CN1160477C

CN1160477C - 霍尔型离子辅助蒸发源

Info

Publication number: CN1160477C
Application number: CNB021166889A
Authority: CN
Inventors: 杨会生; 王燕斌; 熊小涛
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2022-04-16
Also published as: CN1380439A

Abstract

本发明提供了一种霍尔型离子辅助蒸发源，由阴极灯丝(31)、阳极(32)、供气系统、磁路等部件组成，其特征在于：蒸发源通过法兰背板(36)安装在未详细说明的真空室壁上。在蒸发源的上部安装有可发射热电子的阴极灯丝(31)，灯丝通过陶瓷绝缘垫(37)与离子源其他部件绝缘；在放电室(38)下部安装了阳极(32)，在阳极上构造出装载膜料的坩埚(39)，坩埚底部有水冷室(40)，阳极通过螺栓(41)与下部的布气板(42)连接；在布气板上构造出环型布气槽(43)。本发明的优点在于：可以用来镀前清洗，在用金属膜料镀制非金属膜时，可以将反应气体直接馈入蒸发源内并使其离化，从而进行反应镀膜，增加反应程度。

Description

霍尔型离子辅助蒸发源

技术领域：

本发明属于真空镀膜设备特别是提供了一种霍尔型离子辅助蒸发源

背景技术：

传统蒸发镀膜装置是在真空条件下用电阻或电子束将膜料加热至蒸发温度，使其蒸发并沉积在基片上形成薄膜以达到镀膜的目的。由于被蒸发膜料原子的能量低，所镀膜层的附着力差、密度低，薄膜的性质受环境影响大、易脱落、不稳定。此外，电子束蒸发时，电子枪的栅极电压为6000-10000V，容易引起高压放电打火，影响薄膜的质量。

为了减低蒸发源的工作电压，避免电子枪高压放电打火，Joseph D.Zeren等发明空心阴极型蒸发源专利，“SELF-CONTAINED HOT-HOLLOWCATHODE GUN SOURCE ASSEMBLY”，美国专利，4620081，其主要内容如图1所示，空心阴极型蒸发源1由坩埚7、8、偏转磁极、电磁线圈2、空心阴极3、和水平偏转线圈4等部分组成。

蒸发源的上部是一个坩埚体，在其上面构造出两个或多个坩埚7，8，在蒸发源两侧是用高导磁材料制造的侧磁极(平行于图面，面积覆盖整个蒸发源)，与电磁线圈2组成偏转磁路。电磁线圈2产生磁力线，通过未指明的两侧磁极产生垂直于图面的磁场。空心阴极3产生的电子束6在磁场的作用下发生偏转，投射到坩埚7内，坩埚内的膜料被电子束加热，当电子束的功率密度达到一定值时，坩埚内的膜料蒸发，其原子或原子团沉积在被镀基片或工件上形成薄膜。

在蒸发源的前部安装电子束水平移动线圈4及磁路5，调整其磁场强度，可以改变电子束的前后位置，可以使电子束束斑在坩埚7或坩埚8之间转换，这样可以镀制不同材料的多层膜。

为了保证空心阴极型蒸发源正常工作，坩埚体和空心阴极必须被有效冷却。

空心阴极型蒸发源与电子枪蒸发源的主要区别在于电子的动能不同。空心阴极的放电电压在100伏以下，产生的只是热电子，动能很低，若使坩埚内的膜料蒸发，主要靠增加电子束的束流，一般在50-500安培范围内。而电子枪蒸发源的电子加速电压在6000-10000伏特范围内，因此电子具有很高的动能，这样电子束的束流小于2安培即可使膜料快速蒸发。

无论以上何种蒸发源，膜料是以原子或原子团的形式被蒸发，由于原子或原子团不带有电荷，所以在被镀基片或工件上施加偏压，对其没有作用，即不能通过偏压来增加原子或原子团的动能。为此，必要时通过加热基片或工件的方法蒸发原子或原子团的能量来改善薄膜的附着力及密度等性质。然而，当基片的熔点较低，如CR39树脂眼镜片等，镀膜的效果很难满足要求。

