CN104131258B - 一种离子镀膜装置和离子镀膜方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种离子镀膜装置和离子镀膜方法。本申请的离子镀膜装置，将磁控靶设计成圆柱筒状，所有溅射均在圆筒形靶源的内部完成，并采用偏压电源将离子束流引出，沉积在工件上，这样，不带电或者说没有电离的原子就不会被电场吸引出来的，因此，可以达到100％的离子沉积。另外，由于磁控溅射靶源的溅射是在圆筒内进行，即便发生打弧也只是在圆筒内部，不会影响到镀膜工件，避免了打弧对镀膜的影响。此外，本申请的靶源离子被偏压电源引出圆筒，引出后的离子受靶电压吸引减弱，同时，本申请的引出束流面积远远小于靶面面积，因此，引出束流密度大大提高，有效的提高了沉积速率。

Description

一种离子镀膜装置和离子镀膜方法

技术领域

本申请涉及离子镀膜领域，特别是涉及一种离子镀膜装置和离子镀膜方法。

背景技术

等离子体表面处理及镀膜技术已经广泛应用于工具、模具、机械防护等工业工程领域，以及薄膜太阳能电池、锂电池，和手机、手表、照明等日常生活中。单就工业涂层而言，2007年巴尔查斯涂层公司根据其在中国的销售数据和市场调研数据预估，中国PVD涂层市场总量在2007年约为4-5亿人民币，市场总潜力约为8-10亿人民币，且该数据以每年10％-20％的速度快速增长。

目前应用最广的等离子体镀膜技术有两种，磁控溅射和阴极弧离子镀。这两种技术各有优缺点，磁控溅射技术获得的沉积粒子全部为单原子粒子，沉积薄膜平滑、均匀、致密，但是由于沉积粒子离化率不高，粒子能量可控性差；阴极弧离子镀技术可以获得几乎100％离化率的束流，能量可控性好，但是由于较高的电弧热，靶材表面材料来不及气化直接以“液滴”的形式存在于离子束流中，沉积到薄膜上形成“大颗粒”，严重影响薄膜质量。

1999年提出的高功率脉冲磁控溅射技术，采用较高的峰值功率将磁控溅射技术的离化率提高，其离化率根据不同的靶材料可达到60％-90％，且这个高离化率的粒子束流中不含“液滴”，不会在薄膜上形成“大颗粒”，详细记载于公开号US6296742B1的专利中。因此该技术被认为是唯一有望取代常规磁控溅射和阴极弧离子镀的镀膜技术。但是，根据Anders的一篇文章报道，该技术工作在接近电弧放电的异常辉光放电阶段，很容易过渡到电弧放电产生“打弧”，放电不稳定，对于不同靶材料，其沉积粒子离化率差异较大，很难获得100％离化的束流(A.Anders.High power impulse magnetron sputtering:Current-voltage-timecharacteristic indicate the onset of sustained self-sputtering.J.Appl.Phys.2007,102:113303)。此外，Christie的研究也显示，由于靶电压电位较低，离化后的溅射材料离子在电场作用下又被吸回到靶材表面，造成该技术的沉积速率较低(D.J.Christie.Fundamentals of high power pulsed magnetron sputtering:visualization ofmechanisms for rate reduction and increased.Czech.J.Phys.2006,56:B93)。

发明内容

本申请的目的是提供一种结构改进的离子镀膜装置，以及基于该离子镀膜装置的离子镀膜方法。

为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：

本申请公开了一种离子镀膜装置，包括真空室、磁控溅射靶源、高功率脉冲磁控溅射电源、偏压电源和工件平台；真空室为封闭空腔，磁控溅射靶源和工件平台设置于真空室中，并且磁控溅射靶源位于工件平台正对面；磁控溅射靶源包括外壳、若干个磁性元件、铜套、磁控靶、熄弧罩、冷却系统和磁钢，外壳呈中空的圆柱筒状，圆柱筒外壳的顶端固定在真空室上，圆柱筒外壳的底端面向工件平台，磁钢、冷却系统、铜套和磁控靶依序层叠铺设于外壳内，并且，磁钢、铜套和磁控靶都不与外壳导通，磁控靶嵌在铜套内，若干个磁性元件均匀的镶嵌在磁钢上，熄弧罩固定于圆柱筒外壳的底端，并将圆柱筒外壳内壁上依序层叠设置的磁钢、冷却系统、铜套和磁控靶的两端包裹住，熄弧罩磁性元件、铜套、磁控靶和磁钢之间留有间隙，均不导通；高功率脉冲磁控溅射电源和偏压电源设置于真空室外，并且，高功率脉冲磁控溅射电源的负极与磁控溅射靶源的铜套和磁控靶电连接，正极接地，偏压电源的负极与工件平台电连接，正极接地或者与外壳电连接。

