电弧离子镀和高功率脉冲磁控溅射复合的沉积方法技术

电弧离子镀和高功率脉冲磁控溅射复合的沉积方法，属于材料表面处理技术领域，本发明专利技术为解决采用低熔点的纯金属或多元合金材料和非金属材料（尤其是半导体材料和绝缘材料）作为靶材在传统电弧离子镀方法中存在的大颗粒问题、扩展电弧离子镀靶材使用的局限、传统磁控溅射技术离化率及薄膜沉积效率低和目前高功率脉冲磁控溅射放电不稳定的问题。本发明专利技术方法包括：一、将待镀膜的工件置于真空室内的样品台上，接通先关电源，二、薄膜沉积：待真空室内的真空度小于10-2Pa时，通入工作气体并调整气压，开启相关电源对靶表面清洗之后，通过波形同步匹配装置实现偏压电源和高功率脉冲磁控溅射电源输出波形的调节，设置所需的工艺参数，进行薄膜沉积。

【技术实现步骤摘要】
电弧离子镀和高功率脉冲磁控溅射复合的沉积方法
本专利技术涉及电弧离子镀和高功率脉冲磁控溅射复合的沉积方法，属于材料表面处理

技术介绍
磁控溅射技术起初采用直流供电模式，相比于电弧离子镀方法，没有大颗粒缺陷，可以实现各种材料的低温溅射沉积，但其溅射材料的离化率很低，溅射靶的功率密度在50W/cm2，薄膜沉积时得不到足够的离子数目，导致沉积效率很低，同时离子所带的能量较低，使薄膜组织不够致密。1999年，瑞典林雪平大学的V.Kouznetsov等人（KouznetsovV,MacákK,SchneiderJM,HelmerssonU,PetrovI.Anovelpulsedmagnetronsputtertechniqueutilizingveryhightargetpowerdensities[J].SurfCoatTech,1999,122(2-3):290-293.）提出高功率脉冲磁控溅射技术（HPPMS），其利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲宽度来提高溅射材料的离化率，同时靶材阴极不会因过热而增加靶冷却的要求。其峰值功率相比于普通直流磁控溅射提高了100倍，约为1000~3000W/cm2，等离子体的密度达到1018m-3数量级，靶材中心区域离子密度可达1019m-3数量级，同时溅射材料的离化率最高可达90%以上，且不含目前离化率最高的电弧离子镀方法中的大颗粒缺陷。2008年之后，在国内各个高校也开始展开针对高功率脉冲磁控溅射技术的研究（李希平.高功率复合脉冲磁控溅射等离子体特性及TiN薄膜制备[D];哈尔滨工业大学,2008.吴忠振,朱宗涛,巩春志,田修波,杨士勤,李希平.高功率脉冲磁控溅射技术的发展与研究[J].真空,2009,46(3):18-22.和牟宗信,牟晓东,王春,贾莉,董闯.直流电源耦合高功率脉冲非平衡磁控溅射电离特性[J].物理学报,2011,60(1):422-428.），但是由于高功率脉冲磁控溅射技术的脉冲放电不稳定，且靶电位较低，靶材金属在离化之后大量的金属离子被吸回到靶表面，未能到达基体表面实现薄膜的沉积，导致薄膜沉积的效率大大降低，影响其进一步取代普通磁控溅射和电弧离子镀的步伐，在后续的推广应用方面受到了一定限制。目前，为了解决电弧离子镀方法在使用低熔点的纯金属或多元合金材料易产生大颗粒缺陷的问题，主要有如下几种：第一种：采用磁过滤的办法过滤掉大颗粒，如中国专利用于材料表面改性的等离子体浸没离子注入装置（公开号：CN1150180，公开日期：1997年5月21日）中采用90°磁过滤弯管对脉冲阴极弧的大颗粒进行过滤，美国学者Anders等人(AndersS,AndersA,DickinsonMR,MacGillRA,BrownIG.S-shapedmagneticmacroparticlefilterforcathodicarcdeposition[J].IEEETransPlasmaSci,1997,25(4):670-674.)和河南大学的张玉娟等(张玉娟,吴志国,张伟伟等.磁过滤等离子体制备TiN薄膜中沉积条件对薄膜织构的影响.