CN105239048B - 一种金属等离子体源及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种金属等离子体源及其应用。本申请的金属等离子体源包括外壳、磁控靶和电子阻挡屏极，外壳呈中空的圆柱筒状，磁控靶铺设于外壳的中空的内腔中，且不与外壳导通，电子阻挡屏极由导电材料制备，同样设置于外壳的中空内腔中，并且电子阻挡屏极为片状，垂直安装于磁控靶的两端；电子阻挡屏极与磁控靶导通，或者电子阻挡屏极与磁控靶不导通，电子阻挡屏极单独连接负电压。本申请的金属等离子体源，在磁控靶两端增加电子阻挡屏极，将逃逸的电子反射回金属等离子体源内部，起到降低放电起辉条件目的；反射的电子增强了溅射粒子碰撞，增强其离化率，增加了靶材表面电子分布的均匀性，提高了靶材溅射均匀性，进而提高靶材利用率。

Description

一种金属等离子体源及其应用

技术领域

本申请涉及离子镀膜领域，特别是涉及一种金属等离子体源及其应用。

背景技术

常规的磁控溅射在镀膜过程中绝大多数粒子以原子形式存在，可得到性能良好的薄膜，但是原子的能量、方向不可控，导致镀膜的可控性较差。另一种重要的镀膜手段，即阴极弧离子镀技术，可得到几乎完全离化的束流，束流的能量、方向可控，但是电弧热导致部分溅射材料来不及气化，从而以“液滴”的形式存在于离子束流中，在薄膜上形成缺陷“大颗粒”，对薄膜的质量产生严重的影响。

为此，本申请在之前的研究中提出了一种具有良好性能的圆筒形等离子体源，参见专利申请201410268732.9和201410268695.1，改进的圆筒形等离子体源，主要针对磁控溅射和阴极弧离子镀两种传统等离子体镀膜技术存在的缺陷进行设计。采用圆筒形等离子体源可将溅射限制在筒形靶材内部，溅射材料在腔内反复碰撞、离化，产生大量的离子，采用引出栅将腔内离子引出、加速并沉积在工件表面。采用圆筒形等离子体源可以有效提高材料的离化率，确保引出的束流中100％是离子；同时在圆筒腔内出现的“打弧”以及所产生的“金属液滴”不会喷溅到工件上，而是直接沉积在圆筒腔内的靶面上，这样既保证了薄膜不受“大颗粒”的影响，也减少了材料的浪费；此外，引出的束流离开了磁控靶的靶电压鞘层，不会被回吸到靶表面，从而提高了束流密度。

但是，在后续的研究和实践中发现，专利申请201410268732.9和201410268695.1中的圆筒形等离子体源，在起辉放电过程中，产生的电子迅速从两端逃逸，从而难以维持靶面较高的等离子体密度，使得放电较困难，尤其是较高功率下，等离子体源工作不稳定。

发明内容

本申请的目的是提供一种结构改进的金属等离子体源及其应用。

本申请采用了以下技术方案：

本申请的一方面公开了一种金属等离子体源，包括外壳、磁控靶和电子阻挡屏极；外壳呈中空的圆柱筒状，磁控靶铺设于外壳的中空的内腔中，且不与外壳导通；电子阻挡屏极由导电材料制备，同样设置于外壳的中空内腔中，并且电子阻挡屏极为片状，电子阻挡屏极垂直安装于磁控靶的两端；电子阻挡屏极与磁控靶导通，或者电子阻挡屏极与磁控靶不导通，电子阻挡屏极单独连接负电压。

需要说明的是，本申请的关键在于增加电子阻挡屏极，以阻止电子逃逸；因此，其它组件，如磁性元件、铜套、熄弧罩、冷却系统、磁钢和引出电场正极等，都可以参考现有的圆筒形等离子体源，在此不累述。尤其是，本申请是在专利申请201410268732.9和201410268695.1的基础上改进的，因此，可以参考该两件专利申请中的金属等离子体源或离子镀膜装置。当然，可以理解，本申请的增加电子阻挡屏极的金属等离子体源，其结构并不仅限于专利申请201410268732.9和201410268695.1所记载的金属等离子体源或离子镀膜装置。需要补充说明的是，在专利申请201410268732.9和201410268695.1中，其等离子体源，又称为金属离子源，与本申请的金属等离子体源是相同的。

