[发明专利]组合磁场和内衬偏压锥形管与阶梯管复合过滤的电弧离子镀

摘要

组合磁场和内衬偏压锥形管与阶梯管复合过滤的电弧离子镀，属于材料表面处理技术领域，本发明为解决多级磁场过滤装置中大颗粒对薄膜的污染和等离子体传输过程中的损失问题。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、内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置及偏压电源、活动线圈装置及电源、偏压电源波形示波器等；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，利用偏压电源调节电弧等离子体的能量，通过内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置和多级磁场装置消除电弧等离子体中的大颗粒缺陷和提高在过滤装置的传输效率，减少在真空室中的损耗，设置工艺参数制备薄膜。

主权项

1.组合磁场和内衬偏压锥形管与阶梯管复合过滤的电弧离子镀，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）、多级磁场装置（4）、多级磁场电源（5）、内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）、内衬偏压电源（7）、活动线圈装置（8）、活动线圈装置电源（9）、变阻器装置（10、）样品台（11）、偏压电源波形示波器（12）和真空室（13）；该装置中：待处理基体工件置于真空室（13）内的样品台（11）上，多级磁场装置（4）、内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）、活动线圈装置（8）和真空室（13）之间相互绝缘，工件放置在样品台（11），样品台（11）接偏压电源（1）的负极输出端，电弧离子镀靶源（3）安装在真空室（13）上，接弧电源（2）的负极输出端，多级磁场装置（4）的各级磁场接多级磁场电源（5）的各个输出端，正负极接法依据输出磁场方向进行确定，内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）接内衬偏压电源（7）的正极输出端，活动线圈装置（8）通过法兰口上的正负极输入端连接活动线圈装置电源（9），变阻器装置（10）与活动线圈装置（8）串联，接入与活动线圈装置电源（9）的回路中，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（13）内抽真空，待真空室（13）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）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；弧电源（2）开启，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；通过多级磁场电源（5）调节多级磁场装置（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，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（4），多级磁场装置（4）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，多级磁场电源（5）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，通过多级磁场电源（5）的输出电流来调节多级磁场装置（4）输出的各级磁场方向和强度；内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）可以配合多级磁场装置（4）设计内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置的外径、内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置的结构还可以配合多级磁场装置（4）设计2级阶梯管与锥形管组合、1级阶梯管与锥形管组合或者3级阶梯管与锥形管组合及以上阶梯管的结构、梯度差和进出口布局并结合锥形管出入口的差别，各级阶梯管与锥形管之间连接固定，通过无磁不锈钢的铆钉连接和位置固定；内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）与多级磁场装置（4）之间活动绝缘装配在一起，视表面污染程度及时拆卸清理和安装，避免了无衬板状态下多级磁场装置（4）的管内壁污染和难于清理的问题，以及可以有效避免靶材更换后内衬阶梯管污染物的二次溅射引起薄膜成分的污染；内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）与多级磁场装置（4）的各级磁场长度和各级阶梯管与锥形管的出口相配合，阶梯管长度H和多级磁场装置（4）的长度相同，阶梯管右侧进口处的内径D_进大于电弧离子镀靶源（3）的外径，而小于多级磁场装置（4）的内径，根据不同靶材和工艺参数进行选择，通过阶梯管进口处和出口处的内径变化可以实现对大颗粒的机械阻挡屏蔽；多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）的材料选择无磁性、耐清理的304不锈钢材料，多级磁场装置（4）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，内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）根据多级磁场装置（4）内径确定内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）的外径，内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）根据长度和刚度需要选择合适的厚度按照实际设计参数加工即可；开启内衬偏压电源（7），内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）保持直流、单脉冲、多脉冲、直流脉冲复合或双极性脉冲偏压，其中单脉冲、多脉冲或双极性脉冲偏压类型通过调节脉冲频率、脉冲宽度和脉冲类型，输出电压的调整保证内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）对大颗粒进行吸引，对沉积离子进行排斥，减少电弧等离子体在管内传输过程中的损耗，降低甚至消除电弧等离子体中的大颗粒缺陷，提高电弧等离子体的传输效率和薄膜的沉积速度，内衬偏压电源（7）的电压参数为‑200 ~ +200V，为直流、单脉冲、多脉冲、直流脉冲复合或双极性脉冲电源，其中脉冲类型可以调节脉冲频率、脉冲宽度和脉冲类型，在沉积过程中对大颗粒缺陷产生周期性或者持续稳定的吸引，大大减少大颗粒通过多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）的机率；开启活动线圈装置电源（9），调节活动线圈装置（8）的输入电流，同时实现对磁场方向和磁场强度的调节，活动线圈装置（8）的线圈匝数、线圈间距、形状和传输路径等调节来控制从多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）传输出来的电弧等离子体，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，使其以较高的传输效率到达基体表面，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，进行薄膜的快速沉积；调节变阻器装置（10）的输出电阻，实现活动线圈装置（8）上的正偏压变化，正偏压产生的电场可以实现对多级磁场装置（4）和内衬偏压锥形管与阶梯管组合装置（6）中传输出来的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（8）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（8）中的传输效率，消除残余的大颗粒缺陷；活动线圈装置（8）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（8）的匝数、线圈通道直径、线圈形状、线圈匝间距、真空室大小、电弧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（9）的正负极依据磁场强度、方向和冷却系统向活动线圈装置（8）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（8）输出合适的磁场，使电弧等离子体按照活动线圈装置（8）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，避免电弧等离子体在真空室（13）中损失，实现薄膜的快速沉积；电弧离子镀靶源（3）、多级磁场装置（4）和活动线圈装置（8）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。