CN101285167A - 能输出单一离子能量的离子束发射源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能输出单一离子能量的离子束发射源，以克服现有技术存在的引出离子并非具有单一能量，对薄膜质量影响较大，难以实现离子束辅助的重复性的问题。其技术方案是：包括气体放电室、聚焦磁场产生单元、离子能量选择器和扩束磁场产生单元，气体放电室中包括阳极、阴极和引出栅极板；所述离子能量选择器包括相对设置的上磁极板、下磁极板以及相对设置的第一电极板和第二电极板构成的选择筒，上磁极板、第一电极板、下磁极板和第二电极板之间夹设有极板绝缘件，选择筒两端的入口盖板和出口盖板中部均设置有能带限制通孔。现有技术相比，本发明的优点是：1.能够产生、引出单一能量的离子；2.离子能量可调；3.制造工艺简单。

Description

能输出单一离子能量的离子束发射源

技术领域：

本发明涉及一种用在光学真空离子束辅助镀膜机或离子束刻蚀设备中的离子束发射源(离子源)装置，特别涉及一种能输出单一离子能量的离子束发射源。

背景技术：

在薄膜技术领域，离子束辅助(IBAD)是一种将薄膜沉积(主要为物理气相沉积)与离子轰击融为一体的光学表面镀膜技术，通常是在高真空蒸发室中利用离子源所产生的荷能离子束轰击正在进行薄膜沉积的衬底材料，从而获得一定效果的薄膜。一般而言，离子束辅助镀膜技术克服了物理气相沉积和离子轰击各自的缺点，因而颇具特色。该技术可以改善薄膜的性能，实现普通热蒸发工艺无法获得的效果，自上世纪80年代以来一直受到人们的普遍重视，目前仍是广泛采用的一种成熟的光学薄膜制备技术。世界上一些发达国家，如美国、日本等国都对此予以高度的重视。离子束辅助镀膜技术已经成功用于制备一系列的硬质薄膜、光学薄膜、单晶薄膜、类金刚石薄膜和超导薄膜，并在改善材料的光学性能、机械性能、电磁学性能以及抗化学腐蚀性能上取得了令人瞩目的研究成果。

离子束辅助沉积工艺的主要过程是在镀膜前先用一定能量的离子束轰击基底，以净化表面，使表面污染的碳氢化合物分解除去，同时使基底表面温度升高，提供活化表面以利于薄膜成核。在镀膜过程中，再用适当的荷能离子轰击正在生长的薄膜，从而改变了成膜环境。此时，由于外来离子对凝聚中粒子的动量传递，使得膜料粒子在基底表面的迁移率增加，并因此影响了粒子的凝结速率及生长速率，从而导致薄膜的堆积密度接近于1，大幅度提高了膜层在基底上的附着力。同真空热蒸发技术相比，离子辅助镀膜技术提高了薄膜的填充密度和附着力，并保持了真空热蒸发镀膜技术能够方便、迅速地制备各种薄膜的优点。离子束辅助沉积可以大大的改善薄膜的性能。它不仅可以增加薄膜的聚集密度，消除薄膜柱状晶体结构，提高薄膜的致密性，还可以提高薄膜光学常数的稳定性和均匀性，改善薄膜的化学计量比等。因此该技术已经成为生产高质量薄膜的首选方法，也是目前光学加工行业普遍采用的薄膜沉积方法。

另外，离子束刻蚀与溅射也是真空领域中的两种重要技术。离子束刻蚀(或离子束减薄)可以实现样品或零件表面原子级去除、不仅仅用在化学试样表面分析，光学表面无损伤离子束加工，还用于刻蚀靶材表面，实现溅射沉积。

在这些应用过程中，离子束发射源，简称离子源是离子束辅助沉积或离子束刻蚀、溅射沉积的核心部件。离子源的作用是提供具有一定束流强度的离子束，目前广泛应用于光学、微电子、材料研究及工业生产的各个领域。

