一种组合磁场与内衬偏压锥形管和直管复合的沉积装置制造方法及图纸

一种组合磁场与内衬偏压锥形管和直管复合的沉积装置，属于表面技术领域，本发明专利技术为解决电弧离子镀中大颗粒对薄膜的污染和靶材使用限制、磁过滤电弧等离子体的损失及高功率脉冲磁控溅射放电不稳定等问题。本发明专利技术的装置包括：电弧离子镀靶源、多级磁场装置、内衬偏压锥形管与直管组合装置、高功率脉冲磁控溅射靶源、活动线圈装置及相关电源、波形匹配装置、偏压电源、样品台和真空室；薄膜沉积：连接装置，启动系统，待真空室内的真空度小于10

【技术实现步骤摘要】
一种组合磁场与内衬偏压锥形管和直管复合的沉积装置


[0001]本专利技术涉及一种组合磁场与内衬偏压锥形管和直管复合的沉积装置，属于表面


技术介绍

[0002]在电弧离子镀制备薄膜的过程中，由于弧斑电流密度高达2.5~5
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A/m2，引起靶材表面的弧斑位置处出现熔融的液态金属，在局部等离子体压力的作用下以液滴的形式喷溅出来，附着在薄膜表面或镶嵌在薄膜中形成“大颗粒”（Macroparticles）缺陷（Boxman R L, Goldsmith S. Macroparticle contamination in cathodic arc coatings: generation, transport and control [J]. Surf Coat Tech, 1992, 52(1): 39
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50.）。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。相对于厚度级别为微米或亚微米的薄膜，尺寸在0.1
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10微米的大颗粒缺陷就像PM2.5对空气质量的污染一样，对薄膜的质量和性能有着严重的危害。随着薄膜材料和薄膜技术应用的日益广泛，大颗粒缺陷问题的解决与否成为电弧离子镀方法进一步发展的瓶颈，严重制约了其在新一代薄膜材料制备中的应用。
[0003]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，易产生“靶中毒”的现象，同时离子所带的能量较低，使薄膜组织不够致密（常天海. 反应磁控溅射工艺中的滞后效应研究 [J]. 真空与低温, 2003, 9(4): 7
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10.）。1999年，瑞典林雪平大学的V. Kouznetsov等人（Kouznetsov V, Mac
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k K, Schneider J M, Helmersson U, Petrov I. A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high target power densities [J]. Surf Coat Tech, 1999, 122(2
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3): 290
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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10
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‑3数量级，靶材中心区域离子密度可达10
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‑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
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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
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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
using a pulsed bias voltage [J]. Mat Sci Eng A, 1991, 140: 830
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837.）采用脉冲偏压来取代传统的直流偏压，形成了一种新的物理气相沉积技术——脉冲偏压电弧离子镀技术，不但大大减少了薄膜表面大颗粒的数目，还克服了传统直流偏压引起的基体温度过高、薄膜内应力较大等问题。大连理工大学的林国强等人（林国强. 脉冲偏压电弧离子镀的工艺基础研究 [D]. 大连理工大学, 2008.和黄美东, 林国强, 董闯, 孙超, 闻立时. 偏压对电弧离子镀薄膜表面形貌的影响机理 [J]. 金属学报, 2003, 39(5): 510
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515.）针对脉冲偏压引起大颗粒缺陷减少的机理进行了深入分析，通过对脉冲偏压幅值、频率和脉冲宽度等工艺参数的调整，可以改善电弧等离子体的鞘层运动特性，减少薄膜表面的大颗粒缺陷数目，提高薄膜的质量，在实际的生产中被广泛应用，但是仍不能完全消除大颗粒缺陷。国内学者（魏永强, 宗晓亚, 蒋志强, 文振华, 陈良骥. 多级磁场直管磁过滤与脉冲偏压复合的电弧离子镀方法, 公开号：CN103276362A，公开日期：2013年9月4日）提出了多级磁场直管磁过滤与脉冲偏压复合的电弧离子镀方法，通过多级磁场过滤装置来消除大颗粒缺陷并提升等离子体的传输效率；还有学者采用双层挡板装置（Zhao Y, Lin G, Xiao J, Lang W, Dong C, Gong J, Sun C. Synthesis of titanium nitride thin films deposited by a new shielded arc ion plating [J]. Appl Surf Sci, 2011, 257(13): 5694
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5697.），研究了挡板间距对薄膜表面形貌、大颗粒清除效果及沉积速率的影响规律。还有学者（张涛, 侯君达, 刘志国, 张一聪. 磁过滤的阴极弧等离子体源及其薄膜制备[J]. 中国表面工程, 2002, 02): 11
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12.）借鉴Bilek板的方法（Bilek M M M, Yin Y, McKenzie D R, Milne W I A M W I. Ion transport mechanisms in a filtered cathodic vacuum arc (FCVA) system [C]. Proceedings of the Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 1996 Proceedings ISDEIV, XVIIth International Symposium on, 1996: 962
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966），在90度弯管磁过滤装置的弯管上施加正偏压来提高等离子体的传输效率。
[0005]为了解决磁控溅射技术在使用高熔点靶材方面存在难以离化的问题，扩展现有电弧离子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种组合磁场与内衬偏压锥形管和直管复合的沉积装置，其特征在于，该装置包括偏压电源（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）、偏压电源波形示波器（6）、高功率脉冲磁控溅射电源波形示波器（7）、波形同步匹配装置（8）、活动线圈装置（9）、活动线圈装置电源（10）、变阻器装置（11）、多级磁场装置（12）、多级磁场装置电源（13）、内衬偏压锥形管与直管组合装置（14）、内衬偏压电源（15）、样品台（16）和真空室（17）；该装置中：待处理基体工件置于真空室（17）内的样品台（16）上，电弧离子镀靶源（3）、高功率脉冲磁控溅射靶源（5）、活动线圈装置（9）和真空室（17）之间相互绝缘，工件放置在样品台（16），样品台（16）接偏压电源（1）的负极输出端，电弧离子镀靶源（3）和高功率脉冲磁控溅射靶源（5）安装在真空室（17）上，分别接弧电源（2）和高功率脉冲磁控溅射电源（4）的负极输出端，高功率脉冲磁控溅射电源波形示波器（7）的一端接地，另一端连接高功率脉冲磁控溅射电源（4）的输出端，活动线圈装置（9）通过法兰口上的正负极输入端连接活动线圈装置电源（10），变阻器装置（11）与活动线圈装置（9）串联，接入与活动线圈装置电源（10）的回路中，偏压电源（1）的负极连接样品台（16），偏压电源波形示波器（6）的一端接地，另一端连接偏压电源（1）的输出端，多级磁场装置（12）的各级磁场接多级...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏永强，王好平，宗晓亚，刘学申，张新国，蒋志强，
申请(专利权)人：魏永强，
类型：新型
国别省市：