CN114381702B - 一种新型高能离子束流产生方法 - Google Patents

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Abstract

一种新型高能离子束流产生方法，核心在于使用高离化率磁控溅射以及离子束流产生过程中高离化率磁控溅射放电波形与离子光学系统其他电压波形的同步控制来加速离子，包括：步骤一：选择阴极靶；步骤二：将整个环境抽至真空，调整真空度；步骤三：完成离子光学系统的接线，为了提高离子束流的稳定性，使用三层栅网组成的离子光学系统加速离子，将屏栅接正电压，加速栅接负电压，接地栅接地，阴极靶接磁控溅射电源，将高离化率磁控溅射波形、屏栅电压波形以及加速栅电压波形同步；步骤四：高离化率磁控溅射产生高密度等离子体，随后通过离子光学系统将离子引出，离子依次通过屏栅和加速栅加速形成离子束流，最后穿过接地栅到达基体。

Description

一种新型高能离子束流产生方法
技术领域
本发明涉及材料表面工程。
背景技术
离子注入是一个载能离子束注入固体材料表面的过程，它可以使基体近表面区域的原子组成及其结构发生变化，改变材料表面状态，因而也会改变材料表面的性能。离子注入在半导体器件生产制造以及材料表面强化等领域有着广泛的应用。
离子注入的过程需要离子源产生离子，常见的有考夫曼源，射频离子源，霍尔离子源以及阳极层离子源等。这些离子源的离子束流产生方法各有优缺点，但这些方法中气体离子束流产生方法占了绝大部分，性能较好技术成熟的金属离子束流产生方法较少。而且传统离子源中的离子束流产生方法所产生的离子束流常具有高能量、低通量的特点；若是需要高通量、低能量的离子注入需求，则只能使用等离子体浸没离子注入(PIII)方法解决。目前市面上缺少成熟的高能量、高通量的金属离子束流产生方法，对此类的需求尚不能很好地满足。
发明内容
本发明之之目的在于针对目前离子源的离子束流产生方式的不足和缺陷，提供一种能够提供大束斑、高通量及高能量的新型高效离子束产生方法。
为实现上述目的，本发明提供一种新型高能离子束流产生方法，其特征在于使用高离化率磁控溅射以及离子束流产生过程中高离化率磁控溅射放电波形与离子光学系统其它电压波形的同步来加速离子，包括以下步骤：步骤一：选择合适尺寸、形状、材料的靶材作为高离化率磁控溅射阴极靶；步骤二：将整个环境抽至真空(10-3Pa量级)，并通入工作气体或反应气体调整真空度至合适值；步骤三：完成离子光学系统的接线，为了提高离子束流的稳定性，使用三层栅网组成的离子光学系统加速离子，所述三层栅网分别是屏栅、加速栅和接地栅，将屏栅接正电压，加速栅接负电压，接地栅接地，阴极靶接磁控溅射电源，并调整各电源参数至合适范围并将高离化率磁控溅射波形、屏栅电压波形以及加速栅电压波形进行同步；步骤四：高离化率磁控溅射产生高密度等离子体，随后通过离子光学系统将离子引出，离子依次通过屏栅和加速栅加速形成离子束流，最后离子束流穿过接地栅到达基体，对基体表面完成表面改性。
作为优选方式，所述磁控溅射离化率应大于5％。
作为优选方式，所述同步为将高离化率磁控溅射波形、屏栅波形以及加速栅波形调节至在时间上出现一致性，有可能所有波形同时触发，也有可能不同波形相对某一波形有一定的延迟触发。
作为优选方式，对于所述高离化率磁控溅射波形、屏栅电压波形以及加速栅波形，这三种波形的波长有可能相等，也可能各不相等。
作为优选方式，所述同步波形可以使用单台同步信号发生器或其它多台相互联系的信号发生设备或装置触发同步信号。
作为优选方式，所述施加在加速栅的电压波形可以为直流、脉冲或半波交流等。
作为优选方式，所述阴极靶、屏栅、加速栅及接地栅的形状可为圆形、椭圆形或其它多边形。
作为优选方式，所述工作气体为惰性气体或反应气体的一种或几种气体的混合气体。
作为优选方式，所述工作气压为0Pa～10Pa。
作为优选方式，所述真空为10-3Pa量级。
本发明利用加速高离化率磁控溅射产生高离子密度的等离子体，并通过离子光学系统将金属或非金属离子加速成为大束斑、高通量和较高粒子能量的离子束流。与现有技术相比，本发明使用的高离化率磁控溅射能够提供高通量和高能量种类广泛的离子束流，还能通过对磁控溅射、屏栅、加速栅波形的频率、相位等参数的调控，能够精准控制离子束流的特性。该发明方法简单实用，能够实现目前市面上较为少见的金属离子束流的产生，产生的离子束流有大束斑，高通量及高能量的特点。
附图说明
下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅用于解释本发明的构思。
图1为一种新型高能离子束流产生方法的实施方式示意图。
图2为一种新型高能离子束流产生方法的相对电位示意图。
图3是离子光学系统电流延迟的示例，以说明本发明所述的同步。
附图标记汇总：
1、阴极靶；2、屏栅；3、加速栅；4、接地栅；5、基体
