箍縮磁場輔助磁控濺射鍍膜裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種箍縮磁場輔助磁控濺射鍍膜裝置，屬于表面處理和真空技術領域，可用于超光滑、超硬硬質薄膜的制備。
【背景技術】
[0002]箍縮效應（pinch effect)是指等離子體電流與其自身產生的磁場相互作用，使等離子體電流通道收縮、變細的效應，脈沖大電流線圈產生的高溫等離子體箍縮（Pinch)可能是最簡單的磁約束核聚變裝置，其特點是載流等離子體利用本身電流產生的磁場來約束自己。在箍縮過程中，等離子體的密度和溫度都會增加，因而這種效應可用來提高等離子體的密度和溫度。箍縮磁場就是脈沖線圈產生的磁場，對等離子體有壓縮作用。
[0003]磁控派射是物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition, PVD)的一種。一般的派射法可被用于制備金屬、絕緣體等多材料，且具有設備簡單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強等優點，而上世紀70年代發展起來的磁控濺射法更是實現了高速、低溫、低損傷。因為是在低氣壓下進行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。磁控濺射通過在靶陰極表面引入磁場，利用磁場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率。
[0004]到目前為止，普通磁控濺射的離化率小于15%，且距離靶越遠越小，因此，磁控濺射制備的薄膜結合力和性能差，難以應用到刀具、鉆頭和小零件等。
[0005]目前，國內外已經提出了幾種有效提高磁控濺射離化率的方法，如英國Teer公司的閉合場磁控濺射(英國專利號2258343、美國專利號5554519、歐洲專利號0521045)，利用了非平衡磁控濺射外延的磁場，通過合理的設計使相鄰的磁場閉合，形成電子通道，電子延這些磁力線旋轉，與中性粒子碰撞提高離化率。
[0006]在國內，實用新型專利ZL201210161364. 9，專利201210474290.4，專利201220233276. O公開了閉合場磁控濺射裝置的設計，幾乎同Teer公司的一樣。專利ZL201220209547. 9則在此基礎上作了修改，采用內圈放置的柱狀磁控形成閉合磁場；專利ZL98120365. 5公開了一種非平衡靶同中心磁場閉合的磁控濺射裝置，中心的磁場與靶磁場反轉對稱，磁力線在穿過被鍍工件，極大的提高了鍍膜區域的離化率。大連理工公開了一種等離子體增強非平衡磁控濺射方法（ZL 01116734. 3)，利用微波離子源輔助提高磁控濺射的離化率。
[0007]上述所有方法的離化率在30-45%之間變化，且難進一步提升。
【實用新型內容】
[0008]本實用新型的目的是針對磁控濺射目前普遍存在的離化率不能進一步提高的問題提供一種箍縮磁場輔助磁控濺射鍍膜裝置，通過高功率脈沖磁場對等離子體的箍縮效應，實現更高的磁控濺射離化率。
[0009]—種箍縮磁場輔助磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于該裝置包括由偏壓電源供電的工件盤以及由電源II供電的磁控濺射靶，該磁控濺射靶的前方設有由電源III供電的線圈。
[0010]所述線圈寬5-10cm。
[0011 ] 所述偏壓電源和電源II均為直流電源、交流電源、高頻、中頻脈沖電源、射頻電源或微波電源。
[0012]所述電源III為直流脈沖電源或高功率脈沖電源。當電源導通時磁場瞬間升高，電源不導通時，磁場先升高后消失，強的磁場會壓縮等離子體，增加碰撞幾率和電子溫度，使得磁控濺射的離化率達到70%以上。
[0013]所述磁控濺射靶為矩形靶、圓靶、旋轉柱靶或組合靶。
[0014]本實用新型的基本思想是利用高功率脈沖磁場融合到磁控濺射中，實現磁控濺射的高離化率和高離子能量，進而提高薄膜在基體的結合力和致密度、硬度等。
[0015]本實用新型與現有技術相比具有以下優點：
[0016]1、本實用新型產生的高功率脈沖磁場進一步提高磁控濺射的離化率和電子溫度，增大帶電離子的數量。
[0017]2、本實用新型具備高功率脈沖磁場的磁控濺射可以制備超光滑、超高結合力、超高硬度的類金剛石薄膜、氮化物薄膜、碳化物薄膜或者氧化物薄膜等。
[0018]3、本實用新型具備高功率脈沖磁場的磁控濺射，因為其高的離化率，達到70%，為設計新型金屬離子源提供了新思路。
【附圖說明】
