CN110295352A - 电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射沉积装置及方法 - Google Patents

电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射沉积装置及方法 Download PDF

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Abstract

电‑磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射沉积装置及方法，属于镀膜技术领域。为了解决目前高功率脉冲磁控溅射方法存在的电子利用率低，镀膜时沉积速率低以及系统粒子的离化率有待进一步提高的问题。所述沉积装置在阴极磁控靶外侧缠绕励磁线圈，直流恒流电源为阴极磁控靶外侧励磁线圈提供连续可调的电流，辅助阳极放置在真空室内，直流恒压电源为真空室内的辅助阳极提供连续可调的电压；所述沉积装置的沉积方法利用同轴的励磁线圈优化阴极磁控靶前磁场分布，同时利用辅助阳极调控真空室内电场/电势分布，可实现对电子的定向牵引和约束，进而可达到改善高功率脉冲磁控溅射技术电子利用率和沉积速率并进一步提高系统粒子离化率的目的，沉积出优质的膜层。本发明用于镀膜技术领域。

Description

电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射沉积装置及方法
技术领域
本发明属于镀膜技术领域，特别涉及一种电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射沉积装置及方法。
背景技术
物理气相沉积技术是制备硬质涂层的常用技术，它具有沉积涂层温度较低(200℃)、基材应用范围广以及膜层质量容易控制等优点，其中有代表性的是磁控溅射技术和多弧离子镀技术。磁控溅射技术具有沉积速率高的优点，但其溅射金属离化率较低且存在膜层不致密和膜/基结合强度较差的缺点；而多弧离子镀技术虽然金属离化率较高，但往往存在“大颗粒”问题，导致涂层表面质量变差，严重影响了涂层的综合性能。
1999年，瑞典的V.Kouznetsov等人首次提出了高功率脉冲磁控溅射技术，该技术通过改变磁控溅射传统的供电模式而采用脉冲供电的模式，即利用百倍于传统磁控溅射的脉冲峰值功率和较低的脉冲频率和占空比的供电模式来供电，获得了高金属离化率和高能量/高密度的等离子体。它同时具有传统磁控溅射技术和多弧离子镀技术的优点，被誉为“无大颗粒的多弧离子镀技术”。与传统磁控溅射技术相比，该技术具有获得的膜层致密度高、膜/基结合力高、膜层厚度均匀性好、靶中毒倾向降低、膜层内应力降低等优点，因此，该技术一问世就引起了学术界和企业界的极大兴趣。但是，人们逐渐发现该技术存在的问题是沉积速率相对较低，电子的利用效率较低以及系统粒子的离化率有待进一步提高。
目前，采用其他方法或辅助设备与高功率脉冲磁控溅射技术协同的方式来辅助电离或增强该技术，从而获得较高的沉积速率、较高的电子的利用效率以及进一步提高系统粒子的离化率。
1)采用其他镀膜方法与HIPIMS进行复合。Q.Luo的研究中分别采用1个高功率脉冲磁控电源和3个直流磁控电源来对4个磁控靶供电制备TiN硬质膜，研究表明相比传统的4个直流磁控电源的制备方法，采用(1个高功率脉冲磁控电源+3个直流磁控电源)的复合方法时膜层的沉积速率总体比较高，但是该方法在获得了较高的沉积速率的同时却损失了溅射金属粒子的离化率。(Q.Luo.Hybrid HIPIMS and DC magnetron sputtering depositionof TiN coatings:Deposition rate,structure and tribological properties.Surfaceand Coatings Technology.2013,236:13)。
2)改变偏压模式来增强高功率脉冲磁控溅射技术沉积速率。HIPIMS技术的较低沉积速率由溅射金属离子被靶吸回所导致，可见，只有将金属离子有效地收集并输运到基体上，才可能减少沉积速率的损失。为了进一步提高金属离子的离化和输运，可以采取其他辅助设备与高功率脉冲磁控溅射技术复合的技术来实现。田修波等人提出了基于高功率脉冲磁控放电的等离子体注入与沉积技术(HPPMS–PIII&D)，该技术集合了高功率脉冲磁控溅射技术和离子注入技术两者的优点，制备的氮化铬涂层具有优于传统磁控溅射的沉积速率。但是，该技术存在的问题是，在镀膜过程中使用到了脉冲高压，增加了镀膜工艺的应用成本和设备使用的复杂性。
综上所述，目前高功率脉冲磁控溅射技术的缺点：1)沉积速率低；2)电子利用率低；3)溅射金属和中性气体粒子离化率低以及真空系统等离子体密度低。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前高功率脉冲磁控溅射方法电子利用率和沉积速率以及离子离化率低的的问题，本发明提供一种电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射沉积装置及方法。
所述沉积装置包括真空室、工件架、高功率脉冲磁控溅射电源、阴极磁控靶和基体偏压电源；基体偏压电源为真空室内的工件架提供偏向电压，高功率脉冲磁控溅射电源为阴极磁控靶供电，所述阴极磁控靶为真空室内提供永磁场；
