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镀膜设备中常用离子源

技术起源

离子源起源于冷战时期的美苏争霸,理论计算表明离子源做空间推进器能量密度大于常规液

氢推进器。美国的研究以NASA的Kaufnan教授主持设计的带栅网的离子源(Kaufman离子源)

为主,前苏联则以霍尔离子源(End Hall)为主

在离子源推进器实验中,人们发现有推进器材料从离子源飞出,这就开始了离子源在材料,

特别是材料表面改性的应用

离子源技术早期发展简史

1960年,NASA拟定计划,由Kaufman教授主持研制宽束低束流密度的离子轰击电推进器,该离子发动机被称为考夫曼离子源

1985年,真空蒸镀多层聚合物膜取得专利(GE公司)

1987年,高温超导薄膜的激光剥离沉积成功

无栅网的霍尔高子源研制成功(Kaufman& Robinson)

1988年,双阴极中频溅射离子源研制成功

自80年代中期以来,离子束辅助沉积技术得到普遍重视,离子束溅射技术及等离子体反应溅射技术等都得到了迅速发展


原理及分类

离子源是使中性原子或分子电离,并从中引出离子束流的装置。

离子源是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀及清洗装置、离子束溅射装置、离子束辅助沉积装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件。

广义上来讲,我们一般也将等离子体源划归为离子源一类。


主要应用

离子源在镀膜领域的主要应用包括:离子束辅助,离子束溅射,离子束刻蚀及离子束清洗等

·离子束清洗                     

·表面改性

·离子束辅助沉积

                                                                                                  ·离子束刻蚀                                                                               ·离子束直接沉积


无栅离子源

通过阴极引出离子,并通过磁场对离子作用,产生离子束。主要分为霍尔离子源及

阳极层离子源。

主要特点:

·气耗大,污染较为严重

·束型约束较差

·相比栅网型离子源束能低

·主要适用离子束辅助沉积及清洗


离子束辅助沉积

                                  非常低的能量: 0-25eV                                                      较低的能量: 25- 100eV                                                               较高的能量: 100-1000eV

离子束清洗

                                    低能量范围(25- 100eV)                                                           高能量范围( 100- 1000eV)

                                    去除物理污染物:非常高效                                                       去除物理污染物:如此高的离子能量不太必要

                                    去除化学吸附污染物:去除速率较慢                                          去除化学吸附污染物:去除速率较快

                                    离子渗透:忽略不计                                                                    较深离子渗透:忽略不计


霍尔离子源

工作原理:

工作气体或反应气体由阳极底部进入放电区内参与放电,放电区内由磁铁产生如图所示的锥形磁场,在放电区的上部安装有补偿或中和阴极。根据工作要求该型号离子源的工作气体为氩气,反应气体可以使用氮气、氧气或碳氢等多种气体。放电区上部阴极灯丝加热后产生热电子,当离子源的阳极施以正电位+UA时,电子在电场作用下向阳极运动,由于磁场的存在,电子绕磁力线以螺旋轨道前进,与工作气体或反应气体的原子发生碰撞使其离化。离子在霍尔电场的作用下被加速获得相应的能量,与灯丝热阴极发射的部分热电子形成近等离子体,由等离子体源发射出来与基片发生作用达到清洗和辅助镀膜的目的。

·使用钨丝作为中和阴极

·结构简单、工作可靠

·维护简单,运行成本低廉      

·工作时钨丝挥发                                          

·存在微量污染.

·钨丝寿命小于50小时

·离子能量约为阳极电压的65%~70%ev

霍尔离子源由阴极、阳极、气体分配器、磁场组成。阴极发射电子,既充当阴极,轰击均匀进气的原子,离化原子形成放电等离子体。又充当中和电子,强迫中和经电场及磁场加

速的离子束。其中放电电子必须通过扩散,通过磁场的阻滞,回流进入放电区。

霍尔离子源是阳极在一个强轴向磁场的协作下将工艺气体等离子化。这个轴向磁场的强不平衡性将气体离子分离并形成离子束。由于轴向磁场的作用太强,霍尔离子源离子束需要补

充电子以中和离子流。

霍尔离子源工作原理图

霍尔离子源结构图


                                                            离子电流密度分布                                                                                                 离子束发散角度大于45°

