用于超高真空系统的中空阳极离子源

摘要

本发明公开了一种用于超高真空系统的中空阳极离子源。它的阴极(8)下部为水冷腔(10)、上部为离化室(28)，其外依次套装绝缘套和金属套筒，水冷腔(10)下端口为贯通焊接有进水管(20)和出水管(21)的盖板(11)，出水管(21)经水管绝缘套(23)、水管密封圈(25)与法兰(13)绝缘密封连接，离化室(28)底部连通有其下端部位于气管孔(19)中的离化室进气管(27)，该管经气管绝缘套(17)、气管密封圈(16)与气管孔(19)绝缘密封连接，气管孔(19)的底部焊接进气管(18)，绝缘套与法兰(13)间置有密封圈(14)，金属套筒的上端与阳极(3)固定连接、下端与法兰(13)抵触连接。它于超高真空下产生了能量小于30eV的低能离子束流。

权利要求

1.一种用于超高真空系统的中空阳极离子源，包括法兰(13)上依次同轴串接的阴极(8)、带有中心喷孔(31)的阳极(3)和外罩磁铁罩(2)的永磁体(32)，其特征在于：所述阴极(8)的下部为水冷腔(10)、上部为中空的离化室(28)，其外依次套装有绝缘套和金属套筒，所述绝缘套为相对接的绝缘底套(9)和绝缘顶套(29)，所述绝缘顶套(29)的中心置有通气孔(30)，所述金属套筒为焊接连接的上金属套筒(4)和下金属套筒(7)，所述下金属套筒(7)的内壁上置有肩台(6)，所述肩台(6)与所述绝缘底套(9)的上表面抵触连接；

所述水冷腔(10)的下端口为与其焊接连接的盖板(11)，所述盖板(11)上贯通焊接连接有进水管(20)和出水管(21)，所述进水管(20)套装于出水管(21)之中，所述出水管(21)分别经带有凸肩(24)的水管绝缘套(23)与所述法兰(13)的带肩台的水管孔(22)绝缘连接，经水管密封圈(25)和水管绝缘套(23)与所述绝缘底套(9)和法兰(13)密封连接；

所述离化室(28)的底部连通有离化室进气管(27)，所述离化室进气管(27)的下端部位于法兰(13)的气管孔(19)中，并分别经其中置有的气管绝缘套(17)与所述法兰(13)的气管孔(19)绝缘连接，经气管密封圈(16)和气管绝缘套(17)与所述绝缘底套(9)和气管孔(19)密封连接，所述气管孔(19)的底部焊接连接贯穿所述法兰(13)的进气管(18)；

所述水管密封圈(25)和气管密封圈(16)外的绝缘底套(9)与法兰(13)间置有法兰密封圈(14)，所述法兰密封圈(14)与水管密封圈(25)或气管密封圈(16)间的法兰(13)中贯穿焊接连接有预抽气管(15)；

所述下金属套筒(7)经其上的固定孔(12)、法兰螺栓(26)与法兰(13)抵触连接，所述上金属套筒(4)经其上的螺孔(5)、固定螺栓(1)与阳极(3)、永磁体(32)和其外罩的磁铁罩(2)固定连接；

