离子密度，因此具有很强的活性，可以促进沉积过程中的化学反应的充分进行。而且其各个参数还具有很好的独立可控性，可根据沉积工艺的要求进行调节。
三、发明内容
本发明微波等离子体增强弧辉渗镀涂层装置及工艺的目的在于，公开一种，在沉积系统内采用阴极电弧源提供镀膜金属源，同时导入微波产生高密度的微波ECR等离子体，在使反应气体充分电离的同时，使阴极电弧源产生金属粒子流保持高离化率，促进和加强金属粒子与反应气体之间的化合反应的进行，提高涂层的质量，由微波ECR等离子体所产生的反应气体的离子流，在偏压电源的作用下，造成一定能量的离子轰击作用，提高涂层附着力的技术方案。
本发明微波等离子体增强弧辉渗镀涂层装置，其特征在于，是一种在沉积系统内采用阴极电弧源提供镀膜金属源，同时导入微波产生高密度的微波ECR等离子体的微波等离子体增强弧辉渗镀涂层装置，该装置是在极限真空度为1×10-3～5×10-3Pa并能通入气体介质的真空室17内，设置阴极电弧源系统，微波源系统，阴极转动系统，以及抽真空系统、送气系统和测温系统，其阴极电弧源系统由阴极电弧源3、引弧钩2和电弧电源4组成，微波源系统由微波源14、微波导入窗15和磁场线圈16组成，阴极转动系统由被处理工件18、阴极托盘9和转动机构6组成，送气系统由供气瓶12和供气孔13组成，测温系统是由测温仪11和观察测温孔10构成，抽气系统由机械泵8和扩散泵7组成，被处理工件18置于阴极托盘9之上，阴极电弧源3和引弧钩2置于钟罩1壁上，微波源14置于钟罩1的顶部，磁场线圈16位于微波导波管外，在钟罩1和阴极电弧源3之间连接一连续可调0～100V电压、0～300A的电弧电源4，在钟罩1和阴极托盘9之间连接一个连续可调的0～1000V的工件偏压电源5，阴极电弧源3的电弧靶材由欲渗的金属或合金制成，形状为圆柱形，直径和厚度为50～80mm×35～60mm，或者为方形，尺寸为200×400mm，钟罩1顶部联结的微波源14为2.45GHz，0～5000W，
上述微波等离子体增强弧辉渗镀涂层装置的工艺，其特征在于是首先通过抽气系统的机械泵8和扩散泵7将真空室17内抽真空到极限真空度1×10-3～5×10-3Pa，由供气瓶12充入氩气，压力为20Pa～50Pa，由微波源14产生的微波通过微波导入窗15导入真空室17内，微波功率为500-1000W，被处理工件18负偏压200～300V，对被处理工件18进行表面清洗和活化并升温，使被处理工件加热到200～700℃，通入反应气体氮气，氮气与氩气的分压比为1∶10～2∶10，再将真空室17内气压抽至5×10-2～20Pa，给阴极电弧源3施加20～22V电压、60～150A电流，以引燃阴极电弧源提供高能量、高离化率的欲渗镀金属粒子流，此时反应气体和渗镀金属源粒子在微波ECR等离子体的作用下得到充分的离解活化，在被处理工件18负偏压200～1000V的吸引下，以高能量状态到达工件表面形成化合物涂层。
本发明微波等离子体增强弧辉渗镀涂层装置及工艺的优点：在于在沉积系统内采用阴极电弧源提供镀膜金属源，同时导入微波产生高密度的微波ECR等离子体，在使反应气体充分电离的同时，使阴极电弧源产生金属粒子流保持高离化率，促进和加强金属粒子与反应气体之间的化合反应的进行，提高了涂层的质量，由微波ECR等离子体所产生的反应气体的离子流，在偏压电源的作用下，造成一定能量的离子轰击作用，提高了涂层的附着力，该装置及工艺将阴极电弧源和微波ECR等离子体的优点有机结合，不仅使涂层的质量和结合力得到提高，而且沉积速率大大加速，在基片温度400～700℃时，沉积TiN涂层速率达到2～5μm/小时，可以得到致密性高、附着性能良好的涂层，而且与离子束辅助沉积技术相比，降低了设备成本，为沉积优质涂层提供了新的途径，可应用于碳、氮化合物涂层的沉积制备。
四、附图说明
附图为微波等离子体辅助增强弧辉渗镀涂层装置及工艺示意图图中的标号为：
1.钟罩           2.引弧钩            3.阴极电弧源
4.电弧电源       5.工件偏压电源      6.转动机构
7.扩散泵         8.机械泵            9.阴极托盘
10.观察测温孔    11.测温仪           12.供气瓶
13.供气孔        14.微波源           15.微波导入窗
16.磁场线圈    17.真空室    18.被处理工件
五、具体实施方式
下面结合附图说明本发明在实施渗渡氮化物(TiN)涂层时的具体工作过程。
