專利名稱：用脈沖電弧等離子體蒸發離化源制備納米多層膜的方法
技術領域：
本發明與傳統的配置直流等離子體蒸發離化源的多弧離子鍍膜不同，而是采用脈沖電弧等離子體蒸發離化源，通過精確控制輸入到此源陰極的脈沖數，以控制納米量級的膜厚。
本發明屬于電弧等離子體離子鍍的前沿技術領域，具有創新的意義。采用脈沖電弧等離子體放電，以鍍覆納米量級的多層膜。
背景技術：
本發明采用中頻脈沖電弧電源，因此種電源是當前熱門的中頻磁控濺射技術所選用，常用頻率10KHZ-80KHZ，見文獻《真空》2001.8 P1-7范圍。在磁控濺射強磁場情況下，采用低于10KHZ容易使陰極按電弧放電模式工作，對濺射不利。
但在電弧蒸發離化源的弱磁場條件下，采用寬范圍的中頻均可適應，故可采用0.5KHZ-100KHZ。
中頻電源的脈沖波形主要有正弦波和矩形波二種，在中頻段較高頻時采用正弦波頻率較高，而在低于10KHZ時，則采用矩形波較多。
經過專利檢索，國內、外均未有這種發明專利，申請號92111980、92111981、93115804、98809989屬于同領域背景技術專利，差別較大。另外，更沒有用這種方法獲得納米量級的多層膜。
發明內容
當今納米工程的前沿課題，是鍍制納米量級的膜，以及制備納米量級的微粒粉末，在工程領域均有大量實際應用。而采用多弧兼弧柱放電，配以高速旋轉的工作架，以獲得納米量級膜，是鍍膜專業方面的前沿。也是本發明希突破的現有技術。
本發明不是采用傳統的直流多弧及弧柱放電形式，而是采用中頻脈沖實現電弧等離子體脈沖放電，如背景技術中所敘述的較寬頻率范圍。
這個鍍覆過程在圖1中的真空室2中進行，其截面為圓形、正方形或正多邊形的筒形對稱結構，便于使脈沖電弧等離子體蒸發離化源對稱均勻分布，并與工件4相對于筒體母線上，如A種脈沖蒸發離化源1和B種脈沖蒸發離化源3。真空室通過與抽氣口接真空抽氣系統是鍍制過程真空可在10-4Pa-數個Pa可調。在需要鍍覆反應膜時，可從通反應氣接口10通入反應氣體。真空室壁、殼良好接地9。A種脈沖電弧弧源1和B種脈沖電弧弧源3作為電弧放電的陰極，接至脈沖電源輸出極7上，而控制A、B脈沖弧源，見圖2，交替開啟的電子切換裝置6，實際上是一種控制一定的脈沖數輸出的定向電子快速切換裝置。脈沖電源的接地端8。
為了獲得更多種多層納米膜，沿真空室四周也可均布A、B、C種以上的多個蒸發離化源，見圖3，同樣采用電子切換控制裝置，以控制一定的占空比輸出，實現A、B、C三種和三種以上鍍材程序鍍覆，時間上很短但交替很快，以獲多種多層納米膜。
工件架低速旋轉，只為了在鍍某種鍍材時更加均勻，而不是鍍納米膜所必需。
本發明實施的結果，會產生比現有技術優異的效果(1)由于本發明采用了數字電路控制脈沖數，使施加于鍍材靶陰極的脈沖數精確控制，從而可精控所鍍納米膜的厚度。5nm-50nm可調，再控制總鍍覆時間可控納米量級的膜厚。
(2)避開了常規鍍膜時選用的高速旋轉的工件轉架，本發明即使工件不旋轉也可鍍制納米膜，旋轉只為改善A種、B種或C種鍍材在工件上的均勻性。
(3)直流蒸發離化源是本公司的傳統優質產品，運行可靠。而本發明電源輸入接口簡易，可行性強。
圖1說明如下用脈沖電弧等離子體蒸發離化源的多功能離子鍍納米膜的實施簡圖。
圖2說明如下具有A、B鍍材的蒸發離化源沿真空室徑向間隔均勻分布A、B鍍材可交替開啟和關閉，使工件上獲得交替的分層納米級A膜和B膜。
圖3說明如下如欲鍍A、B、C鍍材交替的多層膜可順次沿圓周按A、B、C分布，則可獲得A、B、C三種鍍材交替的多層膜。
具體實施例方式
本發明創意新型，而本公司前期工作均有基礎。如本公司的優秀產品，直流等離子體加速器型蒸發離化源，本公司的二元多弧離子鍍，本公司研究金剛石膜裝置采用的內靶、外靶，本公司應用磁控濺射孿生靶采用AE電源的經驗，本公司應用RF射頻濺射的經驗。
以及社會工程環境制作中頻脈沖電源的知識，這些條件都幫助我們實施本發明所提供方法。
