CN114481064A - 一种用于ta-C膜沉积的磁控溅射生成碳离子的方法及ta-C膜沉积方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于真空镀膜技术领域，具体涉及一种用于ta‑C膜沉积的磁控溅射生成碳离子的方法及ta‑C膜沉积方法。本发明通过在磁控溅射产生碳离子的组件中采用两个相对设置的第一靶材，当等离子体中的粒子轰击第一靶材，形成的碳离子和碳颗粒向两个第一靶材中间的区域运动，碳离子在电磁场的作用下，离开溅射区，进入到磁场导向区，通过离子出口进入真空腔室，进行沉积，而绝大多数不带电的碳颗粒保留在溅射区，进一步与等离子体中的粒子碰撞形成碳离子，本发明既能大大减少沉积区域的碳颗粒数量，同时不影响沉积速度。
Description
技术领域
本发明属于真空镀膜技术领域，具体涉及一种用于ta-C膜沉积的磁控溅射生成碳离子的方法及ta-C膜沉积方法。
背景技术
类金刚石碳膜（diamond-like carbon films，简称DLC膜），是含有类似金刚石结构的非晶碳膜，DLC膜的基本成分是碳，因为碳能以三种不同的杂化方式sp3、sp2和spl存在，所以碳可以形成不同晶体的和无序的结构。这也使得对碳基薄膜的研究变得复杂化。在sp3杂化结构中,一个碳原子的四个价电子被分配到具有四面体结构的定向的sp3轨道中,碳原子与相邻的原子形成很强的♂键,这种键合方式我们通常也称之为金刚石键。在sp2杂化结构中,碳的四个价电子中的三个进入三角形的定向的sp2轨道中,并在一个平面上形成♂键,第四个电子位于同♂键一个平面的pπ轨道。π轨道同一个或多个相邻的原子形成弱的π键。而在spl结构中，四个价电子中的两个进入π轨道后各自在沿着x轴的方向上形成♂键,而另外两个价电子则进入y轴和z轴的pπ轨道形成π键。DLC碳膜可以被掺杂不同的元素得到掺杂的DLC(N-DLC)薄膜。它们中的C都是以sp3、sp2和sp1的键合方式而存在,因而有诸多与金刚石膜相似的性能。
由于碳的来源和制备方法的差异，DLC膜可分为无氢类金刚石碳膜(a-C)和氢化类金刚石碳膜(a-C：H)两类。含氢过多将降低涂层的结合力和硬度，增大内应力。DLC中的氢在较高的温度下会慢慢释放出来，引起涂层工作不稳定。四面体无定型非晶碳膜（ta-C）作为类金刚石的一类，是一系列sp3键含量为80%~90%的无氢非晶碳膜，具有高硬度、高弹性模量、良好的耐化学性和抗热震性等特点，具有组织均匀、可大面积沉积、成本低、表面平整等优点。类金刚石膜制备的方法很多:如离子束辅助沉积、磁控溅射、真空阴极电弧沉积、等离子体增强化学气相沉积、离子注入法等。石墨靶放电是获得高离化率的纯C+等离子体的主要方法，主要有阴极电弧放电和磁控溅射辉光放电两种。阴极电弧放电由于能量集中，可以产生高密度高离化的等离子体，但是长时间、集中、高电流密度的直流电弧自持放电特性导致大颗粒、石墨放电不稳定等问题，导致薄膜品质下降。在沉积过程中，石墨靶在电弧弧斑放电作用下，容易产生大量的大小不一的宏观碳颗粒，这些颗粒与碳离子一起沉积在基材上，使沉积的薄膜中含有大量的颗粒，导致表面变得粗糙而大大降低了薄膜的性能。目前，通常采用磁过滤阴极弧技术对沉积设备进行改进，利用磁场对离子的作用，改变碳离子到达基体的运动轨迹。这种磁过滤对细小原子团的筛选作用很严格，只有当颗粒的电荷和大小恰好合适时,才有可能通过磁场管道沉积到基底上;未离化的碳分子、原子及大颗粒则沉积到磁场管道内壁上，消除了膜中的宏观碳颗粒，提高了DLC薄膜的质量。同样,为了消除宏观石墨颗粒在DLC薄膜沉积过程中的不利影响，有的研究人员利用在靶前装屏蔽板的方法减少膜中的碳颗粒。但是，无论是磁过滤还是屏蔽板，都会明显降低沉积速度，减小均匀沉积区的面积。
