[发明专利]一种实现等离子体激活电子束物理气相沉积的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在真空环境下实现等离子体激活电子束物理气相沉积的方法及实现上述方法的装置。该方法可实现大面积、长时间、高速稳定涂层沉积，尤其适合在刀具、模具、带材、叶轮及叶片等部件表面通过反应沉积制备防护涂层或功能涂层。

背景技术

电子束物理气相沉积是利用电子束作为热源轰击待蒸发材料，使其蒸发成气相，并在基板上沉积成膜的工艺。该方法的最主要优点是热量集中，蒸发材料广泛，沉积速度快。当使用水冷铜坩埚时，可以避免坩埚材料与待蒸发物之间发生反应。目前，数百千瓦的电子枪已经广泛的应用于工业镀膜生产中。

但电子束物理气相沉积涂层存在成膜质量差、结构疏松的缺点。这是由于在热蒸发的条件下，抵达基板的蒸气原子仅具有0.1eV的动能，无法提供足够的能量使原子在基板表面迁移形成致密涂层。虽然提高成膜时的基板温度有利于提高涂层的致密性，但基板材料往往受到耐温的限制（如铝合金、钛合金等）不能承受过高的温度，因而提高基板温度的方法具有一定的局限性。

在基板上施加负偏压有利于获得致密的涂层结构。但电子束物理气相沉积过程中高能电子与蒸发蒸气的碰撞非常有限，蒸气离化率很低，基板偏压作用效果有限。

采用电子束物理气相沉积在较低基板温度下获得高质量致密涂层的关键前提是提高涂层沉积过程的离化率，即在沉积过程中引入等离子体。等离子体的引入有多种实现方式：

在文献“R.F.Bunshah,A.C.Raghuram.Activated reactive evaporation process for high rate deposition of compounds.J.Vac.Sci.Technol.1972,9(6),1385-1388”中发表了“活性反应蒸发（ARE）”方法，通过在蒸发坩埚上方放置一个阳极电极（20-100V）吸引电子束蒸发时坩埚中的二次电子引发辉光放电，将蒸发物部分电离，可以实现反应离子镀膜。采用ARE方法已经成功的制备出了TiN，TiC等薄膜。但ARE方法的离化率仍然不是很高，大约在15～20%，无法满足工业应用中的高速沉积需求。

在文献“C.Metzner,B.Scheffel,K.Goedicke.Plasma-activated electron beam deposition with diffuse cathodic arc discharge(SAD):a technique for coating strip steel.Surface&Coatings Technology,1996,86-87,769-775”中采用的“Spotless Arc Activated Deposition（SAD）”技术实现了高速大尺寸钢带镀膜。在镀膜过程中，靶材采用电子束进行加热熔化，此时阴极靶材的温度足够高，会发射出热电子，在金属蒸气环境下与坩埚上方的阳极之间引发电弧放电。根据靶材蒸发速率和阳极电压的高低，电弧放电的电流一般为几百至几千安培，阳极的电压一般为10～50V。该方法可以保持约50%的高离化率，沉积速率可以高达1μm/s。但在阳极表面沉积的蒸发物会随沉积时间的延长而增厚剥落，影响沉积过程的稳定性。

针对阳极污染问题，公开号为US5614273的专利中采用了双坩埚放电的方式来实现SAD。在交流电的作用下，双坩埚中的金属蒸气将交替作为阴极和阳极引发电弧放电，避免了由于阳极污染对沉积稳定性造成的影响。但上述的SAD方法仅限于一些熔点较高，能够维持热阴极电弧放电的材料，如Ti、Zr、W、Ta等难熔金属。对于一些低熔点金属或合金，SAD方法不适用。

而文献“B.ScheVel,C.Metzner,K.Goedicke,J.P.Heinss,O.Zywitzki.Rod cathode arc-activated deposition(RAD)a-new plasma-activated electron beam PVD process.Surface and Coatings Technology,1999,120-121,718-722”中所提出的“Rod Activated Depsition(RAD)”方法，则几乎可以使用在所有的金属材料上，但这种方式由于采用了钨作为热阴极，在沉积涂层时，会产生阴极材料损耗并污染涂层，无法满足长时间稳定工作。