[實(shí)用新型]多級(jí)磁場(chǎng)電弧離子鍍的內(nèi)襯正偏壓多孔擋板裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201720092264.3
• 申請(qǐng)日: 2017-01-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN209468497U
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏永強(qiáng);宗曉亞;劉學(xué)申;劉源;侯軍興;張華陽(yáng);蔣志強(qiáng);馮憲章
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 魏永強(qiáng)
• 主分類(lèi)號(hào): C23C14/32
• 分類(lèi)號(hào): C23C14/32
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

多級(jí)磁場(chǎng)電弧離子鍍的內(nèi)襯正偏壓多孔型擋板裝置，屬于材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域，本實(shí)用新型為解決多級(jí)磁場(chǎng)過(guò)濾裝置中大顆粒對(duì)薄膜的污染和等離子體傳輸過(guò)程中的損失問(wèn)題。本實(shí)用新型的裝置包括：偏壓電源、弧電源、電弧離子鍍靶源、多級(jí)磁場(chǎng)裝置、多級(jí)磁場(chǎng)電源、內(nèi)襯正偏壓多孔型擋板裝置、正偏壓電源、樣品臺(tái)、偏壓電源波形示波器和真空室；薄膜沉積：連接裝置，啟動(dòng)系統(tǒng)，待真空室內(nèi)的真空度小于10^?4Pa時(shí)，通入工作氣體，開(kāi)啟鍍膜電源，同時(shí)通過(guò)偏壓電源對(duì)電弧等離子體的能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)內(nèi)襯正偏壓多孔型擋板裝置和多級(jí)磁場(chǎng)裝置來(lái)消除電弧等離子體中的大顆粒缺陷和提高電弧等離子體在多級(jí)磁場(chǎng)過(guò)濾裝置的傳輸效率，設(shè)置工藝參數(shù)，進(jìn)行薄膜制備。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及多級(jí)磁場(chǎng)電弧離子鍍的內(nèi)襯正偏壓多孔擋板裝置，屬于材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在電弧離子鍍制備薄膜的過(guò)程中，由于弧斑電流密度高達(dá)2.5~5×1010A/m2，引起靶材表面的弧斑位置處出現(xiàn)熔融的液態(tài)金屬，在局部等離子體壓力的作用下以液滴的形式噴濺出來(lái)，附著在薄膜表面或鑲嵌在薄膜中形成“大顆粒”（Macroparticles）缺陷（BoxmanR L, Goldsmith S. Macroparticle contamination in cathodic arc coatings:generation, transport and control [J]. Surf Coat Tech, 1992, 52(1): 39-50.）。在電弧等離子體中，由于電子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離子的運(yùn)動(dòng)速度，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)大顆粒表面的電子數(shù)大于離子數(shù)，使大顆粒呈現(xiàn)負(fù)電性。相對(duì)于厚度級(jí)別為微米或亞微米的薄膜，尺寸在0.1-10微米的大顆粒缺陷就像PM2.5對(duì)空氣質(zhì)量的污染一樣，對(duì)薄膜的質(zhì)量和性能有著嚴(yán)重的危害。隨著薄膜材料和薄膜技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，大顆粒缺陷問(wèn)題的解決與否成為電弧離子鍍方法進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，嚴(yán)重制約了其在新一代薄膜材料制備中的應(yīng)用。

目前，為了解決電弧離子鍍方法在使用低熔點(diǎn)的純金屬或多元合金材料易產(chǎn)生大顆粒缺陷問(wèn)題，目前主要采用磁過(guò)濾的辦法過(guò)濾掉大顆粒，如中國(guó)專(zhuān)利用于材料表面改性的等離子體浸沒(méi)離子注入裝置（公開(kāi)號(hào)：CN1150180，公開(kāi)日期：1997年5月21日）中采用90°磁過(guò)濾彎管對(duì)脈沖陰極弧的大顆粒進(jìn)行過(guò)濾，美國(guó)學(xué)者Anders等人(Anders S, Anders A,Dickinson M R, MacGill R A, Brown I G. S-shaped magnetic macroparticle filterfor cathodic arc deposition [J]. IEEE Trans Plasma Sci, 1997, 25(4): 670-674.)和河南大學(xué)的張玉娟等(張玉娟, 吳志國(guó), 張偉偉等. 磁過(guò)濾等離子體制備TiN薄膜中沉積條件對(duì)薄膜織構(gòu)的影響. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào). 2004, 14(8): 1264-1268.)在文章中制作了“S”磁過(guò)濾彎管對(duì)陰極弧的大顆粒進(jìn)行過(guò)濾，還有美國(guó)學(xué)者Anders等人（AndersA, MacGill R A. Twist filter for the removal of macroparticles from cathodicarc plasmas [J]. Surf Coat Tech, 2000, 133-134: 96-100.）提出的Twist filter的磁過(guò)濾，這些方法雖然在過(guò)濾和消除大顆粒方面有一定效果，但是等離子體的傳輸效率損失嚴(yán)重，使離子流密度大大降低。