CN114883164B - 一种基于过滤弧源的离子注入沉积装置及沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于过滤弧源的离子注入沉积装置及沉积方法。所述装置包括磁聚集单元、磁偏转单元、离子加速栅网和离子引出栅网，所述磁聚集单元对弧源释放的所有带电粒子起聚集作用，同时可阻挡弧源释放的部分大颗粒，所述磁偏转单元对大颗粒物质起阻挡作用，所述离子加速栅网设于磁偏转单元后方，对带正电离子起加速作用，所述离子引出栅网设于离子加速栅后方、待镀工件前方，对电子起阻挡作用，解决了传统弧源金属“大颗粒”降低涂层质量的问题，同时引出、离子加速栅网在基片前，解决了绝缘基体加偏压难的问题。本装置可作为各种传统弧源的离子注入优化装置，对传统弧源进行改造，同时该装置适用性较广。

Description

一种基于过滤弧源的离子注入沉积装置及沉积方法

技术领域

本发明涉及等离子体材料表面处理技术领域，特别涉及一种基于过滤弧源的离子注入沉积装置及沉积方法。

背景技术

近年来，由于智能可穿戴设备的流行，柔性显示器、柔性压电薄膜、耳机发声单元等迎来了良好的发展机遇，使得柔性高分子材料为基底的复合材料受到制造商与科研人员的广泛关注与研究。高分子材料具有质量轻、柔韧性好、电阻率高、刚度和硬度小等特点，种类繁多，广泛应用于人们的衣食住行、航空航天等各种领域。沉积在柔性聚合物基底的金属薄膜复合结构同时具有聚合物和金属的优势，包括聚合物的灵活性和轻质性、以及金属的优良导电率和电磁波屏蔽等特点。柔性基底-金属薄膜系统以其高延展性、高柔性、高制备速率、良好的电学特性和生物相容性等优点而受到青睐，在微机电系统、航空航天、生物材料、柔性电子等领域有广阔的应用前景。在所有的应用中，柔性基底-金属薄膜系统的性能、可靠性和耐久性都直接与薄膜和基底之间良好的界面粘附能密切相关，良好的界面粘结性能往往能提高薄膜抑制失效的能力。因此，如何提高膜-基结构的力学性能和界面结合性能对相关器件的使用性能和服役寿命起着至关重要的作用。

近些年发展的柔性基底沉积金属膜制备方法有多种类型，如化学电镀法、真空蒸镀法、磁控溅射法、原子层沉积法与等离子体浸没离子注入与沉积等，都不能兼顾保护柔性基底、良好的膜层特性以及生产效率。结合各类型制备方法，等离子体镀膜技术是一项能发展出兼顾保护柔性基底、良好的膜层特性以及生产效率的制备技术。

等离子体镀膜技术是在气体放电中，利用等离子体能量调控制备各种功能薄膜材料的技术。为获得高质量的膜层，需要对放电产生的等离子体进行研究和筛选控制。等离子体镀膜通常伴随等离子体束包含电子、离子、中性原子和大颗粒物质。其中离子作为薄膜的成膜粒子是所需要的粒子，而中性原子和大颗粒物质是不被需要的粒子，特别是大颗粒，对薄膜具有致命的污染和损伤，应尽可能地减少。除此之外，大颗粒物质在基片表面的沉积会阻碍需要的粒子在基片表面沉积。因此就必须将等离子体的大颗粒和中性原子物质筛选出去。在现有研究中，磁过滤弯管能很好地过滤掉等离子体中的大颗粒和中性原子，机理如下：金属大颗粒和原子一般不带电或者带电量较小，在等离子体扩散过程中，受到的电磁场的影响较小或没有，因此在有一定角度的弯管处会直接撞击管壁而被过滤。离子在磁场作用下发生偏转，电子围绕磁感线作螺旋前进的运动，离子和电子因此顺利通过磁偏转单元，以此达到过滤的目的。

在解决了大颗粒物质和中性原子的过滤问题后，需要考虑剩余粒子中的电子带来的问题。研究发现，热电子轰击基片表面会导致基片温度过高甚至熔化，如因此需要发明一种装置在后半程能过滤电子，进而达到所需高能粒子注入的目的。

