CN85102600B

CN85102600B - 高能级磁控溅射离子镀技术

Info

Publication number: CN85102600B
Application number: CN85102600A
Authority: CN
Inventors: 陈宝清; 朱英臣; 王玉魁; 王斐杰
Original assignee: DALIAN POLYTECHNICAL COLLEGE
Current assignee: DALIAN POLYTECHNICAL COLLEGE
Priority date: 1985-04-01
Filing date: 1985-04-01
Publication date: 1988-02-03
Also published as: CN85102600A

Abstract

高能级磁控溅射离子镀技术是在具有一个工件负高压电源的磁控溅射离子镀装置中实现的。该离子镀工艺使镀膜有一个靶材（膜材）元素和基材元素共存的过渡层；镀膜中能出现靶材元素和基材元素组成的化合物相和固溶体相；多辉光高能级磁控溅射离子镀技术，进一步扩展了镀膜过渡层，并能沉积多层次镀膜、多元素镀膜以及反应镀膜。上述技术可以满足对表面的不同性能的要求。该项技术还具有节约能源，无公害等优点。

Description

高能级磁控溅射离子镀技术

本发明属于物理气相沉积。

在已有技术中，离子镀是在真空条件下使镀膜材料蒸发为金属蒸汽，在蒸发源和工件间加一直流电压（工件为阴极），使工件与蒸发源之间产生辉光放电，金属蒸气原子在辉光放电电场中被电离为金属正离子（Me⁺），该金属正离子在电场作用下高速飞向工件表面，并在工件表面上沉积而形成膜。由于真空洁净作用，离子清洗及高能粒子的注入和溅射作用，使得离子镀的镀膜与基体的附着力和致密度都远优于一般真空镀膜（真空蒸镀膜与真空溅射膜）和电镀膜。但上述离子镀技术所采用的蒸发源为点状热蒸发源和一般真空溅射源。前一种离子镀技术不易实现长时间稳定均恒的蒸发，在镀制大面积零件时，不能保证镀膜均匀一致。而后一种离子镀技术成膜速度很慢。

磁控溅射是利用真空辉光放电时阴极溅射效应使固态金属材料变成气态金属原子的，为了提高溅射效率在阴极附近放置一个与电场呈正交的强磁场，以控制自由电子的运动轨迹，提高电离几率和溅射效率。用磁控溅射作为蒸发源，其蒸发速度稳定均恒，镀膜沉积速度快，镀覆面积大，可应用于大量生产。但现有的磁控溅射镀膜机均不加工件负高压电源，因此，在金属工件上镀膜时附着力差，会产生脱落现象。

本发明把磁控溅射技术和离子镀技术结合起来，提出了适合于磁控溅射条件下工作的负高压电源，提出了镀膜的最佳工艺参数。本发明把这种用磁控溅射作为蒸发源进行负高压离子镀的技术叫做高能级磁控溅射离子镀。

高能级磁控溅射离子镀工艺，包括磁控溅射技术、离子镀技术以及一个多辉光系统（附图3中的〔8〕、〔11〕、〔12〕），本发明的特征在于把磁控溅射技术和离子镀技术结合起来，利用一个适合于磁控溅射条件下工作的作为工件负高压直流电源的离子镀供电装置〔9〕，实现了在钢铁基工件上镀金属，如镀铝、镀铬、镀镍、镀钛、镀锌、镀铜、镀钒、镀钼、镀钨、镀铌、镀锆和镀不锈钢，在有色金属基工件上镀金属，如镀钛、镀铝，在镍基工件上镀不锈钢，以及在金属基工件上镀氮化物、碳化物、氧化物、硫化物和镀多元素镀膜。这种离子镀工艺使金属材料的磁控溅射离子镀金属膜有一个厚达几个微米到几十个微米的靶材元素和基材元素共存的过渡层，镀膜中能出现靶材元素和基材元素所组成的化合物相和固溶体相。基材和靶材选用范围广泛。

