专利名称：一种利用电弧离子镀沉积高质量薄膜的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及薄膜制备领域，具体地说是一种利用电弧离子镀沉积高质量 薄膜的简便装置，用以减少薄膜中大颗粒的含量，提高薄膜的质量。
技术背景电弧离子镀膜技术是当今一种先进的离子镀膜技术，由于其结构简单，离化率高(70%-80%)，入射粒子能量高，绕射性好，可实现低温沉积等一系列优点， 使电弧离子镀技术得到快速发展并获得广泛应用，展示出很大的经济效益和工业 应用前景。电弧离子镀是基于气体放电等离子体物理气相沉积原理的镀膜技术。这种技 术依靠在真空镀膜室中阴极靶材表面上产生的电弧斑点的局部高温，使作为靶材 的阴极材料瞬时蒸发和离化，产生电离度高而且离子能量大的等离子体，在工件 上加上负电位，即可在工件加热温度比较低的条件下，在工件表面镀上一层硬度 高、组织致密而且结合性好的各种硬质薄膜。电弧离子镀阴极斑点的尺寸很小(100 200nrn2 ),电流密度很高 (105~107A/cm2)，具有非常高的功率密度(1016W/m2),因此阴极斑点在作为强 烈的电子、金属原子、离子和高速(1000m/s)金属蒸汽发射源的同时，也不断的 喷射金属液滴(大颗粒)。电弧离子镀技术虽然有很多优点，但是由于电弧离子镀中大颗粒的存在，严 重影响了涂层和薄膜的性能和寿命。因此有关如何解决阴极电弧镀中大颗粒问题 对阴极电弧的发展影响很大，成为后期发展的主要论题，也成为阻碍电弧离子镀 技术更深入广泛应用的瓶颈问题。电弧离子镀的进一步发展要求在工艺设计中考虑对大颗粒的抑制，目前减少 大颗粒的措施主要有两种，即减少大颗粒的发射或者在等离子体传输过程中将大 颗粒排除掉。减少大颗粒的发射有多种设计方法，主要靠控制弧斑在靶材表面的运动，提高弧斑的运动速度来实现的。其中应用较普遍的有受控电弧技术，阴极冷却技术, 阴极表面高温反应层技术。这些方法虽然一定程度上能够减少颗粒的发射，减少 薄膜中大颗粒的含量，但由于电弧本身物理特性的限制，并不能完全清除薄膜中 的大颗粒，不能满足制备光洁度高，结构致密均匀的高质量薄膜的要求。比较彻底清除大颗粒的方法是在等离子体传输过程中将大颗粒排除掉的方 法。目前应用较多的是磁过滤技术，主要是利用大颗粒与金属离子质荷比的差别 将大颗粒完全阻挡在沉积区外，这种方法虽然可以满足制备高质量薄膜的要求， 但是磁过滤技术降低了等离子的传输效率，降低了沉积速率，同时需要增加额外 的设备，结构复杂，成本很高，不利于应用推广。因此，需要有一种装置、方法既简便，容易实现，成本低，又能够满足制备 高质量薄膜的要求。实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种利用电弧离子镀沉积高质量薄膜的装置，解 决由于电弧离子镀中大颗粒的存在,严重影响了涂层和薄膜的性能和寿命等问题。 它是在电弧离子镀沉积工艺中使用的简便装置，用以减少薄膜中大颗粒的含量， 提高薄膜的质量，达到制备高质量薄膜的要求。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是一种利用电弧离子镀沉积高质量薄膜的装置，双层带孔挡板放置于电弧离子 镀沉积装置的靶材与基体之间，与靶材和基体同轴放置，基体后放置增强磁场的 发生装置。所述双层带孔挡板为带孔挡板i、带孔挡板n同轴平行放置，带孔挡板i、 带孔挡板n上的孔相互错开，挡板之间的距离可调。所述双层带孔挡板为正多ii^或者圆形，双层带孔挡板中的孑L形状是圆形、 方形、椭圆形或三角形，两层挡板中的孔形状一致。所述双层带孔挡板与靶材以及基体之间的距离可调，双层带孔挡板悬浮放置 或固定在真空室壁上接地放置。所述基体后放置的增强磁场发生装置为增强磁场线圈,增强磁场线圈同靶材、 双层带孔挡板同轴放置，线圈位置可调。所述增强磁场线圈形状是方形的或者圆形的，线圈的大小没有限制。