CN202705458U - 一种具有超大离子束发散角的离子源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用在光学真空镀膜机（离子束辅助沉积设备）或离子束溅射及刻蚀设备中的离子源，特别涉及一种具有超大离子束发散角的离子源。其技术方案是：包括气体放电室，气体放电室的一端设置有绝缘端盖，绝缘端盖外部设置有聚焦磁场产生单元和磁场扫描单元。本实用新型通过一组正交的磁场，对引入磁场中的离子束方向进行控制，通过设定X、Y方向电磁线圈的电压变化规律，可以实现离子束的空间扫描。调节电磁线圈的电流大小，就可以实现离子束的空间发散角控制。与现有技术相比，本实用新型的优点是：1.离子源输出的离子束发散角可达180°；2.离子束发散角可以根据实际需要进行调节，可满足不同薄膜沉积过程的需要；3.离子束流密度的均匀性好。

Description

一种具有超大离子束发散角的离子源

技术领域

本实用新型涉及光学真空镀膜机（离子束辅助沉积设备）、离子束溅射或离子束刻蚀设备中的离子束发射源技术领域，特别涉及一种具有超大离子束发散角的离子源。

技术背景

在光学薄膜领域，离子束辅助沉积（IBAD）是一种将薄膜沉积与离子轰击融为一体的光学表面镀膜技术，通常是在高真空中利用荷能离子轰击正在沉积的薄膜，从而获得具有特殊效果的膜层。

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，同时使基底温度升高，提供表面活化以利于薄膜成核。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，并因此影响粒子的凝结及薄膜生长速率，从而可使薄膜的堆积密度接近于1，大幅度提高了膜层与基底的附着力。除此之外，离子束刻蚀与溅射也是两种重要的技术。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、不仅用在化学试样表面分析，光学表面无损伤加工，还用于刻蚀靶材表面，实现溅射沉积。

在这些应用过程中，离子源是离子束辅助沉积和离子束刻蚀、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，目前己广泛应用于光学、微电子、材料研究及工业生产的各个领域。离子源按其工作物质通常分为气体离子源和金属离子源。气体离子源，按电子发射机制又可以分为冷阴极与热阴极离子源。热阴极离子源中一般采用热灯丝来发射初始电子，采用弧光放电方式产生等离子体。这种放电方式可以产生高密度的等离子体，所以引出离子束流密度比较高，缺点是等离子体污染比较严重，而且一般不宜使用氧化性气体。冷阴极离子源是利用冷阴极潘宁放电管（PIG）产生等离子体，再用多孔栅引出系统从等离子体中引出离子束。该离子源具有结构简单、寿命长、污染小、调节参数少、操作方便等优点，它可以很方便地安装在现有的热蒸发镀膜机内。在蒸发镀膜同时，用离子束轰击，使膜层致密、均匀，提高薄膜器件的机械性能、稳定性及抗腐蚀能力，还可以提高薄膜的抗激光损伤阈值，在较低的基片温度下镀膜，简化了工艺，缩短了镀膜周期，节省了水电消耗。

然而，在光学薄膜制备的工业生产中，采用离子束辅助沉积时，为了提高生产效率，往往需要离子束的发散角足够大，从而保证工件架上的所有零件表面都能得到有效的离子束辐照。由于一般镀膜机上安装的工件架都可以旋转，因此常规离子源设计的发散角应该至少满足辐照到工件架尺寸一半的区域。如对于真空室大小为D=500mm的镀膜机来说，若离子束出口至工件架的距离L=400mm，则需要离子源的发散角至少应达到

大多数离子源，其输出的离子束本身具有不大的发散角，可以满足小型镀膜机的使用需要。为了获得较高的生产效率，工业生产中最多使用的是中型及大型镀膜机，如工件架直径常常超过1000mm，有的甚至达到2500mm。在这种情况下，镀膜过程中，为了对工件架上的所有零件实现离子束辐照，通常采用的方式为：

1、多台离子源的组合使用

即同时在镀膜室安装多台离子源，每台离子源辐照特定的工件区域，从而保证所有工件都受到离子束轰击。但多个离子源占据空间较大，且各个离子源发出的离子束流密度不均匀，稳定性不好，给使用带来了困难。

2、加大离子源的输出口径

目前市场上已有商品化的离子源，其输出口径可以达到Φ300以上。因为离子源本身已经具有一定的发散角（30-60°），在增加离子束输出口径的情况下，基本可以满足中小型镀膜机的使用。如德国莱宝公司的APS离子源，通过较大的离子输出口径和较大的发散角（约为60°）实现了较大的离子束辅助面积。

