[發明專利]一種用于制備非晶薄膜的電弧離子鍍冷卻裝置及其應用

無效

• 申請號: 201110171447.1
• 申請日: 2011-06-23
• 公開（公告）號: CN102839353A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: 肖金泉;常正凱;孫超;宮駿;華偉剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/54
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 白振宇

技術領域

本發明屬于薄膜制備領域，具體地說是一種用于制備非晶薄膜的電弧離子鍍冷卻裝置及其應用。

背景技術

電弧離子鍍沉積技術是一種在真空中將冷陰極自持弧光放電用于蒸發源的鍍膜技術。真空系統通入氬氣至1～10^-1Pa時，在陰極靶材與陽極真空室之間引發弧光放電并產生高密度的金屬蒸氣等離子體，靶材金屬正離子在負電壓電場加速作用下，沉積到基體表面成膜。由此可見，電弧離子鍍沉積薄膜的形核與長大是由離子加速的方式來激勵的，并且被電離的靶材金屬正離子與氣體正離子一起受到電場加速作用，不斷轟擊基體表面，產生能量積累，導致基體溫升。由于其結構簡單，沉積速率高(0.1～50μm/min)，入射粒子能量高(約幾十電子伏)，離化率高(60％～80％)，繞射性好等優點，使電弧離子鍍技術得到快速發展，并成為20世紀80年代以來工業化應用較好的鍍膜技術之一。

薄膜材料的性能由其結構決定，而沉積過程中基體溫度又是影響沉積薄膜組織結構的重要因素。例如，對于電弧離子鍍硬質薄膜(如氮化鉻、氮化鈦)，高能量入射粒子的轟擊、弧光的熱輻射效應及基體附加的負偏壓轟擊效應都提高了基體溫度，為沉積粒子結晶形成高硬度的CrN及TiN相提供了能量。然而，若要利用電弧離子鍍沉積具有某些特定性能的納米晶甚至非晶結構的薄膜材料時，沉積過程中則需要較低的基體溫度，以抑制沉積粒子在結晶過程中的形核與長大。因此，如何抑制基體在沉積過程中能量的積累，成為解決非晶薄膜材料制備的關鍵。

目前制備非晶薄膜主要利用磁控濺射技術和電弧離子鍍磁過濾技術。對于磁控濺射，其工作原理是電子在電場的作用下，在飛向基體過程中與氬原子發生碰撞，使氬氣電離產生出Ar⁺和新的電子；新的電子飛向靶面被磁場束縛，它極大的提高了磁控靶面電子與氬氣碰撞機率，產生大量的氬離子，Ar⁺在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面使靶材發生濺射，產生濺射的中性粒子和靶原子沉積在基體上形成薄膜。由于沉積的中性粒子及電子能量很低，傳遞給基體的能量很小，致使基片溫升較低，有利于形成非晶結構的薄膜。但是由于磁控濺射沉積薄膜速率低(0.01～0.5μm/min)，在要求沉積較厚的非晶薄膜時不存在優勢，難以在工業上得到進一步應用。

電弧離子鍍磁過濾技術是基于電弧離子鍍沉積設備的輔助技術，是在沉積薄膜從陰極靶材1到磁過濾裝置基體5的傳輸路徑中增加一套電磁過濾設備(如圖1所示)，主要利用金屬靶材大顆粒與金屬離子質荷比的差別將大顆粒完全阻擋在沉積區外。由于增加了粒子輸運路徑，使得磁過濾裝置基體表面接受入射粒子轟擊能和靶材熱輻射能急劇降低，從而達到控制基體溫升的目的，有利于非晶薄膜沉積。磁過濾技術的采用，雖然有效地消除了大顆粒的污染，但由于等離子體在傳輸過程中的損失，沉積速率也大幅度降低(一般小于2μm/h)，目前等離子體的傳輸效率最高也僅有25％，導致了原材料的浪費和生產效率降低。而且值得關注的是，在這些去除大顆粒的方法中，都必須附加額外的磁過濾設備，使成本增加了很多。因此，使用該技術來制備非晶薄膜也不利于工業上應用推廣。

發明內容

為了解決磁控濺射技術沉積薄膜速率低(0.01～0.5μm/min)，在要求沉積較厚的非晶薄膜時，難以在工業上應用的問題，解決電弧離子鍍磁過濾技術由于等離子體在傳輸過程中的損失，沉積速率大幅度下降以及必須附加額外的磁過濾設備，使鍍膜成本增加的問題，本發明的目的在于提供一種用于制備非晶薄膜的電弧離子鍍冷卻裝置及其應用。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

本發明的冷卻裝置包括冷凝劑輸入管、冷凝劑輸出管、法蘭盤、絕緣墊圈及樣品臺，其中法蘭盤通過絕緣墊圈密封安裝在電弧離子鍍爐體上，所述冷凝劑輸入管及冷凝劑輸出管的一端分別安裝在法蘭盤上，并由法蘭盤穿出分別與外部流速可控的冷凝劑循環系統的進、出水口連接，冷凝劑輸入管及冷凝劑輸出管的另一端連接有樣品臺，該樣品臺及法蘭盤以下的部分冷凝劑輸入管和冷凝劑輸出管均位于電弧離子鍍爐體的真空腔體內。