第24卷 第4期真 空 科 学 与 技 术 学 报
2004年7、8月VAC UUM SCIE NCE AND TECH NO LOGY (CHI NA ) 279
关于辅助沉积霍尔离子源的几个问题
尤大伟3 任荆学 黄小刚 武建军
(中科院空间科学与应用研究中心 北京 100080)
Development of H all Ion Source for Film G row th by
Ion Beam Assisted Deposition
Y ou Dawei 3,Ren (Space Science and , o f , Beijing , 100080, China )
Abstract A novel s has been success fully developed for film growth by ion beam assisted deposition. I ts many ad 2
vantages include broad energy range ,large ion beam current ,low cost of operating gas ,little contamination and high level of automation.
K eyw ords Optical cating ,I on beam assisted deposition ,plasma accelerator
摘要 本文目的在于改进霍尔源的设计, 实现宽能、大束流、低气耗、低污染、能自动化控制的新一代霍尔源。
关键词 光学镀膜 离子束辅助镀膜 等离子体加速器
中图分类号:O48414 文献标识码:A 文章编号:167227126(2004) 0420279204
我们设计制造了6cm 霍尔等离子体源。该源的主要性能如下:源尺寸Ф14cm ×14cm ; 适用真空室直径700mm ～1000mm ; 照射距离30cm ～50cm ; 离子束平均能量40eV ～120eV ; 离子束流可到1000mA ; 工作压力
我们的霍尔源采用了与众不同的磁场设计[1～3], 流行的磁场是从中心引出向端部发散, 而本磁场是沿着阳极边缘引出向端部发散。这种磁场有利于提高气体效率及放电效率。离子流与放电电流比可达到1/3。可在较低气压(1～2) ×10-2Pa 及较小Ar 气流量(5～10) sccm 下运行。
离子源工作是通过磁场加速及电场加速的二种过程:磁场加速只发生在端部, 在阳极前一个电子回旋半径范围内进行; 而在锥形阳极前获得电场加速。因此, 离子束的能散度较大。通常离子束平均能量为0. 6V a , 其中V a 为所施加的阳极电压。离子束能量的均方根能散为0. 3V a 。对于流行的Mark 22产品而言, 所能采用的阳极电压是70V ～170V , 相应离子束能量是40eV ～100eV 。该能量对于光学镀
收稿日期:2003210209
3联系人:研究员,T el :[1**********]6
膜某些产品稍嫌不足。但使用更高阳极电压将引起放电不稳定, 是不可取的。使放电不稳定的主要因素是因为在离子产生区内没有足够的电子可供进气原子的电离, 产生等离子体。该电子是下游发射的电子经磁场的非正常扩散的回流进入上游放电区的电子。为了扩大离子束能量范围, 必须对影响电子回流的诸因素进行讨论。
由于设备的限制, 一般国产设备的有效抽速都是有限的。为了获得更大的离子流, 需要降低气耗。为此需改变放电结构, 选择合理的特征长度, 在扩大的离子流及降低气耗之间进行折中的选择。
在生产中为了提高成品率及重复性, 越来越需要生产过程自动控制。机械化应与信息化完美的结合才能满足生产的需要。本文将在霍尔源的自动化程序的编制思想上提供基本的原则。
1 霍尔源离子的能量
在磁场存在的情况下, 有二种加速离子的机理, 其一:由于在磁场的平行方向及垂直方向的电导率相差有数十倍, 造成了电位分布类似于磁力线的分
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布, 离子在该电位分布造成的电场作用下向轴中心
加速, 该电位差只占阳极电位一小部分。其二:加速机理是由于霍尔电流的加速作用, 这个加速占去阳极电位的大部分, 起着主要加速作用。由于在霍尔加速器的轴向存在较大的磁场梯度, 在该磁场梯度作用下, 电子回旋半径在不同磁场强度位置下也不同, 电子所受的磁力矢量在时间平均下就逆向磁场梯度方向。电子离子即沿着下游方向加速。文献[1]给出由于磁力造成的电位关系ΔV =KT e /e ln B/B 。式中ΔV 为磁场力造成的电位差, KT e 为电子温度(eV ) , B 及B 0为不同位置的磁场强度。本设计中B 场, B 0, 0=25V ～70V , 用如电子温度为10,
能量减速器实测离子平均能量约为放电电位的60%。则轴向加速作用的电位差也占了离子能量的60%～70%。