需要说明的是，本申请的关键在于，在磁控靶的两端增加电子阻挡屏极，使得电子在通过不闭合磁控跑道处外溢时，受到电子阻挡屏极的阻挡，并被反射回到金属等离子体源内部，起到降低放电起辉条件的目的；由于电子阻挡屏极的阻挡，避免了电子从两端逃逸，有效的维持了靶面的等离子体密度，离子源工作稳定，能够满足高功率离子镀膜装置或真空镀膜系统的使用需求。本申请中，导通是指各组件之间导电连接，不导通是指各组件之间绝缘连接。

优选的，电子阻挡屏极其伸出的末端到磁控靶的垂直距离H为5-30mm。

需要说明的是，电子阻挡屏极是垂直固定在磁控靶的两端的，并且，在两端的电子阻挡屏极在外壳内腔内围成一圈的情况下，其伸出的末端到磁控靶的垂直距离为5-30mm，也就是内圈环面到靶材表面的垂直距离。

优选的，电子阻挡屏极的厚度为0.2-12mm。

优选的，电子阻挡屏极由不锈钢、Cu、Al、V、Ti、Cr、Mn、Ni、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au、Fe、Ni、Co、V、Ru、Rh、Pb、C和稀土中的至少一种制备而成。

优选的，本申请的金属等离子体源还包括辅助离化放电装置，用以增加溅射材料的离化率；该辅助离化放电装置为射频天线装置、电感耦合离化装置、电容耦合离化装置和微波装置中的至少一种。

需要说明的是，本申请的辅助离化放电装置其目的是增加溅射材料的离化率，可以理解，只要是能够起到该作用的装置，如射频天线装置、电感耦合离化装置、电容耦合离化装置和微波装置都可以用于本申请，其安装方式可以参考常规的金属等离子体源的安装方式，在此不累述。

优选的，本申请的金属等离子体源还包括网孔状的引出栅，引出电场正极固定在圆柱筒状外壳的一端，引出栅固定在圆柱筒状外壳的另一端，引出栅采用绝缘材料与外壳固定连接。

需要说明的是，其中引出栅是用于连接引出电源的负极的，以便于将离子束流引出，而引出栅设计成网孔状，是便于在使用时，离子束流通过引出栅到达正对着引出栅的工件上，实现沉积镀膜。使用时，磁控靶连接磁控溅射电源，引出栅接引出电源，由于磁控靶是设计呈圆筒状的，即安置在圆筒状的外壳内，整个溅射过程都在磁控靶围成的空腔内进行，只有离化的粒子才能被引出栅引出到达工件，因此可以得到100％离化的束流；与此同时，即便偶尔发生“打弧”，也是在圆柱筒内部，“金属液滴”也不会喷溅到工件上；此外，引出的束流离开了磁控靶的靶电压鞘层，不会被再吸附回磁控靶表面，从而提高了束流密度。

优选的，本申请的金属等离子体源还包括法拉第杯，法拉第杯与外壳固定连接，且法拉第杯于引出栅之后，引出栅位于法拉第杯和外壳之间。

需要说明的是，法拉第杯是用于测量离子束流的量的，以实现引出离子束流可控；可以理解，要实现法拉第杯的测量，还必须要连接一个示波器，用于显示测量的引出离子束流的强度，示波器可以选择配置，在本申请中不作具体限定。

本申请的另一面还公开了采用本申请的金属等离子体源的离子镀膜装置。

优选的，本申请的离子镀膜装置中，金属等离子体源的供电方式为高功率脉冲磁控溅射、直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射和复合脉冲磁控溅射中的至少一种。

本申请的另一面还公开了采用本申请的金属等离子体源的真空镀膜系统。

优选的，本申请的真空镀膜系统中，金属等离子体源的供电方式为高功率脉冲磁控溅射、直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射和复合脉冲磁控溅射中的至少一种。

本申请的有益效果在于：

本申请的金属等离子体源，在磁控靶的两端增加电子阻挡屏极，当逃逸电子到达屏极附近时，被电子阻挡屏极反射回金属等离子体源内部，起到降低放电起辉条件的目的。电子阻挡屏极的阻挡，避免了电子从两端逃逸，有效的增加了靶面的等离子体密度，电子密度的增加进一步的增强了金属等离子体源内部溅射粒子的碰撞，增强其离化率；同时，反射的电子增加靶材表面电子分布的均匀性，从而提高靶材溅射均匀性，提高靶材利用率。因此，本申请的金属等离子体源能够降低工作条件、提高溅射材料离化率和靶材利用率，为金属等离子体源的产业化应用奠定了基础。

