样品台7上，工件接偏压电源I的脉冲输出端，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；射频磁控溅射靶源6接射频磁控溅射电源5的输出端；
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KT4Pa时，通入工作气体至0.0lPa?1Pa ；
开启偏压电源1，并调节偏压电源I输出脉冲的峰值电压值为O?1.2kV，脉冲频率为OHz?80kHz，脉冲宽度5~90% ；
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10~300A，通过多级磁场装置4保持电弧等离子体在电弧离子镀靶源3稳定产生和对大颗粒缺陷进行过滤消除，使电弧等离子体以较高的传输效率通过多级磁场装置4到达基体表面，进行薄膜的快速沉积；
开启射频磁控溅射电源5，进行灯丝预热，调整输出功率和反射功率后，使射频磁控溅射靶源6起辉，对射频磁控溅射靶源6表面进行清洗，射频磁控溅射电源5的射频为5~30MHz，采用通用的13.56MHz，通过调整射频磁控溅射电源5输出的工作功率，工作电压和工作电流，产生稳定的射频等离子体；
偏压电源I输出波形为直流、单脉冲、直流脉冲复合或多脉冲复合。
[0016]弧电源2输出直流、单脉冲、直流脉冲复合或多脉冲复合。
[0017]电弧离子镀靶源3采用高熔点或低熔点的纯金属或多元合金材料，射频磁控溅射靶源6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)，可以使用单个靶、多个靶或复合靶，进行纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜、多元多层、超晶格、具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜。
[0018]工作气体选用氩气，或工作气体选用氮气、乙炔、甲烷、硅烷或氧气中一种或多种的混合气体，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜、多元多层、超晶格、具有纳米多层或梯度结构的薄膜。
[0019]多级磁场电弧离子镀和射频磁控溅射复合沉积方法的提出，充分利用射频磁控溅射对溅射靶选用材料的广泛性，实现了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)在电弧离子镀中的应用，有效避免低熔点材料所产生的大颗粒问题，又突破了非金属材料(尤其是半导体材料和绝缘材料)在电弧离子镀中的应用限制；同时利用波形输出装置及时调整工件上所施加负偏压参数，有利于改善靶基之间等离子体的区间电势分布，充分吸引复合等离子体向工件运动，实现薄膜的快速沉积；同时还利用电弧离子镀技术的产生稳定持续、离化率高的金属等离子体，减少了高熔点、难离化的金属材料在磁控溅射中使用的限制，有利于高离化率离子在工件表面的化学合成反应，制备不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜、多元多层、超晶格和具有梯度结构的薄膜或纯金属薄膜。
[0020]【具体实施方式】二:本实施方式与实施方式一的不同之处在于，该方法还包括: 步骤三、可以单独采用传统直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射、传统电弧离子镀、多级磁场电弧离子镀和脉冲阴极弧结合直流偏压、脉冲偏压或直流脉冲复合偏压进行薄膜沉积，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜；
步骤二中可以先使用射频磁控溅射电源5进行磁控溅射结合高电压的脉冲偏压电源进行离子注入与沉积，提高薄膜与基体的结合力，然后进行步骤三，获得一定厚度的薄膜。
[0021]【具体实施方式】三:本实施方式与实施方式二的不同之处在于，反复执行步骤一至步骤三，制备具有不同应力状态、微观结构和元素比例的多层结构薄膜，其他与实施方式二相同。
[0022]步骤二中可以先使用射频磁控溅射电源5进行磁控溅射结合高压进行离子注入与沉积，提高薄膜与基体的结合力，然后进行步骤三，然后反复执行步骤二和步骤三，如此反复，制备具有不同应力状态、微观结构和元素比例的多层结构薄膜。
[0023]【具体实施方式】四:本实施方式与实施方式一的不同之处在于，反复执行步骤一至步骤三，制备具有不同应力状态、微观结构和元素比例的多层结构薄膜，其他与实施方式二相同。
[0024]步骤二中可以使用2套或者以上的电弧离子镀靶源3和多级磁场装置4配合的电弧离子镀装置进行以各种纯金属元素和多元合金材料为靶材的薄膜沉积，然后进行步骤三，然后反复执行步骤二和步骤三，如此反复，制备具有不同应力状态、微观结构和元素比例的多层结构薄膜。
