Kaufman离子源介绍

1960年Kaufman教授开始设计一种用于空间飞行计划的宽束低密度电子推进器，后来Bell实验室的专家们把它应用在地面，开拓了离子束微细加工新局面，后来，人们把这种电子推进器命名为kaufman离子源。kaufman离子源是栅格式离子源，它主要由真空放电室、离子光学系统和中和器组成。放电室又由阴极、阳极、屏栅极筒组成。从热阴极发射出来的电子经过阴极鞘层被加速而获得相应于等离子与阴极电位差的能量，它与进入电离室的气体原子相碰撞，气体原子被电离，形成离子及二次电子，电子与离子形成放电室等离子体。该放电等离子体在发散磁场作用下引向栅网离子光学区。由于离子光学的作用，离子被加速引出，并形成离子束。每个小孔引出的离子束经中和形成带能量的中性离子束。由离子所获得的能量是阳极电压与屏栅电压之和（一般而言，由于阳极电压远小于屏栅电压，故近似考虑屏栅电压为离子加速能量）。该离子束经聚焦后可形成聚焦离子束斑，能量将更加集中。另外离子束也可发散，形成发散离子束，可对大面积工件进行宽束加工。

Kaufman离子源可用于离子束纳米薄膜制备、干法离子刻蚀、精密离子铣、材料改性、原子级基板表面清洁等诸多方面。

Kaufman离子源产品优点：

1、低能量的离子束最大化的避免了高能量离子源在表面和界面上的接触，使得局部温度升高（低温制程）；

2、离子束能量和束流密度可以单独调整与控制，大大提高了工艺的灵活性与稳定性；

3、更宽的离子束使用范围，适用于大型镀膜机； 4、可以在导体、半导体和绝缘体上镀制任何固体物质； 5、可以实现原子级薄膜沉积，薄膜均匀、致密、附着力强； 6、高真空环境下镀膜，远离等离子体，薄膜污染物小； 7、模块化设计，随插即用；

8、无高频辐射污染，对操作者无伤害。

Kaufman离子源镀膜适用领域： 1、微纳传感器

2、纳米科技和MEMS器件 3、数据存储 4、半导体器件 5、医疗科技

6、精密光学/光电子学 7、平版显示 8、太阳能科技 9、高频和微波 10、材料分析

Kaufman离子源的供电系统

Kaufman离子源分别由阴极电源、阳极电源、屏栅电源、加速栅电源、中和电源供电，供电原理图如下图所示。

阴极电源

阴极电流表示的是阴极加热电流，在一定范围内，阴极加热电流越大，放电电流越大，放电电流增加引起放电等离子体中离子密度及电子温度增加，使离子束流增加。但阴极电流增加到一定程度时，放电电流不会再增加，这是因为堆积在阴极附近的电子会阻止阴极上的电子离开阴极到达等离子体中。由于空间电荷对阴极发射的限制会大大提高灯丝的加热温度，减少阴极灯丝的寿命，这是不利的。为此，可以适当加大放电电压和/或增加气体流量来避免阴极发射的空间电荷限制。

阳极电源

调整阳极电压需要十分注意，在使用时往往把阳极电压调高，如60～70V，这样容易起弧且能获得较大的放电电流。在离子源起弧后约35～40V的放电弧压所产生的离子基本上是单荷离子Ar+，理论上出现双荷离子Ar++的电压约48V左右。因此60～70V的放电电压会使双荷离子数量增加到占总离子数的10～20%，双荷离子具有单荷离子两倍的能量，在60～70V时为120～140 eV。离子源中所有材料的

溅射阈值一般为20～35eV，35～40eV的Ar+在离子源内部不会产生明显的轰击阴极灯丝的溅射。在40～140eV能量范围溅射额随离子能量迅速增加。10～20% Ar++的以120～140eV能量轰击灯丝表面，溅射量可增加10～100倍，其结果是阴极灯丝被大量溅射逸出而侵蚀，使用寿命大大缩短，同时单荷Ar+离子很少从栅孔抽出形成有效离子流，并且灯丝材料W+离子一同抽出在真空室内污染薄膜材料。因此，启动离子源时可以调高阳极电压帮助起弧，在其它参数包括送气量确定后，尽量调低放电电压，可调到息弧的临界值稍大一点即可。

屏栅电源

屏栅电流反应的是离子束的大小，但真正从离子源引出去的离子束的大小应是屏栅电流与加速电流之差。屏栅电压反应的是离子束中离子的能量。离子所得到的净加速能量是阳极电压与屏栅电压之和（因等离子体电位与阳极电压相近），由于阳极电压远小于屏栅电压，所以通常认为屏栅电压就是离子束的能量，如屏栅电压是1000V，那么离子束的能量就是1000eV。

加速栅电源

加速极上加的是负偏压，一方面是为了引出更大的束流，另一方面是为了抑制二次电子和中和电子返流进入放电室。电子返流是不参与工作的，是假的离子束流。如果加速极电压过低，则因电子返流而使离子束流急剧上升。但是如果采用加速极电压太高，则会使离子束发散电场加强，使离子束过于发散，不便于离子束聚焦。加速电流是离子打到加速栅网上的电流，该电流不应大于20mA，否则，会对栅网造成严重的损害。如果电流大于20mA，可适当提高屏栅电压或者减小阴极电流。

中和电源

中和电流是中和灯丝的加热电流。 注意事项

启动离子源前，应先确定离子源各极是否接好以及绝缘情况。屏栅对地绝缘、屏栅对加速极绝缘、中和极对地绝缘、加速极对地绝缘、阴极对阳极绝缘、阴极对屏栅绝缘。