磁控溅射为通过腔体内的氩气等离子体轰击固体石墨靶材之后，固体石墨靶材溅射出离子、中性原子及二次电子，这些离子在外力引导作用下在基体表面沉积得到ta-C膜。但是由于磁控溅射的能量密度低，溅射出来的离子产额只有不到10%，大部分为中性原子。传统的磁控溅射离化率低、离子密度小、离子能量低等缺点，导致涂层沉积速率低，生产效率低，涂层结构疏松，成膜质量差，SP3键含量低，待镀工件易打火，良品率低。虽然磁控溅射获得涂层比较光滑细腻，但由于溅射粒子大部分为原子，离化率不高，难以获得致密、结合强度高的涂层。高性能的ta-C膜的制备必须有高密度高离化的C离子流。为了提高磁控溅射的离化率，常用的有高能脉冲磁控溅射技术（HiPIMS）及闭合非平衡磁控溅射技术。HiPIMS是利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲占空比来产生高溅射金属离化率的一种磁控溅射技术，目前由于HiPIMS沉积效率低，主要在实验室研发应用，而且HiPIMS电源成本极高，是中小企业无法承受的。高密度、高离化率C等离子体的产生必须有足量的电子流参与碰撞，亦即必须有足够的有效电子发射。本发明为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种用于ta-C膜沉积的磁控溅射生成碳离子的方法及ta-C膜沉积方法，提供一种高的等离子体离化率、高的等离子体密度、高的粒子能量、较快的沉积速率以及较少缺陷的技术方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种用于ta-C膜沉积的磁控溅射生成碳离子的方法及ta-C膜沉积方法。
本发明所采取的技术方案如下：一种用于ta-C膜沉积的磁控溅射生成碳离子的方法，其采用的磁控溅射产生碳离子的组件包括设有反应腔室的磁控溅射碳离子发生腔室壳体、第一靶材、与第一靶材电连接的溅射电源、第一电子源发射系统，所述反应腔室内设有依次相连的溅射区、磁场导向区和离子出口；所述第一靶材设有两个，所述第一靶材为碳靶，所述第一靶材固定在所述溅射区中的磁控溅射碳离子发生腔室壳体的两侧内壁上且两个相对设置，所述磁控溅射碳离子发生腔室壳体的两侧外壁上对应第一靶材设有磁控线圈；所述磁场导向区内设有用于对第一靶材溅射形成的离子导引使其从离子出口离开反应腔室的磁场；
所述方法包括以下过程：所述第一电子源发射系统产生的电子经过电场导引进入到溅射区中；所述第一靶材接入磁控溅射电源，磁控溅射碳离子发生腔室壳体通入氩气，开启对靶磁控放电，产生的等离子体轰击第一靶材进行对溅射，使第一靶材溅射出碳离子及中性碳粒子，第一电子源发射系统产生的电子与溅射辉光放电产生的二次电子在溅射区电磁场约束下，形成震荡运行，与溅射区的氩气及溅射粒子产生高频的剧烈碰撞，产生高离化率高密度的碳等离子体；所述磁场导向区内形成对第一靶材溅射形成的离子导引使其从离子出口离开反应腔室的磁场，所述碳离子在磁场导向区内的磁场作用下从离子出口离开反应腔室。
在所述溅射区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体的内壁和/或外壁上固定有两个相对设置的用于形成封闭磁场的第一线圈；在所述磁场导向区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体的内壁和/或外壁上固定有用于形成磁场的第二线圈；所述第一线圈接入线圈电流形成封闭磁场，所述第二线圈接入线圈电流形成加速碳离子离开反应腔室的磁场。
一种ta-C膜沉积方法，其采用的ta-C膜沉积设备包括具有真空腔室的沉积壳体、抽真空系统、脉冲或者直流或者脉冲叠加直流偏压电源系统、磁控溅射产生碳离子的组件、交流灯丝加热电源、偏压电源系统；
所述磁控溅射产生碳离子的组件包括设有反应腔室的磁控溅射碳离子发生腔室壳体、第一靶材、与第一靶材电连接的溅射电源、第一电子源发射系统，所述反应腔室内设有依次相连的溅射区、磁场导向区和离子出口；所述第一靶材设有两个，所述第一靶材为碳靶，所述第一靶材固定在所述溅射区中的磁控溅射碳离子发生腔室壳体的两侧内壁上且两个相对设置，所述磁控溅射碳离子发生腔室壳体的两侧外壁上对应第一靶材设有磁控线圈；所述磁场导向区内设有用于对第一靶材溅射形成的离子导引使其从离子出口离开反应腔室的磁场；
所述磁控溅射碳离子发生腔室壳体设有离子出口的一端与沉积壳体相连接，所述反应腔室与真空腔室通过离子出口相连通；所述第一电子源发射系统包括设置于磁控溅射碳离子发生腔室壳体远离离子出口的一端的第一灯丝以及在靠近第一灯丝的位置设有第一进气管；
