CN1320948A - 内表面离子注入装置 - Google Patents

Abstract

一种等离子体浸没的内表面离子注入装置,包括:真空室,等离子体产生器,安装于真空室内的筒状体,以及靶台,其中一个辅助电极沿所述筒状体内的轴线配置,并且所述辅助电极的两端同所述真空室壁连接;一个导电棒,将所述筒状体支撑固定在所述靶台上;以及一个脉冲偏压发生器,正端接到所述靶台的所述的筒状体上。本离子注入装置通过辅助电极产生的偏转电场来提高内表面离子注入深度和保留剂量,达到工件表面强化的要求。

Description

内表面离子注入装置

本发明涉及一种内表面离子注入装置，特别是，涉及一种通过辅助电极产生几何对称的偏转电场来提高内表面效果的内表面离子注入装置。

等离子体浸没离子注入(以下，简称为：PⅢ)或叫等离子体源离子注入(PSⅡ)被证明是材料表面改性的有效技术。在PⅢ过程中，目标靶浸没在等离子体中并加上几千伏到超过一百千伏的重复负电压脉冲。正离子被电场加速并注入到目标靶表面。假如圆筒半径大于几个德拜长度，那么圆筒内将充满等离子体并可将离子注入到内表面。等离子体浸没离子注入具有非视线性加工的特点，在处理非平面靶时优于传统束线离子注入。许多研究者正致力于将其应用于工业零件内表面强化，以增强其抗磨损和腐蚀能力。

夏利德(T.E.Sheridan,J.Appl.Phys.74,4903(1993))已计算过无限长圆筒内的离子阵鞘层(ion sheath)结构。他发现一个重要的参数是离子阵鞘层相交长度： $D=\sqrt{-\frac{4{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\φ}}_1}{{\mathrm{en}}_0}}$ ，在这里，φ_t是靶上电位，n₀是等离子体密度。对于典型注入参数，D是比较大的，比如，当φ_t=-50kV,n₀=5×10^-9cm^-3时，D=47mm。假定圆筒半径小于D，那么初始离子阵鞘层是相交的。这时，圆筒内充满了离子(即电子密度为0)，并且从轴线到内表面的电压降只有Δ_φ=φ(Rb/D)₂。倘若定义R_b≤D为“小圆筒”，而当R_b＞D时，在轴线附近存在中性的等离子体区，定义为“大圆筒”。夏利德获得的结果显示：当脉冲上升时间t_r=0时的60％，并预计小圆筒内表面离子注入没有多大希望，

但是，因为离子注入能量和保留剂量的限制，制约了等离子体浸没离子注入技术的应用。有人计算出最大能量只能达到所加电位的36.8％。此外，进行内表面注入时，圆筒内从边沿到中心的等离子体密度逐渐衰减。因此，圆筒内表面等离子体浸没离子注入的关键在于提高注入能量。曾等人(M.Sun,S.Yang,and B.Li,J.Cac.Sci.Technol.A.14,367(1996))建议采用同轴辅助电极来提高离子注入的能量。进一步研究表明，圆筒内离子注入能量可以提高，但离子密度很快降为零。所以，需使用上、下沿极快的高压脉冲调制器，必然使设备的复杂性和费用上升。

至今，内表面离子注入研究仍集中在理论和模拟上。最近，马立克等人(参阅S.M.Malik,R.P.Fetherston,and J.R.Conrad,J.Vac.Sci.Technol.A 15(6),2875(1997))采用接地辅助电极进行了细圆筒内表面的TiNx和类金刚石碳膜淀积，但该技术只限于低能量且仍需进一步证明其具有超过传统淀积方法的优点。

本发明就是为了解决现有技术中的上述问题而作出了发明创造，其目的在于提供一种采用辅助电极以产生偏转电场，来提高圆筒内表面等离子体浸没离子注入能量和保留剂量的内表面离子注入装置。

