專利名稱：微波等離子體增強弧輝滲鍍涂層的裝置及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明微波等離子體增強弧輝滲鍍涂層裝置及工藝屬于材料表面改性的范疇。是一種把多弧離子鍍沉積速度快和微波ECR真空放電產(chǎn)生的高活性等離子體的特點有機的結(jié)合起來，提高反應(yīng)物質(zhì)的離化程度，促使反應(yīng)氣體與滲鍍物質(zhì)進行充分的化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)快速滲鍍金屬碳、氮化合物硬質(zhì)涂層的工藝和裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，薄膜的同質(zhì)或異質(zhì)外延生長過程中，如何獲得致密、無缺陷、表面完整光滑以及附著性能良好的高質(zhì)量薄膜，一直是各種薄膜沉積處理中面臨的復(fù)雜課題。在實驗技術(shù)工藝以及理論模型等方面已經(jīng)進行的廣泛研究表明，薄膜沉積過程中高能量的荷能粒子對高質(zhì)量、附著性能良好的薄膜的獲得是必不可少的，但是適當(dāng)?shù)乜刂坪赡芰Ｗ拥哪芰繉τ诒∧べ|(zhì)量存在關(guān)鍵的影響作用。一方面高能量粒子可以提高吸附原子的表面遷移能力、合成薄膜的附著能力，而另一方面過高的轟擊能量會在涂層內(nèi)部造成缺陷或在涂層的最表面形成缺陷層，甚至在基底中造成損傷，所以合理控制轟擊離子或基團的能量是減少對薄膜和基底的損傷程度，獲得高質(zhì)量、附著良好的外延生長薄膜的十分關(guān)鍵的因素。在眾多濺射沉積工藝技術(shù)中，離子束輔助沉積技術(shù)由于其提高成膜物質(zhì)的活性反應(yīng)能力，改善了涂層的質(zhì)量以及附著性能，因而得到了廣泛的研究。但是該技術(shù)的主要不足是沉積速率低、鍍膜速度慢，獲得的改性層很薄，一般制作不超過2微米的膜層。而且高能離子源的采用使得設(shè)備十分復(fù)雜昂貴，如常用的雙束和三束的離子束增強沉積技術(shù)(IBED)，針對高能輻射的防護，以及高壓絕緣等級的要求很高，也增加了沉積系統(tǒng)的復(fù)雜性和造價。此外，離子束具有的直射性使該技術(shù)在復(fù)雜形狀表面的處理難以進行，限制了其應(yīng)用范圍。利用真空電弧放電原理形成的陰極電弧源，根據(jù)采用的源極材料的不同，從電弧源源極表面發(fā)射出的粒子的離化率可以達百分十幾至接近百分之百，產(chǎn)生的離子能量從幾電子伏特(eV)到幾十電子伏特(eV)，因此，多弧離子鍍技術(shù)(MAIP)由于其具有高的離化率和離子能量、有助于反應(yīng)成膜、提高薄膜質(zhì)量而成為一種應(yīng)用廣泛的物理氣相沉積技術(shù)，同時多弧離子鍍技術(shù)具有設(shè)備簡單、沉積速度快、成本低等優(yōu)點。但是該技術(shù)中沉積的薄膜表面質(zhì)量較差，附著力較低。微波ECR等離子體的主要特點是具有很高的離子密度，因此具有很強的活性，可以促進沉積過程中的化學(xué)反應(yīng)的充分進行。而且其各個參數(shù)還具有很好的獨立可控性，可根據(jù)沉積工藝的要求進行調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明微波等離子體增強弧輝滲鍍涂層裝置及工藝的目的在于，公開一種，在沉積系統(tǒng)內(nèi)采用陰極電弧源提供鍍膜金屬源，同時導(dǎo)入微波產(chǎn)生高密度的微波ECR等離子體，在使反應(yīng)氣體充分電離的同時，使陰極電弧源產(chǎn)生金屬粒子流保持高離化率，促進和加強金屬粒子與反應(yīng)氣體之間的化合反應(yīng)的進行，提高涂層的質(zhì)量，由微波ECR等離子體所產(chǎn)生的反應(yīng)氣體的離子流，在偏壓電源的作用下，造成一定能量的離子轟擊作用，提高涂層附著力的技術(shù)方案。
