CN108774728A - 一种离子源多弧柱弧复合pvd镀膜系统及镀膜方法 - Google Patents

Abstract

本实现新型提供了一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统及方法，该系统包括真空腔室，该真空腔室内设置有柱弧机构、圆弧机构、工件载体以及加热件，利用柱弧靶材与第一引弧针触碰通过第一弧电源产生大量的电子对真空腔室内的Ar气进行电离产生大量的Ar正离子对工件载体上的工件进行全面均匀的刻蚀，解决工件无法全面均匀刻蚀的技术问题，该方法对工件进行真空刻蚀时，柱弧机构作为引弧阴极，对真空腔室内的气体进行起弧辉光，圆弧机构作为辅助阳极对电子进行加速使产生更多的Ar正离子对工件进行均匀刻蚀，而在对工件进行真空镀膜时，柱弧机构与圆弧机构均作为镀膜靶材对工件进行多弧离子镀膜，解决工件均匀刻蚀与均匀镀膜的技术问题。

Description

一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统及镀膜方法

技术领域

本发明涉及真空镀膜技术领域，具体为一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统及镀膜方法。

背景技术

在真空腔室内对工件进行真空镀膜之前，需要去除工件表面的杂气、水气以及氧化的杂质等，该过程称之为刻蚀，而常规的真空镀膜设备通常是利用加热元件对真空腔室进行加热，之后往真空腔室内输入2～6bar的Ar气，再通过对真空腔室加载600～1000V的偏置电压，使真空腔室内的Ar电离形成Ar正离子与电子，利用Ar正离子对工件的表面进行撞击，去除工件表面的杂质，但是上述方式，由于加载的偏置电压过高，容易造成真空腔室内产生打火的现象，伤害工件，且由于输入的Ar气量过大，而Ar离化率不高，无法去除工件表面的氧化杂质，更无法对工件中存在的沟壑进行刻蚀，只能对工件表面的杂气与水气进行清洗。

还有一种方式是利用类似离子抢一类的离子源，对真空腔室内发射电子，电子在行进的过程中对真空腔室内的Ar气进行撞击，使Ar气产生Ar正离子形成等离子束，利用Ar正离子形成的等离子束对工件的表面进行轰击，但是该方式无法使Ar气大量离化，必须通过设置辅助阳极，利用辅助阳极对电子进行加速，增加Ar气的离化率，但是离子源的阴极采用钨管或者钽管作为阴极，一旦电流过大，就会烧断，产生的电子数量有限，无法产生大面积的离化Ar正离子，只能将Ar正离子集束对工件上的一点进行刻蚀，去除工件上的氧化物与其他杂质。

在专利号为CN200910083508.1的发明专利中，公开了一种多功能离子束溅射沉积与刻蚀设备，包括：一真空腔室；一溅射沉积与刻蚀工件台，设置于该真空腔室的顶部正中位置，其下表面与水平面平行；一刻蚀离子源，设置于该真空腔室的底部正中位置，与溅射沉积与刻蚀工件台相对；二溅射靶台，设置于该真空腔室的下部，左右对称于该刻蚀离子源发射的离子束所在的方向；二溅射离子源，设置于该真空腔室的中部，左右对称于该刻蚀离子源发射的离子束所在的方向，发射的离子束与溅射靶台上装载的一个靶材表面成45℃角；一辅助清洗离子源，设置于该真空腔室的中部，发射的离子束与该溅射沉积与刻蚀工件台下表面成30℃角。该设备兼备各种功能，可用于介质和金属材料的溅射沉积刻蚀抛光减薄和热处理。

上述专利就是利用离子源产生电子对Ar进行电离，将Ar正离子进行集束后对工件进行刻蚀，但是由于离子源产生电子量少，其只能进行点刻蚀，无法进行全面的均匀的刻蚀。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统，利用柱弧靶材与第一引弧针触碰通过第一弧电源产生大量的电子对真空腔室内的Ar气进行电离产生大量的Ar正离子对工件载体上的工件进行全面均匀的刻蚀，解决工件无法全面均匀刻蚀的技术问题，同时实现刻蚀的柱弧机构与圆弧机构又能进行真空镀膜，功能完善。

为实现上述目的，一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统，包括机体，该机体1内设置有真空腔室，该真空腔室为密闭空间，且该真空腔室上开设有进气口与排气口，还包括：

柱弧机构，所述柱弧机构设置于所述真空腔室横向上的任一一侧，其包括设置于所述真空腔室内的柱形靶材，设置于所述真空腔室外带动柱形靶材旋转的旋转件，设置于所述柱形靶材一侧可与该柱形靶材旋转触碰的第一引弧针，环形罩设于所述柱形靶材与第一引弧针外的防护罩，该防护罩开设有缺口，所述柱形靶材与所述第一引弧针之间设置有第一弧电源，该第一弧电源的负极与所述柱形靶材连接，其正极连接所述第一引弧针与所述真空腔室的外侧壁；

圆弧机构，所述圆弧机构至少为一个，其设置于所述柱弧机构对侧的所述真空腔室的内壁上，其与所述柱形靶材之间设置有阳极电源，该阳极电源的负极与所述柱形靶材连接，其正极与所述圆弧机构连接；

