专利名称：一种用于工业生产中制备超硬薄膜的离子源装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种工业生产中的纳米尺度金刚石离子镀膜系统中的离子源装置，尤其涉及一种制备超硬非晶碳薄膜的离子源装置。
在现有的各种工业镀膜方法中，电弧镀以其离化率高、结构简单而见长。但由于电弧在放电过程中会导致产生大的颗粒，大颗粒的数量可达10000/平方厘米，大大影响成膜的质量和膜的附着力，降低膜的抗腐蚀性、致密度和均匀性等特性，这使得目前利用该放电方式形成的多弧离子镀技术不能制作很高质量的膜，从而使该项技术的发展受到了很大限制，以致几乎无法在微电子等微细加工领域应用。电弧镀是采用电弧放电方式在阴极靶面上形成弧斑，进而生成碳等离子体，再通过样品加偏压的方法，使离子沉积在样片表面，形成薄膜。其电弧放电方式采用脉冲放电和直流放电均可。这种利用电弧放电形成的等离子体，使工件表面沉积薄膜的方式即称为电弧镀或多弧镀技术。现有该类技术的缺点主要表现于1、等离子体弥漫在整个工作室空间，电离效率和等离子体利用率较低；2、由于电弧放电过程中产生大量的大颗粒，而工件被等离子体包围，则放电产生的大颗粒粒子可能沉积在工件的表面，从而影响所形成膜层的质量；3、阴极靶表面蒸发的原子或分子，以及其他吸附在表面的杂质都可能沉积在工件的表面，也会影响所形成膜层的质量和膜层的附着力，降低膜的抗腐蚀性；4、采用现有技术形成的膜，膜层厚度控制精度不高，其表面膜层的致密度、均匀性也无法控制，因此无法达到高密度、高均匀性的要求。
本实用新型的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种电离效率高，离子可控制，所形成膜的均匀性和致密性高、附着力强的制备超硬薄膜的离子源装置。
本实用新型的设计方案如下一种用于工业生产中制备超硬薄膜的离子源装置，包括离子发生器和离子引出装置，所述离子发生器包括离子原及产生电离作用的阴极14和阳极4，所述阴极14和阳极4外部分别设置有水冷装置16和3，其特殊之处在于所述阴极14表面为阴极靶面12，所述阳极为筒状放电室9，所述离子引出装置包括设置于放电室9顶部的引出栅极2。
上述的离子源为固体离子源装置，其可包括产生离子的阴极14，所述可固体离子源装置还可包括引弧装置和弧斑束缚磁场13，所述引弧装置包括可与阴极靶面12接触引弧的引弧杆10，所述引弧杆10与步进电机11相连，所述弧斑束缚磁场13设置于阴极14外部。
上述弧斑束缚磁场13可由聚弧线圈构成。
上述离子引出装置的引出栅极2外端可设置电磁滤质器1。
上述离子引出装置出口处可设置电场扫描装置和预偏装置15。
上述阴极靶面12处可设置靶面自动修磨器，所述靶面修磨器包括设置于铣刀夹头8上的铣刀5及带动铣刀的步进电机7和汽缸6。
上述靶面自动修磨器可包括带动阴极靶面12升降、与升降电机20相连的阴极靶升降夹持装置19及可带动阴极靶面12旋转与旋转电机18相连的旋转轴17。
上述阴极14、阳极4可为石墨或金属材料，所述引出栅极2可为钼材料。
附图
为本实用新型的结构示意图。
下面将结合附图对本实用新型作进一步详述本实用新型的工作原理利用引弧杆(10)与阴极靶面(12)的瞬间接触，促使阴极靶面(12)产生电弧放电，当引弧杆(10)离开阴极靶面(12)后，阴极靶面(12)与阳极(4)形成电弧放电方式，阴极靶面(12)将产生电弧斑点。利用电弧放电产生电弧斑点，可从作为阴极(14)的固体靶面(12)直接将碳蒸发，产生碳蒸发，产生碳等离子体，放电电流可达20-100安培，形成高密度的等离子体，离化率可达60-90％，放电气压在1×10-5Torr，离子引出能量可以通过引出电压调节。
参见附图，本实用新型主要由阴极(14)、阳极(4)、引弧杆(10)、靶面自动修磨器、靶面升降机构、水冷装置(3)和(16)、弧斑束缚磁场(13)等构成。阴极(14)由若干个纯度为99.99％的石墨圆盘组成，阳极(4)由一个纯度为99.99％的石墨套组成，引弧杆(10)由一个钼棒制成，通过步进电机(11)控制，靶面自动修磨器由铣刀(5)、步进电机(7)构成，靶面升降机构由升降电机(20)控制，阴极(14)和阳极(4)分别加有水冷装置(16)和(3)，为使放电弧斑围绕阴极靶面(12)旋转，不跑出靶面，在阴极(14)外面加有一个弧斑束缚磁场(13)，束缚弧斑做圆周运动。在高度为1.5∶1的阳极(4)构成的放电室(9)内，电子向阳极(4)运动的同时进一步被电离，被电离的碳离子轰击阴极靶面(12)进一步加强了电弧放电，形成30eV能量的等离子体。碳离子源的引出栅极(2)做成均匀分布的栅网状，可以均匀的引出离子束流，并加速沉积在基片上，形成超硬的类金刚石薄膜。离子源的阴极采用固体材料，除石墨之外，还可以采用钛、铁等其他材料作阴极，为制备复合膜，可增设坩锅，同时引入其他金属蒸气。