CN114420522A - 一种新型高能离子源设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型高能离子源设备，包括放电室、离子光学系统、电源系统和辅助系统；放电室一侧有阴极靶，另一侧有屏栅，工作/反应气体从放电室通入真空室；离子光学系统由屏栅、加速栅和接地栅组成，用于将离子从放电室引出形成离子束流；使用高离化率磁控溅射产生离子；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引出离子并加速形成离子束流。

Description

一种新型高能离子源设备
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。对于高能量、高通量的金属离子注入需求，市面上现有的成熟离子源尚不能很好地满足。
发明内容
本发明之目的在于针对目前离子源的不足和缺陷，提供一种能够提供大束斑、高通量及高能量的新型离子源。
为实现上述目的，本发明提供一种新型离子源，通过高离化率磁控溅射产生高密度等离子体，为产生大束斑、高通量离子束流的前提；再通过对离子光学系统的同步控制，实现离子的引出加速形成离子束流，实现离子束流高能量的特点。
本发明提供一种新型高能离子源设备，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，包括放电室、离子光学系统、电源系统和辅助系统，其中，所述放电室为高离化率磁控溅射放电的场所，高离化率磁控溅射在放电室内产生高密度等离子体，此腔体一侧为阴极靶，另一侧为屏栅，工作/反应气体从放电室通入真空室；所述离子光学系统主要用于引出并加速离子形成离子束流，离子光学系统由屏栅、加速栅和接地栅组成，各栅之间严格绝缘；所述电源系统产生等离子体、控制离子光学系统各网栅电压以及同步各电源间的波形，包括高离化率磁控溅射电源、高压电源、负压电压源及同步装置，高离化率磁控溅射电源用于在放电室内磁控溅射放电，高压电源及负压电压源用于离子光学系统对离子的引出及加速；所述辅助系统用于控制离子源的供气及冷却；所述阴极靶连接高离化率磁控溅射电源，屏栅连接高压电源，加速栅连接负压电压源，同步装置连接离化率磁控溅射电源、高压电源和负压电压源三个电源；所述新型高能离子源设备首先通过高离化率磁控溅射电源在放电室内产生高密度等离子体，再通过离子光学系统引出并加速离子，形成离子束流；在离子源工作过程中使用同步装置调控不同电源输出波形的频率及相位，以获得最佳的离子束流产生效果，提高离子束流质量。
作为优选方式，所述高离化率磁控溅射离化率应大于5％。
作为优选方式，所述同步装置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控制磁控溅射电源与负高压电源。
作为优选方式，所述同步可以是高压电源输出波形滞后于高离化率磁控溅射波形，也可以是高离化率磁控溅射波形滞后于高压电源输出波形，或者两者同时触发，两者波长可以相等也可以不相等。
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，所述施加在屏栅及加速栅的波形可以为直流、脉冲或半波交流。
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～50Pa。
作为优选方式，所述高离化率磁控溅射为高功率脉冲磁控溅射时，负脉冲的电压为200V～2000V，负脉冲的脉宽为3μs～1ms。
作为优选方式，所述高离化率磁控溅射为双极高功率脉冲磁控溅射时，负脉冲的电压为200V～2000V，负脉冲的脉宽为3μs～1ms，正脉冲的电压为1V～2000V，正脉冲的脉宽为3μs～1ms。
作为优选方式，所述加速负高压输出波形为脉冲时，负脉冲电压为5000V～150000V，脉宽为1μs～1ms。
作为优选方式，所述同步频率为5Hz～100kHz。
作为优选方式，所述真空室的真空为10-3Pa量级。
作为优选方式，所述基体材料导电及真空室绝缘条件满足的情况下，在使用时可以将所有网栅拆除，并于基体上直接施加负高压脉冲(PIII工艺)。
本发明的优点：
本发明应用于材料表面工程领域，利用高离化率磁控溅射产生的较高离子密度的等离子体，并使用离子光学系统将离子引出并加速成为大束斑、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，还能通过对高离化率磁控溅射、离子光学系统各栅极波形的频率、相位等参数的调控，能够精准控制离子束流的特性。该发明装置简单实用，为目前市面上较为少见的金属离子离子源，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是本发明的新型高能离子源加装至真空室的设备装置示意图。
