專利名稱：一種新型磁路結(jié)構(gòu)考夫曼型離子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子束的發(fā)生裝置，尤其涉及一種用于離子束輔助鍍膜的考夫曼型離子源。
背景技術(shù)：
考夫曼型離子源屬于熱陰極放電型氣體離子源，是一種寬束離子源。由于它能產(chǎn)生高束 流大面積的離子束，同時(shí)又具有離子束能量、密度和方向等參數(shù)獨(dú)立可控的優(yōu)點(diǎn)，使其在離 子束刻蝕、離子束濺射淀積鍍膜、離子束注入和表面處理等領(lǐng)域有著廣泛地研究和應(yīng)用?？挤蚵x子源由陽(yáng)極、陰極、放電室圓筒構(gòu)成放電室和屏柵、加速柵構(gòu)成光學(xué)引出系統(tǒng)、 產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁路結(jié)構(gòu)以及中和燈絲等部分組成。熱陰極在陽(yáng)極電場(chǎng)作用下發(fā)射電子，電子與 工作氣體分子(原子)碰撞電離，形成等離子體。磁場(chǎng)的作用是為了延長(zhǎng)原初電子(陰極發(fā) 射的電子，稱為原初電子)的壽命，增加原初電子與工作氣體分子(原子)發(fā)生碰撞的幾率， 提高離化率，同時(shí)約束等離子體。文獻(xiàn){Technology and applications of broad-beam ion sources used in sputtering . Part I. Ion source technology》(J. Vac. Sci. Technol.， 21(3)， 1982)提及離子束流特性的改善得益于磁 場(chǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。采用軸向磁場(chǎng)的放電室結(jié)構(gòu)是在放電室圓筒外部裝配與放電室圓筒中心軸線 平行的圓柱形永久磁鐵，或在放電室圓筒外部環(huán)繞電磁線圈。采用多極磁場(chǎng)的放電室結(jié)構(gòu)是 兩相鄰磁靴間固定有許多圓柱形永久磁鐵41，陽(yáng)極42位于磁靴43之間，其結(jié)構(gòu)示意圖如 圖1所示。圖1中，44為磁力線，45為工作氣體，46為離子束。采用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于 磁場(chǎng)大部分集中于陽(yáng)極42附近很小的范圍內(nèi)，放電室空間內(nèi)的大部分區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度很弱， 對(duì)離子的作用可忽略不計(jì)，使得等離子體中的離子密度在很大范圍內(nèi)作均勻分布，引出的離 子束流均勻性好。圖1所示結(jié)構(gòu)仍然是目前應(yīng)用比較廣泛的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但是，采用現(xiàn)有磁路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多極磁場(chǎng)的離子源存在如下不足之處-1、 陽(yáng)極由多個(gè)圓筒(或圓環(huán))組成，給離子源的裝配增加了難度，同時(shí)也增加電源引 線的接入與絕緣處理的難度；2、 多極磁場(chǎng)是由多個(gè)圓柱形磁鐵和磁靴組合產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拆卸費(fèi)時(shí)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種既能產(chǎn)生多極磁場(chǎng)、又能保 證結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于裝配、方便拆卸的新型磁路結(jié)構(gòu)考夫曼型離子源。 