專利名稱：一種用于表面防護(hù)的離子束輔助磁控濺射沉積裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于表面防護(hù)的離子束輔助磁控濺射沉積裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著表面改性和薄膜制備技術(shù)的發(fā)展及F1趨成熟，采用多種處理方法相結(jié)合制備具 有優(yōu)異新特性的薄膜閂益受到關(guān)注。近年來，將離子束濺射和高能磁控濺射相結(jié)合進(jìn)行 工件表面防護(hù)鍍膜的復(fù)合裝置已經(jīng)開發(fā)，例如公開號(hào)為CN 26卯417(專利號(hào)為ZL 03211547.4)的中國(guó)實(shí)用新型專利就公布了一種平面離子源增強(qiáng)沉積鍍膜機(jī)，包括真空系 統(tǒng)、工件傳動(dòng)裝置和蒸發(fā)源，其特征在于，還包括平面離子源和平面離子源進(jìn)氣管，平 面離子源進(jìn)氣管與真空室連接，工件傳動(dòng)裝置安裝在真空室內(nèi)，蒸發(fā)源和平面離子源同 時(shí)安裝在真空室壁上。上述平面離子源增強(qiáng)沉積鍍膜機(jī)需要將蒸發(fā)源和平面離子源同時(shí) 安裝在真空室壁，這就要求真空室做的比較大，并且磁控濺射靶不能根據(jù)工件的大小和 位置調(diào)整濺射方向，濺射的效果不佳，另外，這種磁控濺射裝置只能對(duì)工件單面進(jìn)行鍍 膜，而不能對(duì)工件所有外表面鍍膜，工件鍍膜后其均勻性和一致性較差。
又例如公開號(hào)為CN2832829(專利號(hào)為ZL200520017267.8)的中國(guó)實(shí)用新型專利也 公布了一種新型真空鍍膜機(jī)，包括有磁控濺射靶的反應(yīng)磁控濺射鍍膜機(jī)，其特征在于 還包括一只或多只定向發(fā)射的細(xì)長(zhǎng)形電弧離子源，放置在反應(yīng)磁控濺射鍍膜機(jī)中。雖然 上述將離子束濺射和高能磁控濺射相結(jié)合進(jìn)行工件表面防護(hù)鍍膜具有鍍層致密以及結(jié) 合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但是其需要高能的離子束，且沉積速率低，設(shè)備復(fù)雜、昂貴，限制了 其廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是提供一種磁控濺射靶可以根據(jù)工件的大小和 位置調(diào)整濺射方向的用于表面防護(hù)的離子束輔助磁控濺射沉積裝置。
本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是提供一種釆用低能、大束流的離子束的用于表 面防護(hù)的離子束輔助磁控濺射沉積方法。
本發(fā)明解決上述第一個(gè)技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為該用于表面防護(hù)的離子束輔 助磁控濺射沉積裝置，包括真空室、磁控濺射源、工件托架和離子源，其特征在于所 述磁控濺射源安裝在真空室的頂部呈密封連接結(jié)構(gòu)，磁控濺射靶通過連接軸與磁控濺射源相連，磁控濺射靶伸入真空室內(nèi)，且磁控濺射靶與連接軸之間為可轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述離 子源也安裝在真空室的頂部呈密封連接結(jié)構(gòu)，離子源的發(fā)射頭也伸入真空室內(nèi)，所述工 件托架安裝在真空室內(nèi)的底部。
這樣，在對(duì)工件的外表面進(jìn)行鍍膜時(shí)，磁控濺射靶和離子源均由上向下濺射，符合 重力垂直向下的自然規(guī)律，無需克服濺射粒子的自重做功；并且由于磁控濺射靶與連接 軸之間為可轉(zhuǎn)動(dòng)連接，使靶面與水平成45~90° ，角度可調(diào)，這樣磁控濺射靶就能根據(jù) 工件的大小和位置調(diào)整濺射方向，以達(dá)到最佳的濺射的范圍，這種向下沉積鍍膜的方式， 可顯著提高沉積速率，獲得厚的磁控濺射薄膜。
磁控濺射耙在真空室的頂部可以豎直向下安裝，當(dāng)然，為了更好的保證濺射效果， 這里，磁控濺射靶可以傾斜向下安裝，使磁控濺射靶正對(duì)工件托架。并且，磁控濺射靶 的安裝數(shù)量可以有多個(gè)，并且這些磁控濺射靶在真空室的頂部呈圓形均勻分布，每個(gè)磁 控濺射耙均裝成與工件托架正對(duì)。并且，離子源也可以安裝多個(gè)，離子源和磁控濺射靶 可以間隔分布，這樣多個(gè)磁控濺射源和離子源對(duì)工件托架上的工件進(jìn)行沉積鍍膜時(shí)，可 以顯著提高鍍膜效率和均勻性，而離子轟擊則可增強(qiáng)膜基結(jié)合力，增加薄膜的致密度。
