正交電磁場離子源及其在PVD 法制備硬質(zhì)涂層中的應(yīng)用

2014-09-07 范迪 中國科學(xué)院金屬研究所

  離子源是離子束產(chǎn)生的關(guān)鍵部件,正交電磁場離子源是以霍爾電流為理論基礎(chǔ)的一類低能離子源。本文綜述了考夫曼離子源、霍爾離子源以及陽極層線性離子源的發(fā)展歷程及其在結(jié)構(gòu)與功能方面的區(qū)別,分析了各種離子源在PVD 法制備不同體系超硬涂層中的應(yīng)用及對涂層結(jié)構(gòu)、性能的影響,概述了國內(nèi)外離子源的現(xiàn)狀,并指出了國內(nèi)離子源存在的問題。

1、前言

  物理氣相沉積(Physical Vapour Deposition,PVD)法作為傳統(tǒng)的硬質(zhì)涂層制備方法,具有低溫、高速兩大突出特點,所形成的涂層致密,具有較小的摩擦系數(shù),一直在高質(zhì)量硬質(zhì)涂層制備方法中占據(jù)重要位置。但PVD 法沉積粒子能量普遍不高,在制備涂層時難以越過高溫高壓相形成能壘,在獲取特定相結(jié)構(gòu)時有一定的局限性。在基片上施加負(fù)偏壓可以加強(qiáng)離子對基片的轟擊,增強(qiáng)沉積過程的能量,但對正離子的吸引過程不具備選擇性,離子入射的角度也不可控,獨立性較差。

  離子束輔助沉積(Ion Beam Assisted Deposition,IBAD)是一種將離子束及涂層沉積兩者融為一體的材料表面改性和優(yōu)化技術(shù),最初應(yīng)用于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域,近年來,其應(yīng)用范圍不斷拓寬,輔助制備硬質(zhì)涂層方面的報導(dǎo)也屢見不鮮。用于表面改性的離子束按能量大小,一般以10 KeV 為界,分為高能和低能兩類。高能離子束一般應(yīng)用于離子注入等領(lǐng)域,需要成本較高的粒子加速器,同時高能離子對涂層的反濺射作用明顯,容易使已沉積的涂層再次離開基片,而大大降低沉積速率;低能離子束主要用于輔助沉積,較易獲得,與PVD 法結(jié)合,不但可以增強(qiáng)沉積過程的能量,也可實現(xiàn)對入射離子種類、束流強(qiáng)度及入射方向的單獨控制,可獨立摸索沉積參數(shù),優(yōu)化工藝參數(shù)后可明顯改善涂層致密度、晶粒大小、晶粒取向、表面形貌等性能,達(dá)到提高膜- 基結(jié)合力的目的。特別是在對沉積溫度有特殊要求的條件下,離子束輔助沉積可以在保持基片低溫的前提下,提高涂層在沉積過程中的能量。

  離子源是產(chǎn)生離子束的核心部件,其中正交電磁場離子源(Orthogonal Electromagnetic Field type ion source)是通過電磁場束縛電子運動,使氣體電離為正離子后,在電場或電磁場作用下加速形成離子束。相較于其他形式離子源,如電子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)、電容耦合離子源(Capacitively Coupled Plasma,CCP),其成本低廉,更適合工業(yè)應(yīng)用。本文將介紹幾種不同類型的正交電磁場離子源,并結(jié)合其在不同體系硬質(zhì)涂層沉積過程中的應(yīng)用,綜述離子源的結(jié)構(gòu)、工作原理;分析其產(chǎn)生的離子束對硬質(zhì)涂層成分、結(jié)構(gòu)、性能的影響。

2、正交電磁場離子源工作原理

  2.1、考夫曼(Kaufman)離子源

  八十年代美國宇航局的Kaufman 教授設(shè)計了此類離子源,至今仍是應(yīng)用最廣泛的一種離子源。圖1、圖2 所示為兩種不同磁場設(shè)置的考夫曼離子源,多極考夫曼離子源可形成更均勻的等離子體區(qū),引出的離子束均一度也會更高。其基本原理與軸向考夫曼離子源相近:鎢絲熱陰極提供的原初電子被放電室內(nèi)的正交電磁場約束,電子與氣體碰撞頻率升高,放電室內(nèi)等離子體密度增加。正離子通過屏柵、加速柵、抑制柵構(gòu)成的三柵吸出系統(tǒng)形成寬束離子流,其中屏柵的開孔密度與孔徑?jīng)Q定了離子源放電室內(nèi)外的氣壓差,氣體流動的通導(dǎo)比。加速柵接負(fù)高壓用于正離子的加速吸出,抑制柵接地用于防止正離子回流。

軸向考夫曼離子源簡圖

圖1 軸向考夫曼離子源簡圖

多極考夫曼離子源簡圖

圖2 多極考夫曼離子源簡圖

  目前,國產(chǎn)10 cm 直徑的考夫曼離子源,加速電壓為500-1000 V,可得到約為幾個mA/cm2的氬離子束流,其均勻性為±5%,發(fā)散角大約為10~15°。若采用小孔、小間距及發(fā)散離子光學(xué)設(shè)計的考夫曼源,并使用輔助電子中和等措施,可以在超低能量區(qū)域工作。傳統(tǒng)考夫曼離子源的主要缺陷是內(nèi)置熱陰極在活性工作氣氛如氧氣下工作時,壽命很容易降低。

