離子鍍膜機、氣體離子刻蝕清洗方法及輔助沉積方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及物理氣相沉積離子鍍膜技術領域，尤其是涉及一種離子鍍膜機、氣體離子刻蝕清洗方法及輔助沉積方法。
【背景技術】
[0002]物理氣相沉積(PVD)是通過加熱蒸發，陰極電弧或磁控濺射蒸發等過程，產生金屬粒子并與反應氣體形成化合物沉積在工件表面上。物理氣相沉積主要有蒸發鍍，陰極電弧鍍和磁控濺射鍍三種常用方法，陰極電弧鍍俗稱離子鍍。
[0003]在離子鍍過程中，利用陰極電弧源(CAE)放電產生金屬離子，在工件上建立的高負偏壓的作用下，金屬離子獲得一定動能轟擊到工件表面上，形成對工件表面預刻蝕和清洗(即主弧轟擊清洗過程)；此方法雖然有很多優點，但同時也存在嚴重的缺點，會導致薄膜性能的降低。具體如下:
[0004]I)陰極電弧源產生金屬離子的同時，還會產生大量的微液滴(原子團)。由于微液滴的質量大、移動速度低，容易粘覆到工件表面上，形成對工件表面的二次污染；
[0005]2)在高負偏壓下，高動能的金屬離子對工件表面形成強烈轟擊，在工件表面上容易形成電弧放電，造成工件表面局部的燒蝕和損傷；尤其是在工件的尖銳處，金屬離子容易聚集，形成集中轟擊，造成工件上關鍵的尖銳局部過熱退火或燒蝕損傷；
[0006]3)由于金屬粒子的尺寸效應，不利于工件微觀表面的活化；
[0007]4)在離子鍍膜過程中通入的是中性的氣體分子，氣體粒子的反應活性低，也無法從工件上的負偏壓電場中獲取額外動能，鍍膜中的化學反應能量只能由具有較高動能的金屬離子提供，或者由被鍍工件上的較高溫度提供，不利于化學反應的充分進行，影響膜層質量。而如果要制備高質量的膜層時，則需要在同一鍍膜高度上配置多套陰極電弧源。
[0008]除了上述的利用陰極電弧源產生的金屬離子對工件表面進行轟擊清洗的方法外，還有以下幾種各具優缺點的清洗方法:
[0009]射頻刻蝕法:射頻放電在潔凈工件表面方面是近年來的一個發展方向，但射頻電源的高成本、電磁兼容(干擾)等問題影響其在硬質薄膜涂層領域的應用。
[0010]氣體離子刻蝕法:在Ti靶前加擋板，阻止放電產生的金屬Ti粒子對工件的直接轟擊；增加輔助陽極，使得工件只受到間接離化的氣體離子的刻蝕。但此法的弊病有二:一是需要更多的弧源，二是氣體離子濃度及刻蝕的均勻性和強度都會受到影響。
[0011]陰極燈絲法:通過陰極管或燈絲發射電子、離化氣體原子，對工件形成氣體離子刻蝕，通過陰極燈絲位置的設計，可以實現對工件全方位的清潔。所存在的不足是陰極管或燈絲為易耗品，在通入氧氣或者含碳氣體時熱陰極表面容易毒化甚至燒毀，需要不斷更換。
【發明內容】
[0012]本發明的目的在于提供一種離子鍍膜機、氣體離子刻蝕清洗方法及輔助沉積方法。
[0013]本發明提供的配置氣體離子源的離子鍍膜機，其結構為:在離子鍍膜機的真空腔內壁或者法蘭上設置一臺或多臺氣體離子源裝置，用于對待鍍工件的氣體離子刻蝕清洗步驟，也用于對待鍍工件的氣體離子輔助沉積步驟。
[0014]進一步的，所述氣體離子源裝置為陽極層條形氣體離子源。
[0015]進一步的，所述配置氣體離子源的離子鍍膜機還包括:設置在所述離子鍍膜機的真空腔內壁或者法蘭上與所述氣體離子源裝置對應的陰極電弧靶源，以實現氣體離子輔助沉積。
[0016]氣體離子源裝置可以在大的真空范圍穩定放電，通過對通入氣體離子源氣體種類和氣量的，以及放電狀態的精確控制，容易控制氣體等離子體產生的密度和空間方向，進而控制氣體離子刻蝕清洗過程和氣體離子輔助沉積工程。
[0017]本發明提供的使用所述離子鍍膜機裝置進行氣體離子刻蝕清洗的方法，包括以下步驟:
[0018]待鍍工件預處理后送入離子鍍膜機的真空腔；
[0019]真空腔抽真空，對真空腔內的待鍍工件進行預加熱烘烤；
[0020]達到一定的真空和溫度條件后，向氣體離子源有控制地穩定通入工作氣體，氣體離子源裝置放電工作，產生氣體等離子體，對待鍍工件表面進行氣體離子轟擊刻蝕，實現待鍍工件表面的清潔和活化。
[0021 ] 進一步的，所述氣體離子源裝置為陽極層條形氣體離子源。
[0022]條形氣體離子源可以在高度上產生均勻分布的氣體離子等離子體，從而保證氣體離子轟擊清洗的均勻性。