作為改進(jìn)，所述工件托架包括一底盤，該底盤由電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接一部伺服電機(jī)及其減 速機(jī)構(gòu)，該底盤的外圓周上安裝多個(gè)工件托盤。
這樣，本發(fā)明在對(duì)工件進(jìn)行沉積鍍膜時(shí)，可以對(duì)多個(gè)工件同時(shí)進(jìn)行鍍膜濺射，提高 了沉積鍍膜效率。并且，通過電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)底盤和底盤上的工件托盤轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)對(duì)多個(gè)工 件同時(shí)沉積鍍膜濺射時(shí)，可以保證每個(gè)工件托盤上的工件濺射條件相同。
工件托盤上可以只放置一個(gè)工件，也可以放置多個(gè)工件，為了保證每個(gè)工件托盤上 各個(gè)位置所放工件的濺射條件相同，作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述底盤下方、電機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定 有大齒輪，所述底盤下方、每個(gè)工件托盤的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上固定有小齒輪，每個(gè)小齒輪與所述 大齒輪相嚙合。這樣，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)底盤公轉(zhuǎn)，底盤下大齒輪帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而小 齒輪通過工件托盤的轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)工件托盤自轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工件托盤的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。這樣，工 件托盤的公轉(zhuǎn)可以保證每個(gè)工件托盤上工件的濺射條件相同，工件托盤的自轉(zhuǎn)可以保證 每個(gè)托盤上各個(gè)位置所放工件濺射條件相同。
為了能讓磁控濺射靶的濺射范圍更廣，所述磁控濺射靶外繞有水冷勵(lì)磁線圈，構(gòu)成 非平衡磁控濺射系統(tǒng)。
本發(fā)明解決第二個(gè)技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為該用于表面防護(hù)的離子束輔助磁 控濺射沉積方法，其特征在于包括以下步驟
(D、將工件置于托盤7上，將真空室內(nèi)空氣抽空，使真空室內(nèi)的壓強(qiáng)為1-5X10—4Pa;
(2) 、轉(zhuǎn)動(dòng)底盤和工件托盤，使工件同時(shí)實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)；
(3) 、開啟離子源，離子源對(duì)準(zhǔn)工件，對(duì)工件表面進(jìn)行濺射清洗和活化，工作氣壓0.05-0.1Pa，陽極電壓為50-100V,陽極電流為0.5-lA，清洗時(shí)間為5-20分鐘后停止；
(4) 、在離子源清洗樣品的同時(shí)，對(duì)磁控濺射靶表面進(jìn)行預(yù)濺射清洗，在清洗磁控濺 射靶的過程中，用擋板擋住磁控濺射靶表面，以防止濺射時(shí)粒子沉積到工件上，清洗時(shí)， 磁控濺射靶功率為50-100W,清洗時(shí)間為5-20分鐘后停止；
(5) 、工件和磁控濺射靶清洗后，進(jìn)行輔助沉積薄膜過程。
(6) 、將真空室內(nèi)的工作氣壓調(diào)至0.2-lPa，將磁控濺射和離子源對(duì)準(zhǔn)工件，轉(zhuǎn)動(dòng)底 盤和工件托盤，使工件同時(shí)實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)；
