離子源技術(shù)及其在真空鍍膜中的應(yīng)用

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、離子束刻蝕裝置、離子推進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產(chǎn)生離子的，也有很廣的用途。新型重離子源的出現(xiàn)，使重離子的電荷態(tài)明顯提高,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，基于氣體放電過程的各種離子源，都能提供一定的負離子束流。離子源是一門具有較廣應(yīng)用領(lǐng)域的學科，在許多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域如原子物理、等離子化學、核物理等研究中，離子源都是十分重要不可缺少的設(shè)備。

在離子源推進器實驗中，人們發(fā)現(xiàn)有推進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。離子源的另一個重要應(yīng)用是高能物理。具體就是離子加速器。簡單地說就是用一臺離子源產(chǎn)生某種材料的離子，這個離子就在磁性環(huán)路上加速，從而轟擊一個靶，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。離子源可以改善膜與基體的結(jié)合強度，同時膜本身的硬度與耐磨耐蝕特性也會改善。

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，一般用來產(chǎn)生低電荷態(tài)正離子，有時也從中引出負離子，作為負離子源使用。

在高頻電場中，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，以減少離子在金屬表面的復合。

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




弧放電離子源
在均勻磁場中，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。陽極做成筒形，軸線和磁場方向平行。磁場能很好地約束陰極所發(fā)射的電子流，在陽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。


陽極層離子源
若是鍍工具耐磨層，一般厚度較大而對膜厚均勻性要求不高，可采用離子電流較大能級也較高的離子源，如霍爾離子源或陽極層離子源。陽極層離子源，與霍爾離子源原理近似。在一條環(huán)形（長方形或圓形）窄縫中施加強磁場，在陽極作用下使工作氣體離子化并在射向工件。陽極層離子源可以做得很大很長，特別適合鍍大工件，如建筑玻璃。陽極層離子源離子電流也較大。但其離子流較發(fā)散，且能級分布太寬。一般適用于大型工件，玻璃，磨損，裝飾工件。但應(yīng)用于高級光學鍍膜并不太多。


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極柵格將離子從等離子腔體中抽取出來。這種離子源產(chǎn)生的離子方向性強，離子能量帶寬集中，可較廣應(yīng)用于真空鍍膜中。缺點是陰極（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
霍爾離子源是陽極在一個強軸向磁場的協(xié)作下將工藝氣體等離子化。這個軸向磁場的強不平衡性將氣體離子分離并形成離子束。由于軸向磁場的作用太強，霍爾離子源離子束需要補充電子以中和離子流。常見的中和源就是鎢絲（陰極）。
霍爾離子源的特點是：
1簡單耐用。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銷蝕，尤其對反應(yīng)氣體，一般十幾個小時就需更換。并且鎢絲還會有一定的污染。
為解決鎢絲的缺點。有采用較長壽中和器的，如一個小的空心陰極源。
霍爾離子源可以說是應(yīng)用較廣的離子源。高級的如Veece的Mark I 和 Mark II 離子源。適用的如國產(chǎn)的大部分離子源。
如果鍍耐磨裝飾膜，膜厚大，需要與機體結(jié)合力強，而均勻性要求不高?？捎没魻栯x子源。其離子電流大，且離子能級也高。如果是鍍光學膜，則主要要求離子電流能級集中，離子電流均勻性好。故建議用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)氣體中十來個小時就燒斷了。而高級離子源如ICP離子源可在反應(yīng)氣體中連續(xù)工作幾百小時。


鍍燈具鋁膜。因為是金屬膜，當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，可考慮用陽極層離子源。

離子源難起輝的一個原因是磁場太弱激發(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)在國內(nèi)離子源陰極一般都用鎢絲，很簡單方便。但需要定期更換。尤其是光學鍍膜時用氧氣，鎢絲一般只能用10個小時左右。另外鎢絲燒蝕會污染膜層。
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