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所述超高是指真空度可达10 Pa。

2.根据权利要求1所述的用于超高真空系统的中空阳极离子源，其特征是离化室(28)的表面覆有氮化钛涂层，或碳化钛涂层，或碳氮化钛涂层。

3.根据权利要求1所述的用于超高真空系统的中空阳极离子源，其特征是通气孔(30)为锥形孔。

说明书

用于超高真空系统的中空阳极离子源

技术领域

[0001] 本发明涉及一种中空阳极离子源，尤其是一种用于超高真空系统的中空阳极离子源。

背景技术

[0002] 目前，随着半导体器件特别是半导体集成电路技术的快速发展，采用磁控溅射工艺制备半导体表面接触金属电极及钝化薄膜等金属和非金属薄膜是最常用的技术手段之一。为使该技术得以完备地实施，人们研发了相应的设备，如在本申请人的一份于2006年10月14日公开的中国发明专利申请公布说明书CN101161855A中曾提及的一种“用于超-6
高真空系统的磁控溅射阴极靶”。它意欲提供一种结构合理、真空度高于10 Pa的磁控溅射阴极靶；其构成包括屏蔽罩内的磁铁托、磁铁和水冷部件，其中，水冷部件为上、下法兰内置有相通的冷却水槽，进水管套装于出水管中，且隔断下法兰冷却水槽并与其焊接连通连接，上法兰的上端部与靶材安装罩旋接，其腔体中置有磁铁托和磁铁，上法兰的下端面与下法兰间置有位于内、外层刀口处的两只金属密封圈，并经螺钉固定，小法兰焊接于出水管外，其与屏蔽罩和基座法兰间置有绝缘片、且与贯通有抽气管的基座法兰间置有两只○型胶圈，并经其外套装绝缘套筒的螺钉固定。使用时，只需将其作为溅射设备的阴极置于真空室内，并经进、出水管对其中的水冷部件进行供水即可。这种磁控溅射阴极靶尽管有着真空度高、结构合理，可用于直流和射频等多种溅射工艺，能够制备出高质量高纯度金属或非金属薄膜的优点，也同样存在着难以克服的因其轰击离子的能量较大，而造成制备出的薄膜的粗糙度增大的缺陷。为解决这一问题，人们做了一些尝试，如在1995年出版的《离子源科学与技术》期刊第4卷第571页的“中空阳极离子源工作原理”(Working Principle ofthe Hollow-Anode Plasma Source，Andr é Anders and Simone Anders，PlasmaSources Sci.Technol.4，571(1995))一文中公开了基于中空阳极放电原理而提出的一种低能离子源——中空阳极离子源，该文详细地介绍了中空阳极离子源的工作原理，并进行了一定的理论拟合，文中虽也介绍了一些参数，如中心喷孔与喷气孔的直径均为2mm，顶部绝缘层的厚度为0.5mm，离化室进气管的内径为5mm，进气束流为1～100sccm/min，内外腔室压力为
40Pa与0.1Pa的量级等，却未公开中空阳极离子源的具体结构，尤为未公开为解决诸如阴极与离子源中的其它部件间的电气绝缘，阴极水冷时的电绝缘和真空密封，以及离子源的超高真空密封的难题所采取的技术措施，使人们无法根据其提出的中空阳极放电原理就可直接获得超高真空下的低能离子源。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种能产生低能离子束流的用于超高真空系统的中空阳极离子源。

[0004] 为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：用于超高真空系统的中空阳极离子源包括法兰上依次同轴串接的阴极、带有中心喷孔的阳极和外罩磁铁罩的永磁体，特别是

[0005] 所述阴极的下部为水冷腔、上部为中空的离化室，其外依次套装有绝缘套和金属套筒，所述绝缘套为相对接的绝缘底套和绝缘顶套，所述绝缘顶套的中心置有通气孔，所述金属套筒为焊接连接的上金属套筒和下金属套筒，所述下金属套筒的内壁上置有肩台，所述肩台与所述绝缘底套的上表面抵触连接；

[0006] 所述水冷腔的下端口为与其焊接连接的盖板，所述盖板上贯通焊接连接有进水管和出水管，所述进水管套装于出水管之中，所述出水管分别经带有凸肩的水管绝缘套与所述法兰的带肩台的水管孔绝缘连接，经水管密封圈和水管绝缘套与所述绝缘底套和法兰密封连接；

[0007] 所述离化室的底部连通有离化室进气管，所述离化室进气管的下端部位于法兰的气管孔中，并分别经其中置有的气管绝缘套与所述法兰的气管孔绝缘连接，经气管密封圈和气管绝缘套与所述绝缘底套和气管孔密封连接，所述气管孔的底部焊接连接贯穿所述法兰的进气管；

[0008] 所述水管密封圈和气管密封圈外的绝缘底套与法兰间置有法兰密封圈，所述法兰密封圈与水管密封圈或气管密封圈间的法兰中贯穿焊接连接有预抽气管；

[0009] 所述下金属套筒经其上的固定孔、法兰螺栓与法兰抵触连接，所述上金属套筒经其上的螺孔、固定螺栓与阳极、永磁体和其外罩的磁铁罩固定连接。

[0010] 作为用于超高真空系统的中空阳极离子源的进一步改进，所述的离化室的表面覆有氮化钛涂层或碳化钛涂层或碳氮化钛涂层；所述的通气孔为锥形孔；所述的水管绝缘套为石英绝缘套或陶瓷绝缘套或聚四氟乙烯绝缘套；所述的水管密封圈为○型密封圈；所述的气管绝缘套为石英绝缘套或陶瓷绝缘套或聚四氟乙烯绝缘套；所述的气管密封圈为○型密封圈；所述的法兰密封圈为○型密封圈；所述的征是○型密封圈为维通型氟胶圈或天然橡胶圈或合成橡胶圈；所述的永磁体为钕铁硼永磁体，或钐钴永磁体，或铝镍钴永磁体。

