CN114737163A - 一种电磁复合机械过滤的离子注入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电磁复合机械过滤的离子注入方法，属于离子注入技术领域，本发明中阴极弧源组件会产生金属离子以及一些颗粒，其中金属离子在电磁线圈组形成的磁场作用下运动轨迹发生偏移，之后由离子引出组件牵引通过离子出口，而其中的不带电的粒子沿其本身的速度方向向前移动，沉积在挡板组件上，提升离化效率；同时由离子引出组件形成正离子束，经过质量分析装置进一步地筛选出所需的离子，再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离子注入；另外，直筒方形状空腔的离子溅射壳体的体积大，路程短，沉积速率将大幅度提升。

Description

一种电磁复合机械过滤的离子注入方法
技术领域
本发明涉及离子注入技术领域，特别涉及一种电磁复合机械过滤的离子注入方法。
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。
现有离子注入设备中金属离子源产生的金属离子往往会伴随一些杂质颗粒，同时设备运行过程中还有未排除的空气原子以及未完全离化的杂质颗粒，离子在管道中高速运动时，就可能和空气原子或者杂质颗粒发生碰撞，从而发生电荷交换，离子将电荷传递给空气原子或者杂质颗粒，而呈电中性，中性的离子对于掺杂是没有作用的，因此需避免中性离子的产生，即需提高金属离子源的离化率。
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，而提供一种电磁复合机械过滤的离子注入方法。
本发明所采取的技术方案如下：一种电磁复合机械过滤的离子注入方法，其采用的离子注入装置包括具有矩形状空腔的离子溅射壳体、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；
所述矩形状空腔一端封闭且另一端为开口，封闭一端固定有阴极弧源组件，设有开口一端为离子出口，所述矩形状空腔内设有复合机械挡板组件，所述挡板组件与离子溅射壳体内壁之间设有供沉积离子运动的通道，所述离子溅射壳体上固定有电磁线圈组，所述电磁线圈组用于形成对带正电粒子进行偏转、聚焦与加速作用的磁场；
所述阴极弧源组件中设有金属靶材；
所述离子出口处设有离子引出组件，所述离子溅射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：
步骤一：将待处理工件置于具有真空腔体的工作靶室中；
步骤二：阴极弧源组件通电，使金属靶材表面产生金属正离子和不带电的粒子，且产生的金属正离子和不带电的粒子以一定的初速度进入到矩形状空腔中；
步骤三：电磁线圈组通电在矩形状空腔中产生对带正电粒子进行偏转、聚焦与加速作用的磁场，金属靶材表面产生金属正离子在电磁线圈组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出口；同时，其中不带电的粒子沿其本身的速度方向向前移动，沉积在挡板组件上；
步骤四：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；
步骤五：质量分析装置对离子束进行筛选提纯后导向加速管；
步骤六：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；
步骤七：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；
步骤八：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倍靶面直径≥挡板组件的遮挡面的宽度≥2/3靶面直径，所述挡板组件为以下a~c中的任一种结构：
a. 挡板组件为一平面板状 ，所述阴极弧源组件的靶面与挡板相平行设置，且所述挡板至少部分环周壁与离子溅射壳体内壁之间设有一定距离形成用于供离子通过的通道；
b. 挡板组件为一对称型折面板，且所述挡板至少部分环周壁与离子溅射壳体内壁之间设有一定距离形成用于供离子通过的通道；
c. 挡板组件为一对称型曲面板，且所述挡板至少部分环周与离子溅射壳体内壁之间设有一定距离形成用于供离子通过的通道。
所述电磁线圈组分别为两个矩形线圈组成，且两个矩形线圈分别位于阴极弧源组件与挡板组件之间和挡板组件与离子出口之间，产生的磁场形成两头强中间弱的磁镜分布。
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：本发明中阴极弧源组件会产生金属离子以及一些颗粒，其中金属离子在电磁线圈组形成的磁场作用下运动轨迹发生偏移，之后由离子引出组件牵引通过离子出口，而其中的不带电的粒子沿其本身的速度方向向前移动，沉积在挡板组件上，提升离化效率；同时由离子引出组件形成正离子束，经过质量分析装置进一步地筛选出所需的离子，再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；另外，直筒方形状空腔的离子溅射壳体的体积大，路程短，沉积速率将大幅度提升。
