行业科普 | 镀膜应用中常见的离子源，你都了解吗？

博顿导读

离子源的起源源于空间推进器的制造，在离子源推进器试验中，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，尤其是材料表面改性的应用。

20世纪60年代，美国Kaufman教授主持研制的宽束低束流密度的离子轰击电推进器为带栅网的离子源，被称为考夫曼离子源（Kaufman）；而苏联则以霍尔离子源（-Hall）为主。

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。

常见离子源分类

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：

●汽耗大，污染较为严重

●束型约束较差

●相比栅网型离子源束能低

●主要适用于离子束辅助沉积及清洗

1.霍尔离子源

霍尔离子源由阴极、阳极、气体分配器、磁场组成。阴极发射电子,既充当阴极,轰击均匀进气的原子,离化原子形成放电等离子体。又充当中和电子,强迫中和经电场及磁场加速的离子束。其中放电电子必须通过扩散,通过磁场的阻滞,回流进入放电区。

霍尔离子源结构图

2.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和射频离子源。

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，下一个栅网被称为加速栅,在一些离子源中,使用第三级栅网,其位于放电室的最外层,被称为减速栅。

屏山(screengrid)：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(accelgrid)：位于第二层栅网,是偏压负极来聚焦离子,并进行径向加速；

减速栅(decelgrid)：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。

1.考夫曼离子源

考夫曼离子源由阴极加热发射电子,电子被正偏压阳极所吸引,由于受限于磁场的作用,电子在磁场轨道上漂移。当电子运动时,它们将电离通入工艺腔室的中性原子(分子)气体从而产生等离子体。通过栅网对离子的约束作用,形成设定离子束。

2.射频离子源

射频离子源由射频电源供电,并通过匹配器进行自动匹配,产生等离子体,在栅网作用下引出离子束,过程如下：

●放电室的线圈在电感耦合作用下产生等离子体

●离子束及屏栅通过电源连接,使等离子体相对于地为正电位加速栅通过电源连接,对地为负电位。通过屏棚筛选的离子束会进行加速

●在栅网下游处,通过中和器向离子束注入电子形成电荷平衡。

等离子体源以等离子形式射出粒子,减少了配置中和器费用,并避免了基片表面电荷积累问题,支持长期稳定工艺过程等离子体源使用单层栅网作为引出电极,通过控制磁场对束型精确控制,避免3层栅网离子源对加速栅极的刻蚀,提高了束型稳定性。

1.ICP离子源

ICP射频等离子体源的发射天线绕在电绝缘的石英放电室外边，当通过匹配器将射频功率加到线圈上时线圈中就有射频电流通过,于是产生射频磁，射频磁通在放电室内部沿着轴向感应出射频电场,其中的电子被电场加速,从而产生等离子体,同时线圈的能量被耦合到等离子体中，除了常规的采用很厚的石英罩将线圈包裹在真空中外,也有采用线圈不在真空中的设计结构,从而有效提高离子能量。

主要应用于：

●光学镀膜领域可用于电子束辅助沉积以及磁控溅射辅助,主要是后氧化及后氮化太阳能行业可用于PECVD沉积减反层、钝化层、吸收层和阻挡层等

●显示行业可用于PECVD沉积阻隔膜、透明导电膜和透明硬质涂层等

●玻璃行业可用于表面活化及清洗、阻挡层及大面积沉积氧化物和氮化物

●装饰镀膜行业可用于氧化物和氮化物镀膜及DLC镀膜等

2.CCP等离子源

CCP等离子体源的工作方式是由接地的放电室和引入的驱动电极作为耦合元件。当电源接通后,在放电室和驱动电极之间产生高频电场,自由电子在此作用下做上下往复运动,并激发放电,产生等离子体。

主要应用于：

●离子束刻蚀

●PECVD沉积

●离子束溅射

●离子束抛光和清洁

●离子束辅助沉积辅助

（1）离子束刻蚀（2）辅助电子束蒸发沉积AlOx膜（3）PECVD

除了上述所提的各种离子源技术,还有各种其它的离子源技术,比如ECR以及ECWR等等技术。然而各种离子源技术各有优缺，选择适合的离子源才是关键。

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博顿光电

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