为增加蒸发镀膜的附着力、密度并改善其物理性质，在电子束蒸发过程中使用离子源对基片进行镀前和在线轰击，实现镀前清洗和离子辅助沉积的目的。现普遍使用的一种离子源是由Kaufman首先发明端霍尔离子源的专利，“END-HALL ION SOURCE”，美国专利号，4862032，其主要技术内容如下：

端霍尔离子源20由发射电子的阴极22(包括灯丝、空心阴极或其他类型的电子源)、接收电子并发射离子的阳极25、磁路26和布气系统21组成。磁路在阳极放电区内形成如图2所示的磁场，磁力线由阴极下部的磁极发出经放电区进入顶部磁极27。离子源工作时，工作气体(如氩气)和反应气体(如氧气)由布气孔21馈入到阳极放电区内24。与此同时，阴极灯丝被加热至热电子发射温度，阳极被施以正电位。在电场的作用下，阴极灯丝发射的部分电子沿磁力线以螺旋运动的方式向阳极迁移，在放电区内与气体原子或分子发生碰撞，并将其离化。在离化过程中产生的电子继续向阳极迁移，产生的离子将在霍尔电场的作用下被加速并与阴极灯丝产生的部分电子中和之后形成等离子体射出离子源，具有一定能量的等离子体对基片进行直接轰击进行镀前清洗，或轰击薄膜表面与薄膜表面原子进行能量交换进行离子辅助镀膜。

发明内容

本发明提供具有离化功能的蒸发源，蒸发的原子或分子与离子发生碰撞进行能量交换，获得较高能量，从而增加薄膜的附着力和密度等。

本蒸发源可以用来镀前清洗，在用金属膜料镀制非金属膜时，可以将反应气体直接馈入蒸发源内并使其离化，从而进行反应镀膜，增加反应程度。

本发明由阴极灯丝31、阳极32、供气系统、磁路等部件组成，蒸发源通过法兰背板36安装在真空室壁上。

在蒸发源的上部安装有可发射热电子的阴极灯丝31，灯丝可用钨、钽等具有高热电子发射率的材料制造，灯丝通过陶瓷绝缘垫37与离子源其他部件绝缘。

在放电室38下部安装了阳极32，在阳极上构造出装载膜料的坩埚39，坩埚底部有水冷室40，阳极通过螺栓41与下部的布气板42连接。在布气板上构造出环型布气槽43，在布气槽顶部有沿圆周均匀分布的供气孔44。工作气体(如氩气)和反应气体(如氧气)由供气管33进入环型槽内，然后由供气孔沿图中所示方向向放电室内供气。另外，在布气板上还构造出冷却水的进水口34和出水口35。冷却水由进水管道进入到冷却水槽，经循环与阳极热交换后由出水口流出，以保证坩埚被充分冷却，避免坩埚及其他部件被烧毁。为了防止外磁极和顶部磁极受轰击而过热，可对其进行水冷，如图3所示，顶部磁极上部构造出了水冷槽51，在水冷槽中通入循环水可以对磁极进行有效冷却。

在布气板42的下部是绝缘垫圈46和金属垫圈45，它们的作用是保持布气板和背磁极47间的空间可以放置磁铁48，并且使阳极32和布气板42与法兰背板36绝缘。

蒸发源的磁路由背磁极47、磁体48、外磁极49和顶部磁极50组成，该磁路在放电室内形成的磁场分布如图3所示。该磁路在放电室内形成的磁场分布，使电子能够汇聚在坩埚内，在坩埚表面磁场沿垂直方向的磁感应强度为0.02至0.08T(特斯拉)。

