一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统及镀膜方法转让专利
申请号 : CN201810885211.6
文献号 : CN108774728B
文献日 : 2023-04-11
发明人 : 王叔晖 , 沈平 , 孟庆学
申请人 : 法德(浙江)机械科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统,包括机体(1),该机体(1)内设置有真空腔室(11),该真空腔室(11)为密闭空间,且该真空腔室(11)上开设有进气口(12)与排气口(13),其特征在于,还包括:柱弧机构(2),所述柱弧机构(2)设置于所述真空腔室(11)横向上的任意一侧,其包括设置于所述真空腔室(11)内的柱形靶材(20),设置于所述真空腔室(11)外带动柱形靶材(20)旋转的旋转件(21),设置于所述柱形靶材(20)一侧可与该柱形靶材(20)旋转触碰的第一引弧针(23),环形罩设于所述柱形靶材(20)与第一引弧针(23)外的防护罩(24),该防护罩(24)开设有缺口(241),所述柱形靶材(20)与所述第一引弧针(23)之间设置有第一弧电源(25),该第一弧电源(25)的负极与所述柱形靶材连接,其正极连接所述第一引弧针(23)与所述真空腔室(11)的外侧壁;
圆弧机构(3),所述圆弧机构(3)至少为一个,其设置于所述柱弧机构(2)对侧的所述真空腔室(11)的内壁上,其与所述柱形靶材(20)之间设置有阳极电源(30),该阳极电源(30)的负极与所述柱形靶材(20)连接,其正极与所述圆弧机构(3)连接;
工件载体(4),所述工件载体(4)设置于所述柱弧机构(2)与所述圆弧机构(3)之间,其旋转设置于所述真空腔室(11)内,且其与所述真空腔室(11)的外壁之间连接设置有偏置电源(40),该偏置电源(40)的负极与所述工件载体(4)连接,其正极与所述真空腔室(11)的外壁连接;
加热件(5),至少一个所述加热件(5)设置于所述真空腔室(11)内,其设置于所述真空腔室(11)纵向上的任意一侧的侧壁上;
真空泵组(6),所述真空泵组(6)与所述排气口(13)连通设置,其对所述真空腔室(11)进行抽真空处理,其包括依次连接组合的分子泵(61)、罗兹泵(62)与机械泵(63),所述分子泵(61)连接所述排气口(13);
供气机构(7),所述供气机构(7)与所述进气口(12)连通设置,其对所述真空腔室(11)供气处理,其包括若干的储气瓶(71);以及冷却机构(8),所述冷却机构(8)设置于所述机体(1)的外侧,其对所述柱形靶材(20)进行冷却处理,其包括冷却塔(81)、冷水机(82)以及与冷却管道(83);
所述圆弧机构(3)包括:
圆形靶材(31),所述圆形靶材(31)固定设置于所述真空腔室(11)的内壁上,其与所述阳极电源(30)连接;
第二引弧针(32),所述第二引弧针(32)伸缩设置于所述圆形靶材(31)的一侧,且其与所述圆形靶材(31)可触碰设置;
第二弧电源(33),所述第二弧电源(33)设置于所述圆形靶材(31)与所述真空腔室(11)之间,其负极与所述圆形靶材(31)相连,且其正极与所述真空腔室(11)的外侧壁相连;
所述加热件(5)为对称设置,其对称设置于所述工件载体(4)的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统,其特征在于,所述柱弧机构(2)还包括:循环冷却接头(26),所述循环冷却接头(26)设置于所述柱形靶材(20)的顶部,其上并排设置有进液口(261)与出液口(262),该循环冷却接头(26)的一端与所述柱形靶材(20)内的冷却流道(211)连通,其另一端与所述冷却管道(83)连通;
电阻件(27),所述电阻件(27)设置于所述第一引弧针(23)与第一弧电源(25)连接的线路上;以及旋转动力件(28),所述旋转动力件(28)与所述真空腔室(11)的外壁固定连接,其驱动所述第一引弧针(23)旋转与所述柱形靶材(20)触碰。
