CN111411337B - 一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统，包括连接在一起的真空腔体、真空泵组、真空测量装置、电源控制柜及PLC+ICP+闭环控制系统。真空腔体的一侧通过抽气孔经管道阀体与真空泵组相连，其另一侧与真空测量装置相连；真空腔体设有蚌式对开门的真空腔门体；真空腔门体的正面对称设有一对平面磁控靶，侧面对称设有两对自带布气系统的辅助水冷阳极；每个辅助水冷阳极的外围设有励磁场调制线圈；真空腔体内对称插有两对孪生柱状磁控溅射阴极；柱状磁控溅射阴极、辅助水冷阳极、平面磁控靶、励磁场调制线圈、管道阀体、真空泵组、真空测量装置均分别通过线桥与PLC+ICP+闭环控制系统和电源控制柜相连。本发明可有效阻止靶中毒、提高镀膜质量。

Description

一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统
技术领域
本发明涉及真空镀膜和表面处理技术领域，尤其涉及一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统。
背景技术
工业机械表面摩擦磨损导致的材料消耗、机械失效，进而造成能源和资源的浪费。传统的表面处理技术，如电镀、微弧氧化、阳极氧化等技术由于环保政策和环保意识的强化，逐渐不能满足现代人类社会发展的需求，亟需发展绿色环保的镀膜技术。
因此，电弧离子镀膜、化学气相沉积和磁控溅射越来越受到人们的重视。以磁控溅射为例，平衡磁控溅射、非平衡磁控溅射、离子源辅助磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射等相继被发展并用于实际生产。
中国专利ZL200510019161.6公开了一种对靶孪生磁控溅射离子镀沉积装置，该装置提高了镀膜的操作灵活性。中国专利ZL201610906281.6公开了一种磁极辅助的非平衡磁控溅射系统，该系统提高了镀膜的结构可控性和镀膜厚度的均一性。中国专利ZL200910074779.0公开了一种闭合场非平衡磁控溅射制备铬铝氮薄膜的方法，该方法有效提高了高铬钨锰钢表面的硬度、强度和耐磨性能。中国专利ZL201310729760.1公开了一种高功率脉冲磁控溅射激发/阳极层离子源辅助的的磁控溅射镀膜装置，该装置极大地提高了薄膜的结合力和强度。
但是，上述专利对反应磁控溅射导致的靶中毒均难以控制，影响了镀膜的可控性和重复性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种有效阻止靶中毒、提高镀膜质量的励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统。
为解决上述问题，本发明所述的一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统，包括连接在一起的真空腔体、真空泵组、由一组复合真空计组成的真空测量装置、电源控制柜及PLC+ICP+闭环控制系统；所述真空腔体的一侧通过抽气孔经管道阀体与所述真空泵组相连，其另一侧与所述真空测量装置相连；所述真空腔体设有蚌式对开门的真空腔门体，其特征在于：所述真空腔门体的正面对称设有一对平面磁控靶，侧面对称设有两对自带布气系统的辅助水冷阳极；每个所述辅助水冷阳极的外围设有励磁场调制线圈；所述真空腔体内对称插有两对孪生柱状磁控溅射阴极；所述柱状磁控溅射阴极、所述辅助水冷阳极、所述平面磁控靶、所述励磁场调制线圈、所述管道阀体、所述真空泵组、所述真空测量装置均分别通过线桥与所述PLC+ICP+闭环控制系统和所述电源控制柜相连。
两对所述柱状磁控溅射阴极中的任意一对的相邻磁场相反布置。
所述柱状磁控溅射阴极与所述电源控制柜中的中频脉冲电源相连。
所述辅助水冷阳极的正极与所述电源控制柜中的直流电源或直流脉冲电源相连，其负极接地。
所述布气系统中的反应气体从所述辅助水冷阳极背面的供气管道进入，均匀分散到所述辅助水冷阳极的表面。
所述平面磁控靶的靶宽为200mm，其高度与所述真空腔体的高度相匹配。
所述平面磁控靶与所述电源控制柜中的直流电源或中频磁控溅射电源相连。
所述励磁场调制线圈与邻近的所述平面磁控靶的磁场相反。
所述励磁场调制线圈与邻近的所述柱状磁控溅射阴极的磁场相反。