[0011] 相对于现有技术的有益效果是，其一，采用下部为水冷腔、上部为中空的离化室，其外依次套装有绝缘套和金属套筒的阴极，其中的绝缘套为相对接的绝缘底套和绝缘顶套，绝缘顶套的中心置有通气孔，金属套筒为焊接连接的上金属套筒和下金属套筒，下金属套筒的内壁上置有与绝缘底套的上表面抵触连接的肩台的构造，不仅保证了阴极与阳极间的电气绝缘，还使阳极能与法兰可靠地电连接；其二，水冷腔的下端口为与其焊接连接的盖板，盖板上贯通焊接连接有套装的进水管和出水管，出水管经水管绝缘套、水管密封圈与法兰绝缘密封连接，离化室底部连通有其下端部位于气管孔中的离化室进气管，该管经气管绝缘套、气管密封圈与气管孔绝缘密封连接，气管孔的底部焊接进气管，既保证了冷却水的输送、冷却作用的正常发挥和冷却系统的密封度，以及工作气体的正常供给，又能通过冷却水的进、出水管与阴极体进行电连接，还同时妥善地解决了冷却水管和离化室进气管与法兰间的电气绝缘和真空密封的难题，避免了在超高真空系统中电极的引入须使用金属陶瓷焊接密封的弊端，降低了制造和使用的成本，更有着结构紧凑，体积小，各部件均为金属或耐高温、出气率低的绝缘材料的特点，从而使其不需拆卸即可直接将整个离子源烘烤至200℃以上，极大地加速和提升了离子源的使用真空度，大大地降低了离子源的使用成本，拓宽了离子源的使用范围，满足了超高真空度、高温等苛刻的使用条件；其三，在水管密封圈和气管密封圈外的绝缘底套与法兰间置有法兰密封圈，且法兰密封圈与水管密封圈或气管密封圈间的法兰中贯穿焊接连接有预抽气管，下金属套筒经其上的固定孔、法兰螺栓与法兰抵触连接，上金属套筒经其上的螺孔、固定螺栓与阳极、永磁体和其外罩的磁铁罩固定连接，除进一步提升了离子源的真空度，使其易于达到超高真空的量级之外，还因其便于拆卸而利于对部件，如磁铁、阳极和离化室等的安装、维修和更换；其四，离子源产生的离子能量为小于30eV的低能离子束流，在将其置于薄膜生长设备的真空室内时，其真空度可达-8
6×10 Pa，它可对样品的表面进行离子原位清洗，也可直接用于离子束辅助沉积(IBAD)、喷流气相淀积(JVD)和分子束外延(MBE)等多种制备工艺，以制备高质量和高性能的薄膜，相比于磁控溅射阴极靶的单一用途，其有着更加广泛的应用领域。

[0012] 作为有益效果的进一步体现，一是离化室的表面优选为覆有氮化钛涂层或碳化钛涂层或碳氮化钛涂层，不仅可以有效地减少因阴极的金属表面发生溅射而造成有效阳极导电能力的下降，还可除使用惰性气体、氮气等性质稳定的气体作为工作气体之外，能于使用氢气、氧气等活性气体进行离化时，也不会对离化室造成损害；二是通气孔优选为锥形孔，既利于在其前形成虚阳极以进一步地形成离子球，又便于离子和工作气体在其的约束下加速形成超声速等离子束流；三是水管绝缘套和气管绝缘套均优选为石英绝缘套或陶瓷绝缘套或聚四氟乙烯绝缘套，水管密封圈、气管密封圈和法兰密封圈均优选为○型密封圈，其中，○型密封圈优选为维通型氟胶圈或天然橡胶圈或合成橡胶圈，使其在较小的体积下就可确保高压下的电气绝缘和超高真空下的密封。

附图说明

[0013] 下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

[0014] 图1是本发明的一种基本结构剖面示意图；

[0015] 图2是图1中的中空阳极放电的工作原理示意图。

具体实施方式

[0016] 参见图1和图2，用于超高真空系统的中空阳极离子源包括法兰13上依次同轴串接的阴极8、带有中心喷孔31的阳极3和外罩磁铁罩2的永磁体32。其具体结构如下：

[0017] 阴极8的下部为水冷腔10、上部为中空的离化室28，其外依次套装有绝缘套和金属套筒；其中，绝缘套为相对接的绝缘底套9和中心置有通气孔30的绝缘顶套29，金属套筒为焊接连接的上金属套筒4和下金属套筒7，下金属套筒7的内壁上置有与绝缘底套9的上表面抵触连接的肩台6，离化室28的表面覆有氮化钛涂层(或碳化钛涂层或碳氮化钛涂层)，通气孔30为锥形孔。