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的一种新型高能离子束流产生方法的实施方式。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括对在此记载的实施例做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部分的结构，各附图之间不一定按照相同的比例绘制。相同或相似的参考标记用于表示相同或相似的部分。
图1为高能离子束流产生方法的一种实施方式示意，采用的装置是高离化率离子源表面改性系统，其主要的组件包含：阴极靶1；屏栅2；加速栅3；接地栅4；基体5。
在图1所示实施方式中，所选用的接地栅4接地，加速栅3供电电源为直流电压源，屏栅2供电电源为高压脉冲电源，阴极靶1供电电源为高功率脉冲磁控溅射电源，使用同步信号发生器设定高压脉冲电源和高功率脉冲磁控溅射电源两个电源的同步关系。高纯钛靶作为阴极靶1，氩气作为工作气体，采用图1的方法。所选的电源仅作为示例，加速栅3供电电源可选取直流电压源，阴极靶1供电电源可选取双极高功率脉冲磁控溅射电源等，还可以使用其它多台相互联系的信号发生设备或装置触发同步信号，调整频率和相位。
本发明的新型高能离子束流产生方法使用高离化率磁控溅射以及离子束流产生过程中高离化率磁控溅射放电波形与离子光学系统其它电压波形的同步来加速离子。这一技术构思包含两方面：一方面是离子的产生，另一方面是产生离子后使用一个同步的加速脉冲将离子吸离阴极靶前的区域形成离子束流。
本发明的新型高能离子束流产生方法使用高离化率磁控溅射，离化率大于5％的磁控溅射方法，包括脉冲磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射、双极高功率脉冲磁控溅射等。
本发明还利用离子束流产生过程中高离化率磁控溅射放电波形与离子光学系统其他电压波形的同步加速离子：在高离化率磁控溅射产生等离子体后，使用同步的方法，将等离子体“泵出”形成离子束流。
本发明所述的同步为将高离化率磁控溅射波形、屏栅波形以及加速栅波形调节至在时间上出现一致性，有可能所有波形同时触发，也有可能不同波形相对某一波形有一定的延迟触发。
例如，前述同步可以是确定的时间间隔，类似于图3所示的离子光学系统电流延迟了50微秒。
当需要将两者波形进行同步时，可以使用单台同步信号发生器或其他多台相互联系的信号发生设备或装置触发同步信号，调整两者的频率和相位。
具体步骤如下：
步骤(1)：将基体5放置于真空室内，将高纯钛阴极靶1连接高功率脉冲磁控溅射电源，屏栅2接高压脉冲电源，加速栅3接直流电压源，接地栅4接地，并使用一台同步信号发生器连接高功率脉冲磁控溅射电源和高压脉冲电源。
步骤(2)：将整个环境抽至真空(10-3Pa量级)，并通入工作气体氩气调整真空度至合适值。
步骤(3)：设置连接阴极靶1的高功率脉冲磁控溅射电源脉宽3μs～1ms、电压为200V～2000V；设置连接屏栅2的高压脉冲电源脉宽10μs～400μs、电压为5000V～150000V；设置同步信号发生器使得两台电源频率相同，为5Hz～100kHz，高压脉冲电源脉冲延迟高功率脉冲磁控溅射脉冲-200ms～200ms；设置加速栅3的直流电压源电压为0～-500V。
步骤(4)：依次开启输出连接屏栅2的高压脉冲电源、连接加速栅3的直流电压源和连接阴极靶1的高功率脉冲磁控溅射电源，输出离子束流。
所述高离化率磁控溅射方法离化率大于5％。
作为优选方式，施加在加速栅的波形可以为直流、脉冲、半波交流等。
作为优选方式，需要将两者波形进行同步，可以使用单台同步信号发生器或其它多台相互联系的信号发生设备或装置触发同步信号，调整两者的频率和相位。
作为优选方式，可以根据需要调节加速栅负电压波形滞后于高离化率磁控溅射电源输出波形或者两者波形时间间隔为0。
作为优选方式，所述阴极靶的形状可为圆形、椭圆形或多边形。
作为优选方式，所述屏栅、加速栅及接地栅的形状可为圆形、椭圆形或其它多边形。
作为优选方式，所述工作气体可以为惰性气体或反应气体的一种或几种气体的混合气体。
作为优选方式，所述工作气压为0Pa～10Pa。
图2是高能离子束流产生方法的相对电位示意图。该图仅为解释离子光学系统的阴极靶1、屏栅2、加速栅3和接地栅4的相对电位关系示意，用于解释离子束流产生过程中的离子传输的原理；为简便起见，其它电子元件未在图上标注。如图2所示，在高能离子束流产生方法中，接地栅4与地电位相等，加速栅3电位低于地电位，屏栅2电位高于地电位，阴极靶1电位低于屏栅2，其电位与地电位相对隔离。
以上对本发明的离子束流产生方法的实施方式进行了说明。对于本发明方法的具体特征如使用高离化率磁控溅射以及离子束流产生过程中高离化率磁控溅射放电波形与离子光学系统其它电压波形的同步控制加速离子可以根据上述披露的特征的作用进行具体设计，这些设计均是本领域技术人员能够实现的。而且，上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据本发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。

