[發明專利]陰極真空電弧源薄膜沉積裝置及沉積薄膜的方法

有效

• 申請號: 201010135514.X
• 申請日: 2010-03-25
• 公開（公告）號: CN101792895A
• 公開（公告）日: 2010-08-04
• 發明（設計）人: 汪愛英;李洪波;柯培玲
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: C23C14/24
• 分類號: C23C14/24;C23C14/54
• 代理公司: 寧波市天晟知識產權代理有限公司 33219
• 代理人: 張文忠

技術領域

本發明涉及一種陰極真空電弧源薄膜沉積裝置及利用該裝置沉積薄膜的方法。

背景技術

陰極真空電弧沉積法是將真空電弧蒸發源產生的等離子體，借助負偏置電壓等吸引 至基體，并在基體表面上形成薄膜的一種方法。其中，陰極真空電弧蒸發源通過真空電 弧放電蒸發陰極靶，由此產生含有陰極靶材料的等離子體。陰極真空電弧沉積法具有離 化率高、離子能量高、沉積溫度低、沉積速率高、膜基結合好等一系列優點，因此，不 僅是目前沉積傳統TiN、CrN、TiAlN等硬質薄膜的主要方法，也是沉積ta-C超硬薄膜 最有前途的方法之一。但是，在薄膜沉積過程中，陰極表面電弧斑放電劇烈，在產生高 密度等離子體的同時也產生大量的宏觀顆粒。其中，宏觀顆粒是指直徑約為幾微米至幾 十微米的大顆粒(這種大顆粒也稱作“液滴”或者“大型顆粒”)。宏觀大顆粒與等離子 體在基體上的協同沉積，常常使薄膜表面粗糙度增加，膜基結合力下降，影響高質量薄 膜的獲得，已成為陰極真空電弧方法產業化應用中的關鍵技術瓶頸。

目前，減少宏觀大顆粒協同沉積的方法有三種：一是在陰極電弧電源處利用外加電 磁場控制電弧斑點的運動，延長弧斑壽命，減少因斷弧而頻繁啟動電弧過程中熔滴大顆 粒的產生；其次是利用帶有外加勵磁線圈的磁過濾彎管裝置，在傳輸過程中將宏觀大顆 粒在一定程度上過濾掉，避免其沉積到基體表面，其機理是在外加磁場作用下，宏觀大 顆粒由于質量較大，在慣性作用下直接濺射到管壁上被過濾掉，而質量小的離子束則在 電子束流形成的外力牽引下，順利通過磁過濾彎管到達基體表面，從而獲得高質量的薄 膜；再者是在沉積過程中，利用其它離子束流輔助轟擊基體，也可減少協同沉積在基體 上的附著性相對較弱的大顆粒，增強膜基的結合力和提高薄膜質量。

上述方法中，采用帶有外加勵磁線圈的磁過濾彎管，被認為是目前去除宏觀大顆粒 最有效的方法。根據結構設計的不同，磁過濾彎管可設計成直線形、90°彎曲形、膝形、 S形及60°彎曲形等。然而，這幾種磁過濾彎管在減少宏觀大顆粒和提高等離子體的有 效傳輸方面還有不足，尤其隨現代大容量信息存儲、MEMS微機電、航空航天等高技術領 域的快速發展，傳統的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置在沉積超硬、超薄ta-C薄膜方面 還難以滿足要求。因而，目前迫切需要研制一種兼具有效過濾宏觀大顆粒和高效傳輸等 離子體的新型陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，以及探索一種利用該新型陰極真空電弧源 薄膜沉積裝置沉積大面積、高性能ta-C薄膜的新方法。

發明內容

本發明所要解決的第一個技術問題是針對現有技術中的不足，提供一種陰極真空電 弧源薄膜沉積裝置，以減少宏觀大顆粒在工件表面的沉積，同時提高等離子體在磁性過 濾部分中的有效傳輸，提高薄膜沉積的速率，以及改變薄膜的沉積面積和均勻性。

本發明所要解決的第二個技術問題是針對現有技術中的不足，提供一種高速沉積大 面積、高性能薄膜的方法。

本發明專利解決上述第一個技術問題所采用的技術方案是：陰極真空電弧源薄膜沉 積裝置，包括依次密封連接的陰極真空電弧蒸發源、磁性過濾部分、安裝有基體的薄膜 沉積真空腔，以及抽真空裝置；磁性過濾部分包括管體與設置在管體外部周緣的磁場產 生器，管體包括管體入口端面和管體出口端面，管體入口端面與管體出口端面之間至少 有一個彎管，并且該彎管兩側管體的軸線之間的夾角為135°；在陰極真空電弧蒸發源 上設置有用于通入惰性氣體的氣體通道；磁場產生器包括設在管體入口處的拽引線圈、 設在管體彎管處的彎轉線圈和設在管體出口處的輸出線圈，與所述拽引線圈相連的拽引 線圈直流電源、與所述彎轉線圈相連的彎轉線圈直流電源和與所述輸出線圈相連的輸出 線圈直流電源；輸出線圈的外側周緣均勻設置四個掃描線圈，該掃描線圈與輸出線圈互 相垂直，該掃描線圈連接有掃描線圈交流電源。

為優化上述技術方案，采取的措施還包括：

上述磁性過濾部分的管體內壁設有柵狀擋板。

上述柵狀擋板是由倒齒類的柵格串聯圈構成。

上述輸出線圈的外側周緣均勻設置四個掃描線圈，該掃描線圈與輸出線圈互相垂 直，該掃描線圈連接有掃描線圈交流電源。