国内外围绕离子源及其参数等已经进行了大量的研究。目前，离子束辅助沉积镀膜主要包括考夫曼(Kaufman)离子源、射频离子源、冷阴极离子源和霍尔离子源等。它们的放电方式各有不同，分别适用于不同的场合，但也存在各种各样的缺点，其中所有离子源普遍存在的一个缺点是：输出的离子束中的离子并非具有单一能量，而是形成很宽的能带，具有一定的离子能谱。这是由气体放电的特性决定的，不进行过滤或选择的离子束，必然包含各种能量的离子。大量的研究结果表明，用于辅助沉积的离子能量大小严重影响着薄膜的微观结构和性能。过小的离子能量，难以充分发挥离子束辅助的效力，离子能量过高时，产生的热尖峰效应甚至足以使薄膜晶相发生变化；过大的离子能量，也会破坏薄膜的结构，对形成的薄膜产生强烈的溅射作用，以至于薄膜无法生长。

以冷阴极离子源为例，它包括一个气体放电室，该气体放电室内设置有阳极、阴极和栅极。该种离子源所提供的粒子束中过高或过低能量的离子占有一定的比重，使薄膜沉积过程的离子行为变得难以控制，对薄膜质量具有较大的影响，难以实现离子束辅助的重复性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能发射单一能量的离子束发射源，以克服现有技术存在的引出的离子并非具有单一能量，对薄膜质量影响较大，难以实现离子束辅助的重复性的问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种能输出单一离子能量的离子束发射源，包括气体放电室，该气体放电室中包括阳极、阴极和引出栅极板，其特殊之处在于：在引出栅极板一侧依次设置有聚焦磁场产生单元、离子能量选择器和扩束磁场产生单元；所述离子能量选择器包括相对设置的上磁极板、下磁极板以及相对设置的第一电极板和第二电极板构成选择筒，上磁极板、第一电极板、下磁极板和第二电极板之间夹设有极板绝缘件，所述上磁极板和下磁极板之间通过极靴连接有位于选择筒外侧的主励磁线圈，第一电极板和第二电极板上分别导通连接有第一电和第二电极；选择筒的两端分别设置有以入口绝缘件和出口绝缘件相隔的入口盖板和出口盖板，入口盖板和出口盖板中部设置有能带限制通孔。

上述入口盖板与聚焦磁场产生单元之间夹设有入口磁屏蔽板，出口盖板与扩束磁场产生单元之间夹设有出口磁屏蔽板；入口磁屏蔽板和出口磁屏蔽板上设置有大于或等于能带限制通孔的屏蔽板通孔。屏蔽板可以将磁场与离子能量选择器内的磁场隔离，减少相互之间的干扰。

上述选择筒的截面为矩形。加工安装方便。

上述聚焦磁场产生单元和扩束磁场产生单元可以是永磁体和/或电磁线圈。

上述出口盖板上设置有散热结构。可以是制作成水冷套，或采用铜管焊接而成。

实际应用中，为了获得尽可能优良的薄膜，这就要求对轰击离子的能量有一个明确的量值，而不是一个平均的数量，从而可以根据实际需要进行控制。本发明利用一组正交的电磁场，对引入能量选择器中的离子能量进行筛选，从而引出单一能量的离子束。与现有技术相比，本发明的优点是：

1、能够产生、引出单一能量的离子：其输出的离子束中所有离子具有几乎相同的能量(如调节输出离子能量为1000eV的话，实际输出的所有离子能量均在990-1010eV之内，能带很窄；而普通的离子源，实际输出的所有离子能量在700-1300eV之间，能带很宽)，输出能量的统一性精度优于1％；可以根据实际需要通过离子能量选择器进行调节，只要调节电磁场的相对大小就可选择输出离子能量的大小，极大地减少了镀膜辅助过程的多样性因素干扰，实现了薄膜微观结构的可控性。

2、离子能量可调：能量调节范围广，离子源输出的离子束中离子的能量可以根据实际需要进行调节，可以满足不同薄膜沉积过程及离子束溅射、刻蚀等行业的需要，在实际工业生产中有广泛的应用前景。

