CN1560320A - 一种等离子体磁场过滤装置 - Google Patents

Abstract

一种等离子体磁场过滤装置，属真空及等离子体沉积装备技术领域，含真空腔体、线圈和微粒吸附环柱，线圈套在圆管形的真空腔体外，真空腔体内装有由多片内径逐渐增大的微粒吸附环叠合而成的微粒吸附环柱，结构简单和性能好：能有效地过滤等离子体中的中性微粒、等离子体密度大、传输效率高，薄膜沉积速率高、薄膜质量好、阴极靶材利用率高和薄膜制备的成本低。

Description

一种等离子体磁场过滤装置

                    所属技术领域

本发明涉及一种等离子体磁场过滤装置，属真空及等离子体沉积装备技术领域。

                      背景技术

薄膜材料在国防装备、光电子、半导体、信息等高技术领域得到了越来越广泛的应用。其中用真空及等离子体表面技术来制备高性能薄膜材料已成为当今制备薄膜材料的主流。在磁控溅射、阴极电弧沉积、离子束沉积过程中，一般中性原子团或微粒和等离子体包括正离子和电子混合体会一起沉积在衬底上。而较大的微粒混入薄膜后使得薄膜的质量变差，在许多薄膜材料的制备中严重地影响了薄膜材料的性能，从而使其应用受到了限制。特别是对于阴极电弧沉积，大颗粒的存在使得所沉积的薄膜质量变差。为解决此问题，人们已采用了多种方法对等离子体沉积过程中所产生的中性微粒进行过滤。其中较为普遍的是采用带有磁场的弯管过滤装置，包括90°，60°，45°等弯管，见USpatent，No.5279723，“Filtered cathodic arc source”和Steven Falabella and David M.Sanders；(issued，1994)USpatentNo.5433836，“Arc source macroparticle filter”，Philip J.Martin，Roger P.Netterfield，Terence J.Kinder(issued 1995)。而采用了此类弯管过滤器，虽然有效地将中性微粒进行了过滤，使得沉积的薄膜变得干净，但因等离子体经过了较长的路径，使得等离子体的传输效率大大降低，从而使得沉积速率大为降低。同时在沉积过程中绝大部分离子消耗在过滤弯管内壁，也使得阴极靶材的利用率大大降低，这样使得薄膜沉积的生产成本大为提高。

                       发明内容

针对上述背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种等离子体磁场过滤装置，该装置可有效地过滤等离子体中的中性微粒，同时使等离子体密度增强和使其传输效率大大提高，从而使薄膜沉积速率和质量得以提高，这样也使得阴极靶材利用率大大提高，使薄膜制备的成本大为降低。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案。本发明的装置含真空腔体、线圈和微粒吸附环柱，线圈套在圆管形的真空腔体外，真空腔体内装有由多片内径逐渐增大的微粒吸附环叠合而成的微粒吸附环柱。

现详细说明本发明的技术方案。一种等离子体磁场过滤装置，含真空腔体和线圈，其特征在于，它还含微粒吸附环柱，真空腔体是空心圆管，线圈缠绕在真空腔体的外柱面上，微粒吸附环柱由多片外径相同、内径逐渐增大的微粒吸附环以同心的方式叠合而成，微粒吸附环的组成材料是金属，微粒吸附环的中心圆孔为空心结构，微粒吸附环柱的外径与真空腔体的内径相等，微粒吸附环柱通过摩擦以与真空腔体同轴的方式与真空腔体的内壁连接在一起。

本发明的技术方案的进一步特征在于，微粒吸附环的材料是陶瓷。

本发明的技术方案的进一步特征在于，微粒吸附环的中心圆孔为网状结构。

与背景技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的装置结构简单，易于实施，造价便宜。

2、本发明的装置可采用直流电流流过线圈产生的磁场来控制等离子体，使等离子体密度得以提高，从而提高了沉积薄膜的质量。

3、本发明的装置能产生轴向磁场，加上等离子体经过的路径短，使等离子体的传输效率提高，从而提高了薄膜沉积的速率。

4、本发明的装置采用由多层微粒吸附环叠合而成的微粒吸附环柱来有效地吸附等离子体中的中性微粒，使沉积薄膜变得干净。

5、本发明的装置可通过改变磁场的分布来控制等离子体，使阴极靶表面的等离子体增强，提高了阴极靶材的利用率，降低了薄膜沉积的生产成本，同时，过滤后的等离子体的束斑变得大而均匀。