所述沉积壳体上设有用于与抽真空系统相连对真空腔室抽气形成真空环境的抽真空口；所述沉积壳体内设有用于放置镀膜过程中所镀工件的工件转架、用于形成过渡膜层的过渡靶、靠近过渡靶设置的进气管；所述工件转架接所述脉冲或者直流或者脉冲叠加直流偏压电源系统的电源负极；
所述沉积方法包括以下步骤：
①安装工件：将所镀工件安装在工件转架上；
②抽真空：使用真空抽气系统通过抽真空口对沉积壳体真空腔体抽真空至本底真空；
③加热工件：对工件进行加热；
④轰击净化工件：打开脉冲或者直流或者脉冲叠加直流偏压电源系统，将第一灯丝接入交流灯丝加热电源（独立于偏压电源系统的第二电源系统，交流电源），产生电子，工件转架接入偏压电源系统负极，第一进气管通入氩气，第一电子源发射系统产生的电子经过反应腔室内依次相连的溅射区、磁场导向区和离子出口的时候，形成高密度的气体等离子体，在偏压的作用下进行工件清洗作用；
⑤镀过渡层；通过沉积壳体上设置的溅射过渡靶对工件表面进行过渡层的镀膜；通过不同靶材功率的调节，进行过渡膜层成分的调节，可形成纯金属Me膜，混合金属Me膜，金属碳化膜MeC等；
⑥镀ta-C膜：将溅射过渡靶和真空腔体中的进气管关闭，重新抽真空至本底真空，所述第一电子源发射系统产生的电子经过电场导引进入到溅射区中；所述第一靶材接入磁控溅射电源，磁控溅射碳离子发生腔室壳体通入氩气，开启对靶磁控放电，产生的等离子体轰击第一靶材进行对溅射，使第一靶材溅射出碳离子及中性碳粒子，第一电子源发射系统产生的电子与溅射辉光放电产生的二次电子在溅射区电磁场约束下，形成震荡运行，与溅射区的氩气及溅射粒子产生高频的剧烈碰撞，产生高离化率高密度的碳等离子体；所述磁场导向区内形成对第一靶材溅射形成的离子导引使其从离子出口离开反应腔室的磁场，所述碳离子在磁场导向区内的磁场作用下从离子出口离开反应腔室进入沉积壳体内，在偏压作用下于工件表面沉积；碳离子发生腔室产生的高密度碳离子进入到沉积壳体内，通过调节第一灯丝电流大小、第一靶材放电功率及第二线圈的强度，调节进入到沉积壳体内的碳离子流的密度和通量；工件上首先开启高偏压（1200-3500V），调节碳离子流的密度和通量处于较小的状态，进行高压轰击注入，形成牢固的C注入层；其次，调整偏压于沉积状态（50-1500V），调节碳离子流的密度和通量处于沉积的状态，进行ta-C膜的沉积，通过偏压的周期调节，形成应力可控的ta-C膜；
⑦达到预定膜层厚度，关闭电源及气体，冷却至室温，充入大气，取出工件。
所述磁控溅射碳离子发生腔室壳体内或沉积壳体内设有辅助阳极，在步骤④和步骤⑥中，所述辅助阳极接所述脉冲或直流或脉冲叠加直流辅助阳极电源（独立于偏压电源系统的第三电源系统）的电源正极。
在所述溅射区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体的内壁和/或外壁上固定有两个相对设置的用于形成封闭磁场的第一线圈；在所述磁场导向区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体的内壁和/或外壁上固定有用于形成磁场的第二线圈；
在步骤④⑥中，所述第一线圈接入线圈电流形成封闭磁场，所述第二线圈接入线圈电流形成加速气体离子或碳离子离开反应腔室的磁场。
所述第一线圈为两个相平行设置的矩形线圈，所述第一线圈接入可任意编程的直线线圈电流或具有可远程调节的具有较大周期并可实现线性调控的矩形波线圈电流。
所述溅射靶材包括Cr、Ti或Zr等金属靶和WC靶，步骤⑤中，先打开Cr、Ti或Zr等金属靶以及在Cr、Ti或Zr等金属靶附近通入氩气进行Cr、Ti或Zr等金属过渡层的镀膜，然后打开WC靶以及在WC靶附近通入氩气进行WC过渡层的镀膜。
所述工件转架为圆环形，所述过渡靶包括固定在沉积壳体内壁上的第一过渡靶材和设置在工件转架内侧的第二过渡靶材。
所述沉积壳体内具有正八边形的真空腔体，所述工件转架的圆心与真空腔体中心重合；所述第一过渡靶材分别为两组Cr、Ti或Zr等金属靶和两组WC靶，两组Cr、Ti或Zr等金属靶分别位于以真空腔体中心为圆心45度和225度的位置，两组WC靶分别位于以真空腔体中心为圆心135度和315度的位置；所述第二过渡靶材分别为两组Cr、Ti或Zr等金属靶和两组WC靶，两组Cr、Ti或Zr等金属靶分别位于以真空腔体中心为圆心70度和250度的位置，两组WC靶分别位于以真空腔体中心为圆心110度和290度的位置。
