一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置及使用其进行注入与沉积的方法

摘要

一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置及使用其进行注入与沉积的方法，它涉及一种离子注入处理装置和方法。本发明的目的是要解决现有对绝缘材料进行金属等离子体浸没离子注入时无法实现绝缘材料表面积累电荷的中和，当表面累积电荷量增加一定程度时可能产生“打火”现象，严重时会使设备损坏的问题。装置包括气体等离子体源、金属栅网、高压靶台、被处理绝缘工件、负高压脉冲源、磁导管、金属阴极弧等离子体源和真空室。方法：向真空室内通入氩气，打开气体等离子体源，将气体等离子体源的功率调节至200W～400W，设定工作参数，启动，即完成注入与沉积的方法。本发明适用于在绝缘材料表面进行大面积金属离子注入与沉积。

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子注入处理装置和方法。

背景技术

金属等离子体浸没离子注入是通过磁导管将金属等离子体引入真空处理室，工件浸没 在等离子体中，在脉冲负偏压的作用下，离子被加速并注入到工件表面。目前，MePIII技 术已广泛应用于金属、半导体的表面改性，而对于绝缘材料自身导电性能较差，通常需要 用金属靶台来提供脉冲负偏压实现绝缘材料表面的离子注入。但由于绝缘材料自身电容效 应，以及离子注入过程中正电荷在绝缘材料表面积累，降低了绝缘材料表面电势，注入离 子能量减小，影响绝缘材料最终注入效果。可以采用辅助金属栅网的方法来降低绝缘材料 表面电荷的积聚强度，提高离子注入的能量。由于金属等离子体是通过脉冲阴极弧金属等 离子体源产生的，在高压脉冲间歇阶段也不存在金属等离子体，无法实现绝缘材料表面积 累电荷的中和，当表面积累电荷量增加到一定程度时可能产生“打火”，严重时会使设备损 坏。

发明内容

本发明的目的是要解决现有对绝缘材料进行金属等离子体浸没离子注入时无法实现 绝缘材料表面积累电荷的中和，当表面累积电荷量增加一定程度时可能产生“打火”现象， 严重时会使设备损坏的问题，而提供一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置 及使用其进行注入与沉积的方法。

一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置包括气体等离子体源、金属栅 网、高压靶台、被处理绝缘工件、负高压脉冲源、磁导管、金属阴极弧等离子体源、真空 室和进气口；

所述的真空室内设有金属栅网、高压靶台和被处理绝缘工件；被处理绝缘工件安装在 高压靶台上方，金属栅网罩在高压靶台上方，且与高压靶台相连接；

所述的气体等离子体源和进气口分别与真空室相连通；

所述的负高压脉冲源与高压靶台相连通；

所述的磁导管与真空室相连通，磁导管内设有金属阴极弧等离子体源。

利用一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置对绝缘材料进行金属等离 子体浸没离子注入与沉积的方法是按以下步骤完成的：

一、将被处理绝缘工件固定在真空室内的高压靶台上，金属栅网罩在高压靶台上方， 且与高压靶台相连接；将钛阴极安装在金属阴极弧等离子体源处，抽真空至真空室内的真 空度为1×10^-3Pa以下，通过进气口向真空室内通入10sccm～50sccm的氩气，调节真空室 内的真空度为0.5Pa～2Pa；

二、打开气体等离子体源，将气体等离子体源的功率调节至200W～400W，调节真空 室内的气压，使得真空室内的真空度为0.05Pa～0.1Pa；

三、设定工作参数：

将负高压脉冲源的脉冲电压设定为10kV～30kV，脉宽设定为100μs～400μs，频率设定 为10Hz～50Hz，高压延时设定为10μs～60μs；将高压靶台的自转速度设定为 0.5r/min～5r/min；将金属阴极弧等离子体源的主弧电压设定为50V～80V，主弧脉宽设定为 100μs～400μs；

四、启动：启动负高压脉冲源、高压靶台和金属阴极弧等离子体源，对被处理绝缘工 件进行金属等离子体浸没离子注入，注入时间为0.5h～5h，得到注入钛离子后的被处理绝 缘工件。

