专利名称：用于材料表面改性的等离子体浸没离子注入装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电物理装置技术在材料表面改性方面的应用。
七十年代初，在低能核物理和加速器技术基础上发展起来的离子注入机已成为半导体材料处理的一个十分有效的手段，得到了广泛应用。近十多年来，离子注入技术(简称为IBII)也逐渐被用于材料表面处理，改善其表面抗磨损等特性。在离子注入过程中，从离子源引出的离子束，经高压静电场加速，扫描，最后打到工件表面上。高能粒子入射工件表面后，和工件近表面层中的晶格粒子相碰撞，被慢化，形成新的化合物，从而使工件表面的物理，化学性能发生显著变化。大量实验已经充分证明离子注入是改进现代材料表面抗磨损，抗腐蚀、抗疲劳，降低表面摩擦系数，改进表面电学与化学特性的一种很有效的手段。
但是，离子注入是一个视线过程。对于非平面形状的工件，为了使离子均匀地注入其表面，需要束扫描装置，可转动一平移的特殊靶台、靶罩等等。这一切使离子注入装置进一步复杂，注入处理费用大大增加。因而使离子注入技术的工业应用范围受到限制。
1988年美国威斯康辛大学J.R.Conrad教授提出并发表了一种称为等离子体源离子注入新技术(简称PSII)，它也被称为等离子体浸没离子注入(简称PIII)。在PIII过程中，待处理的工件直接被放在等离子体源中，当工件被加以高的负电位后，在工件四周形成正离子阵等离子体鞘层。离子被鞘层电场加速后，处处垂直地注入到工件表面。显然，PIII技术完全消除IBII所固有的视线限制，克服了保持剂量问题，使离子注入装置变得简单，注入处理费用下降。它特别适用于形状复杂的工件，大尺寸工件，重的工件，并可以对工件批量处理。
PIII技术在工业应用方面的初步成功，立即受到科学家和工业界高度重视。仅仅经过五年时间，许多国家的大公司，国家实验室，大学相继建造了专门的研究装置，对PIII技术及其工业应用展开了大量研究，使钻头、冲头、模具、铣刀、航天轴承、医用钛合金人工关节、发动机气缸……等零部件的抗摩损和抗疲劳性能大大提高。在PIII研究的最初几年里，大多数是用气体等离子体，主要是氮等离子体，对金属材料表面进行改性，获得了很好成绩。其后，美国洛伦茨贝克来国家实验室(LBL)的I.Brown教授等发展了一种称为金属等离子体浸没离子注入及沉积技术(简称MePIIID)，把高能金属等离子体离子注入和低能等离子体沉积结合起来，并用于材料表面改性，得到了使用气体等离子体无法得到的非常好的改性效果，使PIII技术的工业应用范围大大扩展。最近，PIII技术已被成功地用于半导体材料处理，完全弥补了离子注入机在低能条件下，由于空间电荷效应造成束发散的固有缺点。因而，PIII技术在半导体材料处理方面也呈现出美好的应用前景。与此同时，科学家们把PIII技术和传统的表面处理技术(溅射沉积、涂敷、离子注入等)结合起来，使其拓展为多种表面处理工艺，使改性层厚度增加，膜基结合力增强，并能形成具有特殊功能的梯形结构。尽管PIII技术及其工业应用发展十分迅速，但由于PIII机理和过程十分复杂，对它进行的理论研究(动态计算机程序模拟)，等离子体诊断等不够完善，装置技术、注入剂量精确测量等等急待改进和提高，因而在PIII技术被大规模工业应用之前仍有许多物理、工程技术难题必须被克服。虽然目前约有40台PIII装置分别在各国投入PIII技术及其工业应用研究，但其中多数装置是从其它装置改建而成，例如CTX由聚变装置改建而成，个别装置虽然是专门设计的，但仅停留在原理性阶段上。所有装置均比较简单，尤其是功能单一，工业应用范围、处理工艺均受到很大的限制。例如LBL的PIII装置只装备了一个金属蒸汽真空电弧等离子体源，目的仅是演示金属等离子体注入和沉积技术；澳大利亚等离子体研究所的PIII装置只装备一个RF等离子体源，目的仅是演示用射频(RF)天线激励的RF等离子体进行材料表面改性的效果。为了克服目前已运行装置的缺陷，进一步满足物理研究和工业应用的需要，近年来美国依顿公司、休斯公司、日本尼桑电气株式会社等国际上著名的离子注入机生产厂，都在积极努力研制多功能等离子体浸没离子注入装置。
