離子源是離子束產生的關鍵部件，正交電磁場離子源是以霍爾電流為理論基礎的一類低能離子源。本文綜述了考夫曼離子源、霍爾離子源以及陽極層線性離子源的發展歷程及其在結構與功能方面的區別，分析了各種離子源在PVD 法制備不同體系超硬涂層中的應用及對涂層結構、性能的影響，概述了國內外離子源的現狀，并指出了國內離子源存在的問題。

1、前言

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

　　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化技術，最初應用于半導體器件領域，近年來，其應用范圍不斷拓寬，輔助制備硬質涂層方面的報導也屢見不鮮。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。高能離子束一般應用于離子注入等領域，需要成本較高的粒子加速器，同時高能離子對涂層的反濺射作用明顯，容易使已沉積的涂層再次離開基片，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 法結合，不但可以增強沉積過程的能量，也可實現對入射離子種類、束流強度及入射方向的單獨控制，可獨立摸索沉積參數，優化工藝參數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，達到提高膜- 基結合力的目的。特別是在對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，提高涂層在沉積過程中的能量。

　　離子源是產生離子束的核心部件，其中正交電磁場離子源(Orthogonal Electromagnetic Field type ion source)是通過電磁場束縛電子運動，使氣體電離為正離子后，在電場或電磁場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，更適合工業應用。本文將介紹幾種不同類型的正交電磁場離子源，并結合其在不同體系硬質涂層沉積過程中的應用，綜述離子源的結構、工作原理;分析其產生的離子束對硬質涂層成分、結構、性能的影響。

2、正交電磁場離子源工作原理

　　2.1、考夫曼(Kaufman)離子源

　　八十年代美國宇航局的Kaufman 教授設計了此類離子源，至今仍是應用最廣泛的一種離子源。圖1、圖2 所示為兩種不同磁場設置的考夫曼離子源，多極考夫曼離子源可形成更均勻的等離子體區，引出的離子束均一度也會更高。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的正交電磁場約束，電子與氣體碰撞頻率升高，放電室內等離子體密度增加。正離子通過屏柵、加速柵、抑制柵構成的三柵吸出系統形成寬束離子流，其中屏柵的開孔密度與孔徑決定了離子源放電室內外的氣壓差，氣體流動的通導比。加速柵接負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圖

圖2 多極考夫曼離子源簡圖

　　目前，國產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mA/cm2的氬離子束流，其均勻性為±5%，發散角大約為10~15°。若采用小孔、小間距及發散離子光學設計的考夫曼源，并使用輔助電子中和等措施，可以在超低能量區域工作。傳統考夫曼離子源的主要缺陷是內置熱陰極在活性工作氣氛如氧氣下工作時，壽命很容易降低。

3、離子束輔助沉積硬質涂層

3.1 、BAD 系統簡介

　　在IBAD 系統中，除上述各種離子源以及必需的真空系統外，另一重要組成部分是提供涂層主要化學成分的氣相激發源。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、離子束濺射(雙離子源系統)以及磁控濺射等幾種PVD 激發源一起組成不同的IBAD 系統，用來制備硬質涂層。

　　(1)離子束輔助電子束蒸發系統

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

　　(2)雙離子源系統

　　所謂雙離子源系統，即靶材濺射與輔助沉積均由離子源產生的離子束完成。兩束離子源以不同能量分別對靶材、基片進行轟擊，達到濺射產額、輔助沉積束流分別可控的目的。當靶材導電性不佳時，可通過直接對離子束提供電子(如前述霍爾離子源)的方法來中和離子束，完成對絕緣靶材的濺射。

　　(3)離子束輔助磁控濺射系統

　　磁控濺射與離子源的結合是較新的IBAD技術。磁控濺射沉積速率較快，在保證靶材磁場與離子源磁場互不影響的前提下，可以通過對離子源的單獨控制，實現對涂層結構、性能的優化。圖5 為陽極層線性離子源輔助磁控濺射制備金屬元素摻雜類金剛石(Diamond-like carbon，DLC)涂層的復合系統簡圖。

圖5 離子源輔助磁控濺射系統簡圖

4、正交電磁場離子源的國內外發展現狀

　　正交電磁場離子源技術經過半個多世紀的發展，在表面工程領域受到越來越多的關注。其結構與功能的主要演變趨勢為：1. 電子來源的變

　　化：提供電子的熱燈絲逐漸被能束縛電子做閉合運動的電磁場所取代，解決了燈絲易被污染、在活性氣體氣氛下服役時間短的問題;2. 離子加速方式多樣化：從考夫曼的三柵設計，到霍爾源利用離子的大拉莫運動半徑直接引出離子束，離子的加速方式不再是單純的電場加速，磁場的合理設計實現了無柵網加速;3. 功能進一步細化：正交電磁場離子源種類越來越多，可以實現的功能也各不相同。陽極層線性離子源主要用于鍍膜前的清洗過程，現也有輔助沉積方面的應用，考夫曼離子源在大加速電壓的使用條件下可以實現離子注入，而霍爾離子源主要用于輔助沉積。

　　目前，國內市場對離子源需求較大，發展勢頭良好，但產品仍與國際先進水平存在差距，具體來說主要存在以下幾個區別：1. 國產離子源電磁場模擬不夠充分：電磁場是離子源設計的關鍵環節，利用軟件對其進行模擬是設計關鍵部位的必要步驟。在電磁場模擬軟件中，ANSYS 仍是主流有限元軟件，新興的COMSOL 在電磁場模擬中也有其獨特優勢。模擬軟件的應用可以大大降低研發成本，促進新技術的出現。2. 國外離子源源體材料更先進：GENCO 公司生產的陽極層線性離子源采用了低濺射產額的石墨作為陽極，延長了陽極的工作周期，此離子源在500 V 時即可以實現聚焦模式工作(傳統離子源在2 000 V 以上才會進行模式轉變)。SPECS 公司對離子源中的熱燈絲進行釔涂層保護處理，防止活性反應氣體影響燈絲正常工作。3. 國內離子源加工精度不高：離子源中有些部件對精度要求較高，如考夫曼離子源對屏柵、加速柵尺寸就有嚴格要求，陽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涂層中都有廣泛應用。其功能主要表現在：

　　1. 摸索較窄的工藝窗口：特定相結構的形成存在一定的工藝窗口，離子源的可控性是準確摸索工藝窗口的有利條件。通過改變離子能量、束流大小、入射方向等參數，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構形成的能量：在硬質涂層沉積過程中，當基體對溫度有限制時，離子束沉積可以在保證低溫的同時形成局部的高溫高壓條件，促使粒子越過能壘;

　　3.反濺射功能用于提高結合力、減少雜質元素。綜上所述，正交電磁場離子源結構簡單、方式多樣、成本低廉，在硬質涂層沉積方面應用前景廣闊。