CN105220122B - 具高功率脉冲离子源的磁控溅射装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于物理气相沉积领域，涉及一种具高功率脉冲离子源的磁控溅射装置。该装置包括由偏压电源供电的工件盘、与真空泵组相连的真空腔体，真空腔体内设有不少于2个的由电源Ⅰ供电的磁控溅射靶，相邻的磁控溅射靶之间设有由电源Ⅱ供电的高功率脉冲离子源，在真空腔体内形成闭环结构。本发明将高功率脉冲离子源同磁控溅射相复合，消除了高功率脉冲电源作为磁控溅射电源时产生的离子回流现象，保证了磁控溅射所需的高离化密度，高功率脉冲离子源提高了薄膜的沉积速率。

Description

具高功率脉冲离子源的磁控溅射装置

技术领域

本发明属于物理气相沉积领域，涉及一种原子级光滑薄膜电弧离子镀装置，可以用于金属薄膜、氮化物薄膜和碳化物薄膜的生长。

背景技术

目前，磁控溅射和电弧离子镀技术是制备碳基薄膜的主要手段。电弧技术理化率高，制备的薄膜结合力高但存在表面粗糙度大的问题，难以满足高精度的需求。磁控溅射由于其制备的薄膜表面光滑而被广泛应用，尤其是改进型的闭合场磁控溅射提升了工件表面离子流量，极大的提高了成膜效率。但是相对电弧离子镀，闭合场磁控溅射离化率约10%，薄膜密度和结合力难以达到理想的状态。这两种方法制备的碳基薄膜都存在硬脆性问题，难以克服。近年来发展起来的高功率脉冲溅射技术（high power impulse magnetronsputtering HIPIMS）可以有效的提高等离子体的离化率（Ti靶可达90%）和等离子体密度（高达10¹⁹m^-3数量级，比传统溅射高三个数量级），电子温度高达10 eV数量级。HIPIMS且具有低温沉积高性能薄膜的优点，可以在任何基底沉积功能性纳米结构薄膜，尤其是可以沉积超韧碳基薄膜，克服传统方法制备的碳基薄膜具有硬脆性的缺点。

但是HIPIMS实现工业化应用的主要局限性在于，与传统的磁控溅射工艺相比，其沉积速度较慢。进行高效HIPIMS技术设备的研制已成为目前国内外制备高性能超韧低摩擦新型薄膜和促进其产业化进程的亟需关键。Sarakinos 等人总结了近年来的研究后发现，和直流溅射相比较，HIPIMS 技术的成膜速率Ti(15-75%)、Cr(29%)、Cu(37-80%)、Al(35%)、Ta(20-40%)、Zr(15%) 。为此，人们提出在有外部离子预离化的情况下再施加脉冲电流，一般用直流磁控溅射电源进行离子的预离化。

国外方面，P.Vasina等人用一台脉宽1-60µs，脉冲电压500-1200V，频率1000Hz的高功率脉冲磁控溅射电源与与一台用于离子预离化的直流电源复合，用复合脉冲磁控溅射技术研究了这种改进工艺下的溅射电压、电流波形，以及这种新工艺的优点，研究表明，高功率复合脉冲磁控溅射技术解决了单一高功率脉冲磁控溅射存在雪崩延迟时间长和打弧概率高的问题，但沉积速率提高不显著。韩国先进科学与技术研究所的Sang-Hun Seo等人用两台脉冲电压分别为1.7KV和0.5KV的电源复合，提高沉积速率2倍以上。德国物理研究所的 Vitezslav等人发展了一种双极HIPIMS技术并与中频脉冲耦合，薄膜沉积速率提升3倍以上。在所有的改进工作中，Chistyakov等人的工作最具有革命性，他们采用了多波段脉冲调制模式，加大了占空比和脉冲长度，使得薄膜沉积速率大幅度提升，最高可接近传统的电弧离子镀，且薄膜应力低，硬度大。

在国内，关于高功率脉冲电源的研究较少，主要集中在研究所和大学里，如哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室的田修波等人，大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室的牟宗信等，遵化市三石电子研究所、中国科学院北京电子所、西南核物理研究院下属的普斯特电源公司和台湾核能研究所。国内主要集中于第一代HIPIMS的开发和改进工作。田修波等人发展了直流耦合HIPIMS电源，发现薄膜沉积速率有小幅提升。

综上所述，高功率脉冲磁控溅射确实优于传统的磁控溅射，离化率是普通磁控溅射的２个数量级，但是其低的沉积速率阻碍了工业化应用。如何发展一套磁控溅射体系，在保证高离化率的同时提高其沉积速率，对推动高功率脉冲溅射在镀膜领域的应用意义重大。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统磁控溅射离化率低而高功率脉冲磁控溅射沉积速率低的问题而提出一种具高功率脉冲离子源的磁控溅射装置。将高功率脉冲的高离化率移植到离子源上，达到高离化率而不降低沉积速率的目的。

