[发明专利]一种金属离子源和真空镀膜系统

说明书

技术领域

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

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I.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.Metalvaporvacuumarcionsource.Rev.Sci.Instrum.,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。

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。

1999年V.Kouznetsov等人提出了高功率脉冲磁控溅射技术，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.Aself-sputteringionsource:Anewapproachtoquiescentmetalionbeams[J].Rev.Sci.Instrum.,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

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。

为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：

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、铜套和磁控靶依序层叠铺设于外壳内，且都不与外壳导通；磁控靶嵌在铜套内，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。

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。