技術起源、原理及分類
技術起源
離子源起源於冷戰時期的美蘇爭霸,理論計算表明離子源做空間推進器能量密度大於常規液氫推進器.美國的研究以NASA的Kaufman教授主持設計的帶冊網的肉子源(Kaufman肉子源)為主.
前蘇聯則以霍爾離子源(End-Hall)為主在離子源推進器實驗中,人們發現有推進器材料從離子源飛出.這就開始瞭離子源在材料,特別是材料表面改性的應用.
1960年,NASA擬定計劃,由Kanfinan教授主持研制窩束低來凌密度的離子盤擊電推進器,該離子發動機被稱為考夫量寓子源1985年,真空蒸德多層聚合物膜職得專利GE公司)1987年,高溫超導薄膜的激光剿商沉積成功
無柵網的霍爾離子源研制成功(Kufnman&Robinson)1988年,雙陰極中頻惠時離子源研制成功
自80年代中期以來,離子來輔助沉積技術得到普邊重視,高子柬觀射技術及等高子體反應觀射技術等都得到瞭迅速發展.
原理及分類
離子源是使中性原子或分子電離,並從中引出離子束流的裝置.
離子源是各種類型的離子加速器.質譜儀、電磁同位素分離器、離子註入機、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、離子推進器以及受控聚變裝置中的中性束註入器等設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.
主要特點:
氣耗大,污染較為嚴重
束型約束較差
相比柵網型離子源束能低
主要適用離子束輔助沉積及清洗
主要應用
離子源在鍍膜領域的主要應用包括:離子束輔助,離子束濺射,離子束刻蝕及離子束清洗等.
離子束清洗
表面改性
離子束輔助沉積
離子束濺射
離子束刻蝕
離子束直接沉積
無柵離子源
通過陰極引出離子,並通過磁場對離子作用,產生離子束.主要分為霍爾離子源及陽極層離子源.
霍爾離子源
工作原理:
工作氣體或反應氣體由陽極底部進入放電區內參與放電,放電區內由磁鐵產生如圖所示的錐形磁場,在放電區的上部安裝有補償或中和陰極.根據工作要求該型號離子源的工作氣體為氬氣,反應氣體可以使用氮氣、氧氣或碳氫等多種氣體.放電區上部陰極燈絲加熱後產生熱電子,當離子源的陽極施以正電位+UA時,電子在電場作用下向陽極運動,由於磁場的存在,電子繞磁力線以螺旋軌道前進,與工作氣體或反應氣體的原子發生碰撞使其離化.
離子在霍爾電場的作用下被加速獲得相應的能量,與燈絲熱陰極發射的部分熱電子形成近等離子體,由等離子體源發射出來與基片發生作用達到清洗和輔助鍍膜的目的.
陽極層離子源
陽極層離子源是一種不需要熱燈絲陰極進行電荷補償的可靠裝置,可在不同壓力范圍和不同的氣體環境下產生離子束,可在化學活性氣體(氧氣、空氣、鹵素氣體)環境下長期穩定工作.
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生等離子體射流.
柵網型離子源
柵網型離子源通過柵網對離子的篩選、加速等作用,可更好的控制束型及離子能量.柵網型離子源根據電源類型分為考夫曼離子源(DC)和射頻離子源(RF).
四個主要組成部分:放電室(Discharge chamber)、電子源(Electron soure)、柵網(Grids)和中 和器(Neutralizer)工藝氣體通入放電室,電子源電離氣體產生等離子體,其中離子和電子的密度大致相等.放電室中產生的離子被柵網加速到高速,形成離子束.中和器位於離子源下遊,發射電子用於中和.