工件载体，所述工件载体设置于所述柱弧机构与所述圆弧机构之间，其旋转设置于所述真空腔室内，且其与所述真空腔室的外壁之间连接设置有偏置电源，该偏置电源的负极与所述工件载体连接，其正极与所述真空腔室的外壁连接；

加热件，至少一个所述加热件设置于所述真空腔室内，其设置于所述真空腔室纵向上的的任一一侧的侧壁上；

真空泵组，所述真空泵组与所述排气口连通设置，其对所述真空腔室进行抽真空处理，其包括依次连接组合的分子泵、罗兹泵与机械泵，所述分子泵连接所述排气口；

供气机构，所述供气机构与所述进气口连通设置，其对所述真空腔室供气处理，其包括若干的储气瓶；以及

冷却机构，所述冷却机构设置于所述机体的外侧，其对所述柱形靶材进行冷却处理，其包括冷却塔、冷水机以及与冷却管道。

作为改进，所述柱弧机构还包括：

循环冷却接头，所述循环冷却接头设置于所述柱形靶材的顶部，其上并排设置有进液口与出液口，该循环冷却接头的一端与所述柱形靶材内的冷却流道连通，其另一端与所述冷却管道连通；

电阻件，所述电阻件设置于所述第一引弧针与第一弧电源连接的线路上；以及

旋转动力件，所述旋转动力件与所述真空腔室的外壁固定连接，其驱动所述所述第一引弧针旋转与所述柱形靶材触碰。

作为改进，所述防护罩与所述真空腔室转动连接，其内壁上设有棘轮，该棘轮与所述第一引弧针上连接的棘爪拨动配合。

作为改进，所述棘爪与所述棘轮每配合拨动一次，所述防护罩旋转180°。

作为改进，所述圆弧机构包括：

圆形靶材，所述圆形靶材固定设置于所述真空腔室的内壁上，其与所述阳极电源连接；

第二引弧针，所述第二引弧针伸缩设置于所述圆形靶材的一侧，且其与所述圆形靶材可触碰设置；

第二弧电源，所述第二弧电源设置于所述圆形靶材与所述真空腔室之间，其负极与所述圆形靶材相连，且其正极与所述真空腔室的外侧壁相连。

作为改进，所述圆形靶材与所述阳极电源连接的线路上设置有第一电源开关，且所述圆形靶材与所述第二弧电源连接的线路上设置有第二电源开关。

作为改进，所述加热件为对称设置，其对称设置于所述工件载体的两侧。

作为改进，所述供气机构还包括：

波纹软管，若干的所述波纹软管与所述储气瓶一一对应设置，其两端分别连接所述进气口与所述储气瓶；

压力表，若干的所述压力表设置于对应的所述波纹软管上，其对侧设置有减压阀；

球阀，所述球阀设置于对应的所述波纹软管上，其控制所述波纹软管的通断。

本发明的镀膜系统有益效果在于：

(1)本发明通过利用柱弧靶材与第一引弧针触碰通过第一弧电源施加大电流产生大量的电子对真空腔室内的Ar气进行电离产生大量的Ar正离子对工件载体上的工件进行全面均匀的刻蚀，实现工件全面均匀刻蚀的技术问题，同时实现刻蚀的柱弧机构与圆弧机构又能进行真空镀膜，功能完善；

(2)本发明可以利用低电压就能实现真空腔室内Ar气体的电离，电离出Ar正离子对工件进行碰撞刻蚀，避免了施加高压电源对Ar气进行电离，进而避免高压电源的电压过高带来的工件打火，对工件造成伤害；

(3)本发明通过还可以有效的避免偏置电源过高带来的对尖锐工件尖端处产生的尖端效应，即高压电弧会像闪电与避雷针一样，向尖端处聚集，导致工件尖端处聚集过多的电弧，损毁工件；

(4)本发明不仅能通过Ar正离子撞击工件表面去除工件表面的杂气、水气与氧化物质，并且由于其电离出的电子量多，可以减少通入的Ar气的量，就能获得大量的Ar正离子，因此，减少了Ar气体原子对Ar正离子的阻挡，可以对工件沟壑内的杂质进行撞击去除；

(5)本发明中的柱弧机构在进行刻蚀时作为电子发生器，圆弧机构作为电子加速器，而在进行真空镀膜时，均可作为镀膜靶材，产生镀膜用的原子对工件表面进行镀膜处理，功能多样，全面。

针对以上问题，本发明提供了一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜方法，在对工件进行真空刻蚀时，柱弧机构作为引弧阴极，对真空腔室内的气体进行起弧辉光，利用圆弧机构作为辅助阳极对电子进行加速导向使产生的Ar正离子对工件进行均匀刻蚀，而在对工件进行真空镀膜时，柱弧机构与圆弧机构均作为镀膜靶材对工件进行多弧离子镀膜，解决了工件进行均匀刻蚀与均匀镀膜的技术问题。

为实现上述目的，一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜方法，包括以下步骤：

步骤1)、抽真空，通过排气口，由真空泵组中的分子泵、罗兹泵与机械泵的相互组合，将真空腔室内的空气抽出，所述真空腔室的真空度为3X10^-3mbar；

步骤2)、加热，当所述真空腔室内的真空度达到3X10^-3mbar后，由加热元件对所述真空腔室进行加热处理，加热时间2小时，所述真空腔室内的温度达到480℃；

步骤3)、一次加气，当所述真空腔室的温度达到480℃后，打开储存有Ar气体的储气瓶上的球阀，使储气瓶内的Ar气输入到所述真空腔室内，所述真空腔室内的气压为9X10^{- 3}mbar；

