一种金属离子源和真空镀膜系统的制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种金属离子源和真空镀膜系统。本申请的金属离子源，将其磁控靶设计成圆筒状，即安装在圆柱筒的外壳内，相应的在外壳内设置磁性元件和冷却系统，并采用引出栅引出离子束流。本申请的金属离子源，将磁控放电相对封闭在圆柱筒内，工作时，利用引出栅将离子束流引出，可以引出100％的离子束流，且束流中不含“金属液滴”；同时，本申请的靶面面积远远大于引出束流面积，引出束流密度大大提高，因此具有不需要过滤装置、快速沉积或大剂量注入的优势，可用于快速常规“束线性”薄膜沉积或大剂量高能离子注入。
【专利说明】一种金属离子源和真空镀膜系统
【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离子源和真空镀膜系统。
【背景技术】
[0002]金属离子源的开发最早开始于1982年，美国伯克利劳伦兹国家实验室的1.G.Brown首次设计了金属蒸发弧离子源，俗称MeVVA源，开始了基于金属离子的注入与薄膜沉积工作(BrownIG.Metalvaporvacuumarc1nsource.Rev.Sc1.1nstrum.，1986，57 (6): 1069-1084)。随后，金属离子注入与沉积技术广泛应用于工具、模具、机械防护等工业工程领域，半导体、薄膜太阳能电池、锂电池，以及手机、手表、照明等日常生活中，体现出巨大的市场价值。
[0003]但是，MeVVA源结构相对复杂，且其是基于真空电弧放电原理开发的，受到冷却条件和靶结构的限制，其放电脉冲较短，单位时间内的输出剂量有限，效率较低，最初只是用在半导体等材料的注入与掺杂上。后来研究人员又基于阴极弧的原理开发了脉冲阴极弧金属离子源，并将金属离子的应用扩展到常规的薄膜沉积领域，但是阴极弧产生的电弧热，使得产生的金属离子束流中含有大量的“金属液滴”，喷溅出来对沉积的薄膜造成破坏。这时，美国专利US5279723公开了一种添加磁过滤系统的脉冲阴极弧金属离子源，用于过滤由电弧热产生的“金属液滴”，但是过滤管又造成沉积效率大大降低，“液滴”和效率形成一对不可调和的矛盾。之后也有一些研究者开发基于蒸发镀膜和磁控溅射放电的金属离子源，公开于专利CN1030777C中，由于常规蒸发镀膜和磁控溅射技术获得的均为金属原子，所以需要增加额外的离化装置，虽然可以实现一定原子的离化，但是效率不高，同时附加的装置还会在镀膜过程中形成“阴影效应”等。
[0004]1999年V.Kouznetsov等人提出了高功率脉冲磁控派射技术，并申请专利US6296742B1，其中，采用较高的峰值功率将磁控溅射技术的离化率提高，根据不同的靶材料离化率可达到60% -90%，且这个高离化率的粒子束流中不含“金属液滴”，因此被认为是现代PVD镀膜技术的希望。同时，该技术也为金属离子源的开发提供了契机，本申请的发明人之前也曾在专利CN101838795中提出基于平面靶的高功率脉冲磁控溅射离子注入与沉积技术，将该技术产生的高离化率的金属离子用于离子注入与沉积。同时，A.Anders等人也基于平面靶的高功率脉冲磁控溅射技术开发了相应的金属离子源(OksE，AndersA.AseIf-sputtering1nsource:Anewapproachtoquiescentmetal1nbeams[J].Rev.Sc1.1nstrum.，2010, 81 (2):02B306-303)。但是，高功率脉冲磁控溅射工作在接近电弧放电的异常辉光放电阶段，放电十分不稳定，偶尔“打弧”也会造成“金属液滴”的喷溅。其次，对于不同靶材料，其沉积粒子离化率差异较大，很难获得100%离化的束流。此外，由于靶电压电位较低，离化后的溅射材料离子在电场作用下又被吸回到靶材表面，造成较低的沉积速率，显然这种离子源还存在产业化应用的障碍。
【发明内容】
[0005]本申请的目的是提供一种结构改进的金属离子源以及基于该金属离子源的真空镀膜系统。
[0006]为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案:
[0007]本申请公开了一种金属离子源，包括外壳、若干个磁性元件、铜套、磁控靶、熄弧罩、冷却系统、磁钢、网孔状的引出栅和引出电场正极；外壳呈中空的圆柱筒状；磁钢、冷却系统、铜套和磁控革巴依序层叠铺设于外壳内，且都不与外壳导通；磁控革巴嵌在铜套内，若干个磁性元件均匀的镶嵌在磁钢上；熄弧罩固定于圆柱筒外壳的两端，并将依序层叠设置在外壳内的磁钢、冷却系统、铜套和磁控靶的两端包裹住，熄弧罩与磁性元件、铜套、磁控靶和磁钢之间留有间隙，均不连通；引出栅固定在圆柱筒状外壳的一端，引出电场正极固定在圆柱筒状外壳的另一端 ，引出栅和引出电场正极均采用绝缘材料与外壳固定连接。
[0008]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。
[0009]还需要说明的是，其中磁钢是将若干个磁性元件的一端连通实现磁短路用的；磁性元件的个数是由所需要的磁场强度和分布决定的，在此不做具体限定。本申请的一种实现方式中，冷却系统优选为循环水冷却系统，用于给磁控靶降温。磁控靶与铜套一体导通，并不与外壳或熄弧罩导通。本申请中，导通是指导电连通，即通电时为导电连通状态。熄弧罩安装在外壳上，两者之间可以导通，也可以不导通，其与磁性元件、铜套、磁控靶和磁钢之间留有空隙，均不导通，而磁钢与外壳不导通，磁钢与外壳之间是留有空隙的，两者采用绝缘的螺钉固定；并且，磁性元件、冷却系统与外壳之间都是不连通的，两者之间没有接触。
[0010]优选的，本申请的金属离子源还包括法拉第杯，法拉第杯于引出栅之后，与外壳固定连接。需要说明的是，引出栅是用于将离子束流引出的，引出的离子束流通过引出栅到达工件表面，法拉第杯则是用于测量引出的离子束流的量的，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。
[0011]优选的，引出电场正极将与之连接的圆柱筒状外壳的端口封闭。
[0012]优选的，引出电场正极采用不锈钢、Cu、Al、V、T1、Cr、Mn、N1、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au及其导电且无磁性的合金中的任意一种制备。
[0013]优选的，网孔状的引出栅(18)为采用金属丝编织的网状结构或多孔的金属片结构，金属丝或金属片采用不锈钢、Cu、Al、V、T1、Cr、Mn、N1、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au及其导电且无磁性的合金中的任意一种制备。
[0014]优选的，引出栅与圆柱筒状外壳内的磁控靶之间的距离为2_20cm。
[0015]在申请的金属离子源的基础上，本申请的另一面公开了一种真空镀膜系统，包括本申请的金属离子源、真空室、引出电源、高功率脉冲磁控溅射电源和放置待处理工件的工作台；真空室为封闭空腔，金属离子源和工作台固定在真空室中，工作台与金属离子源的安装引出栅的一端相对，位于其正对面；引出电源和高功率脉冲磁控溅射电源设置于真空室外，引出电源的负极与金属离子源的引出栅电连接，正极与金属离子源的引出电场正极电连接，或者正极与引出电场正极电连接后共接地；高功率脉冲磁控溅射电源的负极与金属离子源的铜套和磁控靶电连接，正极接地。
[0016]需要说明的是，其中引出电源的正极与金属离子源的引出电场正极电连接后，弓丨出电场正极可以接地,也可以不接地；不接地可以避免高功率脉冲磁控溅射放电时电子快速到达放电正极而消逝。工作台与金属离子源的安装引出栅的一端相对，是因为，引出栅的一端是引出离子束流的一端，工作台位于其正对面以便于工件镀膜。
[0017]优选的，高功率脉冲磁控溅射电源为单脉冲模式的高功率脉冲电源、脉冲和直流复合的高功率脉冲电源、调制的高功率脉冲电源中的一种或几种。
[0018]优选的，引出电源为用于常规薄膜沉积的输出电压50V~1kV的低压电源，或为用于等离子体离子注入的输出电压IkV~10kV的高压脉冲电源；其中，低压电源选自直流电源、脉冲电源，或直流脉冲复合电源的一种或几种。
[0019]优选的，金属离子源和工作台之间的距离为5~50cm。
[0020]由于采用以上技术方案，本申请的有益效果在于:
[0021]本申请的金属离子源，将磁控靶设计成圆柱筒状，即安装在圆柱筒状外壳中，工作时，离子是在圆柱筒状靶源围成的空腔内溅射，然后利用引出栅将离子束流引出，不带电或者说没有电离的原子不会被引出，因此，可以实现100%的离子束流。另外，由于溅射是在圆筒内进行，即便发生 “打弧”也只是在圆筒内部，“金属液滴”不会随引出束流而引出。此外，本申请的金属离子源采用引出栅引出靶源离子，引出的离子受靶电压吸引减弱，同时，本申请的引出束流面积远远小于靶面面积，因此，引出束流密度大大提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1:是本申请实施例中金属离子源的内部结构示意图；
[0023]图2:是图1中A-B方向的剖视图；
[0024]图3:是本申请实施例中真空镀膜系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]现有的高功率脉冲磁控溅射技术中，其金属离子源直接沿用常规的平面磁控溅射靶源，或现有的圆柱形磁控溅射靶源，其放电和溅射都是直接面对工件进行的。这种金属离子源在进行高功率脉冲磁控溅射时，如前面所说，存在至少三个问题，第一，该技术工作在接近电弧放电的异常辉光放电阶段，很容易过渡到电弧放电产生“打弧”，形成的“金属液滴”影响镀膜质量；第二，由于金属离子源的磁控靶是直接对着工件的，溅射出的中性靶原子或分子等粒子都会直接沉积到工件表面，因此，很难获得100%离子束流；第三，由于磁控靶是直接对工件进行溅射镀膜，磁控靶的靶面面积实际上就是引出束流面积或与引出束流面积相当，并且，由于靶电压电位较低，离化后的靶离子在电场作用下又被吸回到磁控靶表面，造成沉积速率较低。本申请的金属离子源，将磁控靶设计成圆筒状，工作时，是在磁控靶围成的空腔内进行溅射，并且，利用引出栅引出离子束，第一，保障了 100%的离子束流，第二，“打弧”也只是在圆柱筒的内部，不会在束流中夹带“金属液滴”，第三，圆柱筒内壁的表面积远大于圆柱筒的底端开口面积，即铺设的磁控靶的靶面面积远大于引出束流面积，因此，提高了束流密度，同时，采用引出电场引出后，离子离开了靶电压鞘层，受靶电压吸引减弱，能够更多的沉积到工件表面，因而进一步提高了引出束流密度。
[0026]可见，本申请的关键发明思路在于，将金属离子源的磁控靶设计成圆筒状，即磁控靶安装在圆柱筒状的外壳内，将磁控放电相对封闭在圆柱筒内，使得引出束流方向和溅射方向不在同一方向，从而保障了引出束流的质量，也避免了直接溅射中存在的打弧等对薄膜质量的不良影响。在本申请的金属离子源的基础上，本申请提供了一个真空镀膜系统，该系统中除了本申请的金属离子源，还包括真空室、磁控溅射电源、引出电源、工作台等；可以理解，除本申请的金属离子源以外，其它组件可以参考现有的高功率脉冲磁控溅射技术，在此不累述。只是，本申请的优选方案中，为了达到较好的镀膜效果，对磁控溉射电源、引出电源分别进行了限定，这将会在下面的实施例中详细介绍。此外，磁控溅射靶源中，圆柱筒内部的磁场分布和磁场强度也是影响磁控溅射的因素；可以理解，磁性元件分布和数量都影响着靶表面的横向磁场的均匀性和大小，本申请中的重点是靶内表面存在一定强度的均匀横向磁场，因此，不对磁性元件的个数和分布进行具体限定。
[0027]下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。
[0028]实施例
[0029]本例的金属离子源,如图1所示，包括包括外壳U、磁性元件12、铜套13、磁控革巴14、熄弧罩15、冷却系统16、磁钢17、网孔状的引出栅18和引出电场正极19 ;外壳11呈中空的圆柱筒状；磁钢17、冷却系统16、铜套13和磁控靶14依序层叠铺设于外壳11内，且都不与外壳11导通；磁控靶14嵌在铜套13内，磁性元件12均匀的镶嵌在磁钢17上；熄弧罩15固定于圆柱筒外壳的两端，并将依序层叠设置在外壳11内的磁钢17、冷却系统16、铜套13和磁控靶14的两端包裹住，熄弧罩15与磁性元件12、铜套13、磁控靶14和磁钢17之间留有间隙，均不导通；引出栅18固定在圆柱筒状外壳11的一端，引出电场正极19固定在圆柱筒状外壳11的另一端，引出栅18和引出电场正极19均采用绝缘材料与外壳11固定连接；引出电场正极19将与之连接的圆柱筒状外壳11的端口封闭。本例中，磁性元件采用磁铁，具体采用八块磁铁均匀的镶嵌在磁钢17中，使磁铁均匀排布在圆柱筒状外壳内，磁铁设置于磁钢17和冷却系统16之间,冷却系统16是将磁铁包裹其中，如图2所不。本例的冷却系统为水循环冷却系统。本例中，虽然磁钢17、冷却系统16、铜套13和磁控靶14是依序层叠铺设，实际上，磁钢17是与外壳11隔开的，两者中间留有空隙，采用带有绝缘套的螺钉固定；磁性元件12、冷却系统16与铜套13固定连接；磁控靶14嵌在铜套13内形成一个导通的整体，无需绝缘；熄弧罩15的作用是将发生的磁控放电限制在磁控靶围成的空腔内，即避免除磁控靶靶面以外的导电区域放电。
