CN108914091B - 一种改进型阳极层离子源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进型阳极层离子源，包括由阳极环、内阴极和外阴极构成的放电室，所述阳极环位于内阴极与外阴极之间，内阴极与外阴极之间设置有用于穿过阳极环内孔中心的柱状磁体，所述阳极环一侧端面为锥面，且阳极环关于柱状磁体的中心轴线轴对称，所述内阴极的与外阴极的磁极靴之间形成阴极缝隙，阴极缝隙关于柱状磁体的中心轴线轴对称，且阴极缝隙每处的出射方向与该处下方的阳极环锥面垂直。本发明通过改变离子射流在空间角度方向上的均匀度，避免离子射流过度集中，从而提高整体离子束流在主要沉积方向上的分布均匀度。

Description

一种改进型阳极层离子源
技术领域
本发明涉及真空镀膜设备领域，具体涉及一种改进型阳极层离子源。
背景技术
在PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)反应中通常会用到一种阳极层等离子源，在DLC沉积过程中，它用于离化惰性气体如氩气，使其形成离子流射入到反应真空腔体中，并增大沉积反应气体(乙炔)的离子化率，进而提高DLC涂层中SP3的比例和沉积速率，实现沉积薄膜质量的提高以及沉积时间的缩短。
阳极层离子源最初是由运用于太空发动机度封闭漂移离子推进器发展而来，在阴极板上开出一个环形缝隙，在环形缝隙的下方设置一个环形的阳极，在阴极板的中心放置永磁体，并与阴极板的外圈形成磁轭。在阴极板与阳极之间施加电场时，可使环形缝隙处形成正交的电场与磁场。电磁场的叠加影响了等离子体中带电粒子的运动情况，尤其是电子，电磁场的作用是限制电子的运动范围，延长了电子的运动轨迹，使电子约束在阴极板的环形缝隙处呈旋轮漂移运动，这样电子就像是被封闭在了这个环形的“跑道”上，只能在这个环形封闭的“跑道”上周而复始地漂移。
大量的电子在“跑道”上漂移，形成了一个环形高密度电子云，当有气体被注入到存在漂移电子云的环形跑道上时，惰性气体分子与电子碰撞的几率大大增加，因此惰性气体分子会被高效地离子化。同时这个环形高密度电子云的存在使得在阳极板表面形成一个电势梯度很高的阳极层，当惰性气体在环形电子云中被离子化后，立刻就会被这个高电势梯度推动并沿着阳极板表面的法线方向发射出去，从而成为PECVD反应所需要的高能带电正离子。
现有的离子源中使用的都是平面型的阳极环，由于阳极环的平面垂直于离子源的轴向，因而产生的离子流都是平行于离子源的中心轴线的，使得离子流过于集中在中心轴线方向，从而导致沉积辅助效应过于集中，不利于提高真空炉体内工件沉积的均匀性，最终使得真空镀膜的均匀度不高而影响镀膜质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进型阳极层离子源，该离子源通过改变离子射流在空间角度方向上的均匀度，避免离子射流过度集中，从而提高整体离子束流在主要沉积方向上的分布均匀度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种改进型阳极层离子源，包括由阳极环、内阴极和外阴极构成的放电室，所述阳极环位于内阴极与外阴极之间，内阴极与外阴极之间设置有用于穿过阳极环内孔中心的柱状磁体，所述阳极环一侧端面为锥面，且阳极环关于柱状磁体的中心轴线轴对称，所述内阴极与外阴极的磁极靴之间形成阴极缝隙，阴极缝隙关于柱状磁体的中心轴线轴对称，且阴极缝隙每处的出射方向与该处下方的阳极环锥面垂直。
进一步地，所述阳极环为采用导电且不导磁材料制作的条形环状体或圆形环状体。
进一步地，所述阳极环一侧的端面形成内凹的锥面或外凸的锥面。
进一步地，所述阳极环的锥面上每处的法线均与柱状磁体的中心轴线形成夹角α，夹角α的范围为10～60°。
进一步地，所述夹角α的范围为15～24°。
进一步地，所述柱状磁体为柱状的永磁铁或电磁铁，柱状磁体一端与内阴极连接，另一端与外阴极的磁轭连接。
进一步地，所述内阴极与外阴极均采用软磁材料制作，内阴极与外阴极的表面均镀 有铬层。
进一步地，所述放电室底部设置有气体缓冲室，气体缓冲室内设有气体缓冲腔，气体缓冲室一侧开有与气体缓冲腔连通的注气孔，所述外阴极的磁轭上开有多个与气体缓冲腔连通的配气孔。
进一步地，所述多个配气孔均位于靠近阴极缝隙的外阴极磁轭上。
进一步地，靠近注气孔的配气孔直径尺寸大于远离注气孔的配气孔直径尺寸。
本发明针对PEVCD对于沉积均匀度的要求，通过改变离子束流的出射方向，提高离子源中整体离子束流在主要沉积方向上的分布均匀度，从而实现了对沉积均匀度的改善，在DLC涂层的运用中，可明显提高涂层均匀度和沉积速度。
附图说明
图1为本发明的纵截面结构示意图；
图2为本发明中阳极环锥面(外凸)的结构示意图；
图3为采用图2所示阳极环的离子束流在沉积方向的分布示意图；
图4为本发明另一实施例中阳极环锥面(内凹)的结构示意图；
图5为采用图4所示阳极环的离子束流在沉积方向的分布示意图；