所述增强磁场线圈产生的磁场大小可调，磁场的极性可调；增强磁场线圈产生的磁场极性与放置于靶材后面的磁场发生装置产生的磁场极性相同，磁极按S-N-S-N或者N-S-N-S分布。本发明根据大颗粒和离子、电子在等离子体传输过程中的不同的运动特点， 大颗粒由于质量大(远远大于离子的质量)，在前进过程中基本不会改变其运行轨 迹，因此是直线运动的；而带电粒子(离子、电子)在前进的过程中会不断地相 互碰撞改变其运动轨迹，这也是电弧离子镀有很好的绕射性的原因。只要在大颗 粒向基体直线传输的路径中通过某种方式将其排除，阻挡其向基体的继续运动， 便可以阻止大颗粒在薄膜上的沉积。而实现这种目的最简单的方法是在基体前设置一实体挡板，挡板的大小适当 使其正好能够阻碍大颗粒的前进，而离子则通过碰撞绕射到挡板后基体附近，在 负偏压的作用下沉积成膜。见附图l, 2。上述方法虽然简单容易实现，然而由于实体挡板在阻挡大颗粒的同时，也会 对大部分的离子形成阻碍，特别是对比较大的样品，所需的挡板尺寸也必须较大 能够遮挡住整个样品，这样就会阻挡更多的离子前进，仅靠边缘绕射过来到达基 体附近的离子密度很低，极大地降低了沉积速率，同时也造成了沉积的不均句性。在上述方法的基础上，本实用新型提出一种新的解决方案方案一在靶材与基体之间合适的位置设置一双层带孔挡板，两个挡板之间有一定的 距离，两个挡板的形状相同，单层挡板上孔的数目和间距合理分布，使得前层挡 板的有孔的地方正好被后层挡板无孔的地方挡住，前层挡板无孔的地方正好挡住 后层挡板有孔的地方，从而实现对直线传输的大颗粒的阻挡(那些通过前层挡板有 孔的位置大颗粒会被后层挡板阻挡)，而离子则可以通过两层挡板上有孔的位置， 增加了挡板后面离子的密度，改变了仅靠边缘绕射带来的离子密度低以及不均匀 的弊端。方案二在方案一的基础上，为了进一步增加基体附近的离子密度和均匀性，在基体 后加一增强磁场，磁场由电磁线圈产生，线圈与靶材同轴，线圈通直流电，磁场 大小可以通过调节线圈电流进行改变，磁场的极性和靶材后面约束弧斑运动的磁 场的极性相同，形成S-N-S-N或者N-S-N-S的分布。本实用新型的装置有以下特点1. 方案一所述的双层带孔挡板材料只要能够在真空电弧等离子区受热不变 形，其他不受限制。挡板的形状不受限制，最好是正多^i^或者圆形的。2. 方案一所述的双层带孔挡板中的孔的形状可以是圆形的、方形的、椭圆形 的、三角形的等，两层挡板孔的形状一致。3. 方案一所述的双层带孔挡板中的孔的大小在保证挡板上孔的数目足够的 情况下不受限制，孔的分布间距合理，保证前层挡板的有孔的地方正好被后层挡 板无孔的地方挡住，前层挡板无孔的地方正好挡住后层挡板有孔的地方。4. 方案一所述的双层带孔挡板同轴平行放置，与靶材也是同轴放置。挡板间距可以调节以实现不同的目的。挡板与靶材以及基体间的距离也可以调节。双层带孔挡板在保证上述第3条的情况下可以单独放置或者连接在一起放置。5. 方案一所述的双层带孔挡板可以悬浮放置也可以固定在真空室壁上接地 放置。6. 方案二所述的增强磁场发生装置尺寸不受限制沐据样品尺寸和真空室的 尺寸制作)。线圈形状可以是方形的或者圆形的。电磁线圈1^^1 QZY-2高温漆包 线缠绕而成，线圏外面缠绕耐高温的玻璃丝布。线圈引线使用的是高温线，并套 有瓷管进行保护。线圈与靶材以及双层带孔挡板同轴，线圈的位置可以调节，可 以通过调节线圈电流的大小来调节磁感应强度的大小，通过调节电流的方向来改 变磁极的方向。7. 方案二所述的增强磁场发生装置产生的磁场极性与放置于靶材后面的磁 场发生装置产生的磁场极性相同，磁极按S-N-S-N或者N-S-N-S分布。本实用新型具有以下优点1. 本实用新型通过双层带孔挡板装置配合基体处的增强磁场发生装置，提供 一种在电弧离子镀沉积工艺中使用的简便装置、方法，用以减少薄膜中大颗粒的 含量，提高薄膜的质量，达到制备高质量薄膜的要求。2. 本实用新型中双层带孔挡板装置制作简便，调节范围大，放置容易，成本 低廉，以为了实现不同的目的制作成不同的形式。3. 本实用新型中双层带孔挡板装置，可以有效的阻碍大颗粒在样品上的沉 积，同时， 一定程度上改善了挡板后离子密度的分布，提高了沉积速率和均匀性。4. 本实用新型中基体处的增强磁场发生装置容易制作，可以方便的通过调节 线圈电流改变磁场的强度，进一步提高基体处离子的密度，提高了沉积速率和均匀性。
