[发明专利]一种过压脉冲增强磁控溅射镀膜方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制造技术领域，具体涉及一种过压脉冲增强磁控溅射镀膜方法。

背景技术

闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术因具有沉积温度低、易沉积多组元和梯度膜等优点而引起精密制造及功能薄膜制备领域的广泛关注，但由于存在薄膜厚度沿靶基距方向的均匀性极差(平均递减速率大于1μm/100mm)的技术瓶颈，严重制约了该技术的产业化推广。为克服这一工艺缺憾，众多学者先后引入“非平衡”和“闭合场”等物理学概念，试图通过扩展等离子体区域并提高等离子体密度以改善薄膜厚度沿靶基距方向的均匀性。然而，尽管“闭合场”和“非平衡”磁场在构建大范围、高密度等离子环境方面取得了预期目标，但薄膜厚度沿靶基径向均匀性仍未得到有效改善。这说明当前以气体直流放电伏安特性曲线为依据设计的闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备，其真空腔内等离子体密度的增大主要源自氩气离化率的提高，而并非靶材原子离化率的增大。因此。只有进一步提高靶材溅出原子的离化率才可能使“闭合场非平衡”条件造就的高密度等离子体环境的作用得以有效发挥。

提高真空腔内阴极与阳极之间的电位差(靶电压)不仅可通过增大氩气的离化率和赋予离化后Ar⁺更大的相向靶材的撞击动量而增强靶材原子被热震溅出离化的效率，同时也使自由电子处于更强的加速电场之中进而使其以更大的动量通过库伦力拖动镀料离子至基片沉积成膜，改善镀层厚度沿靶基距方向分布的均匀性。然而，目前基于直流输出特性的磁控溅射离子镀技术，靶电压因受“气体放电双峰曲线”中“正常辉光放电的平台电压”值(对于300mm×133mm的矩形靶材，一般在300～500V左右)的限制，当靶电压大于“平台电压”时，两极间的等离子体电流将会经异常辉光放电区而进入低电压大电流的弧光放电区致使溅射离子镀过程终止。即，因受气体放电伏安特性双峰曲线的限制，在直流电场环境下不可能通过提高靶电压来改善磁控溅射离子镀镀层厚度沿靶基距方向分布的均匀性。

而由等离子体物理及电工学知识知，即使靶电压大于“气体放电双峰曲线”中“正常辉光放电的平台电压”值，真空腔内的氩气由原子态被离化成等离子体态进入自持放电阶段至少需要几至十几微秒的放电延迟时间，随着气体放电过程的演进，自由电子数逐渐增多进而产生接近弧光放电的等离子电流值也同样需要经过一定时长的临界时间。如果在阴阳极之间施加一虽然数值大于正常辉光放电的“平台电压”靶电压，但保持时间小于等离子体电流值由零增大至弧光放电的等离子电流值的临界时间，则在保持时间内即满足了前述的“过压增强热震溅出快速拖动沉积”的电场条件，进而有可能改善磁控溅射离子镀镀层厚度沿靶基距方向分布的均匀性。

发明内容

本发明的目的是提供了一种过压脉冲增强磁控溅射镀膜方法，解决了现有技术中薄膜厚度沿靶基距方向分布均匀性差的问题，制得的薄膜厚度随靶基距增大的平均递减速率由现有技术的1μm/100mm减小至0.04μm/100mm。

本发明所采用的技术方案是，一种过压脉冲增强磁控溅射镀膜方法，包括以下步骤：

步骤1、将工件清洗干燥后，放置在磁控溅射离子镀设备的真空腔中；

步骤2、将所述真空腔抽真空到2×10^-5Pa～6×10^-5Pa，然后，通入氩气，并维持氩气的流量为15sccm～20sccm；

对靶材施加0.1A～0.4A的直流电流，同时，对工件施加负偏压值为-450V～-300V、脉冲频率为150KHz～250KHz、且脉冲宽度为500ns～1500ns的脉冲偏压，以对工件进行离子清洗；

步骤3、维持氩气的流量为15sccm～20sccm；

关闭靶材上直流电流，同时，将施加在工件上的负偏压值调节至-80V～-60V、脉冲频率为50KHz～100KHz、且脉冲宽度为500ns～1500ns的脉冲偏压；同时，开启过压脉冲靶电源：靶材脉冲峰值电压为600V～900V、脉冲宽度为200μs～500μs、且脉冲频率为1KHz；以对工件进行镀膜；

镀膜完成后，冷却至室温，取出工件，即得。

步骤1中，放置工件时，保证工件的靶基距为60mm～180mm。

步骤2中，离子清洗时间为15min～30min。

步骤3中，镀膜时间为60min～120min。

本发明的有益效果是，制得的薄膜厚度沿靶基距方向分布均匀，且致密性高；另一方面，制备方法简捷稳定，工序少，产量高，能满足工业化生产的要求。

具体实施方式