新型辅助蒸发度离子源介绍

新型辅助蒸发镀（等）离子源
--微波ECR单栅离子源介绍
合肥研飞电器科技有限公司
一、离子辅助蒸发镀膜技术
真空蒸发是制备介质薄膜的主要方法，它历史悠久，工艺成熟，使用广泛。

但是同时也存在严重的缺陷:产品质地疏松、牢固性差、容易损坏。

离子辅助蒸发镀膜是以荷能离子为特征的近代镀膜新工艺，参见图1-1。

在镀膜之前进行清洗，在镀膜中进行辅助沉积薄膜，使得薄膜产品的性能及力学性能得到大幅提高。

这种新工艺适合镀增透膜、眼镜镀膜、光纤光学镀、高反镜、热/冷反光镜、低漂移滤波器、带通滤波器和类金刚石沉积等。

图1-1 离子辅助镀膜示意图。

宽束离子源是离子辅助蒸发镀膜技术的关键。

实际上，通常意义上的离子源包含了等离子束源和离子束源。

等离子束源：离子能量是分布式的（数十到数百eV可调），束较宽，散角达几十度（参见图1）。

离子束源：离子能量是单能，从
100eV-2000eV可调；束较窄，散角仅几度。

从源结构，操控，维护和性价比几方面来比较，人们总是希望选择等离子束源。

二、辅助蒸发镀（等）离子源的研发进程
在很长一段时间里，直流激励热阴极Kuafmna离子源[1]（参见图2-1）是镀膜设备的标准装备。

但Kuafmna离子源用热阴极，存在杂质污染，需频繁更换；不能使用与氧、氮等反应气体；用多栅极加速，操控较难，使用成本较高。

近年来，许多企业为了降低成本，逐步将其淘汰。

在低端产生中通常使用阴极引出的霍尔（Hall）源[2],参见图2-2；在高端产生中使用APS(Advanced Plasma Source)[3]，参见图2-3。

图2-1 考夫曼源示意图。

图2-2 霍尔离子源结构原理图。

图2-3 APS结构原理简图。

霍尔源的缺点很明显：(1)由于离子的溅射，阴极灯丝(钨)对膜层产生金属污染很严重，实验己经发现，随着离子能量和束流强度的增加，薄膜中钨的含量也增加。

介质膜中的金属会显著增加膜的消光系数(或吸收系数)，对于要求较高的场合，这种污染必需消除。

(2)灯丝使用寿命短，维护量大，并且只能用惰性气体，反应气体会使灯丝的寿命大大缩短。

为了消除污染和延长寿命，德国莱宝公司推出了APS。

它的特点是：(1)用很粗大的BLa6棒作阴极③，(2)很长很深的阳极管包围着阴极②，(3)另外有一个加热BLa6阴极达1500度的加热器④，(4)另有一层法拉第屏蔽②⑦，(5)进气管在离子源出口而不在底部①，(6)功率非常大，仅加热器就1.8千瓦，发射功率达15千瓦。

以上特点明显看出，APS用了杂质量低，寿命较长的阴极，但改善很有限。

而源设备价格昂贵，且运行成本相当高，一般的企业很难用得起。

为了彻底消除热阴极的缺点，无极放电的射频激励的离子束源已逐渐投入使
用。

它不需要借助灯丝放电，既消除了阴极金属蒸汽对薄膜的主要污染源，也可使用于0
等反应气体环境。

作为辅助蒸发镀膜的离子源还要求可在较低的气压2
下稳定运行。

射频激励等离子体有4种方式：容性耦合（CCP）、感谢耦合（ICP）、螺旋波（Helicon）和rf ECWR。

其中rf ECWR的运行气压能在<0.1Pa下获得最佳放电，其离子源适合于辅助蒸发镀膜[4]，参见图2-4。

图2-4中的1为等离子室侧壁，用石英管制成；2和3为上下盖板，用无磁不锈钢制成，用紧固螺杆7与石英管夹紧；在上盖板侧面开有进气口8，以及快规测量口；4为单栅引出电极；5为包裹在石英管外面的单匝射频耦合线圈，用纯铜制成，与上下盖板绝缘。

