CN109192641B - 一种潘宁冷阴极离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潘宁冷阴极离子源，通过给阳极筒和阴极之间加放电电压，使得气体在放电室内产生放电，形成等离子体；并给阴极栅网和引出栅网之间加引出电压，使离子从放电室内等离子体中通过引出栅网的引出口引出。本发明通过第一气体分布室进行第一级分配，第一级分配通过较大的第一气体分布室，使之能够很快达到整个放电区分布，但不能做到均匀，再通过第二气体分布室进行第二级分配，第二级分配通过小的第二气体分布室分布均匀，使之可以均匀分布在整个放电区。解决了现有技术中由于潘宁冷阴极离子源对气流分布要求较高，做大尺寸引出较为困难的问题。本发明可以做大尺寸引出，能够对大尺寸样品表面进行处理。

Description

一种潘宁冷阴极离子源

技术领域

本发明属于离子束材料表面改性技术领域，尤其涉及一种潘宁冷阴极离子源。

背景技术

离子源技术被广泛应用于材料表面改性研究，以及微电子器件的制作中，因此离子源技术是非常重要的一种应用技术。离子源是离子束表面处理的核心部件，是产生离子的源。当离子源产生的各种离子通过电场时获得高能量，然后采用这些高能量离子处理样品表面，使样品表面形成新的结构，从而达到材料表面改性和新器件的形成等目的。

目前，用于离子镀膜前处理的离子源主要有霍尔离子源、考夫曼离子源和潘宁冷阴极离子源，有少部分采用微波放电和高频放电离子源等。

霍尔离子源的电流大，电压低，主要用于光学镀膜，处理金属基底不太理想；考夫曼离子源的灯丝寿命短，需要经常更换，非常不方便，而且不能处理氧化薄膜；微波和高频放电离子一般功率小，价格高。

冷阴极离子源不用灯丝，寿命长，结构简单，其依靠潘宁放电形式获得等离子体，其结构为两个相对放置的放电阴极和一个阳极组成，阳极为一个圆筒状，放电阴极为两个片状电极结构，位于阳极筒两端上下相对放置，其中的一个放电阴极中间开孔，用于引出离子束流，阳极外加有永久磁铁轴向放置，电子在放电阴极与阳极之间形成的电场中得到加速，在两个放电阴极间来回振荡，并在磁场的作用下，形成螺旋运动，增加电子与分子的碰撞几率，提高电离度。当气体输入阳极和放电阴极构成的放电室后，产生放电形成等离子体。

这种结构离子源电子依靠在两个放电阴极之间形成振荡和碰撞产生，但由于放电气压高和电压高，对气流分布和磁场分布要求比较高，否则形成放电不均匀和烧蚀现象，因此电流较小，做大尺寸引出比较困难，现有的冷阴极离子源一般多是引出口径12厘米以下圆形离子源，但随着工业生产的需求，真空室要求越来越大，对离子源的尺寸要求也越来越大，有人提出过采用多个小源拼接方式，但后来发现，拼接方式很难做到引出束均匀分布，因此有必要研制大尺寸的长方形离子源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种潘宁冷阴极离子源，解决了现有技术中由于潘宁冷阴极离子源对气流分布和磁场分布要求较高，做大尺寸引出较为困难的问题。本发明可以做大尺寸引出，能够对大尺寸样品表面进行处理。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种潘宁冷阴极离子源，包括底座、进气嘴、气体分布装置、阴极、阳极筒、安装筒、永久磁钢、阴极栅网以及引出栅网；

进气嘴由底座的底部贯穿至顶部；气体分布装置包括连成一体的第一气体分布室和第二气体分布室，第一气体分布室的腔体体积大于第二气体分布室的腔体体积，第一气体分布室设置在底座上，第一气体分布室和底座之间形成第一空腔，由进气嘴通入的气体能够进入第一空腔内；第一气体分布室和第二气体分布室的连接处设有若干个第一通气孔；第二气体分布室的侧壁上开设有若干个第二通气孔；第二气体分布室上设置有阴极，阴极上设置有第三通气孔，阴极外设置有阳极筒，阳极筒外设置有安装筒，安装筒上设有若干个用于安装永久磁钢的安装孔；阴极位于阳极筒的下面，阴极栅网位于阳极筒的上面，阴极栅网与阳极筒之间设有绝缘层，阴极和阴极栅网相对放置；阴极栅网上平行设置有引出栅网，引出栅网的中间设置有引出口。

