專利名稱：陰極真空電弧源薄膜沉積裝置及沉積薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陰極真空電弧源薄膜沉積裝置及利用該裝置沉積薄膜的方法。
背景技術(shù)：
陰極真空電弧沉積法是將真空電弧蒸發(fā)源產(chǎn)生的等離子體，借助負(fù)偏置電壓等吸 引至基體，并在基體表面上形成薄膜的一種方法。其中，陰極真空電弧蒸發(fā)源通過(guò)真空電弧 放電蒸發(fā)陰極靶，由此產(chǎn)生含有陰極靶材料的等離子體。陰極真空電弧沉積法具有離化率 高、離子能量高、沉積溫度低、沉積速率高、膜基結(jié)合好等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，不僅是目前沉 積傳統(tǒng)TiN、CrN、TiAlN等硬質(zhì)薄膜的主要方法，也是沉積ta-C超硬薄膜最有前途的方法之 一。但是，在薄膜沉積過(guò)程中，陰極表面電弧斑放電劇烈，在產(chǎn)生高密度等離子體的同時(shí)也 產(chǎn)生大量的宏觀顆粒。其中，宏觀顆粒是指直徑約為幾微米至幾十微米的大顆粒(這種大 顆粒也稱作"液滴"或者"大型顆粒")。宏觀大顆粒與等離子體在基體上的協(xié)同沉積，常常 使薄膜表面粗糙度增加，膜基結(jié)合力下降，影響高質(zhì)量薄膜的獲得，已成為陰極真空電弧方 法產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。 目前，減少宏觀大顆粒協(xié)同沉積的方法有三種一是在陰極電弧電源處利用外加 電磁場(chǎng)控制電弧斑點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，延長(zhǎng)弧斑壽命，減少因斷弧而頻繁啟動(dòng)電弧過(guò)程中熔滴大顆 粒的產(chǎn)生；其次是利用帶有外加勵(lì)磁線圈的磁過(guò)濾彎管裝置，在傳輸過(guò)程中將宏觀大顆粒 在一定程度上過(guò)濾掉，避免其沉積到基體表面，其機(jī)理是在外加磁場(chǎng)作用下，宏觀大顆粒由 于質(zhì)量較大，在慣性作用下直接濺射到管壁上被過(guò)濾掉，而質(zhì)量小的離子束則在電子束流 形成的外力牽引下，順利通過(guò)磁過(guò)濾彎管到達(dá)基體表面，從而獲得高質(zhì)量的薄膜；再者是在 沉積過(guò)程中，利用其它離子束流輔助轟擊基體，也可減少協(xié)同沉積在基體上的附著性相對(duì) 較弱的大顆粒，增強(qiáng)膜基的結(jié)合力和提高薄膜質(zhì)量。 上述方法中，采用帶有外加勵(lì)磁線圈的磁過(guò)濾彎管，被認(rèn)為是目前去除宏觀大顆 粒最有效的方法。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，磁過(guò)濾彎管可設(shè)計(jì)成直線形、90。彎曲形、膝形、S 形及60°彎曲形等。然而，這幾種磁過(guò)濾彎管在減少宏觀大顆粒和提高等離子體的有效傳 輸方面還有不足，尤其隨現(xiàn)代大容量信息存儲(chǔ)、MEMS微機(jī)電、航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域的快速 發(fā)展，傳統(tǒng)的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置在沉積超硬、超薄ta-C薄膜方面還難以滿足要 求。因而，目前迫切需要研制一種兼具有效過(guò)濾宏觀大顆粒和高效傳輸?shù)入x子體的新型陰 極真空電弧源薄膜沉積裝置，以及探索一種利用該新型陰極真空電弧源薄膜沉積裝置沉積 大面積、高性能ta-C薄膜的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種陰極真空 電弧源薄膜沉積裝置，以減少宏觀大顆粒在工件表面的沉積，同時(shí)提高等離子體在磁性過(guò) 濾部分中的有效傳輸，提高薄膜沉積的速率。 本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種高速沉積大面積、高性能薄膜的方法。 