CN105154838A

CN105154838A - 一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法

Info

Publication number: CN105154838A
Application number: CN201510607467.7A
Authority: CN
Inventors: 匡同春; 李雪萍; 蔡盼盼; 邓阳; 谭超林; 周克崧
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-09-22
Also published as: CN105154838B

Abstract

本发明公开了一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，涉及薄膜材料技术领域。它主要解决了现有的靶材离化率低、等离子体不均匀以及薄膜均匀性差的问题。本发明的方法为：一，清洗腔室，并将试样固定于行星台上；二，将行星台放入密封腔室，抽真空，去除试样上的水分及吸附的空气；三，在试样上加负偏压，通高纯Ar气；四，向腔室通入Ar气以及N₂，溅射靶材施加脉冲电压，进行表面镀膜；五，采用步进电机控制行星台运动轨迹来控制镀膜；六，待真空室内温度降至室温即可取出试样。本发明改变了薄膜制备时的靶材磁场控制以及镀膜时靶材电压施加形式，使得膜厚及致密度易于控制，结合力和均匀度高。

Description

一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料技术领域，具体涉及一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法。

背景技术

高功率脉冲磁控溅射技术是近年来新发展的镀膜技术，主要特点是其高峰值功率密度、高基体电流密度、高靶材离化率、低脉冲频率和占空比，可以实现控制薄膜微结构、降低薄膜内应力、控制薄膜相结构等。高功率脉冲磁控溅射粒子离化率高，与高能量电子碰撞产生的金属离子具有较高的能量，高能量的离子在飞向基体的过程中，会将大量的能量轰击传递给基体，继而对沉积制备的薄膜表面状态、质量、内部结构和性能等产生重要影响。

目前，主要有以下几种高功率脉冲磁控溅射技术：常规高功率脉冲磁控溅射、调制高功率脉冲磁控溅射、双极脉冲高功率脉冲磁控溅射、直流叠加高功率脉冲磁控溅射以及高频高功率脉冲磁控溅射等。

1996年，Bugaev等人将高功率脉冲施加于灯丝辅助磁控空心阴极上，放电电压达到800V时，获得高达450A的放电电流，实现了Cu薄膜的高速沉积，这是高功率脉冲磁控溅射的初期设计。1999年，Kouznetsov等人实现了在常规磁控溅射条件下，峰值功率高达MW级脉冲放电，获得了Cu离化率高达70%的等离子体，提出了高功率脉冲磁控溅射技术的概念。

Bolz等人将常规磁控溅射（DCMS）和HiPIMS技术制备的TiAlN涂层力学性能和截面形貌进行了对比，常规磁控溅射TiAlN涂层为柱状晶结构，硬度为30GPa，杨氏模量460GPa；HiPIMS-TiAlN涂层的硬度为34GPa，而杨氏模量为377GPa；硬度和杨氏模量之间的比例是衡量涂层韧性的一种方法，较高的硬度和较小的杨氏模量意味着更好的韧性。

近年来高功率脉冲磁控溅射发展很快，在各方面都有改善。如中科院在专利201110020364.2“一种基于高功率脉冲磁控溅射的离化率可控”中提到通过降低电流脉冲迟滞时间来建立等离子体离化率可调的高功率脉冲磁控溅射，哈工大在专利201410418382.X“一种双极脉冲磁控溅射方法”中通过改变单级溅射为双极溅射来避免溅射过程中靶材表面的电荷积累引起的打火现象。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的高功率脉冲因离化率低而导致的薄膜不致密、不均匀以及结合力不好的问题，而提供了一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，该方法的步骤如下：

1）选用需沉积的材料（金属或者非金属）作为靶材，并将清洗后的试样（如硬质合金、模具钢等）固定在可三维旋转的行星台上，加热装置为红外电加热管，位于腔室后方内壁；

2）将真空腔室密封，通过机械泵以及分子涡轮泵抽至本底真空3.5×10^-5mbar~5×10^-5mbar，红外电加热管设置为400℃~600℃加热去除试样表面水分及吸附的空气杂质；

3）真空稳定在3.5×10^-5mbar~5×10^-5mbar后，红外电加热管设置为300℃~500℃，试样加负偏压，通Ar气，腔室气压保持1.0×10^-2mbar~2.0×10^-2mbar，利用电弧增强辉光放电技术进行等离子体清洗40min~60min；

4）向真空腔室定流量通入Ar气以及工作气体A，红外电加热管设置为400℃~600℃，试样施加直流偏压200V~600V，靶材施加脉冲偏压，溅射平均功率为5kW~10kW，进行预溅射0.5~5min，然后进行高功率脉冲磁控溅射镀膜2h~4h；

