CN103247504A - 一种双频离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频离子源，包括背板、放电室、栅极和中和器，所述放电室的后端由背板遮盖封闭，背板上设有气体输入孔，栅极安装在放电室前端，中和器设置在栅极等离子体发射口处；所述放电室为圆筒式并分为两段，前段为小直径段，后段为大直径段，在两段放电室外缘设置两级射频感应线圈。本发明可以在0.001Pa的低压下正常工作，使镀膜时的工艺范围更宽，离子源的稳定性高，在镀膜过程中束流的误差在正负3%以内，可以连续使用500小时不出故障且离子束污染小。

Description

一种双频离子源

技术领域

本发明涉及一种离子源，具体是一种射频离子源。

背景技术

近年来，离子束辅助沉积（IAD）技术已被普遍应用在现代高质量、高难度、高效率的光学镀膜生产中。离子束辅助沉积是在气相沉积镀膜的同时，利用高能粒子轰击薄膜沉积表面，改善膜的致密度及膜的结构，从而提高膜的折射率等光学特性。离子源作为离子束辅助沉积的装置，在改变沉积薄膜成分结构的过程中起着决定性作用。辅助镀膜离子源按照离子加速方式一般分为有栅离子源和无栅离子源。

在无栅离子源中，常用的有霍尔离子源、APS离子源、潘宁离子源、阳极层离子源等。无栅离子源因为不需要栅网具有电源及结构简单的优点，而且通过进行异型磁场的设计，使等离子体源的离子拔出效率大为提高，在较小的放电功率下（～4KW）就能得到最大离子流密度500μA/ cm²。无栅离子源中最具有代表性的是德国莱宝公司研制的APS离子源，APS离子源以及其他类似的无栅离子源，存在着能量较低（离子能量：20-200eV）、使用成本高（昂贵的LaB6材料）等缺点。

在有栅离子源中，常用的有考夫曼（Kaufman）离子源、射频（RF）离子源、微波离子源等。其中，射频离子源是目前光学镀膜使用离子源的主流，如图1所示，其放电室内无灯丝作为阴极, 而是采用磁感应产生等离子体，从而延长稳定工作时间，并且降低离子束中的杂质；利用栅极对等离子体加速，其中栅极包括屏栅、加速栅及接地栅三层结构，并采用中和器进行强迫中和。目前国外以美国Veeco公司的射频离子源最具有代表性，它的优点是：栅极加速能量大，离子可聚束，能量调节范围宽，适用于反应气体。缺点是：结构复杂、价格昂贵，稳定性差，栅极需要经常清洗，离子束流低，以及离子能量的分布较宽不均匀等。国内也有许多单位在研究射频离子源，如中科院等离子物理研究所、东北大学、中国工程物理研究院，但他们基本上处在研制阶段，稳定性差，尚没有商品化。

发明内容

本发明针对现有射频离子源技术存在的缺陷，提供一种双频离子源，可以有效提高离子束流，改善粒子能量均匀性，减少栅极清洗频度。

本发明所述的一种双频离子源，包括背板、放电室、栅极和中和器，所述放电室的后端由背板遮盖封闭，背板上设有气体输入孔，栅极安装在放电室前端，中和器设置在栅极等离子体发射口处；所述放电室为圆筒式并分为两段，前段为小直径段，后段为大直径段，在两段放电室外缘设置两级射频感应线圈。

所述两级射频感应线圈连接两个独立的电源，其中一个频率是60兆赫，对应的射频感应线圈绕在放电室小直径段，另一个频率是13.6兆赫，对应的射频感应线圈绕在放电室大直径段。

作为改进，60兆赫的线圈匝数为6匝，匝间距离为10mm，13.6兆赫匝数为4匝，匝间距离为8mm，两个线圈外均裹有1mm厚的绝缘层，感应线圈选用铜管，内部通有去离子水冷却。

作为改进，所述小直径与大直径的直径之比为D₁：D₂=1：1.2。

作为改进，在放电室大直径段后部接近背板处平行设置均气用的屏蔽板。

作为改进，所述放电室壁材料选用小复合系数的石英。

作为改进，在背板外部开有一环形水槽并通入冷却水。而栅极采用包括引出栅、加速栅和抑制栅的三栅离子光学系统。

本发明的双频离子源采用的是两个独立的电源，一个频率是60兆赫，另一个频率是13.6兆赫。这样的频率和机构使离子源可以在0.001 Pa的低压下正常工作，使镀膜时的工艺范围更宽。

