离子源是做什么用的(镀膜设备中常用的离子1丨起源、原理、分类)
1.技术起源、原理及分类
2.主要应用
3.无栅网离子源
4.栅网性离子源
■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。
离子源技术早期发展简史
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。
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
■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。
●使用钨丝作为中和阴极
●结构简单、工作可靠
●维护简单，运行成本低廉
●工作时钨丝挥发
●存在微量污染
●钨丝寿命小于50小时
●离子能量约为阳极电压的65%~ 70% ev
●简单耐用，结构简单，所需电源数量少
●束流密度大，离子电流与气体流量几乎成比例
●直接轰击灯丝，污染较为严重，且灯丝寿命短
●基片受离子源灯丝烘烤，导致升温高，不能用于冷镀
●工作参数受环境影响，不易稳定
●离子能量低，气耗较大
●标准参数:离子能量50- 150eV，离子电流100- 1000mA
●离子源用途:
用于真空镀膜过程中基底
离子轰击清洁及沉积过程中离
子轰击能量输送。广泛应用于
:增透膜、眼镜镀膜、光纤光
学、高反镜、热/冷反光镜、
低漂移滤波器、带通滤波器、
在线清洗、类金刚石沉积等:
●作用
能够改善薄膜的生长、优化薄膜结构，增加镀膜的一致性和重复性，低温高速率镀膜，清除工件表面水和碳氢化合物，增加薄膜密度，降低内应力低，清除结合力弱的分子，反应气体活度增加，薄膜成分易于控制。
●离子源辅助镀膜(IAD) 的作用:
1、填充密度提高:折射率提高
2、波长漂移减少；
3、红外波段的水气吸收减少；
4、增强了膜层的结合力、耐摩擦能力、机械强度、提高表面光洁度；
5、控制膜层的应力；
6、减少膜层的吸收和散射；
7.提高生产效率
阳极层离子源
阳极层离子源是---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。
●离子源可以做得很长，特别适合镀大工件
●离子能量大，适用于清洗及基材活化等
●阴极有不同程度刻蚀，会带来污染
●工作气耗大
●离子电流较大(根据尺寸来定)，但较发散，能级分布宽，不适合对均匀性要求高的工艺
●标准参数:离子能量150-2500 eV
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。
栅网是彼此相距几毫米的电极，每个栅网具有多个对准的孔，用于离子的提取。最靠近放电室的栅网称为屏栅(S)，下 一个栅网被称为加速栅(A)，在- - 些离子源中，使用第三级栅网，其位于放电室的最外层，被称为减速删(D)。
屏栅(screen grid):栅网靠近阴极(灯丝)处最里层，电位是正偏压，有静电屏蔽的作用，防止栅极与栅极之间的电容耦合并可加速离子，筛选满足条件离子加速栅(accel grid);位于第二层栅网，是偏压负极来聚焦离子，并进行径向加速减速删(decel grid):位于最外层，它可以帮助聚焦，并保护其他两个栅网不受加工材料的影响大多数系统在溅射或刻蚀过程中使用三层栅网来提高离子束的稳定性
栅网组件通过向每个栅网施加特定电压以从放电室提取离子。离子加速过程中各阶段的电压如下图所示。
V首先，屏栅相对于地为正偏压(束流电压)，因此放电室中的等离子体也相对于地为正偏压。
V然后，加速栅相对于地为负偏压(加速电压)，并沿离子源中心线建立电场，放电室中靠近该电场漂移的正离子被加速。
即使不使用减速栅，最外层的电势最终也近似为零。减速栅的电位通常保持在接地电位加速的离子在通过加速栅之后减速并且以近似束流电压的离子能量从栅网中射出由于已建立的电场，位于放电室或外层的电子被分离开来。
