CN201160064Y

CN201160064Y - 霍尔型离子源

Info

Publication number: CN201160064Y
Application number: CNU2006201378600U
Authority: CN
Inventors: 杨东升; 王琼先; 叶军; 何欣
Original assignee: BEIJING APPLIED PLASMA TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING APPLIED PLASMA TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2016-09-28

Abstract

本实用新型公开了一种离子源，包括阳极，通过固定栓悬浮布置在阳极上方的阴极，及将电、气、冷却介质引入到阳极和阴极中的电、气、冷却介质引入组件，其中，由高导热材料制成的阳极被由电、气、冷却介质引入组件所引入的冷却介质进行直接冷却，且阳极表面采用导电薄膜进行改性；阳极采取严格屏蔽方式且屏蔽间隙小于暗区距离；由金属玻纹管或其他密封结构将用于引入电、气、冷却介质的管线引入真空室，防止异常放电；本实用新型的屏蔽外壳可悬浮或被施加不同电位，以控制屏蔽外壳对离子的吸收数量，改善离子束的分布状态。本实用新型可以克服阳极污染、暗区放电的缺点，提高了离子源的使用效率，能有效执行工件镀前处理和镀膜过程的离子束辅助作用。

Description

霍尔型离子源

技术领域

本实用新型涉及一种离子束产生装置。尤其涉及一种霍尔型离子源，其在真空环境下，通入气体获得低能大束流的离子束，适用于工业离子束辅助沉积镀膜工艺。

背景技术

离子源早期被研究用于空间推进之用，目前已用于真空镀膜离子束辅助沉积(IAD)过程。在离子束辅助镀膜过程中，离子源发射出的离子束投射到基片上，对薄膜表面进行轰击，使得沉积薄膜的密度增加，改善薄膜的生长模式，其工作范围在10^-2Pa数量级。

美国专利4862032介绍了一种端霍尔离子源(End-Hall Ion Source)。离子源典型工作原理为：阴极灯丝被加热发射热电子，在电场作用下，电子由阴极向阳极迁移，电子与中性原子或分子发生碰撞使其离化，离子在电场作用下，向阴极发射，与此同时，正离子吸引阴极灯丝发射的部分热电子，从而形成等离子体。在这种典型无栅离子源中，在阴极区域施加磁场，进一步提高电子与中性原子或分子的碰撞几率，提高离化率，即提高离子源的工作效率，发射出高束流等离子体。

图1示出了美国专利4862032描述的端霍尔离子源的外观及内部结构。此种端霍尔离子源由阳极2、阴极灯丝3、气路4，5、磁路6，7，8，9等主要部分组成。

图2为端霍尔离子源工作原理。当离子源工作时，首先将阴极灯丝3加热至热电子发射温度，然后由气路5向放电区域馈入可离化的中性气体(如氩气，或氧气等)。再给阳极2，10施以正电位。阴极3发射的热电子在电场作用下向阳极迁移。由于受到磁场的作用，围绕磁力线做螺旋运动，逐渐向阳极迁移。由此增加了电子与中性气体原子或分子的碰撞几率，提高气体原子或分子的高化率。端霍尔离子源的磁场是由离子源中心下部的永久磁体或电磁体6产生，并与外壳8构成磁路，在放电区内，磁力线分布呈圆锥状。电子将中性原子或离子离化产生新的离子和电子，电子继续向阳极迁移，离子则在电场作用下向阴极发射，由于空间电荷的相互吸引，离子则吸引部分由阴极灯丝产生的电子，形成等离子体束，向离子源的上方发射。

由于电子受到磁力线的约束，在上述结构的端霍尔离子源工作时，阳极底部10接收到绝大部分电子，受到大束流高强度电子轰击的阴极会急剧升温，为此该种霍尔离子源的底部采用了M₀或W等难熔金属材料制做阳极底部(或步气板)，以防止离子源在工作时阳极被烧熔。

但是由于离子源很多情况下是在有反应气体存在时工作，如在镀制SiO₂、TiO_x等薄膜时，膜料将释放出氧原子。同时为了得到标准成份的SiO₂或TiO_x还将向真空室内补充氧气。在这种情况下，高温工作的M₀或W将与氧反应生成氧化物。另外，M₀或W阴极受到电子或负离子的轰击也可以发生刻蚀现象，被刻蚀的M₀、W对薄膜产生污染。

