离子源溅射原理.doc

离子源（Ion Beam Sources）的分类及原理等离子体是指被激发的气体达到一定电离度（10-4），气体处于导电状态，这种状态的电离气体是由大量接近于自由运动的带电离子所组成的体系，在整体上是准中性的。粒子运动与电磁场（外电场和粒子间的自洽场）是不可分割的，这种互相作用的电磁力是长程力，从而使等离子体显示出集体行为的特点，即电离气体中每一带电离子的运动都会影响到其周围带电离子，同时也受到其他带电粒子的约束。由于电离气体整体行为表现为电中性，也就是电离气体内正负电荷数相等，这种气体状态为等离子体态简称等离子体。有由于它独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故又称之为物质的第四态。 离子源是离子束溅射(IBS)和离子束加工(IBF)设备的关键部件。R&R公司的宽离子束源目前主要有Kaufman离子源、微波ECR离子源和RF离子源。其工作原理是利用气体放电产生等离子体，等离子体由电子、离子和中性粒子所组成，并被引出成束，成为离子源。 R&R离子源有两个栅极（或者三个栅极），分别为屏栅和加速栅，两极之间加一电压，电压的正极接屏栅，负端接引出极，因此，在等离子体边界和引出电极之间就形成一个加速离子的电场，当离子从等离子体发射面发射出来以后，被电场加速，通过小孔，形成离子束，再经过中和器中和后直接轰击基板或靶。中和器的目的是为了避免电荷在基板上聚集而产生对后续离子的排斥作用。 Kaufman离子源kaufman离子源是应用较早的离子源，属于栅格式离子源。首先从热阴极发射出来的电子经过阴极鞘层被加速而获得相应于等离子与阴极电位差的能量，它与进入电离室的气体原子相碰撞，气体原子被碰撞电离，形成离子及二次电子，电子及离子形成放电室等离子体。该放电等离子体在发散磁场作用下引向栅网离子光学作用区。由于离子光学的作用，离子被拔出，并形成离子。每个小孔形成的离子束经过发散混合及中和形成带能量、中性的宽离子束。由离子所获得的能量应是阳极电压与屏极电压之和（一般而言，由于阳极电压远小于屏极电压，故近似考虑屏极电压为离子加速能量）。该离子束有能量、方向、具有一定宽度口径、又是中性的离子束，在无场空间中对光学膜进行加工，离子束参数（能量，束流密度）可以方便控制，再现，与气压无关，这就大大增加了工艺的稳定性。微波ECR离子源微波电子回旋共振（ECR）离子源是一种无阴极源，具有电离度高、束流强度大、气压低、性能稳定等特点，是一种高密度低气压等离子体源，能够在较低的气压下产生大面积均匀的高密度等离子体。微波ECR等离子源装置是由微波源与传输波导、放电室、工作室、真空系统与配气系统组成。微波源采用频率为2.45GHz、功率可从0-400w连续调节，产生的微波经耦合波导、环行器、定向耦合器、阻抗匹配器及直波导输入放电室。放电室是行程高密度等离子体的区域，放电室为不锈钢圆腔，一端与微波输入波导相接，称为微波窗口，为了保持真空，微波窗口用绝缘陶瓷板密封，另一端与工作室相连；在放电室外侧，利用同轴线圈或永磁体组合成形磁镜场、发散场，提供电子回旋共振场并约束等离子体运动、扩散。在放电室中，电子在垂直磁场的平面上受洛伦兹力的作用而做回旋运动。当磁场强度在875Guass处，电子回旋频率和沿磁场传播的右旋圆极化微波频率都等于2.45GHz时，电子在微波电场中将被不断同步、无碰撞加速因而获得的能量将大于气体粒子的电离能、分子离解能或某一状态的激发能，那么将产生碰撞电离、分子离解和离子激活，从而实现等离子体放电和获得活性反应离子，行程高密度的ECR低温等离子体。射频（RF）离子源射频离子源中，气体通过一个专门设计的气体均压绝缘器进入石英放电室，13.56MHz的射频功率通过LC构成的人工传输线，感应进入放电室，产生了旋涡的周向电场。该电场可用来离化工作气体。采用三栅离子光学系统，离子光学系统中存在许多小孔，屏栅作为放电室中的阳极可以吸收放电电子，构成放电回路。屏极上又存在多个小孔，屏极小孔处由于有电场，在放电等离子体边界就会形成等离子体双鞘层。离子通过该弯月面鞘层发射电子，经过离子光学系统的聚焦加速形成离子束。该离子