所述沉积壳体上安装有第二电子源发射系统，所述第二电子源发射系统包括用于产生电子流的第二灯丝，所述第二灯丝接入交流灯丝加热电源（交流）的正负极用以工作过程中产生电子；所述第二电子源发射系统与第一电子源发射系统分别位于工件转架的两侧；在步骤④-⑥中，第二灯丝接入交流灯丝加热电源（交流）的负极用以工作过程中产生电子。
本发明的有益效果如下：本发明通过在磁控溅射产生碳离子的组件采用两个相对设置的第一靶材，当等离子体中的粒子轰击第一靶材，形成的碳离子和碳颗粒向两个第一靶材中间的区域运动，碳离子在电磁场的作用下，离开溅射区，进入到磁场导向区，通过离子出口进入真空腔室，进行沉积，而绝大多数不带电的碳颗粒保留在溅射区，进一步与等离子体中的粒子碰撞形成碳离子，本发明既能大大减少沉积区域的碳颗粒数量，同时不影响沉积速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明一种磁控溅射产生碳离子的组件的结构示意图；
图2为本发明一种磁控溅射产生碳离子的组件的剖视图；
图3为本发明一种磁控溅射产生碳离子的组件的溅射时的示意图；
图4为本发明一种ta-C膜沉积设备的结构示意图；
图中，1，磁控溅射碳离子发生腔室壳体；2，第一靶材；3，离子出口；4，第二线圈；5，沉积壳体；6，第一灯丝；7，工件转架；8，抽真空口；9，加热管；10，第一过渡靶材；11，第二过渡靶材；12，第三进气管；13，第二灯丝；14，第一线圈；15，辅助阳极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是 为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二” 仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再 一一说明。
本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
一种磁控溅射产生碳离子的组件，如图1-2所示，包括设有反应腔室的磁控溅射碳离子发生腔室壳体1、第一靶材2、与第一靶材2电连接的溅射电源， 所述反应腔室内设有依次相连的溅射区、磁场导向区和离子出口3；所述第一靶材2设有两个，所述第一靶材2固定在所述溅射区中的磁控溅射碳离子发生腔室壳体1的两侧内壁上且两个相对设置，所述磁控溅射碳离子发生腔室壳体1的两侧外壁上对应第一靶材2设有磁控线圈；所述磁场导向区内设有用于对第一靶材2溅射形成的离子导引使其从离子出口3离开反应腔室的磁场。其中所述的相对设置即指的两个第一靶材2形成大致平行且同轴设置。
在所述溅射区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体1的内壁和/或外壁上固定有两个相对设置的用于形成封闭磁场的第一线圈14；在所述磁场导向区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体1的内壁和/或外壁上固定有用于形成磁场的第二线圈4。
其中，在本实施例中，磁控溅射碳离子发生腔室壳体1为长方体，一端开口作为离子出口3，另一端设置第一灯丝6以及用于进气的第一进气管。镀膜工作时，将第一灯丝6接入交流灯丝加热电源（交流），第一进气管通入氩气，第一灯丝6产生的电子，与第一进气管通入的氩气产生电离，使氩气转变为Ar+，两个第一线圈14上接入电流在溅射区形成封闭磁场，与电场形成正交电磁场，第一灯丝6产生的电子在正交电磁场中作螺旋运动，与氩气充分接触，提高离化率。在本实施例中，第一靶材2为碳靶，用于形成ta-C膜。如图3所示，在第一靶材2上接入高功率磁控脉冲溅射电源，离化形成的Ar+轰击第一靶材2使第一靶材2溅射出离子和肉眼可见的碳颗粒，第二线圈4上接入电流在磁场导向区形成磁场促使带正电荷的碳离子从离子出口3离开反应腔室，由于颗粒不带电荷，所以磁场导向区形成的磁场对颗粒不会有导向驱动作用，所以肉眼可见的颗粒绝大多数保留在两个第一靶材2之间的区域以及少量在磁场导向区，与Ar+之间继续碰撞溅射形成更多的碳离子。