3.根据权利要求1所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统,其特征在于,所述防护罩(24)与所述真空腔室(11)转动连接,其内壁上设有棘轮(242),该棘轮(242)与所述第一引弧针(23)上连接的棘爪(231)拨动配合。
4.根据权利要求3所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统,其特征在于,所述棘爪(231)与所述棘轮(242)每配合拨动一次,所述防护罩(24)旋转180°。
5.根据权利要求1所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统,其特征在于,所述圆形靶材(31)与所述阳极电源(30)连接的线路上设置有第一电源开关(311),且所述圆形靶材(31)与所述第二弧电源(33)连接的线路上设置有第二电源开关(312)。
6.根据权利要求1所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统,其特征在于,所述供气机构(7)还包括:波纹软管(72),若干的所述波纹软管(72)与所述储气瓶(71)一一对应设置,其两端分别连接所述进气口(12)与所述储气瓶(71);
压力表(73),若干的所述压力表(73)设置于对应的所述波纹软管(72)上,其对侧设置有减压阀(74);
球阀,所述球阀设置于对应的所述波纹软管(72)上,其控制所述波纹软管(72)的通断。
7.基于权利要求1所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1)、抽真空,通过排气口(13),由真空泵组(6)中的分子泵(61)、罗兹泵(62)与机械‑泵(63)的相互组合,将真空腔室(11)内的空气抽出,所述真空腔室(11)的真空度为3X103
mbar;
‑3
步骤2)、加热,当所述真空腔室(11)内的真空度达到3X10 mbar后,由加热件(5)对所述真空腔室(11)进行加热处理,加热时间2小时,所述真空腔室(11)内的温度达到480℃;
步骤3)、一次加气,当所述真空腔室(11)的温度达到480℃后,打开储存有Ar气体的储气瓶(71)上的球阀,使储气瓶(71)内的Ar气输入到所述真空腔室(11)内,所述真空腔室‑3(11)内的气压为9X10 mbar;
‑3
步骤4)、一次引弧,当所述真空腔室(11)内的真空度达到9X10 mbar后,由旋转动力件(28)带动第一引弧针(23)与柱形靶材(20)瞬间触碰,使第一弧电源(25)短路,对所述真空腔室(11)内的Ar气体放电起弧发出辉光,所述第一弧电源(25)的工作电流与电压为100A/
22V;
步骤5)、阳极牵引,与步骤4)同步的,闭合第一电源开关(311),阳极电源(30)对圆形靶材(31)供电,所述圆形靶材(31)对步骤4)中释放出的电子进行牵引加速,所述阳极电源(30)的工作电流与电压为30A/60V;
步骤6)、刻蚀,偏置电源(40)对工件载体(4)供电,工件载体(4)牵引由步骤4)中释放出的电子撞击Ar气体原子释放出的Ar正离子,Ar正离子撞击所述工件载体(4)上的工件表面,偏置电源(40)的工作电流与电压为2A/50V,工作时间为30min~60min;
步骤7)、重置,所述工件载体(4)上的工件完成刻蚀工作后,断开第一弧电源(25)、阳极电源(30)与偏置电源(40),关闭Ar气体输入,所述加热件(5)维持真空腔室(11)内温度450℃;
步骤8)、二次加气,打开储存有N2气体的储气瓶(71)上的球阀,使储气瓶(71)内的N2气‑2输入到所述真空腔室(11)内,所述真空腔室(11)内的气压为1X10 mbar;
‑2