本發(fā)明微波等離子體增強弧輝滲鍍涂層裝置，其特征在于，是一種在沉積系統(tǒng)內(nèi)采用陰極電弧源提供鍍膜金屬源，同時導(dǎo)入微波產(chǎn)生高密度的微波ECR等離子體的微波等離子體增強弧輝滲鍍涂層裝置，該裝置是在極限真空度為1×10-3～5×10-3pa并能通入氣體介質(zhì)的真空容器17內(nèi)，設(shè)置陰極電弧源系統(tǒng)，微波源系統(tǒng)，陰極轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，以及抽真空系統(tǒng)、送氣系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)，其陰極電弧源系統(tǒng)由陰極電弧源3、引弧鉤2和電弧電源4組成，微波源系統(tǒng)由微波源14、微波導(dǎo)入窗15和磁場線圈16組成，陰極轉(zhuǎn)動系統(tǒng)由被處理工件18、陰極托盤9和轉(zhuǎn)動機構(gòu)6組成，送氣系統(tǒng)由供氣瓶12和供氣孔13組成，測溫系統(tǒng)是由測溫儀11和觀察測溫孔10構(gòu)成，抽氣系統(tǒng)由機械泵8和擴散泵7組成，被處理工件18置于陰極托盤9之上，陰極電弧源3和引弧鉤2置于鐘罩1壁上，微波源14置于鐘罩1的頂部，磁場線圈16位于微波導(dǎo)波管外，在鐘罩1和陰極電弧源3之間連接一連續(xù)可調(diào)0～100V電壓、0～300A的電弧電源4，在鐘罩1和陰極托盤9之間連接一個連續(xù)可調(diào)的0～1000V的工件偏壓電源5，陰極電弧源3的電弧靶材由欲滲的金屬或合金制成，形狀為圓柱形，直徑和厚度為50～80mm×35～60mm，或者為方形，尺寸為200×400mm，鐘罩1頂部聯(lián)結(jié)的微波源14為2.45GHz，0～5000W，上述微波等離子體增強弧輝滲鍍涂層裝置的工藝，其特征在于是首先通過抽氣系統(tǒng)的機械泵8和擴散泵7將真空室17內(nèi)抽真空到極限真空度1×10-3～5×10-3pa，由供氣瓶12充入氬氣，壓力為20Pa～50Pa，由微波源14產(chǎn)生的微波通過微波導(dǎo)入窗15導(dǎo)入真空室17內(nèi)，微波功率為500～1000w，被處理工件18負(fù)偏壓200～300V，對被處理工件18進行表面清洗和活化并升溫，使被處理工件加熱到200～700℃，通入反應(yīng)氣體氮氣，氮氣與氬氣的分壓比為1∶10～2∶10，再將真空室17內(nèi)氣壓抽至20～5×10-2pa，給陰極電弧源3施加20～22V電壓、60～150A電流，以引燃陰極電弧源提供高能量、高離化率的欲滲鍍金屬粒子流，此時反應(yīng)氣體和滲鍍金屬源粒子在微波ECR等離子體的作用下得到充分的離解活化，在被處理工件18負(fù)偏壓200～1000V的吸引下，以高能量狀態(tài)到達工件表面形成化合物涂層。
本發(fā)明微波等離子體增強弧輝滲鍍涂層裝置及工藝的優(yōu)點在于在沉積系統(tǒng)內(nèi)采用陰極電弧源提供鍍膜金屬源，同時導(dǎo)入微波產(chǎn)生高密度的微波ECR等離子體，在使反應(yīng)氣體充分電離的同時，使陰極電弧源產(chǎn)生金屬粒子流保持高離化率，促進和加強金屬粒子與反應(yīng)氣體之間的化合反應(yīng)的進行，提高了涂層的質(zhì)量，由微波ECR等離子體所產(chǎn)生的反應(yīng)氣體的離子流，在偏壓電源的作用下，造成一定能量的離子轟擊作用，提高了涂層的附著力，該裝置及工藝將陰極電弧源和微波ECR等離子體的優(yōu)點有機結(jié)合，不僅使涂層的質(zhì)量和結(jié)合力得到提高，而且沉積速率大大加速，在基片溫度400～700℃時，沉積TiN涂層速率達到2～5μm/小時，可以得到致密性高、附著性能良好的涂層，而且與離子束輔助沉積技術(shù)相比，降低了設(shè)備成本，為沉積優(yōu)質(zhì)涂層提供了新的途徑，可應(yīng)用于碳、氮化合物涂層的沉積制備。
