CN111611733A - 一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法，其特征在于：初始化L、α、△L、△α：判断L是否大于Lmax，若大于，结束；判断α是否大于αmax，若大于，结束；将L、α导入模拟器中；所述模拟器输出电子束轨道；判断所述电子束轨道是否满足结束条件；调整L、α的值；将L、α导入模拟器中；所述模拟器输出电子束轨道；判断所述电子束轨道是否满足结束条件，若未满足继续调整L、α的值，直到满足结束条件，输出L和α。本发明公开的磁路结构构建方法通过提高能量效率和空间利用率最终实现高性能中小型磁偏转电子束源。

Description

一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法
技术领域
本发明涉及电子束蒸发源，特别涉及一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法。
背景技术
电子束蒸发是使用电子轰击靶材，实现靶材蒸发的物理气相沉积手段。可用来制备高纯薄膜材料以应用于集成电路或功能器件的科研或生产等。按照控制电子的方式不同，可分为耦合电场，磁场的磁偏转电子束源和无磁场的普通电子束源。普通电子束蒸发源由于蒸发出的束流可以看见灯丝，所以灯丝寿命短，需频繁更换灯丝。相比而言，磁偏转电子束蒸发源通过引入磁场使得电子束偏转一定弧度后轰击到靶材，因此束流看不见灯丝，灯丝及设备寿命得以延长。而且，由于电子束直接轰击靶材，能够实现对靶材的局部加热，所以坩埚较冷，降低了坩埚材料的选取难度；甚至可以不用坩埚，所以磁偏转电子束蒸发源在电子束加热炉、分子束外延领域等得到了广泛应用。
传统磁偏转电子束蒸发源专利重在阐述利用磁场可以偏转电子束，实现灯丝看不见束流的效果，延长寿命。例如CharlesW.Hanks在多篇专利中指出可以通过电磁铁或永磁铁或电磁铁和永磁铁的组合来构建横向磁场(与电子束轨道平面垂直的方向定义为横向)以偏转电子束。但其专利所述的电子束源体积庞大，磁场和机械结构冗余，电子束斑最小也只到～6mm，能量密度一般，所以空间利用率低，安装和使用不便，并且会产生严重的放气，影响真空，进而导致材料生长质量不高，所以提高能量密度和优化电子束源体积，拓宽磁偏转电子束蒸发源的应用场景，一直是磁偏转电子束蒸发源研究领域的热点。
科研级分子束外延系统中使用的中小型磁偏转电子束蒸发源(CF35或CF63法兰安装)由于腔体空间狭窄，冷却效果差，所以要求更高的电子束偏转聚焦特性，所以困难重重。目前仅有少数几个发达国家的少数公司有能力生产，但也存在很多问题。比如，美国的Telemark公司，Meivac公司和德国的MBEKomponenten公司等。
Telemark公司所产中小型磁偏转电子束蒸发源的电子束聚焦特性不佳，所以存在电子束发散而轰击坩埚的问题，引起坩埚发热，导致产生污染，进而影响材料的生长，不能够很好地应对精密科研设备的使用需求。以蒸Zr为例，Telemark公司型号为509的磁偏转电子束蒸发源所需功率高达500W，且金属坩埚会和Zr发生共熔，并存在坩埚穿孔等问题。在～210W时虽然能蒸发出Ti金属束流，但金属坩埚也会和靶材材料发生明显共熔，使得材料生长困难。
美国Meivac公司所产中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建不合理，普遍存在耐受高压电弧放电性能差的问题。对于大型磁偏转电子束蒸发源(一般为CF100及以上法兰安装)而言，因为空间大，所以无需精简磁路结构，多采用多块磁铁构建横向磁场。类似地，Tsujimoto等人亦采用多磁铁构建磁路结构，所以机构复杂，体积庞大；而且电子束的偏转聚焦点难以控制在坩埚面，不利于高效能量转换。
德国MBE Komponenten公司所产磁偏转电子束蒸发源克服了单块磁铁构建磁路结构带来的大部分困难，在结合复杂的电子发射器结构和多数导磁板的前提下，才实现了电子束偏转聚焦。但由于结构复杂，所以其只停留在CF63法兰安装的中型磁偏转电子束蒸发源，而不能开发出应用场景更广泛，潜力巨大的CF35法兰安装的小型磁偏转电子束蒸发源。