我们根据能量阻滞器实测的霍尔源平均离子能量与阳极电压的关系见图1。一般而言, 加速离子的能量为阳极电压的50%～60%。妨碍阳极高电压使用的主要因素是放电区所需要的电子回流。由分析霍尔加速器通过变化磁场的非正常电子扩散过程, 在加速过程中所产生的电子回流为:
J
e /J i =K 1V a /
1/2
不让高速电子未经充分碰撞中性原子之前就在阳极上损失掉。这样可以降低放电损失及中性损失。如果与高速电子的损失相关联的磁场参数为(2M e V a /
e )
1/2
1/2
B d x /(2M e V a /e ) 为3～10较为
合理。(, 由于本源电子
温度较高, 取该值较为合理) 。
本设计取上游轴向磁场为(1～1. 5) ×102T 。源出口面的中心磁场应为(4～5) ×10-3T 来保证有足V a 值, 又不能过多, 。但某。为此减小气流量
, 降低真空室的工作气压, 可以提高阳极电压。气流量的减小可以减少电离电子的需求, 降低电子回流的需要。气压的降低可以减少电子通过扩散回流的阻力。两者都有利于电子回流, 使放电趋于稳定。关于阳极电压随进气流量的变化见图2。可见为了获得高阳极电压工作应适当降低工作气流。如果真空抽速过低, 真空室内漏气过于严重也不利于电子回流扩散, 因此也不能获得高能的霍尔离子束。
B d x ∫
式中J e 为电子流密度, J i 为离子流密度, K 1为常数, V a 为放电(阳极) 电压, B d x 为横向磁场随距离的积分。在电场、磁场变化的情况下, 用这个积分磁场作为相关参数来考虑带电粒子的偏转是个半经验参数。在实验中证明有效。在阳极前建立磁场是为了偏转高速电子, 可以让高速电子电离中性原子,
∫
图2 阳极电压随进气流量M Ar 变化
Fig 12 Anode v oltage vs gas flowrates
阳极电压下限一般取70V , 对Ar ,O 2气体更低
的阳极电压则不足以提供电离气体所需的放电损失70eV , 一般可以通过增大气流来实现低压运行。
2 扩大离子流及降低气耗
为了追求大面积最佳的辅助镀膜效果, 一般希望具有更大的带能中性离子流。一般而言, 总离子流随所采用的阳极电流的增加而增加, 但总离子流密度与阳极电流密度的比值J i /J a 就主要取决于所采用的磁场B 及放电结构。开始时J i /J a 随磁场增加可以线性增加, 但到达某个临界磁场后就饱和了。此外磁场也不能过大, 否则影响电子回流, 使放电不
图1 霍尔加速器离子平均能量随阳极电压变化
Fig 11 Hall accelerator ion average energy
vs the anode v oltage
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稳定, 所以必须取一个适合值。
改变放电结构可以得到较大的离子流, 离子流与阳极电流的比值主要受到放电损失的限制。理论及实践上都表明产生每个离子消耗的功率即放电损失的最佳值为70eV ～100eV 。我们在放电区采用边缘磁场及发散磁场, 目的都是为了提高放电效率, 降低放电损失及中性损失。放电区只是在霍尔加速区前具有二个电子回旋半径大小的深度。该区内只是边缘有磁场, 限制电子被阳极接受。电子充分振荡可以提高电离效率。在Mark 22装置中J i /J a 一般取012, 我们可以达到012以上。靶上的束流密度, 见图3
。
采用了等离子体桥空心阴极中和器, 该中和器需增加电源, 但大大降低了污染及提高了使用寿命。
4 电源及自动化考虑
霍尔源具有结构简单, 维护方便等优点, 这也决定了其电源具有接线方便、结构简单的优点。霍尔离子源的电源配置图示于图4中, 阳极电源是一个输出50V ～200V 、电流为0～8A 的直流电源, 阴极电源是一个输出0～20V 0～20A 的电源, 。毫
。
图3 总离子束流随放电参数变化
Fig 13 I on beam current vs discharge parameters
/2[4,5]
气耗与中性损失相关, J 0=K 2B/V 1其中a
图4 霍尔离子源电源配置图
Fig 14 Schematics of Hall ion s ource and electric power supply
J 0为中性损失即未经电离的中性气体量。K 2为常
数, B 为放电区的磁场。可见适当采用低磁场能减少气耗。但过分降B 会降低所能获得的离子流, 这并不可取。由于真空抽速的限制, 希望进一步降低气耗, 在该情况下只能减小放电室特征长度, 即减小放电体积。我们在阳极锥外加上个阳极套, 明显可以降低气耗, 但并不显著影响放电室的性能, 该套可以方便卸下以供阳极清洗。
图5是霍尔离子源电源的硬件结构框图, 图中
