专利名称：霍尔型离子源的制作方法
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,a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哮体或电磁体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 Mq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Si02、 TiOx 等薄膜时，膜料将释放出氧原子。同时为了得到标准成份的Si02或TiOx还将向真 空室内补充氧气。在这种情况下，高温工作的Mo或W将与氧反应生成氧化物。另 外，Mo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M[),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'C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 面可以釆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。
以下结合附图对本实用新型的具体实施例进一歩说明。
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°0。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縮短。 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° 。
权利要求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l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 却介质引入组件釆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。
专利摘要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。
文档编号H01J27/02GK201160064SQ200620137860
公开日2008年12月3日 申请日期2006年9月28日 优先权日2006年9月28日
发明者欣 何, 军 叶, 杨东升, 王琼先 申请人:北京镨玛时代科技有限公司