[發明專利]徑向等離子體射流脈沖真空電弧蒸發源及薄膜沉積裝置

有效

• 申請號: 201910408887.0
• 申請日: 2019-05-16
• 公開（公告）號: CN110284109B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 陳學康
• 申請（專利權）人: 蘭州空間技術物理研究所
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/50
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 李微微;仇蕾安

本發明公開了一種徑向等離子體射流脈沖真空電弧蒸發源及薄膜沉積裝置；脈沖電弧蒸發源通過采用可進行脈沖電弧放電的圓柱形對置電極，將鍍膜材料蒸發產生等離子體，在電極端面的限制下，等離子體在高壓強驅動下產生均勻分布的徑向射流，提高了薄膜沉積均勻性；蒸發源的上下往復運動，可提高膜料利用率和沉積速率；薄膜沉積裝置，提供了配套的運動工件臺機構，可以實現大面積均勻、高膜料利用率的薄膜沉積；提高批量工件一致性；整個沉積室機構緊湊，在相同產能的前提下，較傳統設備具有更低的成本；更低的沉積溫度；無需考慮影響均勻性的復雜因素和應對措施，操作更簡單，降低對操作人員的要求。

技術領域

本發明屬于薄膜沉積技術領域，具體涉及一種基于徑向等離子體射流的脈沖電弧蒸發源及薄膜沉積裝置。

背景技術

為了把所需的材料鍍制到工件表面，就需要進行薄膜沉積(鍍膜)。因此首先要有薄膜沉積設備，工業上常稱為鍍膜機。其基本點是用加熱、濺射等方法，在真空室中把待鍍材料加熱熔化蒸發或濺射出來。在真空中這些蒸發或濺射出來的材料以分子的形態飛向工件，沉積在上面形成薄膜(圖1)。為了敘述的方便，以下稱這個由大量分子組成的定向流動為沉積射流。目前形成沉積射流的主要方法有電阻加熱蒸發、電子束加熱蒸發、電弧加熱蒸發和磁控濺射，并形成了商品化的工業鍍膜設備。

電弧鍍膜技術的基本原理為，在真空室中，待蒸發材料作為陰極，高熔點金屬作為陽極。由外部電源為電極供電。陰極與陽極之間產生電弧放電，由此產生高溫使陰極材料熔化蒸發。蒸發的材料形成沉積射流，最終沉積在工件表面形成薄膜。

從工業應用的角度而言，一個鍍膜機的指標有很多，一般包括：

1)所沉積的薄膜在工件上的均勻一致性(厚度、化學成分和微觀結構)。只有均勻一致才能保證產品的質量和批量產品之間的一致性，對工業生產來說這是必須滿足的剛性條件。然而到目前為止，實現大面積均勻沉積在很多場合還很困難。產生這種限制的根本原因在于蒸發過程固有的物理規律：沉積射流以蒸發面法線方向為軸線并且束流密度J隨著夾角θ劇烈變化。其沉積射流在垂直于蒸發面的方向最強。在偏離垂直的方向，沉積射流的密度減弱，偏離愈多就愈弱。由此產生的薄膜沉積厚度也是不均勻的(圖1)。這個物理規律稱為克努曾余弦分布定律。對于電弧鍍膜過程，它產生的沉積射流比通常電阻加熱、濺射等技術產生的沉積射流更加集中于蒸發面法線方向，形成更加不均勻的沉積，問題更加嚴重。

2)膜料利用率對工業規模的生產，膜料利用率是一個重要指標。工業鍍膜設備(特別是大型鍍膜設備)中對鍍膜材料的消耗較大，當膜料本身很昂貴時，會產生很高的成本。例如鍍金、鉑或其它更貴甚至非常稀有的材料。但是膜料利用率一般很低。之所以會這樣，也是由于沉積射流的不均勻性造成的。為保證薄膜厚度不均勻性在可以接受的范圍，通常只能利用沉積射流中較為均勻的一部分甚至是小部分，其余不能利用的部分則沉積于真空室的器壁，為無效沉積(圖1)。這浪費膜料同時也降低沉積速率。

由上述薄膜沉積過程的原理可知，造成薄膜沉積厚度不均勻的根本原因是沉積射流本身分布不均勻，沉積射流利用率不高也與這個不均勻性間接有關。

圖2是目前常用的改善鍍膜均勻性的方法，工件位于旋轉的圓盤上。這可以改善薄膜厚度的均勻性。但是位于不同半徑上的工件線速度不同，其與蒸發源的夾角也不同。因此只有相同半徑上的工件可以得到厚度均勻的沉積。進一步的修正措施包括工件的自轉和使用修正擋板。由圖2中可見，大部分沉積射流沒有到達工件，無效的沉積射流造成膜料利用率很低。因此，如果能改進蒸發源使沉積射流本身分布達到均勻，則對提高沉積均勻性和膜料利用率而言更具有根本性的意義。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是提供一種基于徑向等離子體射流的脈沖電弧蒸發源及薄膜沉積裝置，可以提高薄膜沉積厚度的均勻性、膜料利用率以及沉積速率。

一種形成徑向等離子體射流的脈沖電弧蒸發源，具體為：