在大型磁偏转电子束蒸发源上，一种弧形磁场(Convex field lines)对于电子束的偏转聚焦特性取得了很好的效果。但涉及利用弧形磁场提升聚焦效率的磁场设计只适应大型蒸发源，其结构不仅庞大，而且采用多磁铁组合的复杂结构受装配空间的制约，并不适合中小型蒸发源的设计。中小型磁偏转电子束蒸发源的开发迫切地需要一种行之有效的磁路结构的构建方法。目前，市面上现存的中小型蒸发源普遍没有考虑到弧形磁场对电子束偏转聚焦特性的影响，从而聚焦性能差，能量利用率低，导致纯度污染，高放气率等不必要的负面影响。所以业内迫切地需要一种提升中小型磁偏转电子束蒸发源偏转聚焦特性的磁路结构构建方法，因此实现了电子束偏转及其在偏转过程中的聚焦，最终让电子束偏转聚焦点的位置处于指定位置，实现坩埚内材料的高效蒸发。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法，本发明的技术方案是这样实施的：
一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法，其特征在于：S1：初始化导磁板长度L、导磁板收拢角度α、导磁板长度步长△L、导磁板收拢角度△α；S2：判断L是否大于最大导磁板长度Lmax，若大于，进入S13；S3：判断α是否大于最大导磁板收拢角度αmax，若大于，进入S13；S4：将L、α导入模拟器中；S5：所述模拟器输出电子束轨道；S6：判断所述电子束轨道是否满足结束条件；S7：令L＝L+△L，判断L是否大于最大导磁板长度Lmax，若未大于，进入S8，否则进入S11；S8：将L、α导入模拟器中；S9：所述模拟器输出电子束轨道；S10：判断所述电子束轨道是否满足结束条件，若未满足进入S7，若满足，进入S12；S11：令α＝α+△α，判断α是否大于最大导磁板收拢角度αmax，若未大于，进入S7，若大于，进入S13；S12：输出所述导磁板长度L和所述导磁板收拢角度α；S13：结束方法。
优选地，所述结束条件为：所述电子束轨道偏转270度且所述电子束斑的直径小于3mm。
优选地，在输出的所述导磁板(2)的长度为L的情况下，所述导磁板(2)与电子发射器(1)的阳极板外侧的距离为-1.8至+3.6mm。
优选地，输出的所述导磁板收拢角度α在-6度至+6度之间。
优选地，所述模拟器的模拟方法基于Laplace方程与有限元法。
优选地，所述模拟器基于Simion Program。
一种中小型磁偏转电子束蒸发源，使用一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法构建，其特征在于：包括坩埚(3)、电子发射器(1)、磁铁(4)和导磁板(2)；所述磁铁(4)设置于所述坩埚(3)的底部，所述坩埚(3)两侧设置有导磁板(2)；所述电子发射器(1)设置在所述导磁板(2)所组成的空间内。
实施本发明的技术方案可解决现有技术中中小型蒸发源普遍没有考虑到弧形磁场对电子束偏转聚焦特性的影响，从而聚焦性能差，能量利用率低，导致纯度污染，高放气率等不必要的负面影响的技术问题；实施本发明的技术方案，可实现电子束偏转聚焦点的位置处于坩埚面中心，聚焦束斑可至小于3mm的效果，有效实现锅心聚焦，发射电子的利用效率高达99％，便于冷却磁铁，运作稳定，更无需复杂的电子发射器结构，蒸发源的体积紧凑，实现了高能量利用率和高空间利用率的统一的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法的电子发射器与坩埚底部出的磁场大小随导磁板长度变化图；
图2为一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法电子发射器与坩埚底部出的磁场大小随导磁板角度的变化图；
图3为一种中小型磁偏转电子束蒸发源在使用CF63的情况下束流随时间变化示意图；
图4为一种中小型磁偏转电子束蒸发源的结构示意图；
图5为一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法的动态示意图。
在上述附图中，各图号标记分别表示：