3、離子束輔助沉積硬質(zhì)涂層

3.1 、BAD 系統(tǒng)簡介

  在IBAD 系統(tǒng)中,除上述各種離子源以及必需的真空系統(tǒng)外,另一重要組成部分是提供涂層主要化學(xué)成分的氣相激發(fā)源。綜合考慮兼容性、工作氣壓、能耗等各方面因素,離子源可與電子束蒸發(fā)、離子束濺射(雙離子源系統(tǒng))以及磁控濺射等幾種PVD 激發(fā)源一起組成不同的IBAD 系統(tǒng),用來制備硬質(zhì)涂層。

  (1)離子束輔助電子束蒸發(fā)系統(tǒng)

  IBAD 方法是在熱蒸發(fā)系統(tǒng)上建立的,但在傳統(tǒng)的電阻加熱裝置中,坩堝、加熱元件以及各種支撐部件都可能帶來污染。在電子束蒸發(fā)加熱裝置中,用于蒸發(fā)靶材的高能電子束斑可被限制在毫米量級,靶材的周圍被循環(huán)水冷卻,不會像傳統(tǒng)坩堝一樣成為污染源。

  (2)雙離子源系統(tǒng)

  所謂雙離子源系統(tǒng),即靶材濺射與輔助沉積均由離子源產(chǎn)生的離子束完成。兩束離子源以不同能量分別對靶材、基片進(jìn)行轟擊,達(dá)到濺射產(chǎn)額、輔助沉積束流分別可控的目的。當(dāng)靶材導(dǎo)電性不佳時,可通過直接對離子束提供電子(如前述霍爾離子源)的方法來中和離子束,完成對絕緣靶材的濺射。

  (3)離子束輔助磁控濺射系統(tǒng)

  磁控濺射與離子源的結(jié)合是較新的IBAD技術(shù)。磁控濺射沉積速率較快,在保證靶材磁場與離子源磁場互不影響的前提下,可以通過對離子源的單獨控制,實現(xiàn)對涂層結(jié)構(gòu)、性能的優(yōu)化。圖5 為陽極層線性離子源輔助磁控濺射制備金屬元素?fù)诫s類金剛石(Diamond-like carbon,DLC)涂層的復(fù)合系統(tǒng)簡圖。

離子源輔助磁控濺射系統(tǒng)簡圖

圖5 離子源輔助磁控濺射系統(tǒng)簡圖

4、正交電磁場離子源的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

  正交電磁場離子源技術(shù)經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展,在表面工程領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。其結(jié)構(gòu)與功能的主要演變趨勢為:1. 電子來源的變

  化:提供電子的熱燈絲逐漸被能束縛電子做閉合運動的電磁場所取代,解決了燈絲易被污染、在活性氣體氣氛下服役時間短的問題;2. 離子加速方式多樣化:從考夫曼的三柵設(shè)計,到霍爾源利用離子的大拉莫運動半徑直接引出離子束,離子的加速方式不再是單純的電場加速,磁場的合理設(shè)計實現(xiàn)了無柵網(wǎng)加速;3. 功能進(jìn)一步細(xì)化:正交電磁場離子源種類越來越多,可以實現(xiàn)的功能也各不相同。陽極層線性離子源主要用于鍍膜前的清洗過程,現(xiàn)也有輔助沉積方面的應(yīng)用,考夫曼離子源在大加速電壓的使用條件下可以實現(xiàn)離子注入,而霍爾離子源主要用于輔助沉積。

  目前,國內(nèi)市場對離子源需求較大,發(fā)展勢頭良好,但產(chǎn)品仍與國際先進(jìn)水平存在差距,具體來說主要存在以下幾個區(qū)別:1. 國產(chǎn)離子源電磁場模擬不夠充分:電磁場是離子源設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié),利用軟件對其進(jìn)行模擬是設(shè)計關(guān)鍵部位的必要步驟。在電磁場模擬軟件中,ANSYS 仍是主流有限元軟件,新興的COMSOL 在電磁場模擬中也有其獨特優(yōu)勢。模擬軟件的應(yīng)用可以大大降低研發(fā)成本,促進(jìn)新技術(shù)的出現(xiàn)。2. 國外離子源源體材料更先進(jìn):GENCO 公司生產(chǎn)的陽極層線性離子源采用了低濺射產(chǎn)額的石墨作為陽極,延長了陽極的工作周期,此離子源在500 V 時即可以實現(xiàn)聚焦模式工作(傳統(tǒng)離子源在2 000 V 以上才會進(jìn)行模式轉(zhuǎn)變)。SPECS 公司對離子源中的熱燈絲進(jìn)行釔涂層保護(hù)處理,防止活性反應(yīng)氣體影響燈絲正常工作。3. 國內(nèi)離子源加工精度不高:離子源中有些部件對精度要求較高,如考夫曼離子源對屏柵、加速柵尺寸就有嚴(yán)格要求,陽極層線性離子源放電通道寬度也直接影響其工作性能。

5、結(jié)論

  離子束輔助沉積在氮化物、含碳元素、硼化物等各種體系的硬質(zhì)涂層中都有廣泛應(yīng)用。其功能主要表現(xiàn)在:

  1. 摸索較窄的工藝窗口:特定相結(jié)構(gòu)的形成存在一定的工藝窗口,離子源的可控性是準(zhǔn)確摸索工藝窗口的有利條件。通過改變離子能量、束流大小、入射方向等參數(shù),能更全面地分析涂層相的形成條件;

  2. 在低溫條件下提供相結(jié)構(gòu)形成的能量:在硬質(zhì)涂層沉積過程中,當(dāng)基體對溫度有限制時,離子束沉積可以在保證低溫的同時形成局部的高溫高壓條件,促使粒子越過能壘;

  3.反濺射功能用于提高結(jié)合力、減少雜質(zhì)元素。綜上所述,正交電磁場離子源結(jié)構(gòu)簡單、方式多樣、成本低廉,在硬質(zhì)涂層沉積方面應(yīng)用前景廣闊。