·简单耐用,结构简单,所需电源数量少

·束流密度大,离子电流与气体流量几乎成比例

·直接轰击灯丝,污染较为严重,且灯丝寿命短

·基片受离子源灯丝烘烤,导致升温高,不能用于冷镀

·工作参数受环境影响,不易稳定

·离子能量低,气耗较大

·标准参数:离子能量50- 150eV, 离子电流100-1000mA


离子源用途:

用于真空 镀膜过程中基底离子轰击清洁及沉积过程中离子轰击能量输送。广泛应用于: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、

在线清洗、类金刚石沉积等;

作用:

能够改善薄膜的生长、优化薄膜结构,增加镀膜的一致性和重复性,低温高速率镀膜,清除工件表面水和碳氢化合物,增加薄膜密度,降低内应力低,清除结合力弱的分子,反应气体活度增加,薄膜成分易于控制;

离子源辅助镀膜(IAD)的作用:

1、填充密度提高:折射率提高

2、波长漂移减少;

3、红外波段的水气吸收减少;

4、增强了膜层的结合力、耐摩擦能力、机械强

度、提高表面光洁度;

5、控制膜层的应力;

6、减少膜层的吸收和散射;

7、提高生产效率


阳极层离子源

阳极层离子源是-种不需要热灯丝阴极进行电荷补偿的可靠装置,可在不同压力范围和不同的气体环境下产生离子束,可在化学活性气体(氧气、空气、卤素气体)环境下长期稳定工作。

通过闭合的磁阱、阴极和阳极之间的高电压以及正确的工作压力,气流通过磁阱从而产生等离子体射流。

阳极层离子源结构及工作示意图

在一条环形(矩形或圆形)窄缝中施加强磁场,在阳极作用下使工作气体离子化并射向工件。


阳极层离子源自中和原理


在阴极附近行进的离子会使电场变形,通过强烈的变形,电子可以通过隧道效应提取出来,

从而实现自中和。因此阳极层离子源不再需要额外的中和装置。

·离子源可以做得很长,特别适合镀大工件

·离子能量大,适用于清洗及基材活化等

·阴极有不同程度刻蚀,会带来污染

·工作气耗大

·离子电流较大(根据尺寸来定),但较发散,能级分布宽,不适合对均匀性要求高的工艺

·标准参数:离子能量150-2500 eV

栅网型离子源

栅网型离子源通过栅网对离子的筛选、加速等作用,可更好的控制束型及离子能量。

栅网型离子源根据电源类型分为考夫曼离子源(DC)和射频离子源(RF)。

四个主要组成部分:放电室(Discharge chamber)、电子源(Electron source)、栅网(Grids)和中和器(Neutralizer)工艺气体通入放电室,电子源电离气体产生等离子体,其中离子和电子的密度大致相等。放电室中产生的离子被栅网加速到高速,形成离子束。中和器位于离子源下游,发射电子用于中和。放电室;工艺气体被电离的地方电子源:产生电子以电离气体栅网:对离子进行筛选及加速中和器:发射电子保持电荷平衡

