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离子源技术及其在真空镀膜中的应用

发布时间:2020-04-28浏览次数:2

离子源

(英文名称:Ion source)是使中性原子或分子电离,并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件。


气体放电、电子束对气体原子(或分子)的碰撞,带电粒子束使工作物质溅射以及表面电离过程都能产生离子,并被引出成束。根据不同的使用条件和用途,已研制出多种类型的离子源。使用较广泛的有弧放电离子源、PIG离子源、双等离子体离子源和双彭源这些源都是以气体放电过程为基础的,常被笼统地称为弧源。高频离子源则是由气体中的高频放电来产生离子的,也有广泛的用途。新型重离子源的出现,使重离子的电荷态显著提高,其中较成熟的有电子回旋共振离子源(ECR)和电子束离子源(EBIS)。负离子源性能较好的有转荷型和溅射型两种。在一定条件下,基于气体放电过程的各种离子源,都能提供一定的负离子束流。离子源是一门具有广泛应用领域的学科,在许多基础研究领域如原子物理、等离子化学、核物理等研究中,离子源都是十分重要不可缺少的设备。

在离子源推进器实验中,人们发现有推进器材料从离子源飞出,这就开始了离子源在材料,特别是材料表面改性的应用。离子源的另一个重要应用是高能物理。具体就是离子加速器。简单地说就是用一台离子源产生某种材料的离子,这个离子就在磁性环路上加速,从而轰击一个靶,产生新的物质或揭示新的物理规律。

真空镀膜中用到的离子源
种类较多。主要有:高频离子源,弧放电离子源,kaufman离子源,射频离子源,霍尔离子源,冷阴极离子源,电子回旋离子源,阳极层离子源,感应耦合离子源可能还有很多其它类型离子源未被提到。
离子源类型虽多,目的却无非在线清洗,改善被镀表面能量分布和调制增加反应气体能量。离子源可以大大改善膜与基体的结合强度,同时膜本身的硬度与耐磨耐蚀特性也会改善。

高频离子源

利用稀薄气体中的高频放电现象使气体电离,一般用来产生低电荷态正离子,有时也从中引出负离子,作为负离子源使用。

在高频电场中,自由电子与气体中的原子(或分子)碰撞,并使之电离。带电粒子倍增的结果,形成无极放电,产生大量等离子体。高频离子源的放电管一般用派勒克斯玻璃或石英管制作。高频场可由管外螺线管线圈产生,也可由套在管外的环形电极产生。前者称为电感耦合,后者称为电容耦合高频振荡器频率为10 ~10 Hz,输出功率在数百瓦以上。

从高频离子源中引出离子可有两种方式。一种是在放电管顶端插入一根钨丝作为正极,在放电管尾端装一带孔负电极,并把该孔做成管形,从中引出离子流。另一种方式是把正极做成帽形,装在引出电极附近,而放电区则在它的另一侧。不管采用哪种引出方式,金属电极都要用石英或玻璃包起来,以减少离子在金属表面的复合。

在高频放电区域中加有恒定磁场时,由于共振现象可提高放电区域中的离子浓度。有时,还在引出区域加非均匀磁场来改善引出。



弧放电离子源

在均匀磁场中,由阴极热发射电子维持气体放电的离子源。为了减少气耗,放电区域往往是封闭的。阳极做成筒形,轴线和磁场方向平行。磁场能很好地约束阴极所发射的电子流,在阳极腔中使气体的原子(或分子)电离,形成等离子体密度很高的弧柱。离子束可以垂直于轴线方向的侧向引出,也可以顺着轴线方向引出。


阳极层离子源
若是镀工具耐磨层,一般厚度较大而对膜厚均匀性要求不高,可采用离子电流较大能级也较高的离子源,如霍尔离子源或阳极层离子源。阳极层离子源,与霍尔离子源原理近似。在一条环形(长方形或圆形)窄缝中施加强磁场,在阳极作用下使工作气体离子化并在射向工件。阳极层离子源可以做得很大很长,特别适合镀大工件,如建筑玻璃。阳极层离子源离子电流也较大。但其离子流较发散,且能级分布太宽。一般适用于大型工件,玻璃,磨损,装饰工件。但应用于高级光学镀膜并不太多。

考夫曼离子源

考夫曼离子源是应用较早的离子源。属于栅格式离子源。首先由阴极在离子源内腔产生等离子体,让后由两层或三层阳极栅格将离子从等离子腔体中抽取出来。这种离子源产生的离子方向性强,离子能量带宽集中,可广泛应用于真空镀膜中。缺点是阴极(往往是钨丝)在反应气体中很快就烧掉了,另外就是离子流量有极限,对需要大离子流量的用户可能不适和。

霍尔离子源

霍尔离子源是阳极在一个强轴向磁场的协作下将工艺气体等离子化。这个轴向磁场的强不平衡性将气体离子分离并形成离子束。由于轴向磁场的作用太强,霍尔离子源离子束需要补充电子以中和离子流。常见的中和源就是钨丝(阴极)。
霍尔离子源的特点是:
1简单耐用。2离子电流与气体流量几乎成比例,可获得较大离子电流。3钨丝一般横跨在出口,收离子束冲击很快会销蚀,尤其对反应气体,一般十几个小时就需更换。并且钨丝还会有一定的污染。
为解决钨丝的缺点。有采用较长寿中和器的,如一个小的空心阴极源。
霍尔离子源可以说是应用最广泛的离子源。高级的如Veece的Mark I 和 Mark II 离子源。适用的如国产的大部分离子源。
如果镀耐磨装饰膜,膜厚大,需要与机体结合力强,而均匀性要求不高。可用霍尔离子源。其离子电流大,且离子能级也高。如果是镀光学膜,则主要要求离子电流能级集中,离子电流均匀性好。故最好用Kaufman或RF离子源,有条件的可采用ECR(电子回旋)或ICP(感应耦合)离子源。另外,也要考虑到耗材,如用钨丝的霍尔源在反应气体中十来个小时就烧断了。而高级离子源如ICP离子源可在反应气体中连续工作几百小时。

镀灯具铝膜。因为是金属膜,当然是直流磁控溅射好。速度快。中频适合镀化合物膜。如果选离子源,霍尔离子源就够了。但要注意你的灯具大小。一般霍尔离子源是圆形,离子源覆盖的面积有限。你一定要用离子束将工件全部覆盖到。若普通霍尔离子源太小,可考虑用阳极层离子源。


离子源难起辉的一个原因是磁场太弱激发不起等离子体。离子源的种类虽多,但基本上是先产生等离子体,然后从等离子体中抽出气体离子并加速成离子束,然后需要注入电子中和离子流。
现在国内离子源阴极一般都用钨丝,很简单方便。但需要定期更换。尤其是光学镀膜时用氧气,钨丝一般只能用10个小时左右。另外钨丝烧蚀会污染膜层。 部分图片内容来源于网络