[发明专利]用于材料表面改性的等离子体浸没离子注入装置

说明书

本发明属于电物理装置技术在材料表面改性方面的应用。

七十年代初，在低能核物理和加速器技术基础上发展起来的离子注入机已成为半导体材料处理的一个十分有效的手段，得到了广泛应用。近十多年来，离子注入技术(简称为IBⅡ)也逐渐被用于材料表面处理，改善其表面抗磨损等特性。在离子注入过程中，从离子源引出的离子束，经高压静电场加速，扫描，最后打到工件表面上。高能粒子入射工件表面后，和工件近表面层中的晶格粒子相碰撞，被慢化，形成新的化合物，从而使工件表面的物理，化学性能发生显著变化。大量实验已经充分证明：离子注入是改进现代材料表面抗磨损，抗腐蚀、抗疲劳，降低表面摩擦系数，改进表面电学与化学特性的一种很有效的手段。

但是，离子注入是一个视线过程。对于非平面形状的工件，为了使离子均匀地注入其表面，需要束扫描装置，可转动一平移的特殊靶台、靶罩等等。这一切使离子注入装置进一步复杂，注入处理费用大大增加。因而使离子注入技术的工业应用范围受到限制。

1988年美国威斯康辛大学J.R.Conrad教授提出并发表了一种称为等离子体源离子注入新技术(简称PSⅡ)，它也被称为等离子体浸没离子注入(简称PⅢ)。在PⅢ过程中，待处理的工件直接被放在等离子体源中，当工件被加以高的负电位后，在工件四周形成正离子阵等离子体鞘层。离子被鞘层电场加速后，处处垂直地注入到工件表面。显然，PⅢ技术完全消除IBⅡ所固有的视线限制，克服了保持剂量问题，使离子注入装置变得简单，注入处理费用下降。它特别适用于形状复杂的工件，大尺寸工件，重的工件，并可以对工件批量处理。

PⅢ技术在工业应用方面的初步成功，立即受到科学家和工业界高度重视。仅仅经过五年时间，许多国家的大公司，国家实验室，大学相继建造了专门的研究装置，对PⅢ技术及其工业应用展开了大量研究，使钻头、冲头、模其、铣刀、航天轴承、医用钛合金人工关节、发动机气缸……等零部件的抗摩损和抗疲劳性能大大提高。在PⅢ研究的最初几年里，大多数是用气体等离子体，主要是氮等离子体，对金属材料表面进行改性，获得了很好成绩。其后，美国洛伦茨贝克来国家实验室(LBL)的I.Brown教授等发展了一种称为金属等离子体浸没离子注入及沉积技术(简称MePⅢD)，把高能金属等离子体离子注入和低能等离子体沉积结合起来，并用于材料表面改性，得到了使用气体等离子体无法得到的非常好的改性效果，使PⅢ技术的工业应用范围大大扩展。最近，PⅢ技术已被成功地用于半导体材料处理，完全弥补了离子注入机在低能条件下，由于空间电荷效应造成束发散的固有缺点。因而，PⅢ技术在半导体材料处理方面也呈现出美好的应用前景。与此同时，科学家们把PⅢ技术和传统的表面处理技术(溅射沉积、涂敷、离子注入等)结合起来，使其拓展为多种表面处理工艺，使改性层厚度增加，膜基结合力增强，并能形成具有特殊功能的梯形结构。尽管PⅢ技术及其工业应用发展十分迅速，但由于PⅢ机理和过程十分复杂，对它进行的理论研究(动态计算机程序模拟)，等离子体诊断等不够完善，装置技术、注入剂量精确测量等等急待改进和提高，因而在PⅢ技术被大规模工业应用之前仍有许多物理、工程技术难题必须被克服。虽然目前约有40台PⅢ装置。分别在各国投入PⅢ技术及其工业应用研究，但其中多数装置是从其它装置改建而成，例如CTX由聚变装置改建而成，个别装置虽然是专门设计的，但仅停留在原理性阶段上。所有装置均比较简单，尤其是功能单一，工业应用范围、处理工艺均受到很大的限制。例如LBL的PⅢ装置只装备了一个金属蒸汽真空电弧等离子体源，目的仅是演示金属等离子体注入和沉积技术；澳大利亚等离子体研究所的PⅢ装置只装备一个RF等离子体源，目的仅是演示用射频(RF)天线激励的RF等离子体进行材料表面改性的效果。为了克服目前已运行装置的缺陷，进一步满足物理研究和工业应用的需要，近年来美国依顿公司、休斯公司、日本尼桑电气株式会社等国际上著名的离子注入机生产厂，都在积极努力研制多功能等离子体浸没离子注入装置。

本发明的目的是提出一种用于材料表面改性的等离子体浸没离子注入装置，它主要用于研究现代材料表面改性新工艺及研制具有新的表面特性的新材料，以及用于研究半导体材料处理新工艺及电子器件制作。