專利名稱：霍爾型離子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種離子束產(chǎn)生裝置。尤其涉及一種霍爾型離子源，其 在真空環(huán)境下，通入氣體獲得低能大束流的離子束，適用于工業(yè)離子束輔助 沉積鍍膜工藝。
背景技術(shù)：
離子源早期被研究用于空間推進(jìn)之用，目前已用于真空鍍膜離子束輔助沉積 (IAD)過程。在離子束輔助鍍膜過程中，離子源發(fā)射出的離子束投射到基片上， 對(duì)薄膜表面進(jìn)行轟擊，使得沉積薄膜的密度增加，改善薄膜的生長(zhǎng)模式，其工作范 圍在10,a數(shù)量級(jí)。
美國(guó)專利4862032介紹了一種端霍爾離子源(End-Hall Ion Source)。離子源 典型工作原理為陰極燈絲被加熱發(fā)射熱電子，在電場(chǎng)作用下，電子由陰極向陽(yáng)極 遷移，電子與中性原子或分子發(fā)生碰撞使其離化，離子在電場(chǎng)作用下，向陰極發(fā)射， 與此同時(shí)，正離子吸引陰極燈絲發(fā)射的部分熱電子，從而形成等離子體。在這種典 型無(wú)柵離子源中，在陰極區(qū)域施加磁場(chǎng)，進(jìn)一步提高電子與中性原子或分子的碰撞 幾率，提高離化率，即提高離子源的工作效率，發(fā)射出高束流等離子體。


圖1示出了美國(guó)專利4862032描述的端霍爾離子源的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此種端 霍爾離子源由陽(yáng)極2、陰極燈絲3、氣路4， 5、磁路6， 7， 8， 9等主要部分組成。
圖2為端霍爾離子源工作原理。當(dāng)離子源工作時(shí)，首先將陰極燈絲3加熱至熱 電子發(fā)射溫度，然后由氣路5向放電區(qū)域饋入可離化的中性氣體(如氬氣，或氧 氣等)。再給陽(yáng)極2，10施以正電位。陰極3發(fā)射的熱電子在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極遷移。 由于受到磁場(chǎng)的作用，圍繞磁力線做螺旋運(yùn)動(dòng)，逐漸向陽(yáng)極遷移。由此增加了電子 與中性氣體原子或分子的碰撞幾率，提高氣體原子或分子的高化率。端霍爾離子源 的磁場(chǎng)是由離子源中心下部的永久哮體或電磁體6產(chǎn)生，并與外殼8構(gòu)成磁路，在 放電區(qū)內(nèi)，磁力線分布呈圓錐狀。電子將中性原子或離子離化產(chǎn)生新的離子和電子，電子繼續(xù)向陽(yáng)極遷移，離子則在電場(chǎng)作用下向陰極發(fā)射，由于空間電荷的相互吸引， 離子則吸引部分由陰極燈絲產(chǎn)生的電子，形成等離子體束，向離子源的上方發(fā)射。由于電子受到磁力線的約束，在上述結(jié)構(gòu)的端霍爾離子源工作時(shí)，陽(yáng)極底部10 接收到絕大部分電子，受到大束流高強(qiáng)度電子轟擊的陰極會(huì)急劇升溫，為此該種霍 爾離子源的底部采用了 Mq或W等難熔金屬材料制做陽(yáng)極底部(或步氣板)，以防 止離子源在工作時(shí)陽(yáng)極被燒熔。但是由于離子源很多情況下是在有反應(yīng)氣體存在時(shí)工作，如在鍍制Si02、 TiOx 等薄膜時(shí)，膜料將釋放出氧原子。同時(shí)為了得到標(biāo)準(zhǔn)成份的Si02或TiOx還將向真 空室內(nèi)補(bǔ)充氧氣。在這種情況下，高溫工作的Mo或W將與氧反應(yīng)生成氧化物。另 外，Mo或W陰極受到電子或負(fù)離子的轟擊也可以發(fā)生刻蝕現(xiàn)象，被刻蝕的M[),W 對(duì)薄膜產(chǎn)生污染。另外，如