步骤9)、二次引弧,当所述真空腔室(11)内的真空度达到1X10 mbar后,由旋转动力件(28)带动第一引弧针(23)与柱形靶材(20)瞬间触碰,由气缸带动第二引弧针(32)与圆形靶材(31)瞬间触碰,使第一弧电源(25)与第二弧电源(33)短路,对所述真空腔室(11)内的N2气体放电起弧发出辉光,所述第一弧电源(25)与第二弧电源(33)的工作电流与电压为
180A/25V;以及
步骤10)镀膜,偏置电源(40)对工件载体(4)供电,工件载体(4)牵引由步骤9)中释放出的金属等离子体,金属等离子体附着于所述工件载体(4)上的工件表面,形成镀膜,厚度为3μm,工作时间为60min。
8.根据权利要求7所述的一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜方法,其特征在于,所述步骤5)中,阳极电源(30)的电流由30A逐步提升至100A;所述步骤6)中,偏置电源(40)的电压由50V逐步提升至300V。
说明书 :
一种离子源多弧柱弧复合PVD镀膜系统及镀膜方法
技术领域
背景技术
进行加热,之后往真空腔室内输入2~6bar的Ar气,再通过对真空腔室加载600~1000V的偏
置电压,使真空腔室内的Ar电离形成Ar正离子与电子,利用Ar正离子对工件的表面进行撞
击,去除工件表面的杂质,但是上述方式,由于加载的偏置电压过高,容易造成真空腔室内
产生打火的现象,伤害工件,且由于输入的Ar气量过大,而Ar离化率不高,无法去除工件表
面的氧化杂质,更无法对工件中存在的沟壑进行刻蚀,只能对工件表面的杂气与水气进行
清洗。
正离子形成的等离子束对工件的表面进行轰击,但是该方式无法使Ar气大量离化,必须通
过设置辅助阳极,利用辅助阳极对电子进行加速,增加Ar气的离化率,但是离子源的阴极采
用钨管或者钽管作为阴极,一旦电流过大,就会烧断,产生的电子数量有限,无法产生大面
积的离化Ar正离子,只能将Ar正离子集束对工件上的一点进行刻蚀,去除工件上的氧化物
与其他杂质。
位置,其下表面与水平面平行;一刻蚀离子源,设置于该真空腔室的底部正中位置,与溅射
沉积与刻蚀工件台相对;二溅射靶台,设置于该真空腔室的下部,左右对称于该刻蚀离子源
发射的离子束所在的方向;二溅射离子源,设置于该真空腔室的中部,左右对称于该刻蚀离
子源发射的离子束所在的方向,发射的离子束与溅射靶台上装载的一个靶材表面成45℃
角;一辅助清洗离子源,设置于该真空腔室的中部,发射的离子束与该溅射沉积与刻蚀工件
台下表面成30℃角。该设备兼备各种功能,可用于介质和金属材料的溅射沉积刻蚀抛光减
薄和热处理。
蚀。
发明内容
大量的Ar正离子对工件载体上的工件进行全面均匀的刻蚀,解决工件无法全面均匀刻蚀的
技术问题,同时实现刻蚀的柱弧机构与圆弧机构又能进行真空镀膜,功能完善。
所述柱形靶材一侧可与该柱形靶材旋转触碰的第一引弧针,环形罩设于所述柱形靶材与第
一引弧针外的防护罩,该防护罩开设有缺口,所述柱形靶材与所述第一引弧针之间设置有
第一弧电源,该第一弧电源的负极与所述柱形靶材连接,其正极连接所述第一引弧针与所
述真空腔室的外侧壁;
连接,其正极与所述圆弧机构连接;
负极与所述工件载体连接,其正极与所述真空腔室的外壁连接;
所述冷却管道连通;
全面均匀的刻蚀,实现工件全面均匀刻蚀的技术问题,同时实现刻蚀的柱弧机构与圆弧机
构又能进行真空镀膜,功能完善;
高带来的工件打火,对工件造成伤害;
电弧,损毁工件;
子,因此,减少了Ar气体原子对Ar正离子的阻挡,可以对工件沟壑内的杂质进行撞击去除;
理,功能多样,全面。
作为辅助阳极对电子进行加速导向使产生的Ar正离子对工件进行均匀刻蚀,而在对工件进
行真空镀膜时,柱弧机构与圆弧机构均作为镀膜靶材对工件进行多弧离子镀膜,解决了工
件进行均匀刻蚀与均匀镀膜的技术问题。
合,将真空腔室内的空气抽出,所述真空腔室的真空度为3X10 mbar;
气瓶上的球阀,使储气瓶内的Ar气输入到所述真空腔室内,所述真空腔室内的气压为9X10