所述真空腔体内设有真空探头，该真空探头外接所述真空测量装置。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明中辅助水冷阳极由励磁场调制，其中励磁场方向与相邻的柱状磁控溅射阴极呈闭合场，由于磁控溅射靶为负极供电，磁控溅射产生的正离子除向外发散外，部分被限制在靶表面；电子除限制在靶表面外，沿着磁场和正离子一起向外运动；同时由于辅助水冷阳极提供正电位，正离子被排斥而电子被加速。正离子在运动的过程中沉积在基底表面，而电子加速向正电场，其中加速能量取决于辅助水冷阳极的正电压，加速的电子沿着磁感线螺旋运动，提高了和中性离子的碰撞几率，产生更多的正离子和电子，正离子加速向柱状磁控溅射阴极运动，从而提高了镀膜腔室内的离化率和靶表面的溅射产率。
2、本发明中由于励磁场调制辅助水冷阳极提供了电子、离子通道，加速了电子离子分离，在远离靶的位置（周长方向150mm以上）形成等离子通道，和无励磁场调制的辅助水冷阳极相比，励磁场可提供直流、脉冲、射频等磁场，提高了工艺的灵活性。
3、本发明中辅助水冷阳极将磁控溅射区域中的电子拉出靶表面，使靶负极正离子比例增加、活性增高，从而提高了离化率和溅射产率。
4、本发明中辅助水冷阳极吸引电子，在励磁场调制下飞向辅助水冷阳极，并同中性离子碰撞使其电离。
5、本发明中反应气体在辅助水冷阳极场附近离化，在飞向磁控溅射靶的过程中参与沉积薄膜的生长，使得在较低的反应气体比例下获得所学化学计量比的高质量薄膜。
6、本发明可有效降低反应磁控溅射所需的气体流量比，在磁调制阳极区强化反应沉积，抑制因为靶中毒导致沉积速率降低的现象，可有效阻止靶中毒。
7、与传统磁控溅射系统相比较，本发明具有励磁场调制的辅助水冷阳极系统在获得相同成分的化合物薄膜所需的反应气体比例降低30~50%，沉积速率提高1倍，可以用于反应磁控溅射氮化物、碳化物、氧化物单层及多层薄膜。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图中：1—真空腔体；2—真空腔门体；3—柱状磁控溅射阴极；4—辅助水冷阳极；5—平面磁控靶；6—励磁场调制线圈；7—管道阀体；8—真空泵组；9—PLC+ICP+闭环控制系统；10—线桥；11—真空测量装置。
具体实施方式
如图1所示，一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统，包括连接在一起的真空腔体1、真空泵组8、由一组复合真空计组成的真空测量装置11、电源控制柜及自动编程控制的PLC+ICP+闭环控制系统9。真空腔体1的一侧通过抽气孔经管道阀体7与真空泵组8相连，其另一侧与真空测量装置11相连；真空腔体1设有蚌式对开门的真空腔门体2。真空腔门体2的正面对称设有一对平面磁控靶5，侧面对称设有两对自带布气系统的辅助水冷阳极4；每个辅助水冷阳极4的外围设有励磁场调制线圈6；真空腔体1内对称插有两对孪生柱状磁控溅射阴极3；柱状磁控溅射阴极3、辅助水冷阳极4、平面磁控靶5、励磁场调制线圈6、管道阀体7、真空泵组8、真空测量装置11均分别通过线桥10与PLC+ICP+闭环控制系统9和电源控制柜相连。
其中：真空腔门体2为蚌式对开门，便于平常的维护。
两对柱状磁控溅射阴极3中的任意一对的相邻磁场相反布置。
柱状磁控溅射阴极3与电源控制柜中的中频脉冲电源相连。
辅助水冷阳极4的正极与电源控制柜中的直流电源或直流脉冲电源相连，其负极接地。接地负极必须与偏压等其他电源供地的电极隔离。辅助水冷阳极4与真空腔体1绝缘，并通有冷却水。
布气系统中的反应气体是指甲烷、氮气、氩气等，该从辅助水冷阳极4背面的供气管道进入，均匀分散到辅助水冷阳极4的表面。
平面磁控靶5的靶宽为200mm，其高度与真空腔体1的高度相匹配。
平面磁控靶5与电源控制柜中的直流电源或中频磁控溅射电源相连。
励磁场调制线圈6与邻近的平面磁控靶5的磁场相反。励磁场调制线圈6与邻近的柱状磁控溅射阴极3的磁场相反。即：一个平面磁控靶5附近的一对励磁场调制线圈6同平面磁控靶5外围磁场相反；另外一对励磁场调制线圈6同前述励磁场调制线圈6相反，柱状磁控溅射阴极3依次按照相邻相反的顺序布置，形成闭合回路。
真空腔体1内设有真空探头，该真空探头外接真空测量装置11。
工作原理：本发明中励磁场调制线圈6约束辅助水冷阳极4，同临近柱状磁控溅射阴极3形成闭合磁场，同时沿磁力线运动的电子被辅助水冷阳极4吸收，带正电的离子被辅助水冷阳极4正电场加速，在真空腔体1空间内形成均匀的等离子体。
