[发明专利]一种离子镀膜装置和离子镀膜方法

说明书

技术领域

本申请涉及离子镀膜领域，特别是涉及一种离子镀膜装置和离子镀膜方法。

背景技术

等离子体表面处理及镀膜技术已经广泛应用于工具、模具、机械防护等工业工程领域，以及薄膜太阳能电池、锂电池，和手机、手表、照明等日常生活中。单就工业涂层而言，2007年巴尔查斯涂层公司根据其在中国的销售数据和市场调研数据预估，中国PVD涂层市场总量在2007年约为4-5亿人民币，市场总潜力约为8-10亿人民币，且该数据以每年10％-20％的速度快速增长。

目前应用最广的等离子体镀膜技术有两种，磁控溅射和阴极弧离子镀。这两种技术各有优缺点，磁控溅射技术获得的沉积粒子全部为单原子粒子，沉积薄膜平滑、均匀、致密，但是由于沉积粒子离化率不高，粒子能量可控性差；阴极弧离子镀技术可以获得几乎100％离化率的束流，能量可控性好，但是由于较高的电弧热，靶材表面材料来不及气化直接以“液滴”的形式存在于离子束流中，沉积到薄膜上形成“大颗粒”，严重影响薄膜质量。

1999年提出的高功率脉冲磁控溅射技术，采用较高的峰值功率将磁控溅射技术的离化率提高，其离化率根据不同的靶材料可达到60％-90％，且这个高离化率的粒子束流中不含“液滴”，不会在薄膜上形成“大颗粒”，详细记载于公开号US6296742B1的专利中。因此该技术被认为是唯一有望取代常规磁控溅射和阴极弧离子镀的镀膜技术。但是，根据Anders的一篇文章报道，该技术工作在接近电弧放电的异常辉光放电阶段，很容易过渡到电弧放电产生“打弧”，放电不稳定，对于不同靶材料，其沉积粒子离化率差异较大，很难获得100％离化的束流(A.Anders.High power impulse magnetron sputtering:Current-voltage-time characteristic indicate the onset of sustained self-sputtering.J.Appl.Phys.2007,102:113303)。此外，Christie的研究也显示，由于靶电压电位较低，离化后的溅射材料离子在电场作用下又被吸回到靶材表面，造成该技术的沉积速率较低(D.J.Christie.Fundamentals of high power pulsed magnetron sputtering:visualization of mechanisms for rate reduction and increased.Czech.J.Phys.2006,56:B93)。

发明内容

本申请的目的是提供一种结构改进的离子镀膜装置，以及基于该离子镀膜装置的离子镀膜方法。

为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：

本申请公开了一种离子镀膜装置，包括真空室、磁控溅射靶源、高功率脉冲磁控溅射电源、偏压电源和工件平台；真空室为封闭空腔，磁控溅射靶源和工件平台设置于真空室中，并且磁控溅射靶源位于工件平台正对面；磁控溅射靶源包括外壳、若干个磁性元件、铜套、磁控靶、熄弧罩、冷却系统和磁钢，外壳呈中空的圆柱筒状，圆柱筒外壳的顶端固定在真空室上，圆柱筒外壳的底端面向工件平台，磁钢、冷却系统、铜套和磁控靶依序层叠铺设于外壳内，并且，磁钢、铜套和磁控靶都不与外壳导通，磁控靶嵌在铜套内，若干个磁性元件均匀的镶嵌在磁钢上，熄弧罩固定于圆柱筒外壳的底端，并将圆柱筒外壳内壁上依序层叠设置的磁钢、冷却系统、铜套和磁控靶的两端包裹住，熄弧罩磁性元件、铜套、磁控靶和磁钢之间留有间隙，均不导通；高功率脉冲磁控溅射电源和偏压电源设置于真空室外，并且，高功率脉冲磁控溅射电源的负极与磁控溅射靶源的铜套和磁控靶电连接，正极接地，偏压电源的负极与工件平台电连接，正极接地或者与外壳电连接。

需要说明的是，其中磁钢是将若干个磁性元件的一端连通实现磁短路用的。本申请中，冷却系统优选的为循环水冷却系统，用于给磁控靶降温。磁控靶与铜套一体导通，并不与外壳或熄弧罩导通。本申请中，导通是指导电连通，即通电时为导电连通状态；熄弧罩安装在外壳上，两者之间可以导通，也可以不导通，其与磁性元件、铜套、磁控靶和磁钢之间留有空隙，均不导通，而磁钢与外壳不导通，磁钢与外壳之间是留有空隙的，两者采用绝缘的螺钉固定；并且，磁性元件、冷却系统与外壳之间都是不连通的。总之，在使用时，接通高功率脉冲磁控溅射电源后，仅磁控靶与铜套一体导通。