图2是本发明的新型高能离子源电源接线及相对电位示意图。
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、真空室；2、排气口；3、进气口及气体流量控制装置；4、阴极靶水冷系统；5、磁铁；6、阴极靶；7、屏栅；8、加速栅；9、接地栅；10、基体；11、放电室；12、离子光学系统；13、高离化率磁控溅射电源；14、高压电源；15、负压电压源
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为本发明的新型高能离子源加装至真空室的设备装置示意图。如图1所示，在本实施例中，本发明提供一种新型离子源作为新型高能离子束产生设备，包括真空室1；排气口2；进气口及气体流量控制装置3；阴极靶水冷系统4；磁铁5；阴极靶6；屏栅7；加速栅8；接地栅9；基体10；放电室11；离子光学系统12。
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。
图2为本发明的新型高能离子源电源接线及相对电位示意图。该图仅为解释阴极靶6、屏栅7、加速栅8、接地栅9、基体10、高离化率磁控溅射电源13、高压电源14和负压电压源15的接线及相对电位关系示意，其它电子元件及同步装置与同步装置相关接线未在图上标注。如图2所示，高离化率磁控溅射电源13阴极与阴极靶6相连，阳极与屏栅7相连；高压电源14阴极接地，阳极与屏栅7相连；负压电压源15阴极与加速栅8相连，阳极接地；接地栅9接地。
本发明的新型高能离子束产生设备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产生设备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来加速离子：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。
在基体材料导电及真空室绝缘条件满足的情况下，在使用时可以将所有网栅拆除，并于基体上直接施加负高压脉冲(PIII工艺)。
同步装置可以不连接输出波形为直流的负压电压源或高压电源。
作为优选方式，所述阴极靶的形状可为圆形、椭圆形或其他多边形。
作为优选方式，所述屏栅，加速栅及接地栅的形状可为圆形、椭圆形或其他多边形。
作为优选方式，所述高离化率磁控溅射电源为高功率脉冲磁控溅射电源或双极高功率脉冲磁控溅射电源时，电源输出波形的负脉冲电压为200V～2000V，负脉冲脉宽为3μs～1ms。
作为优选方式，所述高离化率磁控溅射电源为双极高功率脉冲磁控溅射电源时，电源输出波形的负脉冲电压为200V～2000V，负脉冲脉宽为3μs～1ms，电源输出波形的正脉冲电压为1V～2000V，正脉冲脉宽为3μs～1ms。
作为优选方式，所述高压电源所提供的电压为5000V～100000V。
作为优选方式，所述负高压电源为负高压脉冲电源时，输出波形的脉冲脉宽为10μs～500μs。
作为优选方式，所述高离化率磁控溅射电源为高功率脉冲磁控溅射电源或双极高功率脉冲磁控溅射电源时，所述负高压电源为为负高压脉冲电源时，两个电源输出波形的脉冲的时间间隔为-500μs～1ms。
作为优选方式，所述高离化率磁控溅射电源为高功率脉冲磁控溅射电源或双极高功率脉冲磁控溅射电源时，所述负高压电源为为负高压脉冲电源时，电源输出波形脉冲的频率为5Hz～1000Hz。
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。
示例1：本实施方案是通过选择高纯钛靶作为阴极靶6，氩气作为工作气体，高离化率磁控溅射电源13为双极高功率脉冲磁控溅射，高压电源14为高压脉冲电源，负压电压源15为直流电压源，使用的同步装置为一台同步信号发生器，离子源产生高能钛离子束流，采用图1中的装置。
具体步骤如下：
步骤(1)：将清洗干净的基体10置于真空室1内，将高离化率磁控溅射电源13阴极连接阴极靶6，高压电源14阴极连接屏栅7，负压电压源15连接加速栅8，真空室1腔体及接地栅9接地，同步信号发生器连接高离化率磁控溅射电源13及高压电源14；
步骤(2)：将真空室1密封，并将真空室1抽真空，待真空室1的本底真空低于5×10-3Pa，完成对真空室1的抽真空；
