[发明专利]一种磁控电弧离子镀复合沉积工艺和沉积装置

说明书

技术领域：

本发明属于材料表面改性领域，具体为一种磁控电弧离子镀复合沉积工艺和沉积装置，用以提高弧斑运动速度，减少靶材表面大颗粒发射，提高薄膜的沉积速率与沉积均匀性。

背景技术：

电弧离子作为工业应用最为广泛的物理气相沉积（PVD）技术之一，由于其离化率高，入射粒子能量高，绕射性好，可实现低温沉积等一系列优点，使电弧离子镀技术得到快速发展并获得广泛应用。但是，由于电弧离子镀中大颗粒的存在，严重影响了涂层和薄膜的性能和寿命。因此，有关如何解决阴极电弧镀中大颗粒问题对阴极电弧的发展影响很大，成为阻碍电弧离子镀技术更深入广泛应用的瓶颈问题。而磁过滤技术是在等离子体传输过程中将大颗粒排除掉的方法，是等症状出现以后用来治标而不治本的方法，因此是一种消极的方法。

真空电弧放电实际上是一系列电弧事件，电弧阴极斑点及弧根的运动决定了整个电弧的运动，相邻弧斑的次第燃起和熄灭构成了弧斑的运动。尽管对弧斑内部结构还没有确切了解，但为了提高放电过程稳定性及沉积薄膜质量，必须对弧斑运动进行合理的控制。而弧斑的聚集与运动速度过慢是阴极靶材表面产生大颗粒发射的主要原因。目前的电弧离子镀技术主要是采用在靶材附件施加磁场来控制弧斑的运动，以提高电弧放电稳定性。

中国专利200810010762.4公开了一种新的电弧离子镀装置（多模式可编程调制的旋转横向磁场控制的电弧离子镀装置），通过在靶材附近设置一个多模式可编程调制的旋转横向磁场发生装置，利用该装置产生的旋转横向磁场来改善弧斑的放电形式和工作稳定性，减少靶材表面大颗粒的发射。尽管利用该装置沉积的薄膜表面大颗粒明显减少，但是不同位置处薄膜的沉积均匀性仍有待改善。

中国专利200710158829.4公开了一种磁场增强的电弧离子镀沉积工艺，通过设置两套磁场发生装置，一套放置于靶材后面，另一个放置于真空室内，通过两套耦合的磁场发生装置产生的耦合磁场辅助对基体进行沉积。利用该工艺使得薄膜表面大颗粒明显减少，薄膜沉积均匀性也有改善，但是在真空室内设置的电磁场线圈在电弧等离子体空间易发生电荷累积及薄膜沉积过程中带来的高温烘烤，其稳定性大大降低。因此，既要通过磁场控制弧斑运动以减少靶材表面大颗粒发射，又要解决等离子体传输过程中的均匀性仍存在一定困难。

发明内容：

为了解决以上问题，本发明旨在提供一种磁控电弧离子镀复合沉积工艺和沉积装置，用以提高弧斑运动速度，减少靶材表面大颗粒发射，提高薄膜的沉积速率与沉积均匀性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是（见权利要求书）：

本发明的核心思想是：

为了有效改善靶材表面大颗粒发射，在靶材后面设置电磁场发生装置，利用电磁场对弧斑的运动进行控制，提高弧斑运动速度；在等离子体束流从阴极靶材表面喷射出来后，即采用磁场与等离子体的交互作用，对等离子体束流进行聚焦与约束，以减少等离子体在传输过程中的损失程度，以实现等离子体对基体表面薄膜沉积的均匀性。此外，为了加强离子与基体的良好结合，在基体表面设置脉冲电场，在管壁施加脉冲负偏压对正离子进行加速，以保证薄膜与基体的良好结合。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用两套磁场发生装置产生的耦合磁场，减少了靶材表面大颗粒的发射和薄膜表面大颗粒的数量，提高了薄膜质量。同时，还解决了传统工艺中等离子体传输过程的不均匀性，提高了薄膜的沉积速率和沉积均匀性。

2、本发明中放置于靶材后面的磁场发生装置产生的磁控可以控制弧斑的运动速度，提高靶面横向磁场分量的大小，减少靶材表面大颗粒的发射，并通过改变线圈电流的形式如交流电，可以使弧斑在整个靶面上均匀运行，提高靶材利用率。

3、本发明中两套磁场的耦合使用，可以改善等离子体在传输过程中的空间分布。通过调节放置于真空室外侧的磁场发生装置产生的磁场大小，可以改变基体处离子的密度及分布，进而控制薄膜质量及性能。

4、本发明中放置于真空室外侧的磁场发生装置，可以在等离子体从靶面喷射出来后即进行聚焦约束，减少等离子体沉积到真空室壁的损失，提高等离子体密度与空间分布均匀性，进而提高薄膜沉积速率及沉积均匀性。

5、本发明的磁控电弧离子镀复合沉积工艺配合在基体上施加脉冲偏压使用，可以扩大工艺参数的调节范围，为制备不同性能的薄膜提供保障。同时，可以通过优化工艺参数达到制备高质量薄膜的要求。

附图说明：

图1是本发明的采用均匀磁场和电场增强的磁控电弧离子镀复合工艺沉积装置。