(7) 、打開磁控濺射源和離子源，將打開磁控濺射靶的功率調(diào)至200-400W，離子源 陽極電壓調(diào)至100-200V，陽極電流增加至l-3Pa，輔助沉積薄膜時(shí)間為60-120分鐘后 停止。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過將磁控濺射靶安裝在真空室的頂部并且 磁控濺射靶與連接軸之間設(shè)為可轉(zhuǎn)動(dòng)連接，磁控濺射靶能根據(jù)工件的大小和位置調(diào)整濺 射方向，以達(dá)到最佳的濺射的范圍。通過將工件托架上的工件托盤設(shè)為行星式轉(zhuǎn)動(dòng)，既 保證每個(gè)工件托盤濺射條件相同，又能保證托盤上各個(gè)位置所放工件濺射條件相同，本 發(fā)明所采用的離子束輔助磁控濺射沉積方法，不需要采用高能離子源，而是采用低能、 大束流離子束對(duì)薄膜進(jìn)行輔助沉積，沉積薄膜前，離子束可對(duì)基片進(jìn)行濺射清洗和表面 活化，在沉積薄膜的過程中，輔助沉積可增加膜基結(jié)合力和薄膜致密度，從而制備出高 性能的薄膜材料。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中用于表面防護(hù)的離子束輔助磁控濺射沉積裝置的結(jié)構(gòu)圖； 圖2為圖1的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
如圖1和2所示的用于表面防護(hù)的離子束輔助磁控濺射沉積裝置，包括真空室6， 真空室6的頂部安裝至少一個(gè)磁控濺射源3，至少一個(gè)離子源l，真空室6可以為圓柱 形，也可以為其他任何形狀，本實(shí)施例中真空室6為圓柱形，真空室6的頂部外圓周上 均勻安裝有四個(gè)磁控濺射源3和兩個(gè)離子源1，磁控濺射源3和離子源1與真空室6呈 密封連接結(jié)構(gòu)，磁控濺射靶5伸入真空室6內(nèi)，磁控濺射靶5與連接軸11之間為可轉(zhuǎn) 動(dòng)連接，而用于放置工件的工件托架安裝在真空室6內(nèi)的底部，這里每個(gè)磁控濺射靶5 和離子源l均傾斜向下安裝，使每個(gè)磁控濺射靶5和離子源的發(fā)射頭正對(duì)工件托架。在具體的濺射鍍膜過程中，磁控濺射靶5可以根據(jù)工件的大小和位置調(diào)整濺射方向，以達(dá) 到最佳的濺射的范圍。
本實(shí)施例中，真空室6頂部還設(shè)有供氣系統(tǒng)2和觀察窗9，底部設(shè)有分子泵8。真 空室6側(cè)面設(shè)有開啟真空室6的門10。
工件托架包括一底盤12，該底盤12由電機(jī)轉(zhuǎn)軸13連接一部伺服電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)控 制，該底盤12的外圓周上安裝多個(gè)工件托盤7。這樣，本發(fā)明在對(duì)工件進(jìn)行沉積鍍膜時(shí)， 可以對(duì)多個(gè)工件同時(shí)進(jìn)行鍍膜濺射，提高了鍍膜效率。并且，通過電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)底盤和 底盤上的工件托盤轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)對(duì)多個(gè)工件同時(shí)鍍膜濺射時(shí)，可以保證每個(gè)工件托盤上的工 件濺射條件相同。
本實(shí)施例中，底盤12下方、電機(jī)轉(zhuǎn)軸13上固定有大齒輪，底盤12下方、每個(gè)工 件托盤7的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上固定有小齒輪，每個(gè)小齒輪與大齒輪相嚙合。當(dāng)工件托盤上放置多 個(gè)工件，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)底盤公轉(zhuǎn)，底盤下大齒輪帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而小齒輪通過工件 托盤的轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)工件托盤自轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工件托盤的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。這樣，工件托盤的公轉(zhuǎn) 可以保證每個(gè)工件托盤上工件的濺射條件相同，工件托盤的自轉(zhuǎn)可以保證每個(gè)托盤上各 個(gè)位置所放工件濺射條件相同。
為了能讓磁控濺射靶的濺射范圍更廣，磁控濺射靶5外繞有水冷勵(lì)磁線圈4。 本發(fā)明提供的用于表面防護(hù)的離子束輔助磁控濺射沉積方法，包括以下步驟
(1) 、將工件置于托盤7上，將真空室內(nèi)空氣抽空，使真空室內(nèi)的壓強(qiáng)為l-5Xl(T4Pa;
(2) 、轉(zhuǎn)動(dòng)底盤和工件托盤，使工件同時(shí)實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)；
