[发明专利]阴极真空电弧源薄膜沉积装置及沉积薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阴极真空电弧源薄膜沉积装置及利用该装置沉积薄膜的方法。

背景技术

阴极真空电弧沉积法是将真空电弧蒸发源产生的等离子体，借助负偏置电压等吸引 至基体，并在基体表面上形成薄膜的一种方法。其中，阴极真空电弧蒸发源通过真空电 弧放电蒸发阴极靶，由此产生含有阴极靶材料的等离子体。阴极真空电弧沉积法具有离 化率高、离子能量高、沉积温度低、沉积速率高、膜基结合好等一系列优点，因此，不 仅是目前沉积传统TiN、CrN、TiAlN等硬质薄膜的主要方法，也是沉积ta-C超硬薄膜 最有前途的方法之一。但是，在薄膜沉积过程中，阴极表面电弧斑放电剧烈，在产生高 密度等离子体的同时也产生大量的宏观颗粒。其中，宏观颗粒是指直径约为几微米至几 十微米的大颗粒(这种大颗粒也称作“液滴”或者“大型颗粒”)。宏观大颗粒与等离子 体在基体上的协同沉积，常常使薄膜表面粗糙度增加，膜基结合力下降，影响高质量薄 膜的获得，已成为阴极真空电弧方法产业化应用中的关键技术瓶颈。

目前，减少宏观大颗粒协同沉积的方法有三种：一是在阴极电弧电源处利用外加电 磁场控制电弧斑点的运动，延长弧斑寿命，减少因断弧而频繁启动电弧过程中熔滴大颗 粒的产生；其次是利用带有外加励磁线圈的磁过滤弯管装置，在传输过程中将宏观大颗 粒在一定程度上过滤掉，避免其沉积到基体表面，其机理是在外加磁场作用下，宏观大 颗粒由于质量较大，在惯性作用下直接溅射到管壁上被过滤掉，而质量小的离子束则在 电子束流形成的外力牵引下，顺利通过磁过滤弯管到达基体表面，从而获得高质量的薄 膜；再者是在沉积过程中，利用其它离子束流辅助轰击基体，也可减少协同沉积在基体 上的附着性相对较弱的大颗粒，增强膜基的结合力和提高薄膜质量。

上述方法中，采用带有外加励磁线圈的磁过滤弯管，被认为是目前去除宏观大颗粒 最有效的方法。根据结构设计的不同，磁过滤弯管可设计成直线形、90°弯曲形、膝形、 S形及60°弯曲形等。然而，这几种磁过滤弯管在减少宏观大颗粒和提高等离子体的有 效传输方面还有不足，尤其随现代大容量信息存储、MEMS微机电、航空航天等高技术领 域的快速发展，传统的阴极真空电弧源薄膜沉积装置在沉积超硬、超薄ta-C薄膜方面 还难以满足要求。因而，目前迫切需要研制一种兼具有效过滤宏观大颗粒和高效传输等 离子体的新型阴极真空电弧源薄膜沉积装置，以及探索一种利用该新型阴极真空电弧源 薄膜沉积装置沉积大面积、高性能ta-C薄膜的新方法。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术中的不足，提供一种阴极真空电 弧源薄膜沉积装置，以减少宏观大颗粒在工件表面的沉积，同时提高等离子体在磁性过 滤部分中的有效传输，提高薄膜沉积的速率，以及改变薄膜的沉积面积和均匀性。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对现有技术中的不足，提供一种高速沉积大 面积、高性能薄膜的方法。

本发明专利解决上述第一个技术问题所采用的技术方案是：阴极真空电弧源薄膜沉 积装置，包括依次密封连接的阴极真空电弧蒸发源、磁性过滤部分、安装有基体的薄膜 沉积真空腔，以及抽真空装置；磁性过滤部分包括管体与设置在管体外部周缘的磁场产 生器，管体包括管体入口端面和管体出口端面，管体入口端面与管体出口端面之间至少 有一个弯管，并且该弯管两侧管体的轴线之间的夹角为135°；在阴极真空电弧蒸发源 上设置有用于通入惰性气体的气体通道；磁场产生器包括设在管体入口处的拽引线圈、 设在管体弯管处的弯转线圈和设在管体出口处的输出线圈，与所述拽引线圈相连的拽引 线圈直流电源、与所述弯转线圈相连的弯转线圈直流电源和与所述输出线圈相连的输出 线圈直流电源；输出线圈的外侧周缘均匀设置四个扫描线圈，该扫描线圈与输出线圈互 相垂直，该扫描线圈连接有扫描线圈交流电源。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

上述磁性过滤部分的管体内壁设有栅状挡板。

上述栅状挡板是由倒齿类的栅格串联圈构成。

上述输出线圈的外侧周缘均匀设置四个扫描线圈，该扫描线圈与输出线圈互相垂 直，该扫描线圈连接有扫描线圈交流电源。