材料表面改性用宽束离子源研究现状及发展
摘要：应用于核技术的离子源不同，对应用于改性技术的离子源则要求大面
积均匀区，强流 (特别是在低能及超低能范围)，气体及能量的高效率，结构简单，工作稳定且寿命长。
本文主要对考夫曼离子源、高能入射离子、ECR、RF- ICP 几种宽束离子源做了简要介绍。
关键词：材料表面改性高能入射离子射频离子源电子回旋共振离子源表面改性技术概述：表面改性就是指在保持材料或制品原性能的前提下，赋予其表面新的性能，如亲水性、生物相容性、抗静电性能、染色性能等。
表面改性的方法有很多报道，大体上可以归结为:表面化学反应法、表面接枝法、表面复合化法等。
表面改性技术则是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类热处理技术。
它包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等);表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合等薄膜镀层、物理气相沉积、化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。
这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性。
使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。
宽束离子源概述：薄膜科学与技术是新材料发展前沿最活跃的领域之一，而良好的薄膜制备或改性技术则是赋予材料表面应用功能的基本条件。
离子束增强沉积技术(IBED)，也叫离子束辅助沉积(IBAD)，把离子注入与物理气相沉积技术结合起来，在电子束蒸发或离子束沉积薄膜的同时，用几+eV到几十kev能量的离子束对其进行轰击，利用沉积原子与轰击离子之间的一系列物理化学作用，在常温下合成各种优质薄膜。
为了把该技术推向应用，必须提高处理能力，因此各类宽束离子源就应运而生，而离子源的发展是决定IBED能不能走向生产的关键。
材料表面改性用宽束离子源分类与应用：与应用于核技术的离子源不同，对应用于改性技术的离子源则要求大面积均匀区，强流 (特别是在低能及超低能范围)，气体及能量的高效率，结构简单，工作稳定且寿命长。
接下来简要以能量高低作为分类依据，介绍几种用于材料表面改性的宽束离子源：
1、高能宽束离子源的研究进展
该类离子源是在空间推进用离子火箭的技术上发展起来的，因此具有特有的高效率、长寿命、稳定、可靠性。
只要离子源的放电结构设计得当，产生每个离子所需要的放电功率几乎比同
类核技术用离子源小一个数量级。
该型离子源结构简单、工作稳定、成本较低。
它可以方便地改变离子束能量、束流密度(剂量率)，在离子束辅助镀膜时有利于控制原子离子到达比，可以控制离子束的发散角从而改变离子对样品的入射角。
由于文献查找过程中，高能离子源的相关文献较高能离子源较少，故主要介绍下面的高能注入离子源。
（1）高能注入离子源
高能宽束源是在空间推进用的考夫曼kaufman型离子源的基础上发展起来的。
通常考夫曼型离子源的加速能量只是1~3keV，不能用于注入。
因此，对放电室的发散磁场进行再设计，避免极间闪络、打火影响放电室放电。
使放电电压可提高到120kv。
又使发散磁场最佳化、使准阴极与准阳极位置匹配，从而大大提高了放电效率，通常产生每mA离子束只消耗放电功率0.5W。
通常离子束流工作在5一15mA的区域内，放电电流只是0.1一0.ZA范围内。
但可以对高压离子光学进行了设计，为简化结构采用双栅系统。
使高能离子源可拔出离子束能量3~120kev，束流5一70mA，在距离源60cm处的均匀工作区可达25cm直径，均匀性10一20%，最大束流密度可达300μA。
下图是高能宽束气体注入离子源示意图：
图1高能宽束气体注入离子源
2、低能宽束离子源的研究进展
