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1、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i-i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
2、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（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（H
3、all）源,参见图2-2；在咼端产生中使用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
4、）用很 粗大的BLa6棒作阴极，（2）很长很深的阳极管包围着阴极，（3）另外有一个 加热BLa6阴极达1500度的加热器，（4）另有一层法拉第屏蔽，（5）进气管 在离子源出口而不在底部，（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02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 下稳定运行。
5、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，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，
6、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（ECRPS）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E
7、CR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。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
8、，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。矩形磁钢环形磁钢单栅匚CR共振腔波导入口图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=叫，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。能量的来 源是产生区的等离子体具有数10V的电位io。实践表明，对于绝大
9、部分离子辅助镀膜来说，要求的离子能量在20-100eV 之间ii。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
10、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1X10-2Pa, 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，50 mm；单栅，60 mm；离子能量：无栅，259 eV； 单栅，50-200 eV12；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：1x10-2Pa （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）
