鍍膜應用中常見離子源簡介

2021-01-15 PVD鍍膜

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，隨著離子源技術的不斷發展，其在鍍膜中應用也越來越廣泛，對離子源本身的要求也越來越高。離子源技術有多種多樣，如何選擇合適的離子源成為了鍍膜應用中的重要環節。



離子源的起源源於空間推進器的製造，在離子源推進器試驗中，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，尤其是材料表面改性的應用。

20世紀60年代，美國Kaufman教授主持研製的寬束低束流密度的離子轟擊電推進器為帶柵網的離子源，被稱為考夫曼離子源（Kaufman）；而蘇聯則以霍爾離子源（End-Hall）為主。

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、離子注入機、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注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。





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。

主要特點： 

●  汽耗大，汙染較為嚴重

●  束型約束較差

●  相比柵網型離子源束能低

●  主要適用於離子束輔助沉積及清洗



1.霍爾離子源

霍爾離子源由陰極、陽極、氣體分配器、磁場組成。陰極發射電子,既充當陰極,轟擊均勻進氣的原子,離化原子形成放電等離子體。又充當中和電子,強迫中和經電場及磁場加速的離子束。其中放電電子必須通過擴散,通過磁場的阻滯,回流進入放電區。

霍爾離子源結構圖



2.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,可在不同壓力範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、滷素氣體)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和射頻離子源。柵網是彼此相距幾毫米的電極,每個柵網具有多個對準的孔,用於離子的提取。最靠近放電室的柵網稱為屏柵，下一個柵網被稱為加速柵,在一些離子源中,使用第三級柵網,其位於放電室的最外層,被稱為減速刪。屏柵( screen grid):柵網靠近陰極(燈絲)處最裡層,電位是正偏壓,有靜電屏蔽的作用,防止柵極與柵極之間的電容耦合併可加速離子,篩選滿足條件離子；加速柵( accel grid):位於第二層柵網,是偏壓負極來聚焦離子,並進行徑向加速；減速柵( decel grid):位於最外層,它可以幫助聚焦,並保護其他兩個柵網不受加工材料的影響；大多數系統在濺射或刻蝕過程中使用三層柵網來提高離子束的穩定性。



1.考夫曼離子源

考夫曼離子源由陰極加熱發射電子,電子被正偏壓陽極所吸引,由於受限於磁場的作用,電子在磁場軌道上漂移。當電子運動時,它們將電離通入工藝腔室的中性原子(分子)氣體從而產生等離子體。通過柵網對離子的約束作用,形成設定離子束。


2.射頻離子源

射頻離子源由射頻電源供電,並通過匹配器進行自動匹配,產生等離子體,在柵網作用下引出離子束,過程如下：

●  放電室的線圈在電感耦合作用下產生等離子體

●  離子束及屏柵通過電源連接,使等離子體相對於地為正電位加速柵通過電源       連接,對地為負電位。通過屏棚篩選的離子束會進行加速

●  在柵網下遊處,通過中和器向離子束注入電子形成電荷平衡。



等離子體源以等離子形式射出粒子,減少了配置中和器費用,並避免了基片表面電荷積累問題,支持長期穩定工藝過程等離子體源使用單層柵網作為引出電極,通過控制磁場對束型精確控制,避免3層柵網離子源對加速柵極的刻蝕,提高了束型穩定性。


1. ICP離子源

ICP射頻等離子體源的發射天線繞在電絕緣的石英放電室外邊，當通過匹配器將射頻功率加到線圈上時線圈中就有射頻電流通過,於是產生射頻磁，射頻磁通在放電室內部沿著軸向感應出射頻電場,其中的電子被電場加速,從而產生等離子體,同時線圈的能量被耦合到等離子體中，除了常規的採用很厚的石英罩將線圈包裹在真空中外,也有採用線圈不在真空中的設計結構,從而有效提高離子能量。

●    光學鍍膜領域可用於電子束輔助沉積以及磁控濺射輔助,主要是後氧化及後氮化太陽能行業可用於 PECVD沉積減反層、鈍化層、吸收層和阻擋層等

●    顯示行業可用於 PECVD沉積阻隔膜、透明導電膜和透明硬質塗層等

●    玻璃行業可用於表面活化及清洗、阻擋層及大面積沉積氧化物和氮化物

●    裝飾鍍膜行業可用於氧化物和氮化物鍍膜及DLC鍍膜等


CCP等離子體源的工作方式是由接地的放電室和引入的驅動電極作為耦合元件。當電源接通後,在放電室和驅動電極之間產生高頻電場,自由電子在此作用下做上下往復運動,並激發放電,產生等離子體。


主要應用於：

●    離子束刻蝕

●    PECVD沉積

●    離子束濺射

●    離子束拋光和清潔

●    離子束輔助沉積輔助


（1）離子束刻蝕        （2）輔助電子束蒸發沉積AlOx膜    （3）PECVD



除了上述所提的各種離子源技術,還有各種其它的離子源技術,比如ECR以及ECWR等等技術。然而各種離子源技術各有優缺，選擇適合的離子源才是關鍵。（本文轉自中科泰磁塗層）


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