[发明专利]组合磁场的电弧离子镀与孪生靶高功率脉冲磁控溅射方法

摘要

组合磁场的电弧离子镀与孪生靶高功率脉冲磁控溅射方法，属于材料表面处理技术领域，本发明为解决电弧离子镀中大颗粒对薄膜的污染和靶材使用限制、磁过滤电弧等离子体的损失及高功率脉冲磁控溅射放电不稳定等问题。本发明的装置包括：偏压电源、电弧离子镀靶源及电源、多级磁场装置及电源、活动线圈装置及电源、波形匹配装置、孪生靶高功率脉冲磁控溅射靶源及电源、示波器和真空室；薄膜沉积：连接装置，启动系统，待真空室内的真空度小于10^‑4Pa时，通入工作气体，开启镀膜电源，偏压电源对等离子体的能量进行调节，多级磁场装置和活动线圈装置消除大颗粒缺陷和引导复合等离子体的传输，减少在真空室中的损耗，设置制备工艺参数。

主权项

1.组合磁场的电弧离子镀与孪生靶高功率脉冲磁控溅射方法，其特征在于，该装置包括偏压电源（1）、弧电源（2）、电弧离子镀靶源（3）、孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源（4）、孪生靶高功率脉冲磁控溅射靶源（5）、偏压电源波形示波器（6）、孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源波形示波器（7）、波形同步匹配装置（8）、活动线圈装置（9）、活动线圈装置电源（10）、变阻器装置（11）、多级磁场装置（12）、多级磁场装置电源（13）、样品台（14）和真空室（15）；该装置中：待处理基体工件置于真空室（15）内的样品台（14）上，电弧离子镀靶源（3）、孪生靶高功率脉冲磁控溅射靶源（5）、活动线圈装置（9）和真空室（15）之间相互绝缘，工件放置在样品台（14），样品台（14）接偏压电源（1）的负极输出端，电弧离子镀靶源（3）和孪生靶高功率脉冲磁控溅射靶源（5）安装在真空室（15）上，分别接弧电源（2）和孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源（4）的负极输出端，孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源波形示波器（7）的一端接地，另一端连接孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源（4）的输出端，活动线圈装置（9）通过法兰口上的正负极输入端连接活动线圈装置电源（10），正负极接法可以依据输出磁场方向进行确定，变阻器装置（11）与活动线圈装置（9）串联，接入与活动线圈装置电源（10）的回路中，偏压电源（1）的负极连接样品台（14），偏压电源波形示波器（6）的一端接地，另一端连接偏压电源（1）的输出端，多级磁场装置（12）的各级磁场接多级磁场装置电源（13）的各个输出端，正负极接法可以依据输出磁场方向进行确定，开启电源总控制开关和外部水冷循环系统；薄膜沉积：将真空室（15）内抽真空，待真空室（15）内的真空度小于10^‑4Pa时，通入工作气体至0.01Pa～10Pa，开启偏压电源（1）和偏压电源波形示波器（12），偏压电源（1）可以为直流、单脉冲、多脉冲、直流脉冲复合或双极性脉冲偏压，输出的偏压幅值，脉冲频率和脉冲宽度调节，偏压电源（1）输出脉冲的峰值电压值为0～1.2kV，脉冲频率为0Hz～80kHz，脉冲宽度1~90%，工作电流0~400A，最大输出功率200kW；开启波形同步匹配装置（8），利用偏压电源波形示波器（6）显示偏压电源（1）输出的波形，孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源波形示波器（7）显示孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源（4）的输出波形，通过波形同步匹配装置（8）输出的同步触发信号来控制偏压电源（1）和孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源（4）工作；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，最大输出功率12kW；通过多级磁场装置电源（13）调节多级磁场装置（12），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，保证靶材烧蚀的均匀性，提高靶材的利用效率，使电弧等离子体以较高的传输效率通过多级磁场装置（12），多级磁场装置（12）采用表面绝缘的紫铜线，依据通过电流和磁场强度确定线的直径和匝数，多级磁场装置电源（13）向各级磁场分别独立供电，实现各级磁场的独立可调，装置结构确定后，通过多级磁场装置电源（13）的输出电流来调节多级磁场装置（12）输出的各级磁场方向和强度；多级磁场装置（12）选择无磁性、耐清理的304不锈钢材料，依据靶材的直径、冷却、传输距离来确定长度、内外径、厚度、磁场匝数和方向，多级磁场装置（12）的内径依据电弧离子镀靶源（3）的外径确定；开启孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源（4），先通过直流起辉预离化，调节孪生靶高功率脉冲磁控溅射靶源（5）所需工艺参数，孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源波形示波器（7）显示孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源