离子束加工装置优化方案

7.2.2.1 离子束加工装置的构成及分类

离子束加工装置与电子束加工装置相似，包括离子源（又称离子枪）、真空系统（真空室和抽真空系统）、控制系统（控制束流密度和离子能量）和电源等，区别是用离子枪取代了电子枪。

离子束装置的基本原理是：由离子源产生含有所需元素的离子束，经过离子光学系统进一步加速和对束形进行控制，使离子的质量数、电荷数、能量、束流强度和形状等满足指标要求，然后在工作室内（亦称靶室）实现预定的离子束加工或其他应用，其原理如图7.2-2所示。

图7.2-2 离子束装置示意图

离子束装置的分类、主要参数范围及用途见表7.2-3。

表7.2-3 离子束装置分类

7.2.2.2 离子源

离子源是产生离子束的装置，是离子束加工装置中的关键部件之一。它将物质（气态、液态或固态）的原子、分子或原子簇电离成离子，用电场将离子引出形成离子束。离子源的性能，在很大程度上决定了整个设备的技术指标和工艺水平。同时，离子源又是整机设备中较易发生故障的部件。其基本工作原理是：将待电离气体（气态中性原子，如氩等惰性气体或金属蒸气）注入电离室，使该气体原子经受高频放电、气弧放电、等离子体放电，或在电子轰击下由气态原子电离成等离子体（即正离子数和负离子数相等的混合体）；然后在电场作用下，将正离子从离子源出口孔“引出”成为离子束流，而后使其加速射向工件或靶材。对离子源的要求，首先是离子束有较大的有效工作区，以满足实际加工的需要；其次，离子源的中性损失要小，因为中性损失是指通向离子源的中性气体未经电离而损失的那部分流量，它将直接给真空系统增加负担；此外，还要求离子源的放电损失小，结构简单，运行可靠等。只有研制出高性能的离子源才能获得各种高质量的微细和超微细加工效果。任何一个离子源并非必须完全具备上述的各项要求，在选择离子源时，一般根据离子束加工对象和加工工艺的不同要求，针对需要的主要指标来选型和设计。

离子源的类型很多，难以统一归类。表7.2-4对离子源按不同划分标准进行了分类。

表7.2-4 离子源分类

离子源的基本结构主要由离子的产生和离子的引出两部分组成。固体表面离子源、液态金属离子源和等离子体离子源中离子的产生机理有很大不同。固体表面离子源中的发射面是固体，其形状固定。液态金属离子源中的发射面由液态金属形成的锥形体表面构成，锥形体的尺寸由表面上的静电力和表面张力的平衡状态决定。等离子体源中的离子来源于等离子体，等离子体是由具有能量的原初电子在电场的作用下与气体中的原子和分子产生碰撞引起放电形成的。离子由引出系统从等离子体中引出，并形成一定形状的离子束。一个好的引出系统应与离子源的等离子体工作参数匹配良好，满足离子束的发射度、能散度等指标要求。

表7.2-5列出了几种比较典型的离子源。

表7.2-5 几种典型的离子源

（续）

图7.2-3 考夫曼型离子源

1—真空抽气口 2—灯丝 3—惰性气体注入口 4—电磁线圈 5—离子束流 6—工件 7—阴极 8—引出电极 9—阳极 10—电离室(www.xing528.com)

图7.2-4 弗利曼离子源

1—离子束 2—灯丝 3—放电室 4—蒸发炉 5—热屏蔽

图7.2-5 双等离子体型离子源

1—加工室 2—至第一真空泵 3—离子枪 4—氩气 5—阴极 6—中间电极 7—电磁铁 8—阳极 9—控制电极 10—引出电极 11—离子束 12—静电透镜 13—工件 14—至第二真空泵