电子发射器(1)、导磁板(2)、坩埚(3)、磁铁(4)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在一种具体的实施例中，如图1-5所示，一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法，其特征在于：S1：初始化导磁板长度L、导磁板收拢角度α、导磁板长度步长△L、导磁板收拢角度△α；S2：判断L是否大于最大导磁板长度Lmax，若大于，进入S13；S3：判断α是否大于最大导磁板收拢角度αmax，若大于，进入S13；S4：将L、α导入模拟器中；S5：所述模拟器输出电子束轨道；S6：判断所述电子束轨道是否满足结束条件；S7：令L＝L+△L，判断L是否大于最大导磁板长度Lmax，若未大于，进入S8，否则进入S11；S8：将L、α导入模拟器中；S9：所述模拟器输出电子束轨道；S10：判断所述电子束轨道是否满足结束条件，若未满足进入S7，若满足，进入S12；S11：令α＝α+△α，判断α是否大于最大导磁板收拢角度αmax，若未大于，进入S7，若大于，进入S13；S12：输出所述导磁板长度L和所述导磁板收拢角度α；S13：结束方法；所述结束条件为：所述电子束轨道偏转270度且所述电子束斑的直径小于3mm；所述模拟器的模拟方法基于Laplace方程与有限元法；所述模拟器基于Simion Program。
在该种具体的实施例中，使用通用的SimionProgram进行电子束轨迹模拟与可视化以构建模拟器，利用Laplace方程的数值计算给出蒸发源电极的电场分布，并叠加有限元法解出的磁场分布(Ansys Maxwell software)来计算电子束轨迹，进而可视化不同导磁板(2)和电子发射器(1)配置产生的磁力线分布及其对电子束的偏转聚焦特性的影响，通过不断地向模拟器中输入不同参数的导磁板长度L、导磁板收拢角度α以产生相应的电子束轨道，直到找到一个满足结束条件，既可以完全偏转并使电子束斑的直径达到要求的导磁板长度L、导磁板收拢角度α。
在使用长方体导磁板(2)的情况下，导磁板(2)之间的磁铁(4)在两块平行放置的导磁板(2)之间产生的是匀强磁场，磁力线间的间距和方向始终一致，但在导磁板(2)边缘以及外部空间的磁力线是弧形的，并且会随着与导磁板(2)边缘的距离增大，磁力线的弧度在变化，而且强度逐渐减弱，因此，从导磁板(2)间的电子发射器(1)出射的电子束垂直进入匀强磁场时，会发生偏转但不会被聚焦；若是电子发射器(1)出射电子的位置和弧形磁力线刚好相切，则电子会进入到弧形磁力线区域内，发生一定程度的偏转聚焦，但若是电子发射器(1)出射电子的位置进一步向外侧移动，则会由于磁场衰减，而不能完全偏转。
因此需要通过调节两侧导磁板(2)的长度和收拢角度，以配置电子发射器(1)和坩埚(3)处以及空间内的磁场分布，从而进行电子束偏转聚焦点的位置调节；通过不断增大导磁板(2)长度，使得电子发射器(1)从裸露到逐渐被覆盖至完全被包裹，会使得达到相同偏转半径时需要的电压逐渐增大。一方面，导磁板长度增加会使得导磁板(2)间的磁力线密度下降，进而引起电子束达到一定偏转半径所需的电压变低；另一方面，导磁板(2)覆盖电子发射器(1)后，让电子发射器所在的空间内出现新生的磁力线，让该处磁力线密度增加，这会引起电子束达到一定偏转半径所需电压的增加。二者相互抵消，最终使得随着导磁板(2)长度增加，电子束达到一定偏转半径时所需要电压的升高。
类似于导磁板(2)长度调节，通过调节两侧导磁板(2)的聚拢角度，有效改进空间内磁力线分布，进而控制电子束的偏转聚焦特性；两侧导磁板(2)从扩张到平行再到聚拢，使得电子发射器(1)处和坩埚(3)处的磁力线密度增加，且电子发射器(1)处的磁力线密度增加幅度大于坩埚(3)处。
在中小型磁偏转电子束蒸发源这种局限性的装配空间下，坩埚(3)容积和聚焦特性的双全面临困难。一般实现这种双全结构最简单的操作方法就是增加永磁磁铁的体积或者数量来调控磁场分布，但是其先决条件是需要足够的装配空间，对于CF100法兰以上腔体空间，可通过该种操作方式来调控磁场分布，但是对于像CF35或CF63法兰这种狭小空间而言，则只能使用单个永磁铁与倾斜型导磁板的组合结构。
在一种优选的实施例中，如图1所示，定义导磁板(2)与电子发射器(1)的阳极板外侧面相切时，距离为0，导磁板(2)边未覆盖电子发射器(1)时距离为负值；覆盖电子发射器(1)时的距离为正值，则优化的导磁板(2)与电子发射器(1)阳极板外侧的距离为-1.8至+3.6mm；两侧导磁板(2)平行时，定义聚拢角度为0，扩张时定义聚拢角度为正，聚拢时定义聚拢角度为负，则优化的聚拢角度在±6°之间；所述一种中小型磁偏转电子束蒸发源使用包括ISODN40法兰、ISODN63法兰、CF35或CF63法兰的一种安装。
