CN108231529A - 低压磁控阴极离子源 - Google Patents
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Abstract
低压磁控阴极离子源，包括真空组件、间隔设置的阴极组件和阳极组件，真空组件包括支撑盖，支撑盖上设置有工艺气体的气体接口和电场组件；阴极组件包括离子激发腔；支撑盖和离子激发腔的腔体连接，且支撑盖和离子激发腔之间形成一真空腔；离子激发腔设置有用以向腔内通入工艺气体的气体接口、阴极磁铁、与阴极磁铁间隔设置的阴极靶材、阴极接线端子，阴极接线端子与负极接线端子连接；阳极组件包括阳极腔体和设置在阳极腔体内的阳极磁铁，阳极接线端子，阳极接线端子与正极接线端子连接；离子激发腔朝向阳极组件。本发明为一种低压强工作阴极离子源，该离子源利用电场与磁场聚焦压缩原理，电场为主，磁场为辅，可提高镀膜离化率，改进镀膜质量。
Description
技术领域
本发明属涉及真空磁控溅射镀膜技术领域，涉及一种真空磁控镀膜设备。
背景技术
离子源是使气体中性原子、分子或粒子发生电离，并从中引出离子束流的装置。离子源是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子推进器等设备不可缺少的部件，在很多真空镀膜设备中具有很重要作用。特别是作为真空镀膜设备的清洗部件，可在无外部环境污染的条件下对镀膜基体内残留的水分子、碳氢化合物等进行高能激发，使其脱离被镀基体或在高能条件下发生分解反应，起到很好清洁、去气、加热作用。同时受等离子体粒子的激发作用，使得基体表面粒子处于活跃状态、表面势能得到明显提升，进而使镀膜材料能够更好的与基材结合，达到提高膜层结合强度的目的。
常采用的真空清洗离子源有霍尔离子源、考夫曼离子源、阳极离子源、空心阴极离子源等。霍尔离子源是由轴向磁场的强不平衡性将气体离子分离并形成离子束，但离子束需要补充电子以中和离子流，其离子流均匀性欠佳。考夫曼离子源属于栅格式离子源，由阴极在离子源内腔产生等离子体，然后由两层或三层阳极栅格将离子从等离子腔体中抽取出来，这种离子源产生的离子方向性强，离子能量带宽集中，可广泛应用于真空镀膜中，但缺点是其阴极极易损坏，无法进行长时间工作。阳极层离子源是在一条环形窄缝中施加强磁场，在阳极作用下使工作气体离子化并在射向工件，阳极层离子源离子电流较大，但其离子流较为发散，且能级分布太宽，对机体的表面清洁作用有限，且阳极离子源只局限于小范围获得，不适于加工大型的离子源。空心阴极离子源采用电子聚焦原理，空心阴极内部采用大气流通过二级放电在阴极内部将气体电离，因为阴极内压强高于外部真空压强，等离子体被由内向外从阴极开口处挤压出来形成高密度离子束，空心阴极的工作压力较高处于500Pa，高于一般镀膜压力，因此现有技术中，空心阴极不能和真空镀膜同时工作。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中阴极离子源的不足，提供一种粒子方向性强的离子源。
为了实现以上目的，本发明提供如下技术内容为：
压磁控阴极离子源，包括真空组件和间隔设置的阴极组件和阳极组件；
所述真空组件包括支撑盖，所述支撑盖上设置有工艺气体的气体接口和电场组件，电场组件包括正极接线端子和负极接线端子；
所述阴极组件包括离子激发腔；支撑盖和离子激发腔的腔体连接，且支撑盖和离子激发腔之间形成一真空腔；所述所述离子激发腔设置有用以向腔内通入工艺气体的气体接口、阴极磁铁、与阴极磁铁间隔设置的阴极靶材、以及用以为离子激发腔引入电场的阴极接线端子，阴极接线端子与负极接线端子连接；
所述阳极组件包括阳极腔体和设置在阳极腔体内的阳极磁铁，以及为阳极组件引入电场的阳极接线端子，所述阳极接线端子与正极接线端子连接；
离子激发腔朝向阳极组件。
作为优选：所述离子激发腔内设置有阴极磁轭，所述阴极磁铁设置在阴极磁轭上，朝向阳极组件。
作为优选：所述阴极靶材设置在阴极磁铁与阳极组件之间；离子激发腔上的气体接口位于阴极靶材与阳极磁铁之间。
