[發(fā)明專利]一種磁控濺射制備超硬超光滑四面體碳薄膜的裝置與方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510705271.1
• 申請日: 2015-10-27
• 公開（公告）號: CN105200383B
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張斌;張俊彥;高凱雄;強(qiáng)力;王健
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司 62002
• 代理人: 方曉佳

本發(fā)明屬于真空鍍膜技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種磁控濺射制備超硬超光滑四面體碳薄膜的裝置，該裝置包括由偏壓電源供電的工件盤以及由電源Ⅱ供電的磁控濺射靶，該磁控濺射靶的前方設(shè)有由電源Ⅲ供電的線圈。本發(fā)明還公開了一種磁控濺射制備超硬超光滑四面體碳薄膜的方法。本發(fā)明將高功率脈沖磁場和磁控濺射結(jié)合，提高了磁控濺射的靈活性、寬化了鍍膜的工藝窗口。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于物理氣相沉積領(lǐng)域，涉及一種磁控濺射制備超硬超光滑四面體碳薄膜的裝置與方法，該裝置與方法也可以用于超硬氮化物薄膜和碳化物薄膜的生長。

背景技術(shù)

電弧離子鍍由于其沉積效率高等原因，廣泛應(yīng)用于耐磨、防腐和光學(xué)薄膜的制備過程（CN201010136163），然而，電弧離子鍍產(chǎn)生的大液滴降低了薄膜的致密度和連續(xù)性，導(dǎo)致生長的薄膜結(jié)合力差，表面粗糙度高（沉積的薄膜需要二次拋光等因素，使其難以在精密動接觸部件表面得到大規(guī)模的應(yīng)用，且二次拋光增加了成本。針對電弧產(chǎn)生的液滴引起的薄膜粗糙度大等問題（1.Tetrahedral Amorphous Carbon (ta-C) Ultra Thin Films forSlider Overcoat Application，Shi， X.; Hu， Y. H.; Hu， L. International Journalof Modern Physics B， 16(06-07)2002， 963-967. 2. 不同工藝制備的ta-C和ta-C：N薄膜表面粗糙度研究，張化宇，劉良學(xué)，馬洪濤，劉凡新，劉會良，王東，5， 673-675）。

目前，各國科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界人士已嘗試通過不同過濾器措施來減少宏觀大顆粒的共沉積。依過濾器原理不同，大致主要分為視線內(nèi)和視線外的機(jī)械式過濾器和磁過濾器兩大類。機(jī)械式主要是用機(jī)械裝置阻擋或削弱大顆粒流（專利ZL200710158829.4），磁過濾式則多是利用勵磁線圈在管道內(nèi)產(chǎn)生有一定曲率的磁場，帶電粒子在磁場中受洛倫茲力約束有沿磁力線運動的趨勢而偏轉(zhuǎn)，而質(zhì)量大，帶電量很少的顆粒幾何不受磁場影響僅在慣性作用下做直線運動，直接撞擊在管道壁上達(dá)到過濾目的（襯底偏壓對四面體非晶碳膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，朱嘉琦，孟松鶴，韓杰才，檀滿林，材料研究學(xué)報，18（1）2004），。綜上述，磁過濾技術(shù)是降低電弧離子鍍大液滴的有效途徑，但是磁過濾裝置復(fù)雜，占空空間大，沉積速率低，且單位腔體上裝配的弧源遠(yuǎn)少于單獨的電弧離子源，薄膜沉積速率是電弧離子鍍的1/5甚至更低.因此生產(chǎn)效率低下，且設(shè)備和生產(chǎn)省本昂貴。相對磁過濾，柱狀旋轉(zhuǎn)電弧具有更高的沉積速率的同時可以有效降低粗糙度，但是依舊達(dá)不到原子級光滑，部分薄膜仍需要后處理才能滿足高精度的需求。

磁控濺射制備的薄膜表面光滑、摩擦系數(shù)低，但是硬度很難達(dá)到超硬。主要是因為和電弧離子鍍相比，磁控濺射的離化率、等離子體密度和電子能量低，制備的薄膜不夠致密，難以達(dá)到很到的硬度。

表1. 中頻單雙極脈沖、高功率脈沖濺射和直流脈沖電弧物理特性的比較

表2. 磁控濺射、電弧、PECVD、磁過濾電弧和HIPIMS沉積薄膜性能比較

為了提高磁控濺射的等離子體密度，1999年，瑞典的V. Kouznetsov等人首次開發(fā)并采用高功率（頻率100～1000Hz）脈沖作為磁控濺射電源（HIPIMS）。與普通的濺射相比，這種工作模式具有更高的離化率和離子能量，因而使獲得的薄膜具有高致密度、均一厚度、表面光滑以及高的膜基結(jié)合力，并且薄膜制備過程中可以有效抑制打火，靶材利用率高。表1、表2分別給出了各種制備方法的物理特性、制備薄膜過程及薄膜的性能比較。電弧蒸發(fā)和磁控濺射被認(rèn)為是PVD技術(shù)的前兩個層面。HIPIMS是第三個層面，因為它結(jié)合了高電離，諸如與磁控濺射和電弧蒸發(fā)的優(yōu)點。其結(jié)果是產(chǎn)生良好的附著力和致密度，非常光滑涂層。HIPIMS技術(shù)非常合適用于蝕刻。由于長達(dá)8兆瓦的峰值功率，HIPIMS產(chǎn)生的濺射原子將進(jìn)入到基體，形成致密，良好結(jié)合力的柱壯顯微結(jié)構(gòu)。用HIPIMS涂層也是可行的，但它的沉積率大大低于目前的濺射技術(shù)。