[0030]使用时，将离子束流引出电源与引出栅18电连接，磁控溅射电源与磁控靶14电连接；整个溅射过程在磁控靶14围成的空腔内完成，引出栅18将离子束流引出，离子束流经过网状结构的引出栅18，达到工件表面沉积镀膜。
[0031]本例的一种优选方案中，为了实现离子束流的可控，还在离子束流的出口安装了法拉第杯110，法拉第杯110于引出栅18之后，与外壳11固定连接。使用时，为了直观的显示离子束流强度，还配制了一个示波器与法拉第杯110连接，用于显示离子束流的强度，以便对离子束流进行检测、调控。
[0032]本例中，引出电场正极19、引出栅18、外壳11、熄弧罩15，以及后面提到的工作台5都是采用导电材料制备，优选的采用不锈钢材料。可以理解，除了不锈钢以外，其它的导电材料，如 Cu、Al、V、T1、Cr、Mn、N1、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au 及其导电且无磁性的合金都可以用于本例。其中，网孔状的引出栅18具体采用金属丝编织成网状结构或多孔的金属片结构。此外，为了有效的将离子束流引出，引出栅18与圆柱筒状外壳内的磁控靶14之间的距离为2-20cm。
[0033]在以上金属离子源的基础上，本例进一步的提供了一种真空镀膜系统，如图3所示，包括本例的金属离子源1、真空室2、引出电源3、高功率脉冲磁控溅射电源4和放置待处理工件的工作台5 ;真空室2为封闭空腔，金属离子源I和工作台5固定在真空室2中，工作台5与金属离子源I安装引出栅18的一端相对，位于其正对面，具体的，本例中工作台5位于金属离子源I正下方；引出电源3和高功率脉冲磁控溅射电源4设置于真空室2外，引出电源3的负极与金属离子源I的引出栅18电连接，正极与金属离子源I的引出电场正极19电连接后共接地；高功率脉冲磁控溅射电源4的负极与金属离子源I的铜套13和磁控革El 14电连接,正极接地。
[0034]本例中的高功率脉冲磁控溅射电源4可以采用单脉冲模式的高功率脉冲电源、脉冲和直流复合的高功率脉冲电源、调制的高功率脉冲电源中的任意一种或组合使用。引出电源3可以是用于常规薄膜沉积的输出电压50V~1kV的低压电源，任选自直流电源、脉冲电源，或直流脉冲复合电源的一种或组合使用。或者，引出电源3也可以采用用于等离子体离子注入的输出电压IkV~10kV的高压脉冲电源。本例的真空镀膜系统中，金属离子源I和工作台5之间的距离设计为5~50cm均能够满足使用需求。
[0035]使用时，先将镀膜元件放置到真空镀膜系统的工作台5上，真空室2抽真空，直至真空度小于10_2Pa时，通入工作气体至IPa，然后开启引出电源3和高功率脉冲磁控溅射电源4，进行离子镀膜。其中，工作气体的气压可以根据实际镀膜要求进行调整，本例的离子镀膜装置的工作气压在0.01Pa~1Pa均可。本例中，高功率脉冲磁控溅射电源4的峰值电压为400V~2500V，脉宽为0μ s~1000 μ s，OHz~100Hz。具体，可以根据实际情况调整。另外，在本例的引出电源也为脉冲电源时，其脉冲可以与磁控溅射的脉冲同步，也可以不同步，两者同步时，更利于离子束流的引出。此外，本例中的工作气体为Ar惰性气体；可以理解，目前常规使用的工作气体，包括惰性气体和反应性气体都可以用于本例的离子镀膜装置，其中惰性气体包括He、Ne、Ar、Kr中的任意一种或其组合，反应性气体包括02、N2,CH4, C2H2, H2S, SiH4, BH3> HF、HCl、HBr 中的任意一种或其组合。
[0036]本例的金属离子源，创造性的将磁控靶14设计成圆柱筒状，安装在圆柱筒状的外壳11中，工作时，溅射直接在圆柱筒内部完成，离子束采用引出电源引出，沉积在工件表面；由于溅射是在圆柱筒内部完成的，只有带电离子才能被引出，因此保障了 100%的离子沉积；并且，由于溅射等过程都是在圆柱筒内部完成的，即便发生打弧也是圆柱筒内部，不会对工作造成影响；此外，磁控靶设计成圆柱筒状，其靶面面积大大提高，远高于其引出束流的面积，也就是圆柱筒底端的开口面积，有效的提高了沉积速率。