[0023]進一步的，所述氣體等離子體為的Ar或者Ar、02和H 2混合氣產生的氣體等離子體，Ar或者Ar、O2和H 2混合氣的總流量為50sccm?500sccm。
[0024]進一步的，所述氣體等離子體對待鍍工件表面進行轟擊的過程中，真空度不低于0.8Pa0
[0025]在氣體等離子體的轟擊清洗過程中，真空腔內存在較強的輝光(等離子體)放電，為了避免出現局部空心陰極效應，造成氣體離子源裝置放電電壓和電流的異常波動(不穩)，因此應選擇較高真空度。
[0026]進一步的，所述氣體離子源裝置的放電功率設定在0.5kW?7kW范圍內，放電電壓不高于480V。
[0027]較高的氣體離子源裝置放電電壓容易引起真空室內局部空心陰極效應，造成氣體離子源裝置放電電壓和電流的異常波動(不穩)，因此氣體離子源裝置的放電電壓不能過尚O
[0028]進一步的，所述待鍍工件上的偏壓設定為-50V?-500V ;在保持所述氣體離子源裝置的放電功率不變及不損傷待鍍工件表面形貌的條件下，選擇較高的偏壓，以提高清洗速度，縮短清洗時間。
[0029]在相同的放電功率(等離子體密度)條件下，提高工件的偏壓，可以提高氣體等離子體的轟擊動能，進而提高刻蝕和清洗的效能。但是工件偏壓的提高，也會產生刻蝕作用，損傷被鍍工件表面，特別是對工件的尖銳刃部損傷更嚴重。因此，應該在允許的范圍內盡量選擇較高的工作偏壓。
[0030]進一步的，所述利用氣體等離子體對待鍍工件表面進行轟擊的過程的總時間為20min ?90mino
[0031]本發明還在所述的氣體離子刻蝕清洗方法的基礎上，還提供了一種氣體離子輔助離子沉積的方法，還包括以下步驟:
[0032]對表面經過清潔和活化的待鍍工件實現陰極電弧靶源放電蒸發，與此同時氣體離子源放電工作、產生反應氣體等離子體，實現氣體離子輔助下的化學反應離子鍍膜。
[0033]進一步的，所述氣體離子源裝置為陽極層條形氣體離子源。
[0034]進一步的，所述氣體等離子體為Ar或者Ar、02、H2, N2, C2H2和CH 4混合氣體產生的氣體等離子體，Ar或者Ar、02、H2、N2、C2H2和CH 4混合氣體的總流量為50sccm?500sccm。
[0035]進一步的，所述氣體等離子體對待鍍工件表面進行輔助沉積的過程中，真空度不低于8.0Pa0
[0036]進一步的，所述氣體離子源裝置的放電功率設定在0.5kff?7kW范圍內，且氣體離子源裝置的放電功率的設置和陰極電弧源工作的數量和放電電流值成正比關系；所述氣體離子源上的放電電壓在60V?200V之間。
[0037]本發明的有益效果為:
[0038]本發明在離子鍍膜機的真空腔內壁或者法蘭上設置一臺或多臺氣體離子源裝置，利用氣體離子源裝置產生的氣體等離子體對待鍍工件表面進行轟擊，實現待鍍工件表面的氣體離子刻蝕清洗。氣體離子源裝置可以在大范圍內穩定放電，能夠制氣體離子刻蝕清洗過程對工件表面的損傷程度，同時實現工件表面的徹底清潔和活化；另外，在離子鍍膜過程中，將通入氣體離子源的反應氣體同時離化，增加氣體粒子的化學反應活性，達到氣體離子輔助沉積的效果，實現更好的化學反應膜層質量。
[0039]對工件進行氣體離子刻蝕清洗的有益效果為:
[0040](I)氣體離子不會像金屬粒子粘附到工件表面；轟擊清洗過程中，不會伴隨著金屬粒子(微液滴)的沉積，從而避免了被鍍工件表面的二次污染；
[0041](2)氣體離子源產生的離子密度更容易穩定和精確控制，不易出現工件尖端局部轟擊過熱退火或者燒蝕的問題；
[0042](3)能同時去除真空室內表面上的殘余吸附氣體，改善離子鍍膜的真空環境；
[0043](4)能有效去除被鍍工件表面上的氧化(鈍化)層；
[0044](5)氣體離子源裝置使用壽命長、基本免維護；
[0045]對工件進行氣體離子輔助沉積的有益效果為:
[0046]在離子鍍膜過程中，氣體離子源裝置放電工作，通入氣體離子源裝的反應氣體被離化，改善了化學反應離子鍍膜的環境，使得離子鍍膜過程中化學反應得更加充分，能顯著提高膜基結合力和膜層質量，提高鍍膜生產的穩定性和重復性；
[0047]由于氣體離子的加入和幫助，被鍍工件上的溫度要求可以