3、本发明所提出的技术方案中的各部件不要求高的加工精度，对材料也无特殊要求，结构简单、紧凑，制造工艺简单。

附图说明：

图1.冷阴极离子源不同引出电压下的离子能量分布函数(a)引出电压Ua＝800V；(b)引出电压Ua＝1200V；

图2.本发明的结构原理图；

图3.本发明中离子能量选择器的结构示意图；

图4.是图3的A-A视图；

图5.本发明引出电压下的离子能量分布函数(a)引出电压Ua＝800V；(b)引出电压Ua＝1200V。

附图标记说明如下：

1-聚焦磁场产生单元，2-入口磁屏蔽板，3-入口盖板，4-入口绝缘件，5-上磁极板，6-出口绝缘件，7-出口盖板，8-出口磁屏蔽板，9-扩束磁场产生单元，10-下磁极板，11-主励磁线圈，12-第一电极板，13-极靴，14-极板绝缘件，15-第二电极板，16-绝缘垫。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明做详细地说明。

参见图1。可以看出，普通离子源所引出的离子束中离子的能量分布特征为：在某个能量下，离子所占的数目最多(优势离子)，而偏离这一能量时，离子仍占有很大的比例。离子束中最大与最小离子能量的差值，即所引出的离子束中离子的能量宽度达到400eV以上，如此宽的能量范围，使薄膜沉积过程的离子行为变得难以控制。

参见图2～图4，下面对一种能输出单一离子能量的离子束发射源进行详细地描述。

(一)结构：主要包括气体放电室、聚焦磁场产生单元1、离子能量选择器和扩束磁场产生单元9。

1、所说的气体放电室是冷阴极离子源的主要结构，主要用来产生一定密度的等离子体，该部分结构为公知的结构，以常见的来说明。整个放电室由两个对装的阴极与圆筒状阳极组成。阴极采用低溅射率且高电子发射率的材料组成，或者采用热丝电子发射的方式。放电室外加磁场采用永磁体或电磁线圈构成，其产生磁场的方向与阳极圆筒的轴线平行。从阴极发射的电子，在阳极电压作用下穿过阳极圆筒而加速，阴极栅极又使电子反射回来，而轴向磁场使电子难以快速到达阳极。这样，电子在两极间来回振荡，磁场使电子做螺旋线运动，大大延长了电子运动的路程，提高了气体被电离的几率，在低气压下形成辉光放电，从而在整个腔内产生等离子体。这种冷阴极离子源主要靠离子轰击阴极表面产生的二次电子维持放电。离子源采用永磁铁或电磁线圈来提供磁场。离子束引出栅板包括单极栅或双栅极，用于将放电室内等离子体中的离子束引出放电室。栅极由高熔点的金属薄片构成，在其表面加工一定数目的小孔以引出离子束。开孔的总面积占栅极总面积的50-80％。

2、在上面所说的气体放电室的引出栅极板一侧依次设置有聚焦磁场产生单元1、离子能量选择器和扩束磁场产生单元9，聚焦磁场产生单元1和扩束磁场产生单元9选用电磁线圈。所说的离子能量选择器包括由相对设置的上磁极板5、下磁极板10以及相对设置的第一电极板12和第二电极板15构成的截面为方形的选择筒，上磁极板5、下磁极板10、第一电极板12和第二电极板15之间夹设有条状的极板绝缘件14，所述上磁极板5和下磁极板10之间通过极靴13连接有设于选择筒外侧的主励磁线圈11，第一电极板12和第二电极板15上分别导通连接有第一电极18和第二电极17。选择筒的两端分别设置有以入口绝缘件4和出口绝缘件6相隔的入口盖板3和出口盖板7，入口盖板3和出口盖板7中部设置有能带限制通孔；在入口盖板3与聚焦磁场产生单元1之间夹设有入口磁屏蔽板2，出口盖板7与扩束磁场产生单元9之间夹设有出口磁屏蔽板8，入口磁屏蔽板2和出口磁屏蔽板8上设置有与能带限制通孔相同的屏蔽板通孔。