低能宽束离子源是离子束相关装置的核心部件，由于具有可以独立控制离子能量、束流密度、离子入射角度和离子成分等优点，目前广泛应用于现代表面改性、薄膜沉积和微纳米加工等领域。
离子源通常根据等离子体的产生方式不同,分为 Kaufman、射频和 ECR 等形式，下面分别介绍上述几种离子源：
（1）Kaufman 离子源
Kaufman 离子源是最早出现、最基本的离子源,原理结构如图2所示,阴极、阳极、栅极、放电室圆筒构成气体放电室, 栅极构成离子光学系统。
放电室筒外设置磁铁, 通过磁路使磁力线穿过放电室, 磁力线从阳极向栅极方向发散并布满栅极, 栅极极靴收集磁力线回到磁铁。
下图为Kaufman 离子源工作原理图：
图2 Kaufman 离子源工作原理
Kaufman 离子源具有较宽的工作状态, 在 Ar作为工作气体时, 阴极灯丝具有较长寿命和较稳定的工作状态。
但是灯丝的消耗会对基片带来污染, 而使用氧气和反应气体时, 兼容性差, 灯丝寿命和稳定性会大大下降, 同时产生的 C、F 沉积构成的绝缘层会导致离子源不能正常工作。
（2）射频( RF) 离子源
射频和微波离子源很好地解决了 Kaufman离子源在使用非惰性气体带来的频繁清洗和兼容性差的问题。
射频离子源是将天线引入工作室替代热阴极激励放电, 常用的有电容耦合和感应耦合两种。
①RF- CCP( 电容耦合) 离子源
电容耦合方式是由接地的放电室( 由复合系数很小的材料如石英做成) 和引入的驱动电极作为耦合元件。
驱动电极上镀有溅射产额较低的陶瓷材料以减少离子的对阴极材料的溅射。
当与电源接通后, 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。
由于电子的自由程远大于放电室的尺寸, 因此主要靠它们从管壁上打出的二次电子而获得倍增, 后者成为这种放电的维持者, 而由气体电离所产生的二次电子将起次要作用。
电容耦合产生的几百伏的鞘层电压, 会导致放电室内部元件的快速溅射, 同时影响离子轨迹, 使离子束均匀性和准直性变差。
如图3射频电容耦合离子
②RF- ICP( 感应耦合) 离子源
射频ICP 源的发射天线绕在电绝缘的石英放电室外边, 当通过匹配网络将射频功率加到线圈上时, 线圈中就有射频电流通过, 于是产生射频磁通, 并且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。
图4射频感应耦合离子源原理( a) 和结构剖面图( b)
石英放电室外面是水冷的螺旋射频线圈, 低能电子沿着平行放电室壁方向做螺旋线运动, 被感应耦合电场加速, 这样减小了电子损耗, 增加了电离几率。
为了保证等离子体的均匀性, 气体被石英扩散器沿周向引入放电室, 由于离子束流密度直接与等离子体密度和电子温度均方根成正比, 根据螺旋射频线圈和射频趋肤效应, 温度较高的电子分布在放电室壁外周,这补偿了因放电室壁处等离子密度的减小, 有利于提高离子束的均匀性和准直性。
（3）电子回旋共振( ECR) 离子源
ECR 离子源：微波能量通过微波输入窗( 由陶瓷或石英制成) 经波导或天线耦合进入放电室, 在窗上表面的永磁系统产生的高强磁场作用下, 放电室内的气体分子的外层电子做回旋运动。
（4）优缺点对比分析：
灯丝寿命短、稳定性差、污染及其与反应气体兼容性差是 Kaufman 离子源的缺点, RF 和ECR 离子源解决了这些问题, 虽然在反应气体工作时也会在放电室内部和栅网上产生碳氟沉积，但可以在工作间隙通入氧气或者一氧化碳等“清洗气体”加以去除。
总结：考夫曼离子源是最早开始应用的离子源, 随着表面技术和微纳米加工的发展, 对宽束离子源的稳定性、气体适用广泛性和大面积均匀性等方面提出了更高的要求, 新一代的离子源包括高能入射离子、ECR、RF- ICP 和无栅网等应运而生，文中对其进行了简要介绍和对比。
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