5）采用步进电动机来连续控制行星台的转速，转速控制在2~10转/min，以保证试样均匀镀膜；

6）步骤5)完成后，切换到16℃~18℃冷水进行冷却，待真空腔室内温度降至室温即可取出试样，得到本发明的薄膜。

进一步地，步骤1）所采用的红外电加热管布满整个腔室后壁，腔室内的实际温度由腔室前侧热电偶测量，且设置上、中、下三个位置。

进一步地，步骤2）所述的机械泵以及分子涡轮泵能抽至本底真空3.5×10^-5mbar~5.0×10^-5mbar。

进一步地，步骤3）所述固定在行星台上的试样加偏压为200~600V，脉冲频率为15KHz~20KHz，占空比为60%~80%。

进一步地，步骤3）所述的电弧增强辉光放电技术的靶材电流为60~90A，牵引电子的阳极棒电流为60~100A；电弧增强辉光放电技术，是通过电弧靶激发的电子电离Ar原子成为Ar+，然后对试样表面进行轰击清洗。

进一步地，步骤3）所述的气压控制在1×10^-2mbar，而Ar气流量通过气压控制，流量范围为120sccm~240sccm。

进一步地，步骤4）所述的靶材溅射功率为5kW~8kW，脉冲占空比为0.3%~4%。

进一步地，步骤4）所述的Ar气流量控制在120sccm~180sccm;所述工作气体A流量控制在10sccm~40sccm；工作气体A为氧气、氮气与乙炔中的一种或几种气体的混合气体。

与现有技术相比，本发明具有的优点与技术效果如下：

一、本发明的高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，是由于前期的电弧增强辉光放电的Ar⁺刻蚀增加了膜基结合力，其次也达到了高效预离化作用；

二、本方法高功率脉冲镀膜阶段占空比仅为0.3%~4%，由于占空比低，因此可以实现高功率溅射，而且保证试样温度不会太高；

所以，本发明方法既可有效的提高离化率，又可以获得致密、均匀和高结合力的薄膜。

附图说明

图1为电弧增强辉光放电的Ar刻蚀原理图；

图2为高功率脉冲磁控溅射电源配置的线路图；

图3为抛光态M2钢高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积的TiN薄膜表面图；

图4为抛光态M2钢高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积的TiN薄膜截面图；

图5为抛光态M2钢高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积的TiN薄膜物相分析图；

图6为抛光态M2钢高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积的TiN薄膜压痕法评级图；

图7为研磨态YG6硬质合金高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积的TiN薄膜表面图；

图8为研磨态YG6硬质合金高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积的TiN薄膜截面图；

图9为研磨态YG6硬质合金高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积的TiN薄膜压痕法评级图；

图10为抛光态纳米硬质合金高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积的TiN薄膜表面图；

图11为抛光态纳米硬质合金高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积的TiN薄膜表面压痕法评级图。

具体实施方式

下面结合绝提的实施案例对本发明作进一步的说明，但不局限于此。

实施例1

本实施方式是一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，具体是按以下步骤进行：

1）选用Ti金属作为靶材，并将经丙酮酒精超声波清洗的M2高速钢试样吹干，固定在可三维旋转的行星台上，并放入经清洁的真空腔室中，靶基距离为10cm；

2）将真空腔室密封，用高纯Ar气，通过机械泵以及分子涡轮泵将腔室抽至本底真空4×10^-5mbar，然后将红外电加热管设置为600℃加热来去除试样表面水分及吸附空气杂质；

3）真空稳定在4×10^-5mbar后，红外电加热管设置为500℃，试样加负偏压300V，脉冲频率为20KHz，占空比为80%。通入高纯Ar气，腔室气压保持1×10^-2mbar，利用电弧增强辉光放电进行等离子体清洗60min；图1为电弧增强辉光放电的Ar离子刻蚀原理图；

4）向真空腔室定流量通入Ar气以及N₂，红外电加热管设置为600℃，试样施加直流偏压200V，靶材施加脉冲偏压，其峰值电压为1000V，占空比为0.38%，溅射平均功率为7kW，首先进行预溅射0.8min，然后镀膜，镀膜时间为3h；图2为高功率脉冲磁控溅射电源配置的线路图。

5）采用步进电动机来连续控制行星台的转速，转速控制在2转/min，以保证各维度上的试样均匀镀膜；

6）步骤5）完成后，切换到17℃冷水进行冷却，待真空腔室内温度降至室温即可取出试样，得到本发明的薄膜。

本实施方式的优点:

1、本发明的高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，是由于前期的电弧增强辉光放电的Ar+刻蚀增加了膜基结合力，其次也达到了高效预离化作用。

2、本方法高功率脉冲镀膜阶段占空比仅为0.38%，由于占空比低，因此可以在实现高功率溅射的同时保证试样温度不会太高。

本实施方式的简要结果:

抛光态的M2高速钢，经上述高离化率高功率脉冲磁控溅射方法镀膜后表面形貌见图3，表面很平整且无任何大颗粒，其表层硬度由790.5HV_0.1升至为1047.6HV_0.1，厚度约为700nm~1000nm，其膜基结合界面致密，见图4。物相分析显示表面主要为TiN涂层，见图5。