所述沉积装置还包括直流恒流电源、直流恒压电源、辅助阳极和励磁线圈；所述励磁线圈缠绕在阴极磁控靶的外侧，直流恒流电源为励磁线圈提供连续可调的电流，辅助阳极设置在真空室内，直流恒压电源为辅助阳极提供连续可调电压。
所述的电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射沉积装置及方法，所述沉积方法包括如下步骤：
步骤一和步骤二分别进行，然后执行步骤三：
步骤一：构建电场增强高功率脉冲磁控放电：
高功率脉冲磁控溅射电源和偏压电源工作，通过调整辅助阳极在真空室内的位置和控制直流恒压电源输出电压的大小，改变电子运动轨迹，使电子到达沉积区域，从而确定直流恒压电源输出的电压大小和辅助阳极在真空室内的位置；
步骤二：构建磁场增强高功率脉冲磁控放电：
高功率脉冲磁控溅射电源和偏压电源工作，控制直流恒流电源输出的电流，使电子扩展到沉积区域，同时正离子也到达沉积区域，从而确定直流恒流电源输出的电流；
步骤三：在镀膜时，根据步骤一确定的直流恒压电源输出的电压、辅助阳极在真空室内的位置和步骤二确定的直流恒流电源输出的电流，控制沉积装置，实现电-磁场协同增强高功率脉冲磁控放电，沉积出膜层。
所述直流恒流电源输出的电流的范围为0-20A。
所述直流恒压电源输出的电压的范围为0-300V。
本发明的有益效果在于，本发明利用同轴的励磁线圈优化阴极磁控靶前磁场分布同时利用辅助阳极调控真空室内电场/电势分布，可实现对电子的定向牵引和约束，达到改善高功率脉冲磁控溅射技术电子利用率和沉积速率以及进一步提高系统粒子离化率的目的，最终形成一种高等离子体密度的溅射沉积方法。优点：1)方法实现过程简单。2)在提高沉积速率的同时没有牺牲系统粒子离化率。3)提高了电子利用效率，充分利用了真空系统内的电子。
附图说明
图1为具体实施方式一的原理示意图。
其中：1-真空室；2-直流恒流电源；3-工件架；4-高功率脉冲磁控溅射电源；5-阴极磁控靶；6-直流恒压电源；7-辅助阳极；8-偏压电源。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射沉积装置，所述沉积装置包括真空室1、工件架3、高功率脉冲磁控溅射电源4、阴极磁控靶5和偏压电源8；偏压电源8为真空室1内的工件架3提供偏向电压，高功率脉冲磁控溅射电源4为阴极磁控靶5供电，所述阴极磁控靶5为真空室1内提供永磁场；
其特征在于，所述沉积装置还包括直流恒流电源2、直流恒压电源6、辅助阳极7和励磁线圈；所述励磁线圈缠绕在阴极磁控靶5的外侧，直流恒流电源2为励磁线圈提供连续可调的电流，辅助阳极7设置在真空室1内，直流恒压电源6为辅助阳极7提供连续可调电压。
具体实施方式二：本实施方式是具体实施方式一所述的电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射沉积装置的沉积方法，所述沉积方法包括如下步骤：
步骤一和步骤二分别进行，然后执行步骤三：
步骤一：构建电场增强高功率脉冲磁控放电：
高功率脉冲磁控溅射电源4和偏压电源8工作，通过调整辅助阳极在真空室1内的位置和控制直流恒压电源6输出电压的大小，改变电子运动轨迹，使电子到达沉积区域，从而确定直流恒压电源6输出的电压大小和辅助阳极在真空室1内的位置；
本步骤在采用高功率脉冲磁控溅射技术镀膜时在真空室内增加适当电压的辅助阳极，通过调整辅助阳极在真空室内的位置分布以及阳极电压的大小来改善真空室内的电场/电势梯度，达到改变电子运动轨迹的目的，可起到增强系统粒子离化率、增强离子能量以及提高系统等离子体密度的效果。
步骤二：构建磁场增强高功率脉冲磁控放电：
高功率脉冲磁控溅射电源4和偏压电源8工作，控制直流恒流电源2输出的电流，使电子扩展到沉积区域，同时正离子也到达沉积区域，从而确定直流恒流电源2输出的电流；
本步骤在阴极磁控靶外部设置一个具有一定位形和强度的磁场，通过增强阴极靶外环磁极强度而形成非平衡磁场分布，达到了通过调整励磁线圈励磁电流来改善磁控靶轴向磁场梯度的目的。从而可使电子不再被靶前正交电磁场约束而是被引出扩展到沉积区域，同时正离子由于双极扩散作用也被引出阴极区域而到达沉积区域，这样可在近基体区形成高密度等离子体分布。外部附加磁场既可以约束放电等离子体，减少双极扩散导致的等离子体器壁复合损失，又可以有效地提高电子碰撞电离几率。这样通过磁场增强的方式可以达到约束等离子体、增强系统粒子离化率以及扩大等离子体区域的目的。
步骤三：在镀膜时，根据步骤一确定的直流恒压电源6输出的电压、辅助阳极在真空室1内的位置和步骤二确定的直流恒流电源2输出的电流，控制沉积装置，实现电-磁协同增强高功率脉冲磁控放电，沉积出膜层。
本步骤在真空室1内增加辅助阳极的同时又在阴极磁控靶附加同轴电磁线圈，充分发挥电场增强和磁场增强两种增强高功率脉冲磁控溅射放电各自的优势，最终实现电-磁场协同增强高功率脉冲磁控放电，从而达到获得高系统粒子离化率和高系统等离子体密度的目的，最终制备出高质量的优质膜层。
本实施方式中，所述直流恒流电源2输出的电流的范围为0-10A。
本实施方式中，所述直流恒压电源6输出的电压的范围为0-110V。
本发明利用阴极磁控靶外侧励磁线圈与真空室内辅助阳极同时来协同增强高功率脉冲磁控放电，来获得较高沉积速率、电子利用效率以及系统粒子离化率。