圖1所示，在離子源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，除放電區(qū)外陽(yáng)極與陰極之間存在 著較大空間，陰陽(yáng)極之間的距離大于氣體輝光放電的暗區(qū)距離，當(dāng)離子源在較高電 壓下工作時(shí)(如大于300V時(shí))，在這些空間中會(huì)產(chǎn)生輝光放電，從而導(dǎo)致離子源 不能正常工作直至毀壞。另一方面，上述端霍爾離子源的外殼36相對(duì)于陽(yáng)極處于負(fù)電位，當(dāng)離子源在較 高電壓工作時(shí)，正離子將對(duì)外殼的某些部位產(chǎn)生轟擊，造成刻蝕現(xiàn)象，從而對(duì)薄膜 沉積引起污染。由于離子源的外殼36直接接地，與離子源的陽(yáng)極構(gòu)成回路，吸收 離子束內(nèi)的正離子減少離子束到達(dá)被鍍基片的數(shù)量，降低離子源的工作效率。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種新的離子源結(jié)構(gòu)，克服上述離子源存在的缺點(diǎn)，如離子源的壽命問題，即陽(yáng)極污染問題。在上述結(jié)構(gòu)下，電子轟擊下的陽(yáng)極 處于較高溫度，被加熱的陽(yáng)極會(huì)與真空室內(nèi)的反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物絕緣層。降 低了陽(yáng)極的使用壽命，當(dāng)陽(yáng)極被反應(yīng)刻蝕后，將對(duì)薄膜形成嚴(yán)重的污染。絕緣層使 來自陰極的電子發(fā)散，導(dǎo)致放電區(qū)電子數(shù)量減少。即陽(yáng)極表面有效電壓減少使放電 區(qū)電子流量減少，等離子體穩(wěn)定性差。此外，上述離子源在陰陽(yáng)極之間的區(qū)域會(huì)產(chǎn) 生輝光放電，從而導(dǎo)致離子源不能正常工作直至毀壞。為此，本實(shí)用新型提供一種離子源，包括陽(yáng)極，通過固定栓懸浮布置在陽(yáng)極上 方的陰極，以及用于將電、氣、冷卻介質(zhì)引入到陽(yáng)極和陰極中的電、氣、冷卻介質(zhì)引入組件，其中由高導(dǎo)熱材料制成的所述陽(yáng)極與所述電、氣冷卻介質(zhì)引入組件直接 相連，并且，所述陽(yáng)極表面已采用導(dǎo)電薄膜進(jìn)行改性。
本實(shí)用新型給出了一種新的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)下，陽(yáng)極被直接水冷，使陽(yáng)極 在低于150'C溫度下工作，從而降低陽(yáng)極與氣體或離子的反應(yīng)能力。另外，陽(yáng)極表 面可以釆用導(dǎo)電薄膜進(jìn)行改性，如TiN、 ITO等導(dǎo)電且在反應(yīng)環(huán)境下穩(wěn)定的材料， 這樣可以延長(zhǎng)陰極的使用壽命，降低薄膜的污染。
本實(shí)用新型給出了一種有效的屏蔽方式，即，在陽(yáng)極和陰極外面設(shè)置屏蔽外殼， 屏蔽外殼的內(nèi)邊向陽(yáng)極靠近，避免離子源工作時(shí)在放電區(qū)以外區(qū)域出現(xiàn)異常放電， 保證離子源能夠穩(wěn)定工作，對(duì)暴露在真空部分的離子源陽(yáng)極進(jìn)行的嚴(yán)格屏蔽，屏蔽 間隙小于暗區(qū)距離(例如5mm，具體數(shù)值與真空度和離子源的工作電壓有關(guān))。^
本實(shí)用新型給出了一種新的離子源陽(yáng)極電極引出方式，采用金屬玻紋管或其他 密封結(jié)構(gòu)將用于引入電、氣、冷卻介質(zhì)的組件引入真空室，因玻紋管與大氣相通， 這樣使得陽(yáng)極底部處于大氣狀態(tài)，防止異常放電，以此提高離子源耐高壓特性。
本實(shí)用新型給出了一種新的懸浮屏蔽外殼結(jié)構(gòu)，使得離子源產(chǎn)生的等離子體更 多地發(fā)射到被鍍基片，提高離子源的效率。
本實(shí)用新型給出了一種離子束方向調(diào)整方式，在玻紋管連接處通過角度調(diào)整螺 栓調(diào)整方向，離子源發(fā)射的離子束可調(diào)范圍為±30° 。
因此，采用本實(shí)用新型的離子源，可以克服陽(yáng)極污染、暗區(qū)放電，調(diào)整 離子束的分布狀態(tài)，提高了離子源的使用效率。在工業(yè)IAD過程中，有效進(jìn)行工 件鍍前處理和鍍膜過程的離子束輔助作用，廣泛適用于光學(xué)、半導(dǎo)體領(lǐng)域。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例進(jìn)一歩說明。
