專利名稱：內(nèi)表面離子注入裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)表面離子注入裝置，特別是，涉及一種通過輔助電極產(chǎn)生幾何對稱的偏轉(zhuǎn)電場來提高內(nèi)表面效果的內(nèi)表面離子注入裝置。
等離子體浸沒離子注入(以下，簡稱為PⅢ)或叫等離子體源離子注入(PSⅡ)被證明是材料表面改性的有效技術(shù)。在PⅢ過程中，目標(biāo)靶浸沒在等離子體中并加上幾千伏到超過一百千伏的重復(fù)負(fù)電壓脈沖。正離子被電場加速并注入到目標(biāo)靶表面。假如圓筒半徑大于幾個德拜長度，那么圓筒內(nèi)將充滿等離子體并可將離子注入到內(nèi)表面。等離子體浸沒離子注入具有非視線性加工的特點，在處理非平面靶時優(yōu)于傳統(tǒng)束線離子注入。許多研究者正致力于將其應(yīng)用于工業(yè)零件內(nèi)表面強化，以增強其抗磨損和腐蝕能力。
夏利德(T.E.Sheridan,J.Appl.Phys.74,4903(1993))已計算過無限長圓筒內(nèi)的離子陣鞘層(ion sheath)結(jié)構(gòu)。他發(fā)現(xiàn)一個重要的參數(shù)是離子陣鞘層相交長度D=-4ϵ0φ1en0]]>，在這里，φt是靶上電位，n0是等離子體密度。對于典型注入?yún)?shù)，D是比較大的，比如，當(dāng)φt=-50kV,n0=5×10-9cm-3時，D=47mm。假定圓筒半徑小于D，那么初始離子陣鞘層是相交的。這時，圓筒內(nèi)充滿了離子(即電子密度為0)，并且從軸線到內(nèi)表面的電壓降只有Δφ=φ(Rb/D)2。倘若定義Rb≤D為“小圓筒”，而當(dāng)Rb＞D時，在軸線附近存在中性的等離子體區(qū)，定義為“大圓筒”。夏利德獲得的結(jié)果顯示當(dāng)脈沖上升時間tr=0時的60％，并預(yù)計小圓筒內(nèi)表面離子注入沒有多大希望，但是，因為離子注入能量和保留劑量的限制，制約了等離子體浸沒離子注入技術(shù)的應(yīng)用。有人計算出最大能量只能達到所加電位的36.8％。此外，進行內(nèi)表面注入時，圓筒內(nèi)從邊沿到中心的等離子體密度逐漸衰減。因此，圓筒內(nèi)表面等離子體浸沒離子注入的關(guān)鍵在于提高注入能量。曾等人(M.Sun,S.Yang,and B.Li,J.Cac.Sci.Technol.A.14,367(1996))建議采用同軸輔助電極來提高離子注入的能量。進一步研究表明，圓筒內(nèi)離子注入能量可以提高，但離子密度很快降為零。所以，需使用上、下沿極快的高壓脈沖調(diào)制器，必然使設(shè)備的復(fù)雜性和費用上升。
至今，內(nèi)表面離子注入研究仍集中在理論和模擬上。最近，馬立克等人(參閱S.M.Malik,R.P.Fetherston,and J.R.Conrad,J.Vac.Sci.Technol.A 15(6),2875(1997))采用接地輔助電極進行了細(xì)圓筒內(nèi)表面的TiNx和類金剛石碳膜淀積，但該技術(shù)只限于低能量且仍需進一步證明其具有超過傳統(tǒng)淀積方法的優(yōu)點。
本發(fā)明就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題而作出了發(fā)明創(chuàng)造，其目的在于提供一種采用輔助電極以產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)電場，來提高圓筒內(nèi)表面等離子體浸沒離子注入能量和保留劑量的內(nèi)表面離子注入裝置。
為了達到上述目的，按照本發(fā)明的等離子體浸沒的內(nèi)表面離子注入裝置，包括真空室，等離子體產(chǎn)生器，安裝于真空室內(nèi)的筒狀體，以及靶臺，其中一個輔助電極，沿所述筒狀體內(nèi)的軸線配置，并且所述輔助電極的兩端同所述真空室壁連接；一個導(dǎo)電棒，將所述筒狀體支撐固定在所述靶臺上；以及一個脈沖偏壓發(fā)生器，所述脈沖偏壓發(fā)生器輸出偏壓的負(fù)端接到所述電極，而正端接到所述靶臺的所述的筒狀體上。
倘采用本發(fā)明的離子注入裝置，由于接地同軸輔助電極產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)電場，可產(chǎn)生更大的注入能量和保留劑量。相對于無偏轉(zhuǎn)電場情形，內(nèi)表面注入能量提高了43％，而保留劑量提高了71％。結(jié)果還顯示，大量的內(nèi)表面注入離子來自筒外，且更長的脈沖將更為有效。
