离子束辅助蒸发光学镀膜.pdf

离子源技术及其应用、离子源 是将中性原子离化成为离子，离子被加速获得能量并引出的装置离子源技术及其在真空镀膜中的应用离子源作为卫星太空姿态调整发动机而首先研发－ 电火箭用于离子束辅助或直接真空镀膜－ 离子源离子源分类－ 按能量分类离子能量分类 能量 (eV) 特点 用途高能离子源 >1000 能量高束流小 表面改性离子表面注入低能离子源 <1000 能量低束流大表面清洗离子辅助沉积离子束直接镀膜离子源分类 － 按离子加速方式分类离子源简介 － 潘宁离子源工作原理（低压反应源）阴极钨丝加热发射热电子；电子与气体原子或分子碰撞气体电离放电形成等离子体离子被加速电场引出、加速、获得能量磁场对电子运动进行约束，增加离化率早期离子源后续各种离子源的基础；发射离子束流大；缺点：× 无中和器、等离子体中性差× 离子源结构复杂 /维护困难× 阴极灯丝易烧蚀，存在寿命问题× 不能直接馈入氧、氮等反应气体× 现一般较少采用典型参数•束流范围： 10-50A•离子能量： 20-50 eV离子源简介 － 潘宁离子源离子源简介 － 考夫曼离子源考夫曼离子源工作原理（ Kaufman Ion Source）阴极钨丝加热发射热电子；电子与气体原子或分子碰撞；气体电离在放电室形成等离子体；多孔栅极产生加速电场；离子被加速电场引出、加速、获得能量；磁场对电子运动进行约束，增加离化率；中和钨丝产生电子；中和电子对引出离子中和形成等离子体。

优点：栅极加速能量大离子可聚束能量调节范围宽结构较为简单缺点：× 离子源结构仍复杂× 馈入氧、氮等反应气体阴极中毒× 更换阴极灯丝困难× 不属主流，较少采用Veeco 15 cm 典型参数•离子束流： 350 mA @1500 eV•离子能量： 50 - 1500 eV离子源简介 － 考夫曼离子源离子源简介 － 射频离子源射频离子源工作原理（ RF Ion Source）射频放电将气体电离在放电室形成等离子体多孔栅极产生加速电场；离子被加速电场引出、加速、获得能量；中和钨丝产生电子；中和电子对引出离子中和形成等离子体优点：栅极加速能量大离子可聚束能量调节范围宽适用反应气体离子束辅助主流缺点：× 结构复杂，稳定性差× 价格昂贵× 栅极需经常维护× 辐照均匀区较小Veeco 16 cm 典型参数•离子束流： 700 mA @1500 eV•离子能量： 50 - 1500 eV离子源简介 － 射频离子源特点离子源简介 － 霍耳离子源霍耳离子源工作原理（ Hall Ion Source）阴极钨丝发射热电子向阳极迁移电子与气体原子碰撞使其离化磁场中电子形成霍耳电流产生电场离子被霍耳电场加速引出、加速阴极热电子对引出离子中和形成等离子体。