步骤4)、一次引弧，当所述真空腔室内的真空度达到9X10^-3mbar后，由旋转动力件带动第一引弧针与柱形靶材瞬间触碰，使第一弧电源短路，对所述真空腔室内的Ar气体放电起弧发出辉光，所述第一弧电源的工作电流与电压为100A/22V；

步骤5)、阳极牵引，与步骤4)同步的，闭合第一电源开关，阳极电源对圆形靶材供电，所述圆形靶材对步骤4)中释放出的电子进行牵引加速，所述阳极电源的工作电流与电压为30A/60V；

步骤6)、刻蚀，偏置电源对工件载体供电，工件载体牵引由步骤4)中释放出的电子撞击Ar气体原子释放出的Ar正离子，Ar正离子撞击所述工件载体上的工件表面，偏置电源的工作电流与电压为2A/50V，工作时间为30min～60min；

步骤7)、重置，所述工件载体上的工件完成刻蚀工作后，断开断开第一弧电源、阳极电源与偏置电源，关闭Ar气体输入，所述加热元件维持真空腔室内温度450℃；

步骤8)、二次加气，打开储存有N₂气体的储气瓶上的球阀，使储气瓶内的N₂气输入到所述真空腔室内，所述真空腔室内的气压为1X10^-2mbar；

步骤9)、二次引弧，当所述真空腔室内的真空度达到1X10^-2mbar后，由旋转动力件带动第一引弧针与柱形靶材瞬间触碰，由气缸带动第二引弧针与圆形靶材瞬间触碰，使第一弧电源与第二弧电源短路，对所述真空腔室内的N₂气体放电起弧发出辉光，所述第一弧电源与第二弧电源的工作电流与电压为180A/25V；以及

步骤10)镀膜，偏置电源对工件载体供电，工件载体牵引由步骤9)中释放出的金属等离子体，金属等离子体附着于所述工件载体上的工件表面，形成镀膜，厚度为3μm，工作时间为60min。

作为改进，所述步骤5)中，阳极电源的电流由30A逐步提升至100A；所述步骤6)中，偏置电源的电压由50V逐步提升至300V。

本发明的镀膜方法有益效果在于：

(1)本发明在进行真空刻蚀时，其输入真空腔室的Ar气体浓度低于常规设备，而柱弧机构释放出的电子数量高于常规设备，以此获得Ar气体的高辉光，获得大量的Ar正离子的同时，减少真空腔室内Ar原子的数量，使Ar正离子对工件进行刻蚀时，Ar正离子可以深入到工件沟壑内，不会被Ar原子阻挡，刻蚀效果更佳，更均匀。

综上所述，本发明具有安全、功能多样、刻蚀均匀性好、镀膜效果好等优点，尤其适用于真空镀膜技术领域。

附图说明

图1为本发明俯视结构示意图；

图2为本发明侧视结构示意图；

图3为本发明真空泵组立体结构示意图；

图4为本发明真空腔室纵向剖视结构示意图；

图5为本发明真空腔室横向剖视结构示意图；

图6为本发明柱弧机构立体结构示意图；

图7为本发明柱弧靶材剖视结构示意图；

图8为本发明柱弧机构局部结构示意图；

图9为本发明柱弧靶材电子迁移状态示意图；

图10为本发明柱弧靶材与圆形靶材释放镀膜靶材状态示意图；

图11为本发明柱弧机构真空刻蚀辉光强度曲线图；

图12为传统真空刻蚀设备的辉光强度曲线图；

图13为传统工件真空刻蚀状态示意图；

图14为本发明工件真空刻蚀状态示意图；

图15为本发明实施例二方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：

如图1至图6所示，一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统，包括机体1，该机体1内设置有真空腔室11，该真空腔室11为密闭空间，且该真空腔室11上开设有进气口12与排气口13，还包括：

柱弧机构2，所述柱弧机构2设置于所述真空腔室11横向上的任一一侧，其包括设置于所述真空腔室11内的柱形靶材20，设置于所述真空腔室11外带动柱形靶材20旋转的旋转件21，设置于所述柱形靶材20一侧可与该柱形靶材20旋转触碰的第一引弧针23，环形罩设于所述柱形靶材20与第一引弧针23外的防护罩24，该防护罩24开设有缺口241，所述柱形靶材20与所述第一引弧针23之间设置有第一弧电源25，该第一弧电源25的负极与所述柱形靶材连接，其正极连接所述第一引弧针23与所述真空腔室11的外侧壁；

圆弧机构3，所述圆弧机构3至少为一个，其设置于所述柱弧机构2对侧的所述真空腔室11的内壁上，其与所述柱形靶材20之间设置有阳极电源30，该阳极电源30的负极与所述柱形靶材20连接，其正极与所述圆弧机构3连接；

工件载体4，所述工件载体4设置于所述柱弧机构2与所述圆弧机构3之间，其旋转设置于所述真空腔室11内，且其与所述真空腔室11的外壁之间连接设置有偏置电源40，该偏置电源40的负极与所述工件载体4连接，其正极与所述真空腔室11的外壁连接；