                      附图说明

图1是本发明的等离子体磁场过滤装置的纵中剖结构示意图，其中，1是真空腔体，可作为阳极，2是线圈，3是微粒吸附环柱，A-A处有横剖面。图2是本发明的装置在图1中位于A-A处的横剖面图。图3是本发明的装置的微粒吸附环柱3的仰视图，其中，30是微粒吸附环的中心环。图4是本发明的装置工作时的示意图：阴极溅射或产生电弧等离子体的情况，其中，4是等离子体源，5是等离子体，6是镀膜的真空室，7是衬底基架。图5是本发明的装置工作时的示意图：通电线圈产生磁场的磁力线分布的情况，其中，8是磁力线。

                     具体实施方式

现结合附图详细说明本发明的装置的工作原理。

工作时，将本发明的装置底部与等离子体源4，即阴极靶材如阴极电弧、磁控溅射或离子源连接在一起，上端与镀膜真空室6连接，衬底基架7安置在真空室6内。以阴极电弧为例说明如下：当电弧等离子体产生时，会产生包括正离子和电子等混合的等离子体5，同时也会产生中性原子团或微粒。如图4所示。大部分的微粒射向真空腔体1，即阳极的内表面，如图4所示。当直流电流流过线圈2时，线圈2产生磁场强度为5～500Gauss的磁场，该磁场的磁力线8的分布情况，如图5所示。在该磁场中，等离子体5中电子和正离子环绕磁力线8以螺旋运动的方式通过微粒吸附环柱3，等离子体5中电子和正离子的螺旋运动使运动路径增加，从而增大了微粒与微粒碰撞的几率，使等离子体5密度加大和使中性原子团或小微粒进一步离化。等离子体5中的较大的微粒，由于螺旋半径较大，将被由多片微粒吸附环叠合而成的微粒吸附环柱3所吸附，从而使较大的微粒被过滤掉，如图5所示。这样在位于衬底基架7的衬底的表面上可沉积出高度清洁的薄膜。

本发明的装置因采用了可产生轴向磁场和短程直线型过滤的装置，使等离子体5有效地约束在磁力线8上而通过微粒吸附环柱3，使得等离子体5的传输效率提高，从而使薄膜沉积的速率得以提高。

本发明的装置因外加磁场作用于等离子体源4，即阴极靶材的表面，可增大等离子体5的密度，提高了阴极靶材的利用率和降低了薄膜的生产成本，同时，过滤后的等离子体5的束斑变得大而均匀，有助于提高薄膜沉积的均匀性。

实施例1：真空腔体1为不锈钢圆管，内径为75mm。线圈2：直径为3～6mm铜漆包线，缠绕200-400圈。线圈2的通电电流为1～60安培，所产生的磁场为5～500Gauss。微粒吸附环柱3由5个不锈钢的微粒吸附环组成，5个微粒吸附环的内径分别为70、65、60、55、50mm，间距为5mm。等离子体源4，即阴极靶材是钛。以阴极电弧方式工作，阴极电流为60A。在位于衬底基架7的衬底的表面上可沉积出清洁的钛膜。与传统的90°磁过滤弯管相比，沉积速率可提高60～90％。阴极靶材利用率提高40～60％。沉积均匀面积可扩大8～12％。

实施例2：磁场过滤装置尺寸同实施例1，微粒吸附环柱3由中心圆环为网状结构的不锈钢微粒吸附环叠合而成。当微粒吸附环上加上正10V的电压时，沉积在衬底的表面上的薄膜内非常微小的粒子，如1微米以下的粒子都可被过滤，从而得到非常清洁的薄膜。

实施例3：磁场过滤装置尺寸同实施例1，微粒吸附环柱3由多孔氧化铝陶瓷微粒吸附环叠合而成。等离子体源4，即阴极靶材为高纯石墨(99.9％)，以阴极电弧方式工作，阴极电流为40A。在衬底的表面上可沉积出清洁的类金刚石膜。

Claims (3)

1.一种等离子体磁场过滤装置，含真空腔体(1)和线圈(2)，真空腔体(1)是空心圆管，线圈(2)缠绕在真空腔体(1)的外壁上，其特征在于，它还含微粒吸附环柱(3)，微粒吸附环柱(3)由多片外径相同、内径逐渐增大的微粒吸附环以同心的方式叠合而成，微粒吸附环的组成材料是金属，微粒吸附环的中心圆孔(30)为空心结构，微粒吸附环柱(3)的外径与真空腔体(1)的内径相等，微粒吸附环柱(3)通过摩擦以与真空腔体(1)同轴的方式与真空腔体(1)的内壁连接在一起。

2.根据权利要求1所述的等离子体磁场过滤装置，其特征在于，微粒吸附环的材料是陶瓷。

3.根据权利要求1所述的等离子体磁场过滤装置，其特征在于，微粒吸附环的中心圆孔(30)为网状结构。

Images