尤大伟
(中科院空间中心北京 100080)
THE ION BEAM SOURCE TECHNOLOGY FOR OPTICLE PHILM COATING
Dawei YOU
（Space Science and Application Research Center, Academy Cynic，Bejing,100080）Abstract The several ion beam sources(Kaufman ion source, Hall source, RF ion source, GIS ion source, Anode Layer ion source) for optical film IAD manufacturing were reviewed. The operation principle, major technique, and typical ion sources were presented especially. The compared performance of these ion sources was listed finally.
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Keywords Optical film costing, Ion beam sources, Ion assisted deposition
摘要：本文叙述了制备光学薄膜的各种常用辅助镀膜离子源工作原理，关键技术。并制表予以比较。
关键词光学薄膜辅助镀膜离子源离子束辅助镀膜
一、 前言
众所周知，制备高质量的光学薄膜已经离不开离子束技术。光学膜要求高硬度及高附着力，一般采用离子束清洗加以改善，要求降低由于薄膜吸潮引起波长向长波漂移，降低薄膜的吸收及散射引起的光学损耗，降低薄膜的抗激光损伤，一般均采用合适工艺的离子束辅助镀膜技术来解决。制备高质量、高难度、高效率的光学薄膜时，更有用离子束溅射替代电子束蒸发的新趋势。 本文介绍产生离子束的离子源技术。离子束当今应用最广的首推离子束辅助镀膜技术（IAD）。该技术至今已得到国际上公认，国外生产镀膜机的厂家出厂产品60%都已配备离子源，常用辅助镀膜离子源为考夫曼（Kaufman）离子源，霍尔离子源，射频离子源，无栅离子源（国内称GIS，国外称APS），微波离子源，阳极层离子源等数种。我们将对这些种
量，他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。2-2，设计要点 考夫曼教授(1) (2) (7) (8) 于1960年发明了该型离子源，该离子源首先应用于空间飞行器的离子推进，其严格要求的是耗能小，寿命长。考夫曼源的两大特是采用了有别于一般离子源的低磁场并识别了放电室内的二类电子，即阴极发射的高能电子（原初电子）及经过非弹性碰撞和热化后产生的等离子电子（二次电子）。考夫曼教授利用发散磁场或多极磁场保护阳极，并延长了电子自由程。大大提高了放电效率。在阳极前形成的磁障，用积分磁场来量度。该积分磁场应保证在阳极前高速电子有二个回旋半径的距离来排斥高速电子。电离产生的离子大部分要经过三体碰撞与壁面复合，为了提高离子拔出效率，高密度的等离子应尽量靠近栅网附近，并利用发散磁场加速等离子体引向栅网附近。除此之外，还要提高离子束的均匀性。首先进气必须均匀，并要扩大磁场的均匀区，进而造成无磁场区域。这就是多极场考夫曼离子源的由来。在多极场考夫曼源中，沿着放电室四壁布置了由软铁片制成的磁极靴，将磁钢夹在磁极之间，并使相邻的磁钢极性相反，于是在放电室四壁构成了电子的磁障，高速电子受到磁障的反
射将不能到达阳极，从而提高了放电效率；而又在放电室中央形成弱场区或无场区，这就大大提高了离子束的均匀性。在该K-12离子源中采用了主阳极及后阳极，相邻磁钢极性相反，也是基于提高均匀性的考虑。
2-3，几点工艺考虑