本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明結(jié)構(gòu)組成包括由陽(yáng)極管、陰極絲、加速柵和屏柵構(gòu)成離子源放電室，以及用于中和離子束中正電荷的中和燈絲；本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是設(shè)置單筒狀陽(yáng)極管，單筒狀陽(yáng)極管固定設(shè)置在位于在離子源放電室 底部的基底法蘭上，陰極絲位于陽(yáng)極管內(nèi)部，用于產(chǎn)生多極磁場(chǎng)的磁路由陽(yáng)極管外周分段設(shè) 置、且同名端相向的各環(huán)形磁鐵和分別設(shè)置在環(huán)形磁鐵頂部、底部以及隔間設(shè)置在各段環(huán)形 磁鐵之間的磁靴組件構(gòu)成。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于磁靴組件設(shè)置為由導(dǎo)磁隔板和連接在導(dǎo)磁隔板外周磁靴外圈構(gòu)成橫置的"工"字形結(jié)構(gòu)， 其中，與陽(yáng)極管接觸的導(dǎo)磁隔板為導(dǎo)磁不導(dǎo)電材質(zhì)，外磁靴外圈為不導(dǎo)磁材質(zhì)。在陽(yáng)極管的頂部設(shè)置頂端法蘭，頂端法蘭與基底法蘭之間是以長(zhǎng)螺栓連接構(gòu)成離子源放 電室支架，位于陽(yáng)極管上方的加速柵和屏柵分別設(shè)置在頂端法蘭上。在基底法蘭的外周設(shè)置屏蔽罩，中和燈絲固定設(shè)置在屏蔽罩的頂端。在離子源放電室的外側(cè)設(shè)置水冷套筒。在頂端法蘭的下表面設(shè)置有圓環(huán)形凹槽，冷卻水套筒嵌裝于圓環(huán)形凹槽中，與冷卻水套 筒4貫通的冷卻水的進(jìn)水管和出水管穿過(guò)基底法蘭而設(shè)置。 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、 本發(fā)明采用軸向磁化的環(huán)形磁鐵，通過(guò)磁靴的引磁作用，在陽(yáng)極管壁附近產(chǎn)生局部 的多極磁場(chǎng)，有效防止了原初電子撞擊陽(yáng)極管而導(dǎo)致能量損失；由于放電室內(nèi)低磁場(chǎng)區(qū)的存 在，避免了等離子體密度在很大放電空間內(nèi)的不均勻分布。2、 本發(fā)明中采用環(huán)形磁鐵較之已有技術(shù)中的圓柱形磁鐵更易于定位和安裝，其成橫置 "工"字形結(jié)構(gòu)設(shè)置的磁靴組件對(duì)于環(huán)形磁鐵形成了穩(wěn)固的定位，更有助于準(zhǔn)確裝配；3、 本發(fā)明中與陽(yáng)極管接觸的導(dǎo)磁隔板為導(dǎo)磁不導(dǎo)電材質(zhì)，簡(jiǎn)化了絕緣處理的問(wèn)題。4、 本發(fā)明以頂端法蘭和基底法蘭通過(guò)長(zhǎng)螺栓連接構(gòu)成構(gòu)成離子源放電室支架，整體結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、便于裝配和拆卸。5、 本發(fā)明中離子源放電室外側(cè)設(shè)置的水冷套筒使離子源在工作過(guò)程中被充分冷卻，避 免了因發(fā)熱過(guò)度而影響正常工作壽命。6、 本發(fā)明中頂端法蘭下表面凹槽的設(shè)置使水冷套筒更加便于裝配。


圖1是已有技術(shù)中采用多極磁場(chǎng)的考夫曼型離子源的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明磁靴組件結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)l上部磁靴組件、2長(zhǎng)螺栓、3頂端磁靴組件、4冷卻水套筒、5頂端法蘭、 6螺釘、9屏柵、IO加速柵、12絕緣板、13中和燈絲、14頂部螺釘、16上部環(huán)形磁鐵、17 中部環(huán)形磁鐵、18下部磁靴組件、19下部環(huán)形磁鐵、20底端磁靴組件、21陽(yáng)極管、22底 部螺栓、23絕緣套筒、24陰極絲、25支撐桿、26基底法蘭、27進(jìn)水管、28絕緣墊片、29 工作氣體管道、30外部法蘭、31出水管、32屏蔽罩、33導(dǎo)磁隔板、34外圈。