基于即能過(guò)濾大顆粒又能保證效率的基礎(chǔ)上，中國(guó)專(zhuān)利真空陰極弧直管過(guò)濾器(公開(kāi)號(hào)：CN1632905，公開(kāi)日期：2005年6月29日)中提出直管過(guò)濾的方法，但是這又降低了過(guò)濾效果。總之，相關(guān)的研究人員通過(guò)對(duì)比各種磁過(guò)濾方法（Anders A.Approaches to rid cathodic arc plasmas of macro- and nanoparticles: a review[J]. Surf Coat Tech, 1999, 120-121319-330.和Takikawa H, Tanoue H. Review ofcathodic arc deposition for preparing droplet-free thin films [J]. IEEE TransPlasma Sci, 2007, 35(4): 992-999.）發(fā)現(xiàn)電弧離子鍍等離子體通過(guò)磁過(guò)濾裝置后保持高的傳輸效率和消除大顆粒非常難以兼顧，嚴(yán)重影響著該技術(shù)在優(yōu)質(zhì)薄膜沉積中的應(yīng)用。另外在基體上采用偏壓的電場(chǎng)抑制方法，當(dāng)基體上施加負(fù)偏壓時(shí)，電場(chǎng)將對(duì)帶負(fù)電的大顆粒產(chǎn)生排斥作用，進(jìn)而減少薄膜表面大顆粒缺陷的產(chǎn)生。德國(guó)學(xué)者Olbrich等人（OlbrichW, Fessmann J, Kampschulte G, Ebberink J. Improved control of TiN coatingproperties using cathodic arc evaporation with a pulsed bias [J]. Surf CoatTech, 1991, 49(1-3): 258-262.和Fessmann J, Olbrich W, Kampschulte G, EbberinkJ. Cathodic arc deposition of TiN and Zr(C, N) at low substrate temperatureusing a pulsed bias voltage [J]. Mat Sci Eng A, 1991, 140: 830-837.）采用脈沖偏壓來(lái)取代傳統(tǒng)的直流偏壓，形成了一種新的物理氣相沉積技術(shù)——脈沖偏壓電弧離子鍍技術(shù)，不但大大減少了薄膜表面大顆粒的數(shù)目，還克服了傳統(tǒng)直流偏壓引起的基體溫度過(guò)高、薄膜內(nèi)應(yīng)力較大等問(wèn)題。大連理工大學(xué)的林國(guó)強(qiáng)等人（林國(guó)強(qiáng). 脈沖偏壓電弧離子鍍的工藝基礎(chǔ)研究 [D]. 大連理工大學(xué), 2008.和黃美東, 林國(guó)強(qiáng), 董闖, 孫超, 聞立時(shí). 偏壓對(duì)電弧離子鍍薄膜表面形貌的影響機(jī)理 [J]. 金屬學(xué)報(bào), 2003, 39(5): 510-515.）針對(duì)脈沖偏壓引起大顆粒缺陷減少的機(jī)理進(jìn)行了深入分析，通過(guò)對(duì)脈沖偏壓幅值、頻率和脈沖寬度等工藝參數(shù)的調(diào)整，可以改善電弧等離子體的鞘層運(yùn)動(dòng)特性，減少薄膜表面的大顆粒缺陷數(shù)目，提高薄膜的質(zhì)量，在實(shí)際的生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，但是仍不能完全消除大顆粒缺陷。國(guó)內(nèi)學(xué)者（魏永強(qiáng), 宗曉亞, 蔣志強(qiáng), 文振華, 陳良驥. 多級(jí)磁場(chǎng)直管磁過(guò)濾與脈沖偏壓復(fù)合的電弧離子鍍方法, 公開(kāi)號(hào)：CN103276362A，公開(kāi)日期：2013年9月4日）提出了多級(jí)磁場(chǎng)直管磁過(guò)濾與脈沖偏壓復(fù)合的電弧離子鍍方法，通過(guò)多級(jí)磁場(chǎng)過(guò)濾裝置來(lái)消除大顆粒缺陷并提升等離子體的傳輸效率，但是管內(nèi)壁的污染問(wèn)題和管內(nèi)壁上等離子體的損失沒(méi)有得到很好的解決，后期相關(guān)學(xué)者（魏永強(qiáng), 宗曉亞, 侯軍興, 劉源, 劉學(xué)申, 蔣志強(qiáng),符寒光. 內(nèi)襯正偏壓直管的多級(jí)磁場(chǎng)電弧離子鍍方法, 公開(kāi)號(hào)：CN105925940A，公開(kāi)日期：2016年9月7日）提出了內(nèi)襯正偏壓直管的多級(jí)磁場(chǎng)電弧離子鍍方法來(lái)解決對(duì)管內(nèi)壁的污染問(wèn)題。還有學(xué)者采用雙層擋板裝置（Zhao Y, Lin G, Xiao J, Lang W, Dong C, Gong J,Sun C. Synthesis of titanium nitride thin films deposited by a new shieldedarc ion plating [J]. Appl Surf Sci, 2011, 257(13): 5694-5697.），研究了擋板間距對(duì)薄膜表面形貌、大顆粒清除效果及沉積速率的影響規(guī)律。還有學(xué)者（張濤, 侯君達(dá), 劉志國(guó), 張一聰. 磁過(guò)濾的陰極弧等離子體源及其薄膜制備[J]. 中國(guó)表面工程, 2002, 02):11-15+20-12.）借鑒Bilek板的方法（Bilek M M M, Yin Y, McKenzie D R, Milne W I AM W I. Ion transport mechanisms in a filtered cathodic vacuum arc (FCVA)system [C]. Proceedings of the Discharges and Electrical Insulation inVacuum, 1996 Proceedings ISDEIV, XVIIth International Symposium on, 1996:962-966 vol.2），在90度彎管磁過(guò)濾裝置的彎管上施加正偏壓來(lái)提高等離子體的傳輸效率。