另外，如图1所示，在离子源的内部结构中，除放电区外阳极与阴极之间存在着较大空间，阴阳极之间的距离大于气体辉光放电的暗区距离，当离子源在较高电压下工作时(如大于300V时)，在这些空间中会产生辉光放电，从而导致离子源不能正常工作直至毁坏。

另一方面，上述端霍尔离子源的外壳36相对于阳极处于负电位，当离子源在较高电压工作时，正离子将对外壳的某些部位产生轰击，造成刻蚀现象，从而对薄膜沉积引起污染。由于离子源的外壳36直接接地，与离子源的阳极构成回路，吸收离子束内的正离子减少离子束到达被镀基片的数量，降低离子源的工作效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新的离子源结构，克服上述离子源存在的缺点，如：离子源的寿命问题，即阳极污染问题。在上述结构下，电子轰击下的阳极处于较高温度，被加热的阳极会与真空室内的反应气体反应形成化合物绝缘层。降低了阳极的使用寿命，当阳极被反应刻蚀后，将对薄膜形成严重的污染。绝缘层使来自阴极的电子发散，导致放电区电子数量减少。即阳极表面有效电压减少使放电区电子流量减少，等离子体稳定性差。此外，上述离子源在阴阳极之间的区域会产生辉光放电，从而导致离子源不能正常工作直至毁坏。

为此，本实用新型提供一种离子源，包括阳极，通过固定栓悬浮布置在阳极上方的阴极，以及用于将电、气、冷却介质引入到阳极和阴极中的电、气、冷却介质引入组件，其中由高导热材料制成的所述阳极与所述电、气冷却介质引入组件直接相连，并且，所述阳极表面已采用导电薄膜进行改性。

本实用新型给出了一种新的阳极结构，在此结构下，阳极被直接水冷，使阳极在低于150℃温度下工作，从而降低阳极与气体或离子的反应能力。另外，阳极表面可以采用导电薄膜进行改性，如TiN、ITO等导电且在反应环境下稳定的材料，这样可以延长阴极的使用寿命，降低薄膜的污染。

本实用新型给出了一种有效的屏蔽方式，即，在阳极和阴极外面设置屏蔽外壳，屏蔽外壳的内边向阳极靠近，避免离子源工作时在放电区以外区域出现异常放电，保证离子源能够稳定工作，对暴露在真空部分的离子源阳极进行的严格屏蔽，屏蔽间隙小于暗区距离(例如5mm，具体数值与真空度和离子源的工作电压有关)。

本实用新型给出了一种新的离子源阳极电极引出方式，采用金属玻纹管或其他密封结构将用于引入电、气、冷却介质的组件引入真空室，因玻纹管与大气相通，这样使得阳极底部处于大气状态，防止异常放电，以此提高离子源耐高压特性。

本实用新型给出了一种新的悬浮屏蔽外壳结构，使得离子源产生的等离子体更多地发射到被镀基片，提高离子源的效率。

本实用新型给出了一种离子束方向调整方式，在玻纹管连接处通过角度调整螺栓调整方向，离子源发射的离子束可调范围为±30°。

因此，采用本实用新型的离子源，可以克服阳极污染、暗区放电，调整离子束的分布状态，提高了离子源的使用效率。在工业IAD过程中，有效进行工件镀前处理和镀膜过程的离子束辅助作用，广泛适用于光学、半导体领域。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施例进一步说明。

图1示出了现有技术中的端霍尔离子源外观及内部结构；

图2示出了现有技术中的端霍尔离子源工作原理；

图3是本实用新型的霍尔型离子源的剖面图；

图4是本实用新型的霍尔型离子源的俯视图。

具体实施方式

本实用新型涉及一种离子束产生装置，也称霍尔型离子源20，如图3和图4所示。霍尔型离子源包括阴极灯丝23和阳极22。阳极22和阴极23之间为放电区31。阴极灯丝23通过两个固定栓32悬浮在阳极22上方。固定栓32与悬浮罩28绝缘。屏蔽外壳28包围着阳极22、放电区31、气路24、水路25和磁体33。悬浮罩28可屏蔽外场对放电区31的干扰。磁体33设置在放电区31的下方，磁场与阳极22同轴。磁体可以是永磁体或电磁体，如高磁通量稀土磁体NdFeB。

