CN114540783B - 一种高效离化的离子注入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高效离化的离子注入方法，属于离子注入技术领域，本发明中电子发生装置产生的电子与通入气体碰撞，产生气体离子轰击曲面靶材产生金属靶材原子和离子，带正电的金属离子在电磁场的作用下导向离子引出组件形成离子束进入到质量分析装置，再通过质量分析装置对离子束进行提纯，然后由加速管进行加速导入聚焦系统，之后通过偏转扫描系统对工作靶室内存放的工件进行离子注入，而绝大多数不带电的颗粒保留在溅射区，进一步与气体离子碰撞形成带正电的金属离子，本发明既能大大减少沉积区域的颗粒数量，同时不影响沉积速度，又增加了金属离子与靶材接触面积，极大的提高了粒子的离化率，可获得优质涂层。
Description
技术领域
本发明涉及离子注入技术领域，特别涉及一种高效离化的离子注入方法。
背景技术
离子注入设备是高压小型加速器中的一种，应用数量最多。它是由离子源得到所需要的离子，经过加速得到几百千电子伏能量的离子束流，用做半导体材料、大规模集成电路和器件的离子注入，还用于金属材料表面改性和制膜等。
现有离子注入设备一般采用离子源来提供离子，其工作原理为在一定真空度低压下采用由热钨丝灯丝源产生的电子轰击杂质分子或者原子，粒子离化产生正离子，外部磁铁施加磁场使电子螺旋形旋转，提高离子获取数量，但是一般离子离化不彻底往往还会存在一些杂质颗粒，导致离化率低，目前，应用比较多而且效果比较好的去除大颗粒的措施是磁过滤，磁过滤技术主要是过滤电弧离子镀中的大颗粒，虽然有效地消除了大颗粒的污染，但由于等离子体在传输过程的损失，沉积速率也大幅度降低，目前等离子体的传输效率最高也仅有5％，导致了原材料的浪费和生产效率降低，因此提高离化效率是急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种高效离化的离子注入方法。
本发明所采取的技术方案如下：一种高效离化的离子注入方法，其采用的离子注入装置包括设有反应腔室的磁控溅射离子发生腔室壳体、曲面靶材、与曲面靶材电连接的溅射电源、质量分析装置、加速管、聚焦系统、偏转扫描系统与具有真空腔体的工作靶室；
所述反应腔室内依次设有溅射区、磁场导向区与离子引出组件，所述离子引出组件对立一侧设有电子发生装置，所述曲面靶材设有两个，所述曲面靶材固定在所述溅射区中的磁控溅射离子发生腔室壳体的两侧内壁上且两个相对设置，所述磁控溅射离子发生腔室壳体的两侧外壁上对应曲面靶材设有磁控线圈，所述磁场导向区内设有用于对曲面靶材溅射形成的离子加速与导引使其从离子引出组件离开反应腔室的磁场；
所述曲面靶材为金属靶材；
所述曲面靶材设有一侧开口，其内部空腔构成气体电离区，所述曲面靶材外壁套设导热套，且导热套包设于曲面靶材的外侧构成热交换连接，所述曲面靶材与反应腔室内壁设有固定支架且通过螺栓连接，所述固定支架上设有进气管路，所述曲面靶材中心设有进气孔且与进气管路连通；
所述磁控溅射离子发生腔室壳体通过离子引出组件一侧依次连接质量分析装置、加速管、聚焦系统、偏转扫描系统与具有真空腔体的工作靶室；
所述方法包括如下步骤：
步骤a1：将待处理工件置于具有真空腔体的工作靶室中；
步骤a2：电子发生装置通电产生电子以一定的初速度进入到磁控溅射离子发生腔室壳体，并通入气体，使电子与通入气体碰撞产生气体离子；
步骤a3：产生的气体离子轰击曲面靶材产生金属靶材原子和离子；
步骤a4：磁控线圈通电在磁控溅射离子发生腔室壳体产生对带正电粒子进行偏转、聚焦与加速作用的磁场，金属靶材离子在磁控线圈产生的磁场作用下运动轨迹发生偏移并聚焦加速导向离子引出组件，而原子不受磁场影响保留在溅射区，同时曲面靶材的进气孔通入气体，使保留在溅射区的原子与气体离子加速碰撞形成带正电的金属离子；
步骤a5：金属正离子通过离子引出组件形成正离子束进入质量分析装置；
步骤a6：质量分析装置对离子束进行筛选提纯后导向加速管；
步骤a7：加速管对离子束进行加速使其具有一定的离子能量，再导入聚焦系统；
步骤a8：聚焦系统将加速后的离子聚集成一定直径的离子束，再导向偏转扫描系统；
