專利名稱：減小由物理氣相沉積生成的鍍膜中的壓力的制作方法
技術領域：
本發明涉及減小鍍膜中的壓力，該鍍膜由電弧沉積設備沉積，特別是那些能夠使 一個基板具有一個較大的負偏壓的設備。
背景技術：
近些年，大量的等離子體沉積方法取代了濺鍍系統成為在各種各樣的基板上沉積 薄的鍍膜的理想裝置。公知的是通過物理氣相沉積(PVD)處理在一個鍍膜的沉積過程中的一個基板的 偏壓的使用。這個偏壓在整個沉積階段傾向于保持在一個穩定的級別，在大約-1，000V或 大約-600V。例如，lonbond 生產了各種PVD設備，其中一個的名稱為‘PVD-350，，在其中 一個基板被加以-1，οοον的不變的偏壓。這個偏壓阻止正的靜電勢的增大，并使得可接受 的厚度的膜被沉積。由這種和其他已知的方法生成的鍍膜的問題是它們能夠具有非常高的硬度的同 時，在所述鍍膜內存在很高的壓力。這限制了所述鍍膜厚度以及所述鍍膜產品的可能的應用。因此，需要較低壓力的鍍膜，使得所述鍍膜非常容易地粘著于所述基板，更加的柔 韌(即，不易碎)，具有更大的厚度和/或具有改善的堅固性。本發明的一個目的是提供一個方法和裝置，用于鍍膜的沉積，該鍍膜具有迄今盡 可能的被減小的壓力。本發明的另一個目的是生成一個鍍膜，其具有改善的壓力級別。本 發明的另一個目的是使得更厚的鍍膜沉積到所述基板上，比起以前得到的鍍膜具有更高的 堅固性。

發明內容
本發明基于施加到所述基板上的大的負偏壓的使用。相應地，本發明提供一個方法，用于鍍膜一個基板，包括生成一個鍍膜材料的等離子體；沉積等離子體到所述基板上；以及使所述基板有-1，500V的偏壓或更低的偏壓。這個偏壓的使用導致所述被鍍膜的膜的減小的壓力。在下面的例子中，我們使一 個鈦測試片具有_4，500V的偏壓，并且觀察到所述鍍膜中的相當低的壓力級別，比那些使 用已知的固定偏壓得到的膜中的壓力級別要低。本發明的另一個特征是應用一個偏壓，其在所述沉積處理中變化，以及另一個方法用于鍍膜一個基板，包括生成一個鍍膜材料的等離子體；沉積等離子體到所述基板上；以及使用一個可變的偏壓使所述基板具有偏壓。不需要施加一個穩定的高量級偏壓來得到壓力的減小，并且在本發明的這個實施 例中，所述偏壓的變化，連同所述偏壓在峰值之間回到或接近于零，也能夠實現所述被沉積 的膜的壓力的減小。優選地，鍍膜的沉積被實施的同時，改變在所述基板上的偏壓并施加一個-1，500V 的偏壓或更低的偏壓。在本發明的一個方法的使用中，施加到所述基板上的所述偏壓可達到-10，000V， 優選地達到-5，OOOV0當可以施加一個更高量級的峰值偏壓時，我們發現在這些限度內可以 得到壓力減小。進一步適宜的所述偏壓是_2，000V或更低的偏壓。特別優選地，對于過濾陰極真空電弧源(FCVA)，所述偏壓在從-2，000V到-4，000V的范圍內，對于其他電弧源，所 述偏壓在_2，000V到-3，000V的范圍內。本發明的方法使用了一個可變的或脈沖的偏壓，從一個較大的負值到零或接近零 的范圍變化。達到峰值后，如大約-1，500V，所述偏壓能夠回到非常小的值，如-300V或稍 高，優選地-200V或稍高。這可以依賴于使用的電源到達某個范圍，并且在例子中，在脈沖 下通常從它的峰值回到從大約-100V到零且有時瞬時為正的一個值，。在所述例子中的偏 壓的變化遵循一個近似方波的圖樣，雖然其他波形也適合，包括規則波形和不規則波形。在沉積過程中，所述脈沖持續時間和頻率通常遵循一個預定的圖樣。所述脈沖持 續時間通常很短，可以是1_50μ S。