需要说明的是，其中磁钢是将若干个磁性元件的一端连通实现磁短路用的。本申请中，冷却系统优选的为循环水冷却系统，用于给磁控靶降温。磁控靶与铜套一体导通，并不与外壳或熄弧罩导通。本申请中，导通是指导电连通，即通电时为导电连通状态；熄弧罩安装在外壳上，两者之间可以导通，也可以不导通，其与磁性元件、铜套、磁控靶和磁钢之间留有空隙，均不导通，而磁钢与外壳不导通，磁钢与外壳之间是留有空隙的，两者采用绝缘的螺钉固定；并且，磁性元件、冷却系统与外壳之间都是不连通的。总之，在使用时，接通高功率脉冲磁控溅射电源后，仅磁控靶与铜套一体导通。

优选的，磁性元件为磁铁，磁控靶内表面的横向磁场均匀，且磁场强度在20～60mT。可以理解，横向磁场均匀，是磁性元件的排列方式和数量决定的，因此，无论怎样排列或者磁性元件的个数多少，只要能够使得圆柱筒外壳的空腔内的横向磁场均匀，且磁场强度在20～60mT即可。

优选的，高功率脉冲磁控溅射电源为单脉冲模式的高功率脉冲电源、脉冲和直流复合的高功率脉冲电源、调制的高功率脉冲电源中的一种或几种。

优选的，偏压电源为输出电压50V～10kV的常规偏压电源或输出电压1kV～100kV的高压脉冲电源。其中，常规偏压电源为用于常规能量的薄膜沉积的常规偏压电源；高压脉冲电源为用于执行浸没式等离子体离子注入与沉积的高压脉冲电源。

优选的，常规偏压电源选自直流偏压电源、脉冲偏压电源，或直流脉冲复合偏压电源的一种或几种。

优选的，磁控溅射靶源和工件平台之间的距离为5～30cm。需要说明的是，如前面所说，磁控溅射靶源是位于工件平台的正对面的，因此，此处的距离5～30cm是指，圆柱状磁控溅射靶源的出口端与工件之间的距离。

在本申请的离子镀膜装置的基础上，本申请的另一面公开了一种离子镀膜方法，包括采用本申请的离子镀膜装置，将镀膜元件放置到工件平台上，真空室抽真空，直至真空度小于10^-2Pa时，通入工作气体至0.01Pa～10Pa，然后开启偏压电源和高功率脉冲磁控溅射电源，进行离子镀膜。

优选的，高功率脉冲磁控溅射电源的峰值电压为400V～2500V，脉宽为0μs～1000μs，频率为0Hz～1000Hz。

优选的，工作气体为惰性气体和/或反应性气体。其中，工作气体为惰性气体和/或反应性气体是指，工作气体为惰性气体或反应性气体，或者是惰性气体和反应性气体的混合；可以理解，根据不同的镀膜需求，惰性气体和/或反应性气体可以进行适当的选择，在此不累述。

优选的，惰性气体选自He、Ne、Ar、Kr中的一种或几种，反应性气体选自O₂、N₂、CH₄、C₂H₂、H₂S、SiH₄、BH₃、HF、HCl、HBr中的一种或几种。

由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于：

本申请的离子镀膜装置，采用圆柱筒状的磁控溅射靶源，工作时，离子是在磁控靶围成的空腔内溅射，然后利用偏压电源将离子从圆柱筒状靶源的底端引出，沉积到工件表面，这样，不带电或者说没有电离的原子就不会被电场吸引出来，因此，可以实现100％的离子沉积。另外，由于磁控溅射靶源的溅射是在圆筒内进行，即便发生打弧也只是在圆筒内部，不会影响到镀膜工件，避免了打弧对镀膜的影响。此外，本申请的靶源离子被偏压电源引出圆筒，引出的离子受靶电压吸引减弱，同时，本申请的引出束流面积远远小于靶面面积，因此，引出束流密度大大提高，也有效的提高了沉积速率。