中国有色金属学报.2004,14(8):1264-1268.)在文章中制作了“S”磁过滤弯管对阴极弧的大颗粒进行过滤，还有美国学者Anders等人（AndersA,MacGillRA.Twistfilterfortheremovalofmacroparticlesfromcathodicarcplasmas[J].SurfCoatTech,2000,133-134:96-100.）提出的Twistfilter的磁过滤，这些方法虽然在过滤和消除大颗粒方面有一定效果，但是等离子体的传输效率损失严重，使离子流密度大大降低。基于即能过滤大颗粒又能保证效率的基础上，中国专利真空阴极弧直管过滤器(公开号：CN1632905，公开日期：2005年6月29日)中提出直管过滤的方法，但是这又降低了过滤效果。总之，相关的研究人员通过对比各种磁过滤方法（AndersA.Approachestoridcathodicarcplasmasofmacro-andnanoparticles:areview[J].SurfCoatTech,1999,120-121319-330.和TakikawaH,TanoueH.Reviewofcathodicarcdepositionforpreparingdroplet-freethinfilms[J].IEEETransPlasmaSci,2007,35(4):992-999.）发现电弧离子镀等离子体通过磁过滤装置后保持高的传输效率和消除大颗粒非常难以兼顾，严重影响着该技术在优质薄膜沉积中的应用。第二，采用阻挡屏蔽的方法，比如在电弧离子镀靶源前直接采用挡板来屏蔽大颗粒（MiernikK,WalkowiczJ,BujakJ.Designandperformanceofthemicrodropletfilteringsystemusedincathodicarccoatingdeposition[J].Plasmas&Ions,2000,3(1-4):41-51.）；或者利用大颗粒和电弧等离子体传输速度的差别，在弧源外施加一个高速旋转装置（UtsumiT,EnglishJH.Studyofelectrodeproductsemittedbyvacuumarcsinformofmoltenmetalparticles[J].JApplPhys,1975,46(1):126-131.），通过调整旋转叶片的转动速度，实现对大颗粒缺陷的阻挡过滤；或者是在挡板上钻有孔洞，通过调整两层挡板的间距以便电弧等离子体的传输，阻挡大颗粒沉积到薄膜表面的双层挡板屏蔽装置（ZhaoY,LinG,XiaoJ,etal.Synthesisoftitaniumnitridethinfilmsdepositedbyanewshieldedarcionplating[J].ApplSurfSci,2011,257(13):5694-5697.）；还有通过调整挡板角度消除大颗粒的百叶窗型屏蔽装置（ZimmerO.VacuumarcdepositionbyusingaVenetianblindparticlefilter[J].SurfCoatTech,2005,200(1-4):440-443.）。阻挡屏蔽通过限制大颗粒和等离子体的运动路径，利用电弧等离子体良好的绕射性来制备薄膜，但是该方法会引起等离子体的传输效率损失严重，在实际应用中受到了一定的限制。第三，在基体上采用偏压的电场抑制方法，在电弧等离子体中，由于电子的运动速度远远大于离子的运动速度，单位时间内到达大颗粒表面的电子数大于离子数，使大颗粒呈现负电性。当基体上施加负偏压时，电场将对带负电的大颗粒产生排斥作用，进而减少薄膜表面大颗粒缺陷的产生。德国学者Olbrich等人（OlbrichW,FessmannJ,KampschulteG,EbberinkJ.ImprovedcontrolofTiNcoatingpropertiesusingcathodicarcevaporation本文档来自技高网...

