CN1854333A - 一种新的真空镀膜方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于物理气相沉积技术领域，特别属于磁控溅射和电弧离子源真空镀膜技术方法和设备。其特征在于以两种或以上的不同金属为靶材，同时采用电弧和磁控溅射两种模式发射，其中至少一种靶材采用定向发射的细长形(圆柱或矩形)工业电弧离子源蒸发；在工件上施加幅值为50至1000V偏压；工件在转动过程中，依次经过不同材质的靶前，在惰性气氛中沉积出合金膜层，在反应气氛中沉积出合金的化合物膜层。一种新的真空镀膜方法，将一种新的工业电弧离子源与磁控溅射离子镀的电磁场相结合，并以低成本减少减小了电弧雾滴和基本保持了其高的离化率；利用纳米尺寸效应促进合化学反应，真空沉积出两种及以上金属纳米合金薄膜及其与非金属的化合物薄膜。

Description

一种新的真空镀膜方法和设备

技术领域

本发明属于物理气相沉积技术领域，具体地说属于磁控溅射和电弧离子源真空镀膜技术方法和设备。

背景技术

物理气相沉积(Ti，Al)N薄膜往往采用TiAl合金与N₂气反应合成，类似的有过渡金属的合金与C、N、O等非金属的一系列化合物，已成为防护薄膜(特别是刀具用耐磨薄膜)的主流，越来越广泛地得到工业应用。其中，TiAl等过渡金属合金的成本远高于金属，而直接用金属反应合成这类合金或化合物薄膜往往均受到离化率不足的限制。

在反应溅射镀膜过程中，反应合成化合物薄膜往往受到离化率不足的制约，造成沉积速率低和膜层结合力弱等问题；虽然电弧离子镀的离化率高，但电弧的液滴形成金属局部堆集，不仅导致薄膜表面的粗糙度增高，更重要的是无法发生充分而均匀的化学反应，结果使薄膜的整体质量下降，更严重的是这种局部缺陷会成为防护薄膜耐环境和耐摩擦磨损等方面的破坏源，对于光学和光电薄膜等存在类似的甚至更严重的质量问题；在一台真空镀膜机中，同时进行电弧离子镀和溅射离子镀，可以提高离化率，但是比较普遍地存在上述电弧液滴等问题；为了减少液滴，如果将电弧经过复杂的磁过滤系统，则会带来效率大幅度下降、成本大幅度提高、占据较大空间和系统复杂等问题，在一定程度上限制了其在真空镀膜工业机中的应用。

ZL03274500.1专利文献所提出的旋转式磁控溅射靶包括永磁体、靶材和旋转机构，靶材绕永磁体旋转提高了靶的利用率，但只有磁控溅射，没有电弧蒸发，离化率不足。

ZL94248238.7专利文献所提出的电弧蒸发和磁控溅射相结合的离子镀膜设备，但是靶材固定不动因而利用率不足，同时电弧雾滴对沉积薄膜质量不利。

发明内容

本发明提出一种新的真空镀膜方法和设备，利用一种新的工业电弧离子源与磁控溅射离子镀的电磁场相结合，并以低成本减少电弧雾滴和保持其高的离化率；利用纳米尺寸效应促进化学反应，真空沉积出两种或以上金属的纳米合金薄膜；在加入反应气体的条件下沉积一系列金属与非金属的纳米化合物薄膜，从而在纳米尺度上解决合金及其反应镀膜等上述一系列问题。

为达到上述目的本发明所采用的技术方法是：用两种或以上的不同金属为靶材，同时采用电弧和磁控溅射两种模式发射，其中至少一种靶材采用定向发射的细长圆柱形或细长矩形的工业电弧离子源蒸发；在工件上施加幅值为50至1000V的偏压(直流或单向脉冲或双向脉冲电压)；工件在转动过程中，依次经过不同材质的靶材，在惰性气体中沉积出合金膜层，在反应气体中沉积出合金的化合物膜层。

