专利名称：减小由物理气相沉积生成的镀膜中的压力的制作方法
技术领域：
本发明涉及减小镀膜中的压力，该镀膜由电弧沉积设备沉积，特别是那些能够使 一个基板具有一个较大的负偏压的设备。
背景技术：
近些年，大量的等离子体沉积方法取代了溅镀系统成为在各种各样的基板上沉积 薄的镀膜的理想装置。公知的是通过物理气相沉积(PVD)处理在一个镀膜的沉积过程中的一个基板的 偏压的使用。这个偏压在整个沉积阶段倾向于保持在一个稳定的级别，在大约-1，000V或 大约-600V。例如，lonbond 生产了各种PVD设备，其中一个的名称为‘PVD-350，，在其中 一个基板被加以-1，οοον的不变的偏压。这个偏压阻止正的静电势的增大，并使得可接受 的厚度的膜被沉积。由这种和其他已知的方法生成的镀膜的问题是它们能够具有非常高的硬度的同 时，在所述镀膜内存在很高的压力。这限制了所述镀膜厚度以及所述镀膜产品的可能的应用。因此，需要较低压力的镀膜，使得所述镀膜非常容易地粘着于所述基板，更加的柔 韧(即，不易碎)，具有更大的厚度和/或具有改善的坚固性。本发明的一个目的是提供一个方法和装置，用于镀膜的沉积，该镀膜具有迄今尽 可能的被减小的压力。本发明的另一个目的是生成一个镀膜，其具有改善的压力级别。本 发明的另一个目的是使得更厚的镀膜沉积到所述基板上，比起以前得到的镀膜具有更高的 坚固性。
发明内容
本发明基于施加到所述基板上的大的负偏压的使用。相应地，本发明提供一个方法，用于镀膜一个基板，包括生成一个镀膜材料的等离子体；沉积等离子体到所述基板上；以及使所述基板有-1，500V的偏压或更低的偏压。这个偏压的使用导致所述被镀膜的膜的减小的压力。在下面的例子中，我们使一 个钛测试片具有_4，500V的偏压，并且观察到所述镀膜中的相当低的压力级别，比那些使 用已知的固定偏压得到的膜中的压力级别要低。本发明的另一个特征是应用一个偏压，其在所述沉积处理中变化，以及另一个方法用于镀膜一个基板，包括生成一个镀膜材料的等离子体；沉积等离子体到所述基板上；以及使用一个可变的偏压使所述基板具有偏压。不需要施加一个稳定的高量级偏压来得到压力的减小，并且在本发明的这个实施 例中，所述偏压的变化，连同所述偏压在峰值之间回到或接近于零，也能够实现所述被沉积 的膜的压力的减小。优选地，镀膜的沉积被实施的同时，改变在所述基板上的偏压并施加一个-1，500V 的偏压或更低的偏压。在本发明的一个方法的使用中，施加到所述基板上的所述偏压可达到-10，000V， 优选地达到-5，OOOV0当可以施加一个更高量级的峰值偏压时，我们发现在这些限度内可以 得到压力减小。进一步适宜的所述偏压是_2，000V或更低的偏压。特别优选地，对于过滤阴极真空电弧源(FCVA)，所述偏压在从-2，000V到-4，000V的范围内，对于其他电弧源，所 述偏压在_2，000V到-3，000V的范围内。本发明的方法使用了一个可变的或脉冲的偏压，从一个较大的负值到零或接近零 的范围变化。达到峰值后，如大约-1，500V，所述偏压能够回到非常小的值，如-300V或稍 高，优选地-200V或稍高。这可以依赖于使用的电源到达某个范围，并且在例子中，在脉冲 下通常从它的峰值回到从大约-100V到零且有时瞬时为正的一个值，。在所述例子中的偏 压的变化遵循一个近似方波的图样，虽然其他波形也适合，包括规则波形和不规则波形。在沉积过程中，所述脉冲持续时间和频率通常遵循一个预定的图样。所述脉冲持 续时间通常很短，可以是1_50μ S。对于直接电弧源，所述脉冲持续时间优选地是1_20μ S， 更优选地是5-10 μ s。对于FCVA源，所述脉冲持续时间优选地是10-40 μ s,更优选地是 15-25 μ S。所述频率通常很快，每秒几百或几千个脉冲。一个优选的方法包括在所述基板 上给所述偏压加以最高达IOkHz频率的脉冲，优选地l_3kHz，更优选地1. 5-2. 5kHz。在本发明的实施例中，所述电源来自于Nanofilm TechnologiesInternational (NTI)，被称作“高电压脉冲发生器”(HVPG)。然而，本领域技 术人员可以理解可以使用如在这里描述的，能够加偏压到一个基板的任何电源。我们使用不同的偏压，脉冲持续时间和脉冲频率，将氮化钛和非晶体四面碳 (ta-C)镀膜沉积到所述测试基板上。例如，在一种配置中，所述HVPG被设定到持续时间为 20 μ s,频率为IOkHz的-4，500V的脉冲。然后，我们测试由我们的脉冲偏压方法生成的所 述氮化钛镀膜的压力，发现它们在l_2GPa的范围内，通常大约lGPa。这优于不用脉冲偏压 生成的所述氮化钛镀膜的压力，其大约为3GPa。这样，本发明能够使镀膜被具有较低压力级 别地沉积。这允许沉积更厚的镀膜，而现有技术中镀膜非常易碎使得一旦它们的厚度超过 某个值，它们就不能附着到所述基板上。这增加了这种镀膜技术的应用，由于减小压力的薄 膜现在能够被应用到更柔软的基板上(现有技术的薄膜一有挠曲就会剥落)。本方法特别适用于使用基于电弧的沉积设备和方法生成镀膜，因此，在本发明的 一个特殊方法中，在电弧沉积装置中镀膜一个基板的方法中使用基板的被加以脉冲的一个 大的负偏压，所述装置包括一个真空室，一个目标以及一个阳极和一个阴极来从所述目标 生成等离子体。