单片机部分由89C51及其外围电路组成, 担负着离子源各参数的检测, 并进行分析计算, 最终控制各部分电路协调工作的功能, 是本系统的中央处理器。键盘电路用来感知人对电源的操作, 电源的手动操作, 设定的修改, 以及离子源的遥控等都是通过键盘电路实现的。液晶显示采用了511英寸的彩色液晶屏, 它被用来显示电源的状态、设定参数、工作时电源的各个参数以及源故障提示等。D/A 转换1、D/A 转换2和D/A 转换3分别作为阳极电源、阴极电源和工作气体流量的给定输入, 直接控制着此三部分电路。A/D 转换电路通过检测电路和多路转换器电路将离子源的各工作参数转换成数字信号, 提供给中央处理器。检测电路检测的离子源的参数有:阳极电压、阳极电流、阴极电压、阴极电流、阳极电压给定、阳极电流给定、阴极电流给定、气体流量、真空条件、阳极电源温度、阴极电源温度、中和电流, 共
3 降低污染
如果采用钨丝作为中和及阴极灯丝, K au fman [1]
提出污染量为:在用Ar 时, 小于4×10-4(W 阴极) 及小于13×10-4(碳分配器) ; 用O 2时, 小于13×10-4(W 阴极) 及小于3×10-4(不锈钢分配器) 及小
于2×10-4(不锈钢阳极) 。可见严重的污染来自炙热的钨灯丝。用0. 4mm 直径的纯钨灯丝其寿命可到(7～9) h (O 2) , 为了减小对敏感器件的污染, 我们
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12项
。
的控制下, 离子源的阳极具有恒压恒流的特性, 保证
了工作时离子源的离子能量和离子束流密度的稳定性。同时软件可预设置多个工作参数, 在辅助不同的膜料成膜时可选用不同的阳极工作参数。在有上位机控制时, 本离子源也可接受遥控信号, 随时改变工作参数以满足不同情况下对离子源的不同要求。
参 考 文 献
1 K au fman H R ,R obins on R S.J Sci T echnol ,1987,A5(4) :
～图5 电源硬件结构框图
Fig 15 Hardware diagram of the electric 2, ,2002,25(9) :679～6833I V A LL 2Union C on ference on Plasma Accel 2and I on Injectors. M oscow ,1978,Academy of science ,U. S. S. R
4 Plank G M ,K au fman H R ,R obins on R S. Experimental Investi 2gations of a Hall 2Current accelerator. AI AA paper 82-1920, 1982-11
5 K au fman H R. AI AA J ,1985,23(1) :78～87
、A/转换电路、
D/A 转换电路构成了一个闭环系统, 使离子源工作条件在一定范围内变化时, 离子源仍能保持稳定的工作状态。在软件
(上接第278页)
(4) 新S 25光电阴极与超S 25光电阴极比较, 其优
阴极与景物的反射辐射的匹配程度, 使微光夜视系统获得良好的观测效果。
参 考 文 献
1 Edward H. Eberhardt. S ource 2detector spectral matching factors. Applied Optics ,1968,7(10) :2037～2047
2 李 蔚, 常本康. G aAs 光电阴极与景物反射光谱匹配系
势是非常明显的。在晴朗星光下, 新S 25光电阴极与两种景物的光谱匹配系数都优于超S 25光电阴极, 尤
其明显好于超S 252。这是因为夜天光在近红外区域的辐射能量大, 而且景物在近红外区域的反射系数也比较高, 晴朗星光下景物的反射辐射光谱分布随波长增加而增加, 而新S 25光电阴极具有高灵敏度, 光谱响应曲线宽而平坦, 半宽度为475nm ～950nm , 且向红外波段有较大的移动, 能充分利用夜天自然光, 从而与景物的反射辐射光谱更加匹配。
从以上的分析可以看出,S 25光电阴极系列中以超S 252光电阴极与景物的光谱匹配最差, 超S 251光电阴极其次, 而新S 25最好。这说明微光夜视仪要提高对夜视光能的利用率, 光电阴极除了要提高光谱响应, 使峰值响应波长向长波段和近红外方向延伸以外, 还要增大光谱响应曲线的平坦性, 从而提高光电
数. 光子学报,1999,28(9) :857～859
3 Li Wei ,Chang Benkang. S pectral matching factors between G aAs
and multialkali photocathodes and reflective radiation of objects. Optical Engineering ,2001,40(5) :674～678
4 陈庆佑. 夜视成象器件的性能评价. 红外技术,1998,10
(1) :35～38
5 Richards E A. C ontrast 2enhancement in imaging devices by se 2lection of input photosur face spectral response. AEEP , 1969, 28B :661～675
6 常本康. 多碱光电阴极机理、特性与应用. 北京:机械工业
出版社,1995:92～93