为了达到上述目的，按照本发明的等离子体浸没的内表面离子注入装置，包括：真空室，等离子体产生器，安装于真空室内的筒状体，以及靶台，其中一个辅助电极，沿所述筒状体内的轴线配置，并且所述辅助电极的两端同所述真空室壁连接；一个导电棒，将所述筒状体支撑固定在所述靶台上；以及一个脉冲偏压发生器，所述脉冲偏压发生器输出偏压的负端接到所述电极，而正端接到所述靶台的所述的筒状体上。

倘采用本发明的离子注入装置，由于接地同轴辅助电极产生的偏转电场，可产生更大的注入能量和保留剂量。相对于无偏转电场情形，内表面注入能量提高了43％，而保留剂量提高了71％。结果还显示，大量的内表面注入离子来自筒外，且更长的脉冲将更为有效。

下面，结合附图，具体说明本发明的实施方案，其中：

图1表示本发明的内表面离子注入装置的结构示意图。

图2a是注入样品中带和不带偏转电场的氮的深度分布比较图。

图2b是用于比较的圆筒外表面氮深度分布图。

图3是带有和不带偏转电场的相应的投影射程比较图。

图4是带有和不带偏转电场的相应的总保持剂量比较结果。

图5是用于解释采用辅助电极产生偏转电场的离子注入效果图。

下面，首先说明发明最佳实施例的内表面离子注入装置的结构。如图1所示，本发明的内表面离子注入装置包括：筒状体1、注入靶3、靶台4、真空室5、铝棒6和金属辅助电极7。筒状体1可以采用例如，不锈钢圆筒，该圆筒长200mm、直径100mm，在圆筒内粘贴有厚1.5mm、3mm×3mm的不锈钢片，作为待加工工件2，其外表面离边沿50mm处用以检测注入能量和剂量。如传统地将注入靶3垂直放在靶台4上将影响靶3周围的电场均匀性而不利于内表面注入，而且当圆筒底部接触到靶台4时，外部的电子只能从顶部补充，将加剧沿圆筒内表面的剂量不均匀性。为减少样品靶台4的影响和达到均匀注入，将圆筒水平放置在多功能PⅢ设置的真空室5中，并用一长260mm的铝棒6来支撑和连接于靶台4上，使之保持一定距离。一根直径6mm的金属辅助电极7放置在圆筒的轴线上，以产生圆筒内的偏转电场。辅助电极7两端连接在真空室5的壁上，以便支撑和接地。

筒状体的截面形状除圆筒外，也可以是长方形、六角形等。筒状体的大小可以变更，长度也可以改变。除此以外，可在电极上加上电压，增强内表面离子注入的效果。

并且，通过对辅助电极半径与离子阵鞘层中的电位分布和电场的依存关系的研究可以知道，较小的辅助电极将导致在辅助电极附近有较大的电位差和较强的电场，但在此区域的离子数目较少，将使注入到内表面的高能离子数目减少。但是，较大的辅助电极可减少辅助电极附近的电位降从而提高平均注入能量。不过，大的辅助电极会占去较大的空间而限制了圆筒内可供注入的离子数目。在本发明中，可以认为，使用的辅助电极半径在0.10-0.20(单位不清)之间是较为合适的。而且，电极的形状和长短也可以改变。

下面，将说明使用本发明的内表面离子注入装置进行内表面离子注入的运作步骤。

首先，将待进行离子注入的工件，例如不锈钢小片，粘贴在圆筒内表面上。启动真空泵，对真空室进行抽真空。真空室的本底真空度达到在1.0×10^-3Pa～1.0×10^-6Pa(最好以Torr，即乇为单位)范围，最好低于9.1×10^-4Pa之后，向该真空室充入用于产生等离子体的工作气体，例如氮气。将氮气的气压应该保持在规定的低于1mTorr范围内，采用热灯丝放电产生氮的等离子体。接着，在辅助电极与圆筒之间施加脉冲偏压为负几kV到100kV，例如-15kV，脉冲频率为从0到10⁴Hz，例如200Hz，脉冲宽度在5μs到直流(DC)，例如脉宽15μs的高压脉冲。并且，进行一定时间的离子注入后，停止施加脉冲偏压，关闭等离子体产生器和工作气体，打开真空室，取出工件。

