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中国 发明 无效

一种复合真空沉积设备 【EN】Complex vacuum deposition device

申请(专利)号:CN200910217543.8国省代码:北京 11
申请(专利权)人:【中文】中国地质大学(北京)【EN】China University of Geosciences (Beijing)
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摘要:
【中文】一种复合真空沉积设备,由真空室4、阴极电弧蒸发源2、中频磁控溅射源7、直流磁控溅射源8、气体离子源10、工件架3等组成;抽气口1设置在真空室4后部,阴极电弧蒸发源2安装在靠近抽气口1的真空室壁上,中频磁控溅射源7安装在真空室4两侧中间位置的真空室壁上,直流磁控溅射源8安装在真空室前门9上;通入反应气体的气体离子源10安装在真空室4中心位置,离子束喷向抽气口1方向,离子源10背部和侧面设置气体离子源挡板5;工作气体从安装在中频磁控溅射源7和直流磁控溅射源8附近的工作气体进气管道6通入真空室4。这样的布置可在真空室内形成理想的反应气体浓度分布,充分发挥各成膜源的优势,显著抑制薄膜缺陷。 【EN】Paragraph:The invention relates to a complex vacuum deposition device which consists of a vacuum chamber 4, a cathodic arc evaporation source 2, a middle frequency magnetron sputtering source 7, a direct current magnetron sputtering source 8, a gas ion source 10, a workpiece rest 3 and the like; a gas extraction port 1 is formed at the back of the vacuum chamber 4, the cathodic arc evaporation source 2 is mounted on the vacuum chamber wall which is near to the gas extraction port 1, the middle frequency magnetron sputtering source 7 is mounted on the vacuum chamber wall in the middle position of the two sides of the vacuum chamber 4, and the direct current magnetron sputtering source 8 is mounted on a front door 9 of the vacuum chamber; the gas ion source 10 is mounted in the central position of the vacuum chamber 4, reaction gas is introduced into the gas ion source 10, an ion beam is sprayed to the direction of the gas extraction port 1, and baffle plates 5 of the gas ion source are arranged at the back part and on the side surface of the ion source 10; and working gas is introduced into the vacuum chamber 4 through a working gas inlet pipeline 6 which is in the vicinity of the middle frequency magnetron sputtering source 7 and the direct current magnetron sputtering source 8. The arrangement can form the ideal reaction gas concentration distribution in the vacuum chamber, thereby fully playing the advantages of various film-forming sources and significantly inhibiting the defects of thin films.Image:200910217543.GIF

主权项:
【中文】一种复合真空镀膜设备,其特征在于:所述复合真空镀膜设备主要由镀膜室4、阴极电弧蒸发源2、中频磁控溅射源7、直流磁控溅射源8、气体离子源10、工作气体进气管道6、工件架3及真空获得系统、真空测量系统、进气系统、电源和控制系统等组成,通过复合真空沉积设备各组件的优化配置实现反应气体浓度的最佳分布,抑制磁控溅射源靶中毒、真空阴极电弧喷溅等问题,为获得较少微观缺陷的薄膜合成技术奠定设备基础。 【EN】1. composite evacuated filming equipment, it is characterized in that: described composite evacuated filming equipment is mainly by coating chamber 4, cathodic arc evaporation source 2, medium frequency magnetron sputtering source 7, magnetically controlled DC sputtering source 8, gas ion source 10, working gas intake ducting 6, work rest 3 and vacuum acquiring system, the vacuum measurement system, inlet system, composition such as power supply and Controlling System, the optimum distribution of distributing the realization response gas concentration rationally by each assembly of complex vacuum deposition device, suppressing the controlled sputtering source target poisons, problems such as vacuum cathode electric arc splash are for the film synthetic technology that obtains less microdefect is established Equipment Foundations.