以下通過(guò)具體實(shí)施方式
，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
參見圖3，按常規(guī)形式，結(jié)構(gòu)組成中應(yīng)包括由陽(yáng)極管2K陰極絲24、加速柵10和屏柵 9構(gòu)成離子源放電室，以及用于中和離子束中正電荷的中和燈絲，以及用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁路 結(jié)構(gòu)。
圖3所示，本實(shí)施例中，設(shè)置單筒狀陽(yáng)極管21，單筒狀陽(yáng)極管21固定設(shè)置在位于在離 子源放電室底部的基底法蘭26上，陰極絲24位于陽(yáng)極管內(nèi)部，用于產(chǎn)生多極磁場(chǎng)的磁路由 陽(yáng)極管21外周分段設(shè)置、且同名端相向的各環(huán)形磁鐵和分別設(shè)置在環(huán)形磁鐵頂部、底部以 及隔間設(shè)置在各段環(huán)形磁鐵之間的磁靴組件構(gòu)成；具體包括如圖3所示的頂端磁靴組件3、 上部磁靴組件1、下部磁靴組件18、底端磁靴組件20，以及分別位于各磁靴組件之間的上 部環(huán)形磁鐵16、中部環(huán)形磁鐵17和下部環(huán)形磁鐵19。
本實(shí)施例中，設(shè)置基底法蘭26為總體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，陽(yáng)極管21通過(guò)底部螺栓22聯(lián)接固定 于基底法蘭26，在陽(yáng)極管21和基底法蘭26之間設(shè)置有絕緣墊片28，螺栓22與陽(yáng)極管21 之間裝有絕緣套筒23。
具體實(shí)施中，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式也包括
參見圖3，磁靴組件設(shè)置為由導(dǎo)磁隔板33和連接在導(dǎo)磁隔板33外周磁靴外圈34構(gòu)成 橫置的"工"字形結(jié)構(gòu)，其中，與陽(yáng)極管21接觸的導(dǎo)磁隔板33為導(dǎo)磁不導(dǎo)電材質(zhì)，外磁靴 外圈34為不導(dǎo)磁材質(zhì)。
在陽(yáng)極管21的頂部設(shè)置頂端法蘭5，頂端法蘭5與基底法蘭26之間是以長(zhǎng)螺栓2連接 構(gòu)成離子源放電室支架，位于陽(yáng)極管21上方的加速柵10和屏柵9分別設(shè)置在頂端法蘭5上。
在基底法蘭26的外周設(shè)置屏蔽罩32，中和燈絲13固定設(shè)置在屏蔽罩13的頂端。
在離子源放電室的外側(cè)設(shè)置水冷套筒2，使離子源在工件過(guò)程中被充分冷卻，避免了因 發(fā)熱過(guò)度而影響正常工作壽命，為了便于裝配，在頂端法蘭5的下表面設(shè)置有圓環(huán)形凹槽， 冷卻水套筒4嵌裝于圓環(huán)形凹槽中，與冷卻水套筒4貫通的冷卻水的進(jìn)水管27和出水管31 穿過(guò)基底法蘭26而設(shè)置。此外，如圖3所示，在基底法蘭26上加工有凹槽，以利于磁路中底端磁靴組件20的安 裝；離子束的引出系統(tǒng)直接聯(lián)接固定于頂端法蘭5上，使屏柵9和加速柵10的電壓便于接入; 頂端磁靴組件3的上表面與頂端法蘭5的下表面共面，屏柵9和加速柵IO分別通過(guò)絕緣墊片， 并以頂部螺釘14聯(lián)接固定于頂端法蘭5;通過(guò)外部法蘭30聯(lián)接工作氣體管道29以及陰極絲 24的支撐桿25。屏蔽罩32用螺栓聯(lián)接于基底法蘭26。中和燈絲13聯(lián)接于屏蔽罩32的上端， 在螺釘6與屏蔽罩32之間有"L"形絕緣板12。
權(quán)利要求