附图1是磁控溅射装置示意图。它是由真空容器〔1〕，永久磁铁〔2〕，阳极〔3〕，溅射靶〔4〕，溅射电源〔5〕，真空抽气系统〔6〕，氩气充气系统〔7〕，和基板（工件）〔8〕八个主要部分组成。工作时，真空容器〔1〕由真空抽气系统〔6〕抽真空，真空度达到1.33×10^-3帕斯卡时，由氩气充气系统〔7〕通入氩气，真空容器〔1〕内真空度为2.67×10^-1帕斯卡，启动溅射电源〔5〕，调节电压到600伏时，阳极〔3〕和溅射钯〔4〕之间产生低压气体辉光放电，氩气被电离，氩离子（Ar⁺）在电场作用下射向靶表面，把靶材原子（或原子团）溅射出来，沉积在工件〔8〕上。

附图2是高能级磁控溅射离子镀装置示意图。它是由真空容器〔1〕，永久磁铁〔2〕，阳极〔3〕，溅射靶〔4〕，溅射电源〔5〕，真空抽气系统〔6〕，氩气抽气系统〔7〕，基板（工件）〔8〕和离子镀供电装置〔9〕九个部分组成的。该装置的直流电压为0～10000伏特（V），电流为5安培（A）。工作时，真空容器〔1〕由真空抽气系统〔6〕抽真空，真空度达到1.33×10^-3帕斯卡，由氩气充气系统〔7〕通入氩气，真空容器〔1〕内真空度为2.67×10^-1帕斯卡，启动溅射电流〔5〕，调节电压到600伏时，阳极〔3〕和溅射靶〔4〕之间产生低压气体辉光放电，氩气被电离，氩离子（Ar⁺）在电场作用下射向靶表面，把靶材原子（或原子团）溅射出来。在金属材料上镀膜时，工件〔8〕上加负高压，在低压气体辉光放电条件下，工件〔8〕周围形成了独立的辉光放电等离子场。被溅射出来的溅射靶〔4〕的原子部分被电离成金属正离子，在高压电场作用下，这些金属正离子飞向阴极工件〔8〕表面。到达工件〔8〕表面的金属正离子的能量可高达几千电子伏特，由于这种高能金属离子对工件〔8〕表面的轰击、注入和溅射作用，结果在工件〔8〕表面上沉积成具有几个微米到几十个微米的过渡层的镀膜。这种膜与电镀膜和真空蒸镀膜相比具有非常好的附着性，后两种膜是没有过渡层的简单的外接膜。X射线衍射分析证明，金属工件磁控溅射离子镀金属膜不仅含有靶材元素和基材元素，而且膜中有靶材元素和基材元素所组成的化合物相和固溶体相。并且由于工件负高压而消除了柱状晶的镀膜组织形貌，使镀膜致密、无针孔。腐蚀实验证明，磁控溅射离子镀膜的耐腐蚀性高于电镀。