本发明的双频离子源的工作气体为氧气，氩气、氮气等也可作为工作气体。通过送气系统，使工作气体穿过屏蔽板均匀、快速的向放电室扩散开。60兆赫和13.6兆赫的两独立射频功率，经过阻抗匹配网络分别传输到细端和粗端的放电室的感应线圈上，最终分别耦合到两个放电室内。当射频电流经过感应线圈时，产生轴向的射频磁场，该磁场随时间的变化而产生涡旋周向电场。该感应电场加速放电室内的电子，使其与气体粒子发生碰撞并电离，从而产生并维持等离子体。加速栅极采用包括引出栅、加速栅和抑制栅的三栅离子光学系统，屏极上有多个小孔，在放电等离子体边界就会形成等离子体双鞘层。离子通过该弯月面鞘层发射电子，经过离子光学系统的聚焦加速形成离子束。该离子束也必须通过中和器进行强迫中和，中和器除了中和作用外，也能可靠提供低压离子源的点火起弧。

本发明的双频离子源的引出性能良好。一般的射频源离子源的离子束流只能达到700毫安，本发明的双频离子源能达到1000毫安，等离子体的离化率明显提高，同时离子能量更加均匀。从而改善光学镀膜产品的质量和合格率。例如在做投影仪光源反光灯罩镀膜试验时，使用一般的射频源离子源镀膜满炉合格率在96%，而用本发明的离子源满炉合格率在99%，成品率能提高了3%。

本发明的离子源的稳定性高，在镀膜过程中束流的误差在正负3%以内，连续使用500小时不出故障，达到世界先进水平。

本发明的双频离子源引出的离子束污染小。一般的射频源离子源的离子能量最低可调至30ev，但它同时也存在大量的高能量离子，从而轰击栅极，使栅极受到污染，通常在100至200小时之间就要清理栅极。本发明采用双频离子源，等离子鞘层的电位变化周期不同于传统的单频离子源的单峰结构，而是呈现出多峰结构。低频频率13.6MHz较高，入射离子的能量较小，离子在若干个射频周期内穿过鞘层，因此离子响应平均的鞘层电位下降，可以有效的降低离子能量，使双频离子源的高能量离子数量减少，从而减少了对栅极的轰击和污染，一般可使用500至800小时之间清理栅极。

本发明的双频离子源的适用气体范围广，除了氧气，氩气、氮气等也可作为工作气体。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图，

图2为本发明的结构示意图。

主要元件符号说明：

放电室                  1

屏蔽板                  2

加速栅极                3

中和器                  4

60兆赫射频感应线圈      5

13.6兆赫射频感应线圈    6

背板                    7

离子束                  8。

具体实施方式

本发明的双频离子源的基本结构如图2所示，包括等离子体放电室1、屏蔽板2、加速栅极3、中和器4、两级射频感应线圈5，6、背板7等。其它如约束磁场、送气系统、真空抽气系统、冷却系统、以及等离子体密度诊断系统等在此省略未标注。

等离子体放电室1为圆筒式，又分前后两部分，前端细后段粗，前段内部直径D₁为260mm，长度为240mm，后端内部直径D₂为291mm，长度为250mm。前后两部分的直径之比为D₁：D₂=1：1.2。在放电等离子体内，由于分子各种离解过程在分子气体中所形成原子的平衡密度一方面取决于原子的形成速度，另一方面取决于原子复合过程的速度。理论上，原子的复合既能在空间由三体碰撞发生，又能在装置的壁上发生。在低气压发电的等离子体离子源条件下，复合主要在装置的壁上发生。本发明的放电室1室壁材料选用复合系数较小的石英。放电室1室壁材料的复合系数可表征放电室1内表面的催化活性，对质子比有很大的影响。放电室1背板2外部开有一环形水槽，内部通有冷却水以达到冷却目的。

双频离子源的感应线圈采用两个独立电源的射频感应线圈5,6。一个频率是60兆赫，另一个频率是13.6兆赫。两个射频功率发生器经过50Ω射频同轴电缆，并通过射频变压器和阻抗匹配网络，分别连接到两个耦合感应线圈5,6上。两个射频感应线圈5,6均采用圆筒螺旋形线圈，并采用外置型结构。60兆赫射频感应线圈5绕在放电室1细端，线圈匝数为6匝，匝间距离为10mm；13.6兆赫射频感应线圈6绕在放电室1粗端，线圈匝数为4匝，匝间距离为8mm。两个射频感应线圈5,6外均裹有1mm厚的绝缘层，以控制匝间放电现象。两个射频感应线圈5,6均选用电阻率较小的铜管，内部通有去离子水冷却。