(3) 、開啟離子源，離子源對(duì)準(zhǔn)工件，對(duì)工件表面進(jìn)行濺射清洗和活化，工作氣壓 0.05-0.1Pa，陽極電壓為50-100V，陽極電流為0.5-lA，清洗時(shí)間為5-20分鐘后停止;
(4) 、在離子源清洗樣品的同時(shí)，對(duì)磁控濺射靶表面進(jìn)行預(yù)濺射清洗，在清洗磁控濺 射耙的過程中，用擋板擋住磁控濺射靶表面，以防止濺射時(shí)粒子沉積到工件上，清洗時(shí)， 磁控濺射靶功率為50-100W，清洗時(shí)間為5-20分鐘后停止；
(5) 、工件和磁控濺射靶清洗后，進(jìn)行輔助沉積薄膜過程。
(6) 、將真空室內(nèi)的工作氣壓調(diào)至0.2-lPa，將磁控濺射和離子源對(duì)準(zhǔn)工件，轉(zhuǎn)動(dòng)底 盤和工件托盤，使工件同時(shí)實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)；
(7) 、打開磁控濺射源和離子源，將打開磁控濺射靶的功率調(diào)至200-400W，離子源 陽極電壓調(diào)至100-200V，陽極電流增加至l-3Pa，輔助沉積薄膜時(shí)間為60-120分鐘后 停止。這里，在真空室6的頂部配置離子源主要有兩方面的作用，即鍍膜前期離子表面處 理和鍍膜期間離子輔助沉積
第一方面，在對(duì)工件表面進(jìn)行沉積薄膜前對(duì)工件表面進(jìn)行濺射清洗是通過荷能離子 和基板表面物質(zhì)的碰撞，從而達(dá)到清除基板表面異物的作用。另外離子源的離子轟擊也 可使工件表面的特性得以改變而增強(qiáng)膜基結(jié)合力。根據(jù)最終使用目的的不同，離子表面 處理的氣體種類、離子能量、離子束流密度、離子清洗時(shí)間等都應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要作相應(yīng) 調(diào)整。對(duì)工件清洗來說，低能、大密度的離子團(tuán)簇清洗是目前所知的最好的方法；對(duì)于 工件表面改性來說，合適的氣體種類是基板表面改性的關(guān)鍵。
第二方面，鍍膜期間離子輔助沉積的過程如下在薄膜沉積的過程中，通過荷能離 子和薄膜粒子之間的碰撞，從而傳遞給薄膜粒子以額外的能量。由于動(dòng)量傳遞可導(dǎo)致三 維運(yùn)動(dòng)，即膜料原子或分子不僅沿著基板平面運(yùn)動(dòng)，而且會(huì)有垂直工件表面的動(dòng)量而向 下運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)增加了膜基結(jié)合力和薄膜的致密度。同時(shí)輔助沉積還可以消除薄膜柱 狀晶結(jié)構(gòu)，提高薄膜光學(xué)常數(shù)的穩(wěn)定性和均勻性，改善薄膜的化學(xué)計(jì)量比等。在離子轟 擊下生長(zhǎng)的薄膜性能都有一個(gè)臨界點(diǎn)，超過此臨界點(diǎn)性能就會(huì)下降，因此對(duì)于入射離子 束能量和束流密度的調(diào)控猶為關(guān)鍵。本發(fā)明不僅可以變化離子源本身參數(shù)，而且輔助沉 積的同時(shí)可對(duì)工件施加負(fù)偏壓，進(jìn)一步調(diào)控入射到樣品表面離子的能量和密度，從而增 加離子束參數(shù)的調(diào)控范圍，獲得具有不同特性的薄膜材料。在反應(yīng)氣體濺射沉積薄膜的 過程中，該離子源輸出的反應(yīng)氣體離子轟擊沉積的薄膜，還可以調(diào)控薄膜中反應(yīng)氣體的 含量，獲得具有不同化學(xué)計(jì)量比的化合物薄膜。
權(quán)利要求
1、一種用于表面防護(hù)的離子束輔助磁控濺射沉積裝置，包括真空室、磁控濺射源、工件托架和離子源，其特征在于所述磁控濺射源安裝在真空室的頂部呈密封連接結(jié)構(gòu)，磁控濺射靶通過連接軸與磁控濺射源相連，磁控濺射靶伸入真空室內(nèi)，且磁控濺射靶與連接軸之間為可轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述離子源也安裝在真空室的頂部呈密封連接結(jié)構(gòu)，離子源的發(fā)射頭也伸入真空室內(nèi)，所述工件托架安裝在真空室內(nèi)的底部。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于表面防護(hù)的離子束輔助磁控濺射沉積裝置，其特征 在于所述工件托架包括一底盤，該底盤由電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接一部伺服電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)， 該底盤的外圓周上安裝多個(gè)工件托盤。