CN109097744A - 一种脉冲磁过滤沉积装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉冲磁过滤装置，包括，脉冲阴极弧头、引出电极、聚焦直管、磁过滤管、栅网以及射频四级杆过滤器。通过实施本发明，到达镀膜工件表面的离子方向性好，同时离子的电荷态相同，非常适合单晶或多晶膜层的精细化调控生长，同时通过控制四级杆过滤器射频频率可方便实现不同价态离子膜层的选择性精确镀制。本发明的脉冲磁过滤装置在超细、超微芯片或者晶圆种晶制备方面有着广泛的应用前景。

Description

一种脉冲磁过滤沉积装置
技术领域
本发明为解决精细化、原子层级可控镀膜的问题而提出的一种脉冲磁过滤沉积装置。
技术背景
金属蒸汽真空弧离子源(Metal Vapor Vacuum Arc)，简称MEVVA源。这项技术是在上世纪80年代中期由美国加州大学伯克利分校的Brown、Adler和Burkhart等人因核物理研究需要研制而成。由于MEVVA源可以产生各种强流金属和导电化合物的离子束，具有束流强、离子种类多、纯度高、电荷态高、引出电压高以及多孔大面积引出的特点，利用这些离子束可以改善和提高金属材料表面抗磨损、抗高温氧化、耐腐蚀和降低表面摩擦系数等性能，也可以改善陶瓷、金刚石表面的焊接性能等，经金属离子注入处理后的工模具和零部件，使用寿命将大大提高。因此近20年里MEVVA源技术有了快速的发展，是材料表面优化处理的重要技术手段之一，被广泛的应用于机加工、机器制造、仪器仪表制造等行业，对离子注入材料表面改性研究与应用已经并正在发挥重要的影响。
脉冲磁过滤沉积装置是基于MEVVA源触发原理的一种镀膜沉积设备，其工作原理是利用阴极和阳极间的脉冲真空弧放电产生大量的金属等离子体，在电场的作用下被引出而形成金属离子束镀膜。脉冲磁过滤沉积装置能够产生元素周期表中从锂到铀的所有金属离子，特别适用于科学研究和工业应用。与MEVVA源的区别在于脉冲磁过滤沉积装置中离子束的能量相对较低在20-100eV，不能实现离子注入，不能用于半导体材料离子注入表面改性。传统的脉冲磁过滤装置形成的等离子体中离子的价态复杂，且运动方向随机；在一些对能量、方向敏感的精密镀膜领域不适用。
发明内容
针对上述问题，本发明基于原有的脉冲磁过滤沉积系统，对引出电极、过滤系统重新设计，同时增加了射频四极杆过滤系统，能够实现膜层的超精细调控制备。
本发明实施例的目的之一是通过脉冲磁过滤沉积装置有效地和精确地对离子束流进行微观调控，实现原子层级别的原子沉积调控。
进一步来讲，一种脉冲磁过滤沉积装置结构包括：脉冲阴极弧头、引出电极、聚焦直管、栅网以及射频四级杆过滤器。
在一些实施例中，触发电压为1-5KV，触发频率1-24Hz，脉宽为10-1200μs；引出电极距离阴极表面20-40mm；磁过滤管道几何中心曲率半径为160mm，直径80mm，磁过滤角度为90度；四级杆过滤器是由四根平行经过精密加工的电极杆，四级杆中的电场是由直流分量和交流分量叠加而成。
相对于现有技术，本发明各实施例具有以下优势：
1、本发明实施例提出的一种脉冲磁过滤沉积装置能实现单能量、单方向离子束的膜层制备；
2、相比传统的磁过滤沉积装置，本发明沉积速率更低，膜层沉积速率可低至1nm/min；
3、相比传统的磁过滤沉积装置，本发明沉积时基本不改变基体温度，对温度敏感性基体可实现相关膜层的镀制。
需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必需的。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明实施例的更多特点和优势将在之后的具体实施方式予以说明。
附图说明
构成本发明实施例一部分的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供一种脉冲磁过滤沉积装置侧视图；
图2为本发明实施例1提供的一种脉冲磁过滤沉积装置沉积膜层的800倍光学显微图；
图3为本发明实施例2提供的一种脉冲磁过滤沉积装置沉积膜层的800倍光学显微图；
图4为本发明实施例3提供的一种脉冲磁过滤沉积装置沉积膜层的800倍光学显微图；
图5为实施例1提供的一种脉冲磁过滤沉积装置沉积膜层的SEM图；
图6实施例1提供的一种脉冲磁过滤沉积装置沉积膜层的原子力三维显微图；
图7实施例1提供的一种脉冲磁过滤沉积装置沉积膜层的原子力粗糙图谱
图8实施例1提供的一种脉冲磁过滤沉积装置沉积膜层的在0.5MH2SO4和0.1MHF酸80℃下的腐蚀电流曲线。
附图标记说明
101 触发弧头
102 引出电极
103 聚焦直管
104 过渡线包
105 弯转线包
106 聚焦线包
107 栅网
108 射频四极杆
方法实施例1
触发电压为5KV，触发频率12Hz，脉宽为100μs；
引出电极距离阴极表面30mm；
磁过滤管道几何中心半径为160mm，直径80mm，磁过滤角度为90度；
过渡线包：通入恒定直流，电流强度在8A；
弯转线包：通入强脉冲电流，电流强度80A，脉冲频率为8KHz，脉宽6000μs；
聚焦线包：电流强度1-100A，频率1-100Hz；
栅网：尺寸为Φ80mm，网格孔径为Φ8mm，网格施加负压600V；
四极杆过滤器：过滤器直流电压400V，交流电压380V，频率5MHz。
方法实施例2
触发电压为5KV，触发频率12Hz，脉宽为100μs；
引出电极距离阴极表面30mm；
磁过滤管道几何中心半径为160mm，直径80mm，磁过滤角度为90度；
过渡线包：通入恒定直流，电流强度在8A；
弯转线包：通入强脉冲电流，电流强度80A，脉冲频率为8KHz，脉宽6000μs；
聚焦线包：电流强度1-100A，频率1-100Hz；
栅网：尺寸为Φ80mm，网格孔径为Φ10mm，网格施加负压600V；
四极杆过滤器：过滤器直流电压200V，交流电压380V，频率8MHz。
方法实施例3
触发电压为5KV，触发频率12Hz，脉宽为100μs；
引出电极距离阴极表面30mm；
磁过滤管道几何中心曲率半径为160mm，直径Φ80mm，磁过滤角度为90度；过渡线包：通入恒定直流，电流强度在8A；
弯转线包：通入强脉冲电流，电流强度80A，脉冲频率为8KHz，脉宽6000μs；
聚焦线包：电流强度1-100A，频率1-100Hz；
栅网：尺寸为Φ80mm，网格孔径为Φ10mm，网格施加负压300V；
四极杆过滤器：过滤器直流电压200V，交流电压380V，频率12MHz。
图2-4分别为三个实施例条件下制备的金属氮化物涂层800倍下的光学形貌图。试验结果来看，这种脉冲磁过滤装置能够很好的对离子进行调控，沉积的膜层的致密性非常好(基底为不锈钢)。图3和图4中的坑为不锈钢基的本底缺陷。图5到图8对实施例1中膜层的致密性和表面粗糙度进一步表征，表征方法是进行扫描电子显微镜SEM、原子力显微镜AFM以及高温下的电化学腐蚀电流测试。从图5的SEM中可以看出膜层之间无明显空隙、孔隙等缺陷，膜层致密性高，方向性好，非常适合芯片或者晶圆的种晶的制备。从图6、7的AFM图谱中可以看出膜层的粗糙度非常低在Ra0.1nm左右。从图8在高温下酸性环境下的腐蚀电流为4.57μA/cm2也能从侧面证明膜层的致密性非常高。因此，通过该脉冲沉积装置能够方便调控膜层生长的控制，实现超精细膜层的镀制。