Claims (4)

1.电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射沉积装置及方法，所述沉积装置包括真空室(1)、工件架(3)、高功率脉冲磁控溅射电源(4)、阴极磁控靶(5)和偏压电源(8)；偏压电源(8)为真空室(1)内的工件架(3)提供偏向电压，高功率脉冲磁控溅射电源(4)为阴极磁控靶(5)供电，所述阴极磁控靶(5)为真空室(1)内提供永磁场；
其特征在于，所述沉积装置还包括直流恒流电源(2)、直流恒压电源(6)、辅助阳极(7)和励磁线圈；所述励磁线圈缠绕在阴极磁控靶(5)的外侧，直流恒流电源(2)为励磁线圈提供连续可调的电流，辅助阳极(7)设置在真空室(1)内，直流恒压电源(6)为辅助阳极(7)提供连续可调电压。
2.权利要求1所述的电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射沉积装置及方法，其特征在于，所述沉积方法包括如下步骤：
步骤一和步骤二分别进行，然后执行步骤三：
步骤一：构建电场增强高功率脉冲磁控放电系统：
高功率脉冲磁控溅射电源(4)和偏压电源(8)工作，通过调整辅助阳极在真空室(1)内的位置和控制直流恒压电源(6)输出电压的大小，改变电子运动轨迹，使电子到达沉积区域，从而确定直流恒压电源(6)输出的电压大小和辅助阳极在真空室(1)内的位置；
步骤二：构建磁场增强高功率脉冲磁控放电系统：
高功率脉冲磁控溅射电源(4)和偏压电源(8)工作，控制直流恒流电源(2)输出的电流，使电子扩展到沉积区域，同时正离子也到达沉积区域，从而确定直流恒流电源(2)输出的电流；
步骤三：在镀膜时，根据步骤一确定的直流恒压电源(6)输出的电压、辅助阳极在真空室(1)内的位置和步骤二确定的直流恒流电源(2)输出的电流，控制沉积装置，实现电-磁场协同增强高功率脉冲磁控放电，沉积出膜层。
3.根据权利要求2所述的电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射沉积装置及方法，所述直流恒流电源(2)输出的电流的范围为0-20A。
4.根据权利要求2所述的电-磁场协同增强高功率脉冲磁控溅射沉积装置及方法，所述直流恒压电源(6)输出的电压的范围为0-300V。
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