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霍爾離子源

工作原理:

工作氣體或反應氣體由陽極底部進入放電區內參與放電，放電區內由磁鐵產生如圖所示的錐形磁場，在放電區的上部安裝有補償或中和陰極。根據工作要求該型號離子源的工作氣體為氬氣，反應氣體可以使用氮氣、氧氣或碳氫等多種氣體。放電區上部陰極燈絲加熱后產生熱電子，當離子源的陽極施以正電位+UA時，電子在電場作用下向陽極運動，由于磁場的存在，電子繞磁力線以螺旋軌道前進，與工作氣體或反應氣體的原子發生碰撞使其離化。離子在霍爾電場的作用下被加速獲得相應的能量，與燈絲熱陰極發射的部分熱電子形成近等離子體，由等離子體源發射出來與基片發生作用達到清洗和輔助鍍膜的目的。

·使用鎢絲作為中和陰極

·結構簡單、工作可靠

·維護簡單，運行成本低廉      

·工作時鎢絲揮發                                          

·存在微量污染.

·鎢絲壽命小于50小時

·離子能量約為陽極電壓的65%~70%ev

霍爾離子源由陰極、陽極、氣體分配器、磁場組成。陰極發射電子，既充當陰極，轟擊均勻進氣的原子，離化原子形成放電等離子體。又充當中和電子，強迫中和經電場及磁場加

速的離子束。其中放電電子必須通過擴散，通過磁場的阻滯，回流進入放電區。

霍爾離子源是陽極在一個強軸向磁場的協作下將工藝氣體等離子化。這個軸向磁場的強不平衡性將氣體離子分離并形成離子束。由于軸向磁場的作用太強，霍爾離子源離子束需要補

充電子以中和離子流。

霍爾離子源工作原理圖

霍爾離子源結構圖

                                                            離子電流密度分布                                                                                                 離子束發散角度大于45°

·簡單耐用，結構簡單，所需電源數量少

·束流密度大，離子電流與氣體流量幾乎成比例

·直接轟擊燈絲，污染較為嚴重，且燈絲壽命短

·基片受離子源燈絲烘烤，導致升溫高，不能用于冷鍍

·工作參數受環境影響，不易穩定

·離子能量低，氣耗較大

·標準參數:離子能量50- 150eV， 離子電流100-1000mA

離子源用途:

用于真空 鍍膜過程中基底離子轟擊清潔及沉積過程中離子轟擊能量輸送。廣泛應用于:增透膜、眼鏡鍍膜、光纖光學、高反鏡、熱/冷反光鏡、低漂移濾波器、帶通濾波器、

在線清洗、類金剛石沉積等;

作用：

能夠改善薄膜的生長、優化薄膜結構，增加鍍膜的一致性和重復性，低溫高速率鍍膜，清除工件表面水和碳氫化合物，增加薄膜密度，降低內應力低，清除結合力弱的分子，反應氣體活度增加，薄膜成分易于控制;

離子源輔助鍍膜(IAD)的作用:

1、填充密度提高:折射率提高

2、波長漂移減少;

3、紅外波段的水氣吸收減少;

4、增強了膜層的結合力、耐摩擦能力、機械強

度、提高表面光潔度;

5、控制膜層的應力;

6、減少膜層的吸收和散射;

7、提高生產效率

陽極層離子源

陽極層離子源是-種不需要熱燈絲陰極進行電荷補償的可靠裝置，可在不同壓力范圍和不同的氣體環境下產生離子束，可在化學活性氣體(氧氣、空氣、鹵素氣體)環境下長期穩定工作。

