CN105200378A - 栅极辅助柱状电弧离子镀膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于物理气相沉积领域,公开了一种栅极辅助柱状电弧离子镀膜装置。该装置包括由电源Ⅰ供电的柱状阴极靶、由偏压电源供电的工件架，在柱状阴极靶前放置一个由电源Ⅱ供电的栅极。本发明将栅极与柱弧相结合，在提高薄膜结合力、光滑度的前提下保持了更高的薄膜沉积速率。

Description

栅极辅助柱状电弧离子镀膜装置

技术领域

本发明属于物理气相沉积领域,涉及一种用于原子级光滑薄膜的栅极辅助柱状电弧离子镀装置，可以用于光滑金属薄膜、氮化物薄膜和碳化物薄膜的生长。

背景技术

目前，具有离化率高、沉积速率高、技术成熟等优点的阴极真空电弧（CVA）沉积技术是制备高性能硬质薄膜的主要制备方法之一，电弧离子镀由于其沉积效率高等原因，广泛应用于耐磨、防腐和光学薄膜的制备过程。但因传统电弧弧斑的产生机制和其不规则运动等原因，沉积过程中的弧斑寿命短、工艺稳定性差；薄膜中的宏观大颗粒共沉积污染严重、残余应力高、膜基结合力差等是限制其应用的关键瓶颈问题（专利ZL200610131894.3）。改进的磁过滤电弧制备技术（FCVA）虽在一定程度上降低了宏观大颗粒的污染，但薄膜的生长速率伴有大幅下降，技术复杂，成本高。

针对电弧产生的液滴引起的薄膜粗糙度大等问题,目前，各国科学家和产业界人士已尝试通过不同过滤器措施来减少宏观大颗粒的共沉积。依过滤器原理不同，大致主要分为视线内和视线外的机械式过滤器和磁过滤器两大类。机械式主要是用机械装置阻挡或削弱大颗粒流（专利ZL200710158829.4），磁过滤式则多是利用励磁线圈在管道内产生有一定曲率的磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力约束有沿磁力线运动的趋势而偏转，而质量大，带电量很少的颗粒几何不受磁场影响仅在惯性作用下做直线运动，直接撞击在管道壁上达到过滤目的。综上述，磁过滤技术是降低电弧离子镀大液滴的有效途径，但是磁过滤装置复杂，占空空间大，沉积速率低，且单位腔体上装配的弧源远少于单独的电弧离子源,薄膜沉积速率是电弧离子镀的1/5甚至更低，因此生产效率低下，且设备和生产成本昂贵。相对磁过滤，柱状旋转电弧具有更高的沉积速率的同时可以有效降低粗糙度，但是依旧达不到原子级光滑，部分薄膜仍需要后处理才能满足高精度的需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决电弧离子镀产生的大液滴降低了薄膜的致密度和连续性，导致生长的薄膜结合力差，表面粗糙度高，沉积的薄膜需要二次抛光等因素，使其难以在精密动接触部件表面得到大规模的应用，且二次抛光增加了成本的问题，而提出一种直接沉积光滑硬质薄膜的栅极辅助柱状电弧离子镀膜装置。

栅极辅助柱状电弧离子镀膜装置，包括由电源Ⅰ供电的柱状阴极靶、由偏压电源供电的工件架，其特征在于在柱状阴极靶前放置一个由电源Ⅱ供电的栅极。

所述电源Ⅰ为直流电源、直流脉冲电源或高功率脉冲电源。

所述栅极为圆孔、方孔或三角孔，孔径大小为2-8mm，距离柱状阴极靶4-12mm。

所述电源Ⅱ为直流正电压电源、负偏压电源或正负周期脉冲电源、射频电源、微波电源。

电源Ⅰ给柱状阴极靶提供能量，用于点弧及维持弧光放电；电源Ⅱ为直流正电压电源时，栅极是辅助阳极，加速电子进一步提高等离子离化率，提高电子与中性粒子的碰撞几率，电子与液滴碰撞进一步细化液滴；电源Ⅱ为负偏压电源时，加速带电离子进一步提高等离子离化率，提高电子与中性粒子的碰撞几率，电子与液滴碰撞进一步细化液滴；电源Ⅱ为正负周期脉冲电源、射频电源或微波电源时，除进一步提高等离子离化率，加速带电离子进一步提高等离子离化率，提高电子与中性粒子的碰撞几率，电子与液滴碰撞进一步细化液滴；另一方面，当大液滴穿过栅极孔时，势场会压缩液滴，随后脱离势场爆炸细化。