实施例中的工作气体为氧气，通过送气系统可以调节送气量的大小。在放电室1内部靠近送气口处设有一个圆盘形均气用屏蔽板2，使工作气体通过其能均匀快速的向放电室1扩散开。当气压高于1Pa时，可通过输入射频功率直接启动；当气压低于1Pa时，可以通过脉冲气体或者启动灯丝启动。真空抽气系统可由分子泵加一台前级机械泵来完成。当真空系统本底真空度为5x10^-4Pa时，离子源通入氧气至工作真空度为1.2x10^-3Pa。当感应线圈5,6通有射频电流时，将产生轴向射频磁场，该磁场随时间的变化而产生涡旋周向电场。该感应电场加速放电室1内的电子，使其与气体粒子发生碰撞并电离，从而产生并维持等离子体。

加速栅极3为包括引出栅、加速栅和抑制栅的三栅离子光学系统，屏极上有多个小孔，在放电等离子体边界就会形成等离子体双鞘层。离子通过该弯月面鞘层发射电子，经过离子光学系统的聚焦加速形成离子束8。该离子束通过中和器4进行强迫中和，中和器除了中和作用外，也能可靠提供低压离子源的点火起弧。

等离子体中氧含量的精确控制对成膜质量及膜的均匀性极其重要，它关系到膜的成分的均匀性，尤其是多层超薄镀层。本实施例中使用的氧等离子浓度恒定的自动控制技术是将0.2毫米的镀铂钨丝作为等离子探针放在背板7附近，通过改变探针的偏置电压得到相应的电流从而得到伏安（I-V）特性曲线，由I-V曲线算出等离子体温度、密度等参数。被测空间电中性的等离子体空间，电子密度和离子浓度相等，电子与离子的速度满足麦克斯韦速度分布。探针材料与气体不发生化学反应，保证在有氧的气氛下长期稳定地工作。探针周围形成的空间电荷鞘层厚度比探针面积的线度小，这样可忽略边缘效应，近似认为鞘层和探针的面积相等。由I-V曲线可以算出等离子浓度，并给出一个电压信号。通过这个电压信号给流量计，流量计就按设定的值进行调节。如果浓度变大，氧流量就减少，如果浓度变小，氧流量就变大。同时通过电压信号，调整高频电压的功率，这样使氧的离子浓度基本上不变

本实施例中采用NI的6221型数据采集，由Labview软件控制，给出激励信号，由驱动电路放大加载到探针上，再有数据采集卡反馈信号（I-V），再由Labview软件根据探针的基本原理数据，从而得出等离子浓度的数值，并给出一个电压信号。

    本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双频离子源，包括背板、放电室、栅极和中和器，所述放电室的后端由背板遮盖封闭，背板上设有气体输入孔，栅极安装在放电室前端，中和器设置在栅极等离子体发射口处；其特征在于，所述放电室为圆筒式并分为两段，前段为小直径段，后段为大直径段，在两段放电室外缘设置两级射频感应线圈。

2.根据权利要求1所述的双频离子源，其特征在于，所述两级射频感应线圈连接两个独立的电源，其中一个频率是60兆赫，对应的射频感应线圈绕在小直径段，另一个频率是13.6兆赫，对应的射频感应线圈绕在大直径段。

3.根据权利要求1或2所述的双频离子源，其特征在于，60兆赫的线圈匝数为6匝，匝间距离为10mm，13.6兆赫匝数为4匝，匝间距离为8mm，两个线圈外均裹有1mm厚的绝缘层，感应线圈选用铜管，内部通有去离子水冷却。

4.根据权利要求1或2所述的双频离子源，其特征在于，所述小直径与大直径的直径之比为D₁：D₂=1：1.2。

5.根据权利要求1或2所述的双频离子源，其特征在于，在放电室大直径段后部接近背板处平行设置均气用的屏蔽板。

6.根据权利要求1或2所述的双频离子源，其特征在于，放电室壁材料选用小复合系数的石英。

7.根据权利要求1或2所述的双频离子源，其特征在于，在背板外部开有一环形水槽并通入冷却水。

8.根据权利要求1或2所述的双频离子源，其特征在于，栅极采用包括引出栅、加速栅和抑制栅的三栅离子光学系统。

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