本发明所采用的技术方法还包括有：通过调节不同单质金属靶的发射功率、工件偏压的幅值和占/空比等，沉积出不同成分比例的合金膜层；通过调节不同金属靶材的发射功率、反应性气体或液体输入的流速、工件偏压的幅值和占/空比等，沉积出不同金属与非金属成分比例的化合物薄膜及其多层薄膜；在工件上施加波形、幅度及宽度(占/空比)可调的单极或双极脉冲偏压，其中优选双极不对称脉冲偏压，并使其负脉冲的幅值和宽度明显大于正脉冲的相应值。

本发明为达到上述目所采用的技术设备是：在反应磁控溅射镀膜机中，加入一只或多只可预先工作也可与磁控溅射靶同时工作或独立工作的定向发射的细长形电弧离子源，此定向发射的细长形电弧离子源安装有长圆柱形可旋转的靶材或不可旋转的矩形靶材。在反应磁控溅射镀膜工艺过程中，由于加入新的大功率工业电弧离子源发射大量带电粒子和比普通电弧少的雾滴，在以简便方法进一步使电弧雾滴减小和减少的同时，通过磁控溅射靶群体形成的电磁场和外加偏压电场，约束和加速带电粒子，提高它们的能量和不断增殖新的带电粒子，从而在被镀膜工件所需要的空间保持高的离化率。

在非平衡态，原子之间的组合或化合不受热力学平衡态的相律限制；在低压等离子体环境中，利用等离子体活化和纳米尺寸效应对化学反应的促进作用，使纳米尺寸的不同金属粒子(特别是离子)之间及其与气体原子(特别是离子)之间充分反应生成合金或者其化合物；另外，加上一定的工艺温度对化学反应的促进作用，使合金化合及金属与非金属的化合等化学反应变得容易实现。根据上述原理和机理，将电弧高的离化效果和磁控溅射成膜细腻的优势组合使用，有选择地在镀膜空间形成多种金属和气体离子混合的高度离化的气氛，从而达到以下目的：

1、用所述的反应镀膜主体结构，以两种或以上的不同金属为靶材，利用纳米尺度的不同金属之间易于进行合金化合的特性，加上离化率高的条件，通过纳米混合或多层镀膜方法，选择性地控制不同单质靶材的发射功率，沉积出不同成分比例的合金膜层；

2.用与1.相同的反应镀膜主体结构，用两种或以上不同金属靶材，利用等离子体活化和纳米尺寸效应对化学反应的促进作用，使纳米尺寸的不同金属粒子(特别是离子)与气体原子(特别是离子)充分反应生成其化合物的特性，加上反应组分的离化率高，沉积出两种或以上金属与C、N、O等非金属的一系列化合物薄膜及其多层膜；通过选择性地控制不同金属靶材的发射功率、非金属流体的输入流速、工件偏压的幅值和占/空比等，进行工艺剪裁，可以在很大范围内改变化合物膜层中成分的比例。

而且，本发明的效果非常明显，即：通过实验证明，按照本发明提出的一种新的真空镀膜方法，将一种新的工业电弧离子源与磁控溅射离子镀的电磁场相结合，并以低成本减小和减少了电弧雾滴和基本保持了其高的离化率；利用纳米尺寸效应促进合成化学反应，真空沉积出两种或以上金属的纳米合金薄膜；在加入反应气体的条件下制备一系列金属与非金属的纳米化合物薄膜及其多层膜；特别是通过本发明的工艺剪裁，可以在很大范围内改变合金及其化合物薄膜层中各种成分的比例，这是按传统方法反应沉积所很难达到的。

附图说明

图1.新的真空镀膜机主体结构示意图(图1a，图1b)；

图2.大功率的圆柱形靶材旋转并定向发射的细长形工业电弧离子源示意图；

图3.工件偏压的电压波形、幅度和宽度(占/空比)示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明的实施例进行说明。