发明内容

本发明的目的是在过滤大颗粒物质和中性原子的基础上，过滤电子以及提高离子的能量以更好实现离子注入沉积。在此基础上最终可解决以下几个主要问题，一是解决了对柔性器具在聚合物表面镀膜不能加载偏压的问题；二是解决了传统离子注入时大颗粒物质降低涂层质量，使涂层缺陷增加的问题；三是解决了热电子轰击基片表面导致基片温度过高甚至熔化的问题。

为了实现本发明目的，本发明提供的一种基于过滤弧源的离子注入沉积装置，包括磁聚集单元、磁偏转单元、离子加速栅网和离子引出栅网，

所述磁聚集单元用于对弧源释放的等离子体进行聚集以使等离子体以预设的位置入射磁偏转单元，磁聚集单元包括磁聚集腔体以及螺旋缠绕在磁聚集腔体上的第一线圈组以提供粒子聚集所需磁场；

所述磁偏转单元位于所述磁聚集单元的出口处，用于对等离子体进行过滤，磁偏转单元包括与磁聚集腔体相通的磁偏转腔体以及螺旋缠绕在磁偏转腔体上的第二线圈组以提供粒子偏转所需磁场；

离子加速栅网和离子引出栅网依次设置在所述磁偏转单元的出口处，且离子加速栅及离子引出栅与装置其它结构均有良好的绝缘。

进一步地，所述磁偏转单元还包括金属弯管，第二线圈组螺旋缠绕在金属弯管上，金属弯管内部为所述磁偏转腔体。即所述磁聚集单元由一组线圈缠绕于一金属腔体构成，对弧源释放的所有带电粒子起聚集作用；所述线圈由直径为0.2～3mm的漆包线绕制加工而成，由直流电源供电，提供装置所需的磁场。其中，金属腔体材料可采用316不锈钢、304不锈钢或者其它金属结构材料如铝合金、钛合金制成。

进一步地，所述金属弯管的弯曲角度为45°～75°。

进一步地，等离子体从磁偏转腔体的中心位置入射磁偏转单元。所述中心位置为与与磁偏转腔体同心半径为1～6cm的圆形区域。

进一步地，所述磁聚集腔体的出口面积小于入口面积。磁聚集腔体横截面形状可采用圆形或方形。

进一步地，所述磁偏转单元还包括金属弯管，金属弯管固定连接在磁聚集单元后方，金属弯管内部为所述磁偏转腔体，第二线圈组缠绕在所述金属弯管上。即所述磁偏转单元由一组线圈缠绕于一金属弯管腔体构成，固定连接在磁聚集单元后方，对大颗粒物质起阻挡作用；所述线圈由直径为0.2～3mm的漆包线绕制加工而成，由直流电源供电，提供装置所需的磁场。

进一步地，所述离子加速栅网设于磁偏转单元后方5～40cm处，以防止离子加速栅网所加的高压将腔体内部空气击穿。

进一步地，所述离子引出栅网设于离子加速栅网后方5～40cm处且工作时位于待镀工件前方2～20cm处，从而防止离子加速栅网所加的高压将腔体内部空气击穿，并使粒子在待镀工件前方有效扩散使膜层沉积的粒子分布更加均匀。

进一步地，第一线圈组、第二线圈组、离子加速栅以及离子引出栅的材质为高温金属。如可以采用钼、钨、钛等。

进一步地，所述磁聚集腔体入口、磁偏转腔体管道、连接磁偏转腔体与离子加速栅网的腔体管道、连接离子加速栅网与离子引出栅网的腔体管道半径为5～20cm，是粒子运动的通道。

进一步地，所述磁聚集单元和磁偏转单元的线圈可由一组直流电源集中供电，也可采用单独供电。

本发明还提供采用前述装置进行沉积的方法。一种基于过滤弧源的离子注入沉积装置在注入过程中包括以下步骤：

(1)在真空的环境条件下，由任意一弧源释放出一定浓度的等离子体，其中包括金属大颗粒物质、中性原子、电子以及离子。

(2)磁聚集单元对弧源释放的等离子体进行一定的约束，使粒子从磁偏转腔体中心位置入射；

(3)在磁偏转单元中，离子在磁场的作用下发生偏转，电子围绕磁感线作螺旋前进的运动，顺利通过磁偏转单元。带少量电荷或不带电的金属大颗粒和中性原子不会因磁场发生偏转，会直接撞击到磁偏转腔体处管壁而被过滤。