附图说明

图1：是本申请实施例中离子镀膜装置的结构示意图；

图2：是本申请实施例中磁控溅射靶源的内部结构示意图；

图3：是图2中A-B方向的剖视图。

具体实施方式

现有的高功率脉冲磁控溅射技术，直接沿用常规的平面磁控溅射靶源，或现有的圆柱形磁控溅射靶源，其放电和溅射都是直接面对工件进行的。这种靶源进行高功率脉冲磁控溅射时，如前面所说，存在至少三个问题，第一，该技术工作在接近电弧放电的异常辉光放电阶段，很容易过渡到电弧放电产生“打弧”，形成的“金属液滴”影响镀膜质量；第二，由于磁控靶是直接对着工件的，溅射出的中性靶原子或分子等粒子都会直接沉积到工件表面，因此，很难获得100％离子沉积；第三，由于磁控靶是直接对工件进行溅射镀膜，磁控靶的靶面面积实际上就是引出束流面积或与引出束流面积相当，并且，由于靶电压电位较低，离化后的靶离子在电场作用下又被吸回到磁控靶表面，造成沉积速率较低。本申请的圆柱筒状磁控溅射靶源工作时，是在圆柱筒内部进行溅射，并且，利用偏压电源引出离子束，第一，保障了100％的离子沉积，第二，“打弧”也只是在圆柱筒的内部，不会对工件造成影响，第三，圆柱筒内壁的表面积远大于圆柱筒的底端开口面积，即铺设的磁控靶的靶面面积远大于引出束流面积，因此，提高了沉积速率，同时，采用偏压电源引出后，离子离开了靶电压鞘层，受靶电压吸引减弱，能够更多的沉积到工件表面，因而进一步提高了沉积速率。

可见，本申请的关键发明思路在于，对磁控溅射靶源进行改进，将磁控放电相对封闭在圆柱筒内，使得引出束流方向和溅射方向不在同一方向，从而保障了引出束流的质量，也避免了直接溅射中存在的打弧等对薄膜质量的不良影响；可以理解，除此之外，其它组件，如真空室、磁控溅射电源、偏压电源、工件平台等，以及工作时的工作气体等都可以参考现有的高功率脉冲磁控溅射技术，在此不累述。只是，本申请的优选方案中，为了达到较好的镀膜效果，对磁控溅射电源、偏压电源和工作气体都进行了限定，这将会在下面的实施例中详细介绍。此外，磁控溅射靶源中，圆柱筒内部的磁场分布和磁场强度也是影响磁控溅射的因素；可以理解，磁性元件分布和数量都影响着靶表面的横向磁场的均匀性和大小，本申请中的重点是靶内表面存在一定强度的均匀横向磁场，因此，不对磁性元件的个数和分布进行具体限定。本申请的优选方案中，在本申请的具体操作条件下，磁场强度优选的为20～60mT。

下面通过具体实施例和附图对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

实施例

本例的离子镀膜装置，如图1所示，包括真空室1、磁控溅射靶源2、高功率脉冲磁控溅射电源3、偏压电源4和工件平台5；真空室1为封闭空腔，磁控溅射靶源2和工件平台5设置于真空室1中，并且磁控溅射靶源2位于工件平台5正对面；高功率脉冲磁控溅射电源3和偏压电源4设置于真空室1外，高功率脉冲磁控溅射电源3的负极与磁控溅射靶源2电连接，正极接地，偏压电源4的负极与工件平台5电连接，正极接地。