本发明的原理：

本发明向真空室中通入氩气，通过金属阴极弧等离子体源发生的电感耦合射频放电方 式在真空室中产生高密度Ar等离子体，负高压脉冲源产生的脉冲高压间歇阶段，金属栅 网和高压靶台均没有高压，此时Ar等离子体扩展到被处理绝缘工件的表面，Ar等离子体 中的负电子与表面积累的正电荷相互中和，消除被处理绝缘工件表面累积的电荷，防止了 金属等离子体浸没离子注入中在被处理绝缘工件表面发生的“打火”现象。

本发明的优点：

一、本发明通过金属栅网可以有效改善被处理绝缘工件的注入效果，降低被处理绝缘 工件表面电荷积聚的程度，提高离子注入能量；离子注入过程中通过高压靶台旋转能够实 现大面积被处理绝缘工件的金属离子均匀注入；而且负高压脉冲源脉冲间歇阶段，利用 Ar等离子体中和被处理绝缘工件表面积累电荷的方法能降低注入过程中被处理绝缘工件 表面发生“打火”的概率；

二、本发明得到的注入钛离子后的被处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷表层Ti元素的深 度为250nm左右，且呈现类高斯分布，Ti元素在氧化铝陶瓷表面的原子浓度约为6.7％， 在注入深度40nm左右，Ti元素浓度达到峰值，Ti原子百分含量达13％。

本发明适用于在绝缘材料表面进行大面积金属离子注入与沉积。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置的 结构示意图；图1中1为气体等离子体源，2为金属栅网，3为高压靶台，4为被处理绝缘 工件，5为负高压脉冲源，6为磁导管，7为金属阴极弧等离子体源，8为真空室，9为进 气口；

图2为利用一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置对绝缘材料进行金 属等离子体浸没离子注入与沉积过程中被处理绝缘工件中表面积累积电荷的结构示意图； 图2中2为金属栅网，3为高压靶台，4为被处理绝缘工件，10为被处理绝缘工件表面积 累的正电荷；

图3为利用一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置对绝缘材料进行金 属等离子体浸没离子注入与沉积过程中被处理绝缘工件中中和表面累积电荷的结构示意 图；图3中2为金属栅网，3为高压靶台，4为被处理绝缘工件，10为被处理绝缘工件表 面积累的正电荷，11为气体等离子体源产生的Ar等离子体中的负电荷；

图4为实施例一步骤四得到的注入钛离子后的被处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷表层 XPS元素深度分布图，图4中1为实施例一步骤四得到的注入钛离子后的被处理绝缘工 件表面氧化铝陶瓷表层O元素深度分布图，2为实施例一步骤四得到的注入钛离子后的被 处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷表层Al元素深度分布图，3为实施例一步骤四得到的注入 钛离子后的被处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷表层Ti元素深度分布图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置 包括气体等离子体源1、金属栅网2、高压靶台3、被处理绝缘工件4、负高压脉冲源5、 磁导管6、金属阴极弧等离子体源7、真空室8和进气口9；

所述的真空室8内设有金属栅网2、高压靶台3和被处理绝缘工件4；被处理绝缘工 件4安装在高压靶台3上方，金属栅网2罩在高压靶台3上方，且与高压靶台3相连接；

所述的气体等离子体源1和进气口9分别与真空室8相连通；

所述的负高压脉冲源5与高压靶台3相连通；

所述的磁导管6与真空室8相连通，磁导管6内设有金属阴极弧等离子体源7。

本实施方式的原理：

本实施方式向真空室8中通入氩气，通过金属阴极弧等离子体源7发生的电感耦合射 频放电方式在真空室8中产生高密度Ar等离子体，负高压脉冲源5产生的脉冲高压间歇 阶段，金属栅网2和高压靶台3均没有高压，此时Ar等离子体扩展到被处理绝缘工件4 的表面，Ar等离子体中的负电子与表面积累的正电荷相互中和，消除被处理绝缘工件4 表面累积的电荷，防止了金属等离子体浸没离子注入中在被处理绝缘工件4表面发生的 “打火”现象。