步骤(3)：设置高离化率磁控溅射电源13输出波形的负脉冲电压为200V～2000V、负脉冲脉宽为3μs～1ms，正脉冲的电压为1V～2000V、正脉冲脉宽为3μs～1ms，设置高压电源14输出波形的电压为5000V～100000V、脉宽为1μs～300μs，设置同步信号发生器控制高离化率磁控溅射电源13的输出脉冲与高压电源14的输出脉冲频率一致为5Hz～1000Hz，高离化率磁控溅射电源13及高压电源14输出脉冲的时间间隔为0μs。
步骤四：向放电室11内通入工作气体，设置溅射的工作气压为0.1Pa～5Pa，依次开启负压电压源15、高压电源14及高离化率磁控溅射电源13，进行离子注入1min～1000min，完成表面改性。
示例2：本实施方案是通过选择高纯铝靶作为阴极靶6，氩气作为工作气体，高离化率磁控溅射电源13为双极高功率脉冲磁控溅射，高压电源14为高压脉冲电源，负压电压源15为直流电压源，同步装置为一台同步信号发生器，离子源产生高能铝离子束流，采用图1中的装置，其它步骤与示例1相同。
示例3：本实施方案是通过选择高纯钛靶作为阴极靶6，氩气作为工作气体，高离化率磁控溅射电源13为高功率脉冲磁控溅射，高压电源14为高压脉冲电源，负压电压源15为直流电压源，同步装置为一台同步信号发生器，离子源产生高能钛离子束流，采用图1中的装置，其它步骤与示例1相同。
以上对本发明的离子源及其操作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 (10)

1.一种新型高能离子源设备，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，包括放电室、离子光学系统、电源系统和辅助系统，
其中，所述放电室为高离化率磁控溅射放电的场所，高离化率磁控溅射在放电室内产生高密度等离子体，此腔体一侧为阴极靶，另一侧为屏栅，工作/反应气体从放电室通入真空室；
所述离子光学系统主要用于引出并加速离子形成离子束流，离子光学系统由屏栅、加速栅和接地栅组成，各栅之间严格绝缘；
所述电源系统产生等离子体、控制离子光学系统各网栅电压以及同步各电源间的波形，包括高离化率磁控溅射电源、高压电源、负压电压源及同步装置，高离化率磁控溅射电源用于在放电室内磁控溅射放电，高压电源及负压电压源用于离子光学系统对离子的引出及加速；
所述辅助系统用于控制离子源的供气及冷却；
所述阴极靶连接高离化率磁控溅射电源，屏栅连接高压电源，加速栅连接负压电压源，同步装置连接离化率磁控溅射电源、高压电源和负压电压源三个电源；
所述新型高能离子源设备首先通过高离化率磁控溅射电源在放电室内产生高密度等离子体，再通过离子光学系统引出并加速离子，形成离子束流；在离子源工作过程中使用同步装置调控不同电源输出波形的频率及相位，以获得最佳的离子束流产生效果，提高离子束流质量。
2.根据权利要求1所述的新型高能离子源设备，其中，所述高离化率磁控溅射离化率应大于5％。
3.根据权利要求1所述的新型高能离子源设备，其中，所述同步装置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控制磁控溅射电源与负高压电源。
4.根据权利要求1所述的新型高能离子源设备，其中，所述同步可以是高压电源输出波形滞后于高离化率磁控溅射波形，也可以是高离化率磁控溅射波形滞后于高压电源输出波形，或者两者同时触发，两者波长可以相等也可以不相等。
5.根据权利要求1所述的新型高能离子源设备，其中，所述施加在屏栅及加速栅的波形可以为直流、脉冲或半波交流。
6.根据权利要求1所述的新型高能离子源设备，其中，所述工作气压为0Pa～50Pa。
7.根据权利要求1所述的新型高能离子源设备，其中，所述高离化率磁控溅射为高功率脉冲磁控溅射时，负脉冲的电压为200V～2000V，负脉冲的脉宽为3μs～1ms。
8.根据权利要求1所述的新型高能离子源设备，其中，所述高离化率磁控溅射为双极高功率脉冲磁控溅射时，负脉冲的电压为200V～2000V，负脉冲的脉宽为3μs～1ms，正脉冲的电压为1V～2000V，正脉冲的脉宽为3μs～1ms。
9.根据权利要求1所述的新型高能离子源设备，其中，所述加速负高压输出波形为脉冲时，负脉冲电压为5000V～150000V，脉宽为1μs～1ms。
10.根据权利要求1所述的新型高能离子源设备，其中，所述同步频率为5Hz～100kHz。
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