加热件5，至少一个所述加热件5设置于所述真空腔室11内，其设置于所述真空腔室11纵向上的的任一一侧的侧壁上；

真空泵组6，所述真空泵组6与所述排气口13连通设置，其对所述真空腔室11进行抽真空处理，其包括依次连接组合的分子泵61、罗兹泵62与机械泵63，所述分子泵61连接所述排气口13；

供气机构7，所述供气机构7与所述进气口12连通设置，其对所述真空腔室11供气处理，其包括若干的储气瓶71；以及

冷却机构8，所述冷却机构8设置于所述机体1的外侧，其对所述柱形靶材20进行冷却处理，其包括冷却塔81、冷水机82以及与冷却管道83。

需要说明的是，在离子刻蚀的工作过程中，柱弧机构2中的柱形靶材20与第一引弧针23触碰形成电弧对真空腔室11内的Ar气体进行电离产生辉光，而此时的圆弧机构3作为辅助阳极使用，其对柱形靶材20与第一引弧针23触碰形成电弧中的电子进行导向牵引与加速，使电子向圆弧机构3迁移，在迁移过程中，由于电子的高速转移，电子与Ar原子发生碰撞，形成Ar正离子与新的电子，这也就是Ar气体的电离，电离过程中会产生大量的电弧，也就是辉光，由于工件载体4上加载了偏置电源40，产生的Ar正离子向工件载体4迁移，对工件载体4上的工件表面进行撞击，剥离工件表面的氧化杂质、水气与杂气等，本发明可以对工件所有部位进行均匀的减薄300nm。

如图11、图12、图13与图14所示，需要进一步说明的是，由于本发明中柱形靶材的材料即是真空镀膜中常规使用的靶材料，可以为Ti、TiAl、AlCr、Zr、Cr等中的一种，其较空心离子源，可以通过改变加载的第一弧电源25，使电流加大进而形成大量的电子，即使电流加大到400A，其也不会烧断，这是其与离子源中阴极的最大区别，因此，可以通过在真空腔室内通入0.3pa～1.2pa的Ar气体，配合的第一弧电源24就可以产生大量的电子，电子撞击Ar原子产生大量的Ar正离子，而Ar正离子的大量产生，就会导致Ar原子的减少，避免了Ar原子对Ar正离子迁移的阻碍，在这一过程中第一弧电源24的电压/电流为22V/100A，吸引电子迁移的阳极电源30的电压为/电流为60V/30A，吸引Ar正离子迁移的偏置电源40的电压为50V～400V，而传统的则需要通入2pa～6pa的Ar气体，配合600V～1000V的高压偏置电源，才能产生辉光，形成Ar正离子，由于通入的Ar气体的量过大，就会导致Ar原子对Ar正离子的迁移形成阻碍，导致Ar正离子无法到达工件沟壑位置，只能对工件表面较易清理的部位进行清洗，甚至无法去除工件表面的氧化杂质。

此外，高达600V～1000V的偏置电电源极易导致工件打火，工件尖端位置处形成尖端效应，损害工件，因此，本发明50V～400V的偏置电源可以有效的降低打火的概率以及减弱尖端效应。

如图1与图7所示，值得注意的是，由于在对Ar气进行电离的过程中，会产生高温环境，高温会导致柱形靶材20的表面产生氧化物，因此，柱形靶材20的表面需要环绕罩设防护罩24，利用防护罩24对柱形靶材20进行阻挡，柱形靶材初始工作的过程中，会使表面的氧化物脱离，沉积到防护罩24上，此时，防护罩24上的缺口241背向工件载体4设置，电子自缺口241处逸出，由加载了阳极电源30的圆弧机构3进行牵引导向。

其中，由于缺口241的存在，电子在向阳极机构3进行牵引加速迁移的过程中，成曲线弯曲环绕行进，其不设置防护罩24，柱形靶材20发出的电子直接射向阳极机构，弯曲环绕的路线较覆盖真空腔室11的空间更大，在电子迁移过程中可以使真空腔室11内Ar原子与电子碰撞，电离出更多的Ar正离子，Ar正离子分布的也更加均匀。

本发明中，在对真空腔室11进行抽真空处理时，由于对真空度的高要求，需要使用分子泵61、罗兹泵62与机械泵63组合对真空腔室11进行抽真空处理，才能达到要求的真空度。

如图2所示，作为一种优选的实施方式，所述供气机构7还包括：

波纹软管72，若干的所述波纹软管72与所述储气瓶71一一对应设置，其两端分别连接所述进气口12与所述储气瓶71；

压力表73，若干的所述压力表73设置于对应的所述波纹软管72上，其对侧设置有减压阀74；

球阀75，所述球阀75设置于对应的所述波纹软管72上，其控制所述波纹软管72的通断。

需要说明的是，本发明中，储气瓶71的数量优选为4个，其分别储存有Ar、N₂、Ar、C₂H₂,其中Ar在真空刻蚀与真空镀膜中均有使用，而N₂与C₂H₂则在真空镀膜过程中使用。

进一步说明的是，N₂在真空镀膜过程中提供N元素，而C₂H₂则在真空镀膜过程中作为C元素的提供源。

如图4、图7与图8所示，作为一种优选的实施方式，所述柱弧机构2还包括：

循环冷却接头26，所述循环冷却接头26设置于所述柱形靶材20的顶部，其上并排设置有进液口261与出液口262，该循环冷却接头26的一端与所述柱形靶材20内的冷却流道211连通，其另一端与所述冷却管道83连通；

