離子源技術(shù)及其在真空鍍膜中的應(yīng)用

2021/12/21

離子源

（英文名稱：Ion source）是使中性原子或分子電離，并從中引出離子束流的裝置。它是各種類型的離子加速器、質(zhì)譜儀、電磁同位素分離器、離子注入機(jī)、離子束刻蝕裝置、離子推進(jìn)器以及受控聚變裝置中的中性束注入器等設(shè)備的不可缺少的部件。
氣體放電、電子束對(duì)氣體原子(或分子)的碰撞，帶電粒子束使工作物質(zhì)濺射以及表面電離過(guò)程都能產(chǎn)生離子，并被引出成束。根據(jù)不同的使用條件和用途，已研制出多種類型的離子源。使用較廣泛的有弧放電離子源、PIG離子源、雙等離子體離子源和雙彭源這些源都是以氣體放電過(guò)程為基礎(chǔ)的,常被籠統(tǒng)地稱為弧源。高頻離子源則是由氣體中的高頻放電來(lái)產(chǎn)生離子的，也有廣泛的用途。新型重離子源的出現(xiàn)，使重離子的電荷態(tài)顯著提高,其中較成熟的有電子回旋共振離子源(ECR)和電子束離子源(EBIS)。負(fù)離子源性能較好的有轉(zhuǎn)荷型和濺射型兩種。在一定條件下，基于氣體放電過(guò)程的各種離子源，都能提供一定的負(fù)離子束流。離子源是一門具有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的學(xué)科，在許多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域如原子物理、等離子化學(xué)、核物理等研究中，離子源都是十分重要不可缺少的設(shè)備。
在離子源推進(jìn)器實(shí)驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)有推進(jìn)器材料從離子源飛出，這就開始了離子源在材料，特別是材料表面改性的應(yīng)用。離子源的另一個(gè)重要應(yīng)用是高能物理。具體就是離子加速器。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是用一臺(tái)離子源產(chǎn)生某種材料的離子，這個(gè)離子就在磁性環(huán)路上加速，從而轟擊一個(gè)靶，產(chǎn)生新的物質(zhì)或揭示新的物理規(guī)律。
真空鍍膜中用到的離子源種類較多。主要有:高頻離子源，弧放電離子源，kaufman離子源，射頻離子源，霍爾離子源，冷陰極離子源，電子回旋離子源，陽(yáng)極層離子源，感應(yīng)耦合離子源可能還有很多其它類型離子源未被提到。離子源類型雖多，目的卻無(wú)非在線清洗，改善被鍍表面能量分布和調(diào)制增加反應(yīng)氣體能量。離子源可以大大改善膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)膜本身的硬度與耐磨耐蝕特性也會(huì)改善。

高頻離子源

利用稀薄氣體中的高頻放電現(xiàn)象使氣體電離，一般用來(lái)產(chǎn)生低電荷態(tài)正離子，有時(shí)也從中引出負(fù)離子，作為負(fù)離子源使用。

在高頻電場(chǎng)中，自由電子與氣體中的原子(或分子)碰撞，并使之電離。帶電粒子倍增的結(jié)果，形成無(wú)極放電，產(chǎn)生大量等離子體。高頻離子源的放電管一般用派勒克斯玻璃或石英管制作。高頻場(chǎng)可由管外螺線管線圈產(chǎn)生，也可由套在管外的環(huán)形電極產(chǎn)生。前者稱為電感耦合,后者稱為電容耦合高頻振蕩器頻率為10 ～10 Hz，輸出功率在數(shù)百瓦以上。

從高頻離子源中引出離子可有兩種方式。一種是在放電管頂端插入一根鎢絲作為正極，在放電管尾端裝一帶孔負(fù)電極，并把該孔做成管形，從中引出離子流。另一種方式是把正極做成帽形，裝在引出電極附近，而放電區(qū)則在它的另一側(cè)。不管采用哪種引出方式，金屬電極都要用石英或玻璃包起來(lái)，以減少離子在金屬表面的復(fù)合。

在高頻放電區(qū)域中加有恒定磁場(chǎng)時(shí)，由于共振現(xiàn)象可提高放電區(qū)域中的離子濃度。有時(shí)，還在引出區(qū)域加非均勻磁場(chǎng)來(lái)改善引出。