四

附圖為微波等離子體輔助增強弧輝滲鍍涂層裝置及工藝示意中的標(biāo)號為1.鐘罩 2.引弧鉤3.陰極電弧源4.電弧電源 5.工件偏壓電源 6.轉(zhuǎn)動機構(gòu)7.擴散泵 8.機械泵9.陰極托盤10.觀察測溫孔11.測溫儀 12.供氣瓶13.供氣孔14.微波源 15.微波導(dǎo)入窗
16.磁場線圈17.真空室18.被處理工件五具體實施方式
下面結(jié)合

本發(fā)明在實施滲渡氮化物(TiN)涂層時的具體工作過程。
實施方式1首先通過抽氣系統(tǒng)的機械泵8和擴散泵7將真空室17內(nèi)抽真空到極限真空度～5×10-3Pa，由供氣瓶12充入氬氣，壓力為20Pa，由微波源14產(chǎn)生的微波通過微波導(dǎo)入窗15導(dǎo)入真空室17內(nèi)，微波功率為500w，被處理工件18由工件偏壓電源5供給負(fù)偏壓100V，對被處理工件18進行表面清洗和活化并升溫，使其加熱到200℃，通入反應(yīng)氣體氮氣，氮氣與氬氣的分壓比為1∶10，給陰極電弧源3施加20V電壓、60A電流，以引燃陰極電弧源提供高能量、高離化率的欲滲鍍金屬源，此時反應(yīng)氣體和滲鍍金屬源粒子在微波等離子體的作用下得到充分的離解活化，在被處理工件18負(fù)偏壓200的吸引下，以高能量狀態(tài)到達工件表面形成化合物涂層，工件溫度為400℃，處理時間90分鐘，涂層厚度可達3μm。
實施方式2首先通過抽氣系統(tǒng)的機械泵8和擴散泵7將真空室17內(nèi)抽真空到極限真空度～5×10-3Pa，由供氣瓶12充入氬氣，壓力為30Pa，由微波源14產(chǎn)生的微波通過微波導(dǎo)入窗15導(dǎo)入真空室17內(nèi)，微波功率為800w，被處理工件18由工件偏壓電源5供給負(fù)偏壓200V，對被處理工件18進行表面清洗和活化并升溫至400℃，通入反應(yīng)氣體氮氣，氮氣與氬氣的分壓比為1.5∶10，再將真空室17內(nèi)氣壓抽至5×10-1Pa，給陰極電弧源3施加22V電壓、100A電流，當(dāng)被處理工件18負(fù)偏壓600V，工件溫度為500℃，處理時間60分鐘，涂層厚度可達3.5μm。
實施方式3首先通過抽氣系統(tǒng)的機械泵8和擴散泵7將真空室17內(nèi)抽真空到極限真空度～5×10-3Pa，由供氣瓶12充入氬氣，壓力為50Pa，由微波源14產(chǎn)生的微波通過微波導(dǎo)入窗15導(dǎo)入真空室17內(nèi)，微波功率為1000w，被處理工件18由工件偏壓電源5供給負(fù)偏壓300V，對被處理工件18進行表面清洗和活化并升溫至700℃，通入反應(yīng)氣體氮氣，氮氣與氬氣的分壓比為2∶10，再將真空室17內(nèi)氣壓抽至5×10-2Pa，給陰極電弧源3施加22V電壓、150A電流，被處理工件18負(fù)偏壓為1000V，工件溫度為700℃，處理時間60分鐘，涂層厚度可達5μm。
本發(fā)明將陰極電弧源和微波ECR等離子體的特點有機結(jié)合，沉積速度快，獲得的涂層致密、附著性能好，是一種全新的物理氣相沉積方法。
權(quán)利要求
