金屬等離子體源及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)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]本申請(qǐng)的發(fā)明人曾在專(zhuān)利申請(qǐng)201410268695.1和201410268732.9中提出了一種具有高性能的圓筒形金屬等離子體源，主要針對(duì)磁控濺射、陰極弧離子鍍鍍膜過(guò)程中存在的問(wèn)題而設(shè)計(jì)。磁控濺射技術(shù)存在材料離化率低，材料可控性差的缺點(diǎn)；而陰極弧離子鍍具有高的材料離化率，其束流的能量、方向可控性好，但是束流中存在大量金屬“液滴”，在薄膜上形成“大顆?！比毕?，對(duì)薄膜的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。專(zhuān)利申請(qǐng)201410268695.1和201410268732.9中提出采用圓筒形金屬等離子體源可將濺射約束在筒形靶材內(nèi)部，濺射出來(lái)的材料在腔內(nèi)與電子、Ar+、Ar、靶材料反復(fù)碰撞、離化，可有效提高離化率，再采用引出柵將腔內(nèi)離子引出、加速并沉積在工件表面。采用這種方式可以使引出的束流中100%為離子；同時(shí)靶面“打弧”產(chǎn)生的“金屬液滴”被限制在筒形靶內(nèi)部；引出的束流離開(kāi)了靶電壓鞘層，不容易被回吸到靶面，可提高薄膜沉積速率。
[0003]但是，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在圓筒形金屬等離子體源中，其所采用的條形磁鐵圍繞圓筒排布時(shí)，在金屬等離子體源端部會(huì)出現(xiàn)明顯的漏磁現(xiàn)象，其磁力線向外傾斜，而不是形成垂直于磁控靶的拱形磁力線;這導(dǎo)致金屬等離子體源不封閉磁控跑道上出現(xiàn)電子的“決堤”效應(yīng)，如圖2所示，磁控靶發(fā)射的電子快速逃逸，最終導(dǎo)致金屬等離子體源需要很高的起輝氣壓及工作氣壓，維持穩(wěn)定放電困難且束流密度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本申請(qǐng)的目的是提供一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)的金屬等離子體源及其應(yīng)用。
[0005]本申請(qǐng)采用了以下技術(shù)方案:
[0006]本申請(qǐng)的一方面公開(kāi)了一種金屬等離子體源，包括外殼、磁控革E和磁性元件，夕卜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，磁性元件鋪設(shè)于磁控靶與外殼之間，還包括抑制磁性元件，抑制磁性元件成對(duì)的安裝于磁性元件的兩端，并且，抑制磁性元件與磁性元件端部極性相同。
[0007]需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)的關(guān)鍵是在金屬等離子體源的磁性元件的兩端安裝抑制磁性元件，抑制磁性元件外加的磁場(chǎng)可解決磁性元件的端部漏磁現(xiàn)象，使磁性元件端部磁力線重新垂直于靶面，從而有效減少電子逃逸，濺射過(guò)程中有更多的電子被約束在等離子體源內(nèi)部，起到降低工作氣壓，提高靶材刻蝕均勻性、可控性以及束流密度的目的。
[0008]可以理解，本申請(qǐng)的金屬等離子體源的其它組件，如銅套、熄弧罩、冷卻系統(tǒng)、磁鋼和引出電場(chǎng)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(qǐng)是在專(zhuān)利申請(qǐng)201410268732.9和201410268695.1的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，因此，可以參考該兩件專(zhuān)利申請(qǐng)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(qǐng)的增加抑制磁性元件的金屬等離子體源，其結(jié)構(gòu)并不僅限于專(zhuān)利申請(qǐng)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(bǔ)充說(shuō)明的是，在專(zhuān)利申請(qǐng)201410268732.9和201410268695.1中，其等離子體源，又稱(chēng)為金屬離子源，與本申請(qǐng)的金屬等離子體源是相同的。
[0009]優(yōu)選的，抑制磁性元件為永久磁鐵或電磁鐵。
[0010]優(yōu)選的，永久磁鐵為釹鐵硼合金材料、鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、鐵氧體永磁合金、稀土鈷永磁材料或有機(jī)磁性材料。
[0011]需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)的目的是利用抑制磁性元件的磁場(chǎng)，將金屬等離子體源磁性元件向外傾斜的磁力線推回，使其形成垂直于磁控靶的拱形磁場(chǎng)；只要能達(dá)到該目的的磁性材料都可以用于本申請(qǐng)。
[0012]優(yōu)選的，抑制磁性元件與磁性元件的同向極性相同，且中心線重合。
[0013]需要說(shuō)明的是，只要抑制磁性元件安裝于磁性元件兩端，并且，抑制磁性元件與磁性元件端部極性相同，即可達(dá)到本申請(qǐng)的將磁性元件向外傾斜的磁力線推回的目的，但是，為了達(dá)到更好的效果，本申請(qǐng)?jiān)谝种拼判栽倪x擇和安裝時(shí)，盡量使抑制磁性元件與磁性元件的同向極性相同，且中心線重合。
[OOM]優(yōu)選的，抑制磁性元件的端部場(chǎng)強(qiáng)范圍是50-200mT
[0015]需要說(shuō)明的是，只要按照本申請(qǐng)的要求安裝抑制磁性元件即可達(dá)到本申請(qǐng)的目的，但是，考慮到更有效減少電子逃逸，優(yōu)選抑制磁性元件的端部場(chǎng)強(qiáng)范圍是50-200mT;可以理解，抑制磁性元件的端部場(chǎng)強(qiáng)越大，其將磁性元件向外傾斜的磁力線推回的力度或程度就越大。
[0016]優(yōu)選的，抑制磁性元件安裝于外殼內(nèi)部或外部。
[0017]優(yōu)選的，本申請(qǐng)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。
