一种金属等离子体源及其应用
【技术领域】
[0001]本申请涉及离子镀膜领域，特别是涉及一种金属等离子体源及其应用。
【背景技术】
[0002]常规的磁控溅射在镀膜过程中绝大多数粒子以原子形式存在，可得到性能良好的薄膜，但是原子的能量、方向不可控，导致镀膜的可控性较差。另一种重要的镀膜手段，即阴极弧离子镀技术，可得到几乎完全离化的束流，束流的能量、方向可控，但是电弧热导致部分溅射材料来不及气化，从而以“液滴”的形式存在于离子束流中，在薄膜上形成缺陷“大颗粒”，对薄膜的质量产生严重的影响。
[0003]为此，本申请在之前的研究中提出了一种具有良好性能的圆筒形等离子体源，参见专利申请201410268732.9和201410268695.1，改进的圆筒形等离子体源，主要针对磁控溅射和阴极弧离子镀两种传统等离子体镀膜技术存在的缺陷进行设计。采用圆筒形等离子体源可将溅射限制在筒形靶材内部，溅射材料在腔内反复碰撞、离化，产生大量的离子，采用引出栅将腔内离子引出、加速并沉积在工件表面。采用圆筒形等离子体源可以有效提高材料的离化率，确保引出的束流中100%是离子；同时在圆筒腔内出现的“打弧”以及所产生的“金属液滴”不会喷溅到工件上，而是直接沉积在圆筒腔内的靶面上，这样既保证了薄膜不受“大颗粒”的影响，也减少了材料的浪费；此外，引出的束流离开了磁控靶的靶电压鞘层，不会被回吸到靶表面，从而提高了束流密度。
[0004]但是，在后续的研究和实践中发现，专利申请201410268732.9和201410268695.1中的圆筒形等离子体源，在起辉放电过程中，产生的电子迅速从两端逃逸，从而难以维持靶面较高的等离子体密度，使得放电较困难，尤其是较高功率下，等离子体源工作不稳定。
【发明内容】
[0005]本申请的目的是提供一种结构改进的金属等离子体源及其应用。
[0006]本申请采用了以下技术方案:
[0007]本申请的一方面公开了一种金属等离子体源，包括外壳、磁控靶和电子阻挡屏极；外壳呈中空的圆柱筒状，磁控靶铺设于外壳的中空的内腔中，且不与外壳导通；电子阻挡屏极由导电材料制备，同样设置于外壳的中空内腔中，并且电子阻挡屏极为片状，电子阻挡屏极垂直安装于磁控靶的两端；电子阻挡屏极与磁控靶导通，或者电子阻挡屏极与磁控靶不导通，电子阻挡屏极单独连接负电压。
[0008]需要说明的是，本申请的关键在于增加电子阻挡屏极，以阻止电子逃逸；因此，其它组件，如磁性元件、铜套、熄弧罩、冷却系统、磁钢和引出电场正极等，都可以参考现有的圆筒形等离子体源，在此不累述。尤其是，本申请是在专利申请201410268732.9和201410268695.1的基础上改进的，因此，可以参考该两件专利申请中的金属等离子体源或离子镀膜装置。当然，可以理解，本申请的增加电子阻挡屏极的金属等离子体源，其结构并不仅限于专利申请201410268732.9和201410268695.1所记载的金属等离子体源或离子镀膜装置。需要补充说明的是，在专利申请201410268732.9和201410268695.1中，其等离子体源，又称为金属离子源，与本申请的金属等离子体源是相同的。
[0009]需要说明的是，本申请的关键在于，在磁控靶的两端增加电子阻挡屏极，使得电子在通过不闭合磁控跑道处外溢时，受到电子阻挡屏极的阻挡，并被反射回到金属等离子体源内部，起到降低放电起辉条件的目的；由于电子阻挡屏极的阻挡，避免了电子从两端逃逸，有效的维持了靶面的等离子体密度，离子源工作稳定，能够满足高功率离子镀膜装置或真空镀膜系统的使用需求。本申请中，导通是指各组件之间导电连接，不导通是指各组件之间绝缘连接。