为了达到去掉放电产生的大的石墨颗粒，可设置电磁滤质器(1)，达到有效地过滤掉不需要的大颗粒和中性的原子，使到达样品靶上的是理想的碳离子，从而可使渡层有很高的质量，采用这种方法可以沉积2纳米到几微米结构的类金刚石和金刚石薄膜，使得薄膜表面清洁、无大颗粒存在。在离子源出口处可设置电磁扫描装置，从而保证了可以沉积大面积样品和好的膜层均匀性，其均匀性可达到±1％，可以满足纳米尺度的镀膜要求。为了提高膜层的附着力，增加离子能量，除引出电压外，还可通过预偏装置在样品上加偏压，偏压可采用DC和RF两种方式，可以针对不同的样品选用。DC输出电压从0-1000伏可调，电流为10安培；RF电源频率100-1KHz可调，输出电压100-5000伏可调，脉冲占宽比10s，峰值电流10A。采用冷阴极离子源，对样品无污染，寿命长。利用本实用新型沉积的膜层厚度从2nm到μm可控；沉积的温度低于80℃；沉积膜的密度可达3-4g/cm2；膜的硬度75Gpa；杨氏模量700Gpa；压应力3-8Gpa；包含的sp3成分达85％；磨擦系数0.08；反射系数2.7；电阻率108-1010Ω.cm；光学带隙2.6eV；表现平整度0.2nm；耐磨性0.7-1×108mm3/Nm；沉积速度1nm/s，在60×60面积上。
本实用新型与现有技术相比具有如下优点1、阴极靶面产生的等离子体被约束在阳极形成的放电室内进行电离，提高了电离效率和等离子体密度，离化率可达60～90％；2、通过离子源引出极引出的是通过等离子体鞘层的纯碳离子，离子带有正电荷，因此可以通过电磁场对其进行加速、扫描等控制处理；3、离子源引出的离子束流可以被聚焦成束，以离子束流的方式被引出；4、电弧放电产生的部分大颗粒被引出栅极挡掉，在放电室内被处理，少部分通过栅极的大颗粒则可以通过滤质器滤掉；5、由于从放电室等离子体中引出的是离子，因此镀膜过程是离子沉积，由于滤质器滤掉了中性原子，因此本设备是纯离子镀膜，有很高的膜的附着力和膜的致密度；6、由于是离子沉积，因此可以随意控制所形成膜的均匀性及厚度，使其达到高均匀性、高密度，易于制备复合膜。
权利要求1.一种用于工业生产中制备超硬薄膜的离子源装置，包括离子发生器和离子引出装置，所述离子发生器包括离子原及产生电离作用的阴极(14)和阳极(4)，所述阴极(14)和阳极(4)外部分别设置有水冷装置(16)和(3)，其特征在于所述阴极(14)表面为阴极靶面(12)，所述阳极为筒状放电室(9)，所述离子引出装置包括设置于放电室(9)顶部的引出栅极(2)。
2.如权利要求1所述的一种用于工业生产中制备超硬薄膜的离子源装置，其特征在于所述的离子源为固体离子源装置，其包括产生离子的阴极(14)，所述固体离子源装置还包括引弧装置和弧斑束缚磁场(13)，所述引弧装置包括可与阴极靶面(12)接触引弧的引弧杆(10)，所述引弧杆(10)与步进电机(11)相连，所述弧斑束缚磁场(13)设置于阴极(14)外部。
3.如权利要求2所述的一种用于工业生产中制备超硬薄膜的离子源装置，其特征在于所述弧斑束缚磁场(13)由聚弧线圈构成。
4.如权利要求1或2所述的一种用于工业生产中制备超硬薄膜的离子源装置，其特征在于所述离子引出装置的引出栅极(2)外端设置有电磁滤质器(1)。
5.如权利要求4所述的一种用于工业生产中制备超硬薄膜的离子源装置，其特征在于所述离子引出装置出口处设置有电场扫描装置和预偏装置(15)。
6.如权利要求5所述的一种用于工业生产中制备超硬薄膜的离子源装置，其特征在于所述阴极靶面(12)处设置有靶面自动修磨器，所述靶面修磨器包括设置于铣刀夹头(8)上的铣刀(5)及带动铣刀的步进电机(7)和汽缸(6)。
7.如权利要求6所述的一种用于工业生产中制备超硬薄膜的离子源装置，其特征在于所述靶面自动修磨器包括可带动阴极靶面(12)升降、与升降电机(20)相连的阴极靶升降夹持装置(19)及可带动阴极靶面(12)旋转与旋转电机(18)相连的旋转轴(17)。
8.如权利要求7所述的一种用于工业生产中制备超硬薄膜的离子源装置，其特征在于所述阴极(14)、阳极(4)为石墨或金属材料，所述引出栅极(2)为钼材料。
专利摘要一种用于工业生产中制备超硬薄膜的离子源装置,包括离子发生器和离子引出装置,离子发生器包括离子原及产生电离作用的阴极和阳极,阴极和阳极外部分别设置有水冷装置,阴极表面为阴极靶面,阳极为筒状放电室,离子引出装置包括设置于放电室顶部的引出栅极。本实用新型电离效率高,离子可控制,所形成膜的均匀性和致密性高、附着力强。
文档编号C23C14/32GK2496878SQ0124704
公开日2002年6月26日 申请日期2001年9月14日 优先权日2001年9月14日
发明者赵玉清 申请人:陕西百纳科技发展有限责任公司