本發(fā)明專利解決上述第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是陰極真空電弧源薄膜 沉積裝置，包括依次密封連接的陰極真空電弧蒸發(fā)源、磁性過(guò)濾部分、安裝有基體的薄膜沉 積真空腔，以及抽真空裝置；磁性過(guò)濾部分包括管體與設(shè)置在管體外部周緣的磁場(chǎng)產(chǎn)生器， 管體包括管體入口端面和管體出口端面，管體入口端面與管體出口端面之間至少有一個(gè)彎 管，并且該彎管兩側(cè)管體的軸線之間的夾角為135° ;在陰極真空電弧蒸發(fā)源上設(shè)置有用于 通入惰性氣體的氣體通道。
為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的措施還包括
上述磁性過(guò)濾部分的管體內(nèi)壁設(shè)有柵狀擋板。
上述柵狀擋板是由倒齒類的柵格串聯(lián)圈構(gòu)成。 上述磁場(chǎng)產(chǎn)生器包括設(shè)在管體入口處的拽引線圈、設(shè)在管體彎管分的彎轉(zhuǎn)線圈和 設(shè)在管體出口處的輸出線圈，與所述拽引線圈相連的拽引線圈直流電源、與所述彎轉(zhuǎn)線圈 相連的彎轉(zhuǎn)線圈直流電源和與所述輸出線圈相連的輸出線圈直流電源。 上述輸出線圈的外側(cè)周緣均勻設(shè)置四個(gè)掃描線圈，該掃描線圈與輸出線圈互相垂 直，該掃描線圈連接有掃描線圈交流電源。 上述陰極真空電弧蒸發(fā)源包括陰極，與所述陰極共軸放置的陽(yáng)極，設(shè)置在所述陰 極和陽(yáng)極之間的用于激發(fā)電弧的觸發(fā)電極，所述觸發(fā)電極的氣動(dòng)閥門(mén)，電弧脈沖電源，與陽(yáng) 極共軸放置在陰極兩側(cè)的永磁體，與永磁體相連且可以調(diào)節(jié)永磁體與陰極之間距離的螺紋 桿；永磁體外圍設(shè)置弧源線圈，弧源線圈連接電弧電源線圈直流電源。 上述薄膜沉積真空腔包括位于中間底部的工件架，所述工件架上制有可公轉(zhuǎn)的大 盤(pán)和大盤(pán)上可自轉(zhuǎn)的小盤(pán)。 上述電源提供裝置包括為所述陰極真空電弧蒸發(fā)源供電的脈沖電源、為所述管 體施加正偏壓的直流電源以及為所述工件架施加偏壓的直流電源。 上述抽真空裝置的抽氣口設(shè)置在所述薄膜沉積真空腔上；管體橫截面呈圓形；掃 描線圈是環(huán)形線圈；薄膜沉積真空腔是圓柱形；陰極的形狀是梯形柱狀，陽(yáng)極的形狀是圓 柱環(huán)形。 上述管體的管壁制有冷卻夾層，所述冷卻夾層內(nèi)通有冷卻循環(huán)水。 本發(fā)明專利解決上述第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種應(yīng)用陰極真空電
弧源薄膜沉積裝置沉積薄膜的方法，包括以下步驟 步驟1 :將工件放入丙酮或酒精中，利用超聲波清洗5 10分鐘，然后用去離子水 漂洗后烘干待用； 步驟2 :將工件置于薄膜沉積真空腔內(nèi)的小盤(pán)上，抽真空至5. 0X 10—5Torr后，向 陰極真空電弧蒸發(fā)源的氣體通道通入10 50sccm的惰性氣體，同時(shí)將磁矯頑力大小為 912kA/m的釹鐵硼永磁體置于陰極背后50 100mm處，設(shè)定電弧源電流為60 80A，電弧 電源線圈直流電源、拽引線圈直流電源、彎轉(zhuǎn)線圈直流電源以及輸出線圈直流電源中的電 流各自為3 8A，管體壁上的偏壓電源設(shè)為0 30V的正偏壓，工件架上的偏壓電源設(shè)為負(fù) 偏壓0 400V ;啟動(dòng)開(kāi)始工作，工作時(shí)間為3 15分鐘； 步驟3 :將惰性氣體流量調(diào)整為1 5sccm，電弧電源線圈直流電源、拽引線圈直流 電源、彎轉(zhuǎn)線圈直流電源以及輸出線圈直流電源中的電流各自為3 8A，工件架上的偏壓
5電源設(shè)為負(fù)偏壓0 300V，其它參數(shù)與步驟2中相同，工作時(shí)間為10 60分鐘； 步驟4 :薄膜沉積結(jié)束后，關(guān)閉氣體和陰極真空電弧源薄膜沉積裝置中的各電源，