3、改变离子源栅极形状

通常的离子源输出栅极为平面，不利于离子束发散角的扩大。将输出栅加工成球面或椭球面，能够在一定程度上增加离子束输出的发散角。

4、使用霍尔离子源

霍尔离子源的气体放电室就是整个真空室，真空室内的所有零件均可得到离子束的轰击，几乎不存在发散角的问题，但其离子束输出能量很低（一般为几十eV），且成膜过程中的真空度很低，不能用于高质量光学薄膜的制备。

上述各种离子源普遍存在的一个缺点是：输出的离子束的发散角均无法超过90°。因为这一角度是离子源的结构决定的，因此几乎不能调整。如此小的发散角，在大型镀膜机中，离子束往往难以辐照到全部零件表面，因此镀膜过程中会存在许多问题。

单个离子源的离子束流密度空间分布一般服从余弦分布，因此无论采用单个离子源还是多个组合离子源来实现大的离子束辐照面积，还存在零件表面离子束流密度不均匀的问题，无法实现高质量薄膜的制备。

综上所述，目前光学薄膜行业采用的各种辅助用离子源引出的离子束发散角均不超过90°，且这一角度难以调整，同时还存在大面积束流密度不均匀的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种具有超大离子束发散角的离子源，以克服现有技术中存在的离子束发散角无法超过90°，且发散角难以调整，以及离子束辐照区域内束流密度均匀性不好的问题。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种具有超大离子束发散角的离子源，包括气体放电室，气体放电室的一端设置有绝缘端盖，绝缘端盖的中部设置有离子束出孔，其特殊之处在于：绝缘端盖外部设置有聚焦磁场产生单元和磁场扫描单元，聚焦磁场产生单元的中部设置有离子束过孔；所述磁场扫描单元包括从下向上依次设置的下盖板、中盖板及上盖板，所述下盖板与中盖板之间设置有一对横向磁极，横向磁极的磁极两端分别连接横向电磁线圈；所述中盖板与上盖板之间设置有一对纵向磁极、纵向磁极的两端分别连接纵向电磁线圈，所述聚焦磁场产生单元和磁场扫描单元的下盖板之间设置有磁屏蔽板，磁屏蔽板的中部设置有离子束过孔；所述下盖板正中心设置有离子束入射孔，中盖板及上盖板正中心设置有离子束出射孔，所述出射孔直径大于下盖板到上盖板的总高度的2倍再加上离子束入射孔直径之和。

上述聚焦磁场产生单元选用永磁铁或电磁线圈。

上述横向电磁线圈和纵向电磁线圈分别由一对线圈组成。

上述磁场扫描单元的截面为矩形。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、离子束具有超大发散角：本实用新型的离子源，采用磁场扫描单元提供的正交磁场（两组磁力线方向相互垂直的磁场）进行离子束的偏转角度调节。输出离子偏转角在0-90°之间，可以根据需要进行调节，即离子源输出的离子束发散角可达180°（半球内）；

2、发散角可调：本实用新型中离子源输出的离子束发散角通过利用一组正交的磁场，对引入磁场中的离子束方向进行控制，具体的说就是通过设定的X、Y方向电磁线圈的电压变化方式来实现离子束的空间扫描；调节电磁线圈的电流大小，就可以实现离子束的空间发散角控制，以满足不同薄膜沉积过程的需要；

3、离子束流密度的均匀性好：由于该离子源采用磁场扫描方式实现了大发散角，即口径为20mm左右的离子束斑在半球空间每点驻留的时间完全一样，因此在半球面上，各点接收的离子辐照是完全一致的。

4、结构简单：结构简单，而且成本低，系统紧凑，性能良好且输出稳定。整个离子源中有3组磁场，聚焦磁场产生单元可以是永磁铁，也可以是电磁线圈，但是横向磁极和纵向磁极的两端连接的必须是电磁线圈，这样才能通过改变磁场大小实现扫描的目的。

5、适用范围广：在180°发散角内束流密度均匀性好，且能控制离子束在空间不同位置的驻留时间，因此本实用新型可实现超大面积上的离子束辅助沉积。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1的俯视图。

附图标记说明如下：

1—聚焦磁场产生单元，2—磁屏蔽板，3—下盖板，4—横向磁极，5—中部盖板，6—纵向磁极，7—上盖板，8-横向电磁线圈，9-绝缘端盖，10-气体放电室，11-纵向电磁线圈。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做详细地说明。

参见图1和图2：一种具有超大离子束发散角的离子源，包括气体放电室10，气体放电室10的一端设置有绝缘端盖9，绝缘端盖9的中部设置有离子束出孔。所说绝缘端盖9外部设置有聚焦磁场产生单元1和磁场扫描单元，聚焦磁场产生单元1的中部设置有离子束过孔；所述磁场扫描单元包括从下向上依次设置的下盖板3、中盖板5及上盖板7，所述下盖板3与中盖板5之间设置有一对横向磁极4，横向磁极4的磁极两端分别连接横向电磁线圈8；所述中盖板5与上盖板7之间设置有一对纵向磁极6、纵向磁极6的两端分别连接纵向电磁线圈11，所述聚焦磁场产生单元1和磁场扫描单元的下盖板3之间设置有磁屏蔽板2，磁屏蔽板2的中部设置有离子束过孔；所述下盖板3正中心设置有离子束入射孔，中盖板5及上盖板7正中心设置有离子束出射孔，所述出射孔直径必须大于下盖板3到上盖板7的总高度的2倍再加上离子束入射孔直径之和。