下面，結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明的實施方案，其中


圖1表示本發(fā)明的內(nèi)表面離子注入裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2a是注入樣品中帶和不帶偏轉(zhuǎn)電場的氮的深度分布比較圖。
圖2b是用于比較的圓筒外表面氮深度分布圖。
圖3是帶有和不帶偏轉(zhuǎn)電場的相應(yīng)的投影射程比較圖。
圖4是帶有和不帶偏轉(zhuǎn)電場的相應(yīng)的總保持劑量比較結(jié)果。
圖5是用于解釋采用輔助電極產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)電場的離子注入效果圖。
下面，首先說明發(fā)明最佳實施例的內(nèi)表面離子注入裝置的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，本發(fā)明的內(nèi)表面離子注入裝置包括筒狀體1、注入靶3、靶臺4、真空室5、鋁棒6和金屬輔助電極7。筒狀體1可以采用例如，不銹鋼圓筒，該圓筒長200mm、直徑100mm，在圓筒內(nèi)粘貼有厚1.5mm、3mm×3mm的不銹鋼片，作為待加工工件2，其外表面離邊沿50mm處用以檢測注入能量和劑量。如傳統(tǒng)地將注入靶3垂直放在靶臺4上將影響靶3周圍的電場均勻性而不利于內(nèi)表面注入，而且當(dāng)圓筒底部接觸到靶臺4時，外部的電子只能從頂部補充，將加劇沿圓筒內(nèi)表面的劑量不均勻性。為減少樣品靶臺4的影響和達到均勻注入，將圓筒水平放置在多功能PⅢ設(shè)置的真空室5中，并用一長260mm的鋁棒6來支撐和連接于靶臺4上，使之保持一定距離。一根直徑6mm的金屬輔助電極7放置在圓筒的軸線上，以產(chǎn)生圓筒內(nèi)的偏轉(zhuǎn)電場。輔助電極7兩端連接在真空室5的壁上，以便支撐和接地。
筒狀體的截面形狀除圓筒外，也可以是長方形、六角形等。筒狀體的大小可以變更，長度也可以改變。除此以外，可在電極上加上電壓，增強內(nèi)表面離子注入的效果。
并且，通過對輔助電極半徑與離子陣鞘層中的電位分布和電場的依存關(guān)系的研究可以知道，較小的輔助電極將導(dǎo)致在輔助電極附近有較大的電位差和較強的電場，但在此區(qū)域的離子數(shù)目較少，將使注入到內(nèi)表面的高能離子數(shù)目減少。但是，較大的輔助電極可減少輔助電極附近的電位降從而提高平均注入能量。不過，大的輔助電極會占去較大的空間而限制了圓筒內(nèi)可供注入的離子數(shù)目。在本發(fā)明中，可以認(rèn)為，使用的輔助電極半徑在0.10-0.20(單位不清)之間是較為合適的。而且，電極的形狀和長短也可以改變。
下面，將說明使用本發(fā)明的內(nèi)表面離子注入裝置進行內(nèi)表面離子注入的運作步驟。
首先，將待進行離子注入的工件，例如不銹鋼小片，粘貼在圓筒內(nèi)表面上。啟動真空泵，對真空室進行抽真空。真空室的本底真空度達到在1.0×10-3Pa～1.0×10-6Pa(最好以Torr，即乇為單位)范圍，最好低于9.1×10-4Pa之后，向該真空室充入用于產(chǎn)生等離子體的工作氣體，例如氮氣。將氮氣的氣壓應(yīng)該保持在規(guī)定的低于1mTorr范圍內(nèi)，采用熱燈絲放電產(chǎn)生氮的等離子體。接著，在輔助電極與圓筒之間施加脈沖偏壓為負(fù)幾kV到100kV，例如-15kV，脈沖頻率為從0到104Hz，例如200Hz，脈沖寬度在5μs到直流(DC)，例如脈寬15μs的高壓脈沖。并且，進行一定時間的離子注入后，停止施加脈沖偏壓，關(guān)閉等離子體產(chǎn)生器和工作氣體，打開真空室，取出工件。
為了確定帶有同軸輔助電極對離子注入的影響，不帶同軸電極的相同圓筒也在同樣參數(shù)下進行注入。注入后，不銹鋼小片被取下進行俄歇分析(AES)，測定氮的深度分布。圖2a分別示出了注入樣品中帶有和不帶偏轉(zhuǎn)電場的氮的深度分布。圖2b是表示用于比較的圓筒外表面氮深度分布。相應(yīng)的投影射程，也就是注入能量，結(jié)果示于圖3中。按照圖2中個條曲線下的面積進行計算獲得相應(yīng)的總保留劑量，其結(jié)果示于圖4。
這些結(jié)果表明在有偏轉(zhuǎn)電場時，注入能量和保留劑量都得到改善，但仍低于外表面的結(jié)果，即或所有表面被同時注入。無偏轉(zhuǎn)電場時，內(nèi)表面氮分布峰值位于210或是外表面樣品的33％，而帶有偏轉(zhuǎn)電場時則增加到300或是48％。偏轉(zhuǎn)電場使內(nèi)表面的注入深度提高43％。無偏轉(zhuǎn)電場時，內(nèi)表面的保留劑量僅有1.6×1016個/cm2或是外表面的19％，而帶有偏轉(zhuǎn)電場時，上升到2.7×1016個cm2或是32％。偏轉(zhuǎn)電場使保留劑量提高了71％。