待工件在真空腔體中冷卻至室溫，取出。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明陰極真空電弧源薄膜沉積裝置可以實(shí)現(xiàn)陰極靶材料被蒸
發(fā)形成的等離子體，在通過(guò)磁性過(guò)濾部分后宏觀大顆粒被有效過(guò)濾，同時(shí)等離子體達(dá)到高
速傳輸，從而提高了薄膜的沉積速率。通過(guò)本發(fā)明沉積薄膜的方法可以高速沉積薄膜，而且 薄膜結(jié)構(gòu)致密，表面光滑、均勻區(qū)面積大。


圖1是本實(shí)施例陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的正面視圖。
圖2是圖1沿A-A線的剖視圖；
圖3是本實(shí)施例中陰極靶表面的軸向磁場(chǎng)分布圖；
圖4是本實(shí)施例中400分鐘后陰極靶的表面形貌圖； 圖5是本實(shí)施例彎管采用柵狀擋板時(shí)宏觀大顆粒在管體彎管分的運(yùn)動(dòng)軌跡示意 圖； 圖6是本實(shí)施例中設(shè)置掃描線圈時(shí)等離子體在管體出口處的傳輸示意圖；
(a)等離子體束流向上偏移；
(b)等離子體束流向下偏移； 圖7是本發(fā)明陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的第二種實(shí)施例的剖視圖；
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
圖1至圖7所示為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。 其中的附圖標(biāo)記為陰極1，陽(yáng)極2，彎管3，弧源線圈4，拽引線圈5，彎轉(zhuǎn)線圈6，輸 出線圈7，掃描線圈8，永磁體9，柵狀擋板IO，螺紋桿ll，觸發(fā)電極12，氣體通道13，氣動(dòng)閥 門(mén)14，觀察窗15，絕緣墊圈16，不銹鋼環(huán)17，不銹鋼環(huán)18，大盤(pán)19，小盤(pán)20，抽氣口 21，偏壓 電源22，薄膜沉積真空腔23，放氣口 24，絕緣墊圈25，不銹鋼環(huán)26，不銹鋼環(huán)27，絕緣墊圈 28，不銹鋼環(huán)29，不銹鋼環(huán)30，弧源線圈直流電源31，電弧脈沖電源32，拽引線圈直流電源 33，彎轉(zhuǎn)線圈直流電源34，輸出線圈直流電源35，掃描線圈交流電源36，偏壓電源37，陰極 真空電弧蒸發(fā)源39，第一彎管40，第二彎管41。 圖1是本發(fā)明陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的一個(gè)實(shí)施例的正視圖，圖2是圖1 沿A-A線的剖視圖。該實(shí)施例中，陰極真空電弧源薄膜沉積裝置包括依次密封連接的陰極 真空電弧蒸發(fā)源39、磁性過(guò)濾部分和薄膜沉積真空腔23。 其中，陰極真空電弧蒸發(fā)源39包括梯形柱狀的陰極1、與陰極1共軸的圓柱環(huán)形 陽(yáng)極2、設(shè)置在陰極1和陽(yáng)極2之間的用于激發(fā)電弧的觸發(fā)電極12、觸發(fā)電極12的氣動(dòng)閥 門(mén)14。本實(shí)施例中，觸發(fā)電極12是一個(gè)引弧針。永磁體9與陽(yáng)極2共軸放置在陰極1的 兩側(cè)，永磁體9連接一個(gè)螺紋桿ll，旋進(jìn)旋出該螺紋桿11可以調(diào)節(jié)永磁體9與陰極1之間 的距離。該陰極真空電弧蒸發(fā)源39外周緣設(shè)置有弧源線圈4及與其相連的弧源線圈電源 31。另外，該陰極真空電弧蒸發(fā)源39還包括氣體通道13和觀察窗15。
