离子镀膜机、气体离子刻蚀清洗方法及辅助沉积方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及物理气相沉积离子镀膜技术领域，尤其是涉及一种离子镀膜机、气体离子刻蚀清洗方法及辅助沉积方法。
【背景技术】
[0002]物理气相沉积(PVD)是通过加热蒸发，阴极电弧或磁控溅射蒸发等过程，产生金属粒子并与反应气体形成化合物沉积在工件表面上。物理气相沉积主要有蒸发镀，阴极电弧镀和磁控溅射镀三种常用方法，阴极电弧镀俗称离子镀。
[0003]在离子镀过程中，利用阴极电弧源(CAE)放电产生金属离子，在工件上建立的高负偏压的作用下，金属离子获得一定动能轰击到工件表面上，形成对工件表面预刻蚀和清洗(即主弧轰击清洗过程)；此方法虽然有很多优点，但同时也存在严重的缺点，会导致薄膜性能的降低。具体如下:
[0004]I)阴极电弧源产生金属离子的同时，还会产生大量的微液滴(原子团)。由于微液滴的质量大、移动速度低，容易粘覆到工件表面上，形成对工件表面的二次污染；
[0005]2)在高负偏压下，高动能的金属离子对工件表面形成强烈轰击，在工件表面上容易形成电弧放电，造成工件表面局部的烧蚀和损伤；尤其是在工件的尖锐处，金属离子容易聚集，形成集中轰击，造成工件上关键的尖锐局部过热退火或烧蚀损伤；
[0006]3)由于金属粒子的尺寸效应，不利于工件微观表面的活化；
[0007]4)在离子镀膜过程中通入的是中性的气体分子，气体粒子的反应活性低，也无法从工件上的负偏压电场中获取额外动能，镀膜中的化学反应能量只能由具有较高动能的金属离子提供，或者由被镀工件上的较高温度提供，不利于化学反应的充分进行，影响膜层质量。而如果要制备高质量的膜层时，则需要在同一镀膜高度上配置多套阴极电弧源。
[0008]除了上述的利用阴极电弧源产生的金属离子对工件表面进行轰击清洗的方法外，还有以下几种各具优缺点的清洗方法:
[0009]射频刻蚀法:射频放电在洁净工件表面方面是近年来的一个发展方向，但射频电源的高成本、电磁兼容(干扰)等问题影响其在硬质薄膜涂层领域的应用。
[0010]气体离子刻蚀法:在Ti靶前加挡板，阻止放电产生的金属Ti粒子对工件的直接轰击；增加辅助阳极，使得工件只受到间接离化的气体离子的刻蚀。但此法的弊病有二:一是需要更多的弧源，二是气体离子浓度及刻蚀的均匀性和强度都会受到影响。
[0011]阴极灯丝法:通过阴极管或灯丝发射电子、离化气体原子，对工件形成气体离子刻蚀，通过阴极灯丝位置的设计，可以实现对工件全方位的清洁。所存在的不足是阴极管或灯丝为易耗品，在通入氧气或者含碳气体时热阴极表面容易毒化甚至烧毁，需要不断更换。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于提供一种离子镀膜机、气体离子刻蚀清洗方法及辅助沉积方法。
[0013]本发明提供的配置气体离子源的离子镀膜机，其结构为:在离子镀膜机的真空腔内壁或者法兰上设置一台或多台气体离子源装置，用于对待镀工件的气体离子刻蚀清洗步骤，也用于对待镀工件的气体离子辅助沉积步骤。
[0014]进一步的，所述气体离子源装置为阳极层条形气体离子源。
[0015]进一步的，所述配置气体离子源的离子镀膜机还包括:设置在所述离子镀膜机的真空腔内壁或者法兰上与所述气体离子源装置对应的阴极电弧靶源，以实现气体离子辅助沉积。
[0016]气体离子源装置可以在大的真空范围稳定放电，通过对通入气体离子源气体种类和气量的，以及放电状态的精确控制，容易控制气体等离子体产生的密度和空间方向，进而控制气体离子刻蚀清洗过程和气体离子辅助沉积工程。
[0017]本发明提供的使用所述离子镀膜机装置进行气体离子刻蚀清洗的方法，包括以下步骤:
[0018]待镀工件预处理后送入离子镀膜机的真空腔；
[0019]真空腔抽真空，对真空腔内的待镀工件进行预加热烘烤；
[0020]达到一定的真空和温度条件后，向气体离子源有控制地稳定通入工作气体，气体离子源装置放电工作，产生气体等离子体，对待镀工件表面进行气体离子轰击刻蚀，实现待镀工件表面的清洁和活化。
[0021 ] 进一步的，所述气体离子源装置为阳极层条形气体离子源。