[0010]优选的，电子阻挡屏极其伸出的末端到磁控靶的垂直距离Η为5-30mm。
[0011]需要说明的是，电子阻挡屏极是垂直固定在磁控靶的两端的，并且，在两端的电子阻挡屏极在外壳内腔内围成一圈的情况下，其伸出的末端到磁控革巴的垂直距离为5-30mm，也就是内圈环面到靶材表面的垂直距离。
[0012]优选的，电子阻挡屏极的厚度为0.2-12mm。
[0013]优选的，电子阻挡屏极由不锈钢、Cu、A1、V、T1、Cr、Mn、N1、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au、Fe、N1、Co、V、Ru、Rh、Pb、C 和稀土中的至少一种制备而成。
[0014]优选的，本申请的金属等离子体源还包括辅助离化放电装置，用以增加溅射材料的离化率；该辅助离化放电装置为射频天线装置、电感耦合离化装置、电容耦合离化装置和微波装置中的至少一种。
[0015]需要说明的是，本申请的辅助离化放电装置其目的是增加溅射材料的离化率，可以理解，只要是能够起到该作用的装置，如射频天线装置、电感耦合离化装置、电容耦合离化装置和微波装置都可以用于本申请，其安装方式可以参考常规的金属等离子体源的安装方式，在此不累述。
[0016]优选的，本申请的金属等离子体源还包括网孔状的引出栅，引出电场正极固定在圆柱筒状外壳的一端，引出栅固定在圆柱筒状外壳的另一端，引出栅采用绝缘材料与外壳固定连接。
[0017]需要说明的是，其中引出栅是用于连接引出电源的负极的，以便于将离子束流引出，而引出栅设计成网孔状，是便于在使用时，离子束流通过引出栅到达正对着引出栅的工件上，实现沉积镀膜。使用时，磁控靶连接磁控溅射电源，引出栅接引出电源，由于磁控靶是设计呈圆筒状的，即安置在圆筒状的外壳内，整个溅射过程都在磁控靶围成的空腔内进行，只有离化的粒子才能被引出栅引出到达工件，因此可以得到100%离化的束流；与此同时，即便偶尔发生“打弧”，也是在圆柱筒内部，“金属液滴”也不会喷溅到工件上；此外，引出的束流离开了磁控靶的靶电压鞘层，不会被再吸附回磁控靶表面，从而提高了束流密度。
[0018]优选的，本申请的金属等离子体源还包括法拉第杯，法拉第杯与外壳固定连接，且法拉第杯于引出栅之后，引出栅位于法拉第杯和外壳之间。
[0019]需要说明的是，法拉第杯是用于测量离子束流的量的，以实现引出离子束流可控；可以理解，要实现法拉第杯的测量，还必须要连接一个示波器，用于显示测量的引出离子束流的强度，示波器可以选择配置，在本申请中不作具体限定。
[0020]本申请的另一面还公开了采用本申请的金属等离子体源的离子镀膜装置。
[0021 ] 优选的，本申请的离子镀膜装置中，金属等离子体源的供电方式为高功率脉冲磁控溅射、直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射和复合脉冲磁控溅射中的至少一种。
[0022]本申请的另一面还公开了采用本申请的金属等离子体源的真空镀膜系统。
[0023]优选的，本申请的真空镀膜系统中，金属等离子体源的供电方式为高功率脉冲磁控溅射、直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射和复合脉冲磁控溅射中的至少一种。
[0024]本申请的有益效果在于:
[0025]本申请的金属等离子体源，在磁控靶的两端增加电子阻挡屏极，当逃逸电子到达屏极附近时，被电子阻挡屏极反射回金属等离子体源内部，起到降低放电起辉条件的目的。电子阻挡屏极的阻挡，避免了电子从两端逃逸，有效的增加了靶面的等离子体密度，电子密度的增加进