在本实施例中，第一线圈14和第二线圈4均为矩形线圈，两个第一线圈14相对平行的设置在磁控溅射碳离子发生腔室壳体1外，第二线圈4相对第一线圈14为垂直设置，环绕在磁控溅射碳离子发生腔室壳体1外。
矩形线圈中可以接入可任意编程的直线线圈电流或具有可远程调节的具有较大周期并可实现线性调控的矩形波线圈电流，通过对线圈所通电流的控制可以改变磁场的强弱和分布，从而改变电子和离子的运动路径。
具体的，线圈参数可以为模式①或模式②；
模式①为频率为0.01-50HZ，电压为±20v，占空比0-80%，每组电压的变化周期为1-30min的可实现输出电压远程线性周期性调节线圈电流；
模式②为可周期性运行的任意电压程序，周期内可任意设置每一段的电压幅值和运行时间，通过设置不同的电压幅值和运行时间形成一组程序流，该程序流可周期性运行；电压设置范围为-60V—+60V，运行时间精度为0.001S；每组周期内可编程命令段为0—1000段。
一种设有如上所述的磁控溅射产生碳离子的组件的ta-C膜沉积设备，如图4所示，包括具有真空腔室的沉积壳体5、抽真空系统、脉冲或者直流或者脉冲叠加直流偏压电源系统、第一灯丝6；所述第一灯丝6接入交流灯丝加热电源的正负极用以工作过程中产生电子；
所述磁控溅射碳离子发生腔室壳体1设有离子出口3的一端与沉积壳体5相连接，所述反应腔室与真空腔室通过离子出口3相连通，反应腔室中带正电荷的碳离子从离子出口3进入到真空腔室内；
所述沉积壳体5上设有用于与抽真空系统相连对真空腔室抽气形成真空环境的抽真空口8；所述沉积壳体5内设有用于放置镀膜过程中所镀工件的工件转架7；所述工件转架7接所述脉冲或者直流或者脉冲叠加直流偏压电源系统的电源负极，同时，所述磁控溅射碳离子发生腔室壳体1内或沉积壳体5内设有辅助阳极15，所述辅助阳极15接所述脉冲或直流或脉冲叠加直流辅助阳极电源的电源正极，在本实施例中，辅助阳极15位于沉积壳体5内接近磁控溅射碳离子发生腔室壳体1的位置。
所述工件转架7为圆环状，所述沉积壳体5内设有加热管9，所述加热管9安装于所述工件转架7内侧。所述加热管9用以镀膜过程中加热工件，在本实施例中，所述加热管9设有若干支（如附图中所示的12支）且间隔安装，若干加热管9设分为两组，分列位于以工件转架7中心为圆心的0度和180度位置，且距离工件转架7中心距离相等。
所述沉积壳体5内壁上固定有第一过渡靶材10以及接近第一过渡靶材10设有第二进气管。在本实施例中，第一过渡靶材10共有4组，分别为两组Cr、Ti或Zr等金属靶和两组WC靶，两组Cr、Ti或Zr等金属靶分别位于以真空腔体中心为圆心45度和225度的位置，两组WC靶分别位于以真空腔体中心为圆心135度和315度的位置，且4组第一过渡靶材10至工件转架7圆心的距离相等。
所述沉积壳体5内安装有第二过渡靶材11和第三进气管12，所述第二过渡靶材11和第三进气管12安装于所述工件转架7内侧。第二过渡靶材11为圆柱形靶材，以真空腔体中心为圆心安装，在本实施例中，所述第二过渡靶材11共有四组，分别为两组Cr、Ti或Zr等金属靶和两组WC靶，分别位于以真空腔体中心为圆心70度、110度、250度和290度方向安装，并距离真空腔体中心相等。所述第三进气管12安装于位于工件转架7内侧，具体设有两支，分别位于以真空腔体中心为圆心90度和270度位置的，并位于所述第二过渡靶材11中间，为第二过渡靶材11工作时通气。
本实施例通过在真空腔体内沉积壳体内侧以及工件转架内侧设置多组靶材和气管组，使得在使用溅射镀膜镀Cr过渡层时更为快速，从而提高沉积速率。
所述第二过渡靶材11设有若干个且至工件转架7圆心的距离相等，所述第三进气管12设置在第二过渡靶材11之间。
所述沉积壳体5上安装有第二电子源发射系统，所述第二电子源发射系统包括用于产生电子流的第二灯丝13，所述第二灯丝13接入交流灯丝加热电源的正负极用以工作过程中产生电子；所述第二电子源发射系统与磁控溅射产生碳离子的组件分别位于工件转架7的两侧。
通过本实施例的ta-C膜沉积设备进行沉积镀膜的工艺流程为：
