離子源是離子束產(chǎn)生的關(guān)鍵部件，正交電磁場(chǎng)離子源是以霍爾電流為理論基礎(chǔ)的一類低能離子源。本文綜述了考夫曼離子源、霍爾離子源以及陽(yáng)極層線性離子源的發(fā)展歷程及其在結(jié)構(gòu)與功能方面的區(qū)別，分析了各種離子源在PVD 法制備不同體系超硬涂層中的應(yīng)用及對(duì)涂層結(jié)構(gòu)、性能的影響，概述了國(guó)內(nèi)外離子源的現(xiàn)狀，并指出了國(guó)內(nèi)離子源存在的問(wèn)題。

1、前言

　　物理氣相沉積(Physical Vapour Deposition，PVD)法作為傳統(tǒng)的硬質(zhì)涂層制備方法，具有低溫、高速兩大突出特點(diǎn)，所形成的涂層致密，具有較小的摩擦系數(shù)，一直在高質(zhì)量硬質(zhì)涂層制備方法中占據(jù)重要位置。但PVD 法沉積粒子能量普遍不高，在制備涂層時(shí)難以越過(guò)高溫高壓相形成能壘，在獲取特定相結(jié)構(gòu)時(shí)有一定的局限性。在基片上施加負(fù)偏壓可以加強(qiáng)離子對(duì)基片的轟擊，增強(qiáng)沉積過(guò)程的能量，但對(duì)正離子的吸引過(guò)程不具備選擇性，離子入射的角度也不可控，獨(dú)立性較差。

　　離子束輔助沉積(Ion Beam Assisted Deposition，IBAD)是一種將離子束及涂層沉積兩者融為一體的材料表面改性和優(yōu)化技術(shù)，最初應(yīng)用于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，近年來(lái)，其應(yīng)用范圍不斷拓寬，輔助制備硬質(zhì)涂層方面的報(bào)導(dǎo)也屢見(jiàn)不鮮。用于表面改性的離子束按能量大小，一般以10 KeV 為界，分為高能和低能兩類。高能離子束一般應(yīng)用于離子注入等領(lǐng)域，需要成本較高的粒子加速器，同時(shí)高能離子對(duì)涂層的反濺射作用明顯，容易使已沉積的涂層再次離開(kāi)基片，而大大降低沉積速率;低能離子束主要用于輔助沉積，較易獲得，與PVD 法結(jié)合，不但可以增強(qiáng)沉積過(guò)程的能量，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射離子種類、束流強(qiáng)度及入射方向的單獨(dú)控制，可獨(dú)立摸索沉積參數(shù)，優(yōu)化工藝參數(shù)后可明顯改善涂層致密度、晶粒大小、晶粒取向、表面形貌等性能，達(dá)到提高膜- 基結(jié)合力的目的。特別是在對(duì)沉積溫度有特殊要求的條件下，離子束輔助沉積可以在保持基片低溫的前提下，提高涂層在沉積過(guò)程中的能量。

　　離子源是產(chǎn)生離子束的核心部件，其中正交電磁場(chǎng)離子源(Orthogonal Electromagnetic Field type ion source)是通過(guò)電磁場(chǎng)束縛電子運(yùn)動(dòng)，使氣體電離為正離子后，在電場(chǎng)或電磁場(chǎng)作用下加速形成離子束。相較于其他形式離子源，如電子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance，ECR)、電容耦合離子源(Capacitively Coupled Plasma，CCP)，其成本低廉，更適合工業(yè)應(yīng)用。本文將介紹幾種不同類型的正交電磁場(chǎng)離子源，并結(jié)合其在不同體系硬質(zhì)涂層沉積過(guò)程中的應(yīng)用，綜述離子源的結(jié)構(gòu)、工作原理;分析其產(chǎn)生的離子束對(duì)硬質(zhì)涂層成分、結(jié)構(gòu)、性能的影響。