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为本发明方法的流程图；
图2为本发明装置的示意图；
图中，1-阴极弧源组件，2-离子溅射壳体，3-电磁线圈组，4-挡板组件，41-第一挡板，42-第二挡板，5-离子引出组件，6-离子出口，7-质量分析装置，8-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2所示，为本发明提供的一种实施例，一种电磁复合机械过滤的离子注入方法，其采用的离子注入装置包括具有矩形状空腔的离子溅射壳体2、质量分析装置7、加速管8、聚焦系统、偏转扫描系统与具有真空腔体的工作靶室；
所述矩形状空腔一端封闭且另一端为开口，封闭一端固定有阴极弧源组件1，设有开口一端为离子出口6，所述矩形状空腔内设有复合机械挡板组件4，所述挡板组件4与离子溅射壳体2内壁之间设有供沉积离子运动的通道，所述离子溅射壳体2上固定有电磁线圈组3，所述电磁线圈组3用于形成对带正电粒子进行偏转、聚焦与加速作用的磁场；
所述阴极弧源组件1中设有金属靶材；
所述离子出口6处设有离子引出组件5，所述离子溅射壳体2通过离子引出组件5一侧依次连接质量分析装置7、加速管8、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：
步骤一：将待处理工件置于具有真空腔体的工作靶室中；
步骤二：阴极弧源组件1通电，使金属靶材表面产生金属正离子和不带电的粒子，且产生的金属正离子和不带电的粒子以一定的初速度进入到矩形状空腔中；
步骤三：电磁线圈组3通电在矩形状空腔中产生对带正电粒子进行偏转、聚焦与加速作用的磁场，金属靶材表面产生金属正离子在电磁线圈组3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出口6；同时，其中不带电的粒子沿其本身的速度方向向前移动，沉积在挡板组件4上；
步骤四：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7；
步骤五：质量分析装置7对离子束进行筛选提纯后导向加速管8；
步骤六：加速管8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；
步骤七：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；
步骤八：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。
其中，其中阴极弧源组件1中包括靶材、固定靶材的靶材底座、引弧装置以及其它阴极弧源中必要或非必要的零部件，具体结构可以参见专利CN201210444314.1、CN201811360933.6等具有不同结构优势的阴极弧源结构；
阴极弧源组件1接通电源后，引弧装置产生的弧斑在靶面上刻蚀产生离子和颗粒，比如采用金属靶如铬，则产生金属离子和颗粒，这种颗粒随着金属离子的沉积会附着在膜上，使镀膜表面不平整，工作时，阴极弧源组件1产生的金属离子以及颗粒，其中金属离子在电磁线圈组3的作用下，运动轨迹发生偏移，绕过挡板组件4，并通过离子出口6离开矩形状空腔，而杂质颗粒在电磁线圈组3的作用下，运动轨迹不会发生偏移，仍按原路径向外移动，被移动路径上的挡板组件4阻挡，沉积在挡板组件4上，去除了没用的杂质颗粒，而且矩形状空腔的离子溅射壳体2的体积大，路程短，注入速率将大幅度提升。
在本实施例中，所述挡板组件4尺寸：2倍靶面直径≥挡板组件4的遮挡面的宽度≥2/3靶面直径，所述挡板组件4为以下a~c中的任一种结构：
a. 挡板组件4为一平面板状 ，所述阴极弧源组件1的靶面与挡板4相平行设置，且所述挡板至少部分环周壁与离子溅射壳体2内壁之间设有一定距离形成用于供离子通过的通道；
b. 挡板组件4为一对称型折面板，且所述挡板至少部分环周壁与离子溅射壳体2内壁之间设有一定距离形成用于供离子通过的通道；
c. 挡板组件4为一对称型曲面板，且所述挡板至少部分环周与离子溅射壳体2内壁之间设有一定距离形成用于供离子通过的通道；
也可设置其它可以沉积不带电颗粒的挡板组件4结构。
所述电磁线圈组3分别为两个矩形线圈组成，且两个矩形线圈分别位于阴极弧源组件1与挡板组件4之间和挡板组件4与离子出口6之间，产生的磁场形成两头强中间弱的磁镜分布；其中，位于阴极弧源组件1与挡板组件4之间的矩形线圈对离子形成向两侧倾斜移动的磁场力，使离子进入挡板组件4两侧的通道，位于挡板组件4与离子出口6之间的矩形线圈对离子形成向中心倾斜移动使带电粒子聚焦同时加速的磁场力，引导离子通过离子出口6离开。