本发明的目的是提出一种用于材料表面改性的等离子体，浸没离子注入装置，它主要用于研究现代材料表面改性新工艺及研制具有新的表面特性的新材料，以及用于研究半导体材料处理新工艺及电子器件制作。
本发明的要点是主真空室18是一个内径为1000毫米，高1200毫米，壁厚为6毫米的不锈钢园筒，在主真空室18的外壁铺有永久磁体7，在主真空室18内部装有顶部磁补偿盒34和底部磁补偿盒35，在主真空室内壁、顶部、底部上铺有铝的真空室内衬5，主真空室顶法兰36和主真空室18用螺栓连接起来，主真空室底法兰37和主真空室18焊接在一起，高频等离子体源9安装在主真空室顶法兰36上，用螺钉紧固，在主真空室18侧壁，距底法兰为400mm和750mm位置处，有若干个金属蒸汽真空电弧等离子体源接口，并将金属蒸汽真空电弧等离子体源14组件装入接口中，若干个多灯丝电子枪16安装在主真空室18侧壁上，全方位电容耦合高频天线1是由若干决铝板平行真空室18内壁放置，在电上它们是并联连接，铝板上端与高频发生器38相连，下端悬空。电感耦合的高频等离子体离子源是单电极引出，引出电极是由硅化石墨，或不锈钢制成的高透明度的圆形多孔电极。带有磁过滤器的金属蒸汽真空电弧等离子体源对称地分布在主真空室侧壁或顶法兰上。
下面结合附
图1具体阐述本发明结构1.主真空室18结构是一个内径为1000mm，高1200mm，壁厚为6mm的不锈钢园筒，材料为1Cr18Ni9Ti，极限真空度为5×10-7Torr，漏气率小于5×10-9TLS-1，正前方有一个矩形门，尺寸为500×700mm。门上装有真空压力表一块，以显示真空室处于大气状态或真空状态，门上装有双层观察窗，内层为铅玻璃，外层为钢化玻璃，铅玻璃有效地阻止软x射线向外泄漏，观察窗上方有一个旋转挡板，以保护铅玻璃，使它不被涂覆或污染，门的外表包有二层厚为3mm的铅皮，以屏蔽软x射线。门的内壁装有磁补偿盒，它构成会切磁场，阻止等离子体中快电子损失于门的内壁，保证等离子体的均匀性；真空室外壁铺有永久磁体7，构成会切磁场，阻止等离子体中快电子损失于真空室的内壁，保证等离子体的均匀性；为了增强会切磁场强度，所有永久磁体7的外侧均被纯铁片短路。在铁板外铺有二层厚为3mm的铅皮，以屏蔽软x射线；在铅皮外包有一层0.5mm厚的不锈钢装饰板；在真空室内部，装有顶部磁补偿盒，底部磁补偿盒，它构成会切磁场，阻止等离子停中快电子损失于顶部法兰和底部法兰，保证等离子体的均匀性；在真空室内壁，顶部，底和门上铺有铝真空室内衬，以防止真空室内壁被涂敷和污染；在主真空室侧壁有30个接口，其中金属蒸汽真空电弧等离子体源接口8个，多灯丝电子枪接口12个，高频天线接口3个，溅射电板和挡板接口3个。
2.主真空室顶法兰36结构是平的顶法兰厚为35mm，材料为不锈钢，它和主真空室18用螺栓连接，橡皮0圈密封，它上面有9个安装接口，其中有高频等离子体源安装接口孔1个，金属蒸汽真空电弧等离子体源安装接口4个，高频天线安装接口4个。顶法兰下方装有顶部磁被偿盒。
3.主真空室底法兰35结构是平的底法兰厚为35mm，材料为不锈网，它和主真空室18焊接在一起，底法兰上有5个安装接口，其中有离压靶台安装接口1个，250闸伐接口1个，200闸伐接口1个，予抽气接口一个，送气孔接口一个。底法兰上装有底部磁补偿盒。
4.高频等离子体源是由9.10.11组成，具体结构是它由绝缘板引出电极，派力克斯玻璃放电园筒，顶法兰，水冷电感线圈，高频发生器，阻抗匹配器，磁场线圈，屏蔽圆筒组成，它被安装在主真空室顶法兰上，用螺钉紧固，橡皮0圈密封；派力克斯放电园筒内径200mm，高300mm，厚为10mm，它用橡皮0圈主与真空室顶法兰，及高频源顶法兰密封，长螺钉将高频源顶法兰，放电室，紧固在主真空室顶法兰上；高频发生器通过电缆和阻抗匹配器相连，阻抗匹配器直接和水冷高频电感线圈相接，调节匹配器可使高频功率输入到高频等离子体中。接入高频电压的接头用专门屏蔽套罩住，以防止高频电磁波相外泄漏；单电板多孔引出电极材料是不锈钢或硅化石墨，它可以加正电位，负电位，或处于漂浮电位以便引出电子，离子或等离子体；高频等离子体密度为109～1012cm-3或更高；高频源顶法兰上有一个轴向朗谬尔探针接口，轴向探针可测量等离子体密度，电子温度轴向分布。顶法兰上还有一个送气孔，工作气体从这里输入；顶法兰下方装有一块派力克斯玻璃板，以防止金属表面上离子复合和溅射；磁场线圈套在放电室四周摆放在主真空室顶法兰上，屏蔽圆筒套在磁场线圈和高频源上以防止高频电磁波泄漏。