通過閉合的磁阱、陰極和陽極之間的高電壓以及正確的工作壓力，氣流通過磁阱從而產生等離子體射流。

陽極層離子源結構及工作示意圖

在一條環形(矩形或圓形)窄縫中施加強磁場，在陽極作用下使工作氣體離子化并射向工件。

陽極層離子源自中和原理

在陰極附近行進的離子會使電場變形，通過強烈的變形，電子可以通過隧道效應提取出來，

從而實現自中和。因此陽極層離子源不再需要額外的中和裝置。

·離子源可以做得很長，特別適合鍍大工件

·離子能量大，適用于清洗及基材活化等

·陰極有不同程度刻蝕，會帶來污染

·工作氣耗大

·離子電流較大(根據尺寸來定)，但較發散，能級分布寬，不適合對均勻性要求高的工藝

·標準參數:離子能量150-2500 eV

柵網型離子源

柵網型離子源通過柵網對離子的篩選、加速等作用，可更好的控制束型及離子能量。

柵網型離子源根據電源類型分為考夫曼離子源(DC)和射頻離子源(RF)。

四個主要組成部分:放電室(Discharge chamber)、電子源(Electron source)、柵網(Grids)和中和器(Neutralizer)工藝氣體通入放電室，電子源電離氣體產生等離子體，其中離子和電子的密度大致相等。放電室中產生的離子被柵網加速到高速，形成離子束。中和器位于離子源下游，發射電子用于中和。放電室;工藝氣體被電離的地方電子源:產生電子以電離氣體柵網:對離子進行篩選及加速中和器:發射電子保持電荷平衡

柵網是彼此相距幾毫米的電極，每個柵網具有多個對準的孔，用于離子的提取。最靠近放電

室的柵網稱為屏柵(S)，下一個柵網被稱為加速柵(A)，在一-些離子源中，使用第三級柵網，

其位于放電室的最外層，被稱為減速刪(D)。

·屏柵}(creen grid): 柵網靠近陰極(燈絲)處最里層，電位是正偏壓，有靜電屏蔽的作用，防止柵極與柵極之間的電容耦合并可加速離子，篩選滿足條件離子

·加速柵(accel grid):位于第二層柵網，是偏壓負極來聚焦離子，并進行徑向加速

·減速刪(decel grid):位于最外層，它可以幫助聚焦，并保護其他兩個柵網不受加工材料的影響

·大多數系統在濺射或刻蝕過程中使用三層柵網來提高離子束的穩定性

柵網組件通過向每個柵網施加特定電壓以從放電室提取離子。離子加速過程中各階段

的電壓如下圖所示。

·首先，屏柵相對于地為正偏壓(束流電壓)，因此放電室中的等離子體也相對于地為正偏壓。

·然后，加速柵相對于地為負偏壓(加速電壓)，并沿離子源中心線建立電場，放電室中靠近該電場漂移的正離子被加速。

·即使不使用減速柵，最外層的電勢最終也近似為零。減速柵的電位通常保持在接地電位

·加速的離子在通過加速柵之后減速并且以近似束流電壓的離子能量從柵網中射出

·由于已建立的電場，位于放電室或外層的電子被分離開來

離子加速過程示意圖

通過柵網提取的離子包括單獨的小離子束，典型的柵網組件有多個孔，各個小離子束組合疊加形成更寬的所需離子束

·常見的柵網材質包括鉬柵網和石墨柵網

·石墨柵網的腐蝕速度比鉬柵網慢，壽命更長。但某些工藝涂層材料可能會降低石墨柵網的使用壽命，并且石墨難清洗易碎，而鉬柵網易于重復清洗使用

·少數工藝特殊要求可選擇鈦、鋼鐵、合金等。

·柵網束型根據具體工藝進行選擇，由于鉬柵網熱膨脹系數高，通常采用蝶形及花瓣狀圓盤

·石墨網由于整體易碎特點，通常為規則矩形或圓形，采用微開孔型，故發散角相對鉬網小

柵網間距一般幾毫米， 考慮到電壓差，距離過近易被擊穿，距離過遠則難以控制離子束。

聚束型:可用于濺射

平直型:可用于刻蝕

發散型:可用于清洗和輔助沉積

無論哪種柵網型離子源(DC或是RF，或者不同品牌)，離子束覆蓋的范圍計算方法都一樣。覆蓋區域直徑=離子源直徑*[1+(柵網到傘蓋距離/棚網焦距)]