说明书

一种复合真空沉积设备

所属技术领域:

本发明专利涉及一种新型的复合真空沉积设备,用于材料表面改性及功能薄膜沉积。

背景技术:

磁控溅射和阴极电弧离子镀在耐磨零件、光学薄膜、工模具、装饰、微电子等领域获得了广泛应用。在磁控溅射和真空阴极电弧离子镀制备的涂层材料中,化合物材料占有重要地位。

磁控溅射可以通过溅射化合物靶材制备化合物涂层,也可以通过金属或合金靶的反应磁控溅射制备化合物涂层。前者一般需要采用射频溅射电源和高成本的化合物靶材,沉积速率低;反应溅射的靶材易得、适于大面积均匀沉积,在工业上获得了广泛应用,但存在靶中毒引起的打火和溅射状态不稳定,涂层缺陷较多,其主要原因为在涂层制备过程中靶溅射区表面会生成导电性较差的化合物沉积层以及沉积层上电荷积累引起的化合物沉积层击穿放电。人们已经开发出多种方法,如采用反应气体脉冲送气技术、阻碍反应气体到达靶面、采用交流溅射电源等,明显抑制了靶中毒的不利影响。但目前研制的反应气体脉冲送气技术和阻碍反应气体到达靶面的分区送气技术存在结构复杂、控制难度大、反应气体的离化率低等不足。

反应磁控溅射设备还存在离化率不足、膜/基结合力低等不足,需要与阴极电弧蒸发源或辅助离子源配套,进一步提高成膜粒子的离化率,改善涂层质量。阴极电弧离子镀生产效率高,制备的涂层力学性能好、膜/基结合力好,是非常理想的薄膜工业化生产方法;但存在较多液滴等缺陷阻碍了涂层性能的改善。人们尝试了多种抑制阴极电弧离子镀制备的涂层缺陷的方法,如优化靶面磁场分布、减小阴极电弧蒸发源电流、在靶前设置磁过滤管、增大真空阴极电弧蒸发源附近的反应气体分压等方法,收到了较好的效果。气体离子源可使反应气体离化后再到达基体表面,从而显著改善了反应气体的反应活性和涂层质量;但存在产生的离子束直接轰击工件表面,对溅射气体和溅射粒子的离化没有改善。在同一个设备中同时集成包括磁控溅射源、阴极电弧蒸发源和辅助离子源等多种成膜手段的复合真空沉积设备是目前真空镀膜设备的一个方向。

目前,人们已经开发的集成磁控溅射源、阴极电弧蒸发源和辅助离子源的复合镀膜设备没有实现反应气体的最佳分布,制备涂层时磁控溅射源中毒、真空阴极电弧喷溅的不利影响仍然比较严重,开发新型的复合真空沉积设备具有重要意义。

发明内容:

为了克服目前镀膜设备存在的不足,本发明专利提出了一种新型的复合真空沉积设备,其特征在于:所述复合真空镀膜设备主要由镀膜室4、阴极电弧蒸发源2、中频磁控溅射源7、直流磁控溅射源8、气体离子源10、工作气体进气管道6、工件架3及真空获得系统、真空测量系统、进气系统、电源和控制系统等组成,通过复合真空沉积设备各组件的优化配置实现反应气体浓度的最佳分布,抑制磁控溅射源靶中毒、真空阴极电弧喷溅等问题,为获得较少微观缺陷的薄膜合成技术奠定设备基础。

在上述复合真空沉积设备中,抽气口1安装在真空室后侧,与真空获得系统相连。

在上述复合真空沉积设备中,阴极电弧蒸发源2安装在在靠近抽气口1的真空室两侧,靶面朝向真空室中心线。

在上述复合真空沉积设备中,中频磁控溅射源7安装在真空室左右两侧的中间位置,靶面朝向真空室中心线。

在上述复合真空沉积设备中,直流磁控溅射源8安装在远离抽气口的真空室前门9上,靶面朝向真空室中心线。

在上述复合真空沉积设备中,气体离子源10安装在真空室4的中心位置,离子束喷向抽气口1方向,气体离子源10的背部和侧面设置气体离子源挡板5来抑制反应气体向中频磁控溅射源7和直流磁控溅射源8方向扩散,气体离子源挡板5的开口方向朝向抽气口1。

在上述复合真空沉积设备中,反应气体通过离子源10通入真空室。

在上述复合真空沉积设备中,工作气体从安装在中频磁控溅射源7和直流磁控溅射源8附近的工作气体进气管道6通入真空室4,工作气体进气管道上有若干组特定直径的进气孔,直流磁控溅射源8附近的工作气体进气管道6上的进气孔直径大于中频磁控溅射源7附近的工作气体进气管道6上的进气孔直径。