對于直接電弧源，所述脈沖持續時間優選地是1_20μ S， 更優選地是5-10 μ s。對于FCVA源，所述脈沖持續時間優選地是10-40 μ s,更優選地是 15-25 μ S。所述頻率通常很快，每秒幾百或幾千個脈沖。一個優選的方法包括在所述基板 上給所述偏壓加以最高達IOkHz頻率的脈沖，優選地l_3kHz，更優選地1. 5-2. 5kHz。在本發明的實施例中，所述電源來自于Nanofilm TechnologiesInternational (NTI)，被稱作“高電壓脈沖發生器”(HVPG)。然而，本領域技 術人員可以理解可以使用如在這里描述的，能夠加偏壓到一個基板的任何電源。我們使用不同的偏壓，脈沖持續時間和脈沖頻率，將氮化鈦和非晶體四面碳 (ta-C)鍍膜沉積到所述測試基板上。例如，在一種配置中，所述HVPG被設定到持續時間為 20 μ s,頻率為IOkHz的-4，500V的脈沖。然后，我們測試由我們的脈沖偏壓方法生成的所 述氮化鈦鍍膜的壓力，發現它們在l_2GPa的范圍內，通常大約lGPa。這優于不用脈沖偏壓 生成的所述氮化鈦鍍膜的壓力，其大約為3GPa。這樣，本發明能夠使鍍膜被具有較低壓力級 別地沉積。這允許沉積更厚的鍍膜，而現有技術中鍍膜非常易碎使得一旦它們的厚度超過 某個值，它們就不能附著到所述基板上。這增加了這種鍍膜技術的應用，由于減小壓力的薄 膜現在能夠被應用到更柔軟的基板上(現有技術的薄膜一有撓曲就會剝落)。本方法特別適用于使用基于電弧的沉積設備和方法生成鍍膜，因此，在本發明的 一個特殊方法中，在電弧沉積裝置中鍍膜一個基板的方法中使用基板的被加以脈沖的一個 大的負偏壓，所述裝置包括一個真空室，一個目標以及一個陽極和一個陰極來從所述目標 生成等離子體。
在直接電弧沉積中，所述目標材料優選地是一種金屬，使用從鈦，鉻，鋁，鎵或任何 前述的金屬的混合物或合金中選擇出的目標會得到理想的效果。當制造復合或混合鍍膜 時，也能施加偏壓，并且本發明的另一個方法包括引入一種氣體到所述真空室中來形成在 所述基板上的一個鍍膜，其是所述氣體和所述目標的化合物。合適的氣體包括氮氣和氧氣。在FCVA沉積中，所述目標材料優選地是石墨，特別用于ta-C鍍膜的生產，也可以 使用金屬。本發明進一步提供裝置，用于根據描述的所述方法鍍膜一個基板，因此，本發明的 所述裝置包括一個真空室，一個陽極和一個陰極組件來從一個目標生成一個等離子體并沉 積所述等離子體在所述基板上形成一個鍍膜，以及一個電源來加偏壓-1，500V或更低的偏 壓到所述基板上。另一個裝置包括一個真空室，一個陽極和一個陰極組件來從一個目標生 成一個等離子體并沉積等離子體到所述基板上來形成一個鍍膜，以及一個電源來施加可變 的偏壓到所述基板上。優選地，所述裝置的電源既可以施加所述大的負偏壓也可以如上述 方法改變所述偏壓。在所述方法和所述裝置使用的一個例子中，一個鈦目標被設置與一個電弧沉積裝 置的陰極電接觸。一個基板位于所述基板臺，并且所述真空室被抽空到大約lPTorr。氮 氣被引入到所述真空室中達到大約l-20mTorr的工作壓力，優選地3mTorr。一個電弧就被 觸發，氮化鈦沉積物就被鍍膜到所述基板上。所述基板在沉積期間被施加偏壓，從_2，000V 到-3，000V,以l-3kHz的頻率并使用一個5-10 u s的脈沖持續時間。繼續沉積直到得到大 約2-3 ym的一個鍍膜。在沉積之后，所述鍍膜的壓力一般是l_2GPa，并且硬度一般是大約 2，500kg/mm2。