[0019]圖I為本實用新型的結構示意圖。
[0020]圖中：1-線圈、2-磁控濺射靶、3-電源II、4-電源III、5-偏壓電源、6-工件盤。
【具體實施方式】
[0021]實施例I
[0022]如圖I所示，一種箍縮磁場輔助磁控濺射鍍膜裝置，包括由偏壓電源5供電的工件盤6以及由電源II 3供電的磁控濺射靶2，該磁控濺射靶2的前方設有由電源III4供電的線圈I。
[0023]線圈I 寬 5-10cmo
[0024]偏壓電源5和電源II 3均為直流電源、交流電源、高頻、中頻脈沖電源、射頻電源或微波電源。
[0025]電源III 4為直流脈沖電源或高功率脈沖電源。
[0026]磁控濺射靶2為矩形靶、圓靶、旋轉柱靶或組合靶。
[0027]使用時，由磁控濺射靶2提供鍍膜材料，由電源II 3給磁控濺射靶2供電，從磁控濺射靶2濺射出來的材料在飛向工件的過程中受到由電源III4供電的線圈I產生箍縮效應，對等離子體進行進一步離化和加熱，最終在工件上制備得到超硬薄膜。
[0028]實施例2
[0029]采用圖I所示的裝置實現高結合力、高硬度薄膜的制備。
[0030]由矩形磁控濺射靶2提供鍍膜材料Cr，矩形靶尺寸是200mmX 600mm，有一套20KW的中頻直流脈沖電源3給磁控濺射靶2供電，從磁控濺射靶2濺射出來的材料在飛向工件的過程中受到由高功率脈沖電源4 (峰值200 A)供電的線圈I，提供箍縮磁控，對等離子體進行進一步離化和加熱，最終在工件上制備得到超硬薄膜。
[0031]具體實施如下：
[0032]I)常規的清洗：除油、除銹、烘干放進真空室；
[0033]2)當背底真空達到I X 10-4時開始鍍膜，氬氣控制在O. 4 Pa，偏壓800 V，導通比
O.2-0. 8，頻率10 KHz，清洗10分鐘；
[0034]3)通入氮氣，控制氮氣氣壓O. 15 Pa，偏壓100 V，Cr靶電流15 A，線圈峰值電流150 A，沉積2小時后關閉系統；
[0035]4)待爐溫降至室溫，打開真空腔，取出樣品，進行測試評價。
[0036]用該方法沉積的CrN厚度3微米，硬度43 Gpa。
[0037]實施例3
[0038]由圓形磁控濺射靶2提供鍍膜材料??33Α167，圓形靶直徑是200mm，有一套3KW的射頻電源3給磁控濺射靶2供電，從靶2濺射出來的材料在飛向工件的過程中受到由高功率脈沖電源4 (峰值150 A)供電的線圈I，提供箍縮磁控，對等離子體進行進一步離化和加熱，最終在工件上制備得到超硬薄膜。
[0039]具體實施如下：
[0040]I)常規的清洗：除油、除銹、烘干放進真空室；
[0041]2)當背底真空達到I X 10 4時開始鍍膜，氬氣控制在O. 4 Pa，偏壓800 V，導通比
O.2-0. 8，頻率10 KHz，清洗10分鐘；
[0042]3)通入氮氣，控制氮氣氣壓O. 15 Pa，偏壓100 V，導通比O. 5，頻率300KHz，Τ?33Α167靶功率800 W，線圈峰值電流100 A，沉積2小時后關閉系統；
[0043]4)待爐溫降至室溫，打開真空腔，取出樣品，進行測試評價。
[0044]用該方法沉積的AlTiN厚度3微米，硬度56 GPa,顏色呈藍黑色。
【主權項】
1.一種箍縮磁場輔助磁控濺射鍍膜裝置，其特征在于該裝置包括由偏壓電源（5)供電的工件盤（6)以及由電源II (3)供電的磁控濺射靶（2)，該磁控濺射靶（2)的前方設有由電源111(4)供電的線圈（I)。2.如權利要求I所述的裝置，其特征在于所述線圈（I)寬5-lOcm。3.如權利要求I所述的裝置，其特征在于所述偏壓電源（5)和電源II(3)均為直流電源、交流電源、高頻、中頻脈沖電源、射頻電源或微波電源。4.如權利要求I所述的裝置，其特征在于所述電源III(4)為直流脈沖電源或高功率脈沖電源。5.如權利要求I所述的裝置，其特征在于所述磁控濺射靶（2)為矩形靶、圓靶、旋轉柱靶或組合靶。
【專利摘要】本實用新型公開了一種箍縮磁場輔助磁控濺射鍍膜裝置，屬于表面處理和真空技術領域。該裝置包括由偏壓電源供電的工件盤以及由電源Ⅱ供電的磁控濺射靶，該磁控濺射靶的前方設有由電源Ⅲ供電的線圈。本實用新型產生的高功率脈沖磁場進一步提高磁控濺射的離化率和電子溫度，增大帶電離子的數量。
【IPC分類】C23C14/35
【公開號】CN205152322
【申請號】CN201520840237
【發明人】張斌, 張俊彥, 強力, 高凱雄, 王健
【申請人】中國科學院蘭州化學物理研究所
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年10月27日