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中的端霍爾離子源外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)； 圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中的端霍爾離子源工作原理； 圖3是本實(shí)用新型的霍爾型離子源的剖面圖； 圖4是本實(shí)用新型的霍爾型離子源的俯視圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型涉及一種離子束產(chǎn)生裝置，也稱霍爾型離子源20，如圖3和圖4所 示?；魻栃碗x子源包括陰極燈絲23和陽(yáng)極22。陽(yáng)極22和陰極23之間為放電區(qū)31 。 陰極燈絲23通過兩個(gè)固定栓32懸浮在陽(yáng)極22上方。固定栓32與懸浮罩28絕緣。 屏蔽外殼28包圍著陽(yáng)極22、放電區(qū)31、氣路24、水路25和磁體33。懸浮罩28 可屏蔽外場(chǎng)對(duì)放電區(qū)31的干擾。磁體33設(shè)置在放電區(qū)31的下方，磁場(chǎng)與陽(yáng)極22 同軸。磁體可以是永磁體或電磁體，如高磁通量稀土磁體NdFeB。陽(yáng)極22材料使用高導(dǎo)熱材料如Cu、 Ni及其合金。冷卻水對(duì)陽(yáng)極22進(jìn)行直接 水冷，使離子源工作時(shí)，陽(yáng)極22極處于較低溫度(例如<200°0。此外，對(duì)受帶電 粒子轟擊的陽(yáng)極表面進(jìn)行涂層表面改性，在其表面增加Ni、 Cr、 Ti等金屬及其合金 涂層，或TiN、 ITO等陶瓷涂層，涂層改性表面可以加強(qiáng)陽(yáng)極的耐刻蝕或耐反應(yīng)性 能，當(dāng)有反應(yīng)氣體存在時(shí)，陶瓷涂層可以阻止反應(yīng)氣體與陽(yáng)極的反應(yīng)，同時(shí)保持足 夠的導(dǎo)電能力。離子源的離子來源于離化的氣體原子，離子束流首先取決于工作氣體的流量， 并與之成正比。本實(shí)用新型的霍爾離子源在較低的氣體流量下可產(chǎn)生高于上述裝置 的離子束流。例如本實(shí)用新型采用5 15sccm的氣體流量獲得大于2A的束流，而 上述裝置中10 50sccm的流量產(chǎn)生1A的束流。低氣體流量對(duì)抽真空系統(tǒng)的工作要 求較低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低壓強(qiáng)工作，減少了異常放電和濺射的可能性，增強(qiáng)離子源的工 作穩(wěn)定性。本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)10—2Pa的工作壓強(qiáng)，此時(shí)離子自由程數(shù)值為真空室尺寸的數(shù) 倍。在IAD過程中，自由程遠(yuǎn)大于離子源與基體的距離。在低壓強(qiáng)下，實(shí)現(xiàn)較多一 次離子與基體直接碰撞，而不是與氣體分子碰撞后的二次離子，增加了沉積速率。由于離子源20在較低壓強(qiáng)下工作，陽(yáng)極22和陰極23間的距離比上述裝置縮短。 本實(shí)用新型中屏蔽外殼28的內(nèi)邊向陽(yáng)極22靠近，避免離子源工作時(shí)在放電區(qū)31 以外區(qū)域27出現(xiàn)異常放電，保證離子源能夠穩(wěn)定工作，對(duì)暴露在真空部分的離子 源陽(yáng)極進(jìn)行的嚴(yán)格屏蔽，屏蔽間隙小于暗區(qū)距離(例如5mm，具體數(shù)值與真空度和 離子源的工作電壓有關(guān))。在離子源陽(yáng)極引出電極方面，本實(shí)用新型使用金屬玻紋管34或其他密封結(jié)構(gòu)將 用于引入電、氣、冷卻介質(zhì)的組件例如冷卻水管25、供氣管道24和陽(yáng)極等管線引入真空室，因玻紋管與大氣相通，這樣使得陽(yáng)極底部處于大氣狀態(tài)，防止異常放電， 以此提高離子源耐高壓特性。