1.安装工件：将所镀工件安装在工件转架7上；
2.抽真空：使用真空抽气系统通过抽真空口8对沉积壳体5真空腔体抽真空至本底真空；
3.加热工件：使用加热管9对工件进行加热；
4.轰击净化工件：打开脉冲或者直流或者脉冲叠加直流偏压电源系统，将第一灯丝6和第二灯丝13接入交流灯丝加热电源，产生电子，辅助阳极15接入脉冲或直流或脉冲叠加直流辅助阳极电源的电源正极，工件接入脉冲或者直流或者脉冲叠加直流偏压电源系统的负极，第一线圈14之间形成磁场，电场与磁场在溅射区形成正交电磁场，第一电子源发射系统产生的电子经过反应腔室内依次相连的溅射区、磁场导向区和离子出口的时候，形成高密度的气体等离子体，在偏压的作用下进行工件清洗作用。
5.镀Cr过渡层：关闭第一灯丝6与第一进气管，打开第一过渡靶材10和第二过渡靶材11中的Cr、Ti或Zr等金属靶，打开真空腔体中的第二进气管和第三进气管12通入氩气进行Cr、Ti或Zr等金属过渡层的镀膜。
6.镀WC过渡层：打开第一过渡靶材10和第二过渡靶材11中的WC靶，打开真空腔体中的第二进气管和第三进气管12入氩气进行WC过渡层的镀膜。
7.镀ta-C膜：WC过渡层镀膜完成后，将溅射靶材和真空腔体中的气源管关闭，重新抽真空至本底真空，所述第一电子源发射系统产生的电子经过电场导引进入到溅射区中；所述第一靶材2接入磁控溅射电源，磁控溅射碳离子发生腔室壳体1通入氩气，开启对靶磁控放电，产生的等离子体轰击第一靶材（2）进行对溅射，使第一靶材2溅射出碳离子及中性碳粒子，第一电子源发射系统产生的电子与溅射辉光放电产生的二次电子在溅射区电磁场约束下，形成震荡运行，与溅射区的氩气及溅射粒子产生高频的剧烈碰撞，产生高离化率高密度的碳等离子体；所述磁场导向区内形成对第一靶材2溅射形成的离子导引使其从离子出口3离开反应腔室的磁场，所述碳离子在磁场导向区内的磁场作用下从离子出口3离开反应腔室进入沉积壳体5内，在偏压作用下于工件表面沉积；碳离子发生腔室产生的高密度碳离子进入到沉积壳体5内，通过调节第一灯丝6电流大小、第一靶材2放电功率及第二线圈4的强度，调节进入到沉积壳体5内的碳离子流的密度和通量；工件上首先开启高偏压（1200-3500V），调节碳离子流的密度和通量处于较小的状态，进行高压轰击注入，形成牢固的C注入层；其次，调整偏压于沉积状态（50-1500V），调节碳离子流的密度和通量处于沉积的状态，进行ta-C膜的沉积，通过偏压的周期调节，形成应力可控的ta-C膜；
8.达到预定膜层厚度，关闭电源及气体，冷却至室温，充入大气，取出工件。
步骤⑤和步骤⑥可以通过不同靶材功率的调节，进行过渡膜层成分的调节，可形成纯金属Me膜，混合金属Me膜，金属碳化膜MeC等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种用于ta-C膜沉积的磁控溅射生成碳离子的方法，其特征在于：其采用的磁控溅射产生碳离子的组件包括设有反应腔室的磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）、第一靶材（2）、与第一靶材（2）电连接的溅射电源、第一电子源发射系统，所述反应腔室内设有依次相连的溅射区、磁场导向区和离子出口（3）；所述第一靶材（2）设有两个，所述第一靶材（2）为碳靶，所述第一靶材（2）固定在所述溅射区中的磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）的两侧内壁上且两个相对设置，所述磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）的两侧外壁上对应第一靶材（2）设有磁控线圈；所述磁场导向区内设有用于对第一靶材（2）溅射形成的离子导引使其从离子出口（3）离开反应腔室的磁场；