[0037] 以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。
【权利要求】
1.一种金属离子源，其特征在于:包括外壳(11)、若干个磁性元件(12)、铜套(13)、磁控靶(14)、熄弧罩(15)、冷却系统(16)、磁钢(17)、网孔状的引出栅(18)和引出电场正极(19)； 所述外壳(11)呈中空的圆柱筒状；所述磁钢(17)、冷却系统(16)、铜套(13)和磁控靶(14)依序层叠铺设于外壳(11)内，且都不与外壳(11)导通；磁控靶(14)嵌在铜套(13)内，若干个磁性元件(12)均匀的镶嵌在磁钢(17)上； 熄弧罩(15)固定于圆柱筒外壳的两端，并将依序层叠设置在外壳(11)内的磁钢(17)、冷却系统(16)、铜套(13)和磁控靶(14)的两端包裹住，熄弧罩(15)与磁性元件(12)、铜套(13)、磁控靶(14)和磁钢(17)之间留有间隙，均不导通； 所述引出栅(18)固定在圆柱筒状外壳(11)的一端，所述引出电场正极(19)固定在圆柱筒状外壳(11)的另一端，引出栅(18)和引出电场正极(19)均采用绝缘材料与外壳(11)固定连接。
2.根据权利要求1所述的金属离子源，其特征在于:还包括法拉第杯(110)，法拉第杯(110)于引出栅(18)之后，与外壳(11)固定连接。
3.根据权利要求1所述的金属离子源，其特征在于:所述引出电场正极(19)将与之连接的圆柱筒状外壳(11)的端口封闭。
4.根据权利要求3所述的金属离子源，其特征在于:所述引出电场正极(19)采用不锈钢、Cu、Al、V、T1、Cr、Mn、N1、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au 及其导电且无磁性的合金中的任意一种制备。
5.根据权利要求1所述的金属离子源，其特征在于:所述网孔状的引出栅(18)为采用金属丝编织的网状结构或多孔的金属片结构，金属丝或金属片采用不锈钢、Cu、Al、V、T1、Cr、Mn、N1、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au及其导电且无磁性的合金中的任意一种制备。
6.根据权利要求1所述的金属离子源，其特征在于:所述引出栅(18)与圆柱筒状外壳内的磁控靶(14)之间的距离为2-20cm。
7.一种真空镀膜系统，其特征在于:包括权利要求1-6任一项所述的金属离子源(1)、真空室(2)、引出电源(3)、高功率脉冲磁控溅射电源(4)和放置待处理工件的工作台(5)； 真空室(2)为封闭空腔，金属离子源(1)和工作台(5)固定在真空室(2)中，工作台(5)与金属离子源(1)安装引出栅(18)的一端相对，位于其正对面； 引出电源⑶和高功率脉冲磁控溅射电源⑷设置于真空室⑵外，引出电源⑶的负极与金属离子源(1)的引出栅(18)电连接，正极与金属离子源(1)的引出电场正极(19)电连接，或者正极与引出电场正极(19)电连接后共接地；高功率脉冲磁控溅射电源(4)的负极与金属离子源(1)的铜套(13)和磁控靶(14)电连接，正极接地。
8.根据权利要求7所述的真空镀膜系统，其特征在于:所述高功率脉冲磁控溅射电源(4)为单脉冲模式的高功率脉冲电源、脉冲和直流复合的高功率脉冲电源、调制的高功率脉冲电源中的一种或几种。
9.根据权利要求7所述的离子镀膜装置，其特征在于:所述引出电源(3)为用于常规薄膜沉积的输出电压50V~1kV的低压电源，或为用于等离子体离子注入的输出电压1kV~10kV的高压脉冲电源；所述低压电源选自直流电源、脉冲电源，或直流脉冲复合电源的一种或几种。
10.根据权利要求7所述的离子镀膜装置，其特征在于:所述金属离子源(I)和工作台(5)之间的距离 为5~50cm。
【文档编号】C23C14/35GK104131259SQ201410268732
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】吴忠振, 潘锋 申请人:北京大学深圳研究生院