6为一对Helmholtz线圈，能产生总是垂直于源轴的静磁场Bo，能够被调节到50G，并且在整个等离子区均匀性保证在±5%以内。

我们不难看出，该源的结构比较复杂，价格相当贵，仅有德国莱宝公司在研制。

另一种无极放电的离子源是微波电子回旋共振等离子源（ECR PS）由于应用较强的磁场，可以在更低的气压下获得最佳高效率放电，是辅助蒸发镀膜更佳的选择。

图2-4 rf ECWR等离子源结构简图。

三、微波ECR （等）离子源原理与特性
等离子体是正离子和电子组成的电中性的流体，是中性原子被电子碰撞变成离子的结果。

因此，产生等离子体就是用电场加速电子去碰撞中性原子。

加速电子一般用直流、射频和微波电场，因而，产生等离子体的方法也自然地分成为直流（DC）、射频(CCP和ICP）、微波和微波ECR等。

前三种可以用磁场，也可以不用磁场；但微波ECR必须用磁场，而且磁场的设计要求比较严格。

不用磁场时，仅靠真空室壁限制等离子体，因此，等离子体与室壁相互作用强烈；而使用磁场时，由于电子和离子环绕磁力线运动，所以在垂直于磁场方向受磁场控制，几乎不与室壁发生作用，因而损失大大下降，杂质水平较低，可以运行在很低的气压，参见图3.1[5]。

图 3.1 典型的微波ECR等离子源简图。

上述微波ECR等离子源的磁场是用高稳定度直流稳流电源向铜线圈提供大电流产生的，既笨重，价格又贵，很难向工业应用推广。

为了具有市场竞争力，永磁型微波ECR离子源应运而生[6、7、8]。

然而这两种离子源耦合微波的方式或是采用钟罩式共振腔，或是针状天线，仅能工作在小功率，因而，离子流强不能满足工业市场需要，也很难向工业界推广。

新型微波ECR离子源，既使用永磁产生ECR磁场，又采用波导耦合微波，输出的离子流强可以满足工业市场的需求。

参见图3.2。

图3.2 微波ECR单栅离子源结构示意图。

该源采用磁镜场位形来产生等离子体，当电子的回旋频率与输入的微波频率相等时，即ω=ωce，电子共振吸收微波能量（理论上完全吸收），用于补充电子电离中性气体的能量损失。

当两者相等时等离子体稳定产生等离子体。

等离子体
由强磁场的产生区向弱磁场方向扩散，离子将获得数10eV的能量[9]。

能量的来源是产生区的等离子体具有数10V的电位[10]。

实践表明，对于绝大部分离子辅助镀膜来说，要求的离子能量在20-100eV 之间[11]。

为了将输出的离子能量能达到百伏量级，该源在离子流引出端加单栅[12]（参见图3-2）并在源体加引出电压（最大200V）时，离子能量可在50-150eV 之间调整。

采用单栅引出离子流还有一个重要的优点，在引出的离子流的同时，也有电子从单电极溢出，因而不需像考夫曼源那样，在引出电极后再加灯丝产生电子云。

（此灯丝也是重要的杂质来源。

）
这样的等离子源只要流强足够大，就能符合参考文献[11]对等离子源提出的要求，而不需要采用复杂的多栅结构。

复杂的多栅结构具有两方面的功能：一是可将离子能量加速到>100eV，参考文献[11]说明，用>100eV的离子能量辅助镀膜在绝大多数情况下是个误区；二是加大气阻，使镀膜区气压能达到~1×10-2Pa，对微波ECR PS来说，只要妥当设计，没有必要使用多栅来加大气阻，采用单栅就能在这么低的气压正常运行。

四、微波ECR离子源的基本指标
放电原理：微波ECR
微波源：频率：2.45 GHz，功率：600 W；
自动匹配器：安装在源下；
口径：无栅，φ50 mm；单栅，φ60 mm；
离子能量：无栅，~25[9] eV；单栅，50-200 eV[12]；
源出口离子流密度：无栅，>10 mA/cm2；单栅，0.2-2 mA/cm2；
真空室运行气压：<1×10－2Pa（主抽泵为1200L/s分子泵）；
五、在现有装置上使用方案
因微波ECR离子源很紧凑，可以安装在现有斜窗口的管道内。

单栅引出电极伸出管道口，并可偏转一定的角度，使引出离子束可直接照射到样品表面，参见图5.1。

图5.1
参考文献（略）。