1.一種微波等離子體增強弧輝滲鍍涂層裝置，其特征在于，是一種在沉積系統(tǒng)內(nèi)采用陰極電弧源提供鍍膜金屬源，同時導(dǎo)入微波產(chǎn)生高密度微波ECR等離子體的裝置，該裝置是在極限真空度為1×10-3～5×10-3Pa并能通入氣體介質(zhì)的真空容器(17)內(nèi)，設(shè)置陰極電弧源系統(tǒng)，微波源系統(tǒng)，陰極轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，以及抽真空系統(tǒng)、送氣系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)，其陰極電弧源系統(tǒng)由陰極電弧源(3)、引弧鉤(2)和電弧電源(4)組成，微波源系統(tǒng)由微波源(14)、微波導(dǎo)入窗(15)和磁場線圈(16)組成，陰極轉(zhuǎn)動系統(tǒng)由被處理工件(18)、陰極托盤(9)和轉(zhuǎn)動機構(gòu)(6)組成，送氣系統(tǒng)由供氣瓶(12)和供氣孔(13)組成，測溫系統(tǒng)是由測溫儀(11)和觀察測溫孔(10)構(gòu)成，抽氣系統(tǒng)由機械泵(8)和擴散泵(7)組成，被處理工件(18)置于陰極托盤(9)之上，陰極電弧源(3)和引弧鉤(2)置于鐘罩(1)壁上，微波源(14)置于鐘罩(1)的頂部，磁場線圈(16)位于微波導(dǎo)波管外，在鐘罩(1)和陰極電弧源(3)之間連接一連續(xù)可調(diào)0～100V電壓、0～300A的電弧電源(4)，在鐘罩(1)和陰極托盤(9)之間連接一個連續(xù)可調(diào)的0～1000V的工件偏壓電源(5)，陰極電弧源(3)的電弧靶材由欲滲的金屬或合金制成，形狀為圓柱形，直徑和厚度為50～80mm×35～60mm，或者為方形，尺寸為200×400mm，鐘罩(1)頂部聯(lián)結(jié)的微波源(14)為2.45GHz，0～5000W。
2.采用權(quán)利要求1所述裝置的工藝，其特征在于，首先通過抽氣系統(tǒng)的機械泵(8)和擴散泵(7)將真空室(17)內(nèi)抽真空到極限真空度1×10-3～5×10-3Pa，由供氣瓶(12)充入氬氣，壓力為20Pa～50Pa，由微波源14產(chǎn)生的微波通過微波導(dǎo)入窗15導(dǎo)入真空室17內(nèi)，微波功率為500～1000w，被處理工件(18)負(fù)偏壓200～300V，對被處理工件(18)進行表面清洗和活化并升溫，使被處理工件加熱到200～700℃，通入反應(yīng)氣體氮氣，氮氣與氬氣的分壓比為1∶10～2∶10，再將真空室17內(nèi)氣壓抽至20～5×10-2Pa，給陰極電弧源(3)施加20～22V電壓、60～150A電流，以引燃陰極電弧源提供高能量、高離化率的欲滲鍍金屬粒子流，此時反應(yīng)氣體和滲鍍金屬源粒子在微波ECR等離子體的作用下得到充分的離解活化，在被處理工件(18)負(fù)偏壓200～1000V的吸引下，以高能量狀態(tài)到達工件表面形成化合物涂層。
全文摘要
一種微波等離子體增強冷陰極電弧滲鍍涂層的裝置及工藝屬于等離子表面改性的范疇，其特征是在加弧輝光離子滲鍍裝置中，引入一個微波ECR源，在真空電弧放電作用下從金屬冷陰極電弧源發(fā)射出的高能量高離化率的金屬粒子(離子、原子、分子等)，在微波ECR等離子體放電產(chǎn)生的高密度等離子體的作用下，得到進一步的離解活化，能量得到提高，與反應(yīng)氣體的化合過程得到加強，提高涂層沉積速度的同時，增強涂層與基底的結(jié)合能力，在工件表面快速獲得碳、氮化合物硬質(zhì)涂層。
文檔編號C23C14/00GK1775997SQ20051004815
公開日2006年5月24日 申請日期2005年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月2日
發(fā)明者賀琦, 潘俊德, 徐重 申請人:太原理工大學(xué)