本实施方式的优点：

一、本实施方式通过金属栅网2可以有效改善被处理绝缘工件4的注入效果，降低被 处理绝缘工件4表面电荷积聚的程度，提高离子注入能量；离子注入过程中通过高压靶台 3旋转能够实现大面积被处理绝缘工件4的金属离子均匀注入；而且负高压脉冲源5脉冲 间歇阶段，利用Ar等离子体中和被处理绝缘工件4表面积累电荷的方法能降低注入过程 中被处理绝缘工件4表面发生“打火”的概率。

二、本实施方式得到的注入钛离子后的被处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷表层Ti元素 的深度为250nm左右，且呈现类高斯分布，Ti元素在氧化铝陶瓷表面的原子浓度约为 6.7％，在注入深度40nm左右，Ti元素浓度达到峰值，Ti原子百分含量达13％。

本实施方式适用于在绝缘材料表面进行大面积金属离子注入与沉积。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述的被处理绝缘工件 4为氧化铝陶瓷、聚四氟乙烯、尼龙或有机玻璃。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：所述的金属栅网2 的材质为不锈钢、钛金属或铜金属。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式是利用一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积 装置对绝缘材料进行金属等离子体浸没离子注入与沉积的方法是按以下步骤完成的：

一、将被处理绝缘工件4固定在真空室8内的高压靶台3上，金属栅网2罩在高压靶 台3上方，且与高压靶台3相连接；将钛阴极安装在金属阴极弧等离子体源7处，抽真空 至真空室8内的真空度为1×10^-3Pa以下，通过进气口9向真空室8内通入10sccm～50sccm 的氩气，调节真空室8内的真空度为0.5Pa～2Pa；

二、打开气体等离子体源1，将气体等离子体源1的功率调节至200W～400W，调节 真空室8内的气压，使得真空室8内的真空度为0.05Pa～0.1Pa；

三、设定工作参数：

将负高压脉冲源5的脉冲电压设定为10kV～30kV，脉宽设定为100μs～400μs，频率设 定为10Hz～50Hz，高压延时设定为10μs～60μs；将高压靶台3的自转速度设定为 0.5r/min～5r/min；将金属阴极弧等离子体源7的主弧电压设定为50V～80V，主弧脉宽设定 为100μs～400μs；

四、启动：启动负高压脉冲源5、高压靶台3和金属阴极弧等离子体源7，对被处理 绝缘工件4进行金属等离子体浸没离子注入，注入时间为0.5h～5h，得到注入钛离子后的 被处理绝缘工件4。

本实施方式的原理：

本实施方式向真空室8中通入氩气，通过金属阴极弧等离子体源7发生的电感耦合射 频放电方式在真空室8中产生高密度Ar等离子体，负高压脉冲源5产生的脉冲高压间歇 阶段，金属栅网2和高压靶台3均没有高压，此时Ar等离子体扩展到被处理绝缘工件4 的表面，Ar等离子体中的负电子与表面积累的正电荷相互中和，消除被处理绝缘工件4 表面累积的电荷，防止了金属等离子体浸没离子注入中在被处理绝缘工件4表面发生的 “打火”现象。

本实施方式的优点：

本实施方式通过金属栅网2可以有效改善被处理绝缘工件4的注入效果，降低被处理 绝缘工件4表面电荷积聚的程度，提高离子注入能量；离子注入过程中通过高压靶台3 旋转能够实现大面积被处理绝缘工件4的金属离子均匀注入；而且负高压脉冲源5脉冲间 歇阶段，利用Ar等离子体中和被处理绝缘工件4表面积累电荷的方法能降低注入过程中 被处理绝缘工件4表面发生“打火”的概率。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同点是：步骤一中所述的被处理 绝缘工件4为氧化铝陶瓷、聚四氟乙烯、尼龙或有机玻璃。其他与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五的不同点是：步骤一中所述的金 属栅网2的材质为不锈钢、钛金属或铜金属。其他与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一的不同点是：步骤一中所述 的钛阴极为质量分数为99％的钛金属。其他与具体实施方式四至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一的不同点是：步骤一中将被 处理绝缘工件4固定在真空室8内的高压靶台3上，金属栅网2罩在高压靶台3上方，且 与高压靶台3相连接；将钛阴极安装在金属阴极弧等离子体源7处，抽真空至真空室8 内的真空度为1×10^-3Pa以下，通过进气口9向真空室8内通入20sccm的氩气，调节真 空室8内的真空度为1Pa。其他与具体实施方式四至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一的不同点是：步骤二中打开 气体等离子体源1，将气体等离子体源1的功率调节至200W，调节真空室8内的气压， 使得真空室8内的真空度为0.1Pa。其他与具体实施方式四至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一的不同点是：步骤三中将负 高压脉冲源5的脉冲电压设定为12.5V，脉宽设定为300μs，频率设定为20Hz，高压延时 设定为40μs；将高压靶台3的自转速度设定为1r/min；将金属阴极弧等离子体源7的主 弧电压设定为60V，主弧脉宽设定为300μs。其他与具体实施方式四至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置包括气体等离子体源 1、金属栅网2、高压靶台3、被处理绝缘工件4、负高压脉冲源5、磁导管6、金属阴极 弧等离子体源7、真空室8和进气口9；