电阻件27，所述电阻件27设置于所述第一引弧针23与第一弧电源25连接的线路上；以及

旋转动力件28，所述旋转动力件28与所述真空腔室11的外壁固定连接，其驱动所述所述第一引弧针23旋转与所述柱形靶材20触碰。

需要说明的是，在柱形靶材20与第一引弧针23触碰形成电弧的过程中，会形成高温环境，需要对柱形靶材20进行冷却降温，冷却液由冷却塔81经冷水机82冷却后由冷却管道83自进液口261进入到U型的冷却流道211内，再自出液口262排出，形成循环冷却的过程。

如图6所示，本实施例中，旋转件21优选为电机，其通过皮带传动的连接方式与柱形靶材20传动连接，带动柱形靶材20旋转。

如图4所示，进一步说明的是，电阻件27对第一引弧针23进行保护，避免第一引弧针23与柱形靶材20触碰引弧过程中电流过大。

如图5所示，作为一种优选的实施方式，所述加热件5为对称设置，其对称设置于所述工件载体4的两侧。

需要说明的是，加热工件5对工件载体4进行加热，提升工件的温度，避免电离过程中骤热导致工件结构性的损坏，对称设置，可以使工件受热的更加均匀。

如图4与图5所示，作为一种优选的实施方式，所述圆弧机构3包括：

圆形靶材31，所述圆形靶材31固定设置于所述真空腔室11的内壁上，其与所述阳极电源30连接；

第二引弧针32，所述第二引弧针32伸缩设置于所述圆形靶材31的一侧，且其与所述圆形靶材31可触碰设置；

第二弧电源33，所述第二弧电源33设置于所述圆形靶材31与所述真空腔室11之间，其负极与所述圆形靶材31相连，且其正极与所述真空腔室11的外侧壁相连。

进一步的，所述圆形靶材31与所述阳极电源30连接的线路上设置有第一电源开关311。

更进一步的，所述圆形靶材31与所述第二弧电源33连接的线路上设置有第二电源开关312。

其中，第二引弧针32由气缸带动与圆形靶材31瞬间触碰，使第二弧电源33短路，形成引弧。

如图10所示，需要说明的是，在完成对工件的真空离子刻蚀，去除工件表面的杂质后，需要对工件进行真空镀膜，此时通过断开第一电源开关311，连接第二电源开关312，使阳极电源30停止工作，第二弧电源33开始工作。

进一步的，通过第一引弧针23与柱形靶材20触碰，第二引弧针32与圆形靶材31触碰，产生电弧，利用电弧在柱形靶材20与圆形靶材31表面形成多个弧斑，使柱形靶材20与圆形靶材31上的镀膜材料直接以等离子体的形式逸出，形成蒸发离化源，本发明中的柱形靶材20与圆形靶材31优选为Ti，逸出的Ti正离子配合进气口输入的N₂气体，利用Ti正离子与N₂在高温环境下进行反应形成TiN，在工件表面形成TiN镀膜层，厚度为3μm左右，此时，就是真空镀膜，因此，本发明中的柱弧机构2与圆弧机构3不仅作为真空离子刻蚀的组成部件进行工作，同时作为真空多弧离子镀膜的靶材进行工作。

值得注意的是，本发明中柱弧机构2与圆弧机构3的设置位置也是经过设计的，在进行真空离子刻蚀时，柱弧机构2发出的电子需要圆弧机构3的牵引加速横穿真空腔室11，而在进行多弧离子镀膜时，柱弧机构2与圆弧机构3分设于工件载体4的两侧，可以同时提供镀膜需要的蒸发离化源，使工件镀膜的更加均匀。

如图8所示，作为一种优选的实施方式，所述第一引弧针23的顶部连接设置有旋转动力件28，该旋转动力件28与所述真空腔室11的外壁固定连接。

进一步的，所述防护罩24的与所述真空腔室11转动连接，其内壁上设有棘轮242，该棘轮242与所述第一引弧针23上连接的棘爪231拨动配合。

更进一步的，所述棘爪231与所述棘轮242每配合拨动一次，所述防护罩24旋转180°。

如图9与图10所示，需要说明的是，在进行真空离子刻蚀时，防护罩24上的缺口241需要背向工件载体4设置，但是在进行多弧离子镀膜时，防护罩24上的缺口241则需要面向工件载体4设置，由于在进行真空离子刻蚀时，柱形靶材20表面的氧化杂质已经去除，因此，在进行多弧离子镀膜时，缺口241面向工件载体，可以使离子蒸发源的靶材料快速抵达工件载体上，减少迁移过中的消耗。

进一步说明的是，本发明通过旋转动力件28带动第一引弧针23与柱形靶材20进行触碰的过程中，通过棘爪231与棘轮242的配合，带动防护罩24自动旋转180°，在真空离子刻蚀时，第一引弧针23与柱形靶材20触碰，缺口241背向工件载体4，在进行多弧离子镀膜时，第一引弧针23与柱形靶材20触碰，缺口241面向工件载体4。

本实施例中，旋转动力件28优选为旋转气缸，旋转动力件28带动第一引弧针23旋转时，棘爪231与棘轮242配合，带动防护罩24旋转，而当第一引弧针23与柱形靶材20的触碰完成引弧工作复位时，棘爪231与棘轮242处于空位配合，棘轮242不发生旋转。