這些改善可如圖5來形象的解釋。假定等離子體是低溫和無碰撞的，并忽略了電場的邊界效應(yīng)。根據(jù)計算顯示，圓筒內(nèi)的離子將在電壓加上3μs內(nèi)被耗盡。因試驗中使用的脈沖寬度為15μs，許多內(nèi)表面注入離子實際來自圓筒外。進入圓筒的離子具有平行和垂直于圓筒軸線的速度分量，這兩個速度分量加上圓筒內(nèi)的電場將決定該離子注入圓筒內(nèi)表面的位置或是從另一邊穿出去(也就是不注入內(nèi)表面)。當(dāng)存在偏轉(zhuǎn)電場時，即使筒內(nèi)離子已減少或耗盡，仍然存在一個很強的徑向電場，從外面進入圓筒的離子將朝內(nèi)壁加速，如圖5a所示。只有當(dāng)該離子軸向速度分量很大或圓筒很短時，他才會從另一端逃逸，如圖5b所示。在實驗中，相對于筒內(nèi)離子耗盡時間尺度，脈沖持續(xù)時間很長，因此在大部分注入時間，注入內(nèi)表面的離子來自圓筒之外。偏轉(zhuǎn)電場會改變離子運動軌跡，使他加速向內(nèi)壁運動并產(chǎn)生圖3所示的更高能量。更高的能量和更垂直的入射角帶來了圖4所示的更大的保留劑量。改善的注入?yún)?shù)必將引致更好的內(nèi)表面改性效果。沒有偏轉(zhuǎn)電場時，施加電壓前存在于圓筒內(nèi)的離子仍可注入到內(nèi)表面，但注入能量較低。不過，這些離子耗盡后，由于沒有徑向電場存在，來自外面的離子很少能注入到內(nèi)表面，除了本身具有較大徑向速度的離子外，大部分將穿過圓筒而不會注入到內(nèi)表面。比較在無偏轉(zhuǎn)電場情形下的保留劑量可知，相當(dāng)數(shù)量的離子注入來自筒外。雖然對調(diào)制發(fā)生器會提出更高的要求，但更長的電壓脈沖將產(chǎn)生更好的結(jié)果。
權(quán)利要求
1．一種等離子體浸沒的內(nèi)表面離子注入裝置，包括真空室，等離子體產(chǎn)生器，安裝于真空室內(nèi)的筒狀體，以及靶臺，其特征是一個輔助電極，沿所述筒狀體內(nèi)的軸線配置，并且所述輔助電極的兩端同所述真空室壁連接；一個導(dǎo)電棒，將所述筒狀體支撐固定在所述靶臺上；以及一個脈沖偏壓發(fā)生器，所述脈沖偏壓發(fā)生器輸出偏壓的負(fù)端接到所述電極，而正端接到所述靶臺的所述的筒狀體上。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)表面離子注入裝置，其特征是所述輔助電極是金屬棒。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)表面離子注入裝置，其特征是所述導(dǎo)電棒是金屬棒。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)表面離子注入裝置，其特征是所述脈沖偏壓發(fā)生器產(chǎn)生脈沖電壓為幾KV到100KV，脈沖頻率為從0到104Hz，及脈沖寬度在5μs到直流范圍的偏壓。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的內(nèi)表面離子注入裝置，其特征是所述脈沖偏壓發(fā)生器輸出脈沖電壓為15KV，脈沖頻率為200Hz，脈沖寬度為5μs的脈沖。
6．根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)表面離子注入裝置，其特征是所述輔助電極的金屬棒的直徑大體在0.10～0.20寸的范圍。
全文摘要
一種等離子體浸沒的內(nèi)表面離子注入裝置,包括:真空室,等離子體產(chǎn)生器,安裝于真空室內(nèi)的筒狀體,以及靶臺,其中一個輔助電極沿所述筒狀體內(nèi)的軸線配置,并且所述輔助電極的兩端同所述真空室壁連接;一個導(dǎo)電棒,將所述筒狀體支撐固定在所述靶臺上;以及一個脈沖偏壓發(fā)生器,正端接到所述靶臺的所述的筒狀體上。本離子注入裝置通過輔助電極產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)電場來提高內(nèi)表面離子注入深度和保留劑量,達到工件表面強化的要求。
文檔編號H01L21/02GK1320948SQ0010615
公開日2001年11月7日 申請日期2000年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月27日
發(fā)明者朱劍豪, 劉愛國, 曾旭初 申請人:香港城市大學(xué)