5.金属蒸汽真空电弧等离子体源13.15的连接方式如下在主真空室侧壁有8个金属蒸汽真空电弧等离子体接口，它们分别距离主真空室底法兰为400mm和750mm，轴向对称分布，不同位置的接口是为了保证处理不同尺寸的零件；金属蒸汽真空电弧等离子体源组件装入接口，用螺钉紧固，金属密封圈密封；金属蒸汽真空电弧等离子源的磁导管能有效地过滤掉大粒子团和中性粒子；金属蒸汽真空电弧等离子体源的电参数为脉冲持续时间～200μs，触发电压～10kv，四组源电弧同步脉冲触变，负高压脉冲处在金属电弧之间，磁导管引出口处等离子体密度为109～1012cm-3；通过变换金属蒸汽真空电弧等离子体源的阴极，可以引出多种金属等离子体；若干组金属蒸汽真空电弧等离子体源在电上并联。
6.多灯丝电子枪16连接方式在主真空室18侧壁有12个多灯丝电子枪接口，它们分别距离主真空室底法兰为300mm，400mm，750mm轴向对称分布，不同位置的接口是为了保证处理不同尺寸的零件；多灯丝电子枪16装入接口，用Dg50快速连接卡环紧固，橡皮0圈密封；若干组多灯丝电子枪在电上并联连接。放电电源17一端和多灯丝电子枪16相连，另一端是和真空室18器壁相连，器壁接地。
7.径向与轴向探针组件连接方式轴向探针组件9从高频等离子体源顶部接口装入，用Dg40快速连接卡环紧固，橡皮0圈密封，探针杆可以在轴向方向抽动，不破坏真空，以测量等离子体密度与电子温度的轴向分布；径向探针组件2从主真空室测面的接口装入，4个接口处于二个不同高度(300mm，450mm)用Dg40快速连接法兰紧固，橡皮0圈密封。
8.高频天线激励系统环状高频天线沿真空室内壁对称放置，由主真空室顶法兰上的4个接口轴向紧固，真空室侧壁上的3个接口径向紧固，用快速连接法兰连接，橡皮0圈密封；高频天线尺寸是40mm宽，900mm长，厚1.5mm，材料为纯铝；7个紧固接口中有6个接口上的支撑杆在电上与地电位相连，与天线绝缘，只有顶部1接口上的支撑杆在电上与地绝缘，与天线在电上相连，高频功率由这根支撑杆通过匹配器馈入。匹配器上的一个转换开关转到天线一档时，高频功率直接由高频发生器馈入天线。高频功率引入干由专门的屏蔽套罩位，以防止高频电磁波向外泄漏。
9.溅射电极系统溅射电极12从主真空室18后面(针对主真空室门)的接口装入，由Dg40快速连接法兰连接，橡皮0圈密封，电极支撑杆可以沿径抽动，挡板4从紧接溅射电极12的接口装上，由Dg40快速连接法兰连接，橡皮0圈密封支撑杆可以沿径向抽动以便随时挡入档板；溅射电极材料为钛Ti等，直径是250mm，厚为4mm。档板直径为300mm，厚为5mm，材料为铝；高频溅射电压用电缆从匹配器引入，当匹配器上的转换开关转向溅射电极时，高频电功率由匹配器引入高频溅射电极，高频溅射电极杆由专门的屏蔽套罩住以防止高频电磁波泄漏。
10.真空抽气系统真空抽气系统被安装在主真空室下方，支撑架内部。真空抽气系统由250闸伐20，F250分子泵21，150罗茨泵23，2x-30机械泵24组成；250闸伐20连接主真空室下法兰250接口，橡皮0圈密封螺钉紧固，250闸伐20和F250分子泵21相连，金属密封圈密封，螺钉紧固前级管道，电磁伐，波纹管和150罗茨泵，2x-30机械泵相连，橡皮0圈密封，螺钉紧固，予抽管道分别和下法兰予抽气管道，前级管道，电磁伐相连，橡皮0圈密封，螺钉紧固。电离计19插入下法兰250接口，用来测量真空度，热耦计22插入真空管道，用来测量前级真空度。
11.供气系统供气系统全部装在气柜内，气管通过电磁伐31分别和上部进气管10和下部进气管相连。