附图3是多辉光高能级磁控溅射离子镀装置。它是由真空容器〔1〕，永久磁铁〔2〕，阳极〔3〕，溅射靶〔4〕，电源〔5〕，真空抽气系统〔6〕，氩气抽气系统〔7〕，基板（工件）〔8〕，离子镀供电装置〔9〕，反应气体充气系统〔10〕，辅助阳极〔11〕，加热栅极〔12〕，册极负高压电源〔13〕和栅极加热电源〔14〕十四个部分组成的。工作时，真空容器〔1〕由真空抽气系统〔6〕抽真空，当真空度达到1.33×10^-3帕斯卡，由氩气抽气系统〔7〕向真空容器〔1〕充氩气，当真空容器〔1〕中真空度为2.67×10^-1帕斯卡时，启动溅射电源〔5〕，使其在650伏特（V），15安培（A）条件下工作，阳极〔3〕和溅射靶〔4〕之间产生低压气体辉光放电，氩离子溅射溅射靶〔4〕，永久磁铁〔2〕的磁场，控制电子在溅射靶〔4〕表面附近空间作长程螺旋运动，使更多氩气原子电离，增加溅射靶〔4〕的氩离子。启动离子镀供电装置〔9〕和栅极负高压电源〔13〕，辅助阳极〔11〕与加热栅极〔12〕之间、以及加热栅极〔12〕与工件〔8〕之间产生辉光放电。辅助阳极〔11〕是个开口的金属罩;而加热栅极〔12〕是由金属棒（Ti，W，Zr，Mo，Ni和Ni-Cr合金等金属棒）围成的并在面向溅射靶〔4〕的方位上开口的大空隙栅栏。被氩离子溅射出来的溅射靶〔4〕的原子，通过辅助阳极〔11〕的开口进入辉光区，有部分被电离，金属正离子在高压电场的作用下飞奔到旋转着的工件〔8〕上沉积成膜。由于在加热栅极〔12〕和辅助阳极〔11〕之间形成辉光区，所以，正离子（主要是氩离子）对加热栅极有溅射作用，能把加热栅极的原子溅射出来，电离后沉积在工件〔8〕上，使镀膜中增加了构成加热栅极的元素。真空容器〔1〕中有6个靶位，可同时放6个靶，并且靶材可随意更换，因此可制备多元素镀膜（不同材质的几个靶同时工作）和多层次镀膜（不同材质的靶轮换工作）。可由反应气体充气系统〔10〕通入反应气制备化合物膜;通氮气可制备各种氮化物膜;通碳氢化物可制备碳化物膜，等等。轮换通入不同反应气体，或者轮换使用不同材质的靶，可制备多层次化合物膜。当然也可制备化合物混合膜（同时通入不同反应气体，或者令不同材质的靶同时工作）。启动栅极加热电源〔14〕使工件〔8〕加热，把离子轰击、离子注入、离子溅射和热扩散结合起来。利用本技术可制备过渡层很宽的各种性能的单元素镀膜、反应镀膜，以及多层次和多元素镀膜。

金属基工件高能级磁控溅射离子镀金属膜工艺如下：工件需经超声波清洗并烘干，真空容器〔1〕抽真空至1.33×10^-2帕斯卡后，向真空容器〔1〕充氩气，使真空度保持在5.33×10^-1～8×10^-1帕斯卡，在工件〔8〕上加500～2500伏特负高压对工件进行溅射清洗5～20分钟，切断工件高压电源，将真空度调整到：2.67×10^-1帕斯卡，启动溅射电源〔5〕，使其在600伏特、15安培条件下稳定工作。此时工件加负高压，负高压大小和镀覆时间视工件情况及镀膜材料而定。

1、耐腐蚀膜制备

因为单相物质抗电化学腐蚀能力高，因此，与介质接触的镀膜表面应是单相的（包括多层镀膜），所以采用工件变电压工艺。

①钢铁基工件镀铝、钛、铜、铬、不锈钢、铜合金、银、金、镍及镍合金：

工艺参数：第一阶段负偏压为1000～2500伏，镀覆时间3～10分钟;

第二阶段负偏压为300～700伏，镀覆时间3～10分钟;

第三阶段负偏压为0伏，镀覆时间5～20分钟;

②钢铁基工件镀锌及锌合金：

工艺参数：第一阶段负偏压为1000～2000伏，镀覆时间3～10分钟;

第二阶段负偏压为300～500伏，镀覆时间3～10分钟;

第三阶段负偏压为0伏，镀覆时间5～20分钟。

③有色金属基工件镀钛、铬、铜、铝、银、金、镍和不锈钢。

第二阶段负偏压为300～700伏，镀覆时间3～10分钟;

第三阶段负偏压为0伏，镀覆时间5～20分钟。

④镍基工件镀不锈钢

第二阶段负偏压为300～700伏，镀覆时间3～10分钟;