如图1a、图1b、图2、图3所示，其中1-细长圆柱形工业电弧离子源，2-磁控溅射靶，3-抽气口，4-栅网或挡板，5-弧电源，6-工件，7-反应气体，8-惰性气体。

主体结构：如图1a，图1b所示，在反应磁控溅射镀膜工艺过程中，加入一只或多只新的大功率定向发射靶材旋转的细长圆柱形工业电弧离子源1，预先或同时工作；在使电弧雾滴减少减小的同时，通过磁控溅射靶2群体形成的电磁场和外加偏压电场，约束和加速带电粒子，提高它们的能量和不断增殖新的带电粒子，从而在被镀膜工件6所需要的空间保持高的离化率；

细长圆柱形工业电弧离子源1具有大功率、靶材旋转和定向发射特性，持续发射高密度的离子和电子；利用磁控溅射靶2群体所形成的封闭电磁场和外加的工件偏压电场，约束、加速、增殖和引导带电粒子到工件被镀膜和溅射靶工作所需要的空间，并提高和保持高的离化率；

细长圆柱形工业电弧离子源1(水冷)与工件6拉开一定距离，并用孔隙适当的栅网或挡板4围成半封闭的局部空间，以低成本减少和减小电弧液滴，同时也可以防止电弧靶与磁控溅射靶2互相污染；

使输入的惰性气体8尽量与磁控溅射靶2的靶面充分接触，使输入的反应气体7尽量与工件6充分接触，以利于反应镀膜并减少与靶材接触，以减少化学反应镀膜过程中靶材中毒的机会；

如图3所示，工件6上施加波形、幅度及宽度(占/空比)可调的单极或双极脉冲偏压，其中优选双极不对称脉冲偏压，并使其负脉冲的幅值和宽度明显大于正脉冲的幅值和宽度；

在以高的离化率反应合成化合物薄膜时，先用低气压高能量轰击工件6，以控制离子的注入份额和在工件6与薄膜之间产生共混层的厚度，大幅度地提高薄膜与基体的结合力。

以沉积(Ti，Al)CN薄膜为例，采用如图所示的反应磁控溅射镀膜主体结构，以定向发射的大功率(2～15kW，水冷)细长圆柱形工业电弧离子源1产生钛离子(电弧电流100A)，用磁控溅射(靶电流10A)发射铝粒子，在反应室中充入N₂气(输入的流速70sccm)和碳氢化合物(如CH₄或C₂H₂或甲苯等)输入的流速50sccm，气压0.2Pa，基体偏压-200V，占/空比60％，反应合成(Ti，Al)CN薄膜。其中，Ti电弧靶布置在离工件6较远处，并在其两侧的一定范围内，用孔隙适当的栅网或挡板4围成半封闭的局部空间，以减少和减小电弧液滴；反应气体7从镀膜腔的中部输入，使其在镀膜腔内停留期间尽量充分环绕工件以利于反应镀膜，同时减少与靶材接触以减少化学反应镀膜过程中靶材中毒的机会；工件6在公转、自转过程中，依次经过所发射的并被高度离化了的气相Ti和Al与含N、C的气氛，通过在不同的工艺时段，对工件6施加不同幅值和占/空比的脉冲偏压，生成反应充分、结合牢固和表面细腻的化合物(Ti，Al)CN薄膜；特别是通过调节并精确控制Ti和Al靶的发射功率、N₂气和碳氢化合物输入的流速、工件偏压的幅值和占/空比等，进行工艺剪裁，可以在很大范围内改变膜层中Ti、Al、C、N成分的比例，这是按传统方法以TiAl合金靶反应沉积(Ti，Al)CN薄膜所很难达到的。

在反应磁控溅射镀膜机中，加入一只或多只可预先工作也可与磁控溅射靶2同时工作或独立工作的细长圆柱形工业电弧离子源1，此定向发射的细长圆柱形工业电弧离子源1安装有长圆柱形可旋转的靶材。