Claims (8)

1.一种脉冲磁过滤沉积装置，其特征在于，包括：
a)脉冲阴极弧头：阴极弧头由靶材阴极、触发电极、氮化硼绝缘套、冷却装置组成；
b)引出电极：引出电极距离阴极表面20-40mm，引出电极孔径为φ60-80mm，引出电极电压为1-100V；
c)磁过滤管道：磁过滤管道几何中心曲率半径为160mm，直径80mm，磁过滤角度为90度；
d)栅网：栅网的尺寸为φ60-150mm，网格孔径为Φ1-10mm，网格施加负压1-600V；
e)射频四极杆过滤器：平行分布的四根精密加工的电极杆，四极杆上同时叠加直流和交流电流，四极杆横截面为正方形，边长60-80mm；四极杆长度为1-100mm，直径为1-10mm；
f)沉积过程中基体温度变化范围不超过5℃；
g)沉积速率可调，速率1-50nm/min，离子束流方向性好，适合芯片或晶圆的种晶的制备。
2.根据权利要求书1所述脉冲弧头，其特征包括：阴极冷却装置为直接水冷，阴极靶材直径为10-20mm，长度为20-50mm；阴极脉冲触发电压为1-5KV，触发频率0-24Hz，脉宽为10-1200μs。
3.根据权利要求1所述的触发电极，其特征为：正常状态下触发电极与靶材阴极之间的电阻在1-2MΩ。
4.根据权利要求书1所述聚焦直管，其特征包括：直管上缠绕线包，线包内电流强度为1-20A。
5.根据权利要求书1所述磁过滤管道，其特征包括：磁过滤管道上缠绕三组线包：过渡线包、弯转线包以及聚焦线包；过渡线包通入恒定直流，电流强度在1-10A；弯转线包通入强脉冲电流，电流强度20-200A，脉冲频率为1-10KHz，脉宽1-10000μs；聚焦线包为强脉冲线包，电流强度1-100A，频率1-100Hz。
6.根据权利要求书1所述四极杆过滤器，其特征包括：直流电压1-500V，交流电压1-380V，频率500KHz-15MHz。
7.根据权利要求书1所述四极杆过滤器，其特征包括：可调控实现单能量、单电荷态以及单方向膜层沉积，可实现工件表面超致密膜层的超精细化镀制。
8.一种采用权利要求1～7任一项所述所得到的装置。
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