更进一步地，本发明的特点还在于：

进气嘴位于底座的中部；相邻第一通气孔之间的距离由端部向中间逐渐增大。

相邻第二通气孔之间的距离由端部向中间逐渐增大。

永久磁钢沿安装筒的周向分布，若干个永久磁钢相互平行，中间的若干个永久磁钢之间均匀分布，两端的相邻永久磁钢之间的间距逐渐增大。

永久磁钢为圆柱状。

阴极包括连成一体的本体和辅助阴极，辅助阴极突出在阳极筒内。

底座上设有用于放置气体分布装置的凹槽。

引出口为长方形。

引出口的长度为450mm，宽度为40mm。

阴极和阳极筒之间加有600V—700V的放电电压；

引出栅网和阴极栅网之间加有引出电压；当离子源用于清洗时，引出电压为800V—1500 V；当离子源用于刻蚀时，引出电压为2000V—3000V。

由进气嘴通入的气体为氩气。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种潘宁冷阴极离子源，通过给阳极筒和阴极之间加放电电压，使得气体在放电室内产生放电，形成等离子体；并给阴极栅网和引出栅网之间加引出电压，使离子从放电室内等离子体中通过引出栅网的引出口引出。本发明提出了进气分级分配原则，由于进气嘴进气后，不能很快分布，本发明将气体分布装置设置成连成一体的第一气体分布室和第二气体分布室，第一气体分布室的腔体体积大于第二气体分布室的腔体体积，本发明通过第一气体分布室进行第一级分配，第一级分配通过较大的第一气体分布室，使之能够很快达到整个放电区分布，但不能做到均匀，再通过第二气体分布室进行第二级分配，第二级分配通过小的第二气体分布室分布均匀，使之可以均匀分布在整个放电区。本发明适用于工业生产，用于镀膜前处理工艺，使用方便、简单、长期无故障，使用可靠。

进一步地，本发明采用放电空间中间的永久磁钢间距分布均匀的方式，当接近弧形两端时，相邻永久磁钢之间的间距逐渐加大，使之保证磁场分布均匀。

进一步地，本发明实现了气体和磁场的分布均匀，因此，本发明的引出口可设置为长方形大面积的引出口径，满足了市场需求。

附图说明

图1为本发明提供的一种潘宁冷阴极离子源的结构示意图；

图中，1、底座；2、绝缘层；3、阴极；4、永久磁钢；5、阳极筒；6、引出栅网；7、阴极栅网；8、进气嘴；9、安装筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明提供了一种潘宁冷阴极离子源，包括底座1、进气嘴8、气体分布装置、阴极3、阳极筒5、安装筒9、永久磁钢4、阴极栅网7以及引出栅网6；

进气嘴8由底座1的底部贯穿至顶部；气体分布装置包括连成一体的第一气体分布室和第二气体分布室，第一气体分布室的腔体体积大于第二气体分布室的腔体体积，第一气体分布室设置在底座1上，第一气体分布室和底座1之间形成第一空腔，由进气嘴8通入的气体能够进入第一空腔内；第一气体分布室和第二气体分布室的连接处设有若干个孔，将其称为第一通气孔；第二气体分布室的侧壁上开设有若干个孔，将其称为第二通气孔；第二气体分布室上设置有阴极3，阴极3固定在底座1上，阴极3上设置有孔，将其称为第三通气孔，阴极3外设置有阳极筒5，阳极筒5外设置有安装筒9，安装筒9上设有若干个用于安装永久磁钢4的安装孔；阴极3位于阳极筒5的下面，阴极栅网7位于阳极筒5的上面，阴极栅网7与阳极筒5 之间设有绝缘层2，阴极3和阴极栅网7相对放置；阴极栅网7上平行设置有引出栅网6，引出栅网6的中间设置有引出口。

在这里，本发明提出了进气分级分配原则，由于进气嘴8进气后，不能很快分布，本发明通过第一气体分布室进行第一级分配，第一级分配通过较大的第一气体分布室，使之能够很快达到整个放电区分布，但不能做到均匀，再通过第二气体分布室进行第二级分配，第二级分配通过小的第二气体分布室分布均匀，使之可以均匀分布在整个放电区。

优选地，进气嘴8位于底座1的中部；相邻第一通气孔之间的距离由端部向中间逐渐增大。相邻第二通气孔之间的距离由端部向中间逐渐增大。在这里，由于进气嘴8位于底座1的中部，中部气量相对于两端的气量充足，因此中部的第一通气孔和第二通气孔设置的相对稀疏，两端的第一通气孔和第二通气孔设置的相对紧凑，从而达到气体分布均匀的目的。

