金属等离子体源及应用制造技术

本申请公开了一种金属等离子体源及其应用。本申请的金属等离子体源包括外壳、磁控靶、磁性元件和抑制磁性元件，外壳呈中空的圆柱筒状，磁控靶铺于外壳的中空内腔，不与外壳导通，磁性元件铺于磁控靶与外壳间，抑制磁性元件成对的安装于磁性元件的两端，与磁性元件端部极性相同。本申请的金属等离子体源，在磁性元件的两端安装抑制磁性元件，利用抑制磁性元件的磁场将磁性元件向外倾斜的磁力线推回，形成垂直于磁控靶的拱形磁场，从而减少电子逃逸，使更多电子约束在等离子体源内部，起到降低工作气压作用，达到提高靶材刻蚀均匀性、可控性以及束流密度的目的。同时，金属等离子体源内部电子浓度增加，也有效提高了材料的离化率及束流密度。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及离子镀膜领域，特别是涉及一种金属等离子体源及其应用。
技术介绍
本申请的专利技术人曾在专利申请201410268695.1和201410268732.9中提出了一种具有高性能的圆筒形金属等离子体源，主要针对磁控溅射、阴极弧离子镀镀膜过程中存在的问题而设计。磁控溅射技术存在材料离化率低，材料可控性差的缺点；而阴极弧离子镀具有高的材料离化率，其束流的能量、方向可控性好，但是束流中存在大量金属“液滴”，在薄膜上形成“大颗粒”缺陷，对薄膜的质量产生严重影响。专利申请201410268695.1和201410268732.9中提出采用圆筒形金属等离子体源可将溅射约束在筒形靶材内部，溅射出来的材料在腔内与电子、Ar+、Ar、靶材料反复碰撞、离化，可有效提高离化率，再采用引出栅将腔内离子引出、加速并沉积在工件表面。采用这种方式可以使引出的束流中100%为离子；同时靶面“打弧”产生的“金属液滴”被限制在筒形靶内部；引出的束流离开了靶电压鞘层，不容易被回吸到靶面，可提高薄膜沉积速率。但是，进一步的研究发现，在圆筒形金属等离子体源中，其所采用的条形磁铁围绕圆筒排布时，在金属等离子体源端部会出现明显的漏磁现象，其磁力线向外倾斜，而不是形成垂直于磁控靶的拱形磁力线;这导致金属等离子体源不封闭磁控跑道上出现电子的“决堤”效应，如图2所示，磁控靶发射的电子快速逃逸，最终导致金属等离子体源需要很高的起辉气压及工作气压，维持稳定放电困难且束流密度低。
技术实现思路
本申请的目的是提供一种结构改进的金属等离子体源及其应用。本申请采用了以下技术方案:本申请的一方面公开了一种金属等离子体源，包括外壳、磁控革E和磁性元件，夕卜壳呈中空的圆柱筒状，磁控靶铺设于外壳的中空的内腔中，且不与外壳导通，磁性元件铺设于磁控靶与外壳之间，还包括抑制磁性元件，抑制磁性元件成对的安装于磁性元件的两端，并且，抑制磁性元件与磁性元件端部极性相同。需要说明的是，本申请的关键是在金属等离子体源的磁性元件的两端安装抑制磁性元件，抑制磁性元件外加的磁场可解决磁性元件的端部漏磁现象，使磁性元件端部磁力线重新垂直于靶面，从而有效减少电子逃逸，溅射过程中有更多的电子被约束在等离子体源内部，起到降低工作气压，提高靶材刻蚀均匀性、可控性以及束流密度的目的。可以理解，本申请的金属等离子体源的其它组件，如铜套、熄弧罩、冷却系统、磁钢和引出电场正极等，都可以参考现有的圆筒形等离子体源，在此不累述。尤其是，本申请是在专利申请201410268732.9和201410268695.1的基础上改进的，因此，可以参考该两件专利申请中的金属等离子体源或离子镀膜装置。当然，可以理解，本申请的增加抑制磁性元件的金属等离子体源，其结构并不仅限于专利申请201410268732.9和201410268695.1所记载的金属等离子体源或离子镀膜装置。需要补充说明的是，在专利申请201410268732.9和201410268695.1中，其等离子体源，又称为金属离子源，与本申请的金属等离子体源是相同的。优选的，抑制磁性元件为永久磁铁或电磁铁。优选的，永久磁铁为钕铁硼合金材料、铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、铁氧体永磁合金、稀土钴永磁材料或有机磁性材料。需要说明的是，本申请的目的是利用抑制磁性元件的磁场，将金属等离子体源磁性元件向外倾斜的磁力线推回，使其形成垂直于磁控靶的拱形磁场；只要能达到该目的的磁性材料都可以用于本申请。优选的，抑制磁性元件与磁性元件的同向极性相同，且中心线重合。