一种具高功率脉冲离子源的磁控溅射装置，包括由偏压电源供电的工件盘、与真空泵组相连的真空腔体，真空腔体内设有不少于2个的由电源Ⅰ供电的磁控溅射靶，其特征在于相邻的磁控溅射靶之间设有由电源Ⅱ供电的高功率脉冲离子源，在真空腔体内形成闭环电磁场结构。

所述磁控溅射靶为矩形或旋转柱靶。

所述磁控溅射靶为金属或非金属靶。

所述电源Ⅰ为直流、直流脉冲、中频、射频或高功率脉冲电源。

所述高功率脉冲离子源的阳极为带进气水冷的铜板结构。

所述电源Ⅱ为高功率脉冲电源，该高功率脉冲电源为常规高功率脉冲、双极高功率脉冲或双极叠加中频高功率脉冲电源。

所述高功率脉冲离子源与磁控溅射靶等高布置。

高功率脉冲离子源激发高能量等离子体，在靶前形成一高密度等离子体，磁控溅射的中性粒子在这一区域被离化加速，在工件上形成致密的薄膜。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明使用高功率脉冲电源激发离子源提高了腔体空间的离化率和等离子体密度。

2、本发明具高功率脉冲离子源辅助的磁控溅射等离子体密度比传统的磁控溅射高２个数量级，也高于其他离子源辅助的磁控溅射至少１个数量级。

3、本发明将高功率脉冲离子源同磁控溅射相复合，消除了高功率脉冲电源作为磁控溅射电源时产生的离子回流现象，保证了磁控溅射所需的高离化密度，高功率脉冲离子源提高了薄膜的沉积速率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1-真空泵组 2-工件盘 3-磁控溅射靶 4-高功率脉冲离子源 5-电源Ⅰ6-电源Ⅱ 7-偏压电源。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种具高功率脉冲离子源的磁控溅射装置，包括由偏压电源7供电的工件盘2、与真空泵组1相连的真空腔体，真空腔体内设有不少于2个的由电源Ⅰ5供电的磁控溅射靶3，相邻的磁控溅射靶3之间设有由电源Ⅱ6供电的高功率脉冲离子源4，在真空腔体内形成闭环结构。

磁控溅射靶3为矩形或旋转柱靶。

磁控溅射靶3为金属或非金属靶。

电源Ⅰ5为直流、直流脉冲、中频、射频或高功率脉冲电源。

高功率脉冲离子源4的阳极为带进气水冷的铜板结构。

电源Ⅱ6为高功率脉冲电源，该高功率脉冲电源为常规高功率脉冲、双极高功率脉冲或双极叠加中频高功率脉冲电源。

高功率脉冲离子源4与磁控溅射靶3等高布置。

使用时，磁控溅射靶3与高功率脉冲离子源4相邻相间设置，形成会切电磁场；磁控溅射靶3与高功率脉冲离子源4形成轮换对称布置在圆形腔体周围；真空泵组1用来抽背底真空和维持镀膜气压。

实施例2

采用图1所示的装置实现高结合力氮化钛薄膜的制备；

1、样品清新干燥、抽真空至1.0×10-4Pa，开始镀膜；

2、偏压1000V，占空比0.4，高功率脉冲电源电压800V，通入氩气0.8Pa，清洗10分钟；

3、打开1组磁控溅射钛靶，偏压800V，占空比0.4，高功率脉冲电源电压600V，通入氩气0.8Pa，轰击10分钟；

4、偏压降至200V，高功率脉冲电源电压600 V，氩气0.5Pa，氮气0.3Pa，沉积2小时；

5、待降至室温拿出样品测试，结合力为82Ｎ。

Claims (7)

1.一种具高功率脉冲离子源的磁控溅射装置，包括由偏压电源（7）供电的工件盘（2）、与真空泵组（1）相连的真空腔体，真空腔体内设有不少于2个的由电源Ⅰ（5）供电的磁控溅射靶（3），其特征在于相邻的磁控溅射靶（3）之间设有由电源Ⅱ（6）供电的高功率脉冲离子源（4），在真空腔体内形成闭环电磁场结构。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述磁控溅射靶（3）为矩形或旋转柱靶。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述磁控溅射靶（3）为金属或非金属靶。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述电源Ⅰ（5）为直流、直流脉冲、中频、射频或高功率脉冲电源。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述高功率脉冲离子源（4）的阳极为带进气水冷的铜板结构。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述电源Ⅱ（6）为高功率脉冲电源，该高功率脉冲电源为常规高功率脉冲、双极高功率脉冲或双极叠加中频高功率脉冲电源。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述高功率脉冲离子源（4）与磁控溅射靶（3）等高布置。