实施方式1：首先通过抽气系统的机械泵8和扩散泵7将真空室17内抽真空到极限真空度～5×10-3Pa，由供气瓶12充入氩气，压力为20Pa，由微波源14产生的微波通过微波导入窗15导入真空室17内，微波功率为500W，被处理工件18由工件偏压电源5供给负偏压100V，对被处理工件18进行表面清洗和活化并升温，使其加热到200℃，通入反应气体氮气，氮气与氩气的分压比为1∶10，给阴极电弧源3施加20V电压、60A电流，以引燃阴极电弧源提供高能量、高离化率的欲渗镀金属源，此时反应气体和渗镀金属源粒子在微波等离子体的作用下得到充分的离解活化，在被处理工件18负偏压200的吸引下，以高能量状态到达工件表面形成化合物涂层，工件温度为400℃，处理时间90分钟，涂层厚度可达3μm。
实施方式2：首先通过抽气系统的机械泵8和扩散泵7将真空室17内抽真空到极限真空度～5×10-3Pa，由供气瓶12充入氩气，压力为30Pa，由微波源14产生的微波通过微波导入窗15导入真空室17内，微波功率为800W，被处理工件18由工件偏压电源5供给负偏压200V，对被处理工件18进行表面清洗和活化并升温至400℃，通入反应气体氮气，氮气与氩气的分压比为1.5∶10，再将真空室17内气压抽至5×10-1Pa，给阴极电弧源3施加22V电压、100A电流，当被处理工件18负偏压600V，工件温度为500℃，处理时间60分钟，涂层厚度可达3.5μm。
实施方式3：首先通过抽气系统的机械泵8和扩散泵7将真空室17内抽真空到极限真空度～5×10-3Pa，由供气瓶12充入氩气，压力为50Pa，由微波源14产生的微波通过微波导入窗15导入真空室17内，微波功率为1000W，被处理工件18由工件偏压电源5供给负偏压300V，对被处理工件18进行表面清洗和活化并升温至700℃，通入反应气体氮气，氮气与氩气的分压比为2∶10，再将真空室17内气压抽至5×10-2Pa，给阴极电弧源3施加22V电压、150A电流，被处理工件18负偏压为1000V，工件温度为700℃，处理时间60分钟，涂层厚度可达5μm。
本发明将阴极电弧源和微波ECR等离子体的特点有机结合，沉积速度快，获得的涂层致密、附着性能好，是一种全新的物理气相沉积方法。

Claims (2)

1.一种微波等离子体增强弧辉渗镀涂层装置，其特征在于，是一种在沉积系统内采用阴极电弧源提供镀膜金属源，同时导入微波产生高密度微波ECR等离子体的装置，该装置是在极限真空度为1×10-3～5×10-3Pa并能通入气体介质的真空室(17)内，设置阴极电弧源系统，微波源系统，阴极转动系统，以及抽真空系统、送气系统和测温系统，其阴极电弧源系统由阴极电弧源(3)、引弧钩(2)和电弧电源(4)组成，微波源系统由微波源(14)、微波导入窗(15)和磁场线圈(16)组成，阴极转动系统由被处理工件(18)、阴极托盘(9)和转动机构(6)组成，送气系统由供气瓶(12)和供气孔(13)组成，测温系统是由测温仪(11)和观察测温孔(10)构成，抽气系统由机械泵(8)和扩散泵(7)组成，被处理工件(18)置于阴极托盘(9)之上，阴极电弧源(3)和引弧钩(2)置于钟罩(1)壁上，微波源(14)置于钟罩(1)的顶部，磁场线圈(16)位于微波导波管外，在钟罩(1)和阴极电弧源(3)之间连接一连续可调0～100V电压、0～300A的电弧电源(4)，在钟罩(1)和阴极托盘(9)之间连接一个连续可调的0～1000V的工件偏压电源(5)，阴极电弧源(3)的电弧靶材由欲渗的金属或合金制成，形状为圆柱形，直径和厚度为50～80mm×35～60mm，或者为方形，尺寸为200×400mm，钟罩(1)顶部联结的微波源(14)为2.45GHz，0～5000W。
2.采用权利要求1所述装置的工艺，其特征在于，首先通过抽气系统的机械泵(8)和扩散泵(7)将真空室(17)内抽真空到极限真空度1×10-3～5×10-3Pa，由供气瓶(12)充入氩气，压力为20Pa～50Pa，由微波源(14)产生的微波通过微波导入窗(15)导入真空室(17)内，微波功率为500-1000W，被处理工件(18)负偏压200～300V，对被处理工件(18)进行表面清洗和活化并升温，使被处理工件加热到200～700℃，通入反应气体氮气，氮气与氩气的分压比为1∶10～2∶10，再将真空室(17)内气压抽至5×10-2～20Pa，给阴极电弧源(3)施加20～22V电压、60～150A电流，以引燃阴极电弧源提供高能量、高离化率的欲渗镀金属粒子流，此时反应气体和渗镀金属源粒子在微波ECR等离子体的作用下得到充分的离解活化，在被处理工件(18)负偏压200～1000V的吸引下，以高能量状态到达工件表面形成化合物涂层。
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