（4）输出的脉冲波形，孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源（4）采用单极性单脉冲、单极性多脉冲、单极性单段深振荡脉冲、单极性多段深振荡脉冲、双极性单脉冲、双极性多脉冲、双极性单极单段深振荡脉冲、双极性单极多段深振荡脉冲、双极性两极单段深振荡脉冲、双极性两极多段深振荡脉冲的工作模式，输出功率100W~500kW，频率0～10kHz，峰值电流10A～5000A，正负脉冲宽度1μs～3000μs，工作电压100V～4000V，正负脉冲间隔设置为5μs～3000μs，再依据靶材种类、尺寸和沉积工艺选择孪生靶高功率脉冲磁控溅射靶源（5）输出的工作电压、峰值电流、正负脉冲宽度和间隔，产生稳定的多元复合等离子体，调整孪生靶材在薄膜中的元素比例；孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源（4）的脉冲电压、各段占空比、频率和深振荡波形可以独立可调，其中单极性多脉冲、单极性单段深振荡脉冲、单极性多段深振荡脉冲可以调整高功率起辉脉冲电压幅值和波形模式，使孪生靶高功率脉冲磁控溅射靶源（5）迅速进入异常辉光放电的模式，通过脉冲电压峰值的短暂提高来使孪生靶高功率脉冲磁控溅射靶源（5）的靶电流迅速升高，增加了高功率脉冲磁控溅射的等离子体密度和离化率，之后孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源（4）进入正常的高功率脉冲磁控溅射的正常低电压高电流的放电状态，还可以通过短暂的深振荡模式可以改善孪生靶高功率脉冲磁控溅射靶源（5）的放电状态，消除电荷积累引起的打火和离子回吸等不稳定放电因素对薄膜制备的影响，也有利于提高薄膜的沉积速率；其中深振荡脉冲偏压可以在孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源（4）工作启动开启，有利于减少打火对等离子体放电的不利影响，也可以在中间开启，有利于改善等离子体密度，调整薄膜沉积的应力，也可以在结束阶段开启，有利于下一个阶段放电的顺利进行，深振荡脉冲电压的幅值还可以调整为不同的或者阶段性变化的幅值，也可以在负脉冲阶段出现深振荡脉冲，也可以在正脉冲阶段出现深振荡脉冲，再与周期为偏压电源（1）输出脉冲的配合，偏压电源脉冲波形与孪生靶高功率脉冲磁控溅射脉冲波形整数倍、不同相位和不同脉冲宽度的匹配，进行薄膜沉积；通过波形同步匹配装置（8）控制偏压电源（1）输出电压和孪生靶高功率脉冲磁控溅射电源（4）输出电压，使两者的相位差为‑1000μs～1000μs，保证基体对金属等离子体的有效吸引和离子能量的调节，进行纯金属薄膜、不同元素比例的化合物陶瓷薄膜、功能薄膜及具有纳米多层或梯度结构的优质薄膜制备；开启活动线圈装置电源（10），通过活动线圈装置电源（10）调节活动线圈装置（9），调节活动线圈装置（9）的输入电流，利用活动线圈装置（9）产生的磁场控制从多级磁场装置（12）传输出来的电弧等离子体的传输路径，利用活动线圈装置的形状和磁场磁力线布局、方向的配合，活动线圈可以采用经典的90度弯曲型，也可以采用直线和弯曲、弯曲和直线组合（直线部分的磁力线与弯曲部分的磁力线相切、相交），直线和直线组合（两段直线部分的磁力线相交），直线、圆弧和直线的组合（三段相交和相切的组合）以及圆弧、直线和圆弧的组合（三者之间相切和相交）等典型的线圈结构组合，其中的圆弧和直线部分根据空间位置和传输路径的需要进行确定，实现与大颗粒缺陷的分离，使其以较高的传输效率到达基体表面，进行薄膜的快速沉积，多级磁场装置（12）对电弧等离子体中的大颗粒缺陷进行过滤消除，保证靶材烧蚀的均匀性，提高靶材的利用效率，克服了高功率脉冲磁控溅射技术放电不稳定和离子回吸问题，使复合等离子体以较高的传输效率通过活动线圈装置（9），同时实现对磁场方向和磁场强度的调节，引导电弧等离子体和高功率脉冲磁控溅射等离子体到达真空室（13）内的任意位置或样品台（12）上任意形状的基体表面，克服由于真空室空间和靶源布局设计引起的沉积位置限制或者基体形状限制引起的薄膜沉积不均匀问题，活动线圈装置（9）的线圈匝数、线圈间距、形状和传输路径等调节来控制复合等离子体，减少复合等离子体在真空室（13）内的损失，清除电弧等离子体中的大颗粒缺陷，进行薄膜的快速沉积；调节变阻器装置（11）的输出电阻，实现活动线圈装置（9）上的正偏压变化，正偏压产生的电场可以实现对电弧等离子体中电子和残余大颗粒的吸引，进而增加活动线圈装置（9）中输出的电弧等离子体的离子数目增加，提升电弧等离子体在活动线圈装置（9）中的传输效率，消除残余的大颗粒缺陷；活动线圈装置（9）选择低电阻的紫铜管，铜管的直径、厚度和长度依据活动线圈装置（9）的匝数、线圈通道直径、线圈形状、线圈匝间距、真空室大小、复合等离子体的传输路径和传输距离来确定；活动线圈装置电源（10）的正负极依据磁场强度、方向和冷却系统向活动线圈装置（9）提供合适的电流，电流的输入范围为0~2000A，保证整个真空系统的稳定性和活动线圈装置（9）输出合适的磁场，使复合等离子体按照活动线圈装置（9）设定的路径传输，保证对残余的大颗粒清除的同时以高的传输效率达到基体表面，避免复合等离子体在真空室（13）中损失，实现薄膜的快速沉积；电弧离子镀靶源（3）、孪生靶高功率脉冲磁控溅射靶源（5）、多级磁场装置（12）和活动线圈装置（9）采用直接水冷方式，避免工作过程中的温度升高问题，有外部水冷机系统提供足够的冷却水流量和冷却温度，来保证整个真空系统的正常运行。