金屬等離子體源及應(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]本申請的發(fā)明人曾在專利申請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，主要針對磁控濺射、陰極弧離子鍍鍍膜過程中存在的問題而設(shè)計。磁控濺射技術(shù)存在材料離化率低，材料可控性差的缺點；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?！比毕荩瑢Ρ∧さ馁|(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。專利申請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，在金屬等離子體源端部會出現(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]本申請采用了以下技術(shù)方案:
[0006]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]需要說明的是，本申請的關(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(jìn)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(bǔ)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]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]需要說明的是，本申請的目的是利用抑制磁性元件的磁場，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；只要能達(dá)到該目的的磁性材料都可以用于本申請。
[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，本申請在抑制磁性元件的選擇和安裝時，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強(qiáng)范圍是50-200mT
[0015]需要說明的是，只要按照本申請的要求安裝抑制磁性元件即可達(dá)到本申請的目的，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強(qiáng)范圍是50-200mT;可以理解，抑制磁性元件的端部場強(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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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)。
[0022]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。
[0023]本申請的有益效果在于:
[0024]本申請的金屬等離子體源，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，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，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。
【附圖說明】
[0025]圖1是本申請實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是本申請實施例中沒有設(shè)置抑制磁性元件的金屬等離子體源的磁場分布；
[0027]圖3是本申請實施例中設(shè)置抑制磁性元件的金屬等離子體源的磁場分布；
[0028]圖4是本申請實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是本申請實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。
【具體實施方式】
[0030]本申請是在專利申請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，兩件專利申請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。
[0031]本申請在專利申請201410268732.9和201410268695.1中提出圓筒形的金屬等離子體源之后，經(jīng)過長期的研究和實踐發(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，離子源工作不穩(wěn)定。因此，本申請創(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，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，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，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]需要說明的是，本申請的離子鍍膜裝置和真空鍍膜系統(tǒng)，分別引用自專利申請201410268732.9和201410268695.1，在此不累述。
[0033]下面通過具體實施例和附圖對本申請作進(jìn)一步詳細(xì)說明。以下實施例和附圖僅對本申請進(jìn)行進(jìn)一步說明，不應(yīng)理解為對本申請的限制。
[0034]實施例一
[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，強(qiáng)度為10mT，長度為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