所述方法包括以下过程：所述第一电子源发射系统产生的电子经过电场导引进入到溅射区中；所述第一靶材（2）接入磁控溅射电源，磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）通入氩气，开启对靶磁控放电，产生的等离子体轰击第一靶材（2）进行对溅射，使第一靶材（2）溅射出碳离子及中性碳粒子，第一电子源发射系统产生的电子与溅射辉光放电产生的二次电子在溅射区电磁场约束下，形成震荡运行，与溅射区的氩气及溅射粒子产生高频的剧烈碰撞，产生高离化率高密度的碳等离子体；所述磁场导向区内形成对第一靶材（2）溅射形成的离子导引使其从离子出口（3）离开反应腔室的磁场，所述碳离子在磁场导向区内的磁场作用下从离子出口（3）离开反应腔室。
2.根据权利要求1所述的用于ta-C膜沉积的磁控溅射生成碳离子的方法，其特征在于：在所述溅射区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）的内壁和/或外壁上固定有两个相对设置的用于形成封闭磁场的第一线圈（14）；在所述磁场导向区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）的内壁和/或外壁上固定有用于形成对离子形成加速离子离开反应腔室的磁场的第二线圈（4）；所述第一线圈（14）接入线圈电流形成封闭磁场，所述第二线圈（4）接入线圈电流形成加速碳离子离开反应腔室的磁场。
3.一种ta-C膜沉积方法，其特征在于：其采用的ta-C膜沉积设备包括具有真空腔室的沉积壳体（5）、抽真空系统、脉冲或者直流或者脉冲叠加直流偏压电源系统、磁控溅射产生碳离子的组件、交流灯丝加热电源、偏压电源系统；
所述磁控溅射产生碳离子的组件包括设有反应腔室的磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）、第一靶材（2）、与第一靶材（2）电连接的溅射电源、第一电子源发射系统，所述反应腔室内设有依次相连的溅射区、磁场导向区和离子出口（3）；所述第一靶材（2）设有两个，所述第一靶材（2）为碳靶，所述第一靶材（2）固定在所述溅射区中的磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）的两侧内壁上且两个相对设置，所述磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）的两侧外壁上对应第一靶材（2）设有磁控线圈；所述磁场导向区内设有用于对第一靶材（2）溅射形成的离子导引使其从离子出口（3）离开反应腔室的磁场；
所述磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）设有离子出口（3）的一端与沉积壳体（5）相连接，所述反应腔室与真空腔室通过离子出口（3）相连通；所述第一电子源发射系统包括设置于磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）远离离子出口（3）的一端的第一灯丝（6）以及在靠近第一灯丝（6）的位置设有第一进气管；
所述沉积壳体（5）上设有用于与抽真空系统相连对真空腔室抽气形成真空环境的抽真空口（8）；所述沉积壳体（5）内设有用于放置镀膜过程中所镀工件的工件转架（7）、用于形成过渡膜层的过渡靶、靠近过渡靶设置的进气管；所述工件转架（7）接所述脉冲或者直流或者脉冲叠加直流偏压电源系统的负极；
所述沉积方法包括以下步骤：
①安装工件：将所镀工件安装在工件转架（7）上；
②抽真空：使用真空抽气系统通过抽真空口（8）对沉积壳体（5）真空腔体抽真空至本底真空；
③加热工件：对工件进行加热；
④轰击净化工件：打开脉冲或者直流或者脉冲叠加直流偏压电源系统，将第一灯丝（6）接入交流灯丝加热电源，产生电子，工件转架（7）接入偏压电源系统负极，第一进气管通入氩气，第一电子源发射系统产生的电子经过反应腔室内依次相连的溅射区、磁场导向区和离子出口的时候，形成高密度的气体等离子体，在偏压的作用下进行工件清洗作用；
⑤镀过渡层；通过沉积壳体（5）上设置的溅射过渡靶对工件表面进行过渡层的镀膜；通过不同靶材功率的调节，进行过渡膜层成分的调节；