3
mbar;
电起弧发出辉光,所述第一弧电源的工作电流与电压为100A/22V;
压为30A/60V;
的工作电流与电压为2A/50V,工作时间为30min~60min;
到所述真空腔室内,所述真空腔室内的气压为1X10 mbar;
一弧电源与第二弧电源短路,对所述真空腔室内的N2气体放电起弧发出辉光,所述第一弧
电源与第二弧电源的工作电流与电压为180A/25V;以及
间为60min。
的同时,减少真空腔室内Ar原子的数量,使Ar正离子对工件进行刻蚀时,Ar正离子可以深入
到工件沟壑内,不会被Ar原子阻挡,刻蚀效果更佳,更均匀。
附图说明
具体实施方式
本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例,都属于本发明保护的范围。
特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用
于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数
量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
口13,还包括:
转件21,设置于所述柱形靶材20一侧可与该柱形靶材20旋转触碰的第一引弧针23,环形罩
设于所述柱形靶材20与第一引弧针23外的防护罩24,该防护罩24开设有缺口241,所述柱形
靶材20与所述第一引弧针23之间设置有第一弧电源25,该第一弧电源25的负极与所述柱形
靶材连接,其正极连接所述第一引弧针23与所述真空腔室11的外侧壁;
述柱形靶材20连接,其正极与所述圆弧机构3连接;
偏置电源40的负极与所述工件载体4连接,其正极与所述真空腔室11的外壁连接;
述排气口13;
辅助阳极使用,其对柱形靶材20与第一引弧针23触碰形成电弧中的电子进行导向牵引与加
速,使电子向圆弧机构3迁移,在迁移过程中,由于电子的高速转移,电子与Ar原子发生碰
撞,形成Ar正离子与新的电子,这也就是Ar气体的电离,电离过程中会产生大量的电弧,也
就是辉光,由于工件载体4上加载了偏置电源40,产生的Ar正离子向工件载体4迁移,对工件
载体4上的工件表面进行撞击,剥离工件表面的氧化杂质、水气与杂气等,本发明可以对工
件所有部位进行均匀的减薄300nm。
心离子源,可以通过改变加载的第一弧电源25,使电流加大进而形成大量的电子,即使电流
加大到400A,其也不会烧断,这是其与离子源中阴极的最大区别,因此,可以通过在真空腔
室内通入0.3pa~1.2pa的Ar气体,配合的第一弧电源24就可以产生大量的电子,电子撞击
Ar原子产生大量的Ar正离子,而Ar正离子的大量产生,就会导致Ar原子的减少,避免了Ar原
子对Ar正离子迁移的阻碍,在这一过程中第一弧电源24的电压/电流为22V/100A,吸引电子
迁移的阳极电源30的电压为/电流为60V/30A,吸引Ar正离子迁移的偏置电源40的电压为
50V~400V,而传统的则需要通入2pa~6pa的Ar气体,配合600V~1000V的高压偏置电源,才
能产生辉光,形成Ar正离子,由于通入的Ar气体的量过大,就会导致Ar原子对Ar正离子的迁
移形成阻碍,导致Ar正离子无法到达工件沟壑位置,只能对工件表面较易清理的部位进行
清洗,甚至无法去除工件表面的氧化杂质。
弱尖端效应。
罩24,利用防护罩24对柱形靶材20进行阻挡,柱形靶材初始工作的过程中,会使表面的氧化
物脱离,沉积到防护罩24上,此时,防护罩24上的缺口241背向工件载体4设置,电子自缺口
241处逸出,由加载了阳极电源30的圆弧机构3进行牵引导向。
的路线较覆盖真空腔室11的空间更大,在电子迁移过程中可以使真空腔室11内Ar原子与电
子碰撞,电离出更多的Ar正离子,Ar正离子分布的也更加均匀。
度。
211连通,其另一端与所述冷却管道83连通;
