[發(fā)明專利]一種離子注入裝置和方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210887666.8
• 申請日: 2022-07-26
• 公開（公告）號(hào): CN115332036A
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張若兵;崔偉勝
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)深圳國際研究生院
• 主分類號(hào): H01J37/32
• 分類號(hào): H01J37/32
• 代理公司: 深圳新創(chuàng)友知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀鋒

本發(fā)明公開了一種離子注入裝置和方法，所述離子注入裝置包括相互平行設(shè)置的上電極、多孔電極和下電極，多孔電極位于所述上電極和所述下電極之間，上電極連接交流電壓，多孔電極接地，下電極連接直流脈沖負(fù)電壓，在上電極和多孔電極之間為等離子體生成區(qū)，在多孔電極和下電極之間為離子注入?yún)^(qū)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了等離子體生成區(qū)和離子注入?yún)^(qū)的物理隔離，從而避免了等離子體物理刻蝕對(duì)被處理樣品的表面損傷及化學(xué)結(jié)構(gòu)改變。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及等離子體處理領(lǐng)域，特別是涉及一種離子注入裝置和方法。

背景技術(shù)

離子注入技術(shù)是一種將離子在電場的作用下加速注入固體樣品表層的一種技術(shù)。離子在轟擊進(jìn)入樣品表面的過程中會(huì)與樣品近表層的原子碰撞，離子在碰撞的過程中損失能量，駐留在樣品表層內(nèi)部。注入離子會(huì)與樣品中的原子相互作用形成新的相，樣品表面及近表面層的形貌、相組成、成分、組織結(jié)構(gòu)等均會(huì)發(fā)生改變，材料的物理、化學(xué)、力學(xué)等性能也會(huì)發(fā)生明顯的改變，為其未來的多種應(yīng)用提供了可能。

離子注入主要分為兩種方法：束線離子注入(Ion Beam Ion Implantation,IBII)和等離子體浸沒離子注入(Plasma Immersion Ion Implantation,PIII)。

束線離子注入發(fā)展于20世紀(jì)60年代，在半導(dǎo)體材料表面改性、金屬表面性能提升等方面有著重要應(yīng)用。然而，束線離子注入存在固有的直射性限制，處理非平面樣品時(shí)會(huì)導(dǎo)致注入劑量不均勻、批量處理困難等問題。此外，離子注入機(jī)的設(shè)備技術(shù)復(fù)雜、投資費(fèi)用高等，單臺(tái)樣機(jī)采購成本高達(dá)幾千萬元，嚴(yán)重限制了其在材料細(xì)分產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。針對(duì)束線離子注入存在的技術(shù)問題，改進(jìn)的離子注入技術(shù)曾有提出，如：離子束混合技術(shù)、多離子束沉積技術(shù)、粒子束輔助鍍膜技術(shù)等。然而，此部分改進(jìn)技術(shù)仍然依靠粒子束離子注入的原有技術(shù)特征，彌補(bǔ)原有技術(shù)不足的同時(shí)也增加技術(shù)復(fù)雜度，無法大幅降低離子注入工業(yè)應(yīng)用成本。

等離子體浸沒離子注入的實(shí)現(xiàn)需要射頻電源等裝置在低氣壓中產(chǎn)生等離子體，通過對(duì)被處理樣品施加負(fù)脈沖偏壓的方式實(shí)現(xiàn)離子注入，可以實(shí)現(xiàn)不規(guī)則三維形狀的樣品處理。然而，此種方法需要射頻等高成本電源生成大體積等離子體將被處理樣品完全浸沒，能量利用率低，且長時(shí)間浸沒于等離子體容易導(dǎo)致被處理樣品表面形成物理性刻蝕及化學(xué)結(jié)構(gòu)改變，對(duì)其表面性能產(chǎn)生影響。

發(fā)明內(nèi)容

為了彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種離子注入裝置和方法。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

第一方面，提供一種離子注入裝置，包括相互平行設(shè)置的上電極、多孔電極和下電極，所述多孔電極位于所述上電極和所述下電極之間，所述上電極連接交流電壓，所述多孔電極接地，所述下電極連接直流脈沖負(fù)電壓，在所述上電極和所述多孔電極之間為等離子體生成區(qū)，在所述多孔電極和所述下電極之間為離子注入?yún)^(qū)。

在優(yōu)選實(shí)施例中，所述直流脈沖負(fù)電壓為納秒脈沖形式，頻率為1-10k Hz，電壓幅值為0-100kV。

在優(yōu)選實(shí)施例中，所述交流電壓為正弦或脈沖形式，頻率為1-50kHz，電壓幅值為0-20kV。

在優(yōu)選實(shí)施例中，所述上電極上還設(shè)有第一絕緣介質(zhì)，所述第一絕緣介質(zhì)至少覆蓋在所述上電極的與所述多孔電極相對(duì)的一面上；和/或所述多孔電極為絕緣介質(zhì)包裹的多孔電極，每個(gè)孔的面積≤100mm²。

在優(yōu)選實(shí)施例中，所述多孔電極和所述上電極之間的間距≥1mm；所述多孔電極和所述下電極之間的間距≥1mm。

在優(yōu)選實(shí)施例中，所述上電極、所述多孔電極和所述下電極的形狀均與被處理樣品的表面形狀相同；或者所述上電極、所述多孔電極和所述下電極均為柔性電極，且所述下電極用于與被處理樣品完全貼合。