栅网是彼此相距几毫米的电极,每个栅网具有多个对准的孔,用于离子的提取。最靠近放电

室的栅网称为屏栅(S),下一个栅网被称为加速栅(A),在一-些离子源中,使用第三级栅网,

其位于放电室的最外层,被称为减速删(D)。

·屏栅}(creen grid): 栅网靠近阴极(灯丝)处最里层,电位是正偏压,有静电屏蔽的作用,防止栅极与栅极之间的电容耦合并可加速离子,筛选满足条件离子

·加速栅(accel grid):位于第二层栅网,是偏压负极来聚焦离子,并进行径向加速

·减速删(decel grid):位于最外层,它可以帮助聚焦,并保护其他两个栅网不受加工材料的影响

·大多数系统在溅射或刻蚀过程中使用三层栅网来提高离子束的稳定性


栅网组件通过向每个栅网施加特定电压以从放电室提取离子。离子加速过程中各阶段

的电压如下图所示。

·首先,屏栅相对于地为正偏压(束流电压),因此放电室中的等离子体也相对于地为正偏压。

·然后,加速栅相对于地为负偏压(加速电压),并沿离子源中心线建立电场,放电室中靠近该电场漂移的正离子被加速。

·即使不使用减速栅,最外层的电势最终也近似为零。减速栅的电位通常保持在接地电位

·加速的离子在通过加速栅之后减速并且以近似束流电压的离子能量从栅网中射出

·由于已建立的电场,位于放电室或外层的电子被分离开来

离子加速过程示意图


通过栅网提取的离子包括单独的小离子束,典型的栅网组件有多个孔,各个小离子束组合叠加形成更宽的所需离子束

·常见的栅网材质包括钼栅网和石墨栅网

·石墨栅网的腐蚀速度比钼栅网慢,寿命更长。但某些工艺涂层材料可能会降低石墨栅网的使用寿命,并且石墨难清洗易碎,而钼栅网易于重复清洗使用

·少数工艺特殊要求可选择钛、钢铁、合金等。

·栅网束型根据具体工艺进行选择,由于钼栅网热膨胀系数高,通常采用蝶形及花瓣状圆盘

·石墨网由于整体易碎特点,通常为规则矩形或圆形,采用微开孔型,故发散角相对钼网小

栅网间距一般几毫米, 考虑到电压差,距离过近易被击穿,距离过远则难以控制离子束。


聚束型:可用于溅射


平直型:可用于刻蚀

发散型:可用于清洗和辅助沉积

无论哪种栅网型离子源(DC或是RF,或者不同品牌),离子束覆盖的范围计算方法都一样。覆盖区域直径=离子源直径*[1+(栅网到伞盖距离/棚网焦距)]

举例来说,美国P公司16cm射频离子源栅网焦距为66cm,栅网距离伞盖距离为90cm,则离子束覆盖区域直径为:16cm *[ 1 + (90cm / 66cm) ]= 37.8cm

·离子源距离越远,则离子束覆盖的面积就越大,而且随着距离的增大,均匀性也会变得更好。

·可以通过增加加速电压来增大覆盖直径,一般最多增加约50%

·以通过减小栅网的焦距来增大覆盖直径

举例来说,如果客户需要离子束覆盖整个1100mm直径伞盖,使用美国P公司16cm射频离子源,将栅网焦距减小到25cm,则栅网到伞盖距离x=147cm16cm* [ 1 + (xcm/ 25 cm)]= 110cm

此时如果增大加速电压来使离子束更宽,则栅网到伞盖距离可以减小到100cm左右

·考虑到经济性和均匀性,可以让离子源只覆盖一般伞盖直径。

·离子源安装在腔体内的位置也很重要,最常见的是将离子源安装在一侧(有时装在腔体的门上),并将离子源指向上方,与垂直方向成约30度角,离子束将指向伞盖的另一侧。根据连接离子源的法兰的情况,可以将角度微调为15度~40度角。

考夫曼离子源

考夫曼离子源由阴极加热发射电子,电子被正偏压阳极所吸引,由于受限于磁场的作用,电子在磁场轨道上漂移。当电子运动时,它们将电离通入工艺腔室的中性原子(分子)气体,从而产生等离子体。通过栅网对离子的约束作用,形成设定离子束,过程如下。

·电离粒子在放电室中形成高密度等离子体,等离子体被正偏压阳极提升到相对于地的正电位。

·等离子体通过多孔径栅网被包含在放电区域腔内,当负偏压作用于加速器栅极时,就会产生一个电场,从等离子体放电中提取离子。

·提取的离子通过栅网孔洞,来自每个孔径的加速离子将重叠形成一一个宽的离子束。

·在栅网下游几厘米处,--个中和器向离子中注入低能电子,形成一个电荷平衡的离子束。


考夫曼离子源的四个主要组成部分:

放电室:放电室称为主体,具有产生磁铁的永磁体,磁场的目的是控制电子的运动,增加它们在达到阳极之前与气体的电离碰撞(也有采用电磁线圈产生磁场的)电子源:电子源-.般是热灯丝或空心阴极。通常灯丝由钨丝组成,其被加热以发射电子。空心阴 极是通过局部电离通入其内部气体来产生电子的装置。来自灯丝或空心阴极的电子被用于电离工作气体,对空心阴极来说,可能是和通入其内部的气体相同。电子在达到阳极表面前会有若干次电离碰撞。栅网:如前所述,2级或3级栅网