12.油冷系统27和高压靶台组件26、33、32、34相连，在电上和高压脉冲电源系统的脉冲调制器28和高压直流电源29相连。
本发明被广泛用于金属、陶瓷、聚合物材料表面改性，也可用于半导体材料处理。它在航天、航空、汽车、仪器、仪表、医疗机械、机械制造、电子通讯、半导体材料及器件等多种领域内，对提高产品的抗磨损、抗疲劳、抗腐蚀、抗辐射性能，延长其使用寿命，提高光纤强度及光电传感器的灵敏度，处理半导体芯片及制造集成电路等等方面都能发挥重大作用。它是一门新的高新技术，未来将会形成可观的高技术产业，因而对于我国经济建设具有重大意义。
图1为本发明的原理结构图。
实施例1.主真空室圆筒形主真空室，尺寸为内径1000mm，高1200mm，材料为1Cr18Ni9Ti；极限真空度5×10-7Torr，漏气率小于5×10-9TLS-1；矩形前门，尺寸为500mm×700mm；全会切磁场；双层铅屏蔽；可拆卸的铝的真空室内衬套。
2.高频等离子体源圆筒形放电真空室，内径200mm，高300mm，材料为派力克斯玻璃，高频发生器频率为13.56MHz，输出功率2kw，单电极多孔引出系统，高频等离子体密度109～1012cm-3，或更高。
3.金属蒸汽真空电弧等离子体源四组各带有磁过滤器的金属蒸汽真空电弧等离子体源，磁导管能有效地过滤掉大粒子团和中性粒子；金属电弧的脉冲持续时间～200μs；触发电压～10KV；电弧脉冲同步触法，负高压脉冲必须处于金属电弧脉冲之间；磁导管出口处等离子体密度109～1012cm-3，或更高，能提供多种金属等离子体。
4.高压脉冲电源系统脉冲上升前沿～100KV/μS；脉冲持续时间10～60μS；脉冲重复速率10～5000Hz；脉冲幅值5～100KV；最大脉冲注入电流10A；最大平均注入电流80mA。
5.控制操作，保护及测量系统共有五个电源屏柜，其中一个是关于真空建立，一个是等离子体形成，一个金属蒸汽真空电弧等离子体电源柜，二个是高压电源屏柜；手动操作控制系统；有计算机操作，控制接口。
6.溅射电极系统最大溅射功率2KW；最大溅射偏压2KV。
7.真空抽空系统由闸阀、涡轮分子泵、罗茨泵、机械泵、电磁阀等组成。
权利要求
1.一种用于材料表面改性的等离子体浸没离子注入装置，其特征在于主真空室18是一个内径为1000毫米，高1200毫米，壁厚为6毫米的不锈钢园筒，在主真空室18的外壁铺有永久磁体7，在主真空室18内部装有顶部磁补偿盒34和底部磁补偿盒35，在主真空室内壁、顶部、底部上铺有铝的真空室内衬5，主真空室顶法兰36和主真空室18用螺栓连接起来，主真空室底法兰37和主真空室18焊接在一起，高频等离子体源9安装在主真空室顶法兰36上，用螺钉紧固，在主真空室18侧壁，距底法兰为400mm和750mm位置处，有若干个金属蒸汽真空电弧等离子体源接口，并将金属蒸汽真空电弧等离子体源14组件装入接口中，若干个多灯丝电子枪16安装在主真空室18侧壁上，全方位电容耦合高频天线1是由若干块铝板平行真空室18内壁放置，在电上它们是并联连接，铝板上端与高频发生器38相连，下端悬空。
2.根据权利要求1所述的离子注入装置，其特征在于电感耦合的高频等离子体离子源是单电极引出，引出电极是由硅化石墨，或不锈钢制成的高透明度的圆形多孔电极。
3.根据权利要求1所述的离子离入装置，其特征在于带有磁过滤器的金属蒸汽真空电弧等离子体源对称地分布在主真空室侧壁或顶法兰上。
4.根据权利要求1所述的离子注入装置，其特征在于全方位电容耦合高频天线1是由若干块铝板构成。
全文摘要
本发明提出一种用于材料表面改性的等离子体浸没离子注入装置，主要包括主真空室，高频等离子体源和金属蒸汽真空电弧及高频天线激励系统，本发明具有多种等离子体产生手段，它即可用于金属，陶瓷，玻璃，聚合物材料表面改性，也可用于半导体材料处理，可进一步提高材料表面改性的效果。
文档编号C23C14/48GK1150180SQ95118169
公开日1997年5月21日 申请日期1995年11月15日 优先权日1995年11月15日
发明者汤宝寅, 王松雁 申请人:哈尔滨工业大学