步骤a9：通过偏转扫描系统对工作靶室内存放的待处理工件进行均匀的离子注入。
在所述溅射区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体的内壁和/或外壁上固定有两个相对设置的用于形成封闭磁场的第一线圈；在所述磁场导向区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体的内壁和/或外壁上固定有用于形成对离子形成加速离子离开反应腔室的磁场的第二线圈。
所述电子发生装置包括灯丝、交流灯丝加热电源与进气管，所述交流灯丝加热电源与灯丝电连接用于提供电能产生电子，所述进气管用于通入气体与交流灯丝产生的电子发生电离产生带正电的气体离子。
所述加速管由多组被介质隔离的电极组成，电极上的电压依次累加，使离子加速。
所述质量分析装置为磁分析器，根据不同的离子具有不同的质量和与电荷，在磁场中偏转的角度不同，将所需要的离子从混合的离子束中分离出来。
所述离子引出组件为负极吸出使正离子形成离子束。
本发明的有益效果如下：1.本发明中电子发生装置产生的电子与通入气体碰撞，产生气体离子轰击曲面靶材产生金属靶材原子和离子，带正电的金属离子在电磁场的作用下，离开溅射区，进入到磁场导向区，通过离子引出组件形成离子束进入质量分析装置，再通过质量分析装置对离子束进行提纯，然后由加速管进行加速导入聚焦系统将离子聚集成直径为数毫米的离子束，之后通过偏转扫描系统对工作靶室内存放的工件进行均匀的离子注入，而绝大多数不带电的颗粒保留在溅射区，进一步与气体离子碰撞形成带正电的金属离子，本发明既能大大减少沉积区域的颗粒数量，同时不影响沉积速度。
2.本发明通过在磁控溅射离子发生腔室壳体内壁设置一组对称的曲面靶材，增加了正离子与靶材接触面积，极大的提高了粒子的离化率，可获得优质涂层，同时采用中心通气实现工艺气体从靶材中心进入，一方面实现靶面气体的均匀性，以及等离子体气流的方向均一性；另一方面弧光放电时，靶面气体的活化效果大大提升，弧光放电的离化效果也会有显著的提升，而且靶面将会更便捷的与反应气体发生反应，从而抑制大颗粒的产生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明的结构示意图（省略工艺室部分）；
图2为本发明曲面靶材示意图；
图3为图中A处放大图；
图4为本发明的流程图；
图中，1-电子发生装置，11-进气管，12-灯丝，2-磁控溅射离子发生腔室壳体，3-曲面靶材，301-进气孔，302-导热套，303-进气管路，304-固定支架，4-磁控线圈，41-第一线圈，42-第二线圈，5-离子引出组件，6-质量分析装置，7-加速管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是 为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二” 仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再 一一说明。
本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
如图1至图3所示，为本发明提供的一种实施例，一种高效离化的离子注入方法，其采用的离子注入装置包括设有反应腔室的磁控溅射离子发生腔室壳体2、曲面靶材3、与曲面靶材电连接的溅射电源、质量分析装置6、加速管7、聚焦系统、偏转扫描系统与具有真空腔体的工作靶室；
所述反应腔室内依次设有溅射区、磁场导向区与离子引出组件5，所述离子引出组件5对立一侧设有电子发生装置1，所述曲面靶材3设有两个，所述曲面靶材3固定在所述溅射区中的磁控溅射离子发生腔室壳体2的两侧内壁上且两个相对设置，其中，所述的相对设置即指的两个曲面靶材3形成大致平行且同轴设置；所述磁控溅射离子发生腔室壳体2的两侧外壁上对应曲面靶材3设有磁控线圈4，所述磁场导向区内设有用于对曲面靶材3溅射形成的离子加速与导引使其从离子引出组件5离开反应腔室的磁场；
所述曲面靶材3为金属靶材；
所述磁控溅射离子发生腔室壳体2通过离子引出组件5一侧依次连接质量分析装置6、加速管7、聚焦系统、偏转扫描系统与具有真空腔体的工作靶室；