(4)等离子体被初步过滤后基本只剩下离子和电子，紧接着进入离子加速区，给离子加速栅网通入-100kV～-2kV电压，电子在电场的作用下能量逐渐减弱并反向运动，从而过滤电子，而离子因带正电在电场作用下加速通过栅网进入下一区域，其中离子加速栅网和离子引出栅网的间距为5～40cm。

(5)通过离子加速栅网的离子进入离子引出区域，离子引出栅网通入了5～60V电压，离子经过加速后通过离子引出栅网再次被加速而注入被镀工件。

相较现有技术，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明采用离子加速栅网和离子引出栅网直接对离子进行加速，不需要偏压加速离子，因此可对聚合物表面镀膜而不需加载偏压，解决了在聚合物表面镀膜不能加载偏压的问题。

(2)本发明采用磁偏转单元对等离子体中不带电的“大颗粒”物质进行过滤，“大颗粒”物质在磁偏转单元中即被过滤，故无法运动到基片表面影响涂层质量，解决了传统弧源镀膜产生的“大颗粒”降低涂层质量，可减少涂层缺陷。

(3)本发明采用的离子加速栅网将等离子体中的电子进行过滤，电子无法通过离子加速栅网到达基片表面，故无热电子轰击基片导致基片温度过高，解决了热电子轰击基片表面导致基片温度过高的问题。

(4)本发明采用磁偏转单元对等离子体中不带电的“大颗粒”物质进行过滤，“大颗粒”物质在磁偏转单元中即被过滤，故无法运动到引出栅网处堵塞栅网，本发明解决了传统金属离子注入设备引出栅网被“大颗粒”堵塞的问题。

(5)本发明可作为各种传统弧源的离子注入优化装置，对传统弧源进行改造，同时该装置适用性较广，可将装置阵列分布使用扩大辐照面积，可用于绝缘材料表面离子注入规模生产。

(6)本发明可作阵列排布使用，使薄膜沉积面积显著增加，解决大面积连续、卷绕镀膜的问题。

(7)本发明可适配多种弧源，镀膜类型较为丰富。

(8)本发明对适配电源要求较低，传统等离子体镀膜设备电源均可对该装置供电。

附图说明

图1为本发明中基于过滤弧源的离子注入沉积装置的结构示意图；

图2为图1中基于过滤弧源的离子注入沉积装置的分解图；

图3为本发明基于过滤弧源的离子注入沉积装置的Cu⁺离子引出位置分布图；

图4为本发明基于过滤弧源的离子注入沉积装置的Cu²⁺离子引出位置分布图；

图5为本发明基于过滤弧源的离子注入沉积装置的Cr⁺离子引出位置分布图；

图6为本发明基于过滤弧源的离子注入沉积装置的Cr³⁺离子引出位置分布图；

图7为本发明基于过滤弧源的离子注入沉积装置的Ti⁺离子引出位置分布图；

图8为本发明实施例中进行沉积的过程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

请参阅图1-图2，本发明实施例提供一种基于过滤弧源的离子注入沉积装置，包括磁聚集单元1、磁偏转单元2、离子加速栅网3和离子引出栅网4，所述磁聚集单元1用于用于对弧源释放的等离子体进行聚集以使等离子体以预设的位置入射磁偏转单元2，磁聚集单元1包括磁聚集腔体11以及螺旋缠绕在磁聚集腔体上的第一线圈组12以提供磁场；所述磁偏转单元2位于所述磁聚集单元1的出口处，用于对等离子体进行过滤；离子加速栅网3和离子引出栅网4依次设置在所述磁偏转单元2的出口处。

所述磁聚集腔体11为金属腔体，磁聚集腔体11的出口面积小于入口面积，第一线圈组12缠绕于金属腔体上，对弧源释放的所有带电粒子起聚集作用，其中，第一线圈组12由直径为0.2～3mm的漆包线绕制加工而成，由直流电源供电，提供装置所需的磁场。本实施例中的磁聚集腔体11横截面形状呈圆形，在其他实施例中，还可以呈其他形状，如方形。