磁性過(guò)濾部分包括管體與設(shè)置在管體外部周緣的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，管體包括管體入 口端面和管體出口端面，管體入口端面與管體出口端面之間至少有一個(gè)彎管3，并且該彎管 3兩側(cè)管體的軸線之間的夾角為135° 。本實(shí)施例中管體是帶有夾層水冷的不銹鋼彎管3， 彎管3橫截面呈圓形，彎管3由兩部分組成呈135。夾角的第一彎管41和呈135。夾角的 第二彎管41，第一個(gè)彎管40出口處的不銹鋼環(huán)26與第二個(gè)彎管41入口處的不銹鋼環(huán)27 通過(guò)絕緣墊圈25緊密相連。彎管的管壁設(shè)有電磁線圈組和為該電磁線圈組供電的電磁線 圈電源，包括設(shè)在管體入口處的拽引線圈5、設(shè)在管體彎管3的彎轉(zhuǎn)線圈6和設(shè)在管體出口 處的輸出線圈7。其中拽引線圈5連接著拽引線圈直流電源33，彎轉(zhuǎn)線圈6連接著彎轉(zhuǎn)線 圈直流電源34，輸出線圈7連接著輸出線圈直流電源35。 薄膜沉積真空腔23包括位于中間底部的工件架，工件架上制有可公轉(zhuǎn)的大盤(pán)19 和大盤(pán)19上可自轉(zhuǎn)的六個(gè)小盤(pán)20。當(dāng)進(jìn)行薄膜沉積時(shí)，將需要沉積薄膜的工件固定放在小 盤(pán)20上，可讓小盤(pán)自傳來(lái)提高工件表面沉積薄膜的均勻性。為改變沉積離子能量，可通過(guò) 偏壓電源22為工件施加一定的負(fù)偏壓。另外，薄膜沉積真空腔23還包括抽氣口 21與放氣 口 24，該抽氣口 21與陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的抽真空裝置相連。
陰極真空電弧蒸發(fā)源39上的不銹鋼環(huán)17與彎管入口上的不銹鋼環(huán)18通過(guò)絕緣 墊圈16緊密相連，第二個(gè)彎管41出口處的不銹鋼環(huán)29與薄膜沉積真空腔23入口處的不 銹鋼環(huán)30通過(guò)絕緣墊圈28緊密連接在一起。 陰極真空電弧源薄膜沉積裝置工作時(shí)，首先將靶體固定在陰極1的表面形成陰極 靶，通過(guò)連接在抽氣口 21上的抽真空系統(tǒng)將陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的腔體抽成工 作所需的真空狀態(tài)，然后通過(guò)陰極真空電弧蒸發(fā)源39中的氣體通道13通入惰性氣體(增 加作用)，接著依次設(shè)置電弧脈沖電源32、弧源線圈直流電源31、拽引線圈直流電源33、彎 轉(zhuǎn)線圈直流電源34、輸出線圈直流電源35中的電流值，再將彎管3的偏壓電源37、工件的 偏壓電源22的電壓值設(shè)定，然后就可以啟動(dòng)相應(yīng)電源開(kāi)始工作。啟動(dòng)電源后，通過(guò)氣動(dòng)閥 門(mén)14控制引弧針，使該引弧針接觸陰極靶從而激發(fā)電弧，電弧被激發(fā)后，在陰極靶表面形 成不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的熔融電弧斑，導(dǎo)致陰極靶被蒸發(fā)形成所需的等離子體，該等離子體通過(guò)磁 過(guò)濾彎管，最后沉積在薄膜沉積真空腔23中的工件表面上，形成包含陰極材料或陰極材料 和反應(yīng)氣體的化合物薄膜。陰極靶的材料可按照沉積薄膜的種類來(lái)選擇。電弧脈沖電源32 提供陰極靶電弧放電時(shí)所需的能量，通過(guò)觀察窗15可以觀察到電弧斑在陰極靶表面的運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)放氣口 24將陰極真空電弧源薄膜沉積裝置中的壓力釋放到大氣 壓，然后可以取出工件。 陰極真空電弧蒸發(fā)源39中不外加永磁體9和弧源線圈4時(shí)，電弧斑運(yùn)動(dòng)很不規(guī) 則，容易運(yùn)動(dòng)到陰極靶的邊緣或側(cè)面導(dǎo)致產(chǎn)生斷弧現(xiàn)象。當(dāng)陰極真空電弧蒸發(fā)源39中增加 永磁體9和弧源線圈4時(shí)，電弧斑在陰極耙表面運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定均勻并且避免出現(xiàn)斷弧的現(xiàn)象。如 圖3，采用磁矯頑力為912kA/m的永磁體9，并使永磁體9的磁化方向與弧源線圈4的磁化 方向相反，將該永磁體9放置在與陰極1之間的距離為80mm處，設(shè)定弧源線圈電源31的電 流為2A時(shí)，陰極靶表面的磁場(chǎng)分布如圖3所示，薄膜沉積過(guò)程中弧斑在陰極靶表面運(yùn)動(dòng)穩(wěn) 定、均勻，沒(méi)有出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象。圖4是陰極靶在使用400多分鐘后的表面形貌，可以看出陰 極靶表面刻蝕均勻。 當(dāng)陰極真空電弧蒸發(fā)源39產(chǎn)生的等離子體傳輸進(jìn)入磁性過(guò)濾部分，在拽引線圈
