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离子源技术
   
来源:深圳大学薄膜物理与应用研究所   发布者:tfpa   发布时间:2010-1-7 9:49:43   浏览次数:4215
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离子源在我国应用得越来越多。但相对真空镀膜用户还是比较陌生。比如有什么不同种类?各种离子源又有何特点。那些真空镀膜工艺非离子源不可;那些镀膜工艺只是锦上添花;而那些镀膜场合离子源只是点缀。等等。希望各位大侠和前辈参加讨论

据说离子源起源于星球大战的美苏竞争。理论计算表明离子源作空间推进器能量密度大于常规液氢推进器。美国的研究以美国宇航局的Kaufman教授的栅格式离子源(现在这类离子源仍叫Kaufman离子源)为主,而苏联则以终端霍尔离子源为主。据说苏联技术优先一些。总共有几百台离子源在实验室或空间做过实验或试飞行,直到去年欧洲宇航局还在实验离子源推进器。

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。

离子源种类较多。主要有:

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。

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。


莱宝APS1104光学镀膜机可以说是目前国内镀膜界的王牌。这个镀膜机主要是两台电子蒸发源何一台APS离子源组成。其APS离子源可以说是镀膜机的心脏,其结构十分独特。首先它是Kaufman型离子源,但其阴极不是常用的钨丝,而是昂贵的LaB6材料。另外其磁场不是由永久磁铁产生,而是由电磁线圈产生。

从参数来看,其磁场较弱,功率也不大,但其显著特点是在被镀工件上产生的温度低,其各项参数调得使成膜时热力学平衡好,成膜致密。可以说目前国内高档光学镀膜全*莱宝机,尽管其价格远远高于其他镀膜厂家。莱宝APS实在独特,它不用永久磁铁而用电磁铁(电磁铁多要一套真空电路系统)。结构看起来很“苯”。但事实上性能却特别好。莱宝APS镀膜机之所以走俏,APS离子源(或邓离子源)起了很大作用。

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,让后视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。

 
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