一種金屬等離子體源及其應(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]常規(guī)的磁控濺射在鍍膜過程中絕大多數(shù)粒子以原子形式存在，可得到性能良好的薄膜，但是原子的能量、方向不可控，導(dǎo)致鍍膜的可控性較差。另一種重要的鍍膜手段，即陰極弧離子鍍技術(shù)，可得到幾乎完全離化的束流，束流的能量、方向可控，但是電弧熱導(dǎo)致部分濺射材料來不及氣化，從而以“液滴”的形式存在于離子束流中，在薄膜上形成缺陷“大顆?！?，對(duì)薄膜的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。
[0003]為此，本申請(qǐng)?jiān)谥暗难芯恐刑岢隽艘环N具有良好性能的圓筒形等離子體源，參見專利申請(qǐng)201410268732.9和201410268695.1，改進(jìn)的圓筒形等離子體源，主要針對(duì)磁控濺射和陰極弧離子鍍兩種傳統(tǒng)等離子體鍍膜技術(shù)存在的缺陷進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用圓筒形等離子體源可將濺射限制在筒形靶材內(nèi)部，濺射材料在腔內(nèi)反復(fù)碰撞、離化，產(chǎn)生大量的離子，采用引出柵將腔內(nèi)離子引出、加速并沉積在工件表面。采用圓筒形等離子體源可以有效提高材料的離化率，確保引出的束流中100%是離子；同時(shí)在圓筒腔內(nèi)出現(xiàn)的“打弧”以及所產(chǎn)生的“金屬液滴”不會(huì)噴濺到工件上，而是直接沉積在圓筒腔內(nèi)的靶面上，這樣既保證了薄膜不受“大顆?！钡挠绊懀矞p少了材料的浪費(fèi)；此外，引出的束流離開了磁控靶的靶電壓鞘層，不會(huì)被回吸到靶表面，從而提高了束流密度。
[0004]但是，在后續(xù)的研究和實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，專利申請(qǐng)201410268732.9和201410268695.1中的圓筒形等離子體源，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，等離子體源工作不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]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。
[0006]本申請(qǐng)采用了以下技術(shù)方案:
[0007]本申請(qǐng)的一方面公開了一種金屬等離子體源，包括外殼、磁控靶和電子阻擋屏極；外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；電子阻擋屏極由導(dǎo)電材料制備，同樣設(shè)置于外殼的中空內(nèi)腔中，并且電子阻擋屏極為片狀，電子阻擋屏極垂直安裝于磁控靶的兩端；電子阻擋屏極與磁控靶導(dǎo)通，或者電子阻擋屏極與磁控靶不導(dǎo)通，電子阻擋屏極單獨(dú)連接負(fù)電壓。
[0008]需要說明的是，本申請(qǐng)的關(guān)鍵在于增加電子阻擋屏極，以阻止電子逃逸；因此，其它組件，如磁性元件、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)的增加電子阻擋屏極的金屬等離子體源，其結(jié)構(gòu)并不僅限于專利申請(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)充說明的是，在專利申請(qǐng)201410268732.9和201410268695.1中，其等離子體源，又稱為金屬離子源，與本申請(qǐng)的金屬等離子體源是相同的。
[0009]需要說明的是，本申請(qǐng)的關(guān)鍵在于，在磁控靶的兩端增加電子阻擋屏極，使得電子在通過不閉合磁控跑道處外溢時(shí)，受到電子阻擋屏極的阻擋，并被反射回到金屬等離子體源內(nèi)部，起到降低放電起輝條件的目的；由于電子阻擋屏極的阻擋，避免了電子從兩端逃逸，有效的維持了靶面的等離子體密度，離子源工作穩(wěn)定，能夠滿足高功率離子鍍膜裝置或真空鍍膜系統(tǒng)的使用需求。本申請(qǐng)中，導(dǎo)通是指各組件之間導(dǎo)電連接，不導(dǎo)通是指各組件之間絕緣連接。
[0010]優(yōu)選的，電子阻擋屏極其伸出的末端到磁控靶的垂直距離Η為5-30mm。
[0011]需要說明的是，電子阻擋屏極是垂直固定在磁控靶的兩端的，并且，在兩端的電子阻擋屏極在外殼內(nèi)腔內(nèi)圍成一圈的情況下，其伸出的末端到磁控革巴的垂直距離為5-30mm，也就是內(nèi)圈環(huán)面到靶材表面的垂直距離。
[0012]優(yōu)選的，電子阻擋屏極的厚度為0.2-12mm。
[0013]優(yōu)選的，電子阻擋屏極由不銹鋼、Cu、A1、V、T1、Cr、Mn、N1、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au、Fe、N1、Co、V、Ru、Rh、Pb、C 和稀土中的至少一種制備而成。
[0014]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。
[0015]需要說明的是，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。
[0016]優(yōu)選的，本申請(qǐng)的金屬等離子體源還包括網(wǎng)孔狀的引出柵，引出電場(chǎng)正極固定在圓柱筒狀外殼的一端，引出柵固定在圓柱筒狀外殼的另一端，引出柵采用絕緣材料與外殼固定連接。
[0017]需要說明的是，其中引出柵是用于連接引出電源的負(fù)極的，以便于將離子束流引出，而引出柵設(shè)計(jì)成網(wǎng)孔狀，是便于在使用時(shí)，離子束流通過引出柵到達(dá)正對(duì)著引出柵的工件上，實(shí)現(xiàn)沉積鍍膜。使用時(shí)，磁控靶連接磁控濺射電源，引出柵接引出電源，由于磁控靶是設(shè)計(jì)呈圓筒狀的，即安置在圓筒狀的外殼內(nèi)，整個(gè)濺射過程都在磁控靶圍成的空腔內(nèi)進(jìn)行，只有離化的粒子才能被引出柵引出到達(dá)工件，因此可以得到100%離化的束流；與此同時(shí)，即便偶爾發(fā)生“打弧”，也是在圓柱筒內(nèi)部，“金屬液滴”也不會(huì)噴濺到工件上；此外，引出的束流離開了磁控靶的靶電壓鞘層，不會(huì)被再吸附回磁控靶表面，從而提高了束流密度。
[0018]優(yōu)選的，本申請(qǐng)的金屬等離子體源還包括法拉第杯，法拉第杯與外殼固定連接，且法拉第杯于引出柵之后，引出柵位于法拉第杯和外殼之間。
[0019]需要說明的是，法拉第杯是用于測(cè)量離子束流的量的，以實(shí)現(xiàn)引出離子束流可控；可以理解，要實(shí)現(xiàn)法拉第杯的測(cè)量，還必須要連接一個(gè)示波器，用于顯示測(cè)量的引出離子束流的強(qiáng)度，示波器可以選擇配置，在本申請(qǐng)中不作具體限定。
[0020]本申請(qǐng)的另一面還公開了采用本申請(qǐng)的金屬等離子體源的離子鍍膜裝置。
[0021 ] 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。
[0022]本申請(qǐng)的另一面還公開了采用本申請(qǐng)的金屬等離子體源的真空鍍膜系統(tǒng)。
[0023]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。
[0024]本申請(qǐng)的有益效果在于:
[0025]本申請(qǐng)的金屬等離子體源，在磁控靶的兩端增加電子阻擋屏極，當(dāng)逃逸電子到達(dá)屏極附近時(shí)，被電子阻擋屏極反射回金屬等離子體源內(nèi)部，起到降低放電起輝條件的目的。電子阻擋屏極的阻擋，避免了電子從兩端逃逸，有效的增加了靶面的等離子體密度，電子密度的增加進(jìn)