1、一種新型磁路結(jié)構(gòu)考夫曼型離子源，其結(jié)構(gòu)組成包括由陽(yáng)極管(21)、陰極絲(24)、加速柵(10)和屏柵(9)構(gòu)成離子源放電室，以及用于中和離子束中正電荷的中和燈絲；其特征是設(shè)置單筒狀陽(yáng)極管(21)，所述單筒狀陽(yáng)極管(21)固定設(shè)置在位于在離子源放電室底部的基底法蘭(26)上，陰極絲(24)位于陽(yáng)極管內(nèi)部，用于產(chǎn)生多極磁場(chǎng)的磁路由陽(yáng)極管(21)外周分段設(shè)置、且同名端相向的各環(huán)形磁鐵和分別設(shè)置在環(huán)形磁鐵頂部、底部以及隔間設(shè)置在各段環(huán)形磁鐵之間的磁靴組件構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型磁路結(jié)構(gòu)考夫曼型離子源，其特征是所述磁靴組件設(shè)置 為由導(dǎo)磁隔板(33)和連接在導(dǎo)磁隔板(33)外周磁靴外圈(34)構(gòu)成橫置的"工"字形結(jié) 構(gòu)，其中，與陽(yáng)極管(21)接觸的導(dǎo)磁隔板(33)為導(dǎo)磁不導(dǎo)電材質(zhì)，外磁靴外圈(34)為不 導(dǎo)磁材質(zhì)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型磁路結(jié)構(gòu)考夫曼型離子源，其特征是在所述陽(yáng)極管(21) 的頂部設(shè)置頂端法蘭(5)，所述頂端法蘭(5)與基底法蘭(26)之間是以長(zhǎng)螺栓(2)連接 構(gòu)成離子源放電室支架，位于陽(yáng)極管(21)上方的加速柵(10)和屏柵(9)分別設(shè)置在頂 端法蘭(5)上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型磁路結(jié)構(gòu)考夫曼型離子源，其特征是在所述基底法蘭(26) 的外周設(shè)置屏蔽罩(32)，中和燈絲(13)固定設(shè)置在屏蔽罩(32)的頂端。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型磁路結(jié)構(gòu)考夫曼型離子源，其特征是在所述離子源放電 室的外側(cè)設(shè)置水冷套筒(4)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的新型磁路結(jié)構(gòu)考夫曼型離子源，其特征是在所述頂端法蘭(5) 的下表面設(shè)置有圓環(huán)形凹槽，冷卻水套筒(4)嵌裝于圓環(huán)形凹槽中，與冷卻水套筒(4)貫 通的冷卻水的進(jìn)水管(27)和出水管(31)穿過(guò)基底法蘭(26)而設(shè)置。
全文摘要
一種新型磁路結(jié)構(gòu)考夫曼型離子源，其結(jié)構(gòu)組成包括由陽(yáng)極管、陰極絲、加速柵和屏柵構(gòu)成離子源放電室，以及用于中和離子束中正電荷的中和燈絲；其特征是設(shè)置單筒狀陽(yáng)極管固定在位于在離子源放電室底部的基底法蘭上，陰極絲位于陽(yáng)極管內(nèi)部，用于產(chǎn)生多極磁場(chǎng)的磁路由陽(yáng)極管外周分段設(shè)置、且同名端相向的各環(huán)形磁鐵和分別設(shè)置在環(huán)形磁鐵頂部、底部以及隔間設(shè)置在各段環(huán)形磁鐵之間的磁靴組件構(gòu)成。本發(fā)明采用軸向磁化的環(huán)形磁鐵，通過(guò)磁靴的引磁作用，在陽(yáng)極管壁附近產(chǎn)生局部的多極磁場(chǎng)，有效防止了原初電子撞擊陽(yáng)極管而導(dǎo)致能量損失，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于裝配、方便拆卸。
文檔編號(hào)H01J37/08GK101308754SQ20081012252
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
發(fā)明者干蜀毅, 張建國(guó), 朱仁勝, 郭江濤, 陳長(zhǎng)琦 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)