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      離子源技術及其在真空鍍膜中的應用
      標簽: 真空鍍膜
      2022-10-26  閱讀

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        【康沃真空網】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濺射以及表面電離過程都能產生離子,并被引出成束。根據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的,常被籠統地稱為弧源。高頻離子源則是由氣體中的高頻放電來產生離子的,也有廣泛的用途。新型重離子源的出現,使重離子的電荷態顯著提高,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)。負離子源性能較好的有轉荷型和濺射型兩種。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。離子源是一門具有廣泛應用領域的學科,在許多基礎研究領域如原子物理、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備。

        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,這就開始了離子源在材料,特別是材料表面改性的應用。離子源的另一個重要應用是高能物理。具體就是離子加速器。簡單地說就是用一臺離子源產生某種材料的離子,這個離子就在磁性環路上加速,從而轟擊一個靶,產生新的物質或揭示新的物理規律。

        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制增加反應氣體能量。離子源可以大大改善膜與基體的結合強度,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象使氣體電離,一般用來產生低電荷態正離子,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。帶電粒子倍增的結果,形成無極放電,產生大量等離子體。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生,也可由套在管外的環形電極產生。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,而放電區則在它的另一側。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。

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

        弧放電離子源

        在均勻磁場中,由陰極熱發射電子維持氣體放電的離子源。為了減少氣耗,放電區域往往是封閉的。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。但應用于高級光學鍍膜并不太多。

      離子源技術及其在真空鍍膜中的應用

        考夫曼離子源

        考夫曼離子源是應用較早的離子源。屬于柵格式離子源。首先由陰極在離子源內腔產生等離子體,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。這種離子源產生的離子方向性強,離子能量帶寬集中,可廣泛應用于真空鍍膜中。缺點是陰極(往往是鎢絲)在反應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。

      離子源技術及其在真空鍍膜中的應用

        霍爾離子源

        霍爾離子源是陽極在一個強軸向磁場的協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用最廣泛的離子源。高級的如Veece的Mark I 和 Mark II 離子源。適用的如國產的大部分離子源。

        如果鍍耐磨裝飾膜,膜厚大,需要與機體結合力強,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離子源可在反應氣體中連續工作幾百小時。

      離子源技術及其在真空鍍膜中的應用

        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不起等離子體。離子源的種類雖多,但基本上是先產生等離子體,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。

        現在國內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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