[0022]条形气体离子源可以在高度上产生均匀分布的气体离子等离子体，从而保证气体离子轰击清洗的均匀性。
[0023]进一步的，所述气体等离子体为的Ar或者Ar、02和H 2混合气产生的气体等离子体，Ar或者Ar、O2和H 2混合气的总流量为50sccm?500sccm。
[0024]进一步的，所述气体等离子体对待镀工件表面进行轰击的过程中，真空度不低于0.8Pa0
[0025]在气体等离子体的轰击清洗过程中，真空腔内存在较强的辉光(等离子体)放电，为了避免出现局部空心阴极效应，造成气体离子源装置放电电压和电流的异常波动(不稳)，因此应选择较高真空度。
[0026]进一步的，所述气体离子源装置的放电功率设定在0.5kW?7kW范围内，放电电压不高于480V。
[0027]较高的气体离子源装置放电电压容易引起真空室内局部空心阴极效应，造成气体离子源装置放电电压和电流的异常波动(不稳)，因此气体离子源装置的放电电压不能过尚O
[0028]进一步的，所述待镀工件上的偏压设定为-50V?-500V ;在保持所述气体离子源装置的放电功率不变及不损伤待镀工件表面形貌的条件下，选择较高的偏压，以提高清洗速度，缩短清洗时间。
[0029]在相同的放电功率(等离子体密度)条件下，提高工件的偏压，可以提高气体等离子体的轰击动能，进而提高刻蚀和清洗的效能。但是工件偏压的提高，也会产生刻蚀作用，损伤被镀工件表面，特别是对工件的尖锐刃部损伤更严重。因此，应该在允许的范围内尽量选择较高的工作偏压。
[0030]进一步的，所述利用气体等离子体对待镀工件表面进行轰击的过程的总时间为20min ?90mino
[0031]本发明还在所述的气体离子刻蚀清洗方法的基础上，还提供了一种气体离子辅助离子沉积的方法，还包括以下步骤:
[0032]对表面经过清洁和活化的待镀工件实现阴极电弧靶源放电蒸发，与此同时气体离子源放电工作、产生反应气体等离子体，实现气体离子辅助下的化学反应离子镀膜。
[0033]进一步的，所述气体离子源装置为阳极层条形气体离子源。
[0034]进一步的，所述气体等离子体为Ar或者Ar、02、H2, N2, C2H2和CH 4混合气体产生的气体等离子体，Ar或者Ar、02、H2、N2、C2H2和CH 4混合气体的总流量为50sccm?500sccm。
[0035]进一步的，所述气体等离子体对待镀工件表面进行辅助沉积的过程中，真空度不低于8.0Pa0
[0036]进一步的，所述气体离子源装置的放电功率设定在0.5kff?7kW范围内，且气体离子源装置的放电功率的设置和阴极电弧源工作的数量和放电电流值成正比关系；所述气体离子源上的放电电压在60V?200V之间。
[0037]本发明的有益效果为:
[0038]本发明在离子镀膜机的真空腔内壁或者法兰上设置一台或多台气体离子源装置，利用气体离子源装置产生的气体等离子体对待镀工件表面进行轰击，实现待镀工件表面的气体离子刻蚀清洗。气体离子源装置可以在大范围内稳定放电，能够制气体离子刻蚀清洗过程对工件表面的损伤程度，同时实现工件表面的彻底清洁和活化；另外，在离子镀膜过程中，将通入气体离子源的反应气体同时离化，增加气体粒子的化学反应活性，达到气体离子辅助沉积的效果，实现更好的化学反应膜层质量。
[0039]对工件进行气体离子刻蚀清洗的有益效果为:
[0040](I)气体离子不会像金属粒子粘附到工件表面；轰击清洗过程中，不会伴随着金属粒子(微液滴)的沉积，从而避免了被镀工件表面的二次污染；
[0041](2)气体离子源产生的离子密度更容易稳定和精确控制，不易出现工件尖端局部轰击过热退火或者烧蚀的问题；
[0042](3)能同时去除真空室内表面上的残余吸附气体，改善离子镀膜的真空环境；
[0043](4)能有效去除被镀工件表面上的氧化(钝化)层；
[0044](5)气体离子源装置使用寿命长、基本免维护；
[0045]对工件进行气体离子辅助沉积的有益效果为:
[0046]在离子镀膜过程中，气体离子源装置放电工作，通入气体离子源装的反应气体被离化，改善了化学反应离子镀膜的环境，使得离子镀膜过程中化学反应得更加充分，能显著提高膜基结合力和膜层质量，提高镀膜生产的稳定性和重复性；
[0047]由于气体离子的加入和帮助，被镀工件上的温度要求可以