其中，本例重点对磁控溅射靶源2进行了改进。如图2和图3所示，包括外壳21、八个磁性元件22、铜套23、磁控靶24、熄弧罩25、冷却系统26和磁钢27。外壳21呈中空的圆柱筒状，圆柱筒外壳的顶端固定在真空室1上，圆柱筒外壳的底端面向工件平台5；需要说明的是，由于磁控溅射靶源2位于工件平台5正上方，因此，引出束流是从圆柱筒的底端引出，并且为了便于固定，是直接将圆柱筒外壳的顶端固定在真空室1的顶部，可以理解，只需要将磁控溅射靶源2正对着工件平台5即可，至于具体如何固定，不作限定。磁钢27、冷却系统26、铜套23和磁控靶24依序层叠铺设于外壳21内，并且，磁钢27、铜套23和磁控靶24都不与外壳导通，磁控靶24嵌在铜套23内，若干个磁性元件22均匀的镶嵌在磁钢27上，设置于磁钢27和冷却系统26之间，冷却系统26是将磁性元件22包裹其中的，熄弧罩25固定于圆柱筒外壳的底端，并将圆柱筒外壳内壁上依序层叠设置的磁钢27、冷却系统26、铜套23和磁控靶24的两端包裹住，熄弧罩25与磁性元件22、铜套23、磁控靶24和磁钢27之间都绝缘；其中，虽然磁钢27、冷却系统26、铜套23和磁控靶24是依序层叠铺设，实际上，磁钢27是与外壳21隔开的，两者中间留有空隙，采用带有绝缘套的螺钉固定；磁性元件22、冷却系统26与铜套23固定连接，磁控靶24嵌在铜套23内形成一个导通的整体，无需绝缘；熄弧罩25的作用是将发生的磁控放电限制在磁控靶围成的空腔内，即避免除磁控靶靶面以外的导电区域放电。本例中，冷却系统为循环水冷却系统，磁性元件为磁铁，磁铁均匀分布在圆柱筒内，横向磁场均匀，且磁场强度在20～60mT。磁控溅射靶源2和工件平台5之间的距离设计为15cm，该距离可以根据工件的大小和实际工作条件进行调整，本例中磁控溅射靶源2和工件平台5之间的距离控制在5～30cm均可。本例的一种实现方式中，偏压电源4的正极还可以不用接地，而与外壳21相连，这样获得的电场更有利于离子的引出。本例中，外壳21、熄弧罩25、工件平台5都是采用导电材料制备，优选的采用不锈钢材料。

本例中的高功率脉冲磁控溅射电源3可以采用单脉冲模式的高功率脉冲电源、脉冲和直流复合的高功率脉冲电源、调制的高功率脉冲电源中的任意一种或组合使用。偏压电源可以采用常规偏压电源或高压脉冲电源均可，采用常规偏压输出电压50V～10kV，高压脉冲电源输出电压1kV～100kV。其中，常规偏压电源中比较常见的，直流偏压电源、脉冲偏压电源，或直流脉冲复合偏压电源都可以用于本例。

基于以上离子镀膜装置，本例提供了采用该离子镀膜装置的离子镀膜方法，包括，将镀膜元件放置到工件平台5上，真空室1抽真空，直至真空度小于10^-2Pa时，通入工作气体至1Pa，然后开启偏压电源4和高功率脉冲磁控溅射电源3，进行离子镀膜。其中，工作气体的气压可以根据实际镀膜要求进行调整，本例的离子镀膜装置的工作气压在0.01Pa～10Pa均可。本例中，高功率脉冲磁控溅射电源3的峰值电压为400V～2500V，脉宽为0μs～1000μs，频率为0Hz～1000Hz。具体，可以根据实际情况调整。另外，在本例的偏压电源也为脉冲电源时，其脉冲可以与磁控溅射的脉冲同步，也可以不同步，这也是根据具体生产需求而定的，在此不作限定。此外，本例中的工作气体为Ar惰性气体；可以理解，目前常规使用的工作气体，包括惰性气体和反应性气体都可以用于本例的离子镀膜装置，其中惰性气体包括He、Ne、Ar、Kr中的任意一种或其组合，反应性气体包括O₂、N₂、CH₄、C₂H₂、H₂S、SiH₄、BH₃、HF、HCl、HBr中的任意一种或其组合。