阳极22材料使用高导热材料如Cu、Ni及其合金。冷却水对阳极22进行直接水冷，使离子源工作时，阳极22极处于较低温度(例如＜200℃)。此外，对受带电粒子轰击的阳极表面进行涂层表面改性，在其表面增加Ni、Cr、Ti等金属及其合金涂层，或TiN、ITO等陶瓷涂层，涂层改性表面可以加强阳极的耐刻蚀或耐反应性能，当有反应气体存在时，陶瓷涂层可以阻止反应气体与阳极的反应，同时保持足够的导电能力。

离子源的离子来源于离化的气体原子，离子束流首先取决于工作气体的流量，并与之成正比。本实用新型的霍尔离子源在较低的气体流量下可产生高于上述装置的离子束流。例如：本实用新型采用5～15sccm的气体流量获得大于2A的束流，而上述装置中10～50sccm的流量产生1A的束流。低气体流量对抽真空系统的工作要求较低，同时实现低压强工作，减少了异常放电和溅射的可能性，增强离子源的工作稳定性。

本实用新型可实现10^-2Pa的工作压强，此时离子自由程数值为真空室尺寸的数倍。在IAD过程中，自由程远大于离子源与基体的距离。在低压强下，实现较多一次离子与基体直接碰撞，而不是与气体分子碰撞后的二次离子，增加了沉积速率。

由于离子源20在较低压强下工作，阳极22和阴极23间的距离比上述装置缩短。本实用新型中屏蔽外壳28的内边向阳极22靠近，避免离子源工作时在放电区31以外区域27出现异常放电，保证离子源能够稳定工作，对暴露在真空部分的离子源阳极进行的严格屏蔽，屏蔽间隙小于暗区距离(例如5mm，具体数值与真空度和离子源的工作电压有关)。

在离子源阳极引出电极方面，本实用新型使用金属玻纹管34或其他密封结构将用于引入电、气、冷却介质的组件例如冷却水管25、供气管道24和阳极等管线引入真空室，因玻纹管与大气相通，这样使得阳极底部处于大气状态，防止异常放电，以此提高离子源耐高压特性。

为了进一步提高离子源效率，避免放电区内31产生的正离子被屏蔽外壳28过多吸收，本实用新型中将离子源的屏蔽外壳28悬浮或施加不同电位。这样，当正离子被屏蔽外壳吸收过多时，屏蔽外壳的电位升高，反过来阻止正离子的继续吸附，直到吸附与排斥达到平衡。在必要的情况下，可以对屏蔽外壳施加不同的电位，其作用有两个方面：第一、控制屏蔽外壳对离子的吸收数量；第二、可以改善离子束的分布状态，当屏蔽外壳呈正电位时，离子束被汇聚；当屏蔽外壳呈负电位时，离子束被分散，这样有利于改善在大面积镀膜时的均匀性。

通过密封法兰35将离子源20安装在真空室内，用固定螺栓(未标示)固定弯板和直板，在连接处通过角度调整螺栓30调整方向，可调范围为±30°。

Claims

1.一种霍尔型离子源，其特征在于，包括阳极，通过固定栓悬浮布置在阳极上方的阴极，以及用于将电、气、冷却介质引入到阳极和阴极中的电、气、冷却介质引入组件，其中由高导热材料制成的所述阳极与所述电、气冷却介质引入组件直接相连，且所述阳极表面已采用导电薄膜进行改性。

2.根据权利要求1所述的霍尔型离子源，其特征在于，还包括罩住所述阳极的屏蔽外壳，所述屏蔽外壳的屏蔽间隙小于暗区距离。

3.根据权利要求1或2所述的霍尔型离子源，其特征在于，所述电、气、冷却介质引入组件采用密封结构引入真空室，所述密封结构通向大气，从而使阳极底部处于大气状态，防止异常放电。

4.根据权利要求3所述的霍尔型离子源，其特征在于，所述密封结构为金属玻纹管。

5.根据权利要求2所述的霍尔型离子源，其特征在于，所述屏蔽外壳与所述固定栓电绝缘地相连，并相对于所述阴极和所述阳极悬浮地设置。

6.根据权利要求4所述的霍尔型离子源，其特征在于，在金属玻纹管连接处采用角度调整螺栓来调整方向。