離子源是使中性原子或分子電離,并從中引出離子束流的裝置，隨著離子源技術(shù)的不斷發(fā)展，其在鍍膜中應(yīng)用也越來越廣，對離子源本身的要求也越來越高。離子源技術(shù)有多種多樣，如何選擇合適的離子源成為了鍍膜應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)。


離子源的發(fā)展及分類
     離子源的起源源于空間推進(jìn)器的制造，在離子源推進(jìn)器試驗中，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，尤其是材料表面改性的應(yīng)用。

20世紀(jì)60年代，美國Kaufman教授主持研制的寬束低束流密度的離子轟擊電推進(jìn)器為帶柵網(wǎng)的離子源，被稱為考夫曼離子源（Kaufman）；而蘇聯(lián)則以霍爾離子源（End-Hall）為主。

離子源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)、離子束刻蝕及清洗裝置、離子束濺射裝置、離子束輔助沉積裝置、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。

廣義上來講,我們一般也將等離子體源劃歸為離子源一類。






無柵網(wǎng)離子源
    通過陰極引出離子，并通過磁場對離子作用，產(chǎn)生離子束，主要分為霍爾離子源及陽極層離子源。

主要特點： 

●  汽耗大，污染較為嚴(yán)重

●  束型約束較差

●  相比柵網(wǎng)型離子源束能低

●  主要適用于離子束輔助沉積及清洗







1.霍爾離子源



霍爾離子源由陰極、陽極、氣體分配器、磁場組成。陰極發(fā)射電子,既充當(dāng)陰極,轟擊均勻進(jìn)氣的原子,離化原子形成放電等離子體。又充當(dāng)中和電子,強迫中和經(jīng)電場及磁場加速的離子束。其中放電電子必須通過擴(kuò)散,通過磁場的阻滯,回流進(jìn)入放電區(qū)。

霍爾離子源結(jié)構(gòu)圖



2.陽極層離子源



陽極層離子源是一種不需要熱燈絲陰極進(jìn)行電荷補償?shù)目煽垦b置,可在不同壓力范圍和不同的氣體環(huán)境下產(chǎn)生離子束,可在化學(xué)活性氣體(氧氣、空氣、鹵素氣體)環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。通過閉合的磁阱、陰極和陽極之間的高電壓以及正確的工作壓力,氣流通過磁阱從而產(chǎn)生等離子體射流。

柵網(wǎng)型離子源

柵網(wǎng)型離子源通過柵網(wǎng)對離子的篩選加速等作用,可更好的控制束型及離子能量柵網(wǎng)型離子源根據(jù)電源類型分為考夫曼離子源和射頻離子源。
柵網(wǎng)是彼此相距幾毫米的電極,每個柵網(wǎng)具有多個對準(zhǔn)的孔,用于離子的提取。靠近放電室的柵網(wǎng)稱為屏柵，下一個柵網(wǎng)被稱為加速柵,在一些離子源中,使用第三級柵網(wǎng),其位于放電室的外層,被稱為減速刪。
屏柵( screen grid):柵網(wǎng)靠近陰極(燈絲)處里層,電位是正偏壓,有靜電屏蔽的作用,防止柵極與柵極之間的電容耦合并可加速離子,篩選滿足條件離子；
加速柵( accel grid):位于第二層?xùn)啪W(wǎng),是偏壓負(fù)極來聚焦離子,并進(jìn)行徑向加速；
減速柵( decel grid):位于外層,它可以幫助聚焦,并保護(hù)其他兩個柵網(wǎng)不受加工材料的影響；
大多數(shù)系統(tǒng)在濺射或刻蝕過程中使用三層?xùn)啪W(wǎng)來提高離子束的穩(wěn)定性。









1.考夫曼離子源

  考夫曼離子源由陰極加熱發(fā)射電子,電子被正偏壓陽極所吸引,由于受限于磁場的作用,電子在磁場軌道上漂移。當(dāng)電子運動時,它們將電離通入工藝腔室的中性原子(分子)氣體從而產(chǎn)生等離子體。通過柵網(wǎng)對離子的約束作用,形成設(shè)定離子束。




2.射頻離子源

射頻離子源由射頻電源供電,并通過匹配器進(jìn)行自動匹配,產(chǎn)生等離子體,在柵網(wǎng)作用下引出離子束,過程如下：

●  放電室的線圈在電感耦合作用下產(chǎn)生等離子體

●  離子束及屏柵通過電源連接,使等離子體相對于地為正電位加速柵通過電源       連接,對地為負(fù)電位。通過屏棚篩選的離子束會進(jìn)行加速

●  在柵網(wǎng)下游處,通過中和器向離子束注入電子形成電荷平衡。

              


等離子體源

等離子體源以等離子形式射出粒子,減少了配置中和器費用,并避免了基片表面電荷積累問題,支持長期穩(wěn)定工藝過程等離子體源使用單層?xùn)啪W(wǎng)作為引出電極,通過控制磁場對束型精確控制,避免3層?xùn)啪W(wǎng)離子源對加速柵極的刻蝕,提高了束型穩(wěn)定性。




1. ICP離子源

   ICP射頻等離子體源的發(fā)射天線繞在電絕緣的石英放電室外邊，當(dāng)通過匹配器將射頻功率加到線圈上時線圈中就有射頻電流通過,于是產(chǎn)生射頻磁，射頻磁通在放電室內(nèi)部沿著軸向感應(yīng)出射頻電場,其中的電子被電場加速,從而產(chǎn)生等離子體,同時線圈的能量被耦合到等離子體中，除了常規(guī)的采用很厚的石英罩將線圈包裹在真空中外,也有采用線圈不在真空中的設(shè)計結(jié)構(gòu),從而有效提高離子能量。






主要應(yīng)用于：



●    光學(xué)鍍膜領(lǐng)域可用于電子束輔助沉積以及磁控濺射輔助,主要是后氧化及后氮化太陽能行業(yè)可用于 PECVD沉積減反層、鈍化層、吸收層和阻擋層等

●    顯示行業(yè)可用于 PECVD沉積阻隔膜、透明導(dǎo)電膜和透明硬質(zhì)涂層等

●    玻璃行業(yè)可用于表面活化及清洗、阻擋層及大面積沉積氧化物和氮化物

●    裝飾鍍膜行業(yè)可用于氧化物和氮化物鍍膜及DLC鍍膜等










2. CCP 等離子源

CCP等離子體源的工作方式是由接地的放電室和引入的驅(qū)動電極作為耦合元件。當(dāng)電源接通后,在放電室和驅(qū)動電極之間產(chǎn)生高頻電場,自由電子在此作用下做上下往復(fù)運動,并激發(fā)放電,產(chǎn)生等離子體。
主要應(yīng)用于：

●    離子束刻蝕

●    PECVD沉積

●    離子束濺射

●    離子束拋光和清潔

●    離子束輔助沉積輔助





（1）離子束刻蝕        （2）輔助電子束蒸發(fā)沉積AlOx膜    （3）PECVD


除了上述所提的各種離子源技術(shù),還有各種其它的離子源技術(shù),比如ECR以及ECWR等等技術(shù)。然而各種離子源技術(shù)各有優(yōu)缺，選擇適合的離子源才是關(guān)鍵。
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