如图1所示，作为一种优选的实施方式，在柱弧机构2的一侧还设置有空心离子源9，在柱弧机构2无法工作的状态下空心离子源9可以替代柱弧机构2在真空刻蚀时，作为起弧阴极使用。

实施例2：

参考实施例一，描述本发明实施例二一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜方法的工艺流程。

如图15所示，一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜方法，包括以下步骤：

步骤1)、抽真空，通过排气口13，由真空泵组6中的分子泵61、罗兹泵62与机械泵63的相互组合，将真空腔室11内的空气抽出，所述真空腔室11的真空度为3X10^-3mbar；

步骤2)、加热，当所述真空腔室11内的真空度达到3X10^-3mbar后，由加热元件5对所述真空腔室11进行加热处理，加热时间2小时，所述真空腔室11内的温度达到480℃；

步骤3)、一次加气，当所述真空腔室11的温度达到480℃后，打开储存有Ar气体的储气瓶71上的球阀75，使储气瓶71内的Ar气输入到所述真空腔室11内，所述真空腔室11内的气压为9X10^-3mbar；

步骤4)、一次引弧，当所述真空腔室11内的真空度达到9X10^-3mbar后，由旋转动力件28带动第一引弧针23与柱形靶材20瞬间触碰，使第一弧电源25短路，对所述真空腔室11内的Ar气体放电起弧发出辉光，所述第一弧电源25的工作电流与电压为100A/22V；

步骤5)、阳极牵引，与步骤4)同步的，闭合第一电源开关311，阳极电源30对圆形靶材31供电，所述圆形靶材31对步骤4)中释放出的电子进行牵引加速，所述阳极电源30的工作电流与电压为30A/60V；

步骤6)、刻蚀，偏置电源40对工件载体4供电，工件载体4牵引由步骤4)中释放出的电子撞击Ar气体原子释放出的Ar正离子，Ar正离子撞击所述工件载体4上的工件表面，偏置电源40的工作电流与电压为2A/50V，工作时间为30min～60min；

步骤7)、重置，所述工件载体4上的工件完成刻蚀工作后，断开断开第一弧电源25、阳极电源30与偏置电源40，关闭Ar气体输入，所述加热元件5维持真空腔室11内温度450℃；

步骤8)、二次加气，打开储存有N₂气体的储气瓶71上的球阀75，使储气瓶71内的N₂气输入到所述真空腔室11内，所述真空腔室11内的气压为1X10^-2mbar；

步骤9)、二次引弧，当所述真空腔室11内的真空度达到1X10^-2mbar后，由旋转动力件28带动第一引弧针23与柱形靶材20瞬间触碰，由气缸带动第二引弧针32与圆形靶材31瞬间触碰，使第一弧电源25与第二弧电源33短路，对所述真空腔室11内的N₂气体放电起弧发出辉光，所述第一弧电源25与第二弧电源33的工作电流与电压为180A/25V；以及

步骤10)镀膜，偏置电源40对工件载体4供电，工件载体4牵引由步骤9)中释放出的金属等离子体，金属等离子体附着于所述工件载体4上的工件表面，形成镀膜，厚度为3μm，工作时间为60min。

作为一种优选的实施方式，所述步骤5)中，阳极电源30的电流由30A逐步提升至100A；所述步骤6)中，偏置电源40的电压由50V逐步提升至300V。

需要说明的是，在离子刻蚀的工作过程中，柱弧机构2中的柱形靶材20与第一引弧针23瞬间触碰，使第一弧电源25短路，形成电弧对真空腔室11内的Ar气体进行电离产生辉光，而此时的圆弧机构3作为辅助阳极使用，其对柱形靶材20与第一引弧针23触碰形成电弧中的电子进行导向牵引与加速，使电子向圆弧机构3迁移，在迁移过程中，由于电子的高速转移，电子与Ar原子发生碰撞，形成Ar正离子与新的电子，这也就是Ar气体的电离，电离过程中会产生大量的电弧，也就是辉光，由于工件载体4上加载了偏置电源40，产生的Ar正离子向工件载体4迁移，对工件载体4上的工件表面进行撞击，剥离工件表面的氧化杂质、水气与杂气等，本发明可以对工件所有部位进行均匀的减薄300nm。

由于本发明中柱形靶材的材料即是真空镀膜中常规使用的靶材料，可以为Ti、TiAl、AlCr、Zr、Cr等中的一种，其较空心离子源，可以通过改变加载的第一弧电源25，使电流加大进而形成大量的电子，即使电流加大到400A，其也不会烧断，这是其与离子源中阴极的最大区别，因此，可以通过在真空腔室内通入0.3pa～1.2pa的Ar气体，配合的第一弧电源24就可以产生大量的电子，电子撞击Ar原子产生大量的Ar正离子，而Ar正离子的大量产生，就会导致Ar原子的减少，避免了Ar原子对Ar正离子迁移的阻碍，在这一过程中第一弧电源24的电压/电流为22V/100A，吸引电子迁移的阳极电源30的电压为/电流为60V/30A，吸引Ar正离子迁移的偏置电源40的电压为50V～400V，而传统的则需要通入2pa～6pa的Ar气体，配合600V～1000V的高压偏置电源，才能产生辉光，形成Ar正离子，由于通入的Ar气体的量过大，就会导致Ar原子对Ar正离子的迁移形成阻碍，导致Ar正离子无法到达工件沟壑位置，只能对工件表面较易清理的部位进行清洗，甚至无法去除工件表面的氧化杂质。