中和器:中和器一- 般是热灯丝、空心阴极或等离子桥(PBN),等离子体桥中和器是将热灯丝放置在较小的放电室中,通过该放电室供应惰性工艺气体。

如图所示,给出了采用灯丝阴极和灯丝中和器的考夫曼离子源的工作原理和电气连接。

·灯丝阴极采用交流电源加热,离开灯丝的电子被采用直流偏压电源的阳极捕获。离子束电源也是直流偏压,也连接到阳极并使放电等离子体相对于地为正电位。

·图中未标示的部分,通常在放电室主体和阳极之间有电阻器,电阻器在主体和阳极之间产生适当的偏压,从而引导电子聚集到阳极表面。

·加速栅采用直流电源,使加速栅网相对于地为负电位。

·最后的灯丝中和器采用交流电源加热。

工作原理及电气连接图

·中和器是指向离子源引出的离子束发射电子,使束电流和束电荷得到中和的电子发射部件。

·离子源引出带正电的离子束,为了避免靶材或加工表面积累电荷,减少离子束中的空间电

荷,以继续引出离子,减小羽流扩散角,需要中和离子束电荷。

·需要在放电室或栅网外边设置中和器,向离子束发射电子流。

·中和器按工作方式可以分为浸入式热灯丝中和器、外置式热灯丝中和器、等离子体桥中和器、空心阴极中和器及射频中和器等。

·考夫曼离子源一-般采用热灯丝、空心阴极或等离子桥等中和器。

中和器的作用是将电子发射到离子源外层的环境中,发射的电子为离开离子源的离子提供电荷平衡。通常中和器发射的电子多于离子源射出的离子。这样做是为了最小化和消除可能发生的空间或表面电荷积累。在大多数情况下,来自中和器的电子不直接与离子束中的离子结合以形成高能中性粒子。


                                       浸入式热灯丝中和器外置                                                                                                                       式热灯丝中和器:

将灯丝置于离子束中,通过灯丝发射电子进                                                                                        将灯丝置于离子束外,利用中和器和离子行直接中和。                               

  引到离子束中进行中和。                                                                                                                        束之间强的耦合电压将灯丝发射的电子吸  

                                           

·灯丝位于离子束流中,灯丝受束流轰击严重,会                                                                          ·灯丝虽避免了离子束的直接轰击,产生-定污染并减少灯丝寿命                       

  产生一定污染并减少灯丝寿命                                                                                                          但它受灯丝材料热蒸发限制,

                                                                                                                                                          使用周期依然较短,并且强的耦合电压影响离子束的性能,同时

                                                                                                                                                           灯丝对工作气氛较为敏感,限制了其在一些控制污染要求较高领

                                                                                                                                                                   域如高洁净光学元件及半导体晶圆离子束加工领域等的应用

空心阴极

主要由阴极管、顶板、发射体、加热器和触持极等组成。电离气体,通常是氩气,通过管状阴极进入系统,阴极孔板上的压差提供阴极内部足够的气体来维持等离子体,等离子体产生电子束。

·由于阴极在高温下工作,因此阴极必须由难熔金属构成。

· 发射体中毒和加热器失效是制约空心阴极性能的关键因素。这是由于当发射体暴露于大气中,其表面会吸附氧气及水蒸气等杂质。当对发射体进行加热后,杂质与发射体反应,从而使发射体失效,发射电子能力降低或失去发射能力。

·加热器的绝缘层涂覆烧结工艺操作繁琐,人为因素影响大,加热丝再结晶现象严重,易发生加热丝脆断现象。

等离子桥(PBN)

·等离子体桥是一个小的圆柱形电子源,可以放置在腔室的任何地方,通常放在放置在栅网的外层,指向离子束。

· 等离子体桥使用灯丝产生电子,在偏压的作用下放电产生的电子和部分离子向离子束输运,部分离子为电子进入离子束起搭“桥”作用,以降低耦合电压,并允许中和器位置距离子束较远。