所述方法包括如下步骤：
步骤a1：将待处理工件置于具有真空腔体的工作靶室中；
步骤a2：电子发生装置通电产生电子以一定的初速度进入到磁控溅射离子发生腔室壳体，并通入气体，使电子与通入气体碰撞产生气体离子；
步骤a3：产生的气体离子轰击曲面靶材3产生金属靶材原子和离子；
步骤a4：磁控线圈4通电在磁控溅射离子发生腔室壳体2产生对带正电粒子进行偏转、聚焦与加速作用的磁场，金属靶材离子在磁控线圈4产生的磁场作用下运动轨迹发生偏移并聚焦加速导向离子引出组件5，而原子不受磁场影响保留在溅射区，同时曲面靶材3的进气孔301通入气体，使保留在溅射区的原子与气体离子加速碰撞形成带正电的金属离子；
步骤a5：金属正离子通过离子引出组件5形成正离子束进入质量分析装置6；
步骤a6：质量分析装置6对离子束进行筛选提纯后导向加速管7；
步骤a7：加速管7对离子束进行加速使其具有一定的离子能量，再导入聚焦系统；
步骤a8：聚焦系统将加速后的离子聚集成一定直径的离子束，再导向偏转扫描系统；
步骤a9：通过偏转扫描系统对工作靶室内存放的待处理工件进行均匀的离子注入。
在所述溅射区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体2的内壁和/或外壁上固定有两个相对设置的用于形成封闭磁场的第一线圈41；在所述磁场导向区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体2的内壁和/或外壁上固定有用于形成对离子形成加速离子离开反应腔室的磁场的第二线圈42；具体的，磁控线圈4为矩形线圈，可以接入可任意编程的直线线圈电流或具有可远程调节的具有较大周期并可实现线性调控的矩形波线圈电流，通过对线圈所通电流的控制可以改变磁场的强弱和分布，从而改变电子和离子的运动路径。
在本实施例中，所述曲面靶材2一侧设有开口，其内部空腔构成气体电离区，所述曲面靶材3外壁套设导热套302，且导热套302包设于曲面靶材3的外侧构成热交换连接，所述曲面靶材3与反应腔室内壁设有固定支架304且通过螺栓连接，其中曲面靶材3是由多组表面可复合非金属材料的金属基片瓦拼接并通过螺栓机械法固定在导入套302上；设备部分部件未完整画出进气管路、固定支架等；所述固定支架304上设有进气管路303，所述曲面靶材3中心设有进气孔301且与进气管路303连通；采用中心通气实现工艺气体从靶材中心进入，一方面实现靶面气体的均匀性，以及等离子体气流的方向均一性；另一方面弧光放电时，靶面气体的活化效果大大提升，弧光放电的离化效果也会有显著的提升；此外对于纯金属靶材制备氮化物、氮氧化物、氧化物等，中心通入工艺气体一方面可以在极大的提升反应气体的离化率，从而增大沉积化合物相的能量，优化涂层结构；另外，靶面将会更便捷的与反应气体发生反应，化合物的熔点会远远大于纯金属的熔点，从而可以降低弧光放电的熔池大小，从而抑制大颗粒的产生。
进一步的，所述电子发生装置1包括灯丝12、交流灯丝加热电源与进气管11，所述交流灯丝加热电源与灯丝12电连接用于提供电能产生电子，所述进气管12用于通入气体与交流灯丝12产生的电子发生电离产生带正电的气体离子，本实施例中为Ar+。
进一步的，所述加速管7由多组被介质隔离的电极组成，电极上的电压依次累加，用于加速离子，当正离子进入到加速管7后，各个电极为离子加速，离子的运动速度是各级加速的叠加，总的电压越高，离子的运动速度越快，即动能越大，最终得到所需离子注入能量。
进一步的，所述质量分析装置6以磁分析器居多，在分析器中常用60°或90°扇形磁铁，热电子轰击杂质源气体分子会产生多种离子，掺杂气体源在离子源中会形成多种离子，每种离子的质荷比不同，在通过质量分析器6的分析磁铁时，离子的运动轨道会不同，离子注入设备的质量分析器6可以将所需要的杂质离子从混合的离子束中分离出来。
进一步的，所述离子引出组件5即通过一负偏压的吸极将带正电的离子从等离子体中吸出来形成离子束。