图l-图2是加实体挡板的电弧离子镀沉积装置示意图。其中，图l为沉积过 程；图2为沉积装置。图3是实施例1电弧离子镀沉积装置示意图。 图4是图3中双层带孔挡板示意图。图5是实施例1不加双层带孔挡板(a)和施加了双层带孔挡板(b)沉积的TiN薄 膜的扫描电镜照片。图6是实施例1不加双层带孔挡板和施加了双层带孔挡板沉积的TiN薄膜的 粗糙度直方图。图7是实施例1不加双层带孔挡板和施加了双层带孔挡板沉积的TiN薄膜的 结构XRD图。图8是实施例2电弧离子镀沉积装置示意图。图9 (a) - (b)是实施例2磁场增强线圈内通1A直流电时磁场分布示意图。 其中，图9(a)真空室内从耙材到基体的磁力线分布图；图9(b)真空室内从靶 材到基体的磁场大小分布图。图IO是实施例2磁场分布的矢量图。图中，l真空室；2基体(试样)；3导磁环；4靶材；5镀镍纯铁；6电磁线 圈；7进水管；8出7ji管；9引弧线圈；IO引弧针；ll增强磁场线圈；12基体支 架；13实体挡板；14双层带孔挡板；15带孔挡板I; 16带孔挡板I1。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本实用新型作进一步详细说明。 如图l-2所示，电弧离子镀沉积装置主要包括真空室l、基体(试样)2、导 磁环3、靶材4、镀镍纯铁5、电磁线圏6、进水管7、出水管8、引弧线圈9、引 弧针10等，真空室1内设置基体(试样)2、导磁环3、靶材4、引弧针IO,靶 材4正面与基体(试样)2相对，靶材4背面设有电磁线圈6，在电磁线圈6中间 安装镀镍纯铁5,循环水箱通过进水管7、出水管S进行循环，对靶材4进行冷却， 镀镍纯铁5与电磁线圈6安装于冷却水内；引弧针IO连至真空室1外的引弧线圈 9，引弧线圈9带动引弧针10与靶材4接触进行引弧；导磁环3设置于靶材4外 周，可增加横向磁场分量，提高电弧斑点运动速度。在基体2前设置一实体挡板13，实体挡板13的大小适当使其正好能够阻碍大颗粒的前进，而离子则通过碰撞绕射到实体挡板13后的基体2附近，基体2安装于基体支架12上，基体2在负 偏压的作用下沉积成膜。 实施例1:附图3是本实用新型的方案一的实施例装置图，与图2不同之处在于双层 带孔挡板14 (带孔挡板U5、带孔挡板IU6)放置于阴极靶材4与基体2之间， 与靶材4以及基体2之间的距离相等。双层带孔挡板14的结构如图4所示，双层 带孔挡板14中的带孔挡板I 15、带孔挡板II 16同轴平行放置，与靶材4和基体2 也是同轴放置，带孔挡板U5、带孔挡板II16之间的距离50mm。本实施例中带 孔挡板U5、带孔挡板II16由不锈钢薄板制作，挡板的形状是正六边形，对边之 间长度为100mm。孔的形状是圆形，孔的直径为8mm,孔间距也是8mm，挡板 上的孔均匀分布。带孔挡板U5、带孔挡板II16错开一定的位置，保证了前层挡 板的有孔的地方正好被后层挡板无孔的地方挡住，前层挡板无孔的地方正好挡住 后层挡板有孔的地方。带孔挡板U5、带孔挡板II16之间通过四条螺紋丝杆加螺 帽固定，丝杆长度150mm,方便调节挡板之间的距离，同时也保证了挡板不变形， 挡板固定在真空室壁上接地安装。以沉积TiN薄膜为例验证本实用新型的效果，本实施例中，釆用Ti靶作为靶 材，乾材后有产生控制弧斑运动的电磁线圈，线圈的中间固定有高导磁的镀镍纯 铁，靶材周围套有导磁环用以增加靶面横向磁场分量的强度。在相同的工艺参数 下，沉积TiN薄膜。