在本方法和裝置使用中的另一個例子中，一個石墨目標被設置與一個FCVA沉積 裝置的所述陰極電接觸。一個基板位于所述基板臺并且所述真空室被抽空到大約1 P Torr0 不弓I入任何氣體。一個電弧就被觸發，ta-C沉積物就被鍍膜到所述基板上。所述基板在沉積 期間被施加偏壓，從_2，000V到-4，000V,以1. 5-2. 5kHz的頻率并使用一個15-25 u s的脈 沖持續時間。繼續沉積直到得到可達大約lOym厚的鍍膜厚度。在沉積之后，所述鍍膜的壓 力一般小于lGPa，硬度一般大約是25-40GPa，并且耐磨性一般大約是1 X 10_8_3 X 10_8mm3/ Nm。在本發明的另一個實施例中，一個FCVA鍍膜處理在至少兩個階段進行。第一個階 段使用-3，000V到-4，000V的基板偏壓，在1. 5-2. 5kHz的頻率，并使用15-25 u s的脈沖 持續時間。第二階段使用-2，000V到-3，500V的基板偏壓，在1. 5-2. 5kHz的頻率，并使用 15-25 u s的脈沖持續時間。由本發明提供的所述鍍膜可以被用于很多應用中，如，鐵砧可以被鍍膜，或工具沖 床可以被鍍膜來增加沖床的使用壽命，或半導體和媒體設備可以被鍍膜來提供更大的保 護。本發明的偏壓的好處包括生成具有更低壓力的鍍膜，其具有彈性和/或沉積更厚的鍍膜。一般地，本發明使用-1，500V或更低的偏壓來減小由一個電弧沉積裝置沉積的鍍 膜中的壓力和/或使用一個可變的偏壓來減小由一個電弧沉積裝置沉積的鍍膜中的壓力。下面將結合附表和附圖來描述
具體實施例方式表1顯示了偏壓參數的不同組合，其使用高電壓脈沖發生器得到。


圖1顯示了在本發明的一個方法中用來加偏壓到一個基板的輸出脈沖波形；以及圖2顯示了在本發明的一個方法中用來加偏壓到一個基板的輸出脈沖波形。
具體實施例方式我們改變了一個現有的PVD設備以根據本發明提供一個偏壓到所述基板上，使用 由Nanofilm Technologies International (NTI)得到的一個電源，被稱作“高電壓脈沖發 生器”(HVPG)。所述電源單元具有一個控制面板，其上可以手工設定所述參數。還使用一個 轉換設備絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，其防止電流超載和短路。所述發生器組件還被配置了 一個輸出保險絲。所述脈沖發生器的輸出范圍可到達-10，000V,優選地-5，000V,并且更優選 地-2，000V和-4，000V,所述脈沖持續1-50 u s ；對于直接電弧源優選地1_20 u s,更優選地 5-10 u s，對于FCVA源優選地10-40 u s，更優選地15-25 u s ；并且在可達10kHz的頻率，優 選地 l_3kHz，更優選地，1. 5-2. 5kHz。所述HVPG與所述PVD設備相關聯，并連接到所述基板，最通常地是通過所述基板 固定器。在所述PVD設備的工作期間，所述HVPG被設定到向所述基板輸送大的負電壓的脈 沖。所述HVPG可通過手動或遠程被啟動或停止。我們使用如圖1示意出的偏壓來沉積氮化鈦的鍍膜到所述測試基板上(在這種情 況下，鈦片大約5cmX 10cm, 0. 5cm厚)，S卩，所述HVPG被設定到_4，500V的脈沖，持續時間 20 u s，頻率 10kHz。相似地，我們使用如圖2示意出的偏壓，即，所述HVPG被設定到-3，000V的脈沖， 持續時間10ii s，頻率3kHz。