优点：无栅极、结构简单、维护简单适用反应气体离子束辅助主流产品离子束流大易于控制等离子体中性以低能大束流工作缺点：× 能量较低、调节范围较小× 存在较小污染PowerIon-C-10A 典型参数•离子束流： 5 A•离子能量： 20-50 eV离子源简介 － 霍耳离子源特点离子源简介 － Veeco 霍耳离子源技术指标离子源简介 － PowerIon 系列霍耳离子源技术指标离子源简介 － 霍耳离子源空心阴极型霍耳离子源空心阴极替代灯丝发射热电子有效降低离子源污染离子源简介 － APS源工作原理工作原理与霍耳离子源类似La6B阴极发射热电子向阳极迁移 (3)电子与原子碰撞使其离化磁场中电子形成霍耳电流产生电场 (2)离子被霍耳电流产生电场加速引出、加速优点：无栅极离子束流大以低能大束流工作以其为核心开发多种机型离子束辅助主流产品缺点：× 能量较低、调节范围较小× 不适用反应气体× 等离子体中性？× 使用成本高× 存在污染APS源 典型参数•离子束流： 0.5 mA/cm2•离子能量： 20-200eV离子源简介 － APS源特点离子源简介 － 阳极膜离子源阳极膜离子源工作原理在正交的电场和磁场的作用下电子在沟道内进行闭环迁移形成电子流闭环迁移的电子与气体发生碰撞气体电离阳极表面电场 ， 离子被加速发射离子束对基片进行轰击或刻蚀离子源简介 － 阳极膜离子源阳极膜离子源工作原理优点：无栅极、 无污染、 适用反应气体能量调节范围宽无灯丝、无需特别维护将成为离子束辅助主流产品等离子体中性较好阳极膜离子源 典型参数•离子束流： 15 mA/cm•离子能量： 100-2000eV离子源简介 － 阳极膜离子源特点离子源简介 － PM-ALS540阳极膜离子源技术指标离子源的工作原理 － 总结电子与气体碰撞辉光放电形成 等离子体离子被 引出加速 获得能量离子与电子聚集中和形成 高能等离子体 ,避免样品具有能量的等离子体 轰击 被镀工件表面达到清洗或辅助镀膜效果钨丝热电子射频放电栅极电场霍耳电场钨丝热电子电子源霍耳源考夫曼源形成等离子体离子引出加速离子束中和辅助镀膜离子源工作过程离子束辅助蒸发光学镀膜 －前言薄膜材料在高科技产业中非常重要制备方法决定了薄膜性能离子束辅助镀膜是近年出现技术(Ion Associated Deposition, IAD / IBAD / PIAD )离子束辅助蒸发光学镀膜 － 电子束蒸发镀膜沉积速率快镀制膜系广泛应用于光学 、 半导体等领域成膜原子能量低膜层附着力差 , 密度低光学漂移薄膜光学特性差离子束辅助蒸发光学镀膜 － 电子束蒸发镀膜IAD的关键为低能大束流的离子源近中性等离子体 ， 避免工件带电能量范围： 30－ 1000eV足够的单位面积能量密度能量密度＝束流 × 平均能量）离子束辅助蒸发光学镀膜 － 电子束蒸发镀膜作用：清除表面水、其他污染物改善薄膜的生长、优化薄膜结构增加一致性和重复性低温高速率镀膜增加密度、降低内应力清除结合力弱的分子增加反应气体活度、成分易于控制用途：清洗增透膜、眼镜镀膜光纤光学、高反镜热 /冷反光镜低漂移滤波器带通滤波器类金刚石沉积离子束辅助蒸发光学镀膜 －离子束辅助镀膜机开发程序霍耳 /射频 /APS?电子枪高压部分屏蔽?工件表面离子束辐照能量密度?离子束辐照均匀性?离子源、电子枪位置离子束能量、中和情况离子源与电子枪干扰反应气体馈入流量，放电电压、电流蒸发速率薄膜表面形貌、附着力、光学特性选定合适离子源对其他单元进行调整协同调试验证可靠性工艺调试镀制相应膜系离子束辅助蒸发光学镀膜 － 离子束辅助蒸发镀膜射频 /霍耳离子源辅助镀膜解决方案APS源辅助镀膜解决方案PowerIon 系列霍尔离子源离子束辅助蒸发光学镀膜 － 离子束辅助蒸发镀膜PowerIon系列霍尔离子源离子束辅助镀膜机PowerIon 霍尔离子源在镀膜机中安装位置离子束辅助蒸发光学镀膜 － 离子束辅助蒸发镀膜PowerIon 霍尔离子源使用工艺问题① 等离子体中性控制② 离子束流③ 阴极灯丝的作用④ 离子能量的选择⑤ 灯丝寿命及更换⑥ 霍尔离子源的污染离子束辅助蒸发光学镀膜 － 霍尔离子源使用工艺问题等离子体中性控制离子束辅助蒸发光学镀膜 － 霍尔离子源使用工艺问题等离子体中性控制等离子体的中和状态对成膜的质量至关重要；等离子体呈正电性造成真空室或工件表面放电；改变灯丝电流可有效控制等离子体的中和状态。

离子束流离子束流 ≠离子源的放电电流；离子束流取决于气体的流量、放电电压、放电电流；调整灯丝电流、放电流及气体流量来实现最大束流等离子体中性控制离子束辅助蒸发光学镀膜 － 霍尔离子源使用工艺问题灯丝寿命及更换 工作过程中灯丝受到离子轰击发生刻蚀； 灯丝存在寿命问题； 需根据使用情况确定灯丝更换周期 霍尔源的污染 阴极灯丝刻蚀造成污染； 采用较低放电电流可有效降低污染； 采用较低放电电压 （ <100V） 可有效降低污染 等离子体中性控制离子束辅助蒸发光学镀膜 － 总结 离子束辅助光学镀膜是一项系统工程； 需各关键单元有机结合工作； 霍耳离子源是离子束辅助光学镀膜的理想选择之一； 成功应用依赖于镀膜机的系统开发； 本公司技术基础雄厚 、 经验丰富； 深入研究与开发将带来良好的社会和经济效益 欢迎指导谢谢。