上述聚焦磁场产生单元1选用永磁铁或电磁线圈。

上述横向电磁线圈8和纵向电磁线圈11分别由一对线圈组成。

上述磁场扫描单元的截面为矩形。

上面所说的气体放电室采用的是冷阴极型。冷阴型与其他比较具有以下优点：(1)没有灯丝，与热阴极离子源相比，优点是寿命长，尺寸和功耗小。在活性气体中（特别是在通O₂的情况下）工作寿命长，在最佳条件下可达几万小时；(2)结构简单、易于清洗；(3)采用多孔引出系统，可获得均匀的大面积离子束；(4)电源系统简单。

本实用新型所说的气体放电室为冷阴极离子源的基本结构，放电室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制成。放电室外加磁场采用永磁铁构成，其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，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。离子束引出极由双栅极组成，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（钨、钼等金属）制成，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%。

所说磁场扫描单元的下盖板3与聚焦磁场产生线圈1之间设置的磁屏蔽板2采用导磁率高的材料如工业软铁、硅钢等材料加工，可以将聚焦磁场产生单元的磁场与磁场扫描单元的磁场隔离，减小相互之间的干扰。

所说磁场扫描单元的横向磁极4和纵向磁极6均采用导磁性良好的材料构成，如工业软铁、硅钢等。磁极的两端可以采用常规的突出的极靴，分别与横向电磁线圈8和纵向电磁线圈11连接。横向、纵向（X、Y向）磁场由电磁线圈8和11产生，该线圈上施加的电信号波形（如正弦波、三角波、方波等）及电压值幅值大小根据需要进行调节。

其中，聚焦磁场产生单元1（其磁场方向是沿着聚焦磁场单元的回转轴线）用以提供500-700Gauss的磁感应强度，使离子源发射的离子束以细口径束会聚到磁场扫描单元的入口，即磁屏蔽板2中部设置的离子束过孔。

下盖板3、中部盖板5及上盖板7用于封闭腔体及连接支撑，同时提供离子进入、传输的通道，由不锈钢、铜或铝等非导磁材料构成，与其他部分采用螺钉连接。下盖板3正中心有一Φ20-30mm的离子束入射孔。中部盖板5及上盖板7正中心有一Φ100-120mm的离子束出射孔。为保证离子束能够偏转90°，离子束出射孔大小应该至少是整个磁场扫描单元（下盖板3，横向磁极4，中部盖板5，纵向磁极6，上盖板7）总高度的2倍再加上离子束入射孔口径。

当离子垂直进入正交设置的磁场中时，会分别受到两个方向磁场力的作用，合理分配X、Y向磁场的强弱及变化规律，控制离子在X、Y向磁场的偏转方向，就可实现离子束在空间的扫描。

发散角的大小靠调节磁场驱动电压（正弦波、三角波等）的峰值来确定。因为离子束的出射角度是由正交磁场的最大值唯一确定的，因此调节输出电压的峰值就可以达到调节发散角的目的。

为了控制整个过程：通过驱动电路及控制系统，主要用来驱动离子源正常工作，包括提供电场的电源、提供磁场线圈的电源，以及波形发生器，扫描频率控制器等。整个系统采用PLC来控制，成为智能化、能够自动补偿的离子束发射源。

（二）工作过程

为了得到超大发散角且发散角可控的离子束，本实用新型首先在放电室内引入工作气体，当气压合适，在气体放电室内电磁场的作用下就会产生等离子体，然后通过引出栅极（双栅极）将离子束引出到放电室外。直接引出的离子束的发散角通常小于45°，为得到超大发散角，采用X、Y向正交设置的磁场，利用带电离子在磁场作用下的偏转特性，就可以起到改变离子束运动方向的作用。通过线圈驱动电压波形的调整，实现离子束在整个空间的扫描，当扫描速度达到20Hz以上时，就得到了180°锥角内都有离子束分布的超大发散角离子束，调节驱动电磁线圈的电压/电流幅值大小，可以改变输出离子束的发散程度，从而起到调节离子束发散角的目的。

（三）工作原理

为达到上述目的而采用下述方法及装置。根据本实用新型，该系统首先通过气体放电室产生等离子体，再通过双栅极将等离子体中的离子束引出。这种直接引出的离子束的发散角很小，一般不足30°。采用于离子束出口设置的相互垂直的二磁场，对离子束方向进行偏转。设置大小适当的磁感应强度，就能够控制离子束的出射方向。垂直进入匀强磁场中的离子将做圆周运动，其圆运动半径r为

