离子源说明书

西安工业学院
薄膜技术与光学检测重点实验室
2005年3月
目录
1.概述
2.宽束冷阴极离子源原理
3.宽束冷阴极离子源主要性能
4.离子源的基本结构与供电电源
5.离子源的安装
6.离子源的使用
7.离子源的维护及常见故障排除附录：离子源电源原理图
1. 概述
宽束冷阴极离子源是离子束辅助蒸发技术的关键设备。

该源具有结构简单、操作方便、污染小、寿命长等特点。

已成功地应用于多种金属膜（Al，Ag，Au等），介质膜（ZnS，MgF2，TiO2，SiO2，Al2O3，Sn:In2O3等）的离子束辅助蒸发。

通常，为适应不同尺寸真空镀膜室的使用要求，需制成不同口径的离子源，以保证离子束的辐照面积以及均匀性的要求。

为提高装置的使用灵活性，将两个以上结构相同的宽束冷阴极离子源体（称之为多体）安装到较大尺寸的真空镀膜室中，这样用较小口径的离子源，可以获得较大范围的离子束。

同时，各个离子源还可以单独使用。

2.宽束冷阴极离子源原理
多体宽束冷阴极离子源的各个离子源，具有相同的工作原理和结构尺寸。

图2.1为离子源原理示意图。

气体在阳极电压Vd的作用下发生辉光放电，等离子体中的离子将向上阴极和下阴极运动；电子将向阳极运动，同时，在轴向磁场的作用下，电子作螺旋运动，由于电子运动路径增大，电子与气体碰撞几率增加。

气体电离效率增大，使等离子体维持一定的浓度。

在阴极电压Va的作用下，离子由下阴极和引出极组成的引出系统引出。

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1.上阴极；
2.阳极；
3.下阴极；
4.引出极
图2.1离子源原理示意图
引出离子的能量：E = e [ Va+Vd ] (电子伏特) (2.1)
引出离子的电流：I ∝Va3/2 (2.2)
3.宽束冷阴极离子源的主要性能
单个离子源的主要性能如下：
1、引出离子束口径：φ3cm
2、引出离子束能量：400～1200ev可调（测试距离20cm）
3、离子束束流密度：30～120 μA/cm2
4、离子束流密度±5%均匀范围：600ev 大于φ10cm
5、离子源工作真空度：5⨯10-3～3⨯10-2 Pa
6、离子源工作气体：O2，Ar，N2，空气等
7、离子源外形尺寸：φ94⨯90
4.离子源的基本结构与供电电源
4.1基本结构
如图4.1所示，上阴极组包括进
气管1，上阴极3，阳极5等；外壳2；
引出极组6；磁棒组4；绝缘套7。

装配离子源时，按照上阴极组，
磁棒组，绝缘套，引出极组的顺序安
装，拆卸维护则按照相反的顺序。

4.1离子源基本结构示意图
4.2供电电源
由放电与引出两部分组成，分别记为“阳极I”，“阳极II”和“阴极”（对两体离子源而言）。

电源的电路原理图见附录。

电路的前后面板如图4.2所示。

4.2电源前、后面板示意图 1、2：阳极I 电压、电流表；
3、4：阳极II 电压、电流表；
5、6：阴极电压、电流表；
7、9、12：阳极I 、阳极II 、阴极调节旋钮；
8：保险；
10：指示灯；
11：开关；
13：电源插座；
14：地线；
15、16、17：阴极、阳极II 、阳极I 。

电源与离子源相接时，将阴极同时与
两个离子源的上阴极相连；将阳极I 、阳极
II 分别与两个离子源的阳极相连即可。

5.离子源的安装
宽束冷阴极离子源可以安装在镀膜室内任意位置。

离子源安装时，需两个主要附件：一是气，电接头；二是离子源支架。

气，电接头为离子源提供气体和电源通路，可视镀膜机的具体情况专门设计，通常安装在镀膜机备用孔上。

支架设计成可调的形式，使两个离子源的工作角度和相对位置可调，可视使用要求具体设计。

气，电接头在安装、使用过程中应保证其密封和绝缘性能良好；支架的设计和使用不可影响镀膜过程。

对多体离子源，气路在真空室内用三通（对双体）将气体分至各个离子源。

6.离子源的使用
多体离子源的每个离子源既可同时工作，又可单独工作，只需通过调节相应的阳极电源即可。

各个离子源调节按照下列步骤进行：
1、检查离子源电源接线是否正确，有无短路现象；气路是否通畅，有无漏气；一切正常后即可开始工作。

2、待钟罩内本底真空达到要求后，通过针阀向离子源内充入工作气体，冲气过程应缓慢，视对工作真空度的要求控制气流量。

3、 打开电源开关（包括放电电源和引出电源）。

增大阳极电压（阳极I 、II ……分别调节）直到放电电流表有指示；然后增大阴极电压，引出离子束。

由于阴极电压与阴极电源的负载大小有关，所以应配合调节阳极电压来调整阴极电压直到所需。

一般规律是：放电开始时增加阴极电压，阳极电流迅速增加，而阳极电流增大时 ，阴极电压又因阴极电流增大而减小。

要使离子源工作在最佳状态，应使阳极电流维持40mA 左右。

注意：
离子束能量由阴极电压和阳极电压共同决定。

离子束能量E(ev)=e(阴极电压Va+阳极电压Vd)
在维持阳极电流不变的前提下，调节阴极电压大小即可得到所需能量的离子束。

按照上述步骤进行操作时动作要轻缓，只要步骤正确，即可得到稳定的工作状态。

7.离子源的维护及常见故障排除
7.1离子源的维护
离子源的定期维护对保证其正常使用非常重要，维护重点是对各个受污染的部件进行清洗，清洗时将离子源按照正确顺序拆开，用500号砂纸轻轻擦除各个部件上的污染物，然后用干净的丝质手帕沾乙醇乙醚混合液擦净即可。

离子源拆卸后必须保证正确的装配，不要轻易改变装配尺寸，以防离子源性能变化，（主要装配尺寸包括：阳极与上阴极端面间距离1mm，阳极与下阴极间距离7mm）。

在装配时应当注意保证引出系统中下阴极和引出极两个多孔栅上各个孔的对准。

安装完毕用万用表测量一下阴阳极之间有无短路现象，阴极与外壳是否短路。

7.2离子源常见故障排除
附录：离子源电源原理图。