一種金屬等離子體源及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及離子鍍膜領(lǐng)域，特別是涉及一種金屬等離子體源及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]常規(guī)的磁控濺射在鍍膜過程中絕大多數(shù)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，導(dǎo)致鍍膜的可控性較差。另一種重要的鍍膜手段，即陰極弧離子鍍技術(shù)，可得到幾乎完全離化的束流，束流的能量、方向可控，但是電弧熱導(dǎo)致部分濺射材料來不及氣化，從而以“液滴”的形式存在于離子束流中，在薄膜上形成缺陷“大顆粒”，對薄膜的質(zhì)量產(chǎn)生嚴重的影響。
[0003]為此，本申請在之前的研究中提出了一種具有良好性能的圓筒形等離子體源，參見專利申請201410268732.9和201410268695.1，改進的圓筒形等離子體源，主要針對磁控濺射和陰極弧離子鍍兩種傳統(tǒng)等離子體鍍膜技術(shù)存在的缺陷進行設(shè)計。采用圓筒形等離子體源可將濺射限制在筒形靶材內(nèi)部，濺射材料在腔內(nèi)反復(fù)碰撞、離化，產(chǎn)生大量的離子，采用引出柵將腔內(nèi)離子引出、加速并沉積在工件表面。采用圓筒形等離子體源可以有效提高材料的離化率，確保引出的束流中100%是離子；同時在圓筒腔內(nèi)出現(xiàn)的“打弧”以及所產(chǎn)生的“金屬液滴”不會噴濺到工件上，而是直接沉積在圓筒腔內(nèi)的靶面上，這樣既保證了薄膜不受“大顆?！钡挠绊?，也減少了材料的浪費；此外，引出的束流離開了磁控靶的靶電壓鞘層，不會被回吸到靶表面，從而提高了束流密度。
[0004]但是，在后續(xù)的研究和實踐中發(fā)現(xiàn)，專利申請201410268732.9和201410268695.1中的圓筒形等離子體源，在起輝放電過程中，產(chǎn)生的電子迅速從兩端逃逸，從而難以維持靶面較高的等離子體密度，使得放電較困難，尤其是較高功率下，等離子體源工作不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本申請的目的是提供一種結(jié)構(gòu)改進的金屬等離子體源及其應(yīng)用。
[0006]本申請采用了以下技術(shù)方案:
[0007]本申請的一方面公開了一種金屬等離子體源，包括外殼、磁控靶和電子阻擋屏極；外殼呈中空的圓柱筒狀，磁控靶鋪設(shè)于外殼的中空的內(nèi)腔中，且不與外殼導(dǎo)通；電子阻擋屏極由導(dǎo)電材料制備，同樣設(shè)置于外殼的中空內(nèi)腔中，并且電子阻擋屏極為片狀，電子阻擋屏極垂直安裝于磁控靶的兩端；電子阻擋屏極與磁控靶導(dǎo)通，或者電子阻擋屏極與磁控靶不導(dǎo)通，電子阻擋屏極單獨連接負電壓。
[0008]需要說明的是，本申請的關(guān)鍵在于增加電子阻擋屏極，以阻止電子逃逸；因此，其它組件，如磁性元件、銅套、熄弧罩、冷卻系統(tǒng)、磁鋼和引出電場正極等，都可以參考現(xiàn)有的圓筒形等離子體源，在此不累述。尤其是，本申請是在專利申請201410268732.9和201410268695.1的基礎(chǔ)上改進的，因此，可以參考該兩件專利申請中的金屬等離子體源或離子鍍膜裝置。當(dāng)然，可以理解，本申請的增加電子阻擋屏極的金屬等離子體源，其結(jié)構(gòu)并不僅限于專利申請201410268732.9和201410268695.1所記載的金屬等離子體源或離子鍍膜裝置。需要補充說明的是，在專利申請201410268732.9和201410268695.1中，其等離子體源，又稱為金屬離子源，與本申請的金屬等離子體源是相同的。