其中，m、v _0、 q、B分别为离子的质量、运动速度、电量及磁感应强度。离子的运动速度由离子源的引出电压U决定，有

在离子束的引出栅后设置了正交的双磁场，离子束垂直进入正交磁场后，在X向和Y向磁场的共同作用下运动，依据上述原理，就可以控制离子束的出射方向。所用冷阴极型气体放电室输出的离子束斑大小为Φ30mm，设定特定波形的X、Y向输出电压来驱动磁场线圈，并使X、Y向相互配合，就可实现离子束的空间扫描。由于单侧离子束的偏转角可以达到90°，因此，离子束可以辐照到空间180°的范围内。虽然在某一时刻，离子束只辐照空间的某一方位，但当扫描频率较高时（20Hz以上），离子束对180°锥角内，就实现了均匀辐照，即实现了离子束的发散角达到了180°。调节X、Y向电磁线圈的控制电压幅度，即调节了偏转磁感应强度的大小，就能使发散角的大小改变。由于采用的离子源输出电流很大，可达300mA以上，因此这种扫描方式使离子束作用到工件上的束流密度仍然很高，不会影响离子束的辅助效果。同时，这种小束斑扫描实现大发散角的方式可从根本上保证空间任一方位均能得到束流密度一致的离子束。

（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。工业化生产过程中，尤其在大中型光学镀膜机上，成膜过程中，为使所有零件都得到离子束辅助，从而使制备的薄膜性能稳定、均匀性好，需要离子源输出的离子束发散角很大，且各个发散方向上束流密度均匀一致。采用本实用新型的新型离子束发射源，当需要采用离子束轰击时，首先充入工作气体，设定离子源的放电电压为1000eV，待气体正常放电后，设定X、Y方向的扫描波形，调节扫描频率为30Hz，可得到发散开的离子束。进一步增大控制电源正弦波的输出峰值，离子束的发散角随之变大，直到能够完全辐照到所有零件表面。

实施例2：

安装于不同的镀膜机，或者因零件大小不同，有时并不需要180°的离子束发散角。如果发散角过大，部分离子束会轰击到真空室内壁，反而影响了成膜质量，这时就需要对离子束的发散角进行调节。

采用本实用新型的新型离子束发射源，减小X、Y方向的电磁线圈驱动电压峰值大小，离子束的发散角随之减小，调整得到最佳的离子束发散角大小。由于本实用新型采用的是离子束扫描方式实现超大离子束发散角的，因此离子束在空间各点的驻留时间完全一致，在空间各个方向上得到的离子束流密度就完全一致，均匀性良好。

离子源具体指标如下：

外形尺寸为φ125×125 mm；

离子束发散角：0-180°可调；

输出能量：100-2000 eV可调；

输出束流：大于300mA；

功耗：<600W；

无故障工作时间：大于10000小时；

调节控制系统：PLC控制，LCD触摸屏显示。

Claims (4)

1.一种具有超大离子束发散角的离子源，包括气体放电室（10），气体放电室（10）的一端设置有绝缘端盖（9），绝缘端盖（9）的中部设置有离子束出孔，其特征在于：绝缘端盖（9）外部设置有聚焦磁场产生单元（1）和磁场扫描单元，聚焦磁场产生单元（1）的中部设置有离子束过孔；所述磁场扫描单元包括从下向上依次设置的下盖板（3）、中盖板（5）及上盖板（7），所述下盖板（3）与中盖板（5）之间设置有一对横向磁极（4），横向磁极（4）的磁极两端分别连接横向电磁线圈（8）；所述中盖板（5）与上盖板（7）之间设置有一对纵向磁极（6）、纵向磁极（6）的两端分别连接纵向电磁线圈（11），所述聚焦磁场产生单元（1）和磁场扫描单元的下盖板（3）之间设置有磁屏蔽板（2），磁屏蔽板（2）的中部设置有离子束过孔；所述下盖板（3）正中心设置有离子束入射孔，中盖板（5）及上盖板（7）正中心设置有离子束出射孔，所述离子束出射孔直径大于下盖板（3）到上盖板（7）的总高度的2倍再加上离子束入射孔直径之和。

2.如权利要求1所述的一种具有超大离子束发散角的离子源，其特征在于：所述聚焦磁场产生单元（1）选用永磁铁或电磁线圈。

3.如权利要求1或2所述的一种具有超大离子束发散角的离子源，其特征在于：所述横向电磁线圈（8）和纵向电磁线圈（11）分别由一对线圈组成。

4.如权利要求3所述的一种具有超大离子束发散角的离子源，其特征在于：所述磁场扫描单元的截面为矩形。

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