本发明对比现有技术具有以下创新点：使用栅极与柱弧相结合的方式，显著增强离化率和等离子势场，使液滴有效细化或者消失。

本发明对比现有技术具有以下显著优点：

1、栅极与柱弧相结合显著提高了薄膜的光滑度。

2、栅极与柱弧相结合赋予镀膜更多的灵活性，可以通过栅极电源的选择和时序调节，制备纳米结构和多层薄膜，从而改善和优化薄膜的物理化学性能。

3、栅极与柱弧相结合，在提高薄膜结合力、光滑度的前提下保持了更高的薄膜沉积速率。

4、对比单独的柱弧（电流越大、薄膜粗糙度越大），栅极的加入可以使柱弧使用更大的电流，薄膜沉积速率提高1.5-3倍。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1-电源Ⅰ、2-电源Ⅱ、3-柱状阴极靶、4-栅极、5-偏压电源、6-工件架。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，栅极辅助柱状电弧离子镀膜装置，包括由电源Ⅰ1供电的柱状阴极靶3、由偏压电源5供电的工件架6，在柱状阴极靶3前放置一个由电源Ⅱ2供电的栅极4。

电源Ⅰ1为直流电源、直流脉冲电源或高功率脉冲电源。

栅极4为圆孔、方孔或三角孔，孔径大小为2-8mm.

栅极4距离柱状阴极靶4-12mm。

电源Ⅱ2为直流正电压电源、负偏压电源或正负周期脉冲电源、射频电源、微波电源。

实施例2

采用图1所示的装置实现原子级光滑薄膜的制备。

采用侧旋转柱靶3（图1）作为镀膜源，用直流电源、直流脉冲电源、多波段组合直流脉冲电源、交流电源等作为电弧阴极的供电电源1；距离靶前4-8cm放置一方孔栅极，孔径4-6mm，由直流正偏压、直流负偏压，组合脉冲偏压、射频电源或微波电源为栅极提供电源2，由偏压5给工件盘6提供偏压。电弧形成的等离子体和液体在飞向工件盘的过程中要通过栅极4，液体或碰撞在栅极上，或通过栅极孔飞向基底，碰撞或通过的液体会在机械作用和等离子体作用下细化并离化，最后在工件上沉积得到原子级光滑薄膜。

例如，电镀铬涂层是一种非常优秀的防腐涂层，但是其工艺过程会产生大量六价铬废液，严重污染环境，且电镀铬涂层表面粗糙度大，很难应用到精度要求高的地方。常规的电弧铬镀层孔隙率大，存在性能比电镀差的问题。我们用上述装置对需要铬涂层处理的活塞销处理如下：

1）常规的清洗：除油、除锈、烘干放进真空室；

2）当背底真空达到1×10^-4时开始镀膜，氩气控制在0.4Pa，偏压800V，栅极电压+200V，电弧100A，清洗5-10分钟；之后偏压回调到150V，电话电源150A，栅极电压-100V，沉积2小时，关机冷却；

3）等炉温降低后取出样品，样品肉眼可见金属镜面光泽，测试粗糙度0.12nm。

Claims (5)

1.栅极辅助柱状电弧离子镀膜装置，包括由电源Ⅰ（1）供电的柱状阴极靶（3）、由偏压电源（5）供电的工件架（6），其特征在于在柱状阴极靶（3）前放置一个由电源Ⅱ（2）供电的栅极（4）。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述电源Ⅰ（1）为直流电源、直流脉冲电源或高功率脉冲电源。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述栅极（4）为圆孔、方孔或三角孔，孔径大小为2-8mm。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述栅极（4）距离柱状阴极靶4-12mm。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述电源Ⅱ（2）为直流正电压电源、负偏压电源或正负周期脉冲电源、射频电源、微波电源。