[发明专利]具高功率脉冲离子源的磁控溅射装置

说明书

本发明属于物理气相沉积领域，涉及一种具高功率脉冲离子源的磁控溅射装置。该装置包括由偏压电源供电的工件盘、与真空泵组相连的真空腔体，真空腔体内设有不少于2个的由电源Ⅰ供电的磁控溅射靶，相邻的磁控溅射靶之间设有由电源Ⅱ供电的高功率脉冲离子源，在真空腔体内形成闭环结构。本发明将高功率脉冲离子源同磁控溅射相复合，消除了高功率脉冲电源作为磁控溅射电源时产生的离子回流现象，保证了磁控溅射所需的高离化密度，高功率脉冲离子源提高了薄膜的沉积速率。

技术领域

本发明属于物理气相沉积领域，涉及一种原子级光滑薄膜电弧离子镀装置，可以用于金属薄膜、氮化物薄膜和碳化物薄膜的生长。

背景技术

目前，磁控溅射和电弧离子镀技术是制备碳基薄膜的主要手段。电弧技术理化率高，制备的薄膜结合力高但存在表面粗糙度大的问题，难以满足高精度的需求。磁控溅射由于其制备的薄膜表面光滑而被广泛应用，尤其是改进型的闭合场磁控溅射提升了工件表面离子流量，极大的提高了成膜效率。但是相对电弧离子镀，闭合场磁控溅射离化率约10%，薄膜密度和结合力难以达到理想的状态。这两种方法制备的碳基薄膜都存在硬脆性问题，难以克服。近年来发展起来的高功率脉冲溅射技术（high power impulse magnetronsputtering HIPIMS）可以有效的提高等离子体的离化率（Ti靶可达90%）和等离子体密度（高达10¹⁹m^-3数量级，比传统溅射高三个数量级），电子温度高达10 eV数量级。HIPIMS且具有低温沉积高性能薄膜的优点，可以在任何基底沉积功能性纳米结构薄膜，尤其是可以沉积超韧碳基薄膜，克服传统方法制备的碳基薄膜具有硬脆性的缺点。

但是HIPIMS实现工业化应用的主要局限性在于，与传统的磁控溅射工艺相比，其沉积速度较慢。进行高效HIPIMS技术设备的研制已成为目前国内外制备高性能超韧低摩擦新型薄膜和促进其产业化进程的亟需关键。Sarakinos 等人总结了近年来的研究后发现，和直流溅射相比较，HIPIMS 技术的成膜速率Ti(15-75%)、Cr(29%)、Cu(37-80%)、Al(35%)、Ta(20-40%)、Zr(15%) 。为此，人们提出在有外部离子预离化的情况下再施加脉冲电流，一般用直流磁控溅射电源进行离子的预离化。

国外方面，P.Vasina等人用一台脉宽1-60µs，脉冲电压500-1200V，频率1000Hz的高功率脉冲磁控溅射电源与与一台用于离子预离化的直流电源复合，用复合脉冲磁控溅射技术研究了这种改进工艺下的溅射电压、电流波形，以及这种新工艺的优点，研究表明，高功率复合脉冲磁控溅射技术解决了单一高功率脉冲磁控溅射存在雪崩延迟时间长和打弧概率高的问题，但沉积速率提高不显著。韩国先进科学与技术研究所的Sang-Hun Seo等人用两台脉冲电压分别为1.7KV和0.5KV的电源复合，提高沉积速率2倍以上。德国物理研究所的 Vitezslav等人发展了一种双极HIPIMS技术并与中频脉冲耦合，薄膜沉积速率提升3倍以上。在所有的改进工作中，Chistyakov等人的工作最具有革命性，他们采用了多波段脉冲调制模式，加大了占空比和脉冲长度，使得薄膜沉积速率大幅度提升，最高可接近传统的电弧离子镀，且薄膜应力低，硬度大。

在国内，关于高功率脉冲电源的研究较少，主要集中在研究所和大学里，如哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室的田修波等人，大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室的牟宗信等，遵化市三石电子研究所、中国科学院北京电子所、西南核物理研究院下属的普斯特电源公司和台湾核能研究所。国内主要集中于第一代HIPIMS的开发和改进工作。田修波等人发展了直流耦合HIPIMS电源，发现薄膜沉积速率有小幅提升。

综上所述，高功率脉冲磁控溅射确实优于传统的磁控溅射，离化率是普通磁控溅射的２个数量级，但是其低的沉积速率阻碍了工业化应用。如何发展一套磁控溅射体系，在保证高离化率的同时提高其沉积速率，对推动高功率脉冲溅射在镀膜领域的应用意义重大。

发明内容