第三阶段负偏压为0伏，镀覆时间5～20分钟。

2、金属材料表面合金化膜的制备

①钢铁基工件镀钛、铬、镍、钒、钼、钨、钽、铌、锆、铝、锌和铜：

工艺参数：工件负高压1000～2500伏特，

镀覆时间3～30分钟

②有色金属工件镀铝、铜、锌、钛、铬和镍：

工艺参数：工件负高压750～2500伏特，

镀覆时间3～30分钟

Claims

1、一种用于在金属基工件上镀覆金属的高能级磁控溅射离子镀工艺，包括：

（1）将工件（8）置于真空室（1）中

（2）将真空室的真空度调至1.33×10^-2帕斯卡

（3）向真空室充氩气，使真空度达到2.67×10^-1帕斯卡

（4）接通溅射电源（5），使溅射靶的工作电压为600伏，工作电流为15安培

其特征在于

在溅射过程中利用一个适合于磁控溅射条件下工作的负高压电源（9）对工件（8）加偏压，实现离子镀工艺。

2、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所施加的负偏压为1000～2500伏，镀覆时间为3～30分钟。

3、根据权利要求2所述的工艺，其中所说的金属基工件是钢铁基工件，所镀的金属包括铝、铜、钛、铬、镍、钒、钼、钨、锌、铌、锆。

4、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所施加的负偏压为750～2500伏，镀覆时间为3～30分钟。

5、根据权利要求4所述的工艺，其中所说的金属基工件是有色金属基工件，所镀的金属包括铝、钛、铬、镍、锌、铜。

6、根据权利要求3或5所述的工艺，其特征在于多个靶位同时工作，所形成的镀层是合金层。

7、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于分阶段调节所施加的偏压。

8、根据权利要求7所述的工艺，其特征在于

第一阶段负偏压为1000～2500伏，镀覆时间3～10分钟。

第二阶段负偏压为300～700伏，镀覆时间3～10分钟。

第三阶段负偏压力为0伏，镀覆时间5～20分钟。

9、根据权利要求8所述的工艺，其中所说的金属基工件包括钢铁基工件、镍基工件，所镀的金属包括铝、镍、铬、钛、铜、银、金、铜合金和不锈钢。

10、根据权利要求9所述的工艺，其特征在于一个靶位单独工作，形成的镀膜是单层膜。

11、根据权利要求9所述的工艺，其特征在于多个靶位轮换工作，形成的镀膜是多层膜。

12、根据权利要求7所述的工艺，其特征在于

第一阶段负偏压为1000～2000伏，镀覆时间3～10分钟。

第二阶段负偏压为300～500伏，镀覆时间3～10分钟。

第三阶段负偏压为0伏，镀覆时间5～20分钟。

13、根据权利要求12所述的工艺，其中所说的金属基工件是钢铁基工件，所镀的金属是锌和锌合金。

14、根据权利要求7所述的工艺，其特征在于

第一阶段负偏压为1000～2000伏，镀覆时间3～10分钟

第二阶段负偏压为300～700伏，镀覆时间3～10分钟

第三阶段负偏压为0伏，镀覆时间5～20分钟。

15、根据权利要求14所述的工艺，其中所说的金属基工件是有色金属基工件，所镀的金属是钛、铬、镍、铜、铝、银、金和不锈钢。

16、一种用于在金属基工件上镀金属的高能级磁控溅射离子镀装置，包括真空容器（1）、永久磁铁（2）、阳极（3）、溅射靶（4）、溅射电源（5）、抽气系统（6）、氩气充气（7）、基底（工件）（8）、辅助阳极（11）、栅极（12）、栅极负高压电源（13）和栅极加热电源（14），其特征在于装置有一个适合于磁控溅射条件下工作的直流负高压电源（9）作为工件的离子镀电源。