CN105200385A - 箍缩磁场辅助磁控溅射镀膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种箍缩磁场辅助磁控溅射镀膜装置，属于表面处理和真空技术领域。该装置包括由偏压电源供电的工件盘以及由电源Ⅱ供电的磁控溅射靶，该磁控溅射靶的前方设有由电源Ⅲ供电的线圈。本发明产生的高功率脉冲磁场进一步提高磁控溅射的离化率和电子温度，增大带电离子的数量。

Description

箍缩磁场辅助磁控溅射镀膜装置

技术领域

本发明涉及一种箍缩磁场辅助磁控溅射镀膜装置，属于表面处理和真空技术领域，可用于超光滑、超硬硬质薄膜的制备。

背景技术

箍缩效应（pincheffect）是指等离子体电流与其自身产生的磁场相互作用，使等离子体电流通道收缩、变细的效应，脉冲大电流线圈产生的高温等离子体箍缩(pinch)可能是最简单的磁约束核聚变装置，其特点是载流等离子体利用本身电流产生的磁场来约束自己。在箍缩过程中，等离子体的密度和温度都会增加，因而这种效应可用来提高等离子体的密度和温度。箍缩磁场就是脉冲线圈产生的磁场，对等离子体有压缩作用。

磁控溅射是物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition，PVD)的一种。一般的溅射法可被用于制备金属、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，而上世纪70年代发展起来的磁控溅射法更是实现了高速、低温、低损伤。因为是在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。

到目前为止，普通磁控溅射的离化率小于15%，且距离靶越远越小，因此，磁控溅射制备的薄膜结合力和性能差，难以应用到刀具、钻头和小零件等。

目前，国内外已经提出了几种有效提高磁控溅射离化率的方法，如英国Teer公司的闭合场磁控溅射（英国专利号2258343、美国专利号5554519、欧洲专利号0521045），利用了非平衡磁控溅射外延的磁场，通过合理的设计使相邻的磁场闭合，形成电子通道，电子延这些磁力线旋转，与中性粒子碰撞提高离化率。

在国内，发明专利ZL201210161364.9，专利201210474290.4，专利201220233276.0公开了闭合场磁控溅射装置的设计，几乎同Teer公司的一样。专利ZL201220209547.9则在此基础上作了修改，采用内圈放置的柱状磁控形成闭合磁场；专利ZL98120365.5公开了一种非平衡靶同中心磁场闭合的磁控溅射装置，中心的磁场与靶磁场反转对称，磁力线在穿过被镀工件，极大的提高了镀膜区域的离化率。大连理工公开了一种等离子体增强非平衡磁控溅射方法（ZL01116734.3），利用微波离子源辅助提高磁控溅射的离化率。

　　上述所有方法的离化率在30-45%之间变化，且难进一步提升。

发明内容

本发明的目的是针对磁控溅射目前普遍存在的离化率不能进一步提高的问题提供一种箍缩磁场辅助磁控溅射镀膜装置，通过高功率脉冲磁场对等离子体的箍缩效应，实现更高的磁控溅射离化率。

一种箍缩磁场辅助磁控溅射镀膜装置，其特征在于该装置包括由偏压电源供电的工件盘以及由电源Ⅱ供电的磁控溅射靶，该磁控溅射靶的前方设有由电源Ⅲ供电的线圈。

所述线圈宽5-10cm。

所述偏压电源和电源Ⅱ均为直流电源、交流电源、高频、中频脉冲电源、射频电源或微波电源。

所述电源Ⅲ为直流脉冲电源或高功率脉冲电源。当电源导通时磁场瞬间升高，电源不导通时，磁场先升高后消失，强的磁场会压缩等离子体，增加碰撞几率和电子温度，使得磁控溅射的离化率达到70%以上。

所述磁控溅射靶为矩形靶、圆靶、旋转柱靶或组合靶。

本发明的基本思想是利用高功率脉冲磁场融合到磁控溅射中，实现磁控溅射的高离化率和高离子能量，进而提高薄膜在基体的结合力和致密度、硬度等。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明产生的高功率脉冲磁场进一步提高磁控溅射的离化率和电子温度，增大带电离子的数量。