其中：聚焦磁场产生单元1用以提供约0-500Gauss的磁场强度，使离子源发射的离子束以细口径汇聚到入口。可以是永磁体和/或电磁线圈。

入口磁屏蔽板2和出口磁屏蔽板8用于屏蔽线圈产生的磁场。采用磁导率高的材料如工业软铁，硅钢等材料加工。

入口盖板3和出口盖板7用于封闭腔体，同时提供离子进入、出射的通道，由不锈钢，铜、铝等非导磁材料构成，与其他部分采用螺钉进行连接，正中心有φ10-20mm的能带限制通孔。因散热需要，出口盖板7上还可以设置散热结构，该散热结构可以是将出口盖板设计为空心结构，制作成一水冷套，或采用铜管焊接而成。

入口绝缘件4、入口绝缘件6及极板绝缘件14可以是条状、块状或者矩形等各种适宜采用的形状，分别用于上磁极板5、下磁极板10、第一电极板12和第二电极板15之间，以及选择筒与入口盖板3、出口盖板7之间的绝缘，可以用聚四氟乙烯或陶瓷材料制成。

上磁极5和下磁极10均采用导磁性良好的材料构成，如工业软铁，硅钢等。磁极的整个外形可以加工成一体，也可以由部件焊接而成。

扩束磁场产生单元9用以提供约0-500Gauss的磁场强度，使离子源发射的离子束到出口外发散成一定角度。可以是永磁体和/或电磁线圈。

主励磁线圈11产生较强的磁场，可以达到2T以上，经上磁极板5和下磁极板10后导入选择筒的腔体中。

第一电极板12和第二电极板15采用良好导电而不导磁的金属材料，如纯铜等制成，并与周围其他部件之间良好绝缘。它们采用螺钉与极板绝缘件14连接。

极靴13具有良好的导磁性，保证线圈产生的磁场很好耦合到磁极上。

为保证第一电极板12和第二电极板15导通连接第一电极18和第二电极17时，能与下磁极10之间保证良好的绝缘性，还可以设置绝缘垫16，绝缘垫16采用绝缘性良好的聚四氟乙烯或陶瓷材料构成，

电极17、18采用螺纹与第一电极板12和第二电极板15连接，用于连接极板与外界电源引线，由导电性良好的纯铜等材料制成。

(二)工作过程：本发明首先在放电室内引入工作气体，在电磁场的作用下产生等离子体，然后通过栅极(单栅或多栅)将离子引出到放电室外，再通过磁场聚焦系统，将离子束汇聚到能量选择器的输入端口。能量选择器中分布有正交的电磁场，利用带电离子在电磁场作用下的运动特性，只有满足特定能量关系的带电离子才能沿直线通过这一区域，而不满足这一关系的离子将改变其运动方向，不能顺利通过能量选择器，从而起到输出离子能量选择的作用。调节离子能量选择器电场和磁场的相对大小，可以改变输出离子的能量，从而起到调节离子能量的目的。

(三)工作原理：

从气体放电室的引出栅极板处引出的离子束，具有较大的发散角，不能直接进入能量选择器，本发明中采用两级电磁线圈构成聚焦磁场产生单元1，将发散的离子束聚焦到离子能量选择器的输入端口。

离子能量选择器主要用来选择输出的离子能量。进入离子能量选择器中的离子，具有较宽的能量范围。在能量选择器中，分布有相互垂直的电磁场，由于离子在这两个正交的电磁场中运动时，会同时受到电场力和磁场力的作用，适当分布电磁场的相互方向，使离子受到的电场力与磁场力方向相反。这时，当离子在电磁场中受到的电场力等于磁场力时，离子将沿直线方向运动，直至飞出离子能量选择部件。不满足上述关系的离子在能量选择器中将改变其运动方向，最终被侧壁极板吸收。因此，最后从离子能量选择器输出的离子均具有相同的能量