[0018] 水冷腔10的下端口为与其焊接连接的盖板11，盖板11上贯通焊接连接有进水管20和出水管21，进水管20套装于出水管21之中，出水管21分别经带有凸肩24的水管绝缘套23与法兰13的带肩台的水管孔22绝缘连接，经水管密封圈25和水管绝缘套23与绝缘底套9和法兰13密封连接；其中，水管绝缘套23为石英绝缘套(或陶瓷绝缘套或聚四氟乙烯绝缘套)，水管密封圈25为○型密封圈，○型密封圈为维通型氟胶圈(或天然橡胶圈或合成橡胶圈)。

[0019] 离化室28的底部连通有离化室进气管27，离化室进气管27的下端部位于法兰13的气管孔19中，并分别经其中置有的气管绝缘套17与法兰13的气管孔19绝缘连接，经气管密封圈16和气管绝缘套17与绝缘底套9和气管孔19密封连接，气管孔19的底部焊接连接贯穿法兰13的进气管18；其中，气管绝缘套17为石英绝缘套(或陶瓷绝缘套或聚四氟乙烯绝缘套)，气管密封圈16为○型密封圈，○型密封圈为维通型氟胶圈(或天然橡胶圈或合成橡胶圈)。

[0020] 水管密封圈25和气管密封圈16外的绝缘底套9与法兰13间置有法兰密封圈14，法兰密封圈14与水管密封圈25或气管密封圈16间的法兰13中贯穿焊接连接有预抽气管15；其中，法兰密封圈14为○型密封圈，○型密封圈为维通型氟胶圈(或天然橡胶圈或合成橡胶圈)。

[0021] 下金属套筒7经其上的固定孔12、法兰螺栓26与法兰13抵触连接，上金属套筒4经其上的螺孔5、固定螺栓1与阳极3、永磁体32和其外罩的磁铁罩2固定连接；其中，永磁体32为钕铁硼永磁体(或钐钴永磁体或铝镍钴永磁体)。

[0022] 使用前，先将法兰13装于主真空系统的对应法兰上，预抽气管15与真空泵相接通，并对进水管20、出水管21和进气管18进行有效的水路和气路的连接；再将直流高压电源的输出端分别跨接于阴极8和阳极3之上，其中，与阴极8的电连接只需将其与进水管20或出水管21电连接即可。使用时，先使工作气体36由离化室进气管27进入离化室28内，此时，人为地控制进入离化室28的进气量，使离化室28与主真空系统间的气压差至少在两个数量级以上。然后再加阴极8的直流偏压，工作气体36在阴极8偏压的作用下发生电离，形成的电子向阳极3加速移动。阳极3的中心喷孔31前形成的虚阳极35收集电子，虚阳极35与有效阳极34的正电压降使虚阳极35与有效阳极34表面所包围的球状结构中的气体原子或分子发生电离，形成离子球。产生的电子称为原初电子，原初电子在源磁场中做加速螺旋渐进运动并获得更大的动量，通过碰撞使离子球进一步电离。最后，形成明亮稳定的等离子状态，经过阳极3的中心喷孔31加速形成超声速等离子束流33。永磁铁32的磁场作用可有效地增长电子运动的路径，增加电子和气体原子或分子的碰撞次数。另外，离化产生的离子在磁场中沿着磁力线做螺旋渐进运动，增加了在离化室28内的停留时间，大大地增加了等离子体的密度。

[0023] 当本发明用作等离子体清洗设备时，可产生用于等离子清洗用的气体离子。根据被清洗工件的不同性质，工作气体36可以选择氩气、氮气、氟化氮、四氟化碳等不活泼气体，也可以选择氧气、氢气等活泼气体。由于出射离子的能量小于30eV，避免了在清洗工件表面的同时对被清洗工件造成离子辐照损伤。

[0024] 若向本发明的离子源中通入硅烷/氢气混合气体，拟在玻璃衬底上制备多晶硅薄膜，则主真空系统的真空度应维持在0.1Pa以下，玻璃衬底的温度为300℃，离化室28内气压保持在10Pa以上，硅烷/氢气的流量比为8.0/40，通过改变气体的总流量就可获得不同结晶度的薄膜。若向本发明的离子源中通入一定流量比的硅烷/氨气的混合气体，便可以制备出氮化硅薄膜。

[0025] 经多次的实际测量，使用本发明的离子源可以产生多种离子，其中部分离子的种类如下表所示：

[0026]

[0027] 显然，本领域的技术人员可以对本发明的用于超高真空系统的中空阳极离子源进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。