在直接电弧沉积中，所述目标材料优选地是一种金属，使用从钛，铬，铝，镓或任何 前述的金属的混合物或合金中选择出的目标会得到理想的效果。当制造复合或混合镀膜 时，也能施加偏压，并且本发明的另一个方法包括引入一种气体到所述真空室中来形成在 所述基板上的一个镀膜，其是所述气体和所述目标的化合物。合适的气体包括氮气和氧气。在FCVA沉积中，所述目标材料优选地是石墨，特别用于ta-C镀膜的生产，也可以 使用金属。本发明进一步提供装置，用于根据描述的所述方法镀膜一个基板，因此，本发明的 所述装置包括一个真空室，一个阳极和一个阴极组件来从一个目标生成一个等离子体并沉 积所述等离子体在所述基板上形成一个镀膜，以及一个电源来加偏压-1，500V或更低的偏 压到所述基板上。另一个装置包括一个真空室，一个阳极和一个阴极组件来从一个目标生 成一个等离子体并沉积等离子体到所述基板上来形成一个镀膜，以及一个电源来施加可变 的偏压到所述基板上。优选地，所述装置的电源既可以施加所述大的负偏压也可以如上述 方法改变所述偏压。在所述方法和所述装置使用的一个例子中，一个钛目标被设置与一个电弧沉积装 置的阴极电接触。一个基板位于所述基板台，并且所述真空室被抽空到大约lPTorr。氮 气被引入到所述真空室中达到大约l-20mTorr的工作压力，优选地3mTorr。一个电弧就被 触发，氮化钛沉积物就被镀膜到所述基板上。所述基板在沉积期间被施加偏压，从_2，000V 到-3，000V,以l-3kHz的频率并使用一个5-10 u s的脉冲持续时间。继续沉积直到得到大 约2-3 ym的一个镀膜。在沉积之后，所述镀膜的压力一般是l_2GPa，并且硬度一般是大约 2，500kg/mm2。在本方法和装置使用中的另一个例子中，一个石墨目标被设置与一个FCVA沉积 装置的所述阴极电接触。一个基板位于所述基板台并且所述真空室被抽空到大约1 P Torr0 不弓I入任何气体。一个电弧就被触发，ta-C沉积物就被镀膜到所述基板上。所述基板在沉积 期间被施加偏压，从_2，000V到-4，000V,以1. 5-2. 5kHz的频率并使用一个15-25 u s的脉 冲持续时间。继续沉积直到得到可达大约lOym厚的镀膜厚度。在沉积之后，所述镀膜的压 力一般小于lGPa，硬度一般大约是25-40GPa，并且耐磨性一般大约是1 X 10_8_3 X 10_8mm3/ Nm。在本发明的另一个实施例中，一个FCVA镀膜处理在至少两个阶段进行。第一个阶 段使用-3，000V到-4，000V的基板偏压，在1. 5-2. 5kHz的频率，并使用15-25 u s的脉冲 持续时间。第二阶段使用-2，000V到-3，500V的基板偏压，在1. 5-2. 5kHz的频率，并使用 15-25 u s的脉冲持续时间。由本发明提供的所述镀膜可以被用于很多应用中，如，铁砧可以被镀膜，或工具冲 床可以被镀膜来增加冲床的使用寿命，或半导体和媒体设备可以被镀膜来提供更大的保 护。本发明的偏压的好处包括生成具有更低压力的镀膜，其具有弹性和/或沉积更厚的镀膜。一般地，本发明使用-1，500V或更低的偏压来减小由一个电弧沉积装置沉积的镀 膜中的压力和/或使用一个可变的偏压来减小由一个电弧沉积装置沉积的镀膜中的压力。下面将结合附表和附图来描述
具体实施例方式表1显示了偏压参数的不同组合，其使用高电压脉冲发生器得到。
图1显示了在本发明的一个方法中用来加偏压到一个基板的输出脉冲波形；以及图2显示了在本发明的一个方法中用来加偏压到一个基板的输出脉冲波形。
具体实施例方式我们改变了一个现有的PVD设备以根据本发明提供一个偏压到所述基板上，使用 由Nanofilm Technologies International (NTI)得到的一个电源，被称作“高电压脉冲发 生器”(HVPG)。所述电源单元具有一个控制面板，其上可以手工设定所述参数。还使用一个 转换设备绝缘栅双极晶体管(IGBT)，其防止电流超载和短路。所述发生器组件还被配置了 一个输出保险丝。所述脉冲发生器的输出范围可到达-10，000V,优选地-5，000V,并且更优选 地-2，000V和-4，000V,所述脉冲持续1-50 u s ；对于直接电弧源优选地1_20 u s,更优选地 5-10 u s，对于FCVA源优选地10-40 u s，更优选地15-25 u s ；并且在可达10kHz的频率，优 选地 l_3kHz，更优选地，1. 