作为优选：贴覆阴极靶材设置有导热板，用以导热。
作为优选：离子激发腔朝向阳极组件的一侧为开口式结构，开口处设置有屏蔽板，所述屏蔽板上设置有窄缝开口。
作为优选：支撑盖上设置有阴极冷却水接口和阳极冷却水接口，离子激发腔壁上设置有水冷通道，离子激发腔上设置有冷却水接口，与阴极冷却水接口接通，阳极腔体壁内设置有冷却水路，阳极腔体上设置有冷却水接口，与阳极冷却水路接通。
作为优选：所述支撑盖与离子腔通过固定件连接，且支撑盖与离子腔的连接处设置有绝缘体。
作为优选：阳极组件通过阳极磁轭安装在阳极腔体上，阳极接线端子设置在阳极腔体上。
作为优选：阳极腔体朝向离子激发腔体的一侧为开放式结构，所述开放式接口的开口处安装有阳极保护屏蔽板。
本发明的有益效果为：
本发明为一种低压强工作阴极离子源，该离子源利用电场与磁场聚焦压缩原理，电场为主，磁场为辅，其工作压强可以很好地与磁控溅射、多弧镀膜匹配，并可稳定工作，汇聚高密度等离子体对工件表面进行真空清洗、去气、加热，提高离化率，且可方便制成大型离子源，对大型平面工件进行真空清洗、去气、加热，提高镀膜离化率，改进镀膜质量。
较现有技术中的阴极离子源相比，采用磁电配合的工作方式，可以提高离子和电子的激发密度，同等体积下，可以使离子源具有更好的工作效果，同时，也适于离子源的大型化。
附图说明
图1为阴极组件结构示意图；
图2为阳极组件结构示意图；
图3为低压磁控阴极离子源结构示意图。
其中：1-阴极组件，101-支撑盖，102-离子激发腔，103-气体接口，104-正极接线柱，105-负极接线柱，106-正极接线端子，107-负极接线端子，108-气体接口，109-阴极磁铁，110-阴极接线端子，111-阴极磁轭，112-阴极靶材，113-固定螺栓，114-导热板，115-屏蔽板，116-开口，117-绝缘垫片，118-阳极冷却水接口，119-阴极冷却水接口，120-冷却水接口，121-电极接口，2-阳极组件，201-阳极磁铁，202-阳极腔体，203-阳极保护屏蔽板，204-阳极磁轭，205-固定座，206-冷却水接口，207-阳极接线端子，3-待处理工件。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种低压磁控阴极离子源。
低压磁控阴极离子源，包括真空组件、间隔设置的阴极组件和阳极组件。
真空组件包括支撑盖101，支撑盖101上设置有工艺气体的气体接口103和电场组件，电场组件包括电极接口121、正极接线柱104、负极接线柱105、正极接线端子106和负极接线端子107。
支撑盖101和离子激发腔102的腔体连接，且支撑盖101和离子激发腔102之间形成一真空腔。本实施例中，支撑盖101具体采用如下的结构来构造。支撑盖101形成一个近似盖体的结构，包括上端板、侧端板和下端板，其下端板为非封闭的结构。支撑盖101通过其下端板与离子激发腔102之间通过固定螺栓连接，安装为一体。支撑盖101和离子激发腔102之间形成间隔的结构，这一部分为真空腔。正极接线柱104和负极接线柱105的端头深入到真空室内。支撑盖101的下端板与离子激发腔102的安装位置之间设置有绝缘体，本实施例中，绝缘体采用绝缘垫片117。真空组件的作用，是保证支撑盖101本身的绝缘性，将电能传输给阴极组件和阳极组件，将气体导入离子激发腔102，将冷却水水导入阴极组件和阳极组件。
支撑盖101采用盖体的结构，还具有以下技术效果：盖体可以用于支撑安装阴极组件，固定离子源。
阴极组件的离子激发腔102内设置有用以向腔内通入工艺气体的气体接口108、阴极磁铁109、与阴极磁铁109间隔设置的阴极靶材112、以及用以为离子激发腔102引入电场的阴极接线端子110，阴极接线端子110与负极接线端子105连接，用以向离子激发腔102内通入负电场。工艺气体用于电离，本实施例中气体成分为：Ar；O2；N2等的1-3种。工艺气体通入离子激发腔102后，可被负电场电离。工艺气体经支撑盖101上的气体接口103接入到离子激发腔102，气体接口103起到将工艺气体从大气侧引入真空侧的作用，具有真空密封的作用，起到真空和大气转换的作用。