在上述复合真空沉积设备中,阴极电弧蒸发源2附近具有高的反应气体浓度,直流磁控溅射源8附近反应气体浓度足够低,中频磁控溅射源7附近反应气体浓度居中。

在上述复合真空沉积设备中,工件架采用行星式旋转结构,以提高涂层的均匀性。

本发明专利提出的设计方案的优点是从中频磁控溅射源7和直流磁控溅射源8附近的工作气体进气管道6通入的工作气体向抽气口流动抑制了气体离子源10发射的反应气体离子向中频磁控溅射源7和直流磁控溅射源8的扩散,降低了中频磁控溅射源7和直流磁控溅射源8附近的反应气体浓度,且直流磁控溅射源8附件的反应气体浓度比中频磁控溅射源7附近的反应气体浓度更低。真空室4内的反应气体浓度分布可满足阴极电弧蒸发源、中频磁控溅射源、直流磁控溅射源的优化工作范围,显著降低涂层缺陷。阴极电弧蒸发源2附近具有高的反应气体浓度,可在靶面形成高熔点的化合物、抑制阴极电弧蒸发源的液滴喷射;直流磁控溅射源8附近反应气体浓度最低,溅射区表面基本上没有化合物膜的沉积;中频磁控溅射源7附近反应气体浓度适中,在抑制靶打火的同时有利于保证涂层成分满足理想化学计量比。通过改变通入气体离子源10和工作气体进气管道6的气体流量、中频磁控溅射源7和直流磁控溅射源8附近的工作气体进气管道6进气孔的孔径可以进一步控制真空室内的反应气体浓度分布。

附图说明:

附图为本发明提出的复合真空沉积设备结构示意图。

附图标记说明如下:

1——抽气口,2——真空阴极蒸发源,3——工件架,4——真空室,5——气体离子源挡板,6——工作气体进气管道,7——中频磁控溅射源,8——直流磁控溅射源,9——真空室前门,10——气体离子源

实施方式:

下面结合附图对本发明专利作详细描述。

一种新型的复合真空沉积设备,主要由镀膜室4、阴极电弧蒸发源2、中频磁控溅射源7、直流磁控溅射源8、气体离子源10、工作气体进气管道6、工件架3及真空获得系统、真空测量系统、进气系统、电源和控制系统等组成。抽气口1安装在真空室后侧,与真空获得系统相连。阴极电弧蒸发源2安装在在靠近抽气口1两侧的真空室壁上,中频磁控溅射源7安装在左右两侧中间位置的真空室壁上,直流磁控溅射源8安装在远离抽气口的真空室前门9上,阴极电弧蒸发源2、中频磁控溅射源7和直流磁控溅射源8的靶面均朝向真空室中心线。气体离子源10安装在真空室4的中心位置,离子束喷向抽气口1方向,气体离子源10背部和侧面设置气体离子源挡板5抑制反应气体向中频磁控溅射源7和直流磁控溅射源8方向扩散,气体离子源挡板5的开口方向朝向抽气口1,其开口尺寸在不阻挡气体离子束发射的情况下尽可能小。反应气体通过气体离子源10通入真空室,工作气体从安装在中频磁控溅射源7和直流磁控溅射源8附近的工作气体进气管道6通入真空室4,工作气体进气管道上有若干组特定直径的进气孔,直流磁控溅射源8附近的工作气体进气管道6上的进气孔直径大于中频磁控溅射源7附近的工作气体进气管道6上的进气孔直径。工件架采用行星式旋转结构,以提高涂层的均匀性。

从中频磁控溅射源7和直流磁控溅射源8附近的工作气体进气管道6通入的工作气体向抽气口流动抑制了气体离子源10发射的反应气体离子向中频磁控溅射源7和直流磁控溅射源8的扩散,降低了中频磁控溅射源7和直流磁控溅射源8附近的反应气体浓度,且直流磁控溅射源8附件的反应气体浓度比中频磁控溅射源7附近的反应气体浓度更低。真空室4内的反应气体浓度分布可充分发挥各个成膜源的优势:阴极电弧蒸发源2附近高的反应气体浓度有助于在靶面形成高熔点的化合物,抑制阴极电弧...

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图1
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