等离子体桥仍然使用灯丝产生电子,使其易受反应气体的损坏,但作为一个被包含的圆柱体,它能比灯丝中和器更好地抵抗这些影响。

·离子能量带宽集中,离子方向性强,束型可靠离子束参数(能量,束流密度)方便可控,再现性强,与气压无关,大大增加了工艺的稳定性。

·对反应气体敏感,降低离子源稳定性

·离子源结构复杂,操作和维护稍显麻烦

·栅网为耗材,价格昂贵

·离子能量较高,但无法提供较大离子束流密度

·灯丝污染及更换频繁

考夫曼离子源普遍采用灯丝式中和器中和带电离子,由于灯丝式中和器直接暴露于工艺环境,会带来束流污染及降低寿命问题,特别是使用氧气和反应气体时,沉积造成的绝缘层会导致离子源不能正常工作,使得维护成本及维护难度增加。


离子束发散角可小于10°

射频离子源

射频离子源的四个主要组成部分:

放电室:放电室由介电材料组成,经由射频电场电离通入放电室的气体。

电子源:射频场激发气体中的自由电子,高能电子与工作气体发生电离碰撞,从而产生

离子和额外电子。当离子离开放电室时,电子被收集在屏栅表面。

栅网:如前所述,2级或3级栅网

中和器:中和器--.般是等离子体桥或射频中和器(RFN),射频中和器由带有射频线圈的小放电室组成,利用集电极和保持器发射电子。

射频离子源由射频电源供电,并通过匹配器进行自动匹配,产生等离子体,在栅网作用下引出离子束,过程如下。放电室的线圈在电感耦合作用下产生等离子体。

·离子束及屏栅通过电源连接,使等离子体相对于地为正电位加速栅通过电源连接,对地为负电位。通过屏栅筛选的离子束会进行加速。

·在栅网下游处,通过中和器向离子束注入电子,形成电荷平衡。


如图所示,给出了典型的采用射频中和器的射频离子源的工作原理和电气连接。

·放电室的RF线圈(ICP: 电感耦合)采用射频电源供电,并通过匹配器进行匹配。

·离子束电源采用直流偏压电源,连接到屏栅,以使放电等离子体相对于地为正电位。加速栅采用直流电源,使加速栅网相对于地为负电位。

·最后的射频中和器采用射频电源并配置匹配器用于自身放电,并利用额外的直流电源发射电子。

工作原理及电气连接图


射频中和器(RFN)

·由五个关键元件组成:射频线圈、放电室、气体隔离器、集电极和保持器。

·通过气体隔离器将工作气体引入放电室,然后将电源应用于射频线圈以产生放电,从放电中提取电子并被吸引到保持器上,放电中的离子被吸引到集电极上,并射出。

·射频中和器有助于最小化表面电荷问题,如电弧和介质击穿。通常中和器发射的电子比离子源发射的离子多。

·射频等离子体中和器是近年来提出的一种新型中和器,根据放电方式不同,分为射频电容耦合等离子体中和器和射频电感耦合等离子体中和器

·射频电容耦合等离子体中和器是利用射频电极之间的容性耦合放电产生等离子体,存在电极溅射、杂质污染等问题。

·射频电感耦合等离子体中和器是通过电磁感应耦合效应维持等离子体放电,无电极污染、等离子体密度高,可以在反应气体中长时间稳定工作,但存在放电起辉困难,放电室溅射污染等问题

