[发明专利]一种减少溅射污染的阳极层离子源

说明书

本发明通过有限元数值计算，提供一种磁镜比较高的阳极层离子源。其主要结构包含：阳极环、阴极内环、阴极外环、永磁体、磁轭、供气系统、所述阳极环的冷却液进/出管道、所述阴极内环冷却液进/出管道、所述磁轭冷却液进/出管道。其特征在于：所述阳极层离子源放电腔磁场的磁镜比大于2；所述阳极层离子源放电腔磁场的磁镜中心对称；所述阳极层离子源共采用3路冷却液通道进行冷却，分别对所述阳极环、所述阴极内环以及所述磁轭及永磁体进行冷却。此种设计可以有效降低阳极层离子源的溅射污染，延长阳极层离子源维护时间。

技术领域

本发明涉及真空镀膜设备领域，具体涉及一种减少溅射污染的阳极层离子源。

背景技术

阳极层离子源是一种具有闭合电子迁移和发射沟道的冷阴极离子源，其主要组成部分包括阴极内环、阴极外环、阳极环、磁体、磁轭、布气系统、冷却系统和驱动电源等部分。其中阴极内环、阴极外环与阳极环构成的放电腔被磁体、磁轭以及阴极内环极靴、阴极外环极靴所组成的磁路包围，阳极环接正电位、阴极内环、阴极外环、磁轭等接地。在正交的电场和磁场的作用下，电子在放电室内进行闭环迁移并形成电子流。闭环迁移的电子与气体发生碰撞时气体电离为离子和电子。离子在阳极环正电位作用下，被加速发射出放电沟道形成离子束，离子束对基片进行轰击或刻蚀。阳极层离子源离子束流密度很高，离子束能量范围很宽，并且其结构简单，设计成本低，可以制作较大尺寸，因此广泛应用于精密光学、半导体、微电子、装饰镀膜、硬质薄膜等领域。其主要作用是为了提高与基材的附着力，同时有效的控制膜层应力，改善微观结构和致密性。另外在类金刚石薄膜(DLC)沉积过程中，阳极层离子源常用于离化惰性气体如氩气，使其形成离子流入射到反应真空腔体，增大反应气体（如乙炔）的离化率，进而提高DLC涂层中SP³的比例和沉积速率，提高沉积薄膜的质量以及缩短沉积时间。

现有技术中，阳极层离子源的阴极内环、阴极外环、磁轭是用导磁率较高的碳钢制成，阴极内环与阴极外环均是离子源磁路的一部分，在使用过程中不可避免地会发生阴极溅射现象。阴极环上的铁原子被溅射出来，一部分沉积在离子源内部，导致绝缘结构破坏，阴、阳极可能导通，需要经常维护保养；另一部分铁原子随着离子束发射出去，沉积到工件上，影响薄膜沉积效果，尤其是对光学薄膜而言，严重影响其光学性能。中国专利CN109536906A、CN211062682U采用一种溅射产额较低的材料（如石墨）做成溅射环，包裹到易发生溅射的阴极内、外环上，从而降低内、外阴极的溅射污染。但石墨非常不好加工，而且易裂，给安装、维护带来很多不便，同时成本也会相应增加。

上述阴极内环、阴极外环与阳极环所形成的放电腔内的磁场是非均匀磁场，带电粒子在非均匀磁场作螺旋运动，其螺旋半径和螺距随磁场的强弱而发生变化。当带电粒子向磁场较强处螺旋前进时，它将受到一个与其前进方向相反的磁力分量。该磁力分量有可能最终使粒子的前进速度减小到零，并随之沿反方向前进，这种磁场分布称为磁镜。如果上述阳极层离子源的阴极内环极靴与阴极外环极靴之间形成的磁场的中心B₀小，阴极内环极靴、阴极外环极靴处磁场B_M大的话，就会形成上述磁镜。B_M与B₀的比值称为磁镜比R。电子在上述磁镜中运动，终会有一部分逃逸出来，逃逸出来的比例跟磁镜比成反比，即磁镜比越大，逃逸出来的电子比例越小，其计算公式如下：

R=B_M/ B₀ （1）

F(%)=(1-(1-1/R)^1/2)x100 （2）