我們優選中頻的低頻段10KHZ以下，矩形波脈沖電源，每個蒸發源功率選用1.6KW，如典型的φ1250×1500mm真空室建議優選蒸發源總功率1.6×14＝22.4KW本發明實施辦法主要有兩種方式一種是采用我公司TG系列產品多弧離子鍍膜機，將脈沖電弧等離子體蒸發離化源配置于真空室圓柱壁母線對稱位置。圖3中1示意，數量可采用2-26個之多。另一種是采用我公司TGL系列產品長弧多功能離子鍍膜機，在該機中的相應位置配置對稱的脈沖長弧等離子體蒸發離化源。其數量可沿用我公司定型機4個脈沖離化源。TG系列和TGL系列離子鍍膜機基本圖形示于圖3。
權利要求
1.本發明是一種采用脈沖電弧等離子體蒸發離化源制備納米多層膜的方法，鍍制過程在真空室中進行，在真空等離子體放電鍍覆時，既可不通入反應氣體，也可通入反應氣體，以獲得納米量級多層單質膜或多層反應膜。真空室采用截面為圓形、正方形或對稱多邊形的筒狀對稱結構，真空室壁面均勻對稱分布能鍍覆多種材料的幾種脈沖電弧蒸發離化源。這種脈沖電弧源配置有相應的脈沖電弧電源和電子切換裝置，使能交替開啟及關閉其中某一種鍍覆材料蒸發離化源，在開啟任一種多個脈沖電弧蒸發離化源時，均可整個覆蓋鍍覆360°范圍內正對脈沖電弧蒸發源的任一位置的工件。要求在開啟2.8秒-28秒可調，以獲得多種材料交替鍍覆的納米多層膜。掛置被鍍工件的轉架上需施加負偏壓，其范圍在0-1000V可調，工件上施加負偏壓以實現離子鍍膜的經典定義。
2.根據權利要求1，該方法的特征脈沖電弧等離子體蒸發離化源的陰極接脈沖電弧電源，其輸出脈沖可采用矩形波或正弦波。脈沖范圍可在0.5KHZ-100KHZ調節，脈沖放電持續時間間隔設計在100次-105次脈沖次數占空，以保證使每層同種鍍覆膜厚度在5nm-50nm之間可調。
3.根據權利要求1，該方法特征該多個脈沖電弧等離子體蒸發離化源采用的脈沖電弧電源，其負載放電的伏安特性中的電流密度即使在脈沖放電狀態下也是電弧放電。功率在1KW-100KW可調。
4.根據權利要求1，鍍覆特征，可以呈現鍍不同單質納米多層膜，也可鍍不同反應性納米多層膜，真空室工作真空度一般在10-4Pa-數個Pa量級可調。
5.根據權利要求1，該方法特征鍍覆材料可增設為三種和三種以上，即A、B、C種或以上，按要求不同的膜厚來控制開啟相應脈沖電源的時間，用相同的方法可獲得3種不同材料鍍膜層的納米多層膜。
6.根據權利要求1，其特征為任一種脈沖弧電源沿真空室圓柱壁分布的數量和特性，足以使弧源開啟時，使其鍍覆范圍在360°范圍全覆蓋到，沿圓周沒有沉積不到膜的間隙。工件轉架依然可以有公轉和自轉，但只是為了A膜和B膜、C膜的更加均勻，而不是脈沖電弧鍍覆納米膜之必需。
7.根據權利要求1，其特征為工件上需施加負偏壓，這是離子鍍膜之必需，偏置電壓電源可以用直流偏壓源0-1000V可調，也可采用逆變偏壓電源或分高低壓檔或在0-1000V可調。
全文摘要
本發明采用脈沖矩形波的中頻電源中的低頻段，即頻率范圍低于100KHZ，施加于等離子體加速器型蒸發離化源。用控制數字電路控制脈沖數的方法來控制鍍材蒸發量，控制1000次一10000次脈沖，相當于脈沖弧源開啟2.8秒－28秒之間可調，從而可在工件上沉積獲得的納米膜厚度在5nm－50nm之間可調。設計沿圓柱真空鍍膜室的圓周，均勻分布A、B兩種或A、B、C三種鍍材靶，交替或順序開啟或關閉這些蒸發離化源電源，以獲得A、B，或A、B、C多層相間的納米膜。即使工件轉架不轉動，此方法也可在工件上獲得納米多層膜。工件轉架低速旋轉，只是為了對各種鍍材的鍍膜時間段，獲得較均勻的納米膜層。
文檔編號C23C14/40GK1616707SQ20031011343
公開日2005年5月18日 申請日期2003年11月11日 優先權日2003年11月11日
發明者王殿儒, 徐健, 金佑民 申請人:北京長城鈦金公司