为了确定带有同轴辅助电极对离子注入的影响，不带同轴电极的相同圆筒也在同样参数下进行注入。注入后，不锈钢小片被取下进行俄歇分析(AES)，测定氮的深度分布。图2a分别示出了注入样品中带有和不带偏转电场的氮的深度分布。图2b是表示用于比较的圆筒外表面氮深度分布。相应的投影射程，也就是注入能量，结果示于图3中。按照图2中个条曲线下的面积进行计算获得相应的总保留剂量，其结果示于图4。

这些结果表明：在有偏转电场时，注入能量和保留剂量都得到改善，但仍低于外表面的结果，即或所有表面被同时注入。无偏转电场时，内表面氮分布峰值位于210或是外表面样品的33％，而带有偏转电场时则增加到300或是48％。偏转电场使内表面的注入深度提高43％。无偏转电场时，内表面的保留剂量仅有1.6×10¹⁶个/cm²或是外表面的19％，而带有偏转电场时，上升到2.7×10¹⁶个cm²或是32％。偏转电场使保留剂量提高了71％。

这些改善可如图5来形象的解释。假定等离子体是低温和无碰撞的，并忽略了电场的边界效应。根据计算显示，圆筒内的离子将在电压加上3μs内被耗尽。因试验中使用的脉冲宽度为15μs，许多内表面注入离子实际来自圆筒外。进入圆筒的离子具有平行和垂直于圆筒轴线的速度分量，这两个速度分量加上圆筒内的电场将决定该离子注入圆筒内表面的位置或是从另一边穿出去(也就是不注入内表面)。当存在偏转电场时，即使筒内离子已减少或耗尽，仍然存在一个很强的径向电场，从外面进入圆筒的离子将朝内壁加速，如图5a所示。只有当该离子轴向速度分量很大或圆筒很短时，他才会从另一端逃逸，如图5b所示。在实验中，相对于筒内离子耗尽时间尺度，脉冲持续时间很长，因此在大部分注入时间，注入内表面的离子来自圆筒之外。偏转电场会改变离子运动轨迹，使他加速向内壁运动并产生图3所示的更高能量。更高的能量和更垂直的入射角带来了图4所示的更大的保留剂量。改善的注入参数必将引致更好的内表面改性效果。没有偏转电场时，施加电压前存在于圆筒内的离子仍可注入到内表面，但注入能量较低。不过，这些离子耗尽后，由于没有径向电场存在，来自外面的离子很少能注入到内表面，除了本身具有较大径向速度的离子外，大部分将穿过圆筒而不会注入到内表面。比较在无偏转电场情形下的保留剂量可知，相当数量的离子注入来自筒外。虽然对调制发生器会提出更高的要求，但更长的电压脉冲将产生更好的结果。

Claims (6)

1．一种等离子体浸没的内表面离子注入装置，包括：真空室，等离子体产生器，安装于真空室内的筒状体，以及靶台，其特征是：

一个辅助电极，沿所述筒状体内的轴线配置，并且所述辅助电极的两端同所述真空室壁连接；

一个导电棒，将所述筒状体支撑固定在所述靶台上；以及

一个脉冲偏压发生器，所述脉冲偏压发生器输出偏压的负端接到所述电极，而正端接到所述靶台的所述的筒状体上。

2．根据权利要求1所述的内表面离子注入装置，其特征是所述辅助电极是金属棒。

3．根据权利要求1所述的内表面离子注入装置，其特征是所述导电棒是金属棒。

4．根据权利要求1所述的内表面离子注入装置，其特征是所述脉冲偏压发生器产生脉冲电压为几KV到100KV，脉冲频率为从0到10⁴Hz，及脉冲宽度在5μs到直流范围的偏压。

5．根据权利要求4所述的内表面离子注入装置，其特征是所述脉冲偏压发生器输出脉冲电压为15KV，脉冲频率为200Hz，脉冲宽度为5μs的脉冲。

6．根据权利要求2所述的内表面离子注入装置，其特征是所述辅助电极的金属棒的直径大体在0.10～0.20寸的范围。

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