[发明专利]提供溅射颗粒的增强电离的高功率脉冲磁控溅射方法以及用于其实施的装置

说明书

本发明涉及用于实现优化的高功率脉冲磁控溅射（HIPIMS）工艺的方法，与传统的HIPIMS涂层相比，该优化的高功率脉冲磁控溅射（HIPIMS）工艺展示了溅射颗粒的增强电离、更高的涂层沉积速率以及增强的涂层质量。

背景技术

物理气相沉积（PVD）工艺被广泛地确立为用于制造用来保护工具和组件且增强它们的原始属性的薄膜的涂层沉积工艺。存在PVD工艺的不同变体。

非常有趣的用于工具和组件的涂层的PVD工艺例如是电弧离子镀（AIP）、磁控溅射离子镀（MSIP）以及阳极蒸发，它们具有例如如下对应的优点和缺点：

–AIP确实是一种被广泛地确立的技术。它尤其用于切割工具的涂层，这是因为借助于它而产生的例如关于密度、粘附性、硬度和切割性能的非同一般的非常好的质量的涂层。非常有利的还有通常通过AIP工艺获得的例如关于高等离子体电离、高涂层沉积速率的工艺状况。因为适用性和灵活性，AIP技术此外允许来自导电材料目标的涂层架构和复杂涂层组分的合成。然而，AIP工艺的主要缺点是生成液滴（未被完全蒸发以及未与反应气体完全反应，来自目标的宏观颗粒），这可能导致涂层缺陷、不适宜的高涂层粗糙度和不适宜的更低涂层硬度。

–MSIP也是一种被广泛地确立的技术，其尤其用于组件的涂层，与AIP技术相比，其最重要的优点在于避免通过涂层工艺形成不适宜液滴的可能性。然而，MSIP涂层的涂层质量（关于涂层密度、涂层粘附性和硬度）通常逊于AIP涂层的对应质量。另外，MSIP工艺中的等离子体电离也非常差并且借助于MSIP技术获取的涂层沉积速率显著地低于借助于AIP技术获得的涂层沉积速率。

–阳极蒸发是一种非常有趣的涂层沉积技术，其允许产生通过高沉积速率沉积的高质量涂层并且没有液滴。然而，该技术不提供关于复杂涂层组分的合成的灵活性，而是到现在为止只有简单的涂层组分（诸如TiN、CrN和TiCN）已经被使用阳极蒸发技术来合成。

就HIPIMS技术来说，在过去的几年里它已经得到了很多关注，尤其被用于组件和工具的涂层。HIPIMS是一种PVD溅射技术，其允许生成与由MSIP技术生成的等离子体相比具有显著更高的金属颗粒电离的低压等离子体。因此，HIPIMS技术允许在没有液滴的情况下合成平滑涂层（与借助于MSIP技术沉积的涂层类似），除此之外还展示了与使用MSIP技术合成的涂层相比显著更高的涂层质量（例如关于涂层密度和硬度）。

与MSIP工艺相比，HIPIMS工艺获得更高的等离子体密度，这是通过增大在放电中耗散的功率而生成的，这允许达到约4–5A/cm²的高电流密度以及因此达到大约10¹³cm^-3的高等离子体密度。因此，从目标喷射的溅射金属颗粒具有高电离可能性。

然而，尽管HIPIMS技术提供了非常有趣的优点，但是通过使用该技术进行涂层沉积而观察到的非常低的涂层沉积速率（比MSIP涂层沉积速率更低）导致在效率方面的大缺点。

与通过MSIP工艺类似，HIPIMS工艺也需要特定形状的磁场，这些场被用来捕获和限制接近于目标表面的等离子体的重要部分并因此获取高放电电流。这些磁场被配置成使得电子在目标附近被捕获并且遵循螺旋运动，以这种方式，在给定的体积内它们的路径长度被增大并且电离工作气体和溅射金属颗粒的可能性也被增大。磁场的强度确定限制的程度并且因此更强的磁场会降低放电的阻抗并且允许通过相同目标电压来获得更高的放电电流。

在GB2437730中，提到通过HIPIMS工艺观察到的非常低的沉积速率可能直接与接近目标表面的溅射材料的高电离有关。根据GB2437730，推测由溅射材料的电离生成的离子的一大部分因为电场在阴极处的作用而朝向溅射目标返回，并且因此这些离子变得不可用于涂层沉积。此外，GB2437730公开了一种改进的HIPIMS PVD工艺以及对应的装置，其允许从材料目标生成的离子不那么强烈地受到目标区域内的磁场限制，借此这种离子可能更容易从磁性限制逃脱而被沉积在衬底表面上并且因此可以增大涂层沉积速率。

使用HIPIMS技术的现有技术的限制

尽管HIPIMS工艺使用更适合的磁场，但是已经观察到所使用的磁场以及因此所得到的加载等离子体状况可以以将均匀高质量涂层沉积在大表面衬底上可能是困难的这种方式阻碍金属离子在等离子体内的传播。