·无灯丝放电,寿命长,可长时间稳定工作,大大降低了离子束中的杂质

·单电荷离子,几乎没有对屏栅的溅射,消除栅网污染问题

·极大改善考夫曼离子源的宽束均匀性

·离子能量及束流可宽范围内精确控制

·一些特殊的高性能光学薄膜(附着力、折射率、硬度、低吸收和低漂移等)只能用射频宽束离子源进行离子束辅助沉积工艺来完成

·电源配置复杂且费用高,操作复杂


等离子体源

等离子体源以等离子形式射出粒子,减少了配置中和器费用,并有效避免了基片表面电荷积累问题,支持长期稳定工艺过程。

等离子体源使用单层栅网作为引出电极,通过控制磁场对束型精确控制,避免3层栅网离子源对加速栅极的刻蚀,提高了束型稳定性。

ICP离子源

·ICP射频等离子体源的发射天线绕在电绝缘的石英放电室外边

·当通过匹配器将射频功率加到线圈上时,线圈中就有射频电流通过,于是产生射频磁

·射频磁通在放电室内部沿着轴向感应出射频电场,其中的电子被电场加速,从而产生等离子体,同时线圈的能量被耦合到等离子体中

·除了常规的采用很厚的石英罩将线圈包裹在真空中外,也有采用线圈不在真空中的设计结构,从而有效提高离子能量

                                                                                             单层栅网(钨),无加速栅网设计                      离子能量和离子电流密度单独可控

·裂解率高,可达到90%左右

·满足低离子能量的工艺需求

·工作压力范围宽,在0.01-10Pa环境 下使用

·无灯丝,接近中性等离子束

·几乎可使用任何工艺气体,腐蚀性气体配置差压泵

·集成匹配器,射频功率转换效率高

·离子能量和离子电流密度单独可控

·长期工艺稳定性高,无颗粒问题,低污染等级


主要应用

·光学镀膜领域可用于电子束辅助沉积以及磁控溅射辅助,主要是后氧化及后氮化

·太阳能行业可用于PECVD沉积减反层、钝化层、吸收层和阻挡层等

·显示行业可用于PECVD沉积阻隔膜、透明导电膜和透明硬质涂层等

·玻璃行业可用于表面活化及清洗、阻挡层及大面积沉积氧化物和氮化物

·装饰镀膜行业可用于氧化物和氮化物镀膜及DLC镀膜等

CCP离子源

CCP等离子体源的工作方式是由接地的放电室和引入的驱动电极作为耦合元件。当电源接通后,在放电室和驱动电极之间产生高频电场,自由电子在此作用下做上下往复运动,并激发放电,产生等离子体。

帕邢定律:对于等离子放电过程,平行板的间距(d)和气体压力(p)和平行板电压(V)之间有一 一定的关系。CCP等离子体源通过改变平行板间距,来调整在等离子放电条件下的电压(V),即等离子体相对栅网的能量。

特点:只有一个提取栅网,没有加速电压(不同射频离子源),等离子准直性由磁场来调节。这种设计的好处是给栅网和等离子体放电的设计,带来足够大的便捷性,以此来提高离子源参数,比如能量和束流。

离子源调整参数:磁场,阳极系统,射频功率,射频频率以及压力等

主要应用

·离子束刻蚀

· PECVD沉积

·离子束溅射

·离子束抛光和清洁

·离子束辅助沉积


                                                                                                       辅助电子束蒸发沉积A1Ox膜                                     PECVD沉积超薄碳徐层

                                                 PECVD                                                                                                                                                离子束刻蚀

离子源电源


用于霍尔离子源的电源及控制机组,可根据灯丝或者空心阴极的配置不同进行选择

用于阳极层离子源的高压直流电源


所有的控制和操作集成到一个单独的电源机架,可用于考夫曼离子源和射频离子源,根据配置不同选择不同的型号

用于等离子体源的射频电源和匹配器

除了上述所提的各种离子源技术,还有各种其它的离子源技术,比如ECR以及ECWR等等技术

离子源技术在镀膜中的应用越来越广泛,对离子源本身的要求也越来越高, 上述的各种离子源技术都有本身的优点和缺点,目前技术也在更加优化

对于霍尔离子源,可以采用寿命更长的中和器,如空心阴极等

对于阳极层离子源,采用更难被溅射的阳极材料,如石墨等,从而减少铁污染。另外,

如何保证阳极层离子源长期稳定工作也是一大挑战

对于栅网型离子源,采用自对准栅网以及新的中和器,比如低频中和器等。其中考夫

曼离子源有采用寿命更长的灯丝材料,如LaB。材料等

对于ICP等离子体源,如何提高离子能量也是一 -大难题

总之,各种离子源技术各有优缺点,根据具体的应用选择合适的离子源才是正确方法!


                                                                                                                                                                                                                                                              来源:光电资讯






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