在本实施例中，所述加速管7、质量分析装置6、离子引出组件5、聚焦系统、偏转扫描系统与工作靶室均可以采用本领域技术人员所熟知的装置。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种高效离化的离子注入方法，其特征在于，其采用的离子注入装置包括设有反应腔室的磁控溅射离子发生腔室壳体（2）、曲面靶材（3）、与曲面靶材电连接的溅射电源、质量分析装置（6）、加速管（7）、聚焦系统、偏转扫描系统与具有真空腔体的工作靶室；
所述反应腔室内依次设有溅射区、磁场导向区与离子引出组件（5），所述离子引出组件（5）对立一侧设有电子发生装置（1），所述曲面靶材（3）设有两个，所述曲面靶材（3）固定在所述溅射区中的磁控溅射离子发生腔室壳体（2）的两侧内壁上且两个相对设置，所述磁控溅射离子发生腔室壳体（2）的两侧外壁上对应曲面靶材（3）设有磁控线圈（4），所述磁场导向区内设有用于对曲面靶材（3）溅射形成的离子加速与导引使其从离子引出组件（5）离开反应腔室的磁场；
所述曲面靶材（3）为金属靶材；
所述曲面靶材（3）设有一侧开口，其内部空腔构成气体电离区，所述曲面靶材（3）外壁套设导热套（302），且导热套（302）包设于曲面靶材（3）的外侧构成热交换连接，所述曲面靶材（3）与反应腔室内壁设有固定支架（304）且通过螺栓连接，所述固定支架（304）上设有进气管路（303），所述曲面靶材（3）中心设有进气孔（301）且与进气管路（303）连通；
所述磁控溅射离子发生腔室壳体（2）通过离子引出组件（5）一侧依次连接质量分析装置（6）、加速管（7）、聚焦系统、偏转扫描系统与具有真空腔体的工作靶室；
所述方法包括如下步骤：
步骤a1：将待处理工件置于具有真空腔体的工作靶室中；
步骤a2：电子发生装置（1）通电产生电子以一定的初速度进入到磁控溅射离子发生腔室壳体（2），并通入气体，使电子与通入气体碰撞产生气体离子；
步骤a3：产生的气体离子轰击曲面靶材（3）产生金属靶材原子和离子；
步骤a4：磁控线圈（4）通电在磁控溅射离子发生腔室壳体（2）产生对带正电粒子进行偏转、聚焦与加速作用的磁场，金属靶材离子在磁控线圈（4）产生的磁场作用下运动轨迹发生偏移并聚焦加速导向离子引出组件（5），而原子不受磁场影响保留在溅射区，同时曲面靶材（3）的进气孔（301）通入气体，使保留在溅射区的原子与气体离子加速碰撞形成带正电的金属离子；
步骤a5：金属正离子通过离子引出组件（5）形成正离子束进入质量分析装置（6）；
步骤a6：质量分析装置（6）对离子束进行筛选提纯后导向加速管（7）；
步骤a7：加速管（7）对离子束进行加速使其具有一定的离子能量，再导入聚焦系统；
步骤a8：聚焦系统将加速后的离子聚集成一定直径的离子束，再导向偏转扫描系统；
步骤a9：通过偏转扫描系统对工作靶室内存放的待处理工件进行均匀的离子注入。
2.根据权利要求1所述的一种高效离化的离子注入方法，其特征在于，在所述溅射区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体（2）的内壁和/或外壁上固定有两个相对设置的用于形成封闭磁场的第一线圈（41）；在所述磁场导向区的磁控溅射碳离子发生腔室壳体（2）的内壁和/或外壁上固定有用于形成对离子形成加速离子离开反应腔室的磁场的第二线圈（42）。
3.根据权利要求1所述的一种高效离化的离子注入方法，其特征在于，所述电子发生装置（1）包括灯丝（12）、交流灯丝加热电源与进气管（11），所述交流灯丝加热电源与灯丝（12）电连接用于提供电能产生电子，所述进气管（11）用于通入气体与交流灯丝（12）产生的电子发生电离产生带正电的气体离子。
4.根据权利要求1所述的一种高效离化的离子注入方法，其特征在于，所述加速管（7）由多组被介质隔离的电极组成，电极上的电压依次累加，使离子加速。
5.根据权利要求1所述的一种高效离化的离子注入方法，其特征在于，所述质量分析装置（6）为磁分析器，根据不同的离子具有不同的质量和与电荷，在磁场中偏转的角度不同，将所需要的离子从混合的离子束中分离出来。
6.根据权利要求1所述的一种高效离化的离子注入方法，其特征在于，所述离子引出组件（5）为负极吸出使正离子形成离子束。
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