为了进一步提高离子束均匀性，我们采用了球形离子光学。凹形栅会使离子束聚焦，采用凸形栅将使离子束发散。K-12源在离源出口50cm处得到大于50cm直径的均匀区。不均匀性小于15%。辅助镀膜离子能量可以在200-600ev之间变化，到达工件的离子密度约为20-60μa/cm2。相当于 1.2×1013～4×1013离子/s.cm2。辅助镀膜时应在较高真空下（＜1.5×10-2Pa），因而有较长的碰撞自由程，离子不会由于较大的工作距离而损失。一般而言离子电荷交换（快离子与环境气体原子碰撞后产生快原子及慢离子）在500ev能量下，在10-2 Pa时自由程约为1.8m，而动量损失的自由程在同样条件下为52 m。电荷交换后产生的快原子仍然可以用来加工，但动量损失碰撞后就是离子束的实际损失。因此工作真空度不宜太低。对于光学膜而言有二个工艺参数要考虑，一个是到达的离子原子比，该值可以在10-2-10-1变化。一个是离子能量。综合起来是每个沉积的原子可以从离子那里得到多少能量。对于光学膜而言，该值为10-30ev为宜。由于离子束加工的光学膜一般是个绝缘体，没有经过中和的离子束会在表面产生电荷积累，电位原位升高，与周围环境会形成微放电，通过肉眼可见工件上星星闪烁，这是不允许的。因此，离子束必须经过主动中和。可以用热灯丝发射电子或桥空心阴极，直流空心阴极，射频空心阴极发射电子对
离子束实施强迫中和。中和电子流一般为离子束的1.2-1.5倍。为了充分中和，一般都要对中和器施加负偏压，空心阴极中和器具有长寿命，小污染的优点，但造价偏高。
三、霍尔离子源
3-1，工作原理
霍尔离子源具有电源及结构简单（不需要栅网）的优点。其示意图见图2，
Cathod
Fig2 Schematic representation of the Hall ion source
该源由阴极、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。在锥形磁场存在的条件下，该离子源有两种加速离子的机理。一方面由于在磁场的平行方向和垂直方向的电导率相差有数十倍，造成在阳极附近的电位分布类似于磁力线的分布。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压的小部分。第二个加速机理是由于霍尔电流的作用。这个加速占了阳极电压的大部分，起着主要加速作用。由于在霍尔源的轴向存在较大的磁场梯度，在磁场梯度作用下，电子回旋半径在不同位置下，磁场强度也不同，电子所受磁场力在时间平均下，就逆向磁场梯度方向，电子拉着离子，于是离子电子就朝着出口处加速。磁场的加速发生在阳极端部，一个电子回旋半径处，因此该类源也可称为热阴极阳极层离子源。在电场与磁场相互垂直的阳极端部，放电等离子体会形成霍尔电流，霍尔电流是周向环流，霍尔电流与径向磁场作用，会形成磁场的霍尔加速。霍尔加速与磁场梯度的加速效果是相同的。
一般而言，离子加速的能量与阳极电压有关，其平均能量约为阳极电压的0.6倍左右，而由于磁场的加速离子能量很分散，其均方根能散度为阳极电压的0.3倍。由于放电需要充分的电子回流，霍尔源一般不能采用高的阳极电压，阳极电压一般取70—180V。离子流一般为阳极电流的0.2倍。增加离子流则需要加大阳极电流，这就要加大阴极功率及气流量。阳极电流一般为1—10A。以下讨论霍尔源运行中遇到的几
个问题
3-2，几个问题
3-2-1，关于施加阳极电压的问题
在一定的磁场条件下，需要的放电电子数量与放电电压相关，如用过大的阳压则没有足够的电子回流供应。这样造成的放电不稳定。为此要提高工作真空度，降低气流量，减小阳极电
流，加大阴极功率来补偿。但对于霍尔源放电一般取放电电压小于200伏为宜。
3-2-2，加大放电电流
加大放电电流也受到电子回流的限制，为了加大放电电流应增加气流量，加大阴极功率，减小阻挡电子回流的磁场。但为了保证气效率及电效率(既提高离子流)又必须保证一定的积分磁场。因此在电极结构上应增加阳极接收面积，缩小放电体积。
3-2-3, 保证等离子体的中和程度
在霍尔源中有两类结构，一类把分配器悬浮起来把阴极接地，此时接地电流即为中和电流。中和电流应
为离子流的1.2-1.5倍。另一类把整个霍尔源接地，此时阳极悬浮电位应大于阳极电压10%左右。阳极层电位差由电子温度决定，有正电位差的阳极层才能保证放电稳定，使等离子体充分中和。