离子激发腔102内进一步设置有阴极磁轭111，阴极磁轭111通过螺栓安装在离子激发腔102的腔体壁上，阴极磁铁109设置在阴极磁轭111上，朝向阳极组件。阴极磁轭111采用纯铁制作，由于阴极磁轭111具有较强的导磁性，可以保证阴极磁铁109底部磁场被束缚在阴极磁轭111内。阴极磁场机构的形成需要有至少1块阴极磁铁109，阴极磁铁109总尺寸需和离子激发腔横向的长度相匹配。如拥有多块阴极磁铁109，阴极磁铁109按统一方向安装，以保证其整体磁场方向一致，例如，本实施例中，包括3块阴极磁铁109，在横向方向上，分别安装在阴极磁轭111的两端和中间，阴极磁轭111的宽度与离子激发腔102的宽度相等，如此，可以保证阴极磁场的覆盖范围。
离子激发腔102内进一步设置有阴极靶材112，阴极靶材112需采用和被处理工件材料相近的导电、低导磁材料制作。阴极靶材112设置在阴极磁铁109与阳极组件2之间，气体接口108位于阴极靶材112与阳极组件2之间。阴极靶材112将离子激发腔102分为上腔体和下腔体，阴极磁铁109位于上腔体，工艺气体被通入下腔体，上腔体用于产生阴极磁场，下腔体用以通入电离气体。阴极靶材112阴极磁铁109电离气体分隔开，以阻挡气体离子轰击阴极内部。
更进一步的，贴覆阴极靶材112设置有导热板，用以传导阴极靶材112工作过程中产生的热量。
上述结构中，被阴极靶材112分割出的上腔体和下腔体可以为分离的结构或一体化的结构，本实施例中，上腔体和下腔体为分离的结构。二者通过固定螺栓113连接为一体。其中，阴极靶材112或者阴极靶材112和导热板114被设置在上腔体和下腔体之间，固定螺栓113穿过阴极靶材112和导热板114，将二者和上腔体、下腔体固定为一体。
此处需要具体说明一下下腔体的结构。下腔体朝向阳极组件2的一侧为非封闭的开口状，开口位置安装有屏蔽板115，屏蔽板115可以阻挡阴极内溅射出来的物质。但如果屏蔽板115将下腔体遮蔽成一个完全封闭的结构，等离子体将不能从下腔体内飞出，也就不能执行功能。因此，在屏蔽板115上设置有窄缝开口116，开口116将形成一个离子体流出的通道。
阳极组件2包括阳极磁铁201。阳极磁铁201与阴极磁铁109相对。
阳极组件进一步包括以下结构：包括一个朝向离子激发腔102一侧开放式的阳极腔体202，阳极腔体202壁上设置有水冷通道，腔体上设置有与水冷通道连通的冷却水接口206，用以向水冷通道内通入冷却水。阳极腔体202上还设置有阳极接线端子207，用以向阳极组件2内引入电场。阳极磁铁201通过阳极磁轭204安装在阳极腔体202的底座上，为了阻挡阳极磁铁201溅射出的物质，在腔体朝向离子激发腔102开放式的一侧设置阳极保护屏蔽板203。
阴极组件1可以通过支撑盖101实现固定安装，为了实现阳极组件2的固定安装，阳极组件进一步包括固定座205，阳极腔体202安装在固定座205上。
更进一步的，离子源工作过程中，会产生大量的热量，而一旦过热，将造成部件的损坏，影响离子源的正常工作。为了解决离子源散热的问题，进一步设计如下的冷却结构。
支撑盖101上设置有阴极冷却水接口119和阳极冷却水接口118，离子激发腔102壁上设置有水冷通道，离子激发腔102上设置有冷却水接口120，与阴极冷却水接口119接通，阳极腔体壁内设置有冷却水路，阳极腔体上设置有冷却水接口206，与阳极冷却水冷接口119接通。支撑盖101上的阳极冷却水接口118和阴极冷却水接口119具有真空密封作用，保证冷却水在真空密封状态下接入离子激发腔102和阳极腔。其中，阴极冷却水接口119和阳极冷却水接口118两个冷却水接口的具体位置视离子激发腔102上冷却水接口120和阳极腔体202上冷却水接口120的具体位置而定，方便对接安装即可。
低压磁控阴极离子源的工作原理如下：