抛光态的M2高速钢，原始粗糙度为91nm，镀膜过程中由于Ar+的轰击，以及膜层的沉积，粗糙度变为56nm，金相显微镜（100×）下压痕周围并无裂纹，评级结果为HF1，见图6。其表面薄膜氮原子与钛原子含量之比为47.91:52.09，接近1:1，见表1，表1为抛光态M2钢高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积的TiN薄膜成分。

表1

*Element*	*Wt%*	*At%*
			NK	21.20	47.91
*TiK*	78.80	52.09
			*Matrix*	Correction	ZAF

实施例2

本实施方式与具体实施方式一不同的是：选择市售研磨态的YT14作为试验材料，粗糙度为144nm，维氏硬度为1725HV_0.2，其他与实施例1相同。

本实施例的简要结果:

研磨态的YT14硬质合金，经上述高离化率高功率脉冲磁控溅射方法镀膜后表面形貌见图7，其表层硬度为1725HV_0.2，厚度约为300nm~500nm，其膜基结合界面致密，见图8。

研磨态的YT14硬质合金，原始粗糙度为144nm，镀膜过程中由于Ar+的轰击，以及膜层的沉积，粗糙度变为240nm，压痕法评级结果见图9。

实施例3

本实施方式与实施例1不同的是：选择市售抛光态的纳米硬质合金作为试验材料，其成分质量分数为C0.84%，W84.64%，Cr1.34%，Co13.18%，粗糙度为240nm，维氏硬度为1787HV_0.2，可能因为压头压入太深，显示为复合维氏硬度。其他与实施例1相同。

本实施方式的简要结果:

抛光态的纳米硬质合金，经上述高离化率高功率脉冲磁控溅射方法镀膜后表面形貌见图10，其表层硬度由1787HV_0.2增加至2056HV_0.2，厚度约为700nm~1000nm,。

抛光态的纳米硬质合金，原始粗糙度为240nm，镀膜过程中由于Ar+的轰击，以及膜层的沉积，粗糙度变为62nm，由此可见薄膜颗粒是非常细小均匀的，压痕法评级结果为HF1，见图11。

Claims

1.一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

1）选用需沉积的材料作为靶材，并将清洗后的试样固定在可三维旋转的行星台上，加热装置为红外电加热管，位于腔室后方内壁；

2）将真空腔室密封，通过机械泵以及分子涡轮泵抽至本底真空3.5×10^-5mbar~5.0×10^-5mbar，红外电加热管设置为400℃~600℃，加热去除试样表面水分及吸附的空气杂质；

3）真空稳定在3.5×10^-5mbar~5.0×10^-5mbar后，红外电加热管设置为300℃~500℃，试样加偏压，通Ar气，腔室气压保持1.0×10^-2mbar~2.0×10^-2mbar，利用电弧增强辉光放电进行等离子体清洗40min~60min；

4）向真空腔室定流量通入Ar气以及工作气体A，红外电加热管设置为400℃~600℃，试样施加直流偏压200V~600V，靶材施加脉冲偏压，溅射平均功率为5kW~10kW，进行预溅射0.5~5min，然后进行镀膜2h~4h；

2.根据权利要求1所述的一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，其特征在于,步骤1）所采用的红外电加热管布满整个腔室后壁，腔室内的实际温度由腔室前侧热电偶测量，且设置上、中、下三个位置。

3.根据权利要求1所述的一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，其特征在于：步骤2）所述的机械泵以及分子涡轮泵能抽至本底真空3.5×10^-5mbar~5.0×10^-5mbar。

4.根据权利要求1所述的一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，其特征在于：步骤3）所述的固定在行星台上的试样加偏压为200~600V，脉冲频率为10KHz~20KHz，占空比为60%~80%。

5.根据权利要求1所述的一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，其特征在于：步骤3）所述的电弧增强辉光放电的靶材电流为60~90A，牵引电子的阳极棒电流为60~100A。

6.根据权利要求5所述的一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，其特征在于,电弧增强辉光放电技术，是通过电弧靶激发的电子电离Ar原子成为Ar+，然后对试样表面进行轰击清洗。

7.根据权利要求1所述的一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，其特征在于,步骤3）所述的气压控制在1×10^-2mbar，而Ar气流量通过气压控制，流量范围为120sccm~240sccm。

8.根据权利要求1所述的一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，其特征在于,步骤4）所述的靶材溅射功率为5kW~8kW，脉冲占空比为0.5%~5%。

9.根据权利要求1所述的一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，其特征在于,步骤4）所述的Ar气流量控制在120sccm~180sccm;所述工作气体A流量控制在10sccm~40sccm；工作气体A为氧气、氮气与乙炔中的一种或几种气体的混合气体。

10.根据权利要求1所述的一种高离化率高功率脉冲磁控溅射沉积薄膜的方法，其特征在于,步骤1）所述的需沉积的材料为金属或者非金属材料；所述的试样为硬质合金或模具钢。