进一步说明的是，所述步骤5)中，阳极电源30的电流由30A逐步提升至100A，圆形靶材31对步骤4)中释放出的电子进行牵引加速的牵引力也就越强，电子与Ar原子的碰撞也就越激烈，产生的Ar正离子的数量也就越多，更利于真空刻蚀；所述步骤6)中，偏置电源40的电压由50V逐步提升至300V，工件载体4对Ar正离子牵引力就越强，Ar正离子对工件的撞击力越强，更利于Ar正离子深入工件的沟壑处进行撞击，将工件表面的氧化杂质溅射出。

值得注意的是，本发明中，步骤3)通入Ar气体后，真空腔室11内的气压为0.3～1.2X10^-2mbar，对应的步骤6)中，偏置电源40的工作电压为50V～400V，电流为0.2A～12A。

工作过程：

真空离子镀膜工艺流程：

1)通过排气口13对真空腔室11进行抽真空处理，真空度3X10^-3mbar；

2)利用加热元件5对装置有工件的工件载体4进行加热，温度480℃，时间2小时；

3)通过进气口12通入Ar气体，气体压力为9X10^-3mbar；

4)柱弧机构2工作，防护罩24上的缺口背向工件载体4，第一弧电源25工作电流/电压为100A/22V；

5)圆弧机构3工作，阳极电源30的工作电流/电压为30A/60V；

6)工件载体4工作，偏置电源40的工作电流/电压为2A/50V；

7)将阳极电源的电流由30A逐步调整至100A，同时，偏置电源的电压由50V逐步调整至300V，工作时间30min～60min。

多弧离子镀膜工艺流程：

1)断开第一弧电源25、阳极电源30与偏置电源40，关闭Ar气体输入；

2)加热元件5维持真空腔室温度450℃；

3)通过进气口加入N₂气体，气压1X10^-2mbar，

4)工件载体4偏置电源40工作，工作电压为100V；

5)柱弧机构2与圆弧机构3工作，第一弧电源25与第二弧电源33工作，工作电流/电压为180A/25V；

6)维持工作时间60min，关闭电源与气体。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统，包括机体(1)，该机体(1)内设置有真空腔室(11)，该真空腔室(11)为密闭空间，且该真空腔室(11)上开设有进气口(12)与排气口(13)，其特征在于，还包括：

柱弧机构(2)，所述柱弧机构(2)设置于所述真空腔室(11)横向上的任一一侧，其包括设置于所述真空腔室(11)内的柱形靶材(20)，设置于所述真空腔室(11)外带动柱形靶材(20)旋转的旋转件(21)，设置于所述柱形靶材(20)一侧可与该柱形靶材(20)旋转触碰的第一引弧针(23)，环形罩设于所述柱形靶材(20)与第一引弧针(23)外的防护罩(24)，该防护罩(24)开设有缺口(241)，所述柱形靶材(20)与所述第一引弧针(23)之间设置有第一弧电源(25)，该第一弧电源(25)的负极与所述柱形靶材连接，其正极连接所述第一引弧针(23)与所述真空腔室(11)的外侧壁；

圆弧机构(3)，所述圆弧机构(3)至少为一个，其设置于所述柱弧机构(2)对侧的所述真空腔室(11)的内壁上，其与所述柱形靶材(20)之间设置有阳极电源(30)，该阳极电源(30)的负极与所述柱形靶材(20)连接，其正极与所述圆弧机构(3)连接；

工件载体(4)，所述工件载体(4)设置于所述柱弧机构(2)与所述圆弧机构(3)之间，其旋转设置于所述真空腔室(11)内，且其与所述真空腔室(11)的外壁之间连接设置有偏置电源(40)，该偏置电源(40)的负极与所述工件载体(4)连接，其正极与所述真空腔室(11)的外壁连接；

加热件(5)，至少一个所述加热件(5)设置于所述真空腔室(11)内，其设置于所述真空腔室(11)纵向上的的任一一侧的侧壁上；

真空泵组(6)，所述真空泵组(6)与所述排气口(13)连通设置，其对所述真空腔室(11)进行抽真空处理，其包括依次连接组合的分子泵(61)、罗兹泵(62)与机械泵(63)，所述分子泵(61)连接所述排气口(13)；

供气机构(7)，所述供气机构(7)与所述进气口(12)连通设置，其对所述真空腔室(11)供气处理，其包括若干的储气瓶(71)；以及

冷却机构(8)，所述冷却机构(8)设置于所述机体(1)的外侧，其对所述柱形靶材(20)进行冷却处理，其包括冷却塔(81)、冷水机(82)以及与冷却管道(83)。

2.根据权利要求1所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统，其特征在于，所述柱弧机构(2)还包括：

循环冷却接头(26)，所述循环冷却接头(26)设置于所述柱形靶材(20)的顶部，其上并排设置有进液口(261)与出液口(262)，该循环冷却接头(26)的一端与所述柱形靶材(20)内的冷却流道(211)连通，其另一端与所述冷却管道(83)连通；