2、正交電磁場(chǎng)離子源工作原理

　　2.1、考夫曼(Kaufman)離子源

　　八十年代美國(guó)宇航局的Kaufman 教授設(shè)計(jì)了此類離子源，至今仍是應(yīng)用最廣泛的一種離子源。圖1、圖2 所示為兩種不同磁場(chǎng)設(shè)置的考夫曼離子源，多極考夫曼離子源可形成更均勻的等離子體區(qū)，引出的離子束均一度也會(huì)更高。其基本原理與軸向考夫曼離子源相近：鎢絲熱陰極提供的原初電子被放電室內(nèi)的正交電磁場(chǎng)約束，電子與氣體碰撞頻率升高，放電室內(nèi)等離子體密度增加。正離子通過(guò)屏柵、加速柵、抑制柵構(gòu)成的三柵吸出系統(tǒng)形成寬束離子流，其中屏柵的開(kāi)孔密度與孔徑?jīng)Q定了離子源放電室內(nèi)外的氣壓差，氣體流動(dòng)的通導(dǎo)比。加速柵接負(fù)高壓用于正離子的加速吸出，抑制柵接地用于防止正離子回流。

圖1 軸向考夫曼離子源簡(jiǎn)圖

圖2 多極考夫曼離子源簡(jiǎn)圖

　　目前，國(guó)產(chǎn)10 cm 直徑的考夫曼離子源，加速電壓為500-1000 V，可得到約為幾個(gè)mA/cm2的氬離子束流，其均勻性為±5%，發(fā)散角大約為10~15°。若采用小孔、小間距及發(fā)散離子光學(xué)設(shè)計(jì)的考夫曼源，并使用輔助電子中和等措施，可以在超低能量區(qū)域工作。傳統(tǒng)考夫曼離子源的主要缺陷是內(nèi)置熱陰極在活性工作氣氛如氧氣下工作時(shí)，壽命很容易降低。

3、離子束輔助沉積硬質(zhì)涂層

3.1 、BAD 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　在IBAD 系統(tǒng)中，除上述各種離子源以及必需的真空系統(tǒng)外，另一重要組成部分是提供涂層主要化學(xué)成分的氣相激發(fā)源。綜合考慮兼容性、工作氣壓、能耗等各方面因素，離子源可與電子束蒸發(fā)、離子束濺射(雙離子源系統(tǒng))以及磁控濺射等幾種PVD 激發(fā)源一起組成不同的IBAD 系統(tǒng)，用來(lái)制備硬質(zhì)涂層。

　　(1)離子束輔助電子束蒸發(fā)系統(tǒng)

　　IBAD 方法是在熱蒸發(fā)系統(tǒng)上建立的，但在傳統(tǒng)的電阻加熱裝置中，坩堝、加熱元件以及各種支撐部件都可能帶來(lái)污染。在電子束蒸發(fā)加熱裝置中，用于蒸發(fā)靶材的高能電子束斑可被限制在毫米量級(jí)，靶材的周圍被循環(huán)水冷卻，不會(huì)像傳統(tǒng)坩堝一樣成為污染源。

　　(2)雙離子源系統(tǒng)

　　所謂雙離子源系統(tǒng)，即靶材濺射與輔助沉積均由離子源產(chǎn)生的離子束完成。兩束離子源以不同能量分別對(duì)靶材、基片進(jìn)行轟擊，達(dá)到濺射產(chǎn)額、輔助沉積束流分別可控的目的。當(dāng)靶材導(dǎo)電性不佳時(shí)，可通過(guò)直接對(duì)離子束提供電子(如前述霍爾離子源)的方法來(lái)中和離子束，完成對(duì)絕緣靶材的濺射。

　　(3)離子束輔助磁控濺射系統(tǒng)

　　磁控濺射與離子源的結(jié)合是較新的IBAD技術(shù)。磁控濺射沉積速率較快，在保證靶材磁場(chǎng)與離子源磁場(chǎng)互不影響的前提下，可以通過(guò)對(duì)離子源的單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層結(jié)構(gòu)、性能的優(yōu)化。圖5 為陽(yáng)極層線性離子源輔助磁控濺射制備金屬元素?fù)诫s類金剛石(Diamond-like carbon，DLC)涂層的復(fù)合系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