所述磁偏转单元2包括金属弯管21和螺旋缠绕在金属弯管21上的第二线圈组22，金属弯管21内部为磁偏转腔体，所述磁偏转腔体与磁聚集腔体相通，金属弯管21固定连接在磁聚集单元后方，以对大颗粒物质起阻挡作用。其中，第二线圈组22由直径为0.2～3mm的漆包线绕制加工而成，由直流电源供电，提供装置所需的磁场。

所述离子加速栅网3设于磁偏转单元后方5～40cm处，以防止离子加速栅网3所加的高压将腔体内部空气击穿。工作时，加载-100kV～-2kV电压，对带正电离子起加速作用，对电子起阻挡作用。所述离子加速栅网3的网格形状为大小0.1～1cm的正方形，栅网的占空比为65％～95％。

所述离子引出栅网4设于离子加速栅网3后方5～40cm处(防止离子加速栅网所加的高压将腔体内部空气击穿)、待镀工件前方2～20cm处(该距离范围内，粒子在待镀工件前方有效扩散使膜层沉积的粒子分布更加均匀)。工作时，加载5～60V电压，离子引出栅网4对正电离子起二次加速作用。所述离子引出栅网4的网格形状为大小0.1～1cm的正方形，栅网的占空比为65％～95％。所述离子加速栅网3及离子引出栅网4与装置其它结构均有良好的绝缘。

磁聚集腔体11、金属弯管21的材质可以为316不锈钢，在其他实施例中，也可以采用304不锈钢或者其它金属结构材料如铝合金、钛合金。

第一线圈组12、第二线圈组22、离子加速栅网3和离子引出栅网4的材质为高温金属，如可采用钼、钨、钛等。

所述磁聚集腔体的入口、金属弯管21、连接磁偏转腔体与离子加速栅网3的腔体管道、连接离子加速栅网3与离子引出栅网4的腔体管道的半径为5～20cm，是粒子运动的通道。

第一线圈组12和第二线圈组22可以由一组直流电源集中供电，也可采用单独供电。

实施例2

在实施例1的基础上，提供所述沉积装置的离子注入沉积方法。

一种基于过滤弧源的离子注入沉积方法，包括以下步骤：

在真空的环境条件下，由任意一弧源释放出等离子体，其中包括金属大颗粒物质、中性原子、电子以及离子；

磁聚集单元1对弧源释放的等离子体进行约束，使粒子从金属弯管21中心位置入射，从中心位置入射可以减少镀膜所需离子在磁偏转单元2处的损耗，提高离子引出率；

离子在磁偏转单元2磁场的作用下发生偏转，电子围绕磁感线作螺旋前进的运动，通过磁偏转单元2，其中，带少量电荷或不带电的金属大颗粒和中性原子不会因磁场发生偏转，会直接撞击金属弯管处管壁而被过滤；

被磁偏转单元2初步过滤后的等离子体进入离子加速栅网3作用区域，电子在离子加速栅网3电场的作用下能量逐渐减弱并反向运动，从而过滤电子，而离子因带正电在电场作用下加速通过离子加速栅网3；

通过离子加速栅网3的离子进入离子引出栅网4，离子经过离子引出栅网4再次被加速，并注入被镀工件。

实施例3

在实施例1和实施例2的基础上，本实施例中使用COMSOL软件进行建模得到实施例1所述基于过滤弧源的离子注入沉积装置的几何模型，如图1所示，模型参数如下表1所示。该模型的入口设置在左下方，右上方为出口。

表1Cu⁺粒子引出弯管几何模型参数

在入口处随机释放Cu⁺、电子和金属“大颗粒”物质(假设其质量为铜原子的10倍且不带电)，释放数量分别为5000、5000、500，其中Cu⁺的初速度为5eV，电子的初速度为10eV，大颗粒物质的初速度为3896.5m/s。