附图说明

图1本申请实施例中金属等离子体源的内部结构示意图，其中11为外壳、12为磁控靶、13为电子阻挡屏极；

图2是本申请实施例中真空镀膜系统的结构示意图；

图3是本申请实施例中离子镀膜装置的结构示意图；

图4是本申请实施例的金属等离子体源中电子阻挡屏极的另一种安装方式的示意图；

图5是本申请实施例的金属等离子体源中电子阻挡屏极的另一种安装方式的示意图；

图6是本申请实施例的金属等离子体源中电子阻挡屏极的另一种安装方式的示意图。

具体实施方式

本申请是在专利申请201410268732.9和201410268695.1中的圆筒形的金属等离子体源的基础上进行改进的，因此，两件专利申请中的金属等离子体源、离子镀膜装置、离子镀膜方法，以及真空镀膜系统等可直接用于本申请。

本申请在专利申请201410268732.9和201410268695.1中提出圆筒形的金属等离子体源之后，在深入的研究和实践中发现，这种结构的金属等离子体源由于磁控跑道在磁控靶两端不闭合，在起辉放电过程中，产生的电子迅速从两端逃逸，从而难以维持靶面较高的等离子体密度，使得放电较困难，尤其是较高功率下，离子源工作不稳定。因此，本申请创造性的提出，在磁控靶的两端添加电子阻挡屏极，以约束电子逃逸。具体的，将片状或网状结构的电子阻挡屏极垂直设置于磁控靶的两端，电子阻挡屏极可以与磁控靶导通；在进行磁控溅射时，当逃逸电子到达电子阻挡屏极附近时，受带负电的电子阻挡屏极作用，被反射回金属等离子体源内部，起到降低工作条件的目的，即降低放电起辉条件。当然，电子阻挡屏极也可以与磁控靶不导通，这时就需要对电子阻挡屏极单独施加一定的负电压，以起到反射电子的作用。

此外，在本申请的优选方案中，金属等离子体源还设计有网孔状的引出栅、法拉第杯等。其中网孔状的引出栅是为了便于离子束的引出，可以理解，在没有引出栅的情况下，也可以直接将偏压电源的负极与工件平台或者工件平台上的待处理工件连接，从而将离子束引到待处理工件上，实现离子镀膜。其中，法拉第杯是用于测量离子束流的量的，以实现离子束流可控；可以理解，在对离子束流量要求不高的情况下，也可以不使用法拉第杯及其配套示波器等。

需要说明的是，本申请的离子镀膜装置和真空镀膜系统，分别引用自专利申请201410268732.9和201410268695.1，在此不累述。

下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

实施例一

本例的金属等离子体源，如图1所示，包括外壳11、磁控靶12和电子阻挡屏极13，外壳11呈中空的圆柱筒状，磁控靶12铺设于外壳11的中空的内腔中，且不与外壳11导通，电子阻挡屏极13同样设置于外壳11的中空的内腔，并且电子阻挡屏极13呈片状，垂直安装在磁控靶12的两端，电子阻挡屏极13与磁控靶12导通。本例中，电子阻挡屏极13为铜制备的铜片，电子阻挡屏极13伸出末端到磁控靶12的垂直距离H为20mm，铜片厚度为0.5mm。

此外，金属等离子体源的其它组件，包括磁性元件、铜套、熄弧罩、冷却系统、磁钢、网孔状的引出栅、引出电场正极和法拉第杯等参考专利申请201410268732.9和201410268695.1。具体的，磁钢、冷却系统、铜套和磁控靶依序层叠铺设于外壳内，且都不与外壳导通；磁控靶嵌在铜套内，磁性元件均匀的镶嵌在磁钢上；熄弧罩固定于圆柱筒外壳的两端，并将依序层叠设置在外壳内的磁钢、冷却系统、铜套和磁控靶的两端包裹住，熄弧罩与磁性元件、铜套、磁控靶和磁钢之间留有间隙，均不导通；引出栅固定在圆柱筒状外壳的一端，引出电场正极固定在圆柱筒状外壳的另一端，引出栅和引出电场正极均采用绝缘材料与外壳固定连接；引出电场正极将与之连接的圆柱筒状外壳的端口封闭；法拉第杯于引出栅之后，与外壳11固定连接。使用时，为了直观的显示离子束流强度，还配制了一个示波器与法拉第杯连接，用于显示离子束流的强度，以便对离子束流进行检测、调控。

使用时，在磁控靶12的两端，电子在通过不闭合磁控跑道处外溢时，被电子阻挡屏极13反射回到金属等离子体源内部，从而起到降低放电起辉条件的目的，即降低工作条件；同时，反射的离子进一步的增强了金属等离子体源内部溅射粒子的碰撞，增强其离化率，反射电子增加靶材表面电子分布的均匀性，从而提高靶材溅射均匀性，提高靶材利用率。

