[发明专利]微弧离子镀方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制造技术领域，具体涉及一种集磁控溅射膜层致密光滑和多弧离子镀沉积速率快绕镀性好等优点于一体的真空镀膜方法，简称微弧离子镀方法。

技术背景

磁控溅射与多弧离子镀是当前主流的PVD真空镀膜技术，两者各有长短。高电压低电流特征的磁控溅射具有沉积温度低、膜层表面致密光滑、组份可精确配比等优点，但其因镀料粒子离化率低导致绕镀性差，难以在具有复杂几何形状及大尺寸工件表面获得厚度均匀的膜层，故镀膜时必须配置复杂的腔内多轴旋转机构，导致生产效率低下。而低电压高电流特征的多弧离子镀因其具有远高于磁控溅射的镀料粒子离化率和靶电流密度，而使之获得比磁控溅射更好的绕镀性和更快的沉积速率，但由于多弧离子镀靶材表面会喷射出熔融态的大颗粒液滴，不仅使工件快速升温，而且也使膜层表面粗糙不细腻、难以精确控制膜层组份含量。两者自身明显的缺点严重制约了它们在精密机械制基础件和电子器件行业的应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种集磁控溅射膜层致密光滑和多弧离子镀沉积速率快、绕镀性好等优点于一体的具有高电压高电流特征的真空镀膜方法。

磁控溅射条件下的气体放电工作于辉光放电阶段，而多弧离子镀时气体放电则工作于更剧烈的弧光放电阶段，本发明将气体放电控制在介于辉光放电向弧光放电转变临界范围内，使镀料的来源同时兼有磁控溅射的“级联碰撞”和多弧离子镀的“热发射”两种机制，从而实现发明目的。本发明的方法中，通过阴极的气体放电电流密度>0.1A/cm²（辉光放电）而<1A/cm²（弧光放电），故而称为微弧离子镀方法。

简单来说，本发明的目的可通过如下关键步骤实现：构建输出电压-900V～-1200V、频率0.5KHz～60KHz、脉宽0.5μs～30μs的高频脉冲电场环境（高频脉冲电场环境的构建对本领域技术人员而言是容易获知的，例如可参见图1所示的方式）；将上述系统输出的脉冲信号通过可调电感衰减和数字逻辑电路调制后形成一系列以3%～15%占空比往复循环的脉冲组，每个脉冲组由依次发射占空比为3.76%～22.4%和占空比为15%～66.7%的等幅方波脉冲组成（如图2所示），并加载于面积为300mm×100mm的矩形阴极靶和体积为φ450mm×H400mm的阳极真空腔壳体两端，使充入真空腔内的Ar气放电在产生电压-700V～-900V，电流100A～300A，脉宽1ms～5ms，占空比3%～15%的伏安特性时进行离子镀膜工艺。

具体而言，为实现本发明的目的，采用以下技术方案。

一种微弧离子镀方法，包括以下步骤：

（1）构建输出的高频脉冲电场环境，其中，利用三相全波整流、IGBT逆变和高频变压器升压的主电路拓补结构使电源的输出特性达到：电压-900V～-1200V、频率0.5KHz～60KHz、脉宽0.5μs～30μs。而后将电源负输出端加载于尺寸为300mm×100mm的矩形平面阴极靶，正输出端施加于位于φ450mm×H400mm的圆柱体真空腔壳体侧表面且尺寸为386mm×189mm的矩形304L不锈钢框体（真空腔侧表面共开有4个空框，相互呈90°均匀分布，表面粗糙度低于0.8μm），框体距离阴极靶外沿3mm；

（2）将待镀膜的样品清洗干燥后放入真空腔中，将真空腔抽至6×10^-5Pa～6×10^-4Pa，通入氩气并将真空度保持在0.2Pa～0.6Pa。

（3）开启脉冲靶电源和脉冲负偏压电源对样品进行离子轰击清洗，控制参数为：脉冲靶电压为-900V～-1000V，脉宽3μs～12μs，频率2KHz～5KHz；脉冲负偏压为-400V～-550V，脉宽1.5μs～2.5μs，频率50KHz～150KHz。离子清洗时间3min～10min。

（4）通入反应性气体并保持真空腔内真空度为0.4Pa～1.5Pa。接通可调节电感将脉冲靶电压衰减为-650V～-950V，并通过数字逻辑电路将脉冲调制为脉宽3μs～40μs的，先以5KHz～15KHz输出300μs～500μs，紧接着以40KHz～55KHz输出900μs～2000μs的脉冲组，此脉冲组再以3%～15%的占空比重复输出。施加脉冲组时段内靶电流为150A～300A。脉冲负偏压为-75V～-120V，脉宽0.7μs～4μs，频率200KHz～300KHz。镀膜持续时间20～30min。

（5）完成镀膜的样品冷却后，取出。