或者具有很窄的能带(1％)。其中，m为离子质量，E和B分别为电场强度和磁感应强度。

扩束磁场产生单元9由电磁线圈组成，主要用于扩大最终输出离子束的发散角，以满足大面积镀膜的需要。由于磁场并不改变离子的能量，因此虽经扩束，离子仍未能以单一能量输出。

为了得到单一能量输出的离子束。主励磁线圈11提供了能量调节电磁场，主要用来调节离子能量选择器的电场E和磁场B的相对大小，这两者的大小比值决定输出离子的能量大小，从而达到调节离子能量的目的。

(四)实用举例：

实施例1：

在制备光学薄膜时，通常需要用离子束辅助沉积以提高薄膜的成膜质量。研究发现，不同的薄膜材料需要不同的离子束能量来辅助。当制备ZnS薄膜时，需要用于辅助的离子束能量为800eV，能量过低，得不到最佳的辅助效果，能量过高，会溅射掉已经形成的薄膜。因此，采用本发明的新型离子束发射源，首先设定离子源的输出能量为800eV，正常工作时，系统会自动调节离子源的放电参数，得到所需要的输出能量值，并且调整得到最强的离子束流密度输出。这时输出离子的能量为800eV。

实施例2：

在制备光学薄膜时，通常还需要用离子束辅助沉积以降低成膜温度。尤其制备多层薄膜时，多种材料交替沉积，每种材料均需要不同的离子束辅助能量，且要求能量输出单一。比如采用ZnS/MgF₂制备介质高反射薄膜时，ZnS薄膜需要的辅助离子束能量为800eV，而MgF₂薄膜需要的辅助离子束能量为1100eV，而且均需要单能量输出。因此，采用本发明的新型离子束发射源，分别设定离子源的输出能量为800eV和1100eV，并与主机进行通信。整个离子源系统就会根据实际镀制的薄膜，自动调节离子源的放电参数，得到所需要的能量值，并且调整得到最强的离子束流密度输出。

(五)参见图5，本发明所引出的离子束中离子的能量分布特征为：在某个能量下，离子所占的数目达到100％，离子束中最大与最小离子能量的差值仅为1％。

Claims (5)

1、一种能输出单一离子能量的离子束发射源，包括气体放电室，该气体放电室中包括阳极、阴极和引出栅极板，其特征在于：在引出栅极板一侧依次设置有聚焦磁场产生单元(1)、离子能量选择器和扩束磁场产生单元(9)；所述离子能量选择器包括相对设置的上磁极板(5)、下磁极板(10)以及相对设置的第一电极板(12)和第二电极板(15)构成的选择筒，上磁极板(5)、第一电极板(12)、下磁极板(10)和第二电极板(15)之间夹设有极板绝缘件(14)，所述上磁极板(5)和下磁极板(10)之间通过极靴(13)连接有位于选择筒外侧的主励磁线圈(11)，第一电极板(12)和第二电极板(15)上分别导通连接有第一电极(18)和第二电极(17)；选择筒的两端分别设置有以入口绝缘件(4)和出口绝缘件(6)相隔的入口盖板(3)和出口盖板(7)，入口盖板(3)和出口盖板(7)中部设置有能带限制通孔。

2、如权利要求1所述的能输出单一离子能量的离子束发射源，其特征在于：所述入口盖板(3)与聚焦磁场产生单元(1)之间夹设有入口磁屏蔽板(2)，出口盖板(7)与扩束磁场产生单元(9)之间夹设有出口磁屏蔽板(8)；入口磁屏蔽板(2)和出口磁屏蔽板(8)上设置有大于或等于能带限制通孔的屏蔽板通孔。

3、如权利要求1或2所述的能输出单一离子能量的离子束发射源，其特征在于：所述选择筒的截面为矩形。

4、如权利要求3所述的能输出单一离子能量的离子束发射源，其特征在于：所述聚焦磁场产生单元(1)和扩束磁场产生单元(9)是永磁体和/或电磁线圈。

5、如权利要求1或2所述的一种能输出单一离子能量的离子束发射源，其特征在于：所述出口盖板(7)上设置有散热结构。

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