5-2. 5kHz。所述HVPG与所述PVD设备相关联，并连接到所述基板，最通常地是通过所述基板 固定器。在所述PVD设备的工作期间，所述HVPG被设定到向所述基板输送大的负电压的脉 冲。所述HVPG可通过手动或远程被启动或停止。我们使用如图1示意出的偏压来沉积氮化钛的镀膜到所述测试基板上(在这种情 况下，钛片大约5cmX 10cm, 0. 5cm厚)，S卩，所述HVPG被设定到_4，500V的脉冲，持续时间 20 u s，频率 10kHz。相似地，我们使用如图2示意出的偏压，即，所述HVPG被设定到-3，000V的脉冲， 持续时间10ii s，频率3kHz。我们就在所述不同的测试片上测试由我们的脉冲偏压的方法生成的所述氮化钛 镀膜的压力，发现它们的值在l_2GPa范围内。许多测试镀膜上的压力接近于lGpa。这优于 不用脉冲偏压生成的氮化钛镀膜的压力，其压力至少3GPa。我们还在不同的测试片上测试了所述ta-C镀膜的压力，其由我们的脉冲偏 压的方法生成，发现它们具有小于lGPa的值。硬度大约是25-40GPa，耐磨性大约是 1 X l(T8-3 X lCTW/Nm。这样，本发明的偏压的优点包括生成更低压力的镀膜，其具有弹性和/或沉积更 厚的镀膜。表 权利要求
一个用于镀膜基板的方法，，包括生成一个镀膜材料的等离子体；沉积等离子体到所述基板上；以及使用一个可变的偏压使所述基板具有偏压。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使所述基板有-1，500V和-10，000V之间的偏压。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括使所述基板具有-10，000V的偏压。
4.根据权利要求3所述的方法，包括使所述基板具有_5，000V的偏压。
5.根据权利要求1所述的方法，包括给所述基板上的偏压加以最高达IOkHz频率的脉 冲。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述频率是l_3kHz。
7.根据权利要求1所述的方法，其中给所述基板上的偏压的脉冲持续时间是1-25μ s。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述脉冲持续时间是5-10μ s。
9.根据权利要求1-8中的任何一个用于镀膜基板的方法，其中该基板位于一个电弧沉 积装置中，所述装置包括一个真空室，一个靶以及一个阳极和一个阴极来从所述靶生成所 述等离子体。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述装置包括一个过滤阴极真空电弧源。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述靶是一种金属。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述靶是石墨。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述金属包括钛，铬，铝，镓或任何这些金属的 混合物或合金。
14.根据权利要求9所述的方法，包括引入一种气体到所述真空室中来形成在所述基 板上的一个镀膜，该镀膜是所述气体和所述靶的化合物。
15.一种用于镀膜基板的装置，包括一个真空室，一个阳极和一个阴极组件来从一个靶 生成一个等离子体并沉积等离子体到所述基板上来形成一个镀膜，以及一个电源来施加可 变的偏压到所述基板上。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述电源施加一个-1，500V和-10，000V之间的 偏压到所述基板上。
17.根据权利要求15或16所述的装置，包括一个电源施加_2，000V和-4，000V之间的偏压到所述基板上。
18.根据权利要求15所述的装置，包括一个电源将所述偏压加以l_3kHz频率的脉冲。
19.根据权利要求15所述的装置，包括一个电源将所述基板的所述偏压加以5-10μs 的脉冲持续时间的脉冲。
全文摘要
使用电弧沉积方法沉积镀层，该方法在所述基板上使用一个大的一1,500V或更低的负偏压，其在沉积过程中可变，导致所述镀层中的压力减小。
文档编号C23C16/26GK101838789SQ201010168209
公开日2010年9月22日 申请日期2005年1月13日 优先权日2004年1月21日
发明者史旭, 谢丽康 申请人:纳峰科技私人有限公司