[0018]需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)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(qǐng)，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。
[0019]本申請(qǐng)的另一面還公開(kāi)了采用本申請(qǐng)的金屬等離子體源的離子鍍膜裝置。
[0020]優(yōu)選的，本申請(qǐng)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。
[0021]本申請(qǐng)的另一面還公開(kāi)了采用本申請(qǐng)的金屬等離子體源的真空鍍膜系統(tǒng)。
[0022]優(yōu)選的，本申請(qǐng)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。
[0023]本申請(qǐng)的有益效果在于:
[0024]本申請(qǐng)的金屬等離子體源，在磁性元件的兩端安裝抑制磁性元件，利用抑制磁性元件的磁場(chǎng)將磁性元件向外傾斜的磁力線推回，使其形成垂直于磁控靶的拱形磁場(chǎng)，從而有效減少電子逃逸，使更多的電子被約束在等離子體源內(nèi)部，起到降低工作氣壓的作用，并且達(dá)到提高靶材刻蝕均勻性、可控性以及束流密度的目的。與此同時(shí)，抑制磁性元件有效的提高了電子的束縛能力，使金屬等離子體源內(nèi)部電子濃度增加，可有效提高材料的離化率及束流密度。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本申請(qǐng)實(shí)施例中金屬等離子體源的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中11為外殼、12為磁控靶、13為磁性元件、14為抑制磁性元件；
[0026]圖2是本申請(qǐng)實(shí)施例中沒(méi)有設(shè)置抑制磁性元件的金屬等離子體源的磁場(chǎng)分布；
[0027]圖3是本申請(qǐng)實(shí)施例中設(shè)置抑制磁性元件的金屬等離子體源的磁場(chǎng)分布；
[0028]圖4是本申請(qǐng)實(shí)施例的金屬等離子體源中，抑制磁性元件另一種安裝方式的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中41為外殼、42為磁控靶、43為磁性元件、44為抑制磁性元件；
[0029]圖5是本申請(qǐng)實(shí)施例的金屬等離子體源中增加了微波等離子體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中51為外殼、52為磁控靶、53為磁性元件、54為抑制磁性元件、55為微波裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0030]本申請(qǐng)是在專(zhuān)利申請(qǐng)201410268732.9和201410268695.1中的圓筒形的金屬等離子體源的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，因此，兩件專(zhuān)利申請(qǐng)中的金屬等離子體源、離子鍍膜裝置、離子鍍膜方法，以及真空鍍膜系統(tǒng)等可直接用于本申請(qǐng)。
[0031]本申請(qǐng)?jiān)趯?zhuān)利申請(qǐng)201410268732.9和201410268695.1中提出圓筒形的金屬等離子體源之后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在其磁性元件的兩端磁力線向外傾斜，出現(xiàn)明顯的漏磁現(xiàn)象，如圖2所示，圖2中M所指部分即向外傾斜的磁力線。在起輝放電過(guò)程中，產(chǎn)生的電子迅速?gòu)膬啥颂右?，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，離子源工作不穩(wěn)定。因此，本申請(qǐng)創(chuàng)造性的提出，在磁性元件的兩端安裝抑制磁性元件，利用抑制磁性元件的磁場(chǎng)，將磁性元件兩端向外傾斜的磁力線推回，使磁性元件端部磁力線垂直于磁控靶的靶面，從而有效減少漏磁，在靶面形成均勻的、與靶面寬度相當(dāng)?shù)臋M向磁場(chǎng)，如圖3所示，從而達(dá)到濺射區(qū)域均勻，降低工作氣壓的目的。與此同時(shí)，兩端安裝抑制磁性元件后有效提高了電子的束縛能力，使金屬等離子體源內(nèi)部電子濃度增加，可有效提高材料的離化率及束流密度。這些對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)金屬等離子體源的產(chǎn)業(yè)化具有重要作用。
[0032]需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)的離子鍍膜裝置和真空鍍膜系統(tǒng)，分別引用自專(zhuān)利申請(qǐng)201410268732.9和201410268695.1，在此不累述。
[0033]下面通過(guò)具體實(shí)施例和附圖對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例和附圖僅對(duì)本申請(qǐng)進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不應(yīng)理解為對(duì)本申請(qǐng)的限制。
[0034]實(shí)施例一
[0035]本例的金屬等離子體源，如圖1所示，包括外殼11、磁控靶12、磁性元件13和抑制磁性元件14。外殼11呈中空的圓柱筒狀，磁控靶12鋪設(shè)于外殼11的中空的內(nèi)腔中，且不與外殼11導(dǎo)通，磁性元件13鋪設(shè)于磁控靶12與外殼11之間，抑制磁性元件14成對(duì)的安裝于磁性元件13的兩端，并且，抑制磁性元件14與磁性元件13端部極性相同。圖1中N和S分別表示磁鐵的N極和S極，抑制磁性元件14與磁性元件13端部極性相同是指，抑制磁性元件14和磁性元件13的N極和S極方向相同，例如以圖1的視角來(lái)看，圖的左邊部分，磁性元件13和其兩端的抑制磁性元件14的N極都位于左邊，S極都位于右邊。
[0036]本例的抑制磁性元件14為釹鐵硼合金材料的永久磁場(chǎng)，強(qiáng)度為10mT，長(zhǎng)度為40mm，寬度、高度均為5mm。抑制磁性元件14安裝在外殼11的外部，并且，抑制