将阴极组件1整体通过盖体固定。将支撑盖101的工艺气体接口103和离子激发腔102的工艺气体接口108连接，将离子激发腔102的冷却水接口120与支撑盖101上的阴极冷却水接口119连接，将阴极接线端子110与支撑盖101上的电极接口121连接，并确保离子源安装盖体与其下面的组件于绝缘状态。离子激发腔102内呈现负电场。
将阳极组件2通过紧固件固定，与离子激发腔102保持一定距离，使阳极磁铁201与阴极磁铁109相对。阳极组件2与阴极组件之间的间隔为待处理工件3通过的空间；将阳极水冷腔的冷却水接口206与支撑盖101盖板上的阳极冷却水接口118接通，并向冷却通道内通入冷却水。阳极腔体上的阳极接线端子207与支撑盖101上的电极接口121连接，并且确保支撑盖101处于绝缘状态。阳极腔内呈现正电场。
使待处理工件从阴极组件1和阳极组件2的间隔内通过，并保证整个工件处理的区间为真空状态。支撑盖101的一端为阴极离子源与外界大气相接触的一端。而离子激发腔102和阳极腔202均处于真空环境中。当真空度处于0.05Pa至20Pa之间时(此真空度处于真空镀膜工艺区间)，向离子激发腔102内通入微量的工艺气体，并接通激发电源，此时气体分子在电场、磁场的共同作用下发生电离生成离子。正离子会受到阴极电位作用向阴极靶材112轰击，电子会在电场磁场的作用下加速螺旋运动，与更多的气体分子碰撞激发进一步电离。大量等离子体在离子激发腔102内产生，其中电子会受到阳极组件2阳极点为的吸引从屏蔽板115上的窄缝开口116处飞出；当离子脱离屏蔽板115后马上受阳极电场与磁场共同作用，使离子汇聚成高能粒子流轰击阳极之前的工件，使其达到清洗及表面活化的作用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.低压磁控阴极离子源，其特征在于：包括真空组件和间隔设置的阴极组件和阳极组件，
所述真空组件包括支撑盖，所述支撑盖上设置有工艺气体的气体接口和电场组件，电场组件包括正极接线端子和负极接线端子；
所述阴极组件包括离子激发腔；支撑盖和离子激发腔的腔体连接，且支撑盖和离子激发腔之间形成一真空腔；所述离子激发腔设置有用以向腔内通入工艺气体的气体接口、阴极磁铁、与阴极磁铁间隔设置的阴极靶材、以及用以为离子激发腔引入电场的阴极接线端子，阴极接线端子与负极接线端子连接；
所述阳极组件包括阳极腔体和设置在阳极腔体内的阳极磁铁，以及为阳极组件引入电场的阳极接线端子，所述阳极接线端子与正极接线端子连接；
离子激发腔朝向阳极组件。
2.如权利要求1所述的低压磁控阴极离子源，其特征在于：所述离子激发腔内设置有阴极磁轭，所述阴极磁铁设置在阴极磁轭上，朝向阳极组件。
3.如权利要求2所述的低压磁控阴极离子源，其特征在于：所述阴极靶材设置在阴极磁铁与阳极组件之间；离子激发腔上的气体接口位于阴极靶材与阳极磁铁之间。
4.如权利要求3所述的低压磁控阴极离子源，其特征在于：贴覆阴极靶材设置有导热板，用以导热。
5.如权利要求1所述的低压磁控阴极离子源，其特征在于：离子激发腔朝向阳极组件的一侧为开口式结构，开口处设置有屏蔽板，所述屏蔽板上设置有窄缝开口。
6.如权利要求1所述的低压磁控阴极离子源，其特征在于：支撑盖上设置有阴极冷却水接口和阳极冷却水接口，离子激发腔壁上设置有水冷通道，离子激发腔上设置有冷却水接口，与阴极冷却水接口接通，阳极腔体壁内设置有冷却水路，阳极腔体上设置有冷却水接口，与阳极冷却水路接通。
7.如权利要求1中任意一项所述的低压磁控阴极离子源，其特征在于：所述支撑盖与离子腔通过固定件连接，且支撑盖与离子腔的连接处设置有绝缘体。
8.如权利要求1所述的低压磁控阴极离子源，其特征在于：阳极组件通过阳极磁轭安装在阳极腔体上，阳极接线端子设置在阳极腔体上。
9.如权利要求8所述的低压磁控阴极离子源，其特征在于：阳极腔体朝向离子激发腔体的一侧为开放式结构，所述开放式接口的开口处安装有阳极保护屏蔽板。
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