需要说明的是，只要抑制磁性元件安装于磁性元件两端，并且，抑制磁性元件与磁性元件端部极性相同，即可达到本申请的将磁性元件向外倾斜的磁力线推回的目的，但是，为了达到更好的效果，本申请在抑制磁性元件的选择和安装时，尽量使抑制磁性元件与磁性元件的同向极性相同，且中心线重合。优选的，抑制磁性元件的端部场强范围是50-200mT需要说明的是，只要按照本申请的要求安装抑制磁性元件即可达到本申请的目的，但是，考虑到更有效减少电子逃逸，优选抑制磁性元件的端部场强范围是50-200mT;可以理解，抑制磁性元件的端部场强越大，其将磁性元件向外倾斜的磁力线推回的力度或程度就越大。优选的，抑制磁性元件安装于外壳内部或外部。优选的，本申请的金属等离子体源还包括辅助离化放电装置，用以增加溅射材料的离化率;该辅助离化放电装置为射频天线装置、电感耦合离化装置、电容耦合离化装置和微波装置中的至少一种。需要说明的是，本申请的辅助离化放电装置其目的是增加溅射材料的离化率，可以理解，只要是能够起到该作用的装置，如射频天线装置、电感耦合离化装置、电容耦合离化装置和微波装置都可以用于本申请，其安装方式可以参考常规的金属等离子体源的安装方式，在此不累述。本申请的另一面还公开了采用本申请的金属等离子体源的离子镀膜装置。优选的，本申请的离子镀膜装置中，金属等离子体源的供电方式为高功率脉冲磁控溅射、直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射和复合脉冲磁控溅射中的至少一种。本申请的另一面还公开了采用本申请的金属等离子体源的真空镀膜系统。优选的，本申请的真空镀膜系统中，金属等离子体源的供电方式为高功率脉冲磁控溅射、直流磁控溅射、脉冲磁控溅射、射频磁控溅射、中频磁控溅射和复合脉冲磁控溅射中的至少一种。本申请的有益效果在于:本申请的金属等离子体源，在磁性元件的两端安装抑制磁性元件，利用抑制磁性元件的磁场将磁性元件向外倾斜的磁力线推回，使其形成垂直于磁控靶的拱形磁场，从而有效减少电子逃逸，使更多的电子被约束在等离子体源内部，起到降低工作气压的作用，并且达到提高靶材刻蚀均匀性、可控性以及束流密度的目的。与此同时，抑制磁性元件有效的提高了电子的束缚能力，使金属等离子体源内部电子浓度增加，可有效提高材料的离化率及束流密度。【附图说明】图1是本申请实施例中金属等离子体源的结构示意图，图中11为外壳、12为磁控靶、13为磁性元件、14为抑制磁性元件；图2是本申请实施例中没有设置抑制磁性元件的金属等离子体源的磁场分布；图3是本申请实施例中设置抑制磁性元件的金属等离子体源的磁场分布；图4是本申请实施例的金属等离子体源中，抑制磁性元件另一种安装方式的结构示意图，图中41为外壳、42为磁控靶、43为磁性元件、44为抑制磁性元件；图5是本申请实施例的金属等离子体源中增加了微波等离子体增强结构的结构示意图，图中51为外壳、52为磁控靶、53为磁性元件、54为抑制磁性元件、55为微波装置。【具体实施方式】本申请是在专利申请201410268732.9和201410268695.1中的圆筒形的金属等离子体源的基础上进行改进的，因此，两件专利申请中的金属等离子体源、离子镀膜装置、离子镀膜方法，以及真空镀膜系统等可直接用于本申请。本申请在专利申请201410268732.9和201410268695.1中提出圆筒形的金属等离子体源之后，经过长期的研究和实践发现，在其磁性元件的两端磁力线向外倾斜，出现明显的漏磁现象，如图2所示，图2中M所指部分即向外倾斜的磁力线。在起辉放电过程中，产生的电子迅速从两端逃逸，从而难以维持靶面较高的等离子体密度，使得放电较困难，尤其是较高功率下，离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属等离子体源，包括外壳(11)、磁控靶(12)和磁性元件(13)，所述外壳(11)呈中空的圆柱筒状，所述磁控靶(12)铺设于外壳(11)的中空的内腔中，且不与外壳(11)导通，所述磁性元件(13)铺设于磁控靶(12)与外壳(11)之间，其特征在于：还包括抑制磁性元件(14)，所述抑制磁性元件(14)成对的安装于所述磁性元件(13)的两端，并且，抑制磁性元件(14)与磁性元件(13)端部极性相同。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴忠振，肖舒，崔岁寒，林海，潘锋，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44