Claims (7)

1.一种新型高能离子束流产生方法，其特征在于使用高离化率磁控溅射以及离子束流产生过程中高离化率磁控溅射放电波形与离子光学系统其它电压波形的同步来加速离子，包括以下步骤：
步骤一：选择合适尺寸、形状、材料的靶材作为高离化率磁控溅射阴极靶，所述磁控溅射离化率应大于5％；
步骤二：将整个环境抽至真空，并通入工作气体或反应气体调整真空度至合适值；
步骤三：完成离子光学系统的接线，为了提高离子束流的稳定性，使用三层栅网组成的离子光学系统加速离子，所述三层栅网分别是屏栅、加速栅和接地栅，通过屏栅供电电源将屏栅接正电压，通过加速栅供电电源将加速栅接负电压，接地栅接地，阴极靶接磁控溅射电源，并使用单台同步信号发生器或其他多台相互联系的信号发生设备或装置触发同步信号，以调整各电源参数至合适范围并将高离化率磁控溅射波形、屏栅电压波形以及加速栅电压波形进行同步；其中，接地栅与地电位相等，加速栅电位低于地电位，屏栅电位高于地电位，阴极靶电位低于屏栅，阴极靶电位与地电位相对隔离；并且所述同步为将高离化率磁控溅射波形、屏栅波形以及加速栅波形调节至在时间上出现一致性，有可能所有波形同时触发，也有可能不同波形相对某一波形有一定的延迟触发；
步骤四：高离化率磁控溅射产生高密度等离子体，随后通过离子光学系统将离子引出，离子依次通过屏栅和加速栅加速形成离子束流，最后离子束流穿过接地栅到达基体，对基体表面完成表面改性。
2.根据权利要求1所述的新型高能离子束流产生方法，其中，对于所述高离化率磁控溅射波形、屏栅电压波形以及加速栅波形，这三种波形的波长有可能相等，也可能各不相等。
3.根据权利要求1所述的新型高能离子束流产生方法，其中，所述同步波形可以使用单台同步信号发生器或其它多台相互联系的信号发生设备或装置触发同步信号。
4.根据权利要求1所述的新型高能离子束流产生方法，其中，施加在加速栅的电压波形可以为直流、脉冲或半波交流等。
5.根据权利要求1所述的新型高能离子束流产生方法，其中，所述阴极靶、屏栅、加速栅及接地栅的形状可为圆形、椭圆形或其它多边形。
6.根据权利要求1所述的新型高能离子束流产生方法，其中，所述工作气体为惰性气体或反应气体的一种或几种气体的混合气体。
7.根据权利要求1所述的新型高能离子束流产生方法，其中，工作气压为0Pa～50Pa。
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