本例的离子镀膜装置，创造性的将磁控靶24安装成圆柱筒状，工作时，溅射直接在圆柱筒内部完成，离子束采用偏压电源引出，沉积在工件表面；由于溅射是在圆柱筒内部完成的，只有带电离子才能被引出，因此保障了100％的离子沉积；并且，由于溅射等过程都是在圆柱筒内部完成的，即便发生打弧也是圆柱筒内部，不会对工作造成影响；此外，磁控靶设计成圆柱筒状，其靶面面积大大提高，远高于其引出束流的面积，也就是圆柱筒底端的开口面积，有效的提高了沉积速率。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种离子镀膜装置，其特征在于：包括真空室(1)、磁控溅射靶源(2)、高功率脉冲磁控溅射电源(3)、偏压电源(4)和工件平台(5)；

所述真空室(1)为封闭空腔，所述磁控溅射靶源(2)和工件平台(5)设置于真空室(1)中，并且磁控溅射靶源(2)位于工件平台(5)正对面；

所述磁控溅射靶源(2)包括外壳(21)、若干个磁性元件(22)、铜套(23)、磁控靶(24)、熄弧罩(25)、冷却系统(26)和磁钢(27)，所述外壳(21)呈中空的圆柱筒状，圆柱筒外壳的顶端固定在真空室(1)上，圆柱筒外壳的底端面向所述工件平台(5)，所述磁钢(27)、冷却系统(26)、铜套(23)和磁控靶(24)依序层叠铺设于外壳(21)内，并且，磁钢(27)、铜套(23)和磁控靶(24)都不与外壳导通，磁控靶(24)嵌在铜套(23)上，若干个磁性元件(22)均匀的镶嵌在磁钢(27)上，熄弧罩(25)固定于圆柱筒外壳的底端，并将圆柱筒外壳内壁上依序层叠设置的磁钢(27)、冷却系统(26)、铜套(23)和磁控靶(24)的两端包裹住，但熄弧罩(25)与磁性元件(22)、铜套(23)、磁控靶(24)和磁钢(27)之间留有间隙，均不导通；

所述高功率脉冲磁控溅射电源(3)和偏压电源(4)设置于真空室(1)外，并且，高功率脉冲磁控溅射电源(3)的负极与磁控溅射靶源(2)的铜套(23)和磁控靶(24)电连接，正极接地，偏压电源(4)的负极与工件平台(5)电连接，正极接地或者与外壳(21)电连接。

2.根据权利要求1所述的离子镀膜装置，其特征在于：所述磁性元件(22)为磁铁，并且，磁控溅射靶源外壳(21)内的磁控靶(24)表面的横向磁场均匀，且磁场强度在20～60mT。

3.根据权利要求1所述的离子镀膜装置，其特征在于：所述高功率脉冲磁控溅射电源(3)为单脉冲模式的高功率脉冲电源、脉冲和直流复合的高功率脉冲电源、调制的高功率脉冲电源中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的离子镀膜装置，其特征在于：所述偏压电源(4)为输出电压50V～10kV的常规偏压电源或输出电压1kV～100kV的高压脉冲电源。

5.根据权利要求4所述的离子镀膜装置，其特征在于：所述常规偏压电源选自直流偏压电源、脉冲偏压电源，或直流脉冲复合偏压电源的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的离子镀膜装置，其特征在于：所述磁控溅射靶源(2)和工件平台(5)之间的距离为5～30cm。

7.一种离子镀膜方法，其特征在于：采用权利要求1-6任一项所述的离子镀膜装置，将镀膜元件放置到工件平台(5)上，真空室(1)抽真空，直至真空度小于10^-2Pa时，通入工作气体至0.01Pa～10Pa，然后开启偏压电源(4)和高功率脉冲磁控溅射电源(3)，进行离子镀膜。

8.根据权利要求7所述的离子镀膜方法，其特征在于：所述高功率脉冲磁控溅射电源(3)的峰值电压为400V～2500V，脉宽为0μs～1000μs，频率为0Hz～1000Hz。

9.根据权利要求7所述的离子镀膜方法，其特征在于：所述工作气体为惰性气体和/或反应性气体。

10.根据权利要求9所述的离子镀膜方法，其特征在于：所述惰性气体选自He、Ne、Ar、Kr中的一种或几种，所述反应性气体选自O₂、N₂、CH₄、C₂H₂、H₂S、SiH₄、BH₃、HF、HCl、HBr中的一种或几种。