【主权项】
1.多级磁场电弧离子镀和射频磁控溅射复合沉积方法，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、多级磁场装置4、射频磁控溅射电源5、射频磁控溅射靶源6、真空室7、样品台8和偏压电源波形示波器9 ; 该方法包括以下步骤: 步骤一、将待处理基体工件置于真空室7内的样品台8上，工件接偏压电源I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、射频磁控溅射靶源6接射频磁控溅射电源5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KT4Pa时，通入工作气体至0.0lPa?10Pa，开启偏压电源I和偏压电源波形示波器9，并调节偏压电源I输出的偏压幅值，脉冲频率和脉冲宽度，偏压电源I输出脉冲的峰值电压值为O?1.2kV，脉冲频率为OHz?80kHz，脉冲宽度1~90% ； 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10~300A，通过多级磁场装置4保持电弧等离子体在电弧离子镀靶源3稳定产生和对大颗粒缺陷进行过滤消除，使电弧等离子体以较高的传输效率通过多级磁场装置4到达基体表面，进行薄膜的快速沉积； 开启射频磁控溅射电源5，进行灯丝预热，调整输出功率和反射功率后，使射频磁控溅射靶源6起辉，对射频磁控溅射靶源6表面进行清洗，射频磁控溅射电源5的射频为5~30MHz，采用通用的13.56MHz，通过调整射频磁控溅射电源5输出的工作功率，工作电压和工作电流，产生稳定的射频等离子体。2.根据权利要求1所述的多级磁场电弧离子镀和射频磁控溅射复合沉积方法，其特征在于，该方法所使用装置还包括偏压电源波形示波器9用于显示偏压电源I发出的脉冲电压和电流波形，通过调整偏压电源I的输出波形，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，实现对等离子体能量的调节。3.根据权利要求1所述的多级磁场电弧离子镀和射频磁控溅射复合沉积方法，其特征在于，偏压电源I输出脉冲为单脉冲、直流脉冲复合或多脉冲复合。4.根据权利要求1所述的多级磁场电弧离子镀和射频磁控溅射复合沉积方法，其特征在于，该方法还包括: 步骤三、可以单独采用传统直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射、传统电弧离子镀和脉冲阴极弧结合直流偏压、脉冲偏压或直流脉冲复合偏压进行薄膜沉积，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜。5.根据权利要求1所述的多级磁场电弧离子镀和射频磁控溅射复合沉积方法，其特征在于，反复执行步骤一至步骤二，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜。6.根据权利要求1所述的多级磁场电弧离子镀和射频磁控溅射复合沉积方法，其特征在于，射频磁控溅射靶源6采用的靶体材料可以为低熔点的纯金属或多元合金靶材，以及电弧离子镀靶源3所不能采用非金属半导体材料和绝缘材料，而电弧离子镀靶源3可以为采用磁控溅射技术难于离化的高熔点纯金属或多元合金材料，也可以有效利用多级磁场装置4而采用传统电弧离子镀技术所避免使用的低熔点纯金属或多元合金靶材。7.根据权利要求1所述的多级磁场电弧离子镀和射频磁控溅射复合沉积方法，其特征在于，工作气体选用氩气，或工作气体选用氮气、乙炔、甲烷、硅烷或氧气中一种或多种的混合气体，来制备纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜。
【专利摘要】多级磁场电弧离子镀和射频磁控溅射复合沉积方法，属于材料表面处理技术领域，本发明为解决低熔点的纯金属或多元合金材料和非金属材料（比如石墨）在传统电弧离子镀中的大颗粒问题和半导体材料及绝缘材料不能使用的限制，传统磁控溅射离化率及薄膜沉积效率低、高熔点靶材难离化，消除原有方法在靶材使用方面的限制。本发明方法包括：一、将待镀膜的工件置于真空室内的样品台上，接通相关电源；二、薄膜沉积：待真空室内的真空度小于10-4Pa时，通入工作气体并调整气压，开启镀膜电源，通过偏压电源对复合等离子体的能量进行调节，利用多级磁场直管磁过滤装置来消除大颗粒缺陷和保证电弧等离子体的传输效率，设置所需工艺参数，进行薄膜沉积。
【IPC分类】C23C14/35, C23C14/22, C23C14/32
【公开号】CN104975263
【申请号】CN201510450576
【发明人】魏永强, 宗晓亚, 蒋志强, 吴忠振, 刘源
【申请人】魏永强
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年7月28日