在上述磁场强度下，设电子平行于磁场的电导为σ_∥，垂直于磁场的电导为σ_⊥，则

σ_∥/σ_⊥＝(ω/υ)²

这里ω为电子回旋频率，υ为电子碰撞几率。根据玻母扩散模型有：

σ_∥/σ_⊥＝256，

即σ_∥＞＞σ_⊥

由此可见，电子在磁场中的电导是具有方向性的，平行于磁场电导很大，电阻很小，而垂直于磁场，电导很小，电阻很大。这样磁场的分布对电子的迁移方向有决定性的影响，磁力线将对电子的运动产生强烈约束，使电子沿磁力线以回旋方式迁移。

在本发明蒸发源放电区内，顶部磁极50发出的磁力线向磁铁48上部聚集，形成锥形聚焦状磁场。在这样的磁场中，由阴极灯丝31发射出的电子将沿磁力线向坩埚39汇聚，在运动过程中与气体原子碰撞所产生的电子一起形成密度更强的电子束射向坩埚，加热坩埚内的膜料。

蒸发源的工作原理如下：

首先将真空室抽至本底压强(例如5×10^-3Pa)，将工作气体通入供气管，使放电室的压强达到气体放电压强(例如2×10^-1Pa)。阴极灯丝被施以地电位，阳极施以正电压，而且阴极与阳极构成回路。与此同时，将热阴极灯丝施加直流或交流电流，使之被加热到热电子发射温度，当有相当数量热电子发射后，热电子在电场的作用下，将沿磁力线以螺旋运动的方式向坩埚迁移。在此过程中电子与气体原子或分子发生碰撞，使气体的原子或分子发生离化，产生大量的离子和电子。其中电子继续向坩埚移动并轰击坩埚产生大量的热量，当坩埚内的膜料被加热至蒸发温度时，膜料的原子或原子团将从坩埚挥发出来，沉积在基片的原子或原子团将凝聚形成薄膜。

在本蒸发源工作时会产生多种离子，首先工作气体(如氩气)原子被离化后产生氩离子，第二，如果有反应气体馈入也将被离化产生离子，第三，被蒸发出膜料的原子或原子团也将部分被离化产生离子。这些离子则在霍尔电场的作用下，向上加速并以一定的能量向基片运动，工作气体所产生的离子将对基片进行轰击，从而实现离子辅助镀膜的目的。其它离子将于到达基片前或到达基片时发生反应形成薄膜，达到反应镀膜的目的。

蒸发源的蒸发速率与达到阳极的电子束的功率成正比，假设I_ne为到达阳极的电子束流，V_d为放电电压，则到达阳极的电子束的功率P可表示为：

P∝I_neV_d

在其他条件不变的情况下，阳极电流增加，蒸发速率增加；阳极电压增加，蒸发速率增加。

当被蒸发金属膜料的熔点高于灯丝的熔点时，蒸发的膜料会沉积在灯丝表面，造成灯丝中毒，使灯丝不能正常发射热电子，导致蒸发源不能工作。在这种情况下，可采用其它形式的电子源(如空心阴极电子源)，将这种电子源安置在蒸发源的一侧，使得电子源不被沉积，以保证电子源正常工作。

按本发明设计的一种蒸发源，离子源的直径为146mm，顶部磁极口径(内径)为66mm，放电室的高度为25mm，磁铁直径为26mm，放电室中心位置磁场的磁感应强度的垂直分量为0.045T。

当氩气流量为5.0sccm，阴极灯丝为钨丝，直径为0.6mm，灯丝电流为27.3A，真空室压强为5×10^-2Pa时，其阳极电压与电流的关系如图4所示。由此可见，蒸发源典型的工作条件为，电压100-1000伏，电流0-10安培。这样的工作条件避免了高电压放电，使蒸发源能够稳定工作。

本发明不限于轴对称的圆形蒸发源，本发明蒸发源可为不同形状，如将图3所示，蒸发源沿垂直于对称轴方向在可加工范围内延伸，可以形成“口”型或“O”型结构，延伸长度为80——2000mm。