道83自进液口261进入到U型的冷却流道211内,再自出液口262排出,形成循环冷却的过程。
阳极电源30停止工作,第二弧电源33开始工作。
形靶材31上的镀膜材料直接以等离子体的形式逸出,形成蒸发离化源,本发明中的柱形靶
材20与圆形靶材31优选为Ti,逸出的Ti正离子配合进气口输入的N2气体,利用Ti正离子与N2
在高温环境下进行反应形成TiN,在工件表面形成TiN镀膜层,厚度为3μm左右,此时,就是真
空镀膜,因此,本发明中的柱弧机构2与圆弧机构3不仅作为真空离子刻蚀的组成部件进行
工作,同时作为真空多弧离子镀膜的靶材进行工作。
而在进行多弧离子镀膜时,柱弧机构2与圆弧机构3分设于工件载体4的两侧,可以同时提供
镀膜需要的蒸发离化源,使工件镀膜的更加均匀。
工件载体4设置,由于在进行真空离子刻蚀时,柱形靶材20表面的氧化杂质已经去除,因此,
在进行多弧离子镀膜时,缺口241面向工件载体,可以使离子蒸发源的靶材料快速抵达工件
载体上,减少迁移过中的消耗。
蚀时,第一引弧针23与柱形靶材20触碰,缺口241背向工件载体4,在进行多弧离子镀膜时,
第一引弧针23与柱形靶材20触碰,缺口241面向工件载体4。
完成引弧工作复位时,棘爪231与棘轮242处于空位配合,棘轮242不发生旋转。
弧阴极使用。
的相互组合,将真空腔室11内的空气抽出,所述真空腔室11的真空度为3X10 mbar;
‑3
气压为9X10 mbar;
内的Ar气体放电起弧发出辉光,所述第一弧电源25的工作电流与电压为100A/22V;
作电流与电压为30A/60V;
电源40的工作电流与电压为2A/50V,工作时间为30min~60min;
输入到所述真空腔室11内,所述真空腔室11内的气压为1X10 mbar;
间触碰,使第一弧电源25与第二弧电源33短路,对所述真空腔室11内的N2气体放电起弧发
出辉光,所述第一弧电源25与第二弧电源33的工作电流与电压为180A/25V;以及
工作时间为60min。
光,而此时的圆弧机构3作为辅助阳极使用,其对柱形靶材20与第一引弧针23触碰形成电弧
中的电子进行导向牵引与加速,使电子向圆弧机构3迁移,在迁移过程中,由于电子的高速
转移,电子与Ar原子发生碰撞,形成Ar正离子与新的电子,这也就是Ar气体的电离,电离过
程中会产生大量的电弧,也就是辉光,由于工件载体4上加载了偏置电源40,产生的Ar正离
子向工件载体4迁移,对工件载体4上的工件表面进行撞击,剥离工件表面的氧化杂质、水气
与杂气等,本发明可以对工件所有部位进行均匀的减薄300nm。
流加大进而形成大量的电子,即使电流加大到400A,其也不会烧断,这是其与离子源中阴极
的最大区别,因此,可以通过在真空腔室内通入0.3pa~1.2pa的Ar气体,配合的第一弧电源
24就可以产生大量的电子,电子撞击Ar原子产生大量的Ar正离子,而Ar正离子的大量产生,
就会导致Ar原子的减少,避免了Ar原子对Ar正离子迁移的阻碍,在这一过程中第一弧电源
24的电压/电流为22V/100A,吸引电子迁移的阳极电源30的电压为/电流为60V/30A,吸引Ar
正离子迁移的偏置电源40的电压为50V~400V,而传统的则需要通入2pa~6pa的Ar气体,配
合600V~1000V的高压偏置电源,才能产生辉光,形成Ar正离子,由于通入的Ar气体的量过
大,就会导致Ar原子对Ar正离子的迁移形成阻碍,导致Ar正离子无法到达工件沟壑位置,只
能对工件表面较易清理的部位进行清洗,甚至无法去除工件表面的氧化杂质。
就越激烈,产生的Ar正离子的数量也就越多,更利于真空刻蚀;所述步骤6)中,偏置电源40
的电压由50V逐步提升至300V,工件载体4对Ar正离子牵引力就越强,Ar正离子对工件的撞
击力越强,更利于Ar正离子深入工件的沟壑处进行撞击,将工件表面的氧化杂质溅射出。
1.2X10 mbar,对应的步骤6)中,偏置电源40的工作电压为50V~400V,电流为0.2A~12A。