图5是不加双层带孔挡板(a)和施加了双层带孔挡板(b)沉积的 TiN薄膜的扫描电镜照片，由于本实施例弧斑是在比较高的磁场驱动下运动的， 运动速度快，减少了大颗粒的发射，但是在不加双层带孔挡板沉积的薄膜中依然 有很多的颗粒，而在施加了双层带孔挡板沉积的薄膜中没有一个颗粒。图6是两 者的粗糙度结果，可以看出施加双层带孔挡板可以大大降低薄膜的粗糙度，提高 薄膜的光洁度，图7是两种情况下沉积的薄膜的结构XRD图，图中A为加双层 带孔挡板，B为不加双层带孔挡板，说明了施加了双层带孔挡板沉积的薄膜结构 没有变化，而且具有较高的择优取向。实施例2:附图8是本实用新型的方案二的实施例装置图，在实施例l的基础上，在基 体处外加一增强磁场线圈11,增强磁场线圈11同靶材4、双层带孔挡板14同轴放置，增强磁场线圈11距基体2的距离可以调节，增强磁场线圈11的形状是圆
形，内径100mm,外径180mm,厚度50mm。电磁线圈使用QZY-2高温漆包线 缠绕而成，线圈外面缠绕耐高温的玻璃丝布，保证了高温绝缘。线圈引线使用的 是高温线，并套有瓷管进行保护。线圈电流通过直流调压器进行调节，调节电流 的大小可以改变磁场的强度。
增强磁场的极性与放置于耙材后面的磁场发生装置产生的磁场极性相同，磁 极按S-N-S-N分布。图9 (a) - (b)是线圈内通1A直流电时磁场的分布情况， 可以看出磁场在空间的分布是从乾材到基体弯曲分布的，基体处磁场比较集中， 强度大，磁场分布的特点提高了等离子体传输的效率，有利于在阻碍大颗粒的同 时，增强基体附近的离子密度。而且基体附近的磁场分布均勻，提高了薄膜沉积 的均匀性。图IO是磁场分布的矢量图，进一步说明了磁场的分布有利于离子在基 体附近聚集，保证了薄膜质量的同时，提高趁机速率和沉积均匀性。因此，本实 用新型通过简便的装置、方法达到了制备高质量薄膜的要求，而且由于成本低， 有利于推广。
权利要求1、一种利用电弧离子镀沉积高质量薄膜的装置，其特征在于双层带孔挡板放置于电弧离子镀沉积装置的靶材与基体之间，与靶材和基体同轴放置，基体后放置增强磁场的发生装置。
2、 按照权利要求1所述的装置，其特征在于双层带孔挡板为带孔挡板I、 带孔挡板II同轴平行放置，带孔挡板I、带孔挡板n上的孔相互错开，挡板之间 的距离可调。
3、 按照权利要求2所述的装置，其特征在于双层带孔挡板为正多边形或者 圆形，双层带孔挡板中的孔形状是圆形、方形、椭圆形或三角形，两层挡板中的 孔形状一致。
4、 按照权利要求1所述的装置，其特征在于双层带孔挡板与靶材以及基体 之间的距离可调，双层带孔挡板悬浮放置或固定在真空室壁上接地放置。
5、 按照权利要求1所述的装置，其特征在于基体后放置的增强磁场发生装 置为增强磁场线圈，增强磁场线圈同靶材、双层带孔挡板同轴放置，线圈位置可 调。
6、 按照权利要求5所述的装置，其特征在于增强磁场线圈形状是方形的或 者圆形的。
7、 按照权利要求5所述的装置，其特征在于增强磁场线圈产生的磁场大小 可调，磁场的极性可调；增强磁场线圈产生的磁场极性与放置于靶材后面的磁场 发生装置产生的磁场极性相同，磁极按S-N-S-N或者N-S-N-S分布。
专利摘要本实用新型涉及薄膜制备领域，具体地说是一种利用电弧离子镀沉积高质量薄膜的装置，解决由于电弧离子镀中大颗粒的存在，严重影响了涂层和薄膜的性能和寿命等问题。本实用新型双层带孔挡板放置于电弧离子镀沉积装置的靶材与基体之间，与靶材和基体同轴放置，基体后放置增强磁场的发生装置。本实用新型是在电弧离子镀沉积工艺中使用的简便装置，用以减少薄膜中大颗粒的含量，提高薄膜的质量，达到制备高质量薄膜的要求。
文档编号C23C14/32GK201132848SQ20072001678
公开日2008年10月15日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者超 孙, 骏 宫, 昊 杜, 肖金泉, 赵彦辉, 郎文昌, 闻立时 申请人:中国科学院金属研究所