為了進(jìn)一步提高離子源效率，避免放電區(qū)內(nèi)31產(chǎn)生的正離子被屏蔽外殼28過 多吸收，本實(shí)用新型中將離子源的屏蔽外殼28懸浮或施加不同電位。這樣，當(dāng)正 離子被屏蔽外殼吸收過多時(shí)，屏蔽外殼的電位升高，反過來阻止正離子的繼續(xù)吸附, 直到吸附與排斥達(dá)到平衡。在必要的情況下，可以對(duì)屏蔽外殼施加不同的電位，其 作用有兩個(gè)方面第一、控制屏蔽外殼對(duì)離子的吸收數(shù)量；第二、可以改善離子束 的分布狀態(tài)，當(dāng)屏蔽外殼呈正電位時(shí)，離子束被匯聚；當(dāng)屏蔽外殼呈負(fù)電位時(shí)，離 子束被分散，這樣有利于改善在大面積鍍膜時(shí)的均勻性。
通過密封法蘭35將離子源20安裝在真空室內(nèi)，用固定螺栓(未標(biāo)示)固定彎 板和直板，在連接處通過角度調(diào)整螺栓30調(diào)整方向，可調(diào)范圍為±30° 。
權(quán)利要求1.一種霍爾型離子源，其特征在于，包括陽(yáng)極，通過固定栓懸浮布置在陽(yáng)極上方的陰極，以及用于將電、氣、冷卻介質(zhì)引入到陽(yáng)極和陰極中的電、氣、冷卻介質(zhì)引入組件，其中由高導(dǎo)熱材料制成的所述陽(yáng)極與所述電、氣冷卻介質(zhì)引入組件直接相連，且所述陽(yáng)極表面已采用導(dǎo)電薄膜進(jìn)行改性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的霍爾型離子源，其特征在于，還包括罩住所述陽(yáng)極 的屏蔽外殼，所述屏蔽外殼的屏蔽間隙小于暗區(qū)距離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的霍爾型離子源，其特征在于，所述電、氣、冷 卻介質(zhì)引入組件釆用密封結(jié)構(gòu)引入真空室，所述密封結(jié)構(gòu)通向大氣，從而使陽(yáng)極 底部處于大氣狀態(tài)，防止異常放電。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的霍爾型離子源，其特征在于，所述密封結(jié)構(gòu)為金屬玻紋管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的霍爾型離子源，其特征在于，所述屏蔽外殼與所述 固定栓電絕緣地相連，并相對(duì)于所述陰極和所述陽(yáng)極懸浮地設(shè)置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的霍爾型離子源，其特征在于，在金屬玻紋管連接處 采用角度調(diào)整螺栓來調(diào)整方向。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種離子源，包括陽(yáng)極，通過固定栓懸浮布置在陽(yáng)極上方的陰極，及將電、氣、冷卻介質(zhì)引入到陽(yáng)極和陰極中的電、氣、冷卻介質(zhì)引入組件，其中，由高導(dǎo)熱材料制成的陽(yáng)極被由電、氣、冷卻介質(zhì)引入組件所引入的冷卻介質(zhì)進(jìn)行直接冷卻，且陽(yáng)極表面采用導(dǎo)電薄膜進(jìn)行改性；陽(yáng)極采取嚴(yán)格屏蔽方式且屏蔽間隙小于暗區(qū)距離；由金屬玻紋管或其他密封結(jié)構(gòu)將用于引入電、氣、冷卻介質(zhì)的管線引入真空室，防止異常放電；本實(shí)用新型的屏蔽外殼可懸浮或被施加不同電位，以控制屏蔽外殼對(duì)離子的吸收數(shù)量，改善離子束的分布狀態(tài)。本實(shí)用新型可以克服陽(yáng)極污染、暗區(qū)放電的缺點(diǎn)，提高了離子源的使用效率，能有效執(zhí)行工件鍍前處理和鍍膜過程的離子束輔助作用。
文檔編號(hào)H01J27/02GK201160064SQ200620137860
公開日2008年12月3日 申請(qǐng)日期2006年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者欣 何, 軍 葉, 楊東升, 王瓊先 申請(qǐng)人:北京鐠瑪時(shí)代科技有限公司