在以上金属等离子体源的基础上，本例进一步的提供了一种真空镀膜系统，如图2所示，包括本例的金属等离子体源1、真空室2、引出电源3、高功率脉冲磁控溅射电源4和放置待处理工件的工作台5；真空室2为封闭空腔，金属等离子体源1和工作台5固定在真空室2中，工作台5与金属等离子体源1安装引出栅的一端相对，位于其正对面，具体的，本例中工作台5位于金属等离子体源1正下方；引出电源3和高功率脉冲磁控溅射电源4设置于真空室2外，引出电源3的负极与金属等离子体源1的引出栅电连接，正极与金属等离子体源1的引出电场正极电连接后共接地；高功率脉冲磁控溅射电源4的负极与金属等离子体源1的铜套和磁控靶14电连接，正极接地。

本例中的高功率脉冲磁控溅射电源4可以采用单脉冲模式的高功率脉冲电源、脉冲和直流复合的高功率脉冲电源、调制的高功率脉冲电源中的任意一种或组合使用。引出电源3可以是用于常规薄膜沉积的输出电压50V～10kV的低压电源，任选自直流电源、脉冲电源，或直流脉冲复合电源的一种或组合使用。或者，引出电源3也可以采用用于等离子体离子注入的输出电压1kV～100kV的高压脉冲电源。本例的真空镀膜系统中，金属等离子体源1和工作台5之间的距离设计为5～50cm均能够满足使用需求。

使用时，先将镀膜元件放置到真空镀膜系统的工作台5上，真空室2抽真空，直至真空度小于10^-2Pa时，通入工作气体至1Pa，然后开启引出电源3和高功率脉冲磁控溅射电源4，进行离子镀膜。其中，工作气体的气压可以根据实际镀膜要求进行调整，本例的离子镀膜装置的工作气压在0.01Pa～10Pa均可。本例中，高功率脉冲磁控溅射电源4的峰值电压为400V～2500V，脉宽为0μs～1000μs，0Hz～1000Hz。具体，可以根据实际情况调整。另外，在本例的引出电源也为脉冲电源时，其脉冲可以与磁控溅射的脉冲同步，也可以不同步，两者同步时，更利于离子束流的引出。此外，本例中的工作气体为Ar惰性气体；可以理解，目前常规使用的工作气体，包括惰性气体和反应性气体都可以用于本例的离子镀膜装置，其中惰性气体包括He、Ne、Ar、Kr中的任意一种或其组合，反应性气体包括O₂、N₂、CH₄、C₂H₂、H₂S、SiH₄、BH₃、HF、HCl、HBr中的任意一种或其组合。

工作时，溅射直接在圆柱筒内部完成，离子束采用引出电源引出，沉积在工件表面；由于溅射是在圆柱筒内部完成的，只有带电离子才能被引出，因此保障了100％的离子沉积；并且，由于溅射等过程都是在圆柱筒内部完成的，即便发生打弧也是圆柱筒内部，不会对工作造成影响；此外，磁控靶设计成圆柱筒状，其靶面面积大大提高，远高于其引出束流的面积，也就是圆柱筒底端的开口面积，有效的提高了沉积速率。并且，由于电子阻挡屏极13的设计，在电子通过不闭合磁控跑道处外溢时，被电子阻挡屏极13反射回到金属等离子体源内部，能够降低工作条件、提高溅射材料离化率和靶材利用率。

实施例二

本例的金属等离子体源与实施例一相同，只是没有引出栅和法拉第杯。有本例的金属等离子体源组成的离子镀膜装置，如图3所示，包括真空室21、金属等离子体源22、高功率脉冲磁控溅射电源23、偏压电源24和工件平台25；真空室21为封闭空腔，金属等离子体源22和工件平台25设置于真空室21中，并且金属等离子体源22位于工件平台25正对面；高功率脉冲磁控溅射电源23和偏压电源24设置于真空室21外，高功率脉冲磁控溅射电源23的负极与金属等离子体源22电连接，正极接地，偏压电源24的负极与工件平台25电连接，正极接地。通过偏压电源24将离子束引出到工件平台25的工件上，进行离子镀膜。

同样的，由于电子阻挡屏极13的反弹作用，能够有效的阻止电子外溢，起到降低放电起辉条件的目的，同时，由于反弹的离子增加了金属等离子体源内部溅射粒子的相互碰撞，从而提高了离化率和靶材利用率。