在该种优选的实施例中，通过在CF35法兰安装的枪头上配置导磁板边缘和电子发射器的阳极板外侧相切，并控制两侧导磁板(2)聚拢角度为-5.3°，可以使得电子束偏转聚焦点位于坩埚(3)中心。电子束斑可以聚焦至小于3mm，束流稳定，在蒸发W金属的最优条件下，功率仅为300W(6.0kV，50mA)，能量密度高达4.2kW/cm2。这样的蒸镀效率可以蒸发真空内是固体的几乎所有物质，而且由于能量集中，放气率小，适合在超高真空中制备超纯薄膜材料，同时，其磁路结构和机械结构得以大幅度简化，能够在紧凑空间内实现电子束的偏转聚焦。解决了传统磁偏转电子束蒸发源体积庞大，能量利用率低，放气率大的问题，并且具有普适性，在CF63法兰、ISODN40的法兰上或ISODN63法兰上的枪头应用该方法皆可以获得聚焦束斑，产生稳定束流，最终实现了磁偏转电子束蒸发源高能量密度和空间利用率的统一。
在一种具体的实施例中，如图1-5所示，一种中小型磁偏转电子束蒸发源，使用一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法构建，其特征在于：包括坩埚(3)、电子发射器(1)、磁铁(4)和导磁板(2)；所述磁铁(4)设置于所述坩埚(3)的底部，所述坩埚(3)两侧设置有导磁板(2)；所述电子发射器(1)设置在所述导磁板(2)所组成的空间内。
需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法，其特征在于：包括：
S1：初始化导磁板长度L、导磁板收拢角度α、导磁板长度步长△L、导磁板收拢角度△α；
S2：判断L是否大于最大导磁板长度Lmax，若大于，进入S13；
S3：判断α是否大于最大导磁板收拢角度αmax，若大于，进入S13；
S4：将导磁板长度L、导磁板收拢角度α导入模拟器中将L、α导入模拟器中；
S5：所述模拟器输出电子束轨道；
S6：判断所述电子束轨道是否满足结束条件；
S7：令L＝L+△L，判断L是否大于最大导磁板长度Lmax，若未大于，进入S8，否则进入S11；
S8：将导磁板长度L、导磁板收拢角度α导入模拟器中将L、α导入模拟器中；
S9：所述模拟器输出电子束轨道；
S10：判断所述电子束轨道是否满足结束条件，若未满足进入S7，若满足，进入S12；
S11：令α＝α+△α，判断α是否大于最大导磁板收拢角度αmax，若未大于，进入S7，若大于，进入S13；
S12：输出所述导磁板长度L和所述导磁板收拢角度α；
S13：结束方法。
2.根据权利要求1所述的一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法，其特征在于：所述结束条件为：所述电子束轨道偏转270度且所述电子束斑的直径小于3mm。
3.根据权利要求1所述的一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法，其特征在于：在输出的所述导磁板(2)的长度为L的情况下，所述导磁板(2)与电子发射器(1)的阳极板外侧的距离为-1.8至+3.6mm。
4.根据权利要求1所述的一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法，其特征在于：输出的所述导磁板收拢角度α在-6度至+6度之间。
5.根据权利要求1所述的一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法，其特征在于：所述模拟器的模拟方法基于Laplace方程与有限元法。
6.根据权利要求5所述的一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法，其特征在于：所述模拟器基于SimionProgram。
7.一种中小型磁偏转电子束蒸发源，使用权利要求1-6任一所述的一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法构建，其特征在于：包括坩埚(3)、电子发射器(1)、磁铁(4)和导磁板(2)；所述磁铁(4)设置于所述坩埚(3)的底部，所述坩埚(3)两侧设置有导磁板(2)；所述电子发射器(1)设置在所述导磁板(2)所组成的空间内。
8.根据权利要求7所述的一种中小型磁偏转电子束蒸发源磁路结构构建方法，其特征在于：所述一种中小型磁偏转电子束蒸发源使用包括ISODN40法兰、ISODN63法兰、CF35或CF63法兰的一种安装。
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