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離子源在真空鍍膜中的應(yīng)用
標(biāo)簽: 真空鍍膜
2024-03-06  閱讀

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康沃真空網(wǎng)】離子源

    (英文名稱:Ionsource)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。離子源可以大大改善膜與基體的結(jié)合強(qiáng)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(fù)離子,作為負(fù)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10~10Hz,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,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(qiáng)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(xué)鍍膜并不太多。

    離子源在真空鍍膜中的應(yīng)用

    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(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,對需要大離子流量的用戶可能不適和。

    離子源在真空鍍膜中的應(yīng)用

    霍爾離子源

    霍爾離子源是陽極在一個強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng),霍爾離子源離子束需要補(bǔ)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(diǎn)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(diǎn)。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)用最廣泛的離子源。高級的如Veece的MarkI和MarkII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(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,且離子能級也高。如果是鍍光學(xué)膜,則主要要求離子電流能級集中,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。

    離子源在真空鍍膜中的應(yīng)用

    鍍燈具鋁膜。因?yàn)槭墙饘倌?,?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(xué)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。