所述的真空室8内设有金属栅网2、高压靶台3和被处理绝缘工件4；被处理绝缘工 件4安装在高压靶台3上方，金属栅网2罩在高压靶台3上方，且与高压靶台3相连接；

所述的气体等离子体源1和进气口9分别与真空室8相连通；

所述的负高压脉冲源5与高压靶台3相连通；

所述的磁导管6与真空室8相连通，磁导管6内设有金属阴极弧等离子体源7。

利用一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置对绝缘材料进行金属等离 子体浸没离子注入与沉积的方法是按以下步骤完成的：

一、将被处理绝缘工件4固定在真空室8内的高压靶台3上，金属栅网2罩在高压靶 台3上方，且与高压靶台3相连接；将钛阴极安装在金属阴极弧等离子体源7处，抽真空 至真空室8内的真空度为1×10^-3Pa以下，通过进气口9向真空室8内通入20sccm的氩 气，调节真空室8内的真空度为1Pa；

二、打开气体等离子体源1，将气体等离子体源1的功率调节至200W，调节真空室 8内的气压，使得真空室8内的真空度为0.1Pa；

三、设定工作参数：

将负高压脉冲源5的脉冲电压设定为12.5V，脉宽设定为300μs，频率设定为20Hz， 高压延时设定为40μs；将高压靶台3的自转速度设定为1r/min；将金属阴极弧等离子体 源7的主弧电压设定为60V，主弧脉宽设定为300μs；

四、启动：启动负高压脉冲源5、高压靶台3和金属阴极弧等离子体源7，对被处理 绝缘工件4进行金属等离子体浸没离子注入，注入时间为4h，得到注入钛离子后的被处 理绝缘工件4；

步骤一中所述的被处理绝缘工件4为氧化铝陶瓷；

步骤一中所述的金属栅网2的材质为不锈钢；

步骤一中所述的钛阴极为质量分数为99％的钛金属。

图2为利用一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置对绝缘材料进行金 属等离子体浸没离子注入与沉积过程中被处理绝缘工件中表面积累积电荷的结构示意图； 图2中2为金属栅网，3为高压靶台，4为被处理绝缘工件，10为被处理绝缘工件表面积 累的正电荷；

图3为利用一种绝缘材料金属等离子体浸没离子注入与沉积装置对绝缘材料进行金 属等离子体浸没离子注入与沉积过程中被处理绝缘工件中中和表面累积电荷的结构示意 图；图3中2为金属栅网，3为高压靶台，4为被处理绝缘工件，10为被处理绝缘工件表 面积累的正电荷，11为气体等离子体源产生的Ar等离子体中的负电荷；

图4为实施例一步骤四得到的注入钛离子后的被处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷表层 XPS元素深度分布图，图4中1为实施例一步骤四得到的注入钛离子后的被处理绝缘工 件表面氧化铝陶瓷表层O元素深度分布图，2为实施例一步骤四得到的注入钛离子后的被 处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷表层Al元素深度分布图，3为实施例一步骤四得到的注入 钛离子后的被处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷表层Ti元素深度分布图。

从图4可知，实施例一步骤四得到的注入钛离子后的被处理绝缘工件表面氧化铝陶瓷 表层Ti元素的深度为250nm左右，且呈现类高斯分布，Ti元素在氧化铝陶瓷表面的原子 浓度约为6.7％，在注入深度40nm左右，Ti元素浓度达到峰值，Ti原子百分含量达13％。