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于表面防護(hù)的離子束輔助磁控濺射沉積裝置，其特征 在于所述底盤下方、電機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定有大齒輪，所述底盤下方、每個(gè)工件托盤的轉(zhuǎn)動(dòng) 軸上固定有小齒輪，每個(gè)小齒輪與所述大齒輪相嚙合。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1 3任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的用于表面防護(hù)的離子束輔助磁控濺 射沉積裝置，其特征在于所述磁控濺射靶外繞有水冷勵(lì)磁線圈。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述裝置的用于表面防護(hù)的離子束輔助磁控濺射沉積方法，其 特征在于包括以下步驟(1) 、將工件置于托盤7上，將真空室內(nèi)空氣抽空，使真空室內(nèi)的壓強(qiáng)為l-5X10—4Pa;(2) 、轉(zhuǎn)動(dòng)底盤和工件托盤，使工件同時(shí)實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)；(3) 、開啟離子源，離子源對(duì)準(zhǔn)工件，對(duì)工件表面進(jìn)行濺射清洗和活化，工作氣壓 0.05-0.1Pa，陽極電壓為50-100V，陽極電流為0.5-lA，清洗時(shí)間為5-20分鐘后停止；(4) 、在離子源清洗樣品的同時(shí)，對(duì)磁控濺射靶表面進(jìn)行預(yù)濺射清洗，在清洗磁控濺 射靶的過程中，用擋板擋住磁控濺射靶表面，以防止濺射時(shí)粒子沉積到工件上，清洗時(shí)， 磁控濺射靶功率為50-100W，清洗時(shí)間為5-20分鐘后停止；(5) 、工件和磁控濺射靶清洗后，進(jìn)行輔助沉積薄膜過程。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述用于表面防護(hù)的離子束輔助磁控濺射沉積方法，其特征在 于所述輔助沉積薄膜過程包括以下歩驟(6) 、將真空室內(nèi)的工作氣壓調(diào)至0.2-lPa，將磁控濺射和離子源對(duì)準(zhǔn)工件，轉(zhuǎn)動(dòng)底 盤和工件托盤，使工件同時(shí)實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)；(7) 、打開磁控濺射源和離子源，將打開磁控濺射靶的功率調(diào)至200-400W，離子源 陽極電壓調(diào)至100-200V，陽極電流增加至l-3Pa，輔助沉積薄膜時(shí)間為60-120分鐘后停 止。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于表面防護(hù)的離子束輔助磁控濺射沉積裝置及方法，該裝置包括真空室、磁控濺射源、工件托架和離子源，其特征在于所述磁控濺射源安裝在真空室的頂部呈密封連接結(jié)構(gòu)，磁控濺射靶通過連接軸與磁控濺射源相連，磁控濺射靶伸入真空室內(nèi)，且磁控濺射靶與連接軸之間為可轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述離子源也安裝在真空室的頂部呈密封連接結(jié)構(gòu)，離子源的發(fā)射頭也伸入真空室內(nèi)，所述工件托架安裝在真空室內(nèi)的底部。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于磁控濺射靶能根據(jù)工件的大小和位置調(diào)整濺射方向，以達(dá)到最佳的濺射的范圍；本發(fā)明提供的方法，不需要采用高能離子源，而是采用低能、大束流離子束對(duì)薄膜進(jìn)行輔助沉積，可增加膜基結(jié)合力和薄膜致密度。
文檔編號(hào)C23C14/35GK101634012SQ20081012001
公開日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2008年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月21日
發(fā)明者冒守棟, 孫科沸, 宋振綸, 李金龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所