以图1为基准，粒子由弧源释放后，首先进入磁聚集单元，磁聚集单元对弧源释放的等离子体进行一定的约束，使粒子从金属弯管中心位置(优选的，与管径同心半径为3cm的圆形区域)入射。粒子从磁偏转单元的管径中心位置进入后，在磁场的作用下，Cu⁺发生偏转，电子围绕磁感线作螺旋前进的运动，顺利通过磁偏转单元，而金属大颗粒物质作直线运动被磁偏转单元的金属弯管所截留。

等离子体被初步过滤后基本只剩下离子和电子，紧接着进入离子加速区；优选的，给离子加速栅网通入-100kV电压(见图2(c)中左侧负压栅)，电子在电场的作用下能量逐渐减弱并反向运动，从而过滤电子，而Cu⁺因带正电在电场作用下加速通过栅网进入下一区域。通过离子加速栅网的Cu⁺进入离子引出区域，优选的，离子引出栅网通入60V电压(见图2(c)中右侧正压栅)，Cu⁺经过加速后通过离子引出栅再次被加速而注入被镀工件。该装置的Cu⁺粒子引出率为38.67％，电子和大颗粒均被阻挡而无引出。

粒子引出至基片表面的分布位置如图3所示，可以看到，使用该装置进行离子注入沉积，Cu⁺沉积在基片的位置较为均匀，由此可获得更高质量的膜层。

实施例4

在实施例1和实施例2的基础上，本实施例中使用COMSOL软件进行建模得到实施例1所述基于过滤弧源的离子注入沉积装置的几何模型，如图1所示，模型参数如下表2所示。该模型的入口设置在左下方，右上方为出口。

表2Cu²⁺粒子引出弯管几何模型参数

在入口处随机释放Cu²⁺、电子和金属“大颗粒”物质(假设其质量为铜原子的10倍且不带电)，释放数量分别为5000、5000、500，其中Cu²⁺的初速度为5eV，电子的初速度为10eV，大颗粒物质的初速度为3896.5m/s。

以图1为基准，粒子由弧源释放后，首先进入磁聚集单元，磁聚集单元对弧源释放的等离子体进行一定的约束，使粒子从金属弯管中心位置(优选的，与管径同心半径为3cm的圆形区域)入射。粒子从磁偏转单元的管径中心位置进入后，在磁场的作用下，Cu²⁺发生偏转，电子围绕磁感线作螺旋前进的运动，顺利通过磁偏转单元，而金属大颗粒物质作直线运动被磁偏转单元的金属弯管所截留。

等离子体被初步过滤后基本只剩下离子和电子，紧接着进入离子加速区；优选的，给离子加速栅网通入-10kV电压(见图2(c)中左侧负压栅)，电子在电场的作用下能量逐渐减弱并反向运动，从而过滤电子，而Cu²⁺因带正电在电场作用下加速通过栅网进入下一区域。通过离子加速栅网的Cu²⁺进入离子引出区域，优选的，离子引出栅通入20V电压(见图2(c)中右侧正压栅)，Cu²⁺经过加速后通过离子引出栅网再次被加速而注入被镀工件。该装置的Cu²⁺粒子引出率为37.26％，电子和大颗粒均被阻挡而无引出。

粒子引出至基片表面的分布位置如图4所示，可以看到，使用该装置进行离子注入沉积，Cu²⁺沉积在基片的位置较为均匀，由此可获得更高质量的膜层。

实施例5

在实施例1和实施例2的基础上，本实施例中使用COMSOL软件进行建模得到实施例1所述基于过滤弧源的离子注入沉积装置的几何模型，模型参数如下表3所示。该模型的入口设置在左下方，右上方为出口。

表3Cr⁺粒子引出弯管几何模型参数

在入口处随机释放Cr⁺、电子和金属“大颗粒”物质(假设其质量为铬原子的10倍且不带电)，释放数量分别为5000、5000、500，其中Cr⁺的初速度为10eV，电子的初速度为10eV，大颗粒物质的初速度为6091.8m/s。

以图1为基准，粒子由弧源释放后，首先进入磁聚集单元，磁聚集单元对弧源释放的等离子体进行一定的约束，使粒子从金属弯管中心位置(优选的，与管径同心半径为3cm的圆形区域)入射。粒子从磁偏转单元的管径中心位置进入后，在磁场的作用下，Cr⁺发生偏转，电子围绕磁感线作螺旋前进的运动，顺利通过磁偏转单元，而金属大颗粒物质作直线运动被磁偏转单元的弯管所截留。