在本实施例中，矩形线圈中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。
进一步的，所述加速管8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；当正离子进入到加速管8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7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。
进一步的，所述离子引出组件5为负极吸出使正离子形成离子束。
在本实施例中，质量分析装置7、加速管8、离子引出组件5、聚焦系统、偏转扫描系统与工作靶室可以采用本领域技术人员所熟知的常规装置。
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)

1.一种电磁复合机械过滤的离子注入方法，其特征在于，其采用的离子注入装置包括具有矩形状空腔的离子溅射壳体（2）、质量分析装置（7）、加速管（8）、聚焦系统、偏转扫描系统与具有真空腔体的工作靶室；
所述矩形状空腔一端封闭且另一端为开口，封闭一端固定有阴极弧源组件（1），设有开口一端为离子出口（6），所述矩形状空腔内设有复合机械挡板组件（4），所述挡板组件（4）与离子溅射壳体（2）内壁之间设有供沉积离子运动的通道，所述离子溅射壳体（2）上固定有电磁线圈组（3），所述电磁线圈组（3）用于形成对带正电粒子进行偏转、聚焦与加速作用的磁场；
所述阴极弧源组件（1）中设有金属靶材；
所述离子出口（6）处设有离子引出组件（5），所述离子溅射壳体（2）通过离子引出组件（5）一侧依次连接质量分析装置（7）、加速管（8）、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：
步骤一：将待处理工件置于具有真空腔体的工作靶室中；
步骤二：阴极弧源组件（1）通电，使金属靶材表面产生金属正离子和不带电的粒子，且产生的金属正离子和不带电的粒子以一定的初速度进入到矩形状空腔中；
步骤三：电磁线圈组（3）通电在矩形状空腔中产生对带正电粒子进行偏转、聚焦与加速作用的磁场，金属靶材表面产生金属正离子在电磁线圈组（3）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出口（6）；同时，其中不带电的粒子沿其本身的速度方向向前移动，沉积在挡板组件（4）上；
步骤四：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（7）；
步骤五：质量分析装置（7）对离子束进行筛选提纯后导向加速管（8）；
步骤六：加速管（8）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；
步骤七：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；
步骤八：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所述的一种电磁复合机械过滤的离子注入方法，其特征在于，2倍靶面直径≥挡板组件（4）的遮挡面的宽度≥2/3靶面直径，所述挡板组件（4）为以下a~c中的任一种结构：
a. 挡板组件（4）为一平面板状 ，所述阴极弧源组件（1）的靶面与挡板（4）相平行设置，且所述挡板至少部分环周壁与离子溅射壳体（2）内壁之间设有一定距离形成用于供离子通过的通道；
b. 挡板组件（4）为一对称型折面板，且所述挡板至少部分环周壁与离子溅射壳体（2）内壁之间设有一定距离形成用于供离子通过的通道；
c. 挡板组件（4）为一对称型曲面板，且所述挡板至少部分环周与离子溅射壳体（2）内壁之间设有一定距离形成用于供离子通过的通道。
3.根据权利要求1所述的一种电磁复合机械过滤的离子注入方法，其特征在于，所述电磁线圈组（3）分别为两个矩形线圈组成，且两个矩形线圈分别位于阴极弧源组件（1）与挡板组件（4）之间和挡板组件（4）与离子出口（6）之间，产生的磁场形成两头强中间弱的磁镜分布。
4.根据权利要求1所述的一种电磁复合机械过滤的离子注入方法，其特征在于，所述加速管（8）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所述的一种电磁复合机械过滤的离子注入方法，其特征在于，所述质量分析装置（7）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所述的一种电磁复合机械过滤的离子注入方法，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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