本发明所述蒸发源即可用来蒸发金属膜料镀制金属薄膜，也可以用反应镀膜的方式来蒸发金属膜料镀制非金属薄膜。将反应气体(如氧气、氮气)与工作气体(如氩气)同时通入放电室内，被蒸发的金属膜料原子或原子团将与反应气体的原子、离子发生反应生成非金属分子并沉积在基片表面形成薄膜，薄膜的成分可以通过改变反应气体的供给流量来控制。

本发明所述蒸发源即可用来蒸发镀膜，也可以用来对基片进行镀前清洗，将蒸发源的放电功率降至膜料不被蒸发，即可以用蒸发源放电产生的离子对基片进行清洗。如果将蒸发源的坩埚内放置难熔金属或石墨，蒸发源可用做离子源，对基片进行高强度清洗。

本发明所述蒸发源实现了镀前清洗、蒸发和离子辅助等功能的一体化设计可节约设备制造成本，增加了薄膜的附着力和密度等，提高了薄膜质量。

在中等电压和电流下工作，利于大功率稳定工作。将反应气体直接馈入蒸发源并使其离化，与用金属膜料原子或原子团进行反应镀制非金属膜，利于增加反应程度和控制薄膜的化学配比。

附图说明

图1是空心阴极型蒸发源示意图。空心阴极型蒸发源1，偏转电磁线圈2，空心阴极3，电子束水平移动线圈4，电子束水平移动磁极5，电子束6，坩埚7，坩埚8

图2是端霍尔离子源示意图。端霍尔离子源20，布气孔21，阴极灯丝22，放电区内磁力线23，放电区24，阳极25，外磁极26，顶部磁极27

图3是本发明霍尔型离子辅助离子源示意图。阴极灯丝31，阳极32，33-供气管道，34-进水口，35-出水口，36-法兰背板，37-陶瓷绝缘垫，38-放电区，39-坩埚，40-水冷槽，41-阳极固定螺栓，42-布气板，43-布气槽，布气孔44，密封圈45，绝缘垫圈46，背磁极47，磁铁48，外磁极49，顶部磁极50，水冷槽51。

图4是霍尔型离子辅助离子源工作时阳极的电流与电压的关系

Claims

1、一种霍尔型离子辅助蒸发源，由阴极灯丝(31)、阳极(32)、供气系统、磁路部件组成，其特征在于：蒸发源通过法兰背板(36)安装在真空室壁上；在蒸发源的上部安装阴极灯丝(31)，灯丝用钨、钽材料制造，灯丝通过陶瓷绝缘垫(37)与离子源绝缘；在放电室(38)下部安装了阳极(32)，在阳极上构造出装载膜料的坩埚(39)，坩埚底部有水冷室(40)，阳极通过螺栓(41)与下部的布气板(42)连接；在布气板上构造出环型布气槽(43)，在布气槽顶部有沿圆周均匀分布的供气孔(44)；工作气体和反应气体由供气管(33)进入环型槽内；在布气板上构造出冷却水的进水口(34)和出水口(35)；顶部磁极上部构造出了水冷槽(51)。

2、按照权利要求1所述的霍尔型离子辅助蒸发源，其特征在于：在布气板(42)的下部是绝缘垫圈(46)和金属垫圈(45)，布气板和背磁极(47)间放置磁铁(48)，阳极(32)和布气板(42)与法兰背板(36)绝缘；蒸发源的磁路由背磁极(47)、磁体(48)、外磁极(49)和顶部磁极(50)组成，磁场在坩埚表面磁场沿垂直方向的磁感应强度为0.02至0.08T。

3、按照权利要求1所述的霍尔型离子辅助蒸发源，其特征在于：蒸发源沿垂直于对称轴方向在加工范围内延伸，形成“口”型或“O”型结构，延伸长度为80-2000mm。