等离子体被初步过滤后基本只剩下离子和电子，紧接着进入离子加速区；优选的，给离子加速栅网通入-10kV电压(见图2(c)中左侧负压栅)，电子在电场的作用下能量逐渐减弱并反向运动，从而过滤电子，而Cr⁺因带正电在电场作用下加速通过栅网进入下一区域。通过离子加速栅网的Cr⁺进入离子引出区域，优选的，离子引出栅网通入20V电压(见图2(c)中右侧正压栅)，Cr⁺经过加速后通过离子引出栅再次被加速而注入被镀工件。该装置的Cr⁺粒子引出率为35.66％，电子和大颗粒均被阻挡而无引出。

粒子引出至基片表面的分布位置如图5所示，可以看到，使用该装置进行离子注入沉积，Cr⁺沉积在基片的位置较为均匀，由此可获得更高质量的膜层。

实施例6

在实施例1和实施例2的基础上，本实施例中使用COMSOL软件进行建模得到实施例1所述基于过滤弧源的离子注入沉积装置的几何模型，其中弯管的偏转角度为75°，模型参数如下表4所示。该模型的入口设置在左下方，右上方为出口。

表4Cr³⁺粒子引出弯管几何模型参数

在入口处随机释放Cr³⁺、电子和金属“大颗粒”物质(假设其质量为铬原子的10倍且不带电)，释放数量分别为5000、5000、500，其中Cr³⁺的初速度为10eV，电子的初速度为10eV，大颗粒物质的初速度为6091.8m/s。

以图1为基准，粒子由弧源释放后，首先进入磁聚集单元，磁聚集单元对弧源释放的等离子体进行一定的约束，使粒子从金属弯管中心位置(优选的，与管径同心半径为3cm的圆形区域)入射。粒子从磁偏转单元的管径中心位置进入后，在磁场的作用下，Cr³⁺发生偏转，电子围绕磁感线作螺旋前进的运动，顺利通过磁偏转单元，而金属大颗粒物质作直线运动被磁偏转单元的金属弯管所截留。

等离子体被初步过滤后基本只剩下离子和电子，紧接着进入离子加速区；优选的，给离子加速栅网通入-2kV电压(见图2(c)中左侧负压栅)，电子在电场的作用下能量逐渐减弱并反向运动，从而过滤电子，而Cr³⁺因带正电在电场作用下加速通过栅网进入下一区域。通过离子加速栅网的Cr³⁺进入离子引出区域，优选的，离子引出栅网通入5V电压(见图2(c)中右侧正压栅)，Cr³⁺经过加速后通过离子引出栅再次被加速而注入被镀工件。该装置的Cr^{3 +}粒子引出率为38.68％，电子和大颗粒均被阻挡而无引出。

粒子引出至基片表面的位置分布如图6所示，可以看到，使用该装置进行离子注入沉积，Cr³⁺沉积在基片的位置较为均匀，由此可获得更高质量的膜层。

实施例7

在实施例1和实施例2的基础上，本实施例中使用COMSOL软件进行建模得到实施例1所述基于过滤弧源的离子注入沉积装置的几何模型，其中弯管的偏转角度为45°，模型参数如下表5所示。该模型的入口设置在左下方，右上方为出口。

表5Ti⁺粒子引出弯管几何模型参数

在入口处随机释放Ti⁺、电子和金属“大颗粒”物质(假设其质量为钛原子的10倍且不带电)，释放数量分别为5000、5000、500，其中Ti⁺的初速度为15eV，电子的初速度为10eV，大颗粒物质的初速度为7776.1m/s。

以图1为基准，粒子由弧源释放后，首先进入磁聚集单元，磁聚集单元对弧源释放的等离子体进行一定的约束，使粒子从金属弯管中心位置(优选的，与管径同心半径为3cm的圆形区域)入射。粒子从磁偏转单元的管径中心位置进入后，在磁场的作用下，Ti⁺发生偏转，电子围绕磁感线作螺旋前进的运动，顺利通过磁偏转单元，而金属大颗粒物质作直线运动被磁偏转单元的金属弯管所截留。

