一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置及使用其进行注入与沉积的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种离子注入处理装置和方法。
【背景技术】
[0002]金属等离子体浸没离子注入是通过磁导管将金属等离子体引入真空处理室，工件浸没在等离子体中，在脉冲负偏压的作用下，离子被加速并注入到工件表面。目前，MePIII技术已广泛应用于金属、半导体的表面改性，而对于绝缘材料自身导电性能较差，通常需要用金属靶台来提供脉冲负偏压实现绝缘材料表面的离子注入。但由于绝缘材料自身电容效应，以及离子注入过程中正电荷在绝缘材料表面积累，降低了绝缘材料表面电势，注入离子能量减小，影响绝缘材料最终注入效果。可以采用辅助金属栅网的方法来降低绝缘材料表面电荷的积聚强度，提高离子注入的能量。由于金属等离子体是通过脉冲阴极弧金属等离子体源产生的，在高压脉冲间歇阶段也不存在金属等离子体，无法实现绝缘材料表面积累电荷的中和，当表面积累电荷量增加到一定程度时可能产生“打火”，严重时会使设备损坏。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是要解决现有对绝缘材料进行金属等离子体浸没离子注入时无法实现绝缘材料表面积累电荷的中和，当表面累积电荷量增加一定程度时可能产生“打火”现象，严重时会使设备损坏的问题，而提供一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置及使用其进行注入与沉积的方法。
[0004]一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置包括气体等离子体源、金属栅网、高压靶台、被处理绝缘工件、负高压脉冲源、磁导管、金属阴极弧等离子体源、真空室和进气口 ；
[0005]所述的真空室内设有金属栅网、高压靶台和被处理绝缘工件；被处理绝缘工件安装在高压靶台上方，金属栅网罩在高压靶台上方，且与高压靶台相连接；
[0006]所述的气体等离子体源和进气口分别与真空室相连通；
[0007]所述的负高压脉冲源与高压靶台相连通；
[0008]所述的磁导管与真空室相连通，磁导管内设有金属阴极弧等离子体源。
[0009]利用一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置对绝缘材料进行金属等离子体浸没离子注入与沉积的方法是按以下步骤完成的:
[0010]一、将被处理绝缘工件固定在真空室内的高压靶台上，金属栅网罩在高压靶台上方，且与高压靶台相连接；将钛阴极安装在金属阴极弧等离子体源处，抽真空至真空室内的真空度为I X 10 3Pa以下，通过进气口向真空室内通入1sccm?50sccm的氩气，调节真空室内的真空度为0.5Pa?2Pa ；
[0011]二、打开气体等离子体源，将气体等离子体源的功率调节至200W?400W，调节真空室内的气压，使得真空室内的真空度为0.05Pa?0.1Pa ；
[0012]三、设定工作参数:
[0013]将负高压脉冲源的脉冲电压设定为1kV?30kV，脉宽设定为100 μ s?400 μ S，频率设定为1Hz?50Hz，高压延时设定为10 μ s?60 μ s ;将高压靶台的自转速度设定为0.5r/min?5r/min ;将金属阴极弧等离子体源的主弧电压设定为50V?80V，主弧脉宽设定为 100 μ s ?400 μ s ；
[0014]四、启动:启动负高压脉冲源、高压靶台和金属阴极弧等离子体源，对被处理绝缘工件进行金属等离子体浸没离子注入，注入时间为0.5h?5h，得到注入钛离子后的被处理绝缘工件。
[0015]本发明的原理:
[0016]本发明向真空室中通入氩气，通过金属阴极弧等离子体源发生的电感耦合射频放电方式在真空室中产生高密度Ar等离子体，负高压脉冲源产生的脉冲高压间歇阶段，金属栅网和高压靶台均没有高压，此时Ar等离子体扩展到被处理绝缘工件的表面，Ar等离子体中的负电子与表面积累的正电荷相互中和，消除被处理绝缘工件表面累积的电荷，防止了金属等离子体浸没离子注入中在被处理绝缘工件表面发生的“打火”现象。
[0017]本发明的优点:
[0018]一、本发明通过金属栅网可以有效改善被处理绝缘工件的注入效果，降低被处理绝缘工件表面电荷积聚的程度，提高离子注入能量；离子注入过程中通过高压靶台旋转能够实现大面积被处理绝缘工件的金属离子均匀注入；而且负高压脉冲源脉冲间歇阶段，利用Ar等离子体中和被处理绝缘工件表面积累电荷的方法能降低注入过程中被处理绝缘工件表面发生“打火”的概率；
[0019]二、本发明得到的注入钛离子后的被处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷表层Ti元素的深度为250nm左右，且呈现类高斯分布，Ti元素在氧化铝陶瓷表面的原子浓度约为6.7%，在注入深度40nm左右，Ti元素浓度达到峰值，Ti原子百分含量达13%。
[0020]本发明适用于在绝缘材料表面进行大面积金属离子注入与沉积。
【附图说明】
[0021]图1为【具体实施方式】一所述的一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置的结构示意图；图1中I为气体等离子体源，2为金属栅网，3为高压靶台，4为被处理绝缘工件，5为负高压脉冲源，6为磁导管，7为金属阴极弧等离子体源，8为真空室，9为进气P ;
[0022]图2为利用一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置对绝缘材料进行金属等离子体浸没离子注入与沉积过程中被处理绝缘工件中表面积累积电荷的结构示意图；图2中2为金属栅网，3为高压靶台，4为被处理绝缘工件，10为被处理绝缘工件表面积累的正电荷；
[0023]图3为利用一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置对绝缘材料进行金属等离子体浸没离子注入与沉积过程中被处理绝缘工件中中和表面累积电荷的结构示意图；图3中2为金属栅网，3为高压靶台，4为被处理绝缘工件，10为被处理绝缘工件表面积累的正电荷，11为气体等离子体源产生的Ar等离子体中的负电荷；
[0024]图4为实施例一步骤四得到的注入钛离子后的被处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷表层XPS元素深度分布图，图4中I为实施例一步骤四得到的注入钛离子后的被处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷表层O元素深度分布图，2为实施例一步骤四得到的注入钛离子后的被处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷表层Al元素深度分布图，3为实施例一步骤四得到的注入钛离子后的被处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷表层Ti元素深度分布图。
【具体实施方式】
[0025]【具体实施方式】一:本实施方式是一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置包括气体等离子体源1、金属栅网2、高压靶台3、被处理绝缘工件4、负高压脉冲源5、磁导管6、金属阴极弧等离子体源7、真空室8和进气口 9 ;
[0026]所述的真空室8内设有金属栅网2、高压靶台3和被处理绝缘工件4 ;被处理绝缘工件4安装在高压靶台3上方，金属栅网2罩在高压靶台3上方，且与高压靶台3相连接；
[0027]所述的气体等离子体源I和进气口 9分别与真空室8相连通；
[0028]所述的负高压脉冲源5与高压靶台3相连通；
[0029]所述的磁导管6与真空室8相连通，磁导管6内设有金属阴极弧等离子体源7。
[0030]本实施方式的原理:
[0031]本实施方式向真空室8中通入氩气，通过金属阴极弧等离子体源7发生的电感耦合射频放电方式在真空室8中产生高密度Ar等离子体，负高压脉冲源5产生的脉冲高压间歇阶段，金属栅网2和高压靶台3均没有高压，此时Ar等离子体扩展到被处理绝缘工件4的表面，Ar等离子体中的负电子与表面积累的正电荷相互中和，消除被处理绝缘工件4表面累积的电荷，防止了金属等离子体浸没离子注入中在被处理绝缘工件4表面发生的