一種絕緣材料金屬等離子體浸沒離子注入與沉積裝置及使用其進(jìn)行注入與沉積的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種離子注入處理裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬等離子體浸沒離子注入是通過磁導(dǎo)管將金屬等離子體引入真空處理室，工件浸沒在等離子體中，在脈沖負(fù)偏壓的作用下，離子被加速并注入到工件表面。目前，MePIII技術(shù)已廣泛應(yīng)用于金屬、半導(dǎo)體的表面改性，而對(duì)于絕緣材料自身導(dǎo)電性能較差，通常需要用金屬靶臺(tái)來提供脈沖負(fù)偏壓實(shí)現(xiàn)絕緣材料表面的離子注入。但由于絕緣材料自身電容效應(yīng)，以及離子注入過程中正電荷在絕緣材料表面積累，降低了絕緣材料表面電勢(shì)，注入離子能量減小，影響絕緣材料最終注入效果。可以采用輔助金屬柵網(wǎng)的方法來降低絕緣材料表面電荷的積聚強(qiáng)度，提高離子注入的能量。由于金屬等離子體是通過脈沖陰極弧金屬等離子體源產(chǎn)生的，在高壓脈沖間歇階段也不存在金屬等離子體，無法實(shí)現(xiàn)絕緣材料表面積累電荷的中和，當(dāng)表面積累電荷量增加到一定程度時(shí)可能產(chǎn)生“打火”，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使設(shè)備損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有對(duì)絕緣材料進(jìn)行金屬等離子體浸沒離子注入時(shí)無法實(shí)現(xiàn)絕緣材料表面積累電荷的中和，當(dāng)表面累積電荷量增加一定程度時(shí)可能產(chǎn)生“打火”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使設(shè)備損壞的問題，而提供一種絕緣材料金屬等離子體浸沒離子注入與沉積裝置及使用其進(jìn)行注入與沉積的方法。
[0004]一種絕緣材料金屬等離子體浸沒離子注入與沉積裝置包括氣體等離子體源、金屬柵網(wǎng)、高壓靶臺(tái)、被處理絕緣工件、負(fù)高壓脈沖源、磁導(dǎo)管、金屬陰極弧等離子體源、真空室和進(jìn)氣口 ；
[0005]所述的真空室內(nèi)設(shè)有金屬柵網(wǎng)、高壓靶臺(tái)和被處理絕緣工件；被處理絕緣工件安裝在高壓靶臺(tái)上方，金屬柵網(wǎng)罩在高壓靶臺(tái)上方，且與高壓靶臺(tái)相連接；
[0006]所述的氣體等離子體源和進(jìn)氣口分別與真空室相連通；
[0007]所述的負(fù)高壓脈沖源與高壓靶臺(tái)相連通；
[0008]所述的磁導(dǎo)管與真空室相連通，磁導(dǎo)管內(nèi)設(shè)有金屬陰極弧等離子體源。
[0009]利用一種絕緣材料金屬等離子體浸沒離子注入與沉積裝置對(duì)絕緣材料進(jìn)行金屬等離子體浸沒離子注入與沉積的方法是按以下步驟完成的:
[0010]一、將被處理絕緣工件固定在真空室內(nèi)的高壓靶臺(tái)上，金屬柵網(wǎng)罩在高壓靶臺(tái)上方，且與高壓靶臺(tái)相連接；將鈦陰極安裝在金屬陰極弧等離子體源處，抽真空至真空室內(nèi)的真空度為I X 10 3Pa以下，通過進(jìn)氣口向真空室內(nèi)通入1sccm?50sccm的氬氣，調(diào)節(jié)真空室內(nèi)的真空度為0.5Pa?2Pa ；
[0011]二、打開氣體等離子體源，將氣體等離子體源的功率調(diào)節(jié)至200W?400W，調(diào)節(jié)真空室內(nèi)的氣壓，使得真空室內(nèi)的真空度為0.05Pa?0.1Pa ；
[0012]三、設(shè)定工作參數(shù):
[0013]將負(fù)高壓脈沖源的脈沖電壓設(shè)定為1kV?30kV，脈寬設(shè)定為100 μ s?400 μ S，頻率設(shè)定為1Hz?50Hz，高壓延時(shí)設(shè)定為10 μ s?60 μ s ;將高壓靶臺(tái)的自轉(zhuǎn)速度設(shè)定為0.5r/min?5r/min ;將金屬陰極弧等離子體源的主弧電壓設(shè)定為50V?80V，主弧脈寬設(shè)定為 100 μ s ?400 μ s ；
[0014]四、啟動(dòng):啟動(dòng)負(fù)高壓脈沖源、高壓靶臺(tái)和金屬陰極弧等離子體源，對(duì)被處理絕緣工件進(jìn)行金屬等離子體浸沒離子注入，注入時(shí)間為0.5h?5h，得到注入鈦離子后的被處理絕緣工件。
[0015]本發(fā)明的原理:
[0016]本發(fā)明向真空室中通入氬氣，通過金屬陰極弧等離子體源發(fā)生的電感耦合射頻放電方式在真空室中產(chǎn)生高密度Ar等離子體，負(fù)高壓脈沖源產(chǎn)生的脈沖高壓間歇階段，金屬柵網(wǎng)和高壓靶臺(tái)均沒有高壓，此時(shí)Ar等離子體擴(kuò)展到被處理絕緣工件的表面，Ar等離子體中的負(fù)電子與表面積累的正電荷相互中和，消除被處理絕緣工件表面累積的電荷，防止了金屬等離子體浸沒離子注入中在被處理絕緣工件表面發(fā)生的“打火”現(xiàn)象。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0018]一、本發(fā)明通過金屬柵網(wǎng)可以有效改善被處理絕緣工件的注入效果，降低被處理絕緣工件表面電荷積聚的程度，提高離子注入能量；離子注入過程中通過高壓靶臺(tái)旋轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)大面積被處理絕緣工件的金屬離子均勻注入；而且負(fù)高壓脈沖源脈沖間歇階段，利用Ar等離子體中和被處理絕緣工件表面積累電荷的方法能降低注入過程中被處理絕緣工件表面發(fā)生“打火”的概率；
[0019]二、本發(fā)明得到的注入鈦離子后的被處理絕緣工件表面氧化鋁陶瓷表層Ti元素的深度為250nm左右，且呈現(xiàn)類高斯分布，Ti元素在氧化鋁陶瓷表面的原子濃度約為6.7%，在注入深度40nm左右，Ti元素濃度達(dá)到峰值，Ti原子百分含量達(dá)13%。
[0020]本發(fā)明適用于在絕緣材料表面進(jìn)行大面積金屬離子注入與沉積。
【附圖說明】
[0021]圖1為【具體實(shí)施方式】一所述的一種絕緣材料金屬等離子體浸沒離子注入與沉積裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1中I為氣體等離子體源，2為金屬柵網(wǎng)，3為高壓靶臺(tái)，4為被處理絕緣工件，5為負(fù)高壓脈沖源，6為磁導(dǎo)管，7為金屬陰極弧等離子體源，8為真空室，9為進(jìn)氣P ;
[0022]圖2為利用一種絕緣材料金屬等離子體浸沒離子注入與沉積裝置對(duì)絕緣材料進(jìn)行金屬等離子體浸沒離子注入與沉積過程中被處理絕緣工件中表面積累積電荷的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2中2為金屬柵網(wǎng)，3為高壓靶臺(tái)，4為被處理絕緣工件，10為被處理絕緣工件表面積累的正電荷；
[0023]圖3為利用一種絕緣材料金屬等離子體浸沒離子注入與沉積裝置對(duì)絕緣材料進(jìn)行金屬等離子體浸沒離子注入與沉積過程中被處理絕緣工件中中和表面累積電荷的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3中2為金屬柵網(wǎng)，3為高壓靶臺(tái)，4為被處理絕緣工件，10為被處理絕緣工件表面積累的正電荷，11為氣體等離子體源產(chǎn)生的Ar等離子體中的負(fù)電荷；
[0024]圖4為實(shí)施例一步驟四得到的注入鈦離子后的被處理絕緣工件表面氧化鋁陶瓷表層XPS元素深度分布圖，圖4中I為實(shí)施例一步驟四得到的注入鈦離子后的被處理絕緣工件表面氧化鋁陶瓷表層O元素深度分布圖，2為實(shí)施例一步驟四得到的注入鈦離子后的被處理絕緣工件表面氧化鋁陶瓷表層Al元素深度分布圖，3為實(shí)施例一步驟四得到的注入鈦離子后的被處理絕緣工件表面氧化鋁陶瓷表層Ti元素深度分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式是一種絕緣材料金屬等離子體浸沒離子注入與沉積裝置包括氣體等離子體源1、金屬柵網(wǎng)2、高壓靶臺(tái)3、被處理絕緣工件4、負(fù)高壓脈沖源5、磁導(dǎo)管6、金屬陰極弧等離子體源7、真空室8和進(jìn)氣口 9 ;
[0026]所述的真空室8內(nèi)設(shè)有金屬柵網(wǎng)2、高壓靶臺(tái)3和被處理絕緣工件4 ;被處理絕緣工件4安裝在高壓靶臺(tái)3上方，金屬柵網(wǎng)2罩在高壓靶臺(tái)3上方，且與高壓靶臺(tái)3相連接；
[0027]所述的氣體等離子體源I和進(jìn)氣口 9分別與真空室8相連通；
[0028]所述的負(fù)高壓脈沖源5與高壓靶臺(tái)3相連通；
[0029]所述的磁導(dǎo)管6與真空室8相連通，磁導(dǎo)管6內(nèi)設(shè)有金屬陰極弧等離子體源7。
[0030]本實(shí)施方式的原理:
[0031]本實(shí)施方式向真空室8中通入氬氣，通過金屬陰極弧等離子體源7發(fā)生的電感耦合射頻放電方式在真空室8中產(chǎn)生高密度Ar等離子體，負(fù)高壓脈沖源5產(chǎn)生的脈沖高壓間歇階段，金屬柵網(wǎng)2和高壓靶臺(tái)3均沒有高壓，此時(shí)Ar等離子體擴(kuò)展到被處理絕緣工件4的表面，Ar等離子體中的負(fù)電子與表面積累的正電荷相互中和，消除被處理絕緣工件4表面累積的電荷，防止了金屬等離子體浸沒離子注入中在被處理絕緣工件4表面發(fā)生的