以制备氮化铝涂层为例，一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统的工作流程如下：
⑴整个工艺过程由自动编程控制的PLC+ICP+闭环控制系统9执行。
⑵将清洗好的试件装入真空腔体1，关闭真空腔门体2，按顺序检查水、电、气供给情况并做记录，确保镀膜前水、电、气供给无问题。
⑶打开真空泵组8，抽真空至0.001帕以下，设置试件三行星公转台的转速为1圈/分钟，开始镀膜。
⑷通入氩气至2Pa，调整偏压至-800V，占空比60%，打开励磁场调制线圈6，使脉冲电流为45A，频率为20Hz，打开辅助水冷阳极4的电压至-450V，轰击清洗30分钟。其中，开启励磁场调制线圈6和辅助水冷阳极4的电压，偏压电流一次提高原来电流大小的30%，即叠加效果提高偏压电流70%左右。
⑸打开平面磁控靶5，调整励磁场调制线圈6的直流为20A，辅助水冷阳极4的电压降低至-300V，偏压降低至-200V，平面磁控靶5的电流为10A，占空比60%，沉积45分钟，获得粘结层。
⑹关闭平面磁控靶5，打开两对柱状磁控溅射阴极3，调整中频脉冲电流为12A，其他条件保持不变，氩气调整至1Pa，通入20%的氮气，沉积150分钟。
⑺关机，冷却45分钟后放气，取出样品，测量厚度为2.3微米，较传统的8~9小时沉积2.5微米，其沉积速率提高1倍。

Claims (7)

1.一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统，包括连接在一起的真空腔体（1）、真空泵组（8）、由一组复合真空计组成的真空测量装置（11）、电源控制柜及PLC+ICP+闭环控制系统（9）；所述真空腔体（1）的一侧通过抽气孔经管道阀体（7）与所述真空泵组（8）相连，其另一侧与所述真空测量装置（11）相连；所述真空腔体（1）设有蚌式对开门的真空腔门体（2），其特征在于：所述真空腔门体（2）的正面对称设有一对平面磁控靶（5），侧面对称设有两对自带布气系统的辅助水冷阳极（4）；每个所述辅助水冷阳极（4）的外围设有励磁场调制线圈（6）；所述真空腔体（1）内对称插有两对孪生柱状磁控溅射阴极（3）；所述柱状磁控溅射阴极（3）、所述辅助水冷阳极（4）、所述平面磁控靶（5）、所述励磁场调制线圈（6）、所述管道阀体（7）、所述真空泵组（8）、所述真空测量装置（11）均分别通过线桥（10）与所述PLC+ICP+闭环控制系统（9）和所述电源控制柜相连；两对所述柱状磁控溅射阴极（3）中的任意一对的相邻磁场相反布置；所述励磁场调制线圈（6）与邻近的所述平面磁控靶（5）的磁场相反；所述励磁场调制线圈（6）与邻近的所述柱状磁控溅射阴极（3）的磁场相反。
2.如权利要求1所述的一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统，其特征在于：所述柱状磁控溅射阴极（3）与所述电源控制柜中的中频脉冲电源相连。
3.如权利要求1所述的一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统，其特征在于：所述辅助水冷阳极（4）的正极与所述电源控制柜中的直流电源或直流脉冲电源相连，其负极接地。
4.如权利要求1所述的一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统，其特征在于：所述布气系统中的反应气体从所述辅助水冷阳极（4）背面的供气管道进入，均匀分散到所述辅助水冷阳极（4）的表面。
5.如权利要求1所述的一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统，其特征在于：所述平面磁控靶（5）的靶宽为200mm，其高度与所述真空腔体（1）的高度相匹配。
6.如权利要求1所述的一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统，其特征在于：所述平面磁控靶（5）与所述电源控制柜中的直流电源或中频磁控溅射电源相连。
7.如权利要求1所述的一种励磁调制阳极辅助磁控溅射离子镀膜系统，其特征在于：所述真空腔体（1）内设有真空探头，该真空探头外接所述真空测量装置（11）。
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