[發(fā)明專利]提供濺射顆粒的增強(qiáng)電離的高功率脈沖磁控濺射方法以及用于其實(shí)施的裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201280030375.1
• 申請(qǐng)日: 2012-04-16
• 公開（公告）號(hào): CN103608483A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: M.萊赫塔勒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 歐瑞康貿(mào)易股份公司（特呂巴赫）
• 主分類號(hào): C23C14/35
• 分類號(hào): C23C14/35;C23C14/56;C23C14/34;H01J37/34
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 毛立群;胡莉莉

本發(fā)明涉及用于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的高功率脈沖磁控濺射（HIPIMS）工藝的方法，與傳統(tǒng)的HIPIMS涂層相比，該優(yōu)化的高功率脈沖磁控濺射（HIPIMS）工藝展示了濺射顆粒的增強(qiáng)電離、更高的涂層沉積速率以及增強(qiáng)的涂層質(zhì)量。

背景技術(shù)

物理氣相沉積（PVD）工藝被廣泛地確立為用于制造用來(lái)保護(hù)工具和組件且增強(qiáng)它們的原始屬性的薄膜的涂層沉積工藝。存在PVD工藝的不同變體。

非常有趣的用于工具和組件的涂層的PVD工藝?yán)缡请娀‰x子鍍（AIP）、磁控濺射離子鍍（MSIP）以及陽(yáng)極蒸發(fā)，它們具有例如如下對(duì)應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

–AIP確實(shí)是一種被廣泛地確立的技術(shù)。它尤其用于切割工具的涂層，這是因?yàn)榻柚谒a(chǎn)生的例如關(guān)于密度、粘附性、硬度和切割性能的非同一般的非常好的質(zhì)量的涂層。非常有利的還有通常通過(guò)AIP工藝獲得的例如關(guān)于高等離子體電離、高涂層沉積速率的工藝狀況。因?yàn)檫m用性和靈活性，AIP技術(shù)此外允許來(lái)自導(dǎo)電材料目標(biāo)的涂層架構(gòu)和復(fù)雜涂層組分的合成。然而，AIP工藝的主要缺點(diǎn)是生成液滴（未被完全蒸發(fā)以及未與反應(yīng)氣體完全反應(yīng)，來(lái)自目標(biāo)的宏觀顆粒），這可能導(dǎo)致涂層缺陷、不適宜的高涂層粗糙度和不適宜的更低涂層硬度。

–MSIP也是一種被廣泛地確立的技術(shù)，其尤其用于組件的涂層，與AIP技術(shù)相比，其最重要的優(yōu)點(diǎn)在于避免通過(guò)涂層工藝形成不適宜液滴的可能性。然而，MSIP涂層的涂層質(zhì)量（關(guān)于涂層密度、涂層粘附性和硬度）通常遜于AIP涂層的對(duì)應(yīng)質(zhì)量。另外，MSIP工藝中的等離子體電離也非常差并且借助于MSIP技術(shù)獲取的涂層沉積速率顯著地低于借助于AIP技術(shù)獲得的涂層沉積速率。

–陽(yáng)極蒸發(fā)是一種非常有趣的涂層沉積技術(shù)，其允許產(chǎn)生通過(guò)高沉積速率沉積的高質(zhì)量涂層并且沒(méi)有液滴。然而，該技術(shù)不提供關(guān)于復(fù)雜涂層組分的合成的靈活性，而是到現(xiàn)在為止只有簡(jiǎn)單的涂層組分（諸如TiN、CrN和TiCN）已經(jīng)被使用陽(yáng)極蒸發(fā)技術(shù)來(lái)合成。

就HIPIMS技術(shù)來(lái)說(shuō)，在過(guò)去的幾年里它已經(jīng)得到了很多關(guān)注，尤其被用于組件和工具的涂層。HIPIMS是一種PVD濺射技術(shù)，其允許生成與由MSIP技術(shù)生成的等離子體相比具有顯著更高的金屬顆粒電離的低壓等離子體。因此，HIPIMS技術(shù)允許在沒(méi)有液滴的情況下合成平滑涂層（與借助于MSIP技術(shù)沉積的涂層類似），除此之外還展示了與使用MSIP技術(shù)合成的涂層相比顯著更高的涂層質(zhì)量（例如關(guān)于涂層密度和硬度）。

與MSIP工藝相比，HIPIMS工藝獲得更高的等離子體密度，這是通過(guò)增大在放電中耗散的功率而生成的，這允許達(dá)到約4–5A/cm²的高電流密度以及因此達(dá)到大約10¹³cm^-3的高等離子體密度。因此，從目標(biāo)噴射的濺射金屬顆粒具有高電離可能性。

然而，盡管HIPIMS技術(shù)提供了非常有趣的優(yōu)點(diǎn)，但是通過(guò)使用該技術(shù)進(jìn)行涂層沉積而觀察到的非常低的涂層沉積速率（比MSIP涂層沉積速率更低）導(dǎo)致在效率方面的大缺點(diǎn)。

與通過(guò)MSIP工藝類似，HIPIMS工藝也需要特定形狀的磁場(chǎng)，這些場(chǎng)被用來(lái)捕獲和限制接近于目標(biāo)表面的等離子體的重要部分并因此獲取高放電電流。這些磁場(chǎng)被配置成使得電子在目標(biāo)附近被捕獲并且遵循螺旋運(yùn)動(dòng)，以這種方式，在給定的體積內(nèi)它們的路徑長(zhǎng)度被增大并且電離工作氣體和濺射金屬顆粒的可能性也被增大。磁場(chǎng)的強(qiáng)度確定限制的程度并且因此更強(qiáng)的磁場(chǎng)會(huì)降低放電的阻抗并且允許通過(guò)相同目標(biāo)電壓來(lái)獲得更高的放電電流。

在GB2437730中，提到通過(guò)HIPIMS工藝觀察到的非常低的沉積速率可能直接與接近目標(biāo)表面的濺射材料的高電離有關(guān)。根據(jù)GB2437730，推測(cè)由濺射材料的電離生成的離子的一大部分因?yàn)殡妶?chǎng)在陰極處的作用而朝向?yàn)R射目標(biāo)返回，并且因此這些離子變得不可用于涂層沉積。此外，GB2437730公開了一種改進(jìn)的HIPIMS?PVD工藝以及對(duì)應(yīng)的裝置，其允許從材料目標(biāo)生成的離子不那么強(qiáng)烈地受到目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)限制，借此這種離子可能更容易從磁性限制逃脫而被沉積在襯底表面上并且因此可以增大涂層沉積速率。

使用HIPIMS技術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)的限制

盡管HIPIMS工藝使用更適合的磁場(chǎng)，但是已經(jīng)觀察到所使用的磁場(chǎng)以及因此所得到的加載等離子體狀況可以以將均勻高質(zhì)量涂層沉積在大表面襯底上可能是困難的這種方式阻礙金屬離子在等離子體內(nèi)的傳播。