我們就在所述不同的測試片上測試由我們的脈沖偏壓的方法生成的所述氮化鈦 鍍膜的壓力，發現它們的值在l_2GPa范圍內。許多測試鍍膜上的壓力接近于lGpa。這優于 不用脈沖偏壓生成的氮化鈦鍍膜的壓力，其壓力至少3GPa。我們還在不同的測試片上測試了所述ta-C鍍膜的壓力，其由我們的脈沖偏 壓的方法生成，發現它們具有小于lGPa的值。硬度大約是25-40GPa，耐磨性大約是 1 X l(T8-3 X lCTW/Nm。這樣，本發明的偏壓的優點包括生成更低壓力的鍍膜，其具有彈性和/或沉積更 厚的鍍膜。表 權利要求
一個用于鍍膜基板的方法，，包括生成一個鍍膜材料的等離子體；沉積等離子體到所述基板上；以及使用一個可變的偏壓使所述基板具有偏壓。
2.根據權利要求1所述的方法，進一步包括使所述基板有-1，500V和-10，000V之間的偏壓。
3.根據權利要求1或2所述的方法，包括使所述基板具有-10，000V的偏壓。
4.根據權利要求3所述的方法，包括使所述基板具有_5，000V的偏壓。
5.根據權利要求1所述的方法，包括給所述基板上的偏壓加以最高達IOkHz頻率的脈 沖。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述頻率是l_3kHz。
7.根據權利要求1所述的方法，其中給所述基板上的偏壓的脈沖持續時間是1-25μ s。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述脈沖持續時間是5-10μ s。
9.根據權利要求1-8中的任何一個用于鍍膜基板的方法，其中該基板位于一個電弧沉 積裝置中，所述裝置包括一個真空室，一個靶以及一個陽極和一個陰極來從所述靶生成所 述等離子體。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述裝置包括一個過濾陰極真空電弧源。
11.根據權利要求9所述的方法，其中所述靶是一種金屬。
12.根據權利要求9所述的方法，其中所述靶是石墨。
13.根據權利要求11所述的方法，其中所述金屬包括鈦，鉻，鋁，鎵或任何這些金屬的 混合物或合金。
14.根據權利要求9所述的方法，包括引入一種氣體到所述真空室中來形成在所述基 板上的一個鍍膜，該鍍膜是所述氣體和所述靶的化合物。
15.一種用于鍍膜基板的裝置，包括一個真空室，一個陽極和一個陰極組件來從一個靶 生成一個等離子體并沉積等離子體到所述基板上來形成一個鍍膜，以及一個電源來施加可 變的偏壓到所述基板上。
16.根據權利要求15所述的裝置，其中所述電源施加一個-1，500V和-10，000V之間的 偏壓到所述基板上。
17.根據權利要求15或16所述的裝置，包括一個電源施加_2，000V和-4，000V之間的偏壓到所述基板上。
18.根據權利要求15所述的裝置，包括一個電源將所述偏壓加以l_3kHz頻率的脈沖。
19.根據權利要求15所述的裝置，包括一個電源將所述基板的所述偏壓加以5-10μs 的脈沖持續時間的脈沖。
全文摘要
使用電弧沉積方法沉積鍍層，該方法在所述基板上使用一個大的一1,500V或更低的負偏壓，其在沉積過程中可變，導致所述鍍層中的壓力減小。
文檔編號C23C16/26GK101838789SQ201010168209
公開日2010年9月22日 申請日期2005年1月13日 優先權日2004年1月21日
發明者史旭, 謝麗康 申請人:納峰科技私人有限公司