舉例來說，美國P公司16cm射頻離子源柵網焦距為66cm，柵網距離傘蓋距離為90cm，則離子束覆蓋區域直徑為:16cm *[ 1 + (90cm / 66cm) ]= 37.8cm

·離子源距離越遠，則離子束覆蓋的面積就越大，而且隨著距離的增大，均勻性也會變得更好。

·可以通過增加加速電壓來增大覆蓋直徑，一般最多增加約50%

·以通過減小柵網的焦距來增大覆蓋直徑

舉例來說，如果客戶需要離子束覆蓋整個1100mm直徑傘蓋，使用美國P公司16cm射頻離子源，將柵網焦距減小到25cm，則柵網到傘蓋距離x=147cm16cm* [ 1 + (xcm/ 25 cm)]= 110cm

此時如果增大加速電壓來使離子束更寬，則柵網到傘蓋距離可以減小到100cm左右

·考慮到經濟性和均勻性，可以讓離子源只覆蓋一般傘蓋直徑。

·離子源安裝在腔體內的位置也很重要，最常見的是將離子源安裝在一側(有時裝在腔體的門上),并將離子源指向上方，與垂直方向成約30度角，離子束將指向傘蓋的另一側。根據連接離子源的法蘭的情況，可以將角度微調為15度~40度角。

考夫曼離子源

考夫曼離子源由陰極加熱發射電子，電子被正偏壓陽極所吸引，由于受限于磁場的作用，電子在磁場軌道上漂移。當電子運動時，它們將電離通入工藝腔室的中性原子(分子)氣體，從而產生等離子體。通過柵網對離子的約束作用，形成設定離子束，過程如下。

·電離粒子在放電室中形成高密度等離子體，等離子體被正偏壓陽極提升到相對于地的正電位。

·等離子體通過多孔徑柵網被包含在放電區域腔內，當負偏壓作用于加速器柵極時，就會產生一個電場，從等離子體放電中提取離子。

·提取的離子通過柵網孔洞，來自每個孔徑的加速離子將重疊形成一一個寬的離子束。

·在柵網下游幾厘米處，--個中和器向離子中注入低能電子，形成一個電荷平衡的離子束。

考夫曼離子源的四個主要組成部分:

放電室:放電室稱為主體，具有產生磁鐵的永磁體，磁場的目的是控制電子的運動，增加它們在達到陽極之前與氣體的電離碰撞(也有采用電磁線圈產生磁場的)電子源:電子源-.般是熱燈絲或空心陰極。通常燈絲由鎢絲組成，其被加熱以發射電子?？招年?極是通過局部電離通入其內部氣體來產生電子的裝置。來自燈絲或空心陰極的電子被用于電離工作氣體，對空心陰極來說，可能是和通入其內部的氣體相同。電子在達到陽極表面前會有若干次電離碰撞。柵網:如前所述，2級或3級柵網