⑥镀ta-C膜：将溅射过渡靶和真空腔体中的进气管关闭，重新抽真空至本底真空，所述第一电子源发射系统产生的电子经过电场导引进入到溅射区中；所述第一靶材（2）接入磁控溅射电源，磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）通入氩气，开启对靶磁控放电，产生的等离子体轰击第一靶材（2）进行对溅射，使第一靶材（2）溅射出碳离子及中性碳粒子，第一电子源发射系统产生的电子与溅射辉光放电产生的二次电子在溅射区电磁场约束下，形成震荡运行，与溅射区的氩气及溅射粒子产生高频的剧烈碰撞，产生高离化率高密度的碳等离子体；所述磁场导向区内形成对第一靶材（2）溅射形成的离子导引使其从离子出口（3）离开反应腔室的磁场，所述碳离子在磁场导向区内的磁场作用下从离子出口（3）离开反应腔室进入沉积壳体（5）内，在偏压作用下于工件表面沉积；
碳离子发生腔室产生的高密度碳离子进入到沉积壳体（5）内，通过调节第一灯丝（6）电流大小、第一靶材（2）放电功率及第二线圈（4）的强度，调节进入到沉积壳体（5）内的碳离子流的密度和通量；工件上首先开启1200-3500V的高偏压，调节碳离子流的密度和通量处于较小的状态，进行高压轰击注入，形成牢固的C注入层；其次，调整偏压于沉积状态，电压范围为50-1500V，调节碳离子流的密度和通量处于沉积的状态，进行ta-C膜的沉积，通过偏压的周期调节，形成应力可控的ta-C膜；
⑦达到预定膜层厚度，关闭电源及气体，冷却至室温，充入大气，取出工件。
4.根据权利要求3所述的ta-C膜沉积方法，其特征在于：所述磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）内或沉积壳体（5）内设有辅助阳极（15），在步骤④和步骤⑥中，所述辅助阳极（15）接所述脉冲或直流或脉冲叠加直流辅助阳极电源的电源正极。
5.根据权利要求3所述的ta-C膜沉积方法，其特征在于：在所述溅射区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）的内壁和/或外壁上固定有两个相对设置的用于形成封闭磁场的第一线圈（14）；在所述磁场导向区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体（1）的内壁和/或外壁上固定有用于形成磁场的第二线圈（4）；
在步骤④⑥中，所述第一线圈（14）接入线圈电流形成封闭磁场，所述第二线圈（4）接入线圈电流形成加速气体离子或碳离子离开反应腔室的磁场。
6.根据权利要求5所述的ta-C膜沉积方法，其特征在于：所述第一线圈（14）为两个相平行设置的矩形线圈，所述第一线圈（14）接入可任意编程的直线线圈电流或具有可远程调节的具有较大周期并可实现线性调控的矩形波线圈电流。
7.根据权利要求3所述的ta-C膜沉积方法，其特征在于：所述溅射靶材包括金属靶和WC靶，步骤⑤中，先打开金属以及在金属靶附近通入氩气进行金属过渡层的镀膜，然后打开WC靶以及在WC靶附近通入氩气进行WC过渡层的镀膜。
8.根据权利要求7所述的ta-C膜沉积方法，其特征在于：所述工件转架（7）为圆环形，所述过渡靶包括固定在沉积壳体（5）内壁上的第一过渡靶材（10）和设置在工件转架（7）内侧的第二过渡靶材（11）。
9.根据权利要求8所述的ta-C膜沉积方法，其特征在于：所述沉积壳体（5）内具有正八边形的真空腔体，所述工件转架（7）的圆心与真空腔体中心重合；所述第一过渡靶材（10）分别为两组金属靶和两组WC靶，两组金属靶分别位于以真空腔体中心为圆心45度和225度的位置，两组WC靶分别位于以真空腔体中心为圆心135度和315度的位置；所述第二过渡靶材（11）分别为两组金属靶和两组WC靶，两组金属靶分别位于以真空腔体中心为圆心70度和250度的位置，两组WC靶分别位于以真空腔体中心为圆心110度和290度的位置。
10.根据权利要求3所述的ta-C膜沉积方法，其特征在于：所述沉积壳体（5）上安装有第二电子源发射系统，所述第二电子源发射系统包括用于产生电子流的第二灯丝（13），所述第二灯丝（13）接入交流灯丝加热电源的正负极用以工作过程中产生电子；所述第二电子源发射系统与第一电子源发射系统分别位于工件转架（4）的两侧；在步骤④-⑥中，第二灯丝（13）接入交流灯丝加热电源用以工作过程中产生电子。
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