2、本发明具备高功率脉冲磁场的磁控溅射可以制备超光滑、超高结合力、超高硬度的类金刚石薄膜、氮化物薄膜、碳化物薄膜或者氧化物薄膜等。

3、本发明具备高功率脉冲磁场的磁控溅射，因为其高的离化率，达到70%，为设计新型金属离子源提供了新思路。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1-线圈、2-磁控溅射靶、3-电源Ⅱ、4-电源Ⅲ、5-偏压电源、6-工件盘。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种箍缩磁场辅助磁控溅射镀膜装置，包括由偏压电源5供电的工件盘6以及由电源Ⅱ3供电的磁控溅射靶2，该磁控溅射靶2的前方设有由电源Ⅲ4供电的线圈1。

线圈1宽5-10cm。

偏压电源5和电源Ⅱ3均为直流电源、交流电源、高频、中频脉冲电源、射频电源或微波电源。

电源Ⅲ4为直流脉冲电源或高功率脉冲电源。

磁控溅射靶2为矩形靶、圆靶、旋转柱靶或组合靶。

使用时，由磁控溅射靶2提供镀膜材料，由电源Ⅱ3给磁控溅射靶2供电，从磁控溅射靶2溅射出来的材料在飞向工件的过程中受到由电源Ⅲ4供电的线圈１产生箍缩效应，对等离子体进行进一步离化和加热，最终在工件上制备得到超硬薄膜。

实施例2

采用图1所示的装置实现高结合力、高硬度薄膜的制备。

由矩形磁控溅射靶２提供镀膜材料Cr，矩形靶尺寸是200mm×600mm，有一套20KW的中频直流脉冲电源３给磁控溅射靶２供电，从磁控溅射靶２溅射出来的材料在飞向工件的过程中受到由高功率脉冲电源４（峰值200Ａ）供电的线圈１，提供箍缩磁控，对等离子体进行进一步离化和加热，最终在工件上制备得到超硬薄膜。

具体实施如下：

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，导通比0.2-0.8，频率10KHz，清洗10分钟；

3）通入氮气，控制氮气气压0.15Pa，偏压100V，Cr靶电流15A，线圈峰值电流150A，沉积2小时后关闭系统；

4）待炉温降至室温，打开真空腔，取出样品，进行测试评价。

用该方法沉积的CrN厚度3微米，硬度43Gpa。

实施例3

由圆形磁控溅射靶２提供镀膜材料Ti33Al67，圆形靶直径是200mm，有一套3KW的射频电源３给磁控溅射靶２供电，从靶２溅射出来的材料在飞向工件的过程中受到由高功率脉冲电源４（峰值150Ａ）供电的线圈１，提供箍缩磁控，对等离子体进行进一步离化和加热，最终在工件上制备得到超硬薄膜。

具体实施如下：

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，导通比0.2-0.8，频率10KHz，清洗10分钟；

3）通入氮气，控制氮气气压0.15Pa，偏压100V，导通比0.5，频率300KHz，Ti33Al67靶功率800W，线圈峰值电流100A，沉积2小时后关闭系统；

4）待炉温降至室温，打开真空腔，取出样品，进行测试评价。

用该方法沉积的AlTiN厚度3微米，硬度56GPa，颜色呈蓝黑色。

Claims (5)

1.一种箍缩磁场辅助磁控溅射镀膜装置，其特征在于该装置包括由偏压电源（5）供电的工件盘（6）以及由电源Ⅱ（3）供电的磁控溅射靶（2），该磁控溅射靶（2）的前方设有由电源Ⅲ（4）供电的线圈（1）。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述线圈（1）宽5-10cm。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述偏压电源（5）和电源Ⅱ（3）均为直流电源、交流电源、高频、中频脉冲电源、射频电源或微波电源。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述电源Ⅲ（4）为直流脉冲电源或高功率脉冲电源。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述磁控溅射靶（2）为矩形靶、圆靶、旋转柱靶或组合靶。