7
5，彎轉(zhuǎn)線圈6和輸出線圈7所產(chǎn)生的外加磁場(chǎng)的作用下，其中的宏觀大顆粒由于質(zhì)量較大， 在慣性作用下直接濺射到管壁上被過(guò)濾掉，而質(zhì)量小的離子束則在電子束流形成的外力牽 引下，順利通過(guò)彎管而到達(dá)薄膜沉積真空腔23中的工件表面。當(dāng)陰極1表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度分 布如圖3所示，拽引線圈5，彎轉(zhuǎn)線圈6和輸出線圈7中的電流分別為5. 5A、6A、6A、不銹鋼 彎管壁3上施加20V正偏壓時(shí)，薄膜的沉積速率可以達(dá)到10士2nm/min。
為了提高大顆粒的過(guò)濾效果，避免部分大顆粒進(jìn)入彎管3后經(jīng)反彈而通過(guò)彎管3 沉積到工件表面，在管體內(nèi)側(cè)加入了柵狀擋板IO，本實(shí)施例中該柵狀擋板10采用倒齒類的 柵格串聯(lián)圈。圖5是加入柵狀擋板10后宏觀大顆粒的傳輸示意圖，從圖中可以看出，宏觀 大顆粒P1、P2、P3均被柵狀擋板10反彈阻止而不能順利通過(guò)彎管40、41進(jìn)入薄膜沉積真空 腔23，因此提高了大顆粒的過(guò)濾效果，獲得了高質(zhì)量的薄膜沉積。 另外，為了進(jìn)一步提高等離子體的傳輸效率，可以通過(guò)偏壓電源37對(duì)彎管施加正 偏壓，帶正電的離子在正偏壓的靜電力的作用下會(huì)更趨向于在磁過(guò)濾彎管中心區(qū)域運(yùn)動(dòng)。
為了提高沉積薄膜的均勻性，在輸出線圈7的外側(cè)周緣均勻設(shè)置了四個(gè)掃描線圈 8，該掃描線圈8與輸出線圈7互相垂直，掃描線圈8連接有掃描線圈交流電源36。掃描線 圈8的磁場(chǎng)分布由控制掃描線圈交流電源36的振幅和頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而可調(diào)節(jié)等離子體束 斑在管體出口處上下和左右的掃描范圍，改變薄膜的沉積面積和均勻性。圖6為掃描線圈 8工作時(shí)的等離子體傳輸示意圖，其中，在其它優(yōu)化條件下，當(dāng)掃描線圈交流電源36波形為 矩形波，振幅為IO，頻率為0. 5Hz時(shí)，薄膜沉積均勻區(qū)直徑為10cm。 當(dāng)對(duì)薄膜表面的質(zhì)量要求不是特別高，而更需要提高薄膜沉積速率時(shí)，可將本實(shí) 施例中的第一彎管40和第二彎管41中的第一彎管40去掉，即將陰極真空電弧蒸發(fā)源39 和呈135°夾角的第二彎管41直接相連而構(gòu)成的具有一個(gè)呈135。夾角的彎管的磁過(guò)濾部 分。圖7為變換后的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置的示例圖。 利用上述陰極真空電弧源薄膜沉積裝置在工件表面沉積薄膜的方法包括以下步 驟 步驟1 :將工件放入丙酮或酒精中，利用超聲波清洗5 10分鐘，然后用去離子水 漂洗后烘干待用。 步驟2 :將工件置于薄膜沉積真空腔內(nèi)的小盤(pán)上，抽真空至5. OX 10—5Torr后，向 陰極真空電弧蒸發(fā)源的氣體通道通入10 50sccm的惰性氣體，同時(shí)將磁矯頑力大小為 912kA/m的釹鐵硼永磁體置于陰極背后50 100mm處，設(shè)定電弧源電流為60 80A，電弧 電源線圈直流電源、拽引線圈直流電源、彎轉(zhuǎn)線圈直流電源以及輸出線圈直流電源中的電 流各自為3 8A，管體壁上的偏壓電源設(shè)為0 30V的正偏壓，工件架上的偏壓電源設(shè)為負(fù) 偏壓0 400V ;啟動(dòng)開(kāi)始工作，工作時(shí)間為3 15分鐘。 步驟3 :將惰性氣體流量調(diào)整為1 5sccm，電弧電源線圈直流電源、拽引線圈直流 電源、彎轉(zhuǎn)線圈直流電源以及輸出線圈直流電源中的電流各自為3 8A，工件架上的偏壓 電源設(shè)為負(fù)偏壓0 300V，其它參數(shù)與步驟2中相同，工作時(shí)間為10 60分鐘。