弧放電離子源

在均勻磁場(chǎng)中，由陰極熱發(fā)射電子維持氣體放電的離子源。為了減少氣耗，放電區(qū)域往往是封閉的。陽(yáng)極做成筒形，軸線和磁場(chǎng)方向平行。磁場(chǎng)能很好地約束陰極所發(fā)射的電子流，在陽(yáng)極腔中使氣體的原子（或分子）電離，形成等離子體密度很高的弧柱。離子束可以垂直于軸線方向的側(cè)向引出，也可以順著軸線方向引出。
陽(yáng)極層離子源
若是鍍工具耐磨層，一般厚度較大而對(duì)膜厚均勻性要求不高，可采用離子電流較大能級(jí)也較高的離子源，如霍爾離子源或陽(yáng)極層離子源。陽(yáng)極層離子源，與霍爾離子源原理近似。在一條環(huán)形（長(zhǎng)方形或圓形）窄縫中施加強(qiáng)磁場(chǎng)，在陽(yáng)極作用下使工作氣體離子化并在射向工件。陽(yáng)極層離子源可以做得很大很長(zhǎng)，特別適合鍍大工件，如建筑玻璃。陽(yáng)極層離子源離子電流也較大。但其離子流較發(fā)散，且能級(jí)分布太寬。一般適用于大型工件，玻璃，磨損，裝飾工件。但應(yīng)用于高級(jí)光學(xué)鍍膜并不太多。

考夫曼離子源考夫曼離子源是應(yīng)用較早的離子源。屬于柵格式離子源。首先由陰極在離子源內(nèi)腔產(chǎn)生等離子體，讓后由兩層或三層陽(yáng)極柵格將離子從等離子腔體中抽取出來(lái)。這種離子源產(chǎn)生的離子方向性強(qiáng)，離子能量帶寬集中，可廣泛應(yīng)用于真空鍍膜中。缺點(diǎn)是陰極（往往是鎢絲）在反應(yīng)氣體中很快就燒掉了，另外就是離子流量有極限，對(duì)需要大離子流量的用戶可能不適和。

霍爾離子源霍爾離子源是陽(yáng)極在一個(gè)強(qiáng)軸向磁場(chǎng)的協(xié)作下將工藝氣體等離子化。這個(gè)軸向磁場(chǎng)的強(qiáng)不平衡性將氣體離子分離并形成離子束。由于軸向磁場(chǎng)的作用太強(qiáng)，霍爾離子源離子束需要補(bǔ)充電子以中和離子流。常見(jiàn)的中和源就是鎢絲（陰極）。霍爾離子源的特點(diǎn)是：1簡(jiǎn)單耐用。2離子電流與氣體流量幾乎成比例，可獲得較大離子電流。3鎢絲一般橫跨在出口，收離子束沖擊很快會(huì)銷蝕，尤其對(duì)反應(yīng)氣體，一般十幾個(gè)小時(shí)就需更換。并且鎢絲還會(huì)有一定的污染。為解決鎢絲的缺點(diǎn)。有采用較長(zhǎng)壽中和器的，如一個(gè)小的空心陰極源。霍爾離子源可以說(shuō)是應(yīng)用最廣泛的離子源。高級(jí)的如Veece的Mark I 和 Mark II 離子源。適用的如國(guó)產(chǎn)的大部分離子源。如果鍍耐磨裝飾膜，膜厚大，需要與機(jī)體結(jié)合力強(qiáng)，而均勻性要求不高。可用霍爾離子源。其離子電流大，且離子能級(jí)也高。如果是鍍光學(xué)膜，則主要要求離子電流能級(jí)集中，離子電流均勻性好。故最好用Kaufman或RF離子源，有條件的可采用ECR（電子回旋）或ICP(感應(yīng)耦合)離子源。另外，也要考慮到耗材，如用鎢絲的霍爾源在反應(yīng)氣體中十來(lái)個(gè)小時(shí)就燒斷了。而高級(jí)離子源如ICP離子源可在反應(yīng)氣體中連續(xù)工作幾百小時(shí)。

鍍燈具鋁膜。因?yàn)槭墙饘倌ぃ?dāng)然是直流磁控濺射好。速度快。中頻適合鍍化合物膜。如果選離子源，霍爾離子源就夠了。但要注意你的燈具大小。一般霍爾離子源是圓形，離子源覆蓋的面積有限。你一定要用離子束將工件全部覆蓋到。若普通霍爾離子源太小，可考慮用陽(yáng)極層離子源。

離子源難起輝的一個(gè)原因是磁場(chǎng)太弱激發(fā)不起等離子體。離子源的種類雖多，但基本上是先產(chǎn)生等離子體，然后從等離子體中抽出氣體離子并加速成離子束，然后需要注入電子中和離子流。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)離子源陰極一般都用鎢絲，很簡(jiǎn)單方便。但需要定期更換。尤其是光學(xué)鍍膜時(shí)用氧氣，鎢絲一般只能用10個(gè)小時(shí)左右。另外鎢絲燒蝕會(huì)污染膜層。