中和器:中和器一- 般是熱燈絲、空心陰極或等離子橋(PBN)，等離子體橋中和器是將熱燈絲放置在較小的放電室中，通過該放電室供應惰性工藝氣體。

如圖所示，給出了采用燈絲陰極和燈絲中和器的考夫曼離子源的工作原理和電氣連接。

·燈絲陰極采用交流電源加熱，離開燈絲的電子被采用直流偏壓電源的陽極捕獲。離子束電源也是直流偏壓，也連接到陽極并使放電等離子體相對于地為正電位。

·圖中未標示的部分，通常在放電室主體和陽極之間有電阻器，電阻器在主體和陽極之間產生適當的偏壓，從而引導電子聚集到陽極表面。

·加速柵采用直流電源，使加速柵網相對于地為負電位。

·最后的燈絲中和器采用交流電源加熱。

工作原理及電氣連接圖

·中和器是指向離子源引出的離子束發射電子，使束電流和束電荷得到中和的電子發射部件。

·離子源引出帶正電的離子束，為了避免靶材或加工表面積累電荷，減少離子束中的空間電

荷，以繼續引出離子，減小羽流擴散角，需要中和離子束電荷。

·需要在放電室或柵網外邊設置中和器，向離子束發射電子流。

·中和器按工作方式可以分為浸入式熱燈絲中和器、外置式熱燈絲中和器、等離子體橋中和器、空心陰極中和器及射頻中和器等。

·考夫曼離子源一-般采用熱燈絲、空心陰極或等離子橋等中和器。

中和器的作用是將電子發射到離子源外層的環境中，發射的電子為離開離子源的離子提供電荷平衡。通常中和器發射的電子多于離子源射出的離子。這樣做是為了最小化和消除可能發生的空間或表面電荷積累。在大多數情況下，來自中和器的電子不直接與離子束中的離子結合以形成高能中性粒子。

                                       浸入式熱燈絲中和器外置                                                                                                                       式熱燈絲中和器:

將燈絲置于離子束中，通過燈絲發射電子進                                                                                        將燈絲置于離子束外，利用中和器和離子行直接中和。                               

  引到離子束中進行中和。                                                                                                                        束之間強的耦合電壓將燈絲發射的電子吸  

·燈絲位于離子束流中，燈絲受束流轟擊嚴重，會                                                                          ·燈絲雖避免了離子束的直接轟擊，產生-定污染并減少燈絲壽命                       

  產生一定污染并減少燈絲壽命                                                                                                          但它受燈絲材料熱蒸發限制,

                                                                                                                                                          使用周期依然較短，并且強的耦合電壓影響離子束的性能，同時

                                                                                                                                                           燈絲對工作氣氛較為敏感，限制了其在一些控制污染要求較高領

                                                                                                                                                                   域如高潔凈光學元件及半導體晶圓離子束加工領域等的應用

空心陰極

主要由陰極管、頂板、發射體、加熱器和觸持極等組成。電離氣體，通常是氬氣，通過管狀陰極進入系統，陰極孔板上的壓差提供陰極內部足夠的氣體來維持等離子體,等離子體產生電子束。

·由于陰極在高溫下工作，因此陰極必須由難熔金屬構成。

· 發射體中毒和加熱器失效是制約空心陰極性能的關鍵因素。這是由于當發射體暴露于大氣中，其表面會吸附氧氣及水蒸氣等雜質。當對發射體進行加熱后，雜質與發射體反應，從而使發射體失效，發射電子能力降低或失去發射能力。

·加熱器的絕緣層涂覆燒結工藝操作繁瑣，人為因素影響大，加熱絲再結晶現象嚴重，易發生加熱絲脆斷現象。

等離子橋(PBN)

·等離子體橋是一個小的圓柱形電子源，可以放置在腔室的任何地方，通常放在放置在柵網的外層，指向離子束。

· 等離子體橋使用燈絲產生電子，在偏壓的作用下放電產生的電子和部分離子向離子束輸運，部分離子為電子進入離子束起搭“橋”作用，以降低耦合電壓，并允許中和器位置距離子束較遠。

等離子體橋仍然使用燈絲產生電子，使其易受反應氣體的損壞，但作為一個被包含的圓柱體，它能比燈絲中和器更好地抵抗這些影響。

·離子能量帶寬集中，離子方向性強，束型可靠離子束參數(能量，束流密度)方便可控，再現性強，與氣壓無關，大大增加了工藝的穩定性。

·對反應氣體敏感，降低離子源穩定性

·離子源結構復雜，操作和維護稍顯麻煩

·柵網為耗材，價格昂貴

·離子能量較高，但無法提供較大離子束流密度

·燈絲污染及更換頻繁

考夫曼離子源普遍采用燈絲式中和器中和帶電離子，由于燈絲式中和器直接暴露于工藝環境，會帶來束流污染及降低壽命問題，特別是使用氧氣和反應氣體時，沉積造成的絕緣層會導致離子源不能正常工作，使得維護成本及維護難度增加。

