技术起源、原理及分类

技术起源

离子源起源于冷战时期的美苏争霸,理论计算表明离子源做空间推进器能量密度大于常规液氢推进器.美国的研究以NASA的Kaufman教授主持设计的带册网的肉子源(Kaufman肉子源)为主.

前苏联则以霍尔离子源(End-Hall)为主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.

1960年,NASA拟定计划,由Kanfinan教授主持研制窝束低来凌密度的离子盘击电推进器,该离子发动机被称为考夫量寓子源1985年,真空蒸德多层聚合物膜职得专利GE公司)1987年,高温超导薄膜的激光剿商沉积成功无栅网的霍尔离子源研制成功(Kufnman&Robinson)1988年,双阴极中频惠时离子源研制成功自80年代中期以来,离子来辅助沉积技术得到普边重视,高子柬观射技术及等高子体反应观射技术等都得到了迅速发展.

原理及分类

离子源是使中性原子或分子电离,并从中引出离子束流的装置.

离子源是各种类型的离子加速器.质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀及清洗装置、离子束溅射装置、离子束辅助沉积装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件.

广义上来讲,我们一般也将等离子体源划归为离子源一类.

主要特点:

气耗大,污染较为严重

束型约束较差

相比栅网型离子源束能低

主要适用离子束辅助沉积及清洗

主要应用

离子源在镀膜领域的主要应用包括:离子束辅助,离子束溅射,离子束刻蚀及离子束清洗等.

离子束清洗

表面改性

离子束辅助沉积

离子束溅射

离子束刻蚀

离子束直接沉积

无栅离子源

通过阴极引出离子,并通过磁场对离子作用,产生离子束.主要分为霍尔离子源及阳极层离子源.

霍尔离子源

工作原理:

工作气体或反应气体由阳极底部进入放电区内参与放电,放电区内由磁铁产生如图所示的锥形磁场,在放电区的上部安装有补偿或中和阴极.根据工作要求该型号离子源的工作气体为氩气,反应气体可以使用氮气、氧气或碳氢等多种气体.放电区上部阴极灯丝加热后产生热电子,当离子源的阳极施以正电位+UA时,电子在电场作用下向阳极运动,由于磁场的存在,电子绕磁力线以螺旋轨道前进,与工作气体或反应气体的原子发生碰撞使其离化.

离子在霍尔电场的作用下被加速获得相应的能量,与灯丝热阴极发射的部分热电子形成近等离子体,由等离子体源发射出来与基片发生作用达到清洗和辅助镀膜的目的.

阳极层离子源

阳极层离子源是一种不需要热灯丝阴极进行电荷补偿的可靠装置,可在不同压力范围和不同的气体环境下产生离子束,可在化学活性气体(氧气、空气、卤素气体)环境下长期稳定工作.

通过闭合的磁阱、阴极和阳极之间的高电压以及正确的工作压力,气流通过磁阱从而产生等离子体射流.

栅网型离子源

栅网型离子源通过栅网对离子的筛选、加速等作用,可更好的控制束型及离子能量.栅网型离子源根据电源类型分为考夫曼离子源(DC)和射频离子源(RF).

四个主要组成部分:放电室(Discharge chamber)、电子源(Electron soure)、栅网(Grids)和中 和器(Neutralizer)工艺气体通入放电室,电子源电离气体产生等离子体,其中离子和电子的密度大致相等.放电室中产生的离子被栅网加速到高速,形成离子束.中和器位于离子源下游,发射电子用于中和.