实施例三

本例在实施例一的基础上，对金属等离子体源的电子阻挡屏极进行深入研究，具体的分别研究了电子阻挡屏极的材料、厚度，电子阻挡屏极的伸出末端到磁控靶的垂直距离H。结果显示，电子阻挡屏极除了可以采用铜以外，只要是能够导电，通电后能够将电子反弹的材料都可以用于本申请，除铜以外还可以采用不锈钢、Al、V、Ti、Cr、Mn、Ni、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au、Fe、Ni、Co、V、Ru、Rh、Pb、C或稀土制备。电子阻挡屏极的伸出末端到磁控靶的垂直距离H在5-30mm都可以有效的对逃逸电子进行反弹。电子阻挡屏极的厚度在0.2-12mm都可以使用。

此外，电子阻挡屏极除了可以为片状结构以外，还可以设计成网状结构；为网状结构时，只要能够满足电子不从网孔中穿透逃逸即可。电子阻挡屏极可以直接与磁控靶连接导通，也可以不导通，不导通的情况下，需另外给电子阻挡屏极施加负压。在不导通的情况下，如图4所示，电子阻挡屏极13通过绝缘片14与磁控靶12固定连接，并且电子阻挡屏极13由单独的偏压电源提供负电压。需要说明的是，由于绝缘片14的引入，电子碰撞到绝缘片13后是不会反弹回金属等离子体源的，因此，绝缘片14的宽度不能大于12mm，也就是绝缘片14延伸末端到磁控靶12的垂直距离不能大于12mm，否则会影响电子的反弹。此外，不导通的情况下，除了引入绝缘片以外，还可以将电子阻挡屏极13设置于磁控靶12两端，通过绝缘垫圈32固定于磁控靶12两端，如图5所示。或者，固定于磁控靶12两端更远的地方，如图6所示。当然，无论是图5还是图6所示的连接方式，只要电子阻挡屏极是独立的，不与其它组件导通，就需要其独立连接偏压电源，为其提供负电压。可以理解，只要是将电子阻挡屏极13设置于磁控靶12的两端，能够起到将逃逸的电子反弹回金属等离子体源内部即可，至于电子阻挡屏极13的具体位置，可以根据具体需求进行调整。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种金属等离子体源，包括外壳(11)和磁控靶(12)，所述外壳(11)呈中空的圆柱筒状，所述磁控靶(12)铺设于外壳(11)的中空的内腔中，且不与外壳(11)导通，其特征在于：还包括由导电材料制备的电子阻挡屏极(13)，所述电子阻挡屏极(13)为片状，同样设置于外壳(11)的中空的内腔中，并且电子阻挡屏极(13)垂直安装于所述磁控靶(12)的两端；所述电子阻挡屏极(13)与所述磁控靶(12)导通，或者所述电子阻挡屏极(13)与所述磁控靶(12)不导通，电子阻挡屏极(13)单独连接负电压。

2.根据权利要求1所述的金属等离子体源，其特征在于：所述电子阻挡屏极(13)，其伸出的末端到所述磁控靶(12)的垂直距离(H)为5-30mm。

3.根据权利要求1所述的金属等离子体源，其特征在于：所述电子阻挡屏极(13)的厚度为0.2-12mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的金属等离子体源，其特征在于：所述电子阻挡屏极(13)由不锈钢、Cu、Al、V、Ti、Cr、Mn、Ni、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au、Fe、Co、Ru、Rh、Pb、C和稀土中的至少一种制备而成。

5.根据权利要求1-3任一项所述的金属等离子体源，其特征在于：还包括辅助离化放电装置，用以增加溅射材料的离化率；所述辅助离化放电装置为射频天线装置、电感耦合离化装置、电容耦合离化装置和微波装置中的至少一种。

6.根据权利要求1-3任一项所述的金属等离子体源，其特征在于：还包括网孔状的引出栅，引出电场正极固定在圆柱筒状外壳(11)的一端，引出栅固定在圆柱筒状外壳(11)的另一端，引出栅采用绝缘材料与外壳(11)固定连接。

7.根据权利要求6所述的金属等离子体源，其特征在于：还包括法拉第杯，法拉第杯与外壳(11)固定连接，且法拉第杯于引出栅之后，引出栅位于法拉第杯和外壳(11)之间。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述的金属等离子体源的离子镀膜装置。

9.根据权利要求8所述的离子镀膜装置，其特征在于：所述金属等离子体源的供电方式为高功率脉冲磁控溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射以及复合脉冲磁控溅射中的至少一种。