3-2-4，减小霍尔源的放气量
国产真空机一般来说抽速较低，而霍尔源希望在真空较高的环境下工作，因此必需减小霍尔源的气耗。降低气耗要求降低磁场，增加放电电压，但都要受到限制，为此只能从放电结构上采取措施，可降低放电的特征长度，即缩小放电室体积，增加阳极接收面积。
3-2-5，关于霍尔源的温度效应及污染
霍尔源如用直热式灯丝发射电子，必然用大功率烘烤镜片，同时也带来对工业的污染。考夫曼教授认为灯丝带来0.1%量级的污染，而分配器带来0.05%的污染。为此用造价较高的空心阴极取代直热灯丝是个良策。如果阴极电流大于5A，则宜用水冷阳极。
四、射频离子源
4-1，引言
射频离子源由德国吉森大学劳伯教授（5）（6）在上世纪60年代，在电火箭空间应用上发展而来。辅助
镀膜光学薄膜通常采用反应气体氧作为介质。采用直流气体放电的离子源离不开阴阳极间的辉光放电，如采用阴极灯丝在氧作用下会影响离子源的工作寿命，也会给离子束带来污染，从而影响高质量光学薄膜的质量。于是近年来射频离子源就受到了重视。射频离子源主要的优点是:
1.该源采用磁感应产生等离子体，因此是无极放电。放电室内无灯丝作为阴极，此外中和器也用射频感应产生等离子体，再从等离子体中用电场拔出电子束来中和离子束。这样无灯丝就可以在反应气体中长时间稳定工作，也大大降低了离子束中的杂质。
2.由于射频离子源产生的离子束，只有单电荷离子几乎没有双电荷离子，因此对屏栅的溅射大为减小，也减小了离子束中由于屏栅溅射带来的污染。
3.由于射频的趋肤效应，磁感应产生的周向漩涡电场沿径向按贝塞尔函数非线性增加，使等离子体电子温度沿径向增加。而由于双极扩散效应，等离子体沿壁面复合。使等离子密度沿径向减小。而从等离子体鞘层中离子的拔出速度，波姆速度与等离子温度正相关，于是，离子拔出速率为离子密度与离子拔出速度乘积。二者相乘的结果使离子拔出速率沿径向均匀，可以使宽束的均匀性大为增加。
4-2，工作原理
基本原理见图3。
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，13.56MH Z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。一般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。该离子束也必须通过中和器进行强迫中和，中和器除了中和作用外，也能可靠提供低压离子源的点火起弧。
4-3，几个关键问题
Neutralizer
Quartz discharge
chamber
Gas insulator
Ground grid Accelerator grid Screen grid
Fig3 the sketch of the RF ion source
4-3-1关于点火起弧
射频电离的基本原理是电磁感应，围绕石英罩放电室外的线圈会在放电室内感应出周向的旋涡电场，该电场用于电离气体原子。由于趋肤效应，该电场沿径向按贝塞尔函数分布，电场强度与等离子放电负载的匹配有关，与线圈中通过的电流直接有关。
电子对气体分子电离要从电场中取得足够的能量，对于氧，氮，氩等气体的电离电位约为12-20ev，离子源感应产生的最大电场约为10-20v/cm。射频电场只在半周期内对电子加速，该速度不足以电离气体，但如果通过电子弹性碰撞及电子回旋改变了电子运动的方向，电子就可以得到同步加速，获得足以电离气体的能量。于是我们提出射频源点火起弧的判据，即气体分子在放电室的碰撞频率与电子在磁场作用下的回旋频率相乘之积的一半应大于等于射频的激发频率。
点火时应采用中和器电子回流进入放电室，利用匹配技术输入线圈中电流，也应该加大放电室中气压（放大进气量），提高分子碰撞频率，从而满足所提的判据。根据该判据也可以算出所需的磁场，从而提供线圈匝数，此外也应减小离子光学流导，保证在放电室内取得较高气压。
4-3-2射频电源匹配问题
射频电源通过L型人工传输线，建立匹配网络，对感应线圈输入电流。可调射频匹配网络，见图4。
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