等离子体被初步过滤后基本只剩下离子和电子，紧接着进入离子加速区；优选的，给离子加速栅网通入-50kV电压(见图2(c)中左侧负压栅)，电子在电场的作用下能量逐渐减弱并反向运动，从而过滤电子，而Ti⁺因带正电在电场作用下加速通过栅网进入下一区域。通过离子加速栅网的Ti⁺进入离子引出区域，优选的，离子引出栅网通入35V电压(见图2(c)中右侧正压栅)，Ti⁺经过加速后通过离子引出栅网再次被加速而注入被镀工件。该装置的Ti⁺粒子引出率为36.08％，电子和大颗粒均被阻挡而无引出。

粒子引出至基片表面的位置分布如图7所示，可以看到，使用该装置进行离子注入沉积，Ti⁺沉积在基片的位置较为均匀，由此可获得更高质量的膜层。

本发明方案不仅可用于微机电系统、航空航天、生物材料、柔性电子等领域，还可应用于食品包装膜等其他领域，且该装置的阵列使用能满足大面积器具镀膜的需求，其技术应用领域广阔，有很好的应用前景。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于过滤弧源的离子注入沉积装置，其特征在于，包括磁聚集单元、磁偏转单元、离子加速栅网和离子引出栅网，

所述磁聚集单元用于对弧源释放的等离子体进行聚集以使等离子体以预设的位置入射磁偏转单元，磁聚集单元包括磁聚集腔体以及螺旋缠绕在磁聚集腔体上的第一线圈组以提供粒子聚集所需磁场；

所述磁偏转单元位于所述磁聚集单元的出口处，用于对等离子体进行过滤，磁偏转单元包括与磁聚集腔体相通的磁偏转腔体以及螺旋缠绕在磁偏转腔体上的第二线圈组以提供粒子偏转所需磁场；

离子加速栅网和离子引出栅网依次设置在所述磁偏转单元的出口处，离子加速栅网的加载电压为-100 kV ~ -2 kV，离子引出栅网的加载电压为5 V ~ 60 V；

所述磁聚集腔体为金属腔体，所述磁聚集腔体的出口面积小于入口面积；

所述磁偏转单元包括金属弯管，金属弯管固定连接在磁聚集单元后方，第二线圈组缠绕在所述金属弯管上，金属弯管内部为所述磁偏转腔体，对大颗粒物质起阻挡作用；

离子加速栅网和离子引出栅网位于腔体管道内，所述离子加速栅网设于磁偏转单元后方5~40 cm处，所述离子引出栅网设于离子加速栅网后方5~40 cm处且工作时位于待镀工件前方2~20 cm处。

2.根据权利要求1所述的基于过滤弧源的离子注入沉积装置，其特征在于，所述金属弯管的弯曲角度为45°~75°。

3.根据权利要求1所述的基于过滤弧源的离子注入沉积装置，其特征在于，等离子体从磁偏转腔体的中心位置入射磁偏转单元。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于过滤弧源的离子注入沉积装置，其特征在于，第一线圈组、第二线圈组、离子加速栅网以及离子引出栅网的材质为耐高温金属。

5.一种基于过滤弧源的离子注入沉积方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一所述的沉积装置，所述方法包括以下步骤：

在真空的环境条件下，由任意一弧源释放出等离子体，其中包括金属大颗粒物质、中性原子、电子以及离子；

磁聚集单元对弧源释放的等离子体进行约束，使粒子从磁偏转腔体入射；

离子在磁偏转单元磁场的作用下发生偏转，电子围绕磁感线作螺旋前进的运动，通过磁偏转单元，其中，带少量电荷或不带电的金属大颗粒和中性原子不会因磁场发生偏转，会直接撞击磁偏转腔体管壁而被过滤；

被磁偏转单元初步过滤后的等离子体进入离子加速栅网作用区域，电子在离子加速栅网在电场的作用下能量逐渐减弱并反向运动，从而过滤电子，而离子因带正电在电场作用下加速通过离子加速栅网；

通过离子加速栅网的离子进入离子引出栅网，离子经过离子引出栅网再次被加速，并注入被镀工件。