步驟4 :薄膜沉積結(jié)束后，關(guān)閉氣體和陰極真空電弧源薄膜沉積裝置中的各電源， 待工件在真空腔體中冷卻至室溫，取出。 按照上述方法在工件表面沉積薄膜后，利用表面輪廓臺(tái)階儀測(cè)試所沉積薄膜的厚 度時(shí)得到在硅片上所沉積的薄膜在縱向lOOmm范圍內(nèi)的厚度約為160 200nm，均方差約為13. 65nm，均勻度(方差/平均彈性模量X 100% ))為7. 68% 。 按照上述方法在工件表面沉積ta-C薄膜后時(shí)，硅片上沉積的ta-C的薄膜的性能 可以達(dá)到ta-C薄膜的納米壓痕硬度〉60GPa，彈性模量〉800GPa，表面粗糙度為0. 238nm。
本發(fā)明的最佳實(shí)施例已闡明，由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員做出的各種變化或改型都不 會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，包括依次密封連接的陰極真空電弧蒸發(fā)源(39)、磁性過(guò)濾部分、薄膜沉積真空腔(23)，以及抽真空裝置，其特征是所述磁性過(guò)濾部分包括管體與設(shè)置在管體外部周緣的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，所述管體包括管體入口端面和管體出口端面，管體入口端面與管體出口端面之間至少有一個(gè)彎管，并且該彎管兩側(cè)管體的軸線之間的夾角為135°；在陰極真空電弧蒸發(fā)源(39)上設(shè)置有用于通入惰性氣體的氣體通道(13)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特征是所述管體內(nèi)壁設(shè) 有柵狀擋板(10)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特征是所述柵狀擋板 (10)是由倒齒類的柵格串聯(lián)圈構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特征 是所述磁性過(guò)濾部分的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置包括設(shè)在管體入口處的拽引線圈(5)、設(shè)在管體彎 管分的彎轉(zhuǎn)線圈(6)和設(shè)在管體出口處的輸出線圈(7)，與所述拽引線圈(5)相連的拽引線 圈直流電源(33)、與所述彎轉(zhuǎn)線圈(6)相連的彎轉(zhuǎn)線圈直流電源(34)和與所述輸出線圈 (7)相連的輸出線圈直流電源(35)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特征是所述輸出線圈(7) 的外側(cè)周緣均勻設(shè)置四個(gè)掃描線圈(8)，所述掃描線圈(8)與所述輸出線圈(7)互相垂直， 所述掃描線圈(8)連接有掃描線圈交流電源(36)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特征是所述陰極真空電 弧蒸發(fā)源(39)包括陰極(l)，與所述陰極(1)共軸放置的陽(yáng)極(2)，設(shè)置在所述陰極(1)和 陽(yáng)極(2)之間的用于激發(fā)電弧的觸發(fā)電極(12)，所述觸發(fā)電極(12)的氣動(dòng)閥門(mén)(14)，電弧 脈沖電源(32)，與所述陽(yáng)極(2)共軸放置在所述陰極(1)兩側(cè)的永磁體(9)，與所述永磁體 (9)相連，且可以調(diào)節(jié)所述永磁體(9)與所述陰極(1)之間距離的螺紋桿(11);所述永磁體 (9)外圍設(shè)置弧源線圈(4)，所述弧源線圈(4)連接電弧電源線圈直流電源(31)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特征是所述薄膜沉積真 空腔(23)包括位于中間底部的工件架，所述工件架上制有可公轉(zhuǎn)的大盤(pán)(19)，所述大盤(pán) (19)上制有可自轉(zhuǎn)的小盤(pán)(20)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁過(guò)濾陰極真空電弧源薄膜沉積設(shè)備，其特征是所述抽真空裝置的抽氣口 (21)設(shè)置在所述薄膜沉積真空腔(23)上；所述管體橫截面呈圓形； 所述掃描線圈是環(huán)形線圈；所述薄膜沉積真空腔是圓柱形；所述陰極的形狀是梯形柱狀， 陽(yáng)極的形狀是圓柱環(huán)形。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，其特征是所述管體的管壁 制有冷卻夾層，所述冷卻夾層內(nèi)通有冷卻循環(huán)水。
10. —種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置沉積薄膜的方法，其特 征是包括以下步驟步驟1 :將工件放入丙酮或酒精中，利用超聲波清洗5 10分鐘，然后用去離子水漂洗 后烘干待用；步驟2 :將工件置于薄膜沉積真空腔內(nèi)的小盤(pán)上，抽真空至5. 0 X 10—5T0rr后，向陰極真 空電弧蒸發(fā)源的氣體通道通入10 50sccm的惰性氣體，同時(shí)將磁矯頑力大小為912kA/m 的釹鐵硼永磁體置于陰極背后50 100mm處，設(shè)定電弧源電流為60 80A，電弧電源線圈直流電源、拽引線圈直流電源、彎轉(zhuǎn)線圈直流電源以及輸出線圈直流電源中的電流各自為3 8A，管體壁上的偏壓電源設(shè)為0 30V的正偏壓，工件架上的偏壓電源設(shè)為負(fù)偏壓0 400V ;啟動(dòng)開(kāi)始工作，工作時(shí)間為3 15分鐘；步驟3 :將惰性氣體流量調(diào)整為1 5sccm，電弧電源線圈直流電源、拽引線圈直流電源、彎轉(zhuǎn)線圈直流電源以及輸出線圈直流電源中的電流各自為3 8A，工件架上的偏壓電源設(shè)為負(fù)偏壓0 300V，其它參數(shù)與步驟2中相同，工作時(shí)間為10 60分鐘；步驟4:薄膜沉積結(jié)束后，關(guān)閉氣體和陰極真空電弧源薄膜沉積裝置中的各電源，待工件在真空腔體中冷卻至室溫，取出。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種陰極真空電弧源薄膜沉積裝置，包括具有高速傳輸?shù)入x子與有效過(guò)濾宏觀大顆粒的磁性過(guò)濾部分，該磁性過(guò)濾部分包括管體與設(shè)置在管體外部周緣的磁場(chǎng)產(chǎn)生器，管體包括管體入口端面和管體出口端面，管體入口端面與管體出口端面之間至少有一個(gè)彎管，并且該彎管兩側(cè)管體的軸線之間的夾角為135°；該裝置內(nèi)惰性氣體的通入量為10～50sccm，抽真空后真空度是1.0×10-5～5.0×10-5Torr。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的陰極真空電弧源薄膜沉積裝置可以實(shí)現(xiàn)有效過(guò)濾宏觀大顆粒，同時(shí)高速傳輸?shù)入x子體，從而提高了薄膜的質(zhì)量與沉積速率。通過(guò)本發(fā)明的方法可以高速沉積薄膜，沉積的薄膜結(jié)構(gòu)致密，表面光滑、均勻區(qū)面積大，可以用于沉積高性能的ta-C薄膜。
文檔編號(hào)C23C14/24GK101792895SQ20101013551
公開(kāi)日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者李洪波, 柯培玲, 汪愛(ài)英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所