图7.2-6 高频放电离子源结构示意图

1—阳极探针 2—放电室 3—感应线圈 4—大屏蔽罩 5—小屏蔽罩 6—引出电极 7—引出电极底座 8—进气管路 9—光栏

图7.2-7 液态金属离子源典型结构示意图

图7.2-8 金属蒸发真空电弧离子源（MEVVA）结构示意图

7.2.2.3 真空系统

真空系统主要包括泵、管道、阀门及测量装置，真空系统的性能由系统的极限真空度和系统的抽气速率决定。真空系统一般由两种或两种以上的真空泵组成，常用的真空泵有机械泵、扩散泵、分子泵、冷凝泵等，随系统对真空度及洁净度的要求不同而有不同的组合。良好的真空系统是离子源工作的前提，组成真空系统之前首先要选泵，选择直接对容器进行抽空的真空泵——主泵时，应该考虑的问题是被抽容器所要求的工作压力，被抽气体的性质和数量以及设备投资和运转费用等经济指标。主泵选定之后就要选前级泵。主泵和前级泵要衔接好，要做到从大气压起到真空系统所要求的极限真空度止，选用的各级真空泵能够一环扣一环的连接起来，不应该有空白的压力区间。通常采用机械泵作前级，后级可根据工艺的要求及用户的经济承受能力配备扩散泵、低温泵或涡轮分子泵。扩散泵和涡轮分子泵系统通常可用于多种工艺。涡轮分子泵的优点是没有油污染。如不采用反应气体又要用于沉积高质量膜层的工艺可采用低温泵系统。德国的莱宝公司和美国的TORR公司及CTI公司的低温泵系统都以其优越的性能而被许多真空设备生产厂商所广泛采用。

要提高真空系统的极限真空度，除了要解决真空密封问题和确定物体表面清洁度等因素之外，采用的材料也至关重要，因为不同材料在真空下的放气率是大不相同的。树脂、橡胶、塑料覆盖物、暴露的发动机、轴承等都不仅对真空度有影响，而且还会在工艺过程中对样品造成污染。因此，各厂商对真空系统的设计都非常重视。例如，英国Oxford的系统对所有有运动的真空密封都采用磁流体密封，而且样品的传动采用了内置式传动，工艺腔体内表面采用电解抛光的不锈钢材料，同时，还装有加温烘烤和冷却吸附系统。目前，各厂家系统的极限真空度通常都达到1.33×10^-5Pa量级，有的达到1.33×10^-6Pa量级。目前，各大离子束生产厂商的产品都采用闭环式自控系统，在一定压力范围内由传感器探测真空系统的变化而使离子束的各种参数自动匹配，在真空失控时可自保护并互锁。

7.2.2.4 控制系统和电源

不同的离子束装置对电控系统的要求差别很大，对于高度精密和洁净的微细加工用的离子束装置，相应要求高可靠性、高精度的计算机自动控制系统。

随着工业电气化的发展以及对工艺重复性、稳定性要求的提高，更由于计算机技术的飞速发展，利用微机进行离子束系统工艺的自动化控制已成为现实。它的基本构成是先利用工艺专用语言在微机上编制好各种情况下的工艺文件，操作时可按需要选择某种工艺文件，根据此次工艺的需要输入或更改各工艺参数，然后即可由微机存入工艺参数并发出指令开始工艺过程。而离子束系统的电源控制、压缩空气、循环水、各真空计、残留气体分析计、膜厚监测仪、终点探测器、样品夹具和沉积靶的伺服系统、离子源的工质压力及多种气体混和箱等都以微机为中心，实行闭环控制，在整个工艺过程中从微机监视器即可对工艺进展情况进行实时监测，形象直观，最终完成整个工艺过程。

电源也是离子束加工技术中的关键部件之一，电源的技术指标甚至决定了整个设备的技术指标。离子束设备中使用的电源种类很多，要求输出的电压和电流范围很广，要求的精度也很高。因此，设备需要的电源常常要根据要求自主开发。离子束设备中常用的电源包括稳压电源、稳流电源、偏转电源、扫描电源及射频电源等。