图中标记：1-内阴极；2-外阴极；3-柱状磁体；4-阳极环；5-气体缓冲室；6-气体缓冲腔；7-注气孔；8-配气孔；9-锥面；10-阴极缝隙； 11-出射方向；12-中心轴线。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供的改进型阳极层离子源包括由阳极环4、内阴极1和外阴极2构成的放电室，放电室优选为轴对称结构，且关于中心轴线12对称，这种结构的优点在于两侧磁场分布均匀、构造简单、易于加工等。所述外阴极2上设有用于安装阳极环4的内腔，阳极环4可通过多个绝缘陶瓷柱“悬浮”在外阴极2的内腔中，所述内阴极1位于阳极环 4的正上方，且内阴极1与外阴极2之间设置有用于穿过阳极环4内孔中心的柱状磁体3，所述柱状磁体3可为柱状的永磁铁或电磁铁，能够形成一个垂直方向上的磁场。柱状磁体3一端与内阴极1连接，另一端与外阴极2的磁轭连接并形成一个封闭的磁回路。所述内阴极1和外阴极2均采用软磁材料制作，并且内阴极1和外阴极2的表面均镀有铬层，可避免铁元素溅射污染。
所述阳极环4采用导电且不导磁材料制作，如无磁不锈钢或铬镍钛合金，阳极环4可为条形环状体或圆形环状体，本实施例中优选为圆形环状体。阳极环4的上端面为锥面9，如图2和图4所示，锥面9可为外凸状或内凹状，且锥面9上每处的法线均与柱状磁体3的中心轴线12形成夹角α，根据离子源与被涂层加工工件距离等条件的不同，夹角α的范围为 10～60°，一般情况下，夹角α的最佳范围为15～24°，本实施例中为18°，可使离子束流的强度范围变化率控制在5％之内，从而提高涂层的均匀度和沉积速度。如图3所示，当锥面9为外凸状时，可在一定范围内增加发射出来的离子束流分布的均匀度，以满足于PECVD中对于沉积均匀度的要求。如图5所示，当锥面9为内凹状时，可汇聚以增加特定点的离子束流强度，对于轰击靶材这种需要集中离子束流的运用时，离子束流的最大强度可达到水平型阳极环的1.5～18倍，可有效改善离子束加工、加热、清洗、刻蚀、溅射和离子注入等工艺过程的精确性。
所述内阴极1的与外阴极2的磁极靴之间形成阴极缝隙10，阴极缝隙 10关于中心轴线12轴对称，且阴极缝隙10每处的出射方向11与该处下方的阳极环4的锥面9垂直，柱状磁体3产生的磁场只在阴极缝隙10处释放，磁场方向严格平行于阳极环4上每一点的表面，在阴极缝隙10处的内阴极 1与外阴极2磁极靴的机械尺寸也是关于出射方向11严格对称，这样可保证阴极缝隙10处下方的阳极环4表面上的每一个点，磁场方向都是严格垂直于电场的方向，以满足电子云团的封闭漂移条件。
所述放电室底部设置有气体缓冲室5，气体缓冲室5内设有气体缓冲腔6，气体缓冲室5一侧开有与气体缓冲腔6连通的注气孔7，所述外阴极 2的磁轭上开有多个与气体缓冲腔6连通的配气孔8，所述多个配气孔8均位于靠近阴极缝隙10的外阴极2磁轭上，并且靠近注气孔7的配气孔8直径尺寸大于远离注气孔7的配气孔8直径尺寸，可使整个气体缓冲室5内布气均匀、气体速度一致，从而促使放电室内放电均匀、放电稳定，避免放电室中出现打火现象。从注气孔7中充入惰性气体，惰性气体由配气孔 8进入放电室并从阴极缝隙10释放，惰性气体分子在环形电子云中被离子化后，沿出射方向11发射出去，从而改变离子束流在主要沉积方向上的分布均匀度。
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种改进型阳极层离子源，包括由阳极环、内阴极和外阴极构成的放电室，所述阳极环位于内阴极与外阴极之间，内阴极与外阴极之间设置有用于穿过阳极环内孔中心的柱状磁体，其特征在于：所述阳极环一侧端面为锥面，且阳极环关于柱状磁体的中心轴线轴对称，所述内阴极与外阴极的磁极靴之间形成阴极缝隙，阴极缝隙关于柱状磁体的中心轴线轴对称，且阴极缝隙每处的出射方向与该处下方的阳极环锥面垂直；所述阳极环的锥面上每处的法线均与柱状磁体的中心轴线形成夹角α，所述夹角α的范围为15～24°；所述阳极环为采用导电且不导磁材料制作的条形环状体或圆形环状体；所述阳极环一侧的端面形成外凸的锥面。
2.根据权利要求1所述的改进型阳极层离子源，其特征在于：所述柱状磁体为柱状的永磁铁或电磁铁，柱状磁体一端与内阴极连接，另一端与外阴极的磁轭连接。
3.根据权利要求2所述的改进型阳极层离子源，其特征在于：所述内阴极与外阴极均采用软磁材料制作，内阴极与外阴极的表面均镀 有铬层。
4.根据权利要求1～3中任意一项权利要求所述的改进型阳极层离子源，其特征在于：所述放电室底部设置有气体缓冲室，气体缓冲室内设有气体缓冲腔，气体缓冲室一侧开有与气体缓冲腔连通的注气孔，所述外阴极的磁轭上开有多个与气体缓冲腔连通的配气孔。
5.根据权利要求4所述的改进型阳极层离子源，其特征在于：所述多个配气孔均位于靠近阴极缝隙的外阴极磁轭上。
6.根据权利要求5所述的改进型阳极层离子源，其特征在于：靠近注气孔的配气孔直径尺寸大于远离注气孔的配气孔直径尺寸。
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