【技术保护点】
电弧离子镀和高功率脉冲磁控溅射复合的沉积方法，其特征在于，该方法所使用装置包括偏压电源1、弧电源2、电弧离子镀靶源3、高功率脉冲磁控溅射电源4、高功率脉冲磁控溅射靶源5、波形同步匹配装置6、真空室7、样品台8、偏压电源波形示波器9和高功率脉冲磁控溅射电源波形示波器10；该方法包括以下步骤：步骤一、将待处理工件置于真空室7内的样品台8上，工件接偏压电源1的输出端，安装在真空室7上的电弧离子镀靶源3接弧电源2的输出端、高功率脉冲磁控溅射靶源5接高功率脉冲磁控溅射电源4的高功率脉冲输出端；步骤二、薄膜沉积：将真空室7抽真空，待真空室7内的真空度小于10‑2Pa时，通入工作气体至0.01Pa～10Pa，开启偏压电源1，并调节偏压电源1输出的偏压幅值，脉冲频率和脉冲宽度，开启偏压电源1，并调节偏压电源1输出脉冲的峰值电压值为0～1.2kV，脉冲频率为0Hz～80kHz，脉冲宽度1~90%；开启高功率脉冲磁控溅射电源4，先通过直流起辉对工作气体进行预离化，对高功率脉冲磁控溅射靶源5表面进行清洗；开启弧电源2，通过电弧的弧斑运动对电弧离子镀靶源3的表面进行清洗，调节需要的工艺参数，弧电源2输出的电流值为40~300A，保持电弧等离子体的稳定产生；开启波形同步匹配装置6，根据偏压电源1输出的同步触发信号，通过波形同步匹配装置6来控制高功率脉冲磁控溅射电源4的工作，对所需的工艺参数进行设置，高功率脉冲磁控溅射电源4输出脉冲的电压值为300V～2500V，脉冲宽度为0μs～1000μs，脉冲频率10～1000Hz，电流为10～1000A，控制偏压电源1输出电压和高功率脉冲磁控溅射电源4输出电压的相位，对镀膜离子进行有效的吸引，进行薄膜的沉积和控制低熔点及非金属材料（尤其是半导体材料和绝缘材料）在薄膜中的比例。...

【技术特征摘要】
1.电弧离子镀和高功率脉冲磁控溅射复合的沉积方法，其特征在于，该方法所使用装置包括偏压电源（1）、弧电源（2）、电弧离子镀靶源（3）、高功率脉冲磁控溅射电源（4）、高功率脉冲磁控溅射靶源（5）、波形同步匹配装置（6）、真空室（7）、样品台（8）、偏压电源波形示波器（9）和高功率脉冲磁控溅射电源波形示波器（10）；该方法包括以下步骤：步骤一、将待处理工件置于真空室（7）内的样品台（8）上，工件接偏压电源（1）的输出端，安装在真空室（7）上的电弧离子镀靶源（3）接弧电源（2）的输出端、高功率脉冲磁控溅射靶源（5）接高功率脉冲磁控溅射电源（4）的高功率脉冲输出端；步骤二、薄膜沉积：将真空室（7）抽真空，待真空室（7）内的真空度小于10-2Pa时，通入工作气体至0.01Pa～10Pa，开启偏压电源（1），并调节偏压电源（1）输出的偏压幅值，脉冲频率和脉冲宽度，开启偏压电源（1），并调节偏压电源（1）输出脉冲的峰值电压值为0～1.2kV，脉冲频率为0Hz～80kHz，脉冲宽度1~90%；开启高功率脉冲磁控溅射电源（4），先通过直流起辉对工作气体进行预离化，对高功率脉冲磁控溅射靶源（5）表面进行清洗；开启弧电源（2），通过电弧的弧斑运动对电弧离子镀靶源（3）的表面进行清洗，调节需要的工艺参数，弧电源（2）输出的电流值为40~300A，保持电弧等离子体的稳定产生；开启波形同步匹配装置（6），根据偏压电源（1）输出的同步触发信号，通过波形同步匹配装置（6）来控制高功率脉冲磁控溅射电源（4）的工作，对所需的工艺参数进行设置，高功率脉冲磁控溅射电源（4）输出脉冲的电压值为300V～2500V，脉冲宽度为0μs～1000μs，脉冲频率10～1000Hz，电流为10～1000A，控制偏压电源（1）输出电压和高功率脉冲磁控溅射电源（4）输出电压的相位，对镀膜离子进行有效的吸引，进行薄膜的沉积和控制低熔点的纯金属或多元合金靶材和非金属材料在薄膜中的比例；偏压电源波形示波器（9）用于显示偏压电源（1）发出...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏永强，宗晓亚，蒋志强，吴忠振，
申请(专利权)人：魏永强，
类型：发明
国别省市：河南;41