[0009]需要說明的是，本申請的關(guān)鍵在于，在磁控靶的兩端增加電子阻擋屏極，使得電子在通過不閉合磁控跑道處外溢時，受到電子阻擋屏極的阻擋，并被反射回到金屬等離子體源內(nèi)部，起到降低放電起輝條件的目的；由于電子阻擋屏極的阻擋，避免了電子從兩端逃逸，有效的維持了靶面的等離子體密度，離子源工作穩(wěn)定，能夠滿足高功率離子鍍膜裝置或真空鍍膜系統(tǒng)的使用需求。本申請中，導(dǎo)通是指各組件之間導(dǎo)電連接，不導(dǎo)通是指各組件之間絕緣連接。
[0010]優(yōu)選的，電子阻擋屏極其伸出的末端到磁控靶的垂直距離Η為5-30mm。
[0011]需要說明的是，電子阻擋屏極是垂直固定在磁控靶的兩端的，并且，在兩端的電子阻擋屏極在外殼內(nèi)腔內(nèi)圍成一圈的情況下，其伸出的末端到磁控革巴的垂直距離為5-30mm，也就是內(nèi)圈環(huán)面到靶材表面的垂直距離。
[0012]優(yōu)選的，電子阻擋屏極的厚度為0.2-12mm。
[0013]優(yōu)選的，電子阻擋屏極由不銹鋼、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 和稀土中的至少一種制備而成。
[0014]優(yōu)選的，本申請的金屬等離子體源還包括輔助離化放電裝置，用以增加濺射材料的離化率；該輔助離化放電裝置為射頻天線裝置、電感耦合離化裝置、電容耦合離化裝置和微波裝置中的至少一種。
[0015]需要說明的是，本申請的輔助離化放電裝置其目的是增加濺射材料的離化率，可以理解，只要是能夠起到該作用的裝置，如射頻天線裝置、電感耦合離化裝置、電容耦合離化裝置和微波裝置都可以用于本申請，其安裝方式可以參考常規(guī)的金屬等離子體源的安裝方式，在此不累述。
[0016]優(yōu)選的，本申請的金屬等離子體源還包括網(wǎng)孔狀的引出柵，引出電場正極固定在圓柱筒狀外殼的一端，引出柵固定在圓柱筒狀外殼的另一端，引出柵采用絕緣材料與外殼固定連接。
[0017]需要說明的是，其中引出柵是用于連接引出電源的負極的，以便于將離子束流引出，而引出柵設(shè)計成網(wǎng)孔狀，是便于在使用時，離子束流通過引出柵到達正對著引出柵的工件上，實現(xiàn)沉積鍍膜。使用時，磁控靶連接磁控濺射電源，引出柵接引出電源，由于磁控靶是設(shè)計呈圓筒狀的，即安置在圓筒狀的外殼內(nèi)，整個濺射過程都在磁控靶圍成的空腔內(nèi)進行，只有離化的粒子才能被引出柵引出到達工件，因此可以得到100%離化的束流；與此同時，即便偶爾發(fā)生“打弧”，也是在圓柱筒內(nèi)部，“金屬液滴”也不會噴濺到工件上；此外，引出的束流離開了磁控靶的靶電壓鞘層，不會被再吸附回磁控靶表面，從而提高了束流密度。
[0018]優(yōu)選的，本申請的金屬等離子體源還包括法拉第杯，法拉第杯與外殼固定連接，且法拉第杯于引出柵之后，引出柵位于法拉第杯和外殼之間。
[0019]需要說明的是，法拉第杯是用于測量離子束流的量的，以實現(xiàn)引出離子束流可控；可以理解，要實現(xiàn)法拉第杯的測量，還必須要連接一個示波器，用于顯示測量的引出離子束流的強度，示波器可以選擇配置，在本申請中不作具體限定。
[0020]本申請的另一面還公開了采用本申請的金屬等離子體源的離子鍍膜裝置。
[0021 ] 優(yōu)選的，本申請的離子鍍膜裝置中，金屬等離子體源的供電方式為高功率脈沖磁控濺射、直流磁控濺射、脈沖磁控濺射、射頻磁控濺射、中頻磁控濺射和復(fù)合脈沖磁控濺射中的至少一種。
[0022]本申請的另一面還公開了采用本申請的金屬等離子體源的真空鍍膜系統(tǒng)。
[0023]優(yōu)選的，本申請的真空鍍膜系統(tǒng)中，金屬等離子體源的供電方式為高功率脈沖磁控濺射、直流磁控濺射、脈沖磁控濺射、射頻磁控濺射、中頻磁控濺射和復(fù)合脈沖磁控濺射中的至少一種。
[0024]本申請的有益效果在于:
[0025]本申請的金屬等離子體源，在磁控靶的兩端增加電子阻擋屏極，當(dāng)逃逸電子到達屏極附近時，被電子阻擋屏極反射回金屬等離子體源內(nèi)部，起到降低放電起輝條件的目的。電子阻擋屏極的阻擋，避免了電子從兩端逃逸，有效的增加了靶面的等離子體密度，電子密度的增加進