離子束發散角可小于10°

射頻離子源

射頻離子源的四個主要組成部分:

放電室:放電室由介電材料組成，經由射頻電場電離通入放電室的氣體。

電子源:射頻場激發氣體中的自由電子，高能電子與工作氣體發生電離碰撞，從而產生

離子和額外電子。當離子離開放電室時，電子被收集在屏柵表面。

柵網:如前所述，2級或3級柵網

中和器:中和器--.般是等離子體橋或射頻中和器(RFN)，射頻中和器由帶有射頻線圈的小放電室組成，利用集電極和保持器發射電子。

射頻離子源由射頻電源供電，并通過匹配器進行自動匹配，產生等離子體，在柵網作用下引出離子束，過程如下。放電室的線圈在電感耦合作用下產生等離子體。

·離子束及屏柵通過電源連接，使等離子體相對于地為正電位加速柵通過電源連接，對地為負電位。通過屏柵篩選的離子束會進行加速。

·在柵網下游處，通過中和器向離子束注入電子，形成電荷平衡。

如圖所示，給出了典型的采用射頻中和器的射頻離子源的工作原理和電氣連接。

·放電室的RF線圈(ICP: 電感耦合)采用射頻電源供電，并通過匹配器進行匹配。

·離子束電源采用直流偏壓電源，連接到屏柵，以使放電等離子體相對于地為正電位。加速柵采用直流電源，使加速柵網相對于地為負電位。

·最后的射頻中和器采用射頻電源并配置匹配器用于自身放電，并利用額外的直流電源發射電子。

工作原理及電氣連接圖

射頻中和器(RFN)

·由五個關鍵元件組成:射頻線圈、放電室、氣體隔離器、集電極和保持器。

·通過氣體隔離器將工作氣體引入放電室，然后將電源應用于射頻線圈以產生放電，從放電中提取電子并被吸引到保持器上，放電中的離子被吸引到集電極上，并射出。

·射頻中和器有助于最小化表面電荷問題，如電弧和介質擊穿。通常中和器發射的電子比離子源發射的離子多。

·射頻等離子體中和器是近年來提出的一種新型中和器，根據放電方式不同，分為射頻電容耦合等離子體中和器和射頻電感耦合等離子體中和器

·射頻電容耦合等離子體中和器是利用射頻電極之間的容性耦合放電產生等離子體，存在電極濺射、雜質污染等問題。

·射頻電感耦合等離子體中和器是通過電磁感應耦合效應維持等離子體放電，無電極污染、等離子體密度高，可以在反應氣體中長時間穩定工作，但存在放電起輝困難，放電室濺射污染等問題

