專利名稱：微波等離子體源離子注入裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明是一種用于離子注入材料表面改性的設備，特別適用于金屬材料表面改性。
在日本《機能材料》1988年4月號P43-50，緒方潔的文章中描述了一種用電子槍蒸發(fā)材料在基片上沉積薄膜，同時用氣體離子照射基片進行離子束動態(tài)混合生成保護鍍層的裝置。該裝置的缺點是受視線加工的限制，只能對一個離子束看得到的表面加工。
在1988年美國專利4，764，394中描述了一種裝置，是在真空室中工作氣壓10-2Pa時，用熱燈絲發(fā)射的電子產(chǎn)生等離子體，將工件浸入等離子體中，在工件上加負脈沖高壓，由工件周圍形成的等離子體鞘層中吸引正離子轟擊工件并注入到工件表面，改善工件表面性能。該裝置雖然克服了“視線加工”的限制，但是不能同時產(chǎn)生氣體離子和金屬離子注入以及薄膜沉積，即不能進行離子束動態(tài)混合加工。
另外，用熱燈絲發(fā)射電子產(chǎn)生等離子體時，不能長期工作于反應氣體環(huán)境，燈絲材料還會帶來污染。
為了克服已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、工作壽命長、污染小、在高真空度工作的離子注入裝置。
本發(fā)明還提出了能進行氣體離子和金屬離子同時注入或同時進行離子注入和薄膜沉積的離子束動態(tài)混合處理裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的裝置設有至少一組工作源，每組工作源包括至少一個微波等離子體源，工作源以工件為中心分布于其周圍，工件上接有高壓電源。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，裝置的工作源還可以包括至少一個材料濺射源。材料濺射源接有濺射電源。
工作源的數(shù)量一般選擇在20組以內(nèi)，具體可根據(jù)工件的大小，表面性能要求和沉積率選擇工作源的數(shù)量，如工件大，要求沉積率高，工作源的數(shù)量可以多些。
裝置用一組或多組工作源中的微波等離子體源在工作真空為10-2-10-3Pa時產(chǎn)生等離子體，并輸運到濺射靶片或工件附近，吸引微波等離子體中的離子在材料濺射源的濺射電源作用下產(chǎn)生濺射，同時對工件加上高壓電源，由于濺射出的材料質(zhì)點被等離子體離化成為離子或分子離子，因此這時除了有氣體離子產(chǎn)生外，還產(chǎn)生有金屬離子。這種同時由微波等離子體源及材料濺射源產(chǎn)生的氣體離子和金屬離子混合注入或離子束動態(tài)混合處理的效應，對工件表面進行全方位離子注入或離子束動態(tài)混合處理，可達到在工件表面形成附著強度高的保護涂層的效果。


圖1是裝置有一組工作源的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是工作源為微波等離子體濺射源的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3是裝置有6組工作源的結(jié)構(gòu)示意圖。
以下結(jié)合附圖詳述本發(fā)明圖1、圖2和圖3中表示出本發(fā)明包括有靶室[1]，與靶室相連有真空系統(tǒng)[2]、供氣系統(tǒng)[3]，真空系統(tǒng)可使靶室內(nèi)達到本底真空10-3-10-7Pa;工作真空10-2-10-3Pa。供氣系統(tǒng)可以將濺射氣體通過微波等離子體源[4]送入靶室內(nèi)，放在靶室內(nèi)的工件[16]上接有高壓電源[8，14，15]，根據(jù)需要高壓電源可以用交流電源[8]或直流電源[14]或脈沖電源[15]。采用交流電源較好，其優(yōu)點是可以消除工件表面的電荷積累，以防止高壓擊穿引起的損傷，且價格便宜，使用方便。
本發(fā)明在靶室[1]上裝有1組或多組進行離子束動態(tài)混合處理的工作源[4，5，6，7]，每組工作源包括有1個或多個微波等離子體源[4]和(或)一個或多個材料濺射源[5，6，7]。微波等離子體源[4]最好采用橫磁瓶電子回旋微波等離子體源(本發(fā)明人申請的90105790.8號中國專利)。材料濺射源可以采用以下幾種裝置1.磁控濺射源[5]。磁控濺射陰極用永磁鐵做成，表面磁場＞1000高斯，裝在濺射陰極上的靶片[10]上接有濺射電源[12]，可以用0-4KV的直流電源或高頻電源。