圖5 離子源輔助磁控濺射系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

4、正交電磁場(chǎng)離子源的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　正交電磁場(chǎng)離子源技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，在表面工程領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。其結(jié)構(gòu)與功能的主要演變趨勢(shì)為：1. 電子來(lái)源的變

　　化：提供電子的熱燈絲逐漸被能束縛電子做閉合運(yùn)動(dòng)的電磁場(chǎng)所取代，解決了燈絲易被污染、在活性氣體氣氛下服役時(shí)間短的問(wèn)題;2. 離子加速方式多樣化：從考夫曼的三柵設(shè)計(jì)，到霍爾源利用離子的大拉莫運(yùn)動(dòng)半徑直接引出離子束，離子的加速方式不再是單純的電場(chǎng)加速，磁場(chǎng)的合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無(wú)柵網(wǎng)加速;3. 功能進(jìn)一步細(xì)化：正交電磁場(chǎng)離子源種類越來(lái)越多，可以實(shí)現(xiàn)的功能也各不相同。陽(yáng)極層線性離子源主要用于鍍膜前的清洗過(guò)程，現(xiàn)也有輔助沉積方面的應(yīng)用，考夫曼離子源在大加速電壓的使用條件下可以實(shí)現(xiàn)離子注入，而霍爾離子源主要用于輔助沉積。

　　目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)離子源需求較大，發(fā)展勢(shì)頭良好，但產(chǎn)品仍與國(guó)際先進(jìn)水平存在差距，具體來(lái)說(shuō)主要存在以下幾個(gè)區(qū)別：1. 國(guó)產(chǎn)離子源電磁場(chǎng)模擬不夠充分：電磁場(chǎng)是離子源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，利用軟件對(duì)其進(jìn)行模擬是設(shè)計(jì)關(guān)鍵部位的必要步驟。在電磁場(chǎng)模擬軟件中，ANSYS 仍是主流有限元軟件，新興的COMSOL 在電磁場(chǎng)模擬中也有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。模擬軟件的應(yīng)用可以大大降低研發(fā)成本，促進(jìn)新技術(shù)的出現(xiàn)。2. 國(guó)外離子源源體材料更先進(jìn)：GENCO 公司生產(chǎn)的陽(yáng)極層線性離子源采用了低濺射產(chǎn)額的石墨作為陽(yáng)極，延長(zhǎng)了陽(yáng)極的工作周期，此離子源在500 V 時(shí)即可以實(shí)現(xiàn)聚焦模式工作(傳統(tǒng)離子源在2 000 V 以上才會(huì)進(jìn)行模式轉(zhuǎn)變)。SPECS 公司對(duì)離子源中的熱燈絲進(jìn)行釔涂層保護(hù)處理，防止活性反應(yīng)氣體影響燈絲正常工作。3. 國(guó)內(nèi)離子源加工精度不高：離子源中有些部件對(duì)精度要求較高，如考夫曼離子源對(duì)屏柵、加速柵尺寸就有嚴(yán)格要求，陽(yáng)極層線性離子源放電通道寬度也直接影響其工作性能。

5、結(jié)論

　　離子束輔助沉積在氮化物、含碳元素、硼化物等各種體系的硬質(zhì)涂層中都有廣泛應(yīng)用。其功能主要表現(xiàn)在：

　　1. 摸索較窄的工藝窗口：特定相結(jié)構(gòu)的形成存在一定的工藝窗口，離子源的可控性是準(zhǔn)確摸索工藝窗口的有利條件。通過(guò)改變離子能量、束流大小、入射方向等參數(shù)，能更全面地分析涂層相的形成條件;

　　2. 在低溫條件下提供相結(jié)構(gòu)形成的能量：在硬質(zhì)涂層沉積過(guò)程中，當(dāng)基體對(duì)溫度有限制時(shí)，離子束沉積可以在保證低溫的同時(shí)形成局部的高溫高壓條件，促使粒子越過(guò)能壘;

　　3.反濺射功能用于提高結(jié)合力、減少雜質(zhì)元素。綜上所述，正交電磁場(chǎng)離子源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方式多樣、成本低廉，在硬質(zhì)涂層沉積方面應(yīng)用前景廣闊。