电阻件(27)，所述电阻件(27)设置于所述第一引弧针(23)与第一弧电源(25)连接的线路上；以及

旋转动力件(28)，所述旋转动力件(28)与所述真空腔室(11)的外壁固定连接，其驱动所述所述第一引弧针(23)旋转与所述柱形靶材(20)触碰。

3.根据权利要求1所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统，其特征在于，所述防护罩(24)与所述真空腔室(11)转动连接，其内壁上设有棘轮(242)，该棘轮(242)与所述第一引弧针(23)上连接的棘爪(231)拨动配合。

4.根据权利要求3所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统，其特征在于，所述棘爪(231)与所述棘轮(242)每配合拨动一次，所述防护罩(24)旋转180°。

5.根据权利要求1所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统，其特征在于，所述圆弧机构(3)包括：

圆形靶材(31)，所述圆形靶材(31)固定设置于所述真空腔室(11)的内壁上，其与所述阳极电源(30)连接；

第二引弧针(32)，所述第二引弧针(32)伸缩设置于所述圆形靶材(31)的一侧，且其与所述圆形靶材(31)可触碰设置；

第二弧电源(33)，所述第二弧电源(33)设置于所述圆形靶材(31)与所述真空腔室(11)之间，其负极与所述圆形靶材(31)相连，且其正极与所述真空腔室(11)的外侧壁相连。

6.根据权利要求5所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统，其特征在于，所述圆形靶材(31)与所述阳极电源(30)连接的线路上设置有第一电源开关(311)，且所述圆形靶材(31)与所述第二弧电源(33)连接的线路上设置有第二电源开关(312)。

7.根据权利要求1所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统，其特征在于，所述加热件(5)为对称设置，其对称设置于所述工件载体(4)的两侧。

8.根据权利要求1所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统，其特征在于，所述供气机构(7)还包括：

波纹软管(72)，若干的所述波纹软管(72)与所述储气瓶(71)一一对应设置，其两端分别连接所述进气口(12)与所述储气瓶(71)；

压力表(73)，若干的所述压力表(73)设置于对应的所述波纹软管(72)上，其对侧设置有减压阀(74)；

球阀(75)，所述球阀(75)设置于对应的所述波纹软管(72)上，其控制所述波纹软管(72)的通断。

9.一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、抽真空，通过排气口(13)，由真空泵组(6)中的分子泵(61)、罗兹泵(62)与机械泵(63)的相互组合，将真空腔室(11)内的空气抽出，所述真空腔室(11)的真空度为3X10^{- 3}mbar；

步骤2)、加热，当所述真空腔室(11)内的真空度达到3X10^-3mbar后，由加热元件(5)对所述真空腔室(11)进行加热处理，加热时间2小时，所述真空腔室(11)内的温度达到480℃；

步骤3)、一次加气，当所述真空腔室(11)的温度达到480℃后，打开储存有Ar气体的储气瓶(71)上的球阀(75)，使储气瓶(71)内的Ar气输入到所述真空腔室(11)内，所述真空腔室(11)内的气压为9X10^-3mbar；

步骤4)、一次引弧，当所述真空腔室(11)内的真空度达到9X10^-3mbar后，由旋转动力件(28)带动第一引弧针(23)与柱形靶材(20)瞬间触碰，使第一弧电源(25)短路，对所述真空腔室(11)内的Ar气体放电起弧发出辉光，所述第一弧电源(25)的工作电流与电压为100A/22V；

步骤5)、阳极牵引，与步骤4)同步的，闭合第一电源开关(311)，阳极电源(30)对圆形靶材(31)供电，所述圆形靶材(31)对步骤4)中释放出的电子进行牵引加速，所述阳极电源(30)的工作电流与电压为30A/60V；

步骤6)、刻蚀，偏置电源(40)对工件载体(4)供电，工件载体(4)牵引由步骤4)中释放出的电子撞击Ar气体原子释放出的Ar正离子，Ar正离子撞击所述工件载体(4)上的工件表面，偏置电源(40)的工作电流与电压为2A/50V，工作时间为30min～60min；

步骤7)、重置，所述工件载体(4)上的工件完成刻蚀工作后，断开断开第一弧电源(25)、阳极电源(30)与偏置电源(40)，关闭Ar气体输入，所述加热元件(5)维持真空腔室(11)内温度450℃；

步骤8)、二次加气，打开储存有N₂气体的储气瓶(71)上的球阀(75)，使储气瓶(71)内的N₂气输入到所述真空腔室(11)内，所述真空腔室(11)内的气压为1X10^-2mbar；

步骤9)、二次引弧，当所述真空腔室(11)内的真空度达到1X10^-2mbar后，由旋转动力件(28)带动第一引弧针(23)与柱形靶材(20)瞬间触碰，由气缸带动第二引弧针(32)与圆形靶材(31)瞬间触碰，使第一弧电源(25)与第二弧电源(33)短路，对所述真空腔室(11)内的N₂气体放电起弧发出辉光，所述第一弧电源(25)与第二弧电源(33)的工作电流与电压为180A/25V；以及

步骤10)镀膜，偏置电源(40)对工件载体(4)供电，工件载体(4)牵引由步骤9)中释放出的金属等离子体，金属等离子体附着于所述工件载体(4)上的工件表面，形成镀膜，厚度为3μm，工作时间为60min。

10.根据权利要求9所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜方法，其特征在于，所述步骤5)中，阳极电源(30)的电流由30A逐步提升至100A；所述步骤6)中，偏置电源(40)的电压由50V逐步提升至300V。