2.微波等離子體濺射源[6]。它由微波等離子體源[4]、設在靶室[1]上的濺射通道[9]以及設在靶室和通道之間的限流孔片[13]組成，如圖2中所示。濺射通道用石英玻璃做成，限流孔片可以用石英玻璃或濺射材料做成，以減小濺射材料對等離子體源的污染。濺射靶[11]放在濺射通道內(nèi)，一般采用面積較大的幾何形狀，可以獲得較大的沉積率，比如圓筒式或方筒式，直徑和高度可調(diào)。靶片接0-4KV的直流電源或高頻電源作濺射電源[12]。
3.真空電弧裝置[7]?？捎藐帢O電弧或陽極電弧裝置，如北京儀器廠生產(chǎn)的DHD-600F型多弧離子鍍膜機的陰極電弧源。
以上三種材料濺射源都可以和微波等離子體源相結(jié)合產(chǎn)生氣體離子和金屬離子混合注入的效應或氣體離子注入和薄膜沉積的效應。特別是真空電弧裝置的離化率可達到70-90%，可產(chǎn)生大量的金屬離子注入到工件表面改善工件表面性能。
實施例一真空室[1]上設一個或者用一個微波等離子體源[4]，工作時金屬或半導體材料工件[16]上接交流高壓電源[8]，電壓為30-100KV，電流為5-100mA，功率為10KW。在裝置上對金屬工件等進行氮離子注入表面改性;對半導體工件離子注入B或P等進行半導體滲雜形成淺結(jié)。
實施例二如圖1所示，真空系統(tǒng)[1]上裝一組工作源。它包括1個微波等離子體源[4]或微波等離子體濺射源[6]和4個磁控濺射源[5]。微波等離子體源用于產(chǎn)生等離子體和清洗輻照工件。工件[16]上加直流高壓電源[14]，4個磁控濺射源的濺射陰極分布于工件周圍，裝在濺射陰極上的濺射靶[10]接濺射電源[12]。濺射陰極的磁場分布構(gòu)成四極磁場，對等離子體起約束作用，提高工作區(qū)的等離子體密度。該裝置能進行材料表面保護涂層處理。
實施例三如圖2所示，靶室[1]上裝一組工作源，它包括5個微波等離子體濺射源[4]。濺射靶[11]為圓筒式，靶材可用Ti、Al、Si等。靶上加偏壓濺射電源[12]，用電壓為0-4KV可調(diào)，電流為0-150mA的直流或高頻電源。從5個微波等離子體源同時或輪流輸入反應氣體或濺射氣體，如H2SiH4、CH4，N2或O2等到靶室內(nèi)，能進行薄膜沉積在工件表面生成Si3N4、SiO2、a-SiH-a-cH等多層薄膜。
在工作源工作的同時，工件上加電壓為0-100KV，功率10KW的脈沖電源[15]，即可對工件表面進行離子注入和離子束動態(tài)混合處理，在金屬工件表面形成TiN、TiC、Al2O3等涂層。
實施例四如圖3所示，真空室[1]上裝6組工作源，每組包括一個微波等離子體源[4]和一個陰極電弧源[7]，工作源工作時在工件上加高壓交流電源[8]由微波等離子體源產(chǎn)生的氣體離子(如N2)和由陰極電弧源產(chǎn)生的金屬離子(如Ti、Al)同時注入到金屬工件表面進行離子束動態(tài)混合，形成TiN超硬涂層，可達維氏硬度HV2500。
權(quán)利要求
1.微波等離子體離子注入裝置，包括有靶室[1]、真空系統(tǒng)[2]，供氣系統(tǒng)[3]，其特征是至少有一組工作源[4]，[5]，[6]，[7]，每組工作源至少有一個微波等離子體源[4]，工作源以工件[16]為中心分布于其周圍，工件上接有高壓電源[8]，[14]，[15]。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其特征是每組工作源至少有一個材料濺射源[5]，[6]，[7]。
3.如權(quán)利要求2的裝置，其特征是所說的材料濺射源是磁控濺射源[5]或微波等離子體濺射源[6]或真空電弧裝置[7]。
4.如權(quán)利要求1的裝置，其特征是工件上接的高壓電源是交流電源[8]。
5.如權(quán)利要求3的裝置，其特征是所說的真空電弧裝置[7]為真空陰極電弧裝置。
全文摘要
微波等離子體源離子注入裝置，是一種用于離子注入材料表面改性的設備。它由靶室[1]、真空系統(tǒng)[2]、供氣系統(tǒng)[3]和一組或多組工作源[4，5，6，7]組成。每組工作源包括一個或多個微波等離子體源[4]和(或)一個或多個材料濺射源[5，6，7]，微波等離子體源用橫磁瓶電子回旋微波等離子體源；材料濺射源可以用磁控濺射源[5]、微波等離子體濺射源[6]或真空電弧裝置[7]。在工作真空度10
文檔編號C23C14/48GK1087128SQ9211198
公開日1994年5月25日 申請日期1992年11月16日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月16日
發(fā)明者郭華聰 申請人:四川大學