细长圆柱形工业电弧离子源1具有大功率(2～15kW)、靶材旋转和定向发射特性，持续发射高密度的离子和电子；

细长圆柱形电弧离子源1(水冷)与工件6拉开一定距离并指向抽气口3所在的半周镀膜腔空间，用孔隙适当的栅网或者挡板4围成半封闭的局部空间，细长圆柱形电弧离子源1的布置位置与工件6拉开较远距离，其蒸发面距工件6旋转区域最近处为150毫米，从而以低成本将电弧液滴减少和减小，达到工业上获得优质薄膜所容许的范围；可用于气相沉积(PVD和CVD-化学气相沉积)的大多数镀膜机；同时也可以防止电弧靶与磁控溅射靶互相污染；

利用磁控溅射靶2群体所形成的封闭电磁场和外加的工件偏压电场，约束、加速、增殖和引导带电粒子到工件被镀膜和溅射靶工作所需要的空间，并提高离化率和保持高的离化率，即使磁控溅射镀膜机构成了实用的新的工业离子源；

将磁控溅射源2布置在镀膜腔体横截面中离抽气口3较远的半区；使惰性气体8的输入口远离镀膜腔体的抽气口3，使惰性气体8在镀膜腔内停留期间尽量与磁控溅射靶2的靶面充分接触；反应气体7的输入口布置在镀膜腔体横截面的中心线附近、靠近抽气口3一侧，使之在镀膜腔内停留期间尽量与工件6充分接触，以利于反应镀膜并减少与靶材接触，以减少化学反应镀膜过程中靶材中毒的机会。

Claims (9)

1.一种新的真空镀膜方法，包括采用磁控溅射和电弧蒸发方式，其特征在于以两种或以上的不同金属为靶材，同时采用电弧和磁控溅射两种模式发射，其中至少一种靶材采用定向发射的细长圆柱形或细长矩形工业电弧离子源蒸发；在工件上施加幅值为50至1000V的直流偏压或单向脉冲偏压或双向脉冲偏压；工件在转动过程中，依次经过不同材质的靶前，在惰性气氛中沉积出合金膜层，在反应气氛中沉积出合金的化合物膜层。

2.一种新的真空镀膜设备，包括有磁控溅射靶的反应磁控溅射镀膜机，其特征在于：在反应磁控溅射镀膜机中，加入一只或多只可预先工作也可与磁控溅射靶同时工作或独立工作的定向发射的细长形电弧离子源，此定向发射的细长形电弧离子源安装有长圆柱形可旋转的靶材或不旋转的矩形靶材。

3.按照权利要求1所说的一种新的真空镀膜方法，其特征在于：通过调节不同单质金属靶的发射功率、工件偏压的幅值和占/空比，沉积出不同成分比例的合金膜层。

4.按照权利要求1所说的一种新的真空镀膜方法，其特征在于：通过调节不同金属靶材的发射功率、反应性气体或液体输入的流速、工件偏压的幅值和占/空比，沉积出不同金属与非金属成分比例的化合物薄膜及其多层薄膜。

5.按照权利要求1或3或4所说的一种新的真空镀膜方法，其特征在于：工件上施加波形、幅度及宽度(占/空比)可调的单极或双极脉冲偏压，其中优选双极不对称脉冲偏压，并使其负脉冲的幅值和宽度明显大于正脉冲的相应值。

6.按照权利要求2所述的一种真空镀膜设备，其特征在于：电弧离子源的蒸发面距工件旋转区域最近处大于100毫米。

7.按照权利要求6所述的一种真空镀膜设备其特征在于：电弧蒸发方向指向抽气口一侧的镀膜腔半周。

8.按照权利要求7所述的一种真空镀膜设备其特征在于：将参与反应溅射镀膜的磁控溅射源的主要部分布置在镀膜腔体横截面离抽气口较远的半区内。

9.按照权利要求2或6或7或8所述的一种真空镀膜设备，其特征在于：惰性气体的输入口远离镀膜腔体的抽气口，反应性气体的输入口布置在镀膜腔体横截面的中心线附近，靠近抽气口一侧并指向抽气口。

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