优选地，本发明的永久磁钢4为圆柱状，永久磁钢4沿安装筒9的周向分布，若干个永久磁钢4相互平行，永久磁钢4的下端和安装筒9固定在底座1上。中间的若干个永久磁钢4之间均匀分布，两端的相邻永久磁钢4之间的间距逐渐增大。

在这里，本发明根据长方形离子源特点，放电空间中间的永久磁钢4间距分布均匀的方式，当接近弧形两端时，相邻永久磁钢4之间的间距逐渐加大，使之保证磁场分布均匀。

优选地，本发明的底座1上设有用于放置气体分布装置的凹槽。

由于本发明能够使磁场及气体均匀分布，因此，本发明的引出口能够做成长方形，引出口的长度能够做到450mm，宽度能够做到40mm。

本发明的阴极3和阳极筒5之间加有600V—700V的放电电压，在这里，阳极筒5电位和阴极电位分别通过接线柱接入；引出栅网6和阴极栅网7之间加有引出电压；当离子源用于清洗时，引出电压为800V—1500V；当离子源用于刻蚀时，引出电压为2000V—3000V。

优选地，本发明由进气嘴8通入的气体为氩气，氩气为惰性气体，最易电离。

使用时，首先抽系统真空到10^-3Pa，然后，向放电室内充入所需气体，到10^-1Pa，这时，在阳极筒5与阴极3之间加700伏电压，使得气体在放电室内产生放电，形成等离子体，这时，在引出极加1000-1500伏引出电压，使离子从放电室内等离子体中通过引出栅网6的引出口引出，引出栅网6和阴极栅网7之间形成聚焦透镜使离子束聚焦成束。

Claims (6)

1.一种潘宁冷阴极离子源，其特征在于，包括底座(1)、进气嘴(8)、气体分布装置、阴极(3)、阳极筒(5)、安装筒(9)、永久磁钢(4)、阴极栅网(7)以及引出栅网(6)；

进气嘴(8)由底座(1)的底部贯穿至顶部；气体分布装置包括连成一体的第一气体分布室和第二气体分布室，第一气体分布室的腔体体积大于第二气体分布室的腔体体积，第一气体分布室设置在底座(1)上，第一气体分布室和底座(1)之间形成第一空腔，由进气嘴(8)通入的气体能够进入第一空腔内；第一气体分布室和第二气体分布室的连接处设有若干个第一通气孔；第二气体分布室的侧壁上开设有若干个第二通气孔；第二气体分布室上设置有阴极(3)，阴极(3)上设置有第三通气孔，相邻第一通气孔之间的距离由端部向中间逐渐增大；相邻第二通气孔之间的距离由端部向中间逐渐增大，阴极(3)外设置有阳极筒(5)，阳极筒(5)外设置有安装筒(9)，安装筒(9)上设有若干个用于安装永久磁钢(4)的安装孔，永久磁钢(4)沿安装筒(9)的周向分布，若干个永久磁钢(4)相互平行，中间的若干个永久磁钢(4)之间均匀分布，两端的相邻永久磁钢(4)之间的间距逐渐增大；阴极(3)位于阳极筒(5)的下面，阴极栅网(7)位于阳极筒(5)的上面，阴极栅网(7)与阳极筒(5)之间设有绝缘层(2)，阴极(3)和阴极栅网(7)相对放置；阴极栅网(7)上平行设置有引出栅网(6)，引出栅网(6)的中间设置有引出口，引出口为长方形，引出口的长度为450mm，宽度为40mm。

2.根据权利要求1所述的潘宁冷阴极离子源，其特征在于，永久磁钢(4)为圆柱状。

3.根据权利要求1所述的潘宁冷阴极离子源，其特征在于，阴极(3)包括连成一体的本体和辅助阴极，辅助阴极突出在阳极筒(5)内。

4.根据权利要求1所述的潘宁冷阴极离子源，其特征在于，底座(1)上设有用于放置气体分布装置的凹槽。

5.根据权利要求1所述的潘宁冷阴极离子源，其特征在于，阴极(3)和阳极筒(5)之间加有600V—700V的放电电压；

引出栅网(6)和阴极栅网(7)之间加有引出电压；当离子源用于清洗时，引出电压为800V—1500V；当离子源用于刻蚀时，引出电压为2000V—3000V。

6.根据权利要求1所述的潘宁冷阴极离子源，其特征在于，由进气嘴(8)通入的气体为氩气。

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