·無燈絲放電，壽命長，可長時間穩定工作，大大降低了離子束中的雜質

·單電荷離子，幾乎沒有對屏柵的濺射，消除柵網污染問題

·極大改善考夫曼離子源的寬束均勻性

·離子能量及束流可寬范圍內精確控制

·一些特殊的高性能光學薄膜(附著力、折射率、硬度、低吸收和低漂移等)只能用射頻寬束離子源進行離子束輔助沉積工藝來完成

·電源配置復雜且費用高，操作復雜

等離子體源

等離子體源以等離子形式射出粒子，減少了配置中和器費用，并有效避免了基片表面電荷積累問題，支持長期穩定工藝過程。

等離子體源使用單層柵網作為引出電極，通過控制磁場對束型精確控制，避免3層柵網離子源對加速柵極的刻蝕，提高了束型穩定性。

ICP離子源

·ICP射頻等離子體源的發射天線繞在電絕緣的石英放電室外邊

·當通過匹配器將射頻功率加到線圈上時，線圈中就有射頻電流通過,于是產生射頻磁

·射頻磁通在放電室內部沿著軸向感應出射頻電場，其中的電子被電場加速，從而產生等離子體，同時線圈的能量被耦合到等離子體中

·除了常規的采用很厚的石英罩將線圈包裹在真空中外，也有采用線圈不在真空中的設計結構，從而有效提高離子能量

                                                                                             單層柵網(鎢),無加速柵網設計                      離子能量和離子電流密度單獨可控

·裂解率高，可達到90%左右

·滿足低離子能量的工藝需求

·工作壓力范圍寬，在0.01-10Pa環境 下使用

·無燈絲，接近中性等離子束

·幾乎可使用任何工藝氣體，腐蝕性氣體配置差壓泵

·集成匹配器，射頻功率轉換效率高

·離子能量和離子電流密度單獨可控

·長期工藝穩定性高，無顆粒問題，低污染等級

主要應用

·光學鍍膜領域可用于電子束輔助沉積以及磁控濺射輔助，主要是后氧化及后氮化

·太陽能行業可用于PECVD沉積減反層、鈍化層、吸收層和阻擋層等

·顯示行業可用于PECVD沉積阻隔膜、透明導電膜和透明硬質涂層等

·玻璃行業可用于表面活化及清洗、阻擋層及大面積沉積氧化物和氮化物

·裝飾鍍膜行業可用于氧化物和氮化物鍍膜及DLC鍍膜等

CCP離子源

CCP等離子體源的工作方式是由接地的放電室和引入的驅動電極作為耦合元件。當電源接通后，在放電室和驅動電極之間產生高頻電場，自由電子在此作用下做上下往復運動，并激發放電，產生等離子體。

帕邢定律:對于等離子放電過程，平行板的間距(d)和氣體壓力(p)和平行板電壓(V)之間有一 一定的關系。CCP等離子體源通過改變平行板間距，來調整在等離子放電條件下的電壓(V),即等離子體相對柵網的能量。

特點:只有一個提取柵網，沒有加速電壓(不同射頻離子源)，等離子準直性由磁場來調節。這種設計的好處是給柵網和等離子體放電的設計，帶來足夠大的便捷性，以此來提高離子源參數，比如能量和束流。

離子源調整參數:磁場，陽極系統，射頻功率，射頻頻率以及壓力等

主要應用

·離子束刻蝕

· PECVD沉積

·離子束濺射

·離子束拋光和清潔

·離子束輔助沉積

                                                                                                       輔助電子束蒸發沉積A1Ox膜                                     PECVD沉積超薄碳徐層

                                                 PECVD                                                                                                                                                離子束刻蝕

離子源電源

用于霍爾離子源的電源及控制機組，可根據燈絲或者空心陰極的配置不同進行選擇

用于陽極層離子源的高壓直流電源

所有的控制和操作集成到一個單獨的電源機架，可用于考夫曼離子源和射頻離子源，根據配置不同選擇不同的型號

用于等離子體源的射頻電源和匹配器

除了上述所提的各種離子源技術，還有各種其它的離子源技術，比如ECR以及ECWR等等技術

離子源技術在鍍膜中的應用越來越廣泛，對離子源本身的要求也越來越高， 上述的各種離子源技術都有本身的優點和缺點，目前技術也在更加優化

對于霍爾離子源，可以采用壽命更長的中和器，如空心陰極等

對于陽極層離子源，采用更難被濺射的陽極材料，如石墨等，從而減少鐵污染。另外，

如何保證陽極層離子源長期穩定工作也是一大挑戰

對于柵網型離子源，采用自對準柵網以及新的中和器，比如低頻中和器等。其中考夫

曼離子源有采用壽命更長的燈絲材料，如LaB。材料等

對于ICP等離子體源，如何提高離子能量也是一 -大難題

總之，各種離子源技術各有優缺點，根據具體的應用選擇合適的離子源才是正確方法!